3. TBM의 종류
1) OPEN TBM: OPEN TBM은 국내에서는 통상 암반굴착용 TBM으로 알려져있었으며 적용 사례도 가장 많았다.
OPEN TBM은 한번에 터널 전면을 굴착하는 커터헤드를 가지며 크게 Main-beam TBM과 Kelly-type TBM의 두가지 형식이 있다.
Main-beam TBM은 로빈스(Robbines)사에서 제작한 것을 대표적인 예로 들 수 있으며 추진장치가 커터헤드의 후면 가까이에 있고 양쪽에 한조의 그리퍼가 부착되어 있다.
Kelly-type TBM은 아틀라스콥코사와 Wirth사에서 제작한 것을 예로 즐 수있고 커터헤드와 추진장치가 drive shaft로 연결되어 있으며 두조의 Gripper가 장착되어 있다. Kelly-type은 커터헤드와 추진장치로의 접근이 Main-beam TBM에 비하여 상대적으로 용이하다.
2) 터널확공기 (Tunnel reaming Machine): 터널확공기는 OPEN TBM과 같은 기본 기능을가진다. 이기계는 파일롯(Pilot)터널에 그리퍼를 장착하고 파일롯터널에서 잡아당기는 견인력에 의해 전체 단면을 확폭 굴착한다.
확공커터헤드, 버력운송시스템, 후면지지대 파일롯터널에 위치하는 두쌍의 그리퍼 및 추진책으로 구성된다. 수직구에서 사용하는 RBM(Raise Boring Machine)도 확공기의 하나로 볼수있다.
3) 싱글쉴드TBM (Single Shied TBM): 싱글쉴드 TBM은 막장면에 대한 대한 지보시스템 없는 전면 개방형 단일 쉴드 TBM을 일컷는다.
그리퍼쉴드 TBM과 세그멘탈(Segmetal) 쉴드 TBM이 이 형태에 속한다. 두 종류의 쉴드 TBM은 반력을 얻는 방법에 따라 구분되며 그리퍼쉴드 TBM의 경우는 전단면 굴착이나 다른 붐형태의 기구와 결합하여 부분단면 굴착기 형태로도 사용될 수 있다.
4) 더블 (double)쉴드 TBM: 더블쉴드 TBM은 2개 또는 2이상의 쉴드몸통을 가지고 있으며 중간에 신축(Telescopic)쉴드가 설치되어 있어 세그먼트라이닝을 설치함과 동시에 추진에 가능하여 굴착이 지연되지 않도록 할 수 있다.
그러나 싱글쉴드 TBM에 비하여 장비의 연장이 길기 때문에 압축성지반에 걸릴 위험이 더 높다. 그러나 싱글쉴드 TBM에 비하여 장비의 연장이 길기 때문에 압축성지반에 걸릴 위험성이 더 높으며 신축쉴드부의 연결부에 장애물이 걸릴 위험도 있어 압축성지반 등에서는 지반과 쉴드사이의 마찰력을 줄이기 위하여 벤토나이트 용액이 윤활제로 사용되기도 한다. 후방에 위치한 쉴드에서는 전면의 쉴드기커터교환 등의 목적으로 후퇴할 수 있는 공간이 확보 되어야 한다.
5) 기계식 지보 (machanical support)쉴드 TBM: 기계식 지보 쉴드 TBM은 터널막장면의 지속적인 굴착을 위하여 회전식의 커터헤드가 장착되어 있고 커터헤드는 디스크형(Disk Type)과 커터헤드 중심으로부터 방사형으로 로드(Rod)가 부착된 스포크형의 2가지 종류의 커터헤드가 있다. 기계식지보쉴드 TBM은 막장면 자립이 가능한 충적층·지하수가 없는 지반 등에 적합하나 종종 막장면 자립이 어려운 홍적층에 이런 장비를 적용하기 위해서는 압축공기 또는 하나나 또는 2이상의 보조공법을 병행하며 배수 및 약액그라우팅 등의 보조 공법을 추가로 시행해야 한다.
6) 이수식 (Slurry)쉴드 TBM: 이수식 쉴드 TBM은 커터헤드로 전단면굴착을 수행한다. 챔버내에 이수를 가압순환시켜 막장을 안정시키며 버력처리 역시 이수의 유동에 의하여 수행된다. 즉 수압, 토압에 대응해서 챔버내에 소정의 압력을 가한 이수를 층만 가압하여 막장의 안정을 유지하는 동시에 이수를 순환시켜 굴착토를 유체수송하여 배토하는 공법이다.
7) 토압식 쉴드 TBM: 토압식 쉴드 TBM 또한 전단면 굴착을 위한 커터헤드를 장착하고 있으며 막장 전면에 대하여 능동적인 지보방법을 제공한다. 이수식과는 달리 챔버안에 굴착된 물질을 압축하므로써 막장면을 지지하면서 스크류컨베이어로 배출한다. 일반적으로 스크류컨베이어의 회전력에 의해 굴진면의 주동토압이 발생하지 않아야하므로 굴진면 토압이 확실하게 스크류컨베이어에 전달되도록 소성유동화한 굴착토를 챔버에 가득 채우게 된다. 굴진면의 지지압력은 굴진속도와 스크류컨베이어의 회전수에 의해 제어되며 추진력에 의해 챔버내에서 가압된 굴착토의 토압이 굴진면 전체에 작용해 막장의 안전성을 확보한다. 토압식 쉴드 TBM은 별도의 보조공법이 없이 광범위한 지반조건에 적용이 가능하고 이수식에 비해 지상플랜트부지가 적게 소요되어 최근에 많이 활용되고 있다.
8) 혼합식 쉴드 TBM: 혼합식 쉴드 TBM은 터널 주면 및 막장에 대하여 능동적인 지보시스템을 갖추고 있으며 전단면을 굴착하는 쉴드TBM이다.
특징은 밀폐형 및 개방형 모두로 작동할 수 있으며 다양한 형태의 막장지지방법을 사용 할 수있다. 한작업모드에서 다른 작업으로 전환하기 위해서는 기계의 형상을 바꾸기 위한 기계적인 조작이 필요하며 버력의 배출도 각 작업 모드별로 다양하게 사용된다.
혼합식쉴드 TBM은 다음과 같은 3가지 범주로 분류된다.
① 개방형에서는 버력을 처리하는 연직갱컨베이어를 사용하고 밀폐형으로 모드를 바꾼다음에 이수식쉴드 TBM과 마찬가지로 이수의 압력순환에 의해 버력을 배출하고 굴진면을 지지하는 방식
② 개방형에서는 버력을 처리하는 연직갱컨베이어와 함께 사용하고 밀폐형으로 모드를 바꾼 다음에 스크류컨베이어에 의한 토압쉴드 TBM과 마찬가지로 지반압과 균형을 이루어 굴진면을 지지하는 방식
③ 이수식과 토압식을 모두 사용할 수 있는 형식이다. 이와 같은 형태위 쉴드 TBM을 각각의 굴진면 지지시스템을 갖추어야 하는 특수장비의 교체 공간이 필요하기 때문에 일반적으로 대구경굴착에 제한적으로 사용된다. 또한 굴진면 자립에 한계가 있고 지하수위에 있는 암반이나 토사층에 적용이 가능하다.
4. TBM의 기종별 장단점
아래 표 TBM의 기종별 장단점와 같다.
