1. 서 론

TBM에 설치되어 암반을 굴착하기 위한 절삭 도구인 디스크 커터는 터널 굴착에 따라 마모가 발생하는 소모품이다. 디스크 커터는 과도하게 마모되거나 파손이 된 경우에는 암석 절삭 효율이 급감하므로 적절한 시기에 교체하는 것이 매우 중요하다. 디스크 커터의 마모는 현장에서 다양한 형태(정상마모, 편마모, 파단 등)로 관찰이 되고 있으며, 마모 정도에 따라 즉각적으로 교체가 필요한 경우도 있다(Park et al., 2023). TBM에 의한 암반의 절삭과정에서는 인접한 디스크 커터의 상호작용이 중요하므로 교체가 필요한 정도의 마모나 파손이 발생한 디스크 커터는 주변의 디스크 커터의 성능을 연쇄적으로 저하시키는 결과를 발생시켜 TBM의 굴진효율을 현저하게 저하시킬 수 있다(Kim et al., 2020).

디스크 커터의 교체는 굴진효율뿐만 아니라 공사비, 공사기간에도 영향을 미치므로 디스크 커터의 수명을 적절히 예측하는 것이 중요하게 고려되고 있다. 이를 위해 각종 경험적인 예측모델(Gehring, 1995, Bruland, 1998, Rostami et al., 2005)을 활용한 디스크 커터의 수명예측에 관한 연구(Ko et al., 2014, Jeong et al., 2014, Kim et al., 2018, Park et al., 2022, Lee et al., 2022)들이 수행되었고, 최근에는 TBM의 굴진데이터를 이용하여 머신러닝과 통계분석을 이용한 디스크 커터의 수명예측 연구가 활발하게 수행되고 있다(Kim et al., 2020, Barzegari et al., 2021, Kang et al., 2022).

한편 디스크 커터의 효율적인 교체 공정을 수립하기 위해서는 디스크 커터의 마모나 파손상태를 점검하기 위한 상시 계측이 요구된다. 통상 디스크 커터의 상태를 점검하기 위해서는 작업자가 커터헤드 내부로 진입하여 특수 가이드를 이용하여 마모량을 인력으로 계측하거나 육안으로 디스크 커터의 손상여부를 판별하는 작업이 필요하다(Park et al., 2023). 이러한 디스크 커터의 점검을 위해서는 챔버 내부의 굴착토, 암반버력, 이수액 등을 모두 제거하는 공정을 거치므로 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, TBM 챔버 내부는 막장면으로부터의 지하수 유입, 높은 압력, 산소 부족 등의 위험한 환경일 가능성이 높으므로 작업자의 안전과 관련된 문제가 있다고 할 수 있다(Gong et al., 2021).

이러한 이유로 해외에서는 디스크 커터의 마모상태를 계측하기 위한 연구들이 활발하게 수행되고 있으며(Guo et al., 2013, Li et al., 2016, Sun et al., 2016, Zhang et al., 2017, Wang et al., 2019, Lan et al., 2019, Gong et al., 2021, Park et al., 2022, Park et al., 2023), 선행연구들에서는 다양한 계측센서를 활용하여 디스크 커터의 마모량과 회전상태 등을 판별하는 기술 등을 개발하고 이를 현장에 적용하여 기술을 검증하는 단계를 거치고 있다. 다만 이러한 기술들은 아직 현장적용 단계이므로 그 내용이 자세히 공개되어 있지 않으며, TBM의 작업환경이나 운용방식이 국가별로 다르기 때문에 이러한 기술을 국내에 적용하기 위해서는 자체적인 연구가 필수적이라고 할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 TBM 디스크 커터의 마모량 및 회전수를 계측하기 위한 계측시스템을 개발하였으며, 이에 대한 개발 내용과 성능 검증 내용을 소개하고자 한다. 일련의 시험을 통해 디스크 커터의 마모량 계측을 위한 센서를 선정하였고, 회전수 측정을 위한 시스템의 개발도 이루어졌다. 이를 커터헤드에 설치하기 위한 센서패키지를 설계하여 시작품을 제작하였으며, 계측시스템을 통해 실시간으로 얻어지는 계측데이터는 무선통신을 통해 후방으로 전송되도록 하였다. 이러한 디스크 커터 계측시스템은 실제 TBM(직경 3.5 m)에 장착 후 암반을 굴착하는 환경에서 계측 성능을 검증하였으며, 이를 통해 현장에 적용하기 위해서 필요한 여러 기술적인 보완사항들을 도출하고자 하였다.

2. 디스크 커터 실시간 마모계측 시스템 개발

2.1 디스크 커터 마모 센서

2.1.1 디스크 커터 마모 측정 센서 개요

상술한 바와 같이 해외에서는 초음파센서, 와전류센서, 자기센서, 레이저센서 등을 통해 디스크 커터의 마모를 측정하기 위한 연구들이 다수 수행되었으며, 그 주요 내용들은 국내 선행연구(Park et al., 2022)를 통해 자세히 보고되었다. 따라서 본 논문에서는 마모계측시스템을 개발하기 위해 검토되었던 각 계측센서들에 대한 개략적인 내용만을 소개하고자 한다(Fig. 1). 먼저 초음파센서(ultrasonic wave sensor)는 20 kHz를 넘는 주파수를 사용하여 객체의 존재를 감지하거나 원거리 물체에 대한 거리를 계산하는 원리를 이용한다. 송신기에서 방출된 파가 매체의 경계면에 도달하여 반사되며, 반사된 파가 수신기로 돌아오는데 소요된 시간을 측정하는 원리이다. 초음파 센서는 독일의 대표적인 TBM 제조회사인 Herrenknecht사에서 연구를 수행하고 있는 것으로 파악되고 있다(Edelmann and Herrenknecht, 2013). 와전류센서(eddy-current sensor)는 센서 코일에 고주파수의 전류를 통과시켜 자기장을 생성한다. 대상객체가 자기장에 접근하면 발생하는 와전류에 의한 코일의 인덕턴스 변화를 이용한 원리이다. 코일로부터 생성된 1차 자기장이 도체 표면에 와전류를 생성하고 와전류에 의해 도체 표면층으로부터 2차 자기장이 생성되어, 이를 이용해 대상 도체까지의 거리를 측정한다. 와전류 센서를 활용한 디스크커터 마모도 계측을 진행한 사례들로 Lan et al.(2019)와 Wang et al.(2019)가 있으며, Lan et al.(2019)는 와전류센서를 이용한 디스크커터의 마모계측시스템을 소개하고 일련의 실험실시험을 진행하였으며, 중국의 Yinsong Tunnel에서 마모계측시스템을 적용하였다. 마지막으로 자기센서(Magnetic sensor)는 자력을 가진 물체 주변의 자기장의 크기와 방향을 측정할 수 있는 센서다. 디스크커터가 마모됨에 따라 자기센서 주변에 설치된 자석과 커터 간의 자기력 선속 밀도(Magnetic flux density)가 변화하게 되고 이를 자기센서가 감지하여 마모량을 산출한다. 자기 센서를 적용하여 디스크커터의 마모량을 측정한 사례로는 중국에서 이루어진 연구(Gong et al., 2021)가 있다. Gong et al.(2021)은 마모값 측정을 위한 일련의 실내시험을 진행하였으며, Dadonghu 지역에 투입된 TBM 터널에서 개발된 계측시스템의 적용성을 평가하였다.

Fig. 1.

The principles of TBM disc cutter wear sensors used in previous studies

2.1.2 마모 센서의 적용성 평가를 위한 기초시험

본 연구에서는 앞서 설명한 세 가지 센서(초음파, 와전류, 자기)를 대상으로 TBM 디스크커터의 마모량을 계측하기 위한 적용성을 평가하였다. 마모 센서의 적용성 평가를 위한 기초시험은 선행문헌(Park et al., 2023, Kim et al., 2024)에서도 일부 소개하고 있다. 각 센서들의 계측성능을 평가하기 위해서 측정 대상과 센서 간의 거리계측시험을 수행하였으며, 기초시험 단계에서는 원형의 금속판과 소형디스크 커터(직경: 100 mm)를 측정 물체로 고려하였다. 한편 마모측정센서는 TBM 챔버 내에서 계측을 수행하게 되므로, 챔버 내에 존재할 수 있는 여러 환경에서 계측이 정상적으로 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 계측 환경이 센서의 계측성능에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 각 계측 센서를 대기, 물, 이수액, 토사 환경에 위치시킨 후 실내시험을 수행하였다. Fig. 2와 Fig. 3는 원형 금속판과 소형 디스크커터를 대상으로 한 기초시험의 모습을 보여주고 있다.

Fig. 2.

Photos of distance measurement test in various environments for circular disc (Kim et al., 2024)

Fig. 3.

Photos of distance measurement test in various environments for small disc cutter (Park et al., 2023)

상술한 기초시험을 통해 각 계측센서의 적용성을 평가한 결과는 다음과 같다. 초음파 센서의 경우 대기상태에서는 0.1 mm 단위의 정밀도로 거리 계측이 가능하기에 디스크 커터의 마모도를 측정하기에는 충분한 수준으로 판단되며, 특히 수 m까지 계측이 가능하기 때문에 센서 설치위치에 대한 제약이 다른 센서에 비해 적다는 장점을 가진다. 하지만 초음파 센서와 측정 물체를 수중, 벤토나이트 이수액, 토사 환경 내에서 위치시킨 후 거리 계측 시험을 한 결과 측정이 불가능하였다. 매질 밖에서 측정이 이루어지는 경우에는 매질 경계부까지의 거리를 계측하게 되며, 매질 내부에 센서가 위치하는 경우에는 계측치가 측정되지 않았다. 그 이유는 초음파 센서가 사용하는 음파의 주파수와 관련이 있으며, 초음파 센서는 대기 중에서 변위를 측정하기 위한 것으로 수십 kHz의 주파수대역대를 사용한다. 해당 주파수의 음파는 공기 이외의 매질을 투과하지 못하기 때문에, 본 연구에 적용하기는 어려울 것으로 판단하였다.

와전류 센서의 경우에는 국내 선행연구(Park et al., 2023)를 통해 적용성이 검토된 바 있다. 선행연구에서 보고한 바와 같이 와전류센서는 모든 환경에서 대기상태에서의 측정결과와 유사한 결과를 보였으며, 0~16 mm까지는 실제거리와 계측거리가 선형적인 관계를 나타내었다(Fig. 4(a)). 와전류 센서의 계측 정밀도는 0.001 mm로 매우 우수하고, 계측환경에 대한 영향도 없었으나, 본 연구에서 사용한 와전류 센서는 계측한계가 16 mm로 다소 짧아 디스크 커터의 마모한계량까지 계측을 수행하기 위해서는 추가적인 기술보완이 필요할 것으로 판단되었다.

Fig. 4.

Results of distance measurement in different conditions using (a) eddy-current and (b) magnetic sensors

자기센서는 홀효과(Hall effect)에 기반하여 센서와 측정대상 간의 거리에 따른 자기장의 변화를 전압 혹은 전류로 측정하는 기술이다. 본 연구에서 수행한 기초시험 결과, 자기센서의 계측결과는 대기중, 수중, 벤토나이트 이수액, 토사 환경에서 모두 유사한 계측 결과를 보였다. 다만 자기센서의 경우 센서의 측정값이 전압으로 출력되기 때문에, 이를 변위로 변환하는 별도의 과정이 필요하다. 본 연구에서는 대기상태에서의 시험 결과를 기준으로 출력된 전압과 거리 사이의 환산식을 도출하여 각 환경에서 출력된 전압값을 거리로 환산하였으며, 그 결과는 Fig. 4(b)에 나타낸 것과 같다. 환산식을 통해 산출된 대기, 수중, 이수안정액, 토사에서의 계측정확도는 각각 97%, 98%, 95%, 90%로 평가되었다.

2.1.3 17인치 디스크 커터에 대한 적용성 평가

기초시험 결과를 바탕으로 디스크 커터의 마모센서 후보군을 와전류 센서와 자기 센서로 선정하였으며, 실제 디스크커터와의 거리를 계측하기 위한 시험을 계획하였다. 거리계측시험에서의 거리조절과 계측환경 조성을 위하여 Fig. 5와 같은 시험 장치를 개발하였고, 이를 통해 마모 측정 성능평가를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 시험장치는 센서의 측정 조건을 조절할 수 있도록 고려하였으며, 직경 17인치 디스크커터를 장착하여 최대 100 RPM의 속도로 회전할 수 있도록 제작하였다. 센서거치부는 센서를 수직방향과 수평방향으로 이송하여 거리를 조절하거나 측정방향을 조절할 수 있다. 또한 개발된 시험장치는 방수구조를 적용하여 TBM 커터헤드가 현장에서 조우할 수 있는 여러 환경을 구현할 수 있도록 하였다(Fig. 6).

Fig. 5.

Distance and rotation measurement device for 17 inch TBM disc cutter (Park et al., 2023)

Fig. 6.

Distance measurement test for different conditions for 17 inch disc cutter

Fig. 7은 17인치 디스크 커터를 대상으로 한 거리계측시험 결과를 나타낸다. 2.1.2절에 소개된 기초시험결과와 동일하게 와전류센서와 자기센서는 모두 계측환경에 영향을 받지 않는 다는 것을 알 수 있다. 거리계측성능도 기초시험결과와 일치하는 경향성을 보여주며, 이는 와전류센서와 자기센서 모두 디스크커터의 마모량을 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 와전류 센서의 경우에는 상술한 바와 같이 계측한계가 16 mm로 다소 짧으므로 본 연구에서는 자기센서를 마모계측센서로 최종선정하고 기술개발을 진행하였다.

Fig. 7.

Results of distance measurement in different conditions using (a) eddy-current and (b) magnetic sensors

2.2 회전수 계측 기술

디스크 커터의 교체 여부를 판별하기 위해서 마모량을 계측하는 것도 중요하지만 디스크 커터의 상태(회전속도, 회전여부 등)를 평가하는 것도 중요하다. TBM 디스크 커터의 회전수는 디스크 커터의 회전상태를 판별하는 데 중요한 정보를 제공할 수 있다. 디스크 커터가 커터헤드의 회전에 따라 정상적으로 회전하는 경우에는 디스크 커터의 회전수(또는 회전속도)는 직경의 역수에 비례하여 증가하므로, 디스크 커터의 회전속도는 디스크 커터의 마모량을 추정하는 데 활용될 수 있다. 또한 디스크 커터에 편마모가 발생하였거나 디스크 커터 내부의 샤프트 및 베어링 계통의 손상 등이 발생한 경우에는 비정상적인 회전수가 계측되므로 이로부터 디스크 커터의 회전 상태를 판별할 수 있다. 따라서 본 연구에서 디스크커터의 회전수를 측정하기 위한 계측시스템의 구성 및 개발을 함께 진행하였다. 회전수를 측정하기 위해 적용된 원리는 Fig. 8과 같이 디스크커터의 외부에 부착된 자석과 고정된 위치에 설치된 자석의 접근을 검출 할 수 있는 홀센서(자기 센서)를 활용하여 회전수를 측정하는 원리이다. 회전수 계측시스템은 오픈소스 하드웨어(아두이노)를 이용하여 구현하였다.

Fig. 8.

Configuration of RPM measurement system

2.3 데이터 전송을 위한 무선통신

디스크커터의 마모량 계측을 위해서는 데이터를 정확하게 계측하는 것도 중요하지만 계측된 데이터를 효율적으로 후방의 데이터로거를 통해 PLC (programmable logic controller)로 전송하는 과정이 매우 중요하다. 물론 각종 센서로부터 계측되는 데이터를 가장 안정적으로 송·수신하는 방식은 유선방식이지만, 커터헤드가 굴착 도중 지속적으로 회전함에 따라 전선들의 꼬임을 방지하기 위한 별도의 장치(rotary joint 등)가 필요하며, 커터 헤드 부의 협소한 공간 특성상 설치공간이 제한될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 디스크커터의 각종 정보계측을 무선통신을 통해 유선통신의 한계점을 극복하고자 하였다. 각종 산업분야에서 활용되고 있는 무선통신의 종류로는 블루투스, 와이파이, 지그비, Lora 등이 있으며 각종 통신모듈은 통신 원리에 따라 전송거리, 소비전력, 전송속도, 보안성 등의 차이를 보인다. 본 연구에서는 실험실 모사시험을 통해 각 무선통신 방법의 적용성 평가를 진행하였고, 무선통신의 송신세기, 통신거리, TBM 환경에 따른 무선통신의 수신세기를 평가하였다. Fig. 9에 나타난 것과 같이 선행연구(Choi et al., 2023)에서 소개된 블루투스에 대한 동일한 방식으로 일련의 시험을 진행하였으며, 시험결과와 현장에서의 여러 고려사항 등을 종합하여 지그비를 최종 무선통신 방법으로 선정하였다. 무선 통신방식을 선정하는데 고려한 주요 사항은 여러 대의 마모 센서의 측정 데이터를 송출하여 수신부 모듈에 전달되는 1:N 통신의 가능여부, 통신성능, 계측환경의 영향성, 소비전력 등이다.

Fig. 9.

Laboratory experiment to evaluate performance of communication methods (Choi et al., 2023)

2.4 센서패키지 제작

본 연구에서 개발한 마모측정기술, 회전수 계측기술, 무선통신 기술등을 바탕으로 디스크커터의 마모량과 회전 수를 동시에 측정할 수 있는 마모측정 기술 설계(안)을 Fig. 10과 같이 도출하였다. 케이싱 내부에는 디스크 커터의 마모를 측정하기 위한 자기센서, 디스크 커터 회전수 측정을 위한 홀센서, 센서신호를 취합하여 통신하는 무선통신모듈(아두이노, 지그비), 통신모듈 및 센서에 전원을 공급하는 배터리팩, 충전보호 회로기판으로 구성되어있다. 커터헤드의 조립환경을 고려하여 커터헤드의 위치에 따라 센서패키지를 설계하였고, 센서패키지의 조립을 위한 볼트는 디스크 커터의 결착을 위해 사용되는 볼트를 공유하므로 범용적으로 활용이 가능한 것이 특징이다. 마모센서와 디스크커터와의 이격거리는 약 8 mm이며, 마모센서 표면에는 실리콘을 도포하여 외부환경으로부터 센서부를 보호하도록 하였다. Fig. 11은 설계(안)에 따라 1차적으로 제작된 디스크 커터 마모 측정 시스템의 시작품을 보여준다.

Fig. 10.

Schematic drawing of prototype of disc cutter wear measurement system

Fig. 11.

Prototype of disc cutter wear measurement system

3. 실대형 TBM 굴진시험에 의한 기술 검증

3.1 개요

본 연구에서 개발한 디스크 커터 마모측정 시스템의 성능검증을 위한 TBM 실대형 굴진시험을 계획하고 수행하였다. Fig. 12는 본 연구의 성능검증에 사용된 굴진시험시스템을 나타낸다. 시험에 사용된 TBM은 추력 5000 kN, 토크 1200 kN-m까지 가할 수 있으며, 커터헤드에는 17인치 디스크커터가 총 25개(6개의 센터커터, 12개의 페이스커터, 7개의 게이지커터)로 구성되어있다. 굴진대상 시험편은 일축압축강도 27 MPa의 콘크리트를 타설하여 준비하였다. 시험 시 TBM 운용조건은 추력을 1000 kN으로 고정하였고, RPM은 1.5와 4.5로 구분하였다. 본 실대형 시험의 주요 목적은 TBM 운용조건에 따른 굴진성능 평가가 아닌 마모측정 시스템의 성능검증을 위한 것이므로 RPM의 변화에 따른 디스크커터의 회전속도 및 상태변화를 충분히 구현할 수 있을 것으로 판단하였다. 본 실대형 굴진시험에서는 총 8개의 측정시스템을 적용하였다. 설치 위치는 센터, 페이스, 게이지 커터로 구분하였으며, 각 영역에는 디스크 커터의 상태를 신규, 정상마모, 편마모로 구분하여 배치하였다. Fig. 13은 측정시스템이 설치된 위치와 사진을 나타내고 있다. 또한 본 논문에서는 회전수 계측기술에 대해서는 별도로 검증내용을 다루지 않고자 하며, 마모센서의 측정정확도, 측정안정성, 데이터의 무선송수신에 초점을 맞추어 검증 내용을 소개하고자 한다. 회전수 계측에 대한 주요 결과들은 향후 기술의 보완을 거친 후 관련 내용을 소개할 예정이다.

Fig. 12.

Shield TBM and facilities for full-scale excavation test

Fig. 13.

Installation of wear measurement system on cutter head

3.2 성능 검증 결과 및 토의

Figs. 14~15는 본 연구의 실대형 굴진시험(2회)에서의 TBM 기계데이터를 요약한 것이다. 본 실험은 TBM의 굴진성능을 평가하기 보다는 디스크 커터 마모측정 시스템의 계측환경을 안정적으로 제공하는 데 주안점을 두었으며, Figs. 14~15에서 확인할 수 있는 것과 같이 각 조건에서 목표로 하였던 굴진환경이 안정적으로 유지된 것으로 판단되었다. TBM의 RPM은 초기에 목표로 설정된 RPM 조건에 따라 굴진이 시작되지만, TBM이 굴진함에 따라 발생하는 토크에 반응하여 RPM은 초기 설정값으로 고정되는 것이 아닌 가변적인 특성을 갖는다.

Fig. 14.

TBM excavation data in full-scale excavation test (Thrust: 1000 kN, RPM: 1.5)

Fig. 15.

TBM excavation data in full-scale excavation test (Thrust: 1000 kN, RPM: 4.5)

한편 Fig. 16은 각 굴진조건에서 측정된 디스크 커터의 계측데이터를 도시한 것이다. 커터의 번호는 상술한 바와 같이 신규 커터 4개소(4번, 16번, 18번, 24번), 편마모 디스크커터 2개소(7번, 22번), 정상마모 디스크커터 2개소(10번, 19번)를 지시한다. 전반적으로 마모량을 간접적으로 지시하는 센서의 계측 전압은 안정적으로 계측이 이루어진 것을 알 수 있다. 대부분의 계측 전압은 초기에서부터 크게 변화하지 않았는데, 이는 본 실대형 굴진시험에서는 굴진거리가 100 mm 이내로 짧으므로 굴진에 따른 추가적인 마모가 발생하지 않기 때문이다. 7번 커터와 22번 커터는 결선 불량으로 인해 센서가 정상적으로 작동하지 않았으며, 10번 커터는 통신칩의 문제로 데이터가 정상적으로 송수신되지 못하였다. 해당 센서들에서 발생한 문제점은 센서패키지의 조립과정에서 발생하였을 수도 있으며, TBM의 굴진에 따라 발생하는 진동이 영향을 주었을 것으로 추정된다.

Fig. 16.

Measured voltages of wear sensors in different excavation conditions

Fig. 17은 정상적인 계측치를 보였던 센서(4번, 16번, 18번, 19번, 24번)들의 전압 변동값(Fig. 17(a))과 이에 따른 환산 마모량(Fig. 17(b))을 나타낸 것이다. 여기서 자기 센서로부터 환산 계측된 디스크 커터의 마모량은 모든 센서들의 초기 측정값을 일괄적으로 0으로 보정한 후 계산된 것이기 때문에, 계측이 시작된 이후의 마모량 변화를 나타내는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어 정상 마모된 디스크 커터에 설치된 센서(19번)는 신규 커터에 설치된 센서들(4번, 16번, 18번, 24번)에 비해 센서와 디스크 커터 사이의 절대적인 거리(마모량)가 크게 측정되어야 하지만, 변화량 측면에서는 차이가 없는 것으로 계산된다. 센서들의 초기전압이 다른 것은 센서의 설치환경이 다르기 때문이며, 설치환경에 따라 초기전압은 다르지만 거리에 따라 변화하는 전압의 변화량은 거의 유사하기 때문에 굴진 도중 변화하는 전압의 변화량을 통해 마모량을 산정하는 것이 가능하다. 정상 작동하였던 총 5개의 센서들은 대체로 안정적인 계측 결과를 나타내었으며, 본 연구의 굴진 시험에서 5개의 센서와 대응되는 디스크 커터에 추가적인 마모가 발생하지 않고 반경이 일정한 것으로 가정하면 센서들의 계측 오차는 ±0.13 mm인 것으로 도출되었다. 한편 편마모가 발생한 디스크 커터는 반경이 일정하지 않으므로 커터의 회전에 따라 마모 센서와의 거리가 변화한다. 만약 편마모 디스크 커터에 설치된 센서들(1번, 3번)의 계측 결과가 정상적으로 얻어졌다면, 동일한 센서로부터 계측되는 마모 데이터의 변화를 통해 계측정확도를 정량적으로 획득할 수 있었을 것이다. 하지만 본 연구에서는 이에 대한 정보는 획득하지 못한 한계가 있으며, 이에 대해서는 추가적인 굴진 시험과 현장시험을 통해 기술 보완을 추진할 계획에 있다.

Fig. 17.

Results of disc cutter wear sensor measurements

이상의 디스크 커터 계측시스템으로부터 계측된 데이터들은 실시간으로 센서패키지 내부로부터 TBM 본체 내 미니PC로 무선통신을 통해 송신되며(Fig. 18(a)), 미니 PC에서는 계측데이터를 다시 유선랜을 통해 외부 서버로 전송한다. 최종적으로 외부 서버에 저장되는 계측 데이터는 모든 데이터를 외부에서 모니터링을 할 수 있도록 모니터링 시스템을 구축하고 있다. Fig. 18(b)은 외부 사무실에서 굴진시험으로부터 획득되는 모든 계측데이터의 현황을 모니터링패널에서 확인하고 있는 사진을 나타내고 있다. 이를 통해 본 연구에서 개발한 디스크 커터 계측시스템을 통해 이루어지는 일련의 계측 프로세스(디스크커터 마모정보 계측 → 계측정보의 무선통신 → 모니터링)가 TBM 환경 내에서 정상적으로 작동한다는 것을 검증할 수 있었다.

Fig. 18.

Disc cutter wear monitoring system

4. 결 론

본 연구에서는 쉴드 TBM에 적용 가능한 디스크 커터의 마모측정 시스템을 개발하였다. 초음파 센서, 와전류 센서, 자기 센서를 대상으로 일련의 적용성 평가를 위한 실내시험을 수행하여 TBM 디스크 커터의 마모계측을 위해 가장 적합한 센서를 선정하고자 하였고, 그 결과 자기 센서가 가장 적합한 센서 타입으로 결정되었다. 자기 센서는 TBM 챔버 내부에서 조우할 수 있는 수중, 이수액, 굴착토 환경에서 비교적 정확하게 디스크 커터와의 거리를 계측할 수 있는 것으로 나타났으며, 계측거리는 40 mm 가량으로 일반적인 TBM 디스크 커터의 마모한계까지 측정이 가능한 것으로 판단되었다. 또한 마모센서, 회전수센서, 무선통신모듈을 포함하여 커터헤드에 장착가능한 디스크 커터 계측 시스템을 설계하여 제작하였으며, 이를 실제 TBM의 굴착환경에 적용하였다. 그 결과, 디스크 커터 마모센서는 안정적으로 계측을 수행하는 것으로 나타났을 뿐만 아니라 디스크 커터 마모측정 시스템에 의한 마모량 계측, 무선통신, 모니터링에 이르는 일련의 계측프로세스가 정상적으로 이루어진다는 것을 검증하였다.

하지만 본 연구에서 개발된 시스템의 검증을 위해 적용한 굴진시험은 짧은 거리를 굴진하는 관계로 암반을 굴착함에 따라 증가하는 마모량을 계측하지는 못하였으며, 마모량이 변화하지 않는 다는 가정조건 하에 수행된 것이다. 따라서 지속적으로 마모량이 증가하는 조건에서의 시스템의 검증이 추가적으로 필요하다고 판단되어 관련된 실험을 계획하고 있다. 또한 실내에서 수행되는 굴진시험의 특성 상 챔버가 개방된 대기 조건에서의 검증 시험이 수행되었다. 이러한 부분에 대해서는 향후 현장에 적용하여 현장조건에서의 검증을 실시할 계획이다. 아울러 굴진시험 도중 여러 원인에 의해 계측이 정상적으로 수행되지 못하는 경우들도 있었다. 각종 케이블의 결선 상태에도 영향을 받을 수 있지만, 굴착에 따라 발생하는 TBM의 진동에 대한 대책도 필요할 것으로 판단되었다. 따라서 향후에는 이에 대한 보완을 거쳐 현재 개발된 디스크 커터 계측시스템의 보완을 지속적으로 수행하고자 한다.