KR101498163B1

KR101498163B1 - 데이터베이스를 활용한 로드헤더에 장착되는 커팅헤드 형상의 설계방법

Info

Publication number: KR101498163B1
Application number: KR20130150117A
Authority: KR
Inventors: 장수호; 최순욱; 박영택
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-03-04

Abstract

본 발명에 따르면, 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법에 있어서, 상기 커팅헤드(100)는 커팅헤드 본체(110) 및 상기 커팅헤드 본체(110)에 관입된 복수의 픽커터(120)를 포함하되, 굴착 단면적 및 암석의 물성을 입력변수로 하여 상기 로드헤더(1)의 전체 동력을 추정하는 제1 단계(S100); 상기 전체 동력을 기초로 하여 상기 로드헤더(1)의 자중을 계산하는 제2 단계(S200); 상기 전체 동력의 범위 이내에서 상기 커팅헤드(100)의 최대 동력을 가정하는 제3 단계(S300); 상기 제3 단계에서 추정된 상기 최대 동력을 기초로 상기 커팅헤드(100)의 폭(a)과 직경(b)을 산출하는 제4 단계(S400); 및 상기 폭(a)과 직경(b)을 기초로 하여, 절삭실험을 통해 상기 픽커터(120)의 원주방향 간격(c)과 수평방향 간격(d)을 결정하는 제5 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법이 제공된다.

Description

데이터베이스를 활용한 로드헤더에 장착되는 커팅헤드 형상의 설계방법{METHOD FOR CUTTING HEAD DESIGN USING DATABASE}

본 발명은 토목 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 암반의 단면을 굴착하는 로드헤더에 장착되는 커팅헤드 형상의 설계방법에 관한 것이다.

로드헤더란 부분단면 굴착기 또는 자유단면 굴착기로 불리기도 하며, 굴착 대상이 되는 단면 형상의 큰 제약 없이 암반을 굴착할 수 있는 기계 굴착장비이다.

도심지에서 발파굴착과 개착공사의 제약으로 인하여 해외에서는 TBM(Tunnel Boring Machine)을 적용하기 어려운 터널을 중심으로 부분단면 굴착기(partial-face machine)인 로드헤더(roadheader)에 의한 기계굴착 시공사례가 증가하고 있으며 광산에서도 로드헤더의 수요가 증가하고 있다. 특히, 광산에서는 로드헤더뿐만 아니라 로드헤더의 커팅헤드(cutting head)와 구조적으로 유사한 컨티뉴어스 마이너(continuous miner) 등의 기계굴착 장비도 활용되고 있다.

로드헤더는 1930년대 초에 구 소련에서 개발된 이후로 선진국을 중심으로 전 세계적으로 터널과 광산에서 널리 활용되고 있으며, 특히 유럽의 경우에는 연장이 짧은 도심지 터널에서 많이 사용되고 있다. 미국의 경우에는 역사적으로 발파공법에 의한 암반 굴착이 주를 이루었지만, 로드헤더 기술의 발전과 사회적인 수요로 인하여 21세기 들어서 로드헤더의 사용이 급증하고 있다.

상술된 광산 기계굴착 장비인 컨티뉴어스 마이너는 커팅헤드가 장착되는 커팅 붐(boom)이 수직 방향으로만 이동이 가능하지만, 로드헤더의 커팅 붐은 수직뿐만 아니라 수평 방향으로도 이동이 가능하여 다양한 굴착 단면 형상에 대해 대응이 가능하다는 장점을 가진다.

또한, 장비의 제작기간이 짧고 장비의 이동 및 조립이 수월하며 일반적인 기계 굴착 장비에 비하여 투장비용이 적다는 장점을 가진다.

도 1에 도시된 바와 같이 로드헤더(1)는 기계본체(10) 및 회전 절삭부(20)를 포함하며, 회전 절삭부(20)는 커팅붐베이스(21), 텔레스코픽붐(22), 커터 기어 박스(23), 커팅헤드(100) 및 커플링(24)을 포함한다.

로드헤더(1)는 커팅헤드(100)를 수직 및 수평 방향으로 이동시키면서 암반을 굴착한다. 굴착으로 인해 바닥으로 떨어지는 버력은 로딩테이블과 장비 내부의 컨베이어벨트를 통해 이동된 후 다시 운반용 차량이나 체인 컨베이어를 통해 외부로 반출된다. 또한 TBM과 달리 로드헤더는 하부에 장착된 무한궤도(caterpillar)에 의해 자주식으로 이동이 가능하다.

커팅헤드(100)에 동력과 토크를 전달하는 부분은 커팅붐베이스(21)으로서, 커팅헤드 모터와 커팅헤드(100)에 동력을 전달하는 별도의 기어박스가 포함되어 있다. 초창기의 종방향 커팅헤드(100)에서는 커팅헤드 모터가 커팅헤드에 근접하게 설치되었지만, 최근에는 토크에 발생되는 붐의 반력을 방지하기 위하여 붐의 후방부에 커팅헤드 모터를 설치하는 것이 일반적이다. 또한 커팅헤드(100)와 중앙부를 연결하는 붐의 길이에 따라 굴착 단면의 규모가 달라지며, 붐의 수직 및 수평 이동은 유압실린더에 의해 조절된다.

그러나, 개별 현장에 따른 로드헤더의 설계방법에 관하여 정립된 이론이 없어, 대부분 경험칙에 의존하고 있다. 이에 따라, 현장 상황에 따른 효율적인 로드헤더의 설계 및 로드헤더의 성능을 측정하기 곤란하여 시공의 효율을 저하시키는 문제점이 있어 왔다.

본 발명은 상술된 로드헤더 설계의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로드헤더에 관한 데이터베이스, 경험칙 및 최적화된 계산식을 이용하여 각 현장 상황에 맞는 최적의 로드헤더의 설계 방법을 제시함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 각 현장 상황에 맞는 최적의 로드헤더를 설계하여, 로드헤더의 성능을 정확하게 예측함으로써, 굴착 시공의 효율 및 경제성을 높일 수 있는 로드헤더의 설계 방법을 제시함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법에 있어서, 상기 커팅헤드(100)는 커팅헤드 본체(110) 및 상기 커팅헤드 본체(110)에 관입된 복수의 픽커터(120)를 포함하되, 굴착 단면적 및 암석의 물성을 입력변수로 하여 상기 로드헤더(1)의 전체 동력을 추정하는 제1 단계(S100); 상기 전체 동력을 기초로 하여 상기 로드헤더(1)의 자중을 계산하는 제2 단계(S200); 상기 전체 동력의 범위 이내에서 상기 커팅헤드(100)의 최대 동력을 가정하는 제3 단계(S300); 상기 제3 단계에서 추정된 상기 최대 동력을 기초로 상기 커팅헤드(100)의 폭(a)과 직경(b)을 산출하는 제4 단계(S400); 및 상기 폭(a)과 직경(b)을 기초로 하여, 절삭실험을 통해 상기 픽커터(120)의 원주방향 간격(c)과 수평방향 간격(d)을 결정하는 제5 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법이 제공된다.

여기서, 상기 제5 단계(S500)는, 상기 절삭실험을 통해 상기 픽커터(120)의 절삭면에 대한 절삭각(e)과 상기 절삭면에 대한 상기 픽커터(120)의 관입깊이(f)의 결정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

또한, 상기 제5 단계에서 결정된 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 상기 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 상기 로드헤더(1)의 소요 추력, 토크 및 동력을 상기 절삭실험을 통해 산출하는 제6 단계(S600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

또한, 상기 제6 단계에서 산출된 상기 소요 추력, 토크 및 동력을 기초로 상기 커팅헤드(100)의 최대 토크 용량 및 구동 회전속도를 추정하는 제7 단계(S700);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

또한, 상기 제7 단계 이후에, 상기 로드헤더(1)의 가동율을 가정하여, 상기 로드헤더(1)의 순굴착속도, 굴진율 및 픽커터의 소모량을 산출하는 제8 단계(S800);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

또한, 상기 제5 단계에서 결정된 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 상기 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 상기 로드헤더(1)의 가동 중의 진동, 절삭 효율을 상기 절삭실험을 통해 산출하여 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)를 재조정하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

또한, 상기 암석의 물성은 일축압축강도인 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.

본 발명에 따르면 로드헤더에 관한 데이터베이스, 경험칙 및 최적화된 계산식을 이용하여 각 현장 상황에 맞는 최적의 로드헤더의 설계를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 로드헤더의 성능을 정확하게 예측함으로써, 굴착 시공의 효율 및 경제성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드헤더의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭부의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커팅헤드 및 픽커터의 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커팅헤드 형상의 설계방법에 관한 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽커터의 구성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽커터가 암반에 접촉한 상태를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽커터와 관련된 절삭각을 정의하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽커터의 최적 간격을 나타내는 도면.
도 9는 암석의 일축압축강도와 로드헤더의 전체 동력의 상관관계를 나타내는 도면.
도 10은 로드헤더의 전체 동력과 로드헤더의 자중의 상관관계를 나타내는 도면.
도 11는 커팅헤드의 최대 동력과 굴착 단면적의 상관관계를 나타내는 도면.
도 12는 커팅헤드의 최대 동력과 커팅헤드의 최대 토크 용량의 상관관계를 나타내는 도면.
도 13은 커팅헤드의 최대 동력과 커팅헤드의 폭의 상관관계를 나타내는 도면.
도 14는 커팅헤드의 최대 동력과 커팅헤드의 직경과의 상관관계를 나타내는 도면.
도 15는 커팅헤드의 최대 동력과 커팅헤드(100)의 구동 회전속도의 상관관계를 나타내는 도면.

본 발명에 따른 데이터베이스를 활용한 로드헤더에 장착되는 커팅헤드 형상의 설계방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.

또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.

로드헤더의 굴착성능은 커팅헤드(100)에 의해 결정된다. 커팅헤드에는 암반을 절삭하는 도구로서 픽커터가 다수 부착되어 있으며 커팅헤드의 회전방향에 따라 종방향 커팅헤드와 횡방향 커팅헤드로 구분된다. 종방향 커팅헤드는 붐의 방향과 커팅헤드의 중심축 방향이 일치하는 것이며, 횡방향 커팅헤드는 붐 방향과 커팅헤드의 중심축 방향이 직각을 이루는 것으로 정의된다. 일반적으로 커팅헤드의 회전과 장비 자중의 균형을 유지하는데 있어 횡방향 커팅헤드가 보다 유리하며 상대적으로 높은 강도의 암반을 굴착할 때도 횡방향 커팅헤드가 사용된다.

구체적으로 횡방향 커팅헤드에서는 암반 굴착 시에 발생하는 반력의 대부분이 굴착기의 몸체 방향으로 작용하기 때문에 안정적이며, 비균질 암반이나 경암에서도 상대적으로 굴착성능의 변화가 작다. 반면, 종방향 커팅헤드는 굴착방향과 회전방향이 같기 때문에 픽커터의 배열설계가 용이하며, 굴착속도가 상대적으로 낮기 때문에 픽커터의 소모가 상대적으로 적다. 또한 횡방향 커팅헤드의 경우에는 로드헤더의 위치에 무관하게 어느 정도의 여굴이 항상 발생하지만, 종방향 커팅헤드에서는 붐이 터널 축 방향과 유사할 때 여굴을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

커팅헤드에 의한 암반 굴착방법은 굴진면으로 전진하는 방향의 측향커트(sumping)와 커팅헤드의 회전에 의한 수평절삭(shearing, arcing 또는 slewing)으로 구분된다.

측향커트는 터널의 굴진면에 커팅헤드를 관입시키는 작업으로서, 관입깊이는 커팅헤드 직경의 50~60%이다. 커팅헤드의 관입은 텔레스코픽(telescopic) 붐에 의해 이루어진다. 횡방향 커팅헤드에 의한 측향커트 시에는 기어박스(gear box)와 커팅헤드 사이의 거리를 고려하여 관입깊이를 결정하는 것이 중요하다.

수평절삭은 일정 깊이까지의 측향커트가 완료된 후 상하 또는 좌우 방향으로 굴진면을 절삭하는 방식을 의미한다. 커팅헤드를 상하로 이동(주로 상부에서 하부 방향으로)시켜 절삭하는 방식을 하향전단(shearing down)이라고 하며 장비 자중을 보다 효과적으로 활용하기 때문에 경암 굴착 시에 효과적이다. 이와 달리, 커팅헤드를 좌?우로 이동하는 방식을 아킹(arcing) 또는 슬루잉(slewing)이라고 한다.

측향커트와 수평절삭이 완료된 후에 정확한 터널 단면을 굴착할 필요가 있을 경우에는 프로파일링(profiling)을 실시한다.

로드헤더(1)에서 암반을 절삭하는데 사용되는 도구인 픽커터(120)는 텅스텐 카바이드 삽입재(121), 두부(122), 샤프트(123) 및 고정부(124)를 포함한다(도 5).

텅스텐 카바이드 삽입재(121)는 암석과 접촉되는 부위이므로 매우 높은 수준의 내마모성 재료로 형성될 것이 요구된다.

픽커터(120)는 커터박스(125)에 삽입되어 커팅헤드(100)에 고정된다. 픽커터(120)의 두부(122)와 샤프트(123)는 열처리 강재로 만들어지며 텅스텐 카바이드 삽입재(121)를 지지하고 고정부(124)가 삽입되는 커터박스(125)를 보호하는 역할도 한다. 또한 커터 박스는 암반을 절삭하는 방식을 좌우하는 픽커터의 위치를 결정하며 커팅헤드에 용접된다. 커터 박스는 특수 열처리강으로 제작되며 적용분야에 따라 교환이 가능한 내마모성 슬리브가 삽입될 수 있다(도 5, 도 6).

강도가 약한 암반에는 두부가 좁은 형태의 픽커터를 사용하여 관입 성능을 높이는 반면, 경암에서는 큰 충격에 대한 저항성과 내구성을 확보할 수 있도록 두부와 삽입재의 폭이 넓은 픽커터를 사용한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법은 기본적으로, 굴착 단면적 및 암석의 물성을 입력변수로 하여 로드헤더(1)의 전체 동력을 추정하는 제1 단계(S100), 전체 동력을 기초로 하여 로드헤더(1)의 자중을 계산하는 제2 단계(S200), 전체 동력의 범위 이내에서 커팅헤드(100)의 최대 동력을 가정하는 제3 단계(S300), 제3 단계에서 추정된 최대 동력을 기초로 커팅헤드(100)의 폭(a)과 직경(b)을 산출하는 제4 단계(S400), 폭(a)과 직경(b)을 기초로 하여, 절삭실험을 통해 픽커터(120)의 원주방향 간격(c)과 수평방향 간격(d)을 결정하는 제5 단계(S500), 제5 단계에서 결정된 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 로드헤더(1)의 소요 추력, 토크 및 동력을 절삭실험을 통해 산출하는 제6 단계(S600), 제6 단계에서 산출된 소요 추력, 토크 및 동력을 기초로 커팅헤드(100)의 최대 토크 용량 및 구동 회전속도를 추정하는 제7 단계(S700), 로드헤더(1)의 가동율을 가정하여, 로드헤더(1)의 순굴착속도, 굴진율 및 픽커터의 소모량을 산출하는 제8 단계(S800)를 포함할 수 있다(도 4).

여기서 제5 단계(S500)는, 절삭실험을 통해 픽커터(120)의 절삭면에 대한 절삭각(e)과 절삭면에 대한 픽커터(120)의 관입깊이(f)의 결정을 더 포함할 수 있다(도 8).

본 발명의 실시예에서의 절삭실험이란, 실제 현장 상황이 모사된 실험체를 대상으로 절삭을 수행하는 시험의 개념으로 사용하기로 한다.

제1 단계(S100)에서의 암석의 물성은 일축압축강도인 것이 바람직하다.

제1 단계(S100)에서의 로드헤더(1)의 전체 동력은 도 9의 그래프에 따라 구하여 질 수 있다.

제2 단계(S200)에서의 로드헤더(1)의 자중은 도 10의 그래프에 따라 구하여질 수 있다.

제3 단계(S300)에서의 커팅헤드(100)의 최대 동력의 가정은 도 11의 그래프에 따라 구하여 질 수 있다.

제4 단계(S400)에서의 커팅헤드(100) 폭(a)은 도 13의 그래프에 따라 구하여 질 수 있다.

제4 단계(S400)에서의 커팅헤드(100) 직경(b)은 도 14의 그래프에 따라 구하여 질 수 있다.

제7 단계(S700)에서의 커팅헤드(100)의 최대 토크 용량은 도 12의 그래프에 따라 구하여질 수 있다.

제7 단계(S700)에서의 커팅헤드(100)의 구동 회전속도는 도 15의 그래프에 따라 구하여질 수 있다.

명시되지 않은 커팅헤드(100)의 형상에 관한 수치는 경험칙 또는 절삭시험에 의하여 구하여질 수 있다.

또한, 제5 단계에서 결정된 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 로드헤더(1)의 가동 중의 진동, 절삭 효율을 절삭실험을 통해 산출하여 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)를 재조정하는 재조정 단계가 더 포함되는 것도 가능하다.

여기서, 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d)을 커팅헤드(100)의 전개도(도 3(b))를 참조하여 설명하면, 폭(a)은 커팅헤드(100)의 길이를 의미하고, 직경(b)은 커팅헤드(100)의 원주길이(D)를 파이로 나눈 값을 의미한다.

원주방향 간격(c)은 커팅헤드(100)의 전개도(도 3(b))에서 이웃하는 픽커터(120)의 가로방향 간격을 의미하며, 수평방향 간격(d)은 커팅헤드(100)의 전개도(도 3(b))에서 이웃하는 픽커터(120)의 세로방향 간격을 의미한다.

절삭각(e)은 절삭면에 대한 픽커터(120)의 세로방향 축이 이루는 각도를 의미하며(도 7), 픽커터(120)는 일정한 깊이(f)만큼 암반 내로 관입되어 절삭하게 되며, 본 발명의 실시예에서는 이를 관입깊이(f)로 정의한다(도 8).

절삭작업이 수행되는 과정에서 픽커터의 선단에는 연직력(normal force), 절삭력(cutting force 또는 drag force) 및 암반과의 마찰에 의한 구동력(driving force)이 발생하게 된다(도 6). 이상과 같은 커터 작용력으로부터 대상 암반을 굴착하기 위해 필요한 로드헤더(1)의 소요 추력, 토크 및 동력을 구할 수 있으며, 커팅헤드의 배열 설계 후에 커팅헤드(100)의 회전에 따른 추력 및 토크의 변동을 파악하여 커팅헤드의 배열 설계가 균형 있게 이루어졌는지를 조사하게 된다.

픽커터(120)가 암반면과 이루는 절삭각(e)은 픽커터 작용력 성분의 합력 방향과 절삭력이 이루는 각도와 동일하게, 즉 픽커터의 방향이 합력 방향과 평행하도록 설계되어야 한다(도 7).

커팅헤드의 배열 설계에 있어서 가장 중요한 사항은 픽커터의 간격을 설정하는 것으로서, 픽커터의 간격은 원주방향 간격(c)과 수평방향 간격(d)을 포함한다.

픽커터의 간격은 최소의 절삭 비에너지(specific energy)로 최적의 절삭 성능을 얻을 수 있는 최적의 커터 간격이 결정되어야 한다.

픽커터 간격은 절삭실험(Linear Cutting Machine)과 같은 시험이나 현장자료에 기반한 데이터베이스 등을 활용하여 결정될 수 있다.

즉, 픽커터 간격과 관입깊이(f)를 달리하면서 암석의 절삭실험을 수행한 후, 도 8의 경우와 같이 절삭 비에너지(cutting specific energy)가 최소가 되는 조건을 최적 절삭조건으로 구한다. 즉, 절삭에너지가 최소가 되는 픽커터 간격과 관입깊이의 비율 도출한 후, 굴착공사에 적용할 커터 관입깊이(f)를 결정하면 결정된 관입깊이(f)에 따른 최적의 굴착효율을 가지는 픽커터 간격을 상기 비율로부터 구하는 것도 가능하다.

픽커터의 간격이 결정되어 있는 경우에는 픽커터 간격과 커터 관입깊이(f)의 비율로부터 굴착 대상 암반 조건에 적합한 커팅헤드 1회전당 픽커터(120)의 관입깊이(f)와 그에 따른 굴착속도(굴진율)를 산정하는 것이 가능하다.

설계 단계에서 로드헤더의 굴착성능(excavation performance 또는 cutting performance)을 예측하는 방법으로는 앞서 설명한 LCM 등을 이용한 절삭실험 또는 다양한 예측식을 활용하는 방법으로 크게 구분할 수 있다.

로드헤더의 굴착성능을 평가하기 위해 제시된 대부분의 예측식들에서는 암석의 일축압축강도(uniaxial compressive strength)가 가장 중요하게 활용되고 있다. 압축강도 이외에도 굴착 저항성을 나타낼 수 있는 암석의 다양한 물성이나 지표가 활용될 수 있으나, 압축강도를 활용하는 것이 효용성과 용이성 측면에서 유리하므로 주로 압축강도를 기반으로 한 예측식들이 제시되고 있다. 단, 앞서 살펴본 바와 같이 로드헤더의 굴착성능은 로드헤더의 용량, 특히, 동력과 자중 등에 큰 영향을 받기 때문에, 굴착성능을 예측하는데 있어 암석의 일축압축강도와 함께 로드헤더의 기계적인 용량을 함께 고려하는 것이 일반적이다.

암석의 일축압축강도를 기반으로 로드헤더의 굴착속도를 예측하기 위한 제시한 식들을 정리하면 각각 다음의 식 (1)~(3)과 같다. 여기서 식 (2)~(3)은 RQD가 55인 암반을 기준으로 하여 RQD에 따라 굴착속도를 보정하는 개념이다. 연구자들마다. 사용하는 굴착속도에 대한 용어가 다소 상이하긴 하나 식 (1)~(3)의 NCR(Net Cutting Rate)과 ICR(Instantaneous Cutting Rate)은 모두 동일하게 로드헤더의 순굴착속도를 의미한다.

(식 1)

(식 2)

(WHEN RQD = 55)

(식 3)

(WHEN RQD ≠ 55)

여기서 과 은 모두 로드헤더의 순굴착속도(단위: ㎥/hr)를 의미하며, 는 암석의 일축압축강도(단위: MPa) 그리고 는 암질지수(Rock Quality Designation)이다.

로드헤더의 순굴착속도, 동력, 픽커터의 소모율 등에 대한 현장 및 실험 데이터를 수집하면 다음과 같은 관계식들이 제시될 수 있다.

(식 4)

(식 5)

여기서 는 픽커터에 작용하는 절삭력으로부터 계산되는 절삭 비에너지(단위: MJ/㎥), 는 콘 인덴터 지수(Cone Indenter index), 는 암석의 일축압축강도(단위: MPa), 는 암석의 쇼어경도, 는 픽커터의 마모율(Cutting Wear, 단위: mg/m), 는 시멘테이션 계수(Cementation Coefficient) 그리고 는 석영 함유량(단위: %)이다.

절삭 비에너지 , 커팅헤드 동력 및 로드헤더의 순굴착속도 사이의 상관관계를 다음과 같이 제시될 수 있다.

(식 6)

여기서 은 순굴착속도(단위: ㎥/hr), 는 커팅헤드의 동력(단위: kW), 는 절삭 비에너지(단위: kW·hr/㎥) 그리고 는 기계효율을 나타내는 계수로서 일반적으로 0.6~0.8이다.

이상과 같이 로드헤더의 순굴착속도( 또는 )를 예측할 수 있으면, TBM의 굴진율 산정 과정과 동일하게 다음의 식 (7)~(8)과 같이 1시간당 로드헤더의 관입깊이를 의미하는 순관입속도(instantaneous penetration rate)를 구한 후 로드헤더의 가동율(utilization)과 작업시간을 고려하여 로드헤더의 굴진율(advance rate)을 산출할 수 있다.

(식 7)

(식 8)

여기서 은 로드헤더의 순관입속도(단위: m/hr), 는 굴착 단면적(단위: ㎡), 은 로드헤더의 굴진율(단위: m/day), 는 로드헤더의 가동율(단위: %) 그리고 는 로드헤더의 1일 작업시간(단위: hr/day)이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법의 수행에 있어 필요한 계산식을 정리하면 이하와 같다.

입력자료	계산식	도출 자료
A : 터널의 단면적(㎡) USC : 암석의 일축 압축 강도(MPa)	또는	전체 동력(Kw)
a : 전체 동력 (kw)		로드헤더의 자중(ton)
a : 전체 동력 (kw)		커팅헤드 본체의 폭(mm)
a : 전체 동력 (kw)		커팅헤드 본체의 직경
USC : 암석의 일축 압축 강도(MPa)		순굴착 속도(㎥/h)
ICR : 순굴착속도 A : 터널 단면적(㎡)		로드헤더의 순관입속도(m/h)
U : 로드헤더 가동률(%) Tw : 로드헤더의 1일 작업시간(hr/day)		로드헤더의 굴진율
UCS : 암석의 일축 압축 강도(MPa)	1. 석영함유량이 80 % 일때 2. 석영함유량이 60 % 일때 3. 석영함유량이 30 % 일때 4. 석영함유량이 0 % 일때	픽커터의 소모량

본 발명의 일 실시예에 따른 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

1 : 로드헤더
100 : 커팅헤드
110 : 커팅헤드 본체
120 : 픽커터

Claims

로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법에 있어서,
상기 커팅헤드(100)는 커팅헤드 본체(110) 및 상기 커팅헤드 본체(110)에 관입된 복수의 픽커터(120)를 포함하되,
굴착 단면적 및 암석의 물성을 입력변수로 하여 상기 로드헤더(1)의 전체 동력을 추정하는 제1 단계(S100);
상기 전체 동력을 기초로 하여 상기 로드헤더(1)의 자중을 계산하는 제2 단계(S200);
상기 전체 동력의 범위 이내에서 상기 커팅헤드(100)의 최대 동력을 가정하는 제3 단계(S300);
상기 제3 단계에서 추정된 상기 최대 동력을 기초로 상기 커팅헤드(100)의 폭(a)과 직경(b)을 산출하는 제4 단계(S400); 및
상기 폭(a)과 직경(b)을 기초로 하여, 절삭실험을 통해 상기 픽커터(120)의 원주방향 간격(c)과 수평방향 간격(d)을 결정하는 제5 단계(S500);를 포함하되,
상기 제1 단계(S100)의 상기 로드헤더(1)의 전체 동력을 추정하는 제1 단계(S100)는 이하의 [식 9]에 의하며,
상기 제2 단계(S200)의 상기 로드헤더(1)의 자중의 계산은 이하의 [식 10]에 의하며,
상기 제4 단계(S400)의 상기 커팅헤드(100)의 폭(a)과 직경(b)은 이하의 [식 11]에 의하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.

[식 9]

또는

여기서,
A : 터널의 단면적(㎡)
UCS : 암석의 일축 압축 강도(MPa)

[식 10]

[식 11]
제1항에 있어서,
상기 제5 단계(S500)는,
상기 절삭실험을 통해 상기 픽커터(120)의 절삭면에 대한 절삭각(e)과 상기 절삭면에 대한 상기 픽커터(120)의 관입깊이(f)의 결정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제2항에 있어서,
상기 제5 단계에서 결정된 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 상기 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 상기 로드헤더(1)의 소요 추력, 토크 및 동력을 상기 절삭실험을 통해 산출하는 제6 단계(S600);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제3항에 있어서,
상기 제6 단계에서 산출된 상기 소요 추력, 토크 및 동력을 기초로 상기 커팅헤드(100)의 최대 토크 용량 및 구동 회전속도를 추정하는 제7 단계(S700);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제4항에 있어서,
상기 제7 단계 이후에,
상기 로드헤더(1)의 가동율을 가정하여, 상기 로드헤더(1)의 순굴착속도, 굴진율 및 픽커터의 소모량을 산출하는 제8 단계(S800);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제5항에 있어서,
상기 제5 단계에서 결정된 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)가 반영된 상기 커팅헤드(100)의 형상을 가지는 상기 로드헤더(1)의 가동 중의 진동, 절삭 효율을 상기 절삭실험을 통해 산출하여 상기 폭(a), 직경(b), 원주방향 간격(c), 수평방향 간격(d), 절삭각(e) 및 관입깊이(f)를 재조정하는 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 암석의 물성은 일축압축강도인 것을 특징으로 하는 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 로드헤더(1)에 장착되는 커팅헤드(100) 형상의 설계방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.