• 터널과지하공간
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• 제31권6호
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• pp.549-560
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• 2021

쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 굴진 시 TBM에 작용하는 커터헤드 토크, 추력, 챔버압, 상향력 등은 TBM의 굴진성능을 결정하는 데 매우 중요한 요소들이다. 그러나 균질한 지반 조건에 비해 복합지반을 굴진할 때 TBM에 작용하는 힘들은 그 경향이 달라 TBM 굴진성능을 저해할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 복합지반 굴진이 TBM에 작용하는 토크, 추력, 챔버압, 상향력에 미치는 영향을 수치해석적으로 모사하고자 하였다. 해석 모델은 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계하는 방안을 적용한 TBM 굴진 모델을 사용하였다. 본 연구에서는 상부 화강풍화토와 하부 풍화암으로 구성된 복합지반을 굴진하는 것을 가정하여 굴진을 모사하였으며, 복합지반 경계면의 위치, 경사에 따라 TBM에 작용하는 힘에 대한 영향을 해석적으로 분석하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권1호
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• pp.39-58
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• 2024

TBM (Tunnel boring machine)은 터널 굴착 과정에서 여러 디스크 커터를 이용하여 암석을 절삭한다. 디스크 커터는 암석과의 지속적인 접촉과 마찰로 인해 마모된다. 디스크 커터의 표면이 마모되면 절삭 능력이 감소하고 굴착 효율이 떨어진다. 암석의 마모성은 디스크 커터 마모에 큰 영향을 미친다. 높은 마모도를 가진 암석은 커터에 더 큰 마모를 일으키며, 이는 디스크 커터의 수명을 단축시킨다. 세르샤 마모지수(Cerchar abrasivity index, CAI)는 암석의 마모성을 평가하는데 널리 사용되는 지표로 CAI는 암석의 마모특성을 나타내며, 디스크 커터의 수명과 성능 예측에 필수적인 요소로 인식되고 있다. 본 연구의 목적은 암석의 강도, 암석학적 특성과 선형회귀, 머신러닝 기법을 이용하여 CAI를 효과적으로 추정하는 새로운 방법을 개발하는 것이다. 문헌 조사를 통해 CAI, 일축압축강도, 압열인장강도, 등가석영함량이 포함된 데이터베이스를 구축하고 파생변수를 추가하였다. 통계적 유의성과 다중공선성을 고려하여 다중선형회귀분석을 위한 입력변수를 선정하였고, 머신러닝 모델의 입력변수는 변수중요도 분석을 통해 선정하였다. 머신러닝 예측모델 중 Gradient Boosting 모델의 예측 성능이 가장 높게 나타나 최적의 CAI 예측 모델로 선정되었다. 마지막으로 본 연구에서 도출한 다중선형회귀분석과 Gradient Boosting 모델의 예측 성능을 선행연구들의 CAI 예측모델과 비교하여 연구 결과의 타당성을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권2호
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• pp.65-85
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• 2023

기존 재래식 굴착 대비 안전성과 친환경의 이점으로 TBM (Tunnel Boring Machine)의 사용이 전 세계적으로 증가하였다. 특히 EPB (Earth Pressure Balanced) TBM의 경우 Open TBM 대비 다양한 지반에 적용이 가능하고 Slurry TBM에 비해 지상부지가 적게 필요하고 장비의 구조가 간단하며 가격면에서도 이점이 있어 더욱 널리 사용되고 있다. EPB TBM은 주로 토사지반에 널리 사용되는데 사용될 수 있는 지반 범위를 넓히기 위해서 가장 중요한 것은 적절한 첨가제의 사용이다. 첨가제를 사용해 버력을 소성유동화 시키는 것은 EPB TBM의 굴착성능을 높이는데 큰 도움을 줄 수 있다. 다양한 연구를 통해 첨가제의 적절한 배합비와 주입비율이 제시되어 있지만 이는 주로 slump test 등 대기압 상태에서의 실내시험에 국한되어 있어 실제 현장에서의 상황은 지반별, 장비 상태 등에 따라 상이할 수 있다. 본 연구에서는 먼저 경암부터 토사까지 다양한 지반을 가진 현장의 첨가제 사용량을 실내실험을 통해 추정하여 설계치 및 실제 굴진 시 사용량과 비교하였으며, 추가적으로 폐색, 지하수 유입 등 굴진 중 발생한 다양한 문제들에 대한 첨가제 사용을 통한 해결 방안을 모색하였다. 마지막으로 굴진이 어려운 복합지반에서의 첨가제 사용에 대한 제언을 수록하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권2호
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• pp.453-467
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• 2018

쉴드 TBM 공사에서 굴진율 예측과 마모량 예측은 설계 및 시공 단계에서 공사비와 공기를 추정하는데 매우 중요한 요소이다. 암반지반용 TBM의 경우 실험이나 축적된 현장 data를 기반으로 CSM 모델, NTNU 모델 등이 커터 마모량부터 굴진율 예측까지 널리 사용되고 있으나, 토사지반용 TBM은 지반의 복잡성과 정확한 실험방법의 부재로 인해 이를 정확하게 예측할 수 있는 모델이 없는 실정이다. 본 연구에서는 기존에 존재하는 토사지반용 TBM 실험장치들의 단점을 개선하여 TBM 굴착과정을 모사한 실험 장치(Soil Abrasivity Penetration Test, SAPT)를 개발하였다. 회전당 관입 깊이, RPM, 첨가재(foam) 배합비 및 농도 등의 TBM 굴진에 영향을 미치는 주요 변수들에 대한 시험을 실시하여 추력, 토크 등의 변화를 살펴보고 마모량을 측정하였다. 모래(규사) 70%와 점토(일라이트) 30%로 조성된 인공시료에 대한 실험 결과 foam 배합비가 굴진성능과 마모량에 주요한 영향을 끼치는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권4호
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• pp.519-534
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• 2019

최근 국내 터널공사에서 낙반사고의 위험성이 낮고 진동과 소음이 적은 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널공법이 많이 적용되는 추세이며, 이러한 쉴드 TBM으로 터널 굴착 시 적절한 굴착속도를 설계하는 것이 무엇보다 중요하다. 본 연구에서는 ${\bigcirc}{\bigcirc}{\sim}{\bigcirc}{\bigcirc}$ 고속철도 쉴드 TBM 공사구간에 대하여 지반조사 결과와 TBM 굴진데이터를 분석하고 이를 기존 연구자들에 의해 제안된 경험적 굴착속도 예측방법에 적용하였다. 또한, 현장 굴진데이터 중 커터 당 추력과 지반 일축압축강도와의 상관관계를 분석하고 이를 통해 TBM 터널 설계 시 커터 당 추력과 일축압축강도를 변수로 굴착속도를 예측할 수 있는 간편 모델을 도출하였다. 기존 해외의 여러 굴착속도 예측 모델들을 해당 TBM 현장에 적용한 결과 예측치와 측정된 굴착속도는 약 50~500%의 비교적 큰 오차를 보인 반면, 본 연구에서 도출된 굴착속도 예측모델은 평균 약 15%의 오차율을 나타내어 추후 유사한 지반조건을 가진 쉴드 TBM 현장에 대해서 적용성이 높을 수 있을 것으로 기대한다.

• 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.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권4호
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• pp.545-560
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• 2019

EPB TBM 굴진 중 다양한 지반 조건에서 적절한 양의 폼(Foam), 폴리머(Polymer) 등 첨가제의 주입은 TBM 공사의 안정성은 물론 굴진 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 국외에서는 90년대부터 최근까지 EPB TBM 공법을 토사 지반에 적용할 때 최적의 첨가제 주입에 대한 연구가 활발하게 이루어졌으나 국내에서는 이와 관련된 연구가 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 굴착토 컨디셔닝에 가장 널리 사용되는 폼을 첨가제로 선정하고 폼 주입에 따른 토사 지반에서의 TBM 굴진 성능 변화를 일련의 실내 굴진 시험을 통해 파악하였다. 굴진 시험은 인공 사질토 지반을 동일 다짐 조건으로 조성하고 폼의 주입량과 상태를 나타내는 변수인 FIR (Foam Injection Ratio), FER (Foam Expansion Ratio), $C_f$ (Surfactant Concentration) 값을 변화시켜가며 수행되었으며, 각 시험에서 굴진 중 측정된 토크 값을 측정하였다. 또한 굴진 시험 후, 배토된 흙의 슬럼프 값을 비교하여 컨디셔닝 된 시료의 워커빌리티(workability)를 평가하였으며, 블레이드에 설치된 알루미늄 커터의 무게 변화를 측정하여 컨디셔닝 조건에 따른 동일 위치에서의 커터 마모량을 비교하였다. 최종적으로 측정된 토크, 슬럼프 값, 마모량 결과의 비교를 통해 본 연구에서 적용된 인공 사질토 지반에서 최적 TBM 굴진을 위한 폼 주입비를 도출하였다. 연구 결과를 통해 지반 조건에 따라 다른 최적의 TBM 굴진 성능을 확보하기 위해서는 장비 부하, 기계 마모, 워커빌리티 확보에 대하여 적정 수준을 만족하는 폼 주입 조건이 존재하고 이에 대응하기 위한 사전 폼 주입 설계가 필요한 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.109-128
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• 2022

시설물안전법에 의한 터널의 정밀안전진단은 세부지침에 의거하여 수행되나, 현재의 TBM터널 세그먼트라이닝 평가체계에는 유압잭 사용의 장비특성, 세그먼트를 고려한 외관조사, 건전도를 위한 비파괴 시험방법 등의 결함특성을 반영하지 못하는 한계를 지닌다. 시설물정보관리시스템에 등재된 TBM터널은 1% 미만이지만 다중이용시설 및 국가 중요시설의 사용을 감안하여 많은 유지관리가 필요하다. 발파로 굴착하며 터널 축을 따라 6~12 m의 라이닝을 연속하여 현장 타설하는 NATM터널과 비교하여 TBM터널은 디스크커터와 커터비트가 달린 원형의 회전판을 회전하여 굴진하며 공장 제작된 폭 1.2~1.4 m 세그먼트를 조립하여 구조체를 형성한다. TBM터널에 대한 정확한 평가를 위해서는 설계, 시공, 운용단계의 특징이 고려되어야 한다. 11개 구간에서 운용중인 국내 지하철 TBM터널의 결함특성을 유형별로 분석하였으며 TBM터널 세그먼트라이닝의 공통된 결함 특성 이외에 특수한 결함에 대해서는 해외 논문 연구내용을 발췌하여 이해를 돕고자 하였다. 균열과 누수는 위치 및 형상에 따라 7가지 유형으로 구분하였으며, 박락 및 파손과 부식에 대해서는 3가지 유형으로 구분하여 분석하였다. 향후 설계, 시공의 피드백과 유지관리에 도움이 되고자 한다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.35-45
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• 2018

터널을 굴착할 때 터널 막장 전방의 지반 상태를 예측하는 것은 중요하다. 따라서 국내외에서 TBM 현장에 적용 가능한 터널 막장 전방의 지반조건을 예측할 수 있는 기법에 대한 다양한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 TBM 현장에서 적용되는 막장전방 예측기법에 대한 사례를 조사하였다. TBM 현장에서 필요한 막장전방 예측기법과 탐사심도에 대한 요구사항을 결정하기 위하여 10년 경력 이상의 TBM 오퍼레이터들을 대상으로 설문조사를 수행하였다. 설문조사 결과를 바탕으로 TBM 현장에 적용 가능한 막장전방 예측기법들을 제안하였다. 그중 TBM 현장에 적용 가능한 막장전방 예측기법 중 한 가지는 커터헤드에 위치한 디스크 커터를 전극으로 이용하여 전기비저항 탐사를 수행하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 TBM 현장에서 전기비저항 탐사를 통한 막장전방 예측기법의 적용성을 평가하기 위해 실내 시험을 수행하였다. 그 결과, TBM 직경의 0.3배까지 막장 전방의 지반상태를 예측할 수 있는 것으로 나타났다.

• 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.