• 터널과지하공간
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• 제32권6호
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• pp.345-352
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• 2022

도심지 터널 건설에서 발파공법은 민원이 제기되는 문제점이 있어 적용에 제약받고 있다. 이에 대한 대안으로 TBM 및 기계굴착 공법 적용이 필수적으로 검토되고 있다. 이 중 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)은 굴진과 세그먼트 체결이 번갈아 반복되며 굴진하는 공정을 가지고 있는데, 세그먼트 체결 동안 굴진을 멈추게 된다. 이러한 가동 정지시간을 최소화하고자 세그먼트 체결 중에도 가동할 수 있는 연속굴착형 TBM 기술이 개발되고 있다. 나선형 세그먼트의 굴진 반력을 확보하기 위해 추진잭을 개조하고 신뢰성을 확보하는 연구가 진행 중이다. 또한 체결 중 세그먼트를 제외한 나머지 부분의 추진잭을 가동하는 유압제어 및 유압시스템 설계기술이 개발될 예정이다. 본 보고는 연속굴착형 TBM 과제 중 부품개조 및 유압제어 기술에 대한 일부 내용을 소개한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권1호
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• pp.1-12
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• 2016

TBM 시공 중에는 설계단계에서 예측하지 못한 지반과 조우할 수 있다. 그 중에서 TBM 굴진의 안정성을 저해하는 위험지반과 조우할 경우, 예상치 못한 문제로 인한 공사비 증가, 공기 지연 등으로 상당한 경제적 손실이 발생하게 된다. 따라서 시공 중 예상치 못한 리스크를 최소화하는 것은 TBM 프로젝트에서 매우 중요한 문제이다. 본 논문에서는 TBM 시공 중 막장전방의 위험지반을 사전에 예측하는 방안과 해당 위험지반으로 인해 발생 가능한 리스크 사건을 제시하였다. 또한 리스크 사건의 위험도를 평가하고, 대응이 필요한 리스크 사건에 대하여 대책공법을 제시할 수 있는 TBM 리스크 관리 시스템을 개발하였다. 먼저 TBM 굴진 중 안정성을 저해하는 위험지반들로 인해 발생 가능한 리스크 사건을 정리하였으며, 시공 중 막장전방의 위험지반을 예측하기 위한 방법으로 전기비저항 탐사기법을 활용하였다. 이렇게 예측한 위험지반에서 발생 가능한 리스크 사건의 위험도 평가는 위험지반 조우 시 리스크 사건의 발생확률과 리스크로 인한 다운타임의 크기에 대한 상호 영향도를 고려하여 수행한다. 평가 결과 등급에 따라 대응이 필요한 리스크 사건에 대하여 대책공법들을 제시하였으며, 여러 대책공법 중 최적의 대책공법을 객관적인 기준으로 선정하기 위하여 공사비와 공사기간 등을 속성으로 한 다기준 의사결정론을 활용하였다. 마지막으로 본 시스템의 검증을 위해 실제 리스크가 발생했던 EPB Shield TBM 현장에 개발 시스템을 적용하여, 시공 중 효과적인 리스크 관리를 통해 발생 가능한 리스크의 사전 대응이 가능함을 확인하였다.

• 한국철도학회:학술대회논문집
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• 한국철도학회 2003년도 추계학술대회 논문집(II)
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• pp.569-578
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• 2003

In this paper a determination of the optimal excavation method and machine type for a tunnel under the Han river between the Sungsoo-dong, Sungdong-Gu and the Chungdaw-dong, Kangnam-Gu in the Bundang railway. The geological investigation results show that some fractured zones exist locally under the northern boundary of the Han river bed, but the other regions consist mostly of hard rocks of good quality in the tunnel excavation level. Also, a hign water pressure of $5kgf/cm^2$ and a flash inflow of river water due to old boring holes are expected during tunnel excavation. A EPB shield TBM is selected as a optimal excavation machine for the Han river tunnel considering the geological and ,site conditions.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권3호
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• pp.323-345
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• 2019

토사지반과 핵석지반에서 EPB 쉴드 TBM을 통한 성공적인 터널 시공을 위해서 굴착면 전방의 지반 정보를 정확히 파악하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 전기비저항 탐사와 유도분극(induced polarization) 탐사를 함께 활용하여 복합토사지반과 핵석지반에 대한 전방 예측 방안을 제시하고자 하였다. 토사지반의 구성은 EPB 쉴드 TBM에서 첨가재 선택에 필수요소이며, 핵석지반은 기계화 시공에서 난이도가 높은 지반이기 때문이다. 탐사는 TBM이 굴진을 멈추고 세그먼트 1링을 조립할 시에 커터헤드에 설치된 4개의 전극을 활용하여 수행된다고 보았다. 토사지반의 경우 화강풍화토, 모래, 점토로 구성된 복합지반에 대해 축소모사하여 실내실험을 수행하였다. 실험 결과 전기비저항은 복합지반 이론해와 상당히 일치하였으며 유도분극은 경우에 따라 전기비저항과 경향성이 일치하거나 완전히 상반되었다. 이러한 결과를 토대로 실제 현장에서 적용 가능한 토사지반 예측방안을 제시하였다. 핵석지반의 경우 균질지반에서 핵석지반으로 굴착해 나가는 상황을 축소모사하였으며 핵석의 불규칙성을 난수를 통해 모사하였다. 실험결과 전기비저항은 핵석지반에 접근할수록 증가하였고 유도분극은 불규칙하게 오르내림을 거듭하는 경향을 나타내었다.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.528-546
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• 2018

국내외 터널공사에서 TBM의 적용사례가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 도심지터널과 하 해저터널의 시공에서 TBM 굴착 공법은 발파공법에 비해 여러 장점을 가지므로 우선적으로 고려되는 경우가 많다. 도심지와 하 해저 터널에서는 연약지반 혹은 특수지반을 조우할 가능성이 높으며, 이러한 지질특성으로 인한 지반보강과 지반개량을 필수적으로 고려하여야 한다. 터널공사에서 지반 보강 및 개량 공법으로 그라우팅 공법이 널리 활용되고 있다. TBM 공법이 가지는 고속굴진, 굴진안정성, 환경피해 최소화 등 장점을 극대화하기 위해서 특수지반 조우 시 지반조건에 적합한 그라우팅재료와 공법을 선정하는 것이 공사비와 공기의 증가를 줄이는데 매우 중요하다. 하지만 현재까지 국내에서는 특수지반에 대한 보강 체계가 정립되어 있지 않으므로 본 논문에서는 특수지반에서의 효율적인 시공을 위한 기초연구로서, 일반적인 암반 토사 지반조건 이외 특수지반에서 쉴드TBM 굴착 시 적용될 수 있는 그라우팅 공법에 대하여 고찰하였다. 또한 국내외에서 특수지반 쉴드TBM 시공사례로부터 지반조건에 따른 그라우팅 공법의 적용성을 분석하여 정리하였다. 향후 쉴드TBM을 적용한 터널 시공 시 지반조건에 따른 적합한 그라우팅 재료와 공법을 선정하는데 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국암반공학회:학술대회논문집
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• 한국암반공학회 2006년도 창립 25주년 기념 특별심포지엄
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• pp.59-79
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• 2006

쉴드터널 공사에 있어서 커터도구의 절삭능력은 터널시공의 성패를 좌우하는 주요 변수이기 때문에 지반에 적합한 커터도구의 형상, 규격 및 재질의 선정은 무엇보다 중요하다. 1818년 쉴드공법 발명 이래 암반에 대한 커터도구는 많은 실험과 연구를 통해 발전해 왔으나, 풍화토 및 풍화암 지반에서의 커터도구에 대한 연구는 미진한 상황이다. 본 논고에서는 쉴드공법으로 설계된 서울지하철 7호선 연장 703공구 구간중 최대연장 920m의 풍화대 지반에 대하여 굴착중 커터도구의 무교체 시공과 굴착효율 증진을 위한 커터의 선정을 위하여 커터의 형상 및 재질에 대한 비교 분석을 하였으며, 그 선정사유에 대하여 소개하였다. 또한 국내외로 연구가 미진하였던 풍화토 및 풍화암 지반에서의 커터 마모량 평가방법을 제시하여 설계의 타당성을 검증하였으며, 특히 해외의 시공사례에 대한 분석을 통하여 커터 종류에 따른 지반별 마모계수를 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권5호
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• pp.325-337
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• 2021

도로와 철도터널에서는 비상시 대피를 위한 시설이 필수적이며, 제연 및 화재 진압을 위한 설비와 승객의 피난 통로가 그것이다. 장대 병설터널에서는 횡갱을 배치하여 화재 발생 반대편 터널로 대피하도록 계획된다. 병설 쉴드터널에서는 횡갱의 시공을 위해 기 시공된 본선터널의 영구 구조물인 세그먼트 라이닝을 철거하여 원지반을 노출하여야 한다. 현대의 대부분의 쉴드TBM이 막장을 격벽으로 차단한 폐쇄형 쉴드TBM임을 감안할 때, 원지반이 노출되는 횡갱의 시공은 쉴드터널의 시공단계에서 위험도가 높은 과정 중 하나이다. 특히, 지하수위 아래의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공에서는 세그먼트 철거 및 굴착 중 토사지반의 안정성 확보를 위한 차수 및 굴착공법에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 본 사례 연구에서는 토사지반에서 대구경 강관추진을 활용한 횡갱 굴착 공법의 시공 중 유의사항을 소개하고 시공 후 계측결과를 분석하였다. 본 사례 연구에서 소개되는 횡갱 굴착공법은 그라우팅으로 보강된 토사지반에 대구경 강관 추진 후 내부 굴착하는 공법으로써, 두 가지 메커니즘에 의해 토사지반에서 굴착 중 막장의 안정성을 확보한다. 첫 번째는 대구경 강관을 추진하여 막장 전방 토사지반의 전주면을 강관에 의해 선 지보 한다. 두 번째는 대구경 강관 추진으로 내부로 압입된 토사의 Plugging 효과에 의해 막장 전면의 지지효과를 얻을 수 있다. 추진력에 의한 강관의 변형 및 강관의 관통 완료 후 응력발생 계측결과로부터 대구경 강관 추진에 의한 횡갱 굴착공법이 토사지반에서 충분한 시공성과 안정성을 확보함을 확인하였다. 본 사례 연구의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공공법은 유사한 현장조건에서 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제28권1호
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• pp.1-24
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• 2018

국내외 터널공사에서 TBM(Tunnel Boring Machine)의 적용사례가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 TBM터널은 더 어렵고 복잡한 특수지반을 대상으로 시공되는 사례가 많으며, 복잡한 지질 조건에 기인한 시공상의 어려움이 꾸준히 보고되고 있는 실정이다. 국내에서는 아직까지 특수 지반의 효율적 통과에 대한 연구가 미진한 실정이다. 이 논문에서는 특수지반을 대상으로 하는 쉴드TBM 터널공사에서의 지반조사와 시공과 관련된 사항에 대하여 고찰하였다. 국내외 특수지반을 통과한 시공 사례를 분석하여 쉴드TBM 터널의 특수지반을 11개로 분류하였고, 각각의 특수지반의 개념과 일반적인 문제점들을 정리하였다. 특히 도심지 천층부에서 빈번하게 조우하는 복합지반, 호박돌층, 단층파쇄대의 분류 기법, 지반조사기법, 그리고 해당지반에서의 고려사항들을 논의하였고, 향후 연구방향에 대하여 제안하였다. 본 논문은 특수지반에서의 TBM 시공기술 발전을 위한 기초연구로써 향후 관련 연구와 특수지반에서의 TBM 시공에 도움이 될 것으로 기대된다.

• 터널과지하공간
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• 제30권5호
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• pp.484-495
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• 2020

EPB TBM의 굴진을 수치적으로 해석하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method), 유한요소법(FEM, finite element method), 유한차분법(FDM, finite difference method) 등과 같은 다양한 수치해석 기법이 적용되어 왔다. 본 논문에서는 이중 개별요소법과 유한차분법을 연계하는 방식을 채택하여 EPB TBM 굴진해석 모델링 방법을 제시하였다. 제시한 개별요소법-유한차분법 연계 TBM 굴진해석 모델에서 TBM이 굴착하는 굴착부는 개별요소법을 적용하였으며, 입자 접촉 물성치의 경우 일련의 삼축압축시험을 통해 교정하였다. 굴착부 주변지반은 유한차분법을 연계시켜 정지토압계수를 고려하여 굴착부에 수평지중응력을 구현할 수 있도록 하였다. 또한, 이를 통해 소요 입자 개수를 감소시켜 모델의 해석효율을 증대시켰다. 본 논문에서 제시한 수치해석 모델은 TBM의 굴진율, 커터헤드 및 스크류 컨베이어 회전속도 등을 조절할 수 있으며 TBM 굴진 중 토크, 추력, 챔버압, 배토량을 도출해 낼 수 있다.

• 터널과지하공간
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• 제30권5호
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• pp.496-507
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• 2020

EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치 해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 논문에서는 EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계한 수치해석 모델을 사용하여 운전조건을 변경해가며 매개변수 해석을 수행하였다. 해석은 커터헤드의 회전속도를 2 rpm으로 일정하게 유지한 상태에서 굴진속도를 0.5, 1.0 mm/sec, 스크류 컨베이어의 회전속도를 5, 15, 25 rpm으로 조건을 변경해가며 수행되었다. 운전조건의 변화에 따라 측정되는 토크, 추력, 챔버압, 배토량을 비교하였으며 매개변수 해석 결과를 통해 개별요소법-유한차분법 연계 TBM 굴진해석 모델을 사용하여 최적 TBM 운전조건을 예측할 수 있음을 나타냈다.