< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 관리가 이루어지고 있다. 유지관리분야에서도 터널구조물의 설계, 건설 및 기존 유지관리 자료가 분석이 가능한 정형 형태(DB화)로 저장/관리되어야 시간에 기반한 이력관리가 가능하다. 즉 자료에 기반하여 선 제적으로 유지관리가 수행되어야 보수/보강을 포함한 유지관리 비용을 최적화 할 수 있고 터널구조물의 설 계 수명동안 안전하게 사용할 수 있다. 현재는 지반조사 자료, 설계자료, 건설자료 및 기존 유지관리 자료 는 비정형 형태로 단순 저장 수준에 머무르고 있다. 설계, 건설 및 유지관리분야에서 국내 터널 기술은 전 세계와 견주어도 동등하거나 우월할 정도로 지난 40년 동안 비약적으로 발전을 한 것은 사실이다. 터널공학자 선배님들은 외국 터널공학자로부터 배운 터널 기술에 수많은 터널들을 건설하면서 축적된 경험을 후배들에게 전수하여 수많은 터널공학자들이 양성되었 다. 터널기술은 이론의 발전과 다양한 실무 경험을 통하여 수정되고 발전될 수 있다. 법률, 체계, 시스템 등 사회적 구조와 다양한 요구에 의하여 변경될 수 도 있다. 그러나 이렇게 전수되고 축적된 국내 터널기술은 시대가 지나면서 앞에서 언급한 몇 가지 경우처럼 기본에 충실하지 못 한 기술로 수정되고 변질되는 실정 이다. 그러나 기본을 유지하면서 충실하게 수행된다면 다양한 불합리한 요구 및 여건은 충분히 이겨낼 수 있을 것으로 생각한다. 지금부터라도 기본에 충실하고 기본을 지키는 실력있는 터널공학자로 거듭나기 위 하여 깊은 자성과 반성의 시간을 가져야 할 것이다. 한국터널지하공간학회 부회장 / 한국건설기술연구원 연구위원 김 동 규Vol. 23, No. 4 9 기술기사 1 1. 머리말 최근 국내 도심지 인근 NATM에서 소음· 진동의 영향을 최소화하고 연속굴착을 위해 발파공법을 대체하는 대표적인 기계화 굴착공법인 로드헤더의 적용성을 검토하고 적용하는 사례가 조금씩 증가하고 있다. 국내의 경우, 아직까지 로드 헤더의 시공실적이 공개되거나 데이터가 축척되어 있지 않아 설계시에는 제조사가 제시하는 이론적 굴착효율에 의존하 고 있는 실정이다. 또한, 제조사가 제시하는 시공실적 중에는 국내의 지질조건과 상이하거나 단순히 좋은 효율을 달성한 특정 데이터를 제시하고 있기 때문에 활용시에는 주의가 필요하다. 특히 로드헤더의 굴착능력은 일축압축강도와 슈미트 해머의 반발도 등을 기준으로 예측하고 있으나 실제 굴착능력은 암반상태의 영향에 따라 변화되므로 정밀도 높은 예측 은 상당히 어려운 실정이다. 여기서는 국내 지질조건과 유사한 중국, 일본의 로드헤더 시공사례를 문헌조사하여 설계와 시공계획을 수립하는데 있 어서 참고적 자료를 제공하고자 한다. 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 김재영 (주)코템 공학박사/대표이사 박효림 (주)코템 연구전담부서 주임10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 2. 일본의 사례 2.1 굴착능력의 예측식과 실측값의 비교 일본의 경우 일축압축강도 15~80MPa의 안산암이 분포하는 터널공사에서 로드헤더의 굴착능력(Y)에 대해 다음과 같 은 예측식을 제안하였고, 표와 같이 1막장에 대해 10개소를 슈미트해머 10회 시험하여 평균하고, 막장관찰기록을 통해 실측값과 비교한 결과를 나타내었다. 그리고 암반강도와 굴삭효율 및 굴진시간, 싸이클타임과 다운타임에 대한 분석결과를 나타내었다. Y = 23.58 - 0.23X1 - 0.11X2 - 0.87X3(1) ∙ Y : 로드헤더의 굴착능력(m3/hr) ∙ X1 : Cone type 슈미트해머의 반발도 ∙ X2 : 토피고(m) ∙ X3 : 균열의 상태 <표 1> 막장관찰기록 A 막장의 상태1. 안정2. 막장에서 암괴가 빠져 탈락3. 막장면의 융기가 발생 4. 막장이 자립하지 않고 붕괴 또는 유출 5. 기타 B 굴착면 상태1. 자립2. 시간이 지나면 이완되어 탈락 3. 자립곤란, 굴착후 조기에 지보 4. 굴착보다 선행하여 보강을 할 필요 있음 5. 기타 C 압축강도 1. ������c 100MPa 해머타격시 반발 2. 100MPa > ������c 20MPa, 해머 타격으로 깨짐 3. 20MPa > ������c 5MPa, 가벼운 타격으로 깨짐 4. 5MPa > ������c, 해머선단이 관입됨 5. 기타 D 풍화, 변질1. 없음 2. 균열부를 따라 변질, 강도가 약간 저하 3. 전제적 변질, 강도가 상당히 저하 4. 토사층, 점토층, 파쇄, 미고결 5. 기타 E 균열의 정도1. 간격 d 1m2. 1m > d 20cm3. 20cm > d 5cm 4. 5cm > d 파쇄, 미고결 5. 기타 F 균열의 상태1. 밀착2. 부분적 개구3. 개구 4. 점토가 끼어 있거나, 미고결 5. 기타 G 균열의 형태 1. 정방형2. 주상3. 층상, 판상 4. 토사, 세립판형, 미고결 5. 기타 H 용수1. 없음, 누수정도2. 누수정도3. 집중 용수4. 전단면 용수5. 기타 I물에 의한 열화 1. 없음2. 이완 발생3. 연약화4.붕괴, 유출5. 기타Vol. 23, No. 4 11 굴착단면적(m2) 굴 착 능 력 (m3/hr) 실측값 예측값 <그림 1> 굴착능력의 예측과 실측값의 비교 <그림 2> 현장 암반강도별 굴삭효율 분석 점검, 피크교체 파이프, 풍관 등 연장 굴착 버력반출 <그림 3> 암반에서 단면적 17.42m2, 굴진장 1.2m의 경우, 로드헤더 싸이클(굴착능력 10m3/hr)12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 굴착 (66.7%) 컨베이어 (4.7%) 유압계통 (15.0%) 물분무기계통 (3.5%) 전기계통 (9.4%) 쇼벨 (4.7%) <그림 4> 300kW급 로드헤더 부위별 고장율(1990년1월~3월, 총 33건) <표 2> 300kW급 로드헤더 고장실적(1990년 1월~3월, 총 33건) 위치고장 횟수손실시간(분)주요 고장내용 굴착부 드럼21,680마모, 물분무 노즐파손 실린더152,130잭의 휨, 부시(Bush) 파손 벨브, 호스2160파손, 조정불량 쇼벨부140회전 저하 컨베이어 1차 컨베이어1120아이들러 탈락 2차 컨베이어2160베어링 파손 유압계통 솔레노이드밸브1140막힘 유압펌프3390관리불량 분기밸브2360막힘 물분무 계통2210필터막힘 전기 계통2560케이블, 스위치 합계335,950 2.2 픽커터에 대한 고려사항 픽커터는 마모에 따른 교체비용, 굴삭효율을 좌우하나 픽커터의 관입깊이, 드럼회전수, 픽커터의 배열 등이 버력의 크기나 분진의 발생에도 큰 영향을 미친다. 현재 픽커터는 일반적으로 초경칩을 사용하고, 그림 5와 같이 직경 25mm의 픽을 표준형으로 사용하고 있다. 굴삭드럼의 픽배열은 그림 5에 나타내는 것과 같이 29개의 픽을 배열하고 있다. 용수에 의한 버력의 슬라임화를 방지하기 위해 픽의 간격을 넓게 하고 버력의 크기를 가능한 크게 함과 동시에 픽의 수량도 최 소한으로 하여 분진의 발생량을 낮게 억제하는 것으로 고려한 설계이다.Vol. 23, No. 4 13 (a) 표준 픽커터 형상(b) 굴삭 드럼의 픽커터 배열 <그림 5> 픽커터 형상 및 배열의 예 3. 중국의 로드헤더 선정 가이드라인 및 사례 3.1 중국의 로드헤더 선정 가이드라인 중국의 경우 로드헤더의 장비를 선정하는데 있어서는 표 3의 사양을 바탕으로 다음의 사항을 고려하여 적용 모델을 검토하고 있다. ∙ Technical Advantages ∙ Large positioning cutting range ∙ Stronger rock breaking capacity and high cutting efficiency ∙ High loading efficiency ∙ High efficiency dust removal system to improve working environment ∙ Advantages of construction method ∙ High degree of mechanization ∙ High security <그림 6> 굴착범위의 설정(Positioning cutting range)14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 <그림 7> 파쇄능력 및 굴삭 효율의 검토 <표 3> 대표적인 로드헤더 적용 모델의 사양 Parameter 세계최대 CTR450CTR323CTR300ACTR300RCTR300DCTR300SCTR260T Total weight (including dust removal and second conveyer) 188t132.5t125t102t100t110t110t Dimensions Length16.2m16.2/23.5m 15.6/22.4m17.15m11.67m13.4m17m Width5.01m4.0m3.6m3.8m3.6m3.6m3.6m Height5.1m4.3m3.73m3.82m3.75m2.2m3.8m Total installed power772.6kW633kW572kW536kW488kW520kW496.5kW Recommended rock UCS (up to designed capacity) 80MPa70MPa70MPa50MPa80MPa70MPa70MPa 200MPa180MPa180MPa160MPa180MPa180MPa180MPa Cutting range Width9.34m8m7m7.4m7.44m6.3m7.2m Height8.26m7.5m6.5m6.7m6.77m5.2m6.4m Ground pressure0.19MPa0.18MPa0.18MPa0.15MPa0.18MPa0.175MPa0.19MPa Grade ability±14°±16°±16°±16°±16°±16°±16° Supply voltageAC1140VAC1140VAC1140VAC1140VAC1140VAC1140VAC1140V Mini. cooling water0-136L/min 150/100L/min 150/100L/min 0-90L/min 0-90L/min 150/100L/min 150/60L/min Transformer capacity to be configured 1000KVA1000KVA800KVA800KVA630KVA800KVA800KVA <표 4> 암반강도와의 관계(Classification by Rock uniaxial compressive strength) RC, MPa<2020-6060-100>100 Rock hardnessSoft rockSlightly soft rockHard rockVery hard rock Tunneling difficultyVery easy to tunnelEasy to tunnelDifficult to tunnelVery difficult to tunnel Loss of picklow losshigh losslarge lossgreat large loss Applicability of roadheaderSuitableMore suitableLess suitableNot suitable Classification of surrounding rocksClass-AClass-BClass-CClass-DVol. 23, No. 4 15 <표 5> 암반등급에 대한 적용성(Adaptability classification standard for roadheader) BQGrade of surrounding rockAdaptability classificationDifficulty of drillingRemarks <1VIPoor adaptabilityExtremely easy 1-5IIIGeneral adaptabilityEasy 5-10VGood adaptabilityEasy 10-17IVExcellent adaptabilityEasy-General 17-25VGood adaptabilityGeneral 25-40IIIGeneral adaptabilityGeneral >40IIFlexible adaptabilityDifficulty <표 6> 암반절리등급에 대한 적용성(Classification according to rock fracture development degree) Rock mass integrity coefficient>0.50.3-0.5<0.3 Rock mass completenessRelatively integratedRelatively brokenFragmentation Tunneling difficultyVery easy to tunnelEasy to tunnelDifficult to tunnel Loss of picklow losshigh lossgreat large loss Applicability of roadheaderSuitableMore suitableNot suitable Classification of surrounding rocksClass-AClass-BClass-C Basic quality index of rock mass250-400<250>400 Rock mass completenessRelatively brokenFragmentationRelatively integrated Tunneling speedFast tunneling speedslowerSlow tunneling speed Applicability of roadheaderSuitableMore suitableNot suitable Classification of surrounding rocksClass-AClass-BClass-C 3.2 중국 로드헤더 시공사례 3.2.1 Beijing Shijingshan Maglev Tunnel ∙ 사용장비 : CTR323 ∙ 터널연장 : 162m ∙ 터널단면적 : 폭 12.84m, 높이 9.66m ∙ 암종 : Mainly Ⅳ and Ⅴsurrounding rocks, quartz sandstone layer ∙ 암반강도 : ~110MPa ∙ 시공실적 - 굴착효율 : 18-25m3/hr - 굴착량 : 2200m3 (18일간)16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 <그림 8> Beijing Shijingshan Maglev Tunnel 현장 전경 3.2.2 Chongqing Zengjiayan Bridge and Tunnel ∙ 사용장비 : CTR323/CTR300A ∙ 터널연장 : 2006m ∙ 터널단면적 : 폭 16m, 11m, 12m, 높이 9m (상반 벤치높이 7m) ∙ 암종 : Mainly Ⅲ and Ⅳsurrounding rocks, sandstone ∙ 암반강도 : 70~90MPa ∙ 시공실적 - 굴착효율 : 16m3/hr - 굴착량 : 3500m3 (월평균)Vol. 23, No. 4 17 <그림 9> Chongqing Zengjiayan Bridge and Tunnel 현장 전경 3.2.3 Huaguoyuan West Station Inclined Shaft Project in Guiyang ∙ 사용장비 : CTR323/CTR300A ∙ 터널연장 : 251m ∙ 터널단면적 : 폭 7.68m, 높이 7.04m ∙ 암종 : Mainly Ⅲ and Ⅳsurrounding rocks, weathered dolomite ∙ 암반강도 : 80~110MPa ∙ 시공실적 - 굴착효율 : 7-15m3/hrNext >