터널 굴착기

Tunnel boring machine
프랑스와 영국 사이의 채널 터널에 사용되는 지루한 기계 중 하나
세계에서 가장 긴 철도 터널인 스위스 고트하르트 베이스 터널 굴착에 사용되는 터널 굴착기
유카산 핵폐기물 저장소에서 사용한 터널 굴착기

터널 시추기(TBM)는 "몰"이라고도 하며 다양한 토양과 암석 지층을 통해 단면이 원형인 터널을 굴착하는 데 사용되는 기계입니다.마이크로 터널링에도 사용할 수 있습니다.그것들은 단단한 바위에서 모래까지 모든 것을 뚫을 수 있도록 설계될 수 있다.터널 직경은 현재까지 1미터(3.3피트)에서 17.6미터(58피트)까지 다양합니다.직경 1미터 미만의 터널은 일반적으로 TBM이 아닌 트렌치리스 시공법 또는 수평방향 드릴링을 사용하여 이루어집니다.또한 TBM은 u자형 또는 말굽형 터널과 정사각형 또는 직사각형 [1][2][3][4][5][6]터널을 포함한 비원형 터널을 굴착하도록 설계할 수 있습니다.

터널 시추기는 암석에서의 드릴링 및 블라스팅(D&B) 방법과 토양에서의 전통적인 "수공 채굴" 방법의 대안으로 사용됩니다.TBM은 주변 지면에 대한 교란을 제한하고 매끄러운 터널 벽을 만들 수 있는 장점이 있습니다.이로 인해 터널 라이닝 비용이 대폭 절감되어 도심화가 심한 지역에서 사용하기에 적합합니다.가장 큰 단점은 선불 비용입니다.TBM은 구축 비용이 많이 들고 운송이 어려울 수 있습니다.터널이 길수록 드릴 및 블라스트 방식에 비해 터널 굴착 기계의 상대적 비용이 줄어듭니다.이는 TBM과의 터널링이 훨씬 효율적이며 정상적으로 동작한다고 가정할 때 완료 시간이 단축되기 때문입니다.그러나 시추 및 발파 작업은 심하게 부서지고 절단된 암석층을 통과할 때 여전히 선호되는 방법입니다.

역사

뉴엘베 터널에 사용되는 커팅 실드
Gotthard 베이스 터널에서 사용되는 TBM 모델의 탑뷰
유압 잭의 커팅 실드 쪽을 봅니다.
시드니 메트로 건설을 위해 터널 굴착기 커터헤드 지하하강


최초의 성공적인 터널링 실드는 1825년 템즈 터널을 발굴하기 위해 마크 이삼바드 브루넬 경에 의해 개발되었다.그러나 이는 실드 개념의 발명일 뿐 완전한 터널 굴착 기계의 건설은 포함하지 않았으며, 여전히 당시 표준 굴착 방법으로 [7]굴착을 수행해야 했다.

최초의 시추 기계는 앙리 조제프 마우스의 마운틴 슬라이서였다.[8][9][10][11][12]1845년 사르디니아 왕에 의해 프랑스와 이탈리아 사이의 프레주스 철도 터널을 알프스를 통해 파라는 명령을 받은 마우스는 1846년 토리노 근처의 무기 공장에 건설되었다.그것은 터널 입구에서 기계적으로 구동되는 기관차 크기의 기계 앞에 설치된 100개 이상의 타진 훈련으로 구성되었다.1848년의 혁명은 자금 조달에 영향을 미쳤고, 터널은 10년이 지나서야 공압 [13]드릴과 같은 덜 혁신적이고 덜 비싼 방법을 사용하여 완성되었다.

미국에서는 1853년 메사추세츠 [14]북서부에 후삭 터널을 건설하는 동안 최초로 시추기가 사용되었다.주철로 만들어진, 그것은 발명가 찰스 [15]윌슨의 이름을 따서 윌슨의 특허받은 돌 깎는 기계로 알려져 있다.그것은 무너지기 전에 바위에 10피트를 뚫었다. (터널은 결국 20년 이상 후에 완성되었고 프레주스 철도 터널과 마찬가지로 덜 야심찬 방법으로 완성되었다.)[16]윌슨의 기계는 기계의 [17][18][19]회전 헤드에 부착된 디스크 해로우와 같은 절단 디스크를 사용한다는 점에서 현대의 TBM을 예상했습니다.전통적인 끌링이나 드릴링과 발파와는 대조적으로, 암석을 제거하는 이 혁신적인 방법은 암석을 분열시키는 일시적인 고압을 가하기 위해 단순한 금속 바퀴에 의존했습니다.

또한 1853년 미국의 에베네저 탤벗은 윌슨의 절단 디스크를 사용하는 TBM을 특허 냈습니다. 비록 그것들이 회전하는 암에 장착되었고, 회전하는 [20]판에 장착되었습니다.1870년대에 존 D.영국의 Brunton은 회전판에 편심적으로 장착된 절단 디스크를 사용하는 기계를 만들었고, 이 기계는 회전판에 편심하여 설치되었으며, 절단 디스크가 [21][22]제거될 거의 모든 암벽면을 통과할 수 있도록 했다.

상당한 거리를 터널링한 최초의 TBM은 1863년에 발명되었고 1875년 영국 육군 장교 프레데릭 에드워드 블랙렛 보몽 소령(1833–1895)에 의해 개선되었습니다. 보몽의 기계는 1880년 영국 육군 장교 토마스 잉글리쉬 소령(1843–1935)[23][24][25][26][27]에 의해 더욱 개선되었습니다.1875년 프랑스 국회는 영국 해협 아래에 터널을 건설하는 것을 승인했고 영국 국회는 영어 TBM을 이용한 시험 운행을 지원했다.커팅 헤드는 원뿔형 드릴 비트로 구성되었으며, 그 뒤에는 커팅 디스크가 장착된 한 쌍의 마주보는 암이 있었습니다.1882년 6월부터 1883년 3월까지 이 기계는 분필을 통해 총 6,036피트(1.84km)[12]의 터널을 뚫었다.수에즈 운하 건설업자이기도 한 프랑스 엔지니어 알렉상드르 라발리는 비슷한 기계를 사용하여 프랑스 측 [28]상갓에서 1,669미터(5,476피트) 떨어진 곳에 구멍을 뚫었다.그러나 이러한 성공에도 불구하고 영국군이 터널을 침략 경로로 사용할 [12][29]수 있다는 우려를 제기하자 1883년 해협 횡단 터널 프로젝트는 포기되었다.그럼에도 불구하고 1883년 이 TBM은 머시 [30]강 아래의 사암을 통해 영국 버켄헤드와 리버풀 사이에 직경 7피트 (2.1m), 길이 6,750피트 (2km)의 철도 환기 터널을 뚫는 데 사용되었습니다.

19세기 후반과 20세기 초, 발명가들은 철도, 지하철, 하수구, 상수도 등의 터널의 필요성에 대응하여 TBM을 설계, 건설 및 테스트하였다.회전식 드릴 또는 해머 어레이를 사용하는 TBM은 [31]특허를 받았습니다.거대한 구멍 톱을 닮은 TBM이 [32]제안되었다.다른 TBM은 겉면에 [33]금속 타인이 있는 회전 드럼 또는 [34]톱니로 덮인 회전 원형 플레이트 또는 금속 [35]톱니로 덮인 회전 벨트로 구성되었습니다.그러나 이러한 TBM은 비용이 많이 들고, 번거롭고, 단단한 암석을 발굴할 수 없는 것으로 판명되었습니다. 따라서 TBM에 대한 관심은 감소했습니다.그럼에도 불구하고, 암석이 [36]더 부드러운 포탄광과 탄광에서 TBM의 개발은 계속되었다.

캐나다의 나이아가라 터널 프로젝트를 위해 로빈스 컴퍼니가 제작한 보어 직경 14.4m(47피트 3인치)의 TBM.그 기계는 나이아가라 폭포 아래에 수력 발전 터널을 뚫는 데 사용되었다.이 기계는 추가적인 수력 발전 터널을 제공하기 위해 터널을 만든 아담 벡 수력 발전 댐을 언급하여 "빅 베키"라고 이름 붙여졌다.

보어 직경 17.45m(57피트 3인치)의 Bertha로 알려진 토압 밸런스 TBM은 2013년 [37]Hitachi Zosen Corporation에서 생산되었습니다.그것은 99번 고속도로 터널 프로젝트를 [38]위해 워싱턴의 시애틀로 배달되었다.이 기계는 2013년 7월에 작동을 시작했지만 2013년 12월에 멈춰 2016년 [39]1월까지 상당한 수리를 필요로 했습니다.Bertha는 2017년 [40]4월 4일 터널 굴착을 완료했다.

CREG가 공급한 TBM 2대는 시추 지름 667m의 쿠알라룸푸르 고속철도 터널 2개를 굴착했다.매질은 물에 잠긴 모래흙돌, 습기찬 흙돌, 풍화성이 높은 흙돌, 충적금이었다.월 [41]345m 이상의 최대 전진률을 달성했다.

마르티나로 알려진 세계에서 가장 큰 경질암 TBM은 헤렌크네히트 AG에 의해 지어졌다.굴착 직경은 15.62m(51ft 3in), 총 길이 130m(430ft), 굴착 면적 192m2(2,070평방피트), 추력 값 39,485t, 총 중량 4,500t, 총 설치 용량 18MW였다. 연간 에너지 소비량은 약 6,200만 kWh였다.이탈리아 건설회사 토토 S.p.A.가 소유하고 운영하고 있다.플로렌스 인근 이탈리아 고속도로 패스 A1의 스파보 갤러리의 코스트루지오니 제네랄리(토토 그룹).이 회사는 프랑스 건설회사 드라기즈 홍콩(부이그의 자회사)이 홍콩의 툰문 첵랍콕 링크를 위해 소유 및 운영하는 세계에서 가장 큰 직경 17.6m(57피트 9인치) 슬러리 TBM을 건설했다.

설명

현대의 TBM은 일반적으로 커터 헤드라고 불리는 회전 커팅 휠과 그 다음 메인 베어링, 스러스트 시스템 및 트레일링 서포트 메커니즘으로 구성됩니다.사용되는 기계의 유형은 프로젝트의 특정 지질, 존재하는 지하수의 양 및 기타 요인에 따라 달라집니다.

하드록 TBM

TBM 후면의 서포트 구조.이 기계는 네바다에 있는 유카산 핵폐기물 저장소의 주 터널을 굴착하는 데 사용되었다.
TBM을 제자리에 고정하는 유압 잭

하드 록에서는 실드형 또는 오픈형 TBM을 사용할 수 있습니다.경질암 TBM은 커터 헤드에 장착된 디스크 커터로 암석을 굴착합니다.디스크 커터는 암석에 압축 응력 골절을 만들어 암석이 터널 표면에서 떨어져 나가도록 합니다.굴착된 암석(덩어리)은 커터 헤드의 개구부를 통해 벨트 컨베이어로 전달되며, 벨트 컨베이어는 기계를 통해 컨베이어 또는 오물차 시스템으로 이동되어 제거됩니다.

개방형 TBM에는 차폐가 없으므로 커터 헤드 뒤쪽 영역이 열려 있어 바위를 지지할 수 있습니다.전진하기 위해 기계는 터널 벽을 밀치는 그리퍼 시스템을 사용합니다.워스 기계와 같은 기계는 지퍼가 벗겨진 상태에서만 조종할 수 있습니다.다른 기계들은 연속적으로 조종할 수 있다.쥐었을 때 기계는 그리퍼를 향해 앞으로 밀어냅니다.스트로크 종료 시 후각은 하강하고 그리퍼와 추진 실린더는 후퇴하여 기계가 전진한다.그런 다음 그리퍼가 다시 결합되고 다음 보링 사이클을 위해 뒷다리가 들어옵니다.

개방형 또는 메인 빔 기계는 콘크리트 세그먼트를 뒤에 설치하지 않습니다.대신, 암석은 링 빔, 록 볼트, 숏 콘크리트, 스틸 스트랩, 링 스틸 및 [42]철망과 같은 지반 지지 방법을 사용하여 지탱됩니다.

균열된 암석에서는 차폐된 TBM을 사용할 수 있습니다.그들은 터널 벽을 지탱하기 위해 기계 뒤에 콘크리트 세그먼트를 세운다.더블 실드 TBM에는 두 가지 모드가 있습니다.안정된 지반에서는 터널 벽을 잡고 전진합니다.불안정하고 파괴된 지반에서는 추력이 기계 뒤의 터널 세그먼트에 밀리는 추력 실린더로 이동됩니다.이를 통해 추력이 취약한 터널 벽에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있습니다.단일 실드 TBM은 동일한 방식으로 작동하지만 콘크리트 [42]세그먼트에만 밀릴 수 있기 때문에 파단된 지반에서만 사용됩니다.

소프트그라운드 TBM

취리히 오이리콘 역 인근 와인버그 터널 알트슈테텐 취리히 오이리콘 현장의 터널 굴착기
미국 일리노이 주 시카고의 84인치 하수구 도시 시설

연약 지반에서 TBM의 세 가지 주요 유형은 접지 압력 평형 기계(EPB), 슬러리 실드(SS) 및 오픈 페이스입니다.두 유형의 폐쇄 기계는 모두 싱글 실드 TBM처럼 작동하며, 콘크리트 세그먼트를 밀어내고 스러스트 실린더를 사용합니다.접지 압력 평형 기계는 압력이 7bar 미만인 연약 지반에서 사용됩니다.커터 헤드는 텅스텐 카바이드 커팅 비트, 카바이드 디스크 커터, 드래그 픽 및/또는 하드 록 디스크 커터의 조합을 사용합니다.EPB는 굴착된 물질을 사용하여 터널 표면에 압력을 생성하기 때문에 EPB라는 이름을 얻었습니다.압력은 아르키메데스 나사를 사용하여 스포트의 추출 속도와 진행 속도를 제어함으로써 유지됩니다.벤토나이트, 폴리머, 폼 등의 첨가제를 얼굴 앞에 주입하여 지반 안정성을 높일 수 있습니다.커터헤드/추출나사에 첨가제를 주입하여 스포트가 나사 안에 플러그를 형성하여 커터헤드 내의 압력을 유지하고 물의 흐름을 제한할 수 있도록 할 수 있습니다.

수압이 매우 높은 연약 지반 또는 나사 내에 플러그를 형성할 수 없을 정도로 지반 상태가 입상(샌드 및 자갈)인 경우에는 슬러리 실드 TBM을 사용합니다.커터헤드는 굴착면에 정수압을 가하는 가압 슬러리로 채워집니다.슬러리는 커터헤드에서 보통 터널 외부에 있는 슬러리 분리 플랜트로 펌핑되기 전에 발굴된 재료와 혼합하여 운반 매체 역할을 합니다.슬러리 분리 플랜트는 다단계 여과 시스템으로, 건설 공정에서 재사용하기 위해 슬러리로부터 부패 입자를 제거합니다.슬러리를 '세정'할 수 있는 한도는 굴착된 물질의 입자 크기에 따라 달라집니다.따라서 슬러리 TBM은 슬러리를 만드는 벤토나이트 점토의 입경보다 작기 때문에 실트나 점토에는 적합하지 않다.이 경우 슬러리를 재활용 가능한 물과 오염 가능성이 있는 점토 케이크로 분리하여 물에서 압착한다.

연약지반 내 개방면 TBM은 굴착지반의 표면이 짧은 간격 동안 지지대 없이 일어선다는 점에 의존한다.따라서 최대 10MPa의 강도와 낮은 수분 유입의 암석 타입에 적합합니다.얼굴 크기가 10m를 초과하는 경우 이러한 방법으로 굴착할 수 있습니다.면은 백액터 암 또는 커터 헤드를 사용하여 실드 가장자리에서 150mm 이내로 굴착됩니다.실드는 앞으로 잭으로 고정되고 실드 전면의 커터는 나머지 접지를 동일한 원형 모양으로 절단합니다.접지 지지대는 전체 지지 링이 세워질 때까지 볼트로 고정되거나 지지되는 프리캐스트 콘크리트 또는 때때로 SGI(구형 흑연 철) 세그먼트를 사용하여 제공됩니다.키라고 불리는 마지막 세그먼트는 쐐기 모양이며, 남겨진 지면의 원형 절단에 단단히 고정될 때까지 링을 확장합니다.이 타입의 TBM에는 많은 종류가 있습니다.

TBM을 사용하면 고압에서의 작업자 수가 많아지는 한편, 슬러리 실드 TBM을 [43][44]위한 커팅 헤드에 케이슨 시스템이 형성되는 경우도 있습니다.이 공간에 들어가는 작업자는 의학적으로 '잠수 적합'으로 간주하여 [43][44]잠금장치 작동 훈련을 받아야 합니다.

Herrenknecht AG는 Saint Petersburg의 프로젝트인 Orlovski Tunnel을 위해 19.25m(63피트 2인치)의 연약 지반 TBM을 설계했지만 [45]건설되지 않았습니다.

마이크로터널 실드법

마이크로 터널 실드법은 작은 터널을 건설하기 위해 사용되는 굴착 기술로 일반적인 터널링 실드의 크기를 줄입니다.마이크로 터널 시추기는 일반적인 터널링 실드와 매우 유사하지만 규모가 작습니다.일반적으로 1~1.5m(3.3~4.9ft)까지 다양하며, 작업자가 걷기에는 너무 작다.

백업 시스템

터널의 완성 부분에는 모든 유형의 터널 천공 기계 뒤에는 백업 시스템으로 알려진 후행 지지 데크가 있으며, 그 메커니즘에는 컨베이어 또는 오물 제거를 위한 기타 시스템, 슬러리 파이프라인(해당하는 경우), 제어실, 전기, 먼지 제거 및 환기 시스템 및 프리캐스트 수송 메커니즘이 포함될 수 있습니다.이그제큐먼트

도시형 터널링 및 지표면 근방 터널링

도시 터널링에는 지표면이 방해받지 않아야 하는 특별한 요건이 있으므로 지반 침하를 피해야 한다.연약 지반에서 이를 수행하는 일반적인 방법은 건설 중 및 건설 후에 토양 압력을 유지하는 것입니다.

이러한 상황에서는 EPB 및 SS와 같이 포지티브 페이스 컨트롤 기능이 있는 TBM이 사용됩니다.두 유형 모두(EPB와 SS) 지반 조건이 잘 문서화될 경우 지표면 침하 및 공극 위험을 줄일 수 있다.도시 환경에서 터널을 뚫을 때, 다른 터널, 기존 전력선 및 깊은 기초에 대처해야 하며, 프로젝트는 다른 [citation needed]인프라에 대한 해로운 영향을 완화하기 위한 조치를 수용해야 한다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

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  • Hemphill, Gary B. Practical Tunnel Construction (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), Chapter 7: Tunnel-boring machines: History of tunnel-boring machine.
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  • Stack, Barbara, "Encyclopaedia of Tunnelling, Mining, and Drilling Equipment", 1995.
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추가 정보

  • Barton, Nick (2000). TBM tunnelling in jointed and faulted rock. Rotterdam: Balkema.
  • Bilger, Burkhard (September 15, 2008). "The Long Dig: Getting through the Swiss Alps the hard way". The New Yorker.
  • Foley, Amanda (May 2009). "Life on the Cutting Edge: Dick Robbins". Tunnels & Tunnelling International.

외부 링크

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