KR20180083472A

KR20180083472A - 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치 및 시험방법

Info

Publication number: KR20180083472A
Application number: KR1020170005426A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 송명규; 페록 에브라힘; 현기창; 정재훈; 강한별; 이재원
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-23
Also published as: KR101917942B1

Abstract

본 발명은 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치 및 시험방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징 하단에 구비되며, 상부가 개방되고 내부에 다짐 토사가 구비되는 다짐시료박스; 상기 하우징 내, 상기 다짐시료박스 상부측에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사의 굴착에 의해 내부로 토사가 유입되며 일측에 유입된 토사가 배토되는 배토구가 형성되고, 내부의 토크를 측정하는 베인 전단장치가 구비된 토사챔버; 회전축의 하부 끝단에 결합되고, 상기 토사챔버 하단에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사를 굴착하기 위한 커팅툴과, 상기 토사 측으로 설정된 배합비로 혼합된 폼제가 분사되는 폼주입구가 구비된 소형 블레이드; 상기 회전축을 구동하여 상기 소형블레이드를 회전시키는 서보모터; 상기 배토구에 구비되어, 배토되는 토사의 배토량을 조절하여 상기 토사 챔버 내의 내압을 조절하는 배토유닛; 상기 토사 측으로 수직하중을 가하기 위해 상기 소형 블레이드를 상기 토사측으로 이동시키는 하중재하부; 및 상기 폼 주입구 측으로 설정된 배합비를 갖는 폼을 주입하는 폼 주입수단과 상기 폼 주입수단과 상기 폼주입구 사이에 구비되는 폼 주입관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치에 관한 것이다.

Description

최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치 및 시험방법{Test apparatus for measuring shear strength of foam mixed soil for design optimum foam mix factor}

본 발명은 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치 및 시험방법에 대한 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 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다. 도 1은 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, 하천하부등 여러지반에 적용이 가능하며 둘레가 날카로운 강철재 날인 원통을 막장에 압입시켜 원통내부를 굴착하는 방식으로 터널을 시공하게 된다.

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

이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 수치해석으로 사전에 모사하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 수치해석에 의해서는 지반의 암반 물성과 구조물의 형상을 환산하여 현지의 상태를 재현하는 데 한계가 있으므로, 정확도가 낮은 문제가 있었다. 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, 토사지반 TBM의 경우, 막장압력유지, 굴착과 배토의 원활, 커팅툴(디스크 커터 또는 커터비트) 마모의 최소화 등을 위해 폼제(Foam agent), 물, 공기를 배합한 거품형태의 폼을 굴착면과 챔버 등에 주입하게 된다. 도 2는 토사지반 TBM의 폼 분사 전경을 나타낸 사진을 도시한 것이다. 도 3은 폼 배합에 따른 TBM굴진속도 변화 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 지반 특성별로 폼제, 물, 공기의 폼 배합에 따라 TBM 굴진속도 및 장비의 부하정도에 영향을 미치게 된다.

즉, 토사지반 TBM에서는 굴착과 배토를 용이하게 하기 위하여, 폼(Foam)을 막장에 투입하여 시료(토사)를 굴착하게 된다. 이러한 폼은 폼제와 물과 공기가 배합되어 구성되며, 폼 전체에 대한 폼제의 농도, 물과 공기의 배합비, 폼과 굴착지반면적의 비율 들의 다양한 인자를 가지고 해당 인자들의 변화에 따라 굴진성능에 큰 차이를 보이게 된다.

도 4a 및 도 4b는 일정 배합으로 제작된 폼을 대기압 상태에서 토사시료와 교반한 후 슬럼프 시험을 수행하는 사진을 도시한 것이다 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 종래에는 폼 배합비를 결정하기 위하여, 대기압 상태에서 시험을 수행함에 따라 실제 일정한 압력을 받고 있는 TBM 굴진면 및 토사챔버의 상태와 상이하여 구속압력을 모사할 수 없는 문제점이 존재한다. 또한, 시험조건(대기압 상태)와 실제 굴진면의 조건(일정압력)이 상이함에 따라 주요 폼 배합설계인자인 발포비율(FER, Foam Expansion Ratio), 주입비율(FIR, Foam Injection Ratio)의 최적값을 예측할 수 없으며, 토사지반 TBM의 굴진성능, 마모 등의 성능 관련 변수 일체를 예측할 수 없는 문제점이 존재한다.

도 5a 및 도 5b는 일정배합으로 제작된 폼을 대기압 상태에서 토사시료와 교반한 후, 베인(Vane) 전단시험을 실시하여 시료의 전단강도를 측정하는 사진을 도시한 것이다. 이러한 방법 역시 앞서 언급한 것과 같이, 대기압 상태에서 시험을 수행함에 따라 일정한 압력을 받고 있는 TBM 굴진면 및 토사챔버의 상태와 상이하여 구속압력을 모사할 수 없고, 시험조건(대기압 상태)와 실제 굴진면의 조건(일정압력)이 상이함에 따라 주요 폼 배합설계인자인 발포비율(FER, Foam Expansion Ratio), 주입비율(FIR, Foam Injection Ratio)의 최적값을 예측할 수 없으며, 토사지반 TBM의 굴진성능, 마모 등의 성능 관련 변수 일체를 예측할 수 없는 문제점이 존재한다.

따라서 폼의 최적 배합비를 측정하는 것을 매우 중요함에도 종래에는 폼과 관련된 실험은 폼을 섞은 시료에 대해 슬럼프 시험을 하는 것이 전부로, 이는 그 저 대기압 상태하에서 수행되기 때문에 실제 TBM 챔버(압력상태) 내에서의 폼이 혼합된 시료와는 상태 자체가 달라 최적의 폼 배합비를 찾을 수 없는 문제점이 존재한다.

따라서 폼과 섞인 지반인 “폼 혼합 토사(Foam mixed soil)”의 전단강도를 실제 굴진면의 조건과 동일하게 측정하여 주요 Foam 배합설계인자인 폼 농도, FER, FIR의 최적값을 예측 분석할 수 있는 장치 및 방법이 요구되었다.

한국등록특허 제10-1322125호 한국등록특허 제10-1293337호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 실제 토사지반 TBM과 동일한 매커니즘(굴착, 배토, 폼 주입 등)을 정확히 모사하여 현장 TBM 챔버 내 압력조건 등이 동일하게 구현되어 챔버 내에 부착된 베인(Vane)을 통해 폼 혼합 토사의 전단강도 측정이 가능한 시험장치 및 시험방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 폼과 섞인 지반인 “폼 혼합 토사(Foam mixed soil)”의 전단강도를 실제 굴진면의 조건과 동일하게 측정하여 주요 Foam 배합설계인자인 폼 농도, FER, FIR의 최적값을 예측 분석할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예 따르면, 폼이 분사되는 굴착면, 토사챔버, 블레이드, 스크류 컨베이어 등을 포함하여 실제 토사지반 TBM의 주요 파라미터를 정확하게 제어하고, 실제와 같은 방식으로 작동(폼 주입, 굴착, 배토)하여 챔버 내 압력상태를 구현하고 그 상태에서 폼 배합 시험을 수행하여 보다 정확한 폼 배합설계가 가능한 시험장치 및 그 시험방법을 제공하는데 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, 토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징 하단에 구비되며, 상부가 개방되고 내부에 다짐 토사가 구비되는 다짐시료박스; 상기 하우징 내, 상기 다짐시료박스 상부측에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사의 굴착에 의해 내부로 토사가 유입되며 일측에 유입된 토사가 배토되는 배토구가 형성되고, 내부의 토크를 측정하는 베인 전단장치가 구비된 토사챔버; 회전축의 하부 끝단에 결합되고, 상기 토사챔버 하단에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사를 굴착하기 위한 커팅툴과, 상기 토사 측으로 설정된 배합비로 혼합된 폼제가 분사되는 폼주입구가 구비된 소형 블레이드; 상기 회전축을 구동하여 상기 소형블레이드를 회전시키는 서보모터; 상기 배토구에 구비되어, 배토되는 토사의 배토량을 조절하여 상기 토사 챔버 내의 내압을 조절하는 배토유닛; 상기 토사 측으로 수직하중을 가하기 위해 상기 소형 블레이드를 상기 토사측으로 이동시키는 하중재하부; 및 상기 폼 주입구 측으로 설정된 배합비를 갖는 폼을 주입하는 폼 주입수단과 상기 폼 주입수단과 상기 폼주입구 사이에 구비되는 폼 주입관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 폼 주입구를 통해 분사되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하는 폼 주입량 측정부를 더 포함하고, 상기 베인 전단장치는, 상기 토사챔버 내의 회전축 외면 일측에 결합되는 로드; 상기 로드 외면 일측에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 구비되는 복수의 베인; 및 상기 베인이 결합된 로드의 상부 일측, 및 상기 베인의 표면 일측에 구비되어 상기 토사챔버 내의 토크를 실시간으로 측정하는 토크셀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 베인 표면에 구비되는 토크셀은 상기 베인의 상부일측, 중단 주변부 일측 및 하부 일측에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 토크셀에서 측정된 토크값을 기반으로, 상기 토사챔버 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하는 전단강도 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 전단강도 산출부는 이하의 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, Cu는 전단강도, T는 토크값, D는 베인전단장치 직경, H는 베인높이, d는 로드 직경, b는 상부 로드의 높이이다.

그리고, 상기 다짐시료박스는, 2개 이상의 유닛이 길이방향으로 조립, 분리가 가능하도록 다단으로 구성되며, 각 단별 다짐이 가능한 복합지반으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 소형 블레이드에 구비되는 커팅툴은 서로 특정간격 이격되며 중심점과 서로 다른 거리를 갖는 복수로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 토사챔버 내부 일측에는 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하는 토압측정용 압력셀이 구비되고, 상기 소형블레이드의 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도측정부와, 상기 소형블레이드의 회전토크를 실시간으로 측정하는 회전토크측정부와, 굴착시 상기 소형블레이드에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하는 관입하중로드셀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 배토유닛은, 하측 끝단이 상기 배토구에 연결되며 상부 측에 토출단을 갖는 배토관과, 상기 배토관 내에 탈부착가능하도록 구성된 배토스크류와, 상기 배토스크류를 길이방향 축 기준으로 회전시키는 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 폼주입량측정부와, 상기 토압측정용압력셀과, 상기 회전속도측정부와, 상기 회전토크측정부와, 상기 관입하중로드셀에서 측정된 값을 실시간으로 전송받아, 상기 서보모터와, 하중재하부와, 상기 회전구동부와, 상기 배토량조절부 및 상기 폼 구입수단을 제어하는 제어모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치를 이용한 폼 배합 설계인자 예측 분석 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 시험장치; 및 전단강도 산출부에 의해 산출된 폼 혼합 토사에 대한 전단강도값을 기반으로 최적 폼 배합 설계인자를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치를 이용한 폼 배합 설계인자 도출 시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 폼 배합 설계인자는, 폼제와 공기와 물의 배합비, 발포비율(FER), 주입비율(FIR)이고, 상기 분석수단은, 굴착시 관입하중, 전단강도값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제3목적은, 앞서 언급한 제1목적에 따른 시험장치를 이용하여, 토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법에 있어서, 폼제, 공기, 물을 혼합하여 설정된 배합비를 갖는 폼을 준비하는 단계; 다짐시료박스 내에 입도가 맞춰진 토사 시료를 담고 다지는 단계; 하중 재하부를 통해 토사챔버 하단의 소형블레이드를 이동시켜 상기 시료에 수직하중을 재하하는 단계; 상기 소형블레이드에 구비된 폼 주입구를 통해 폼이 분사되고, 서보모터에 의해 소형블레이드를 회전시켜 굴착되는 단계; 및 토사챔버 내의 베인 전단장치에 의해 폼 혼합 토사의 토크를 실시간으로 측정하는 단계; 및 시험종료 후, 분석수단이 베인 전단장치에서 측정된 토크값을 기반으로 지반 특성에 부합되는 최적의 폼 배합설계 인자를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법으로서 달성될 수 있다.

그리고, 전단강도 산출부가 상기 베인 전단장치에 구비된 토크셀에서 측정된 토크값을 기반으로, 토사챔버 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 굴착되는 단계에서, 주입량 측정부가 주입되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하고, 토사챔버 내부 일측에 구비된 토압측정용 압력셀이 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하고, 회전속도측정부가 상기 소형블레이드의 회전속도를 실시간으로 측정하며, 회전토크측정부가 상기 소형블레이드의 회전토크를 실시간으로 측정하며, 관입하중로드셀이 상기 소형블레이드에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 도출하는 단계에서, 상기 분석수단은, 굴착시 관입하중, 전단강도값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 실제 토사지반 TBM과 동일한 매커니즘(굴착, 배토, 폼 주입 등)을 정확히 모사하여 현장 TBM 챔버 내 압력조건 등이 동일하게 구현되어 챔버 내에 부착된 베인(Vane)을 통해 폼 혼합 토사의 전단강도 측정이 가능한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 폼과 섞인 지반인 “폼 혼합 토사(Foam mixed soil)”의 전단강도를 실제 굴진면의 조건과 동일하게 측정하여 주요 Foam 배합설계인자인 폼 농도, FER, FIR의 최적값을 예측 분석할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 일실시예 따르면, 폼이 분사되는 굴착면, 토사챔버, 블레이드, 스크류 컨베이어 등을 포함하여 실제 토사지반 TBM의 주요 파라미터를 정확하게 제어하고, 실제와 같은 방식으로 작동(폼 주입, 굴착, 배토)하여 챔버 내 압력상태를 구현하고 그 상태에서 폼 배합 시험을 수행하여 보다 정확한 폼 배합설계가 가능한 시험장치 및 그 시험방법을 통해, 지반 특성에 따른 최적 폼 배합을 결정하여 TBM 운영효율을 향상시킬 수 있으며, TBM 커터헤드의 토크, 스크류 컨베이어 토크 등 장비 부하를 최소화할 수 있고, 커팅툴(리퍼(ripper, Scraper 등) 마모를 최소화할 수 있으며, 원활한 굴진면 압력 유지에 따른 지반침하를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

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 1은 TBM(tunnel boring machine)을 이용한 터널 시공 개념도
도 2는 토사지반 TBM의 폼 분사 전경을 나타낸 사진,
도 3은 폼 배합에 따른 TBM굴진속도 변화 그래프,
도 4a 및 도 4b는 일정 배합으로 제작된 폼을 대기압 상태에서 토사시료와 교반한 후 슬럼프 시험을 수행하는 사진,
도 5a 및 도 5b는 일정배합으로 제작된 폼을 대기압 상태에서 토사시료와 교반한 후, 베인(Vane) 전단시험을 실시하여 시료의 전단강도를 측정하는 사진,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치의 구성도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치의 부분 사시도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다짐시료박스의 사시도,
도 9a, 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 소형 블레이드의 저면도,
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 커팅툴의 사시도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 전단장치의 평면도,
도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 전단장치의 사시도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어모니터링부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법의 흐름도를 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 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치(100)의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치(100)의 부분 사시도를 도시한 것이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치(100)는, 하우징(101), 다짐시료박스(120), 토사챔버(110), 소형블레이드(130), 베인전단장치(114), 서보모터(103), 배토유닛(140), 하중재하부(150), 폼주입관(104) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

하우징(101)은 시험장치(100)의 외부 프레임을 구성하게 되며 상부판(102)을 포함하고 이러한 상부판(102)는 후에 설명되는 바와 같이, 서보모터(103)가 장착되며, 폼주입수단(105)과 연결되고, 회전축(151)과 연결되게 된다. 또한, 이러한 회전축(151)은 서보모터(103)에 의해 길이방향 축을 기준으로 회전되게 되어 후에 설명되는 바와 같이, 회전축(151) 하부 끝단에 연결된 소형블레이드(130)를 회전시키게 된다. 그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 회전축(151)은 폼 주입관(104)이 내장되어 폼주입수단(105)에 의해 설정된 폼 배합비로 배합된 폼(Foam)이 유입되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 다짐시료박스(120)는 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징(101) 하단에 구비되며, 상부가 개방되고 내부에 다짐 토사 시료가 구비되게 됨을 알 수 있다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다짐시료박스(120)의 사시도를 도시한 것이다. 또한, 이러한 다짐시료박스(120)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 체결단(121)을 구비하여, 2개 이상의 유닛이 길이방향으로 조립, 분리가 가능하도록 다단으로 구성되며, 각 단별 다짐이 가능한 복합지반으로 구성할 수 있다. 즉, 분리, 조합이 가능하며 이러한 시료박스(120) 내에는 압력을 유지하기 위한 패킹 씰이 구비될 수 있다.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 토사챔버(110)는 하우징(101) 내, 다짐시료박스(120) 상부측에 구비되며, 다짐시료박스(120) 내의 토사시료의 굴착에 의해 몸체(112) 내부로 토사가 유입되며 일측에 유입된 토사가 배토되는 배토구(113)가 형성된다.

이러한 토사챔버(110)는 하부측으로는 후에 설명되는 바와 같이, 소형블레이드(130)가 위치하게 되고 상판에는 배토구(113)가 형성되게 된다. 또한, 토사챔버(110)의 상판 일측에는 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하게 된다. 또한, 토사 챔버(110) 내의 압력을 유지시키기 위해 패킹 씰이 부착되어질 수 있다.

또한, 이러한 토사챔버(110) 내에는 후에 설명되는 바와 같이, 굴착시 토사챔버(110)로 유입된 토사시료 즉, 폼이 혼합된 토사의 토크값을 측정하는 베인전단장치(114)가 구비되게 된다.

또한, 소형블레이드(130)는 폼 주입관(104)으로 구성된 회전축(151)의 하부 끝단에 연결되어 토사챔버(110)의 하단측에 위치하게 되고, 다짐시료박스(120) 내의 토사를 굴착하기 위한 커팅툴(131)과, 토사 측으로 폼제가 분사되는 폼주입구(132)를 포함하여 구성되게 된다.

도 9a, 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 소형 블레이드(130)의 저면도를 도시한 것이고, 도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 커팅툴(131)의 사시도를 도시한 것이다. 이러한 소형블레이드(130)는 스테인레스강으로 구성될 수 있으며, 도 9b에 도시된 바와 같이, 소형 블레이드(130)에 구비되는 커팅툴(131)은 서로 특정간격 이격되며 중심점과 서로 다른 거리를 갖는 복수로 구성될 수 있다.

또한, 회전속도측정부(133)는 소형블레이드(130)의 회전속도를 실시간으로 측정하게 된다. 그리고, 굴착시에 회전토크측정부(134)는 소형블레이드(130)의 회전토크를 실시간으로 측정하게 된다. 또한, 관입하중로드셀(135)은 굴착시 소형블레이드(130)에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하게 된다.

또한, 폼주입구(132) 역시 복수로 구성되며 폼주입수단(105)에 의해 폼 구입관으로 유입된 폼이 폼주입구(132)에 의해 토사시료 측으로 분사되게 된다. 복수로 구성된 폼주입구(132)는 도 9a에 도시된 바와 같이, 서로 원주방향으로 특정간격 이격되며, 각각이 중심점에서 서로 다른 거리를 갖고 위치하게 됨을 알 수 있다.

또한, 폼 주입구(132)를 통해 분사되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하는 폼 주입량 측정부를 포함하여 구성될 수 있다.

도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 전단장치(114)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 전단장치(114)의 사시도를 도시한 것이다.

도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 베인 전단장치(114)는, 토사챔버(110) 내의 회전축(151) 외면 일측에 결합되는 로드(115), 로드(115) 외면 일측에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 구비되는 복수의 베인(116), 그리고, 베인(116)이 결합된 로드(115)의 상부 일측, 및 상기 베인(116)의 표면 일측에 구비되어 상기 토사챔버(110) 내의 토크를 실시간으로 측정하는 토크셀(117)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 베인(116) 표면에 구비되는 토크셀(117)은 상기 베인(116)의 상부일측, 중단 주변부 일측 및 하부 일측에 구비될 수 있다.

그리고, 전단강도 산출부(170)는 토크셀(117)에서 측정된 토크값을 기반으로, 토사챔버(110) 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하게 된다. 전단강도 산출부(170)는 이하의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, Cu는 전단강도, T는 토크값, D는 베인전단장치(114) 직경, H는 베인(116)높이, d는 로드(115) 직경, b는 상부 로드(115)의 높이이다.

그리고, 배토유닛(140)은, 토사챔버(110)의 상판에 형성된 배토구(113)에 연결되어, 배토되는 토사의 배토량을 조절하여 토사챔버(110) 내의 압력을 조절하게 된다.

배토유닛(140)은, 하측 끝단이 배토구(113)에 연결되며 상부 측에 토출단을 갖는 배토관(141)과, 이러한 배토관(141) 내에 탈부착가능하도록 구성된 배토스크류(142)와, 이러한 배토스크류(142)를 길이방향 축 기준으로 회전시키는 회전구동부(144)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 배토량조절부(145)를 포함하여, 토출단의 개방면적을 가변하여 토출되는 토사량을 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 시험장치(100)는 소형으로 토사시료의 굴착, 배토, 폼 분사를 실행하여 실제 토사지반 TBM과 동일한 매커니즘으로 현정 TBM 챔버 내 압력조건 등을 동일하게 구현할 수 있게 되고, 챔버(110) 내에 부착된 베인(116)(Vane)을 통해 폼 혼합 토사의 전단강도 측정이 가능하게 된다. 즉, 폼과 섞인 지반인 “폼 혼합 토사(Foam mixed soil)”의 전단강도를 실제 굴진면의 조건과 동일하게 측정하여 주요 Foam 배합설계인자인 폼 농도, FER, FIR의 최적값을 예측 분석할 수 있게 된다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어모니터링부(160)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제어모니터링부(160)는 앞서 언급한 토압측정용압력셀(111)과, 회전속도측정부(133)와, 회전토크측정부(134)와, 관입하중로드셀(135)에서 측정된 값을 실시간으로 전송받게 됨을 알 수 있다.

그리고, 이러한 제어모니터링부(160)는, 토크셀(117), 주입량측정부(106), 토압측정용압력셀(111)과, 회전속도측정부(133)와, 회전토크측정부(134)와, 관입하중로드셀(135)에서 측정된 값을 실시간으로 전송받아, 서보모터(103)와, 하중재하부(150)와, 회전구동부(144)와, 배토량조절부(145) 및 폼 주입수단(105)의 구동을 설정한 값으로 제어하게 된다.

즉, 제어모니터링부(160)는 토크셀(117)에서 측정된 값을 기반으로 전단강도산출부(170)를 통해 알정압력하의 토사챔버(110) 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하게 되며, 주입량측정부(106)에서 측정된 값을 기반으로 폼주입수단(105)을 제어하여 폼분사량을 조절하고, 토압측정용압력셀(111)을 통해 토사챔버(110) 내의 내압을 실시간으로 전송받아, 회전구동부(144)와 배토량조절부(145)를 제어하여 배토량과 토사챔버(110) 내의 압력을 조절하게 된다. 또한, 제어모니터링부(160)는 관입하중로드셀(135)에서 측정된 하중값을 기반으로 하중재하부(150)를 제어하게 되며, 회전속도측정부(133)와, 회전토크측정부(134)에서 측정된 값을 기반으로 서보모터(103)를 제어하여 소형블레이드(130)의 회전속도를 조절하게 된다.

그리고, 분석수단(180)은 전단강도 산출부(170)에 의해 산출된 폼 혼합 토사에 대한 전단강도값을 기반으로 최적 폼 배합 설계인자를 분석하게 된다. 이러한 폼 배합 설계인자는, 폼제와 공기와 물의 배합비, 발포비율(FER), 주입비율(FIR) 등에 해당한다.

또한, 분석수단(180)은 본 발명의 일실시예에 따른 시험장치(100)에 의한 굴착시 관입하중, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴(131)의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예 따르면, 폼이 분사되는 굴착면, 베인전단장치(114), 토사챔버(110), 소형블레이드(130), 배토유닛(140) 등을 포함하여 실제 토사지반 TBM의 주요 파라미터를 정확하게 제어하고, 실제와 같은 방식으로 작동(폼 주입, 굴착, 배토)하여 챔버(110) 내 압력상태를 구현하고 그 상태에서 폼 배합 시험을 수행하여 보다 정확한 폼 배합설계가 가능하게 된다.

이하에서는 토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법 및 측정된 전단강도를 기반으로 한 푀적 폼 배합설계 도출방법에 대해 설명하도록 한다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 시험 토사시료의 종류를 결정하게 된다(S1). 그리고 폼제, 공기, 물을 혼합하여 설정된 배합비를 갖는 폼을 준비하게 된다(S2).

그리고, 다짐시료박스(120) 내에 입도가 맞춰진 토사 시료를 담고 다지게 된다. 즉, 다수의 다짐시료박스(120) 내에 입도가 맞춰진 시료를 담고 층별 다짐 후, 다짐시료박스(120)를 체결하게 된다(S3).

그리고, 하중 재하부(150)를 통해 토사챔버(110) 하단의 소형블레이드를 이동시켜 토사시료에 수직하중을 재하하게 된다(S4). 그리고, 소형블레이드(130)에 구비된 폼 주입구(132)를 통해 폼이 분사되고, 서보모터(103)에 의해 소형블레이드(130)를 회전시켜 토사시료를 굴착하게 된다(S5).

그리고, 배토유닛(140)을 통해 토사챔버(110) 내의 굴착된 토사를 배토시켜 토사챔버(110) 내의 압력을 조절하게 된다(S6).

또한, 이러한 단계에서, 토사챔버(110) 내의 베인 전단장치(114)에 의해 폼 혼합 토사의 토크를 실시간으로 측정하게 된다(S7). 그리고, 전단강도 산출부(170)가 베인 전단장치(114)에 구비된 토크셀(117)에서 측정된 토크값을 기반으로, 토사챔버(110) 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하게 된다.

그리고, 주입량 측정부가 주입되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하고, 토사챔버(110) 내부 일측에 구비된 토압측정용 압력셀(111)이 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하고, 회전속도측정부(133)가 상기 소형블레이드(130)의 회전속도를 실시간으로 측정하며, 회전토크측정부(134)가 상기 소형블레이드(130)의 회전토크를 실시간으로 측정하며, 관입하중로드셀(135)이 상기 소형블레이드(130)에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하게 된다.

그리고, 제어모니터링부(160)는 측정된 값을 기반으로 배토장치의 배토스크류(142)를 구동하는 회전구동부(144)를 제어하여 토사챔버(110) 내의 압력을 조절하며, 폼 주입수단(105)을 제어하여 분사되는 폼의 양을 제어하고, 소형블레이드의 회전속도를 조절하게 된다.

그리고, 시험종료(S8) 후, 분석수단(180)이 베인 전단장치(114)에서 측정된 토크값을 기반으로 지반 특성에 부합되는 최적의 폼 배합설계 인자를 도출하게 된다(S9).

또한, 소형블레이드에 장착된 커팅툴(131)의 마모량, 배토된 시료의 상태(S8)를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석할 수 있다. 즉, 굴착시 관입하중값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴(131)의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하게 된다. 즉, 분석수단(180)은, 굴착시 관입하중, 전단강도값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴(131)의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하게 된다.

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.

100:최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치
101:하우징
102:상부판
103:서보모터
104:폼주입관
105:폼주입수단
106:폼주입량측정부
110:토사챔버
111:토압측정용압력셀
112:몸체
113:배토구
114:베인전단장치
115:로드
116:베인
117:토크셀
120:다짐시료박스
121:체결단
130:소형블레이드
131:커팅툴
132:폼주입구
133:회전속도측정부
134:회전토크측정부
135:관입하중로드셀
140:배토유닛
141:배토관
142:배토스크류
144:회전구동부
145:배토량조절부
150:하중재하부
151:회전축
160:제어모니터링부
170:전단강도산출부
180:분석수단

Claims

토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치에 있어서,
하우징;
상기 하우징 하단에 구비되며, 상부가 개방되고 내부에 다짐 토사가 구비되는 다짐시료박스;
상기 하우징 내, 상기 다짐시료박스 상부측에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사의 굴착에 의해 내부로 토사가 유입되며 일측에 유입된 토사가 배토되는 배토구가 형성되고, 내부의 토크를 측정하는 베인 전단장치가 구비된 토사챔버;
회전축의 하부 끝단에 결합되고, 상기 토사챔버 하단에 구비되며, 상기 다짐시료박스 내의 토사를 굴착하기 위한 커팅툴과, 상기 토사 측으로 설정된 배합비로 혼합된 폼제가 분사되는 폼주입구가 구비된 소형 블레이드;
상기 회전축을 구동하여 상기 소형블레이드를 회전시키는 서보모터;
상기 배토구에 구비되어, 배토되는 토사의 배토량을 조절하여 상기 토사 챔버 내의 내압을 조절하는 배토유닛;
상기 토사 측으로 수직하중을 가하기 위해 상기 소형 블레이드를 상기 토사측으로 이동시키는 하중재하부; 및
상기 폼 주입구 측으로 설정된 배합비를 갖는 폼을 주입하는 폼 주입수단과 상기 폼 주입수단과 상기 폼주입구 사이에 구비되는 폼 주입관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 폼 주입구를 통해 분사되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하는 폼 주입량 측정부를 더 포함하고,
상기 베인 전단장치는,
상기 토사챔버 내의 회전축 외면 일측에 결합되는 로드;
상기 로드 외면 일측에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 구비되는 복수의 베인; 및
상기 베인이 결합된 로드의 상부 일측, 및 상기 베인의 표면 일측에 구비되어 상기 토사챔버 내의 토크를 실시간으로 측정하는 토크셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 2항에 있어서,
상기 베인 표면에 구비되는 토크셀은 상기 베인의 상부일측, 중단 주변부 일측 및 하부 일측에 구비되는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 3항에 있어서,
상기 토크셀에서 측정된 토크값을 기반으로, 상기 토사챔버 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하는 전단강도 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 4항에 있어서,
상기 전단강도 산출부는 이하의 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치:
[수학식 1]

상기 수학식 1에서, Cu는 전단강도, T는 토크값, D는 베인전단장치 직경, H는 베인높이, d는 로드 직경, b는 상부 로드의 높이이다.
제 3항에 있어서,
상기 다짐시료박스는, 2개 이상의 유닛이 길이방향으로 조립, 분리가 가능하도록 다단으로 구성되며, 각 단별 다짐이 가능한 복합지반으로 구성되는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 6항에 있어서,
상기 소형 블레이드에 구비되는 커팅툴은 서로 특정간격 이격되며 중심점과 서로 다른 거리를 갖는 복수로 구성되는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 7항에 있어서,
상기 토사챔버 내부 일측에는 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하는 토압측정용 압력셀이 구비되고,
상기 소형블레이드의 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도측정부와, 상기 소형블레이드의 회전토크를 실시간으로 측정하는 회전토크측정부와, 굴착시 상기 소형블레이드에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하는 관입하중로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 8항에 있어서,
상기 배토유닛은,
하측 끝단이 상기 배토구에 연결되며 상부 측에 토출단을 갖는 배토관과, 상기 배토관 내에 탈부착가능하도록 구성된 배토스크류와, 상기 배토스크류를 길이방향 축 기준으로 회전시키는 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
제 9항에 있어서,
상기 폼주입량측정부와, 상기 토압측정용압력셀과, 상기 회전속도측정부와, 상기 회전토크측정부와, 상기 관입하중로드셀에서 측정된 값을 실시간으로 전송받아, 상기 서보모터와, 하중재하부와, 상기 회전구동부와, 상기 배토량조절부 및 상기 폼 구입수단을 제어하는 제어모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치.
폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치를 이용한 폼 배합 설계인자 예측 분석 시스템에 있어서,
제 4항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 시험장치; 및
전단강도 산출부에 의해 산출된 폼 혼합 토사에 대한 전단강도값을 기반으로 최적 폼 배합 설계인자를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치를 이용한 폼 배합 설계인자 도출 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 폼 배합 설계인자는, 폼제와 공기와 물의 배합비, 발포비율(FER), 주입비율(FIR)이고,
상기 분석수단은, 굴착시 관입하중, 전단강도값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하는 것을 특징으로 하는 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치를 이용한 폼 배합 설계인자 도출 시스템.
제 4항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 시험장치를 이용하여, 토압식 TBM의 최적의 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법에 있어서,
폼제, 공기, 물을 혼합하여 설정된 배합비를 갖는 폼을 준비하는 단계;
다짐시료박스 내에 입도가 맞춰진 토사 시료를 담고 다지는 단계;
하중 재하부를 통해 토사챔버 하단의 소형블레이드를 이동시켜 상기 시료에 수직하중을 재하하는 단계;
상기 소형블레이드에 구비된 폼 주입구를 통해 폼이 분사되고, 서보모터에 의해 소형블레이드를 회전시켜 굴착되는 단계; 및
토사챔버 내의 베인 전단장치에 의해 폼 혼합 토사의 토크를 실시간으로 측정하는 단계; 및
시험종료 후, 분석수단이 베인 전단장치에서 측정된 토크값을 기반으로 지반 특성에 부합되는 최적의 폼 배합설계 인자를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법.
제 13항에 있어서,
전단강도 산출부가 상기 베인 전단장치에 구비된 토크셀에서 측정된 토크값을 기반으로, 토사챔버 내의 폼이 혼합된 토사의 전단강도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법.
제 14항에 있어서,
상기 굴착되는 단계에서,
주입량 측정부가 주입되는 폼의 주입량을 실시간으로 측정하고, 토사챔버 내부 일측에 구비된 토압측정용 압력셀이 유입된 토사에 의한 토압을 실시간으로 측정하고, 회전속도측정부가 상기 소형블레이드의 회전속도를 실시간으로 측정하며, 회전토크측정부가 상기 소형블레이드의 회전토크를 실시간으로 측정하며, 관입하중로드셀이 상기 소형블레이드에 인가되는 하중을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법.
제 15항에 있어서,
상기 도출하는 단계에서,
상기 분석수단은, 굴착시 관입하중, 전단강도값, 폼주입량, 토압, 회전토크값, 회전속도와, 시험종료 후 커팅툴의 마모량, 배토된 시료의 상태를 기반으로 TBM 성능을 예측, 분석하는 것을 특징으로 하는 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험방법.