TBM 성능예측모델과 굴진자료 분석을 통한 굴진성능 개선방안

Abstract

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 TBM(Tunnel Boring Machine)이 개발되어 도로, 지하철, 전력구, 상하수도 등에 널리 활용되고 있다. 막장상태를 수시로 관찰하며 지반변화에 빠르게 대처할 수 있는 NATM 공법과 달리, 쉴드 TBM 공법은 굴진이 시작되면 장비 교체가 거의 불가능하다. 따라서 장비의 성능을 최대한 활용하기 위해서는 지반조사 및 실내시험 결과에 따라 적절한 장비를 설계하고, 막장상태에 따라 압입깊이, 커터헤드 회전속도 등을 효율적으로 관리하여 굴착공사를 수행해야 한다. 본 연구에서는 NTNU, QTBM, 합경도, KICT-SNU 등의 TBM 성능예측모델에 분당선 한강하저터널의 지반조건을 적용하여 압입깊이, 순굴착속도, 디스크 커터 소모량 등을 산정하고, 선형절삭시험 및 실시공 굴진자료와 비교, 분석하였다. 성능예측모델을 적용하여 순굴착속도를 예측한 결과 모델의 경우 다른 모델에 비해 과대평가하여 적용에 주의가 필요한 것으로 판단되었으며, QTBM을 제외한 나머지 예측모델의 순굴착속도 예측 결과는 평균 1.5m/hr로 나타났다. 실시공 결과 상행선의 순굴착속도는 평균 0.88m/hr로 예측 결과와 다소 차이가 발생하였으나, 이는 지반조사에서 발견하지 못한 극경암의 출현으로 인해 일부 구간에서 순굴착속도가 급격히 저하되었기 때문이며, 대부분의 지반을 구성하고 있는 연경암과 경암에서의 평균 순굴착속도는 1.23m/hr로 예측결과와 비교적 잘 일치하였다. 반면, 하행선의 순굴착속도는 0.49m/hr로 상행선의 56%에 불과하였고 예측결과와도 큰 차이를 보였다. 하행선 굴진성능 저하의 원인은 낮은 디스크 커터 압입깊이로 인한 굴착버력의 석분화와 하향 굴착으로 인한 스크류 컨베이어 경사각 증가가 스크류 컨베이어의 배토효율을 절반이하로 저하시켰으며, 이로 인해 챔버에 정체된 버력 등이 추력의 손실을 가져와 막장에 충분한 힘을 가하지 못했기 때문으로 분석되었다. 상․ 하행선 굴착을 통해 소모된 디스크 커터는 1,263개였으며, NTNU 예측 결과를 기준으로 상행선은 167%, 하행선은 217%의 디스크 커터가 소모되었다. 전체적인 소모량 증가의 원인은 파쇄대에서 극경암까지 다양한 암종을 동일한 사양의 커터로 굴착하였기 때문으로 보이며, 상행선 보다 하행선에서의 마모가 급증한 원인은 챔버에 정체된 버력에 의해 배면 마모가 급증했기 때문으로 분석되었다. 따라서 암반구간에서 쉴드 TBM의 굴진성능를 향상시키기 위해서는 디스크 커터가 최적압입깊이에 도달할 수 있도록 추력을 가할 때 손실을 고려하여 적절히 가해야 하며, 버력의 소성유동화를 통해 스크류 컨베이어의 배토효율을 높이고 디스크 커터의 마모를 저감시킬 수 있는 막장주입재에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.