< Previous기술강좌기사 기계화시공 위원회 48 자연,터널 그리고 지하공간 Fc는 디스크커터와 기타 굴착도구에 작용하는 커터 작용하중, FS는 굴진면의 지지압력으로 인한 하중, FF는 쉴드 외판과 지반 사이 의 마찰력, 그리고 ΔF는 안전여유이다. <그림 3> Gripper TBM의 굴진에 필요한 추력(기계화시공 설계편 p264) <그림 4> Shield TBM의 굴진에 필요한 추력(기계화시공 설계편 p264)Vol. 23, No. 1 49 TBM 시공 기초 일반적인 Gripper TBM과 Shield TBM의 추력은 위와 같이 계산하지만, 실제 현장에서는 장비제작사양 및 현장상황에 따라 장비 후방설비의 중력, 현장의 경사도, 테일스킨 씰의 마찰력 등을 추가하여 계산한다. 그림 5는 Gripper TBM과 Shield TBM의 추진방법에 대한 개요도이다. <그림 5> Gripper TBM(좌)과 Shield TBM(우)의 추진방법 또한, Gripper TBM은 Gripper plate(or Clamping pad)를 통해서 전달된 Gripper cylinder의 압출길이가 메인빔(Main-Beam)으 로 전달되면서 방향을 전환한다. <그림 6> Gripper TBM의 방향제어(위에서 본 그림) Shield TBM의 방향전환은 중절잭(Articulation Jack)과 Thrust cylinder를 통해서 이루어지며, 세그먼트의 조립과 밀접한 관계가 있다. 시공시 급격한 방향전환은 세그먼트에 편심이 가해져 손상을 가져 올 수 있고, 스탠다드 세그먼트와 테이퍼 세그먼트의 조합문 제를 고려하여 신중히 수행하여야 한다.기술강좌기사 기계화시공 위원회 50 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 7> Shield TBM의 방향제어 및 세그먼트에 작용하는 정상적인 추력위치 3.3 Reamer Cutter와 Copy Cutter 그리고 Crusher 시공중 발생하는 상황에 따라 필요시 굴착경 이상의 여굴을 만들어주기 위해서 비상용 커터가 필요하기도 하다. Gripper TBM의 경우 장비가 암반에 압착될 경우나 커터헤드 앞쪽 막장면에서의 작업이 필요한 경우 Reamer Cutter를 이용하여 약간의 필요 공간을 확보한다. Reamer Cutter 경우 평상시에는 최외각 게이지 커터(Gauge Cutter) 보다 안쪽에 위치하고 있다가 필요시 압출되어 여굴을 만들어 준다. 현대의 메인빔(Main-Beam Type)타입 Gripper TBM에서는 Reamer Cutter의 적용 여부를 옵션 사양으로 취급하기도 한다. <그림 8> Gripper TBM의 Reamer Cutter Shield TBM의 경우 곡선시공이나 급격한 자세수정을 위해 굴착외경 이상으로 막장을 굴착하는 여굴장치로 Over cutter(전주 여굴 장치)와 Copy cutter(부분 여굴장치)가 있다. 설치되어 있는 방식은 Gripper TBM과 유사하며 필요시 압출되어 여굴을 할 수 있다.Vol. 23, No. 1 51 TBM 시공 기초 <그림 9> Over Cutter 여굴범위<그림 10> Copy Cutter 설치 및 여굴범위 Slurry Shield TBM은 배니관을 통해 버력을 처리하기 때문에 Cutterhead 설계 시 Disc cutter의 간격조정을 통한 버력의 사이즈를 산정해주는 것은 매우 중요하지만, 개구부를 통해 배니관보다 큰 자갈이나 암석이 유입 될 수 있다. Slurry shield TBM에서 배니관의 폐색이나 마모는 전체 공정에 지대한 영향을 미칠 수 있으므로 배니관으로 유입되기 전에 파쇄하여야 하며, 그 역할을 담당하는 것이 Cursher이다. Crusher를 통해 파쇄된 버력은 한번 더 Grid망을 거쳐 배니관으로 유입된다. <그림 11> Slurry Shield TBM 의 Crusher와 Grid망 제작사별 장비사양에 따라 2차 Crusher가 설치되는 경우도 있다. Slurry Shield TBM의 버력이 길죽하고 뾰족한 형상으로 1차 Crusher와 그리드(Grid)를 통과할 경우 펌프의 유속능력에 따라 곡선관에 타격을 주어 마모를 촉진시킬 수 있으므로 이 경우 2차 Crusher의 설치를 고려 할 필요가 있다.기술강좌기사 기계화시공 위원회 52 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 12> 1, 2차 Crusher 3.4 후진가능 여부 Slurry Shield TBM은 세그먼트를 통해 반력을 얻어 굴진을 하고 동시에 영구구조물로 형성되기 때문에 시공공정이 단순하고 갱내 환경도 쾌적하다. 하지만 장비의 외판인 쉴드는 세그먼트 보다 커서 후진이 불가능하다. Gripper TBM은 굴착 및 지보재를 설치 완료 후, 현장여건에 따라 후방으로 장비의 반출이 필요할 경우 Stepping 통해서 후방반출이 가능하다(표 5 참조). 다만, 후방반출을 할 경우, Cutterhead의 직경이 지보재가 설치되어 있는 터널내공보다 크기 때문에 그림 13과 같이 Cutterhead와 Jacket을 갱내에서 분해해야만 한다. <표 5> Gripper TBM의 Stepping 후진순서(Main-Beam Type 별도의 장치 필요) ∙ 1stroke 후진(1.0~2.0m) ⇒ Inner Kelly 후진상태 ∙ Rear Support 내려 TBM 하중지지 ∙ Clamping Pad 벽면지지 해제 ∙ Clamping Pad 벽면지지 ∙ Rear Support를 올려 후진 준비 ∙ Advance Cylinder로 1Stroke 후진 ∙ Outer Kelly 후진 ∙ 굴착방향 조정(Rear Support 및 Gyro 시스템)Vol. 23, No. 1 53 TBM 시공 기초 <그림 13> Gripper TBM의 CutterHead 터널내 해체의 현황(예) 3.5 영구 구조물의 설치 방법 3.4 항에서도 기술되었지만 Slurry Shield TBM은 굴착과 동시에 세그먼트 설치로 터널 내 영구 구조물로이 형성된다. 반면에 Gripper TBM은 굴착 후 장비를 반출한 뒤에 라이닝 타설을 위한 공정을 가져야 한다. 그에 따라 라이닝 타설에 필요한 강재거푸집, 콘크리트 펌프카, 교반기(Agitator) 및 이들을 견인할 수 있는 광차(Locomotive)가 필요하며, 이에 따른 공사기간이 증가는 불가피하 다. 강재거푸집의 투입조를 늘려 양방향 타설을 진행하면 라이닝 타설에 따르는 공사기간 단축이 가능하다. <그림 14> 라이닝 타설전(Gripper)<그림 15> 굴착과 동시에 세그먼트 완성(Shield) <그림 16> 라이닝 타설 장비 배치도(Gripper)기술강좌기사 기계화시공 위원회 54 자연,터널 그리고 지하공간 3.6 갱외 부대설비 구성 터널공사를 위한 갱외부대설비는 TBM굴착에 필요한 가설설비 등을 공사 효율을 고려하여 적절하게 배치하여야 한다. Gripper와 Slurry TBM 장비는 구조적 특성, 지반대응능력, 터널시공방법에 따라 갱외 부대설비의 일부 구성이 달라진다. Gripper TBM의 갱외부대설비 구성은 TBM 주동력인 고압전력을 공급하기 위한 수전설비, 버력처리장, 오탁수처리시설, 급수설비, 비상급기설비, 환기설비, 배수설비, 정비Shop, 지보재를 위한 배치플랜트(Batch Plant)가 필요하다. <그림 17> Gripper TBM 갱외 부대설비 Slurry Shield TBM의 갱외부대설비 구성은 수전설비, 오탁수 처리시설, 세그먼트 야적장, 환기설비, 배수설비, 뒷채움 플랜트 외에 이수처리를 위한 설비가 필요하다. Slurry Shield TBM은 송니관을 통해 이수를 가압· 순환시켜 막장면을 지지하고, 굴착된 버력과 토사는 배니관을 통해 이수와 함께 처리되기 때문에 이수유송설비(STS: Slurry Transport System), 운전제어설비, 이수처리설비 (STP: Slurry Treatment System)가 필요하며 구성은 표 6과 같다. <표 6> Slurry Shield TBM의 시공설비 구분이수유송설비(STS)운전제어설비이수처리설비(STP) 세부 구성 ① 이송배관 - 송니관, 배니관, 밸브류 ② 송배니펌프 ③ 순환펌프 ④ 배관연장을 위한보조장치 ⑤ 자갈처리설비 ① 중앙제어실 ② 중앙감시제어반 ③ 송배니펌프 제어시스템 ④ 막장수압지시 제어장치 ⑤ 송배니유량 지시조절장치 ⑥ 건사량, 굴착량 측정장치 ① 1차 처리설비 - 디샌더, 트로말스크린 등 ② 2차 처리설비 - 샌드콜레터, 필터프레스 ③ 3차 처리설비 - ph조정장치Vol. 23, No. 1 55 TBM 시공 기초 <그림 18> Slurry Shield TBM의 이수처리 흐름도 4. TBM의 시공 관리적 차이 4.1 막장압 관리 : Slurry Shield TBM Gripper TBM의 적용 지질 범위는 풍화암 이상의 양호한 암반구간 적용을 기본으로 하기 때문에 별도의 막장압에 대한 검토는 수행하지 않는다. 하지만 Slurry shield TBM의 경우 해·하저구간 및 지하수위가 높은 구간에 적용되는 경우가 많으므로 설계 시 막장면에 작용하는 토압과 수압에 대한 막장압을 산정하고 시공 시 실시간 측정을 통하여 막장압을 관리하여야 한다. Slurry Shield TBM에서 막장면 제어의 기본 이론은 이수막(Filter cake)의 형성과 침투존을 통한 방법이며, 이수막의 형성은 터널막장에 직접적으로 불투수층을 만들어내고, 이때 초과된 압력은 유효응력의 형태로 토압을 지지한다. 침투존을 통한 방법은 초과된 Slurry 압력이 지반으 로의 침투 깊이 전반에 걸쳐 Slurry 용액과 토입자 사이의 전단응력을 통해 응력을 전달하게 되는 방법이다. <그림 19> 이수막의 형성 및 Slurry 압력의 토사내 응력전이 막장압 관리방법은 장비제작사마다 약간은 상이하나 순수하게 Slurry 만으로 관리하는 방식과 Slurry + Air Bubble을 혼합하여 관리하는 방식이 있다.기술강좌기사 기계화시공 위원회 56 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 20> 막장조절 방법<그림 21> 막장압 제어 메커니즘 Slurry Shield TBM에서 막장압 제어는 유체이송펌프의 회전수를 조정하여 챔버(Chamber)내 이수의 압력을 조절한다. 근래에는 Air Bubble을 혼합하여 적용하는 방식이 많이 쓰이고 있으나, 어떠한 방식을 사용하던 이수를 사용하여 막장안정을 도모하는 기본 개념에는 변화가 없다. Slurry Shield TBM 터널 설계시 구간별 막장압에 대한 관리기준치를 설정해야 한다. 설계시 ITA 및 DAUB(Deutscher Ausschuss fűr unterrirdisches Bauen e.V.)에서 제안한 검토 방법으로 2가지 한계값(lower limits, upper limits)을 사용한다. 하한 압력 한계(lower limits)에서는 토압+수압이 막장압보다 크면 막장이 붕괴되므로 최소막장압 (Scrown, min)을 보장해야 하고, 상한 입력 한계(upper limits)에서는 토압+수압이 막장압보다 작으면 Blow out 현상이 발생하므로 최대막장압(Scrown, max)은 터널 크라운에서 수직응력의 90%보다 작아야 한다는 조건으로 검토하며, 정리하면 다음과 같다. • 토압(쐐기파괴) + 수압 > 막장압 : 막장붕괴 → 최소막장압(Scrown, min) • 토압(쐐기파괴) + 수압 < 막장압 : Blow out 발생 → 최대막장압(Scrown, max) 위의 검토조건으로 허용 막장압을 산정하면 그림 22와 같다. <그림 22> TBM 터널 상부(Crown)의 허용 가능한 지지압력 범위Vol. 23, No. 1 57 TBM 시공 기초 위의 검토조건과 그래프를 바탕으로 허용 막장압은 아래와 같이 산정하여 관리 참고치로 활용한다. • 터널천단에서의 최소허용막장압 : Scrown, advance, min = Scrown, min + 10kPa • 터널천단에서의 최대허용막장압 : Scrown, advance, max = Scrown, max - 10kPa 현장에서 막장면 압력 관리시 굴진관리대장을 통하여 굴진면 압력 변경 추이를 확인하면서 주의 깊은 시공이 필요하다. 또한 시공 전 노선과 간섭되는 시추공의 위치를 확인하여 Slurry 누출에 따른 굴착안정성 저하가 발생하지 않도록 면밀한 시공관리가 이루어 져야 할 것이다. 4.2 뒤채움 관리 : Slurry Shield TBM Shield TBM은 굴착면 최외곽커터와 세그먼트 외주면 사이에 공극(테일보이드: Tail Void)이 필연적으로 발생한다(그림 23 참조). 발생된 테일보이드를 조속히 충진 하지 않았을 경우 지반침하 발생 및 영구적인 지하수의 물길 형성의 원인이 된다. 그러므로 굴착후 빠른 시간내에 테일보이드를 적정압으로 충진이 필요하며, 이외에도 세그먼트 누수제어, Jack추력에 의한 세그먼트 변상 방지 등의 목적으로 뒷채움을 신속히 실시하여야 한다. <그림 23> Tail Void 개념도<그림 24> 뒷채움 주입 개념도 근래에는 뒤채움주입방식 중 동시주입을 원칙으로 하고 주입압은 정압관리에 의해 1~2MPa로 관리하며, 구간별 세그먼트 안정성 확보를 위한 최소 압력이 상이하므로, 최대 압력은 세그먼트 저항력을 고려하여 선정한다. 매링마다 압력게이지에 의한 주입량과 유량 게이지에 의한 주입량을 확인한다. 설계상 주입량은 이론 Tail Void량에서 130% 정도로 한다. 곡선부 시공시 Copy cutter를 사용하여 굴착하는 경우 이론 Tail Void량에서 여굴량이 더해지기 때문에 실제 주입량의 확인이 필요하다. 4.3 세그먼트 관리 : Slurry Shield TBM Shield TBM에서 세그먼트는 터널에 작용하는 토압과 수압, 자중, 상재하중 등을 견디는 구조물이며, Shield TBM의 굴진 중에는 잭추력을 받고 뒷채움 주입압을 견디는 매우 중요한 구조이다. 세그먼트의 누수 및 파손은 대부분 조립시에 발생하며, 발생위치는 세그먼트간, 링간이음부, 볼트주변, 뒤채움 주입홀 주변 등에서 발생한다. 세그먼트 파손 및 누수 원인은 그림 25와 같다.Next >