TBM의 구조 및 기능

1. TBM(Tunnel boring machine)

< TBM 구조 >

1) 개요

절삭공구를 암벽에 접촉, 회전시키면서 전단면을 연속 굴착 및 파쇄가 가능하다.

• 쇄석은 연속적으로 뒤쪽으로 운반, 배송한다.
• 직경이 8m 이상인 경우, 소구경의 선진도갱으로 굴착 후 TEM으로 확대, 굴찰하는 것이 유리하다.

2) 특징

장점	단점
- 정확한 원형단면 굴착으로 응력집중이 없고, 안정성이 크다. - 주위 지반을 이완시키지 않으므로 안전 - 여유굴착이 적어 반출량, 복원 콘크리트양 적어 공사비 절약,    공기 단축, 작업인언 감소, 원가절감 - 레이저 광선에 따라 굴질하여 작업이 정확 - 발파작업이 없어 작업자의 안전성이 높음 - 굴착이 연속적으로 고능률 및 속도가 빠름 - 노무비 절감 - 공기 오염도 적음 - 소음, 진동이 적고, 주변지반에 영향이 적음	- 기계 중량이 커, 운반 및 반축이 곤란 - 암질변화에 따른 적응성이 좋지 않고, Cutter 교환이 불편 - 굴착경의 변경이 불가 - 정확한 지질조사가 필요 - 숙련된 기능공이 필요

 

3) 구조

① 본체 

• 구성 : Cutter head, Inner kelly, Outer kelly 등
• 레이져 건, 레이져 빔, 커터 등 설치
• 커터는 TBM 헤드 전면에 배열 정착하고, 경도가 높은 특수합금으로 제작

② 후속 대차(Tailor)

• 본체 구동에 필요한 전력설비, 유압설비, 집진설비, 우넌실 등 장착
• 상부에 버력 반출을 위한 벨브 컨베이어 설치

③ 버력 대차(Tailor)

• 버력반출을 위한 대차로, 버력운반차를 탑재하여 상부의 밸브 컨베이어로 운반된 버력적재 설비

④ 지지 장치(Clamping pad) : 터널 상하에 기계를 고정하는 장치

4) 종류

① 전단면 굴착식 : 계획 단면에 맞는 TBM 굴착기를 제작하여 사용
② 확대 굴착식 : 소구경의 TBM을 이용하여 Pilot 터널 굴착 후, 소요단면적까지 확대 굴착하여 터널을 완성하는 방법

5) 굴진 능률에 미치는 영향 인자

기계적 요소	지질적 요소
- 커터 헤드 추력 및 회전력 - 커터의 기하학적 형태 및 마모율 - 커터 배열 및 수량 - 커터 직경	- 암반의 강도 및 경도 - 절리, 균열, 협재율 유무 - 물성과 지하수 암

 

2. Shield 건설기계

1) 쉴드 공법

① 개요 : 강제 원통을 땅속에 압입하여 막장의 토사를 밀면서 전진 굴진하여 굴착한 다음, 쉴드 후방의 활꼴 거푸집으로 아치를 조립하여 이것을 1차 복공으로 터널을 구축하는 공법

② 용도

• 하천, 바다 밑 등 연약지반이나, 대수층 지반의 터널공법
• 도시터널 시공에도 사용(지상에 영향을 미치지 않음)
• 모든 지반에 적용가능하고, 특히 용수를 동반하는 연약지반에 대단히 유리(암반 제외)

2) 구조

• 본체, 추진장치, 커터헤드, 첨가제 주입장치, 혼합기구 및 배토 기구, 송니기구 및 교반기구, 세그먼트 조립기구

① Hood부 : 막장을 지지하면서 안전한 굴찰을 위한 작업공간 확보
② Ring Girder부 : Jack을 이용한 추진부
③ Tail부 : 세그먼트를 조립하여 복공(거푸집)을 설치하는 부분

3) 특징

장점	단점
- 공사 중 지상에 미치는 영향이 적다 - 깊은 지하도 시공이 가능하고, 시공속도가 빠르다. - 도심지의 교통에 지장을 주지 않고, 소음 및 진동이 적다 - 반복작업으로 공정관리가 용이하고, 공기단축이 우수 - 암반을 제외한 거의 모든 지반에 가능 - 곡선부 시공이 가능하여 막장붕괴에 대해 안정성이 높다.	- 굴착 단면변경 및 급곡선 시공이 어렵다. - 지질 및 지하구 영향 고려 필요 - 굴착 단면이 크면 쉴드 제작과 시공이 어려워 공사비 증가 - 초기 투자비가 높고, 전문 기능공 필요 - 압기 작업에 제한이 따르므로 30m 초과 깊이 불가 - 사전 지질조사 선행이 필요하며, 단거리 작업시 공사비 고가

 

4) 공법 종류

① 단면 형상의 구분 : 원형, 반원형, 마제형, 사각형 등

② 굴착 방식의 구분(굴착공법)

    가. 인력굴착

    나. 기계굴착 : 막장전면의 밀착 Cutter head의 회전에 의해 전면을 동시에 연속적으로 굴착

    다. 반기계굴착(Semi Shield) : 유압셔블 등에 의한 막장의 일부 또는 대부분 굴착

③ 전면 구조에 따른 구분

    가. 전면 개방형 : 막장이 안정한 경우

    나. 부분 개방형(폐쇄형) : 쉴드 전면의 격벽으로 막장의 붕괴를 막으며 굴진

    다. 니수(mud water, 흙탕물) 가압 Shield 기계 : 굴착면의 니수압, 토사량을 관리하여 지반 붕괴에 대처

    라. 압기 쉴드형

    마. 부분 쉴드형

5) 니수 Semi Shield 기계

• 니수의 특성(적당한 점성 및 비중)을 살려 고안된 것으로 연약지반의 터널 공법
• 굴착토사는 니수경 수송라인에 의해 후방으로 운반되고, 지상의 니수 처리 플랜트에서 토사와 니수 분리
• 굴착시 자립안정에 관한 문제는 니수공법에서 가장 기본적 조건이므로 벤토나이트를 투입시키며 모래에 침투되어 경계면이 자립될 수 있도록 강도를 높여준다.

6) 쉴드 자동 굴진기

- 기계의 충격, 위치 측정, 데이터 처리, 연산해석 기능과 기계의 운전을 하기 위한 제어기능이 요구된다.

 

3. 터널 공법의 비교 

공법	NATM(발파식)	TBM(기계식)	Shield Machine
개요	- 천공 및 발파에 의한 굴착, 주변지반의 지지력을 활용 - Rockbolt, Shotcrete를 보조지보제로 사용	- 전단면 기계굴착 공법 - 주변암반을 지보체로 활용 - 역학적으로 안정된 원형구조	- 전단면 기계굴착 공법 - 굴착과 세그먼트설치가 동시에 이뤄짐 - 역학적으로 안정된 원형구조
공정	천공 및 발파->버력처리->숏크리트타설-> 락볼트설치->강지보공설치	굴착 및 벼력처리->숏크리트타설->락볼트설치->강지보공설치	굴착 및 버력처리->세그먼트조립 및 부착-> 후방보강->그라우팅
적용 지반	- 토사 및 암반구간	- 보통암~경암 암반층	- 토사지반
시공성	- 굴착, 보강, 각종 보조공법이 연계되어 공정이 복잡하다. - 발파 및 진동에 의한 민원 가능성 - 소단면의 경우 인력굴착으로 지공성이 저하된다	- 기계화 굴착으로 작업이 단순 - 무발파로 주변민원 최소화 - 정확한 지질조사가 선행되어야 함	- 기계화 굴착으로 작업이 단순 - 별도의 세그먼트 야적장 필요 - 정확한 지질조사가 선행되야함
환경성	- 발파진동으로 주변피해 및 자연환경 훼손 - 발파가스에 의한 갱내작업환경 열악	- 원형단면으로 지보제의 수량 최소화 - 기계굴착으로 갱내 작업환경 양호	- 무발파로 인근 구조물 피해       최소화 - 슬러리 타입일 경우 특수약품       처리가 필요
경제성	- 여굴발생으로 비경제적 단면 구성 - 장대터널	- 원형단면으로 지보제의 수량 최소화 - 공사기간 단축으로 경제성 확보유리 - 2km 이상 장대터널 공사에 유리하고,   짧은 터널은 경제성이 저하	- 세그먼트 시공으로 공사비 증대 - 세그먼트 야적장, 운송에 따른 공사비 증가 - 장대터널은 시공효율이 낮고 경제성 저하
시공 사례	-도로, 도수, 지하철, 터널	- 도로, 도수, 전력구, 지하철, 철도	- 도수터널, 전력구