KR101322125B1

KR101322125B1 - 터널 보어링 머신의 굴착 모사 시험 장치

Info

Publication number: KR101322125B1
Application number: KR1020110126554A
Authority: KR
Inventors: 김상환
Original assignee: 호서대학교 산학협력단
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-10-28
Also published as: KR20130060478A

Abstract

본 발명은 터널 보어링 머신(Tunnel Boring Machine; TBM)의 굴착 모사 시험 장치에 관한 것으로, 축소모형지반을 굴착하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치에 있어서, 지반을 굴착하도록 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 커터 헤드의 후방에 위치하고, 상기 커터 헤드와의 사이에 관통공이 형성된 격벽이 구비되어 상기 격벽의 전방에 버력이 유입되는 챔버를 형성하는 헤더와; 상기 커터 헤드의 중앙 회전축을 회전 구동하는 구동 모터와; 분할된 다수의 중공 파이프가 종방향으로 서로 밀착 배열되어 버력이 유입되지 못하도록 외형을 형성하고 상기 헤더의 후방에 고정된 다수의 세그먼트와; 상기 챔버로부터 상방으로 경사지게 배열되어 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 버력을 후방으로 이송하는 스크류 컨베이어와; 상기 스크류 컨베이어에 의해 이송된 버력을 후방으로 이송하고 상기 세그먼트 내에 설치된 컨베이어 벨트와; 상기 커터 헤드가 회전하는 상태로 상기 헤더를 전방 이동 구동하여, 상기 축소모형지반을 굴착하도록 굴진시키는 실린더와; 상기 실린더와 상기 세그먼트의 사이에서 가압되는 힘을 측정하는 로드셀과; 상기 커터 헤드의 굴진 거리를 측정하는 센서를; 포함하여 구성되어, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 실험적으로 정확하게 분석하여, 실제로 터널 공사를 하는 모든 공정을 예측할 수 있고, 예측 결과를 토대로 터널 보어링 머신의 굴진 시의 작동 조건을 각 구간별로 제어함으로써, 보다 안전하면서도 신속하게 터널을 시공할 수 있도록 하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치를 제공한다.

Description

터널 보어링 머신의 굴착 모사 시험 장치 {TUNNEL BORING MACHINE SIMULATOR}

본 발명은 터널 보어링 머신(Tunnel Boring Machine; TBM, TBM)의 굴착 모사 시험 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실제 TBM에 의한 터널 굴착 시에 발생될 수 있는 압력, 커터 헤드의 회전 속도, 굴진 속도 등의 파라미터를 굴진 거리에 따른 데이터로 사전에 확보할 수 있도록 하여 실제 TBM의 굴착시 발생되는 인자를 예측할 수 있는 TBM의 굴착모사 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 터널공사에서 발파공법은 소음, 진동 및 굴착 후 변형에 대하여 신속하게 대처하기 어렵다. 하지만 TBM은 저소음, 무진동으로 도심지 및 연약지반, 하천하부등 여러지반에 적용이 가능하며 둘레가 날카로운 강철재 날인 원통을 막장에 압입시켜 원통내부를 굴착하는 방식으로 터널을 시공하게 된다.

그러나, 터널 보어링 머신을 이용하여 터널을 굴착하는 공정은 지반의 다양한 상태에 따라 예견치 못하는 안전사고가 발생되기도 하고, 굴착이 중단되어 터널 굴착에 소요되는 비용이 급격히 증가하는 문제가 발생된다. 더욱이, 최근 터널의 장대화 추세에 따라 공사 공정 중에 보다 빈번하게 문제점이 발생되고 있다.

이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 수치해석으로 사전에 모사하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 수치해석에 의해서는 지반의 암반 물성과 구조물의 형상을 환산하여 현지의 상태를 재현하는 데 한계가 있으므로, 정확도가 낮은 문제가 있었다.

따라서, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 보다 정확하게 분석하여, 실제로 터널 공사를 하는 모든 공정을 예측할 수 있고, 예측 결과를 토대로 터널 보어링 머신의 굴진 시의 작동 조건을 각 구간별로 제어함으로써, 보다 안전하면서도 신속하게 터널을 시공할 수 있도록 하는 필요성이 절실히 대두되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 실제 TBM에 의한 터널 굴착 시에 발생될 수 있는 압력, 커터 헤드의 회전 속도, 굴진 속도 등의 파라미터를 굴진 거리에 따른 데이터로 사전에 확보할 수 있도록 하여 실제 TBM의 굴착시 발생되는 인자를 예측할 수 있는 TBM의 굴착모사 시험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 실험적으로 정확하게 분석하여, 실제로 터널 공사를 하는 모든 공정을 예측할 수 있고, 예측 결과를 토대로 터널 보어링 머신의 굴진 시의 작동 조건을 각 구간별로 제어함으로써, 보다 안전하면서도 신속하게 터널을 시공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바의 목적을 달성하기 위하여, 축소모형지반을 굴착하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치에 있어서, 지반을 굴착하도록 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 커터 헤드의 후방에 위치하고, 상기 커터 헤드와의 사이에 관통공이 형성된 격벽이 구비되어 상기 격벽의 전방에 버력(muck)이 유입되는 챔버를 형성하는 헤더와; 상기 커터 헤드의 중앙 회전축을 회전 구동하는 구동 모터와; 방수, 버력이 유입되지 못하도록 외형을 형성하고 상기 헤더의 후방에 고정된 세그먼트와; 상기 챔버로부터 상방으로 경사지게 배열되어 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 버력을 후방으로 이송하는 스크류 컨베이어와; 상기 스크류 컨베이어에 의해 이송된 버력을 후방으로 이송하고 상기 세그먼트 내에 설치된 컨베이어 벨트와; 상기 커터 헤드가 회전하는 상태로 상기 헤더를 전방 이동 구동하여, 상기 축소모형지반을 굴착하도록 굴진시키는 실린더와; 상기 실린더와 상기 헤더의 사이에서 가압되는 힘을 측정하는 로드셀과; 상기 커터 헤드의 굴진 거리를 측정하는 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치를 제공한다.

이와 같이 구성된 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치를 이용하여 현지의 암반 물성과 구조물의 형상을 축소율로 환산하여 축소모형지반을 굴착하도록 구성함으로써, 축소모형지반의 구간 별로 굴진 길이에 대한 막장 압력을 로드셀로 측정하여 축소모형지반에서 TBM의 실제 굴착 조건을 사전에 미리 정확하게 파악할 수 있게 된다.

무엇보다도, 본 발명은 상기 로드셀로부터 측정된 막장 압력에 따라 상기 구동 모터의 회전 속도와, 상기 실린더의 굴진 속도를 제어하는 제어부를; 추가적으로 구비한다. 이를 통해, 로드셀에 의해 감지되는 막장 압력이 변동함에 따라 굴진 속도를 조절하고 이와 병행하여 커터 헤드를 회전 구동하는 구동모터의 회전 속도를 변동함으로써, 굴진하고 있는 지반의 상태에 의해 커터 헤드가 손상되거나 회전이 정지하는 사고가 발생되지 않고, 원활하게 굴진할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

상기 스크류 컨베이어는 수평면에 대하여 20도 내지 40도만큼 경사지게 설치된 것이 바람직하다. 수평면에 대하여 20도보다 작은 각도로 경사지면, 스크류 컨베이어에 의해 이송할 수 있는 버력의 양이 많지만, 역류 가능성이 있으므로 신뢰성있게 버력을 배출시키는 것이 곤란해진다. 그리고, 수평면에 대하여 40도보다 큰 각도로 경사지면 스크류 컨베이어에 의해 이송할 수 있는 버력의 양이 작아져, 굴진 속도를 제한하게 되므로 바람직하지 않다.

이 때, 상기 챔버에 물과 폴리머가 혼합된 첨가제를 공급하는 첨가제 공급관이 구비될 수 있다. 이를 통해, 챔버 내의 버력은 첨가제에 의하여 소성 유동화한 굴착토가 충반되어, 터널굴착에서 나오는 토석이나 암석 덩어리 등 폐석 등의 버력(muck)이 흩어지지 않고 스크류 컨베이어의 회전에 의해 원활히 배출된다.

그리고, 상기 축소모형지반에 형성되는 굴착공과 상기 헤더의 사이를 충전하는 뒷채움재를 공급하는 뒷채움재 공급관을 더 포함할 수 있다. 이와 같이 굴진과 동시에 발생하는 테일 보이드를 신속하게 충진함으로써, 굴착 시 발생할 수 있는 이완 하중을 최소화하여 굴착된 터널을 보다 신뢰성있게 유지시킨다.

상기 세그먼트는 분할된 다수의 중공 파이프가 종방향으로 서로 밀착 배열되어 다수로 이루어질 수 있다. 이는, 터널 보어링 장치가 굴진한 공간을 지지하는 설비를 구간별로 설치한 것을 모사한 것으로서, 실제 지지하는 설비와 유사한 유연비(Flexibility Ratio)를 갖는 아크릴 관으로 형성되는 것이 좋다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 축소모형지반을 굴착하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치에 있어서, 지반을 굴착하도록 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 커터 헤드의 후방에 위치하고, 상기 커터 헤드와의 사이에 관통공이 형성된 격벽이 구비되어 상기 격벽의 전방에 버력이 유입되는 챔버를 형성하는 헤더와; 상기 커터 헤드의 중앙 회전축을 회전 구동하는 구동 모터와; 분할된 다수의 중공 파이프가 종방향으로 서로 밀착 배열되어 버력이 유입되지 못하도록 외형을 형성하고 상기 헤더의 후방에 고정된 다수의 세그먼트와; 상기 챔버로부터 상방으로 경사지게 배열되어 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 버력을 후방으로 이송하는 스크류 컨베이어와; 상기 스크류 컨베이어에 의해 이송된 버력을 후방으로 이송하고 상기 세그먼트 내에 설치된 컨베이어 벨트와; 상기 커터 헤드가 회전하는 상태로 상기 헤더를 전방 이동 구동하여, 상기 축소모형지반을 굴착하도록 굴진시키는 실린더와; 상기 실린더와 상기 헤더의 사이에서 가압되는 힘을 측정하는 로드셀과; 상기 커터 헤드의 굴진 거리를 측정하는 센서를; 포함하여 구성되어, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 실험적으로 정확하게 분석하여, 실제로 터널 공사를 하는 모든 공정을 예측할 수 있고, 예측 결과를 토대로 터널 보어링 머신의 굴진 시의 작동 조건을 각 구간별로 제어함으로써, 보다 안전하면서도 신속하게 터널을 시공할 수 있도록 하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치를 제공한다.

즉, 본 발명은 이와 같이 구성된 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치를 이용하여 현지의 암반 물성과 구조물의 형상을 축소율로 환산하여 축소모형지반을 굴착하도록 구성함으로써, 축소모형지반의 구간 별로 굴진 길이에 대한 막장 압력을 사전에 정확하게 파악할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은 측정된 막장 압력에 따라 커터 헤드의 회전 속도 및/또는 굴진 속도를 제어함에 따라, 굴진하고 있는 지반의 상태에 의해 커터 헤드가 손상되거나 회전이 정지하는 사고가 발생되지 않고, 원활하게 굴진할 수 있는 조건을 보다 쉽게 찾을 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 보어링 머신의 굴착 모사 시험 장치를 도시한 도면
도2는 도1의 'A'부분의 확대도
도3은 도1의 장치를 이용하여 소정 깊이만큼 굴진된 상태를 도시한 도면
도4는 도1의 제어부에 의해 제어되는 각 구성을 도시한 블럭도
도5는 도1의 커터 헤드의 정면도
도6은 도1의 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도
도7은 스크류 컨베이어의 이송 효율 시험 장치

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상술한다. 다만, 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 보어링 머신(TBM)의 굴착 모사 장치(100)는, 지반을 굴착하는 동안에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드(110)와, 커터 헤드(110)의 후방에 위치하고 커터 헤드(110)와의 사이에 관통공이 형성된 격벽(125)이 구비되어 격벽(125)의 전방에 버력이 유입되는 챔버(77)를 형성하는 헤더(120)와, 커터 헤드(110)의 중앙 회전축(11)을 회전 구동하는 구동 모터(130)와, 버력이 유입되지 못하도록 외형을 형성하고 헤더(120)의 후방에 고정된 세그먼트(140)와, 챔버(77)로부터 상방으로 경사지게 배열되어 커터 헤드(110)에 의해 굴착된 버력을 후방으로 이송하는 스크류 컨베이어(150)와, 스크류 컨베이어(150)에 의해 이송된 버력을 후방으로 이송하고 세그먼트(140) 내에 설치된 컨베이어 벨트(160)와, 커터 헤드(110)가 회전하는 상태로 헤더(120)를 전방 이동 구동하여 축소모형지반(10)을 굴착하도록 굴진시키는 실린더(170)와, 실린더(170)와 상기 헤더(120)의 사이에서 가압되는 힘을 측정하는 로드셀(180)과, 로드셀(180)로부터 측정된 막장 압력에 따라 구동 모터(130)의 회전 속도 및/또는 실린더(170)의 굴진 속도를 제어하는 제어부(195)와, 챔버(77)에 물과 폴리머가 혼합된 첨가제를 공급하는 첨가제 공급관(191, 191')과, 축소모형지반(10)에 형성되는 굴착 구멍과 세그먼트(140)의 사이를 충전하는 뒷채움재를 공급하는 뒷채움재 공급관(192)와, 커터 헤드(110)의 굴진 거리를 측정하는 센서(193)를 포함하여 구성된 다.

상기 축소모형지반(10)은 TBM을 이용하여 굴착하고자 하는 지반을 사전에 조사하여, 이와 유사한 형태로 지반을 구성한다. 도1에는 거치대(30)상에 지반 모형(10a, 10b, 10c, 10d, 10e; 10)을 수용하는 박스(20)가 구비되고, 이 박스(20)의 전면에 헤더(120)가 삽입되는 구멍(20a)이 미리 형성된다. 도면에는 축소모형지반(10)의 상측이 커버(20a)로 덮여 있는 구성을 예로 들었지만, 실제 지반과 유사하게 커버(20a)로 덮여있지 않은 상태로 모사 시험이 이루어질 수도 있다.

축소모형지반(10)은 조사된 지층별로 다르게 조성된다. 예를 들어, 매립층, 충적층, 풍화토, 풍화암 등이 분포될 수 있다. 이 때, 보통암, 연암, 풍화암층으로 이루어진 지층에 대해서는 일축압축강도의 값이 조사된 압축강도와 동일한 값을 갖도록 함수비를 고려하여 모래와 석고를 혼합하여 다짐법으로 조성되고, 충적층과 매립층에 대해서는 강사법으로 조성되는 것이 좋다.

상기 커터 헤드(110)는 구동 모터(130)에 의해 회전(110r) 구동하면서 지반의 토사와 암반을 깎아내면서 굴진할 수 있도록 한다. 이를 위하여, 도5에 도시된 바와 같이 커터 헤드(110)의 전면에는 헤드 면판에 회전 가능하게 설치되어 디스크커터의 일부가 전방으로 돌출된 회전 디스크커터(111)가 반경 방향을 따라 소정 간격으로 배열되고, 반경 방향을 따라 전방으로 돌출된 고정 비트(113)가 형성된다. 따라서, 커터 헤드(110)가 회전하면, 회전 디스크커터(111)와 고정 비트(113)가 지반을 파내는 역할을 한다. 도5에 도시된 커터 헤드는 개구율이 약 30%이고, 면판직경 165mm이고 굴착직경이 175mm이며, 최대 토크 0.07kN.m, 추력 150kN으로 제작된다.

커터 헤드(110)의 반경 방향으로의 끝단에는 헤더(120)의 전방 끝단을 수용하는 요홈(112)이 원주 방향을 따라 형성되어, 커터 헤드(110)가 회전하면서 막장 압력이 그 판면에 작용하더라도 설치 위치가 틀어지는 것을 방지하고 안정적으로 위치 고정할 수 있다.

상기 헤더(120)는 커터 헤드(110)의 후방측에서 원통 파이프 형태로 형성되어, 내부에 커터 헤드(110)를 구동하는 구동 모터(130) 및 감속기어(131, 132)를 수용한다. 이 때, 감속 기어(132)는 커터 헤드(110)의 중심에 고정된 회전축(119)과 일체로 결합되어, 구동 모터(130)의 회전에 의해 커터 헤드(110)를 회전 구동하는 매개 역할을 한다.

헤더(120)에는 회전축(119)이 관통하는 구멍이 중앙부에 형성된 격벽(125)이 형성되어, 격벽(125)과 커터 헤드(110)의 사이에 챔버(77)를 형성한다. 굴착 모사 장치(110)가 축소모형지반(10)을 굴진하면서, 축소모형지반(10) 내의 버력(muck)이 챔버(77)에 수용된 후, 굴착 모사 장치(110)의 후방 측으로 버력을 배출시킨다.

상기 구동 모터(130)는 감속 기어(131, 132)를 회전 구동하면서 커터 헤드(110)를 회전 구동한다. 이에 따라, 커터 헤드(110)는 대략 0~6RPM의 속도로 회전한다.

상기 세그먼트(140)는 헤더(120)의 후방에 다수의 아크릴 관(140a, 140b, 140c)이 종방향으로 밀착 배열되어 형성된다. 세그먼트(140)는 터널 보어링 장치가 굴진한 공간의 복공 설비를 모사한 것으로, 유연(Flexible) 조건과 강성(Stiff) 조건의 거동 경계의 유연비(Flexibility Ratio)가 유사한 값을 갖도록 아크릴 관으로 제작된다. 이와 같이, 축소모형지반(10)의 물성에 맞추어 3mm두께의 아크릴 관으로 세그먼트(140)를 형성한 경우에는 유연비가 14.76가 된다. 도면에는 3개의 아크릴관이 세그먼트(140)를 형성한 것으로 도시되었지만, 대략 100mm 간격으로 8~10여개로 분할된 아크릴 관으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 스크류 컨베이어(150)는 커터 헤드(110)에 의해 굴착된 토사나 암반 등의 버력이 챔버(77)로 모이면, 이를 장치(100)의 바깥으로 배출시키는 데 사용된다. 스크류 컨베이어(150)는 스크류 축(151)과, 스크류 축(151)을 회전 구동하는 스크류 모터(152)와, 스크류 축(151)의 주변을 감싸는 원통 파이프(153)로 구성되어, 챔버(77)의 끝단에 스크류 축(151)이 위치하여 챔버(77)에 모이는 버력을 스크류 축(151)의 회전에 의해 끌어올려 스크류 축(151)을 따라 버력을 후방으로 이송시킨다.

도2에 도시된 바와 같이, 스크류 컨베이어(150)의 스크류 축(151)의 회전(150d)에 의해, 스크류 축(151)을 따라 버력이 스크류 컨베이어(150)의 상측으로 이송(88d1)되고, 원통 파이프(153)의 관통공(153a)에서 버력이 컨베이어 벨트(160)의 컨베이어 벨트(160)로 이동(88d2)되어, 후방으로 이송된다.

한편, 터널 보어링 장치는 커터 헤드(110)의 후면의 챔버(77)를 굴착 토사 또는 버력으로 충만시켜 굴진면을 지지하면서 굴진하게 되는데, 막장 토압이 확실하게 스크류 컨베이어에 전달시키기 위하여 소성 유동화한 굴착토를 챔버(77) 내에 충만시키는 것이 필요하다. 이를 위하여, 폴리머와 물이 혼합된 첨가제가 첨가제 공급관(191, 191')을 통해 챔버(77)내에 공급하여, 스크류 컨베이어(150)에 의해 챔버(77)내의 버력이 원활하게 이송될 수 있도록 한다.

이 때, 스크류 컨베이어(150)는 수평면에 대하여 20도 내지 40도만큼 경사(6)지게 배치된다. 도7의스크류 컨베이어의 이송 효율 시험 장치이다.

상기 컨베이어 벨트(160)는 회전 구동되는 롤러(161)와 아이들러 롤러(161')의 사이를 폐루프 형태로 연결하는 벨트(162)가 무한 루프로 회전하도록 구성된다. 도2에 도시된 바와 같이 컨베이어 벨트(160)는 스크류 컨베이어(150)로부터 버력이 도면부호 88d2로 표시된 방향으로 이송받아, 이를 컨베이어 벨트(160)의 벨트(162)를 따라 버력을 88d3로 이송하여 후방 끝단으로 이동시킨 후, 장치(100)의 후방측에 배출(88d4)시킨다.

상기 실린더(170)는 유압 또는 공압을 이용하여 플런저(171)를 170d로 표시된 방향으로 이동시키는 것에 의해 헤더(120)를 전방으로 이동시킨다. 이를 위해, 플런저(171)를 전방 이동시키는 가압 유닛(172)이 구비된다. 실린더(170)에 의해 헤더(120)가 전방으로 이동하면서 축소모형지반(10)을 굴착하면서 굴진하는 것이 가능해진다.

커터 헤드(110), 헤더(120), 구동 모터(130), 세그먼트(140), 스크류 컨베이어(150), 컨베이어 벨트(160) 등의 구성 요소를 실린더(170)에 의해 종방향 이동시키는 것을 보다 용이하게 하기 위하여, 장치(100)가 설치되는 거치대(50)에 종방향으로 배열된 가이드 레일(50R)이 설치되고, 이 가이드 레일(50R)을 따라 컨베이어 벨트(160)의 일단부(140x)가 이동하도록 구성될 수 있다.

상기 로드셀(180)은 실린더(170)의 플런저(171)의 끝단에 의해 가압되는 세그먼트(140)의 가압면(145)과 헤더의 후방면(127)의 사이에 위치한다. 이에 따라, 플런저(171)에 의해 가압되는 힘 및 굴진면으로부터 전해오는 힘이 모두 측정될 수 있다. 로드셀(180)에서 측정된 힘은 제어부(195)의 기록 장치에 굴진 시간과 굴진 깊이 데이터와 함께 기록된다.

커터 헤드(110)가 회전(110r)하면서 축소모형지반(10)을 관통하면서 굴진하면, 굴진과 동시에 지반(10)과 세그먼트(140)의 사이에 테일보이드(tail void)가 발생된다. 이 공간에 의해 굴착 시 이완 하중이 발생되는 것을 최소화하기 위하여, 헤더(120)의 바깥으로 유동성 재질의 뒤채움재를 뒤채움재 공급관(192)을 통해 공급하여 세그먼트(140)와 축소모형지반(10)의 터널 사이의 간극을 메운다.

도1 내지 도3에 도시되지 않았지만, 터널 보어링 머신(100)의 헤더(120)가 축소모형지반(10)을 굴진하는 깊이를 측정하는 변위 센서(193)가 구비된다. 변위 센서(193)는 시각적으로 레이저 등의 수단에 의해 비접촉 방식으로 측정할 수도 있고, 굴진 깊이에 따라 기계적 스위치를 터치하도록 구성된 수단에 의해 접촉 방식으로 측정할 수도 있다. 변위 센서(193)에 의해 측정된 굴진 깊이는 굴진 시간 데이터와 함께 제어부(195)에 기록된다.

한편, 도4에 도시된 바와 같이 상기와 같이 구성된 터널 보어링 머신(100)의 굴착 모사 시험 장치(100)는 스크류 컨베이어(150)와, 컨베이어 벨트(160)와, 구동 모터(130)와, 실린더(170)는 제어부(195)에 의해 제어된다. 제어부(195)는 굴착 모사 시험 장치(100)의 변위 센서(193)와 로드셀(180)로부터 측정값을 수신하여, 굴진 압력값이 허용 범위 내에 있는 상태로 유지하도록 실린더(170) 및 구동 모터(130)를 피드백 제어한다.

보다 구체적으로는, 도6에 도시된 바와 같이, 축소모형지반(10)을 갖추어 놓은 상태에서 구동 모터(130)를 정해진 속도(예를 들어, 4rpm)으로 회전구동시킨다(S110).

그리고 나서,실린더(170)를 구동하여 헤더(120) 등의 몸체(110-160)를 이동시키면서, 축소모형지반(10)에 대해 굴착하면서 미리 정해진 속도로 굴진시킨다(S120). 실제 TBM을 이용하여 터널을 굴착하는 경우에는 굴진 깊이에 따라 복공 설비를 설치하지만, 본 발명에 따른 굴착 모사 시험 장치(100)는 실제 복공 설비와 유사한 유연비(flexibility ratio)를 갖는 다수의 세그먼트를 미리 헤더(120)의 후방에 장착하여 둔 상태로 굴진을 계속할 수 있다. 이에 의해, 모사 장치에 따른 시험의 효율을 보다 향상시킨다.

본 발명에 따른 굴착 모사 시험 장치(100)의 이동 몸체(110-160)가 축소모형지반(10)을 굴착하면서 전진하는 동안에, 이동 몸체(110-160)의 굴진 깊이를 변위 센서(193)로 실시간 측정하고, 동시에 커터 헤드(110)에 가해지는 막장 압력값을 로드셀(180)로 실시간 측정하여, 제어부(195)로 전송하여 이를 기록한다(S130).

그리고, 제어부(195)는 로드셀(180)로부터 전송된 막장 압력이 미리 정해진 값의 범위에 있는 경우에는 굴진을 계속하고, 로드셀(180)로부터 전송된 막장 압력이 미리 정해진 막장 압력에 비하여 높은 경우에는 실린더(170)에 의한 굴진 속도를 낮추고, 경우에 따라서는 커터 헤드(110)의 회전 속도도 낮추는 피드백 제어를 행한다(S140).

커터 헤드(110)의 회전 속도를 낮춤으로써, 커터 헤드(110)의 회전 토크값이 커지므로, 막장 압력에 의해 커터 헤드(110)의 회전이 중지되는 상황에 이르는 것을 자동적으로 방지할 수 있다. 마찬가지로, 실시간으로 측정되는 막장 압력값에 따라 굴진 속도를 조절함으로써, TBM에 의한 굴착이 중지되는 상태에 이르는 것을 방지할 수 있다.

제어부(195)는 굴진 시간, 굴진 깊이, 막장 압력, 스크류 컨베이어(150)의 스크류 모터(152)의 회전 속도, 컨베이어 벨트(160)의 구동 속도, 커터 헤드(110)의 회전 속도를 모두 기록한다. 이와 같이 기록된 데이터는 실제로 동일한 지반에 대하여 TBM 장치로 굴착 공사를 행하는 경우에 그대로 활용될 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은 상기와 같은 방식으로 굴착함으로써, 모사 시험 중에 막장 압력값에 의해 굴진이 중단되는 문제가 야기되지 않을 뿐만 아니라, 막장 압력이 정해진 허용 범위를 넘어서는 경우에 굴착에 문제가 발생되지 않도록 하는 각 파라미터의 데이터를 모사 장치(100)의 피드백 제어에 의해 자동적으로 얻을 수 있으므로, 실제 지반에 대해 굴착 공사를 행할 때에 조절되는 파라미터값을 시행착오의 수를 최소화하면서 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

100: 모사 시험 장치 110: 커터 헤드
120: 헤더 130: 구동 모터
140: 세그먼트 150: 스크류 컨베이어
160: 컨베이어 벨트 170: 실린더
180: 로드셀 191, 191': 첨가제 공급관
192: 뒷채움재 공급관 195: 제어부

Claims

축소모형지반을 굴착하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치에 있어서,
지반을 굴착하도록 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와;
상기 커터 헤드의 후방에 위치하고, 상기 커터 헤드와의 사이에 관통공이 형성된 격벽이 구비되어 상기 격벽의 전방에 버력이 유입되는 챔버를 형성하는 헤더와;
상기 커터 헤드의 중앙 회전축을 회전 구동하는 구동 모터와;
버력이 유입되지 못하도록 외형을 형성하고 상기 헤더의 후방에 고정된 세그먼트와;
상기 챔버로부터 상방으로 경사지게 배열되어 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 버력을 후방으로 이송하는 스크류 컨베이어와;
상기 스크류 컨베이어에 의해 이송된 버력을 후방으로 이송하고 상기 세그먼트 내에 설치된 컨베이어 벨트와;
상기 커터 헤드가 회전하는 상태로 상기 헤더를 전방 이동 구동하여, 상기 축소모형지반을 굴착하도록 굴진시키는 실린더와;
상기 실린더와 상기 헤더의 사이에서 가압되는 힘을 측정하는 로드셀과;
상기 커터 헤드의 굴진 거리를 측정하는 센서;
상기 로드셀로부터 측정된 막장 압력에 따라 상기 구동 모터의 회전 속도와, 상기 실린더의 굴진 속도를 제어하는 제어부; 및
상기 막장 압력을 상기 스크류 컨베이어에 전달시키기 위하여 소성 유동화한 굴착토를 상기 챔버 내에 충만 시키기 위해 상기 챔버에 물과 폴리머가 혼합된 첨가제를 공급하는 첨가제 공급관을 포함하며,
상기 로드셀은 상기 실린더의 플런저의 끝단에 의해 가압되는 상기 세그먼트의 가압면과 상기 헤더의 후방면의 사이에 위치하여 상기 플런저에 의해 가압되는 힘 및 굴진면으로부터 전해오는 힘을 모두 측정하며,
상기 스크류 컨베이어는 수평면에 대하여 20도 내지 40도만큼 경사지게 설치된 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 축소모형지반에 형성되는 굴착 구멍과 상기 세그먼트의 사이를 충전하는 뒷채움재를 공급하는 뒷채움재 공급관을;
더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치.
제 1항에 있어서,
상기 세그먼트는 분할된 다수의 중공 파이프가 종방향으로 서로 밀착 배열된 다수의 아크릴 관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 터널 보어링 머신의 굴착 모사 장치.