KR100594697B1 - 사진촬영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법 - Google Patents

사진촬영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법 Download PDF

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KR100594697B1
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배규진
장수호
임종진
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한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명은 사진촬영기법(photogrammertry)을 이용한 터널굴착기(TBM:tunnel boring machine)의 설계인자를 도출하기 위한 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 선형시험절삭기(linear cutting machine)에 의한 시험편의 절삭 전후의 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 절삭 전후의 시험편 표면의 3차원 좌표의 편차를 구하여 인접한 절삭 영역에 대응하는 절삭부피(cutting volume)를 결정한 후, 각각의 절삭부피에 따른 비에너지(specific energy)를 연산하여 최적 비에너지를 갖는 절삭간격을 결정하고 그 절삭간격으로부터 터널굴착기의 설계인자를 도출하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 터널굴착기의 설계인자를 도출하기 위한 방법은, 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 전의 상기 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하는 제 1단계와; 터널굴착기 커터(cutter)가 장착되는 선형절삭시험기(linear cutting machine)을 이용하여 상기 시험편을 가변적인 절삭간격(variable cutting spacing)을 유지하고 복수의 선형 절삭을 실행하여 상기 시험편이 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘(normal force)과 회전 방향의 힘(rolling force)을 측정하는 제 2단계와; 상기 선형절삭시험기에 의해 절삭된 상기 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 후의 상기 시험편 표면의 3차원 자표를 추출하는 제 3단계와; 상기 시험편의 절삭 전후의 3차원 좌표를 비교하여 상기 가변적인 절삭간격을 갖는 상기 시험편의 서로 인접한 선형 절삭 영역 각각에 형성되는 절삭부피를 결정하는 제 4단계와; 상기 제 4단계에서 결정된 절삭부피에 따른 비에너지를 연산하는 제 5단계와; 상기 제 5 단계에서 연산된 비에너지를 통해 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격을 결정하는 제 6단계와; 상기 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격으로부터 상기 터널굴착기의 설계인자를 도출하는 제 7단계를 포함한다.

Description

사진촬영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법{A METHOD FOR DRIVING DESIGN FACTOR OF TUNNEL BORING MACHINE USING PHOTOGRAMMERTRY}
도 1은 본 발명의 출원인에 의해 출원된 선형절삭시험기의 일 예를 나타내는 도면.
도 2는 절삭간격과 절삭깊이의 비에 대한 비에너지 곡선의 그래프.
도 3a 및 도 3b는 실질적인 터널굴착기의 파괴 메커니즘을 도식적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사진촬영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법의 순서도.
도 5는 다수의 레이저 타겟을 시험편 표면에 생성한 것을 나타낸 도면.
도 6은 다수의 레이저 타겟이 생성된 시험편 표면에 대해 복수의 사진촬영을 실행하는 것을 모식적으로 나타낸 도면.
도 7a는 선형절삭시험기에 의해 절삭되는 시험편의 모식적인 평면도.
도 7b는 도 7a의 AA'에서의 단면도.
도 8a 및 도 8b는 각각 시험편의 절삭 전후의 사진계측에 의한 시험편 표면을 3차원으로 형상화한 도면.
삭제
본 발명은 사진촬영기법(photogrammertry)을 이용한 터널굴착기(TBM:tunnel boring machine)의 설계인자를 도출하기 위한 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 선형시험절삭기(linear cutting machine)에 의한 시험편의 절삭 전후의 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 절삭 전후의 시험편 표면의 3차원 좌표의 편차를 구하여 인접한 절삭 영역에 대응하는 절삭부피(cutting volume)를 결정한 후, 각각의 절삭부피에 따른 비에너지(specific energy)를 연산하여 최적 비에너지를 갖는 절삭간격을 결정하고 그 절삭간격으로부터 터널굴착기의 설계인자를 도출하기 위한 방법에 관한 것이다.
경제발전과 함께 삶의 질 향상을 위한 환경친화적인 건설이 요구되고 높은 노동 비용(labor cost)이 사회적인 문제로 대두됨에 따라 터널 건설에 있어서도 기계화, 자동화 시공법이 발전하게 되었다. 특히 최근 들어 전력구, 통신구 등의 소단면 터널뿐만 아니라 지하철 터널 및 도로 터널 등에 터널굴착기(tunnel boring machine)의 적용 사례가 급증하고 있으며, 터널 연장의 장대화 추세와 기존의 발파 공법에 비해 소음 및 진동 등의 환경 영향 요소가 적고 기계화 시공으로 인해 노동 비용을 절감할 수 있다는 점에서 터널굴착기 공법의 적용성이 더욱 증가하고 있는 추세에 있다.
또한 터널굴착기 공법은 기존의 발파 공법과 비교할 때 소음 및 진동 등의 저감 효과뿐만 아니라 낙반 등의 위험 요소가 적으며 여굴과 주변 지반에 대한 손상이 적기 때문에 지보재 물량이 감소되고 관련 시공 시간의 단축으로 인해 고효율의 급속 시공이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 이와 같은 터널 기계화 시공의 근간이 되는 터널굴착기을 이용하여 터널 등을 굴착하는 경우 굴착되는 지반의 다양한 조건에 따라 면판(cutterhead)을 비롯한 터널굴착기 적합한 설계인자를 고려할 필요성이 있지만, 그에 대한 기술은 답보 상태에 머물고 있는 수준이다.
터널굴착기의 설계인자를 도출하고 그 성능을 예측하는데 일반적으로 사용되는 장비는 선형절삭시험기(linear cutting machine)이다. 도 1은 발명의 명칭이 "터널굴착기의 면판설계 및 굴진성능 평가를 위한 선형절삭시험장치"이고, 한국출원번호가 10-2004-0105793인 본 발명의 출원인에 의해 출원된 선형절삭시험기를 도시한 도면이다.
이와 같은 선형절삭시험기를 이용하여 터널굴착기의 설계인자를 도출하기 위한 기존의 방법은 단순히 절삭간격(cutting spacing)과 절삭깊이(cutting depth)를 설정하고 선형절삭시험기를 이용하여 시험편을 선형으로 절삭한 후, 선형절삭시험기에 장착되는 터널굴착기의 커터에 걸리는 절삭력의 평균값을 측정하여 아래의 수학식 1(E는 비에너지, S는 절삭간격, P는 절삭깊이, Fr은 시험편이 터널굴착기 커터에 미치는 회전 방향의 힘을 나타냄)의 관계로부터 도 2와 같이 절삭간격과 절삭깊이의 비(S/P)에 대한 비에너지 곡선을 얻어 최적의 비에너지에 해당하는 절삭간격으로부터 터널굴착기의 설계인자를 도출하는 방법을 사용하였다. 그런데, 이와 같은 기존의 방법은 수학식 1 및 도 2에서 절삭간격과 절삭깊이를 실측값이 아닌 앞서 언급한 선형절삭시험기에 미리 설정된 값을 이용하여 왔다.
Figure 112005000023116-pat00001
그러나, 이와 같은 종래의 방법은 여러 가지 기술적인 문제점을 가지고 있으므로 실제 터널굴착기의 설계인자를 도출하는데 한계를 가지고 있다.
그러한 문제점을 지적하면, 앞서 설명하였듯이 기존의 방법은 터널굴착기 커터에 걸리는 절삭력의 하중 성분의 평균값과 시험편의 절삭 전에 미리 설정한 절삭깊이를 터널굴착기의 설계인자의 도출에 사용함으로써, 시험편의 절삭거리(cutting distance)에 따른 하중값의 변화를 실제 절삭된 절삭깊이와 연관시킬 수 없었다. 이와 같은 문제점은 시험편의 표면이 불균일한 경우에 더 심각해질 수 있다.
또한, 시험편의 절삭 후 변위계에 의해 절삭깊이를 측정하는 방식을 도입하고 있는 경우도 있지만, 크기 효과(size effect)를 줄이기 위해 시험편이 대형화되는 경우에 절삭깊이를 연속적으로 변위계로 측정하게 되면 그 정확성과 작업 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
아울러, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 실제 터널굴착기 커터에 의한 파괴 메커니즘을 고려하면, 터널굴착기 커터에 의한 시험편의 절삭시 커터 하부로의 절삭깊이뿐만 아니라 커터 간격에 따른 칩(chip)의 형성과 칩의 크기가 터널굴착기의 굴진성능을 크게 좌우한다는 점을 알 수 있지만, 기존의 방법은 터널굴착기에 의한 3차원적인 절삭부피가 아닌 1차원적인 절삭깊이를 터널굴착기의 설계인자 도출에 사용함으로써, 실제 터널굴착기 커터에 의한 파괴 메커니즘을 터널굴착기의 설계인자 도출에 반영하지 못하는 불합리한 문제점을 안고 있었다.
따라서, 이와 같은 기존 방법이 안고 있는 문제점을 극복할 수 있는 새로운 방식의 터널굴착기 설계인자 도출 방법의 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 터널굴착기 커터에 의한 3차원적인 절삭부피의 개념을 도입함으로써 실제 터널굴착기 커터에 의한 파괴 메커니즘을 반영할 수 있는 터널굴착기의 설계인자 도출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 사진촬영기법을 이용함으로써 터널굴착기 커터에 의한 3차원적인 절삭부피를 정확히 반영할 수 있는 터널굴착기의 설계인자 도출 방법을 제공하는 것이다.
구체적으로는 본 발명의 목적은 선형시험절삭기에 의한 시험편의 절삭 전후의 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 절삭 전후의 시험편 표면의 3차원 좌표의 편차를 구하여 인접한 절삭 영역에 대응하는 절삭부피를 결정한 후, 각각의 절삭부피에 따른 비에너지를 연산하여 최적 비에너지를 갖는 절삭간격을 결정하고 그 절삭간격으로부터 터널굴착기의 설계인자를 도출하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 전의 상기 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하는 제 1단계와; 터널굴착기 커터가 장착되는 선형절삭시험기을 이용하여 상기 시험편을 가변적인 절삭간격(variable cutting spacing)을 두고 복수의 선형 절삭을 실행하고, 상기 시험편이 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘(normal force)과 회전 방향의 힘(rolling force)을 측정하여 절삭거리에 따른 각 방향의 힘의 평균값을 구하는 제 2단계와; 상기 선형절삭시험기에 의해 절삭된 상기 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 후의 상기 시험편 표면의 3차원 자표를 추출하는 제 3단계와; 상기 시험편의 절삭 전후의 3차원 좌표를 비교하여 상기 가변적인 절삭간격을 갖는 상기 시험편의 서로 인접한 선형 절삭 영역 각각에 형성되는 절삭부피를 결정하는 제 4단계와; 상기 제 4단계에서 결정된 절삭부피에 따른 비에너지를 연산하는 제 5단계와; 상기 제 5 단계에서 연산된 비에너지를 통해 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격을 결정하는 제 6단계와; 상기 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격으로부터 상기 터널굴착기의 설계인자를 도출하는 제 7단계를 포함하는 사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법에 의해 달성된다.
상기 제 1 단계 및 상기 제 3 단계는 상기 시험편 표면에 다수의 레이저 타겟을 생성하는 단계와, 상기 시험편의 여러 방향에서 상기 시험편에 대한 복수의 사진찰영을 실행하는 단계와, 상기 복수의 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 상기 시험편 표면에 생성된 상기 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표를 추출하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제 4단계는 상기 시험편의 절삭 전후의 상기 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표를 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 비에너지는
Figure 112006028286703-pat00035
에 의해 정의되며, Fr은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 회전 방향의 힘의 평균값, L은 상기 터널굴착기 커터에 의한 상기 시험편의 절삭거리, V는 상기 절삭부피를 나타낸다.
또한, 상기 터널굴착기의 설계인자는 터널굴착기의 커터의 개수, 터널굴착기의 추력(thrust), 터널굴착기의 토오크(torque), 터널굴착기의 면판의 회전 속도(RPM), 터널굴착기의 파워(power) 및 터널굴착기의 굴진 속도를 포함할 수 있다.
상기 터널굴착기의 커터의 개수는
Figure 112006028286703-pat00003
에 의해 결정되고, D는 터널굴착기의 직경, S는 상기 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격을 나타낸다.
상기 터널굴착기의 추력은
Figure 112006028286703-pat00004
에 의해 결정되고, N은 상기 터널굴착기의 커터의 개수, Fn은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘의 평균값을 나타낸다.
상기 터널굴착기의 토오크는
Figure 112006028286703-pat00005
에 의해 결정되고, N은 상기 터널굴착기의 커터의 개수, Fr은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 회전 방향의 힘의 평균값을 나타낸다.
상기 터널굴착기의 면판의 회전 속도는
Figure 112006028286703-pat00006
에 의해 결정되고, Vlim은 터널굴착기 커터의 선형한계속도를 나타낸다.
상기 터널굴착기의 파워는
Figure 112006028286703-pat00007
에 의해 결정되고, Tq는 상기 터널굴착기의 토오크, RPM은 상기 터널굴착기의 면판 회전 속도, U는 터널굴착기의 변환인자(conversion factor)를 나타낸다.
마지막으로 상기 터널굴착기의 굴진 속도는
Figure 112006028286703-pat00008
에 의해 결정되고, HP는 상기 터널굴착기의 파워, η는 터널굴착기의 장비효율을 나타낸다.
지금부터 단지 예시로서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기의 설계 인자 도출 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기의 설계 인자 도출 방법은 절삭 전 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하는 단계(S2), 시험편의 선형 절삭 및 절삭력 측정 단계(S3), 절삭 후 시험편 표면의 3차원 좌표 추출 단계(S4), 절삭 전후 시험편 표면의 3차원 자표를 비교하여 절삭부피 결정 단계(S5), 절삭부피에 따른 비에너지 연산 단계(S6), 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격 결정 단계(S7) 및 터널굴착기의 설계인자 도출 단계(S8)로 구성된다.
구체적으로 각 단계를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기의 설계 인자 도출 방법은 단계(S1)에서 시작하여 단계(S2)에서 선형절삭시험기로 시험편을 절삭하기 전의 시험편의 사진 촬영을 통해 절삭 전의 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출한다.
도 4를 참조하면, 단계(S2)는 시험편 표면에 다수의 레이저 타겟을 생성하는 단계(S11), 시험편의 여러 방향에서 시험편에 대한 복수의 사진촬영을 실행하는 단계(S12) 및 복수의 사진촬영으로부터 얻은 영상으로부터 얻은 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표 추출 단계(S13)로 구성된다.
도 5는 단계(S11)에서 다수의 레이저 타겟을 시험편 표면에 생성한 것을 나타낸 것이다. 이처럼 시험편 표면에 레이저 타겟을 생성하기 위한 장비는 일반적인 레이저 점구름 프로젝터(Laser Point Cloud Projector){V-STARS System(Geodetic Services Inc. USA)} 등이 사용될 수 있다.
단계(S11)에서 시험편 표면에 다수의 레이저 타겟을 생성하기 이전에, 시험편 표면에 오토바 타겟(AutoBar target을 부착하고, 계측범위와 개략적인 형상 파악을 위해 코딩 타켓(Coded target) 및 단일 점 타켓(Single dot target)을 설치하고, 스케일 바(Scale Bar)를 이용하여 축적을 결정하는 것이 이후의 사진촬영 결과를 해석하기 위해서 바람직하다.
단계(S11) 이후에 단계(S12)에서는 시험편의 여러 방향에서 시험편에 대한 복수의 사진촬영을 실시한다. 도 6은 다수의 레이저 타겟이 생성된 시험편 표면에 대해 복수의 사진촬영을 실행하는 것을 모식적으로 나타낸 도면이다.
단계(S12) 이후에 단계(S13)에서는 단계(S12)에서 실행한 시험편 표면에 대한 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 시험편 표면에 생성된 레이저 타겟의 3차원 좌표를 추출한다. 여기서, 레이저 타겟의 수와 사진촬영의 횟수가 많을수록 시험편 표면의 더 정확한 3차원 좌표 정보 모사(simulation)가 가능하다.
사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 시험편 표면에 생성된 레이저 타겟의 3차원 좌표의 추출은 사진계측용 상용프로그램인 V-STARS(Geodetic Services Inc. USA) 등을 통해 이루어질 수 있다.
단계(S11), 단계(S2) 및 단계(S13)로 구성되는 단계(S2) 이후에는 터널굴착기 커터가 장착되는 선형절삭시험기를 이용하여 시험편을 가변적인 절삭간격을 두고 복수의 선형 절삭을 실행한다. 도 7a은 이와 같은 절삭 과정을 모식적으로 도시한 평면도이고, 7b는 절삭 후의 도 7a의 AA'의 단면도를 나타낸 것이다 도 7a 및 도 7b에서 S1, S2, 및 S3는 터널굴착기 커터에 의한 가변적인 절삭간격을 나타내며, L은 터널굴착기 커터의 절삭방향으로의 절삭거리를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에서는 편의상 4번의 선형 절삭을 나타냈지만 더 많은 선형절삭이 이루어 질 수도 있다.
이 과정에서 터널굴착기 커터의 상부에 장착되는 로드셀(roadcell) 등을 이용하여 절삭 중 시험편이 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘(normal force)과 회전 방향의 힘(rolling force)를 측정하여 절삭거리에 따른 각 방향의 힘의 평균값을 연산하게 된다.
단계(S3) 이후의 단계(S4)에서는 단계(S3)에서 선형절삭시험기에 의해 절삭된 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 후의 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하게 된다. 단계(S4)는 단계(S2)와 마찬가지로 단계(S11), 단계(S12) 및 단계(S13)로 구성되므로 중복적인 설명을 생략한다.
도 8a 및 도 8b는 절삭 전후의 사진계측에 의한 시험편 표면을 3차원으로 형상화한 도면이다.
단계(S4) 이후의 단계(S5)에서는 단계(S2) 및 단계(S4)에서 얻은 절삭 전후의 시험편 표면의 3차원 좌표를 비교하여, 즉 절삭 전후의 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표를 비교하여(S14) 가변적인 절삭간격(S1, S2, S3)을 갖는 시험편의 서로 인접한 선형 절삭 영역 각각에 형성되는 절삭부피(V1, V2, V3)를 결정한다.
절삭부피 결정 방법은 다음과 같다. 단계(S2)와 단계(S4)에서 추출한 3차원 좌표들을 비교하여 절삭전과 절삭후의 표면을 도 8a 및 도 8b와 같이 3차원으로 형상화 한 후, 형상화된 절삭전, 절삭후의 표면의 기준점을 같게 하여 동일한 좌표계에 나타낸다. 이 경우에 필요하면 내삽(interpolation) 과정이 추가될 수 있다. 이러한 방식으로 절삭 전의 표면이 위에 위치하게 되고 절삭 후의 표면이 아래에 위치하게 되어 두 표면 사이에 공간이 형성되며, 이 공간의 부피를 계산하게 된다.
부피계산 방법은 트라페조이들 규칙(Trapezoidal Rule), 심프슨 규칙(Simpson's Rule) 및 심프슨 3/8 규칙(Simpson's 3/8 Rule)등의 세 가지 방법을 사용할 수 있으며, 이러한 세 가지 방법의 상대오차를 고려하여 부피 계산의 정확도를 판정한 후 평균값을 절삭부피로 결정하게 된다.
이와 같은 절삭부피의 결정은 상용 소프트웨어 등을 이용하여 용이하게 도출할 수 있음을 당업자라면 명백히 인식할 수 있을 것이므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
이후에 단계(S6)에서는 각각의 절삭간격(S1, S2, S3)에 대응하는 절삭부피(V1, V2, V3)에 따른 비에너지(specific energy)를 연산한다.
절삭부피(V)는 절삭깊이(P)와 절삭간격(S) 및 절삭거리(L)의 곱으로 표현할 수 있으므로, 앞의 수학식 1에 표현된 비에너지는 아래의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112006028286703-pat00009
이와 같은 수학식 2를 이용하여 각각의 절삭간격(S1, S2, S3)에 대응하는 절삭부피(V1, V2, V3) 따른 비에너지를 연산할 수 있다.
단계(S7)에서는 단계(S6)에서 연산한 비에너지를 이용하여 최적 비에너지(optimum specific energy)에 해당하는 절삭부피(Vi)를 결정하고 그 절삭부피에 대응하는 절삭간격(Si)을 결정한다.
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단계(S7) 이후의 단계(S8)에서는 단계(S7)에서 결정된 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격으로부터 터널굴착기의 설계인자를 도출하게 된다.
터널굴착기의 중요한 설계인자는 터널굴착기 커터의 개수(N), 터널굴착기의 추력(Th), 터널굴착기의 토오크(Tq), 터널굴착기의 면판의 회전 속도(RPM), 터널굴착기의 파워(HP) 및 터널굴착기의 굴진 속도(AR) 등이다.
기존의 모델에 의하면, 위에 나열한 터널굴착기의 설계인자는 아래의 수학식 4 내지 9에 의해 각각 표현될 수 있다.
Figure 112005000023116-pat00011
Figure 112005000023116-pat00012
Figure 112005000023116-pat00013
Figure 112005000023116-pat00014
Figure 112005000023116-pat00015
Figure 112005000023116-pat00016
수학식 4 내지 수학식 9에서 D는 터널굴착기의 직경, Fn과 Rr은 각각 선형절삭시험에서 측정한 연직방향 및 회전방향의 힘의 평균을 나타내고, Vlim은 커터의 선형한계속도, U는 터널굴착기의 변환인자(conversion fator), 그리고 η는 터널굴착기의 장비효율 나타낸다.
절삭간격을 나타내는 수학식 4의 파라미터 S에 단계(S7)에서 결정된 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격을 적용하여, 본 발명에 따른 사진계측기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법에 따른 터널굴착기 커터의 개수(N)를 결정할 수 있으며, 선형절삭시험에서 측정한 Fn과 Rr의 평균 및 다른 파라미터를 적용하여, 본 발명에 따른 사진계측기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법에 따라 나머지 터널굴착기의 설계인자를 결정할 수 있다.
이와 같은 과정을 거쳐 터널굴착기의 설계인자가 모두 결정되면 본 발명에 따른 방법은 단계(S9)에서 종료하게 된다.
이제까지 본 발명에 관한 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 이제까지 설명된 바람직한 실시예는 단지 예시로서만 받아들여야 한다. 즉, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 다양한 변형을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적인 권리 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 해석되어야 한다.
본 발명은 터널굴착기 커터에 의한 3차원적인 절삭부피의 개념을 도입함으로써 실제 터널굴착기 커터에 의한 파괴 메커니즘을 반영할 수 있는 터널굴착기의 설계인자 도출 방법을 제공하고, 사진촬영기법을 이용함으로써 터널굴착기 커터에 의한 3차원적인 절삭부피를 정확히 반영할 수 있는 터널굴착기의 설계인자 도출 방법을 제공하는 등의 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 사진찰영기법(photogrammertry)을 이용하여 터널굴착기(tunnel boring machine)의 설계인자를 도출하기 위한 방법으로서,
    시험편의 사진촬영을 통해 절삭 전의 상기 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하는 제 1단계와,
    터널굴착기 커터(cutter)가 장착되는 선형절삭시험기(linear cutting machine)를 이용하여 상기 시험편을 가변적인 절삭간격(variable cutting spacing)을 두고 복수의 선형 절삭을 실행하고, 상기 시험편이 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘(normal force)과 회전 방향의 힘(rolling force)을 측정하여 절삭거리(cutting distance)에 따른 각 방향의 힘의 평균값을 구하는 제 2단계와,
    상기 선형절삭시험기에 의해 절삭된 상기 시험편의 사진촬영을 통해 절삭 후의 상기 시험편 표면의 3차원 좌표를 추출하는 제 3단계와,
    상기 시험편의 절삭 전후의 3차원 좌표를 비교하여 상기 가변적인 절삭간격을 갖는 상기 시험편의 서로 인접한 선형 절삭 영역 각각에 형성되는 절삭부피(cutting volume)를 결정하는 제 4단계와,
    상기 제 4단계에서 결정된 절삭부피에 따른 비에너지를 연산하는 제 5단계와,
    상기 제 5 단계에서 연산된 비에너지를 통해 최적 비에너지(optimum specific energy)에 해당하는 절삭간격을 결정하는 제 6단계와,
    상기 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격으로부터 상기 터널굴착기의 설계인자를 도출하는 제 7단계를 포함하는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 3 단계는 상기 시험편 표면에 다수의 레이저 타겟을 생성하는 단계와, 상기 시험편의 여러 방향에서 상기 시험편에 대한 복수의 사진찰영을 실행하는 단계와, 상기 복수의 사진촬영을 통해 얻은 영상으로부터 상기 시험편 표면에 생성된 상기 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표를 추출하는 단계를 포함하는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 4단계는 상기 시험편의 절삭 전후의 상기 다수의 레이저 타겟의 3차원 좌표를 비교하는 단계를 포함하는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 비에너지는
    Figure 112006028286703-pat00036
    에 의해 정의되며,
    여기서, Fr은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 회전 방향의 힘의 평균값, L은 상기 터널굴착기 커터에 의한 상기 시험편의 절삭거리, V는 상기 절삭부피를 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 설계인자는 터널굴착기의 커터의 개수, 터널굴착기의 추력(thrust), 터널굴착기의 토오크(torque), 터널굴착기의 면판의 회전 속도(RPM), 터널굴착기의 파워(power) 및 터널굴착기의 굴진 속도를 포함하는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 커터의 개수는
    Figure 112006028286703-pat00018
    에 의해 결정되고,
    여기서, D는 터널굴착기의 직경, S는 상기 최적 비에너지에 해당하는 절삭간격을 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 추력은
    Figure 112006028286703-pat00019
    에 의해 결정되고,
    여기서, N은 상기 터널굴착기의 커터의 개수, Fn은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 연직 방향의 힘의 평균값을 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 토오크는
    Figure 112006028286703-pat00020
    에 의해 결정되고,
    여기서, N은 상기 터널굴착기의 커터의 개수, Fr은 상기 터널굴착기 커터에 작용하는 회전 방향의 힘의 평균값을 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 면판의 회전 속도는
    Figure 112006028286703-pat00021
    에 의해 결정되고,
    여기서, Vlim은 터널굴착기 커터의 선형한계속도를 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 파워는
    Figure 112006028286703-pat00022
    에 의해 결정되고,
    여기서, Tq는 상기 터널굴착기의 토오크, RPM은 상기 터널굴착기의 면판 회전 속도, U는 터널굴착기의 변환인자(conversion factor)를 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 터널굴착기의 굴진 속도는
    Figure 112006028286703-pat00023
    에 의해 결정되고,
    여기서, HP는 상기 터널굴착기의 파워, η는 터널굴착기의 장비효율을 나타내는,
    사진찰영기법을 이용한 터널굴착기의 설계인자 도출 방법.
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JPH0726890A (ja) * 1992-12-01 1995-01-27 Hazama Gumi Ltd トンネルボーリングマシーン

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