쉴드 TBM 성능예측모델과 굴진자료 분석을 통한 굴진성능 개선방안

정혁상(Jung Hyuksang),강형남(Kang Hyoungnam),최정명(Choi Jungmyung),천병식(Chun Byungsik) 한국지반환경공학회 2010 한국지반환경공학회논문집 Vol.11 No.2

쉴드공법은 막장을 굴착함과 동시에 원통형 강재를 지반속에 추진시켜 터널을 축조하는 공법이다. 1818년 마크 브루넬이 런던의 템즈강 하저 굴착공사에 처음 사용한 이래 지반조건에 따른 다양한 쉴드 TBM이 개발되어 도로, 지하철, 전력구, 상하수도등에 널리 활용되고 있다. 막장상태를 수시로 관찰하며 지반변화에 빠르게 대처할 수 있는 NATM 공법과 달리, 쉴드 공법은 굴진이 시작되면 장비 교체가 거의 불가능하다. 따라서 지반조사 및 실내시험 결과에 따라 적절한 장비를 설계하고, 막장상태에 따라 압입 깊이, 커터헤드 회전속도 등을 효율적으로 관리하여 장비의 성능을 최대한 활용하여 굴착공사를 수행해야 한다. 본 연구에서는 분당선 한강하저터널의 지반조건을 NTNU, QTBM, 합경도, KICT-SNU 등의 모델에 적용하여 굴진성능을 예측하고, 실시공 굴진자료와 비교?분석하여 예측모델의 적용성을 검토하였으며, 한강하저터널 하행선의 굴진성능 저하원인을 분석하였다. Shield method is the tunnel boring method that propels a steel cylinder in the ground and excavates tunnels at once. After Marc Isambard Brunel started using the method for the Thames Riverbed Tunnel excavation in London, many kinds of TBM (Tunnel Boring Machine) developed and applied for the construction of road, railway, electricity channel, pipeline, etc. In comparison with NATM concept that allows to observe ground condition and copes with difficulty. The machine selected before starting construction is not able to be changed during construction in shield TBM. Therefore the machine should be designed based on the ground survey result and experiment, so that the tunnel might be excavated effectively by controlling penetration speed, excavation depth and cutter head speed according to the ground condition change. This research was conducted to estimate penetration depth, excavate speed, wear of disc cutter on Boondang Railway of the Han Riverbed Tunnel ground condition by TBM performance prediction models such as NTNU, QTBM, Total Hardness, KICT-SNU and compare the estimated value with the field data. The estimation method is also used to analyze the reason of poor excavation efficiency at south bound tunnel.

무기질계 지반주입재의 내구성 및 친환경적 특성에 관한 연구

천병식(Chun Byungsik),박덕흠(Park Dukhyum),강형남(Kang Hyoungnam),도종남(Do Jongnam) 한국지반환경공학회 2008 한국지반환경공학회논문집 Vol.9 No.5

무기질계 주입재는 지반개량 재료로서 기존의 물유리계 재료를 사용할 경우 발생하는 용출현상 및 강도저하를 보완한 시멘트계 급결재와 무기질계 초미립자를 주원료로 하는 순수 무기질 재료를 사용한 것으로서, 시공 후 내구성 및 강도가 우수하고 주입재의 용출 현상이 발생하지 않아 환경오염 문제가 거의없는 영구적인 차수 및 보강에 적합한 친환경적인 재료이다. 본 연구는 지반개량 재료로서 급결성 시멘트계 재료와 순수 무기질 주입재를 주원료로 배합된 MIS(Micro Injection-process System)와 기존에 많이 쓰여지고 있는 물유리계 주입재인 SGR의 내구성 및 친환경적특성을 일축압축강도시험, 내화학성시험, 어독성시험, 화학성분 분석 등의 실험으로 비교ㆍ분석 하였다. 일축압축 시험결과 재령 28일 강도는 MIS가 SGR재료에 비해 1.7배 크게 발현 되었고, 재령 40일 이후 SGR재료는 강도가 저하하는 반면 MIS는 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 내화학성시험 결과 MIS의 길이변화율이 물유리계주입재에 비해 10배~25배 작게 나타났다. 그리고, 어독성시험 결과 MIS가 물유리계주입재에 비해 친환경적임이 증명되었고, 화학성분 분석 결과 MIS 용출액이 물유리계주입재의 용출액에 비해 Cr??, Pb, Si 성분이 적게 검출됨을 확인할 수 있었다. 따라서, MIS 주입재는 기존의 SGR 주입재에 비해 고강도로 공기단축 및 기초지반의 구조적 안정성이 우수하며 친환경적이라 지하수 오염 등의 문제도 적을 것으로 판단된다. Inorganic injection material, which is one of the ground improvement materials, consists of cement accelerator and inorganic micro particle. The inorganic injection material is known to overcome the major limitations of water glass type improvement materials, which are leaching and accompanying strength loss. The inorganic injection material is superior in durability and strength, and environmentally friendly since leaching is prevented. In this study, the effectiveness and environment-friendliness of the MIS(Micro Injection-process System) using the inorganic injection material is compared to SGR, which uses the water glass. The performed tests were unconfined compression test, chemical resistance test, and fish poison test. The unconfined compression tests showed that the MIS results in 1.7 times higher 28 day strength compared to the SGR. In addition, the strength continually increased with time for the MIS, while it decreased for the SGR. The chemical resistance tests indicated that the rate of change in length using the MIS is 10~25 times smaller than when using the SGR. The fish poison test proved that MIS was more environmentally friendly. The analysis of chemical ingredients of leached showed that the amount of Cr6+, Pb and Si leached from the MIS is less compared to the SGR. Accordingly, the MIS grout is more high-strength than existing SGR grout. It is excellent in shortening of construction period, structural stability of foundation and environmentally friendly. So, it is considered that it has not little the problem about groundwater pollution.

비약액계 급결성 숏크리트재의 강도특성과 친환경성

천병식(Chun Byungsik),박덕흠(Park Dukhyum),강형남(Kang Hyoungnam),도종남(Do Jongnam) 한국지반환경공학회 2008 한국지반환경공학회논문집 Vol.9 No.5

숏크리트는 NATM공법에서 터널 굴착 후 지반안정을 위한 주요 지보재로서 시공기간의 단축과 시공비용 절감을 위해 일반콘크리트 라이닝을 대신하여 영구 숏크리트 라이닝의 사용이 요구되고 있는 추세이다. 이러한 영구 숏크리트 라이닝으로 사용하기 위해 고성능고강도 숏크리트가 요구되고 있으며. 인체에 대한 유해성 및 환경오염의 감소방안도 해결해야 할 문제로 부각되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 NATM공법 시공시 조기에 고강도 발현이 가능한 숏크리트재료를 개발하기 위하여 시멘트광물계 급결재를 사용하여 강도측정용 공시체를 제작하여 기존에 쓰여지고 있는 숏크리트재료와 비교하여 일축압축시험, 휨강도시험, 수중불분리시험을 실시하였고, 환경영향성을 평가하기 위해 어독성시험을 실시하였다. 시험결과, 일축압축강도 및 휨강도는 연구대상재료의 재령 7일강도가 기존재료의 28일 강도와 대등하였으며, 수중불분리시험 결과 연구대상재료의 불분리성이 우수하게 나타났다. 환경 영향성(어독성시험)평가 결과 기존숏크리트에 비해 연구대상재료가 친환경적인 것으로 나타났다. The shotcrete is a NATM technique as a major tunnel support for ground stability after tunnel excavation. Instead of a general concrete lining method, it is a trend for curtail of construction periods and reduction of construction expenses that required to use of the permanent shotcrete lining. This high-strength shotcrete is required to use as a permanent shotcrete lining. This brought out the solution of environmental pollution and harmfulness to human. Accordingly, in this study specimens for strength measurement were made to develop shotcrete possible to develop materials in early with cement mineral accelerator as NATM method construction. It was compared with existing shotcrete material, unconfined compression test, flexural strength test, antiwashout underwater test were experimented. The fish poison test was experimented to evaluate an influence of environment. As a results of the test, unconfined compressive strength and flexural strength were equivalent with 28-curing day strength of existing material. An antiwashout of research subject material was revealed excellently in antiwashout Underwater test. As a results of the fish poison, an evaluation research subject material was founded more environmentally friendly than existing shotcrete.

무기질계 주입재의 강도발현 메커니즘

한윤수(Han yunsu),이종휘(Lee Jonghwi),강형남(Kang Hyoungnam),백승인(Baeg Seungin),천병식(Chun Byungsik) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.10

최근 국내에서는 지반개량 재료로 무기질계 급결재와 초미립자 시멘트를 주원료로 하는 NDS(Natural and Durable Stabilizer)공법 등의 개발이 활발하게 연구되어 왔다. 하지만 기존의 연구에서는 NDS의 재령일별 강도발현 과정에 있어서의 화학적인 변화과정 및 강도발현의 원리를 설명해 주지는 못하고 있는 실정이었다. 따라서 무기질계 주입재의 대중화를 위해서는 경화과정의 메커니즘 규명이 확실하게 선행되어야 한다고 판단하였고, 일축압축시험, SEM분석, XRD분석을 재령일 별로 실시하여 각각의 결과값을 분석하였다. 또한 그 특징을 더욱 분명히 구별하기 위하여 물유리계 주입재의 대표적인 예인 SGR 또한 동일한 시험을 실시하여 비교대상으로 하였다. 시험결과 NDS의 강도발현 메커니즘을 일축압축강도-SEM-XRD의 유기적 상관성을 통해 도출할 수 있었고 그 성능의 우수함을 확인하였다. Recently, NDS(Natural and Durable Stabilizer)method and other similar methods are composed of inorganic accelerating agent and the ultra-super fine cement have been studied as the ground improvement material in Korea. However, in the existing research, the chemical changing process of NDS in the strength development mechanism with the elapsed curing time and the principles of strength development did not give an explanation. For the popularization of the inorganic grout material, it determined that the mechanism verifying of the curing process had to be clearly preceded. Therefore, unconfined compression test, SEM and XRD analysis were performed by the elapsed curing time and were analyzed. In addition, the same trial for SGR method, that is the representative example of the water glass grout material, was selected as comparative target in order to distinguish properties of NDS more clearly. The result of experiment, the strength development mechanism of NDS could be investigated through the close correlation of the unconfined compression strength - SEM - XRD analysis, and excellence of a performance was confirmed.