• Geomechanics and Engineering
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• 제20권5호
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• pp.421-432
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• 2020

Cutting of rocks is very common encountered in tunneling and mining during underground excavations. A deep understanding of rock-tool interaction can promote industrial applications significantly. In this paper, a distinct element method based approach, PFC^3D, is adopted to simulate the rock cutting under different operation conditions (cutting velocity, depth of cut and rake angle) and with various tool geometries (tip angle, tip wear and tip shape). Simulation results showed that the cutting force and accumulated number of cracks increase with increasing cutting velocity, cut depth, tip angle and pick abrasion. The number of cracks and cutting force decrease with increasing negative rake angle and increase with increasing positive rake angle. The numerical approach can offer a better insight into the rock-tool interaction during the rock cutting process. The proposed numerical method can be used to assess the rock cuttability, to estimate the cutting performance, and to design the cutter head.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권5호
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• pp.533-551
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• 2015

암석은 인공적인 재료(금속, 유리)에 비해 불균질하고 이방성을 가지고 있기 때문에 워터젯 절삭시 매우 복잡하게 파쇄되는 특성을 가진다. 워터젯 절삭시 암석특성에 따라 절삭성능이 결정되므로 물성에 대한 영향을 파악하는 것은 매우 중요하다. 워터젯 절삭효율에 영향을 미치는 물성은 선행문헌의 실험조건(수압, 연마재 투입량, 이격거리 등) 및 암종에 따라 다양하게 제시되고 있다. 본 연구에서는 워터젯 시스템을 이용한 암석절삭에 있어서 물성영향에 대해 문헌연구를 실시하고 중요 물성을 분석하였다. 선행문헌 연구를 통해 암석의 공극율, 일축압축강도, 경도가 워터젯 암석 절삭에 있어서 중요한 물성으로 도출되었다. 분석결과는 향후 워터젯 절삭 기술을 이용한 터널공사시, 암반특성에 따른 굴착효율을 예측하기 위한 기초지식을 제공할 수 있을 것이다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제31권3호
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• pp.249-263
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• 2022

The specially-shaped Polycrystalline Diamond Compact (PDC) cutter is widely used in drill bit design due to its advantages of high rock cutting efficiency, strong impact resistance and long service life in hard and abrasive formation drilling. A detailed understanding of rock cutting behavior of worn specially-shaped PDC cutter is essential to improve the drilling efficiency and decrease the drilling costs. In this paper, the theoretical models of two new principles (loading performance (LP) and cutting performance (CP)) are derived for evaluating the cutting process of worn specially-shaped cutter, the theoretical models consider the factors, such as cutter geometry, aggressiveness, stress state, working life, and rock cutting efficiency. Besides, the numerical model of heterogeneous granite is developed using finite element method combined with Voronoi tessellation, the LP and CP of 12 kinds of worn specially-shaped PDC (SPDC) cutters are analyzed. The results found that the mechanical specific energy (MSE) of worn cutters first increase and then decrease with increasing the cutting depth, and the MSE increase with the increase of back rake angle except for Conical cutter and Wedge-shaped cutter. From the perspective of CP, the worn PDC cutters are more suitable for the smaller cutting depths, and the back rake angle has little effect on the CP of the specially-shaped worn PDC cutters. Conical cutter, Saddle-shaped cutter and Ellipse-shaped cutter have the highest CP value, while Rhombus-shaped cutter, Convex cutter and Wedge-shaped cutter have the lowest value in selecting cutters. This research leads to an enhanced understanding of rock-breaking mechanisms of worn SPDC cutters, and provides the basis to select of specially-shaped PDC cutters for the specific target formation.

• 대한기계학회논문집A
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• 제39권10호
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• pp.1069-1077
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• 2015

발파를 이용한 터널굴착시, 와이어쏘를 이용하여 심빼기 부분 외곽에 불연속면을 발생시켜 발파진동을 차단함으로써 소음 및 진동을 저감시키고자 하는 방법은 타 방법에 비해 시공이 간편하고 경제적일 것으로 예상된다. 본 논문에서는 터널굴착용 와이어쏘의 절삭 메커니즘을 규명하기 위하여 시간에 따른 절삭 깊이 변화와 절삭 중 암석 내부의 와이어쏘 곡선 형태를 파악할 수 있는 절삭 모델을 구축하고 검증하였다. 구축된 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 터널굴착용 와이어쏘 절삭의 특징을 살펴보고, 와이어쏘 인장력, 와이어쏘 속도, 피드 속도, 천공 깊이 및 천공 직경과 같은 주요 조건들이 절삭 성능에 미치는 영향을 검토하였으며, 이러한 검토 결과를 바탕으로 절삭 성능을 높이기 위한 방안을 제시하였다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2009년도 세계 도시지반공학 심포지엄
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• pp.1338-1345
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• 2009

Although rock excavation is necessary for the effective utilization of urban space, most conventional rock excavation methods, including the blasting method, cause high noise and vibration. Meanwhile, if a high pressure waterjet system is applied to excavate underground spaces in urban areas, the public grievance can be reduced by low noise and vibration. In this study, an abrasive waterjet system is designed and developed to study the influence of various performance parameters such as jet pressure, nozzle traverse speed, stand-off distance, or abrasive feed rate on waterjet excavation performance in laboratory. Using the developed waterjet system, rock drilling characteristics are identified by measuring drilling depths as a function of the jet exposure time. The drilling depth linearly increases with increasing the jet exposure time(under 60sec). Rock cutting characteristics are also obtained with various jet pressures(1600~3200kg/$cm^2$) and nozzle traverse speeds(1.9~14.1mm/s): The cutting depth is nonlinearly related to the jet pressure and traverse speed. Indeed, the cutting depth increases with an increase in the jet pressure and a decrease in the nozzle traverse speed. This trend can be explained by energy transferring/loss mechanism.

• 터널과지하공간
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• 제21권6호
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• pp.508-517
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• 2011

선형절삭시험은 실제 TBM에 장착되는 디스크커터를 사용하여 암석을 절삭하는 시험으로 디스크 커터의 암석절삭성능을 평가할 수 있는 가장 정확하고 신뢰도가 높은 시험 중 하나이다. 시험을 통해 디스크커터에 작용하는 작용력과 암석 절삭 부피 등을 정량적으로 측정할 수 있으며 선형절삭시험 결과는 TBM 커터헤드의 설계에 필요한 핵심인자(수직력, 회전력, 최적절삭간격 등)를 결정하는데 직접적으로 활용될 수 있다. 국내에서도 LCM시험시스템이 구축되어 국내 대표 암종에 대한 선형절삭시험이 수행된 바 있으나 국내에서 수행된 일련의 선형절삭시험은 등방성 암석에 초점을 맞추어 수행되었다. 하지만 이방성 암반을 굴착하는 TBM 커터헤드의 설계 시에는 암석의 절삭효율과 디스크 커터의 절삭성능에 미치는 대상 이방성암반의 영향을 고려하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 이방성 암석의 편리각이 TBM의 절삭성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두 개의 다른 편리각을 가지는 아산편마암을 대상으로 압입깊이와 커터간격을 변화시켜가며 다양한 절삭조건하에서 선형절삭시험을 수행하였다. 시험결과는 암석의 이방성은 디스크커터에 의한 암석의 절삭효율 및 절삭성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 특히 이방성 각도에 따른 암석의 강도 변화는 TBM의 절삭성능을 예측하는데 있어 고려되어야 할 중요인자임을 확인할 수 있었다.

• 터널과지하공간
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• 제13권6호
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• pp.413-420
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• 2003

본 논문에서는 터널 및 지하공간의 기계화 시공에 있어서 굴진성능을 예측하는 모델링 기법을 고찰하였다. 첫 번째로 세계적으로 가장 잘 알려져 있는 두 가지 모델, 즉 이론적 접근을 기본으로 하고 있는 CSM 모델과 경험적 접근을 기본으로 하고 있는 NTH 모델의 비교를 수행하였다. 두 번째로는, 특별히 Constant Cross Section 커터를 사용하는 경우의 암석 굴삭 원리를 알아보고, 이 원리를 기본으로 하는 이론적 모델을 전개하여 암석특성과 커터 제원만으로 유도되는 절삭력을 구하는 관계식을 고찰하였다. 세 번째로는 기계화 시공에 있어서 굴진성능을 예측하기 위한 일반적인 모델링 기법을 제시하였다. 마지막으로 미국 Colorado School of Mines의 Earth Mechanics Institute(EMI)에서 개발한 CSM 컴퓨터 모델을 소개하고, 이 모델을 TBM 설계에 적용한 사례를 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권6호
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• pp.763-778
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• 2019

연마재 워터젯 절삭 기술은 다양한 장점으로 인하여 터널 및 지하공간 암반굴착에 활용되고 있다. 워터젯을 이용하여 암반을 파쇄하기 위해서는 반드시 연마재 투입이 필수적이다. 기존 석류석(garnet) 연마재는 국내에서 생산되지 않기 때문에 경제적 측면에서 대체 연마재가 필요한 실정이다. 본 연구는 국내 자연 및 건설현장에서 쉽게 구할 수 있는 모래를 대체 연마재로 사용 가능한지 규명하고자 한다. 실험 데이터 확보를 위해 준비한 현장 모래 5종을 연마재로 사용하여, 동일한 에너지 조건(수압, 유량)에서 화강암 절삭 실험을 수행하였다. 바다 모래를 연마재로 사용할 경우, 절삭성능은 상용 석류석 대비 60~70%가 확보되는 것으로 확인 되었다. 현장에서 경제적인 워터젯 굴착을 위해서 현장 모래를 대체 연마재로 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국암반공학회:학술대회논문집
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• 한국암반공학회 2006년도 춘계학술발표회 논문집
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• pp.217-236
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• 2006

본 연구에서는 TBM의 면판 설계와 굴진성능 평가를 위한 기초 연구로 우리나라의 대표 암종인 황등 화강암에 대하여 LCM 시험기를 사용한 일련의 시험을 실시하였다. LCM 시험을 통하여 최적의 절삭 조건을 구하고 절삭 깊이와 커터 간격 등의 TBM 면판 설계인자가 굴진성능에 미치는 영향을 평가하고자 하였다 정확한 TBM 성능을 예측하기 위하여 기존 연구들에서 적용된 방법에서 탈피하여 3차원적인 절삭 부피를 정량적으로 측정하고자 하였다. 이를 위해 실시간 처리가 가능하고 정밀도와 정확도가 확보된 디지털 사진계측기법을 LCM 시험에 적용하였다. 또한 TBM 디스크 커터에 의한 암석의 절삭과정을 모사하기 위한 수치해석 기법의 적용성을 검토하기 위해 AUTODYN 2D를 적용하였다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.359-368
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• 2022

Undercutting using an actuated disc cutter (ADC) involves more complex cutting mechanism than traditional rock cutting does, requiring the application of various new cutting parameters, such as eccentricity, cutter inclination angle, and axis rotational speed. This study presents cutting-edge laboratory-scale testing equipment that allows performing ADC tests. ADC tests were carried out on a concrete block with a specified strength of 20 MPa, using a variety of cutting settings that included penetration depth (p), eccentricity (e), and linear velocity (v). ADC, unlike pick and disc cutting, has a non-linear cutting path with a dynamic cutting direction, requiring the development of a new method for predicting cutting force and specific energy. The influence of cutting parameters to the cutter forces were discussed. The ratio of eccentricity to the penetration depth (e/p) was proposed to evaluate the optimal cutting condition. Specific energy varies with e/p ratio, and exhibits optimum values in particular cases. In general, actuated undercutting may potentially give a more efficient cutting than conventional pick and disc cutting by demonstrating reasonably lower specific energy in a comparable cutting environment.