R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201515TBIP-C073487-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술사업화지원 | |||||
| 연구과제명 | 직경1m이하 소구경 터널굴착을 위한 암반확공기 시공기술개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2014-06-02 ~ 2016-06-01 | |||||
| 연구책임자 | 한붕전 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 214,000,000 원 기업 : 145,000,000 원 계 : 359,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 428,000,000 원 기업 : 290,000,000 원 계 : 718,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 실리기업 (주) | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-001366-01 | |||||
| ISBN | . | |||||
| 주요 내용 |
○ 직경1m이하 소구경 터널굴착을 위한 암반확공기 터널시공 기술 개발 (1) DTH(Down-The-Hole) 다중Hammer 방식의 암반용 확공기 제작 및 최적설계 모델 확보 - 대구경 DTH 천공기술을 이용한 HDD(Horizontal Directional Drilling) 암반확공기 최적 설계 - 다양한 지질조건(암반과 토사)에서 시공 가능한 확공기 설계/제조기술 개발 - 유공압, 구조안정성 해석, 실내시험을 통한 확공기 성능예측 모델 개발 - 해머비트 타격시험과 시험결과 Data를 통한 암반등급별 최적 운용조건 규명 (2) 암반확공 시공기술 개발 및 상용화 추진 - 곡선 슈팅(선 천공) 장비기술 및 시공기법 확보 - 수 차례(7~8회)에 걸친 암반 확공 과정을 단 1회 확공으로 감축하는 비개착 공법 개발 - 암반확공기 현장시험 수행 및 곡선 터널굴진 시공성 검증 (3) 비개착공법의 기술자립 및 시공성 향상을 도모 - 기존 공법(세미쉴드 공법)과 경제성, 시공성 정량적 비교분석을 통하여 기술적, 경제적, 환경적 우위성 확보 - 비개착 터널공사(전력구, 통신망, 가스관거 매설공사)의 시공 메커니즘 확립과 지형, 지질, 현장적용성에 부합하는 시공법 개발 및 시공성 향상을 도모 [최종목표] (1) 기술개발 목표 ○ 최종목표: 직경1m이하 터널굴착을 위한 암반확공기 설계/제조/시공 기술개발 - 직경 900mm 암반 확공기 최적 설계기술 확보 - 암반 확공기 제조 및 최적 운용기술 개발 - 시공기술 확보 및 현장시험 수행을 통한 굴착성능검증 (2) 최종목표 및 설정근거 (가) 설계기술: 직경 900mm 암반확공기 최적 설계기술 확보 - 유공압 해석을 통한 DTH Hammer 타격성능 결정인자 규명 : 작동원리를 수치모델로 구현, 공압작동 회로 분석 - 암반 파쇄용 드릴비트 버튼 배열 분석 : 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량 분 석 (나) 제조기술: 암반확공기 제조 및 최적 운용기술 개발 - 다중공압해머방식의 암반확공기를 개발하여 직경 900㎜ 암반확공작업을 단 1회에 완료 - 소규모 시험(선형굴착시험)을 통해 암반확공기의 최적 운용 조건 파악 (다) 시공기술: 시공기술 확보 및 현장시험 수행을 통한 굴착성능검증 - 도심지와 같이 작업공간이 협소한 현장에서도 시공 가능한 곡선 굴착기술 확보 - 실제와 유사한 조건으로 현장시험을 수행하여 확공기 굴착성능 검증 및 시 공 기술 검증 (3) 최종 성과목표 (가) 최종 성과목표 및 성과지표 성과목표 성과지표 측정방법 최종 목표치 가중치(0～1) 목표치 설정 근거 시제품 검증 1-1 굴착대상 암반등급 -경암 암반강도 (공인시험성적서) 100 MPa 0.1 본 과제의 설정목표 1-2 천공속도 (경암) 현장시험 (공인시험성적서) 0.8 m/hr 0.1 선두주자인 스웨덴 Atlas Copco社 성능수준: 0.5 m/hr 1-3 확공횟수 현장시험 (공인시험성적서) 1회 0.2 선두주자인 스웨덴 Atlas Copco社 성능수준: 약6-8회 1-4 천공직경 측정 (공인시험성적서) 900㎜ 0.1 본 과제의 설정목표 직경1m에 가장 근접한 수치 특허 및 신기술 2-1 특허 출원 1건 0.1 특허출원 2-2 건설신기술 신청 (신기술 인증) 1건 0.1 건설신기술 신청/접수 논문게재 3-1 SCI급 논문 게재승인 1건 0.2 국제학술지 게재 3-2 국내저널 게재 1건 0.1 국내학술지 게재 (나) 성과지표 설정의 타당성 및 근거 ○ 굴착 대상 암반등급 - 국내 지층에서 빈번히 분포해 있는 경암 (일축압축강도 기준 100 MPa) 이상을 굴착기준으로 설정함 (가중치 : 0.1) - 강도시험후 공인시험성적서 예정 ○ 천공속도 - 암반구간에서의 천공속도를 기존 기술인 세미쉴드 공법보다 약 40%이상 향상시킴으로써 시공소요시간 단축 (가중치 : 0.1) - 강도시험후 공인시험성적서 예정 ○ 확공횟수 - 수차례 반복 시공이 필요한 확공 작업을 단 1회로 함으로써 공사기간 단축 을 유도함. - 이를 통해 당해 공사비 절감과 후속 본 공사의 공기단축에 따른 총괄적 시 공상 경제적 효과의 극대화를 가져올 수 있으므로, 본 기술에서 가장 중요 한 항목으로 판단됨 (가중치 : 0.2) - 강도시험후 공인시험성적서 예정 ○ 천공직경 - 본 과업의 목표인 1 m이하 소형 터널굴착에 가장 근접한 수치인 900 mm로 목표를 설정함. - 강도시험후 공인시험성적서 예정 ○ 특허/건설신기술 - 특허를 출원하여 신기술 시장을 선점함 (가중치: 0.1) - 건설신기술을 신청함으로써 추후 신시장 확보를 추구함 (가중치: 0.1) - 건설신기술 접수하여 인증 예정 ○ SCI급 논문 - SCI(E)급 국제학술지에 1편 이상 게재를 목표로 논문을 2건 투고 예정 (가중치: 0.2) - 국내저널에 1편 이상 게재하여 국내 건설수요자/공학자들에게 본 기술의 장점을 홍보하고 기술정보를 공유함 (가중치: 0.1) [연구내용 및 범위] (1) HDD 암반확공기 현황 및 관련기술 자료 조사 - 기존 HDD 암반확공기 및 천공장비관련 기업 자료 조사 - HDD 확공기 기술현황 자료 확보 및 분석 (2) HDD 암반 확공기 제조 및 설계기법 확보 - 암반확공기 제작을 위한 2D 도면 확보, 3D CAD 모델 성립 - 파이프 리턴방식 커터헤드 설계기법 개발 (3) 암반확공기의 핵심부품인 DTH Hammer 분석 - 유공압 해석을 통한 DTH Hammer 타격성능 결정인자 규명 - 구동특성: 공기압, 공기유량 - 성능특성: 타격 주파수, 타격에너지 - DTH Hammer 유공압 해석: 작동원리를 수치모델로 구현, 공압작동 회로 분석 (4) 암반 파쇄용 드릴비트 버튼 배열 분석 - 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량 분석 - 드릴비트의 유로 형상에 따른 암분 배출현상 분석 - Jamming 방지 운용기법 확립: 확공기를 후방으로 후진하며 타격과 암분배 출에 사용되는 공압 에너지가 암분배출에 모두 이용하는 방식으로 시공트러블 예방 (5) 고효율 비개착식 암반 확공법 개발 - 타격과 회전을 이용한 암반 파쇄용 DTH Hammer를 적용한 확공기 암반 확공시간 단축 - 수 차례(7∼8회)에 걸친 암반 확공 과정을 단 1회 확공으로 감축하는 비개착식 고효율 확공법 개발 추진계획 (1) 단계(연차)별 추진내용 연차 연구목표 주요연구내용 1차년도 - 암반확공기 최적 설계, 제조 기술 개발 - DTH 천공기술을 이용한 HDD 암반 확공기 최적 설계/제조기술 개발 - 해머비트 타격시험을 통한 암반등급별 최적 운용조건 규명 2차년도 - 암반확공 시공 신기술 개발 및 상용화 추진 - 곡선 슈팅(선천공) 장비기술 및 시공기법 확보 - 암반확공기 현장시험 수행 및 곡선 터널 굴진 시공성 검증 - 비개착 터널공사(전력구, 통신망, 가스관거 매설공사) 수주 및 해외시장 진출 (가) 기술개발 추진전략 ○ 설계모델팀 - 주요 연구분야 : HDD 최적설계모델 개발 - 역할 : DTH해머 설계기술, 확공기의 공압시스템 설계, 기계굴착시 확공기 안정성 분석 ○ 제조기술팀 - 주요 연구분야 : HDD 확공기 제조기술 개발 - 역할 : DTH해머 배열, 굴진율 분석, 암반 파괴거동 분석 ○ 시공기술팀 - 주요 연구분야 : HDD 확공기 시공기술 개발 - 역할 : 곡선 슈팅 기술 확보, 현장 시공에 필요한 장비 개발, 현장시험시공 수행 (2) 세부 수행계획 (가) 세부추진 계획 및 방법 No 연구개발내용 세부추진 계획 및 방법 수행기간 해당기관 1 ？ HDD 암반 확공기 현황 및 관련 자료조사 - HDD용 암반확공기 및 천공장비 국내외 자료조사 - HDD용 암반확공기 기술현황 자료 확보 및 분석 3개월 실리기업 2 ？ HDD 암반 확공기 작동 메커니즘 분석 - 핵심부품 DTH Hammer 작동 메커니즘 분석 - 암반 파쇄용 드릴비트 분석 3개월 실리기업 / 생기원 3 ？ 암반확공기 설계기법 개발 - HDD용 암반확공기 제작을 위한 2D 도면 확보 - 암반확공기 3D Modeling - 암반확공기 3D 모델의 구조안정성/동적 안정성 분석 - 1차 현장시험 후 문제점 보완/설계 6개월 생기원 4 ？ 암반확공기 제작 - 설계도면에 입각하여 관련 부품/재료 구입 - 가공업체에 확공기 시제품 제조의뢰 - 1차 현장시험 후 보완제작 6개월 생기원 5 ？ 암반확공 현장 시험수행 - 기존에 5회 이상 필요한 확공 과정을 1회로 축소 - 시험현장 부지 확보 - 시제품의 1차 현장시험 수행 - 최종제품의 2차 현장시험 수행 8개월 실리기업/ 생기원 6 ？ 현장시험 결과검증 - 시험데이터(굴진율, 시공오차 등) 분석 - 국제저널(SCI), 국내저널 논문투고 2개월 실리기업/ 생기원 7 ？ 비 개착식 암반 확공법 개발 - 건설신기술 신청 - 비 개착 터널공사 수주 및 해외시장 진출 2개월 실리기업/ 생기원 |
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| 최종보고서 | 국토교통기술사업화지원사업 최종보고서(2016.09.01).pdf | |||||