| 연구개발개요 |
○ 전 세계적으로 지하공간은 지속가능한 발전(Sustainable development), 에너지 절감 등을 위한 프론티어 공간(frontier space)으로서 고려되고 있음. 토론토 패스, 몬트리올 언더그라운드 시티, 뉴욕 로라인 프로젝트 등 세계 각국에서 지하공간을 효율적으로 활용하는 사례들을 어렵지 않게 찾아볼 수 있으며, 최근 국내에서도 지하공간을 개발하여 활용하기 위한 영동대로 지하공간 복합개발사업(강남권 광역복합환승센터 개발사업), 광화문 지하도시 등의 대규모 사업들이 예정되어 있음. 따라서 도심지 지하공간을 효율적·친환경적으로 건설하기 위한 공법의 개발이 요구되고 있는 실정임. ○ 지하공간은 생활공간 뿐만 아니라 혐오시설(원자력폐기물 처분시설, 오폐수 처리시설, 발전소 등)의 지하화 및 벙커형 데이터센터 건설에도 중요하게 고려되고 있음. 이미 국내에서 세계최초로 도심지 지하에 화력발전소를 건설하는 사업이 수행되었고(당인리 화력발전소), 벙커형 데이터센터의 경우에는 미국, 영국, 스웨덴, 스위스, 노르웨이 등 세계 각지에서 건설되어 운영되고 있으며, 향후 많은 사업이 예정되어있는 것으로 파악됨.○ 굴착면과 직교하는 방향으로 암석을 파쇄하며 굴진하는 TBM은 굴착하는 형상이 제한적이며(특수한 목적으로 개발된 TBM은 사각단면 등을 가짐), 굴진방향 또한 선형 혹은 일부 곡률을 갖는 정도로 제한됨. 한편 로드헤더는 부분단면 굴착방식으로 TBM과 달리 단면의 형상을 자유롭게 굴착할 수 있는 장비이나, 절삭도구로 사용하는 픽 커터의 절삭성능 및 내마모성의 한계로 인하여 적용 가능한 암석의 강도가 약 100 MPa까지로 보고되고 있음. 따라서 주로 연암에서 효율적인 굴착성능을 보이는 것으로 알려져 있음. 또한 광산 개발을 목적으로 개발된 컨티뉴어스 마이너(Continuous miner), 쉬어러(Shearer) 등의 기계굴착장비도 연암 굴착만이 가능하여 우리나라와 같이 암반이 양호한 조건에서는 적용이 제한됨. ○ 이와 같이 지하공간의 개발에 대해 TBM 및 기계식 굴착공법의 적용성을 높이기 위해서는 터널의 확공을 위한 효율적인 보조 굴착공법의 개발이 요구되는 실정임. 상술한 기존 암반굴착장비의 한계점을 극복하기 위하여 본 연구과제에서는 단독적인 터널 및 지하공간개발이 가능하며 확공을 위한 보조공법으로 적용성이 높은 것으로 판단되는 “언더커팅형 기계굴착장비”의 개발에 필요한 기반기술을 개발하고자 함.○ 해외에서는 2000년대 중반부터 “언더커팅형 기계굴착장비”의 개발을 시작하였고 최근 10년 사이에는 이미 상용화가 완료되어 터널 및 지하공간개발 등의 토목사업 뿐만 아니라 일부국가에서는 자원개발에 활용하여 오고 있음. 이는 기존 암반기계굴착 장비의 단점을 보완하고자 개발된 장비이기 때문에, 적용 가능한 단면형상에 제한이 없을 뿐만 아니라 적용되는 암반의 강도도 연암에서부터 경암에 이르기까지 전 범위의 강도를 갖는 암반에 대하여 효율적인 굴착이 가능한 것으로 보고하고 있음.○ 본 연구과제에서 대상으로 하는 언더커팅은 최근 암석절삭 분야에서 연구되고 있는 주제로서, 압축 응력장으로부터 인장균열을 유도하기보다 인장균열이 발생하기 쉬운 방향으로 절삭력을 가하여 인장균열을 직접 생성하는 암석절삭 방식임. 또한 기계굴착장비에 일반적으로 사용되는 절삭 도구인 디스크커터와 픽 커터에 모두 적용 가능한 기술임. ○ 하지만 과거 TBM 및 로드헤더의 핵심기술과 마찬가지로 언더커팅형 기계굴착장비의 경우에도 유럽, 미국, 호주 등 일부 선진국들에 의해서만 연구개발이 이루어짐. 따라서 장비의 커터헤드설계, 절삭도구 형상, 사양설계 등 핵심적인 기술들이 철저히 비공개 되어있는 상황으로 독자적인 연구개발이 이루어지지 않고서는 해당기술로의 진입이 불가능한 상황임.○ 상기 언급된 기존 암석절삭방식과 비교하여 언더커팅에서는 적용되는 절삭조건과 이에 따른 암석의 절삭메커니즘이 상이하므로, 언더커팅 조건에서의 암석 절삭메커니즘을 규명하고 암석을 효율적으로 절삭하기 위한 최적절삭조건을 결정하기 위한 연구가 필요함.
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| 연구내용 및 범위 |
○ 기계굴착에 의한 암석의 절삭메커니즘을 이해하고 절삭효율을 평가하는 방법으로 가장 직관적이며 정확한 방법은 실험실에서의 암석절삭시험임. 과거 디스크커터 및 픽 커터를 장착한 다양한 기계굴착장비의 핵심설계기술들은 실험실에서 수행된 수많은 선형절삭시험 결과로부터 도출되었음. 호주에서는 언더커팅과 관련한 암석절삭시험을 수행하기 위한 시험시설을 구축하고 그 결과를 장비의 설계에 활용하고 있는 것으로 파악되고 있음. ○ 따라서 본 연구에서는 언더커팅에 의한 절삭성능평가 시험시스템을 구축하고(기존 선형절삭시험 장비 업그레이드) 언더커팅 커터의 절삭성능을 평가하는 시험법을 정립하는 것을 연구목표 중 하나로 설정함. 구축된 시스템 및 시험법을 활용하여 다양한 절삭조건하에서 절삭시험을 수행하고, 언더커팅에 의한 암설절삭 메커니즘을 규명하여 언더커팅을 이용한 기계굴착장비의 핵심설계변수(커터작용력, 절삭각도, 절삭궤적 등)들을 도출하고자 함.○ 선형절삭시험은 절삭도구에 의한 암석의 절삭과정을 실험실에서 모사하여 그 절삭성능을 평가하는데 유용하지만, 시험편의 확보 및 시험수행에는 상당한 노력과 비용이 수반됨. 따라서 실험적인 한계를 보완하고자 상기 절삭과정을 수치해석적으로 모사하는 기법에 대한 연구들이 꾸준히 수행되어오고 있음. 본 연구에서는 언더커팅에 의한 암석의 절삭과정을 모사하는 수치해석기법을 개발하고 이를 실험결과와 비교하여 수치해석기법의 적용성을 확보하고자 함. 과거 국가연구개발사업을 통하여 암석의 절삭해석기술(디스커커터, 픽커터)을 성공적으로 개발한 바 있기 때문에 이를 활용하면 암석의 절삭메커니즘을 이해하고 실험적으로 구현이 어려운 조건에서의 절삭성능 변화를 관찰하는데 유용하게 활용될 수 있음. ○ 언터커팅형 장비는 기존의 암석절삭 방식에 비하여 굴착에 소요되는 힘과 에너지(동력, 추력 등)를 대폭 절감할 수 있으므로 장비의 크기와 중량을 소형화하는 것이 가능함. 소형화된 장비의 경우 초기 투자비가 낮기 때문에 장비의 제작 및 실제 설계를 위한 핵심 기술을 국산화 할 수 있는 가능성이 높음. 이러한 경우에도 이론적/실험적 기반기술, 설계모델 등의 장비설계기술, 제작기술 등을 후속연구를 통해 단계적으로 개발하는 것이 중요하며, 본 연구과제는 이론적·실험적 기반기술을 개발하는 것을 목표로 함.○ 일부 선진국에서 개발된 언더커팅 굴착장비 관련 핵심기술들은 비공개 상태이기 때문에 기반기술의 자립화가 필요한 상황임. 본 연구과제에서는 암석 절삭시험 및 수치적 절삭시험에 의해 규명된 최적 절삭조건과 도출된 핵심설계변수를 이용하여 언더커팅형 암반기계굴착 장비의 설계흐름을 정립하는 것을 목표로 함.
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