KR102194811B1 - Methods for testing cutting performance of TBM and rock cutting tool for composite ground - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TBM 디스크 커터 또는 암반 절삭공구가 복합지반을 절삭할 때 받는 편향력을 측정하기 위한 시험 방법을 개시한다. 아울러, 본 발명은 이러한 시험에 이용되는 시편의 제작 방법도 개시한다. The present invention discloses a test method for measuring a deflection force received when a TBM disk cutter or a rock cutting tool cuts a composite ground. In addition, the present invention also discloses a method of manufacturing a specimen used in this test.

Description

TBM 및 암반 절삭공구의 복합지반 절삭성능 시험방법{Methods for testing cutting performance of TBM and rock cutting tool for composite ground}[Methods for testing cutting performance of TBM and rock cutting tool for composite ground}

본 발명은 TBM 디스크 커터와 같은 암반 절삭공구의 복합지반 절삭성능 시험방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 암반 절삭공구가 복합 지반을 절삭할 때 받는 편향력을 측정하기 위한 시험 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method for testing composite ground cutting performance of a rock cutting tool such as a TBM disk cutter, and more specifically, to a test method for measuring a deflection force received when the rock cutting tool cuts the composite ground.

아울러, 본 발명은 이러한 시험에 이용되는 시편의 제작 방법도 포함한다.In addition, the present invention also includes a method of manufacturing a specimen used in this test.

일반적으로, TBM(Tunnel Boring Machine)은 다수의 디스크 커터를 장착한 커터 헤드를 회전시켜 암반을 압쇄하여 굴진하는 장비이다. In general, TBM (Tunnel Boring Machine) is an equipment that crushes rock and excavates by rotating a cutter head equipped with a plurality of disk cutters.

TBM이 균일한 암반을 굴착할 때는 디스크 커터가 균일하게 마모되지만 2개 이상의 서로 다른 지층으로 이루어진 복합 지반을 굴착할 때는 지층 경계면(층리면)에서 순간적인 비틀림(distortion, 편향력)이 지속적으로 발생된다는 문제점이 있다. When TBM excavates even rock mass, the disk cutter wears uniformly, but when excavating a composite ground consisting of two or more different strata, it is said that instantaneous distortion (distortion) is continuously generated at the strata boundary (stratified surface). There is a problem.

이러한 비틀림 응력이 누적되면 디스크 커터와 커터 박스에도 비틀림 변형이 발생되고, 이 비틀림 변형은 커터 바이스의 얼라인먼트를 훼손하여 디스크 커터의 회전을 방해하고 회전 저항을 증가시켜 결과적으로 디스크 커터의 편마모를 유발한다.When such torsional stress is accumulated, torsional deformation occurs in the disk cutter and cutter box, and this torsional deformation impairs the alignment of the cutter vise, obstructing the rotation of the disk cutter and increasing the rotational resistance, resulting in uneven wear of the disk cutter. .

도 1(a)는 균일한 마모가 이루어진 디스크 커터를 보여주고, 도 1(b)는 편마모가 이루어진 디스크 커터를 보여준다. 디스크 커터의 편마모가 발생되면 커터 링의 마모가 빨리 진행되므로 교환 주기가 빨라지고, 이는 다운 타임을 증가시켜 공기(工期)를 지연시키는 주요 원인이 된다. Fig. 1(a) shows a disc cutter with uniform wear, and Fig. 1(b) shows a disc cutter with uneven wear. When single wear of the disk cutter occurs, the wear of the cutter ring proceeds quickly, so the replacement cycle is accelerated, which is the main cause of delaying the air by increasing downtime.

이러한 편향력에 의한 디스크 커터의 디스토션 규모와 현상은 공사 현장에서 시공 트러블을 야기하는 것으로 추정되고 있으나, 현재까지 실험 측정이나 해석적으로 연구된 바가 없다. It is estimated that the distortion scale and phenomenon of the disk cutter caused by such a deflection force causes construction problems at the construction site, but there has not been any experimental measurement or analysis to date.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, TBM 디스크 커터와 같은 암반 절삭공구가 복합 지반을 절삭할 때 발생하는 편향력(비틀림, distortion)을 측정하는 시험 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a test method for measuring deflection (torsion, distortion) generated when a rock cutting tool such as a TBM disk cutter cuts a composite ground. There is this.

구체적으로, 본 발명은 제1 절삭 각도(α, 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 지층 경계면 사이를 시계방향으로 측정한 각도)와 제2 절삭 각도(β, 디스크 커터의 굴진 방향으로 지층 경계면이 기울어진 각도)에 따라 발생하는 편향력(비틀림, distortion)을 측정하는 시험 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.Specifically, the present invention relates to a first cutting angle (α, an angle measured in a clockwise direction between an extension line in an instantaneous traveling direction of a disk cutter and a strata interface) and a second cutting angle (β, a strata boundary in the excavating direction of the disk cutter). The purpose of this study is to provide a test method for measuring deflection (torsion, distortion) caused by this tilt angle).

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 시험에 사용되는 시편의 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing a specimen used in this test.

본 발명의 제1 실시예에 따른 시험 방법은, (a1) 두 개 이상의 지층으로 이루어지는 복합지반을 모형화한 시편(1)을 준비하는 단계; (a2) 시편(1)을 고정하는 단계; 및, (a3) 선형 절삭 시험장치(100)를 이용하여 시편(1)을 절삭하되, 상기 두 지층의 경계면을 가로지르는 방향으로 절삭 공구를 이동시키면서 시편(1)을 절삭하고 절삭 공구에 발생하는 편향력을 측정하는 단계;를 포함한다. 상기 (a3) 단계는, 상기 절삭 공구의 선형 이동방향과 경계면이 이루는 각도(α)를 변화시키면서 복수 회 이루어진다. The test method according to the first embodiment of the present invention includes the steps of: (a1) preparing a specimen (1) modeling a composite ground consisting of two or more strata; (a2) fixing the specimen (1); And, (a3) cutting the specimen 1 using the linear cutting test apparatus 100, cutting the specimen 1 while moving the cutting tool in a direction crossing the interface of the two strata, and generated in the cutting tool It includes; measuring the deflection force. The step (a3) is performed a plurality of times while changing the angle α formed between the linear movement direction of the cutting tool and the interface.

상기 절삭 공구가 왕복 직선 운동을 하는 경우, 상기 각도(α)는 0°~ 90°의 범위로 설정될 수 있다. When the cutting tool performs a reciprocating linear motion, the angle α may be set in a range of 0° to 90°.

상기 절삭 공구가 왕복 직선 운동을 하되 (a3) 단계에서 선형 절삭 이후에 시편(1)을 90° 회전시키는 경우, 상기 각도(α)는 0°~ 45°의 범위로 설정될 수 있다. When the cutting tool performs a reciprocating linear motion, but rotates the specimen 1 by 90° after linear cutting in step (a3), the angle α may be set in the range of 0° to 45°.

상기 각도(α)가 15° ~ 30°인 경우에는 시편(1)의 최초 절삭된 부분의 파편을 제거하고 고르게 정리한 후 최초 절삭 경로와 동일한 경로로 절삭 공구를 이동시켜 시험할 수 있다. 그리고, 상기 각도(α)가 45° 이상인 경우에는 최초 절삭된 부분과 소정 간격 이격된 경로로 절삭공구를 이동시키면서 시험할 수 있다. When the angle α is between 15° and 30°, the specimen 1 may be tested by removing debris from the first cut part, arranging it evenly, and moving the cutting tool in the same path as the initial cutting path. In addition, when the angle α is greater than or equal to 45°, the test may be performed while moving the cutting tool in a path spaced apart from the first cut part.

본 발명의 제2 실시예에 따른 시험 방법은, (b1) 두 개 이상의 지층으로 이루어지는 복합지반을 모형화한 시편을 준비하는 단계; (b2) 상기 시편을 회전 시험장치에 고정하는 단계; 및, (b3) 회전 시험장치를 회전시켜 시편을 회전시키면서 절삭 공구를 이용하여 시편을 절삭하되, 제1 절삭각도(α)에 따라 절삭 공구에 발생하는 편향력을 측정하는 단계;를 포함한다. 여기서, 제1 절삭각도(α)는 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 경계면 사이를 시계방향으로 측정한 각도이다. A test method according to a second embodiment of the present invention includes: (b1) preparing a specimen modeled of a composite ground consisting of two or more strata; (b2) fixing the specimen to a rotating test apparatus; And, (b3) cutting the specimen using a cutting tool while rotating the specimen by rotating the rotation test apparatus, and measuring a deflection force generated in the cutting tool according to the first cutting angle α. Here, the first cutting angle α is an angle measured in a clockwise direction between the boundary surface and the extension line in the instantaneous traveling direction of the disk cutter.

상기 시편은 강도가 서로 다른 두 부분이 경계면에서 서로 접하고, 상기 경계면은 수직을 이룬다. 그리고, 상기 (b1) 단계는 경계면의 위치가 서로 다른 복수 개의 시편을 준비하고, 상기 (b3) 단계는 경계면의 위치가 서로 다른 시편으로 시험하여 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력을 측정한다. In the specimen, two portions having different strengths are in contact with each other at an interface, and the interface is perpendicular. In addition, in step (b1), a plurality of specimens having different positions of the boundary surfaces are prepared, and in step (b3), the deflection force according to the first cutting angle (α) is measured by testing with specimens having different positions of the boundary surfaces. do.

상기 두 부분 중 어느 한쪽은 낮은 강도의 콘크리트 조성물로 만들어지고 나머지 한쪽은 높은 강도의 콘크리트 조성물로 만들어질 수 있다. One of the two parts may be made of a low strength concrete composition and the other may be made of a high strength concrete composition.

본 발명의 제3 실시예에 따른 시험 방법은, (c1) 두 개 이상의 지층으로 이루어진 복합지반을 모형화한 시편을 준비하는 단계; (c2) 상기 시편을 회전 시험장치에 고정하는 단계; 및, (c3) 회전 시험장치를 회전시켜 시편을 회전시키면서 절삭 공구를 이용하여 시편을 절삭하되, 제1,2 절삭각도(α)(β)에 따라 발생하는 절삭 공구의 편향력을 측정하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 절삭각도(α)는 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 경계면 사이를 시계방향으로 측정한 각도이고, 제2 절삭각도(β)는 절삭 공구의 굴진 방향과 상기 경계면이 이루는 각도이다. A test method according to a third embodiment of the present invention includes the steps of: (c1) preparing a specimen modeled of a composite ground consisting of two or more strata; (c2) fixing the specimen to a rotating test apparatus; And, (c3) cutting the specimen using a cutting tool while rotating the specimen by rotating the rotation test apparatus, and measuring the deflection force of the cutting tool generated according to the first and second cutting angles (α) (β). Includes; The first cutting angle α is an angle measured in a clockwise direction between the boundary surface and the extension line in the instantaneous traveling direction of the disk cutter, and the second cutting angle β is an angle formed between the excavation direction of the cutting tool and the boundary surface. .

상기 시편은 경사진 지층 경계면에 의해 두 부분으로 나누어지고, 상기 두 부분 중 한쪽 부분은 나머지 부분에 비해 약한 강도를 갖는다. The specimen is divided into two parts by an inclined strata interface, and one of the two parts has weaker strength than the other part.

상기 회전 시험장치는, 구동모터(210); 구동모터(210)에 의해서 회전되는 회전축(212); 회전축(212)에 의해서 회전되고, 시편을 고정하는 시편 고정부(230); 및, 상기 절삭공구가 설치되는 공구 고정부(240);를 포함할 수 있다. The rotation test apparatus, a drive motor 210; A rotation shaft 212 rotated by the drive motor 210; A specimen fixing portion 230 that is rotated by the rotation shaft 212 and fixes the specimen; And a tool fixing part 240 on which the cutting tool is installed.

공구 고정부(240)의 위에는 편향력을 측정하기 위한 토크센서(245)와 3축 로드셀(246)이 설치될 수 있다. A torque sensor 245 and a 3-axis load cell 246 for measuring a deflection force may be installed on the tool fixing part 240.

이에 대한 대안으로서, 공구 고정부(240)는, 절삭공구가 회전 가능하도록 설치되는 수평봉(241); 및, 절삭공구 양쪽의 수평봉(241)의 끝단에서 수직으로 연장된 수직봉(243);을 포함하고, 수평봉(241) 끝단과 수직봉(243) 사이의 부분에 수평봉(241) 및 수직봉(243)에 수직이 되는 방향으로 1축 로드셀(244)이 설치될 수 있다. 1축 로드셀(244)에 의해 측정된 힘과 절삭공구까지의 거리를 곱하면 편향력을 계산할 수 있다. As an alternative to this, the tool fixing part 240 includes a horizontal bar 241 installed so that the cutting tool is rotatable; And, a vertical bar 243 extending vertically from the ends of the horizontal bar 241 on both sides of the cutting tool; including, a horizontal bar 241 and a vertical bar in a portion between the end of the horizontal bar 241 and the vertical bar 243 ( A one-axis load cell 244 may be installed in a direction perpendicular to 243). The deflection force can be calculated by multiplying the force measured by the uniaxial load cell 244 by the distance to the cutting tool.

본 발명의 다른 측면인 시편 제작방법은, (d1) 거푸집(300)을 경사지게 절단하여 제1,2 거푸집(310)(320)을 만드는 단계; (d2) 제1,2 거푸집(310)(320)의 절단면(330)이 수평이 되도록 각각 설치하는 단계; 및, (d3) 제1,2 거푸집(310)(320) 중 어느 하나에는 낮은 강도의 콘크리트를 타설하여 채우고 나머지 어느 하나에는 높은 강도의 콘크리트를 타설하는 채우는 단계;를 포함한다. Another aspect of the present invention, a method for producing a specimen, includes the steps of: (d1) cutting the formwork 300 at an angle to make the first and second formwork 310 and 320; (d2) installing each of the first and second formwork 310 and 320 so that the cut surfaces 330 are horizontal; And, (d3) filling one of the first and second formwork 310 and 320 by pouring low-strength concrete and pouring high-strength concrete to the other.

상기 (d3) 단계 이후에, 제1,2 거푸집(310)(320)을 탈형하여 제거한 후, 제1 거푸집(310)에서 만들어진 제1 시편부와 제2 거푸집(320)에서 만들어진 제2 시편부를 서로 접하도록 하여 시편 고정부(230)에 설치할 수 있다. After the step (d3), the first and second formwork 310 and 320 are removed by demolding, and then the first specimen part made from the first formwork 310 and the second specimen part made from the second formwork 320 In contact with each other, it can be installed on the specimen fixing part 230.

상기 (d1) 단계에서 거푸집(300)의 절단 각도는 제2 절삭각도(β)이고, 제2 절삭각도(β)는 복합지반에서 두 지층의 경계면과 절삭 공구의 굴진 방향이 이루는 각도이다. In step (d1), the cutting angle of the formwork 300 is the second cutting angle β, and the second cutting angle β is the angle between the boundary surface of the two layers and the excavation direction of the cutting tool in the composite ground.

본 발명은 TBM 디스크 커터와 같은 암반 절삭공구가 복합지반을 절삭할 때 발생하는 편향력(비틀림, distortion)을 측정하는 시험 방법을 제공한다.The present invention provides a test method for measuring a deflection force (torsion, distortion) generated when a rock cutting tool such as a TBM disk cutter cuts a composite ground.

구체적으로, 본 발명에 따른 시험 방법은 제1 절삭 각도(α, 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 지층 경계면 사이의 각도를 시계방향으로 측정한 각도)와 제2 절삭 각도(β, 디스크 커터의 굴진 방향으로 지층 경계면이 기울어진 각도)에 따라 발생하는 편향력(비틀림, distortion)을 측정할 수 있다.Specifically, the test method according to the present invention includes a first cutting angle (α, an angle measured in a clockwise direction between an extension line in an instantaneous progress direction of a disk cutter and a strata interface) and a second cutting angle (β, disk cutter). It is possible to measure the deflection (torsion, distortion) that occurs depending on the angle at which the strata boundary is tilted in the direction of excavation of.

또한, 본 발명은 이러한 시험에 사용되는 시편의 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a specimen used in this test.

도 1(a)는 균일한 마모가 이루어진 디스크 커터를 보여주는 사진이고, 도 1(b)는 편마모가 이루어진 디스크 커터를 보여주는 사진.
도 2는 절리 또는 층리가 있는 이방성 암반의 제1 절삭 각도(α, 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 지층 경계면 사이의 각도를 시계방향으로 측정한 각도)와 제2 절삭 각도(β, 디스크 커터의 굴진 방향으로 지층 경계면이 기울어진 각도)를 보여주는 도면.
도 3은 두 개의 지층으로 이루어진 복합 지반에서 디스크 커터의 제1 절삭 각도를 보여주는 도면.
도 4는 터널의 중심을 통과하는 수평선과 지층 경계면 사이의 거리(A)와 터널 반경(R)의 비(A/R)에 따른 편향력(distortion, torque stress)을 보여주는 그래프.
도 5는 선형 절삭 시험장치의 구성을 보여주는 정면도.
도 6은 복합 지반을 나타내는 시편과, 시편을 절삭하는 디스크 커터를 보여주는 도면.
도 7은 시편을 절삭하는 디스크 커터의 진행 방향과 지층 경계면이 이루는 각도(α, 제1 절삭각도)를 보여주는 도면.
도 8은 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력(편향 모멘트)을 보여주는 그래프.
도 9는 도 7의 시편을 반시계 방향으로 90° 회전한 것을 보여주는 도면.
도 10은 제1 절삭각도(α)가 15°~30°일 때의 절삭 시험 방법을 보여주는 도면.
도 11은 제1 절삭각도(α)가 45° 이상일 때의 절삭 시험 방법을 보여주는 도면.
도 12는 수직축 회전방식을 갖는 시험장치의 일 예를 보여주는 도면.
도 13은 도 12의 시험장치에서 편향력을 측정하기 위한 토크센서를 보여주는 도면.
도 14는 도 12의 시험장치에서 편향력을 측정하기 위한 1축 로드셀을 보여주는 도면.
도 15는 복합 지반을 나타내는 원통형 시편을 보여주는 사시도.
도 16은 도 15의 시편에서 암반 절삭공구(디스크 커터 등)의 제1 절삭각도(α)를 보여주는 도면.
도 17은 A/R과 제1 절삭각도(α)의 관계를 보여주는 그래프.
도 18a는 제1,2 절삭각도(α)(β)가 디스크 커터의 편향력에 주는 영향을 알아보기 위한 시편을 보여주는 사시도.
도 18b는 도 18a의 시편을 보여주는 종단면도.
도 19a는 도 18a의 ① 단면도.
도 19b는 도 18a의 ② 단면도.
도 19c는 도 18a의 ③ 단면도.
도 20은 A/R과 제1 절삭각도(α)의 관계를 보여주는 그래프.
도 21은 도 18a의 시편을 제작하기 위하여 원통형 거푸집을 절단하는 것을 보여주는 도면.
도 22는 도 21의 원통형 거푸집이 절단되어 만들어진 반쪽 거푸집이 받침대에 설치된 것을 보여주는 도면.
1(a) is a photograph showing a disk cutter with uniform wear, and FIG. 1(b) is a photograph showing a disk cutter with uneven wear.
2 shows a first cutting angle (α, an angle measured in a clockwise direction between an extension line in an instantaneous progress direction of a disk cutter and a strata interface) and a second cutting angle (β, disk) of a joint or stratified anisotropic rock mass. A drawing showing the angle at which the strata boundary is inclined in the direction of the cutter's excavation.
3 is a view showing a first cutting angle of a disk cutter in a composite ground consisting of two layers.
FIG. 4 is a graph showing a distortion (torque stress) according to a ratio (A/R) of a distance A and a tunnel radius R between a horizontal line passing through the center of a tunnel and a strata interface.
5 is a front view showing the configuration of a linear cutting test apparatus.
6 is a view showing a specimen representing a composite ground and a disk cutter for cutting the specimen.
7 is a view showing an angle (α, a first cutting angle) formed between a moving direction of a disk cutter cutting a specimen and a strata interface.
8 is a graph showing a deflection force (deflection moment) according to a first cutting angle α.
9 is a view showing that the specimen of FIG. 7 is rotated by 90° in a counterclockwise direction.
10 is a view showing a cutting test method when the first cutting angle α is 15° to 30°.
11 is a view showing a cutting test method when the first cutting angle α is 45° or more.
12 is a view showing an example of a test apparatus having a vertical axis rotation method.
13 is a view showing a torque sensor for measuring a deflection force in the test apparatus of FIG. 12;
14 is a view showing a uniaxial load cell for measuring a deflection force in the test apparatus of FIG. 12;
15 is a perspective view showing a cylindrical specimen showing a composite ground.
16 is a view showing a first cutting angle α of a rock cutting tool (disk cutter, etc.) in the specimen of FIG. 15;
17 is a graph showing the relationship between A/R and a first cutting angle α.
18A is a perspective view showing a specimen for examining the effect of the first and second cutting angles α and β on the deflection force of the disk cutter.
18B is a longitudinal sectional view showing the specimen of FIG. 18A.
Fig. 19A is a cross-sectional view of Fig. 18A.
Figure 19b is a cross-sectional view of Figure 18a ②.
Fig. 19C is a sectional view taken by ③ of Fig. 18A.
20 is a graph showing the relationship between A/R and a first cutting angle α.
Fig. 21 is a view showing cutting a cylindrical formwork to fabricate the specimen of Fig. 18a.
Fig. 22 is a view showing that a half formwork made by cutting the cylindrical formwork of Fig. 21 is installed on a pedestal.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors appropriately explain the concept of terms in order to explain their own invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only examples of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and various equivalents that can replace them at the time of application And it should be understood that there may be variations.

한편, 아래에서는 두 개의 지층으로 이루어진 복합지반에 본 발명을 적용하는 것을 예로 들어서 설명하기로 한다. 세 개 이상의 지층으로 이루어진 복합지반에 본 발명을 적용하는 것은 본 명세서를 참조한 이 기술 분야의 통상의 기술자가 쉽게 그 구성을 알 수 있을 것이다. On the other hand, below will be described by taking as an example the application of the present invention to a composite ground consisting of two layers. Applying the present invention to a composite ground consisting of three or more strata will be readily apparent to those skilled in the art with reference to the present specification.

[이방성 각도의 정의] [Definition of anisotropic angle]

도 2는 이방성 암반(절리 또는 층리가 있는 암반)의 제1 절삭 각도(α)와 제2 절삭 각도(β)를 보여준다. FIG. 2 shows a first cutting angle α and a second cutting angle β of anisotropic rock mass (joint or stratified rock mass).

제1 절삭 각도(α)는 디스크 커터의 회전 방향(instantaneous cutting direction)과 지층 경계면이 이루는 각도로서 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 경계면 사이의 각도를 시계방향으로 측정한 각도로 정의한다. 그리고, 제2 절삭 각도(β)는 디스크 커터의 굴진 방향(z 방향)으로 지층 경계면이 기울어진 각도를 나타낸다. 아래의 제1,2 실시예는 제1 절삭 각도(α)에 따른 편향력을 측정하는 시험방법에 대한 것이고, 제3 실시예는 제1,2 절삭 각도(α)(β)에 따른 편향력을 측정하는 시험방법에 대한 것이다.The first cutting angle α is an angle formed between an instantaneous cutting direction of the disk cutter and a strata boundary, and is defined as an angle measured in a clockwise direction between an extension line and a boundary surface in the instantaneous moving direction of the disk cutter. In addition, the second cutting angle β represents the angle at which the strata boundary is inclined in the excavation direction (z direction) of the disk cutter. The first and second embodiments below are for a test method for measuring the deflection force according to the first cutting angle α, and the third exemplary embodiment is the deflection force according to the first and second cutting angles α and β. It is about a test method for measuring.

[편향 모멘트][Deflection moment]

도 3은 두 개의 지층으로 이루어진 복합 지반에서 디스크 커터의 제1 절삭 각도를 보여준다. 그리고, 도 4는 터널의 중심을 통과하는 수평선과 지층 경계면 사이의 거리(A)와 터널 반경(R)의 비(A/R)에 따른 편향력(distortion, torque stress)을 보여주는 그래프이다.3 shows a first cutting angle of a disk cutter in a composite ground consisting of two layers. In addition, FIG. 4 is a graph showing a distortion, torque stress according to a ratio (A/R) of a distance A and a tunnel radius R between a horizontal line passing through the center of a tunnel and a strata interface.

설명의 편의상, 지층이 두 개의 암반으로 이루어지되, 지층 경계면의 아래 지층을 경암층이라 하고 지층 경계면 위의 지층을 연암층이라 가정하기로 한다. 그런데, 지층 경계면이 터널 막장면의 어느 높이에 위치하느냐에 따라 제1 절삭 각도(α)와 편향력이 달라진다. 예를 들어, 터널의 반경을 R이라고 하고 터널 중심을 통과하는 수평선과 지층 경계면 사이의 거리를 A라고 할 때, 비(A/R)가 증가할수록 최외곽 디스크 커터(게이지 디스크 커터)의 제1 절삭 각도(α)가 증가하고 이에 따라 디스크 커터에 작용하는 편향 모멘트(distortion)도 커지다가 대략 A/R=0.8부터 감소해서 A/R=1.0일 때 거의 0에 근접한다. For convenience of explanation, it is assumed that the stratum consists of two rock masses, and the stratum below the stratum boundary is called the hard rock layer and the stratum above the stratum boundary is the soft rock layer. However, the first cutting angle α and the deflection force vary depending on the height at which the stratum boundary is located on the tunnel face. For example, if the radius of the tunnel is R and the distance between the horizontal line passing through the center of the tunnel and the strata boundary is A, the first of the outermost disk cutter (gauge disk cutter) increases as the ratio (A/R) increases. The cutting angle α increases, and accordingly, the distortion moment acting on the disk cutter increases, and then decreases from approximately A/R=0.8 to near zero when A/R=1.0.

그리고, 도 3에 나타난 바와 같이, TBM이 반시계 방향으로 회전할 때 지층 경계면이 터널 중심 보다 위에 위치하면 디스크 커터가 연암층에 진입할 때 시계 방향으로 순간적인 디스토션이 지속적으로 발생하게 된다. 한편, TBM이 반시계 방향으로 회전할 때 지층 경계면이 터널 중심 보다 아래에 위치하면 디스크 커터가 연암층에 진입할 때 반시계 방향으로 순간적인 디스토션이 지속적으로 발생하게 된다. 즉, 지층 경계면이 터널 중심보다 위에 있으면 시계 방향으로 편향 모멘트가 발생하고 터널 중심보다 아래에 있으면 반시계 방향으로 편향 모멘트가 발생하게 된다. In addition, as shown in FIG. 3, when the stratum boundary is located above the center of the tunnel when the TBM rotates in a counterclockwise direction, an instantaneous distortion continuously occurs in the clockwise direction when the disk cutter enters the soft rock layer. On the other hand, when the TBM rotates counterclockwise, if the strata boundary is located below the center of the tunnel, when the disk cutter enters the soft rock layer, instantaneous distortion continues to occur in the counterclockwise direction. That is, if the strata boundary is above the center of the tunnel, a deflection moment occurs in the clockwise direction, and if it is below the center of the tunnel, a deflection moment occurs in a counterclockwise direction.

이러한 비대칭적 응력이 누적되면 디스크 커터와 커터 박스에도 비틀림 변형이 야기된다. 이 비틀림 변형은 커터 바이스의 얼라인먼트를 훼손하여 디스크 커터의 회전을 방해하고, 회전저항을 증가시켜 결과적으로 커터의 편마모를 야기한다. 커터의 편마모가 발생하면 커터 링의 마모가 빨리 진행되므로 교환주기도 빨라진다. 이는 다운타임을 증가시켜 공기를 지연시키는 주요 원인이 된다.When such asymmetrical stress is accumulated, torsional deformation is also caused in the disk cutter and the cutter box. This torsional deformation impairs the alignment of the cutter vise, hinders rotation of the disk cutter, increases rotational resistance, and consequently causes uneven wear of the cutter. If the cutter's single wear occurs, the cutter ring wears quickly, so the replacement cycle is fast. This is a major cause of delays by increasing downtime.

[디스크 커터의 수직력, 회전력 및 측력의 범위][Range of vertical force, rotational force and side force of disk cutter]

디스크 커터와 같은 회전식 대형공구류의 회전력(절삭력)은 수직력의 10~20% 정도이다. 17인치의 경우, 수직력은 2~30톤, 회전력은 0.2~5톤의 범위를 가진다. 반면, 본 발명에 따른 소형 마모시험기의 최대 가압하중은 2~3톤의 범위이다. 따라서 4~5인치 이하의 디스크 커터의 시험용으로만 사용할 수 있다. 현재 디스크 커터의 주종은 15~21인치의 규모이기 때문에 대형 공구류의 마모시험으로는 용량이 부족하다. The rotational force (cutting force) of large rotary tools such as disk cutters is about 10-20% of the normal force. For 17 inches, the vertical force ranges from 2 to 30 tons, and the rotational force ranges from 0.2 to 5 tons. On the other hand, the maximum pressure load of the small wear tester according to the present invention is in the range of 2 to 3 tons. Therefore, it can only be used for testing disc cutters of 4 to 5 inches or less. Currently, the main type of disk cutter is 15 to 21 inches, so the capacity is insufficient for the wear test of large tools.

따라서 축소모형시험의 개념으로 접근해야 한다. 17인치(432 mm) 디스크 커터의 최대 용량이 50톤이므로, 17인치를 기준으로 했을 때, 1/20 정도로 가용 용량을 축소해야 마모시험이 가능하다.Therefore, it should be approached with the concept of a reduced model test. Since the maximum capacity of the 17-inch (432 mm) disk cutter is 50 tons, the wear test is possible only when the usable capacity is reduced to about 1/20 based on 17 inches.

한편, 일반적인 등방성 암반 절삭조건에서 디스크 커터의 측력(측방향으로 작용하는 힘)은 통상 수직력의 1~5% 내외로 측정된다. 그래서 평소에는 디스크 커터와 바인더 어셈블리에 측력이 미치는 영향을 무시할 수 있다. 하지만, 이방성 암반이나 복합지반을 굴진할 때에는 절리와 층리 경계면을 지날 때 측력이 수직력의 10~20%이상 작용할 수 있다. 이 측력은, 상술한 바와 같이, 특정 회전방향으로 지속적인 디스토션을 받기 때문에 디스크 커터의 회전축이 편향되어 결과적으로 디스크가 회전되지 않는 문제를 야기한다. 회전이 잘 되는 디스크 커터는 커터 링 부분에만 일정한 마모가 발생하지만 회전이 되지 않는 디스크 커터는 편마모가 발생하는데, 이는 TBM 토크를 상승시켜 컷팅 효율을 저하시키고, 커터 수명을 단축시켜 다운타임을 증가시키는 등 TBM 운영에 매우 좋지 않은 영향을 미친다.On the other hand, in general isotropic rock cutting conditions, the lateral force (force acting in the lateral direction) of the disk cutter is usually measured within 1 to 5% of the normal force. So, you can usually ignore the influence of lateral forces on the disk cutter and binder assembly. However, when excavating anisotropic rock or composite ground, the lateral force may act more than 10-20% of the normal force when crossing the boundary between the joint and the bed. This lateral force, as described above, causes a problem in that the rotational axis of the disk cutter is deflected because it receives continuous distortion in a specific rotational direction, and as a result, the disk is not rotated. A disk cutter that rotates well causes constant wear only on the cutter ring, but a disk cutter that does not rotate causes uneven wear, which increases the TBM torque to decrease the cutting efficiency and shortens the cutter life to increase downtime. Has a very bad effect on TBM operation.

[제1 실시예][First embodiment]

도 5는 선형 절삭 시험장치의 구성을 보여주는 정면도이다. 그리고, 도 6은 복합 지반을 나타내는 시편과 디스크 커터를 보여주는 도면이다. 5 is a front view showing the configuration of a linear cutting test apparatus. And, Figure 6 is a view showing a specimen and a disk cutter showing the composite ground.

도면에 나타난 바와 같이, 선형 절삭 시험장치(100)는 디스크 커터(10)와, 디스크 커터(10)를 z 방향으로 이동시키는 제1 유닛과, 시편(10)을 x 방향으로 이동시키는 제2 유닛과, 시편(10)을 y 방향으로 이동시키는 제3 유닛을 포함한다. As shown in the figure, the linear cutting test apparatus 100 includes a disk cutter 10, a first unit for moving the disk cutter 10 in the z direction, and a second unit for moving the specimen 10 in the x direction. And, it includes a third unit for moving the specimen 10 in the y direction.

디스크 커터(10)는 공구 고정부(140, saddle)에 회전 가능하게 설치된다. 공구 고정부(140)의 위에는 토크 센서(145)와 3축 로드셀(146)이 설치된다. 토크 센서(145)는 편향력(z축을 중심으로 회전하려는 모멘트, Mz)을 측정하고, 3축 로드셀(146)은 3축 방향(x, y, z축 방향)의 하중을 측정한다. The disk cutter 10 is rotatably installed on the tool fixing part 140 (saddle). A torque sensor 145 and a three-axis load cell 146 are installed on the tool fixing part 140. The torque sensor 145 measures the deflection force (moment to rotate around the z-axis, Mz), and the three-axis load cell 146 measures the load in the three-axis directions (x, y, and z-axis directions).

제1 유닛은 디스크 커터(10)를 z축 방향으로 승강시킨다. 제1 유닛은 승강 실린더(110)를 포함하고, 승강 실린더(110)는 상부 프레임(112)에 설치되어 디스크 커터(10)를 z축 방향으로 승강시킨다. The first unit lifts the disk cutter 10 in the z-axis direction. The first unit includes an elevating cylinder 110, and the elevating cylinder 110 is installed on the upper frame 112 to elevate the disk cutter 10 in the z-axis direction.

제2 유닛은 시편(1)을 ±x 방향으로 이동시킨다. 제2 유닛은 ±y 방향으로 선형 이동되는 대차(135) 위에 설치된다. 제2 유닛은 제1 실린더(120)와 시편 고정부(125)를 포함한다. 제1 실린더(120)의 신장과 수축에 의해 시편 고정부(125)가 ±x 방향으로 선형 이동된다.The second unit moves the specimen 1 in the ±x direction. The second unit is installed on the bogie 135 which is linearly moved in the ±y direction. The second unit includes a first cylinder 120 and a specimen fixing part 125. The specimen fixing part 125 is linearly moved in the ±x direction by the elongation and contraction of the first cylinder 120.

시편 고정부(125)는 정사각형이고 자동 또는 수동으로 90° 회전될 수 있으며 90° 회전된 후에 제1 실린더(120)에 의해서 ±x 방향으로 이동될 수 있는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하기로 한다. It is preferable that the specimen fixing part 125 is square and can be rotated by 90° automatically or manually, and can be moved in the ±x direction by the first cylinder 120 after being rotated by 90°. This will be described later.

그리고, 제3 유닛은 제2 실린더와, 제2 실린더에 의해서 ±y 방향으로 이동되는 대차(135)를 포함한다. 제2 실린더의 신장과 수축에 의해 대차(135)가 레일(136)을 따라 ±y 방향으로 이동된다. In addition, the third unit includes a second cylinder and a bogie 135 that is moved in the ±y direction by the second cylinder. Due to the extension and contraction of the second cylinder, the bogie 135 is moved along the rail 136 in the ±y direction.

도 7에 도시된 바와 같이, 디스크 커터(10)의 이동 방향과 지층 경계면이 이루는 각도(제1 절삭각도)를 α1라고 하면 상기 제1 절삭 각도(α1)는 0° ~ 180° 또는 -90° ~ +90°의 값을 갖게 된다. 이 때, 디스크 커터(10)는 양방향으로 직선 왕복 이동을 할 수 있으므로 시편 제작시 제1 절삭각도(α1)를 0° ~ 90°로 설정할 수 있다.As shown in FIG. 7, if the angle (first cutting angle) formed by the moving direction of the disk cutter 10 and the strata interface is α 1 , the first cutting angle α 1 is 0° to 180° or- It has a value from 90° to +90°. At this time, since the disk cutter 10 can linearly reciprocate in both directions, the first cutting angle α 1 may be set to 0° to 90° when the specimen is manufactured.

도 8은 제1 절삭각도(α)에 따른 편향 모멘트의 크기를 보여주는 그래프이다. 도 8에 나타난 바와 같이, α=±10~30° 범위일 때 최대 편향 모멘트가 발생되는 것으로 추정된다.8 is a graph showing the magnitude of a deflection moment according to a first cutting angle α. As shown in FIG. 8, it is estimated that the maximum deflection moment occurs when α=±10 to 30°.

한편, 도 9는 도 7의 시편을 반시계 방향으로 90° 회전한 것을 보여주는 도면이다. 도 9에서 제1 절삭각도(α'1)와 α1은 아래의 식 1을 만족한다.Meanwhile, FIG. 9 is a view showing that the specimen of FIG. 7 is rotated by 90° in a counterclockwise direction. First cutting angle (α '1) in Fig. 9 and α 1 satisfies the equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

α'1 = 90° - α1 α '1 = 90 ° - α 1

디스크 커터(10)가 상방향으로 이동할 때 제1 절삭각도가 α2이고 하방향으로 이동할 때 제1 절삭각도가 α12=180°-α1)이며, 도 9에 나타난 바와 같이 시편이 정사각형이므로 시편을 90° 회전시킬 수 있다면 제1 절삭각도(α1)가 0° ~ 45°로 되도록 시편을 제작하면 된다. 여기서, 0°와 90°에서 편향 모멘트가 발생하지 않는다고 가정하면 15° 간격으로 3개의 시편 즉, 제1 절삭각도가 15°, 30°, 45°인 시편을 제작하면 편향력을 측정하기에 충분하다. When the disk cutter 10 moves upward, the first cutting angle is α 2 , and when moving downward, the first cutting angle is α 12 =180°-α 1 ), as shown in FIG. Since this is a square, if the specimen can be rotated 90°, the specimen can be manufactured so that the first cutting angle (α 1 ) is 0° to 45°. Here, assuming that no deflection moment occurs at 0° and 90°, three specimens at 15° intervals, that is, specimens with a first cutting angle of 15°, 30°, and 45°, are sufficient to measure the deflection force. Do.

한편, 도 10은 제1 절삭각도(α)가 작은 각도 범위일 때, 예를 들어, 제1 절삭각도(α)가 15°~30°일 때의 절삭 시험 방법을 보여준다. 제1 절삭각도(α)가 작은 각도 예를 들어, 15°~30°일 때는 최초의 절삭(예를 들어, 하향 절삭)시의 절삭 범위가 지층 경계면의 대부분을 차지할 수 있기 때문에 추가 절삭 시험은 지층 경계면을 관통하도록 시험하기 어려운 문제가 발생한다. 도 10에 나타난 바와 같이, 시편이 1m×1m이고 제1 절삭각도(α)가 15°이며 절삭 깊이(d)가 4mm일 때, 디스크 커터(10) 한쪽의 파쇄범위는 50mm 정도이므로 지층 경계면의 절반 정도가 파쇄 범위에 속하게 되고, 이에 따라 추가 절삭라인은 지층 경계면의 외부로 밀려나는 문제가 발생한다. Meanwhile, FIG. 10 shows a cutting test method when the first cutting angle α is in a small angle range, for example, when the first cutting angle α is 15° to 30°. When the first cutting angle α is a small angle, e.g., 15° to 30°, the cutting range at the time of the first cutting (e.g., downward cutting) can occupy most of the strata boundary, so additional cutting tests are performed. A problem arises that is difficult to test to penetrate the strata interface. As shown in FIG. 10, when the specimen is 1m×1m, the first cutting angle (α) is 15°, and the cutting depth (d) is 4mm, the crushing range of one side of the disk cutter 10 is about 50mm, About half of them fall into the crushing range, and as a result, the additional cutting line is pushed out of the strata boundary.

이 경우, 시편 표면 전체를 pre-conditioning해서 절삭 표면의 파편을 제거하고 고르게 정리한 다음, 최초 ①번 절삭 궤적과 동일한 자리에서 왕복 절삭 시험(예를 들어, 상향 절삭)을 수행할 수 있다.In this case, it is possible to pre-condition the entire surface of the specimen to remove debris from the cutting surface and arrange it evenly, and then perform a reciprocating cutting test (for example, an upward cutting) at the same spot as the first cutting trajectory ①.

이에 비해, 도 11에 나타난 바와 같이, 제1 절삭각도(α)가 큰 각도 예를 들어, 45° 이상일 때는 ①, ②, ③번 궤적을 충분히 이격되도록 하여 다른 절삭 방향으로 시험할 수 있다. 즉, ①번 상향, ②번 하향, ③번 상향과 같이 시험할 수 있다. On the other hand, as shown in FIG. 11, when the first cutting angle α is a large angle, for example, 45° or more, the trajectories ①, ②, and ③ can be sufficiently separated and tested in different cutting directions. In other words, it can be tested like No. ① upward, No. ② downward, and No. ③ upward.

[제2 실시예][Second Example]

도 12는 수직축 회전방식을 갖는 시험장치의 일 예를 보여주는 도면이다. 12 is a view showing an example of a test apparatus having a vertical axis rotation method.

상기 시험장치(200)는 구동모터(210)와, 구동모터(210)에 의해서 회전되는 회전축(212)과, 회전축(212)에 의해서 회전되는 시편 고정부(230) 및, 절삭 공구(10)를 선형 이동시키기 위한 선형 이동유닛을 포함한다. 구동모터(210)와 회전축(212) 사이에는 회전속도(R.P.M.)를 조절하기 위한 기어 조립체가 포함될 수 있다.The test apparatus 200 includes a driving motor 210, a rotating shaft 212 rotated by the driving motor 210, a specimen fixing part 230 rotated by the rotating shaft 212, and a cutting tool 10 It includes a linear movement unit for linearly moving. A gear assembly for adjusting the rotational speed R.P.M. may be included between the driving motor 210 and the rotational shaft 212.

선형 이동유닛은 프레임(250)과, 지지대(252) 및, 레일을 포함한다. 프레임(250)은 레일을 따라 슬라이딩 가능하도록 설치된다. 프레임(250)의 내부에는 토크센서(도 13의 245)와 3축 로드셀(246)이 설치된다.The linear moving unit includes a frame 250, a support 252, and a rail. The frame 250 is installed to be slidable along the rail. Inside the frame 250, a torque sensor (245 in FIG. 13) and a three-axis load cell 246 are installed.

상기 슬라이딩은 이동 모터(도면에 미도시)에 의해 이루어질 수 있다. 레일은 지지대(252)의 아랫면에 x 방향을 따라 길게 설치된다. 따라서, 이동 모터가 작동하면 프레임(250)은 레일을 따라 ±x 방향으로 슬라이딩된다. The sliding may be performed by a moving motor (not shown in the drawing). The rail is installed on the lower surface of the support 252 along the x direction. Therefore, when the moving motor is operated, the frame 250 slides along the rail in the ±x direction.

구동모터(110)에 의해 시편(1)이 회전축(112)을 중심으로 회전되고 있는 상태에서 디스크 커터(10)가 암석 시편(1)을 절삭하고, 상기 절삭이 완료되면 이동 모터가 작동하여 디스크 커터(10)를 ±x 방향으로 이동시키며, 디스크 커터(10)의 상기 이동이 완료되면 구동모터(110)에 의해 시편(1)이 회전축(112)을 중심으로 회전되고 있는 상태에서 디스크 커터(10)가 암석 시편(1)을 절삭한다. The disk cutter 10 cuts the rock specimen 1 while the specimen 1 is rotated around the rotation shaft 112 by the driving motor 110, and when the cutting is completed, the moving motor operates to operate the disk. The cutter 10 is moved in the ±x direction, and when the movement of the disk cutter 10 is completed, the specimen 1 is rotated around the rotation shaft 112 by the drive motor 110, and the disk cutter ( 10) Cut the rock specimen (1).

도 13에 나타난 바와 같이, 공구 고정부(240)의 위에는 토크센서(245)가 설치되고, 토크 센서(245)의 위에는 3축 로드셀(246)이 설치된다. 공구 고정부(240)는 디스크 커터(10)를 회전 가능하게 고정하고, 토크센서(245)는 편향력(편향 모멘트, Mz)을 측정하며, 3축 로드셀(246)은 x, y, z축 방향의 힘을 측정한다. 한편, 도면에는 디스크 커터(10)가 공구 고정부(240)에 설치된 것으로 도시되었지만 디스크 커터(10)를 대신하여 다른 암반 절삭 공구가 설치될 수도 있다. As shown in FIG. 13, a torque sensor 245 is installed on the tool fixing part 240, and a three-axis load cell 246 is installed on the torque sensor 245. The tool fixing part 240 rotatably fixes the disk cutter 10, the torque sensor 245 measures a deflection force (deflection moment, Mz), and the three-axis load cell 246 is x, y, z axis Measure the force of the direction. Meanwhile, in the drawings, the disk cutter 10 is shown as being installed on the tool fixing part 240, but other rock cutting tools may be installed in place of the disk cutter 10.

한편, 도 14는 편향력(편향 모멘트, Mz)을 측정하기 위한 다른 방법을 보여준다. 디스크 커터(10, 암석 절삭 공구)의 좌우측을 관통하는 수평봉(241)의 끝단부와 수직봉(243) 사이에 1축 로드셀(244,)이 설치된다. 1축 로드셀(244)은 압축 하중만 측정 가능하므로, 동일한 방향(y축 방향)으로 2개의 1축 로드셀(244)을 장착하여 시계방향 및 반시계 방향의 편향력을 측정한다. 상기 측정된 편향력과 디스크 커터의 중심과의 거리(d)를 곱하여 편향력(편향 모멘트, Mz)을 계산한다. Meanwhile, FIG. 14 shows another method for measuring a deflection force (deflection moment, Mz). A uniaxial load cell 244 is provided between the end of the horizontal bar 241 and the vertical bar 243 penetrating the left and right sides of the disk cutter 10 (rock cutting tool). Since the uniaxial load cell 244 can only measure the compressive load, two uniaxial load cells 244 are mounted in the same direction (y-axis direction) to measure the deflection force in the clockwise and counterclockwise directions. The deflection force (deflection moment, Mz) is calculated by multiplying the measured deflection force by the distance (d) between the center of the disk cutter.

(1) TBM 디스크 커터의 컷팅속도(1) Cutting speed of TBM disc cutter

TBM 디스크 커터(10)는 위치한 반경에 따라 그 선속도가 모두 다르다. 가장 외곽에 위치한 게이지 디스크 커터(10)의 이동 속도가 가장 빠르고 마모도 가장 빨리 진행된다. 따라서 이동거리에 따른 마모시험을 수행하려면 가장 빠른 게이지 디스크 커터(10)의 속도부터 중심에 위치한 디스크 커터(10)의 속도까지 모두 구현할 수 있어야 한다. The TBM disk cutter 10 has all different linear speeds depending on the radius at which it is located. The moving speed of the gauge disk cutter 10 located in the outermost part is the fastest and wear is the fastest. Therefore, in order to perform the wear test according to the moving distance, it must be possible to implement everything from the speed of the fastest gauge disk cutter 10 to the speed of the disk cutter 10 located at the center.

일반적으로 TBM 디스크 커터 헤드의 R.P.M.은 2~6의 범위를 가진다. 따라서 철도터널용 TBM의 직경이 8m라고 가정하면, 선속도의 범위는 아래의 식 2로 계산된다.In general, the R.P.M. of the TBM disk cutter head ranges from 2 to 6. Therefore, assuming that the diameter of TBM for railroad tunnel is 8m, the range of line speed is calculated by Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112019048481425-pat00001
Figure 112019048481425-pat00001

TBM의 회전수와 직경에 따라 게이지 디스크 커터(10)의 선속도를 계산해보면 아래 표 1과 같은데, TBM은 직경이 커질수록 회전수가 감소하므로, 대략적으로 게이지 디스크 커터(10)의 이동속도는 0.5~2.5 m/s 사이의 범위를 가지는 것으로 계산된다. (해당 수치는 표 1에 청색으로 표기함)Calculating the linear speed of the gauge disk cutter 10 according to the number of rotations and diameter of TBM is as shown in Table 1 below. Since the number of rotations decreases as the diameter of TBM increases, the moving speed of the gauge disk cutter 10 is approximately 0.5. It is calculated to have a range between ~2.5 m/s. (Applicable figures are indicated in blue in Table 1)

[표 1] TBM의 회전수(R.P.M.)에 따른 게이지 디스크 커터의 선속도[Table 1] Linear speed of gauge disc cutter according to TBM rotation speed (R.P.M.)

Figure 112019048481425-pat00002
Figure 112019048481425-pat00002

(2) 적절한 R.P.M.의 계산방법: 선속도 환산(2) Proper R.P.M. calculation method: linear velocity conversion

시편(1)의 반경이 0.3m일 때 TBM 디스크 커터의 선속도에 대비한 시편의 R.P.M.을 계산하였다. 그 범위는 15~60 R.P.M.으로 조사되었고, 만약 시편반경이 0.15m일 때 127 R.P.M.이 필요한 것으로 계산되었다. 15~120 R.P.M.의 범위는 모터와 감속기의 조합으로 구현할 수 있다.When the radius of the specimen (1) is 0.3 m, the R.P.M. of the specimen compared to the linear velocity of the TBM disk cutter was calculated. The range was investigated from 15 to 60 R.P.M., and 127 R.P.M. was calculated as needed if the specimen radius was 0.15 m. The range of 15~120 R.P.M. can be realized by a combination of a motor and a reducer.

[표 2] 암석시편의 회전속도 범위 조사[Table 2] Investigation of rotational speed range of rock specimen

Figure 112019048481425-pat00003
Figure 112019048481425-pat00003

(3) 픽의 수평이송 속도(3) Pick's horizontal feed speed

픽의 반경방향 이송속도는 R.P.M.에 비해 상대적으로 느리다. 시편 회전이 120 R.P.M.일 때 픽의 반경방향 이송속도는 최대 10 mm/s 이면 충분하다.The pick's radial feed rate is relatively slow compared to R.P.M. When the specimen rotation is 120 R.P.M., a maximum radial feed rate of 10 mm/s is sufficient.

(4) 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력을 측정하는 방법(4) Method of measuring the deflection force according to the first cutting angle (α)

상기 시험장치(200)를 이용하여 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력을 측정하는 방법을 설명하기로 한다. 아래에서는 설명의 편의를 위해 게이지 디스크 커터(10, 최외각의 디스크 커터)를 예로 들어 설명한다. 도 15는 복합 지반을 나타내는 원통형 시편을 보여주는 사시도로서, 시험장치(200)의 시편 고정부(230)에 설치된다.A method of measuring the deflection force according to the first cutting angle α using the test apparatus 200 will be described. Hereinafter, for convenience of explanation, a gauge disk cutter 10 (the outermost disk cutter) will be described as an example. 15 is a perspective view showing a cylindrical specimen representing a composite ground, which is installed on the specimen fixing portion 230 of the testing apparatus 200.

시편(1)은 연암과 보통암으로 이루어진 복합지반을 나타낸다. 두 지층(연암과 보통암)의 지층 경계면은 수직으로 형성된다. 이에 따라, 시편(1)이 시편 고정부(230)에 설치되면 경계면(층리면)이 수직을 이루고 제2 절삭각도(β)의 영향이 없는 상태에서 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력을 측정할 수 있다. Specimen (1) represents a composite ground consisting of soft rock and ordinary rock. The strata interface of the two strata (soft rock and ordinary rock) is formed vertically. Accordingly, when the specimen 1 is installed on the specimen fixing part 230, the boundary surface (layered surface) is vertical and the deflection force according to the first cutting angle α is applied without the influence of the second cutting angle β. Can be measured.

이 시험방법에서, 경계면의 위치는 시편 중심(터널 중심)을 통과하는 수평선과의 거리(A)로 나타낸다. 도 16~17에 나타난 바와 같이, 시편의 반경(터널의 반경 또는 디스크 커터가 회전하는 반경)을 R이라고 하면, A/R=-1일 때 제1 절삭각도(αup, 디스크 커터의 진입각)가 최소(0°)로 되고, A/R=1일 때 제1 절삭각도(αup)가 최대(180°)로 된다. In this test method, the location of the interface is expressed as the distance (A) from the horizontal line passing through the center of the specimen (the center of the tunnel). As shown in Figs. 16-17, if the radius of the specimen (the radius of the tunnel or the radius at which the disk cutter rotates) is R, the first cutting angle (α up , the entry angle of the disk cutter) when A/R = -1 ) Becomes the minimum (0°), and when A/R=1, the first cutting angle α up becomes the maximum (180°).

[제3 실시예][Third Example]

도 18a는 제1,2 절삭각도(α)(β)가 디스크 커터의 편향력에 주는 영향을 알아보기 위한 시편을 보여주는 사시도이고, 도 18b는 상기 시편을 보여주는 종단면도이다.18A is a perspective view showing a specimen for examining the effect of the first and second cutting angles α and β on the deflection force of the disk cutter, and FIG. 18B is a longitudinal sectional view showing the specimen.

상기 시편은 두 개의 지층으로 이루어지는 복합 지반을 모형화한 것이다. 상기 두 지층은 예를 들어, 각각 연암과 보통암이고, 두 지층의 경계면(층리면)은 절삭공구의 굴진 방향(수직선)에 대해 제2 절삭각도(β)를 이룬다. The specimen is a model of a composite ground consisting of two layers. The two strata are, for example, soft rock and ordinary rock, respectively, and the boundary surface (stratified surface) of the two strata forms a second cutting angle β with respect to the excavation direction (vertical line) of the cutting tool.

절삭 공구(10)가 ① 단면을 절삭할 때에는 도 19a에 나타난 바와 같이 지층 경계면과 시편의 중심선 사이의 거리(A)가 길고, 절삭 공구(10)가 ② 단면을 절삭할 때에는 도 19b에 나타난 바와 같이 지층 경계면이 시편의 중심선과 일치하며, 절삭 공구(10)가 ③ 단면을 절삭할 때에는 도 19c에 나타난 바와 같이 지층 경계면과 시편의 중심선 사이의 거리(A)가 다시 멀어진다. When the cutting tool 10 cuts the section ①, as shown in FIG. 19A, the distance (A) between the stratum boundary and the center line of the specimen is long, and when the cutting tool 10 cuts the section ②, as shown in FIG. 19B. As such, the strata interface coincides with the center line of the specimen, and when the cutting tool 10 cuts the section ③, the distance (A) between the strata interface and the center line of the specimen increases again as shown in FIG. 19C.

그리고, 도 20은 A/R과 제1 절삭각도(α)의 관계를 보여준다. 절삭 공구(10)가 ① 단면을 절삭할 때에는 제1 절삭각도(α)가 90°에 근접하고, 절삭 공구(10)가 ② 단면을 절삭할 때에는 제1 절삭각도(α)가 0°이며, 절삭 공구(10)가 ③ 단면을 절삭할 때에는 제1 절삭각도(α)가 90°에 근접한다. And, Fig. 20 shows the relationship between A/R and the first cutting angle α. When the cutting tool 10 cuts ① the cross section, the first cutting angle α is close to 90°, and when the cutting tool 10 cuts ② the cross section, the first cutting angle α is 0°. When the cutting tool 10 cuts the section ③, the first cutting angle α approaches 90°.

위와 같이, 상기 시편을 이용하면 1회의 절삭 시험으로 지층의 분할 비율에 따른 모든 지층 경계면을 구현할 수 있다. 따라서, 제1 절삭각도(α)를 -90°~ +90°까지 모두 구현할 수 있다. As above, if the specimen is used, all stratum interfaces according to the stratum division ratio can be implemented with one cutting test. Therefore, it is possible to implement all of the first cutting angle α from -90° to +90°.

[시편 제작방법][How to make a specimen]

도 21은 도 18a의 시편을 제작하기 위하여 원통형 거푸집을 절단하는 것을 보여주는 도면이고, 도 22는 상기 원통형 거푸집이 절단되어 만들어진 반쪽 거푸집(제1,2 거푸집)이 받침대에 설치된 것을 보여주는 도면이다. FIG. 21 is a view showing cutting of a cylindrical formwork to produce the specimen of FIG. 18A, and FIG. 22 is a view showing that the half formwork (first and second formwork) made by cutting the cylindrical formwork is installed on a pedestal.

도면에 나타난 바와 같이, 원통형 거푸집(300)을 경사지도록 절단하여 제1,2 거푸집(310)(320)을 만들고, 이어서 제1,2 거푸집(310)(320)의 절단면(330)이 각각 수평이 되도록 받침대(340)로 지지하여 설치한 다음, 제1,2 거푸집(310)(320)에 콘크리트를 각각 타설하여 양생한다.As shown in the drawing, the first and second formwork 310 and 320 are made by cutting the cylindrical formwork 300 to be inclined, and then the cut surfaces 330 of the first and second formwork 310 and 320 are horizontally It is supported by the pedestal 340 so that it is installed and then cured by pouring concrete into the first and second forms 310 and 320, respectively.

원통형 거푸집(300)의 상기 절단 각도는 제2 절삭각도(β)인데, 상술한 바와 같이 제2 절삭각도(β)는 복합지반에서 두 지층의 경계면과 절삭 공구의 굴진 방향이 이루는 각도를 의미한다. The cutting angle of the cylindrical formwork 300 is a second cutting angle (β), and as described above, the second cutting angle (β) refers to the angle between the boundary surface of the two layers and the excavation direction of the cutting tool in the composite ground. .

제1,2 거푸집(310)(320)에는 서로 다른 강도를 발현하는 콘크리트 또는 콘크리트 모르타르가 타설된다. 예를 들어, 제1 거푸집(310)에는 경암 강도를 발현하는 콘크리트가 타설되고, 제2 거푸집(320)에는 연암 강도를 발현하는 콘크리트가 타설될 수 있다.Concrete or concrete mortar expressing different strengths is poured into the first and second formwork 310 and 320. For example, concrete expressing hard rock strength may be poured in the first formwork 310, and concrete expressing soft rock strength may be poured in the second formwork 320.

그리고, 타설된 콘크리트가 양생 완료되면 제1 거푸집(310)을 탈형(제거)하여 제1 시편부를 완성하고 제2 거푸집(320)을 탈형(제거)하여 제2 시편부를 완성한다. 이어서 제1,2 시편부의 절단면이 서로 접하도록 포개어 놓은 후 제1,2 시편부의 외주면을 지그(도면에 미도시) 등으로 고정시킨 상태에서 시험을 한다. Then, when the poured concrete is cured, the first formwork 310 is demolded (removed) to complete the first specimen part, and the second formwork 320 is demolded (removed) to complete the second test piece part. Next, the first and second specimens are stacked so that the cut surfaces of the specimens are in contact with each other, and the outer circumferential surfaces of the first and second specimens are fixed with a jig (not shown in the drawings), etc.

1 : 시편 10 : 절삭공구(TBM 디스크 커터)
100 : 선형 절삭 시험장치
110 : 승강 실린더 112 : 상부 프레임
120 : 제1 실린더 125 : 시편 고정부
135 : 대차 136 : 레일
145 : 토크센서 146 : 3축 로드셀
200 : 수직축 회전방식 시험장치 210 : 구동모터
212 : 회전축 230 : 시편 고정부
240 : 공구 고정부 241 : 수평봉
243 : 수직봉 244 : 1축 로드셀
245 : 토크센서 246 : 3축 로드셀
250 : 프레임 252 : 지지대
α : 제1 절삭각도 β : 제2 절삭각도
A : 터널 중심(또는 절삭공구의 절삭 궤도의 중심)을 통과하는 수평선과 지층 경계면 사이의 거리
R : 터널의 반경(절삭공구의 절삭 궤도의 반경)
1: specimen 10: cutting tool (TBM disk cutter)
100: linear cutting test device
110: lifting cylinder 112: upper frame
120: first cylinder 125: specimen fixing portion
135: bogie 136: rail
145: torque sensor 146: 3-axis load cell
200: vertical axis rotation type test device 210: drive motor
212: rotation shaft 230: specimen fixing part
240: tool fixing part 241: horizontal bar
243: vertical bar 244: 1-axis load cell
245: torque sensor 246: 3-axis load cell
250: frame 252: support
α: 1st cutting angle β: 2nd cutting angle
A: Distance between the horizontal line passing through the center of the tunnel (or the center of the cutting track of the cutting tool) and the strata boundary
R: Radius of tunnel (radius of cutting track of cutting tool)

Claims (14)

(a1) 두 개 이상의 지층으로 이루어진 복합지반을 모형화한 시편을 준비하는 단계;
(a2) 상기 시편을 고정하는 단계; 및,
(a3) 선형 절삭 시험장치를 이용하여 상기 시편을 절삭하되, 상기 두 지층의 경계면을 가로지르는 방향으로 절삭 공구를 이동시키면서 시편을 절삭하고 절삭 공구에 발생하는 편향력을 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 (a3) 단계는, 상기 절삭 공구의 선형 이동방향과 상기 경계면이 이루는 각도(α)를 변화시키면서 복수 회 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험 방법.
(a1) preparing a specimen modeling a composite ground consisting of two or more strata;
(a2) fixing the specimen; And,
(a3) cutting the specimen by using a linear cutting test apparatus, cutting the specimen while moving the cutting tool in a direction crossing the interface of the two strata, and measuring a deflection force generated in the cutting tool; and ,
The step (a3) is a test method, characterized in that a plurality of times while changing the angle (α) formed by the linear movement direction of the cutting tool and the interface.
제1항에 있어서,
절삭 공구가 왕복직선 운동을 하고 상기 각도(α)는 0° ~ 90°의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method of claim 1,
The test method, characterized in that the cutting tool makes a reciprocating linear motion and the angle (α) is set in the range of 0° to 90°.
제1항에 있어서,
절삭 공구가 왕복직선 운동을 하되, 상기 (a3) 단계는 선형 절삭 이후에 시편을 90° 회전시키는 단계를 더 포함하고, 상기 각도(α)는 0° ~ 45°인 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method of claim 1,
The cutting tool performs a reciprocating linear motion, wherein step (a3) further includes rotating the specimen by 90° after the linear cutting, and the angle α is 0° to 45°.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각도(α)가 15° ~ 30°인 경우에는 시편의 최초 절삭된 부분의 파편을 제거하고 고르게 정리한 후 최초 절삭 경로와 동일한 경로로 절삭 공구를 이동시켜 시험하고,
상기 각도(α)가 45° 이상인 경우에는 최초 절삭된 부분과 소정 간격 이격된 경로로 절삭공구를 이동시키면서 시험하는 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method according to claim 1 or 2,
If the angle (α) is 15° to 30°, after removing debris from the first cut part of the specimen and arranging it evenly, test by moving the cutting tool in the same path as the original cutting path,
When the angle (α) is 45° or more, the test method is characterized in that the test is performed while moving the cutting tool in a path spaced apart from the first cut part by a predetermined distance.
(b1) 두 개 이상의 지층으로 이루어진 복합지반을 모형화한 시편을 준비하는 단계;
(b2) 상기 시편을 회전 시험장치에 고정하는 단계; 및,
(b3) 회전 시험장치를 회전시켜 시편을 회전시키면서 절삭 공구를 이용하여 시편을 절삭하되, 제1 절삭각도(α)에 따라 절삭 공구에 발생하는 편향력을 측정하는 단계;를 포함하고,
제1 절삭각도(α)는 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 지층 경계면 사이를 시계방향으로 측정한 각도인 것을 특징으로 하는 시험 방법.
(b1) preparing a specimen modeling a composite ground consisting of two or more strata;
(b2) fixing the specimen to a rotating test apparatus; And,
(b3) cutting the specimen using a cutting tool while rotating the specimen by rotating the rotation testing device, and measuring a deflection force generated in the cutting tool according to the first cutting angle (α); Including,
The first cutting angle α is an angle measured in a clockwise direction between an extension line in an instantaneous traveling direction of the disk cutter and a strata interface.
제5항에 있어서,
상기 시편은 강도가 서로 다른 두 부분이 경계면에서 서로 접하고, 상기 경계면은 수직을 이루며,
상기 (b1) 단계는 경계면의 위치가 서로 다른 복수 개의 시편을 준비하고,
상기 (b3) 단계는 경계면의 위치가 서로 다른 시편으로 시험하여 제1 절삭각도(α)에 따른 편향력을 측정하는 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method of claim 5,
In the specimen, two portions having different strengths are in contact with each other at an interface, and the interface is vertical,
In the step (b1), a plurality of specimens having different positions of the boundary surfaces are prepared,
The step (b3) is a test method, characterized in that the deflection force according to the first cutting angle (α) is measured by testing specimens having different positions of the interface.
제6항에 있어서,
상기 두 부분 중 어느 한쪽은 낮은 강도의 콘크리트 조성물로 만들어지고 나머지 한쪽은 높은 강도의 콘크리트 조성물로 만들어진 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method of claim 6,
A test method, characterized in that one of the two parts is made of a low strength concrete composition and the other is made of a high strength concrete composition.
(c1) 두 개 이상의 지층으로 이루어진 복합지반을 모형화한 시편을 준비하는 단계;
(c2) 상기 시편을 회전 시험장치에 고정하는 단계; 및,
(c3) 회전 시험장치를 회전시켜 시편을 회전시키면서 절삭 공구를 이용하여 시편을 절삭하되, 제1,2 절삭각도(α)(β)에 따라 발생하는 절삭 공구의 편향력을 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 절삭각도(α)는 디스크 커터의 순간적인 진행방향의 연장선과 지층 경계면 사이를 시계방향으로 측정한 각도이고, 제2 절삭각도(β)는 절삭 공구의 굴진 방향과 상기 경계면이 이루는 각도인 것을 특징으로 하는 시험 방법.
(c1) preparing a specimen modeling a composite ground consisting of two or more strata;
(c2) fixing the specimen to a rotating test apparatus; And,
(c3) cutting the specimen using a cutting tool while rotating the specimen by rotating the rotation test apparatus, and measuring the deflection force of the cutting tool generated according to the first and second cutting angles (α) (β); Including,
The first cutting angle (α) is an angle measured in a clockwise direction between the extension line in the instantaneous progress direction of the disk cutter and the strata interface, and the second cutting angle (β) is the angle between the excavation direction of the cutting tool and the interface Test method, characterized in that.
제8항에 있어서,
상기 시편은 경사진 지층 경계면에 의해 두 부분으로 나누어지고, 상기 두 부분 중 한쪽 부분은 나머지 부분에 비해 약한 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method of claim 8,
The test method, characterized in that the specimen is divided into two parts by an inclined strata interface, and one of the two parts has weaker strength than the other part.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시험장치는,
구동모터(210);
구동모터(210)에 의해서 회전되는 회전축(212);
회전축(212)에 의해서 회전되고, 시편을 고정하는 시편 고정부(230); 및,
상기 절삭공구가 설치되는 공구 고정부(240);를 포함하고,
공구 고정부(240)의 위에는 편향력을 측정하기 위한 토크센서(245)와 3축 로드셀(246)이 설치된 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method according to any one of claims 5 to 9,
The test device,
Driving motor 210;
A rotation shaft 212 rotated by the drive motor 210;
A specimen fixing portion 230 that is rotated by the rotation shaft 212 and fixes the specimen; And,
Includes; a tool fixing part 240 on which the cutting tool is installed,
A test method, characterized in that a torque sensor 245 and a three-axis load cell 246 for measuring the deflection force are installed on the tool fixing part 240.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시험장치는,
구동모터(210);
구동모터(210)에 의해서 회전되는 회전축(212);
회전축(212)에 의해서 회전되고, 시편을 고정하는 시편 고정부(230); 및,
상기 절삭공구가 설치되는 공구 고정부(240);를 포함하고,
공구 고정부(240)는,
절삭공구가 회전 가능하도록 설치되는 수평봉(241); 및,
절삭공구 양쪽의 수평봉(241)의 끝단에서 수직으로 연장된 수직봉(243);을 포함하고,
수평봉(241) 끝단과 수직봉(243) 사이의 부분에 수평봉(241) 및 수직봉(243)에 수직이 되는 방향으로 1축 로드셀(244)이 설치된 것을 특징으로 하는 시험 방법.
The method according to any one of claims 5 to 9,
The test device,
Driving motor 210;
A rotation shaft 212 rotated by the drive motor 210;
A specimen fixing portion 230 that is rotated by the rotation shaft 212 and fixes the specimen; And,
Includes; a tool fixing part 240 on which the cutting tool is installed,
The tool fixing part 240,
A horizontal bar 241 installed so that the cutting tool is rotatable; And,
Including; vertical bars 243 extending vertically from the ends of the horizontal bars 241 on both sides of the cutting tool,
A test method, characterized in that the uniaxial load cell 244 is installed in a direction perpendicular to the horizontal bar 241 and the vertical bar 243 at a portion between the end of the horizontal bar 241 and the vertical bar 243.
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