TBM용 커터 교체 원리

1. 내고온 커터

TBM(터널 굴착기) 굴착 과정에서 디스크 커터는 암석과의 마찰로 인해 마찰열을 발생시킨다. 이로 인해 내부 온도가 상승하여 온도 구배와 불균일한 열팽창이 발생한다. 커터가 암석에 가하는 지속적인 롤링 압력은 내부에 교번하는 열응력과 변형을 생성한다. 이는 커터의 피로 손상을 초래하기 매우 쉽고, 커터 링의 파단을 유발한다. 동시에 교번하는 열응력과 변형에 의해 커터 링 표층에 생성된 미세 균열도 커터 링 마모를 가속화한다. 또한 온도가 상승함에 따라 베어링과 씰 등 내부 부품의 성능이 현저히 영향을 받게 된다. 이로 인해 윤활유의 점도가 저하되어 윤활제 고장을 초래할 수 있으며, 커터의 하중 지지 능력을 감소시키고 서비스 수명을 단축시킨다. 내열 커터의 고온 저항성은 주로 커터 내부의 고온 내성 플로팅 씰과 윤활 매체의 고온 성능에 의존한다.

2. 내고수압 커터

최근 지하 공간의 광범위한 개발로 인해 쉴드 굴착 작업이 점차 증가하고 있으며, 특히 하천 횡단 및 해저 횡단 터널의 경우 더욱 그러하다. 현재 스자양 터널, 우한 싼양루 터널, 산터우만 터널, 마완 터널 등 심층 매설 및 고수압 쉴드 작업에서 최대 수압이 10bar를 초과하는 것으로 나타났다. 기존 디스크 커터의 압력 차이 허용 능력은 3bar이다. 고수압 환경에서 작업할 때는 내고압 커터를 사용해야 한다. 고수압 환경에 적합한 커터는 주로 외부 고압 조건에서 커터 밀봉 성능의 높은 안정성을 요구하여 정상 작동을 보장해야 한다. 핵심은 고수압 환경에서 디스크 커터의 밀봉 기술을 돌파하는 것이다.

2.1 고수압 디스크 커터의 원리

커터 축의 중심에 공동이 형성되어 있으며, 이는 디스크 커터의 내부와 연결된다. 동시에 공동 내부에는 이동식 피스톤이 설치된다. 디스크 커터가 고수압 환경에서 작동할 때, 내부 공기의 부피를 조절하여 커터의 내부 압력을 변경한다. 이를 통해 굴착 작업면의 환경 압력과 동적 평형을 이루어 커터 회전의 작동 안정성을 보장한다. 기체의 PVT(압력-부피-온도) 특성에 따라, 커터의 내부 부피를 조절하여 디스크 커터에 필요한 내부 압력을 얻는다. 이를 통해 커터 내외부 간의 압력 차이가 씰의 압력 차이 허용 한도를 초과하지 않도록 보장한다. 이러한 유형의 디스크 커터를 설치할 때, 일반적으로 커터의 내부 공동을 윤활유로 완전히 채울 것이 요구된다.

2.2 고수압 디스크 커터의 유형

고수압 디스크 커터는 주로 이동 피스톤식과 팽창 블래더식 두 가지 유형이 있습니다. 이동 피스톤식은 최대 6bar의 내부 가압을 달성할 수 있습니다. 플로팅 씰이 3bar의 안전한 압력 차이를 견딜 수 있는 능력과 결합되어, 이 유형의 고수압 디스크 커터는 최대 9bar의 굴착 조건 환경 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

2.3 고수압-고투수성 지층에서의 가압 개방 기술

강과 바다를 횡단하는 쉴드 터널에서 쉴드 기계가 정지할 때, 종종 높은 수압(>0.5 MPa)과 높은 투수성(투수계수 >10⁻² cm/s)을 가진 복잡한 지층에 위치하게 된다. 이러한 지층은 대기압 상태에서 챔버 개방 작업을 수행할 수 있는 조건을 갖추지 못한다. 따라서 압력 하에서 챔버 내 개입 작업을 피할 수 없다. 압력 하에서의 커터 교체는 위험이 높고 진행 속도가 느리며 인원에게 심각한 건강 위해를 초래한다. 압력 하에서의 챔버 개입 작업은 일반 압축공기 작업과 포화잠수 압력 작업의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 전자는 깊이가 얕고 압력이 비교적 낮으며 작업 시간이 짧은 조건에 적합하다. 후자는 깊이가 깊고 기압이 높으며 작업 시간이 긴 조건에 적합하다.

2.3.1 기존 압축공기 챔버 가압 개입

난징 양쯔강 터널은 중국에서 초기에 압축공기 챔버 개방 및 가압 상태에서의 커터 교체 기술을 채택한 대표적인 프로젝트이다. 쉴드가 하상 아래 53.25m 깊이까지 굴진했을 때 커터헤드와 커터의 심각한 마모가 발생하여 더 이상 굴진이 불가능하게 되었다. 압축공기 작업 중 지층의 기밀성을 확보하기 위해, 프로젝트에서는 먼저 다량의 저밀도·저점도 순수 벤토나이트 슬러리를 굴진면에 침투시켰다. 그런 다음 압력 챔버 내부의 슬러리를 벤토나이트와 점토의 혼합 슬러리로 교체하여 치밀하고 기밀한 슬러리 케이크를 형성하였다. 슬러리 케이크가 형성된 후, 슬러리 수위를 3m 낮추고 압축공기로 교체하였다. 커터를 교체하기 전에 작업자는 맨락(man lock)에 들어가 가압 과정을 거쳤으며, 이후 슬러리 챔버 내부에서 커터 교체 작업을 수행하였다. 회당 유효 작업 시간은 45~60분이었으며, 작업 효율은 약 50%였다.

또한, 압축공기 조건에서 작업자의 감압병(기압 외상/잠수병) 예방 및 치료는 이 기술의 또 다른 핵심 문제이다. 압력 하에서 챔버를 개방하여 커터를 교체하려면 작업자가 매 작업마다 가압 과정(일반적으로 10~20분)을 거쳐야 하므로, 커터헤드 및 커터 점검·교체를 완료한 후 퇴장하기 전에 맨록 내에서 감압 과정(일반적으로 2~3시간)도 거쳐야 한다. 가압 및 감압 과정을 자주 거치면 작업자에게 감압 증상이 쉽게 발생한다. 따라서 기존의 압축공기 챔버 개방 및 커터 교체 기술은 작업량이 많은 커터 교체 작업에는 그다지 적합하지 않다.

2.3.2 포화 잠수 챔버 가압 개입

커터 교체는 포화잠수 방식을 통해 이루어지며, 이를 위해서는 실드 머신에 포화 과압 거주실 및 인원 이송 로크(셔틀)와 같은 특정 장비가 필요합니다. 커터 교체 기간 동안 작업자는 단 한 번의 가압 과정만 거치면 됩니다. 작업자는 과압 거주실에서 휴식하며 대기하고, 커터헤드 굴착면 앞에서 작업을 수행합니다. 작업 완료 후에도 마찬가지로 단 한 번의 감압 과정만 거치면 대기압으로 복귀할 수 있습니다. 따라서 기존의 압축공기 커터 교체 방식과 비교할 때, 포화잠수 커터 교체는 수압과 토압이 더 높은 지층에 적용할 수 있습니다. 동시에 여러 번의 가압과 감압이 필요 없어 작업 효율이 크게 향상됩니다. 포화잠수 방식으로 커터 교체 작업을 수행할 때, 1회 작업 교대 시간은 최대 6~8시간까지 가능합니다. 작업 효율은 기존 가압 작업의 8~10배에 달합니다. 또한 포화 챔버는 약 3주 동안 인원을 수용할 수 있어 감압병에 걸릴 확률을 효과적으로 줄일 수 있습니다.