< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 <표 8> 시점부 사이클 타임 측정결과 구분1차2차3차4차 발파패턴B-2 (CB3)B-2 (CB3)B-2 (CB3)B-2 (CB3) 시험발파 공법더블데크 전자일반 미진동 전자더블데크 전자일반 미진동 전자 굴진장1.5m+1.5m1.5m1.5m+1.5m1.5m Cycle Time860분 (14.3hr) 590분 (9.8hr)860분 (14.3hr)650분 (10.8hr) 비고 - 24시간 작업기준, - 더블데크발파 1회 + 일반 전자발파 1회/1일 적용 가능 5. 요약 및 결론 본 고에서는 일반 미진동 전자발파와 더블데크 전자발파 시험발파를 통하여 발파진동 크기분석, 회귀분석, 굴진효율 및 여굴량, 파쇄입도 크기 분석 등을 통하여 더블데크 전자발파의 시공성을 확인하고자 하였으며, 연구내용 및 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 본 연구에서는 “세종~포천 고속도로 안성~구리 건설공사 제11공구” 남한산성터널 종점부에서 시험발파를 수행하였 으며, 일반 미진동 전자발파(굴진장 1.5m) 기준으로 더블데크 전자발파는 굴진장을 2배(1.5m+1.5m)로 증대하고 동 일한 지발당 장약량을 적용하여 시험을 수행하였다. 2) 시험발파 결과, 일반 미진동 전자발파과 지발당장약량이 동일한 조건에서 굴진장을 2배(1.5m+1.5m)로 증가시킨 더 블데크 전자발파의 진동수준이 더 적거나 비슷하게 발생하였으며 유폭현상은 발생하지 않았다. 또한, 굴진장을 2배 로 증대시킨 결과 천공장의 길이 증가로 더블데크 전자발파가 일반 미진동 발파에 비하여 여굴이 다소 크게 발생되었 고 3m 이상 장공발파시에도 파쇄입도는 30cm 미만의 파쇄석 비율이 80% 이상 발생하는 것을 확인하였다. 그러므로 더블데크 전자발파 적용시 굴진장을 2배로 증대시켜도 발파진동 및 굴진효율은 유사할 것으로 판단된다. 3) 시험발파간 사이클 타임을 측정하였으며, 측정결과 더블데크 전자발파 적용시 사이클 타임은 더블데크 발파(굴진장 1.5m+1.5m)시 평균 약 14.3시간이 소요되었다. 그러므로 더블데크 전자발파 적용시 시험발파 현장조건(터널 상반 단면적 80m2, 24시간 작업)을 기준으로 일반 전자발파 대비 약 30%(더블데크 전자발파 1회+일반전자 발파 1회/1일) 의 공기단축이 가능할 것으로 판단된다. 4) 더블데크 전자발파 시험결과 진동크기, 발파효율, 파쇄입도, 여굴량 등 일반 전자발파와 비슷한 수준으로 평가되어 현장 적용시 굴진장 증대로 인한 공사기간 단축 및 시공비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 단, 본 연구의 결과는 부 족한 데이터와 제한된 조건에서 도출된 결과이며, 추후 다양한 현장 및 조건에서 더블데크 전자발파를 적용하여 추가 적인 자료축적이 필요하다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 23, No. 4 49 1. 서 론 기계화 시공은 국외에서 활발하게 적용되어 왔고, 많은 시공실적을 거치면서 기술개발이 이루어져왔다. 한편, 우리나라에서는 쉴드 TBM을 이용한 기계화 시공법은 유틸리티 터널 건설을 위하여 주로 적용되어 왔으며, 최근에는 도로와 철도 사업에도 적용되고 있는 추세이다. 이러한 트렌드의 변화를 바탕으로 우리학회에서는 기계화 시공 기술관련 정책포럼이 최근 개최되었고, 기계화 시공 관련된 국책 연구도 많이 수행되고 있는 실정이다. 하지만, 국내에서 기계화 시공 장비를 개발하여 현장에 적용한다는 것은 여러 가지 리스크 를 안고 있는 것이 사실이다. 장비를 국산화 하는 것보다는 국내 지반특성과 현장 실정을 고려하여 최적의 운전이 가능하도록 또는 시공품질 향상을 도모할 수 있는 설계법 또는 시공법 개발에 집중하는 것이 국내 여건을 고려했을 때 보다 나은 선택이 될 수 있다. 본 고에서는 이러한 배경으로부터 쉴드 TBM의 굴진성능을 극대화 할 수 있는 방안에 대한 연구와 쉴드 터널의 품질을 향상할 수 있는 방안에 대하여 기술하고자 한다. 2. 면판 설계시 고려하여야 할 최적 디스크 커터 간격 산정에 대한 고찰 2.1 디스크커터의 절삭 메커니즘 디스크커터가 암반에 관입될 때, 디스크커터 하부에서는 분쇄영역이 발생한다. 이러한 분쇄영역은 암반에 디스크커터에 의해 응력 을 전달하며, 응력의 전달로 인해 방사상의 인장균열이 발생한다. 일정한 간격으로 두 개의 디스크커터가 관입되며 발생하는 인장균열 의 연결로 인해 암편(chip)이 형성되며 굴착된다(Rostami & Ozdemir, 1993). 유틸리티 터널 건설을 위한 쉴드 TBM 설계 및 시공기술 Design and construction technique with shield TBM for utility tunnels 송기일 인하대학교 사회인프라공학과 교수/공학박사 이항로 한국원자력연구원 처분성능실증연구부 박사후연구원 성원서 Texas A&M Zachry Dept. of Civil & Environ. Eng. 박사과정 이상연 인하대학교 토목공학과 박사과정기술강좌 시리즈 유틸리티터널 기술위원회 50 자연,터널 그리고 지하공간 디스크커터의 굴착효율은 비에너지를 통해 결정하게 되며, 이 비에너지는 단위부피를 절삭하는데 필요한 에너지로 정의한다. × (1) 디스크커터들의 압입깊이와 커터간격의 비(S/P)에 따라 비에너지는 그림 1과 같은 경향을 보인다. 이때 S/P비에따라 최소 비에너 지를 보이는 S/P비가 존재하게 되는데, 이를 최적 S/P비로 정의한다. <그림 1> S/P비 - 비에너지 곡선(Lee et al., 2020) 2.2 페이스 커터 영역의 최적간격 산정 디스크커터의 최적 절삭조건을 규명하는데 있어 가장 신뢰성 있는 방법은 선형절삭시험(LCM, linear cutting method)으로 알려져 있다(Rostami et al., 1996; Chang et al., 2007). 선형절삭시험은 실제 터널 굴착 시 발생할 수 있는 커터 하중과 관입정도를 모사할 수 있기 때문에 TBM의 성능예측에 직접적용할 수 있고 시험결과에 대한 크기효과를 배제할 수 있는 것으로 보고되고 있다(Nilsen and Ozdemir, 1993). 본 고에서는 이러한 선형절삭시험에 대한 개별요소법 수치해석을 수행하여 암반강도와 디스크커터의 압입깊이 및 커터간격에 따른 최적 절삭조건에 대한 연구를 소개한다. Lee(2020)는 PFC3D를 이용하여 암반강도별 압입깊이와 커터간격에따른 선형절삭시험 수치해석을 진행하고 그 결과를 확인하였 다. 50~200MPa의 암반강도에 대한 해석결과, 커터간격 80~100 mm사이에서 최적 비에너지를 보이는 것을 확인 할 수 있었는데, 이는 기존의 TBM설계에 사용되는 수치와 유사한 것을 확인할 수 있었다.Vol. 23, No. 4 51 유틸리티 터널 건설을 위한 쉴드 TBM 설계 및 시공기술 <그림 2> 선형절삭해석 모델 및 해석결과(Lee et al., 2020) 2.3 전이영역에서의 최적간격 산정 페이스 영역의 디스크커터 간격을 산정하는 연구는 기존에도 많이 수행되어 온 반면, 전이 영역에서의 최적간격에 대한 연구는 페이스 영역에 대한 연구에 비해 부족한 실정이다. 전이 영역의 경우 커터가 특정한 각도를 갖고 장착되기 때문에 실험을 진행하기 어렵다. 따라서 Lee(2021)은 PFC3D를 통해 전이 영역에 대한 수치해석을 진행하고 이를 통해 전이 영역에 대한 최적 절삭조건을 규명하기 위한 연를 수행하였다. 해당 연구에서는 디스크커터의 경사각과 디스크커터 사이의 각도를 통해 최적 절삭조건을 규명하고자 하였으며, 해당 모델은 그림 3과 같다. 디스크커터의 경사각은 0~75° 사이로 설정하였으며, 디스크커터 사이의 각도는 6, 8, 10, 12도로 설정하여 해석을 수행하 였다. 연구결과 디스크커터의 경사각이 0~75°인 경우 디스크커터간 간격이 8도 정도가 최적 절삭효율을 보이는 것으로 확인되었으 며, 경사각의 범위를 3개의 구역으로 나누어 추가적인 분석을 수행하였다. 분석을 수행한 구역은 그림 4와 같이 디스크커터의 경사각 에따라 0~25°, 25~50°, 50~75°인 경우로 나누어 분석하였는데, 각각 디스크커터 사이의 각도가 10°, 9°, 8°인 경우에 최적의 절삭 조건을 보이는 것을 확인할 수 있었다. <그림 3> 전이영역의 수치해석 모델 및 0~75°의 비에너지 결과(Lee & Song, 2021)기술강좌 시리즈 유틸리티터널 기술위원회 52 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 4> 경사각의 구역별 비에너지 결과(Lee & Song, 2021) 3. 굴진성능을 극대화 할 수 있는 운전조건 제시 및 굴진율 예측 방안 3.1 필요성 및 주요내용 Tunnel boring machine(TBM) 공법이 국내에 성공적으로 도입되었지만 주어진 장비와 지반조건에 적합한 운전조건을 제시하는 것은 여전히 어려운 사안이다. 굴착성능에 영향을 미치는 요소들이 매우 다양하여서 이를 정량화하는 것이 번거롭기 때문이다. 커터간 격, 크기, 형태, 개수 등과 같은 기계적인 요소와 암반의 강도, 절리간격, 방향, 그리고 상태 등 다양한 지반물성들을 고려하여 운전조 건 및 굴진율을 예측한 해외사례가 있지만, 정량화가 어려운 오퍼레이터의 숙련도와 실시간으로 예상치 못한 지반조건을 고려하지는 못하여 활용성이 매우 제한적이라고 할 수 있다. TBM의 미래환경에 대한 적응성을 향상하기 위한 한 가지 대안으로 TBM 모니터링 데이터를 실시간으로 활용하는 것이다. 즉, 과거 의 굴착데이터(i.e., 암반 물성, TBM 굴착데이터)는 물론 실시간으로 얻어지는 TBM 굴착정보들을 모델에 고려하는 것이다. 실시간 굴착정보는 오퍼레이터의 굴착패턴, 지반조건에 따른 추력과 RPM 값들이 포함되어 있다. 따라서, TBM 모니터링 데이터를 실시간으 로 활용한다면 굴착하고자 하는 근거리의 운전조건을 신뢰성 있게 예측할 수 있고 이를 토대로 굴진성능 향상을 위한 의사결정에 도움이 될 것으로 판단된다. 오퍼레이터의 예상 운전방식과 운전조건(i.e., 추력, RPM)은 과거 또는 현재까지 본인이 운전한 경험을 토대로 결정한다. 따라서, TBM 모니터링 데이터는 과거 또는 현재의 정보가 미래의 정보에 영향을 미치는 시계열적 형태로 볼 수 있으며, 본 연구에서는 시계열 데이터와 같은 순차적 데이터 분석에 적합한 ARIMAX(autoregressive integrated moving average with exogenous variables) 알고 리즘을 활용하였다. ARIMAX를 토대로 실시간 모델최적화, 운전조건 예측이 반복되는 프로세스인 워크포워드(walk-forward, WF) 예측 방식을 활용하여 현장적용을 통한 적용성을 확인하였다.Vol. 23, No. 4 53 유틸리티 터널 건설을 위한 쉴드 TBM 설계 및 시공기술 <그림 5> ARIMAX 기반 실시간 모델 최적화 알고리즘(이항로, 2020) <그림 6> 운전조건 실시간 예측을 위한 워크포워드 예측방법(이항로, 2020) 3.2 운전조건 실시간 예측을 위한 워크포워드 예측방법의 적용성 확인 현장적용을 위해 한국전력공사에서 제공한 2개의 전력구 굴착데이터를 활용하였다. ARIMAX 모델과의 비교를 위해 비시계열 모델 인 OLS(ordinary least squares) 모델을 비교군으로 사용하였으며 그림 7 및 8은 실시간예측거리를 1링(1.2 m)으로 설정하였을 때 (a) OLS(b) ARIMAX <그림 7> 현장 A에 대한 추력 예측결과(이항로, 2020) (a) OLS(b) ARIMAX <그림 8> 현장 B에 대한 추력 예측결과(이항로, 2020)기술강좌 시리즈 유틸리티터널 기술위원회 54 자연,터널 그리고 지하공간 추력에 대한 워크포워드 방식의 예측결과를 보여준다. 두 방법으로 인한 예측결과 모두 실제결과와 비슷한 경향을 보였으나 ARIMAX 가 상대적으로 실제와 가까운 결과를 보였음을 알 수 있었다. 그러나, 1링의 거리를 앞서 예측하는 것은 현장활용도가 높지 않다. 따라서 실시간예측거리에 따른 예측성능을 추가적으로 알아보았 으며, 그 결과 실시간예측거리가 증가함에 따라 오차율이 로그함수적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 실시간예측거리가 8링(약 10 m) 이하에서는 ARIMAX의 예측오차율이 OLS보다 작았으며 이는 시계열 기반 모델이 비교적 단거리 예측에 적용성이 있다고 볼 수 있다. 8링 이하에서의 ARIMAX 오차율은 현장 A의 경우 약 16%, 현장 B의 경우 약 11% 이하의 낮은 오차율을 보임을 확인할 수 있었다. 3.3 굴진율 예측을 위한 워크포워드 기법의 적용성 확인 시공 중 TBM의 운전조건을 예측하는데 모델 최적화, 운전조건 예측이 반복되는 프로세스인 워크포워드의 적용성을 확인하였다. 그 중에서 시계열 기반인 ARIMAX가 비-시계열 기반 방법보다 더 낮은 예측오차율을 보였으며 약 10 m 이하에서 최대 11~16%의 예측오차율을 보였다. 이러한 예측오차율을 목표할 경우 이에 대응하는 실시간예측거리는 TBM 오퍼레이터가 추후 굴착일정을 계획할 수 있는 의사결정을 내리는 데 충분한 시간을 제공할 수 있을 것이라 판단된다. (a) 현장 A(b) 현장 B <그림 9> 실시간예측거리에 따른 예측오차율 변화(이항로, 2020) 4. 세그먼트 배면 뒷채움 품질 관리 방안 4.1 배경 및 필요성 TBM 터널의 시공과정에서 지반 굴착 후 세그먼트를 설치하게 되면, 굴착지반과 세그먼트 사이에는 tail void가 형성되게 된다. 공동을 메꾸기 위해 뒷채움재가 주입되는데, 이는 터널과 터널을 시공 중인 지반의 안정성에 중요한 역할을 한다. 뒷채움의 주입이 이루어지지 않거나 부족하게 되면 공동으로 지하수가 유입되며, 이는 터널의 안정성 문제 발생뿐만 아니라, 지속되는 공동의 확대로 싱크홀 발생을 초래할 수 있다. 본 고에서는 터널 세그먼트에 충격 반향 기법(Impact-echo)을 적용하여 획득되는 신호 데이터를 이용 하여 뒷채움 상태를 평가하는 알고리즘 및 시스템을 소개한다. Vol. 23, No. 4 55 유틸리티 터널 건설을 위한 쉴드 TBM 설계 및 시공기술 4.2 세그먼트 배면 뒷채움 평가를 위한 기본 이론 콘크리트의 부착 여부 및 결함을 감지하기 위해 자주 사용되는 비파괴 시험 방법인 충격 반향 기법이 사용되어왔다. 콘크리트 구조 물의 경우 시료를 채취하거나 시추하는 등 검사 대상을 손상시키는 기법은 구조물 안전성에 악영향을 미칠 수 있으므로 구조물이나 매 질의 특성 및 상태를 손상 없이 평가할 수 있는 충격 반향 기법이 비교적 유용하다. 충격 반향 방법은 기본적으로 짧은 시간 동안 기 계적 충격을 가함으로써 수행되며, 그 구조물 표면의 충격에 의해 만들어진 응력파는 구조물의 불연속면으로부터 반사된다. 구조물에 부착된 센서를 통해 반사파의 파형과 공명주파수를 분석하여 구조 물의 특성을 파악하였다. 센서를 통해 획득한 신호는 Fast Fourier Transform(FFT)와 Short Time Fourier Transform(STFT)을 통하여 분석이 되었으며, 그 결과 기하학적 감쇠비, 공진 시간 그리고 시간 영역 신호에서 1ms 이후 절대 최댓값의 10%에 대한 Count 값을 뒷채움 여부에 관한 판단 기준으로 적용할 수 있었다. 4.3 세그먼트 배면 뒷채움 평가를 위한 시스템 자동화 세그먼트 배면의 뒷채움 평가 알고리즘을 크게 3단계로 나뉘며, 그 세부 내용은 다음과 같다. 첫 번째 단계에서는 뒷채움제가 주입 되지 않은 세그먼트에서 실험을 통해 비교군을 정립하게 된다. 빈 세그먼트에서 타격을 30회 실시한 후 공진주파수, 감쇠비, 공진시 간, Count 값과 누적에너지 데이터를 저장하게 된다. 이상값을 제외 하기 위해, 감쇠비를 기준으로 최댓값, 최솟값 각각 데이터를 2개씩 제거 후 데이터의 평균을 산정한다. 이상점 제거 후 남아있는 데이 터가 20개 미만일 경우 재실험을 진행하며, 20개 이상일 경우 응력 파의 속도가 3,900m/s 이상 4,300m/s 이하 및 count값이 6개 이 상일 경우 빈 세그먼트에서 올바르게 실험이 된 것으로 판단되며, 이 데이터를 저장하게 된다. 탄성파의 속도 및 count값 둘 중 하나 라도 기준을 만족하지 못할 경우, 빈 세그먼트에서 재실험을 진행한 다. 두 번째 단계에서는 뒷채움이 완료된 세그먼트에서 이전의 비어 있는 세그먼트에서와 동일한 방식으로 실험을 한다. 하지만 탄성파의 속도와 count값에 대한 필터는 적용하지 않는다. 마지막 단계인 세 번째 단계에서는 뒷채움재의 주입여부를 확인하고자 하는 세그먼트에서 실험을 진행한다. 세그먼트에 타격을 15회 실시한 후 이전 과 동일하게 공진주파수, 감쇠비, 공진시간, count 값 및 누적 에너지 데이터를 획득한다. 감쇠비를 기준으로 최댓값, 최솟값 데이터를 각각 2개씩 제거 후 데이터의 평균을 산정하며, 데이터의 개수가 10개 미만일 경우에는 재실험을 진행한다. 데이터의 개수가 10개 <그림 10> 충격 반향 기법의 원리(성원서, 2019) <그림 11> 세그먼트 배면 뒷채움 평가 장비(성원서, 2019)기술강좌 시리즈 유틸리티터널 기술위원회 56 자연,터널 그리고 지하공간 이상일 경우에는 감쇠비, 공진주파수 및 count값을 통해 세그먼트의 뒷채움 여부를 판단하게 된다. 3단계에서 획득된 감쇠비, 공진주 파수 및 count값을 1단계에서의 데이터와 비교하며, 3단계에서 획득한 감쇠비가 1단계에서 보다 큰 경우, 공진주파수가 1단계 보다 작은 경우 마지막으로 count 값이 6미만인 경우(3가지 조건을 모두 만족하는 경우) 실험한 세그먼트의 배면에 뒷채움이 밀실하게 주입된 것으로 판단하게 된다. 4.4 현장 적용 및 검증 이러한 알고리즘을 탑재한 장비를 이용하여 두 곳의 시공 중인 현장과 이미 시공이 완료되어 전력구 터널로 사용되는 현장에서 실효성을 입증하였다. 뒷채움 주입이 미실시된 세그먼트와 비교하였을 때 뒷채움이 완료된 세그먼트에서의 감쇠비는 증가하고, 공진 시간이 짧아지는 것을 확인하였으며, 뒷채움 완료 시 Count 값이 거의 0의 값을 갖는 것을 확인하였다. 운영 중인 터널에서는 뒷채움 주입이 미실시된 세그먼트가 없으므로 시공 중인 터널 현장에서의 감쇠비, 공진 시간, Count 값 데이터를 시스템에 직접 입력하여 실험을 수행하였다. 그 결과 앞선 시공 중인 터널에서의 검증과 동일한 결과를 획득하였다. (발전산업신문, 2018)Vol. 23, No. 4 57 유틸리티 터널 건설을 위한 쉴드 TBM 설계 및 시공기술 5. 결 론 본 고에서는 암반의 압축강도 특성을 고려한 쉴드 TBM 커터헤드의 디스크커터 최적 간격 산정 기술, 장비 특성, 지반 특성 및 오퍼레이터 특성 등을 고려한 최적 운전조건 제시 및 굴진율 예측 기술, 쉴드 TBM 세그먼트 배면의 뒷채움 평가 기술 등 최신 기술을 중심으로 설명하였다. 향후 기계화 시공 기술의 발전을 위해서는 전통적인 방법에 무턱대고 의존하거나, 경험에 의존하기보다는 현장 에서의 문제점을 보다 적극적으로 제기하고 그 문제를 해결하기 위해 업계와 학계가 같이 고민하고 새로운 방법을 시도하는 과정이 필요하다고 생각된다. 본 고에서 다룬 연구 내용은 한국전력공사에서 많은 연구지원을 통해 이루어졌다. 이에 깊은 감사를 드리며 본 강좌를 마친다. 참고문헌 1. Rostami, J., Ozdemir, L. (1993), “A new model for performance prediction of hard rock TBMs”, Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC), Boston, pp. 793-809. 2. Rostami, J., Ozdemir, L., Nilson, B. (1996), “Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models”, Proceedings of the Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology, Las Vegas, pp. 1-10. 3. Nilsen, B., Ozdemir, L. (1993). “Hard rock tunnel boring prediction and field performance”, Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC), Boston, pp. 833-852. 4. Lee, S. Y., Song, K. I., & Jung, J. H. (2020). “A numerical study on the optimum spacing of disc cutters considering rock strength and penetration depth using discrete element method”. Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 22(4), 383-399. 5. Lee, S. Y., & Song, K. I. (2021). “Numerical analysis on the estimation of optimal disc cutter angle in transition cutter zone”. Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 23(1), 1-12. 6. Hang-Lo Lee, Ki-Il Song, Chongchong Qi, Jin-Seop Kim and Kyoung-Su Kim, Real-Time Prediction of Operating Parameter of TBM during Tunneling, Appl. Sci. 021, 11, 2967. https://doi.org/10.3390/app11072967. 7. 이항로, 머신 러닝 기반 쉴드 TBM 순굴진율 실시간 예측, 인하대학교 토목공학과, 박사학위 논문, 2020. 8. 성원서, 쉴드 TBM 터널 세그먼트 라이닝 배면 뒷채움 상태 평가 시스템 개발 및 검증, 인하대학교 토목공학과, 석사학위 논문, 2019. 9. 이상연, 개별요소법을 이용한 암반강도 및 압입깊이별 디스크커터 최적간격산정, 인하대학교 토목공학과, 석사학위 논문, 2021. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Next >