해저 배출관로 건설을 위한 토압식 쉴드TBM 커터헤드의 설계·제작 및 현장 굴진성능의 분석

배규진,장수호,박영택,최순욱,이규필,권준용,한경태,Bae, Gyu-Jin,Chang, Soo-Ho,Park, Young-Taek,Choi, Soon-Wook,Lee, Gyu-Phil,Kwon, Jun-Yong,Han, Kyoung-Tae 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.2

본 연구에서는 해저 배출관로 건설을 위한 직경 4.4 m 토압식 쉴드TBM을 설계 제작하였다. 압축강도가 가장 큰 구간을 대상으로 커터헤드를 설계하고 쉴드TBM의 핵심 사양을 검토하였다. 쉴드TBM의 최대 용량을 만족하기 위해서는 디스크커터의 관입깊이를 7 mm/rev 이하로 적용해야 하는 것으로 나타났다. 설계 제작된 재활용 쉴드TBM의 현장 굴진자료를 분석한 결과, 약 95%의 현장 관입깊이가 7 mm/rev이하였으며, 디스크커터와 TBM 최대 용량 이내로 굴진이 이루어졌음을 확인하였다. 또한 CSM모델에 의한 커터 작용력과 현장의 커터 작용력을 비교한 결과, CSM모델로 예측한 커터 적용력이 약 22~25% 크게 나타났으나 대체로 현장의 커터 작용력과 유사한 경향을 나타내었다. An earth pressure balanced shield TBM with the diameter of 4.4 m was designed and manufactured for a subsea discharge tunnel excavation. Its cutterhead was designed to be optimized for the strongest rock mass condition in the tunnel alignment, and then the applicability of the refurbished shield TBM was validated for its maximum capacity. Especially, the maximum cutter penetration depth for the strongest rock mass condition should be kept to be below 7 mm/rev in order to satisfy the allowable capacities of the shield TBM. From the analysis of TBM advance data, approximately 95% of field data showed the cutter penetration depth below 7 mm/rev. In addition, it was certified that the acting forces of every disc cutter, TBM thrust and torque during TBM driving were within the allowable capacities of the shield TBM and its disc cutters. When real acting forces of the disc cutters in the field were compared with those predicted by the CSM model, they showed the close relationships with each other even though the predictions by the CSM model were approximately 22~25% higher than field data.

고성능 숏크리트 라이닝 - (I) 재료 및 품질기준

배규진,장수호,김동규,Bae, Gyu-Jin,Jang, Su-Ho,Kim, Dong-Gyu 한국터널지하공간학회 2007 자연, 터널 그리고 지하공간 Vol.9 No.1

현장적용 디스크커터의 내부부품 분석

배규진,최순욱,장수호,이규필,송봉찬,김갑부,Bae, Gyu-Jin,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Lee, Gyu-Phil,Song, Bong-Chan,Kim, Kab-Boo 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.4

디스크커터 내부부품의 손상과 관련된 원인은 씰(seal)부의 손상으로 인한 윤활유 부족, 토사 및 수분의 침투, 과부하, 과열, 조립문제, 소재문제 등이 있으며 손상 정도에 따라 디스크커터의 작동여부, 즉 회전이 가능한지가 나타난다. 따라서 디스크커터 회전문제에서의 핵심은 베어링의 작동여부라고 할 수 있다. 본 연구는 TBM의 굴착도구인 디스크커터의 재활용에 도움이 되고자 현장 적용된 디스크커터를 회수한 후 분해하여 내부부품을 조사하고 분석하였다. 그 결과, 허브의 부하영역에서의 스크래치는 재활용을 위해 가공작업이 필요한 것으로 나타났으며, 플로팅 씰의 래핑면과 오일상태는 재활용을 위한 성능파악에 필요한 시험으로 판단되었다. 특히 플로팅 씰은 베어링의 정상작동여부에 중요한 영향을 미치는 부품으로 파악되었다. 그 외의 베어링, 샤프트, 씰 리테이너에서는 특이사항이 없는 것으로 나타났다. The problems for non-rotating of a disc cutter proceed from the faults in inner parts of the disc cutter such as the leak of hydraulic fluid, the intrusion of tunnel mucks and water, overloading, overheating, poor assembly and substandard material. The rotating of a disc cutter is an indicator to show that the inner parts of disc cutter is operable, although the rotational torque depends on the extent of the damage. Therefore, the key in the problems for non-rotating of disc cutter is to maintain that the tapered roller bearings are working properly. This study aims to investigate the inner parts disassembled from disc cutters applied to the field tests in order to help decision for reuse of the disc cutters. As results, surface finishing to remove the scratch on the load zone of the hubs is needed, with the intent to reuse a hub. And the investigation of lapping surface by optical microscope of floating seals and the contamination test of oil need to be performed for reuse of a disc cutter. Especially, the analysis results show that the floating seals play a key role in the normal operation of bearings. There is nothing significant to report in the rest parts such as bearing, shaft, seal retainers.

국산 커터헤드를 장착한 직경 3.6 m 토압식 쉴드TBM의 제작과 현장적용성 분석

배규진,장수호,최순욱,강태호,권준용,신민식,Bae, Gyu-Jin,Chang, Soo-Ho,Choi, Soon-Wook,Kang, Tae Ho,Kwon, Jun-Yong,Shin, Min-Sik 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.4

A domestic cutterhead with the diameter of 3.6 m was designed and manufactured in this study. Then, it was attached to an existing earth-pressure balanced shield TBM to excavate a cable tunnel with the length of 1,275 m. Especially, the procedures for TBM cutterhead design and its corresponding performance prediction were also summarized. From field data analyses of the refurbished shield TBM, its maximum advance rate was recorded as 14.4 m/day. Penetration depths of disc cutters were found to be approximately 4 mm/rev, which is equal to the maximum penetration depth designed for the strongest rock strength condition in the target tunnel. Every TBM operating thrust and cutter normal force during TBM driving was much smaller than their corresponding maximum capacities. When cutter acting forces recorded in the field were analyzed, their prediction errors by the CSM model were very high for weak rock conditions. In addition, rock strength showed very close relationships with cutter normal force and penetration depth. 본 연구에서는 직경 3.6 m의 국산 커터헤드를 설계 제작하고 이를 기존의 토압식 쉴드TBM에 적용하여 연장이 1,275 m인 전력구 터널의 굴착공사를 수행하였다. 특히, 본 연구에서는 TBM 커터헤드의 설계절차와 그에 따른 TBM 굴착성능을 예측하기 위한 방법들을 정리하였다. 제작된 국산 커터헤드 장착 토압식 쉴드TBM의 실제 굴진자료를 분석한 결과, 최대 굴진율은 14.4 m/day이었으며 암석의 일축압축강도가 가장 큰 조건에 대해 커터헤드의 설계단계에서 제시한 4 mm/rev 내외로 디스크커터의 관입깊이가 관리되었음을 확인하였다. 또한 TBM의 구동 추력과 디스크커터의 연직력은 각각 TBM의 최대 추력 용량과 디스크커터의 최대 허용 연직력이하로 나타났다. 현장에서 측정된 디스크커터의 작용력을 분석한 결과, 연암 조건에서 CSM모델의 예측 오차가 크게 나타남을 확인하였다. 마지막으로 암석의 일축압축강도와 디스크커터의 연직력 및 커터 관입깊이는 밀접한 상관관계를 나타내었다.

굴착사면 변화에 따른 복개 터널구조물의 역학적 거동에 관한 수치해석적 연구

배규진,이석원,이규필,박시현,Bae, Gyu-Jin,Lee, Seok-Won,Lee, Gyu-Phil,Park, Si-Hyun 한국터널지하공간학회 2002 터널기술 Vol.4 No.1

현재 복개 터널 라이닝의 설계는 설계상의 간편성으로 인해 복개 터널의 라이닝에 대한 구조해석적 기법인 Rigid Frame Analysis가 널리 사용되고 있으나, 이는 되메움 지반과 터널 라이닝 사이의 상호작용(Interaction) 메카니즘을 적절히 반영하지 못하게 될 뿐만 아니라, 굴착 사면의 경사, 굴착폭 및 지표면의 경사 등에 의한 영향을 고려하지 못하는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 복개 터널구조물의 합리적이고 경제적인 설계를 위한 기본연구로써, 좁은 되메움 공간에서의 토압경감과 콘크리트 라이닝과 성토체의 상호작용을 고려하기 위하여 지반공학적 모델링 기법을 이용한 수치해석을 실시하였다. 또한 복개 터널구조물의 역학적 거동 영향인자로써 굴착사면의 경사 및 콘크리트 라이닝과 굴착사면의 이격거리 등을 고려하였으며, 각 영향인자가 복개 터널구조물의 역학적 거동에 영향을 미치는 정도를 분석하였다. The structural analysis such as rigid frame analysis has been used for the design of cut and cover tunnel due to its simplicity and convenience. This analysis, however, could not account for the geometrical factors such as interface elements, slope of excavation plane, distance between lining and excavation plane, etc. To develop the analysis technique and design technology for the cut and cover tunnel, in this study, the numerical analyses considering not only geometrical but geotechnical factors are conducted. Especially, the effects on the mechanical behaviors of cut and cover tunnel due to the slope of excavation plane and the distance between lining and excavation plane are mainly focused in this study.

사질토층에 터널굴착시 주변변위 예측에 관한연구

배규진,Bae, Gyu-Jin 한국건설안전협회 1990 건설안전세미나 Vol.1 No.-

고성능 숏크리트 라이닝 - (II) 적용 분야 및 사례

배규진,장수호,신휴성,Bae, Gyu-Jin,Jang, Su-Ho,Sin, Hyu-Seong 한국터널지하공간학회 2007 자연, 터널 그리고 지하공간 Vol.9 No.2

지하공간 건설과 지하수 환경보존

배규진,정재형,Bae, Gyu-Jin,Jeong, Jae-Hyeong 한국터널지하공간학회 2007 자연, 터널 그리고 지하공간 Vol.9 No.3

아치형 복개 터널구조물에 발생하는 토압에 영향을 미치는 설계변수들에 대한 민감도 분석

배규진,정형식,이규필,Bae, Gyu-Jin,Chung, Hyung-Sik,Lee, Gyu-Phil 한국터널지하공간학회 2004 터널기술 Vol.6 No.2

본 연구에서는 아치형 복개 터널구조물에 작용하는 토압에 영향을 미치는 주요 영향인자들을 평가하기 위하여, 지반정수 및 굴착과 관련된 영향인자들에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션 기법에 근거한 정량적 민감도 분석을 수행하였으며, 민감도 분석을 토대로 최대 영향인자 변화에 따른 토압의 변화에 대한 수치해석적 검토를 수행하였다. 민감도분석에 사용되는 출력결과들은 유한요소해석에서 얻어진 터널 위치별 연직 및 수평토압을 대상으로 하였다. 민감도 분석결과, 아치형 복개 터널구조물에 작용하는 수평 및 연직토압은 작용위치에 따라 동일한 영향인자에 대한 민감도가 상이한 것으로 나타났으며, 또한 최대 영향인자인 토피고 및 굴착사면 변화에 따라 아치형 복개 터널구조물에 작용하는 토압분포 및 크기가 변화하는 것으로 나타났다. To investigate major influencing factors on earth pressure acting on an arch-shaped cut and cover tunnel, Monte Carlo simulation based quantitative sensitivity analysis was carried out for mechanical properties of ground as well as excavation configuration-related design factors. From the sensitivity analysis, it was intended that effects of earth pressures from different influencing factors on a cut and cover tunnel should be numerically identified. Output factors used in the sensitivity analysis such as vertical and horizontal earth pressures at different tunnel positions were obtained from the finite element analysis. In this study, it was revealed that depending upon positions where horizontal as well as vertical earth pressures were acting, they were differently influenced by the same input factors. In addition, earth pressures acting an cut and cover tunnel depended mainly on the embankment at crown and the inclination of cut slope.

시멘트 광물계 급결제와 메타카올린에 의한 숏크리트의 고성능화에 대한 실험적 연구

배규진,장수호,박해균,원종필,Bae, Gyu-Jin,Chang, Soo-Ho,Park, Hae-Geun,Won, Jong-Pil 한국터널지하공간학회 2006 한국터널지하공간학회논문집 Vol.8 No.3

터널의 장기 내구성을 향상시키고 싱글쉘 터널공법을 적용하기 위해서는 고성능 숏크리트 라이닝의 사용이 필수적이라고 할 수 있다. 숏크리트에 적용되는 혼화재료 가운데, 실리카 흄과 같은 포졸란 재료들이 숏크리트의 강도와 내구성을 향상시키는데 주된 영향을 미친다고 할 수 있다. 또한 시멘트 광물계 급결제는 기존 급결제와 비교하여 응결이 빠르며 친환경적인 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 포졸란 재료인 메타카올린과 칼슘 알루미네이트 시멘트 광물계 급결제를 적용하여 습식 숏크리트의 성능을 향상시키는데 목표를 두었다. 메타카올린과 실리카 흄의 적용에 따른 성능을 비교하기 위하여 각각의 사용량을 시멘트 중량의 4%와 8%로 적용하였다. 또한 메타카올린과 실리카 흄을 시멘트 중량의4% 및 8%로 병용 혼입한 경우에 대해서도 검토하였다. 각 배합조건에 대해 배합된 숏크리트의 응결시간, 압축강도, 휨강도, 투수성 및 동결융해저항성을 측정한 결과, 숏크리트의 고성능화를 위해 실리카 흄의 대체 재료로서 메타카올린을 적용할 수 있음을 확인하였다. The use of high-performance shotcrete lining is indispensable to improve long-term durability of a tunnel and to apply the single-shell tunnelling method. Among a lot of shotcrete admixtures, pozzolan materials such as silica fume have positive effects on increasing the strength and the durability of shotcrete. It is also well known that a cement-based accelerator is much faster in setting time and more eco-friendly than conventional accelerators. This study aimed to improve the properties of wet-mix shotcrete by incorporating with Metakaolin and the calcium aluminate based accelerator. To compare Metakaolin with silica fume, mixing ratios of each material were varied as 4% and 8% of cement weight. Moreover, Metakaolin was blended with silica fume, and their binder was also set to 4% and 8% of cement weight. At each mixing condition, setting time, compressive strength, flexural strength, permeability and freezing-thawing resistance were measured. From the experiments, it was revealed Metakaolin could be a substituting material for silica fume.