기계식 암반 굴착기술 - TBM과 로드헤더를 위주로

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기계식 암반 굴착기술 - TBM과 로드헤더를 위주로

장수호1)*

A Consideration for Mechanical Rock Excavation Focusing on TBM and Roadheader

Soo-Ho Chang*

(Received 29 October 2015; Final version Received 5 November 2015; Accepted 29 October 2015)

Abstract : Recently, a variety of cutting-edge mechanical rock excavators have been developed and broadly used

in tunnels and mines. However, their key technologies are seldom open to the third parties. So this study aims

to summarize the classification and the design concepts for TBMs and roadheaders which are representative

mechanical rock excavators. In addition, the classification methodology and the key design parameters of rock

cutting tools governing constructability and economics of rock excavation works are introduced. Finally, the use

of simulators to train professional operators is also suggested.

Key words : Mechanical excavator, Rock, TBM, Roadheader, Cutting tool

요 약 : 최근 들어 암반 굴착을 위한 다양한 첨단 굴착장비들이 개발되어 터널 및 광산에서 널리 활용되고

있다. 그러나 기계식 굴착장비들의 핵심 기술이 좀처럼 공개되지 않는 상황으로서, 암반 굴착을 위한 기계식

굴착장비들의 이해도를 높이고자 대표적인 기계식 굴착장비인 TBM과 로드헤더의 분류방법과 설계개념을 정리

하였다. 이와 더불어, 기계 굴착의 시공성과 경제성을 좌우하는 굴착도구들의 분류와 설계인자들에 대해서도

소개하였다. 또한 기계식 굴착장비의 전문 인력양성을 위한 시뮬레이터들의 활용 방안에 대해서도 정리하였다.

주요어 : 기계식 굴착기, 암반, TBM, 로드헤더, 굴착도구

1) 한국건설기술연구원 지반연구소 연구위원

*Corresponding Author(장수호)

E-mail; [email protected]

Address; Korea Institute of Civil Engineering and Building

Technology (KICT), Korea

ISSN 2288-0291(print)

ISSN 2288-2790(online)

한국자원공학회지 J. Korean Soc. Miner. Energy Resour. Eng.

Vol. 52, No. 5 (2015) pp. 531-548, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.5.531

서 론

전통적으로 암반 굴착공법은 화약을 사용하는 천공-발

파법(drill-and-blast method)가 대표적이었으며, 현재도

암반 굴착공법으로서 가장 큰 비중을 차지한다고 할 수 있

다. 그러나 굴착시공의 효율화･고속화와 더불어 굴착작업

으로 인한 각종 환경피해나 민원을 저감하기 위한 목적으

로 기계식 암반 굴착장비들의 활용이 점차 증대하고 있다.

전단면 굴착기인 TBM(Tunnel Boring Machine)과 부분

단면 굴착기인 로드헤더(roadheader)뿐만 아니라, 다양한

굴착장비들이 광업 및 건설 분야에서 널리 활용되고 있다.

특히, 굴착장비만 보자면 컨티뉴어스마이너(continuous

miner), 드래그라인(dragline), 롱월 마이너(longwall miner)

등이 사용되고 있는 광업 분야가 건설분야보다 기계 굴착

장비의 활용이 더욱 활발하다고 할 수 있다.

그러나 기계식 굴착장비들은 규격화된 일반 시공장비와

는 달리, 굴착조건에 최적화되도록 설계･제작되는 주문자

제작방식(taylor-made)의 장비로서 장비의 기종 선정, 설

계 및 제작의 모든 과정에서 심도 있는 검토가 필요하다. 하

지만 기계식 굴착장비의 설계･제작기술을 일부 국가에서

비공개에서 보유･활용하고 있는 관계로, 기계식 굴착장비

에 대한 이해도가 부족할 경우에 최적 활용을 기대하기 어

렵다. 더욱이, 모든 기계식 굴착장비에는 암반과 토사를 굴

착하기 위한 소모성 굴착도구들이 사용되는데, 계획 및 설

계단계에서 굴착도구들의 소요량과 그에 따른 비용을 추정

하는 것도 쉽지 않다.

따라서 기계식 굴착장비들에 대한 독자적인 기술 확보가

무엇보다 시급하며, 기계식 자동화 장비라 할지라도 장비

운용에 대한 충분한 경험과 숙련도 역시 중요하다.

이에 본 논문에서는 기계식 암반 굴착장비들에 대한 기

술적 이해도를 높이는데 도움이 되고자, 굴착장비들 가운

데 가장 대표적인 TBM과 로드헤더의 개념과 설계방법들

을 정리하였다. 이와 더불어 대표적인 암반 굴착도구인 디

스크커터(disc cutter)와 픽커터(pick cutter)의 설계개념을

총 설

장수호

한국자원공학회지

532

Table 1. General comparison of full-face and partial-face underground excavation machines (Bilgin et al., 2014)

Criterion Full-face machines Partial-face machines

Cuttable ground

types

Very hard rock to soft ground, up to very abrasive

rocks

Medium strength to soft rocks, no or low abrasive

rocks

Mobility

Since they are very large and heavy machines, they

are not mobile. It is very difficult or impossible

to move these machines from one face to another

Since they are small machines, they are mobile.

It is easy to move these machines from one face

to another

Flexibility

They are not flexible: cannot excavate sharp turns,

can excavate only circular cross-section shape, not

easily adaptable to a working mine design

They are flexible: can excavate sharp turns, can

excavate any cross-section shapes, easily adaptable

to a working mine

Selective

excavationThey are not suitable They are suitable

Table 2. Pros and cons of mechanical excavation machines over drill-and-blast method (Bilgin et al., 2014; Ozdemir,

1998; Ozdemir, 1990)

Pros Cons

･ Safer and more environment-friendly operation

･ Minimum ground disturbance

･ Uniform muck size

･ Selective mining/excavation capability

･ Continuous operation

･ Higher production/excavation rates in favorable ground

conditions

･ Higher initial/capital cost

･ Lesser flexibility on working conditions

･ Very sensitive to ground conditions

･ Limited opening cross-section shapes

･ Difficult adoptability to a working mine design

･ Lack of mobility with some underground machines

･ Inability to cut very hard and very abrasive rock

함께 정리하였다.

기계식 암반 굴착장비의 분류

기계식 암반 굴착장비는 크게 TBM으로 대표되는 전단

면 굴착기(full-face excavation machine)과 로드헤더 등의

부분단면 굴착기(partial-face excavation machine)으로 구

분된다. TBM과 같은 전단면 암반 굴착기는 암반 굴착도구

인 디스크커터가 장착된 커터헤드(cutterhead)의 회전에

의해서 암반을 굴착한다. 토사지반의 경우에는 사각단면

과 같은 비원형 커터헤드가 장착된 TBM이 일부 사용되는

경우도 있으나, 거의 대부분의 TBM은 원형 단면의 터널을

전단면으로 굴착하는데 사용된다고 보는 것이 맞다. 반면,

부분단면 굴착기는 무한궤도나 바퀴가 장착되어 자주식

(自走式)으로 이동이 가능한 장비에 이동이 가능한 붐(예:

telescopic boom)에 장착된 커팅헤드(cutting head)에 의해

암반을 굴착하는 장비이다. 또한 부분단면 굴착기는 말 그

대로 암반을 전단면이 아니라 부분적으로 굴착하기 때문

에, TBM과 달리 굴착대상 터널이나 갱도의 형상에 좌우되

지 않는다는 특징을 가지고 있다. 부분단면 굴착기의 커팅

헤드에는 TBM의 디스크커터와는 상이한 특징을 가지는

픽커터를 굴착도구로 사용한다는 점을 또 다른 특징으로

들 수 있다.

이상과 같은 전단면 굴착기와 부분단면 굴착기의 특징을

비교하면 다음의 Table 1과 같다. TBM의 경우에는 연약지

반부터 경암반까지의 굴착이 가능한 반면, 부분단면 굴착

기는 연암∼보통암 정도의 굴착에 일반적으로 사용된다는

점이 큰 차이점이다. 반면, 앞서 기술한 바와 같이 부분단면

굴착기는 장비의 이동성, 유연성, 교체용이성 등에 있어서

상대적으로 유리하다는 장점을 가지고 있다.

이러한 기계식 암반 굴착장비들의 장단점을 일반적인 천

공-발파법과 비교하면 Table 2와 같다. Table 2에서 보는

바와 같이 기계식 암반 굴착장비들은 친환경성, 시공속도,

시공 연속성, 지반교란의 최소화 등에 있어서는 장점을 가

지고 있으나, 고가의 장비 도입으로 인한 초기투자비, 작업

조건에 대한 대응성, 경암 및 마모성 암반의 굴착성능 등에

있어서는 천공-발파법 대비 불리한 점들을 가지고 있다. 따

라서 이와 같은 다양한 조건들을 고려하여 현장 여건에 적

합한 굴착공법을 선정하는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다.

Tatiya(2013)는 이상과 같은 대표적인 암반 굴착공법인

TBM, 로드헤더 및 천공-발파법에 대해 굴착 대상 터널/갱

도의 형상, 암반 특성, 시공조건, 굴착성능 및 시공비용별로


제52권 제5호

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Table 3. Comparison of different techniques of tunnelling (Tatiya, 2013)

Parameters Drill-and-blast TBM Roadheader

Configuration

Size Any1.75~11 m dia. in civil

1.75~8 m dia. in mining

Boom height governs it, but

it can be any height

Shape Any Any Arch and rectangular

Length Shorter length up to 3 km Lengths more than 3 kmUp to 3 km; longer can be

tried

Gradient Not exceeding 18° Not exceeding 6° Not exceeding 6°

Turing radius Any 30~60° 30~60°

Rock strength

Uniaxial compressive strength

(UCS)Any Up to 220 MPa

Up to 70 MPa by light duty

& 150 MPa by heavy duty;

beyond that performance not

guaranteed

RQD All rangesNot good if it is between

25~45%Good for all RQD

Geological conditions

Running groundNot suitable unless

pre-groutedSpecially designed machines Not suitable

Squeezing ground Some difficulty Some difficulty Some difficulty

Boulder and glacial till Drilling difficultDifficult for boulders but okay

for till

Boulders not that difficult; till

okay

Faults

Precautions required, ground

need to be supported but

excavation not difficult

Faults difficult to handle;

beyond 10 m wide faults can

not be handled

Medium difficulty

Operational details

Air blasts and slapsYes; by delay blasting can be

reducedNone None

Dust generation Very dusty after blasting Very much Some dust

Noise level high due to drill-and-blast Not that much Medium level

Multi drift excavation Possible Not possible Not usually used

Partial face excavation Possible Not possible Possible

Working schedule Cyclic Continuous Continuous

Muck removalFlexible using track or

trackless

Conveyor belt discharge into

rails or trucks

Collecting arms and conveyor

belt discharge into rails or

trucks

Versatility Maximum mobilityPractically confined to

circular cross-section

Face is accessible/ Without

significant shut down support

work can be done

Performance & Costs

Progress rate 5~40 m/week Faster (50~200 m/week) About 15~90/week

Equipment utilization 35%; Higher in multiple faces 40% 60%

Initial cost Not high Very highMedium (0.15~0.3 times

TBM)

Lead time Very less 3~18 months to get a TBM Not more than 3~6 months

Renting option Usually not Usually not Usually rented, if small

각각의 특징을 Table 3과 같이 비교분석하였다.

한편 국제터널협회(ITA)에서는 Fig. 1과 같이 굴착면, 커

팅헤드, 반력 및 TBM 종류에 따라 터널 굴착기를 분류하고

각각에 대한 적용가능 지반조건을 제시하였다(ITA, 2000).

그러나 이 분류법은 로드헤더와 같은 부분단면 굴착기보다

는 TBM에 중점을 둔 것으로서 기계 굴착장비를 선정하기

장수호


534

Fig. 1. Classification of tunnel excavation machines (ITA, 2000).

위한 일반적인 활용이 어렵다고 할 수 있다. 따라서 쉴드

(shield)의 유무, 굴진면 및 굴착면에 대한 지보방법, 반력

을 얻는 방법, 굴진면 안정화 방법, 전단면 또는 부분단면

굴착여부 등에 대한 다양한 인자들을 고려하여 기계 굴착

장비들을 분류하는 것이 필요하다고 하겠다. 이러한 측면

에서 세계 각국의 분류기준을 토대로 하여 제시된 국내 기

계화 시공법 분류기준(KTA, 2001)이 개념과 적용에 있어

서 보다 합리적이고 체계적이라고 할 수 있다(Fig. 2). 이상

과 같은 국내 기계화 시공법 분류기준에 사용된 주요 고려

인자들을 설명하면 다음과 같다:

∙ 쉴드의 유무: 쉴드가 없는 경우는 Open(Gripper) TBM

과 메인빔(main beam) TBM으로 구분하고, 쉴드가 있는

경우는 쉴드TBM으로 분류한다. 쉴드가 있는 경우는 대

부분 세그먼트를 조립하므로 반력을 얻는 방법과도 밀

접하게 연관이 있다.

∙ 지보방법: 터널 굴착 중 터널의 주면 및 굴진면을 대상으

로 하는 지보방법을 말한다. 터널 주면에 대한 지보방법

은 무지보 또는 쉴드에 의한 지보로 구분하며, 굴진면에

대한 지보는 뒤이어 설명할 굴진면의 안정화 방법과 같

은 의미를 갖는다.

∙ 반력을 얻는 방법: 기계 굴착장비를 추진하기 위한 반력

(reaction force)을 얻는 방법이다. 로드헤더와 같은 부분

단면 굴착기는 자중에 의한 반력을 이용하는 반면, 쉴드

가 없는 TBM은 일반적으로 유압 그리퍼(gripper)에 의

해 터널 굴착벽면을 지지하여 굴진을 위한 반력을 얻는

다. 쉴드TBM은 기 설치된 세그먼트 단면에 대해 유압잭

(hydraulic jack)을 밀어내는 힘에 의해 반력을 얻는다.

특수한 형식인 더블쉴드(double shield)TBM에서는 그

리퍼와 세그먼트 모두에서 반력을 얻을 수 있다.

∙ 굴진면 안정화 방법: 밀폐형 TBM은 커터헤드부에 격벽

이 있어서 굴진면과 차단되는 형태를 말한다. 쉴드가 없

는 TBM은 모두 개방형(open-type)이며, 쉴드가 있는

TBM은 개방형과 밀폐형(closed-type) 두 가지 형태로

적용할 수 있다. 일반적인 쉴드TBM에 사용되는 토압식

(Earth-Pressure Balanced, EPB)과 이수식(slurry) 시스

템은 모두 밀폐형으로 설계된다.

∙ 전단면 굴착과 부분단면 굴착: 로드헤더, 유압식 해머 등

의 붐형 굴착장비는 부분단면 굴착기에 해당하며, TBM

은 전단면 굴착기로 분류된다. 다만, TBM의 경우에도

커터헤드가 없으면 부분단면 굴착기로 분류할 수 있다.

즉, TBM 전면의 개폐여부와 커터헤드의 유무가 중요한

분류 항목이 된다.


제52권 제5호

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Fig. 2. Classification of mechanized tunnelling machines (KTA, 2001).

(a) Phase of advance

(b) Repositioning of the gripper assembly

Fig. 3. Advance sequence of a open TBM.

TBM의 종류와 설계개념

TBM의 종류

과거에는 암반 굴착에는 Open(Gripper) TBM 그리고 토

사지반 굴착에는 쉴드TBM이 사용되는 것으로 인식되어

왔으나, 현재는 TBM 기술의 발전과 더불어 암반과 토사지

반이 동시에 나타나는 복합지반에서의 시공조건이 증가하

고 있어 과거와 같이 Open TBM과 쉴드TBM으로 단순 구

분하는 것이 불가능해진 상황이다.

순수 암반만을 굴착할 수 있는 Open TBM은 앞서 살펴본

바와 같이, 터널 주면을 지지하고 내부 작업공간을 보호하

기 위한 쉴드가 없으며, 굴착 벽면에 대한 그리퍼의 지지력

으로 추진력을 얻는다. 또한 굴착 후 터널 안정성을 확보하

기 위해 쉴드TBM에 적용되는 세그먼트 라이닝(segment

lining)이 아닌 숏크리트, 록볼트 등과 같은 일반적인 터널

지보재가 활용되는 굴착장비이다(Fig. 3).

반면, 쉴드TBM은 커터헤드 회전 및 추진에 의해 지반을

굴착하는 것은 Open TBM과 동일하나, 주면 지지를 위한

쉴드가 포함되어 있으며 굴진단계에서는 추력 실린더를 이

미 시공된 세그먼트 라이닝에 지지해 반력을 얻음으로 인

해 쉴드를 전진하는 굴착장비이다(Fig. 4). 또한 쉴드TBM

은 경우에 따라 암반, 토사지반 및 복합지반을 굴착할 수 있

장수호


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(a) Phase of advance

(b) Installation of segmental lining

Fig. 4. Advance sequence of a shield TBM.

Fig. 5. Evolution of rock cutting tools for mechanized rock excavation.

으며, 굴진면의 안정성을 확보하기 위해 앞서 설명한 토압

식, 이수식, 혼합식, 개방형 등의 안정화 시스템을 채용할

수 있다.

TBM의 굴착도구

TBM에 사용되는 굴착도구(excavation tool 또는 cutting

tool)는 크게 암반을 절삭하기 위한 디스크커터(또는 롤러

커터)와 토사지반용 커터비트로 구분할 수 있으며, 복합지

반의 경우에는 디스크커터와 커터비트가 동시에 사용된다.

암반 절삭용 디스크커터는 경암용 open TBM뿐만 아니

라 복합지반 및 암반대응형 쉴드 TBM에서도 주된 절삭도

구로 적용되고 있다. 특히 디스크커터 관련 기술의 발전으

로 인해 TBM의 굴진성능이 더욱 향상되고 있다.

과거에는 암석을 갈아내는 방식인 tooth cutter나 button

cutter가 사용되었으나, 현재에는 암석을 절삭하는 방식으

로서 절삭효율이 높은 디스크커터가 일반적으로 적용되고

있다(Fig. 5). 특히 싱글 디스크커터(single disc cutter)의

개발은 현대식 TBM에서 가장 혁신적인 개선사항 중의 하

나로서, 1956년 캐나다 토론토의 하수구 터널시공에서 처

음 사용된 이후로 발전을 거듭하고 있다. 일반적인 디스크

커터의 구조는 Fig. 6와 같으며, 여기서 중요한 부분은 실제

로 암반을 절삭하게 되는 커터 링(cutter ring)과 디스크커

터의 최대 허용하중을 결정하는 롤러 베어링(roller bearing)

이다.

또한 현재에는 직경 17인치 이상의 디스크커터도 개발･

적용됨으로 인해 TBM의 큰 추력(thrust)에도 견딜 수 있게

되어 TBM의 굴진효율과 굴진속도 향상에 기여하고 있다

(Table 4).

디스크커터는 커터헤드에 장착되는 위치에 따라 센터커

터(center cutter), 페이스커터(face cutter) 및 게이지커터

(gage cutter)로 분류되며, 절삭효율 및 에너지효율을 극대

화하기 위하여 인접한 디스크커터는 동시에 같은 궤적을


제52권 제5호

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Fig. 8. Shapes of typical cutter bits (KTA, 2008).

Table 4. Examples of maximum allowable cutter loads dependent on cutter diameters

Disc cutter diameter Cutter tip width (mm) Cutter allowable load (kN)

432 mm (17 inches)

13 222

16 245

19 267

483 mm (19 inches)16 289

19 311

Fig. 6. Main structure of a disc cutter.

Fig. 7. An example of an array of disc cutters for a open

TBM cutterhead (Wittke, 2007).

돌지 않도록 설계된다(Fig. 7).

토사지반을 굴착하는데 사용되는 커터비트(cutter bit)의

절삭각(scoop angle)과 여유각(clearance angle)은 지반 조

건에 따라 주의하여 선택되어야 한다(Fig. 8). 일반적으로

점토지반의 경우에는 절삭각과 여유각이 큰 커터비트가 사

용되며, 반면 자갈층의 경우에는 절삭각과 여유각이 작은

커터비트가 사용된다. 커터비트의 돌출길이는 지반조건,

굴진에 따른 예상 마모도, 굴착율, 커터헤드 회전속도, 커터

헤드 1회전당 절삭깊이 등과 같은 인자들을 고려하여 결정

해야 한다. 또한 장대 터널의 경우에는 커터비트의 내구성

과 교환 방법을 충분히 고려하여 설계하여야 한다.

TBM의 커터헤드의 형상

TBM에 의한 최적의 굴착공사를 위하여 커터헤드는 굴

착면의 안정성을 도모함과 동시에 굴진속도를 향상시킬 수

있는 형식으로 선정되어야 하며, 다음과 같은 항목들이 고

려되어야 한다.

∙ 커터헤드의 지지 방법

∙ 커터헤드의 구조

∙ (TBM)커터헤드의 추력

∙ (TBM)커터헤드의 토크

∙ (TBM)커터헤드의 동력

∙ 굴착도구(디스크커터, 커터비트 등)

커터헤드는 기본적으로 앞쪽 외관의 형상에 따라 평탄

형, 오목형, 볼록형의 세 가지로 구분된다. 하지만 최근 들

어서는 원형 단면이 아닌 특수 커터헤드가 제한적으로 적

용되는 경우도 있다.

장수호


538

Fig. 9. Dome-type cutterhead for rock excavation (KTA, 2008).

Fig. 10. Deep flat-face cutterhead (KTA, 2008).

Fig. 11. Flat-face cutterhead (KTA, 2008).

(a) Spoke type (b) Flat-plate type

Fig. 12. Typical cutterhead structures for soil and mixed-ground excavation (KTA, 2008).


제52권 제5호

539

Fig. 13. Thrust, cutterhead torque and gripper load required for open TBM advance (Wittke, 2007).

지반조건이 경암 또는 극경암인 경우에는 큰 추력을 가

할 수 있고 절삭효과를 높일 수 있도록 돔(dome) 형식의 커

터헤드 단면형상을 적용한다(Fig. 9). 반면 지반조건이 불

리해질수록 막장자립을 위하여 보다 편평한 형상인 심발형

(deep flat face)이나 평판형(shallow flat face 또는 flat

face)이 적용된다(Fig. 10 및 Fig. 11).

반면, 토사용 커터헤드의 구조는 스포크(spoke)형과 면

판(face plate)형의 두 종류로 구분할 수 있다(Fig. 12). 스포

크형의 경우에는 커터에 발생하는 부하가 적으며 굴착토사

의 배토가 수월하여 토압식에 적용되는 경우가 많다. 반면

면판형은 단면 형상으로 평판형, 심발형 및 돔형의 적용이

모두 가능하며 일반적으로 굴진면의 안정성 확보에 유리하

다. 면판형은 토압식과 이수식 모두에 적용이 가능하다는

특징을 가지고 있다.

TBM 핵심사양의 설계개념

굴착 대상 지반조건에 대한 최적의 추력(thrust force) 및

토크(torque)의 산정은 TBM시공에서 가장 중요한 과정 중

의 하나이다. 최종적으로 산정된 추력과 토크로부터 TBM

의 구동부와 유압 잭(hydraulic jack) 등을 적절하게 설계할

수 있게 된다.

Open TBM에 필요한 추력은 디스크커터에 작용하는 커

터하중 FC, 추진부(sliding shoe)의 저항 FR 및 안전을 위한

여유 추력 ΔF의 합으로 계산된다(Fig. 13).

(1)

쉴드TBM에 필요한 추력을 평가할 때는, 쉴드 외판(skin)

뿐만 아니라 지반 사이의 마찰력과 함께 필요하다면 굴진

면에 대한 지지압력을 고려해야 한다. 밀폐형 쉴드에 필요

한 추력은 다음과 같이 계산된다(Fig. 14).

(2)

여기서 FC는 디스크커터와 기타 굴착도구에 작용하는 커

터 작용하중, FS는 굴진면의 지지압력으로 인한 하중, FF는

쉴드 외판과 지반 사이의 마찰력, 그리고 ΔF는 안전여유

이다.

커터헤드가 회전하기 위해서는 암반 굴진면에서 디스크

커터의 회전 등으로 인한 저항력을 극복할 수 있을 만큼

TBM의 토크가 충분히 커야한다. 반면, 이수식 또는 토압

식 쉴드TBM의 토크는 이수 또는 굴착토(earth mud)로 충

만된 커터헤드의 회전으로 인한 저항력을 극복할 수 있어

야 한다. 쉴드TBM의 구동을 위해 필요한 토크는 다음과

장수호


540

Fig. 14. Thrust required for a closed-type shield TBM (Wittke, 2007)·

Fig. 15. Operating torque required for a closed-type shield TBM (Wittke, 2007).


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541

Fig. 16. Torque required to overcome frictional resistance of a disc cutter (Wittke, 2007).

Fig. 17. Coefficient of rolling friction as a function of

cutter penetration depth.

같이 계산된다(Fig. 15).

(3)

여기서 MC는 굴착도구에 의한 굴진 등으로 인한 저항 토크,

MS는 이수 또는 굴착토로 충만된 커터헤드의 회전으로 인

한 저항 토크, 그리고 은 안전을 위한 여유 토크이다.

Girmscheid(2005)는 디스크커터의 마찰저항을 극복하

기 위해 필요한 토크를 결정하기 위한 관계식을 다음과 같

이 정리하였다(Fig. 16).

⋅

⋅

⋅

(4)

여기서 는 i번째 디스크커터에 작용하는 회전하중

(rolling force), 는 회전축에서 i번째 디스크커터까지의

거리, 그리고 는 i번째 디스크커터의 회전마찰계수

(coefficient of rolling friction)이다.

모든 디스크커터의 작용하중과 회전 마찰계수가 동일하

다고 가정하면 커터헤드의 소요 토크를 식 (4)를 단순화하

여 다음과 같이 계산할 수 있다.

⋅

⋅

(5)

Roxbourough and Phillips(1975)는 커터헤드 1회전당

디스크커터의 관입깊이 P와 디스크커터의 지름 d에 의해

다음과 같이 회전마찰계수에 대한 경험식을 제시하였다.

mm mmrevmmrev

(6)

Hughes(1986)는 식 (6)과 유사한 경험식을 다음과 같이

제시하였다.

⋅

mm ⋅mmrev

(7)

장수호


542

Fig. 18. TBM cutterhead design procedure.

식 (6)과 식 (7)은 17인치(432 mm) 및 19인치(483 mm)

디스크커터에 대한 경험식들이며 Fig. 17과 같이 표현된다.

커터헤드에 장착된 디스크커터의 개수는 지반조건에 따

라 선정된 커터 간격(cutter spacing 또는 cutting groove

spacing) S와 TBM 직경 D에 좌우된다. 커터헤드에 한 종

류의 디스크커터만을 장착하고 커터간격이 모두 동일한 경

우에 디스크커터의 개수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

≈

(8)

예를 들어, 커터간격 S가 65 mm이고 TBM 직경 D가 10 m

인 경우 디스크커터 소요 개수는 대략 77개가 된다.

최근 들어 한국건설기술연구원에서는 국토교통R&D사

업을 통해, Fig. 18과 같이 TBM 커터헤드를 설계하기 위한

설계절차, 설계방법 및 설계시스템을 개발 완료하여, 실제

TBM 커터헤드 제작에 활용 및 굴착시공을 수행하였다

(MOLIT, 2015).

로드헤더의 주요구성과 설계개념

로드헤더의 개요와 구성

대표적인 광산 기계굴착 장비인 컨티뉴어스 마이너의 경

우에는 전면에 커팅헤드가 장착되는 커팅 붐(boom)이 수

직 방향으로만 이동이 가능하지만, 로드헤더의 커팅 붐은

수직뿐만 아니라 수평 방향으로도 이동이 가능하여 다양한

굴착 단면 형상에 대해 대응이 가능하다는 특징을 가지고

있다(Fig. 19). 또한 굴착 속도를 향상시키기 위한 트윈 붐

(twin boom) 로드헤더나 굴착 작업 시 낙반 등에 대한 안전

성을 확보해야 하는 경우에 쉴드(shield) 내부에 로드헤더

를 장착한 장비 등도 개발되어 사용되고 있다(Park et al.,

2013).

로드헤더는 앞서 설명한 바와 같이 단면 형상에 대한 대

응력이 좋을 뿐만 아니라, 장비의 제작기간이 짧고 장비의

이동과 조립이 수월하고 TBM과 비교할 때 초기 투자비용

이 적다는 것이 큰 장점이다. 특히, 단면 크기가 유사하다고

가정할 때, 대단면 터널에서 로드헤더의 투자비용은 TBM

대비 15% 수준이며, 소단면에서는 30% 수준이다. 특히, 로

드헤더는 장비 대여 형식으로도 많이 활용되고 있기 때문

에 소규모 프로젝트에서도 효과적이다(Tatiya, 2005).

암반을 굴착하는 부분인 커팅헤드 이외에도 로드헤더는

다음의 Fig. 20과 같이 다양한 부분으로 구성된다. 로드헤

더의 전방부는 굴착 작업과 직접적인 관련이 있는 부분으

로서 커팅헤드, 붐, 버력처리를 위한 로딩테이블(loading

table 또는 apron)로 구성되어 있다. 중앙부에는 로드헤더

의 이동과 운영을 위한 설비와 동력 설비가 포함되어 있으


제52권 제5호

543

(a) Roadheader (b) Continuous miner

Fig. 19. Cutting boom motions of roadheader and continuous miner (Pichler, 2011).

Fig. 20. Main components of roadheaders (modified from Pichler, 2011).

Table 5. Classification of roadheaders (Tatiya, 2013)

RoadheaderWeight range

(tons)

Cutting head

power (kW)

Roadheader with standard

cutting range

Roadheader with extended

cutting range

Max. section

(m2)

Max. UCS

(MPa)

Max. section

(m2)

Max. UCS

(MPa)

Light 8~40 50~170 ~25 60~80 ~40 20~40

Medium 40~70 160~230 ~30 80~100 ~60 40~60

Heavy 70~110 250~300 ~40 100~120 ~70 50~70

Extra heavy > 100 350~400 ~45 120~140 ~80 80~110

며, 후방부는 외부로의 버력 반출을 위한 체인 컨베이어

(chain conveyor)와 같은 버력 반출 시스템으로 구성되어

있다.

로드헤더 커팅헤드의 설계개념

로드헤더의 성능과 용량은 반력을 지지하는 장비 자체의

자중에 의해 좌우되기 때문에, 로드헤더 커팅헤드의 동력

은 경량(light)부터 중차량(heavy duty)까지 분류될 수 있

다. 일반적으로 대응할 수 있는 암석의 일축압축강도는 20

∼140 MPa 수준이다(Table 5).

로드헤더의 굴착성능을 좌우하는 가장 중요한 부분은 커

팅헤드이다. 커팅헤드에는 암반을 절삭하는 도구로서 픽

장수호


544

(a) Longitudinal cutting head (b) Roadheader

Fig. 21. Roadheader with a longitudinal cutting head (modified from Pichler, 2011).

(a) Transverse cutting head (b) Roadheader

Fig. 22. Roadheader with a transverse cutting head (modified from Pichler, 2011).

Table 6. General comparisons of longitudinal and transverse cutting heads (Bilgin et al., 2014)

Criteria Longitudinal cutting head Transverse cutting head

Profile smoothness Favorable Unfavorable

Machine stability Unfavorable Favorable

Muck loading efficiency Unfavorable Favorable

Application limitsSoft rock (UCS < 60~80 MPa),

non-abrasive rock

Soft to medium-strength rock (UCS <

100~120 MPa), moderately abrasive rock

Production rate Higher for UCS < 40~60 MPa Higher for UCS > 60~80 MPa

커터가 다수 부착되어 있으며 커팅헤드의 회전방향에 따라

종방향(longitudinal 또는 axial) 커팅헤드와 횡방향(trans-

verse) 커팅헤드로 구분된다(Fig. 21 및 Fig. 22). 종방향 커

팅헤드는 붐의 방향과 커팅헤드의 중심축 방향이 일치하는

것이며, 횡방향 커팅헤드는 붐 방향과 커팅헤드의 중심축

방향이 직각을 이루는 것으로 정의된다. 일반적으로 커팅

헤드의 회전과 장비 자중의 균형을 유지하는데 있어 횡방

향 커팅헤드가 보다 유리하며 상대적으로 높은 강도의 암

반을 굴착할 때도 횡방향 커팅헤드가 사용된다. 이상과 같

이 로드헤더의 장･단점은 커팅헤드의 종류에 크게 좌우되

며 이를 정리하면 다음의 Table 6과 같다.

로드헤더에서 암반을 절삭하는데 사용되는 도구인 픽커

터는 Fig. 23과 같이 구성되며, 이때 가장 중요한 부분은 암

반과 계속 접촉하며 큰 응력을 받는 텅스텐 카바이드 삽입

재(insert)이다. 텅스텐 카바이드 삽입재는 매우 높은 수준

의 내마모성 재료이고 충격에 견딜 수 있을 만큼 인성이 커

야 한다(Park et al., 2013). 픽커터의 두부(head)와 샤프트

(shaft)는 열처리 강재로 만들어지며 텅스텐 카바이드 삽입

재를 지지하고 커터 박스(box 또는 holder)를 보호하는 역

할도 한다. 또한 커터 박스는 암반을 절삭하는 방식을 좌우


제52권 제5호

545

Fig. 23. Main components of pick cutter and holder (Sandvik, 2010).

Fig. 24. Cutter forces acting on a pick cutter with a cutting depth (Park et al., 2013).

하는 픽커터의 위치를 결정하며 커팅헤드에 용접된다. 커

터 박스는 특수 열처리강으로 제작되며 적용분야에 따라

교환이 가능한 내마모성 슬리브(sleeve)를 삽입한다.

암반이 약할 경우에는 두부가 좁은 형태의 픽커터를 사

용하여 관입 성능을 높이는 반면, 경암에서는 큰 충격에 대

한 저항성과 내구성을 확보할 수 있도록 두부와 삽입재의

폭이 넓은 픽커터를 사용한다.

TBM의 디스크커터와 마찬가지로 픽커터는 일정한 깊

이(cutting depth, d)만큼 암반 내로 관입되어 절삭하게 되

며, 이때 픽커터 선단에는 연직력(normal force), 절삭력

(cutting force 또는 drag force) 및 암반과의 마찰에 의한 구

동력(driving force)이 발생하게 된다(Fig. 24). 이상과 같은

커터 작용력으로부터 대상 암반을 굴착하기 위해 필요한

소요 추력, 토크 및 동력을 구할 수 있으며, 커팅헤드의 배

열 설계 후에 커팅헤드의 회전에 따른 추력 및 토크의 변동

을 파악하여 커팅헤드의 배열 설계가 균형 있게 이루어졌

는지를 조사하게 된다.

커팅헤드의 배열 설계에 있어서 가장 중요한 사항은 픽

커터의 간격을 설정하는 것으로서, TBM의 커터헤드 설계

와 마찬가지로 최소의 절삭 비에너지(specific energy)로

최적의 절삭 성능을 얻을 수 있는 최적의 커터 간격(s)을

Fig. 25와 같이 결정해야 한다(Balci and Bilgin, 2007). 커

터 간격은 LCM(Linear Cutting Machine)과 같은 실험이

나 현장자료에 기반한 데이터베이스 등을 활용하여 구할

수 있다. 또는 커터 간격(s)이 결정되어 있는 경우에는 최적

의 커터 간격과 커터 관입깊이의 비율(s/d)로부터 굴착 대

상 암반 조건에 적합한 커팅헤드 1회전당 커터 관입깊이(d)

와 그에 따른 굴착속도(굴진율)를 산정할 수 있다. 앞선

TBM과 마찬가지로, 한국건설기술연구원에서는 자체 주

요사업을 통해 Fig. 26과 같이 로드헤더 커팅헤드를 설계하

기 위한 방법과 설계 시스템을 구축 완료하였다(KICT,

2014).

장수호


546

Fig. 25. Effect of pick cutter spacing on specific energy (Balci and Bilgin, 2007).

Fig. 26. Schematic diagram of cutting head design procedure (KICT, 2014).


제52권 제5호

547

Fig. 27. Training schemes based on computer system and simulators (5DT, 2012).

Fig. 28. Erector simulator (Herrenknecht, 2013).

결 론

암반 굴착을 위해 여전히 천공-발파법이 상당한 비중을

차지하고 있으나, 굴착작업의 효율화, 시공속도 향상, 환경

피해 저감 등을 위해 기계 굴착장비의 활용이 증대되고 있

다. 하지만 기계 굴착장비의 핵심 설계･제작기술을 일부 국

가의 기업과 기관에서 보유한 관계로 기술적인 종속이 심

화되고 있는 상황이다. 특히, 암반 기계 굴착장비들은 일반

적인 굴삭기와 달리, 굴착조건별로 달리 설계･제작되는 주

문자 제작방식의 시공장비이다. 더욱이 굴착장비의 도입

을 위해서 초기 투자비용이 상당하기 때문에, 잘못된 굴착

장비의 선정과 도입을 미연에 방지하고 굴착장비를 최적

활용하기 위해서라도 독자적인 기술확보가 필요하다. 또

한 시공비용에서 큰 비중을 차지하는 각종 소모성 굴착도

구의 고성능화와 국산화 개발에도 역량을 강화할 필요가

있다.

기계 굴착장비들은 기계화･자동화 시공장비인 관계로

인력을 최소화할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 그만큼 시

공장비의 성능을 최대한으로 활용할 수 있는 전문인력이

매우 중요하다. 이러한 상황에서 각종 시공장비별로 전문

인력 양성을 위한 시뮬레이터(simulator)들이 최근 개발되

어 활용되고 있는 상황이다. 광업분야에서는 관련 기술의

도입이 비교적 빠른 편으로서, 각종 채굴작업에 사용되는

트럭, 굴삭기, 도저(dozer), 로더(loader), 컨티뉴어스마이

너, 루프볼트 시공장비, 천공장비, 롱월(longwall) 채탄기

등과 관련된 시뮬레이터들이 상용화되어 서비스 중에 있다

(Fig. 27). 반면, 건설분야의 굴착장비에 대한 시뮬레이터

는 극히 일부에 국한되어 있으며, TBM의 경우에도 독일

Herrenknecht사에서 개발한 세그먼트 설치용 이렉터 시뮬

레이터가 유일하다(Fig. 28).

사물인터넷(IoT)과 가상현실(VR)의 유용성과 활용성이

증대되고 있는 상황에서, 향후 기계 굴착장비 분야에서도

전문적인 장비운용 인력을 양성하고 각종 시공리스크들에

대한 대처능력을 함양하기 위한 시뮬레이터의 활용이 더욱

증대될 것으로 기대한다.

장수호


548

장 수 호

1996년 서울대학교 공과대학 자원공학과

공학사

1998년 서울대학교 대학원 자원공학과 공

학석사

2002년 서울대학교 대학원 지구환경시스

템공학부 공학박사

현재 한국건설기술연구원 지반연구소 연구위원

(E-mail; [email protected])

사 사

본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업인 “운용 중

공간확장이 가능한 지하 굴착 및 안정화 기술 개발”의 연구

비 지원에 의해 수행되었습니다.

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Documents

기계식 암반 굴착기술 - TBM과 로드헤더를 위주로