• 터널과지하공간
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• 제30권3호
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• pp.214-225
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• 2020

쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 터널 굴착 시 암반의 상태는 굴진 성능을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 암석 강도는 지반조사 시 실내시험을 통해 얻을 수 있으나, 전체 TBM 굴진 구간에 대해 모두 알 수 없다. TBM 굴진 시 최적 Operation Parameter를 적용하기 위해서는 굴진 속도에 영향을 미치는 암석 강도를 파악하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 TBM 굴착 중 생성되는 기계 데이터와 머신러닝(Machine Learning) 기법을 활용하여 암석 강도를 예측하고자 한다. 암석 강도를 예측하기 위해 여러 머신러닝 기법을 사용하여 비교하였고, 가장 예측 성능이 좋은 스태킹 모델을 최종 모델로 선택하였다. 암반 구간 Slurry 쉴드 TBM 굴진 사례에서 지반조사 및 시공 중 조사한 암석 강도와 강도를 획득한 위치에서의 TBM 굴착 데이터를 사용하였다. TBM 굴착 데이터는 Training과 Test용으로 8:2로 분할하였으며, 변수 선택(feature selection), 표준화(scaling), 이상치(outlier) 제거 등 전처리 과정을 수행하였다. 하이퍼파라미터 튜닝까지 마친 후, 스태킹 모델에 대해 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 결정 계수(R²)로 모델을 평가한 결과 각각 5.556과 0.943로 나타났으며, TBM 굴착 데이터로 암석 강도를 예측하는 모델로 유용할 것으로 판단된다.

• 한국재난정보학회 논문집
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• 제8권4호
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• pp.319-327
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• 2012

본 연구는 대표적인 TMB 장비 회사인 독일 WRITH사에서 개발한 TMB 공법 적용 현장의 굴진보고서를 수집하여 작업운영 생산성을 분석하였다. 그리고 분석된 자료를 근거로 구경별(2.6m, 3.0m, 3.5m, 5.0m, 8.0m) 월굴진속도(m/월)를 도출하였다. 또한, 도출된 구경별 월 굴진속도를 근거로 독일의 WRITH사에서 구경별로 제시한 1m당 굴진에 소요되는 공사비 와 총공사기간을 산출하였다. 경암 40.0%, 연암 30.0%, 보통암 20%, 풍화암 10.0%로 구성된 암질을 기준으로 구경별로 도출된 월굴진속도, m당 공사비, 총공사기간은 향후 TBM 공법 적용시 기본계획단계와 기본설계단계에서 구경별 공사기간 및 공사비를 추정하는데 효과적인 활용 자료가 될 것으로 사료된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권3호
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• pp.201-220
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• 2023

터널식 전력구는 지중으로 전력을 공급하기 위한 구조물 중 하나이며, 도심지 및 해저구간을 통과하는 구간에 쉴드TBM 공법을 활용하여 안정적으로 건설을 추진한다. 전력구 건설의 경우에는 수직구 심도가 깊어 주로 암반지반을 굴착하며, 암반대상 밀폐형 쉴드TBM 선정에 대한 고찰이 필요하였다. 또한, 지반조사 보고서 결과를 바탕으로 범용적이고, 간단한 설계방법이 필요하였다. 이에 실대형 굴진시험, 누적 굴진데이터, 수치해석을 종합하여 쉴드TBM 설계방법과 관련 프로그램을 개발하였다. 프로그램 결과에 대해 검증을 수행하고자 준공된 전력구 1개 현장의 굴진데이터를 활용하였다. 굴진데이터의 모집단을 추정하기 위해 커널밀도추정 방법을 도입하여 추력, 토크, 동력의 기본사양에 대해 검증을 완료하였다. 본 연구결과를 통해 쉴드TBM 설계업무 전문성 강화 및 안정적 전력공급의 사용자 편익증대를 기대할 수 있다.

• 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.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.291-300
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• 2022

Tunnel boring machines combined with the earth pressure balanced shield method (EPB shield TBMs) have been adopted in urban areas as they allow excavation of tunnels with limited ground deformation through continuous and repetitive excavation and support. Nevertheless, the expansion of TBM construction requires much more minor and exquisitely controlled surface settlement to prevent economic loss. Several parametric studies controlling the tunnel's geometry, ground properties, and TBM operational factors assuming ordinary conditions for EPB shield TBM excavation have been conducted, but the impact of excessive excavation on the induced settlement has not been adequately studied. This study conducted a numerical evaluation of surface settlement induced by the ground loss from face imbalance, excessive excavation, and tail void grouting. The numerical model was constructed using FLAC3D and validated by comparing its result with the field data from literature. Then, parametric studies were conducted by controlling the ground stiffness, face pressure, tail void grouting pressure, and additional volume of muck discharge. As a result, the contribution of these operational factors to the surface settlement appeared differently depending on the ground stiffness. Except for the ground stiffness as the dominant factor, the order of variation of surface settlement was investigated, and the volume of additional muck discharge was found to be the largest, followed by the face pressure and tail void grouting pressure. The results from this study are expected to contribute to the development of settlement prediction models and understanding the surface settlement behavior induced by TBM excavation.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.321-331
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• 2013

이 연구는 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 실질적인 현장을 통하여 평가한 것이다. 연구를 위하여 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이에 대하여 검토하였다. 또한 대상 현장에 대한 지반특성에 대하여 검토하고 현장에 투입된 장비에 대한 적용성에 대하여 분석하였다. 특히 장비의 용량분석을 실시하여 적합성에 대하여 평가하였다. 이러한 평가결과와 현장 공사자료를 근거로 실질적인 TBM의 공사량과 굴진속도를 분석하였다. 이 결과로부터 설계시 적용된 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 재평가 하였다. 연구 결과로부터 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이는 특히 극경암 지반($S_c$ >150 MPa)에 있어서 적용값의 변경이 필요하다는 것을 명백히 보여주었다.

• 터널과지하공간
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• 제29권6호
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• pp.394-406
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• 2019

도심지와 하·해저 터널에서는 연약지반 혹은 특수지반(단층대, 복합지반 등)을 조우할 가능성이 높으며, 이러한 조건에서는 TBM의 굴진율이 저하되고 다운타임이 증가하는 등의 문제점이 발생한다. 이러한 문제점들은 지반조사에서 발견되지 않은 불리한 지반조건에 기인하는 경우가 많으며, 굴진 중 수집된 굴진데이터를 근거로 향후 지층조건에 대한 최적의 운용조건을 결정하는 것이 최선이다. 본 연구는 향후 쉴드 TBM을 이용한 터널공사에서 단층대 및 복합지반에서의 효율적인 시공을 위하여 수행되었다. 외국의 사례를 통해 수집된 TBM의 굴진데이터를 활용하여 굴진율과 다운타임 발생 특성을 지층조건에 따라 분석하였다. 추력, 토크, RPM 등 주요 TBM의 기계데이터와 굴진율, 다운타임은 단층대와 복합지반의 특징에 따라 크게 영향을 받는 것을 확인하였고, 그 특징에 대하여 논하였다. 향후 국내외 유사한 지반에서의 TBM 시공 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.79-94
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• 2022

도심지 포화 상태로 인한 지하공간 개발의 일환으로 터널 건설의 수요가 증가하고 있다. 쉴드 TBM 공법은 진동과 소음을 최소화하며 굴착과 동시에 지반 변형을 최소화하는 공법으로, 국내 도심지 터널 시공은 대체로 쉴드 TBM이 적용되고 있다. 도심지 지반침하 예측의 중요성은 나날이 증가하고 있으며 쉴드 TBM 시공의 경우 지반 변형을 최소화 하지만 터널굴착에 의한 지반침하는 필연적으로 발생한다. 따라서 본 연구에서는 도심지 적용성이 높은 쉴드 TBM과 지반침하와의 상관성을 분석하여 지반침하에 주요한 영향을 미치는 쉴드 TBM 시공인자를 제시하고자 한다. 실제 현장에서 수집한 쉴드 TBM 시공데이터와 지반침하 계측데이터 간 상관관계 분석을 수행하였으며, 상관성 정도를 상관계수 "r"로 표현하였다. 그 결과 지반침하에 영향을 미치는 쉴드 TBM 주요 시공인자는 추력(Thrust force), 토크(Torque), 챔버압(Chamber pressure), 뒷채움압(Backfill pressure), 배토량(Muck discharge)으로 나타났다. 본 연구 결과를 통해 향후 쉴드 TBM 운용 시 지반침하를 사전에 예측 및 제어 할 수 있도록 주요 시공데이터에 대한 판단 기준 제시에 기여할 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제14권3호
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• pp.261-275
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• 2012

본 논문은 이수식 쉴드 TBM 굴착시 굴착면 안정에 큰 영향을 미치는 굴착면의 이수 침투에 따른 이막형성여부에 대하여 해석적 고찰을 수행하였다. 이러한 해석적 접근은 이수식 쉴드 TBM의 계획 및 설계시 최적 장비 형식 선정 및 시공계획 수립에 참고가 될 수 있으나, 이제까지 이에 대한 효과적인 해석적 방법에 대하여 제안된 것이 없는 상황이다. 따라서 본 논문에서는 사질토 입자의 모델링에 효과적인 $PFC^{2D}$의 Fluid Coupling simulation을 이용하여 해석을 수행하였으며, 해석결과, 이수침투 특성은 굴착 대상지반의 투수성과 이수특성(비중, 점성계수등)에 따라 변화됨을 파악할 수 있었다. 본 해석적 접근방법을 통하여 이수식 쉴드 TBM의 계획 설계단계에서 대상지반 특성을 고려한 이수 점도관리 방안 수립과 함께 시공중의 초기굴진단계에서의 최적 이수점도의 재검증을 통하여 안전한 터널시공에 도움이 될 것이라 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.