• 한국기계가공학회지
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• 제18권1호
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• pp.38-45
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• 2019

In this paper, the stability of the tunnel boring machine (TBM), used in tunnel excavation, according to the thrust force of the thrust jack was investigated. The existing hydraulic cylinder analysis method is fluid-structure interaction (FSI) analysis, where all of the flow setting and dynamic characteristics should be considered. Therefore, there is a need for a method to solve this problem simply and quickly. To facilitate this, the theoretical pressure in the hydraulic cylinder was calculated and compared with the analytical and experimental results. In the case of the analysis, the pressure generated inside the cylinder was analyzed statically, considering the operating characteristics of the shield TBM, and the stress and pressure were calculated. This method simplifies the analysis environment and shortens the analysis time compared to the existing analysis method. The obtained theoretical and analytical data were compared with the measured data during actual tunneling, and the analysis and experimental data showed a relative error of approximately 23.89%.

• 터널과지하공간
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• 제29권6호
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• pp.379-393
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• 2019

경제적인 TBM 시공을 위해서는 현장 조건에 맞는 최적의 TBM 선정과 함께, 선정된 TBM의 굴착 성능을 예측하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 개별요소법 (Discrete Element Method, DEM) 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 경사각에 따른 토압식 쉴드TBM의 버럭 배토 장비인 스크루 컨베이어의 각도에 따른 성능을 종합적으로 평가하였다. 굴착 토사를 모사하기 위해 점성 특성을 갖는 입자들을 사용하였으며, 스크루 컨베이어의 경사각에 따른 성능을 평가하기 위해 11가지 스크루 컨베이어 모델을 적용하였다. 해석에는 네 가지 스크루 컨베이어 회전 속도 조건이 적용되었으며 스크루 컨베이어의 성능을 평가하기 위한 지표로 토크, 소요 동력 이외에도 배토를 위해 추가로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량을 선정하였다. 마지막으로 평가된 네 가지 성능 지표를 종합하여 주어진 해석 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어 경사각을 선정하였으며, 이는 실제 TBM 현장에서 많이 사용되는 스크루 컨베이어 경사인 20.0°~30.0° 범위와도 부합하는 것으로 파악되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권3호
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• pp.183-198
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• 2021

토압식 쉴드 TBM 공법은 커터헤드 후면 챔버에 버력을 채워 막장 안정성을 확보하는 공법으로, 연속적인 굴착 및 지보를 통해 지반 변형을 억제하는 것으로 알려져 있다. 하지만 여전히 지반 조건, 터널 크기, 그리고 시공 조건에 의해 무시할 수 없는 지반 침하가 발생하는 실정이다. 따라서 지반침하 영향인자에 의한 침하 거동을 명확하게 이해하고 이를 기반으로 시공 중 발생 가능한 지반침하를 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 토압식 쉴드 TBM 시공 시의 지반침하 주요 영향 인자들과 침하 발생 메커니즘이 반영된 해석 모델(analytical model)을 제시하였고, 시공 중 조절 가능한 인자들에 대한 매개변수 해석을 수치해석 기법을 통해 수행하였다. 수치해석 결과를 통해 시공 조건에 의한 침하 거동을 정량적으로 도출하였으며, 침하 해석 모델과의 연계를 통해 지반 조건에 따른 정성적인 경향성을 도시하였다. 본 연구 결과를 통해 토압식 쉴드 TBM 굴착에 의한 침하예측모델 도출에 기여할 것으로 기대된다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제17권4호
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• pp.129-139
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• 2018

개별요소법은 입자형태의 재료를 다루는 분야에서 널리 사용되는 방법이다. 특히, 지반에서와 같이 변형이 크게 발생하는 특성을 지닌 재료의 경우에도 유용하게 사용할 수 있는 해석방법 중 하나이다. 본 연구에서는 개별요소법을 사용하여 지반을 생성하고 지반에 TBM 형상을 관입시킴으로써 굴진을 모사하고자 하였다. 해석에 사용된 TBM은 7.73m 직경의 토압식 쉴드 TBM을 사용하였으며 해석을 통해 굴진 성능을 예측할 수 있는 수치해석 모델을 검토하고자 하였다. 대상 모델의 스포크 개수는 8개이며, 커터헤드의 개구율은 약 21.31%이다. 또한, 커터헤드에는 52개 디스크 커터와 167개 커터비트가 굴착 도구로 장착되어 있으며, 커터헤드는 게이지 커터가 장착된 커터헤드 외주면이 굴곡진 세미돔 타입이다. 해석을 통해 커터헤드와 각각의 절삭 도구에 작용하는 반력과 저항 토크를 검토할 수 있었다. 또한 커터헤드 중심에서부터 거리에 따른 비교를 통해 커터헤드의 절삭 도구 위치별로 발생하는 반력과 토크를 검토하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권6호
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• pp.599-615
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• 2022

한강과 같은 하저지반을 안전하게 굴착하기 위해서는 고수압 막장면에 대응할 수 있는 이수식 쉴드 TBM 공법을 적용한다. 이수식 쉴드 TBM 공법은 지하철 프로젝트에 널리 활용되어 왔는데 도심지 지하철 공사는 지하에서 연결되기 때문에 굴착토를 대부분 전량 사토해왔으며 필터케이크(벤토나이트)도 폐기물처리를 했다. 이와 달리 도로공사는 절성토의 최적화를 위해 굴착되어 나온 토석을 외부로 반출하는 것이 아니고 대부분 성토재로 활용하는 특징이 있어 굴착토의 활용방안이 프로젝트 성공의 중요한 요소가 된다. 이수식 쉴드 TBM 공법에서 굴착토는 이수재로 사용하는 벤토나이트와 굴착된 토사, 풍화암, 연경암 등이 섞여서 배니관을 통해 이수처리플랜트로 운송되면 이수처리플랜트에서 처리과정을 거쳐 크기별로 분리 배출된다. 이러한 굴착토 중 세립질의 토사는 필터케이크와 함께 폐기되어 왔으나 그 성분에 독성이 없고 조립토와 적정 비율로 혼합하여 사용하면 성토재의 품질기준을 만족할 수 있어 그 활용방안에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구는 이수식 쉴드 TBM 공법의 굴착토의 활용에 있어 제도적·기술적 기준을 고찰하여 필터케이크와 골재를 도로공사의 성토재로 활용하는 방안을 도출하였다. 벤토나이트는 몬모릴로나이트로 구성된 점토이며 터널 원지반의 굴착토 또한 독성이 없는 상태로 이를 폐기물 처리하는 것은 사회적 비용이 낭비될 수 있기에 오히려 귀중한 자원으로 재활용하여 향후 이수식 쉴드 TBM 프로젝트를 수행하는 지하공간 개발사업에 도움이 되고자 기대한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권2호
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• pp.433-452
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• 2018

쉴드 TBM 공법은 터널 굴착으로 인한 터널 굴진면과 굴착면의 변형을 억제하여 지반의 변형을 최소화할 수 있는 공법이다. 이를 위해 쉴드 TBM의 운전 조건들을 적절히 제어하는 것은 매우 중요하다. 쉴드 TBM 공법의 여러 가지 운전 조건 중 굴진면압과 뒤채움주입압은 지반에 직접 압력을 가하는 과정으로 굴착에 인한 지반변위의 억제 뿐만 아니라, 지반 내 유효응력 및 간극수압의 변화에 영향을 미치는 요인이다. 굴진면압과 뒤채움압의 작용에 대한 지반의 반응은 지반의 강성 및 투수성에 따라 상이하다. 특히, 포화된 연약 점성토의 경우 굴진면압과 뒤채움압에 의한 지반 내 응력 변화의 영향이 장시간동안 잔류하므로 이에 대한 반응은 투수성이 큰 지반과 구별되는 거동을 보인다. 따라서 본 논문에서는 유한 요소법을 이용한 응력-간극수압 연계 매개변수해석을 통해 포화 점성토 지반에서 쉴드 TBM 운전 조건과 지반의 강성과 투수성이 지표침하에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 연구 결과, 점성토 지반의 지표침하는 즉시침하와 압밀침하로 구분할 수 있었으며, 특히 압밀침하 거동은 지반의 투수성과 강성의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한, 굴진면압과 뒤채움압의 증가가 항상 지표침하 감소로 이어지지는 않고, 임의 크기의 압력(한계 압력) 이상으로 증가된 굴진면압과 뒤채움압은 역으로 지표침하를 증가시키는 요인으로 작용할 수 있음이 확인되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권5호
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• pp.689-698
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• 2019

TBM 터널굴착에서 실질적으로 지반을 굴착하는 역할을 하는 부분인 커터헤드는 TBM 순굴진율에 직접적인 영향을 끼치는 중요한 부분이다. 따라서 현장조건과 TBM에 적합한 커터헤드 설계가 이루어져야 한다. 현재까지 수행되어온 커터헤드 설계에 관한 연구는 커터배치에 관한 연구가 대부분이다. 국내에서 동일한 조건에 스크래퍼 설치 방향만 다른 커터헤드가 현장에서 사용되고 있으나 스크래퍼 설치 방향이 TBM 굴진에 어떠한 영향을 끼치는지에 관한 연구를 찾아보기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 스크래퍼 설치방향이 쉴드 TBM 굴진에 어떤 영향을 끼치는지 나타내었고 개별요소법을 이용하여 스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향을 확인하였다. 스크래퍼 설치 방향이 바깥쪽으로 되어있는 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우보다 커터헤드 개구부로 유입되는 단위시간당 입자의 양이 적으며 커터헤드에 더 많은 부하가 작용하였다.

• 터널과지하공간
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• 제29권6호
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• pp.456-467
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• 2019

본 연구에서는 개별요소법을 사용하여 스포크형 쉴드TBM의 굴진을 모사하였다. 지반에 대해 수평응력계수를 사용하여 깊이에 따른 수평응력 증가를 모사하였고 TBM의 커터헤드에서 발생하는 토크를 기준으로 운전 조건을 부여하여 운전 범위 내에서 굴진을 하도록 설정하였다. 즉, 커터헤드에서 발생하는 토크의 값이 주어진 운전 조건을 넘어서는 경우 굴진속도를 일정하게 줄이고 반대로 운전 조건보다 낮은 경우에는 굴진 속도를 높이는 방안을 고려하였다. 이때 굴진속도 변경에는 운전자의 검토 시간을 고려하여 최소 변경 가능 요건을 부여하고 굴진 조건에 따라 이를 변경 가능하도록 하였다. 이러한 조건을 사용하기 위하여 사용자 프로그램을 별도로 작성하였으며, 결과를 통해 사전에 입력한 운전 범위 내에서 굴진 해석이 가능하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.463-473
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• 2017

벤토나이트는 물과 접촉하면 팽창하고 점성을 발휘하는 성질이 있어 일반적으로 차수가 필요한 토목공사에 많이 활용되고 있다. 이수식 TBM에서는 이와 같은 성질을 활용하여 가압된 슬러리로 불투수성 막을 형성하고 굴착벽면의 붕괴를 방지하는 동시에 굴착된 버력을 운송하며 굴착을 수행한다. 하지만 벤토나이트는 해수와 접촉할 경우 팽창성이 저하되어 그 성질을 발휘하지 못하는 문제가 있다. 이는 해수 조건에서 이수식 TBM으로 터널을 굴착할 시 지하수 유입 증가로 인한 굴착 안정성 및 버력 배출에 문제를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 이수식 TBM으로 터널을 굴착 시 해수의 유입으로 인한 슬러리의 상태변화를 살펴보고 이에 대응하기 위한 슬러리 관리방안을 제시 하였다. 이를 위해 현장에서 적용된 슬러리 품질관리 기준을 바탕으로 실내 시험을 수행하였으며, 해수의 영향이 있는 현장에 적용 할 수 있는 방안을 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.57-78
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• 2022

TBM의 굴착효율을 높이는 가장 중요한 인자인 디스크커터와 커터비트는 커터헤드 설계 및 시공 시 핵심요소로 지반조건에 맞는 디스크커터의 배치, 간격, 개수, 크기, 재질 등은 TBM 공사의 성패를 좌우한다. 또한, 디스크커터는 대표적인 소모성 부품으로 교체횟수에 대한 정확한 예측이 수반되지 않으면, 공사비는 물론 공사에 막대한 지장을 초래 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 대구경 이수식 쉴드TBM 현장에 대하여 설계 시 산정된 디스크커터의 교체횟수와 실제 시공 시 발생한 디스크커터의 마모깊이 및 교체위치에 대하여 현장데이터를 분석하여 비교·연구하였다. 정량적인 비교를 위하여 일정한 굴진데이터를 나타내는 구간에서 지반에 따라 풍화토/풍화암, 연암, 경암으로 나누어 구분하였으며, 디스크커터의 위치에 따라 동심원의 궤적이 다르므로 위치에 따라 비교분석 하였다.