TBM 공법 총정리! (종류, 원리, 시공순서, 구조, EPB, 원리, 관리사항)
목차
- TBM 공법이란?
- TBM 공법의 종류
- TBM 공법 원리
- TBM 공법 순서
- TBM의 주요 구조
- EPB(토압 균형식) TBM
- EPB TBM의 작동 원리
- TBM 공법 적용시 안전관리사항
1. TBM 공법이란?
TBM(Tunnel Boring Machine) 공법은 터널 굴착기를 사용하여 땅속에서 수평으로 회전시키면서 암반을 압력으로 파쇄시키는 시공 방식입니다.
1812년 공학자 마크 브루넬이 개발한 이 방식은 두더지 공법이라고도 불리며, 굴착 과정에서 나오는 암석이나 토사를 TBM에 연결된 슬러리 배관을 통해 지상으로 운반하는 특징을 가지고 있습니다.
2. TBM 공법의 종류
TBM 공법의 종류에는 주로 Shield TBM과 Open TBM이 있습니다. 각각의 공법은 터널 굴착 시 사용되는 기술과 장비, 시공 방식에서 차이를 보입니다.
- Shield TBM 공법: 기계 굴착으로 터널을 굴진하는 동시에 뒤쪽에서 미리 제작된 세그먼트를 조립하여 터널을 시공하는 방식입니다. 이 공법은 작업 속도가 빠르고, 암반층 굴진 시 터널 회전반경을 만족시킬 수 있으며, 터널 내부의 작업 환경이 좋은 편입니다. 암반층 또는 하저구간 통과에 적합하며, 밀폐형 장비 적용으로 하저구간 유입수에 대한 대응력이 우수합니다.
- Open TBM 공법: 기계 굴착으로 터널을 굴진하며, 후방에서 록볼트와 숏크리트 등의 지보재를 이용해 굴착면을 안정화시키는 방식입니다. 연, 경암층을 대상으로 하는 공법으로, 작업 속도가 빠르며, 시공 경험이 풍부합니다. 다만, 하저구간 통과에는 부적합하며, 암반층의 지층조건에서는 적용성이 우수합니다.
3. TBM 공법 원리
TBM 공법의 작동 원리는 원통형의 회전식 강철 굴착 장비를 사용해 지반을 긁으며 파고들어가는 것에서 시작됩니다. 굴착 과정에서 지반이 파쇄되고, 이 과정에서 발생하는 잔해는 기계 뒤쪽으로 배출됩니다.
동시에, 세그먼트라 불리는 콘크리트 블록을 설치해 터널의 내벽을 형성하며, 이 모든 과정이 자동화되어 진행됩니다.
4. TBM 공법 순서
1) TBM 세팅 작업
- 발진 및 회수 샤프트를 굴착합니다.
- 발진 샤프트에서 TBM을 조립합니다.
- 터널을 굴착합니다.
- TBM이 회수 샤프트에 도착하여 회수를 위해 해체됩니다.
2) 터널 굴착작업
- 준비 작업: TBM 설치 및 필요한 장비 구성
- 굴착 시작: 커터헤드를 회전시키며 암석 또는 토사 굴착
- 잔해 배출: 굴착된 잔해를 TBM 뒤쪽으로 이동시켜 배출
- 세그먼트 설치: 굴착된 공간에 콘크리트 세그먼트 설치
- 굴착 및 세그먼트 설치 반복
5. TBM의 주요 구조
- 커터헤드(Cutterhead): 터널의 앞면을 굴착하는 부분으로, 강력한 절삭 능력을 가짐
- 쉴드(Shield): 굴착기를 보호하고 지지하는 역할을 하며, 굴착 부분의 안정을 유지
- 스러스트 실린더(Thrust Cylinder): TBM을 앞으로 밀어내는 힘을 제공함
- 세그먼트(Installed Segment): 굴착된 터널을 지지하는 콘크리트 세그먼트
- 굴착 챔버(Excavation Chamber): 굴착된 흙과 암석이 임시적으로 보관되는 곳
- 스크류 컨베이어(Screw Conveyor): 굴착된 재료를 TBM 후방으로 이동시키는 장치
- 그리퍼 슈(Gripper Shoe): TBM이 안정적으로 위치하도록 지반을 잡아주는 부분
- 벨트 컨베이어(Belt Conveyor): 굴착물을 TBM에서 멀리 있는 장소로 이송하는 장치
6. EPB(토압 균형식) TBM
EPB(Earth Pressure Balance) TBM은 연약한 지반 조건에서 주로 사용되는 터널 굴착기입니다. 이 기계는 굴착 과정에서 발생하는 토압을 균형있게 유지하여 지반 붕괴나 함몰을 방지합니다.
커터 헤드가 지반을 파쇄하고, 파쇄된 흙은 기계 내부에서 압축 및 조절되어 뒤쪽으로 이송됩니다. EPB TBM은 도심지 지하 통로나 지하철 터널과 같이 복잡한 지반 조건과 밀접한 주변 환경에서의 작업에 효과적입니다.
7. EPB TBM의 작동 원리
- 굴착: 커터헤드(Cutterhead)를 회전시켜 지반을 굴착합니다.
- 토사 처리: 굴착된 토사는 스크류 컨베이어(Screw Conveyor)를 통해 슬러리 형태로 변환됩니다.
- 압력 조절: 굴착 면에 적절한 압력을 가하여 지반 침하를 방지합니다.
- 슬러리 반출: 슬러리는 굴착 장비 뒤쪽에 연결된 배관을 통해 지상으로 반출됩니다.
- 세그먼트 조립: 굴착된 터널 뒷면에 세그먼트(Segment)를 조립하여 터널 벽면을 만듭니다.
8. TBM 공법 적용 시 안전 관리 사항
- 장비 점검: 작업 전후로 TBM 및 부속 장비의 점검을 철저히 수행해야 합니다.
- 작업 환경 관리: 굴착 과정에서 발생할 수 있는 분진, 소음, 진동 등을 관리해야 합니다.
- 작업자 안전 교육: TBM 조작 및 관련 작업에 대한 충분한 안전 교육과 지침 제공이 필요합니다.
- 비상 대응 계획: 장비 고장, 화재 등 비상 상황에 대비한 체계적인 대응 계획을 마련하고, 주기적인 훈련을 실시해야 합니다.
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