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1 TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 23, No. 5, 2013, pp TUNNEL & UNDERGROUND SPACE ISSN: (Print) ISSN: (Online) 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 박영택, 최순욱, 박재현, 이철호, 장수호 * Excavation Mechanism of Roadheader and Statistical Analysis of its Key Design Parameters Based on Database Young-Taek Park, Soon-Wook Choi, Jae-Hyun Park, Chul-Ho Lee, Soo-Ho Chang* Abstract Nowadays, a roadheader as a mechanical excavator is in high demand, especially for mines under various conditions and tunnels where TBMs are inapplicable. However, the records of roadheaders in Korea are seldom reported. Moreover, the number of countries with their intrinsic design and manufacturing technologies of roadheaders is very limited. Therefore, this study aimed to analyse the excavation principles of roadheader as well as its key design parameters for its optimized selection and design. In addition, the database with 143 world-widely collected roadheader design data was built, and a few statistical correlations were derived from it. A schematic procedure for roadheader design based on the database was also proposed. Key words Roadheader, Cutting head, Pick cutter, Excavation performance, Database 초록 TBM 을적용하기어려운터널과다양한조건의광산에서기계굴착장비인로드헤더의수요가증가하고있다. 하지만우리나라에서로드헤더의적용실적은거의전무하며, 일부국가에서만로드헤더의설계 제작기술을보유하고있다. 따라서본연구에서는로드헤더의최적선정과설계를위한로드헤더의굴착원리및핵심설계항목들을분석하였다. 또한전세계 143 개의로드헤더설계정보들을데이터베이스화하고로드헤더의설계에활용하기위한통계적인상관관계들을도출하였다. 마지막으로데이터베이스에기반하여로드헤더를설계하기위한절차를제시하였다. 핵심어로드헤더, 커팅헤드, 픽커터, 굴착성능, 데이터베이스 1. 서론 도심지에서발파굴착과개착공사의제약으로인하여해외에서는 TBM(Tunnel Boring Machine) 을적용하기어려운터널을중심으로부분단면굴착기 (partial-face Received: Oct. 14, 2013 Revised: Oct. 23, 2013 Accepted: Oct. 23, 2013 *Corresponding Author: Soo-Ho Chang Tel) , Fax) ) sooho@kict.re.kr Korea Institute of Construction Technology, Daehwa-dong 283, Goyangdae-Ro, ilsanseo-gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, , Korea machine) 인로드헤더 (roadheader) 에의한기계굴착시공사례가증가하고있으며광산에서도로드헤더의수요가증가하고있다. 특히, 광산에서는로드헤더뿐만아니라로드헤더의커팅헤드 (cutting head) 와구조적으로유사한컨티뉴어스마이너 (continuous miner) 등의기계굴착장비도활용되고있다. 앞서언급한바와같이로드헤더는부분단면굴착기또는자유단면굴착기로불리기도하며, TBM 과달리단면형상에따른큰제약이없이터널을굴착할수있는기계굴착장비이다. 또한로드헤더전방에장착되어실제암반을굴착하는커팅헤드에는 TBM 의디스크커터 (disc cutter) 와달리텅스텐카바이드 (tungsten carbide) 재료로구성된픽커터 (pick cutter) 가사용된다는특징이있다 (Copur 외, 1998). 428

터널과지하공간 429 로드헤더는 1930 년대초에구소련에서개발된이후로선진국을중심으로전세계적으로터널과광산에서널리활용되고있으며, 특히유럽의경우에는연장이짧은도심지터널에서많이사용되고있다. 미국의경우에는역사적으로발파공법에의한암반굴착이주를이루었지만, 로드헤더기술의발전과사회적인수요로인하여 21 세기들어서로드헤더의사용이급증하고있다.

인경암굴착도가능한것으로보고되고있으나, 픽커터의절삭성능과내마모성의한계로인하여압축강도가 100 MPa 이하인비교적연암조건에서효과적이다 (Rostami 외, 1994a, Tunnel Business Magazine, 2011).

2 터널과지하공간 429 로드헤더는 1930 년대초에구소련에서개발된이후로선진국을중심으로전세계적으로터널과광산에서널리활용되고있으며, 특히유럽의경우에는연장이짧은도심지터널에서많이사용되고있다. 미국의경우에는역사적으로발파공법에의한암반굴착이주를이루었지만, 로드헤더기술의발전과사회적인수요로인하여 21 세기들어서로드헤더의사용이급증하고있다. 특히, 최근들어건설되고있는뉴욕의 East Side Access 터널, 대단면터널인캘리포니아 Devil's Slide 터널, Caldecott Fourth Bore 고속도로터널등의대규모프로젝트에서도로드헤더의활용성이높은것으로보고되고있다 (Tunnel Business Magazine, 2011) 로드헤더는압축강도가최대 170 MPa 인경암굴착도가능한것으로보고되고있으나, 픽커터의절삭성능과내마모성의한계로인하여압축강도가 100 MPa 이하인비교적연암조건에서효과적이다 (Rostami 외, 1994a, Tunnel Business Magazine, 2011). 우리나라에서로드헤더의적용실적은거의전무하며, TBM 과마찬가지로로드헤더의핵심설계 제작기술역시독일, 영국, 오스트리아, 미국, 일본, 중국등의약 6 개국만보유하고있다는점이로드헤더의활용을저해하는요인이되고있다. 친환경적이고안전한암반굴착을위해전세계적으로로드헤더의적용이증가하고있으며우리나라에로드헤더와관련된기술자료가부족한점을고려하여본연구에서는로드헤더의최적선정과설계를위한로드헤더의특징과핵심설계항목들을분석하였다. 또한본연구에서수집한총 143 개의로드헤더설계정보들을데이터베이스화하고분석하여, 향후로드헤더의핵심사양을개략적으로산출하는데유용한자료를제공하고자하였다. 2. 로드헤더의주요구성및원리 2.1 개요앞서서론에서언급한광산기계굴착장비인컨티뉴어스마이너의경우에는전면에커팅헤드가장착되는커팅붐 (boom) 이수직방향으로만이동이가능하지만, 로드헤더의커팅붐은수직뿐만아니라수평방향으로도이동이가능하여다양한굴착단면형상에대해대응이가능하다는특징을가지고있다 (Fig. 1). 로드헤더는 1932년에구소련의석탄광산에서처음사용된이후로 1976년까지 1,000대이상의로드헤더들이러시아의석탄광산에서사용되었다. 1964년에영국의석탄광산들에서구소련의로드헤더장비들을도입되면서로드헤더가전세계에확산되기에이르렀다. 영 (a) Roadheader (b) Continuous miner Fig. 1. Cutting boom motions of roadheader and continuous miner(pichler, 2011) 국에서는광산갱도들을로드웨이 (roadway) 또는로드 (road) 로불렀기때문에, 이러한종류의기계굴착장비를로드헤더라고부르게된계기가되었다. 석탄광산에서로드헤더의높은효용성으로인해영국석탄청 (National Coal Board) 은 1973 년까지 300 대이상의로드헤더들을보유하기에이르렀다 (West, 1988). 이와같이로드헤더는처음에는석탄광산에사용되었지만이후에는드럼타입의커팅헤드가적용됨으로인해주방식 (room and pillar) 광산과같이큰규모의굴착에도적용되었다. 특히, 1970 년대에영국의터널건설에로드헤더가적용되면서터널산업에서도로드헤더가널리활용되게되었다. 특히, 영국리버풀환상선 (Liverpool Loop) 의터널건설시에영국도스코 (Dosco) 사의 Mark 2A 로드헤더가기록한평균굴진속도와최대굴진속도는각각 48 m/week 및 69 m/week 에달하였다 (West, 1988). 또한굴착속도를향상시키기위한트윈붐 (twin boom) 로드헤더나굴착작업시낙반등에대한안전성을확보해야하는경우에쉴드 (shield) 내부에로드헤더를장착한장비등도개발되기에이르렀다 (Fig. 2 및 Fig. 3) 초창기의로드헤더는무게가 25 톤에불과하였으며 80

430 로드헤더의 굴착 원리와 데이터베이스를 활용한 로드헤더 핵심 설계 항목의 통계분석 Fig. 2.

Main components of roadheaders(modified from Pichler, 2011) Fig. 3. A shield-mounted roadheader(rostami, 2013) Fig. 5.

동력을 가 진 대형 로드헤더도 제작 및 활용되고 있다(Copur 외, 1998).

특히, 단면 크기 가 유사하다고 가정할 때, 대단면 터널에서 로드헤더의 투자비용은 TBM 대비 15% 수준이며, 소단면에서는 30% 수준이다.

3 430 로드헤더의 굴착 원리와 데이터베이스를 활용한 로드헤더 핵심 설계 항목의 통계분석 Fig. 2. Roadheaders with twin booms for bulk mineral extractions(rostami, 2013) Fig. 4. Main components of roadheaders(modified from Pichler, 2011) Fig. 3. A shield-mounted roadheader(rostami, 2013) Fig. 5. Operating principles of roadheaders(modified from Pichler, 2011) kw 용량의 커팅헤드 모터가 장착되어 있었으나, 현재는 약 150톤의 무게를 가지면서 300 kw 이상의 동력을 가 진 대형 로드헤더도 제작 및 활용되고 있다(Copur 외, 1998). 로드헤더는 앞서 설명한 바와 같이 단면 형상에 대한 대응력이 좋을 뿐만 아니라, 장비의 제작기간이 짧고 장 비의 이동과 조립이 수월하고 TBM과 비교할 때 초기 투자비용이 적다는 것이 큰 장점이다. 특히, 단면 크기 가 유사하다고 가정할 때, 대단면 터널에서 로드헤더의 투자비용은 TBM 대비 15% 수준이며, 소단면에서는 30% 수준이다. 특히, 로드헤더는 장비 대여 형식으로도 많이 활용되고 있기 때문에 소규모 프로젝트에서도 효 과적이다(Tatiya, 2005). Fig. 6. Components of cuttting boom(modified from Pichler, 2011) 2.2 로드헤더의 구성 암반을 굴착하는 부분인 커팅헤드 이외에도 로드헤더 는 다음의 Fig. 4와 같이 다양한 부분으로 구성된다. 로 드헤더의 전방부는 굴착 작업과 직접적인 관련이 있는 부분으로서 커팅헤드, 붐, 버력처리를 위한 로딩테이블 (loading table 또는 apron)로 구성되어 있다. 중앙부에는 로드헤더의 이동과 운영을 위한 설비와 동력 설비가 포 함되어 있으며, 후방부는 외부로의 버력 반출을 위한 체

터널과지하공간 431 인컨베이어 (chain conveyor) 와같은버력반출시스템으로구성되어있다.

굴착으로인해바닥으로떨어지는버력은로딩테이블과장비내부의컨베이어벨트를통해이동된후다시운반용차량이나체인컨베이어를통해외부로반출된다.

커팅헤드에동력과토크를전달하는부분은커팅붐으로서, 커팅헤드모터와커팅헤드에동력을전달하는별도의기어박스가포함되어있다.

또한커팅헤드와중앙부를연결하는붐의길이에따라굴착단면의규모가달라지며, 붐의수직및수평이동은유압실린더에의해조절된다 (Fig. 6). 3. 커팅헤드및픽커터의선정과설계 3.

4 터널과지하공간 431 인컨베이어 (chain conveyor) 와같은버력반출시스템으로구성되어있다. 이상과같은로드헤더의주요구성부분들을로드헤더의작업원리측면에서살펴보면, 로드헤더는커팅헤드를수직및수평방향으로이동시키면서암반을굴착한다. 굴착으로인해바닥으로떨어지는버력은로딩테이블과장비내부의컨베이어벨트를통해이동된후다시운반용차량이나체인컨베이어를통해외부로반출된다. 또한 TBM 과달리로드헤더는하부에장착된무한궤도 (caterpillar) 에의해자주식으로이동이가능하다는특징도가지고있다 (Fig. 5). 커팅헤드에동력과토크를전달하는부분은커팅붐으로서, 커팅헤드모터와커팅헤드에동력을전달하는별도의기어박스가포함되어있다. 초창기의종방향커팅헤드에서는커팅헤드모터가커팅헤드에근접하게설치되었지만, 최근에는토크에발생되는붐의반력을방 지하기위하여붐의후방부에커팅헤드모터를설치하는것이일반적이다. 또한커팅헤드와중앙부를연결하는붐의길이에따라굴착단면의규모가달라지며, 붐의수직및수평이동은유압실린더에의해조절된다 (Fig. 6). 3. 커팅헤드및픽커터의선정과설계 3.1 커팅헤드의형식앞서기술한바와같이로드헤더의굴착성능을좌우하는가장중요한부분은커팅헤드이다. 커팅헤드에는암반을절삭하는도구로서픽커터가다수부착되어있으며커팅헤드의회전방향에따라종방향 (longitudinal 또는 axial) 커팅헤드와횡방향 (transverse) 커팅헤드로구분된다 (Fig. 7 및 Fig. 8). 종방향커팅헤드는붐의방향과커팅헤드의중심축방향이일치하는것이며, 횡방 (a) Longitudinal cutting head (b) Roadheader Fig. 7. Roadheader with a longitudinal cutting head(modified from Pichler, 2011) (a) Transverse cutting head (b) Roadheader Fig. 8. Roadheader with a transverse cutting head(modified from Pichler, 2011)

432 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 향커팅헤드는붐방향과커팅헤드의중심축방향이직각을이루는것으로정의된다. 일반적으로커팅헤드의회전과장비자중의균형을유지하는데있어횡방향커팅헤드가보다유리하며상대적으로높은강도의암반을굴착할때도횡방향커팅헤드가사용된다.

5 432 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 향커팅헤드는붐방향과커팅헤드의중심축방향이직각을이루는것으로정의된다. 일반적으로커팅헤드의회전과장비자중의균형을유지하는데있어횡방향커팅헤드가보다유리하며상대적으로높은강도의암반을굴착할때도횡방향커팅헤드가사용된다. 구체적으로횡방향커팅헤드에서는암반굴착시에발생하는반력 (reaction force) 의대부분이굴착기의몸체방향으로작용하기때문에안정적이며, 비균질암반이나경암에서도상대적으로굴착성능의변화가작다. 반면, 종방향커팅헤드는굴착방향과회전방향이같기때문에픽커터의배열설계가용이하며, 굴착속도가상대적으로낮기때문에픽커터의소모가상대적으로적다. 또한횡방향커팅헤드의경우에는로드헤더의위치에무관하게어느정도의여굴이항상발생하지만, 종방향커팅헤드에서는붐이터널축방향과유사할때여굴을최소화할수있다는장점이있다 (SANDVIK, 1999). 이상과같이로드헤더의장 단점은커팅헤드의종류에크게좌우되며이를정리하면다음의 Table 1 과같다. Table 1. Advantages and disadvantages of different types of roadheaders(rostami, 2013) Advantages Longitudinal(axial) cutting head Transverse ㆍSmoother tunnel surface. ㆍAbility to cut harder rock. ㆍLower pick consumption. ㆍBetter stability of the machine while cutting due to the ㆍLower fines and respirable dust generation. direction of reaction forces ㆍEasy and rapid transition from sumping to arcing, ㆍBetter clearance of the floor due to the action of the lowering and lifting action. head and direction of cutting ㆍSuitable for selective cutting in mixed face conditions. Disadvantages Longitudinal(axial) cutting head Transverse ㆍ Limited hardness and strength of rock ㆍ Typically more suitable for lower abrasivity rocks ㆍ Tendency to roll the machine as reaction to high torque ㆍ Higher head RPM, more wear per volume excavated ㆍ Slightly dustier due to the direction of rotation ㆍ Limited sumping depth ㆍ Limited in cutting maneuvers to the left and right due to the gap between the heads Fig. 9. Stability of transverse and longitudinal roadheaders(from Pichler, 2011)

터널과지하공간 433 또한커팅헤드에의한암반굴착시발생하는반력을로드헤더의자중에의해서만지지해야한다는점이 TBM 과또다른큰차이점이며, 커팅헤드의종류에따라반력메커니즘과평가방법이상이하다 (Fig. 9).

커팅헤드의관입은텔레스코픽 (telescopic) 붐에의해이루어진다. 횡방향커팅헤드에의한측향커트시에는기어박스 (gear box) 와커팅헤드사이의거리를고려하여관입깊이를결정하는것이중요하다.

이와달리, 커팅헤드를좌 우로이동하는방식을아킹 (arcing) 또는슬루잉 (slewing) 이라고한다. 측향커트와수평절삭이완료된후에정확한터널단면을굴착할필요가있을경우에는프로파일링 (profiling) 을실시한다.

11과같이구성되며, 이때가장중요한부분은암반과계속접촉하며큰응력을받는텅스텐카바이드삽입재 (insert) 이다. 텅스텐카바이드삽입재는매우높은수준의내마모성재료이고충격에견딜수있을만큼인성이커야한다.

6 터널과지하공간 433 또한커팅헤드에의한암반굴착시발생하는반력을로드헤더의자중에의해서만지지해야한다는점이 TBM 과또다른큰차이점이며, 커팅헤드의종류에따라반력메커니즘과평가방법이상이하다 (Fig. 9). 커팅헤드에의한암반굴착방법은굴진면으로전진하는방향의측향커트 (sumping) 와커팅헤드의회전에의한수평절삭 (shearing, arcing 또는 slewing) 으로구분된다. 측향커트는터널의굴진면에커팅헤드를관입시키는작업으로서, 관입깊이는커팅헤드직경의 50~60% 이다. 커팅헤드의관입은텔레스코픽 (telescopic) 붐에의해이루어진다. 횡방향커팅헤드에의한측향커트시에는기어박스 (gear box) 와커팅헤드사이의거리를고려하여관입깊이를결정하는것이중요하다. 수평절삭은일정깊이까지의측향커트가완료된후상 하또는좌 우방향으로굴진면을절삭하는방식을의미한다. 커팅헤드를상 하로이동 ( 주로상부에서하부방향으로 ) 시켜절삭하는방식을하향전단 (shearing down) 이라고하며장비자중을보다효과적으로활용하기때문에경암굴착시에효과적이다. 이와달리, 커팅헤드를좌 우로이동하는방식을아킹 (arcing) 또는슬루잉 (slewing) 이라고한다. 측향커트와수평절삭이완료된후에정확한터널단면을굴착할필요가있을경우에는프로파일링 (profiling) 을실시한다. 횡방향및종방향커팅헤드에대한측향커트및수평절삭과정에대한모식도는다음의 Fig. 10 과같다. 3.2 픽커터의종류와선정로드헤더에서암반을절삭하는데사용되는도구인픽커터는 Fig. 11과같이구성되며, 이때가장중요한부분은암반과계속접촉하며큰응력을받는텅스텐카바이드삽입재 (insert) 이다. 텅스텐카바이드삽입재는매우높은수준의내마모성재료이고충격에견딜수있을만큼인성이커야한다. 픽커터의두부 (head) 와샤프트 (shaft) 는열처리강재로만들어지며텅스텐카바이드삽입재를지지하고커터박스 (box 또는 holder) 를보호하는역할도한다. 또한커터박스는암반을절삭하는방식을좌우하는픽커터의위치를결정하며커팅헤드에용접된다. 커터박스는특수열처리강으로제작되며적용분야에따라교환이가 (a) Transverse cutting head (b) Longitudinal cutting head Fig. 10. Cutting action of roadheaders(modified from Hekimoglu, 1984) Fig. 11. Main components of pick cutter and holder (SANDVIK, 2010)

434 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 Harder rock condition Abrasive rock Narrow head/ Small insert (Soft rock) Standard head/ medium insert (Soft~medium hard rock) Standard head/ medium insert

Pick cutter shapes depending on rock conditions 능한내마모성슬리브 (sleeve) 를삽입한다. 암반이약할경우에는두부가좁은형태의픽커터를사용하여관입성능을높이는반면, 경암에서는큰충격에대한저항성과내구성을확보할수있도록두부와삽입재의폭이넓은픽커터를사용한다 (Fig. 12). 3.

이상과같은커터작용력으로부터대상암반을굴착하기위해필요한소요추력, 토크및동력을구할수있으며, 커팅헤드의배열설계후에커팅헤드의회전에따른추력및토크의변동을파악하여커팅헤드의배열설계가균형있게이루어졌는지를조사하게된다. 픽커터가암반면과이루는절삭각 (attack angle) 은 Fig.

7 434 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 Harder rock condition Abrasive rock Narrow head/ Small insert (Soft rock) Standard head/ medium insert (Soft~medium hard rock) Standard head/ medium insert (medium~hard rock) Standard head/ Large insert (very hard rock) Standard head/ Large insert cap (soft~medium hard abrasive rock) Fig. 12. Pick cutter shapes depending on rock conditions 능한내마모성슬리브 (sleeve) 를삽입한다. 암반이약할경우에는두부가좁은형태의픽커터를사용하여관입성능을높이는반면, 경암에서는큰충격에대한저항성과내구성을확보할수있도록두부와삽입재의폭이넓은픽커터를사용한다 (Fig. 12). 3.3 커팅헤드와픽커터의설계개념 TBM의디스크커터와마찬가지로픽커터는일정한깊이 (cutting depth, d) 만큼암반내로관입되어절삭하게되며, 이때픽커터선단에는연직력 (normal force), 절삭력 (cutting force 또는 drag force) 및암반과의마찰에의한구동력 (driving force) 이발생하게된다 (Fig. 13). 이상과같은커터작용력으로부터대상암반을굴착하기위해필요한소요추력, 토크및동력을구할수있으며, 커팅헤드의배열설계후에커팅헤드의회전에따른추력및토크의변동을파악하여커팅헤드의배열설계가균형있게이루어졌는지를조사하게된다. 픽커터가암반면과이루는절삭각 (attack angle) 은 Fig. 14와같이커터작용력성분의합력방향과절삭력이이루는각도와동일하게, 즉픽커터의방향이합력방향과평행하도록설계해야한다 (Rostami, 2013). 커팅헤드의배열설계에있어서가장중요한사항은픽커터의간격을설정하는것으로서, TBM의커터헤드설계와마찬가지로최소의절삭비에너지 (specific energy) 로최적의절삭성능을얻을수있는최적의커터간격 (s) 을 Fig. 15와같이결정해야한다 (Balci and Bilgin, 2007). 커터간격은 LCM(Linear Cutting Machine) 과같은실험이나현장자료에기반한데이터베이스등을활 Shaft Retainer Ring Carbide tip(insert) Cone [Cutting forces] F N : Normal force F C : Cutting force F D : Driving force due to friction on rock F R : Frictional resistance between pick and pick box Cutting depth (Penetration) Pick Box(block) Fig. 13. Cutter forces acting on a pick cutter with a cutting depth Fig. 14. Direction of the resultant force for a pick cutter

8 터널과지하공간 435 Fig. 15. Effect of pick cutter spacing on specific energy Fig. 16. Roadheader performance prediction curves based on rock strength and roadheader power 용하여구할수있다. 또는커터간격 (s) 이결정되어있는경우에는최적의커터간격과커터관입깊이의비율 (s/d) 로부터굴착대상암반조건에적합한커팅헤드 1 회전당커터관입깊이 (d) 와그에따른굴착속도 ( 굴진율 ) 를산정할수있다. 3.4 로드헤더의굴착성능예측방법설계단계에서로드헤더의굴착성능 (excavation performance 또는 cutting performance) 을예측하는방법으로는앞서설명한 LCM 등을이용한절삭실험또는다양한예측식을활용하는방법으로크게구분할수있다. 로드헤더의굴착성능을평가하기위해제시된대부분의예측식들에서는암석의일축압축강도 (uniaxial compressive strength) 가가장중요하게활용되고있다. 압축강도이외에도굴착저항성을나타낼수있는암석의다양한물성이나지표가활용될수있으나, 압축강도를활용하는것이효용성과용이성측면에서유리하므로주로압축강도를기반으로한예측식들이제시되고있다. 단, 앞서살펴본바와같이로드헤더의굴착성능은로드헤더의용량, 특히, 동력과자중등에큰영향을받기때문에, 굴착성능을예측하는데있어암석의일축압축강도와함께로드헤더의기계적인용량을함께고려하는것이일반적이다. 이상과같이 Bilgin 외 (1996), Thuro and Plinninger(1998, 1999) 등이제시한암석의일축압축강도, 로드헤더의동력및굴착성능간의상관관계들을정리하면다음의 Fig. 16과같다. 이외에도 Copur 외 (1998) 와 Ocak and Bilgin(2010) 이암석의일축압축강도를기반으로로드헤더의굴착속도를예측하기위한제시한식들을정리하면각각다음의식 (1)~(3) 과같다. 여기서 Ocak and Bilgin(2010) 이제시한식 (2)~(3) 은 RQD가 55인암반을기준으로하여 RQD 에따라굴착속도를보정하는개념이다. 연구자들마다사용하는굴착속도에대한용어가다소상이하긴하나식 (1)~(3) 의 NCR(Net Cutting Rate) 과 ICR(Instantaneous Cutting Rate) 은모두동일하게로드헤더의순굴착속도를의미한다. 역시 Fig. 16 으로부터예측될수있는굴착속도역시순굴착속도에해당된다. (1) (when RQD = 55) (when RQD 55) 여기서 과 은모두로드헤더의순굴착속도 ( 단위 : m 3 /hr) 를의미하며, 는암석의일축압축강도 ( 단위 : MPa) 그리고 는암질지수 (Rock Quality Designation) 이다. 하지만암석의일축압축강도만가지고굴착에대한암반의저항성을정확히평가하기어려운것이사실이다. McFeat-Smith and Fowell(1977) 은로드헤더의순굴착속도, 동력, 픽커터의소모율등에대한현장및실험데이터를수집하여다음과같은관계식들을제시한바있다. (2) (3) (4)

9 436 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 (5) 여기서 는앞선 Fig. 15 에서설명한바와같이픽커터에작용하는절삭력으로부터계산되는절삭비에너지 ( 단위 : MJ/ m3 ), 는콘인덴터지수 (Cone Indenter index), 는암석의일축압축강도 ( 단위 : MPa), 는암석의쇼어경도, 는픽커터의마모율 (Cutting Wear, 단위 : mg/m), 는시멘테이션계수 (Cementation Coefficient) 그리고 는석영함유량 ( 단위 : %) 이다. Rostami(2011) 와 Rostami 외 (1994b) 는앞선절삭비에너지, 커팅헤드동력및로드헤더의순굴착속도사이의상관관계를다음과같이제시하였다. (6) 여기서 은순굴착속도 ( 단위 : m3 /hr), 는커팅헤드의동력 ( 단위 : kw), 는절삭비에너지 ( 단위 : kw hr/m 3 ) 그리고 는기계효율을나타내는계수로서일반적으로 0.6~0.8 이다. 이상과같이로드헤더의순굴착속도 ( 또는 ) 를예측할수있으면, TBM 의굴진율산정과정과동일하게다음의식 (7)~(8) 과같이 1 시간당로드헤더의관입깊이를의미하는순관입속도 (instantaneous penetration rate) 를구한후로드헤더의가동율 (utilization) 과작업시간을고려하여로드헤더의굴진율 (advance rate) 을산출할수있다. (7) (8) 여기서 은로드헤더의순관입속도 ( 단위 : m/hr), 는굴착단면적 ( 단위 : m2 ), 은로드헤더의굴진율 ( 단위 : m/day), 는로드헤더의가동율 ( 단위 : %) 그리고 는로드헤더의 1일작업시간 ( 단위 : hr/day) 이다. 로드헤더의굴착속도, 즉굴진율예측뿐만아니라, 픽커터소모량의추정역시로드헤더의성능예측과정에서중요한부분이다. 픽커터소모량을예측하기위한모델들은대부분경험적인것들이며다음의 Fig. 17과같이암석의일축압축강도와석영함유량을고려하는것이일반적이다. 4. 데이터베이스의구축과이를활용한로드헤더의설계방안 4.1 데이터베이스의개요우리나라에서는로드헤더에의한시공실적이거의없는상황이며, 로드헤더의설계 제작기술이공개되어있지않는상황이다. 특히, 앞서살펴본바와같이로드헤더의설계와굴착성능예측과관련하여경험적인부분들이많이포함되어있다. 따라서본연구에서는로드헤더의기초적인설계정보를획득하기위하여, 데이터베이스를구축하고자료들간의상관관계를조사하고자하였다. 본연구에서외국 12개로드헤더제작사의각종자료들로부터수집한로드헤더의설계정보는총 143개이다 (Fig. 18). 이와같이구축된데이터베이스의설계정보항목은 Table 2와같이제작사정보, 커팅헤드의형식등과같은일반적인정보가 4개, 크기, 중량등과같이장비규격과관련된정보 4개, 커팅헤드관련정보 11개및동력시스템관련정보 4개로구성하였다. 아직까지로드헤더의굴착성 Fig. 17. Charts for estimation of pick cutter consumption (reproduced from an Eickhoff document) Fig. 18. Roadheader manufacturers included in the database

10 터널과지하공간 437 Table 2. Items included in the database to estimate roadheader specifications Classification General Machine information Cutting profile Power system Information Items ㆍ Manufacturer ㆍ Model Name ㆍ Attached form (full equipment or attachment) ㆍ Cutting head drum type (transverse or longitudinal) ㆍ Machine weight ㆍ Machine length ㆍ Machine height ㆍ Machine width ㆍ Weight of attachment ㆍ Recommended weight of carrier ㆍ Cutting width ㆍ Cutting height ㆍ Cutting head diameter ㆍ Cutting head width ㆍ Cutting speed ㆍ Cutting section(cross section) ㆍ Cutting drum speed (average RPM) ㆍ Cutting force ㆍ Number of picks ㆍ Cutting head torque ㆍ Rock strength ㆍ Total installed power ㆍ Cutting head motor ㆍ Maximum power of cutting head ㆍ Maximum hydraulic operating pressure 능과관련된정보는데이터베이스에포함되지않았다. 4.2 데이터베이스의통계분석및로드헤더설계방법의제안데이터베이스에포함된설계정보항목사이의상관관계를분석한결과, Fig. 19와같이비교적양호한상위 7개의상관관계들을도출하였다. 이가운데, 커팅헤드의직경과커팅헤드의최대동력사이의결정계수가 0.93 으로서가장좋은상관관계를나타내었으며, 커팅헤드의폭과높이그리고커팅헤드의토크용량은지수함수로근사시킬수있었다. 본연구에서구축한자료개수는 143개이지만각자료별로 Table 2와같이구분한모든설계정보항목이포함된것은아니기때문에, 각분석항목별로포함된자료의개수는상이하다. 본연구에서는 3장까지조사 분석한로드헤더의설계개념및 Fig. 19와같이도출된데이터베이스기반의상관관계들로부터로드헤더의설계방법과절차를 Fig. 20 과같이제시하였다. 첫번째로굴착단면적과암석의일축압축강도를입력변수로하여로드헤더의전체동력을추정하고 (Fig. 19a 및 Fig. 19b), 추정된로드헤더의총동력으로부터굴착으로인한반력을지지하는데가장중요한로드헤더의자중을 Fig. 19(c) 의관계로부터계산한다. 그다음으로는데이터베이스를활용하여로드헤더의전체동력가운데커팅헤드에서필요한최대동력의비율을가정한후, 가정된커팅헤드의최대동력으로부터커팅헤드의크기를정의하는폭과직경을 Fig. 19(d) 와 Fig. 19(e) 의관계로부터산출한다. 특히, 커팅헤드의직경과폭은각각픽커터의원주방향간격및수평방향간격을설계하는데직접적으로활용된다. 이때앞서설명한바와같이픽커터의최적간격과관입깊이의비율은 LCM 실험등을통해도출하는개념이다. 도출된최적간격과관입깊이조건에서픽커터의작용력역시 LCM 실험이나예측식을사용하여계산하고이를통해로드헤더의소요추력, 토크, 동력등을산출하고 Fig. 19(f) 로추정되는커팅헤드의최대토크용량과비교한다. 그다음 Fig. 19(g) 에의해커팅헤드의구동회전속도 (RPM) 를추정한다. 이상과같은과정을통해로드헤더의최대핵심사양과커팅헤드의배열설계가이루어지면, 3.4 절에서설명한과정을통해로드헤더의가동율과작업시간을가정하여로드헤더의순굴착속도, 굴진율및픽커터의소모량을계산하는것으로로드헤더의설계를완료한다. 이상과같이본연구에서제시한로드헤더의설계과정은기초적인연구단계로서, 경험적인노하우가크게요구되는로드헤더의설계조건들을데이터베이스를활용하는개념을소개한것에의의가있다. 향후에는커팅헤드의상세배열설계, 암반조건에따른최적의픽커터간격과관입깊이등에대한후속연구가필요하다. 또한데이터베이스의신뢰성을보다높이기위해서추가적인관련자료의수집및분석이필요할것으로사료된다. 7. 결론 본연구에서는부분단면굴착기인로드헤더의굴착원리와주요구성을분석하였고, 특히로드헤더의성능을좌우하는커팅헤드와암반절삭도구인픽커터의선정및설계방법을고찰하였다. 커팅헤드의설계에있어서가장중요한픽커터의간격은 TBM 의경우와마찬가지로최적의커터간격과커터관입깊이의비율을실험이나예측식들을통해도출하게된다. 설계단계에서로드헤더의굴착성능을예측하기위해현재까지수행된대부분의연구들에서는암석의일축압

11 438 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 (a) Total installed power - Cross Section (b) Total installed power - rock strength (c) Machine weight - Total installed Power (d) Cutting head width - Maximum power (e) Cutting head diameter - Maximum power (f) Cutting head torque - Maximum power (g) Cutting head RPM - Maximum power Fig. 19. Correlations among roadheader machine specifications

터널과지하공간 439 Fig. 20. Database-based roadheader design procedures proposed in this study 축강도에근거하여로드헤더의순굴착속도를예측한후, 가정된로드헤더의가동율과작업시간에따른로드헤더의굴진율을산출하는방식으로이루어졌다.

12 터널과지하공간 439 Fig. 20. Database-based roadheader design procedures proposed in this study 축강도에근거하여로드헤더의순굴착속도를예측한후, 가정된로드헤더의가동율과작업시간에따른로드헤더의굴진율을산출하는방식으로이루어졌다. 픽커터의수명과소모량역시순굴착속도의경우와마찬가지로암석의일축압축강도와석영함유량에의해예측하는것이일반적이었다. 이상과같은로드헤더의설계와굴착성능예측방법에대한고찰및분석결과, 로드헤더의핵심설계조건을도출하는데있어경험적인부분이많이포함되어있는것으로파악되어외국의 143 개로드헤더설계정보를수집하여데이터베이스를구축하였다. 데이터베이스를바탕으로 2 차원통계분석을실시하여로드헤더설계정보들사이의 7 개상관관계들을분석한결과, 최적의회귀식들로부터얻어진결정계수는 0.74~0.93 으로서비교적양호한상관관계들을얻을수있었다. 또한이와같이도출된데이터베이스기반의상관관계들을활용하는로드헤더의설계방법과설계절차를함께제시하였다. 상관관계들로부터로드헤더의설계를위한입력자료를도출하는개념으로서, 최종적으로커팅헤드의설계와픽커터의작용력산출을통해설계된로드헤더의적용성을검증하는절차로구성하였다. 향후에는로드헤더의상세설계를위해필수적인픽커터의최적간격과관입깊이를도출하는방법과데이터 베이스의신뢰성을높이기위한추가적인자료수집및분석에대한추가연구가필요할것으로사료된다. 감사의글 본연구는한국건설기술연구원의주요사업인 운용중공간확장이가능한지하굴착및안정화기술개발 의연구비지원에의해수행되었습니다. References 1. Balci, C. and N. Bilgin, 2007, Correlative study of linear small and full-scale rock cutting tests to select mechanized excavation machines, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 44, Bilgin, N., S. Yazici, S. Eskikaya, 1996, A model to predict the performance of roadheaders and impact hammers in tunnel drivages, Proceedings of Eurock 96, A.A Balkema, Copur, H., L. Ozdemir, J. Rostami, 1998, Roadheader applications in mining and tunneling, Mining Engineering, Vol. 50, Hekimoglu, O.Z., 1984, Studies in the excavation of selected rock materials with mechanical tools, Ph.D. Thesis, Newcastle Upon Tyne, United Kingdom. 5. McFeat-Smith, I., R.J. Fowel, 1977, Correlation of rock

13 440 로드헤더의굴착원리와데이터베이스를활용한로드헤더핵심설계항목의통계분석 properties and the cutting performance of tunneling machines, Proceedings of Conference on Rock Engineering, Newcastle Upon Tyne, United Kingdom, Ocak, I. and N. Bilgin, 2010, Comparative studies on the performance of a roadheader, impact hammer and drilling and blasting method in the excavation of metro station tunnels in Istanbul, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 25, Pichler, J., 2011, Mechanical excavation of tunnels with Roadheaders, Lecture note, Post graduate master course - Tunnelling and Tunnel Boring Machine, Politecnico Di Torino, Rostami, J., 2013, Cutterhead Design Procedures and Performance Evaluations for Roadheader, Final report submitted to Korea Institute of Construction Technology, August 2013, Jamal Rostami Engineering Services LLC. 9. Rostami, J., 2011, Section 7.1 Rock Breakage, Mechanical, Mining Engineering Handbook, Society of Mining, Metallurgy, and Exploration Engineering Inc (SME). 10. Rostami, J., L. Ozdemir, D.M. Neil, 1994a, Application of Heavy Duty Roadheaders for Underground Development of the Yucca Mountain Exploratory Study Facility, High level radioactive waste management, Proceedings of the 5th Annual international conference, Vol. 2, Rostami, J., L. Ozdemir, D. Neil, 1994b, Performance prediction: A key issue in mechanical hard rock mining. Mining Engineering, November 1994, Sandvik, 2010, Mineral Ground Tools - Mining, Product Catalog, Sandvik, 1999, Rock excavation handbook for civil engineering, Tatiya, R.R., 2005, Surface and Underground Excavations- Methods, Techniques and Equipment, A.A. Balkema, Thuro, K., R.J. Plinninger, 1999, Roadheader excavation performance-geological and geotechnical influences, Proceedings of the 9th ISRM Congress, Paris, Thuro, K. and R.J. Plinninger, 1998, Geological limits in roadheader excavation-four case studies, Proceedings of the 8th International IAEG Congress, 3545~ Tunnel Business Magazine, 2011, Roadheaders in Hard Rock-East Side Access Among North American Projects Employing Roadheader Technology, February 2011, West, G., 1988, Innovation and the Rise of the Tunnelling Industry, Cambridge University Press,

터널과지하공간 441 박영택 2000 년전북대학교지역건설공학과공학사 2002 년전북대학교대학원지역건설공학과공학석사 2010 년전북대학교대학원지역건설공학과공학박사 Tel: 031-910-0519 E-mail: tucks@kict.

14 터널과지하공간 441 박영택 2000 년전북대학교지역건설공학과공학사 2002 년전북대학교대학원지역건설공학과공학석사 2010 년전북대학교대학원지역건설공학과공학박사 Tel: 현재한국건설기술연구원박사후연구원 박재현 2000 년서울대학교농업생명과학대학농공학과공학사 2003 년서울대학교대학원지구환경시스템공학부공학석사 2011 년서울대학교대학원건설환경공학부공학박사 Tel: 현재한국건설기술연구원 GEO- 인프라연구실연구위원 최순욱 1997 년건국대학교공과대학토목공학과공학사 2004 년연세대학교공학대학원공학석사 2008 년연세대학교대학원토목환경공학과박사과정수료 Tel: 현재한국건설기술연구원 GEO- 인프라연구실전임연구원 이철호 2005 년고려대학교공과대학사회환경시스템공학과공학사 2008 년고려대학교대학원건축사회환경공학부공학석사 2012 년고려대학교대학원건축사회환경공학부공학박사 Tel: 현재한국건설기술연구원 GEO- 인프라연구실전임연구원 장수호 1996 년서울대학교공과대학자원공학과공학사 1998 년서울대학교대학원자원공학과공학석사 2002 년서울대학교대학원지구환경시스템공학부공학박사 Tel: 현재한국건설기술연구원 GEO- 인프라연구실연구위원

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