11

Shield TBM Shield TBM 공법의공법의

이해이해 및및 실무실무 적용적용

2008.06.26

동신기술개발동신기술개발㈜

22

1. 기계화 시공법의 정의

2. 쉴드 TBM의 선정과정

3. 시공사례소개

4. Shield 터널막장의 안정성

5. 토압식 쉴드터널의 하중매카니즘 고찰

6. 설계 및 시공 시 유의사항

7. 수치해석에 의한 실무적용

목 차

33

1. 기계화 시공법의 정의

44

국제 터널협회(ITA) 정의

국제 터널협회(ITA)에서는 터널 기계화 시공기술은 “비트와 디스크 등에

의해 기계적으로 굴착을 수행하는 모든 터널 굴착기술” 을 일컫는 것으로

정의하고 있음

이는 백호우(back-hoe) 또는 리퍼(ripper)에서 부터 가장 복잡한 형

태의 쉴드TBM까지의 모든 기계굴착방법을 포함함

55

최근에 혼합지반 등 다양한 지반조건에 부응하기 위하여 TBM에 쉴드를

부착하거나 쉴드의 전면판에 디스크 컷터 등 경암반 굴착기술을 접목하

는 등의 진전이 일반화되어 TBM과 쉴드TBM은 각각 그 본래의 의미를 상

실하였음.

광의의 의미에서 TBM은 “소규모 굴착장비나 발파방법에 의하지 않

고 굴착에서 버력처리까지 기계화․시스템화되어 있는 대규모 굴착기계”

를 모두 일컫는 광의의 의미

(쉴드를 포함하며 쉴드는 엄밀하게 쉴드TBM으로 지칭되는 것이 합당함)

TBM의 정의

66

2. 쉴드 TBM의 선정과정

77

.

지반조건에 따른 분류

88

• Shield TBM 장비는 개방형(Open Type), 밀폐형(Closed Type), 복합형

(Dual Type)로 분류

• 장비 종류별 토질별 적용실적 분석결과, 개방형(Open Type)은 암반을 대상

으로 적용실적이 많으며 토사지반의 경우는 밀폐형(Closed Type) Shield

TBM의 적용이 일반적임

• Dual Type(복합형)의 경우 최근 들어 적용이 확대되고 있는 장비로 암반층

과 토사층 모두에서 고르게 적용되고 있음

(1) Shield TBM 장비 1차 선정

99

EPB Type (이토압식) Slurry Type (이수가압식)

(2) Shield TBM 장비 2차 선정

• 커터 후방에 설치된 격벽과 막장면사이에 토사를 충진시켜 막장안정 및지반이완 억제

• 막장에 작용하는 토압 및 수압을지지하기 위해 챔버에 채워진 이수에 가압, 막장안정 및 이완억제

1010

이토압식 쉴드, EPB(earth pressure balance)

쳄버안에 굴착된 소성유동화한 굴착토를 압축하므로써 막장면을 지

지하면서 굴진하며 스크류컨베이어로 배출하는 방법

1111

이수가압식 쉴드, slurry

수압, 토압에 대응해서 챔버내에 소정의 압력을 가한 이수를 충만,

가압하여 막장의 안정을 유지하는 동시에 이수를 순환시켜 굴착토를

유체수송하여 배토하는 공법

1212

이수식 쉴드 토압식 쉴드

장 점

① 연약지반, 특히 지하수압이 높고함수비가 큰 대수층에 적합

② 토사반출이 연속적으로 유체수송되기 때문에 배토가 용이

① 굴착토의 배토상태에 따라지반의 상황을 판단하기가 쉬움

② 작업구 부지가 작아도 됨

③ 굴착토 처리가 비교적 용이

단 점

① 이수처리설비 설치를 위해 광범위한 부지점용이 필요

② 이수의 처리비용이 비교적 고가

③ N치 15이하, 균등계수 5이하의사질층에서는 국부적인 가능

① 소성유동성이 적은 토질에서는 소성유동화 개량재의 첨가가필요

② 고결점토 및 고결실트층에서N치가 높은 경우 굴착효과가 극단적으로 저하

③ 지반침하 및 융기에 대하여주의가 필요

1313

사례분석(일본)

• 하저 및 해저 횡단 공사에서 EPB(이토압식) Shield TBM 실적우수

• 실적분석 결과 수압크기 관계없이 EPB (이토압식) 실적많음

• 2kgf/cm2 이하의 수압에서는 EPB 적용 사례가 압도적으로 많음

1414

.

[ 기계화 시공법 선정방안 (2000년 프랑스 터널협회(AFTES) ]

분류기호

지반분류 예시일축압축

강도(Mpa)

붐타입Open

TBM

터널확장기

(TBE)

그리퍼쉴드

TBM

세그먼트 쉴

드TBM

더블쉴드TBM

기계식지지쉴

드TBM

슬러리쉴드

TBM

토압식쉴드

TBM

R1Very strong

rockStrong quart zite and basalt ＞200

R2a

Strong rock

Very strong granite, porphyry, very strong sandstone and limestone

200～120

R2b

Granite, very resistant or slightly dolomitized sandstone and

limestone, marble, dolomite, compact conglomerate

120～60

R3a

Moderately strong rock

Ordinary sandstone, siliceous schist or Schistose sandstone,

gneiss60～40

R3b

Clayey schist, moderately strong sandstone and limestone, compact

marl, poorly cemented conglomerate

40～20

R4Low

strength rock

Schist or soft or highly cracked limestone, gypsum,

highly cracked or marly sandstone, puddingstone, chalk

20～6

R5a

Very low strength rock and

consolidated cohesive

soils

Sandy or clay ey marls, marly sand, gypsum or weathered chalk 6～0.5

Gravelly alluvium, normally consolidated clayed sand

R5b

＜0.5

R6a

Plastic or slightly

consolidated soils

Weathered marl, plain clay, clayed sand, fine loam

-R6b

Peat, silt and little consolidated mud, fine non-cohesive sand

1515

Open TBM : TBM으로 굴착한 후에 지보재 또는 콘크리트라이닝을 설치

쉴드 TBM : TBM굴착과 동시에 세그먼트라이닝을 설치

- 싱글 쉴드 : TBM의 추진력을 기 시공된 세그먼트에 의존하는 방식

- 더블 쉴드 : 세그먼트와 함께 그리퍼에서의 반력도 동시에 이용

더블쉴드 싱글쉴드

(3) Shield TBM 장비 3차 선정

1616

3. 시공사례소개

1717

• 공사명 : 광주도시철도 1호선 TK-1공구 건설공사

• 발주처 : 광주광역시 지하철 건설본부

• 연 장 : 1,550m

• 공사비 : 118,380,000,000원

• 공 기 : 68개월 (1997. 11. ~ 2003. 6.)

• Shield TBM 터널 구간 : 총 1434m

금남지하상가 535*2=1070m

도청정거장-1042환기구 364*1= 364m

(1) 공사 개요

1818

1919

STA. 연장 Area Geology 수위

3K200

~

3K350

150

(m)

1042

환기구

3k200

Silt & Sand

60% Fractured granite, hard soil

Under Tunnel

3K350

~

4K150

800

(m)

104

남측

3K600

Weathered rock

Fractured granite

Middle of Tunnel

4k150

~

4k320

170

(m)

105

정거장

4K380

Weathered rock

Fresh granite

180Mpa hard rock

2m above Tunnel

(2) 지층 개요

2020

• 제 작 사 : NKK (日本 鋼管 株式會社)

• Type : Mixed Ground EPB Shield

• 기본구성 :

– TBM

• Cutting Head

• Cutting Head Chamber

• Front Drum (전통)

• Rear Drum (후통)

– Backup (후방설비)

(3) Shield TBM 개요

2121

Open Mode(개방형 모드)

• 지반조건이 불량하고 지하수 유입이 많은 경우에 적용• 단층파쇄대 및 하상풍화대 구간을 대상으로 적용• 장비 전면부 밀폐, 챔버안의 굴착버력으로 막장 지지⇨ 막장 안정성 및 주변 지반 이완 억제

Closed Mode(밀폐형 모드)

• 지반조건이 양호하고 지하수 유입이 없는 경우에 적용• 종점부에 위치한 암반구간(일부 고강도 암반)을 대상으로 적용• 장비의 전면부를 개방하여 굴진 실시⇨ 시공성 향상 및 공기 단축

2222

TBM 작동 Mode

• Open Mode

– Cutting Face는 Cutting Head에 의하여 기계적으로 지지, 버력

(Muck)은 Cutting head chamber에 축적되나 Chamber 내압을

형성하지 않고 유출

• EPB (Earth Pressure Balance) Mode

– 토압 = TBM 추진압력

– Cutting haed에 의하여 굴착된 토사는 Cutting head chamber

내의 압력하에서 혼합되고 축적

2323

Open Mode EPB Mode

Flood door 개방 Flood door 개방

Guillotine door 개방

2424

2525

• 기본치수

– Cut Diameter 7,420mm

– Bore Diameter 7,398mm

– Shield Diameter 7,380mm

– Tail Clearance 30mm

– Tail 두께 60mm

– Shield 길이 8,330mm

– Backup(후방설비) 길이 56,000mm

• Shield TBM 무게 : 총 530 Ton

– TBM 423 Ton , Backup 107 Ton

(4) Shield TBM 사양

2626

2727

2828

암석강도(kg/㎠) 굴진속도 Cutter

풍화암 20~510 60mm/분,3.6m/h Ripper Teeth

경암 510~1020 37mm/분,2.2m/h Disc Cutter

경암 1020~1530 20mm/분,1.2m/h Disc Cutter

경암 1530~2040 14mm/분,0.8m/h Disc Cutter

경암 2040~2550 7mm/분,0.42m/h Disc Cutter

(5) 굴착 성능

2929

명 칭 사 양 비 고

Geology Type Geology Type

혼합지질형

토사, 풍화암,

경암 공용

Opening 6 개구부 버럭배출

Grizzly bar 전석 Screen

최대 전석크기 300mm

주입공수 Face, 원주

12 Probe drill

전방토질탐사

Cutting head Face

Rim의 내마모

크롬카바이트처리

(6) Cutting Head

3030

명칭 사 양 비고

Type 후방교체형 Chamber

내부에서 교체

Cutter 호환성 Disc Cutter 와 Ripper Teeth의 호환가능

Corner Cutter Single/Double Disc type

Center Nose Cone Scraper type teeth

(7) Cutting Tool

3131

지지 Type 중간지지형

Rotation 양방향회전

Main Bearing 3축 Roller Bearing

Mixing Arm 4개

Chamber 주입공 12개

EPB Sensor 6개 EPB 모드

Screw conveyor gate Stop Gate

(Fin Type)

버력배출

방향조정 Cylinder

(Articulation cylinder)

22개*210 T

조정각 3ºTBM

방향조정

(8) Cutting Head 구조

3232

Type Joint Shaft(분절식) 비 고

Casing 내경/외경 Φ820mm/Φ870mm

Screw Pitch 500mm

길이 12.1m

RPM 0~16

Torque 12 t.m

동력 220kw

배토능력 180㎥/시간

최대암석치수 300mm

토압 Sensor 2개

(9) Screw Conveyor 사양

3333

3434

3535

3636

3737

3838

3939

4040

구 분 사 양

Cylinder 수량 24개

Stroke 1700mm

추진속도 100mm/min (6m/시간)

Cylinder 구동 독립개별 작동 System

균등추진 작동용

비례압력 Control

최대추진력 210Ton * 24개 = 5040Ton

자기조정 Shoe

우레탄 Pad

(10) Shield 추진 Cylinder

4141

Shield 추진력 산정

• 쉴드의 추진력은 선단저항과 외주면의 마찰저항의 합

• 밀폐식의 경우 배토구의 좁은 부분만을 남기고 굴착 전면을 폐쇄

하면서 굴착하는 방식이기 때문에 Shield 관입저항이 큼

• 굴착전면의 경우 : 지표면이 융기되는 현상발생

• 통과 후 굴착후면 : 지표면이 침하되는 현상발생

▶ 적절한 개구율과 추진력을 신속하게 파악하는 것이 중요

• 일반적으로 개구비가 일정한 경우 추력에 비례하여 추진속도와

배토량은 증감하고, 배토량이 일정한 경우 개구비에 비례하여

추력은 증감함(개구비가 클수록 추력은 감소함)

4242

• 쉴드의 추진력은 선단저항과 외주면의 마찰저항의 합

• Broms. Bennermark 경험식 (개구비 0, 완전 밀폐)

• 는 개구비에 따라서 실제 적용되는 선단저항은 적은 값이 되지만 굴착 중견고한 지층을 만나는 경우나 예상 추진력을 상회하는 추진력이 필요한 경우등이 발생시를 대비하여 하나의 목표값으로 산정하여야 함

• 는 쉴드와 주면지반의 마찰저항으로 쉴드중량보다 지반유효중량이 클 경우 증가되며 반대의 경우 그 차만큼 마찰력을 감소시켜야 함

)( ncHrAR ep += 8~6:n

fp RRQ +=

τπDLR f = 전단강도:τ

pR

fR

φστ tan+= C

4343

추진력계산

쉴드의 단위중량(1.187tonf/m3)이 흙의 단위중량(1.9tonf/m3)보다 작으므로

세그먼트 단면적

목표추력

fp RRQ +=

tonfRp 2375)5.17)202/38.7(9.1(776.42 =×++×=

설계제원 : 쉴드 외경 7.38중량 423톤세그먼트 두께 0.3m쉴드길이 8.3m토피고(지표~쉴드천단)20.0m

지반점착력 1.5내부마찰각 30지반단위중량 1.9전면부 면적 42.776m2

tonfR f 233614.123.838.7 =×××= π

2/561.13tan9.1)202/38.7(5.1 mtonf=×++= δτ

2/14.12tan38.7)187.19.1(561.13 mtonf=×−− δ27.0)2/30tan()2/tan(tan === φδ

tonfRRQ fp 471123362375 =+=+=

20 39.62 mtrAs == π

)24210(5040 eattonf × 2/73.78839.65040 mtonf=÷

(例)

4444

일본의 Shield TBM 추진잭 적용사례 (토피고 15.0m, 풍화암)

공 구항 목

東海道線 浜松町工区東海道線 芝浦１

工区営団11号線 元赤

坂2工区大阪市 谷町工区 大阪市 今里工区

토카이도선 하마마쯔쵸공구

토카이도선 시바우라1 공구

에이단11호선 모또아까사카2 공구

오오사카시 타니마찌 공구

오오사카시 이마사토 공구

외 경 m 7.24 7.24 6.61 6.97 6.99

테일 내경 m 7.12 7.12 6.55 6.85 6.87

쉴드 길이 m 5.995 5.50 6.00 7.145 6.59

쉴드중량 t 250 230 240 307 240

경험식 결과 3,033 2,933 2,638 3,103 2,958

쉴드잭 총추력 t 3,300 3,000 3,000 3,000 3,000

쉴드 단면적당

추력 t/m280 73 100 150 150

쉴드 잭수 ea 22 30 20 20 20

쉴드 단면적 m2 41.1 41.1 34.3 38.1 38.4

• 검토결과 유사한 결과를 나타냈으며 오차범위는 지반전단강도정수의 차이와마찰계수 적용의 차이로 판단됨

4545

설 비 기 능

Belt Conveyor 0~100m/min, 230㎥/h

전원시설 6600v, 2000kw

Data Logging System SDACS (자동측정장치)

Ground conditioning system (기포주입장치)

Foam : 3000ℓ/min

Polymer : 500ℓ/min

Air Compressor 고압/저압 각 1대

Control System Room CCTV, Monitor등

Gas 탐지기 산소,메탄,수소,유화물 탐지

(11) Backup (후방설비)

4646

4747

4848

작동순서

– 전기모터 시동

– Hydraulic Pump 작동

– Cutter Head 회전

– 추진 Cylinder (Shield Cylinder, Propulsion Cylinder)가

TBM 전진 (24 *210 Ton = 5040 Ton)

버력-Cutter Head Chamber에 진입

Screw Conveyor를 통해 터널내부로 이동

Belt Conveyor 및 Muck Car로 갱외반출

– Segment 조립

– 추진 Cylinder 재조정 (다음 Cycle로)

(12) Shield TBM 추진 System

4949

As-flexed state (곡절상태) Restored state (회복상태)

Artiqulation Cylinder

5050

5151

• 목적 : Tunnel Lining

• Type : Precast Concrete Segment

• 재원

– 외경 7.2m, 내경 6.6m (두께 0.3m)

– 길이 : 1.2m

• 구성 : 6 + 1 Key

– 5 @ 60˚ (3.61m, 3.1 Ton)

– 1 @ 45˚ (2.71m, 2.3 Ton)

– 1 @ 15˚ (0.90m, 0.8 Ton) (Key segment)

• 소요수량 : 약 8370개 (365+535*2)*7/1.2

(13) Segment 개요

5252

• 목적 : Backfill,토사안정,균열진충,수밀성

• 재료

– 주 재 료 : Cement, Bentonite, 규산소다

– 보조 재료 : Fly ash, Silica fume, 지연제, 급결제

• 주입구

– Cutting head 전방 4개소

– Cutting head 원주 상단 1개소

– Cutting head chamber 4개소

– Cutting head 원주 59개소 토사안정

– Screw Conveyor Casing 3개소

– Probe Drill 2개소

– Segment Segment Backfill

(14) Grouting

5353

재료 역할 및 특성

Cement 주 결합재

Bentonite Bleeding 감소, 유동성 증대, 강도감소, gel 시간 증대, 경화시간 증가, suspension grout

Sodium Silicate

규산소다(나트륨)

급결제 (Cement의 급속한 수화반응 유도)

연약지반 강화용,Slag cement와 결합,환경친화

Slica 여과(leaching), chemical solution grout

Retarder 지연제. 장거리 수송시 수화지연, 작업성확보

골재(모래) Mortar grout용,비용절감,grout 성질변경최소화

Flyash Pump ability 증가, Cement 대치

Silica Fume Bleeding 감소, 강도증대, 유동성 증가

Accelerator 촉진제, 수화작용촉진, 양생기간 단축

5454

5555

5656

• 1단계(Shield TBM 조립)

– 분리부분-수직구 조립

• 2단계(발진준비)

– Back Truss (반력대)

– Segment 25~30ring (Segment 반력)

– Truss 반력대 제거

• 3단계(굴진)

– 533m 굴진 – 정거장 U-turn – 굴진 – 환기구• 4단계(해체반출)

– 환기구(수직구)-해체-지상반출

(15) Shield TBM 추진공정

5757

• 공장 완성후 공장시동

• 절단후 포장

• 일본 - 부산 – 육상운송 – 현장• 조립 및 장비 거치

• 시공완료후 해체 (24분할)

– 최대치수 : 7.38m * 4.3m * 3.69m

– 최대중량 : 개당 70 Ton

(16) Shield TBM 수송

5858

5959

6060

6161

6262

6363

6464

6565

6666

6767

6868

6969

7070

7171

7272

7373

7474

7575

7676

7777

※ Disk Cutter 교체

Disk Cutter 교체 (동영상)

Disk Cutter 손상 및 재생

7878

7979

8080

8181

8282

4. Shield 터널막장의 안정성

8383

터널붕괴의 대부분을 차지하는 경우는 터널 시공시에 발생하는 막장의붕괴이다.

1) 암반지반에서의 붕괴 : 키블럭형성으로 인한 붕괴

터널막장의 안정성

2) 터널막장에서 지반자체의 저항력 부족으로 인한 붕괴 : 연약지반, 파쇄대

8484

5. 토압식 쉴드터널의 하중매카니즘 고찰

8585

토압식 쉴드공법은 막장에서 절취한 흙을 사용하여 막장에 지보압을

가하여 막장의 안정성을 도모하는 공법

토압식 쉴드에서 총 소요지보압 산정은 간단하지 않음

- 왜냐하면 벤토나이트 슬러리를 사용하는 이수식 터널과 달리 절취한

흙자체를 Counter weight로 사용하기 때문에 막장전방으로 지하수

유입이 가능하기 때문임

8686

(a) 유효응력 + 정수압 : 지반의 투수계수가 작고 터널굴착이 빨라서 지하수유입이 없다고 가정하는 경우

(b) 유효응력 + 침투수압 : 지반의 투수계수가 10-5~10-4m/s이상이고 터널굴진속도가 0.1~1.0m/hr인 경우

→ 침투수압 산정방법 : 침투해석이용, LEE 등(2003) 정수압의 28%적용

(1) 전면부 총소요지보압 산정

8787

개요도

• 토압+수압 = 굴진압 → Balance

• 토압+수압 > 굴진압 → 지반침하,수위저하

• 토압+수압 < 굴진압 → 지반융기,수위상승

8888

소요지보압 산정방법

지반조건에 따른 분류

- 사질토에 대한 극한해석- 점성토에 대한 극한해석, 경험식- 지하수고려에 따른 침투수압- 연약지반 및 자립이 가능한 지반에대한 소성범위에 따른 하중

TBM 토사유입부의 개구율에 의한 분류

- 개구율이 클수록(개방형에 가까울수록) 지보압은 감소

- 개구율이 작을수록 (밀폐형에 가까울수록)지보압은 증가

8989

① 이론적인 토압식 : 삼각형 하중을 적용하여 깊이에 대한 수평응력의 합으로산정함

간극수압를 무시하는 경우

간극수압를 고려하는 경우

으로 토압을 산정하며 전면커터부에 해당하는 토압을 산정하여 적용함

또는

022/1 khP γ=

20

2' 2/12/1 hkhP wγγ +=

Hhhk

P bottomtop ×+

=2

)(0γ Hhh

kP bottomtopw ×+

×+=2

)()( '0 γγ

터널높이:H

9090

② Murayama 방법 (村山，1966)

Logspiral 형태의 파괴면을 고려하며

Terzaghi (1943)가 제안한 방법에 근거

하여 압력쐐기(abd)에 작용하는 토압

(qB)를 산정하며 (W+qB)에 의한 유발

모멘트와 굴진면압력에 의한 힘 P와 파

괴면에서의 전단강도에 의한 저항력에

의한 저항모멘트에 대한 평형조건을 고

려한다. 여기서 안정성 확보에 요구되

는 굴진면 압력 P는 반복계산을 통해 최

대 P를 주는 하중재하 폭 B를 찾는 방법

에 근거하여 다음식과 같이 결정됨

이완하중고

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅= 20

2

tan221 rrcBlqBWll

P cawp φ

9191

③ Broms and Bennermark 경험식

- 연약한 점성토층에 대해 실험을 통해 산정된 경험식

- 추진시 최대 추진력발생상황이나 견고한 경암구간통과시 전면 지보압으로적용가능

일반적으로 잭추진력은 최대 목표치인 만큼 실제 토압은 이보다 적음. 따라서특수한 상황을 제외하고는 미적용 (적용시 상부지표 융기발생가능)

)( ncHrAR ep +=8~6:n

9292

전면부 총소요지보하중 산정결과 비교

검토결과

잭추진력으로 계산되었던 Broms and Bennermark의 경험식, 무라야마의 제안식,이론식 크기 순으로 산정됨 ( ③ > ② > ① )☞ 토사층 정지토압계수의 영향으로 이론식이 작게 산출됨(①: 0.5, ② ③ : 1.0)

지반자체가 견고한 경우(아칭효과기대) : 이완하중을 상재하중으로 가정한murayama 제안식이 적합

지반자체 지보가 불가능한 연약한 경우 : 전토압을 고려하는 것이 적합함

9393

• 지반과 굴착형상을 동시에 모델링하고 정지토압상태를 구현하기 위해 전면커터부의 수평변위를 구속함

• 3차원 모델링시 시공단계 및 축방향하중 적용가능

• 잭 추진력에 대한 세그먼트 응력검토가능

• 과거에 비해 모델링의 용이와 빨라진 해석속도로 별도의 하중산정 없이 경계조건변경만으로 지반-구조물거동 확인 가능하여 합리적임

④ 수치해석에 의한 방법

9494

쉴드터널 굴착으로 인한 지반변위

① 쉴드기계와 세그먼트 라이닝 사이의 틈새로 인한 침하② 뒷채움 그라우팅에 의한 변형

Dd

2∆+δ

A'

A GAP UA'

A

B U*3D d

D=d

+2∆+δ

GAP=2∆+δ+U

U=U*3D+ω

굴착후 천단부가 될지점의 초기위치

∆ = 쉴드의 기하조건으로 인한 지반 손실 δ = 라이닝 설치에 필요한

공간을 통한 지반손실

(2) Gap prameter

9595

Gap prameter의 적용

(a) 밀폐형 쉴드의 경우 GAP = Gp , tail두께 + tail클리어런스

(b)개방형 쉴드의 경우 GAP = Gp+U3D , 개방비에 의한 토출량 고려

(c) 개방형 쉴드 + 시공오차 GAP = Gp+U3D+w , 시공오차 고려

Dd

2∆+δ

A'

A GAP U

GAP=2∆+δ+U

U=U*3D+ω

굴착후 천단부가 될지점의 초기위치

Gap parameter 산정 예(밀폐형)

cutter부 : 커터직경 – 쉴드외경tail부 : 커터직경 – 쉴드외경 –(tail두께+클리어런스)

9696

그라우팅 적용시 주입압으로 인한 압력을 세그먼트부에 작용시키는 방법

→ 테일보이드에 주입되는 그라우팅은 통상 2~3kgf/cm2으로,저압그라우팅이 수행되므로 무시해도 무방함단, 특수한 조건(가압그라우팅)의 경우, 견고한 지반에 반작용된 그라우팅주입압이 세그먼트 부에 작용될 수 있으므로 상황에 맞는 적용이 요구됨

(3) Grout 압력에 의한 영향

9797

추진력을 반력대 역할을 하는세그먼트 단면에 재하하여

세그먼트 축응력을검토하는 방법

현재 국내의 설계추세는 지반-구조물의 상호작용 검토시 변위 및 반경방향의하중에대한 부재력검토를 위주로 수행되고 있음세그먼트의 단면설계는 강도강소법에 의한 구조용 구조체로 별도로 수행됨유럽 및 미주 등에서는 최근 사용하중하의 지반거동분석에서 극한강도설계법으로진행이 활발히 진행되고 있으며 사용한계와 극한한계에 의한 해석을 병행하여 비교하고 있음

(4) 추진력에 의한 세그먼트 응력 검토

[ BS8002:1994 : 극한강도법 적용사례는 물성저감계수 적용(1/1.2=0.83)변형계수, 전단강도계수(점착력, 내부마찰각)에 대해 0.83배 적용 ]

즉 강도설계법의 개념인 하중은 증가시키고 강도는 감소적용하는 방법을 적용하여지반변형물성을 감소시켜 발생되는 부재력에 대해 단면설계를 수행하는 방법임→ 지반-구조물 상호거동을 통해 동시에 해석수행가능하지만 국내에서는 아직 이에 대한 설계기준이 정립되어 있지 않은 상황으로 이에대한 연구고찰이 요구되는 바임

9898

6. 설계 및 시공 시 유의사항

9999

쉴드 TBM은 지상에서 제작되어 현장에서 조립되는 만큼 사전 예측이 무엇보다도 중요하며 현장대응성에서 유연해야 함

따라서 충분한 지반조사가 수행되어야 하며 지층의 불확실성에 대한 설계및 시공시 대책이 마련되어야 함

막장 안정을 위한 전면 지보압 산정시 과압 및 저압으로 인한 지표부 피해가발생하지 않게 토압계를 통한 토압발런스를 유지하는 것이 필요

쉴드추진으로 인한 하중 매카니즘을 종합적으로 고려하여 검토대상에 가장안전측 분석이 수행될 수 있도록 충분한 고찰이 요구됨

시공시에는 자동측량시스템 뿐아니라 전문 측량팀에 의한 광파기 측량 등확인측량관리를 통해 상호분석으로 시공오차를 최소화하도록 주의해야 함

(단, 자동화 측량 시스템에만 의존하여 굴진방향을 이탈한 사례가 다수임)

100100

7. 수치해석에 의한 실무적용

101101

해석방법에 따른 특징 비교

102102

Shield TBM modelling concept

103103

1. Shield TBM boring procedure

1

2

3

4

5

104104

1. Shield TBM boring procedure

1

2 3

4

5

105105

1. Shield TBM boring procedure

1

2

3

Face pressure ahead of the Shield TBMFace pressure ahead of the Shield TBM((전면전면 총소요총소요 지보압지보압==굴진압굴진압))

Contraction over the body of the Shield TBMContraction over the body of the Shield TBM((Shield TBMShield TBM 주변주변 수축압수축압))

““GapGap”” between Shield TBM and Segment diameterbetween Shield TBM and Segment diameter((SegmentSegment 주변주변 수축압수축압))

4Jack forces applied on the last Segments Jack forces applied on the last Segments ((잭잭 추진력추진력, , friction forces between soil and shield TBM + weight of the TBM friction forces between soil and shield TBM + weight of the TBM + + ①①))

Grout pressure Grout pressure ((그라우트압그라우트압))5

106106

Shield TBM modelling

107107

1. Shield TBM modelling method

Model Components :Model Components :

•• Shield TBM = plate elementsShield TBM = plate elements•• Grout = solid elementsGrout = solid elements•• Segments = plate elementsSegments = plate elements•• Soil = solid elementsSoil = solid elements

case1case1

Model Components :Model Components :

•• Shield TBM = plate elementsShield TBM = plate elements•• Grout = plate elementsGrout = plate elements•• Segments = solid elementsSegments = solid elements•• Soil = solid elementsSoil = solid elements

case2case2

108108

case1case1

기존기존 안정성안정성 검토사례검토사례

겝부분의겝부분의 공극을공극을 모델링하여모델링하여시공단계에서시공단계에서 제외시킴제외시킴

요소망요소망 분리로분리로 인해인해 변위가변위가 겝겝파라미터파라미터 이상이상 발생할발생할 경우경우 세그세그먼트먼트 요소망과요소망과 각각각각 독립적으로독립적으로거동하여거동하여 상부상부 변위로변위로 인한인한 영향영향이이 세그먼트에세그먼트에 전달되지전달되지 않음않음

∴∴ 세그먼트세그먼트 응력이응력이 적게적게 산정됨산정됨

겝파라미터 모델링

109109

1. case1, case2 비교

case1case1

case2case2

case3case3

110110

1. case1 검토

case1case1

Model Components :Model Components :

•• Shield TBM = plate elementsShield TBM = plate elements•• Grout = solid elementsGrout = solid elements•• Segments = plate elementsSegments = plate elements•• Soil = solid elementsSoil = solid elements

111111

전면 총소요 지보압 산출(굴진압)

112112

1

1. Face pressure ahead of the Shield TBM1. Face pressure ahead of the Shield TBM((전면전면 총소요총소요 지보압지보압==굴진압굴진압))

113113

1.1 토압이론에 의한 전면 총소요 지보압 산출

Ko×γ×h = 0.5×1.9×23.69 = 22.5055 t/m2

114114

1.2 村山(제안식)에 의한 전면 총소요 지보압 산출

qb=16.844, P=186.54

186.54 / 7.42 = 25.14 t/m2

이완하중고 ( )⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅= 20

2

tan221 rrcBlqBWll

P cawp φ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= φαφ

αγα

tan/

2exp1tan2

2

HBK

KBcB

qb

115115

1.3 Broms(경험식)에 의한 전면 총소요 지보압 산출

)( ncHrAR ep +=8~6:n

γ× h + n × c = 1.9 × 23.69 + 7 ×1.5 = 55.51 t/m2

116116

2.1 2D 수치해석 접근방법 ①

그림1 - 개요도 그림2 - 모델도

117117

σh ＝ Ko ×σｖ

2.1 2D 수치해석 접근방법 ① 해석결과

118118

2.1 2D 수치해석 접근방법 ① 해석결과

SUM = 166.0906 ton 22.5055 t/m2

119119

2.2 2D 수치해석 접근방법 ②

그림3 - 설명도 그림4 - 예상도

우각부 (a) 에서 저항력 발생 2D 수치해석적 접근방법 ①에서의 A부분 Reaction값과 다를 것으로 예상

120120

2.2 우각부[a] 구속효과 반영

그림5 - 개요도 그림6 - 모델도

121121

2.2 우각부[a] 구속효과 반영 해석결과

아칭효과 확인 어려움

122122

2.3 2D 수치해석 접근방법 고찰

단면형상에 따라 3차원 거동이다르므로 2D검토에 한계가 있음

A Reaction(이론解) ≠ A’ Reaction(실제解)

123123

3.1 3D 수치해석 접근방법

그림7 - 개요도 그림8 - 모델도

124124

SUM = 846.7511 ton 23.4534 t/m2

3.1 3D 수치해석 접근방법 해석결과

125125

3.1 3D 수치해석 접근방법 해석결과 고찰

3D해석해 23.4534 t/m2

Shield TBM 내부 저항력 = 3D해석해(23.4534 t/m2) – 이론해(22.5055 t/m2)

Shield TBM 내부의 저항효과가 포함된 반력값

전면 총소요 지보압 = 21.56t/m2 적용

126126

수축압 산출(Contraction Pressure)

127127

2

1. Contraction over the body of the Shield TBM1. Contraction over the body of the Shield TBM((Shield TBMShield TBM 주변주변 수축압수축압))

3

2. 2. ““GapGap”” between Shield TBM and Segment diameterbetween Shield TBM and Segment diameter((SegmentSegment 주변주변 수축압수축압))

128128

Contraction pressure (1)

““GapGap”” between Shield TBM and Segment diameterbetween Shield TBM and Segment diameter((SegmentSegment 주변주변 수축압수축압))

P = contraction pressure, e = contraction thickness, R = radiusP = contraction pressure, e = contraction thickness, R = radius

Contraction over the body of the Shield TBMContraction over the body of the Shield TBM((Shield TBMShield TBM 주변주변 수축압수축압))

R= 3.71 m

e= 0.02 m

delta_R= 0.02 m

E = 130000 tonf/m2

p = 3.78 tonf/m2

R= 3.69 m

e= 0.11 m

delta_R= 0.11 m

E = 130000 tonf/m2

p = 115.53 tonf/m2

129129

Contraction pressure (2)

링수축압링수축압 적용시적용시 : : 휨모멘트휨모멘트 1.82t1.82t--m, m, 합변위합변위 2.53mm2.53mm연직상재하중적용시연직상재하중적용시: : 휨모멘트휨모멘트 1.00t1.00t--mm, , 합변위합변위 1.15mm1.15mm링수축압링수축압 적용시적용시 변위변위 및및 부재력에서부재력에서 약약 22배가배가 크게크게 나타남나타남

115.53tonf/m2링수축압링수축압

2~3tonf/m2토질공학토질공학연구회연구회

130130

세그먼트 잭 추진압 산출(Jack Forces)

131131

4

1. Jack forces applied on the last Segments 1. Jack forces applied on the last Segments ((잭잭 추진력추진력, , friction forces between soil and shield TBM + weight of the TBM friction forces between soil and shield TBM + weight of the TBM + + ①①face pressure)face pressure)

1

132132

Jack forces

Jack forces = 2271.72 ton + 21.56t/m2 ×굴진장면적 = 3050.11 ton

Jack forces = friction forces between soil and shield TBM + weiJack forces = friction forces between soil and shield TBM + weight of the TBM + ght of the TBM + face pressureface pressure

잭 추진압 = 3050.11 ton / 세그먼트면적 = 457.10 t/m2 적용

133133

3차원 수치해석 예

134134

1. 3D 수치해석 모델

세그먼트, 외부굴착

내부굴착

쉴드, 그라우트

지반

135135

2. Load, Boundary, Change Element Attribute

136136

3. Construction Stage Definition

137137

4. Post

138138

4. Post

139139

4. Post

140140

5. Post 결과 그래프

천단 변위

내공 변위 지표면 변위

-0.0009

-0.0008

-0.0007

-0.0006

-0.0005

-0.0004

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0

0.0001

0 5 10 15 20 25

계열1

계열2

계열3

계열4

계열5

계열6

계열7

계열8

계열9

계열10

계열11

계열12

계열13

계열14

계열15

계열16

계열17

계열18

-0.012

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

0.002

0 5 10 15 20 25

계열1

계열2

계열3

계열4

계열5

계열6

계열7

계열8

계열9

계열10

계열11

계열12

계열13

계열14

계열15

계열16

계열17

계열18

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 5 10 15 20 25

계열1

계열2

계열3

계열4

계열5

계열6

계열7

계열8

계열9

계열10

계열11

계열12

계열13

계열14

계열15

계열16

계열17

계열18

141141

감감 사사 합합 니니 다다. .