• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권2호
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• pp.117-124
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• 2014

최근 국내에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)을 이용한 터널 굴착에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 쉴드 TBM 터널은 비배수 터널로써 세그먼트 이음부에서 누수가 발생할 경우에는 터널의 사용성 및 안정성에 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 첫째로 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능 변화를 알아보았고, 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 시험결과, 체결각 불합치가 $2^{\circ}$이상으로 시공 오차가 발생한 경우에는 수팽창 지수재의 차수 능력을 기대하기는 어려운 것으로 판단된다. 또한 수팽창 지수재가 황산마그네슘 용액에 장시간 노출될 경우에는 지수재의 내구 성능에 문제가 있을 수 있을 것으로 판단된다.

• 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%.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권4호
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• pp.285-303
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• 2023

도심지 인프라 조성과 효율적인 공간 활용을 위하여 지하 공간 구축에 대한 관심이 증가하고 있다. 지하공간의 대표적인 활용방법으로는 터널이 있으며, 도로 터널 외에도 전력구 및 공동구와 같은 유틸리티 터널에 대한 건설도 점차 증가하고 있는 실정이다. 현행의 기본적인 터널 공법은 NATM (New Austrian Tunnelling Method)과 TBM (Tunnel Boring Machine)으로 구분할 수 있다. NATM 방식은 신뢰성 있는 공법이긴 하나 발파작업에 따른 진동 및 소음이 수반된다. TBM 굴착공법의 경우 공사 기간과 공사비 부분에서 불리한 측면이 있지만, 적정한 보완 방법들을 도입하면 경제성의 제고가 가능하다. 본 연구에서는 방호쉴드 공법을 이용하여 TBM 선행 굴착 후 NATM 방식으로 발파를 수행하는 공법을 개발하였다. 이는 각 터널 공법의 단점들을 보완한 형태로 공기 및 공사비 절감, 발파 진동 및 소음 등의 저감이 기대되는 방법이다. 개발 공법의 성능을 검토하기 위하여 방호쉴드 축소 모형을 적용한 방호쉴드의 성능평가 실험을 수행하였으며, 방호쉴드 공법의 발파진동 영향 등을 분석하였다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.249-258
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• 2022

A disc cutter is an excavation tool on a tunnel boring machine (TBM) cutterhead; it crushes and cuts rock mass while the machine excavates using the cutterhead's rotational movement. Disc cutter wear occurs naturally. Thus, along with the management of downtime and excavation efficiency, abrasioned disc cutters need to be replaced at the proper time; otherwise, the construction period could be delayed and the cost could increase. The most common prediction models for TBM performance and for the disc cutter lifetime have been proposed by the Colorado School of Mines and Norwegian University of Science and Technology. However, design parameters of existing models do not well correspond to the field values when a TBM encounters complex and difficult ground conditions in the field. Thus, this study proposes a series of machine learning models to predict the disc cutter lifetime of a shield TBM using the excavation (machine) data during operation which is response to the rock mass. This study utilizes five different machine learning techniques: four types of classification models (i.e., K-Nearest Neighbors (KNN), Support Vector Machine, Decision Tree, and Staking Ensemble Model) and one artificial neural network (ANN) model. The KNN model was found to be the best model among the four classification models, affording the highest recall of 81%. The ANN model also predicted the wear rate of disc cutters reasonably well.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.387-401
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• 2023

토압식(Earth Pressure Balanced, EPB) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 진동과 소음이 적어 도심지 지하공간 시공에 적극적으로 활용되고 있다. 이때 첨가제 주입은 막장압 유지, 전단강도 감소, 커터의 마모량 최소화, 굴착토의 투수계수 감소 등 다양한 효과를 보인다. 이러한 기술을 쏘일 컨디셔닝이라 하며, 일반적으로 첨가제로 폼, 폴리머, 벤토나이트 슬러리 등을 적용한다. 본 연구에서는 국내 터널 현장에서 빈번하게 조우하는 화강풍화토 시료에 대해 폼과 폴리머를 첨가제로 적용하여 유동학적 특성을 평가하였다. 슬럼프 시험을 통해 작업성(Workability)을 평가하고, 동일한 시험 조건에 대해 실내 가압 베인전단 시험을 수행하여 유동학적 특성을 평가하였다. 이때 슬럼프 값이 높아 작업성이 떨어지는 경우, 폴리머를 추가 적용하여 폴리머 적용이 유동학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 시험 결과, 폼 주입비(Foam Injection Ratio, FIR)가 증가함에 따라 슬럼프 값은 증가한 반면 토크, 첨두강도 및 항복응력, 겉보기 점도, 틱소트로피 면적은 감소하였다. 하지만, 폴리머 주입비(Polymer Injection Ratio, PIR)는 폼 주입비와 상반되는 결과를 확인하였다. 시험결과 비교를 통해 슬럼프 값과 항복응력 간의 상관관계를 제시하였다. 그리고 폼 만을 적용한 조건과 폼과 폴리머 모두 적용한 조건을 비교한 결과, 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 폼과 폴리머 모두 적용한 조건에서 더 낮은 항복응력이 도출되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권3호
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• pp.209-222
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• 2024

토압식(Earth Pressure Balance) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)은 기계화 터널 굴착 공법 중 이수식(Slurry) 쉴드 TBM에 비하여 슬러리 처리 시설을 필요하지 않아 설비가 간단하고 진동과 소음이 적어 최근에 터널 시공에 널리 사용되고 있다. 토압식 쉴드 TBM으로 터널 굴착 시 첨가제를 활용하여 굴착토 물성을 개선하는 쏘일 컨디셔닝(soil conditioning) 기법을 적용하며, 이를 통해 토압식 쉴드 TBM을 적용할 수 있는 지반의 범위를 확장할 수 있다. 본 연구에서는 쏘일 컨디셔닝을 위한 첨가제로 주로 사용되는 폴리머를 대체할 수 있는 바이오폴리머(biopolymer)의 일종인 잔탄검(xanthan gum)의 적용성을 검토하였다. 바이오폴리머란 생물학적 기원으로 생성된 폴리머로써 모두 생분해가 가능하다. 환경에 유해한 성분을 함유하고 있는 일반 폴리머(폴리아크릴산계 폴리머)와 달리 잔탄검은 유독성이 거의 없고 환경에 미치는 영향이 적어 친환경 소재로 각광받고 있다. 슬럼프 시험을 통해 유사한 워커빌리티(workability)를 보이는 시험조건을 선정하고, 실내 가압 베인전단 시험을 통해 유동학적(rheological) 특성을 평가하였다. 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 잔탄검의 함유량이 증가할수록 유동곡선(flow curve)상에 첨두강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 이를 통해 잔탄검 함량과 첨두강도 사이의 상관관계를 도출하였다. 일반 폴리머를 잔탄검으로 대체한다면 환경친화적이라는 장점과 더불어 장비 부하를 감소시켜 안정적인 TBM 운용이 가능할 것이다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권6호
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• pp.1039-1048
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• 2018

도심지 터널공사에서는 주변 건물의 안전성을 확보하고, 민원을 최소화할 수 있는 쉴드TBM 공법이 대부분 적용되고 있다. 도심지에는 기존의 택지를 매립조성하거나 개량하는 경우가 많기 때문에 지표에서부터 암반 경계부까지는 불균질한 상태로 이루어지는 경우가 많다. 이와 같이 토사지반, 파쇄정도가 다양한 화강암지반, 핵석층, 암층과 같이 복잡한 지반 조건에서 쉴드TBM으로 터널구조물을 구축하는 경우, 각 지반조건에 따른 쉴드TBM에 나타나는 기계데이터를 분석하여 지반조건에 따른 장비부하의 특징을 비교분석하였다. 그 결과, 설계막장압을 유지하면서 굴진하고, 주기적으로 커터를 점검하여 교체하는 경우, 배토량, 추력, 커터토오크의 경향으로 지반조건의 변화를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제37권10호
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• pp.55-63
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• 2021

쉴드TBM의 제작기술 발전과 시공경험 축적으로, 쉴드터널은 전력, 통신 및 상하수도와 같은 소구경 터널에서 도로 및 철도와 같은 대구경 터널로 확대되고 있으며, 그에 따라 병설쉴드터널의 적용도 증가하고 있다. Peck(1969)에 의해 연약지반에서 단선쉴드터널의 지표침하형상이 Gaussian distribution으로 표현될 수 있음이 제시된 이후, 현장계측, 실내모형실험 및 수치해석 등의 방법을 통해 많은 연구에서 이의 적정성이 확인되었다. 본 연구는 현장 계측된 병설쉴드터널의 지표침하로부터 후행 터널(2^nd tunnel)에 의한 추가 지표침하 형상을 표현하기 위해 침하형상의 좌·우측에 Gaussian curve를 각각 적용함으로써, 침하형상을 보다 정확히 표현할 수 있음을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권2호
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• pp.213-224
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• 2014

최근, tunnel boring machine (TBM)을 이용한 도심지 지중 전력구 터널 건설이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법은 재래식 공법에 비해 지반침하를 최소화 하고 발파에 의한 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 earth pressure balance(EPB) 쉴드 TBM이 주로 사용되고 있다. 그러나 전력구 터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 굴착면 지반 손실과 후방주입 거리와의 상관관계를 도출하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 뒷채움 그라우트가 설치되는 거리의 변화에 따른 축력, 전단력, 휨 모멘트와 같은 단면력을 검토하고 지표면에서의 연직 변위를 분석하였다. 또한, 유한요소해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 지반과 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있는 뒷채움재 주입시기를 결정할 수 있다.

• 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.