Since most tunnels and underground spaces pass through urban areas, the ground excavation method using TBMs is recently preferred due to civil complaints and safety problems caused by noise and vibration during tunnel construction. The millions or tens of millions dollar of expensive TBMs are custom-made according to the excavated ground conditions and are being put into each field. These TBMs can be reused due to economic problems, but most of the reused TBMs have different performance than the specifications at the time of release, so they must be put into the field after the performance assessment is performed. However, due to environmental and economic problems, reuse TBM is being put into the field without performance assessment. In this way, reused TBM put into the field without performance evaluation can cause unexpected downtime in the field with performance lower than the performance at the time of release and may disrupt construction progress. In Korea, the technology to produce TBMs on its own is still insufficient, and many studies on TBM excavation must be conducted. Also, in Korea, bedrock formations are found around 10 m underground, and bedrock formations are also mostly located around 20 m basement, where common areas most in demand in Korea are located. Taking into account these domestic ground conditions and the shortcomings in TBM-related research, in this study, full-scale excavation facility and apparatus for TBM that can verify TBM-related research and development technology including TBM performance evaluation are built. Excavation assessment of full-scale EPB-TBM with 3.54 m diameter is performed for the concrete and mortar samples to replace the rock according to the strength of the samples. Through the above test, the TBM excavation performance is evaluated when the thrust and the cutterhead speed are changed according to the strength of the samples. The penetration depth is almost constant according to the thrust regardless of the cutterhead speed, and it is confirmed that the greater the strength of the sample, the more the thrust has a dominant effect. The larger the penetration depth, the greater the torque of the cutterhead, and through this relationship, penetration depth can be predicted from the torque. The machine factor representing mechanical characteristics of TBM is newly defined and a prediction model composed of machine factor and UCS of rocks to the penetration depth is suggested. In addition, a study on the efficiency of discharging mucks from the rock is conducted through the scale-down model test and numerical analysis by discrete element method in the part of muck treatment. The cause of the difference in the discharge rate of the particles according to the particle characteristics and the mechanical characteristics is analyzed. The closer the particle is to the chip shape and the larger the screw conveyor angle is, the lower the discharge rate is, and when the ratio between the screw diameter and the pitch is close to 1:1 the discharge rate of the particles is the highest considered geometric characteristics of the particles. Through the results of the screw conveyor study, a table and models to predict the discharge efficiency of muck are derived. Lastly, how the discharge efficiency of muck in the rock varies according to the polymer concentration of the polymer solution and what cause it are analyzed. The effect of the use of polymer solution in the rock cannot be overlooked by reducing the wear of the TBM and using the complex system of a pipe and a screw conveyor for discharge of mucks. Therefore, the degree of reduction in the efficiency of discharge of the mucks according to the concentration of the polymer solution is suggested through the study and the decrease in the discharge efficiency is higher with the viscosity of the polymer according to its concentration.
도심지 터널 및 지하공간을 위한 공사 시 소음과 진동으로 인한 문제를 최소화하기 위해 터널굴착기계(Tunnel Boring Machine; TBM)를 이용한 지반 굴착공법이 선호되고 있다. TBM은 보통 대상 지반조건과 요구되는 굴진 성능에 따라 맞춤형으로 제작이 되어 각 현장에 투입이 되고 있다. 원래의 공사를 완공된 후, 사용했던 TBM은 다른 현장으로 투입되어 재사용이 되기도 하지만, 재사용되는 TBM의 기능이 투입되는 현장에서 요구하는 성능과 다를 수있으므로, 이에 대한 평가가 이루어 져야한다. 하지만, TBM에 대한 성능평가 방법 혹은 시설은 제한되어 있으며, 재사용 TBM에 대한 성능평가없이 시공에 투입되고 있다. 이렇게 사전 성능평가없이 사용되는 재사용 TBM은 현장에서 예상치 못한 시공 문제를 흔히 발생시키고 공사 진행에 차질을 주는 경우가 빈번하다. 본 학위 논문에서는 소단면 TBM의 실대형 성능 검증 장비을 개발하고, 실대형 성능 검증 방법을 제안하였다. 다양한 강도의 암반 모사용 콘크리트와 모르타르 시편을 이용하여 실대형 소단면 TBM 굴진 성능 시험을 수행하고, 개발된 시험 장비와 방법을 검증하였다. 또한, 사용된 TBM 장비에 대해 시편 강도, 추력, 커터헤드 회전속도가 커터 관입깊이 및 굴진율에 미치는 영향을 평가하였다. 커터 관입깊이는 커터헤드 회전속도에 상관없이 추력에 따라 거의 일정하였고 굴진 시편의 강도가 클수록 추력이 지배적인 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 커터 관입깊이가 클수록 커터헤드의 토크값이 증가하며 이러한 관계를 통해 토크값으로 커터 관입깊이를 유추할 수 있었다. 암반을 대표하는 일축압축강도와 기계적 특성을 대표하는 머신팩터로 구성된 암반에서의 커터 관입깊이를 유추할 수 있는 모델을 제시하였다. 그리고 TBM 다운타임의 가장 큰 비중을 차지하는 버력처리에 대한 연구를 위해, 축소 모형 실험과 개별요소법 수치해석을 통해 스크류 컨베이어의 암석칩 버력 배토 효율에 대한 연구를 수행하였다. 입자가 칩형태에 가까우며 스크류 컨베이어 각도가 클 수록 배토효율이 낮아지고 스크류 직경과 피치간격의 비가 1:1에 가까울수록 버력의 기하적 특성을 고려한 배토효율이 가장 높았다. 이러한 연구결과들을 통해 최종적으로 버력의 배토 효율을 가늠할 수 있는 표와 모델을 제시하였다. 마지막으로, 장비의 마모를 줄이고 배니관과 스크류컨베이어의 복합적인 배토 시스템 사용으로 암반에서의 폴리머 수용액 사용이 미치는 영향을 간과할 수 없다. 따라서, 폴리머 수용액 농도에 따른 버력 배출 효율이 감소하는 정도를 연구를 통해 제시하였다.
