• 터널과지하공간
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• 제33권6호
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• pp.534-546
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• 2023

디스크 커터는 과다하게 마모되거나 손상되는 경우 회전이 불가능하거나 효율적으로 암석을 절삭하는 것이 불가능하다. 따라서 디스크 커터의 마모정도에 따라 교체주기를 적절하게 관리하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 디스크 커터의 교체주기를 결정하기 위해서 인력에 의한 정기적인 계측을 수행한다. 이러한 인력에 의한 디스크 커터의 계측은 작업자의 안전과 관련한 이슈가 있고, 부정확한 계측결과를 가져올 수도 있다. 이러한 이유로 해외에서는 디스크 커터의 마모정도를 센서를 통해 실시간으로 측정하기 위한 기술의 개발이 이루어지고 있으며, 디스크 커터의 마모량 계측에는 초음파 센서, 와전류 센서, 자기 센서 등이 활용된다. 본 연구에서는 TBM 디스크 커터의 마모량을 실시간으로 계측하기 위한 와전류 센서의 적용성을 평가하였다. 와전류 센서의 거리 계측정확도를 실험실 모사시험을 통해 평가하였고, 특히 디스크 커터가 노출될 수 있는 챔버 내 여러 환경조건에서의 계측정확도를 비교하였다. 최종적으로는 17인치 디스크 커터를 활용하여 와전류 센서의 계측 정확도를 검증하였다.

• 터널과지하공간
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• 제23권1호
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• pp.54-65
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• 2013

선형절삭시험(Linear Cutting Machine)은 TBM(Tunnel Boring Machine)에서의 디스크 커터 설계와 굴진성능 예측을 위한 가장 신뢰성 있는 시험 중의 하나로서, 실대형 암석시료를 대상으로 실제의 커터 하중을 예측할 수 있는 장점을 갖고 있지만, 시료의 채취 및 운반이 용이하지 않고, 1회 시험에 많은 비용이 소요되는 단점을 갖고 있다. 최근 선형절삭시험이 갖는 이러한 경제적 시간적 제약점들을 극복할 수 있는 현실성 있는 수치모델의 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 3차원 입자결합모델을 이용하여 디스크 커터의 절삭에 의한 부산 응회암의 파쇄양상과 최적 커터간격을 도출하였다. 본 해석에서 분석된 비에너지는 $14.3MJ/m^3$ 일 때 최소값을 나타냈다. 이때의 최적의 s/p 비는 약 16 으로 분석되었으며, 부산응회암의 선형절삭시험 및 유한요소법에 의한 수치해석 연구결과와 유사한 경향을 나타냈다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.359-368
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• 2022

Undercutting using an actuated disc cutter (ADC) involves more complex cutting mechanism than traditional rock cutting does, requiring the application of various new cutting parameters, such as eccentricity, cutter inclination angle, and axis rotational speed. This study presents cutting-edge laboratory-scale testing equipment that allows performing ADC tests. ADC tests were carried out on a concrete block with a specified strength of 20 MPa, using a variety of cutting settings that included penetration depth (p), eccentricity (e), and linear velocity (v). ADC, unlike pick and disc cutting, has a non-linear cutting path with a dynamic cutting direction, requiring the development of a new method for predicting cutting force and specific energy. The influence of cutting parameters to the cutter forces were discussed. The ratio of eccentricity to the penetration depth (e/p) was proposed to evaluate the optimal cutting condition. Specific energy varies with e/p ratio, and exhibits optimum values in particular cases. In general, actuated undercutting may potentially give a more efficient cutting than conventional pick and disc cutting by demonstrating reasonably lower specific energy in a comparable cutting environment.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.475-488
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• 2017

암반용 TBM 공사에서 디스크 커터의 마모도 예측은 설계 및 시공 단계에서 정확한 공사비와 공사기간을 추정하는데 중요한 요소이다. 디스크 커터 마모도 예측에 널리 사용되고 있는 방법으로는 CSM 모델, 노르웨이 NTNU 모델, Gehring 모델이 있으며, 이들 모델은 각각 세르샤 시험, NTNU 시험 결과로부터 도출된 디스크 커터의 마모지수와 수명 지수를 활용하고 있다. 세르샤 시험은 금속 핀을 이용하여 일방향으로 마모를 발생 시키기 때문에 광물 입자크기나 암석의 이방성에 따라 결과의 편차가 큰 것으로 조사되었다(SINTEF, 2013). 한편, NTNU 시험의 경우에 시료 성형을 위한 사전 작업이 필요하기 때문에 수행 완료까지 2~3일의 기간이 소요된다. 본 연구에서는 금속 디스크의 회전과 이와 직교되는 방향으로 이동하면서 양방향 마모를 발생시켜 마모시험 결과의 편차를 줄이고, NTNU 시험 대비 별도의 시료성형이 필요 없어 소요 시간을 1~2시간으로 단축할 수 있는 새로운 디스크 커터 마모도 예측시험과 이를 이용한 마모지수를 제안하였다. 제안된 마모 지수는 동일 암석을 이용한 세르샤 시험과 NTNU 시험결과와 비교하여 높은 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 또한 국내 외 TBM 현장의 암석 시편을 이용하여 시험결과와 현장의 실제 디스크 커터 마모량을 비교 검증하였으며, 95%의 높은 결정계수를 확인하였다. NAT 시험은 신속하게 시험 수행이 가능하고, 시험 결과로부터 제안된 마모지수가 높은 신뢰수준을 보이는 것으로 판단되어 향후 활용도가 높을 것으로 기대한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권1호
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• pp.1-12
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• 2021

Tunnel boring machine (TBM)의 설계에 있어서 지반과 직접적으로 맞닿아 절삭을 담당하는 커터헤드의 설계에 따라서 장비의 굴진효율이 달라지게 된다. 디스크커터는 배치되는 위치에 따라 센터 커터 존, 이너 커터 존, 트렌지션 커터 존으로 구분된다. 기존에도 페이스커터의 최적 절삭조건을 규명하기 위한 연구는 많이 진행되어 왔으나, 트렌지션 커터의 최적 절삭조건을 규명하기 위한 연구는 상대적으로 미진하였다. 본 연구에서는 트렌지션 커터의 최적의 절삭조건을 규명하기 위해 개별요소법 수치해석을 수행하고 트렌지션 커터 사이의 각도에 따른 비에너지 곡선을 작도하여 최적 절삭조건을 알아보고자 하였다. 수치해석 결과 전이영역에서 최소 비에너지를 보이는 트렌지션 커터 사이의 각도 9°인 것으로 확인되었다. 이를 트렌지션 커터의 경사각에 따라 3가지 영역으로 구분하고 영역별 디스크커터 사이의 각도와 비에너지를 정리한 결과 트렌지션 커터의 경사각이 커질수록 최적 비에너지를 보이는 트렌지션 커터 사이의 각도는 10°에서 8°까지 점차 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 기존에 사용되고 있는 트렌지션 커터의 설계 결과와 유사한 경향으로써, 본 연구의 결과를 밑받침한다.

• 터널과지하공간
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• 제19권5호
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• pp.440-449
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• 2009

LCM 시험은 TBM에서의 디스크 커터 설계와 굴진성능 예측을 위한 가장 신뢰성 있는 시험 중의 하나이다. 그러나 이는 실대형 암석시료의 채취, 운반 및 거치에 많은 비용이 소요되는 단점을 가지고 있으며, 절리가 포함된 시료에 대한 시험이 용이하지 않아 시험에서 예측된 모델을 설계에 활용하기 어려운 경우가 많다. 따라서 LCM 시험이 갖는 이러한 경제적 시간적 제약점들을 극복할 수 있는 현실성 있는 수치모델링이 고려된다면, 현장에서의 복잡한 검토과정 없이 현장에 직접 적용할 수 있는 적합한 형태의 TBM 절삭모델을 제시할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 UDEC을 이용하여 단일절리를 포함한 암석시료에 대한 디스크 커터의 절삭 메커니즘 분석을 위해 디스크 커터의 가압지점의 위치와 절리의 방향성에 따른 균열전파양상을 분석하였으며, 이를 통하여 절리의 방향에 따른 적절한 디스크 커터의 가압지점 위치 및 디스크 커터의 적정 간격을 도출하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권6호
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• pp.1091-1104
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• 2018

암반용 TBM 공사에서 디스크 커터의 마모 예측은 설계 및 시공 단계에서 비용과 공기 측면에서 매우 중요한 요소이다. 디스크 커터 마모 예측에 널리 사용되고 있는 방법으로는 노르웨이 NTNU 모델, CSM 모델과 Gehring 모델이 있지만, 시험의 정확도와 소요 시간의 측면에서 개선의 여지가 있었다. 이를 반영하여 NAT (New Abrasion Tester) 모델을 개발하였다(Farrokh and Kim, 2018). 제안된 NAT를 국내 ${\bigcirc}{\bigcirc}$현장에 적용하였고, 기존의 방법과 비교 검토를 수행하였다. 분석 결과 ${\bigcirc}{\bigcirc}$현장의 경우 기존 방법에 비해 NAT의 예측 결과가 커터 교체 현장 실측 데이터와 잘 맞는 것으로 나타났다. NAT 모델을 향후 더 많은 현장에 적용하여 모델의 신뢰도를 높일 예정이다.

• 터널과지하공간
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• 제34권2호
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• pp.143-153
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• 2024

TBM 공법은 발파 공법에 비해 굴착 중 소음과 진동 수준이 낮고, 안정성이 높은 터널 굴착 공법이며, 전세계적으로 터널 프로젝트에 TBM 공법을 적용하는 사례가 증가하는 추세이다. 디스크 커터는 TBM의 커터헤드에 장착되는 굴착 도구로 지속적으로 막장면 지반과 상호작용하며, 이때 필연적으로 마모가 발생한다. 본 연구에서는 지질 조건과 TBM 운영파라미터, 머신러닝 알고리즘들을 이용하여 디스크 커터 마모를 정량적으로 예측하였다. 디스크커터 마모 예측의 입력변수 중 UCS 데이터의 수가 다른 기계 데이터 및 마모 데이터에 비해 매우 부족하기 때문에, 먼저 TBM 기계 데이터를 이용하여 전체 구간에 대한 UCS 추정을 진행하고, 완성된 전체 데이터로 마모율 계수 예측을 수행하였다. 마모율 계수 예측 모델의 성능을 비교해 본 결과 XGBoost 모델의 성능이 가장 높게 나타났으며, 복잡한 예측 모델의 해석을 위해 SHapley Additive exPlanation (SHAP) 분석을 진행하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.237-251
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• 2013

본 연구는 변형률게이지와 열전대, 적외선 열화상카메라를 사용하여 선형절삭실험 동안 디스크커터의 축에 발생하는 축응력과 토크를 측정하고 디스크커터의 내부와 외부의 온도를 파악하고자 하였다. 실험결과, 축응력과 토크의 최대값은 각각 11.3 MPa, $171kN{\cdot}m$로 측정되었으며, 축응력과 토크는 회전력보다는 디스크커터의 연직력과 상관성이 높은 것으로 나타났다. 선형절삭실험 동안 열전대로 측정한 결과, 디스크커터의 온도변화는 $0.2^{\circ}C$ 이내로 나타났다. 그러나 수행된 각 선형절삭작업이 연속적으로 이루어진다고 가정한 다음, 디스크커터의 내부온도와 커터 링 표면의 온도변화를 추정한 결과, 커터간격이 70 mm인 경우에는 각각 $0.1^{\circ}C/m$, $0.15{\sim}0.17^{\circ}C/m$로 예상되었고 커터간격이 90 mm인 경우에는 각각 $0.09^{\circ}C/m$, $0.13{\sim}0.23^{\circ}C/m$로 추정되었다.

• 터널과지하공간
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• 제17권3호
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• pp.225-233
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• 2007

노르웨이는 계곡이나 피요르드와 같은 굴곡이 심한 지형 때문에 터널이 많이 건설되었으며, 그 가운데 지난 30년 동안 59개의 터널이 전단면 기계굴착으로 완성되었다. 이러한 기계굴착 경험을 통하여 예측기법이 개발되고 발전되었으며 마침내 국립공과대학인 NTNU에서 예측법이 체계화되었다. 본 보고는 TBM 굴착자료가 알려진 14개의 노르웨이 터널과 4개의 국내의 터널에서 순굴착속도와 굴진속도를 분석하여, 이들의 발전경향을 연구한 것이다. 이 기간동안 노르웨이에서는 디스크 커터의 직경을 증대시키고 배열을 최적화하여 순굴착속도와 굴진속도를 두배 정도로 증진시켰다. 국내에서도 1980년부터 1990대까지 15년 동안 IBM의 굴진속도는 노르웨이에 비하여 작은 크기이지만 뚜렷이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 작은 속도는 암반의 특성에도 기인하지만 17 인치보다 작은 직경의 디스크 커터를 사용한데 크게 기인된 것으로 판단된다. 향후 국내의 전단면 기계굴착에서 장비와 기술의 개선을 이루고, 특히 17 또는 19 인치의 디스크 커터를 사용한다면 순굴착속도와 굴진속도를 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다.