< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 <그림 2> 터널 굴진면에 대한 다양한 안정화방식(Maidl et al., 2000) 굴진면을 안정화 시키는 방법에 따라 굴착효율을 증가시키는 굴착도구는 손에 의존하는 괭이, 삽, 끌 등에서 수많은 경험을 통해 개발되고 변모되어 현재는 암반의 절삭효율을 높이는 디스크커터를 사용하고 있으며, 지금도 디스크커터는 다양한 방법으로 개선되어 TBM터널공사에 널리 적용되어지고 있다(그림 3 참조). <그림 3> 암반절삭용 커터의 발전과정과 디스크커터의 장점(기계화시공 설계편, 2008)Vol. 25, No. 1 19 2. 대표적인 굴착도구인 디스크커터(Disc cutter) 일반사항 2.1 커터헤드와 디스크커터 커터헤드는 TBM의 가장 핵심적인 부분 중 하나로 암반을 굴착하는 디스크커터와 토사를 굴착하는 커터비트를 지반 조건에 맞게 배치와 간격을 고려하여 조합・구성되며, 굴착된 버력이 커터헤드의 개구부분으로 통과하여 챔버 안으로 들어가게 된다. 디스크커터는 자체의 회전력을 갖지 않으나, 커터헤드는 쉴드잭의 추력이 커터헤드에 전달되고, 구동모 터에 의해서 메인베어링을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시켜 발생된 회전력이, 지반을 직접 접촉하게 되는 디스 크커터에 고스란히 전달하게 된다. 식 (1)은 커터헤드와 디스크커터와 상호관계이다(Park, 2022). 커터헤드(쉴드잭 추력+메인베어링 회전력) = 각 디스크커터 연직력+회전력+측력 ⇒ 지반굴착(1) <그림 4> 커터헤드형상과 암석에 새겨진 디스크커터 궤적(Park, 2022) 2.2 디스크커터 개요 디스크커터는 풍화암 이상의 지반에서 암반을 굴착하는 도구로서 일반적으로 12인치부터 19인치까지 크기가 다양한 데 현재는 20인치까지도 적용이 가능한 상태이다. 중소형의 유틸리티(Utility) 터널의 경우 15인치 이하의 디스크커터 사용이 일반적이지만, 대구경 교통터널로 갈수록 17인치 이상의 디스크커터가 적용되어 진다. 디스크커터의 간격은 절 삭효율 및 에너지 효율을 극대화하기 위한 방법으로 인접한 디스크커터와 동일한 궤적을 회전하기 않도록 하고 버력을 사이즈를 고려하여 커터헤드 설계에 적용된다. 디스크커터는 허브에 설치되는 커터링의 개수와 설치방법에 따라 싱글 디스크커터(Single disc cutter), 더블 디스크커터(Double disc cutter), 트윈 디스크커터(Twin disc cutter), 트리플 디 스크커터(Triple disc cutter) 등으로 구분한다(Bae et al., 2015).20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 <표 1> 디스크커터의 종류 디스크커터 싱글디스크커터(페이스, 게이지)더블디스크커터(페이스)트리플디스크커터(센터) 센터커터는 디스크커터의 궤적이 매우 작고 이에 따른 배치가 쉽지 않아 한 개의 샤프트에 다수의 커터링이 부착된 형 태의 트리플 디스크커터가 많이 적용되고, 페이스커터 중 일부는 디스크커터의 배치와 간격의 문제로 더블디스크커터와 트윈디스크커터를 적용하기도 한다, 형상과 구조는 그림 5에 나타난 것처럼 차이가 있다. (a) Twin disc cutter(b) Double disc cutter <그림 5> 트윈디스크커터와 더블디스크커터의 형태 2.3 디스크커터 재질 특성 디스크커터는 단일지층 및 복합지층의 가혹한 조건 하에서 사용되는 굴착도구로, 특히 지반과 맞닿는 커터링은 고강 도와 고인성을 필요로 한다. 현재 국내 디스크커터의 커터링 재질은 경도 HRC45 이상, 충격흡수에너지 40J 이상의 열 간 공구강인 SKD61, 경도 HRC56 이상, 충격흡수에너지 10J 이상의 냉간 공구강인 SKD11이 사용되거나 그 이상의 강 들이 사용된다. 국외 디스크커터의 경우, 제조사별로 차이가 있지만 일반적인 합금강보다 높은 인성, 열 피로 균열에 대 한 저항성, 내마모성이 강한 공구강 재료를 사용한다(쉴드TBM 활성화를 위한 경제성 확보방안 연구, 2020). <표 2> 디스크커터 재료와 역할(쉴드TBM 활성화를 위한 경제성 확보방안 연구, 2020) 구분역할비고 C강도와 경도에 영향- Si페라이트 조직 강화- Mn충격 및 내마모성 향상- Cr열처리시 경화능력 증가- Ni충격인성 향상- Mo, V, Cu, P, S기타 개선 사항-Vol. 25, No. 1 21 쉴드TBM 활성화를 위한 경제성 확보방안 연구보고서(2020)에 따르면, 국내 디스크커터의 주재료인 SKD 강종과 국 외 디스크커터의 내마모를 측정(Pin-on disc wear test)한 결과, 국외 디스크커터의 마모량이 0.0008g으로 SKD강종에 비해 낮게 나타난다. 샤르피 충격흡수에너지 시험(U-notch)결과에서도 국외 디스크커터의 결과(9~10J)가 SKD강종의 결과(3J)에 비해 높게 측정된다. 따라서 국내에서 많이 사용하는 SKD11과 SKD61을 커터링 재료로 사용할 경우, 열처리 공정을 통해 경도, 내마모, 내충격성을 향상시키는 작업이 필요한 것으로 분석하였다. 2.4 디스크커터 주요 구성 디스크커터는 그림 6과 같이 분해하여 살펴볼 수 있으며, 주요구성은 커터링(Cutter ring), 허브(Hub), 베어링(Bea- ring), 플로팅씰(Floating seal), 리테이너(Retainer), 샤프트(Shaft)로 되어 있다. <그림 6> 디스크커터 주요 부분(Herrenkencht, 2008) 굴진면과의 직접적인 접촉은 커터링이 하지만 커터링에 작용하는 수십 톤의 연직하중을 극복하고 디스크커터를 회전 하게 해주는 것은 베어링으로 디스크커터에서 핵심적인 부품으로 분류된다. 디스크커터의 정격하중(Load rating)은 베 <표 3> 생산시기별 디스크커터 직경과 정격하중(Roby et al., 2008) 직경(mm)정격하중(kN)생산시기(년도) 279(11")851961 305(12")1251969 330(13")1451980 355(14")1651976 394(15.5")2001973 413(16.25")2001987 432(17")2151983 483(19")3121989 508(20")312200622 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 어링에 최대 하중용량 의해 결정된다(표 3 참조). 베어링은 디스크커터의 허브 내측에 설치되므로, 디스크커터의 내부로 수분 및 토사가 유입될 경우 베어링의 회전 문제가 유발되므로 이를 막아주는 플로팅씰의 성능과 연관이 있다. 3. 디스크커터 마모 예측 모델 고찰 3.1 디스크커터의 마모 형태 디스크커터의 마모형태는 암석과 연속적인 마찰에 의해 발생하므로 디스크커터를 구성하는 재질과 암석의 광물 조성, 일축압축 강도, 석영함유량 등에 따라 다양하게 발생하며 그림 7에 정리하였다. 정상마모는 대상암반에 대하여 균등한 마모를 보이는 형태로, 디스크커터의 마모예측모델도 정상마모를 기준으로 한다. Tapering/Grooving 마모형태는 디스 크커터의 경도가 일부 암반 접촉 위치에 따라 암반 강도보다 낮게 적용됨에 따라 홈이 남듯이 뾰족하게 남은 형태이며, Mushrooming은 높은 강도의 암반을 상대적으로 낮은 경도를 가진 디스크커터가 굴착하게 될 때 외형이 변형되는 형태 이며, Blockage는 단단한 암석의 높은 응력으로 인해 디스크커터가 조각으로 탈락하게 될 때 나타나는 형태이며, Brittle fracture는 대상 암석이 균질하지 못한 경우에도 발생하지만, 내부부품의 다양한 원인으로 취성파괴가 발생하기 도 한다(Park, 2022). 디스크커터의 마모형태는 대상지반에 직접적인 접촉으로 인한 마찰에 의해 다양한 마모형태를 발 생시키지만, 디스크커터가 여러 가지 부품들로 이루어진 바, Bae et al.(2015)은 디스크커터의 내부적인 손상원인은 씰 (Seal)부의 손상으로 인한 윤활유의 부족, 토사 및 수분의 침투, 과부하, 과열, 조립문제, 소재문제 등이 있으며, 디스크 커터의 회전 가능 여부는 손상정도에 따라 결정되며 이는 베어링의 손상과 밀접한 관련이 있는 것으로 분석하였다. <그림 7> 디스크커터 각종 마모형태(Ellecosta et al., 2018) 3.2 디스크커터의 마모예측 모델 3.2.1 CSM 모델 CSM모델은 미국 콜로라도 광산대학(Colorado School of Mines, CSM)에서 30년 이상 축적된 현장자료와 실험 결과 를 근거로 만들어진 모델로 세르샤 마모시험(CAI)를 이용하여 디스크커터의 수명을 예측하였다. CSM모델에는 커터헤드 Vol. 25, No. 1 23 설계모델, 굴진성능 예측 모델이 포함되어 있다. 커터헤드의 설계, 최적 굴진속도 산출 및 커터 수명 예측 등에 관한 세 부 근거를 제공하지 않지만, Ko et al.(2014)은 Rostami et al.(2005)와 Frenzel(2011)의 연구결과를 이용하여 추정하 였다. CSM모델에서 디스크커터가 회전하여 절삭 할 수 있는 최대 선형거리(CL) 형태로 식 (2)와 같이 제시하였다. (2) 여기서, 는 디스크커터의 직경(mm)이다. 커터헤드가 한번 회전 할 때 평균회전거리( )와, 디스크커터가 교체될 때 까지의 회전수( )를 식 (3)과 (4)로 제안하였다. (3) ∙ (4) 여기서, 는 디스크커터 위치에 관련된 마모 보정계수이다. 위와 같은 식으로 하나의 디스크커터가 마모되어 교체될 때 까지의 굴착 할 수 있는 부피를 디스크커터의 수명()으로 제안한 식은 (5)와 같다. ∙ ∙ ∙ ∙ (5) 3.2.2 Gehring 모델 Gehring(1995)은 디스크커터의 1m 회전 거리당 중량 손실을 세르샤 마모지수(CAI)를 활용하여 표현하며, 비커터 마 모(Specific cutter ring wear, )로 mg/m 단위를 사용한다. (6) Gehring은 그림 8과 같이 디스크커터의 크기와 커터의 팁에 따라 마모질량을 나타냈으며 17인치, 커터팁 19.05mm 디스크커터의 경우, 3,500g의 중량손실이 발생했을 때 교체가 필요할 것으로 판단하였으며 이를 각 디스크커터의 회전 거리 형태로 제시한다. 24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 <그림 8> 디스크커터 마모깊이와 마모질량과의 상관관계(Simtunnel pro 2.0, 2013) 디스크커터의 수명()은 식 (7)과 같이 제안하였다. ∙ ∙ ∙ ∆∙∙ (7) 여기서, ∆ 는 디스크커터의 마모질량(g), 는 커터헤드 1회 회전했을때의 디스크커터의 관입깊이(mm), D는 커터헤드 직경(m), 는 디스크커터의 평균 회전직경으로 일반적으로 0.6D이며, N은 디스크커터의 개수이다. 3.2.3 NTNU 모델 노르웨이 과학기술대학(NTNU:Norwegian University of Science and Technology)에서 개발된 모델로써, 35개 TBM 터널에서 약 250km 이상의 현장 굴진자료 및 지질자료를 통계적으로 분석하여 체계화한 모델이다. 1976년 최초의 모델 이 발표된 이후 수차례 보완 및 수정을 거쳤으며 2016년 보완된 모델이 현재의 모델이다. NTNU모델은 크게 굴진속도 예측과 커터의 평균수명으로 구분할 수 있으며, 이 평가를 위해 3가지의 시험, 즉, Brittleness test, Siever’s J-value test, AVS(Abrasion Value Steel)를 실시하여야 하고, 이상의 실험실 시험으로부터 얻어진 결과로 DRI(Drilling Rate Index, 천공속도지수)와 CLI(Cutter Life Index, 커터수명지수)를 산정한다. NTNU모델은 TBM의 핵심사항들을 산출 하여 주로 암반용 TBM에 적용이 가능하다는 점의 한계를 가지고 있지만, 그 예측모델의 산정과정 및 관련된 시험법이 공개되어 있다는 점에서 활용도가 높다고 평가 할 수 있다(TBM 굴진율 분석, 2019). 천공속도지수인 DRI는 과 값으로부터 그림 9와 같이 결정되며, 커터수명지수 CLI는 와 AVS로부터 식 (8)과 같이 제안하였다.Vol. 25, No. 1 25 <그림 9> DRI의 산정(NTNU, 1998) (8) 그 외 NTNU모델은 커터의 수명은 암석의 석영함유량에 따라 달라지는 것으로 분석하여 석영함유량에 대한 보정계수 를 구분하였고, 기타 기계적인 요인에 대해서는 커터헤드 직경, 커터헤드 RPM, 디스크커터 개수, 재질, 타입등에 영 향을 받는 것으로 분석하였으며, 식 (9)와 같은 디스크커터의 굴착부피를 산정하였다. ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙∙ ∙ (9) 여기서, 는 평균커터 위치에서 한 개의 커터링 수명, 는 커터헤드에 직경에 대한 보정계수, 는 석영함유량( Q%) 에 대한 보정계수, 은 커터헤드 회전에 대한 보정계수이다. 위와 같은 대표적인 마모예측모델은 많은 현장에서 적용되어 검증되었으며, 설계 단계나 시공전 단계에서 디스크커터 의 마모량을 계산하여 전체 소모수량을 산정 할 수 있다. 하지만, 커터헤드의 원형특성에 따라 각각의 디스크커터 위치 별 굴착부피(마모량)의 산정은 어려운 실정으로 시공현장에서는 전문시공회사가 보유하고 있는 경험식을 적용하여 디스 크커터의 교체주기를 산정하는 것이 현실이다.26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 3.3 CHI가 터널공사에 미치는 영향 디스크커터 교체를 위한 CHI가 TBM터널공사에 미치는 영향에 대하여 Wang은 TBM에서 커터헤드 및 굴착도구의 유 지보수 및 교체비용은 터널건설의 총 시간 및 공사비의 20~40% 차지하는 것으로 분석하였으며(2017), Zhaohuang은 중국의 Qinling 터널에서 디스크커터를 주기적으로 검사, 교체 및 수리하는데 필요한 시간은 전체 터널건설 시간의 1/3 이상인 것으로 검토하였다(2007). 디스크커터의 마모는 암반의 강도, 구성하는 광물의 성분, 터널막장의 지반구성, TBM 장비의 형식과 주요 사양 등의 요인으로 마모율이 다르게 나타날 수 있으며, 복합지반의 경우 장비의 굴진면에 토 사와 암반이 동시에 접촉하여 다양한 조건의 영향으로 정상마모와 비정상마모가 다수 발생하여 굴진효율이 저할 될 수 있다. 또한 디스크커터의 위치에 따라 디스크커터 궤적이 각기 달라 마모율에 대한 정확한 산정이 매우 어려운 실정이다 (Park, 2022). 또한 해· 하저구간의 경우 굴착심도에 따라 챔버에 작용하는 고수압을 적응하기 위한 맨락(Man-lock)과 안전장치를 통해 단계적으로 접근해야 하며 여러 가지 작업제한 조건을 준수해야 한다. 그림 10은 맨락을 통한 압력상태 에서 CHI에 대한 작업 현황이다. <그림 10> 맨락(Man-lock)을 통한 압력상태에서 CHI 작업 현황 4. 근래에 적용된 굴착도구 관련 기술 고찰 4.1 Accessible cutterhead(고수압조건 접근가능 커터헤드) TBM터널에서 직경의 증가는 원의 특성으로 인하여 굴착면적과 굴착부피는 비례하는 것보다 휠씬 더 많이 증가한다. 즉, 3.5m의 전력구터널과 14.01m의 도로터널은 직경면에서 약 4.0배의 차이가 나지만, 1링 당 굴착면적은 약 16.0배 굴 착부피는 약 26.7배 차이가 난다(그림 11 참조). 이는 TBM의 장비사양과 기타 부대설비의 용량에 대한 재산정을 필요로 하게 한다. 하지만, 장점을 포함하기도 한다. 전력구와 같은 유틸리티 터널은 소단면으로 인한 공간제약으로 설치가 불가능했던 부분들이 가능해지기도 하며, 일부 구조를 변경함으로써 공간활용이 개선되어지기도 한다. 그런 부분 중의 하나가 Ac- cessible cutterhead이다.Vol. 25, No. 1 27 <그림 11> 터널직경에 따른 굴착면적과 굴착부피와의 관계 그림 12는 이수식 쉴드TBM에 작용하는 압력구성요소를 나타냈으며, ②의 굴착챔버(Excavation chamber)는 이수로 가득 채우는 영역이며 ④의 작업챔버(Working chamber)는 영역의 40~60%까지 이수를 채우게 되고 ③의 영역에서 공 기압(Air bubble)을 조정하여 굴진면압을 관리한다. <그림 12> 이수식 쉴드TBM에 작용하는 압력구성 요소(Le et al., 2015)Next >