• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권1호
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• pp.99-118
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• 2018

최근 토목구조물의 설계에 있어 한계상태설계법 적용이 세계적인 추세이나, 국내에서는 소수의 구조물에 국한되어 사용되고 있다. 주요 지중구조물인 터널에 대해서는 한계상태설계법의 도입이 근래에 시도되고 있으므로, 최신의 한계상태 설계법에 대한 이해가 반드시 필요하다. 본 연구는 최근 발간된 AASHTO LRFD Road Tunnel Design and Construction Guide Specification (2017)을 토대로 세그먼트 터널라이닝 설계 시 구조물 하중계수, 하중조합 등을 고찰하고 이외에 구조 검토 시 반영되어야 할 다양한 영향인자에 대해 분석하였다. 본 연구에서는 국내에 적용되고 있는 전력구, 지하철 터널 단면을 대상으로 한 세그먼트 라이닝의 구조해석을 통하여, 지반조건과 하중수정계수, 이음부 강성조건 등 다양한 영향인자들이 부재력에 미치는 영향을 분석 평가하였다.

• 터널과지하공간
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• 제33권5호
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• pp.299-311
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• 2023

TBM의 실굴진율을 향상시키기 위한 연속굴착 기술들이 개발되고 있다. 연속굴착은 설치중인 세그먼트를 제외한 나머지 세그먼트에 추력을 가해, 굴진 정지 시간을 줄이는 기술이다. 본 기술보고는 연속굴착 세그먼트에 관한 선행기술을 조사하였다. 주요 선행기술을 헬리컬 세그먼트, 육각형 세그먼트, 기존 세그먼트 방법으로 분류했다. 헬리컬 세그먼트 방법은 아직 시공사례가 없으며, 육각형 세그먼트 방법은 상용화에 성공하지 못했다. 기존 세그먼트를 이용한 연속굴착 방법은 실증에 성공했다. 해당 기술에 대한 추진잭 추력, 운영방법을 분석했다. 국내에서도 TBM 연속굴착 연구개발이 진행 중이며, 성공사례 분석을 통해 독자적인 연속굴착 방법이 개발되어야 할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.271-287
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• 2013

본 연구는 쉴드 TBM을 적용한 국내 지하철 현장의 계측 자료를 분석하고 기존 이론식에 의한 모델 및 수치해석 결과와의 비교를 통해 보다 간편한 지표침하 예측 S-모델을 개발하였다. 이를 위해 전체 굴착 구간 중, 대표 station을 선정하여 횡방향 지표침하 특성과 굴착 진행에 따른 종방향 지표침하 특성을 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 횡방향 지표침하 형태는 이완영역과 탄성영역으로 구성된다고 가정하고 실제 계측 자료와의 비교를 통해 최대 지표침하량과 침하 영향 범위를 산정할 수 있는 모델을 제안하였다. 이에 의하면 굴착 진행에 따른 종방향 지표침하 형태는 3차 함수 특성과 유사하였으며 각각의 계수를 터널 직경 및 토피고의 함수로 하여 S-모델을 제안하였고, 실제 계측 값 및 수치해석 결과와 상당히 유사한 형태의 지표침하를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구결과를 통해 다소 연약한 풍화토, 풍화암 지층을 통과하는 쉴드 TBM 굴착 시공 시, 간편 S-모델을 이용하여 굴착에 따른 지표침하의 예측이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권2호
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• pp.269-286
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• 2018

쉴드 TBM 공사에서 뒤채움압은 지표 침하는 물론 주변 지하 구조물의 안정성에 영향을 미친다. 따라서 설계단계에서 뒤채움압을 미리 산정하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 전 세계적으로 제시되어 있는 7가지 뒤채움압 산정 이론을 고찰하고 비교하였다. 6가지의 가상 지반조건을 가정하여, 그에 따른 뒤채움압을 산정하고 분석하였다. 그 결과, 토피고가 증가함에 따라 산정되는 뒤채움압이 증가하나 그 증가율은 감소함을 알 수 있었다. 또한 산정된 뒤채움압이 지표 및 천단침하에 어떻게 영향을 미치는 지를 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 불포화 지반조건 및 포화 지반조건 모두에서 동일하게 지표 및 천단 침하는 뒤채움압 보다는 막장압에 더욱 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 또한 토피고가 증가할수록 뒤채움압의 영향이 감소하고, 적용 막장압이 감소함에 따라 뒤채움압의 영향이 증가함을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권4호
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• pp.457-471
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• 2015

본 연구에서는 직경 3.6 m의 국산 커터헤드를 설계 제작하고 이를 기존의 토압식 쉴드TBM에 적용하여 연장이 1,275 m인 전력구 터널의 굴착공사를 수행하였다. 특히, 본 연구에서는 TBM 커터헤드의 설계절차와 그에 따른 TBM 굴착성능을 예측하기 위한 방법들을 정리하였다. 제작된 국산 커터헤드 장착 토압식 쉴드TBM의 실제 굴진자료를 분석한 결과, 최대 굴진율은 14.4 m/day이었으며 암석의 일축압축강도가 가장 큰 조건에 대해 커터헤드의 설계단계에서 제시한 4 mm/rev 내외로 디스크커터의 관입깊이가 관리되었음을 확인하였다. 또한 TBM의 구동 추력과 디스크커터의 연직력은 각각 TBM의 최대 추력 용량과 디스크커터의 최대 허용 연직력이하로 나타났다. 현장에서 측정된 디스크커터의 작용력을 분석한 결과, 연암 조건에서 CSM모델의 예측 오차가 크게 나타남을 확인하였다. 마지막으로 암석의 일축압축강도와 디스크커터의 연직력 및 커터 관입깊이는 밀접한 상관관계를 나타내었다.

• 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.

• 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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• 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.

• 터널과지하공간
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• 제30권6호
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• pp.540-550
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• 2020

최근 AI 기술의 발전과 정립으로 자동화 분야에서 머신러닝 기법의 활용이 활발하게 이루어지고 있다. 머신러닝 기법의 활용에 있어 중요한 점은 데이터 특성에 따라 적합한 알고리즘이 존재한다는 점이며, 머신러닝 기법 적용을 위한 데이터세트의 분석이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 머신러닝 기법을 기반으로 하천 하부의 토사지반을 통과하는 토압식 쉴드TBM 터널 구간의 지반정보와 굴진정보를 사용하여 토압식 쉴드TBM의 굴진율을 예측하였다. 선형회귀모델에서 모델의 통계적인 유의성과 다중공선성에서는 문제가 없었으나 결정계수가 0.76으로 나타났고 앙상블 모델과 서포트 벡터 머신에서는 0.88이상의 예측성능을 보여, 분석한 데이터세트에서 토압식 쉴드TBM 굴진성능예측에 적합한 모델은 서포트 벡터 머신임을 알 수 있었다. 현재 도출된 결과로 볼 때, 토압식 쉴드TBM의 기계데이터와 지반정보가 포함된 데이터를 활용한 굴진성능 예측 모델의 적합성은 높다고 판단된다. 추가적으로 지반조건의 다양성과 데이터양을 늘리는 연구가 필요한 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권5호
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• pp.355-374
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• 2022

쏘일 컨디셔닝(soil conditioning)은 굴착토의 전단강도를 감소시키고 작업성(workability)을 확보하여, EPB 쉴드 TBM의 굴진면 전방을 지지하며 TBM의 굴진 성능을 향상시키는 기술이다. 다양한 지반 조건에 대한 최적의 첨가제 주입 조건을 결정하기 위해서는 첨가제를 혼합한 굴착토의 역학적 유동학적 거동을 평가해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 TBM 챔버 내 압력 상태를 모사하고 시료의 유동학적 특성을 평가할 수 있는 실내 가압 베인시험 장비를 개발하였다. 인공 사질토 시료에 대하여 폼(foam)과 폴리머(polymer)의 주입변수인 FIR (foam injection ratio)과 PIR (polymer injection ratio)을 변화시켜가며 일련의 실내 가압 베인시험을 수행하였다. 또한, 슬럼프 시험을 통해 컨디셔닝된 흙의 작업성을 평가하였다. 실내 가압 베인시험 장비를 통해 베인 전단시험을 수행함으로써 측정된 토크 데이터로부터 컨디셔닝된 흙의 유동곡선(rheogram)을 도출하여 주입변수에 따른 첨두응력과 항복응력의 경향을 분석하였다. 시험 결과, FIR이 커지거나 PIR이 작아질수록 작업성이 증가하는 경향을 나타냈으며, 최대 토크, 첨두응력과 항복응력은 모두 감소하였다. 실내 가압 베인시험으로 측정된 시료의 첨두응력과 항복응력이 슬럼프 시험을 통해 측정된 작업성과 상응하는 결과는 제안된 시험이 굴착토 물성 평가에 활용될 수 있음을 보여준다.