워터젯 자유면을 이용한 암반발파 굴착공법의 효과

오태민,조계춘,지인택,Oh, Tae-Min,Cho, Gye-Chun,Ji, In-Taeg 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.1

기존 발파를 이용한 암반굴착 공법은 효율적이나 심각한 수준의 발파진동 및 여굴/미굴을 발생시킨다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 연구에서는 워터젯 절삭기술을 이용하여 터널 계획선을 따라 자유면을 형성한 후 발파하는 공법을 제안하고 있다. 제안공법은 (1) 발파진동/소음을 저감시키고, (2) 여굴/미굴을 최소화 시키고, (3) 굴착효율 극대화가 가능하다. 제안공법의 효과를 검증하기 위해 기존에 널리 쓰이고 있는 스무스 블라스팅(smooth blasting) 공법을 실험 대조군으로 설정하여 동일한 조건에서 현장실험을 수행하였다. 실험결과, 발파 진동은 최대 55% 감소하고 여굴/미굴은 거의 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 또한 굴착효율은 기존공법에 비해 뛰어난 것으로 분석되었다. 본 연구에서 제안하고 있는 워터젯 자유면을 이용한 암반 발파공법은 도심지 굴착공사뿐만 아니라 지하구조물 구축공사에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. The conventional blasting method generates serious blasting vibration and underbreak/overbreak in spite of its high efficiency for rock excavation. To overcome these disadvantages, this paper introduces an alternative excavation method that combines the conventional blasting process with the free surface on the perimeter of the tunnel face using waterjet cutting technology. This proposed excavation method has advantages of (1) reducing vibration and noise level; (2) minimizing underbreak and overbreak; and (3) maximizing excavation efficiency. To verify the effects of the proposed excavation method, field tests were performed with a smooth blasting method at the same excavation conditions. Test results show that the vibration is reduced by up to 55% and little underbreak/overbreak is generated compared with the smooth blasting method. In addition, the excavation efficiency of the proposed method is greater than that of the smooth blasting method. The proposed blasting method with a free surface using waterjet cutting can be applied to urban excavation construction as well as to underground structure construction.

연마재 워터젯 암석절삭을 위한 결합 노즐의 기하학적 변수 영향

오태민,조계춘,Oh, Tae-Min,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.5

연마재 워터젯을 이용하여 암반을 굴착하기 위해서는 노즐이 삽입되고 절삭하는 연속적 공정이 요구된다. 본 연구에서는 노즐이 삽입되기 위한 충분한 절삭 폭을 확보하기 위해 한 쌍의 연마재 워터젯 노즐을 이용하여 암석 절삭실험을 실시하였다. 한 쌍의 노즐형태와 위치에 따른 기하학적 변수에 따라 암석 절삭형상과 절삭 폭이 달라지는 것을 확인하였다. 정의된 기하학적 변수에 따라 절삭 깊이 및 폭을 측정하여 암반에 형성되는 절삭단면 형상을 분석하였다. 그 중 노즐 삽입이 가능한 기하학적 변수를 제시하고 현장적용 가능성에 대해 검증하였다. Inserting a nozzle assembly into a removed cutting space during a continuous cutting operation is necessary in rock excavation using an abrasive waterjet. In this study, a combined two nozzle assembly is used to secure enough removal width. The shape of the cut space is affected by the geometric parameters (standoff distance, nozzle angle, and vertical distance between the nozzle tips) of the combined nozzle assembly. Abrasive waterjet cutting tests are performed with various geometric parameters for granite rock specimens. Optimized geometric parameters for the nozzle inserting process are determined and verified through the experimental tests.

암석물성이 워터젯 암석절삭 성능에 미치는 영향고찰

오태민,박의섭,천대성,조계춘,주건욱,Oh, Tae-Min,Park, Eui-Seob,Cheon, Dae-Sung,Cho, Gye-Chun,Joo, Gun-Wook 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.5

암석은 인공적인 재료(금속, 유리)에 비해 불균질하고 이방성을 가지고 있기 때문에 워터젯 절삭시 매우 복잡하게 파쇄되는 특성을 가진다. 워터젯 절삭시 암석특성에 따라 절삭성능이 결정되므로 물성에 대한 영향을 파악하는 것은 매우 중요하다. 워터젯 절삭효율에 영향을 미치는 물성은 선행문헌의 실험조건(수압, 연마재 투입량, 이격거리 등) 및 암종에 따라 다양하게 제시되고 있다. 본 연구에서는 워터젯 시스템을 이용한 암석절삭에 있어서 물성영향에 대해 문헌연구를 실시하고 중요 물성을 분석하였다. 선행문헌 연구를 통해 암석의 공극율, 일축압축강도, 경도가 워터젯 암석 절삭에 있어서 중요한 물성으로 도출되었다. 분석결과는 향후 워터젯 절삭 기술을 이용한 터널공사시, 암반특성에 따른 굴착효율을 예측하기 위한 기초지식을 제공할 수 있을 것이다. The rock fracturing during waterjet cutting is very complicated because rock is inhomogeneous and anisotropic, compared with artificial materials (e.g., metal or glass). Thus, it is very important to verify the effects of rock properties on waterjet rock cutting performance. Properties affecting the rock cutting efficiency have been variously described in the literature, depending on the experimental conditions (e.g., water pressure, abrasive feed rate, or standoff distance) and rock-types studied. In this study, a rock-property-related literature review was performed to determine the key properties important for waterjet rock cutting. Porosity, uniaxial compressive strength, and hardness of the rock were determined to be the key properties affecting waterjet rock cutting. The results of this analysis can provide the basic knowledge to determine the cutting efficiency of waterjet rock cutting technology for rock excavation-related construction.

레이저 센서를 이용한 워터젯 절삭 자유면 모니터링

오태민,홍창호,조계춘,Oh, Tae-Min,Hong, Chang-Ho,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.5

워터젯 절삭기술을 이용한 자유면 생성에 있어서, 생성된 자유면 내부의 모니터링은 효율적인 작업 진행을 위해서 매우 중요하다. 본 연구에서는 레이저 센서를 이용하여 자유면 측정 실험을 수행하고 실질적 현장적용을 위한 변수의 영향 정도와 최적변수 범위를 제시하였다. 영향을 미치는 변수를 레이저의 분해각(angular resolution), 측정 이격거리(measurement distance), 그리고 자유면의 절삭형상(cutting shape)으로 나누어 실험 수행 및 결과 분석을 하였다. 그 결과 분해각과 측정 이격거리가 감소할수록 그리고 절삭 폭이 증가할수록 보다 정밀한 모니터링이 가능함을 확인할 수 있었다. 본 레이저 측정 시스템을 이용하면 자유면 형상과 깊이의 측정이 실제 현장에서 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다. The monitoring of a free surface generated by waterjet cutting technology is very important for an efficient construction process. In this study, experiments using a laser sensor were performed to provide a data processing method and to determine optimized parameters. The experimental parameters here are the angular resolution, measurement distance, and free surface cutting shape. The results show that the monitoring resolution increases with a decrease in the angular resolution and the horizontal measurement distance and with an increase in the cutting (free surface) width. This laser monitoring method can be applied during the measurement of free surface shapes and depths in situ.

연마재 워터젯 변수가 암석제거에 미치는 영향

오태민,조계춘,Oh, Tae-Min,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.4

연마재 워터젯을 이용하여 다양한 영향변수에 따라 암석시편에 굴착(제거)실험을 수행하였다. 현장암반굴착 가능성을 판단하기 위해 신선한 경암(화강암) 시편을 기준으로 수압, 노출시간, 그리고 이격거리에 따라 굴착성능 및 굴착형상을 분석하였다. 특히 이격거리는 현장에서 요구하는 높은 수준의 조건에서 실험을 실시였다. 추가적으로 암석에 따른 굴착성능을 비교하기 위해, 실제 굴착현장에서 획득한 암석시편을 대상으로 P파 속도를 측정하여 동일한 조건에서 워터젯 실험을 수행하였다. 획득된 실험결과로부터 워터젯 변수가 암반제거에 미치는 영향을 분석하였다. Rock excavation (removal) tests are performed with effective parameters using an abrasive waterjet. For verification of the field rock excavation capabilities, the removal performance and level of efficiency are analyzed for hard granite rock in terms of the water pressure, exposure time of the jet, and the standoff distance. In particular, experimental tests are performed with a long standoff distance required condition in the real excavation field. The rock removal performance level changes according to the rock properties. In this study, various rock specimens are used and P-wave velocities are measured in order to determine the correlation between the removal performance and the P-wave velocity. As a result of the experimental study, the effect of waterjet parameters on rock removal is analyzed.

전단파속도를 이용한 해안점토의 비배수 전단강도 산정

오태민(Oh Tae-Min),장일한(Chang Ilhan),조계춘(Cho Gye-Chun),방은석(Bang Eun-Seok),김정호(Kim Jung-Ho) 대한토목학회 2008 대한토목학회 학술대회 Vol.2008 No.10

디자인싱킹기반의 스마트 자동화 시스템 시뮬레이션

오태민(Tae-Min Oh),이태민(Tae-Min Lee),정다훈(Da-Hoon Jung),고정환(Jung-Hwan Ko) 대한전자공학회 2017 대한전자공학회 학술대회 Vol.2017 No.11

연마재 투입형 워터젯 시스템의 공정 변수에 따른 연마재 투입량 변화

주건욱,오태민,김학성,조계춘,Joo, Gun-Wook,Oh, Tae-Min,Kim, Hak-Sung,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.2

터널굴착의 효율성 증진 및 굴착시 발생하는 진동 저감을 위해 연마재 투입형 워터젯 시스템을 이용한 새로운 형태의 암반 굴착 방식이 개발되어 적용 중에 있다. 연마재 투입형 워터젯 시스템을 이용한 암반 굴착 방식에 있어서, 적절한 양의 연마재를 투입하는 것은 절삭 성능뿐만 아니라 전체 공정의 경제성 향상을 위해서도 매우 중요하다. 본 연구에서는, 다양한 공정 변수들 중 터널 굴착용 워터젯 시스템에서 특히 중요한 공정 변수들인 기하학적 변수(연마재 탱크(또는 호퍼) 높이, 연마재 투입관의 구배, 연마재 투입관의 길이, 연마재 투입관의 굴곡도), 연마재 변수(연마재 입자 크기), 젯 에너지 변수(수압, 유량)이 연마재 투입량 및 연마재가 믹싱 챔버 내로 흡입될 때 발생하는 흡입 압력에 미치는 영향을 규명하기 위하여 다양한 조건에서 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 또한, 실험적 연구를 통하여 연마재 투입량이 절삭 성능에 미치는 영향을 논의하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 주요 공정 변수들을 조절하여 적절한 연마재 투입량을 유지하면 터널 굴착용 워터젯의 절삭 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. A new rock excavation method using an abrasive injection waterjet system has been developed to enhance the efficiency and reduce the vibration of tunnel excavation. The abrasive feed rate is an important factor for the cutting performance and the economical efficiency of waterjet-based excavation. In this study, various experiments were performed to explore the effects of major process parameters for both the abrasive feed rate and the suction pressure occurring inside the mixing chamber when the abrasives are inhaled. Experimental results reveal that the abrasive feed rate is affected by geometry parameters (abrasive pipe height, length, and tortuosity), abrasive parameters (abrasive particle size), and jet energy parameters (water pressure and water flow rate). In addition, the relation between the cutting performance and the abrasive feed rate was discussed on the basis of the results of an experimental study. The cutting performance can be maximized when the abrasive feed rate is controlled appropriately via careful management of major process parameters.

전단파 속도를 이용한 지하 저류조 주변 지반특성 평가

조선아,오태민,조계춘,Jo, Seon-Ah,Oh, Tae-Min,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.2

본 연구에서는 지하 저류조 설치에 따른 주변지반의 지반공학적인 특성(간극비, 전단강도)을 전단파 속도를 이용하여 예측하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 응력 단계별로 전단파 속도와 밀도 상관관계를 실험을 통해 도출하고 밀도와 전단강도 상관관계를 직접전단실험을 통해 획득하였다. 도출된 응력 단계별 전단파 속도와 밀도 상관관계 및 밀도와 전단강도 상관관계를 바탕으로 현장 전단파 속도를 이용하여 대상 지반의 깊이별 전단 강도를 산정하는 방법을 제시하였으며 제시된 기법을 이용하여 지하 저류조 구조물 적용에 따른 시공후 지반거동을 평가하였다. 제시된 방법으로 도출된 전단강도는 현장실험 결과와 유사한 값을 보이며 지반특성 분석에 적용 가능성을 확인하였다. Shear wave velocity was used to estimate the geotechnical characteristics (void ratio and shear strength) of ground near an underground rainfall storage facility. An oedometer cell was utilized to measure the shear wave velocity and the displacement of specimens. Shear strengths were obtained by direct shear tests. The relationships along the shear wave velocity, void ratio, and shear strength were verified and used to infer the shear strength profile with the depth. In addition, changes in shear strength due to the construction of the underground rainfall storage system were estimated using the suggested method. The results show that the in-situ shear strength deduced from the shear wave velocity-void ratio-shear strength relationship is in good agreement with that obtained from an in-situ investigation (SPT).

터널굴착용 투입형 연마재 워터젯 시스템의 연마재 투입량과 유동성에 미치는 영향 인자

주건욱,오태민,조계춘,Joo, Gun-Wook,Oh, Tae-Min,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.4

도심지 내 지하공간의 효율적인 활용을 위해서 연마재 워터젯 시스템(abrasive waterjet system)을 이용한 새로운 형태의 암반굴착 공법이 개발되어 활용 중에 있다. 연마재 워터젯 시스템을 활용한 굴착(절삭) 수행 시 적정량의 연마재를 투입하고 연마재입자의 유동성을 원활하게 유지하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 실내실험을 통해 연마재 입자의 유동성과 관련된 영향인자들을 연마재 관 설치높이, 연마재 관 길이, 연마재 관 굴곡도 그리고 연마재 관 내경으로 나누어 연마재 투입량 및 유동성 수준을 평가하였다. 또한, 실험결과를 바탕으로 연마재 투입량 및 연마재 입자 유동성에 관한 최적 조건을 제시하였다. 본 연구결과를 바탕으로 향후 암반 굴착용 워터젯 공법이 도심지 내 터널, 공동구, 수직구 건설 등 다양한 지반 구조물 굴착 작업 시, 최적 연마재 투입을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. A new rock excavation method using an abrasive waterjet system is under development for efficiently creating tunnels and underground spaces in urban areas. In addition, an appropriate abrasive flow rate and abrasive flow quality are important for the new rock excavation (cutting) method using an abrasive waterjet system. This study evaluated the factors influencing the abrasive flow rate and abrasive flow quality, specifically the abrasive pipe height, length, tortuosity and inner diameter, through experimental tests. Based on the experimental test results, this study suggested optimal conditions for the abrasive flow rate and abrasive flow quality. The experimental results can be effectively utilized as baseline data for rock excavation methods using an abrasive waterjet system in various construction locations such as tunnels near urban surroundings, utility tunnels, and shafts.