TBM 굴착 효율에 영향을 미치는 주요 지질학적 요인

암석의 일축 압축 강도(UCS)는 터널 굴착기(TBM)의 적용 가능성을 평가하고 굴진 효율을 예측하는 데 중요한 지표이지만, 유일한 결정 요인은 아닙니다.

TBM 터널링 프로젝트에서는 포괄적인 지질 조사가 필수적입니다. 이는 과학적인 장비 선정 및 설계의 기초를 형성합니다. 또한, 굴착 단계에서는 강력한 사전 탐사 시스템과 유연한 대응 전략을 통해 궁극적으로 TBM의 안전하고 효율적인 전진을 보장해야 합니다.

암석의 일축 압축 강도는 TBM 굴진 효율을 결정하는 중요한 지질학적 요인 중 하나입니다. 일반적으로 TBM은 30~150MPa 범위의 일축 압축 강도를 가진 단단한 암석에서 최적의 성능을 발휘합니다. 암석 강도가 150MPa를 초과하고 절리가 불량하게 발달된 완전한 암반의 경우, 침투율이 현저히 감소하며 다음과 같은 일련의 문제들이 발생합니다: 커터 마모 악화, 비정상적인 커터 헤드 진동, 마모 가속화, 심지어 용접부 균열까지 발생합니다. 이러한 조건은 커터 교체 및 장비 유지보수를 위한 가동 중지 시간을 크게 증가시킵니다. 따라서 프로젝트 일정 계획 시 이 요인의 영향을 충분히 고려해야 합니다.

암반 내 불연속면(절리, 층리, 엽리, 소단층 등)의 발달 정도, 즉 암반의 파쇄 정도 또는 건전성 정도는 TBM 굴진 효율에 영향을 미치는 또 다른 중요한 지질학적 요인입니다. 암석의 UCS, 경도, 연마성이 유사하더라도 불연속면 발달 정도가 다르면 TBM의 절삭 속도(회전당 절삭 깊이)와 순수 굴진 속도는 크게 달라질 수 있습니다.

불연속면의 발달 정도를 정량화하기 위해 암반 건전성 계수(Kv), 체적 절리 수(Jv) 또는 암반 품질 지수(RQD)와 같은 매개변수가 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 건전성이 좋고 불연속면 간격이 비교적 좁은 암반에서 순수 굴진 속도가 더 높게 나타나는데, 이는 적당한 불연속면이 암석 파쇄를 촉진하고 절삭 저항을 줄여주기 때문입니다.

그러나 암반이 심하게 파쇄된 경우(예: Kv 값이 0.25 미만으로 매우 높은 절리 밀도)에는 상황이 역전됩니다. 이러한 경우 암반은 부서지거나 심지어 느슨해져 전체 강도가 급격히 감소하고 자체 지지 능력이 부족하게 됩니다. TBM 커터는 이러한 파쇄된 암반에서 더 큰 침투 깊이(즉, 더 쉬운 절단)를 달성할 수 있지만, 매우 불안정한 주변 지반은 붕괴 또는 수렴 변형에 취약합니다. 이로 인해 건설 안전과 터널 벽 안정성을 보장하기 위해 임시 지보 조치(예: 강철 아치 설치, 숏크리트, 록 볼팅)에 상당한 시간이 소요됩니다. 이러한 추가 지보 작업은 전진 시간을 크게 소모하여 궁극적으로 해당 구간에서 TBM의 순수 전진 속도를 감소시킵니다. 따라서 과도하게 발달된 불연속면은 암석의 완전 강도를 감소시키는 동시에 지보 수요의 극적인 증가로 인해 효율적인 TBM 전진에 제약이 됩니다.

암석의 경도는 마모성을 결정하는 중요한 요소입니다. 일반적으로 암석 경도가 높을수록 마모성이 커지며, 이는 TBM(터널 굴착기) 커터의 마모를 직접적으로 가속화합니다. 결과적으로 커터 소모가 빨라져 건설 비용이 증가할 뿐만 아니라, 커터 교체를 위한 가동 중단 시간이 잦아져 전체적인 굴진율이 감소하게 됩니다.

암석의 마모성은 광물 조성, 특히 석영과 같은 단단한 광물의 함량 및 입자 크기에 의해 크게 영향을 받습니다. 이러한 마모성 물질의 함량이 높고 입자 크기가 클수록 커터 마모가 증가합니다.

암석의 마모 잠재력을 객관적으로 평가하기 위해 CERCHAR 마모 시험이 국제적으로 채택되어 Cerchar 마모 지수(CAI)를 결정합니다. CAI 값은 암석 마모성을 정량화하고 커터 마모 및 TBM 주행 효율에 미치는 영향을 예측하는 중요한 지표가 되었습니다.

암반 내 주요 불연속면(예: 절리, 층리)의 주향과 터널 축 사이의 각도가 45° 미만이고, 경사각이 완만할 때(30° 미만), 터널의 헌치 위 주변 암반과 크라운 영역에 불안정한 쐐기 모양 블록이 형성되기 쉽습니다. 이러한 불리한 구조적 조합은 이러한 쐐기가 느슨해지거나 떨어지거나 심지어 대규모 붕괴를 일으킬 가능성을 높이며, 이는 정상적인 TBM 작업에 심각한 방해를 주고 효율성을 저하시킬 뿐만 아니라 장비와 인력 안전에 직접적인 위협을 가합니다.

일반적으로 주요 불연속면과 터널 축 사이의 각도가 50-70도일 때 더 높은 전진율을 달성하는 데 가장 유리하다는 점에 유의해야 합니다.

따라서, 암반 불연속면의 방향에 대한 정확한 사전 조사(pre-construction survey)는 이러한 위험을 예측하고 예방하여 TBM 굴착의 안전성과 효율성을 보장하는 데 매우 중요합니다.