KR102512730B1 - 쉴드 tbm 설계 방법, 쉴드 tbm 설계 장치 및 쉴드 tbm 검수 장치 - Google Patents

쉴드 tbm 설계 방법, 쉴드 tbm 설계 장치 및 쉴드 tbm 검수 장치 Download PDF

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Abstract

실시예는, 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 이를 이용한 쉴드 TBM 검수 장치에 관한 것으로서, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험을 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자에 관한 수학식을 도출하여 목적에 따라 쉴드 TBM을 설계 및 검토할 수 있는 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 이를 이용한 쉴드 TBM 검수 장치에 관한 것이다.

Description

쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치{SHIELD TBM DESIGN METHOD, SHIELD TBM DESIGN DEVICE AND SHIELD TBM INSPECTION DEVICE}
실시예는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 설계 방법, 쉴드 TBM설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 면판의 직경이 3.56M급인 소단면 쉴드 TBM 설계 방법, 소단면 쉴드 TBM 설계 장치 및 소단면 쉴드 TBM 검수 장치에 관한 것이다.
종래의 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 설계기술은 국외의 설계기술을 도입함으로써, 국내 암반(지반)특성에 적용하기에는 한계가 있다. 종래의 쉴드 TBM 설계기술은 일직선으로 암반을 파쇄하는 선형절삭기계(Linear Cutting Machine)를 이용하여 디스크커터에 작용하는 연직력 및 회전력을 계측하여 도출된 결과로부터 쉴드 TBM 장비의 기본적인 사양(추력, 토크, 동력 등)을 설계할 수 있다. 이러한 쉴드 TBM 설계기술은 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 설계방법이지만, 다수의 디스크커터가 암반에 압입하여 회전하는 형태의 실제 굴착메커니즘과는 차이가 있다.
또한, 종래의 쉴드 TBM 설계 기술로서, 해외에서 제시된 특화된 실험을 통해 암석의 천공용이성(Drilling Rate Index, DRI)과 디스크 커터의 수명(Cutter Life Index, CLI)을 판단하여 쉴드 TBM 장비의 기본적인 설계를 진행하는 방법이 사용된다. 하지만, 국내에서는 해외에서 진행된 실험에 대한 노하우가 없기 때문에 해외에서 제시된 특화된 실험을 통해 쉴드 TBM을 설계하는 방법은 국내에서 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 쉴드 TBM 설계 기술로서, 다양한 현장 데이터를 바탕으로 다변량 통계분석을 통해 경험식을 도출하는 방법이 사용된다. 하지만, 도출된 주요 인자와 경험식은 그 현장에서 최적화된 방법이므로, 범용적으로 적용할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 쉴드 TBM 면판의 직경이 3.56M급인 소단면 TBM의 설계기술은 아직 확보되지 않은 상태이다.
또한, 설계된 쉴드 TBM을 검수하는 방법으로써, 종래의 쉴드 TBM 검수 방법은, 종이와 펜으로 쉴드 TBM 장비의 치수 측정 위주로 검수를 수행해왔다. 쉴드 TBM 설계의 적합성을 판단하기 위해서는 측정된 치수 등을 이용하여 사무실로 공간을 옮겨, 컴퓨터를 통해 엑셀이나 기타 프로그램을 이용하여 설계의 적합성을 판단해야 하고, 다시 공장 및 현장에 나가 검수 작업을 수행하여야 하기 때문에 직관적으로 면판 설계와 쉴드 TBM 장비 검수의 적합성을 판단하기에 어려운 문제점이 있다.
실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는, 국내 암반 및 지반 특성에 적용할 수 있는 쉴드 TBM 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는3.56m 급 쉴드 TBM 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는, 현장 및 공장에서 쉴드 TBM을 검수할 수 있는 휴대용 검수 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시예는 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 방법으로서, 실대형 굴착 실험을 이용하여, 암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터 각각의 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식 1을 도출하는 단계, 상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력에 관한 수학식 2를 도출하는 단계, 그리고 쉴드 TBM 설계 인자를 이용하여 굴진 속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계를 포함하며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 수학식 1은 다음과 같이 정의되며, [수학식 1] P=(Fn/(0.8UCS+27))- 0.0014UCS +1.69 상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 수학식 2는 다음과 같이 정의되며, [수학식 2] Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn + 5 상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 굴진 속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계는, 수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하는 단계를 더 포함하며, 상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고, [수학식 3] T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr 상기 수학식 3에서 T는 상기 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 디스크 커터의 헤드 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고, 상기 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수이다.
또한, 실시예에 따른 굴진속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계는, 수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며, [수학식 4] RPM=(P×60×u)/(2π×T) 상기 수학식 4에서 RPM은 상기 디스크 커터의 헤드 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 구동부 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 토크를 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 구동부 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 실대형 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험이다.
또한, 실시예는 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 장치로서, 실대형 굴착 실험를 통해, 암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터의 각각의 연직력에 따른 압입 깊이 데이터를 이용하여 수학식 1을 도출하고, 상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력 데이터를 이용하여 수학식 2를 도출하는 관계식 도출부, 그리고 쉴드 TBM 설계 인자를 이용하여 굴진속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 쉴드 TBM 설계부를 포함하며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 수학식 1은 다음과 같이 정의되며, [수학식 1] P=(Fn/(0.8UCS+27))- 0.0014UCS +1.69 상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 수학식 2는 다음과 같이 정의되며, [수학식 2] Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn +5 상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 상기 TBM 설계부는, 수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하며, 상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고, [수학식 3] T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr 상기 수학식 3에서 T는 상기 커터 헤드의 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 커터 헤드의 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고, 성가 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수이다.
또한, 실시예에 따른 TBM 설계부는, 수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하고, 상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며, [수학식 4] RPM=(P×60×u)/(2π×T) 상기 수학식 4에서 RPM은 상기 커터 헤드의 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 디스크 커터의 토크를 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 실대형 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험이다.
또한, 실시예는 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 적합성을 판단하는 검수 장치로서, 상기 쉴드 TBM의 부품 정보를 전송하는 쉴드 TBM 정보 전송기, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험으로부터 도출된 암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터의 각각의 연직력에 따른 압입 깊이에 관학 수학식 1과 상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력에 관한 수학식 2를 저장하고, 상기 수학식 1 및 상기 수학식 2를 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자를 산출하는 설계 인자 도출부, 상기 쉴드 TBM 설계 인자와 상기 쉴드 TBM 부품 정보를 비교하여 상기 쉴드 TBM의 설계 적합성을 판단하는 비교부를 포함하는, 적합성 판단기를 포함하며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 수학식 1은 다음과 같이 정의되며, [수학식 1] P=(Fn/(0.8UCS+27))- 0.0014UCS +1.69 상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 수학식 2는 다음과 같이 정의되며, [수학식 2] Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn +5 상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타낸다.
또한, 실시예에 따른 설계 인자 도출부는, 수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하며, 상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고, [수학식 3] T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr 상기 수학식 3에서 T는 상기 커터 헤드의 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 커터 헤드의 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고, 성가 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수이다.
또한, 실시예에 따른 설계 인자 도출부는, 수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하고, 상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며, [수학식 4] RPM=(P×60×u)/(2π×T) 상기 수학식 4에서 RPM은 상기 커터 헤드의 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 디스크 커터의 토크를 나타내며, 상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 실대형 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험이다.
실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는, 국내 암반 및 지반 특성에 적용할 수 있는 쉴드 TBM 설계 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는3.56m 급 쉴드 TBM 설계 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법, 쉴드 TBM 설계 장치 및 쉴드 TBM 검수 장치는, 현장 및 공장에서 쉴드 TBM을 검수할 수 있는 휴대용 검수 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 쉴드 TBM의 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험을 하는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도 및 디스크 커터의 연직력에 따른 압입 깊이의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 쉴드 TBM의 소요 추력과 토크의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 27Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 57Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 70Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 99Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 9는 실시예에 따른 암석의 일축압축강도와 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비의 상관관계에 관한 그래프이다.
도10은 실시예에 따른 디스크 커터의 연직력 및 암석의 일축압축강도에 따른 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 11은 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법의 순서도이다.
도12는 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 장치의 블록도이다.
도13은 실시예에 따른 쉴드 TBM 검수 장치의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 쉴드 TBM의 구성을 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 쉴드 TBM의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 쉴드 TBM(1)은 복수의 디스크 커터(110)이 장착된 커터 헤드(120)를 장착한 쉴드 TBM(1)을 발진구에 장착시켜 막장면의 붕괴를 방지하면서 커터 헤드(120)의 회전력에 의하여 굴착을 실시한다. 커터 헤드(120)에는 다양한 디스크 커터(110)이 장착되어 암석을 절삭하거나 지반을 굴착할 수 있다. 디스크 커터(110)와 커터 헤드(120)의 회전은, 제어부(미도시)가 디스크 커터(110) 및 커터 헤드(120)를 구동시키는 구동부(180)를 제어함으로써 설정할 수 있다.
굴착 챔버(chamber, 130)는 커터 헤드(120)의 후면에 위치한 공간으로, 디스크 커터(110)가 굴착한 공간의 토압을 안정적으로 유지하기 위해 이수나 토사를 넣어 지반을 압력을 견딘다. 또한, 후통부에 위치한 이렉터(erector, 140)를 이용하여 콘크리드 세그먼트(segment, 150)를 부착하여 외부 토압 및 수압에 대응하며, 즉시 테일 보이드(tail void)에 그라우팅(grouting)을 실시함으로써 지반침하를 최소화할 수 있다.
쉴드 TBM(1)은 미리 설치된 마지막 세그먼트(150)를 반력벽으로 이용하여 전진한다. 구체적으로, 추진용 유압 실린더(160)를 이용하여 설치된 세그먼트(150)와의 반반력을 이용하여 쉴드 TBM(1)이 전진할 수 있다. 굴착된 토사와 암반은 버럭 반출용 컨베이어 벨트(170)를 이용하여 터널 밖으로 배출된다. 구동부(180)는 디스크 커터(110) 및 커터 헤드(120)를 구동하기 위하여 모터 및 유압 펌프를 포함할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험을 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험을 하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험은 인공 암반(Artificial rock mass, 200)를 구성하여 실제 현장 및 공장에서와 같은 환경을 조성하여 쉴드 TBM(1)의 굴진 실험을 진행할 수 있다. 인공 암반(200)은 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 87.5m3부피의 암반 박스에 인공 암반을 삽입하여 형성될 수 있다. 따라서, 인공 암반(200)에 대한 최대 굴진거리는 3.5m보다 작게 설정된다.
인공 암반(200)의 재료는 콘크리트 및 모르타르로 구분하여 조성할 수 있으며, 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험을 이용하여 인공 암반(200)의 재료적 특성과 쉴드 TBM(1)의 운전 조건이 압입 깊이 및 굴진 데이터에 미치는 영향을 분석할 수 있다.
실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험을 위한 구조물은 H형강과 지중 앵커를 이용하여 굴착직경 3,622mm의 굴진에 따른 최대 8,000kN의 힘에 대응할 수 있도록 설계된다. 인공 암반(200)에 포함된 암석 칩(Rock chips)의 효율적인 배토를 위하여 스크류 컨베이어 벨트(Screw conveyor)와 벨트 컨베이어(belt conveyor)를 이용한 Muck system(210)을 설치할 수 있다. 스크류 컨베이어의 피치(Pitch)는 400mm로 설계할 수 있으며 케이싱의 각도는 9°로 설정할 수 있다.
실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험은 암석의 일축압축강도, 디스크 커터(110) 및 커터 헤드(120)의 규격, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력, 디스크 커터(110)의 추력, 디스크 커터(110)의 헤드 회전 속도 등 쉴드 TBM(1)의 설계 인자를 변경하여 실험을 실시할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험은 설계 인자를 변경하며 이에 따른 압입 깊이, 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 수집할 수 있다. 구체적으로, 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력에 따른 압입 깊이 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비율에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 획득할 수 있다.
쉴드 TBM의 설계 인자는 암석의 일축압축강도, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력, 압입 깊이, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비, 디스크 커터(110) 당 회전력, 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수, 커터 헤드(120)의 토크, 쉴드 TBM(1) 구동부(180)의 동력, 쉴드 TBM의 장비 효율, 커터 헤드(120)의 회전 속도 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 하지만, 쉴드 TBM의 설계 인자가 이에 한정되는 것은 아니며, 쉴드 TBM(1)을 설계하기 위한 모든 요소를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험은 암반의 일축압축강도와 쉴드 TBM(1)의 소요 추력 및 커터 헤드(120)의 회전 속도에 따른 순굴진율 데이터를 획득할 수 있다. 순굴진율 데이터를 획득하기 위하여 아래의 표 1 및 표 2와 같은 테이블을 이용하여 실대형 굴진 실험을 수행한다.

Test cases		 인공 암반 조성
재료 계획 압축강도 측정 압축강도
(Mpa)
Test 1 모르타르 20 27
Test 2 콘크리트 50 57(average)
모르타르
Test 3 콘크리트 70 70
Test 4 모르타르 100 99
쉴드 TBM 운전조건 변수
추력(kN) 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000
디스크 커터 당 연직력(kN) 38.46, 76.92, 115.38, 153.85, 192.31
커터 헤드 회전 속도(rev/min) 1.5(1pump, 90kW), 4.5(3pumps, 270kW), 6.0(4-5pumps, 360-450kW), 7.5(5-7pumps, 450-630kW)
표 1은 실제 조성된 인공 암반의 재료에 따른 일축압축강도를 나타낸 표이다.
인공 암반의 일축압축강도는 터널식 전력구 현장에서 가장 많은 빈도수로 나타나는 20, 50, 70, 100Mpa로 설계하여 실험을 수행하였다. 실제 측정된 인공 암반의 일축압축강도는 계획 압축강도가 20Mpa인 경우 27Mpa로 측정되었다. 또한, 계획 압축강도가 50Mpa인 경우 평균 57Mpa가 측정되었으며, 계획 압축강도가 70Mpa인 경우 70Mpa가, 계획 압축강도가 100Mpa인 경우 99Mpa가 측정되었다.
표 2는 실대형 굴착 실험을 위한 쉴드 TBM(1)의 운전 조건을 나타내는 표이다. 표 2는 소요 추력, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력, 커터 헤드(120)의 회전 속도 설정 값을 나타낸다.
소요 추력 조건은 디스크 커터(110)의 개수와 허용 하중 및 쉴드잭 유압 설비 등을 고려하여 1,000kN, 2,000kN, 3,000kN, 4,000kN, 5,000kN까지 총 5가지 운전 조건으로 설정하였다. 또한, 디스크 커터(110) 각각에 작용하는 연직력은 소요 추력을 디스크 커터(110)의 개수로 나누어 도출할 수 있다. 따라서 디스크 커터(110) 각각에 작용하는 연직력은 38.46kN, 76.92kN, 115.38kN, 153.85kN, 192.31kN으로 도출될 수 있다.
커터 헤드(120)의 회전 속도는 쉴드 TBM(1)의 모터 등을 포함하는 구동부(180)의 성능을 고려하여 1.5RPM, 4.5RPM, 6.0RPM, 7.5RPM까지 총 4가지 운전 조건으로 설정한다. 인공 암반의 일축압축 강도 및 소요 추력에 따라 커터 헤드(120)의 목표 회전 속도를 맞추기 위하여 가동할 유압 펌프의 개수를 실험을 통하여 설정하였다. 총 4가지의 암반의 일축압축강도 내에서 운전 조건을 고려하여 약 100회의 실험을 수행하였으며, 굴진 거리는 약 50mm에서 100mm 사이로 설정하여 실험을 수행하였다.
커터 헤드(120)의 회전 속도를 1.5RPM으로 설정하기 위해서는 1개의 유압 펌프를 가동하며, 1개의 유압 펌프를 가동하기 위하여 90kW의 동력이 요구된다. 커터 헤드(120)의 회전 속도를 4.5RPM으로 설정하기 위해서는 3개의 유압 펌프를 가동하며, 3개의 유압 펌프를 가동하기 위하여 270kW의 동력이 요구된다. 커터 헤드(120)의 회전 속도를 6.0RPM으로 설정하기 위해서는 4-5개의 유압 펌프를 가동하며, 4-5개의 유압 펌프를 가동하기 위하여 360-450kW의 동력이 요구된다. 커터 헤드(120)의 회전 속도를 7.5RPM으로 설정하기 위해서는 5-7개의 유압 펌프를 가동하며, 5-7개의 유압 펌프를 가동하기 위하여 450-630kW의 동력이 요구된다.
실시예에 따른 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험은 실험 변수로 소요 추력을 1,000kN, 2,000kN, 3,000kN, 4,000kN, 5,000kN까지 조절하여 굴진 실험을 수행한다. 소요 추력에 따라 쉴드 TBM(1)이 인공 암반(200)내에서 굴진한 거리와 소요 시간 데이터를 획득하고, 이를 이용하여 압입 깊이에 관한 설계식을 도출할 수 있다. 암반의 일축압축강도에 따라 가한 소요 추력을 이용하여 커터 헤드(120)에 작용하는 토크 값을 획득한다.
이하, 도 3을 참조하여 암석의 일축압축강도 및 디스크 커터의 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 상관관계를 설명한다.
도 3은 암석의 일축압축강도 및 디스크 커터의 연직력에 따른 압입 깊이의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 색에 따라 암석의 일축압축강도를 구분하였으며, x축은 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력(kN)을 나타내며, y축은 압입 깊이(mm/rev)를 나타낸다. 도 3의 그래프는 상술한 바와 같이 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험에서 소요 추력을 1,000kN 에서 5,000kN까지 조절하여 굴진 실험을 수행하여 획득할 수 있다. 압입 깊이는 쉴드 TBM(1)이 암반내에서 굴진한 거리 및 소요 시간을 이용하여 획득할 수 있다.
구체적으로는, 소요 추력을 디스크 커터(110)의 개수로 나누어 디스크 커터(110) 각각의 연직력을 산정하고, 아래의 수학식 1을 이용하여 압입 깊이를 계산하였다.
[수학식 1]
압입 깊이 = (굴진 거리/굴진 소요 시간)/(커터 헤드의 평균 회전 속도)
상술한 수학식 1을 이용하여 압입 깊이를 산출하여, 도 3에 도시된 바와 같은 그래프를 도출할 수 있다. 도 3의 그래프는 암석의 일축압축강도에 따라 디스크 커터(110)에 얼마만큼의 하중을 적용해야 암반에 얼마만큼 압입을 할 수 있는지에 관한 데이터를 나타낸다. 따라서, 도 3의 그래프의 추세선을 이용하여 암석의 일출압축강도 및 디스크 커터 당 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식 2를 도출할 수 있다.
[수학식 2]
P = (Fn/(0.8UCS+27))-0.0014UCS+1.69
여기서, P는 압입 깊이(mm/rev), Fn은 디스크 커터 당 연직력(kN), UCS는 암석의 일축압축강도(Mpa)를 나타내며, 압입 깊이는 8mm/rev 이하의 값을 가진다.
수학식 2를 이용하여 암석의 일축압축 강도 및 디스크 커터(110)의 연직력에 따른 압입 깊이를 산출하거나, 압입 깊이 및 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110) 당 연직력을 산출할 수 있다. 또한, 수학식 2를 이용하여 쉴드 TBM(1)의 굴진 속도를 산정할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 쉴드 TBM의 소요 추력과 토크의 상관관계를 설명한다.
도 4는 실시예에 따른 쉴드 TBM의 소요 추력과 토크의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 4를 참조하면, x축은 소요 추력(Thrust force), y축은 토크(Torque)를 나타낸다. 도 4는 상술한 바와 같이 실대형 굴진 실험에서 소요 추력을 1,000kN 내지 5,000kN으로 조절하여, 소요 추력에 따른 커터 헤드(120)의 토크 값을 획득하여 그래프로 도시한 것이다.
구체적으로는, 소요 추력이 1,000kN, 2,000kN, 3,000kN, 4,000kN, 5,000kN인 경우에 따른 복수의 굴진 실험을 수행하여 커터 헤드(120)의 토크 값을 측정하고, 각 소요 추력에 따른 평균 토크 값에 따른 추세선을 도시한 그래프이다.
도 4의 그래프에 따르면, 소요 추력과 커터 헤드(120)의 토크 값은 선형적인 관계를 가진다. 따라서, 소요 추력과 커터 헤드(120)의 토크의 상관 관계를 바탕으로 아래의 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 디스크 커터(120)에 작용하는 연직력 및 디스크 커터(130) 당 회전력을 도출할 수 있다.
[수학식 3]
Fn = FTh/N
여기서, Fn은 디스크 커터(110) 당 연직력(kN), FTh는 쉴드 TBM의 소요 추력(kN), N은 디스크 커터(110)의 개수를 나타낸다.
[수학식 4]
Fr = T/(rmc * DTBM * N * 0.5)
여기서, Fr은 디스크 커터(110) 당 회전력(kN), T는 커터 헤드(120)의 토크, rmc는 디스크 커터(110)의 상대적 거리, N은 디스크 커터(110)의 개수, DTBM은 커터 헤드(120)의 직경(m)을 나타낸다. 이 때, rmc는 디스크 커터(110)의 상대적 거리를 나타내는 인자로써, 토크 값을 산출하기 위한 상수 값이 사용되며 일반적으로 0.6이 사용된다.
수학식 3 및 수학식 4에 따라 도출한 디스크 커터(110)의 연직력 및 회전력을 이용하여 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비를 도출할 수 있다. 또한, 복수의 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비를 이용하여 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비에 관한 그래프를 산출할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 9를 참조하여 암석의 일축압축강도와 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비의 상관관계를 설명한다.
도 5는 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 27Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 57Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 70Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 암석의 일축압축강도가 99Mpa이고, 커터 헤드의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 9는 실시예에 따른 암석의 일축압축강도와 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 5 내지 도 8의 그래프는, 디스크 커터(110)의 연직력과 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 그래프이다. x축은 디스크 커터(110) 당 연직력(Normal force)을 나타내고, y축은 디스크 커터(110) 당 회전력(Rolling force)을 나타낸다. 구체적으로, 디스크 커터(110)의 연직력에 따른 복수의 디스크 커터(110)의 회전력을 산출하고, 디스크 커터(110)의 연직력에 따른 평균 회전력의 추세선을 도시한 그래프이다.
따라서, 도 5 내지 도 8의 추세선의 기울기(kc)에 따라 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비를 산출할 수 있다. 도 5는 암석의 일축압축강도가 27Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다. 그러므로, 암석의 일축압축강도가 27Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비는 0.095가 측정된다.
또한, 도 6은 암석의 일축압축강도가 57Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다. 따라서, 일축압축강도가 57Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비는 0.07이 측정된다.
또한, 도 7은 암석의 일축압축강도가 70Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다. 따라서, 암석의 일축압축강도가 70Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비는 0.06이 측정된다.
또한, 도 8은 암석의 일축압축강도가 99Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 연직력과 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다. 따라서, 암석의 일축압축강도가 99Mpa이고, 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5RPM 이상인 경우, 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비는 0.055가 측정된다. 더불어, 도 5 내지 도 8에서 산출된 연직력 대비 회전력의 비는 커터 헤드(120)의 RPM이 4.5 RPM 이상인 경우 중, 4.5RPM, 6.0 RPM, 7.5RPM인 경우의 실험 데이터를 종합하여 분석한 데이터 값이다.
따라서, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 암석의 일축압축강도가 증가함에 따라 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비(kc)는 0.095에서 0.055로 크게 감소한다. 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비(kc)는 아래의 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 5]
kc = Fr / Fn
여기서 kc는 커터 상수로서, 디스크 커터(110)의 연직력과 회전력의 비를 나타내며, Fr은 디스크 커터(110) 당 회전력(kN), Fn은 디스크 커터(110) 당 연직력(kN)을 나타낸다.
도 9는 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비(kc)를 나타내는 그래프이다. x축은 암석의 일축압축강도를 나타내고, y축은 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비(kc)를 나타낸다.
구체적으로, T1은 도 5에서 산출한 바와 같이, 암석의 일축압축강도가 27Mpa인 경우 측정한 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비 0.095를 나타낸다. 또한, T2는 도 6에서 산출한 바와 같이, 암석의 일축압축강도가 57Mpa인 경우 측정한 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비 0.07을 나타낸다.
또한, T3는 도 7에서 산출한 바와 같이, 암석의 일축압축강도가 70Mpa인 경우 측정한 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비 0.06을 나타낸다. 또한, T4는 도 8에서 산출한 바와 같이, 암석의 일축압축강도가 99Mpa인 경우 측정한 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비 0.055을 나타낸다.
따라서, 도 9는 T1 내지 T4를 연결한 추세선을 나타낸다. 도 9를 따르면, 디스크 커터(110)에 작용하는 연직하중과 암석의 일축압축강도에 따라 디스크 커터(110)의 연직력이 얼마만큼 회전력으로 변환되는지를 알 수 있다. 도 9를 참조하면, 암석의 일축압축강도가 증가함에 따라 디스크 커터(110)의 연직력과 회전력의 비(kc)의 값은 로그형태로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 그래프를 이용하여 아래의 수학식 6을 도출할 수 있다.
[수학식 6]
kc = -0.03ln(UCS) + 0.2
여기서, kc는 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비, UCS는 암석의 일축압축강도(Mpa)를 나타낸다.
암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비(kc)에 관한 수학식 6을 이용하면, 디스크 커터(110)의 연직력과 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 그래프 및 수학식을 도출할 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여 암석의 일축압축강도와 디스크 커터의 연직력에 따른 디스크 커터 회전력의 상관관계를 설명한다.
도 10은 실시예에 따른 디스크 커터 당 연직력 및 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터 당 회전력의 상관관계에 관한 그래프이다.
도 9의 그래프를 이용하여 도출한 암석의 일축압축강도에 대한 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비의 관계식을 아래의 수학식 7 에 대입하여 수학식 8을 도출할 수 있다.
[수학식 7]
Fr = kc * Fn + 5
여기서 Fr은 디스크 커터(110) 당 회전력(kN), kc는 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비, Fn은 디스크 커터(110)당 연직력(kN)을 나타낸다.
수학식 7은 수학식 5 에 기본적으로 가해지는 유압값에 대응되는 값인 5를 더한 수학식이다. 디스크 커터(110)에 연직력이 가해지지 않는 조건(Fn = 0)에서도 회전력은 5kN이 기본적으로 발현되고, 이는 커터헤드를 회전시키기 위하여 유압라인에 기본적으로 가해지는 유압이다.
[수학식 8]
Fr = (-0.03ln(UCS) + 0.2) * Fn + 5
여기서 Fr은 디스크 커터(110) 당 회전력(kN), UCS는 암석의 일축압축강도(Mpa), Fn은 디스크 커터(110) 당 연직력(kN)을 나타낸다.
따라서, 도 10은 수학식 8에 따라 도시한 그래프로서, x축은 디스크 커터(110) 당 연직력, y축은 디스크 커터(110) 당 회전력, 각 도선의 색은 암석의 일축압축강도를 나타낸다. 디스크 커터(110) 당 회전력을 산정한 후에는 수학식 9를 이용하여 커터 헤드(120)에 작용하는 토크를 산정할 수 있다.
[수학식 9]
T = 0.5 * rmc * DTBM * N * Fr
여기서, T는 토크(kN·m), rmc는 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM은 커터 헤드(120)의 직경, N은 설계된 디스크 커터(110)의 개수, Fr은 디스크 커터(110) 당 회전력(kN)을 나타낸다. 또한, 상술한 바와 같이 rmc는 디스크 커터(110)의 상대적 거리를 나타내는 인자로써, 토크 값을 산출하기 위한 상수 값이 사용되며 일반적으로 0.6이 사용된다.
또한, 커터 헤드(120)에 작용하는 토크 값(T)과 장비 효율에 따른 회전 속도를 나타내는 아래의 수학식 10을 이용하여 커터 헤드(120)의 회전 속도를 산정할 수 있다.
[수학식 10]
RPM = (P * 60 * u) / (2π * T)
여기서, RPM은 커터 헤드(120)의 회전 속도(rev/min), P는 쉴드 TBM(1)의 구동부(180) 동력(kW), u는 쉴드 TBM(1)의 장비 효율(%), T는 커터 헤드(120)의 토크(kN·m)를 나타낸다.
이하, 도 11을 참조하여 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법 설명한다.
도 11은 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 방법의 순서도이다.
도 11을 참조하면, 단계(S110)에서는, 도2에 도시된 바와 같이 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험을 실시한다. 이때, 상술한 바와 같이 쉴드 TBM(1)의 설계 인자를 변경하며 이에 따른 압입 깊이, 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 수집할 수 있다. 구체적으로, 암석의 일축압축강도 및 소요 출력, 디스크 커터(110) 각각의 연직력, 커터 헤드(120)의 회전 속도를 변경하여 굴착 심험을 수행한다. 이와 같은 굴착 실험을 통해 암석의 일축압축강도 및 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 압입 깊이 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 디스크 커터(110)당 연직력과 회전력의 비에 관한 데이터를 분석하여, 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 획득할 수 있다.
단계(S120)에서는, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험을 이용하여 획득한 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력에 따른 압입 깊이 데이터를 이용하여 압입 깊이에 관한 수학식을 도출한다. 즉, 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식 2를 도출할 수 있다.
단계(S130)에서는, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험을 이용하여 획득한 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비율에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 이용하여 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 수학식을 도출한다. 즉, 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비율에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 수학식 8을 도출할 수 있다.
단계(S140)에서는, 커터 헤드(120)에 작용하는 토크를 도출한다. 커터 헤드(120)의 토크는 디스크 커터(110)의 상대적 거리, 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수, 복수의 디스크 커터(120) 각각의 회전력의 함수로 나타낼 수 있으며, 상술한 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
단계(S150)에서는, 단계(S140)에서 도출한 커터 헤드(120)의 토크 값을 이용하여 커터 헤드(10)의 회전속도를 도출한다. 커터 헤드(120)의 회전 속도는 커터 헤드(120) 및 디스크 커터(110)를 구동하는 구동부(180)의 동력, 쉴드 TBM(1)의 장비 효율 및 커터 헤드(120)의 토크에 관한 함수로 나타낼 수 있으며, 상술한 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
단계(S160)에서는, 단계(S120)에서 도출한 압입 깊이에 관한 수학식과 단계(S130)에서 도출한 디스크 커터의 회전력에 관한 수학식을 이용하여 쉴드 TBM(1)의 굴진 속도 및 쉴드 TBM 설계 인자를 설정할 수 있다.
쉴드 TBM 설계 인자는 소요 추력, 디스크 커터(110) 당 연직력, 압입 깊이, 디스크 커터(110) 당 연직력, 디스크 커터(110) 당 회전력, 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수, 구동부(180)의 동력, 쉴드 TBM(1)의 장비 효율, 커터 헤드(120)의 토크, 커터 헤드(120)의 회전 속도를 포함한다. 하지만, 쉴드 TBM 설계 인자가 이에 한정되는 것은 아니며, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험에서 변경 가능한 쉴드 TBM의 구성은 모두 포함될 수 있다.
단계(S160)에서는, 단계(S120)에서 도출한 압입 깊이에 관한 수학식을 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자를 설정 할 수 있다. 구체적으로, 굴착하고자 하는 암석의 일축압축강도를 측정하고, 이를 단계(S120)에서 도출한 압입 깊이에 관한 수학식에 대입하여 디스크 커터(110) 당 연직력과 압입 깊이를 설정할 수 있다.
또한, 단계(S130)에서 도출한 암석의 일축압축강도 및 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비율에 따른 디스크 커터(110)의 회전력에 관한 데이터를 이용하여 디스크 커터(110) 당 회전력을 도출할 수 있다. 도출된 디스크 커터(110) 당 회전력을 상술한 수학식 9에 대입하여 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수 및 커터 헤드(120)의 토크를 설정할 수 있다. 또한, 설정된 커터 헤드(120)의 토크 값을 상술한 수학식 10에 대입하여, 구동부(180)의 동력, 쉴드 TBM(1)의 장비 효율, 커터 헤드(120)의 회전 속도를 설정할 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 장치를 설명한다.
도 12는 실시예에 따른 쉴드 TBM 설계 장치의 블록도이다.
도 12를 참조하면, 쉴드 TBM 설계 장치(2)는 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험을 이용하여 산출된 데이터를 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자에 대한 관계식을 도출하는 관계식 산출기(300)를 포함한다. 또한, 쉴드 TBM 설계 장치(2)는 관계식 산출기(300)에서 산출된 수학식을 이용하여 쉴드 TBM의 설계 인자를 설정하는 쉴드 TBM 설계기(400)를 포함한다.
관계식 산출기(300)는 복수의 수학식 산출부(310)를 포함한다. 수학식 산출부(310)는 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험에서 획득한 데이터를 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자에 관한 수학식을 산출한다. 구체적으로, 수학식 산출부(310)는 실대형 쉴드 TBM 굴진 실험에서 획득한 암석의 일출압축강도 및 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 데이터로부터 암석의 일축압축강도와 쉴드 TBM 설계 인자인 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 이때 압입 깊이에 관한 수학식은 상술한 수학식 2가 사용될 수 있다.
또한, 수학식 산출부(310)는 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험에서 획득한 암석의 일축압축강도와 디스크 커터(110)의 연직력 대비 회전력의 비 데이터를 이용하여 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 이때, 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비에 관한 수학식은 수학식 6이 사용될 수 있다.
더불어, 수학식 산출부(310)는 도출된 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비에 관한 수학식을 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자인 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비와 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 디스크 커터 당 회전력에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 이 때, 디스크 커터(110) 당 회전력에 관한 수학식은 상술한 수학식 8이 사용될 수 있다.
또한, 수학식 산출부(310)는 도출된 디스크 커터(110) 당 회전력에 관한 수학식 토크 관련 수학식에 대입하여 쉴드 TBM 설계 인자인 디스크 커터의 상대적 거리, 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수 및 디스크 커터(110) 당 회전력에 따른 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 이 때, 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식은 상술한 수학식 9가 사용될 수 있다.
또한, 수학식 산출부(310)는 도출된 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식을 회전 속도에 관한 수학식에 대입하여 쉴드 TBM 설계 인자인 쉴드 TBM(1)의 구동부(180) 동력, 쉴드 TBM(1)의 장비 효율 및 커터 헤드(120)의 토크에 따른 커터 헤드(120)의 회전 속도에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 이때, 커터 헤드(120)의 회전 속도에 관한 수학식은 상술한 수학식 10이 사용될 수 있다.
쉴드 TBM 설계기(400)는 압입 깊이 설정부(410), 디스크 커터 회전력 설정부(420), 커터 헤드 토크 설정부(430), 커터 헤드 회전 속도 설정부(440)를 포함한다. 압입 깊이 설정부(410)는 수학식 산출부(310)에서 산출한 암석의 일축압축강도와 쉴드 TBM 설계 인자인 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식을 이용하여 굴착하고자 하는 암석의 일축압축강도에 따른 디스크 커터(110) 당 연직력 및 압입 깊이를 설정할 수 있다.
디스크 커터 회전력 설정부(420)는 수학식 산출부(310)에서 산출한 디스크 커터(110) 당 연직력 대비 회전력의 비와 디스크 커터(110) 당 연직력에 따른 디스크 커터 당 회전력에 관한 수학식을 이용하여 쉴드 TBM(1)의 디스크 커터(110) 당 연직력 및 디스크 커터(110) 당 회전력을 설정할 수 있다.
커터 헤드 토크 설정부(430)는 수학식 산출부(310)에서 산출한 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식을 이용하여 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수 및 커터 헤드(120)의 토크를 설정할 수 있다. 또한, 커터 헤드 회전 속도 설정부(440)는, 수학식 산출부(310)에서 산출한 커터 헤드(120)의 회전 속도에 관한 수학식을 이용하여 쉴드 TBM(1)의 구동부(180) 동력, 쉴드 TBM(1)의 장비 효율 및 커터 헤드(120)의 회전 속도를 설정한다.
더불어, 쉴드 TBM 설계기(400)는 압입 깊이 설정부(410)에서 설계된 압입 깊이, 커터 헤드 토크 설정부(430)에서 설계된 커터 헤드(120)의 토크 및 커터 헤드 회전 속도 설정부(440)에서 설계된 커터 헤드(120)의 회전속도를 이용하여 굴진 속도를 산정할 수 있다.
이하, 도 13을 참조하여 실시예에 따른 쉴드 TBM 검수 장치를 설명한다.
도 13은 실시예에 따른 쉴드 TBM 검수 장치의 블록도이다.
도 13을 참조하면, 쉴드 TBM 검수 장치(3)는 쉴드 TBM 정보 전송기(500), 적합성 판단기(600)를 포함한다. 쉴드 TBM 정보 전송기(500)는 쉴드 TBM(1)에 부착되어 쉴드 TBM의 부품 사양 데이터(D1)를 적합성 판단기(600)로 전송한다.
적합성 판단기(600)는 정보 인식부(610), 설계 인자 도출부(620) 및 비교부(630)를 포함한다. 정보 인식 장치(610)는 쉴드 TBM 정보 전송기(500)로부터 쉴드 TBM의 부품 사양 데이터(D1)를 수신한다. 쉴드 TBM 정보 전송기(500)와 정보 인식부(610)는 RFID(Radio Frequency Identification), NFC(Near Field Communication)과 같은 무선 통신 방식이 사용될 수 있다. 또한, 쉴드 TBM(1)의 부품에 바코드(barcode)를 표시하고, 정보 인식부(610)가 바코드 스캐너를 이용하여 쉴드 TBM 부품 사양 데이터(D1)를 전송하는 방식이 사용될 수 있다.
설계 인자 도출부(620)는 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험으로부터 도출된 수학식을 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자를 설정한다. 구체적으로, 설계 인자 도출부(620)는 상술한 쉴드 TBM 설계 방법 및 쉴드 TBM 설계 장치(2)의 기능을 수행할 수 있다.
따라서, 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험으로부터 산출된 압입 깊이에 관한 수학식 2, 디스크 커터(110) 당 회전력에 관한 수학식 8, 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식 9 및 커터 헤드(120)의 회전 속도에 관한 수학식 10이 저장된다. 설계 인자 도출부(620)는 저장된 상기 수학식을 이용하여 설계 목적에 따라 쉴드 TBM 설계 인자를 도출할 수 있다.
또한, 설계 인자 도출부(620) 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험의 실험 데이터를 입력 받아, 압입 깊이에 관한 수학식, 디스크 커터(110) 당 회전력에 관한 수학식, 커터 헤드(120)의 토크에 관한 수학식 및 커터 헤드(120)의 회전 속도에 관한 수학식을 도출할 수 있다. 설계 인자 도출부(620)는 도출된 수학식을 이용하여 설계 목적에 따라 쉴드 TBM 설계 인자를 도출할 수 있다.
이 때, 쉴드 TBM의 설계 인자는 암석의 일축압축강도, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력, 압입 깊이, 복수의 디스크 커터(110) 각각의 연직력 대비 회전력의 비, 디스크 커터(110) 당 회전력, 커터 헤드(120)의 직경, 디스크 커터(110)의 개수, 커터 헤드(120)의 토크, 쉴드 TBM(1) 구동부(180)의 동력, 쉴드 TBM의 장비 효율, 커터 헤드(120)의 회전 속도 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
비교부(630)는, 설계 인자 도출부(620)에서 도출된 쉴드 TBM 설계 인자와 쉴드 TBM 정보 전송기(500)로부터 전송된 쉴드 TBM 부품 사양 데이터(D1)를 비교하여 쉴드 TBM의 설계 적합성을 판단하여 사용자에게 표시한다. 더불어, 적합성 판단기(600)는 설계 인자 도출부(620) 및 비교부(630)가 프로그래밍된 테블릿 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 사용자는 테블릿 장치를 휴대하여 굴착 현장에서 쉴드 TBM의 설계 적합성을 검토할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 쉴드 TBM 2: 쉴드 TBM 설계 장치
3: 쉴드 TBM 검수 장치 110: 디스크 커터
120: 커터 헤드 130: 굴착 챔버
140: 이렉터 150: 세그먼트
160: 추진용 유압 실린더 170: 버럭 반출용 컨베이어 벨트
180: 구동부 200: 인공 암반
210: Muck system 300: 관계식 산출기
310: 수학식 산출부 400: 쉴드 TBM 설계기
410: 압입 깊이 설정부 420: 디스크 커터 회전력 설정부
430: 커터 헤드 토크 설정부 440: 커터 헤드 회전 속도 설정부
500: 쉴드 TBM 정보 전송기 600: 적합성 판단기
610: 정보 인식부 620: 설계 인자 도출부
630: 비교부

Claims (18)

  1. 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 방법으로서,
    실대형 굴착 실험을 이용하여,
    암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터 각각의 연직력에 따른 압입 깊이에 관한 수학식 1을 도출하는 단계,
    상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력에 관한 수학식 2를 도출하는 단계, 그리고
    쉴드 TBM 설계 인자를 이용하여 굴진 속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계
    를 포함하며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 수학식 1은 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 1]
    P=(Fn/(0.8UCS+27))-0.0014UCS+1.69
    상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 설계 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수학식 2는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 2]
    Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn +5
    상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 설계 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 굴진 속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계는,
    수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하는 단계를 더 포함하며,
    상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고,
    [수학식 3]
    T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr
    상기 수학식 3에서 T는 상기 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 디스크 커터의 헤드 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고,
    상기 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수인, 쉴드 TBM 설계 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 굴진 속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 단계는,
    수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 4]
    RPM=(P×60×u)/(2π×T)
    상기 수학식 4에서 RPM은 상기 디스크 커터의 헤드 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 구동부 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 토크를 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 구동부 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함하는, 쉴드 TBM 설계 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험인, 쉴드 TBM 설계 방법.
  7. 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 장치로서,
    실대형 굴착 실험를 통해, 암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터의 각각의 연직력에 따른 압입 깊이 데이터를 이용하여 수학식 1을 도출하고, 상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력 데이터를 이용하여 수학식 2를 도출하는 관계식 도출부, 그리고
    쉴드 TBM 설계 인자를 이용하여 굴진속도 및 쉴드 TBM을 설계하는 쉴드 TBM 설계부
    를 포함하며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 수학식 1은 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 1]
    P=(Fn/(0.8UCS+27))-0.0014UCS+1.69
    상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 설계 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수학식 2는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 2]
    Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn +5
    상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 설계 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 TBM 설계부는,
    수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하며,
    상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고,
    [수학식 3]
    T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr
    상기 수학식 3에서 T는 상기 커터 헤드의 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 커터 헤드의 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고,
    성가 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수인, 쉴드 TBM 설계 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 TBM 설계부는,
    수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하고,
    상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 4]
    RPM=(P×60×u)/(2π×T)
    상기 수학식 4에서 RPM은 상기 커터 헤드의 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 디스크 커터의 토크를 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함하는, 쉴드 TBM 설계 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험인, 쉴드 TBM 설계 장치.
  13. 커터 헤드 및 복수의 디스크 커터를 포함하는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)의 설계 적합성을 판단하는 검수 장치로서,
    상기 쉴드 TBM 부품 정보를 전송하는 쉴드 TBM 정보 전송기,
    실대형 쉴드 TBM 굴착 실험으로부터 도출된 암석의 일축압축강도 및 상기 복수의 디스크 커터의 각각의 연직력에 따른 압입 깊이에 관학 수학식 1과 상기 연직력, 상기 연직력 대비 회전력의 비율 및 상기 암석의 일축압축강도와, 상기 디스크 커터 각각의 회전력에 관한 수학식 2를 저장하고, 상기 수학식 1 및 상기 수학식 2를 이용하여 쉴드 TBM 설계 인자를 산출하는 설계 인자 도출부,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자와 상기 쉴드 TBM 부품 정보를 비교하여 상기 쉴드 TBM의 설계 적합성을 판단하는 비교부를 포함하는, 적합성 판단기
    를 포함하며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 암석의 일축압축강도, 상기 연직력, 상기 압입 깊이, 상기 연직력 대비 회전력의 비, 상기 회전력 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 수학식 1은 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 1]
    P=(Fn/(0.8UCS+27))-0.0014UCS+1.69
    상기 수학식 1에서 P는 상기 압입 깊이, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 검수 장치.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 수학식 2는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 2]
    Fr=(-0.03ln(UCS)+0.2)×Fn +5
    상기 수학식 2에서 Fr 은 상기 회전력, Fn은 상기 연직력, UCS는 상기 암석의 일축압축강도를 나타내는, 쉴드 TBM 검수 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 설계 인자 도출부는,
    수학식 3을 이용하여 상기 커터 헤드의 토크를 도출하며,
    상기 수학식 3은 다음과 같이 정의되고,
    [수학식 3]
    T=0.5×rmc×DTBM×N×Fr
    상기 수학식 3에서 T는 상기 커터 헤드의 토크, rmc는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, DTBM는 상기 커터 헤드의 직경, N은 상기 디스크 커터의 개수, Fr은 상기 디스크 커터의 회전력을 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 디스크 커터의 상대적 거리, 상기 커터 헤드의 직경, 상기 디스크 커터의 개수, 상기 커터 헤드의 토크를 더 포함하고,
    성가 디스크 커터의 상대적 거리는, 상기 토크를 산출하기 위한 상수인, 쉴드 TBM 검수 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 설계 인자 도출부는,
    수학식 4를 이용하여 상기 커터 헤드의 회전 속도를 도출하고,
    상기 수학식 4는 다음과 같이 정의되며,
    [수학식 4]
    RPM=(P×60×u)/(2π×T)
    상기 수학식 4에서 RPM은 상기 커터 헤드의 회전속도, P는 상기 쉴드 TBM의 동력, u는 상기 쉴드 TBM의 장비 효율, T는 상기 디스크 커터의 토크를 나타내며,
    상기 쉴드 TBM 설계 인자는 상기 쉴드 TBM의 동력, 상기 쉴드 TBM의 효율 및 상기 커터 헤드의 회전 속도를 더 포함하는, 쉴드 TBM 검수 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 실대형 쉴드 TBM 굴착 실험은, 높이 5M, 폭 5M, 종방향 길이 3.5M 규격의 암반박스에 인공암반을 조성하여, 암석의 일축압축강도, 디스크 커터의 연직력, 디스크 커터의 추력, 커터 헤드의 회전 속도를 변경하여 압입 깊이, 상기 쉴드 TBM의 토크, 디스크 커터의 연직력 대비 회전력의 비율에 관한 데이터를 획득하는 실험인, 쉴드 TBM 검수 장치.
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