KR102290365B1

KR102290365B1 - 암반용 ｔｂｍ 최적운전시스템 및 최적운전방법

Info

Publication number: KR102290365B1
Application number: KR1020190139216A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 서영호; 이세진; 강한별
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2021-08-17
Also published as: KR20210053520A

Abstract

본 발명은 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TBM을 통해 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하는 굴진데이터 측정부; 상기 굴진데이터 측정부에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하는 지반상태 예측부; TBM의 현재 상태값을 표출하는 현재상태표출부; 상기 지반상태예측값, 상기 현재 상태값, 및 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하는 최적운전제시부; 및 상기 현재 상태값이 표출된 최적운전데이터를 기반으로 운전인자를 조정하는 운전조정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템에 관한 것이다.

Description

암반용 ＴＢＭ 최적운전시스템 및 최적운전방법{TBM Optimal Operation System for Rock mass}

본 발명은 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법에 관한 것이다.

터널 굴착 공법은 크게 NATM(New Austrian Tunnelling Method)으로 대표되는 재래식 터널 공법(conventional tunnelling method)과 Open 및 Shield TBM(Tunnel Boring Machine) 공법으로 대표되는 기계화 터널 공법(mechanized tunnelling method)로 구분된다. 기존 재래식 터널 공법은 인건비, 시공기간 상의 문제 및 안전상의 문제가 많았다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 기계화 터널 공법이 많이 이용되고 있는 실정이다. 기계화터널 공법은 원형의 단면으로 굴착되므로 역학적으로 안정하고, 무진동, 무발파의 굴착이므로 지반변형을 최소화함으로써 안정성 확보 및 소음, 진동을 최소화할 수 있는 친환경적 터널 굴착 공법이다.

따라서 최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공사비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다. 도 1a 내지 도 1c는 TBM(tunnel boring machine)(1)을 이용한 터널 시공 개념도를 도시한 것이다.

일반적으로 터널공사에서 발파공법은 소음, 진동 및 굴착 후 변형에 대하여 신속하게 대처하기 어렵다. 하지만 TBM은 저소음, 무진동으로 도심지 및 연약지반, 하천하부 등 여러지반에 적용이 가능하며 암반 굴삭을 위한 디스크 커터가 장착된 원형 판(커터헤드) 회전하면서 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 물성과 구조물의 형상을 환산하여 현지의 상태를 재현하는 데 한계가 있으므로, 정확도가 낮은 문제가 있었다. 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.

또한, 현재 도심지 하부나 장대터널의 시공시에 TBM의 적용성이 확대되고 있다. TBM 시공시 지질조건에 대응하여 장비성능을 최대한 발현하여 운전하는 것이 공사비 및 공사기간을 단축하는 방법에 해당한다.

현재까지는 TBM 운전자의 경험에 의존하여 터널굴진이 이루어지므로, 장비성능을 최대한 발현하는지의 여부를 판단하기 어렵고, 효과적인 굴진속도를 예측하여 운전하는 것이 어려운 상황이다.

즉, TBM 운영시 Tunnel manager와 운전자(Operator)의 경험에 기초하여 직관적으로 굴진상태를 판단하고 운영하고 있다.

또한, TBM 운전자의 기술숙련도에 따라 지반조건 변화에 대응하는 능력에 차이가 있으며, 그에 따른 굴진속도가 다르게 나타하게 된다.

지반조건 변화에 적절히 대응하여 TBM 운영을 하지 못한 경우, TBM 장비 성능대비 최대 성능(performance)을 구현하지 못하여 굴진속도 향상의 기회를 놓칠 수 있으며, 굴착에 불리한 지반조건에서 적절히 대응하지 못하면 TBM 굴진속도가 감소되고, Down time이 증가하여 이로 인한 공기지연이 발생할 수 있게 된다.

특히, 현장에서는 운전자의 조작상태를 정확하게 판단하고 굴진데이터 및 지반상태를 실시간 분석할 수 있는 시스템이 없는 실정이다.

따라서 시공 중 굴진률 부족시 원인을 분석하고 문제 해결방안을 제시하기 위해서는 지반상태와 굴진데이터를 종합적으로 분석하여 지반조건에 부합하는 최적의 운전조건을 제시할 수 있는 TBM 최적 운전 시스템이 필요하였다.

대한민국 공개특허 제2015-0111255호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, TBM을 이용한 터널 굴진 시 얻어지는 굴진데이터 중 주요 운전 인자인 토크(Torque, M), 각속도(예를 들어, 분당 회전속도, RPM), 추력(Thrust force), 회전당 관입깊이(penetration rate, p) 등을 실시간으로 분석하여 전방의 지반상태(UCS, Uniaxial Compressive Strength)를 예측하고, 이를 바탕으로 지반상태를 고려한 굴진속도 향상 방법으로 RPM 또는 추력(Thrust force)을 적절하게 조정하도록 실시간으로 가이드하여 최적운전을 하도록 하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이때, 최적운전 가이드 내용은 장비 성능(Power, Torque, RPM, Thrust force) 내에서 최대의 성능을 구현하도록 한다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 굴진데이터를 분석하여 운전성능이 최대가 되도록 하기 위하여, 암반에 대한 예측식을 구축하여 지반상태에 따른 최적 운전방법을 제시하도록 하고, 실시간으로 취득되는 TBM의 굴진 데이터가 수신되면 시스템에 탑재된 알고리즘에 따라 분석되어 주요 운전인자들(RPM, Thrust force)이 최적점에 도달하도록 운전조건을 제시하는 시스템으로 장비에 무리가 가지 않는 상태에서 굴진속도 증대가 가능하여 공사기간 단축을 도모할 수 있는 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 지반조건에 적합한 운전방법을 도출하여 장비성능내에서 최대의 굴진속도 발현을 통한 공기단축이 가능하고, TBM 운영의 적합여부 판단 과대/과소 운전방지를 통한 Down time을 감소시킬 수 있으며, 시공 중/후에 축적된 data 분석을 통한 향후 공사방향 설정 가능한, 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면 TBM 굴착시 굴진 데이터를 실시간으로 분석하여, 현재상황을 운전자에게 알려주고, 최적운전을 위해서 주요 운전인자를 조정하도록 유도하는 TBM 최적운전 시스템 컨트롤러를 통해 실시간 자료 분석 및 실시간 최적운전 가이드가 가능하고, 분석된 실시간 데이터는 데이터 저장장치에 기록되어 추후 공사기록분석에도 활용될 수 있는 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, TBM 최적 운전시스템에 있어서, TBM을 통해 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하는 굴진데이터 측정부; 상기 굴진데이터 측정부에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하는 지반상태 예측부; TBM의 현재 상태값을 표출하는 현재상태표출부; 상기 지반상태예측값, 현재 상태값, 및 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하는 최적운전제시부; 및 상기 현재 상태값이 표출된 최적운전데이터를 기반으로 운전인자를 조정하는 운전조정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 굴진데이터는 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 지반상태예측값은 일축압축강도(Uniaxial Compressive strength, UCS)인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 UCS는 하기의 수학식 1에 의해 예측되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

수학식 1에서, Fn는 normal force, Fr는 rolling force이고, T는 커버 트립 폭이고, R은 커터 반경(cutter radius), S는 커터 면적(cutter spacing), p는 관입깊이(penetration), M은 TBM 커터헤드 토크, P는 TBM 커터헤드 파워, Ntbm는 커터 개수(number of cutters), Dtbm은 TBM 직경이다.

Normal force는 추력(Thrust force) 중에 커터헤드에 장착된 개개의 디스크 커터가 굴착면에 수직으로 가하는 힘으로 정의되며, 추력으로부터 TBM 장비 종류(Open 또는 Shield TBM)에 따라 구해지는 방법이 달라진다. 그러나 일반적으로 Normal force는 추력으로부터 TBM 장비가 지반과의 마찰에 의해서 발생하는 저항, 막장압력, 커터헤드의 면적, 디스크 커터의 개수 등과의 관계로부터 구해진다.

또한, 상기 최적운전데이터는, 굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 장비사양데이터는 최대 파워값, 최대 RPM값, 최대 추력, 최대 토크값, 커터 허용하중, 커터의 직경, 커터 간격, 커터 개수, TBM의 직경인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 운전인자는 TBM 추력과 RPM이고, 상기 운전조정부에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 상기 최적운전제시부는, 변경된 TBM 추력, RPM 및 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 상기 최적운전곡선을 변경하여 제시하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 TBM 최적 운전방법에 있어서, TBM을 통해 암반을 굴착하는 제1단계; 굴진데이터 측정부가 TBM 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하는 제2단계; 지반상태 예측부가 상기 굴진데이터 측정부에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하는 제3단계; 최적운전제시부가 상기 지반상태예측값과 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하는 제4단계; 현재상태표출부가 실시간으로 상기 최적운전데이터 상에, 현재 상태값을 표출하는 제5단계; TBM 운전자가 상기 현재 상태값이 표출된 최적운전데이터를 기반으로 운전조정부를 통해 운전인자를 조정하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 제2단계에서, 상기 굴진데이터 측정부는 실시간으로 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제3단계는, 하기 수학식 1에 의해 UCS를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

그리고 상기 제4단계 및 제5단계에서, 상기 최적운전제시부는, 상기 UCS와 장비사양데이터를 기반으로, 굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 표출하고, 상기 현재 상태값은 상기 최적운전데이터 상에 TBM의 현재 굴진률과 TBM normal force를 표시하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 운전인자는 TBM 추력과 RPM이고, 상기 제6단계는 상기 운전자가 현재 상태값과 최적운전곡선을 기반으로 현재 상태값이 상기 최적운전곡선에 근접하도록 상기 TBM 추력과 RPM을 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 운전인자를 조정하는 단계 후에, 상기 운전조정부에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 상기 최적운전제시부는, 변경된 TBM 추력과 RPM과 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 상기 최적운전곡선을 변경하여 제시하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제7단계 후에, 제5단계 내지 제7단계를 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어, 앞서 언급한 제2목적에 따른 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된, TBM 최적운전 프로그램으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 시스템에 따르면, TBM을 이용한 터널 굴진 시 얻어지는 굴진데이터 중 주요 운전 인자인 토크(Torque, M), 각속도(예를 들어, 분당 회전속도, RPM), 추력(Thrust force), 회전당 관입깊이(penetration rate, p) 등을 실시간으로 분석하여 전방의 지반상태(UCS, Uniaxial Compressive Strength)를 예측하고, 이를 바탕으로 지반상태를 고려한 굴진속도 향상 방법으로 RPM 또는 추력(Thrust force)을 적절하게 조정하도록 실시간으로 가이드하여 최적운전을 할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법에 따르면, 굴진데이터를 분석하여 운전성능이 최대가 되도록 하기 위하여, 암반에 대한 예측식을 구축하여 지반상태에 따른 최적 운전방법을 제시하도록 하고, 실시간으로 취득되는 TBM의 굴진 데이터가 수신되면 시스템에 탑재된 알고리즘에 따라 분석되어 주요 운전인자들(RPM, Thrust force)이 최적점에 도달하도록 운전조건을 제시하는 시스템으로 장비에 무리가 가지 않는 상태에서 굴진속도 증대가 가능하여 공사기간 단축을 도모할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법에 따르면, 지반조건에 적합한 운전방법을 도출하여 장비성능내에서 최대의 굴진속도 발현을 통한 공기단축이 가능하고, TBM 운영의 적합여부 판단 과대/과소 운전방지를 통한 Down time을 감소시킬 수 있으며, 시공 중/후에 축적된 data 분석을 통한 향후 공사방향 설정 가능한 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템 및 최적운전방법에 따르면, TBM 굴착시 굴진 데이터를 실시간으로 분석하여, 현재상황을 운전자에게 알려주고, 최적운전을 위해서 주요 운전인자를 조정하도록 유도하는 TBM 최적운전 시스템 컨트롤러를 통해 실시간 자료 분석 및 실시간 최적운전 가이드가 가능하고, 분석된 실시간 데이터는 데이터 저장장치에 기록되어 추후 공사기록분석에도 활용될 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1a 내지 도 1c는 TBM(tunnel boring machine)(1)을 이용한 터널 시공 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템의 흐름을 나타낸 개념도,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 최적운전곡선,
도 5b 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따라 주요 굴진요소(UCS, RPM, 토크)의 변화에 따라 변화된 최적운전곡선,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러 표시 화면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 과거, 현재 상태값이 표시된 최적운전곡선,
도 8a는 기 시공된 암반지반을 대상으로 계측된 UCS와 본 발명의 실시예에 따라 예측된 UCS의 비교 데이터,
도 8b는 기 시공된 암반지반을 대상으로 계측된 추력과 본 발명의 실시예에 따라 계산된 추력과, 최적운전시 추력의 비교 데이터를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)의 구성, 기능 및 이를 이용한 최적운전방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)의 흐름을 나타낸 개념도를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)은 굴진데이터 측정부(10), 암반 지반상태 예측부(20), 최적운전제시부(30) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

굴진데이터 측정부(10)는 TBM을 통해 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하기 위해 구성된다. 굴진데이터 측정부(10)는 구체적으로 암반 굴진시 실시간으로 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)를 측정하게 된다.

그리고 암반 지반상태 예측부(20)는, 굴진데이터 측정부(10)에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 지반상태예측값은 일축압축강도(Uniaxial Compressive strength, UCS)일 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 UCS는 하기의 수학식 1에 의해 산출된다.

[수학식 1]

수학식 1에서, Fn는 normal force이고, Fr는 rolling force이고, T는 커버 트립 폭이고, R은 커터 반경(cutter radius), S는 커터 면적(cutter spacing), p는 관입깊이(penetration), M은 TBM 커터헤드 토크, P는 TBM 커터헤드 파워, Ntbm는 커터 개수(number of cutters), Dtbm은 TBM 직경이다.

그리고 최적운전제시부(30)는 예측된 지반상태예측값과 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하도록 구성된다.

최적운전제시부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 최적운전곡선 산출부(31)와, 현재상태표출부(32)와, 운전조정부(33)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 최적운전곡선을 도시한 것이다. 그리고 도 5b 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따라 주요 굴진요소(UCS, RPM, 토크)의 변화에 따라 변화된 최적운전곡선을 도시한 것이다.

또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러 표시 화면을 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 과거, 현재 상태값이 표시된최적운전곡선을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 최적운전곡선산출부(31)는 도 5a 내지 도 5e 및 도 7에 도시된 바와 같이, 굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 산출하여 표출하게 된다.

즉, 굴진률을 가로축으로 TBM normal force(Fn)을 세로축으로 한 그래프 상에, 장비 사양데이터를 기반으로 장비 최대 파워곡선을 표출하고, 장비 사양데이터와 UCS를 기반으로 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 표출하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 장비사양데이터는 최대 파워값, 최대 RPM값, 최대 추력, 최대 토크값, 커터 허용하중, 커터의 직경, 커터 간격, 커터 개수, TBM의 직경이다. 이러한 장비사양데이터를 기반으로, 최대 파워곡선과, 커터로드 제한선, 커터 지오메트리 제한선이 결정되게 된다. 즉 TBM 최적운전시스템(100)에 TBM 장비사양데이터를 입력하면 최적운전곡선을 자동으로 작도하여 운전자에게 제시하게 된다. 최적운전범위 지정은 예를 들어 장비의 최대파워의 60%, 최대 토크의 70%로 설정할 수 있다. 운전자는 작도된 최적운전 곡선과 현재 운영되고 있는 굴착현황을 비교하여 직관적으로 작업현황을 파악할 수 있다. 도 5b 내지 도 5e에 도시된 바와 같이, 최적운전곡선 대비 주요 굴진요소(UCS, RPM, 토크)의 변화에 따라 최적운전점을 찾아가능 경향을 확인할 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 장비 사양데이터와, 현재 굴진 데이터는 컨트롤러의 디스플레이부에서 실시간으로 디스플레이 되어 운전자에게 정보를 알려주도록 구성됨을 알 수 있다. TBM 굴착시 굴진데이터를 실시간으로 분석하여, 현재상황을 운전자에게 알려주고, 최적운전을 위해서 주요 운전인자를 조정하도록 유도하는 TBM 최적운전시스템 컨트롤러를 통해 실시간 자료분석 및 실시간 최적운전 가이드가 가능하게 된다. 또한, 분석된 실시간 데이터는 데이터 저장장치에 기록되어 추후 공사기록분석에도 활용될 수 있다.

그리고 현재 상태 표출부(32)는 도 7에 도시된 바와 같이, 실시간 또는 특정주기마다, 최적운전곡선 상에, TBM의 현재 상태값을 표출하게 된다.

그리고 운전자는 운전조정부(33)를 통해 이러한 현재 상태값이 표출된 최적운전곡선을 기반으로 운전인자를 조정하게 된다.

이러한 운전인자는 TBM 추력과 RPM이고, 운전조정부(33)에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 최적운전곡선산출부(31)는, 변경된 TBM 추력과 RPM과 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 최적운전곡선을 변경하여 제시하게 된다.

즉, 운전자는 현재의 최적운전곡선과 현재 상태값을 확인하면서, 최적운전곡선에 근접하게 운전될 수 있도록 TBM 추력과 RPM을 조정하게 된다.

그리고 TBM 추력과 RPM을 조정하게 되면, 최적운전곡선산출부(31)는, 변경된 TBM 추력과 RPM과 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 최적운전곡선을 변경하여 제시하게 되고, 운전자는 이러한 과정을 반복하면서, 최적운전이 될 수 있도록 운전인자를 변경하게 된다.

도 8a는 기 시공된 암반지반을 대상으로 계측된 UCS와 본 발명의 실시예에 따라 예측된 UCS의 비교 데이터를 도시한 것이다. 그리고 도 8b는 기 시공된 암반지반을 대상으로 계측된 추력과 본 발명의 실시예에 따라 계산된 추력과, 최적운전시 추력의 비교 데이터를 도시한 것이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 기 시공된 암반지반을 대상으로 한 TBM 굴진데이터를 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템으로 분석한 결과, UCS 실측값과 예측값, 추력의 실측값과 예측값이 전반적으로 일치하고 있음을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저 운전하게 되는 TBM의 장비사양데이터를 입력하게 된다. 장비사양데이터는 앞서 언급한 바와 같이, 최대 파워값, 최대 RPM값, 최대 추력, 최대 토크값, 커터 허용하중, 커터의 직경, 커터 간격, 커터 개수, TBM의 직경 등에 해당한다.

그리고 이러한 TBM을 통해 암반 굴착을 시작하게 된다(S1).

그리고 굴진데이터 측정부(10)가 TBM 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하게 된다(S2). 이러한 본 발명의 실시예에 따른 굴진데이터는 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)에 해당한다.

그리고 지반상태 예측부(20)는 굴진데이터 측정부(10)에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값에 해당하는 UCS를 산출하게 된다(S3).

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 UCS는 하기 수학식 1에 의해 산출되게 된다.

[수학식 1]

그리고 최적운전제시부(30)는 지반상태예측값과 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하게 된다.

구체적으로 최적운전곡선산출부(31)는 UCS와 장비사양데이터를 기반으로, 굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 표출하게 된다(S4).

그리고 현재상태표출부(32)는 실시간으로 최적운전곡선 상에, 현재 상태값을 표출하게 된다. 즉, 최적운전곡선 상에 현재 상태값인 TBM의 현재 굴진률과 TBM 추력을 실시간 또는 특정 주기 마다 표시하게 된다(S5).

그리고 TBM 운전자는 현재 상태값이 표출된 최적운전곡선을 기반으로 운전조정부(33)를 통해 현재 상태값이 최적운전곡선에 근접하게 되도록 운전인자인 TBM 추력과 RPM을 조정하게 된다(S6, S7).

그리고 운전조정부(33)에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 최적운전곡선산출부(31)는, 변경된 TBM 추력과 RPM과 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 최적운전곡선을 변경하여 제시하게 된다.

앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)에 따르면, TBM을 이용한 터널 굴진 시 얻어지는 굴진데이터(TBM 토크(Torque, M), 분당회전속도(RPM), 추력(Thrust force) 등)를 실시간으로 분석하여 전방의 지질상태 예측, 그리고 굴진속도를 높이기 위한 방법으로 RPM 또는 추력(Thrust force)을 적절하게 조정하도록 실시간으로 가이드하여 최적운전을 할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100)에 따르면, TBM 운전시 취득되는 굴진데이터를 실시간으로 분석하여 실제 지반조건을 굴착하는데 필요한 주요 인자들(토크, RPM, 추력, 굴진률 등)이 장비 성능 내에서 최대의 성능을 구현하도록 운전방법을 제시할 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, 굴진데이터를 분석하여 운전성능이 최대가 되도록 하기 위하여, 암반상태에 대한 예측식을 구축하여 지반상태에 따른 최적 운전방법을 제시하도록 하고, 실시간으로 취득되는 TBM의 굴진 데이터가 수신되면 시스템(100)에 탑재된 알고리즘에 따라 분석되어 주요 운전인자들(RPM, 추력)이 최적점에 도달하도록 운전조건을 제시하는 시스템(100)으로 장비에 무리가 가지 않는 상태에서 굴진속도 증대가 가능하여 공사기간 단축을 도모할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, 암바 지반조건에 적합한 운전방법을 도출하여 장비성능내에서 최대의 굴진속도 발현을 통한 공기단축이 가능하고, TBM 운영의 적합여부 판단 과대/과소 운전방지를 통한 Down time을 감소시킬 수 있으며, 시공 중/후에 축적된 data 분석을 통한 향후 공사방향 설정 가능할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, 암반용 TBM의 굴진 데이터를 실시간으로 분석하여 전방의 암반 지반상태(UCS)를 예측할 수 있으며 적정 토크와 파워 내에서 최대 굴진속도를 구현하는 최적운전인자(추력, RPM)의 관계를 운전자에게 제시할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, 실시간 굴진 데이터를 이용/분석하여 도출된 지반상태 예측값(UCS)을 이용하여 최적 운전인자를 도출하는 알고리즘을 이용하여 실시간으로 굴진데이터를 분석하여 최적운전 방향 제시할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, TBM 최적운전 시스템(100)에 TBM 장비사양을 입력하면 최적운전 곡선을 자동으로 작도하여 운전자에게 제시하고, 운전자는 작도된 최적운전 곡선과 현재 운영되고 있는 굴착현황을 비교하여 직관적으로 작업현황을 파악할 수 있고, 최적운전곡선 대비 주요 굴진요소(UCS, RPM, 토크)의 변화에 따라 최적 운전점을 찾아갈 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 암반용 TBM 최적운전시스템(100) 및 최적운전방법에 따르면, TBM 굴착시 굴진 데이터를 실시간으로 분석하여, 현재상황을 운전자에게 알려주고, 최적운전을 위해서 주요 운전인자를 조정하도록 유도하는 TBM 최적운전 시스템 컨트롤러를 통해 실시간 자료 분석 및 실시간 최적운전 가이드가 가능하고, 분석된 실시간 데이터는 데이터 저장장치에 기록되어 추후 공사기록분석에도 활용될 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:TBM
10:굴진데이터 측정부
20:암반 지반상태예측부
30:최적운전제시부
31:최적운전곡선 산출부
32:현재상태표출부
33:운전조정부
100:암반용 TBM 최적운전시스템

Claims

TBM 최적 운전시스템에 있어서,
TBM을 통해 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하는 굴진데이터 측정부;
상기 굴진데이터 측정부에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하는 지반상태 예측부;
TBM의 현재 상태값을 표출하는 현재상태표출부;
상기 지반상태예측값, 상기 현재 상태값, 및 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하는 최적운전제시부; 및
상기 현재 상태값이 표출된 최적운전데이터를 기반으로 운전인자를 조정하는 운전조정부;를 포함하고,
상기 굴진데이터는 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)이며, 상기 지반상태예측값은 일축압축강도(Uniaxial Compressive strength, UCS)이고,
상기 UCS는 하기의 수학식 1에 의해 예측되는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템:
[수학식 1]

수학식 1에서, Fn는 normal force이고, Fr는 rolling force이고, T는 커버 트립 폭이고, R은 커터 반경(cutter radius), S는 커터 면적(cutter spacing), p는 관입깊이(penetration), M은 TBM 커터헤드 토크, P는 TBM 커터헤드 파워, Ntbm는 커터 개수(number of cutters), Dtbm은 TBM 직경이다.
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 최적운전데이터는,
굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 포함하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템.
제 5항에 있어서,
상기 장비사양데이터는 최대 파워값, 최대 RPM값, 최대 추력, 최대 토크값, 커터 허용하중, 커터의 직경, 커터 간격, 커터 개수, TBM의 직경인 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템.
제 6항에 있어서,
상기 운전인자는 TBM 추력과 RPM이고, 상기 운전조정부에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 상기 최적운전제시부는, 변경된 TBM 추력, RPM, 및 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 상기 최적운전곡선을 변경하여 제시하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전시스템.
TBM 최적 운전방법에 있어서,
TBM을 통해 암반을 굴착하는 제1단계;
굴진데이터 측정부가 TBM 암반 굴진시, 실시간으로 굴진데이터를 측정하는 제2단계;
지반상태 예측부가 상기 굴진데이터 측정부에 의해 측정되는 굴진데이터를 기반으로 암반 지반상태예측값을 산출하는 제3단계;
최적운전제시부가 상기 지반상태예측값과 TBM 장비 사양데이터를 기반으로 최적운전데이터를 제시하는 제4단계;
현재상태표출부가 실시간으로 상기 최적운전데이터 상에, 현재 상태값을 표출하는 제5단계;
TBM 운전자가 상기 현재 상태값이 표출된 최적운전데이터를 기반으로 운전조정부를 통해 운전인자를 조정하는 제6단계;를 포함하고,
상기 제2단계에서, 상기 굴진데이터 측정부는 실시간으로 TBM 추력(Thrust Force), TBM 토크(M), 분당회전속도(RPM), 및 굴진깊이(p)를 측정하며,
상기 제3단계는, 하기 수학식 1에 의해 UCS를 산출하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법:
[수학식 1]

수학식 1에서, Fn는 normal force이고, Fr는 rolling force이고, T는 커버 트립 폭이고, R은 커터 반경(cutter radius), S는 커터 면적(cutter spacing), p는 관입깊이(penetration), M은 TBM 커터헤드 토크, P는 TBM 커터헤드 파워, Ntbm는 커터 개수(number of cutters), Dtbm은 TBM 직경이다.
삭제
삭제
제 8항에 있어서,
상기 제4단계 및 제5단계에서,
상기 최적운전제시부는, 상기 UCS와 장비사양데이터를 기반으로, 굴진률에 대한 TBM normal force 그래프 상에, 장비 최대 파워곡선과, 커터 로드 제한선과 TBM 토크 제한 곡선과 커터 지오메트리 제한선을 연결한 최적운전곡선을 표출하고,
상기 현재 상태값은 상기 최적운전데이터 상에 TBM의 현재 굴진률과 TBM nornal force를 표시하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법.
제 11항에 있어서,
상기 운전인자는 TBM 추력과 RPM이고,
상기 제6단계는 상기 운전자가 현재 상태값과 최적운전곡선을 기반으로 현재 상태값이 상기 최적운전곡선에 근접하도록 상기 TBM 추력과 RPM을 조정하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법.
제 12항에 있어서,
상기 운전인자를 조정하는 단계 후에,
상기 운전조정부에 의해, TBM 추력과 RPM을 변경하면, 상기 최적운전제시부는, 변경된 TBM 추력과 RPM과 TBM 토크와 다시 산출된 UCS값을 기반으로 상기 최적운전곡선을 변경하여 제시하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법.
제 13항에 있어서,
상기 제7단계 후에, 제5단계 내지 제7단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 암반용 TBM 최적운전방법.
하드웨어인 컴퓨터와 결합되어, 제8항 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된, TBM 최적운전 프로그램.