514 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee 나, 대단면 TBM 에서본연구의회귀식에서추정된최대토크가국외의회귀식보다더높게추정하는경향이나타났다. 핵심어 : 중대단면 TBM, 터널

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태연 여
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1 TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol.28, No.6, 2018, pp ISSN: (Print) ISSN: (Online) TECHNICAL NOTES 중대단면 TBM 설계사양예측을위한 DB 분석 최순욱 1, 박병관 2, 장수호 3, 강태호 4, 이철호 5* 1 한국건설기술연구원인프라안전연구본부, 2 과학기술연합대학원대학교 (UST) 스마트도시건설융합전공, 3 한국건설기술연구원건설벤처창업센터, 4 한국건설기술연구원인프라안전연구본부, 5 한국건설기술연구원인프라안전연구본부 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM Soon-Wook Choi 1, Byungkwan Park 2, Soo-Ho Chang 3, Tae-Ho Kang 4, and Chulho Lee 5* 1 Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2 Smart City & Construction Engineering, University of Science and Technology 3 Construction Startup Promotion Center, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 4 Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 5 Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology *Corresponding author: chlee@kict.re.kr ABSTRACT Received: November 5, 2018 Revised: November 8, 2018 Accepted: November 12, 2018 The Tunnel Boring Machine(TBM) is relatively insufficient to cope with unpredicted changes in ground conditions as compared with Conventional Tunnelling Methods. Therefore, it is very important to predict the TBM performance at the design stage and estimate the advance rate for the calculation of the construction period. In this study, we added data to 211 TBM databases constructed in the previous study and analyzed the correlation between TBM outer diameter, maximum thrust, maximum cutterhead torque, cutterhead driving power and RPM, which are the main design and manufacturing specifications of TBM. As a result of the analysis from results obtained in the previous studies, it was confirmed that TBM outer diameter is very effective and important in estimating maximum thrust, maximum cutterhead torque, and cutterhead driving power of the TBM. As a result of comparing the regression equations derived from other TBM databases outside the country and the regression equation obtained from the present study results, the maximum thrust showed a similar tendency to each other, but the maximum torque estimated from the regression equation of this study was higher than that of other countries in the case of the large scale TBM. Keywords: Large Scale TBM, Tunnel, Specification, Database, Regression analysis 초록 TBM 은사전에예측하지못한지반조건의변화에대한대응력이재래식공법과비교할때상대적으로낮기때문에, 설계단계에서 TBM 의사전성능예측과공사기간산정을위한굴진율예측이매우중요하다. 기존연구에서구축된 211 개의 TBM 데이터베이스에신규데이터를추가하여 TBM 의핵심제작사양인최대추력, 커터헤드최대토크및회전속도, 커터헤드구동력사이의상관관계를지반조건에따라분석하였다. 기존연구들에서와같이 TBM 의최대추력, 최대토크, 구동력과같은기본제작사양을추정하는데있어 TBM 외경은매우중요한정보임을확인할수있었다. 국외의 TBM 데이터베이스로부터도출된회귀식과본연구로부터얻어진회귀식을비교한결과, 최대추력의경우는유사한경향을보였으 C The Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 514 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee 나, 대단면 TBM 에서본연구의회귀식에서추정된최대토크가국외의회귀식보다더높게추정하는경향이나타났다. 핵심어 : 중대단면 TBM, 터널, 사양, 데이터베이스, 회귀분석 1. 서론 TBM(Tunnel Boring Machine) 은재래식터널방법 (Conventional Tunnelling Method) 에비해소음, 진동과같은환경피해를최소화할수있고최근건설분야의노동력부족현상에대한대안이될수있는점에서그활용성이높아지고있다. TBM은지하수유무, 토질및암반조건등에따라맞춤형으로설계및제작되어야한다. TBM은사전에예측하지못한지반조건의변화에대한대응력이재래식공법과비교할때상대적으로낮기때문에, 설계단계에서 TBM의사전성능예측과공사기간산정을위한정밀지반조사와 TBM의굴진율예측이매우중요하다. 이상과같은 TBM의성능평가및굴진율예측방법으로는 CSM(Colorado School of Mines) 모델, NTNU(Norwegian University of Science and Technology) 모델, QTBM모델, 합경도 (Total Hardness) 모델등이있다 (Bruland, 1998; Cigla and Ozdemir, 2000; Barton, 2000; Tarkoy, 1986) 기계식굴착공법은디스크커터 (disc cutter), 비트커터 (bit cutter), 픽커터 (pick cutter) 와같은절삭도구 (cutting tools) 를회전하는커터헤드 (head) 에설치하여터널굴착을수행한다. TBM은암반을절삭하기위한다수의디스크커터와토사지반굴착을위한비트커터들이주로이용되며, 커터들을사용하여지반을굴착할때요구되는절삭력의합보다큰추력 (thrust force), 토크 (torque), 동력 (driving power) 을장비에반영하여굴착을진행하는데무리가없도록설계한다. TBM의대표적인제작사양은최대추력 (maximum thrust force), 커터헤드구동력 (driving power) 및최대토크 (torque), 회전속도 (revolution per minute, RPM) 등이있으며, 이러한제작사양은주로최대사양 (maximum capacity) 으로정의된다. 이것은불확실한지반조건에의해최대저항이발생하여 TBM의굴진을못하게되는경우에대비하는것과 TBM장비의설계시, 안전율을고려하기때문이다. 그러나실물절삭시험에기반하여디스크커터의추력과토크를추정하는연구결과들 (Cho et al., 2013; Entacher et al., 2012; Rostami and Ozdemir, 1993) 을적용할수있는암반굴착조건에서의 TBM 외에 TBM의최대용량을산정하는것은제작사의경험과노하우에근거한다고할수있다. 이러한경험에근거한 TBM 제작사양결정문제를극복하기위해 Chang et al.(2017) 은 TBM의주요제작사양에대한데이터베이스를구축하고이에대한통계분석을수행하여 TBM의주요사양에대한최대용량을추정하는경험식을제시하였다. 이와유사하게데이터베이스를기반으로 TBM의주요사양을추정하는연구가터키에서수행된바있다. Ates et al.(2014) 는 262개의터키에서수행된 TBM 데이터로구성된데이터베이스를기반으로 TBM의추력및무게, 커터헤드토크및회전속도, 커터헤드에장착되어야할디스크커터개수에대한제작사양을 TBM 직경 (diameter) 과의상관관계를통해비교적신뢰성있게추정하였다. 본연구는 Chang et al.(2017) 이사용한 211개의데이터베이스에데이터를추가하여 TBM의핵심제작사양인최대추력, 커터헤드최대토크및회전속도, 커터헤드구동력사이의상관관계를지반조건에따라분석하여 TBM 제작사양추정에도움이되는자료를제공하고자하였다.

3 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM TBM 데이터베이스의기본분석 Chang et al.(2017) 은 TBM 문헌과제작사들의기술자료를활용하여 TBM 설계 제작을위한주요사양에대한 211 개의데이터 베이스를구축하였다. 본연구는위데이터베이스에 81 개의중대단면 TBM 설계 제작정보를추가적으로수집하여데이터베이스 를확장하였다. 구축된데이터베이스의정보들은 Table 1 과같다. Table 1. TBM database information Section Subsection Detailed information Project description TBM specification Ground condition Project information TBM manufacturer TBM diameter TBM type Thrust force Torque RPM Power Cutting tools Project title, Region, Tunnelling length, Application, Construction period Manufacturer name TBM outer diameter EPB, Slurry, Gripper, Single-shield, Double- shield, Multi-mode TBM thrust (kn) Cutterhead torque (kn m) Cutterhead RPM (revolution/minute) Cutterhead driving power (kw) Number of disc cutters, Diameter of disc cutter, Allowable cutter load (kn), Average cutter spacing (mm), Number of cutter bits Spoke Number of main spokes, Number of auxiliarly spokes Cutterhead opening ratio (Opening area) / (Total area) (%) Soft ground Mixed-face ground Rock - 확장구축된 292개의 TBM 데이터를지역별로분석해본결과, 유럽 (46.2%), 아시아 (31.5%), 북미 (10.6%) 순으로나타났다 (Fig. 1). 아시아의경우 TBM 적용은중국, 일본, 한국에서이루어진것으로나타났으며, 북미에서도대다수가미국에서수행된것으로볼때, TBM제작사를보유한국가에서의적용이많음을알수있었다. TBM 용도별로보면, 지하철과철도가전체데이터의 66.1% 로나타났으며, 유틸리티 (utility) 터널이 19.5%, 도로터널이 12.5% 를차지하였다. TBM 직경을용도와관련지어볼때, 지하철과철도터널에서많이사용하는직경 6~10 m의비율이높았다. 기본적으로 10 m이상의대단면 TBM이되면 TBM 제작비용상승과시공이어려워지기때문에대부분의 TBM 직경이 6~10 m의중단면 TBM(72.3%) 으로적용된것으로판단된다. 그리고초대단면 (mega scale) TBM은그사례가매우적음에도 5.5% 를차지하는것으로나타난이유는초대단면 TBM의경우그특수성으로다른작은단면의 TBM보다정보가많이공개되어있어상대적으로높은비율을차지한것으로예상된다 (Fig. 2). TBM 형식별로는 EPB타입이 52.4%, Slurry타입이 20.9% 순으로나타났으며, 지반조건별로는토사지반 (soft ground) 은 33.2%, 복합지반 (mixed ground) 은 44.2%, 암반 (rock) 은 22.6% 로조사되었다 (Fig. 3).

4 516 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee Fig. 1. Regional analysis on TBM database (a) TBM use Fig. 2. Basic analysis on TBM use and diameter (b) TBM diameter (a) TBM type Fig. 3. Basic analysis on TBM type and ground condition (b) Ground condition

Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM 517 3. TBM 주요제작사양에대한분석 Fig. 4는본연구에서분석한 TBM 핵심제작사양 ( 최대추력, 커터헤드최대토크및회전속도, 커터헤드구동력 ) 을표현한것이다.

5 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM TBM 주요제작사양에대한분석 Fig. 4는본연구에서분석한 TBM 핵심제작사양 ( 최대추력, 커터헤드최대토크및회전속도, 커터헤드구동력 ) 을표현한것이다. TBM의추력은세그먼트라이닝이나굴착벽면 (tunnel face) 에대한반력 (reaction force) 을통해산정되며, TBM의구동부 (driving part) 와각종추진잭 (propulsion jack) 의용량및개수등을설계하는데활용되는매우중요한제작사양이다 (KICT, 2015). TBM에서굴착을직접담당하는부분은각종절삭도구가장착된커터헤드이며, 커터헤드가원활하게회전하기위해서는굴진면 (tunnel face) 에서발생하는각종회전저항 (rotational resistance) 을극복할수있을만큼의충분한토크와구동력을가져야한다. 아울러, 커터헤드회전속도는커터의관입깊이 (penetration depth) 와함께전체적인 TBM의굴진율 (advance rate) 을좌우하는주요인자로알려져있다 (Chang et al., 2011). TBM의추력, 토크, 동력계산에관련된내용은선행연구인 Chang et al.(2017) 을참고할수있다. Fig. 4. Schematic diagram for main TBM design parameters TBM 주요사양에대한분석은데이터베이스전체를대상으로실시한분석과 Fig. 3(a) 에서와같이가장많은데이터가있고현재세계적으로가장많이활용되는 TBM 형식인 EPB타입 TBM만을대상으로한분석으로구분하여수행하였다. 각각의분석에서는선행연구인 Chang et al.(2017) 에서수행된바와같이 TBM의외경에따른 TBM 주요사양을검토하고 TBM 주요사양간의관계를도출하였다. 3.1 전체데이터베이스에대한분석 TBM 외경에따른회귀분석 Ates et al.(2014) 과 Chang et al.(2017) 의연구에서 TBM 주요사양과좋은상관성을보이는 TBM의외경을독립변수로설정하고 TBM의최대추력, 커터헤드의최대토크와구동력, 그리고커터헤드의 RPM을종속변수로하여회귀분석을수행하였다. Fig. 5 는 TBM 외경과 TBM 주요사양사이의관계를보여주는그래프이고 Table 2는 TBM 외경과 TBM 주요사양사이의관계로부터도출한회귀식을정리한것이다. TBM 외경과최대추력, 최대토크, 구동력사이의관계는지수함수형태를보이는것으로나타났다. 전체데이터에대한 TBM 외경과최대추력, 구동력, 최대토크사이의회귀분석에의한결정계수는각각 0.63, 0.58, 0.50으로나타났으며, TBM 외경과 RPM은

518 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee 분산이커서회귀식을도출하기어려웠다. Table 2에서와같이 TBM 외경과 RPM은토사지반과암반에서결정계수 0.23으로낮은적합도를보이며, 전체적으로외경이증가함에따라감소하는경향을보였다. Ates et al.

42), 암반 (R 2 =0.25) 순으로결정계수가산정되었다. TBM 외경과커터헤드구동력사이의관계에서도마찬가지로토사지반, 복합지반, 암반순으로결정계수가 0.84, 0.66, 0.23으로계산되었다.

6 518 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee 분산이커서회귀식을도출하기어려웠다. Table 2에서와같이 TBM 외경과 RPM은토사지반과암반에서결정계수 0.23으로낮은적합도를보이며, 전체적으로외경이증가함에따라감소하는경향을보였다. Ates et al.(2014) 의연구에서는 Open TBM과 Single Shield TBM의경우 TBM 외경과 RPM의결정계수가 0.88, 0.66으로높게나타났으나, EPB타입과 Slurry타입의경우에서는본연구와같이 0.24, 0.17로낮게나타났다. 지반조건에따른 TBM 외경과최대추력사이의관계는토사지반의경우가결정계수 0.79로가장높게나타났으며, 복합지반 (R 2 =0.42), 암반 (R 2 =0.25) 순으로결정계수가산정되었다. TBM 외경과커터헤드구동력사이의관계에서도마찬가지로토사지반, 복합지반, 암반순으로결정계수가 0.84, 0.66, 0.23으로계산되었다. 마지막으로 TBM 외경과커터헤드최대토크사이의관계역시토사지반, 복합지반, 암반순으로결정계수가나타났으나, 암반에서의결정계수가다른 TBM 사양에비해높게나타나는특징이있었다. 암반에서의결정계수가다른지반조건에비해상대적으로낮은이유를살펴보면, 암반의경우는지반의강도즉, 암석의일축압축강도가 TBM 사양에더지배적인영향을미치기때문인것으로판단된다. 이러한점은 Ates et al.(2014) 의연구에서도암반에서많이사용되는 Open TBM에대한 TBM의주요사양에대한회귀분석에서암석의일축압축강도에따른고려하는것으로나타났다. (a) TBM diameter vs maximum thrust (b) TBM diameter vs cutterhead driving power (c) TBM diameter vs maximum cutterhead torque (d) TBM diameter vs maximum cutterhead RPM Fig. 5. Correlations between TBM diameter and design parameters of TBM

7 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM 519 Table 2. Summary of regression functions from correlation between TBM diameter and design parameters Regression function Ground condition thrust Cutterhead driving power Correlation with TBM diameter cutterhead torque cutterhead RPM Total (soft+mixed+rock) - Soft ground Mixed-face ground - Rock TBM 제작사양들사이의회귀분석 TBM 주요제작사양전반에걸쳐밀접한관계를가지는 TBM 외경을제외하고 TBM의최대추력, 커터헤드의최대토크와구동력, 그리고커터헤드의 RPM의네가지제작사양사이의상관관계를분석해보았다. Fig. 6은 TBM 주요사양들사이의관계를보여주는그래프이고 Table 3은 TBM 주요사양들사이의관계로부터도출한회귀식을정리한것이다. 전체데이터와토사지반에대한최대추력과최대토크사이의관계는지수함수형태로나타났으며, 결정계수는전체데이터의경우 0.79, 토사지반의경우는 0.81로높게산정되었다. 반면복합지반과암반에대한최대추력과최대토크사이의관계는선형적으로나타났으며, 결정계수는복합지반에서 0.48, 암반에서 0.43으로토사지반에비해적합도가낮게계산되었다. 최대토크와구동력사이의관계는지수함수의역함수인로그함수형태로나타났으며, 전체데이터, 토사지반, 복합지반, 암반순으로결정계수가 0.7, 0.93, 0.54, 0.50으로산정되었다. 각 TBM의주요사양들사이의관계는대부분토사지반에대한회귀식의결정계수가높게나타났고, 복합지반과암반에대해서는유사하게나타나는특징을보였다. 최대토크와 RPM 사이의관계는토사지반의경우에대해결정계수가 0.51로나타났고나머지지반에서는회귀식을도출하기어려웠다. RPM은외주면을따라이동하는커터들의이동거리와마모, 그리고굴진속도, 지반조건등과관련이있다. 특히 TBM의직경이커질수록 RPM이높아지면커터의이동거리와마모가많아지므로최대 RPM은낮아질수밖에없다. 또한 RPM은정수단위로최대치가설정되고중대단면 TBM에서는최대치가 8이하로작기때문에다른 TBM 주요사양들에비해 TBM 외경및다른주요사양들간의관계분석에서경향성이잘나타나지않는것으로판단된다.

8 520 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee Table 3. Summary of regression functions obtained from correlation between design parameters of TBM Regression function Ground condition thrust cutterhead torque Total (soft+mixed+rock) cutterhead RPM - Correlation with cutterhead torque Cutterhead driving power ln Soft ground ln ln Mixed-face ground - Rock - ln (a) thrust vs maximum cutterhead torque (b) Cutterhead driving power vs maximum cutterhead RPM (c) cutterhead torque vs maximum cutterhead RPM Fig. 6. Analysis of correlation between each design parameter of TBM

9 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM EPB TBM에대한분석앞서 2절 Fig. 3(a) 에서조사된바와같이구축된 TBM 데이터베이스의약 52% 가 EPB TBM에대한정보로구성되어있고세계적으로가장많이활용되고있는 EPB TBM에대해서상세한분석을하고자전체데이터중에서 EPB TBM과관계된데이터를분리하여분석을수행하였다. 사용된데이터를기반으로 EPB TBM이적용된지반조건을분석한결과는 Fig. 7과같다. 토사지반이 53.6%, 복합지반이 42.5%, 암반이 3.9% 로조사되었다. Fig. 7. Basic analysis on ground condition of EPB TBM data EPB TBM 외경따른회귀분석 3.1.1절과마찬가지로 EPB TBM 데이터에대해서 TBM의외경을독립변수로설정하고 TBM의최대추력, 커터헤드의최대토크와구동력, 그리고커터헤드의 RPM을종속변수로하여회귀분석을수행하였다. Fig. 8은 TBM 외경과 TBM 주요사양사이의관계를보여주는그래프이고 Table 4는 TBM 외경과 TBM 주요사양사이의관계로부터도출한회귀식을정리한것이다. 전체데이터에대한분석에서와같이 EPB TBM 데이터에대한 TBM 외경과최대추력, 최대토크, 구동력사이의관계는지수함수형태를보이는것으로나타났다. TBM 외경과최대추력, 구동력, 최대토크사이의회귀분석에의한결정계수는각각 0.95, 0.89, 0.77으로나타났다. 또한 Table 4에서와같이 TBM 외경과 RPM은토사지반과복합지반에서결정계수가 0.23으로낮게도출되었다. 지반조건에따른 TBM 외경과최대추력및커터헤드구동력사이의관계는전체적으로결정계수가 0.86 이상으로높게산정되었다. TBM 외경과최대토크사이의관계는토사지반의경우가결정계수 0.84로높게나타났으나, 복합지반과암반에서는 0.58, 0.50으로상대적으로낮게나타났다. EPB TBM 데이터에대한 TBM 외경과 TBM 주요사양들간의관계는전체데이터에대한회귀분석으로부터도출한결과에비해더결정계수가높게도출되어독립변수인 TBM 외경에대한종속변수 ( 최대추력, 최대토크, 구동력 ) 의적합도즉예측되는종속변수의정밀도가높은것으로나타났다. Table 5는전체데이터와 EPB TBM 데이터로부터도출된 TBM 외경과 TBM 주요사양들간의회귀분석결과를비교한것이다. EPB TBM 데이터로부터도출결과가전체데이터에비해최대추력의경우는 50.8%, 구동력은 37.9%, 최대토크는 54% 결정계수의향상이나타났다.

10 522 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee Table 4. Summary of regression functions obtained from correlation between EPB TBM diameter and design parameters of EPB TBM Regression function Ground condition thrust Cutterhead driving power Correlation with TBM diameter cutterhead torque cutterhead RPM Total (soft+mixed+rock) - Soft ground Mixed-face ground Rock Table 5. Summary of R 2 parameters value of regression functions obtained from correlation between TBM diameter and four design Correlation TBM diameter vs maximum thrust TBM diameter vs cutterhead driving power TBM diameter vs maximum cutterhead torque TBM diameter vs maximum cutterhead RPM R2 value of regression function Total TBM EPB TBM Rate of change (%) Soft Mixed Soft Mixed ((total-epb)/total 100) (a) TBM diameter vs maximum thrust (b) TBM diameter vs cutterhead driving power Fig. 8. Correlations between EPB TBM diameter and design parameters of EPB TBM

11 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM 523 (c) TBM diameter vs maximum cutterhead torque (d) TBM diameter vs maximum cutterhead RPM Fig. 8. Correlations between EPB TBM diameter and design parameters of EPB TBM (Continued.) TBM 제작사양들사이의회귀분석 3.1.2절과같이 EPB TBM 데이터에대해서 TBM 주요제작사양들간의관계를분석하였다. Fig. 9는 TBM 주요사양들사이의관계를보여주는그래프이고 Table 6은 TBM 주요사양들사이의관계로부터도출한회귀식을정리한것이다. 최대추력과최대토크사이의관계는선형적으로나타났으며, 결정계수는지반전체데이터의경우 0.93, 토사지반의경우는 0.94, 복합지반은 0.84로높게산정되었다. 최대토크와구동력상이의관계는로그함수로나타났으며, 결정계수는지반전체데이터의경우 0.84, 토사지반의경우는 0.94, 복합지반은 0.63로도출되었다. 앞선의결과에서도확인되었지만토사지반에대한데이터의상관성이가장높게나타났으며, 그다음은지반전체데이터, 복합지반, 암반순으로상관성이나타났다. Table 6. Summary of regression functions obtained from correlation between each design parameter of EPB TBM Ground condition Total (soft+mixed+rock) Soft ground thrust cutterhead torque Regression function Correlation with cutterhead torque Cutterhead driving power ln ln Mixed-face ground Rock - -

12 524 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee (a) thrust vs maximum cutterhead torque (b) cutterhead torque vs cutterhead driving power Fig. 9. Correlations between each design parameters of EPB TBM 4. 선행연구와의비교 Ates et al.(2014) 은총 262개의터키에서수행된직경 4~18m 단면을가지는 TBM 데이터로구성된데이터베이스를기반으로 TBM의형식을고려하여각각의 TBM 직경및제작사양들과의관계를회귀분석하였다. 본연구에서는본연구에서구축된 EPB TBM 데이터로부터얻어진회귀식과 Ates et al.(2014) 연구의 EPB TBM 데이터에서도출된회귀식에대해비교를수행하였다 (Fig. 10과 Table 7). 비교를위해선정한상관관계는 TBM 직경과최대추력및커터헤드토크, 최대추력과커터헤드최대토크이며, Ates et al.(2014) 의연구에서지반조건을고려하지않았기때문에지반조건에대한분석은제외하였다. TBM 외경과 TBM 최대추력과의관계를통해도출된회귀식을서로비교해본결과, 두연구에서도출된회귀식으로그려진회귀선은전구간에서매우유사한것으로나타났다. 따라서본연구에서제시한회귀식을통해 TBM 직경으로부터 TBM 최대추력을비교적신뢰성있는것으로판단된다 (Fig 10(a), Table 7). 직경과커터헤드최대토크의관계에서는두회귀식이지수함수형태로나타나는점은동일하였으나, 회귀식형태가달라서직경 15 m 이하에서는본연구에서도출된회귀식에의한최대토크가 Ates et al.(2014) 가제시한회귀식에의한결과에비해작게추정되는경향이나타났고직경 15 m 이상의대단면 TBM에서의최대토크는더높게추정하는경향이나타났다. 이것은 Ates et al.(2014) 의회귀분석이 6 m이하 TBM의최대토크들을반영하여분석한결과에의해나타나는차이와분석데이터의차이에의해발생한것으로판단된다. TBM 최대추력과커터헤드최대토크의관계에서도출된회귀식비교에서는두회귀식은모두선형 (linear) 에가까운함수형태로나타났고본연구에서도출된회귀식에의한최대추력에대한최대토크의비가 Ates et al.(2014) 가제시한회귀식에의한결과에비해높게추정되는경향이나타났다. 이결과는앞의직경과최대토크사이의관계에서본연구에서도출된회귀식에의한최대토크가상대적으로높게추정된결과가반영된것으로판단된다.

13 Database Analysis for Estimating Design Parameters of Medium to Large-Diameter TBM 525 Table 7. Summary of regression functions obtained from correlations for comparison between Ates et al. (2014) and this study Regression function obtained from correlation with Ground condition TBM diameter TBM diameter thrust cutterhead torque thrust cutterhead torque Ates et al. (2014) this study (a) TBM diameter vs maximum thrust (b) TBM diameter vs maximum cutterhead torque (c) thrust vs maximum cutterhead torque Fig. 10. Comparison between Ates. et al. (2014) and this study

14 526 Soon-Wook Choi, Byungkwan Park, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, and Chulho Lee 5. 결론 본연구에서는 TBM을설계 제작하는데있어서가장중요하고기본적인제작사양인 TBM의최대추력, 커터헤드의구동력, 커터헤드의최대토크및회전속도를추정하기위해 292개로구성된 TBM데이터베이스를기반으로지반조건과 TBM 형식을고려한회귀분석을수행하였다. 기존연구들에서와같이 TBM의최대추력, 최대토크, 구동력과같은기본제작사양을추정하는데있어 TBM 외경은매우효과적이며중요한정보임을알수있었다. 그러나 RPM의경우는직경과의상관성이낮아직경에따른사양추정이어려운것으로나타났다. RPM은낮을경우굴진속도저하를발생시키고높을경우커터의과도한마모를일으키기때문에지반조건및굴진속도에맞춰설계를진행해야하므로 TBM 외경과의상관성이떨어지는것으로생각된다. 전체데이터와 EPB TBM 데이터에대한회귀분석결과에서 TBM 외경과제작사양간의결정계수는토사지반에서가장높게나타나고전체지반, 복합지반, 암반순으로도출되었다. 복합지반의경우는복잡한지반조건으로인하여결정계수의적합도가상대적으로낮을수있을것으로생각되지만, 암반의결정계수가낮은것은암석의일축압축강도가지배적인영향을주기때문으로판단되므로 Open TBM 데이터만을별도로분석하는것이필요할것으로생각된다. 전체데이터와 EPB TBM 데이터로부터도출된 TBM 외경과 TBM 주요사양들간의회귀분석결과, EPB TBM 데이터로부터결정계수도출결과가전체데이터에비해최대추력의경우는 50.8%, 구동력은 37.9%, 최대토크는 54% 향상되어 EPB TBM 데이터에의한회귀식이신뢰도가높게나타났다. 국외의다른 TBM 데이터베이스로부터도출된회귀식과본연구결과로부터얻어진회귀식을비교한결과, 최대추력의경우는유사한경향을보였으나, 대단면 TBM에서본연구의회귀식에서추정된최대토크가국외의회귀식보다더높게추정하는경향이나타났다. 이것은국외 TBM 데이터베이스의데이터범위가더넓은점과분석데이터베이스의차이에의해발생한것으로판단된다. 따라서데이터베이스의신뢰도향상을위해지속적인데이터추가가필요한것으로생각된다. 감사의글 본논문은국토교통과학기술진흥원의건설기술연구사업인 TBM(Tunnel Boring Machine) 설계 제작국산화기술개발 ( 과제 번호 : 17SCIP-B )-2 세부과제 : TBM 운전 제어시스템및커터헤드의최적화설계기술개발 의일환으로작성되었습 니다. REFERENCES Ates, U., Bilgin, N. and Copur, H., 2014, Estimating torque, thrust and other design parameters of different type TBMs with some criticism to TBMs used in Turkish tunneling projects, Tunnelling and Underground Space Technology, 40, Barton, N., 2000, TBM Tunnelling in Jointed and Faulted Rock, A.A. Balkema, Rotterdam. Bruland, A., 1998, Hard Rock Tunnel Boring - Background and Discussion, Vol. 1, Doctoral theses at NTNU 1998:81.

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