도시철도의 복합지층 굴진시 토압식 쉴드TBM 공법의 커터교환 주기관리에 관한 연구 :A study on Cutter Exchange Cycle in Earth Pressure Balance Shield TBM Method during the Drilling of Complex Strata for City Railway Construction

김경용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김경용 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 조국환, 사공명

발행연도: 2015

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2015

도시철도의 복합지층 굴진시 토압식 쉴드TBM 공법의 커터교환 주기관리에 관한 연구

김경용 2015.01 학위논문

2014

도시철도에서 복합지층 굴진시 토압식 쉴드TBM 공법의 커터교환 주기 산정에 관한 연구

김경용 , 사공명 , 조국환 한국철도학회 학술발표대회논문집 2014.10 학술대회자료

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천공 및 발파에 의한 터널 시공은 소음·진동 발생에 의한 민원 발생과, 인접구조물 및 지하매설물에 대한 영향, 열악한 작업환경 및 낮은 작업 안정성으로 인해 도심지에서 적용하는데 한계가 있다. 하지만 쉴드TBM 공법은 기계화 굴착에 의한 정밀 시공이 가능하여 인접 구조물 통과시 상당히 유리하며, 소음 및 진동발생이 적어 도심지 터널 공사에 적합하다. 또한 작업환경이 우수하며 작업이 일정한 패턴으로 시행되므로 시공성 또한 우수하다. 이러한 장점들로 인해 쉴드TBM 공법은 기존의 발파 방식에 의한 터널 시공방법을 대체하며 그 적용사례가 증가하는 추세이다.
쉴드TBM 공법의 적용성을 높이기 위해서는 고속굴진을 유도를 통한 공기단축, 불필요한 down time 최소화, 효과적인 굴진관리등 쉴드TBM 굴진성능 향상에 초점을 맞추어야 한다. 본 연구에서는 극경암을 포함한 암반과 충적층으로 이루어진 복합지반 굴진시, 디스크 커터의 편마모 및 링 파손등의 비정상적인 마모 발생으로 커터교환 주기가 불규칙해지고 굴진 효율 저하로 인한 공정 지연이 발생함에 따라 커터교환 주기 관리를 위한 개선사항 및 관리방안을 제시하여 굴진 효율 및 성능 향상을 극대화 하는데 목적이 있다.
현장 굴진자료 및 기타 데이터 분석을 통해 비정상적인 디스크 커터 마모 발생 경향을 확인하고 전문가 자문 및 선행연구 분석을 통해 그 원인을 파악하였다. 비정상적인 마모 발생원인을 통해 커터교환에 영향을 주는 요인을 개략적으로 확인하고, 선행연구와 전문가 설문을 실시하여 영향요인을 최종 도출 하였다.
커터교환 영향요인으로 도출된 커터토크, 추력, 챔버압, 굴진속도가 굴진일보와 기록지 상에서 커터교환 시점을 기준으로 어떠한 변화 패턴과 특성을 보이는지 분석하였다. 이것을 기초로 하여 쉴드TBM 굴진시 일정한 커터교환 주기를 유지하기 위한 개선사항 및 관리방안을 제안하였다.
디스크 커터의 개선, 커터토크의 균일관리, 첨가재 주입에 관한 개선사항을 적용하기 위해 일체형 사용과 커터교환 전반에 대한 관리방식을 제안하였고, 균일한 커터토크 유지를 위한 굴진속도와 챔버압, 추력과 커터헤드 속도에 대한 관리기준을 제시하였다. 배토관리를 위해 첨가재의 주입량과 농도, 위치에 대한 관리 방안을 제시하였고, 본 연구에서 제시된 개선사항 및 관리방안에 대한 적정성을 검토하기 위해 현장 데이터 분석을 통한 개선효과를 확인하였다.
본 연구 진행을 통해 쉴드TBM 굴진성능 개선을 위해 작업의 연속성을 확보하는 것이 가장 중요하며, 작업 연속성을 저해하는 대표적 요인인 불규칙한 커터교환도 굴진관리를 통해 개선 가능함을 확인하였다. 도출된 커터 영향요인과 일정한 커터교환 주기 유지를 위해 제안된 관리방안은 공정계획 수립과 현장 굴진 관리시 기초자료로써 유용하게 활용될 것으로 기대된다. 또한 굴진데이터의 누적과 커터교환 및 주요 자료 축적을 통해 복합지반에서의 커터교환 교환 주기 관리를 위한 방안들을 수정·보완하고, 최적화된 관리방안 마련을 위해 다양한 현장 실험 및 새로운 방식 적용의 필요성을 확인하였다.
마지막으로 설계단계에서 충분한 지반조사와 축적된 시공자료를 토대로 커터헤드 설계 및 커터교환 주기 산정이 이루어지는데 충분한 가이드 역할을 할 것으로 기대된다.

Tunnel construction by drilling and blasting has limitation in applying to city-center construction because it causes civil complaints on noise/vibration, gives impact on adjacent structure as well as underground objects, has low work stability and makes poor work environment. On the other hand, shield TBM method is good for city-center tunnel construction because it enables precision construction by mechanized drilling, is substantially advantageous in passing by adjacent structure and has low noise/vibration. In addition, shield TBM has good constructability because its work environment is good and the work goes on in fixed pattern. Because of these merits, there is increasing trend of shield TBM method application replacing existing tunnel construction by blasting.
The focus of enhancing the applicability of shield TBM method should be on improving the performance of shield TBM drilling by reducing construction period by high-speed drilling, minimizing unnecessary down time and achieving efficient drilling management. The purpose of this study is maximizing the drilling efficiency and performance by suggesting items to improve and a management plan on cutter exchange cycle management; because cutter exchange cycle becomes irregular and progress delay occurs by the decrease in drilling efficiency due to abnormal wear in disc cutter such as one-sided wear and ring damage during the drilling of complex strata consisting of alluvial layer and rock layer including super hard rock.
In this study, the trend of abnormal disc cutter wear was confirmed by analyzing the site drilling information and other data; while the causes of it were identified by existing study literature and consulting with specialists. The factors which have impact on cutter exchange were roughly identified through the causes of abnormal wear and the impact factors were finally drawn by existing study literature and specialist questionnaire survey.
This study found that the impact factors on cutter exchange are cutter torque, thrust power and chamber pressure. Their variation pattern and characteristics were analyzed by the cutter exchange timings as recorded in drilling daily log and other records. Items to improve and a management plan required in keeping fixed cutter exchange cycle during shield TBM drilling are suggested based on above study results.
A general management method on cutter exchange and integrated use of disc cutter are suggested to improve disc cutter, manage the torque of a cutter in uniform manner and apply the improvement item on the additive injection. A management standard on the drilling speed, chamber pressure and cutter head speed to keep fixed cutter torque is also suggested. A management plan on the injection quantity, concentration and injection location is also given for soil discharge management. The properness and the improvement effect of the items to improve and the management plans suggested in this study were verified by site data analysis.
It has been found in this study that securing work continuity is most important in improving the shield TBM drilling performance. It was also confirmed that irregular cutter exchange, which is the representative factor interfering with work continuity, can be improved by proper drilling management. It is expected that the factors with impact on cutter and the management plan suggested in this study would be usefully utilized as basic information in establishing progress plan and managing site drilling. In addition, this study complemented and revised the plans on the cutter exchange cycle management at complex ground by accumulating data on drilling and cutter exchange; while performing various site tests and confirming the necessity of new method application in finding an optimized management plan.
As last, it is hoped that the result of the study would do the role of a sufficient guide in the design of cutter head and estimating the cutter exchange cycle based on sufficient ground investigation during design stage and accumulated construction data.

#쉴드TBM #커터교환 영향요인 #커터교환 주기 #굴진 관리

I. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 연구내용 및 방법 2
II. 이론적 고찰 4
1. 쉴드 TBM 공법 4
2. 쉴드TBM 굴착원리 14
3. 복합지반 쉴드TBM 굴진사례 18
III. 커터교환 영향요인 도출 21
1. 커터교환 영향요인 도출 과정 21
2. 비정상적 마모 발생원인 22
3. 커터교환 영향인자 도출 32
4. 영향요인 특성 분석 35
Ⅳ. 커터교환 주기 관리방안 도출 44
1. 개선사항 도출 44
2. 관리방안 도출 47
3. 개선사항 및 관리방안 적정성 검증 60
V. 결 론 65
참고문헌 67
영문초록(Abstract) 69
감사의글 71

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