Tunnel and Underground Space (터널과지하공간)

Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering (한국암반공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Assessment of Cutting Performance of a TBM Disc Cutter for Anisotropic Rock by Linear Cutting Test

선형절삭시험에 의한 이방성 암석에 대한 TBM 디스크커터 절삭 성능 평가 연구

  • 정호영 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) ;
  • 전석원 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) ;
  • 조정우 (한국생산기술연구원 대경권지역본부 메카트로닉스연구그룹) ;
  • 장수호 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실) ;
  • 배규진 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실)
  • Received : 2011.11.15
  • Accepted : 2011.12.16
  • Published : 2011.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The linear cutting test is the most reliable and accurate approach to measuring cutting forces and cutting efficiency using full-size disc cutter in various rock types. The result of linear cutting tests can be used to obtain the key parameters of cutter-head design (i.e. optimum cutter spacing, cutter forces). In Korea, LCM (Linear Cutting Machine) tests have been performed for typical Korean rock types, but these studies focused on the isotropic rocktypes. For prediction of TBM (Tunnel Boring Machine) performances in complex geological conditions including a bedded and schistose rockmass, it is important to consider the effects of anisotropy of rockmass on cutting performances and cutting efficiency. This study discusses a series of LCM tests that were performed for Asan Gneiss having two types of anisotropy angles to assess the effect of the anisotropy angle on rock-cutting performances of TBM. The result shows that the rock-cutting performances and optimum cutting conditions are affected by anisotropy angle and the effect of anisotropy on rock strength should be considered in a prediction of the cutting performances and efficiency of TBM.

선형절삭시험은 실제 TBM에 장착되는 디스크커터를 사용하여 암석을 절삭하는 시험으로 디스크 커터의 암석절삭성능을 평가할 수 있는 가장 정확하고 신뢰도가 높은 시험 중 하나이다. 시험을 통해 디스크커터에 작용하는 작용력과 암석 절삭 부피 등을 정량적으로 측정할 수 있으며 선형절삭시험 결과는 TBM 커터헤드의 설계에 필요한 핵심인자(수직력, 회전력, 최적절삭간격 등)를 결정하는데 직접적으로 활용될 수 있다. 국내에서도 LCM시험시스템이 구축되어 국내 대표 암종에 대한 선형절삭시험이 수행된 바 있으나 국내에서 수행된 일련의 선형절삭시험은 등방성 암석에 초점을 맞추어 수행되었다. 하지만 이방성 암반을 굴착하는 TBM 커터헤드의 설계 시에는 암석의 절삭효율과 디스크 커터의 절삭성능에 미치는 대상 이방성암반의 영향을 고려하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 이방성 암석의 편리각이 TBM의 절삭성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두 개의 다른 편리각을 가지는 아산편마암을 대상으로 압입깊이와 커터간격을 변화시켜가며 다양한 절삭조건하에서 선형절삭시험을 수행하였다. 시험결과는 암석의 이방성은 디스크커터에 의한 암석의 절삭효율 및 절삭성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 특히 이방성 각도에 따른 암석의 강도 변화는 TBM의 절삭성능을 예측하는데 있어 고려되어야 할 중요인자임을 확인할 수 있었다.

Keywords

References

  1. Snowdon, R. A., Ryley, M. D., Temporal, J., 1982, A study of disc cutting in selected British rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 19, 107-121.
  2. Nilsen, B. and Ozdemir, L., 1993, Hard rock tunnel boring prediction and field performance, Proc. Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC), 833-852.
  3. Bilgin, N., Demircin, M. A., Copur, H., Balci, C., Tuncdemira, H., Akcin, N., 2006, Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43.1, 139-156. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2005.04.009
  4. Gertsch, R., Gertsch, L. and Rostami, J., 2007, Disc cuttign tests in Colorado Red Granite: Implications for TBM performance prediction, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 44.2, 238-246. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2006.07.007
  5. Ozdemir, L. and Nilsen, B., 1999, Recommended laboratory rock testing for TBM projects, AUA News, Vol. 14, No. 2, 21-35.
  6. Bruland, A., 1998, Hard rock tunnel boring, Doctoral Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.
  7. 조정우, 2010, TBM 디스크 커터의 암석 절삭성능 평가에 대한 선형절삭시험 및 수치해석 연구, 공학박사학위논문, 서울대학교 대학원.
  8. Sanio, H. P., 1985, Prediction of the performance of disc cutters in anisotropy rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 22.6, 771-788.
  9. Chang, S. H., Choi, S. W., Bae, G. J., and Jeon, S., 2006, Performance prediction of TBM disc cutting on granitic rock by the linear cutting test, Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 21, No. 3-4, 271. https://doi.org/10.1016/j.tust.2005.12.131
  10. Cho, J., Jeon, S., Yu, S. H. and Chang, S. H., 2010, Optimum cutter spacing of TBM disc cutters: A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method, Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 25, No. 3, 230-244. https://doi.org/10.1016/j.tust.2009.11.007
  11. Rostami, J. and Ozdemir, L., 1993, A new model for performance prediction of hard rock TBMs, Proc. Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC), 793-809.
  12. 유상화, 2007, TBM에 사용되는 디스크 커터에 의한 암석절삭에 관한 연구, 공학석사학위논문, 서울대학교 대학원.