터널의 기계화 굴삭원리 및 Disk cutter의 절삭이론

7.0 터널의 기계화 굴삭원리

 암반의 굴삭 이론은 영국의 Evans model, 수정 ernst merchant model과 일본의 nishimastu model이 대표적인 이론으로 drag pick에 대한 것이며, 굴착은 근자에 이르러 disc cutting 이론이 호주의 roxborough 등에 의해 정립되었다.

7.1 Drag Pick의 이론적 Model

 drag bit는 일반적으로 쇄기형 chisel pick과 원추형 conical pick으로 분류된다. drag pick을 이용해 암반을 절삭할 때 절삭홈은 pick의 깊이보다 더 깊게 생긴다. 절삭면과 pick과의 사이에 관련 변수인 절삭각 α,β,θ가 존재한다. 절삭력은 절삭깊이와 rake angle인 α인 암석강도에 따라 달라진다.

7.1.1 Evans 모델

 암반의 전단면을 wedge형의 drag pick으로 절삭할 때, pick의 끝에서 암반의 표면에 이르는 원호를 따라서 인장의 파괴가 발생한다. 파괴의 순간에 절삭되는 암편에는 세 가지 힘이 작용한다고 보고 절삭력은 이 세 가지 힘과 평형상태를 이룬다.

 (1) 힘 R: pick 면에 법선방향으로 작용하는 힘

 (2) 힘 T: 파괴면인 원호를 따라 작용하는 인장력의 합력

 (3) 힘 S: O점에서 암편이 제거될 때 hinge를 따라 걸리는 반력

7.1.2 수정 Ernst-Mechant 모델

 암반의 절삭이 인장에 의해 발생하는지 전단에 의해서 발생하는지는 어느 강도가 먼저 한계를 넘어서는가에 달려 있다. 이 이론은 암석의 절삭을 전단파괴의 과정으로 모델링하고 있다.

 Evans 이론과 마찬가지로 이 이론도 파괴의 순간에 암편에 작용하는 두 set의 힘들에 의한 평형상태를 가정함으로써 절삭력을 구한다.

7.1.3 Nishimatsu 모델

 수정 ernst-merchant 모델에서는 암반의 전단강도가 전단면에 수직으로 작용하는 압축응력과 독립적이라는 가정을 한다. Nishimatsu 모델에서는 이러한 가정이 없다. 이 모델은 세 가지의 힘이 작용하는 암편의 한계평형에 기초하고 있다.

7.2 Drag Pick의 절삭 운영 시 주요 변수

 수학적 모델에서 나온 이론식에서는 절삭력에 대해 설명하였으나, 실제적으로 이것은 절삭 작업 중에 pick에 작용하는 힘들 중의 한 요소에 불과하다. 실제로는 횡방향 요소 및 수직방향 요소 등이 실제 작용하는 힘을 구성하고 있다. 이와 같은 drag pick작업의 효율을 얻어내는 데 필요한 다양한 요소들이 있다.

 이 외에 drag pick의 절삭 작업은 pick의 크기와 형태, 작동방법에 영향을 받는다. 상기 요소 외에 주요 변수를 다시 나열하면, pick rake angle, back clerance angle, pick width, pick shape, depth of cut, cutting speed pick의 구성물질, 암석의 물성, pick의 배치 간격 등 의 변수들이 있다.

7.3 Disk cutter의 절삭이론

 일반적으로는 Disk cutter는 암질이 강해서 drag pick에 의한 절삭이 불가능한 곳에 적용된다. 그러나 Disk cutter는 그 적용 방식에서 pick처럼 자유자재로 적용이 어려우며 원형 전단면 boring과 같은 방식으로 제한되어 사용된다. 현재 기술적으로 Drag pick의 사용은 암반의 압축강도가 약 100 MPa 이하의 암반에 제한되지만, Disk cutter는 최대압축강도 400 MPa에 이르는 암반에서도 사용할 수 있다.

7.3.1 Disk cutter 절삭의 기본 역학이론

Disk cutter는 축방향으로 자유로이 회전하는 바퀴와 같다. disc는 암반표면에 연직한 방향으로 높은 추력을 가하여 암반을 절삭한다. disc를 회전시키는 데 필요한 회전력은 암반표면과 평행하고 disc의 운동방향과 같은 선상에 있다.

 disc가 자유로이 회전하기 때문에 외적으로 작용되는 토크는 발생하지 않는다. drag pick와는 달리 disc의 wedge는 근접된 노출 자유면이 없이 암표면을 향해 관입된다. 즉 disc 양측의 횡방향으로 높은 추진력을 적용하여 암 표면의 파괴가 발생한다. pick의 주요 힘이 운동방향의 수평방향에 적용되는 것에 반해 디스크는 종방향으로 가장 큰 힘이 적용된다.