터널굴착기
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1. 개요
터널굴착기(TBM, Tunnel Boring Machine)는 터널을 굴착하는 데 사용되는 기계이다. 1825년 최초의 터널 굴착 방패가 개발되었으나, 완전한 TBM은 19세기 중반에 등장했다. 20세기 초 다양한 TBM 설계가 이루어졌지만, 초기에는 비용, 기술적 어려움 등으로 인해 사용이 감소하기도 했다. TBM은 굴착 방식, 지반 조건, 터널 벽 지지 방식에 따라 다양한 종류가 있으며, 단일 쉴드, 이중 쉴드, 토압 균형식 쉴드, 이수식 쉴드, 개방형 TBM 등이 있다. 터널 벽 지지 방식으로는 콘크리트 라이닝, 주 빔 방식 등이 있다. TBM 이외에도 NATM, 침매 터널 공법 등 다양한 터널 굴착 공법이 존재한다. TBM은 안전하고 주변 지반 이완을 줄이는 장점이 있으나, 장비 및 유지보수 비용이 비싸고 굴착 노선이 제한적이며 지층 변화에 대한 대비가 어렵다는 단점도 있다. 대한민국은 TBM 활용도가 높으며, 기술 자립을 위한 연구 개발이 진행 중이다.
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| 터널굴착기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 특수 건설 장비 |
| 용도 | 터널 굴착 |
| 관련 항목 | 터널 광산 토목 공학 |
| 작동 원리 | |
| 굴착 방식 | 회전식 커터 헤드 또는 기타 굴착 도구를 사용하여 암반 및 토양을 깎아냄 |
| 추진 방식 | 유압 실린더를 사용하여 TBM을 전진시킴 |
| 지지 방식 | 굴착 후 터널 벽면을 즉시 지지하여 붕괴 방지 |
| 배토 방식 | 컨베이어 벨트 또는 기타 장비를 사용하여 굴착된 토사를 외부로 운반 |
| 구성 요소 | |
| 커터 헤드 | 회전하면서 암반이나 토양을 깎아내는 부분 |
| 추진 장치 | TBM을 전진시키는 유압 실린더 등으로 구성 |
| 지지 장치 | 굴착된 터널 벽면을 지지하는 장비 |
| 배토 장치 | 굴착된 토사를 외부로 운반하는 컨베이어 벨트 등 |
| 제어 시스템 | TBM의 모든 작동을 제어하는 시스템 |
| 유형 | |
| 쉴드 TBM | 연약 지반이나 수중 터널 공사에 사용 |
| 암반 TBM | 단단한 암반 터널 공사에 사용 |
| 이수식 TBM | 굴착면에 이수를 주입하여 안정성을 확보하는 방식 |
| 토압식 TBM | 굴착면의 토압을 유지하여 안정성을 확보하는 방식 |
| EPB 쉴드 TBM | 토압식 쉴드 TBM의 일종으로, 굴착된 토사에 거품을 주입하여 토압을 조절 |
| 장점 | |
| 안전성 | 기존의 터널 공법보다 안전하게 작업 가능 |
| 효율성 | 빠른 속도로 터널 굴착 가능 |
| 정밀성 | 정확한 시공 가능 |
| 환경 친화성 | 소음과 진동이 적음 |
| 단점 | |
| 높은 초기 투자 비용 | 장비 구입 및 설치 비용이 많이 듦 |
| 운용 및 유지 보수 | 전문적인 기술 필요 |
| 제한적인 적용 범위 | 특정 지반 조건이나 터널 형태에 따라 적용이 어려울 수 있음 |
| 활용 분야 | |
| 철도 및 지하철 터널 | 도시 철도, 고속 철도 터널 건설에 사용 |
| 도로 터널 | 산악 지역이나 도심 지역에서 도로 터널 건설에 사용 |
| 지하 공간 개발 | 지하 주차장, 지하 상가 등 지하 공간 개발에 사용 |
| 상하수도 터널 | 상하수도관 매설을 위한 터널 건설에 사용 |
| 광산 개발 | 광물 채굴을 위한 터널 건설에 사용 |
| 주요 제조사 | |
| 유럽 | 로빈스 컴퍼니 워스 헤렌크네히트 |
| 일본 | 가와사키 중공업 고마쓰 미쓰비시 중공업 |
| 기술 동향 | |
| 자동화 및 원격 제어 기술 | 작업 효율성 향상 및 안전성 확보 |
| 인공지능(AI) 기반의 TBM 제어 기술 | 굴착 과정 최적화 및 사고 예방 |
| 3D 프린팅 기술 활용 | TBM 부품 제작 및 유지 보수 효율성 향상 |
| 친환경 TBM 개발 | 에너지 효율 향상 및 환경 오염 저감 |
| 참고 문헌 | |
| 특수 목적 TBM | |
| U자형 TBM | 말굽형 단면 터널을 위한 쉴드 머신 |
2. 역사
터널굴착기(TBM)의 역사는 19세기 중반 마크 이삼바드 브루넬이 템스 터널 굴착에 사용한 터널 굴착 방패 개발(1825년)에서 시작되었다.[22] 1846년 사르데냐 왕국의 앙리 모스는 알프스 산맥을 관통하는 프레쥐스 철도 터널을 뚫기 위해 '마운틴 슬라이서'라는 보링 머신을 제작했다.[23]
미국에서는 1853년 후삭 터널 건설에 '윌슨의 특허 석재 절단기'가 사용되었으나, 약 3.05m 굴착 후 고장났다.[24] 1863년 프레데릭 보몬트 소령이 TBM을 발명, 1880년 토마스 잉글리시 소령에 의해 개선되었다. 1882년 이 기계는 영국 해협 터널 시험 굴착에 사용되어 1840m를 굴착했으나, 군사적 이유로 프로젝트는 중단되었다.[27] 1883년에는 리버풀과 비르켄헤드 사이의 철도 환기 터널 굴착에 사용되었다.
20세기 초, 철도, 지하철, 하수도, 상수도 등 다양한 목적의 터널 건설을 위해 여러 형태의 TBM이 개발되었으나, 초기에는 비용, 운용, 암석 굴착의 어려움 등으로 인해 큰 관심을 받지 못했다.[22][23][24][25][26][27]
캐나다 나이아가라 터널 프로젝트에는 로빈스 컴퍼니가 제작한 직경 14.4m의 TBM '빅 베키'가 사용되었다. 2013년 히타치 조선이 제작한 직경 17.45m의 TBM '버사'는 미국 시애틀의 고속도로 99 터널 프로젝트에 투입되었으나, 잦은 고장으로 어려움을 겪었다.[28][29][30]
헤렌크네히트가 제작한 마르티나는 굴착 직경 15.62m의 세계 최대 경암 TBM이다. 프랑스 건설 회사 Dragages Hong Kong은 홍콩의 툰 문 첵랍콕 링크 건설을 위해 세계 최대 직경의 슬러리 TBM(굴착 직경 17.6m)을 건설했다. CREG가 공급한 직경 6.67m의 TBM 두 대는 쿠알라룸푸르의 급행 열차 터널 굴착에 사용되었다.[32]
2. 1. 1800년대
마크 이삼바드 브루넬 경은 1825년에 최초로 성공적인 터널 굴착 방패를 개발하여 템스 터널 굴착에 사용하였다. 그러나 이것은 터널 굴착 방패 기술의 발명일 뿐, 완전한 터널 보링 머신(TBM)의 건설을 포함하지는 않았고, 굴착은 여전히 당시 표준적인 굴착 방법으로 수행되어야 했다.[22]1845년, 사르데냐 왕국의 샤를 알베르 왕은 프랑스와 이탈리아 사이의 알프스 산맥을 관통하는 프레쥐스 철도 터널을 뚫기 위해 앙리 모스에게 '마운틴 슬라이서'라는 보링 머신 제작을 의뢰했다. 모스는 1846년 토리노 근처의 무기 공장에서 이 기계를 제작했다. 이 기계는 기관차 크기의 기계 전면에 100개 이상의 타격 드릴로 구성되었으며, 터널 입구에서 기계적으로 동력을 받았다. 그러나 1848년 혁명으로 인해 자금 지원에 차질이 생겼고, 터널은 잭해머와 같은 덜 혁신적이고 저렴한 방법을 사용하여 10년 후에 완공되었다.[23]
미국에서는 1853년 매사추세츠 북서부의 후삭 터널 건설에 최초의 보링 머신이 사용되었다. 주철로 만들어진 이 기계는 발명가 찰스 윌슨의 이름을 따서 '윌슨의 특허 석재 절단기'로 알려졌다. 이 기계는 암석에 약 3.05m 깊이로 구멍을 뚫었지만 고장이 났다. 결국 후삭 터널은 20년 이상 후에 프레쥐스 철도 터널과 마찬가지로 덜 야심찬 방법을 사용하여 완공되었다. 윌슨의 기계는 회전하는 기계 헤드에 부착된 디스크 써레와 같은 절단 디스크를 사용한다는 점에서 현대 TBM을 예상했다. 이 혁신적인 암석 제거 방법은 전통적인 끌질이나 발파와는 달리, 단순한 금속 바퀴를 사용하여 암석을 파쇄하는 순간적인 고압을 가했다.[24]
1853년, 미국의 에비니저 탈보트는 윌슨의 절단 디스크를 사용한 TBM을 특허냈지만, 이는 회전하는 팔에 장착되었고, 팔은 다시 회전하는 판에 장착되었다.[25] 1870년대에, 영국의 존 D. 브런튼은 회전하는 판에 편심으로 장착된 절단 디스크를 사용하는 기계를 제작했으며, 이 회전하는 판은 다시 회전하는 판에 편심으로 장착되어 절단 디스크가 제거할 암반 표면의 거의 전체를 통과하도록 했다.
상당한 거리를 뚫는 최초의 TBM은 1863년에 발명되었고, 영국 육군 장교 프레데릭 보몬트 소령(1833–1895)에 의해 1875년에 개선되었다. 보몬트의 기계는 영국 육군 장교 토마스 잉글리시 소령(1843–1935)에 의해 1880년에 더욱 개선되었다.[26] 1875년, 프랑스 국민 의회는 영국 해협 아래의 터널 건설을 승인했고, 영국 의회는 잉글리시의 TBM을 사용한 시험 운행을 지원했다. 잉글리쉬 TBM의 절삭 헤드는 원뿔형 드릴 비트 뒤에 절단 디스크가 장착된 한 쌍의 대향하는 팔로 구성되었다. 1882년 6월부터 1883년 3월까지 이 기계는 총 1840m의 백악질을 관통했다. 수에즈 운하 회사 계약자이기도 한 프랑스 엔지니어 알렉상드르 라발레는 유사한 기계를 사용하여 프랑스 측의 상가트에서 1669m를 뚫었다. 그러나 이러한 성공에도 불구하고, 영국 군대가 터널이 침략 경로로 사용될 수 있다는 우려를 제기한 후, 1883년에 이 해협 횡단 터널 프로젝트는 중단되었다.[27] 그럼에도 불구하고, 1883년 이 TBM은 머지 강 아래의 사암을 통과하는, 영국 리버풀과 비르켄헤드 사이의 철도 환기 터널(직경 약 2.13m, 길이 약 2057.40m)을 뚫는 데 사용되었다.
노스 리버 터널은 1889년부터 1904년까지 그레이트헤드 쉴드 TBM을 사용하여 건설되었다. 이 프로젝트는 동굴 붕괴를 줄이기 위해 35psi로 압축된 공기를 사용했다. 그러나 많은 노동자들이 동굴 붕괴 또는 감압병으로 사망했다.
2. 2. 1900년대 ~ 현재
20세기 초, 철도, 지하철, 하수도, 상수도 등 다양한 목적의 터널 건설을 위해 터널굴착기(TBM) 설계, 제작, 테스트가 활발하게 이루어졌다. 회전하는 드릴, 해머 배열, 거대한 홀쏘 형태 등 다양한 형태의 TBM이 특허를 받았다.[22][23] 금속 날이 달린 회전 드럼, 이빨로 덮인 회전 원판, 금속 이빨로 덮인 회전 벨트 등으로 구성된 TBM도 제안되었다.[24][25][26] 그러나 이러한 초기 TBM은 비용이 많이 들고, 다루기 어려웠으며, 단단한 암석을 뚫는 데는 한계가 있어 TBM에 대한 관심이 줄어들었다. 그럼에도 불구하고, TBM 개발은 암석이 비교적 무른 칼륨 및 석탄 광산에서 계속되었다.[27]
캐나다 나이아가라 터널 프로젝트에는 로빈스 컴퍼니가 제작한 직경 14.4m의 TBM이 사용되었다. 이 기계는 나이아가라 폭포 아래 수력 터널을 뚫는 데 사용되었으며, 애덤 벡 경의 수력 발전 댐을 참조하여 "빅 베키"(Big Becky)라는 별명이 붙여졌다.
2013년, 히타치 조선이 제작한 직경 17.45m의 TBM "버사"(Bertha)가 미국 워싱턴주 시애틀의 고속도로 99 터널 프로젝트에 투입되었다.[28][29] 2013년 7월 작동을 시작했지만, 같은 해 12월에 멈춰 2016년 1월까지 가동이 중단되는 등 상당한 수리가 필요했다.[30] 버사는 2017년 4월 4일에 터널 굴착을 완료했다.[31]
헤렌크네히트가 제작한 마르티나(Martina)는 세계 최대의 경암 TBM이다. 굴착 직경은 15.62m, 총 길이는 130m이며, 굴착 면적은 192sqm이다. 총 중량은 4,500톤, 총 설치 용량은 18MW, 연간 에너지 소비량은 약 62GWh이다. 이탈리아 건설 회사 Toto S.p.A. Costruzioni Generali(Toto Group)가 이탈리아 고속도로 패스 A1("Variante di Valico A1")의 스파르보 갤러리 건설을 위해 소유 및 운영했다.
프랑스 건설 회사 Dragages Hong Kong(Bouygues의 자회사)은 홍콩의 툰 문 첵랍콕 링크 건설을 위해 세계 최대 직경의 슬러리 TBM(굴착 직경 17.6m)을 건설했다.
CREG가 공급한 직경 6.67m의 TBM 두 대는 쿠알라룸푸르의 급행 열차를 위한 두 개의 터널을 굴착했다. 이 TBM은 물이 포화된 사질 점토암, 편암 점토암, 심하게 풍화된 점토암 및 충적토에서 월 최대 345m 이상의 전진 속도를 달성했다.[32]
3. 종류
암반 굴착기는 터널 절단 방식, 견인력 제공 방식, 터널 벽 지지 방식에서 토사 굴착기와 차이가 있다. TBM은 지반 조건, 터널 벽 지지 방식, 굴착 방식 등에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 쉴드 TBM
- 단일 쉴드 TBM
- 이중 쉴드 TBM
- 토압 균형식 쉴드 TBM
- 이수식 쉴드 TBM
- 개방형 TBM
19세기 말과 20세기 초, 여러 발명가들이 철도, 지하철, 하수도, 상수도 등에 사용될 TBM을 설계, 제작, 시험했다. 회전식 드릴, 해머 배열을 사용하거나[22], 홀쏘와 유사한 TBM이 제안되었다.[23] 금속 날이 달린 회전 드럼[24], 이빨로 덮인 회전 원판[25], 금속 이빨로 덮인 회전 벨트[26]를 사용하는 TBM도 있었다. 그러나 초기 TBM은 비용이 비싸고 다루기 어려웠으며, 단단한 암석 굴착이 불가능하여 관심이 감소했다. 이후 TBM 개발은 암석이 무른 칼륨, 석탄 광산에서 이어졌다.[27]
14.4m 직경의 TBM은 캐나다 나이아가라 터널 프로젝트를 위해 로빈스 컴퍼니에서 제작되었다. 이 기계는 나이아가라 폭포 아래 수력 터널 굴착에 사용되었으며, 애덤 벡 경의 수력 발전 댐을 따서 "빅 베키"(Big Becky)로 명명되었다.
3. 1. 쉴드 TBM (Shield TBM)
쉴드 TBM은 연약 지반이나 지하수 유입이 많은 지층에서 터널 굴착 시 붕괴를 방지하기 위해 사용되는 TBM이다. 쉴드 내부에서 굴착과 동시에 세그먼트(segment)를 조립하여 터널 벽을 지지하는 방식이다.[4] 대한민국에서는 주로 도심지 지하철, 전력구, 통신구 등 연약 지반 터널 건설에 쉴드 TBM이 활용된다.| 장점 | 단점 |
|---|---|
최초의 성공적인 터널 굴착 방패는 1825년 마크 이삼바드 브루넬 경에 의해 개발되어 템스 터널 굴착에 사용되었다. 쉴드 TBM은 일반적으로 토양 터널을 굴착하는 데 사용되며, TBM 뒤에 콘크리트 세그먼트를 설치하여 터널 벽을 지지한다.[4] 이 기계는 쉴드에 압력을 가하는 유압 실린더로 터널 내에서 자체적으로 안정화되어 TBM이 터널 전면에 압력을 가할 수 있게 한다.
지역 지질의 안정성에 따라 새로 형성된 터널 벽은 붕괴를 방지하기 위해 굴착 직후 즉시 지지해야 하는 경우가 많다. 많은 TBM에는 영구적인 터널 지지대가 구축될 때까지 벽을 지지하기 위해 커터 헤드 뒤를 따라 하나 이상의 원통형 '''실드'''가 장착되어 있다.
3. 1. 1. 단일 쉴드 TBM (Single Shield TBM)
단일 쉴드 TBM은 커터 헤드 뒤에 하나의 원통형 쉴드가 있다. 영구적인 콘크리트 라이닝은 쉴드 바로 뒤에 건설되며, TBM은 커터 헤드에 힘을 가하기 위해 라이닝을 밀어낸다. 다음 링의 라이닝을 건설하는 동안에는 이 밀어내기가 불가능하기 때문에, 단일 쉴드 TBM은 굴착 모드와 라이닝 모드를 번갈아 가며 작동한다.[4]3. 1. 2. 이중 쉴드 TBM (Double Shield TBM)
이중 쉴드(또는 텔레스코픽 쉴드) TBM은 선행 쉴드와 후행 쉴드를 가지고 있다. 선행 쉴드는 커터 헤드와 함께 전진하고, 후행 쉴드는 그리퍼 역할을 한다. 두 쉴드는 제한된 거리 내에서 서로 축 방향으로 움직일 수 있다(텔레스코픽 방식). 그리퍼 쉴드는 TBM을 고정하여 커터 헤드에 압력을 가하는 동시에 콘크리트 라이닝을 구축할 수 있도록 한다.[1]3. 1. 3. 토압 균형식 쉴드 TBM (Earth Pressure Balance Shield TBM, EPB TBM)
토압 균형식 쉴드 TBM(Earth Pressure Balance Shield TBM, EPB TBM)은 굴착 과정에서 발생하는 토사를 스크류 컨베이어를 통해 밖으로 빼내면서 토압을 조절하여 굴착면이 무너지지 않도록 안정시키는 방식이다. 이 방식은 점성이 있는 흙, 즉 점토질 지반에서 특히 효과적이다.
EPB TBM은 맥(굴착된 흙)을 사용하여 터널 굴착면의 압력을 유지한다. 맥은 스크류 컨베이어를 통해 터널 굴착기 안으로 들어오는데, 이때 맥의 추출 속도와 터널 굴착기의 전진 속도를 조절하여 터널 굴착기 앞쪽의 압력을 제어할 수 있다. 이 과정에서 슬러리는 사용되지 않는다.
벤토나이트, 고분자, 폼과 같은 첨가제를 굴착면에 주입하여 지반을 안정화시키기도 한다. 이러한 첨가제는 커터 헤드와 추출 스크류에 따로 주입되어 맥이 압력을 유지하고 물의 흐름을 막을 수 있을 만큼 충분히 끈끈하게 만들어 준다.
EPB TBM은 다른 터널 굴착기와 마찬가지로 콘크리트 세그먼트를 밀어내면서 전진하기 위해 추력 실린더를 사용한다. 커터 헤드는 텅스텐 카바이드 절삭 비트, 카바이드 디스크 커터, 드래그 픽, 경암 디스크 커터 등을 조합하여 사용한다.
EPB TBM은 연약하고 습하거나 불안정한 지반에서도 빠르고 안전하게 터널을 뚫을 수 있게 해준다. 영국 해협 터널, 템스 워터 링 메인, 런던 지하철의 일부 구간, 그리고 지난 20년간 전 세계에서 완공된 대부분의 새로운 지하철 터널이 이 방식을 사용하여 굴착되었다.
EPB TBM은 주로 미세한 지반(예: 점토)에서 사용되는 반면, 슬러리 TBM은 주로 거친 지반(예: 자갈)에서 사용된다.
3. 1. 4. 이수식 쉴드 TBM (Slurry Shield TBM)
Slurry Shield TBM영어은 벤토나이트 등의 이수를 사용하여 굴착면의 안정을 유지하는 방식이다. 사질토 지반이나 지하수위가 높은 지층에 적합하다.[34][35]슬러리 쉴드 TBM은 높은 수압을 가진 연약 지반이나 입상 지반(모래와 자갈) 조건에서 스크류에 플러그가 형성되지 않는 경우에 사용할 수 있다. 커터 헤드는 압력이 가해진 슬러리로 채워지는데, 일반적으로 벤토나이트 점토로 만들어져 전면에 정수압을 가한다. 슬러리는 굴착토와 섞인 후, 일반적으로 터널 외부에 있는 슬러리 분리 설비로 펌핑된다.
슬러리 분리 설비는 다단계 여과 시스템을 사용하여 굴착토를 슬러리에서 분리하여 재사용할 수 있도록 한다. 슬러리를 '정화'할 수 있는 정도는 굴착토의 상대적인 입자 크기에 따라 달라진다. 슬러리 TBM은 실트와 점토에는 적합하지 않은데, 굴착토의 입자 크기가 벤토나이트보다 작기 때문이다. 이 경우 슬러리에서 물을 제거하여 점토 케이크를 남기며, 이는 오염될 수 있다.
케이슨 시스템은 작업자가 기계를 조작할 수 있도록 절삭 헤드에 배치되기도 하지만, 케이슨 내의 공기압이 높아질 수 있으며, 작업자는 "잠수에 적합"하다는 의료적 승인을 받아야 하고 감압 챔버를 조작할 수 있어야 한다.[34][35]
3. 2. 개방형 TBM (Open TBM / Gripper TBM)
개방형 TBM은 암반 지반에서 굴착할 때 별도의 지보재 없이 굴착하는 방식이다. 그리퍼(gripper)를 이용하여 터널 벽면에 반력을 가하며 전진하며, 록볼트, 숏크리트 등의 지보재를 사용하여 암반을 보강한다. 대한민국에서는 주로 산악 터널, 고속도로 터널 등 암반 지반 터널 건설에 개방형 TBM이 활용된다.개방형 TBM은 실드를 사용하지 않고 터널의 보강되지 않은 측벽을 직접 밀어낸다.[1] Wirth 기계와 같은 장비는 그리퍼가 풀린 상태에서만 이동할 수 있으나, 다른 장비들은 지속적으로 이동할 수 있다. Wirth 굴착 사이클이 끝나면 다리가 땅에 닿고, 그리퍼가 후퇴한 다음 장비가 전진한다. 그 후 그리퍼가 다시 작동하고 다음 사이클을 위해 후면 다리가 들어 올려진다.[1]
4. 터널 벽 지지 방식
터널 굴착기(TBM)는 굴착 방식, 견인 방식, 터널 벽 지지 방식에 따라 그 종류가 달라진다. 지역 지질이 안정적이지 않을 경우, 굴착 직후 터널 벽을 즉시 지지해야 할 때가 많다. 많은 TBM은 커터 헤드 뒤에 하나 이상의 원통형 실드를 장착하여, 영구적인 터널 지지대가 설치되기 전까지 벽을 지지한다.
벽의 안정성은 TBM이 커터 헤드에 힘을 주는 방식에도 영향을 준다. 예를 들어, 이중 실드(또는 텔레스코픽 실드) TBM은 커터 헤드와 함께 전진하는 선행 실드와, 그리퍼 역할을 하는 후행 실드를 갖추고 있다. 두 실드는 제한된 거리 안에서 서로 축 방향으로 움직일 수 있다. 그리퍼 실드는 TBM을 고정해 커터 헤드에 압력을 가하는 동시에 콘크리트 라이닝을 구축할 수 있게 해준다.
4. 1. 콘크리트 라이닝 (Concrete Lining)
쉴드 TBM은 터널 굴착 후 콘크리트 세그먼트를 조립하여 터널 벽을 지지한다.[5]4. 2. 주 빔 방식 (Main Beam)
주 빔 방식의 터널굴착기(TBM)는 커터 헤드 뒤에 콘크리트 세그먼트를 설치하지 않는다. 대신 링 빔, 숏크리트, 록 볼트, 강철 스트랩, 링 강철 및 와이어 메쉬와 같은 지반 지지 방법을 사용하여 암반을 지지한다.5. 터널 굴착 방식
터널 굴착 방식은 TBM 전면의 커터 헤드(cutter head) 형태와 작동 방식에 따라 구분된다.
지역 지질의 안정성에 따라 새로 형성된 터널 벽은 붕괴를 방지하기 위해 영구적인 지지대나 라이닝을 구축하기 전에 굴착 직후 즉시 지지해야 하는 경우가 많다. 많은 TBM에는 영구적인 터널 지지대가 기계의 더 먼 곳에 구축될 때까지 벽을 지지하기 위해 커터 헤드 뒤를 따라 하나 이상의 원통형 '''실드'''가 장착되어 있다.[22] 벽의 안정성은 TBM이 절삭 헤드에 힘을 가할 수 있도록 제자리에 고정하는 방법에 영향을 미치며, 이는 기계가 동시에 굴착 및 전진할 수 있는지, 아니면 이러한 작업이 번갈아 가며 수행되는지 여부를 결정한다.
경암 지반으로 지하수가 거의 없는 경우, TBM의 커터 헤드 주변은 가압하지 않을 수 있는데, 이는 노출된 암반이 자체적으로 지지할 수 있기 때문이다.[22] 연약한 토양이나 상당한 양의 지하수가 있는 경우에는 붕괴를 방지하고 지하수가 굴착기 내부로 유입되는 것을 막기 위해 터널 전면에 압력을 가해야 한다.
슬러리 쉴드 TBM은 높은 수압을 가진 연약 지반이나, 입상 지반(모래와 자갈) 조건에서 스크류에 플러그가 형성되지 않는 경우에 사용할 수 있다. 커터 헤드는 압력이 가해진 슬러리(일반적으로 벤토나이트 점토)로 채워져 전면에 정수압을 가한다. 슬러리는 굴착토와 섞인 후, 터널 외부에 있는 슬러리 분리 설비로 펌핑된다. 슬러리 분리 설비는 다단계 여과 시스템을 사용하여 굴착토를 슬러리에서 분리하여 재사용할 수 있도록 한다. 슬러리를 '정화'할 수 있는 정도는 굴착토의 상대적인 입자 크기에 따라 달라진다. 슬러리 TBM은 실트와 점토에는 적합하지 않은데, 굴착토의 입자 크기가 벤토나이트보다 작기 때문이다. 이 경우 슬러리에서 물을 제거하여 점토 케이크를 남기며, 이는 오염될 수 있다.
케이슨 시스템은 작업자가 기계를 조작할 수 있도록 절삭 헤드에 배치되기도 하지만,[34][35] 케이슨 내의 공기압이 높아질 수 있으며, 작업자는 "잠수에 적합"하다는 의료적 승인을 받아야 하고 감압 챔버를 조작할 수 있어야 한다.[34][35]
도시 터널 굴착은 지표면의 교란을 최소화하고 지반 침하를 방지해야 한다. 연약 지반에서 이를 수행하는 일반적인 방법은 시공 중 및 시공 후 토압을 유지하는 것이다. 이러한 상황에는 흙 압력 밸런스(EPB) 및 슬러리 쉴드(SS)와 같이 전면 제어가 가능한 TBM이 사용된다. 두 유형 모두 지반 상태가 잘 기록되어 있다면 표면 침하 및 공극의 위험을 줄일 수 있다.[22] 도시 환경에서 터널을 굴착할 때는 다른 터널, 기존 유틸리티 라인 및 깊은 기초를 고려해야 하며, 다른 기반 시설에 대한 유해한 영향을 완화하기 위한 조치를 프로젝트에 포함해야 한다.
5. 1. 전면 굴착 방식 (Full-face Excavation)
TBM 커터 헤드가 터널 전면 전체를 한 번에 굴착하는 방식이다. 균질한 지반 조건에서 굴착 속도가 빠르다. TBM은 일반적으로 전면에 회전하는 절삭 휠(커터 헤드)이 있고, 그 뒤에 주 베어링, 추력 시스템, 굴착된 물질(머크)을 제거하는 시스템 및 지지 메커니즘이 있다. 기계는 현장 지질, 존재하는 지하수의 양 및 기타 요인에 따라 다르다.암반 굴착기는 터널을 절단하는 방식, 굴착 활동을 지원하기 위해 견인력을 제공하는 방식, 새로 형성된 터널 벽을 지지하는 방식에서 토사 굴착기와 다르다. 그리퍼식 TBM은 암반 터널 굴착에 사용되며, 실드를 사용하지 않고 터널의 보강되지 않은 측벽을 직접 밀어낸다.[1]
Wirth 기계와 같은 장비는 그리퍼가 풀린 상태에서만 이동할 수 있다. 다른 장비들은 지속적으로 이동할 수 있다. Wirth 굴착 사이클이 끝나면 다리가 땅에 닿고, 그리퍼가 후퇴한 다음 장비가 전진한다. 그런 다음 그리퍼가 다시 작동하고 다음 사이클을 위해 후면 다리가 들어 올려진다.
개착식 연약지반 TBM은 굴착된 지반이 일시적으로 지지 없이 서 있을 수 있다는 점에 의존한다. 이들은 최대 약 10MPa의 강도와 낮은 유입수를 가진 지반에 사용하기에 적합하다. 단면적이 10m2를 초과하는 터널을 굴착할 수 있다. 백호우 암 또는 커터 헤드는 쉴드 가장자리에서 150mm 이내로 굴착한다. 굴착 사이클 후 쉴드는 앞으로 밀려 새로운 사이클을 시작한다. 지반 지지는 프리캐스트 콘크리트 또는 때때로 구상흑연주철 세그먼트로 제공되며, 지지 링이 추가될 때까지 볼트로 고정되거나 지지된다. 키라고 불리는 최종 세그먼트는 쐐기 모양이며, 지반에 단단히 밀착될 때까지 링을 확장한다.
5. 2. 부분 굴착 방식 (Partial-face Excavation)
터널 굴착기(TBM)는 전면에 회전하는 절삭 휠(커터 헤드)과 주 베어링, 추력 시스템, 굴착된 물질(머크) 제거 시스템, 지지 메커니즘으로 구성된다. 기계는 현장 지질, 지하수 양 등에 따라 달라진다.[22]
6. TBM 이외의 터널 굴착 공법
TBM 공법 외에도 다양한 터널 굴착 공법이 존재하며, 지반 조건, 터널 용도, 경제성 등을 고려하여 적절한 공법을 선택한다. 재래식 공법(NATM)과 기계식 굴착 공법은 NATM 공법에서 파생된 공법으로, 대한민국에서는 주로 산악 터널이나 지하철 터널 등에 사용된다. ASSM 공법, NMT 공법 등이 여기에 속한다. 침매 터널 공법은 육상에서 제작한 터널 구조물을 물속에 가라앉혀 연결하는 방식으로, 거가대교 해저 터널 구간에 적용된 바 있다.
6. 1. 재래식 공법 (NATM, New Austrian Tunnelling Method)
재래식 공법(NATM, New Austrian Tunnelling Method)은 화약 발파를 이용하여 암반을 굴착하고, 숏크리트, 록볼트 등으로 지반을 지지하는 방식이다. 대한민국에서는 산악 터널, 지하철 터널 등 다양한 터널 건설에 활용된다.6. 2. 기계식 굴착 공법 (Drill and Blast Method)
기계식 굴착 공법은 화약을 사용하여 암반을 파괴하는 방식이다. 이 공법에는 ASSM(American Steel Support Method) 공법, NMT(Norwegian Method of Tunnelling) 공법 등이 있으며, NATM 공법과 함께 사용되는 경우가 많다.6. 3. 침매 터널 공법 (Immersed Tunnel Method)
육상에서 제작된 터널 구조물을 해저나 하저에 가라앉혀 연결하는 방식이다. 대한민국에서는 부산-거제 간 연결 도로(거가대교)의 해저 터널 구간에 적용되었다.7. 장단점
터널굴착기는 굴착 작업의 안전성이 높고, 주변 지반 이완이 적으며, 복공 두께를 줄일 수 있다는 장점이 있다.[1] 그러나 장비 및 유지보수 비용이 비싸고, 굴착 노선이 직선으로 제한되며, 지층 변화에 대비하기 어렵다는 단점이 있다.[1]
7. 1. 장점
7. 2. 단점
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