< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 3.4 수정 NAT 모델 초기 NAT 모델의 현장 검증을 위해 국내 산악 터널 현장을 대상으로 다수의 시험을 수행하였다. 대상 현장은 남부권 에 위치한 도수터널 현장으로써 그림 7과 같이 종전의 도수터널을 대체하기 위하여 10.8km 도수터널을 신설하는 프로젝 트이다. 두 대의 Open TBM(직경 4.0m)을 적용하였으며, 터널의 최대 심도는 620m에 이른다. 지질조건은 편마암을 모 암으로 하여 대부분 2등급의 양호한 암질 상태를 보였다. NAT 모델을 검증하기 위해 TBM 굴진 중 암석시편을 채취하여 NAT 시험을 수행하였으며 실제 디스크 커터 마모량을 측정하여 모델을 검증하였다. <그림 7> TBM 노선 및 시공 전경Vol. 27, No. 1 19 다음의 그림 8은 암석 시편을 채취한 위치이며 이들 시편을 채취한 구간에서 교체된 디스크 커터를 대상으로 마모량을 조사하였다(그림 9). <그림 8> 암석채취 위치 및 DWI <그림 9> 디스크 커터 마모량 조사 최초 제안된 NAT 모델과 함께 그림 10과 같이 추가 시험결과를 반영한 수정 모델을 제안하였다. 그림 10과 같이 최초 모델 대비 수정 모델의 결정 계수(R2)는 다소 낮아졌지만 더 많은 수의 시험결과값을 반영할 수 있었다. NAT 모델을 이 용하여 예측된 디스크 커터 소모량과 실제 디스크 커터 소모량의 비교 결과는 다음의 표 2와 같다. 실제 예측과 실제 오차20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 는 10% 이내 수준으로 나타났으며 수정된 모델에서 오차율은 다소 낮아진 것을 확인하였다. 단 이들 모델은 한정된 자료 만으로 개발되었기 때문에 지속적인 검증 및 보완이 필요하다. (a) NAT 초기 모델(b) NAT 수정 모델 <그림 10> NAT 초기 및 수정 모델 <표 2> 디스크 커터 실제 소모량 및 예측 소모량 발생 소모량 NAT 예측 소모량 초기 모델수정 모델 858개 788개793개 (오차 8.16%)(오차 7.58%) 4. NAT 모델의 현장 검증 수정된 NAT 모델의 신뢰성 검증을 위해서 국내 지하철 TBM 현장을 대상으로 NAT시험을 수행하였다. 대상 현장은 수도권에 위치한 지하철 현장으로 총 연장 3.05km의 철도 노반시설 현장으로써 290m의 NATM 구간과 2.7km의 Shield TBM 구간, 환기구 2개소 및 피난연결통로 5개소로 구성되었다. 단선 병렬 터널인 Shield TBM 굴착 구간은 1.18km의 하저 구간(최대 수압 5.0bar)을 포함하여 암반층 및 토사층, 복합지층을 모두 관통하는 것으로 계획되었으며 EPB TBM 장비 2기를 투입하여 굴착 완료하였다. 해당 현장은 지상 작업 부지의 제약사항, 최대 수압 및 지층 조건을 종 합적으로 고려하여 토압식 쉴드 TBM(EPB, Earth Pressure Balance) 장비를 적용하였다. 토압식 쉴드 TBM 공법은 커 터헤드 후면의 챔버(Chamber)를 굴착 토사 또는 버력으로 채워서 굴진면을 지지하며 굴진하는 방식이다. 장비의 상세 제원은 다음 표 3과 같고, 토사지반과 암반지반이 혼재되어 있는 굴착 노선을 고려하여 커터헤드(Cutter Head)에 디스 크 커터(Disc Cutter)와 커터 비트(Cutter Bit)가 적정 간격으로 배치되어 있다.Vol. 27, No. 1 21 TBM 구간의 지질조건은 그림 11과 같이 토사구간부터 암반구간까지 다양한 조건을 포함하며 이중 육상구간은 토사구 간과 암반구간으로 구분된다. 토사구간에서는 주로 토사용 비트가 사용되었으며 암반구간에서 디스크 커터가 사용되었 다. NAT 모델 검증을 위해 표 4, 그림 12와 같이 암반구간에서 채취한 시편을 이용하여 NAT를 수행하였다. <그림 11> 현장 지반조건 <표 4> 디스크 커터 실제 소모량 및 예측 소모량 암석시편 채취 보링공 심도 (m) 세르샤 CAI CAI 구분 NAT시험 DWI SCWL (gr/m3) 비고 HTB435~406.7Quartzitic60.637 Tip width 20mm assumed HTB535~406.6Quartzitic56.636 HTB650~535.6Extremely abrasive54.835 평균6.336 <표 3> TBM 제원 구분직경개구율디스크 커터토크RPM추력Power 사양8.1m31%50EA12,843kNm~3.766,523kN2,080kW22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 <그림 12> NAT 시편 채취 위치 및 코어 육상 암반 구간의 터널 굴착 부피는 93,119m3으로써 NAT 수정 모델을 이용한 디스크 커터 소모량을 예측하였다. 디 스크 커터 소모량을 예측하기 위해서는 디스크 커터의 교체 시 마모 한계 기준을 가정해야 한다. 그림 13과 같이 마모 한 계 조건 별 디스크 커터 소모량은 661개(22mm 마모 한계)~1038개(14mm 마모 한계)로 분석되었다. <그림 13> 디스크 커터 마모 한계에 따른 예측 소모량Vol. 27, No. 1 23 한편 실제 현장에서 소모된 디스크 커터의 소모량은 1,011개로 조사되었다. 암반 구간의 CHI(Cutter Head Inter- vention) 28회에서 기록된 디스크 커터의 마모량 평균은 14.7mm로 조사되었다. 따라서 14.7mm 마모 한계 기준에서 NAT 모델로 예측된 디스크 커터 소모량은 1099개로 분석되었다. 따라서 실제 디스크 커터 소모량과 예측 소모량의 오차 는 10% 이내로 나타났다. <표 5> 디스크 커터 예측 소모량과 실제 소모량 비교 디스크 커터 마모한계(교체 기준)(mm)예측 커터 수명(m3/cutter)예측 소모량(개)실제 소모량(개) 14.0831122- 14.79510991011(오차 8.7%) 15.0891045- 18.0107871- 22.0131711- 5. 결 론 본 기술기사에서는 국내에서 자체 개발된 디스크 커터 소모량 예측 시험 장비인 NAT와 예측 모델을 소개하였다. NAT 는 국내 암반 TBM 현장을 대상으로 개발 및 보완이 되었으며 수정된 모델을 이용하여 국내 현장을 대상으로 모델을 검증 하였다. 검증 결과 예측된 디스크 커터 소모량과 실제 디스크 커터 소모량 오차가 10% 이내로 나타나, 이를 통해 암반용 TBM의 디스크 커터 소모량 산정에 도움 될 것으로 기대한다. 현재까지 10여개 TBM 프로젝트를 대상으로 NAT 모델을 적용해 왔으며, 향후 기술 보급 및 적용 확대를 통해 많은 데이터를 축적하고 검증해 나갈 계획이다. 한편 실험적 모델은 지반 조건의 불확실성을 일정부분 수반하고, 비정상 마모를 고려하지 못하는 한계가 있어 실적 근거가 부족하거나 실험적 모델의 경우에는 일정 예비 수량을 반영할 필요가 있다. 최근 들어 국내 TBM 연구 활성화 및 실적 증가로 TBM 기술력이 높아지는 가운데 실적 자료 DB화 및 개발 기술 적용이 확대된다면 국내 TBM 가격 경쟁력 또한 높아질 것으로 생각된다. 참고문헌 1. Bruland, A. (1998), Hard rock tunnel boring - Advance rate and cutter wear, Project report 1B-98, The Norwegian University of Science and Technology, Vol. 3, pp. 27-32. 2. Frenzel, C. (2011), “Disc cutter wear phenomenology and their implications on disc cutter consumption for TBM”, Proceedings of the 45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, San Francisco, pp. 1-7. 3. Gehring, K. (1995), “Prognosis of advance rates and wear for underground mechanized excavations”, Felsbau Vol. 13, No. 6, 439-448 4. Kim, D.Y., Shin, Y.J., Jung, J.H., Kang, H.B. (2018), “Case study: application of NAT for predicting TBM disc cutter wear and comparison with conventional methods”, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 6, pp. 1091-1104. 5. Ko, T.Y., Yoon, H.J., Son, Y.J. (2014), “A comparative study on the TBM disc cutter wear prediction model”, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 6, pp. 533-542.24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 6. Rostami, J. (1993), “A new model for performance prediction of hard rock TBMs”, Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference, Boston, pp. 793-809. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 27, No. 1 25 기술기사 2 1. 개 요 터널 갱구부 설계기준에서는 갱구부는 지형, 지반 및 토피조건을 종합적으로 고려하여 선정하도록 되어 있으나, 그림 1 의 경사면 평행형(③)과 골짜기(계곡) 진입형(⑤) 지형의 갱구부는 대규모 및 편경사 깎기 비탈면의 형성과 지속적인 지표 수 및 지하수의 유입에 의한 갱구부 안정성 확보의 어려움으로 지양하도록 되어 있다. 또한, 터널 갱구부 위치(NATM)는 불량한 지반조건과 터널 아칭효과를 크게 기대할 수 없는 터널 갱구부의 지반공학적인 특징을 고려하여 터널 길이방향으 로 터널직경(D)의 1.0~2.0배 영역 또는 1.5D 이하의 토피고(H) 영역을 터널 갱구부로 규정하여 적극적인 보강대책을 적 용하도록 제안하고 있다(그림 2). <그림 1> 터널 중심축과 지형과의 관계<그림 2> 터널 갱구부 구조 초저토피 토사구간 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 박재범 포항영덕 건설사업단 사업단장 윤성수 포항영덕 건설사업단 공사관리팀장 이덕민 포항영덕 건설사업단 3공구 주감독 김기태 (주)대우건설 현장소장 박대일 (주)대우건설 공사팀장 문경선 (주)하경엔지니어링 총괄사장26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 초저토피 토사구간 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 특히, 기존 터널 갱구부는 대규모 깎기 비탈면 형성과 터널 갱구부-본선 라이닝 접속부가 형성되어 본선터널 구간 대 비 상대적으로 내진성능이 낮아 국내설계기준에서는 터널의 운용중 작용할 수 있는 다양한 정적하중 및 지진하중에 대하 여 안정성이 확보되도록 갱구부 비탈면 안정화 대책과 적정한 구조설계를 통한 터널 갱구부 개착터널 설치 및 접속부 계 획을 수립하도록 규정하고 있다. 종래의 터널 갱구부는 안정성 확보를 위하여 기반암 또는 최소 풍화암 피복이 확보되는 위치까지 갱구부 비탈면을 절취하고 갱구부 터널 외측에 강관보강 그라우팅으로 보강하는 개념으로 계획함에 따라, 터널 갱구부 지반조건이 불량하거나, 급경사 및 편경사 지형에서는 대절취 갱구부 비탈면이 형성되거나, 대규모 비탈면 보강 공법(Soil Nailing, Earth Anchor 및 절토옹벽 등)이 적용됨으로써 시공성, 경제성, 유지관리 편의성, 경관 및 장기적인 안정성 확보측면에서 문제점을 발생시키며, 기존 주거지와 간섭되어 공사중 민원이 발생되는 경우가 다수 존재한다. 또 한, 터널 갱구부 비탈면 굴착중 변경되는 지반조건에 대하여 비탈면 경사조정 및 보강공법 증대 등의 변경이 어려워 터널 갱구부 공사 중지 또는 공사기간 증대가 발생되기도 한다. 따라서, 터널 갱구부 비탈면 절취를 최소화할 수 있는 친환경적인 터널 갱구부 기술인 ETPM공법이 개발되었고, 본고 에서는 지반조건이 불량한 토사 및 풍화암이 깊게 분포된 편경사 저토피 지형에 부분적인 인공성토와 ETPM공법을 적용 하여 안정성을 확보한 시공사례를 소개하였다. 2. 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM, Eco-friendly Tunnel Portal Using Mini-piperoof) 본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)은 고강성의 초대구경 강관보강 그라우팅(미니 파이프루프)을 이용하여 터널 갱구 비탈면을 배제 또는 최소화시키는 새로운 개념의 공법으로, 기존 터널 갱구부 기술대비 다음과 같은 장점이 있다. ∙ 터널 갱구부 원지반 절취를 배제 또는 최소화하여 갱구부 환경훼손 및 지반이완 최소화, 시공공정의 단순화에 의한 시 공성 개선, 공사비 및 공사기간 단축이 가능함. 특히, 갱구부 유지관리비가 절감되고 내진성능이 향상됨(그림 3) ∙ 고강성의 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø165.2, Ø216.3mm)을 장심도 수평방향(L=40.0~60.0m) 보강하고 충분한 그라우팅 양생시간을 확보하여 갱구부 안정성 확보가 유리함(그림 4, 표 1) ∙ 초대구경 강관보강 그라우팅 설치구간을 연속적으로 터널 굴착 및 보강이 가능하고 단순한 시공공정과 기존 터널 시공 장비의 운용으로 시공성 및 경제성이 향상되고 공사기간이 단축됨(표 1) ∙ 소규모 매입형 갱문 적용으로 공사기간 및 공사비가 절감되고 콘크리트 돌출면적이 매우 작아 자연 친화적인 갱구부 형 성이 가능하고 차량 주행안전성이 개선됨(표 1)Vol. 27, No. 1 27 <그림 3> ETPM공법 터널 갱구부 계획 개념도<그림 4> 초대구경 강관의 휨강성 <표 1> 기존 터널 갱구부공법 대비 ETPM공법 차이점 구분기존 터널 갱구부 공법ETPM공법 터널 갱구 위치 터널 갱구부 비탈면 절취 배제 및 최소화 ⇒ 친환경 터널 갱구부 형성 보강 형식 고강성 초대구경 강관보강 그라우팅 적용 ⇒ 안정성 및 시공성 개선(공사시간 단축) 갱구 구조물 소규모 매입형 갱문 적용 ⇒ 시공성 개선(공사기간 단축) 및 공사비 절감Next >