Proposal of Opitimum Cutting Condition for Pre-cutting Machine and Indicator of Excavation Efficiency Based on Linear Cutting Tests

Abstract

The old tunnels can cause chronic congestion due to their small cross-section, and stability problems can also occur due to the deterioration of linings and deformation of ground conditions. As a countermeasure against this, a lot of investment is being made, such as constructing new tunnels or expanding existing routes, but it is very challenging to construct new tunnels in downtown areas where it is difficult to secure a site or in areas where it is difficult to secure a detour route. For this reason, the demand for tunnel widening that expands the cross-section of the existing tunnel while maintaining the traffic flow is increasing. Recently, tunnel widening using a pre-cutting machine, a type of mechanical excavation machine, has been performed. The demand for mechanical excavation continues to increase in the civil and mining fields, and the demand for tunnel widening using pre-cutting machines is also expected to increase. Therefore, this study attempted to analyze the excavation characteristics of the pre-cutting machine. Before analyzing the excavation characteristics, the effect of the shape in the cutting tool of the pre-cutting machine was analyzed. Cutting tools are an important factor influencing cutting performance. Among the shape parameters of the cutting tool, the clearance angle and the rake angle were set as variables, and linear cutting tests were performed using cutting tools of different shapes. The effect of the clearance angle was larger than that of the rake angle, and when the clearance angle was greater than a certain value, the effect did not appear. Based on the analysis of the effect of the shape of the cutting tool, linear cutting tests were performed under various cutting conditions using the optimal cutting tool. The cutting force, normal force, and specific energy generated by cutting were similar to the characteristics of other tunnel excavation machines. On the other hand, characteristics that can predict the optimal cutting conditions were found in the ratio of cutting force to normal force and the ratio of peak cutting force to mean cutting force. This may be useful data for the design and operation of the pre-cutting machine in the future. In addition, a new method for predicting excavation efficiency from rock fragments generated by cutting was proposed. Particle size parameters and CI, previously used as indicators of excavation efficiency, were compared with the maximum diameter of rock fragments. It was confirmed that the maximum diameter provides additional information in the relationship with a specific energy. This proved that the maximum diameter of the rock fragments could be used as an indicator to predict the excavation efficiency. |노후화된 터널은 단면이 작아 만성 정체가 발생할 수 있으며, 라이닝의 열화와 지반조건의 변형 등으로 안정성의 문제도 발생할 수 있다. 이에 대한 대책으로 터널을 신설하거나 기존노선을 확대하는 등 많은 투자가 이루어지고 있지만 부지 확보가 어려운 도심지역이나 우회도로를 이용할 수 없는 지역에서는 어려운 일이다. 이러한 이유로 교통흐름을 유지하면서 터널의 단면을 확대하는 터널확폭의 수요가 증가하고 있다. 최근에 들어서는 기계식 굴착의 일종인 Pre-cutting 머신을 활용한 터널확폭이 수행되었다. 토목 및 광업분야에서 기계식 굴착의 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, Pre-cutting 머신을 이용한 터널확폭의 수요 역시 증가할 것으로 예측된다. 이에 본 연구에서는 Pre-cutting 머신에 의한 굴착 특성을 분석하고자 하였다. 굴착 특성을 분석하기에 앞서, Pre-cutting 머신의 컷팅 툴에서 형상에 따른 영향을 분석하고자 하였다. 컷팅 툴은 절삭 능력에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 컷팅 툴의 형상 파라미터들 중, 여유각과 레이크각을 변수로 설정하였으며, 각기 다른 형상의 컷팅 툴을 이용하여 선형 절삭 시험을 수행하였다. 여유각의 영향이 레이크각의 영향에 비해 크게 나타났으며, 여유각이 일정 값 이상 커지게 되면 그 영향이 나타나지 않았다. 컷팅 툴의 형상의 영향분석을 토대로, 최적의 컷팅 툴을 이용하여 다양한 절삭 조건에서 선형 절삭 시험을 수행하였다. 절삭에 의해 발생한 절삭력과 수직력, 비에너지는 다른 터널 굴착 머신 들의 특성과 유사하게 나타났다. 반면, 절삭력과 수직력의 비율과 첨두 절삭력과 평균 절삭력의 비율에서 최적의 절삭조건을 예측할 수 있는 특징을 발견하였다. 이는 추후 Pre-cutting 머신의 설계와 운용에 유용한 데이터로서 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 추가적으로, 절삭에 의해 발생한 암석파편으로부터 굴착효율을 예측하는 새로운 방법을 제안하고자 하였다. 기존에 굴착효율의 지표로 사용되던 입자 사이즈 파라미터들과 CI를 암석파편의 최대직경과 비교하였으며, 최대직경이 비에너지와의 관계에서 추가적인 정보를 제공한 다는 것을 확인하였다. 이를 통해 암석파편의 최대직경이 굴착효율을 예측하는 지표로 활용 가능함을 증명하였다.