15. TBM 공법과 TBM의 종류
1. TBM공법의 의의와 필요성
1) TBM (Tunnel Boring Machine)이란
TBM (Tunnel Boring Machine)이란 다수의 디스크커터를 장착한 커터헤드를 회전시켜 암반을 압쇄하여 굴진하는 고부가가치와 최첨단 융복합 장비의 성격을 갖고 있는 원형의 회전식 터널 굴진기이다. TBM공법은 TBM을 사용하여 굴진하고 버력을 반출, 지보작업(Segment조립 등)을 연속적으로 수행하여 터널을 시공하는 것으로 과거의 발파-굴착에 의존해온 기존 공법에 비해 시공의 고속화 및 안전성향상, 환경성 및 경제성이 향상된 장점을 고루 갖춘 공법이다.
2) NATM공법
발파 공법인 NATM공법은 주변의 지반을 할용하고 발파에 의한 굴착 후 록볼트, 숏크리트를 지보재로 활용하며 광범위한 지질조건에 사용가능하나 진동, 소음 등으로 최근에는 사용이 점점 줄어들고 있다.
3) NMT공법 및 ASSM공법
NMT(Norwegian Method of Tunneling)는 비교적 양호한 암반특성을 가진 노르웨이에서 개발한 시공법으로 1차 지보재의 영구적인 개념을 도입하여 2차 라이닝을 간락화 또는 생략하는 시공법이다. 일반적으로 NATM의 터널구조는 숏크리트와 라이닝사이에 방수막의 시공으로 분리층이 형성되어 양자간에 전단력이 전달되지 않는 이중구조가 일반적이다. 그러나 NMT는 숏크리트와 라이닝이 일체가 되어 양자간에 전단력이 전달이 가능한 구조도 가능하도록 하여 지반과 복공이 일체가된 합성구조로서 거동하도록 하는 시공법이다.
ASSM공법은 천공·발파에 의한 굴착과 동시에 강재지보공을 설치하여 주변 지반의 하중을 Steel Rib의 철재 Arch지보와 콘크리트라이닝의 주지보공에 의해 지지하는 공법으로 이완영역을 추정하여 경험적으로 지보공의 단면을 형성하기 때문에 지반조건이 양호한 경우에 효과적인 공법이다. 장점으로는 ①공정이 단순하다. ②특수장비가 필요 없다. ③시공 경험이 많고 시공성이 우수하다.
단점으로는 ①지반의 이완 하중을 강지보공이 받으므로 지보단면이 커지고 굴착단면이 증가한다. ②굴착 후 변형에 대하여 신속하게 대처하기 어렵다. ③지반 상태에 따라 보조공법이 필요하며 대단면터널인 경우 공사비가 증가한다. ④ 발파로 인한 진동 및 소음으로 민원 발생소지가 있다. 최근 국제터널협회에서는 예전부터 NATM, NMT, SPLT등의 여러가지 이름으로 사용해오던 모든 발차굴착터널 공법명을 통일하여 Conventional Tunneling Method로 부르기로 하였으며 TBM 및 Shield 등의 기계굴착공법과 대응되는 개념으로 사용하기로 했다.
2. TBM의 구조와 분류, 장·단점
1)TBM의 구조와 분류
TBM은 본체, 후속설비, 부대시설로 구성되고 본체는 커터, 커터헤드, 추진시스템, 클램핑 시스템, 이렉터 등이 있고 후속설비에는 벨트컨베이어, 광차가 있고 부대시설은 버력처리장, 오탁수정화시설, 환기시설, 수전설비, 급수설비, 배수설비 등으로 구성된다. TBM본체는 크게 후드부, 거더부, 테일부의 3부분으로 구성되며 후드부에는 회전하면서 지반과 맞닿아 원형의 굴착을 하는 커터헤드가 있고 커터헤드 내에는 토사용 굴착시 사용되는 소모품인 커터비트 다수 또는 암반 절삭 도구인 디스크커터 다수가 배치되어 있다. 커터헤드 뒤에는 굴진면 지지 압력을 제어하고 유지시키는 공간인 커터헤드 챔버가 있다. 거더부는 커터헤드를전진시키는 유압추진책과 그리퍼(Gripper), 굴착을 위해 커터헤드를 회전시카는 구동장치(모터)로 구성되어 있다. 테일부는 세그먼트 조립장치인 이렉터와 외부의 토사 및 지하수유입을 방지하는 테일실, 뒤채움 그라우팅 주입장치 배토 및 버력반출 장비가 위치해 있다.
2) TBM의 분류: 터널기계화 장비
기계화 시공장비의 분류 기준에 대한 공통항목은 쉴드의 유무, 지보방법, 개방형, 밀폐형, 전단면, 부분단면 굴착으로 구분 할 수 있으며 각각에 대한 상호 관계나 관련사항은 아래와 같다.
(1)쉴드의 유무: 기계화 시공법의 대표적인 분류항목으로 현재는 사각형이나 2중 원형 등도 제작되고 있으나 통상적으로 원통형으로 제작되어 사용된다. 쉴드가 없는 경우는 Open TBM, Main-bean TBM으로 구분하고 쉴드가 있는 경우는 쉴드 TBM으로 분류한다.
(2)지보방법: 터널굴착 중 굴착장비에 의한 터널의 주변, 막장면을 대상으로 하는 지보방법을 말한다. 터널 주면에 대한 지보방법은 무지보 또는 쉴드에 의한 지보로 구분한다.
(3)반력을 얻는 방법: 터널굴착기계를 추진하기 위한 반력을 어떻게 얻는가에 대한 것으로서 로드헤더 등의 부분단면 굴착기는 대부분 자중에 의한 반력을 이용하여 쉴드가 없는 TBM은 통상 Gripper를 이용 터널 주면 벽면을 지지하는 힘에 의해 반력을 얻는다. 쉴드TBM의 경우는 세그먼트를 미는 유압잭(Jack)에 의해서 반력을 얻으며 일부는 더블쉴드 TBM과 같이 그리퍼와세그먼트 모두에서 반력을 얻는 방법도 있다.
(4)전단면 굴착과 부분단면 굴착: 로드헤더 (Road Header), 유압헤머 (Hydraulic Hammer) 등의 붐형 (Boom-Type)의 경우는 터널막장면을 부분적으로 분할하여 굴착하므로 부분단면 출착기에 속하고 대부분의 TBM의 경우는 전단면굴착기로 분류할 수 있다. 다만 TBM의 경우에도 커터헤드가 없는 경우는 부분단면 굴착기로 분류할 수 있다. 이 분류 항목은 TBM앞부분의 개폐여부 및 커터헤드의 유무의 분류항목과 밀접하게 연관되어 있다.
