터널 굴착기: 작동 방식, 존재하는 유형 및 중요한 이유

터널 보링 머신의 기본 아이디어

일반적으로 TBM이라고 불리는 터널 보링 머신은 단일 연속 작업으로 지면을 통해 원형 터널을 뚫고 표면의 암석이나 토양을 절단하는 동시에 그 뒤에 구조 라이닝을 설치하는 대형 굴착 장비입니다. 엔지니어링이 그렇지 않더라도 개념은 간단합니다. 기계 전면의 회전하는 커터헤드가 재료를 굴착하고, 굴착된 잔해물이 기계 본체를 통해 제거되며, 터널은 전진하면서 기계의 트레일링 쉴드 내부에 세워진 프리캐스트 콘크리트 또는 강철 세그먼트로 지지됩니다. 드라이브의 다른 쪽 끝에 나타나는 것은 완성되고 장착 준비가 되어 있는 터널입니다.

TBM은 지하철 노선, 철도 터널, 도로 터널, 급수 터널, 하수 터널, 수력 발전 터널 및 유틸리티 복도를 건설하는 데 사용됩니다. 이 터널은 영국 해협 아래의 채널 터널, 스위스 알프스를 통과하는 고타드 베이스 터널, 런던의 템스 타이드웨이 터널, 도쿄에서 이스탄불, 시드니에 이르는 도시의 수십 개의 도시 지하철 시스템 등 세계에서 가장 도전적이고 상징적인 터널 프로젝트에 사용되었습니다. 기존의 드릴 앤 블래스트 또는 로드헤더 굴착에 비해 TBM의 매력은 속도, 안전성, 정확성, 그리고 통제할 수 없는 붕괴에 주변 지반을 노출시키지 않으면서 동시에 굴착 및 터널 라인을 구축할 수 있는 능력이 결합되어 있다는 것입니다.

현대 터널 보링 머신 현존하는 건설 장비 중 가장 복잡하고 값비싼 장비 중 하나입니다. 가장 큰 TBM은 직경이 17미터를 초과하고 비용은 미화 8천만 달러 이상입니다. 직경 6~9미터 범위의 작은 대도시 규모의 기계라도 1,500만~4,000만 달러의 투자가 필요하며 수십 명의 엔지니어, 운영자 및 유지 관리 기술자로 구성된 팀이 24시간 내내 지속적으로 작동해야 합니다. 이러한 기계의 작동 방식, 다양한 유형이 있는 이유, TBM 프로젝트의 성능과 비용을 결정하는 요소를 이해하는 것은 주요 지하 인프라에 관련된 모든 사람에게 필수적인 지식입니다.

터널 굴착기가 굴착하고 발전하는 방법

TBM의 작동 주기는 반복적이지만 정확하게 구성되어 있습니다. 장비 전면에는 굴착 중인 지면에 적합한 절단 도구가 장착된 대형 원형 커터헤드가 터널 면을 향해 회전합니다. 커터헤드는 기어박스를 통한 일련의 전기 모터 또는 직접 유압 구동에 의해 구동되어 재료를 절단하는 데 필요한 회전 토크와 절단 도구를 면에 누르는 데 필요한 추력을 모두 생성합니다. 추력은 기계 뒤에 설치된 터널 라이닝 세그먼트의 마지막 완성된 링을 밀어내는 유압 실린더에 의해 제공됩니다.

커터헤드가 회전하고 전진함에 따라 절단물은 커터헤드 표면의 구멍(머크 개구부 또는 버킷이라고 함)을 통해 커터헤드 뒤의 수집 챔버로 떨어집니다. 거기에서 폐기물은 기계 유형에 따라 일련의 벨트 컨베이어, 스크류 컨베이어 또는 슬러리 파이프라인을 통해 기계 본체를 통해 운반되고 현장에서 제거하기 위해 터널 입구 또는 샤프트로 운반됩니다. 동시에, 커터헤드 바로 뒤의 환형 공간에서 세그먼트 이렉터(테일 실드 내부에서 작동하는 로봇 팔)가 표면에서 전달된 프리캐스트 콘크리트 라이닝 세그먼트를 집어 완전한 링으로 만듭니다. 풀 링이 세워지면 추력 실린더가 전진하여 새 링을 밀고 사이클이 다시 시작됩니다.

유리한 지상 조건에서 잘 작동되는 TBM은 교대당 여러 개의 링을 완료할 수 있으며, 각 링은 일반적으로 1.2~2.0미터의 터널 전진을 나타냅니다. 대도시 규모의 TBM 드라이브의 일일 전진 속도는 정상적인 조건에서 하루 8~20미터이며, 뛰어난 지상 및 기계 성능은 때때로 24시간 동안 30미터 이상을 달성합니다. 몇 달 동안 지속되는 전체 주행 동안 이러한 속도는 완성된 터널의 수 킬로미터에 누적됩니다. 이는 기존의 굴착 방법이 동등한 규모로 따라올 수 없는 생산성입니다.

터널 보링 머신의 주요 유형

단일 범용 TBM 설계는 없습니다. 장비는 터널 선형을 따라 특정 지반 조건에 맞게 선택 및 구성되어야 하며, 잘못된 장비 유형 선택으로 인한 결과는 성능 저하 및 과도한 커터 마모에서 치명적인 지반 붕괴 또는 침수에 이르기까지 다양합니다. TBM 유형의 기본 분류는 굴착 중 기계가 터널 표면의 안정성을 관리하는 방법인 면 지지 방법을 따릅니다.

개방형 Hard Rock TBM

굴착 기간 동안 땅이 지지 없이 터널 입구에 설 수 있을 만큼 충분히 견고한 자립형 암석에서는 개방형 단단한 암석 TBM이 표준 선택입니다. 그리퍼 TBM 또는 메인 빔 TBM이라고도 하는 이러한 기계는 기계 본체에서 측면으로 확장되고 터널 벽을 눌러 스러스트 실린더에 반력을 제공하는 대형 유압 그리퍼를 사용합니다. 커터헤드에는 디스크 커터가 장착되어 있습니다. 즉, 높은 점하중 하에서 암석 표면을 가로질러 굴러가는 경화 강철 휠은 인접한 커터 트랙 사이로 전파되는 균열을 따라 암석을 파쇄하여 칩으로 부서지게 합니다. 개방형 하드 록 TBM은 강하고 유능한 암석에서 매우 높은 침투율을 달성할 수 있으며 지금까지 기록된 가장 빠른 터널링 기록 중 일부를 담당해 왔습니다.

개방형 그리퍼 TBM의 한계는 약하거나 압박되는 지반, 균열된 암석 지대, 물 유입 또는 터널 벽이 안정적인 그리퍼 반응을 제공할 수 없는 모든 조건에 대처할 수 없다는 것입니다. 긴 고산 터널에서 일반적으로 발생하는 혼합 지반 또는 다양한 암석 품질에서 기계는 계속해서 전진하면서 시추 주위의 환형 공간에 암석 볼트, 메쉬 및 숏크리트를 포함한 임시 지반 지지 장치를 설치할 수 있어야 하며 이로 인해 생산이 크게 느려집니다.

토압 균형 TBM

EPB TBM(토압 평형 TBM)은 도시 환경의 연약한 지반 터널링을 위한 주요 기계 유형입니다. EPB TBM의 특징은 밀봉된 굴착 챔버를 생성하는 커터헤드 바로 뒤에 있는 압력 격벽입니다. 굴착된 토양이 이 챔버를 채우고, 물, 폼, 폴리머 또는 벤토나이트와 같은 컨디셔닝제를 커터헤드의 포트를 통해 주입하여 토양을 압력을 전달할 수 있는 적절한 농도의 가소화된 반유체 덩어리로 변환합니다. 굴착실의 압력을 터널 입구의 토사와 지하수 결합압력과 일치하도록 능동적으로 제어하여 토양이나 물의 유입을 방지하고 표면 침하를 최소화합니다.

압력 잠금 장치 역할을 하는 아르키메데스 스크류 컨베이어(밀폐된 튜브 내부의 회전 나선)에 의해 가압된 굴착 챔버에서 흙이 추출됩니다. 이 컨베이어는 챔버에서 필요한 면압을 유지하면서 기계의 대기측에서 대기압으로 자재를 배출할 수 있습니다. EPB TBM은 점토, 미사, 모래 및 자갈을 포함한 광범위한 연약한 지반 유형에 효과적이며 전 세계적으로 지하철 및 도시 철도 터널에 가장 일반적으로 사용되는 장비입니다. 지상 이동을 제어하는 ​​능력은 건물과 인프라를 보호하기 위해 터널 위의 거주지를 밀리미터 이내로 유지해야 하는 밀집된 도시 환경에서 없어서는 안 될 요소입니다.

슬러리 쉴드 TBM

슬러리 쉴드 TBM은 굴착된 토양 자체가 아닌 가압된 벤토나이트 슬러리를 사용하여 터널 표면을 지지합니다. 커터헤드 뒤의 굴착 챔버는 압력을 받는 슬러리로 채워지며, 슬러리는 동시에 면을 안정화하고 현탁액의 절단물을 슬러리 파이프라인을 통해 표면 분리 공장으로 다시 운반합니다. 분리 공장에서는 스크린, 하이드로사이클론, 원심 분리기를 사용하여 절단물을 추출하고, 세척된 슬러리를 재조정하여 폐쇄 회로에서 터널 표면으로 다시 펌핑합니다. 슬러리 쉴드 TBM은 EPB 면압 제어가 어렵고 폭발 또는 통제되지 않은 유입 위험이 가장 높은 지하수면 아래 흐르는 모래, 자갈 및 혼합 토양과 같은 포화 입상 지반에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 또한 표면 불안정으로 인해 심각한 영향을 받는 강, 항구 또는 기타 수역 아래에서 터널링을 할 때 선호되는 기계 유형입니다.

EPB 기계에 비해 슬러리 TBM의 주요 단점은 슬러리 회로 및 분리 플랜트의 복잡성과 공간 요구 사항입니다. 표면공장은 상당한 면적을 차지하고, 슬러리는 지속적인 관리와 성상조정이 필요하며, 폐기물로 생산된 여과압착 슬러리 케이크는 관리물질로 폐기해야 한다. 표면 공간이 제한된 제한된 도시 현장에서는 이러한 추가적인 물류 수요가 기계 선택에 중요한 요소가 될 수 있습니다.

혼합 쉴드 및 컨버터블 TBM

긴 터널 선형은 깊이에 있는 암석, 혼합 지반으로 전환된 다음 포털에 가까운 연약한 도시 토양 등 여러 가지 다양한 지반 유형을 통과하는 경우가 많습니다. 기계를 회수 및 교체하지 않고 이러한 전환을 처리하기 위해 제조업체는 EPB 및 슬러리 모드에서 모두 작동할 수 있거나 단단한 암석 및 연약한 지반 설계 요소를 모두 통합할 수 있는 혼합 차폐 TBM 및 컨버터블 TBM을 제공합니다. 컨버터블 기계는 조달 비용이 더 많이 들고 작동 및 유지 관리가 더 복잡하지만, 지반 변동성이 크고 기계 회수 비용이 엄청나게 높은 프로젝트에서는 컨버터블 기계가 유일한 실용적인 옵션입니다.

TBM 커터헤드 설계 및 절단 도구

커터헤드는 터널 굴착 기계에서 가장 중요하고 마모가 심한 구성 요소입니다. 직경, 스포크 구성, 개방 비율, 커터 도구 유형 및 레이아웃과 같은 설계에 따라 기계가 얼마나 효과적으로 땅을 굴착하는지, 도구가 얼마나 빨리 마모되는지, 마모된 커터를 교체하는 데 개입이 필요한 빈도가 결정됩니다. 프로젝트의 특정 지형에 적합한 커터헤드 설계를 얻는 것은 프로젝트의 진행 속도, 도구 비용 및 전체 일정에 직접적이고 측정 가능한 영향을 미칩니다.

암석용 디스크 커터

단단한 암석에서 주요 절단 도구는 디스크 커터입니다. 이는 TBM의 추력에 의해 적용되는 높은 점 하중 하에서 암석 표면을 가로질러 굴러가는 베어링 어셈블리에 장착된 경화 강철 링입니다. 커터헤드가 회전함에 따라 각 디스크 커터는 암석 표면에 원형 홈을 새깁니다. 인접한 홈 트랙 사이의 응력 장으로 인해 암석이 부서지고 칩으로 부서지는 현상(치핑 또는 크레이터링이라고 불리는 과정)이 발생하며, 이 과정은 커터헤드 버킷에 의해 먹 구멍으로 쓸려갑니다. 디스크 커터 직경은 수십 년에 걸쳐 개발되면서 증가했습니다. 최신 절단기는 일반적으로 직경이 432mm(17인치) 또는 483mm(19인치)이며 250~320kN의 개별 하중을 견딜 수 있습니다. 커터 마모율은 Cerchar 마모성 지수(Cerchar Abrasivity Index)로 정량화된 암석 마모성에 따라 달라지며 경암 TBM 프로젝트의 주요 비용 동인 중 하나입니다. 마모성이 높은 암석의 커터 교체는 때때로 전진 50~100미터마다 개입이 필요합니다.

연약지반 절단 도구

연약한 지반에서는 디스크 커터를 점 하중으로 토양을 파쇄하는 대신 토양을 깎고 긁어내는 드래그 비트, 스크레이퍼 도구 및 리퍼로 교체하거나 보완합니다. 연약한 지반을 위한 커터헤드 설계는 절단만큼 굴착된 재료의 혼합 및 컨디셔닝을 우선시합니다. 큰 머크 개구부가 있는 스포크 패턴 헤드는 토양이 굴착 챔버로 자유롭게 흐르도록 하고, 표면 전체에 분산된 주입 포트는 컨디셔닝제를 절단 지점에 직접 전달합니다. 연약한 토양과 함께 자갈, 바위 또는 암석 밴드를 만날 수 있는 혼합 지면에서 커터헤드는 토양을 위한 드래그 비트와 단단한 재료를 위한 디스크 커터를 모두 운반해야 합니다. 이 조합은 전체 지면 유형에서 효과적으로 작동하려면 신중한 도구 간격과 레이아웃이 필요합니다.

TBM과 함께 사용되는 터널 라이닝 시스템

TBM 뒤에 설치된 터널 라이닝은 여러 기능을 동시에 수행합니다. 이는 지면 이동을 방지하기 위한 즉각적인 구조적 지원을 제공하고, 기반 시설의 설계 수명 전반에 걸쳐 지면 하중, 수압 및 서비스 하중을 전달해야 하는 터널의 영구적인 구조적 외피를 형성하며, 가압면 TBM에서는 추력 실린더가 기계를 전진시키기 위해 밀어내는 반응 표면을 제공합니다. 따라서 라이닝 시스템의 설계와 품질은 TBM 작업 자체의 성능과 분리될 수 없습니다.

연약 지반의 쉴드 TBM을 위한 주요 라이닝 시스템은 프리캐스트 콘크리트 분할 라이닝입니다. 라이닝의 각 링은 일련의 곡선형 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(일반적으로 5~8개의 세그먼트와 더 작은 닫힘 키 세그먼트)로 조립됩니다. 이 세그먼트는 서로 볼트로 고정되거나 연결되고 인접한 링에 연결되어 연속적인 원통형 쉘을 형성합니다. 세그먼트 치수는 정밀하게 제어됩니다. ±1mm의 직경 공차와 ±2mm의 두께 변화는 일반적인 품질 요구 사항입니다. 왜냐하면 세그먼트는 세워진 링의 복잡한 3차원 형상 아래에서 완벽하게 서로 맞아야 하기 때문입니다. 세그먼트의 외부 표면과 굴착된 지면 프로파일 사이의 환형 보이드의 그라우팅은 TBM 테일 실드 바로 뒤에 있는 세그먼트 테일의 그라우트 포트를 통해 수행되며, 1차 그라우트가 경화되기 전에 지면이 보이드로 이동하는 것을 방지하기 위해 빠르게 설정되는 2성분 그라우트를 사용합니다.

적합한 지반에 있는 단단한 암석 TBM의 경우, 안감이 없거나 부분적으로 안감이 있는 터널이 때로는 수로 터널 및 기타 비공개 인프라에 허용되며 암석 자체가 주요 구조적 지지를 제공합니다. 보다 일반적으로 현장 타설 콘크리트 라이닝 또는 단순화된 프리캐스트 세그먼트 라이닝은 TBM이 통과된 후 두 번째 패스 작업으로 설치되어 구동 중 라이닝 동시 설치에 대한 즉각적인 일정 압력을 줄입니다.

프로젝트 팀이 추적하는 TBM 성과 지표

TBM 프로젝트 성과는 기계가 얼마나 효율적으로 절단되고 있는지, 비생산적인 활동에 얼마나 많은 시간이 낭비되고 있는지, 기계 및 지면 조건이 예상 매개변수 내에 있는지 여부를 나타내는 일련의 운영 지표를 통해 모니터링됩니다. 이러한 측정항목은 기계의 데이터 수집 시스템에 의해 지속적으로 기록되며 교대근무 단위로 프로젝트 팀에서 검토됩니다.

활용률은 프로젝트 팀이 가장 직접적으로 제어할 수 있는 지표이기 때문에 특별한 주의를 기울일 가치가 있습니다. 40% 활용률로 작동하는 침투율 6mm/rev의 TBM은 70% 활용률로 작동하는 침투율 4mm/rev의 기계보다 더 느리게 진행됩니다. 활용도를 감소시키는 지루하지 않은 시간은 세그먼트 설치, 커터 검사 및 변경, 테일 씰 유지 관리, 전면 프로브 드릴링, 머킹 물류 지연, 계획되거나 계획되지 않은 유지 관리로 소비됩니다. 다운타임이 발생하는 위치에 대한 체계적인 분석과 가장 큰 기여자를 줄이기 위한 목표 조치는 TBM 프로젝트 관리 팀이 사용할 수 있는 가장 영향력 있는 활동 중 하나입니다.

TBM 선택 및 설계를 알리는 지상 조사

TBM 프로젝트의 성공은 기계가 땅에 들어가기 전에 선형을 따라 지반 조건을 특성화하는 지질 공학 조사 프로그램의 품질과 철저함에 의해 크게 결정됩니다. TBM은 특정 지질학적 매개변수에 맞춰 제작된 맞춤형 장비입니다. 일단 건설하고 출시한 후에는 지상이 예상했던 것과 다른 것으로 판명되면 근본적으로 재설계할 수 없습니다. 기계 정체, 예상치 못한 물 유입, 심각한 절단기 마모, 표면 침전 또는 완전한 드라이브 폐기 등 TBM 프로젝트에 대한 부적절한 지상 조사의 결과는 수천만 달러에서 수억 달러의 추가 비용과 수년간의 일정 지연으로 측정됩니다.

• 시추공 간격 및 깊이: TBM 정렬을 따라 조사 시추공은 일반적으로 50~100미터 간격으로 배치되어야 하며, 발사 및 수신 샤프트 위치, 강 교차점 및 알려진 지질학적 복잡성이 있는 지역과 같은 중요한 위치에서는 더 가까운 간격으로 배치되어야 합니다. 시추공은 굴착의 전체 영향 구역을 특성화하기 위해 터널 인버트 아래의 터널 직경의 최소 3배까지 확장되어야 합니다.
• 암석 강도 및 마모성 테스트: 경암 TBM 프로젝트의 경우 실험실 테스트에는 단축 압축 강도(UCS), 브라질 인장 강도, 점 하중 지수, CAI(Cerchar 마모 지수) 및 정렬을 따라 각 암석학 단위의 대표 코어 샘플에 대한 암석 박층 분석이 포함되어야 합니다. 이러한 매개변수는 디스크 커터 사양, 커터헤드 추력 요구 사항 및 커터 교체 비용 예측을 직접적으로 알려줍니다.
• 지하수 특성화: 선형을 따라 설치된 피에조미터 모니터링 시추공(시간이 허락하는 경우 전체 계절 주기에 걸쳐 판독값을 얻음)은 TBM이 작동해야 하는 지하수 체제를 설정합니다. 터널로의 대규모 유입을 유지할 수 있는 지하수 조건, 고정된 지하수면 및 고투과성 구역은 기계 설계 및 그라우팅 전략 개발 중에 식별되고 계획되어야 합니다.
• 토양 분류 및 입자 크기 분포: 연약 지반 TBM 프로젝트의 경우 EPB 컨디셔닝 설계 및 슬러리 회로 사양을 위해서는 선형 전체에서 토양 샘플의 상세한 입자 크기 분석이 필수적입니다. 특정 비율을 초과하는 자갈이나 자갈 조각이 있으면 EPB 작동에 문제가 생길 수 있으며 슬러리 쉴드가 더 적합한 기계 유형임을 나타낼 수 있습니다.
• 방해물 및 오염 조사: 도시 정렬에서는 기계를 조달하기 전에 기존 지하 장애물(해체된 말뚝, 오래된 석조 구조물, 매설된 인프라, 오염된 땅)에 대한 포괄적인 검색을 완료해야 커터헤드가 적절한 바위 부수기 또는 장애물 처리 기능을 갖도록 설계될 수 있습니다.

TBM 프로젝트의 주요 리스크 및 관리 방법

TBM 터널링은 건설 업계에서 기술적으로 가장 복잡하고 위험 집약적인 활동 중 하나입니다. 대규모 자본 지출, 지하 작업 조건, 지질학적 불확실성, 일단 추진이 시작된 후에 기본 장비 결정을 변경할 수 있는 물리적 불가능성이 결합되어 프로젝트 개발 초기 단계부터 구조화된 위험 관리를 요구하는 위험 환경이 조성됩니다.

안면 불안정성과 정착

연약지반 터널링에서는 면압 조절 상실이 가장 심각한 위험 중 하나입니다. EPB 또는 슬러리 TBM 굴착실의 압력이 순간적으로라도 지표면의 흙과 지하수를 합친 압력 아래로 떨어지면 땅이 기계 안으로 흘러들어 위쪽 표면에 싱크홀이나 침하통이 발생할 수 있습니다. 터널이 점유된 건물, 실제 철로 또는 혼잡한 도로 교차로 아래를 통과하는 도시 환경에서는 20~30mm의 적당한 침하 이벤트라도 터널링 계약 가치의 몇 배에 달하는 비용을 초래하는 구조적 손상 및 중단을 초래할 수 있습니다. 따라서 안면 압력 모니터링 및 제어는 지속적이고 중요하며 설정된 한계를 초과하는 편차에 대한 자동 경보 및 운영자 개입 프로토콜을 갖추고 있습니다. 표면 침하 모니터링 어레이(일반적으로 광학 측량 프리즘, 정밀 레벨링 벤치마크 및 민감한 구조물의 자동 경사계)는 TBM의 면압 관리가 필요한 침하 성능을 달성하고 있는지 독립적으로 확인합니다.

TBM 정체

쉴드 주변의 지면 압착, 윤활유 손실, 커터 막힘 또는 주요 장애물 발생으로 인해 지면에 움직이지 않게 고정되는 TBM은 지하 건설에서 가장 비용이 많이 드는 시나리오 중 하나입니다. 복구 작업에는 터널의 감압, 장비 바로 위에 구조 통로 건설, 지면 압력 완화를 위한 실드 주변 굴착, 잠재적으로 지하의 주요 장비 구성요소 분해 및 재조립 등이 포함될 수 있습니다. 이러한 작업에는 몇 달이 걸렸으며 주목받는 프로젝트에서는 수천만 달러의 비용이 소요되었습니다. 예방이 분명히 바람직합니다. 쉴드 마찰력의 지속적인 모니터링, 사전 예방적 윤활 관리, 프로브 드릴링을 사용한 기계 앞의 얼굴 매핑, 드라이브가 시작되기 전에 고객 및 보험사와 동의한 기계 정지 비상 계획 연습 등은 모두 잘 운영되는 TBM 프로젝트의 표준 위험 관리 조치입니다.

예상치 못한 물 유입

단층, 카르스트 지형 공극, 투과성 자갈 렌즈 또는 예기치 않게 높은 피에조미터 수두 등으로 인한 주요 물 유입은 TBM 및 백업 시스템의 배수 용량을 압도하고, 터널에 물이 넘치며, 최악의 경우 작업자를 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. TBM 전면 앞의 체계적인 프로브 드릴링(일반적으로 커터헤드 또는 기계 내부에 장착된 충격식 또는 회전식 드릴 장비를 사용하여 30~50미터 앞)은 물을 함유하는 기능에 대한 조기 경고를 제공합니다. 터널 내부 또는 선형 위의 표면에서 사전 굴착 그라우팅을 수행하면 투과성 영역이 커터헤드와 교차되기 전에 밀봉할 수 있습니다. 특히 물에 민감한 지면에 있는 터널의 경우 TBM에는 고압 개입 기능이 지정될 수 있습니다. 즉, 지하수 압력의 균형을 맞추기 위해 작업실에 압력을 가하는 기능을 통해 압축 공기를 사용하는 작업자가 커터 변경 및 면 검사를 위해 굴착실에 들어갈 수 있습니다.

TBM 기술은 어떻게 발전했으며 어디로 향하고 있는가?

터널 굴착 기계는 1950년대 초 사우스다코타의 오아헤 댐 터널 프로젝트를 위해 제임스 로빈스(James Robbins)가 개발한 최초의 성공적인 현대식 TBM 이후 지속적인 개발을 거쳐 왔습니다. 매 10년마다 커터헤드 설계, 커터헤드 드라이브 시스템, 세그먼트 설치 기술, 안내 정밀도 및 기계 신뢰성이 향상되어 TBM이 선호되는 굴착 방법인 지반 조건 및 프로젝트 규모의 범위가 점차 확대되었습니다.

TBM 기술의 현재 개발 초점 영역에는 커터헤드에 내장된 센서를 사용하여 진동, 토크 분포 및 음향 신호를 측정하여 작동 문제를 일으키기 전에 암석 유형이나 토양 구성의 변화를 식별하는 실시간 지면 특성화가 포함됩니다. 기계 학습 알고리즘은 최신 TBM 제어 시스템에서 생성된 대규모 데이터 세트에 적용되어 커터 마모율을 예측하고, 면 압력에 대한 침투율을 최적화하며, 고장에 대응하는 것이 아니라 고장이 발생하기 전에 유지 관리 개입을 예약합니다. 터널링 사이클에서 가장 시간이 많이 걸리고 물리적으로 까다로운 요소 중 하나인 세그먼트 처리 및 설치 자동화는 사람의 개입을 최소화하면서 세그먼트를 배치하고 볼트로 고정할 수 있는 일부 최신 기계의 완전 자동화된 설치기를 통해 빠르게 발전하고 있습니다.

TBM 개발의 최전선에서 연구원과 기계 제조업체는 재구성 없이 암석과 연약한 지반에서 동시에 천공할 수 있는 다중 모드 기계를 탐색하고 있으며, 특정 암석 유형에서 기존 기계식 디스크 절단기를 궁극적으로 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 절단 기술(레이저 보조 암석 파쇄, 고압 워터 제트 절단)을 연구하고 있습니다. 근본적인 과제는 예전과 동일하게 유지됩니다. 즉, 기계가 절단에 소비하는 시간의 비율을 최대화하고 다른 모든 작업은 최소화하는 것입니다. 이러한 노력을 통해 터널 굴착 기계는 지금까지 제작된 엔지니어링 기계 중 가장 중요한 부분 중 하나로 계속 발전하고 있습니다.