현장 데이터 분석을 통한 대구경 쉴드TBM 디스크커터의 마모 및 교체 특성에 관한 연구 :A study on the wear and replacement characteristics of the large diameter Shield TBM disc cutter through field data analysis

박진수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박진수 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 송기일

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

현장 데이터 분석을 통한 대구경 쉴드TBM 디스크커터의 마모 및 교체 특성에 관한 연구

박진수 토목공 2022.01 학위논문

대구경 이수식 쉴드TBM 현장의 데이터 분석을 통한 디스크커터의 마모 및 교체 특성 연구

박진수 , 송기일 한국터널지하공간학회 논문집 2022.01 학술저널

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TBM(Tunnel Boring Machine)공법은 의외로 역사가 꽤 길다. 1818년 Marc Isambard Brunel이 기계식 굴착장비인 쉴드를 최초로 고안하였고, 암석의 절삭 효율을 높이는 디스크커터는 1956년에 발명되어 지금까지 다양한 형태로 개선되어 사용되고 있다(KTA, 2008). 디스크커터의 발명은 현대의 TBM터널에서 가장 혁신적인 개선사항 중 하나이다.
TBM의 굴착효율을 높이는 가장 중요한 인자인 디스크커터와 커터비트는 커터헤드설계의 핵심요소로 지반조건에 맞는 디스크커터의 배치, 간격, 개수, 크기, 재질 등은 TBM 터널공사의 성패를 좌우 한다. 지반을 직접 접촉하여 굴착하는 디스크커터는 지반과의 끊임없는 마찰과 충격으로 인해 불가피한 마모가 발생되어 대표적인 소모성부품으로 분류된다. 마모예측에 따른 디스크커터 교체는, TBM터널에서 공사비와 공사기간에 큰 영향을 주는 요인이다. 이러한 사유로 해외에서는 디스크커터 마모 예측모델을 개발하여, 발전시켜 나가고 있다. 최근 국내에서도 디스크커터 마모관련 다양한 시험과 연구가 진행되어 최적의 TBM 굴진조건 제시를 위한 여러 가지 시도가 진행 중이다.
본 연구에서는 국내에 대표적으로 적용되고 있는 쉴드TBM 장비 타입인 이수식 쉴드TBM(Slurry Shield TBM)과 토압식 쉴드TBM(EPB Shield TBM)의 현장별 디스크커터 교체 데이터를 바탕으로 각 현장의 지반조건, 현장 여건, 굴진 데이터를 설계 시 산정된 교체횟수와 두 현장에서 실제 교체된 데이터를 비교?분석하였으며, 해외 마모 예측 모델과 현장에서 소모된 실제 디스크커터 마모량의 비교를 통해 마모에 영향을 주는 인자에 대해 상관관계를 분석하였다.
본 연구를 통한 결론 중 설계와 시공 시 교체횟수 비교는 다음과 같다.
첫째, 설계 시와 시공 시 디스크커터의 교체횟수와 평균 교체거리는 많은 차이가 있음이 확인하였다. 둘째, 지층별 디스크커터 회전거리에서 풍화토, 풍화암, 복합지반에서는 시공 시의 회전거리가 훨씬 길게 분석되었고, 연암 이상의 지층에서는 설계 시 회전거리가 비슷하거나 더 긴 것으로 분석 되었다. 셋째, 원주거리가 가장 긴 최외곽 게이지 커터의 마모가 가장 클 것으로 예상되었으나, 실제는 커터헤드직경 0.69~0.92D 위치의 외곽부 페이스커터의 마모량이 가장 큰 것으로 분석되었다.
국내?외 많이 적용되고 있는 해외 마모 예측 모델과 현장데이터를 분석한 검토 결과는 다음과 같다. 첫째, UCS별로 구분하여 마모량을 확인한 결과 CSM모델, Gehring모델, NTNU모델 모두 UCS 100MPa이상에서 유사한 마모량이 예측되었다. 둘째, 관입깊이(ρ)와 RPM은 굴착부피(Hf)에 직접적인 영향을 주는 인자로 관입깊이의 증가는 디스크커터의 수명에 비례한다. 셋째, CSM모델, Gehring모델에서 CAI 증가는 굴착부피(Hf)를 증가시키고 NTNU모델에서 CLI의 현장데이터는 20이하로 마모량에 영향이 적은 것으로 분석되었다. 넷째, NTNU모델에 영향을 주는 석영함유량은 본 연구대상 구간의 석영함유량은 31.6~36.1로 큰 편차가 없었기 때문에 마모량 변화 큰 영향을 주지 못한 것으로 분석되었다.

The TBM(Tunnel Boring Machine) method has a surprisingly long history. In 1818, Marc Isambard Brunel devised the shield, a mechanical excavation equipment, for the first time, and a disc cutter that increases the cutting efficiency of rocks was invented in 1956 and has been improved and used in various forms until now(KTA, 2008). The invention of the disc cutter is one of the most innovative improvements TBM tunnelling.
Disc cutters and cutterbits, which are the most important factors to increase the excavation efficiency of TBM, are key elements of cutterhead design. Disc cutters that excavate in direct contact with the ground are classified as representative consumable parts because unavoidable wear and tear occurs due to constant friction and impact with the ground. Disc cutter replacement according to wear prediction is a factor that greatly affects the construction cost and construction period TBM tunnelling. For this reason, disc cutter wear prediction models are being developed and developed. Recently, tests and studies have been conducted in Korea, and various attempts are being made to suggest optimal TBM excavation conditions.
In this study, based on the site-specific disc cutter replacement data of Slurry Shield TBM(Slurry Shield TBM) and Earth Pressure Balance Shield TBM(EPB Shield TBM), which are shield TBM equipment types that are typically applied in Korea, the ground conditions of each site, site status, the number of replacements calculated when designing conditions and excavation data and the actual replacement data at two sites were compared and analyzed. Correlations were analyzed for factors affecting wear by comparing the wear prediction model with the actual amount of disc cutter wear consumed in the field.
Among the conclusions of this study, the comparison of the number of replacements between design and construction is as follows. First, it was confirmed that there are many differences between the number of replacement disc cutters and the average replacement distance between design and construction. Second, in terms of the disc cutter rotation distance for each stratum, the rotation distance during construction was analyzed to be much longer in weathered soil, weathered rock, and complex ground, and the rotation distance during design was analyzed to be similar or longer in stratum of soft rock and hard rock. Third, the wear of the outermost gauge cutter with the longest circumferential distance was expected to be greatest, but in reality, it was analyzed that the wear amount of the outermost face cutter at the cutterhead diameter of 0.69~0.92D was the greatest.
The results of analysis of wear prediction models and field data that are widely applied at home and abroad are as follows. First, as a result of checking the wear depth by UCS, the CSM model, Gehring model, and NTNU model all predicted a similar wear amount at UCS 100MPa or higher. Second, the penetration depth(ρ) and RPM are factors that directly affect the excavation volume(Hf), and the increase in the penetration depth is proportional to the life of the disc cutter. Third, Third, in the CSM model and Gehring model, the increase in CAI increases the excavation volume(Hf), and the field data of CLI in the NTNU model was lower than 20, which was analyzed to have less effect on the wear amount. Fourth, as for the quartz content that affects the NTNU model, the quartz content in the subject section of this study was 31.6~36.1, and there is no significant variation, so quartz contents des not have significant effect on wear characteristic.

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제 1 장. 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구 목적 및 범위 3
1.3 논문의 구성 3
제 2 장. 장비 형식별 쉴드TBM 및 디스크커터 5
2.1 장비 형식별 쉴드TBM 굴진 개요 5
2.1.1 이수식 쉴드TBM(Slurry Shield TBM) 6
2.1.2 토압식 쉴드TBM(EPB Shield TBM) 9
2.1.3 이수식과 토압식 쉴드TBM의 주요 비교 11
2.2 디스크커터 기본 이론 17
2.2.1 커터헤드와 디스크커터 17
2.2.2 디스크커터 개요 18
2.2.3 디스크커터 재질 특성 20
2.2.4 디스크커터 주요 구성 21
2.2.5 디스크커터 굴착원리와 접촉면 관계 25
2.2.6 디스크커터 배치, 간격, 비에너지 27
제 3 장. 디스크커터 마모 Mechanism 및 마모 예측 모델 30
3.1 디스크커터 마모 Mechanism 30
3.2 디스크커터 마모 예측 모델 32
3.2.1 디스크커터 마모 특성 32
3.2.2 디스크커터 마모 및 수명 관련 현상 33
3.2.3 디스크커터 마모 예측 모델 34
3.2.4 디스크커터 마모 시험 42
제 4 장. 현장 데이터 분석을 통한 디스크커터 마모 및 교체횟수 분석 46
4.1 이수식 쉴드TBM 현장(○○철도터널 현장) 46
4.1.1 현장개요 46
4.1.2 설계 시 디스크커터 교체횟수 산정 50
4.1.3 시공 시 발생한 디스크커터 마모 및 교체횟수 55
4.1.4 설계와 시공 디스크커터 회전거리 분석 61
4.1.5 소결론 67
4.1.6 해외 마모 예측 모델 비교 69
4.2 토압식 쉴드TBM 현장(△△ 지하철터널 현장) 79
4.2.1 현장개요 79
4.2.2 설계 시 디스크커터 교체횟수 산정 83
4.2.3 시공 시 발생한 디스크커터 마모 및 교체횟수 88
4.2.4 설계와 시공 디스크커터 회전거리 분석 98
4.2.5 소결론 107
4.2.6 해외 마모 예측 모델 비교 109
제 5 장. 디스크커터 마모 인자 분석 116
5.1 마모인자 분석 116
5.1.1 관입깊이와 RPM 116
5.1.2 CAI와 CLI 119
5.1.3 석영함유량 121
제 6 장. 결론 122
6.1 연구 결과 122
6.2 연구의 한계점 및 향후 연구에 대한 제언 123
참고문헌 124

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