기게굴착공법 및 TBM 공법

6.2 기계굴착공법

 기계굴착은 터널 단면을 pick이나 disk cutter를 이용하여 절삭하며 굴착해 들어가는 공법이다. 이 공법은 전단면 굴착방식과 부분 단면 굴착방식으로 분류할 수 있다.

 전단면 굴착기는 전단면 TBM으로 대표되며, 원형 단면의 터널을 굴착하게 된다. 부분 단면 굴착기로는 road header를 사용하고, TBM은 경암 굴착에서 사용되는 open TBM과 연약지반 굴착에 사용되는 shield TBM으로 분류했으나, 오늘날의 TBM 장비의 발전으로 TBM으로 통합 분류하고, 모든 TBM은 안전장치인 Shield를 장착하고 있어, open TBM은 사양화되고 있는 실정이다.

6.2.1 TBM 공법

 TBM의 굴착방식은 disk cutter의 회전력을 이용한 절삭식과 cutter의 회전력과 압축력을 혼합한 압쇄식 굴착방식으로 구분된다. 지반조건에 따라 암반굴착의 경우 rotary-type(압쇄식)을 사용하고, 토사 및 풍화토 굴착의 경우는 shield-type(절삭식)을 적용한다. TBM의 원리는 Cutterhead 전면에 정착된 disk cutter에 압축을 가해서 회전시키면서 암석면에 균열을 발생시켜 암반을 파쇄하는 것이다. 이때 굴착면에 2~6의 굴착각도를 주고 각 cutter에 굴착순서를 주어주면 암반에 자유면이 발생하여 cutter 효율 및 굴착 능력을 배가시켜 준다.

 암반의 파쇄 정도는 암질에 따라 TBM의 Cutter나 bit의 간격 및 굴착깊이를 조정하여 결정할 수 있다. 경암일 경우 대체로 폭은 60~80mm, 절삭깊이는 10~100mm 정도로 절삭한다. 10년 전만 하여도 TBM의 굴착능력은 단축압축강도 50~150 MPa에서 가장 효과적인 것으로 알려졌다. 그러나 최근 10년 동안 TBM의 장비 개발은 눈부시게 발전하여 극경암 강도 400 MPa 정도의 암도 굴착이 가능하고, 굴진속도도 고속화하는 경향을 보이고 있어, 선진국뿐만 아니라 세계적으로 기계화 시공으로의 시스템 변환이 이뤄지고 있다. 전면의 cutterhead가 회전하면서 암면을 밀어 압쇄 시키며, 전진하게 된다. 이때 cutterhead는 각 cutter를 지지한다. 그리고 부착된 scraper 및 shovel로 직접 버력처리를 하며 belt conveyor 장치로 후방으로 운반한다.

 전형적인 cutter tip 폭은 12~19mm이고, 적합한 cutter 재하하중은 220~270kn 정도이다. TBM의 thrust system은 35~50 MPa까지 압축력을 줄 수 있다. thrust 실린더는 1.2~1.6m의 strock를 갖고, 스트로크를 작게 할수록 정확한 회전 반경을 지길 수 있다. 대부분의 Torque의 반력을 터널 벽에 부착시킨 유압 Gripper로 지지할 수 있다.

 Disk cutter의 작용은 초기의 탄성적 압쇄에, cutter 밑에서의 비탄성적 암반의 부서짐을 포함한다. 그리고 인접면 절삭 시 자유면의 생성에 의한 파쇄대에서 발생되어 생기는 암편조각들을 모두 포함한다. 이때 암반의 마모도가 높은 광물 등이 cutter 마모의 주요 원인이 된다. 절삭 시 발생되는 암편의 크기는 5~15mm 정도이다. 절삭 효율은 disk 절삭이 암반면에 평행하게 나가고 이웃비트의 절삭에 도움이 되는 적정 거리를 유지할 때 나타나며, 암질에 따른 절삭도 단위체적당 절삭 에너지를 구하여 가장 적절하게 조정해 준다.

 관련 대용을 요약하면 다음과 같다.

 1) Cutter의 압축력과 절삭심도는 암반에 파쇄대를 형성할 수 있을 정도로 충분한 응력을 발생시켜야 한다.

 2) 이러한 파쇄대의 응력은 절삭홈 사이의 주변암에 적은 피해를 주며 Crack을 전개시키기에 충분해야 한다.

 3) 인접 cutter의 절삭간격은 자유면의 영향을 충분히 받아 파쇄가 쉽게 유도되도록 적정 간격을 지켜야 한다.

 4) 압쇄 절삭과정에서 회전저항에도 불구하고 cutter 작동을 유지할 적정한 disk force가 있어야 한다.