암석물성과 비트나 커터 선정 및 장비의 굴착속도와 암석물성과의 관계

7.4 암석물성과 비트나 커터 선정

 굴착 대상인 암반의 물리적 특성은 굴착장비 선정, 비트나 커터 선정과 중요한 관계를 갖게 된다. 현재 shield TBM이 적용되고 있는 국내의 지하철 터널 공사의 경우도 지질 및 지반조건에 맞는 Cutter bit의 선정과 최적 장비 선정의 중요성을 보여주고 있고, 이것은 공사의 성공 여부를 결정하는 요소이기도 하다. 일반적으로 현재 장비 선택에서 암반의 물성을 중요하게 다뤄지지는 못한 경향이나, 본 저서에서는 암반 물성과 장비운용과의 관계를 고려하여 cutter와 bit 선정을 하도록 하였다. 또한 장비 제작업체도 자사 내에서 대상 암종에 따른 커터와 비트 건정을 위한 마모시험, 절삭시험을 실시하여, 공법의 안전성을 확보하도록 하였다. 현장 조건에 맞는 cutter나 bit 선정에 필요한 암반의 강도와 경도를 구하기 위한 여러 시험방법이 개발되어 있다.

7.4.1 암반의 주요 강도 요소들

 일반적으로 장비 제작에 필요한 주요 물성치로 암반의 압축강도를 들 수 있으며, σ를 통해 cutter system 구성에 필요한 에너지와 힘 등을 결정하게 된다. 주요 제작업체 등은 암반의 압축강도를 이용해 굴착 시 적용되는 적정 절삭깊이와 cutter 종류 및 cutter 사용 비용 등을 정하는 index로 사용하고 있다. 시험실 시험과 이론적 해석결과 암반의 전단강도 역시 절삭 운용에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌고, pick의 운용과 암석의 물성과는 복잡한 역학적 관계가 있다.

7.4.2 암반과 Cutter 또는 Bit의 마모시험

 cutter pick의 굴삭 시 문제는 암반의 저항에 따른 마모 발생으로 pick이 닳아버려 절삭능력이 손실되는 데 있다. 암석의 마모 저항도를 측정하면 적정 cutter나 pick 선정에 도움이 된다. 암반의 마모 저항도 시험은 광물 분포 박편시험 등 여러 가지 방법이 있다.

 1) 석영 함유량 시험

 절삭 cutter 마모의 주원인인 암반 내 석영의 함유량이 cutter나 pick 선정에 중요한 요소가 되어 체적 함유율 및 또한 석영의 입도 크기가 주 시험대상이 된다. 각종 시험 결과에 의하면, cutter나 pick의 마모도는 암반 내 석영의 함유 정도 및 석영 입자 크기에 비례하고 있다.

 2) 세르샤 마모시험

 프랑스 광업연구소(cerchar)에서 개발된 시험으로 연한 철제 tip(또는 다이아몬드 tip)으로 암반을 10mm 길이로 긁어 발생되는 절삭 홈의 직경과 모양으로 암석의 마모도를 측정하는 방법으로, 이때 암반 긁기에 적용되는 수직하중은 7 kgf이다. 절삭홈의 크기는 0.1mm 단위로 측정된다.

 그 외 taber 마모시험(torkoy가 개발한 tab의 마모시험), shmidt 해머 tear shore 경도시험, protodyakonov의 impact 강도시험, brinell 경도시험, 직접 암석 core를 절삭하는 core cutting 시험, 1:1 scale 암석절삭시험, punch test 등이 있다. 이러한 암석물성 및 마모도 시험 등을 통해 적정 bit 선정이 가능해진다.

7.5 장비의 굴착속도와 암석물성과의 관계

7.5.1 순 굴착속도와 굴진속도

 굴진속도는 장비의 능력과 암반 등 지반의 저항력에 의해 결정되는데 가장 먼저 경정되어야 되는 요소는 커터의 굴삭 심도이다. 순 굴착속도는 커터가 암반 굴삭 시 절삭 심도와 cutterhead의 회전속도에 의해 결정된다.

7.5.2 마모 결도와 굴착속도와의 관계

 암석실험을 통하여 얻어진  S 및 SJ 등의 두 값과 DRI와의 관계는 다음과 같다

 얻어진 DRI 값은 암반의 균열요소를 고려하여 K 및 DRI값을 얻고, I의 크기를 얻어 굴착계획을 수립한다. 여기에서 I의 크기는 굴착속도 설계에 필요한 커터의 굴삭 심도이다.

7.5.3 반발경도와 굴착속도와의 관계

 종합경도는 슈미트해머에 의한 현지 암반의 반발경도와 실험실 실험에 의한 마모경도에 의해 다음과 같이 정의된다.

 종합경도는 반발경도와 마모경도 제곱근의 곱으로 얻어지므로 반발경도의 크기에 의해 크게 영향을 받는다.

 암석경도에는 슈미트해머에 의한 반발경도와 쇼아경도, 암석마모경도 및 AR 그리고 위에서 정의된 종합경도를 측정하여 굴착속도와의 상관관계를 얻었는데 종합경도와의 관계가 가장 좋다고 결론지었다.