1. Introduction
2. Experimental method
2.1 와전류센서(eddy-current sensor)의 선정
2.2 시험 장치 및 방법
3. Result and Discussion
3.1 대기 중 거리 측정 결과
3.2 측정 환경의 영향
4. 17인치 디스크 커터에 대한 검증 및 토의
5. 결 론
1. Introduction
TBM 디스크 커터는 암반을 굴착하는 과정에서 마모나 손상이 발생하는 소모성 부품이며, 과다하게 마모가 이루어지거나 파손된 경우에는 절삭 효율이 저하되거나 암석의 절삭이 불가능하다. 이러한 디스크 커터의 마모는 암반과 디스크 커터의 조건에 따라 다양한 형태로 발생하는 것으로 보고되고 있다(Liu et al., 2017, Su et al., 2020, Karami et al., 2020). 디스크 커터의 마모에는 정상마모, 비대칭 마모(편마모), 커터 링 파손 및 탈락 등이 있으며 마모 정도에 따라 즉각적인 교체가 필요할 수 있다. TBM에 의한 암반의 과정에서는 인접한 디스크 커터의 상호작용이 중요하므로 교체가 필요할 만큼 마모나 파손이 발생한 디스크 커터는 주변의 디스크 커터를 연쇄적으로 훼손하는 결과를 발생시켜 추력 및 토크 상승, 굴진속도 저하 등 쉴드 TBM 굴진 효율을 현저히 저하시킬 수 있다(Kim et al., 2020). 따라서 TBM 터널 공사에서는 디스크 커터의 상태를 지속적으로 점검하여 전체적인 디스크 커터의 교체 계획을 수립하는 것이 매우 중요한 사항으로 고려된다. 통상적으로 TBM터널의 설계단계에서는 디스크 커터의 수명예측이나 소요 수량 등을 산정하기 위해서 각종 경험적인 예측모델(Gehring, 1995, Bruland, 1998, Rostami et al., 2005)등이 활용되고 있으며, 최근에는 현장에서 얻어지는 TBM의 장비 데이터와 암반정보를 바탕으로 각종 머신러닝기법 및 통계적인 분석을 통해 디스크 커터의 수명을 예측하기 위한 연구들도 활발하게 수행되고 있다(Kim et al., 2020, Barzegari et al., 2021, Kang et al., 2022). 그러나 상술한 예측모델의 주된 활용 목적은 설계단계에서 공사비와 공기를 산정하기 위한 디스크 커터의 소요개수를 개략적으로 추정하는 것에 한정되며, 굴진데이터와 암반정보를 기반으로하는 예측기법들도 굴착 중 디스크 커터의 마모정도를 계측하는 데 직접적으로 활용하기에는 한계점이 있다고 볼 수 있다(Farrokh and Kim, 2018). 따라서 아직까지 TBM 현장에서는 디스크 커터의 교체시기를 판별하기 위해서 작업자가 커터헤드 챔버 내로 진입하여 특수제작 된 자 혹은 가이드 등을 이용하여 마모량을 계측하거나, 육안검사를 통해 디스크 커터의 손상여부를 판별하고 있다. 그러나 TBM 챔버 내부는 굴착된 토사나 암반, 지하수의 유입될 수 있으며, 높은 압력, 산소 부족 등의 위험한 환경일 가능성이 높아 안전에 대한 이슈가 항상 존재하며, 인력에 의한 계측은 때때로 부정확한 계측정보를 도출할 수 있다는 한계점을 가진다(Gong et al., 2021).
최근에는 이러한 커터의 인력계측과 관련한 여러 한계점들을 극복하고자 다양한 계측 센서를 활용하여 디스크 커터의 마모계측을 위한 연구가 수행되고 있다(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). 선행연구들에서는 디스크 커터의 마모계측을 위하여 초음파 센서(ultrasonic sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 와전류 센서(eddy-current sensor), 레이져 센서(laser sensor) 등과 같은 여러 센서의 적용사례를 소개한 바 있다. Guo et al.(2013)의 연구에서는 초음파 센서를 사용하여 TBM 디스크 커터의 마모량을 계측하기 위한 연구를 수행한 바 있으며, 독일의 대표적인 TBM 제조사인 Herrenknecht사에서도 초음파 센서를 활용한 디스크 커터의 계측시스템을 개발 중인 것으로 파악되고 있다(Edelmann, 2013). 초음파 센서는 균일한 전파매질 내에서 비교적 거리를 정확하게 계측할 수 있으나, 여러 매질이 혼재되어 있는 상황에서는 계측이 어려운 특성을 지니는 것으로 분석된다. 한편 Gong et al.(2021)은 자기저항 센서(magneto-resistive sensor)를 이용하여 디스크 커터의 마모량과 회전수를 측정하기 위한 계측시스템을 소개하였다. 일련의 실험실 시험을 통해 자기저항 센서의 계측치는 커터헤드 챔버 내 매질(물, 흙, 이수액 등)에 영향을 받지 않는 것으로 보고하였고, 개발된 시스템은 중국의 TBM 현장에 시범적용되어 검증을 수행한 것으로 보고하였다.
한편 와전류 센서를 사용하여 디스크 커터의 마모도를 계측한 사례들도 해외 문헌을 통해 보고되고 있다(Li et al., 2016, Sun et al., 2016, Zhang et al., 2017, Lan et al., 2019, Wang et al., 2019). 이 중 Wang et al., 2019는 와전류 센서를 이용한 디스크 커터의 마모 계측시스템의 개발 내용과 이를 터널 현장에 적용한 사례를 소개하였다. 일련의 실험실 시험을 통해 와전류 센서의 거리 계측값의 정확도를 평가하였으며, 특히 와전류 센서가 주변에 암석이나 토사와 같은 매질 내에서 측정하는 경우에는 주변 매질의 영향에 대한 보정과 계측 오차의 처리가 중요하다고 하였다. 일련의 보정작업과 검증을 마친 와전류 센서 커터계측시스템은 중국의 TBM터널 현장에 시험 적용되었다. 와전류 센서를 통해 계측된 커터의 마모량을 캘리퍼로 측정된 실측값과 비교하여 그 성능을 검증하였고, 와전류 센서로부터 측정된 마모량은 실제 마모량과 비교하여 약 1 mm의 오차를 보인 것으로 보고하였다. 현장에서 측정된 결과임을 고려할 때, 본 현장에 적용된 와전류 센서는 디스크 커터의 마모량을 비교적 잘 측정한 것으로 볼 수 있다.
본 연구에서는 선행연구에서 디스크 커터의 마모 계측을 위하여 적용되고 있는 다양한 종류의 센서 중 와전류 센서를 대상으로 적용성을 실험적으로 평가해보고자 하였다. 실험실에서 모사된 축소시험을 통해 와전류 센서의 거리 계측성능을 평가하였고, 특히 커터헤드 챔버의 다양한 환경 내에서 와전류 센서의 계측 성능 변화를 관찰하였다. 최종적으로는 17인치 디스크 커터를 대상으로 거리 계측 시험을 수행하여 와전류 센서의 마모계측 적용성을 평가하였고, 실험실 축소시험 결과와 비교하여 계측 정확도를 검증하고자 하였다.
2. Experimental method
2.1 와전류센서(eddy-current sensor)의 선정
본 연구에서는 디스크 커터의 마모도 계측을 위한 센서로 와전류 센서를 선정하였다. 와전류 센서는 주로 금속과의 거리를 정확하게 계측하기 위하여 도체에 발생하는 와전류에 의한 코일의 인덕턴스 변화를 이용하여 도체와의 거리를 측정하며, 전자기유도 현상을 기반으로 한다(Park et al., 2022). 와전류 센서 주변에서 발생하는 전자기현상으로 코일 내부에 흐르는 교류전류에 의해 코일 주변에는 고주파 교대 자기장(1차 자기장)이 생성되는데, 이 자기장은 도체의 표면층에 와전류를 생성시킨다(Park et al., 2022). 1차 자기장에 의해 생성된 와전류에 의해 도체의 표면층에는 다시 2차 자기장이 생성되며, 이 2차 자기장의 생성방향은 1차 자기장과는 반대의 방향으로 작용하게 되고 이러한 자기장의 상호작용으로 발생하는 코일의 매개변수와 인덕턴스 변화를 측정하는 것이 와전류 센서의 원리이다(Park et al., 2022). Fig. 1은 와전류 센서의 일반적 구조를 보여준다.
상술한 바와 같이 와전류 센서는 전자기유도 현상을 응용한 것으로 측정하고자 하는 물체(재료)가 특정 범위 내에 존재하는지를 판별하는 검출용(디지털 방식)과 측정 대상과의 거리를 측정하는 변위 센서(아날로그 방식)로 구분된다. 디스크 커터의 마모량을 측정하기 위해서는 두 종류의 와전류 센서 중 후자의 센서를 사용하여야 한다. 와전류 센서의 측정성능(한계거리, 정밀도 등)은 센서의 크기나 제작사에 따라 상이하나, 일반적으로는 센서의 크기가 커지면 측정범위는 증가하고 정밀도는 감소하는 것으로 조사되었다. 국내외 와전류 변위 센서 기성품의 주요 사양을 검토한 결과, 최대 측정 범위는 10 mm(일반 철기준, 보장수치) 내외로 제시되어 있으며 대체적으로 정밀도가 굉장히 매우 높다는(μm단위) 장점을 갖고 있었다. 본 연구에서는 상기 검토결과를 바탕으로 측정범위와 정밀도가 우수한 Keyence사의 와전류 변위 센서(EX-422V 모델)를 선정하였다(Fig. 2). 해당 와전류 센서의 측정 거리는 최대 10 mm, 분해능 2 ㎛이며 센서 헤드의 중량은 200g이다. 와전류 변위 센서는 각 센서에 대응하는 별도의 엠프유닛(EX-V10 모델)을 필요로 하며, 엠프유닛은 센서로부터 계측된 전압을 거리로 환산하는 기능과 재료에 따른 보정기능을 제공한다. 본 연구에서 사용한 와전류 센서의 개략적인 사양은 Table 1에 요약하였다.
Table 1.
Summary of the performance and specifications of eddy current sensor
2.2 시험 장치 및 방법
본 연구에서는 선정된 와전류 센서의 거리 계측 성능을 평가하기 위한 시험장치를 Fig. 3과 같이 준비하였다. 시험장치는 상술한 와전류 센서와 엠프유닛 외에 시험박스, 센서 운반 장치, 소형디스크 커터로 구성된다. 실험실 조건에서 디스크 커터의 마모량 변화를 구현하기 위해 계측센서가 고정된 위치에서 디스크 커터와의 실제 거리를 계측하는 조건을 가정하였다. 이 가정에서는 디스크 커터의 커터 링이 마모됨에 따라 디스크 커터와 센서와의 물리적인 거리는 지속적으로 증가한다. 하지만 실험실 시험에서는 디스크 커터의 마모에 따라 커터 링의 직경이 감소하는 현상을 구현하기가 어렵기 때문에 디스크 커터의 마모량을 센서와 디스크 커터간 거리의 증가량으로 표현하였다. 디스크 커터와 센서와의 거리를 제어하기 위한 센서운반장치는 레버를 돌려 센서를 이동시킬 수 있으며 운반장치에 표시된 지시자를 통해 거리를 확인해 가며 원하는 계측 거리를 설정하였다. 디스크 커터와 센서를 위치시키기 위한 시험박스는 센서가 설치되는 다양한 환경매질을 구현하기 위하여 제작하였고, 본 연구에서는 쉴드TBM을 대상으로 디스크 커터가 커터헤드 챔버 내에서 존재할 수 있는 주요 조건인 대기 중, 수중, 벤토나이트 이수액, 굴착토 환경을 시험장치 내에서 구현하고자 하였다.
계측대상인 디스크 커터는 실제 크기에 비해 축소된 소형디스크 커터를 제작하여 사용하였다(Fig. 4). 디스크 커터의 직경은 100 mm이며, 디스크 커터의 팁 너비는 두 가지(2 mm, 7 mm)로 구분된다. 디스크 커터의 팁 너비를 두 형태로 구분한 것은 와전류 센서의 사양표에서 계측 대상의 너비에 따라 계측 정확도가 달라질 수 있음을 명시했기 때문이다. 센서헤드의 직경에 비해 너무 좁은 표면을 계측하게 되는 경우 표면에 생성된 와전류로부터 유도되는 자기장과의 상호작용이 왜곡될 수 있다는 것이며, 따라서 본 연구에서는 1차적으로 계측대상인 디스크 커터의 팁의 너비가 계측결과에 미치는 영향을 확인한 후 본 실험을 진행하고자 하였다.
한편 와전류 센서는 계측 대상 재료에 따라 출력되는 전압이 다르므로 시험 전에 초기 출력전압을 보정하는 절차가 필요하고, 출력전압을 거리로 환산하기 위한 참조값을 엠프에 입력해주어야 한다. 초기 출력전압의 보정은 굴곡면이 존재하지 않는 디스크 커터의 편평한 면을 이용해 수행하며, 센서를 측정대상 매질에 접촉시킨 상태로 수행한다. 출력전압을 거리로 환산하기 위한 참조값으로는 계측값의 양끝단을 입력해 주어야 한다. 초기의 접촉상태(거리 0 mm)를 입력하면 그때의 전압치를 0 mm의 거리로 입력받으며, 거리를 서서히 증가시켜 가면서 센서의 측정한계를 보이는 지점에서의 거리값을 입력하면 입력된 전압-거리 간의 상관관계를 기반으로 선형증가를 가정하여 계측값을 도출한다. 이상과 같이 설명된 시험방법에 따라 본 연구에서 계획한 실험계획은 Table 2에 요약된 바와 같다. 본 연구에서는 와전류 센서의 거리 계측 정확도와 측정 환경이 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 계측 거리는 0 mm부터 30 mm까지 2 mm 간격으로 증가시켜 가며 시험을 수행하였고, 17인치 디스크 커터가 일반적으로 20~25 mm 마모되는 경우 교체되는 것을 참고하여 계측범위를 설정하였다.
3. Result and Discussion
3.1 대기 중 거리 측정 결과
Fig. 5는 대기상태에서 와전류 센서의 계측성능을 평가한 시험 모습을 보여주며, Fig. 6은 서로 다른 팁 너비를 갖는 축소 디스크 커터에 대한 대기 중에서의 계측 결과를 나타낸 것이다(실제 거리와 와전류 센서를 통해 측정된 거리를 1:1 스케일로 도시하였다). 대기상태에서는 커터 팁의 너비가 와전류 센서의 거리 계측 결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 Fig. 4와 같이 팁의 너비가 서로 다른 2개의 커터에 대하여 시험을 수행하였다. Fig. 6의 결과에서 알 수 있듯이, 커터 팁의 너비는 와전류 센서의 계측 성능에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 와전류 센서와 디스크 커터의 거리가 16 mm 까지는 비교적 선형적이며 실측치와 매우 일치하는 것으로 나타났으나, 16 mm 이상의 거리에서는 계측 거리가 선형적으로 증가하는 것이 아닌 비선형적인 증가추세를 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 추가적인 보정절차가 적용되지 않는 경우에는 본 와전류 센서의 계측범위가 16 mm 이내로 제한된다는 것을 의미한다. 참고로 제조사에서는 일반 철을 기준으로 센서의 계측 한계를 10 mm로 제시하고 있으며, 이는 센서의 계측정밀도를 보장할 수 있는 센서의 측정 범위를 보수적으로 제시하고 있다. 이러한 와전류 센서의 특성은 선행연구(Lan et al., 2019, Wang et al., 2019)에서도 동일하게 보고되고 있는데, 선행연구에서는 비선형구간에 대한 데이터를 별도의 회귀식을 통해 2차처리하여 디스크 커터의 마모량으로 환산하는 방식을 적용한 바 있다. 따라서 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 비선형계측값이 나오는 구간에 대한 환산식을 별도로 적용하거나 추가적인 보정절차를 적용해야 할 것으로 판단되었다.
3.2 측정 환경의 영향
한편 와전류 센서는 디스크 커터의 주변에 설치되어 TBM 챔버 내에서 계측을 수행하므로 TBM 챔버 내에서 조우가 가능한 다양한 환경에서의 계측 성능 검증이 반드시 필요할 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 앞서 실험한 대기조건 이외에 수중, 벤토나이트 이수액, 굴착토 조건에서 와전류 센서의 계측 성능을 평가하고자 하였다. Fig. 3에 나타낸 아크릴 시험박스 내부에 소형 디스크 커터와 센서를 배치한 후 시험박스 내부를 물, 이수액, 토사로 채워 Fig. 7과 같은 계측 환경을 구현하였다. 이수액은 쉴드TBM의 운용환경을 고려하여 농도 7.5%의 이수액을 제작하였고, 굴착토 환경의 경우에는 실제 TBM현장에서 회수된 굴착토를 사용하였다. 앞선 대기 중에서 수행된 시험의 결과에서 알 수 있듯이, 디스크 커터의 팁 너비는 측정 결과에 영향을 미치지 않으므로 계측환경이 더 열악할 것으로 판단되는 팁의 너비가 좁은 디스크 커터를 대상으로 수행하였다.
Fig. 8은 이상과 같이 구현된 각 환경에서의 와전류 센서의 거리 계측 결과를 나타낸 것이다. 계측 결과는 앞선 대기 중에서의 시험 결과와 매우 유사하였으며, 16 mm까지는 실측값과 매우 유사한 결과를 보이다가 그 이후부터는 계측치가 선형적으로 증가하는 것이 아닌 비선형적인 증가추세를 나타내었다. 토사환경에서는 16 mm 이전에 계측값이 불안정한 결과를 나타내고 있는데, 이는 다른 측정 환경과는 달리 토사환경에서는 센서의 거리를 정밀하게 제어하는 것이 다소 제한되기 때문이며 실험상의 오차로 판단되었다. Fig. 9에 요약된 이상의 결과로부터,, 와전류 센서의 거리 계측 성능은 디스크 커터와의 사이에 공기 외 매질이 존재하는 환경에서도 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 측정 도체에서 발생하는 코일의 인덕턴스 변화를 이용하는 와전류 센서의 계측 방식에 기인하는 것이라고 볼 수 있으며, 반대로 디스크 커터가 아닌 자성을 가지는 다른 물체가 주변에 존재하면 계측치의 오차가 발생할 수 있음을 의미한다.
4. 17인치 디스크 커터에 대한 검증 및 토의
앞서 소개한 바와 같이 본 연구에서는 와전류 센서를 적용하여 축소된 디스크 커터와의 거리를 측정하는 실내시험을 통해 적용성을 1차적으로 평가하였으며, 그 결과 와전류 센서는 한정된 범위 내에서 디스크 커터와의 거리를 비교적 정확하게 측정할 수 있음을 확인하였다. 또한 와전류 센서의 계측결과는 TBM 디스크 커터가 조우할 수 있는 다양한 환경에서도 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 와전류센서의 계측 성능이 실제 디스크 커터(17인치)를 대상으로도 유지되는지를 평가해 보고자 하였다. 이를 위해 17인치 디스크 커터를 장착하여 회전수 조절이 가능한 장치를 자체적으로 고안하여 제작하였다. Fig. 10은 시험장치의 구성과 개략적인 3차원 형상을 나타내며, Fig. 11은 제작된 시험장치의 사진을 보여준다. 제작된 시험장비는 실물 디스크 커터(17인치)를 장착하여 회전수를 조절할 수 있으며, 일반적인 TBM의 RPM과 디스크 커터의 직경을 고려하여 최대 100RPM까지 조절이 가능하다. 또한 디스크 커터와의 거리 계측을 위한 센서를 설치할 수 있는 거치부를 별도로 제작하였으며, 센서 거치부는 센서를 수직방향과 수평방향으로 이송하여 거리를 조절하거나 측정방향을 조절할 수 있는 기능을 갖도록 하였다. 제작된 시험장비를 활용하여 대기상태에서 와전류 센서를 통해 17인치 디스크 커터와의 거리를 별도로 계측하였으며, 특히 센서의 계측 방향을 두 가지로 구분하여 시험결과를 획득하였다(Fig. 12). 디스크 커터의 마모량 계측을 위한 센서들은 디스크 커터의 하우징 내부에 설치될 가능성이 높으며, 디스크 커터 하우징 주변은 내부 공간이 협소하기 때문에 센서를 설치할 수 있는 공간과 방향이 매우 제한적일 것이다. 따라서 센서의 계측방향에 대한 영향을 확인하고자 Fig. 12와 같이 계측방향을 구분하여 시험 결과를 획득하였다. 시험 시 디스크 커터의 회전속도는 30 RPM으로 고정된 상태에서 시험이 이루어졌다.
Fig. 13은 앞선 소형디스크 커터의 실험과 동일하게 와전류 센서와 17인치 디스크 커터와의 거리를 0 mm부터 30 mm까지 2 mm 간격으로 증가시켜 가며 측정된 계측값을 실측값과 1:1 스케일로 도시한 것이다. 1st Case는 Fig. 12의 Case-1과 같은 계측방향을 의미하며, 2nd case는 Fig. 12의 Case-2와 같은 계측방향을 의미한다. 시험 결과는 소형디스크 커터의 시험결과와 매우 유사한 결과를 나타내었다. Fig. 9에 나타난 것과 같이 16 mm까지는 출력값이 실측값과 매우 일치하는 결과를 보이는 반면, 18 mm 부터는 비선형적인 변화 경향을 보였다. 이것은 앞선 소형디스크 커터를 사용한 계측결과와 마찬가지로 계측한계를 벗어나는 거리부터는 와전류 센서의 추가적인 보정작업이 필요함을 지시한다. 이상의 소형디스크 커터와 17인치 디스크커터 사이의 계측 유사성을 바탕으로 판단하면, 17인치 디스크 커터에서도 계측 매질은 와전류 센서의 거리 계측 결과에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 또한 한정된 범위이기는 하지만 17인치 디스크 커터를 대상으로도 매우 높은 정확도로 디스크 커터와의 거리를 계측할 수 있어 디스크 커터의 마모량 계측에 유용하게 활용될 수 있음을 보여준다.
5. 결 론
본 연구에서는 해외의 선행연구에서 디스크 커터의 마모량을 계측하기 위해 활용되고 있는 와전류 센서의 적용성을 일련의 실험실 시험을 통해 평가하였다. 소형디스크 커터와의 거리 계측 정확도를 다양한 계측 환경에서 평가하였고, 17인치 디스크 커터를 대상으로도 계측성능을 검증하였다. 이상의 시험을 통해 얻은 결과는 다음과 같다. 디스크 커터(도체)와의 거리 측정 정확도는 μm단위로 매우 정확한 성능을 보이지만, 선형적으로 측정이 가능한 거리는 16 mm 이내로 비교적 짧은 편에 속한다. 계측 한도를 벗어나는 구간에서는 비선형적인 변화 경향을 보이지만 거리의 증가에 따라 계측전압은 미세하게 증가하고 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 16 mm 이상의 거리에 대해서도 거리 계측이 가능할 것으로 판단되어 해당 부분에 대해서는 와전류 센서의 적용성을 보완하기 위한 추가 연구를 수행하고 있다. 또한 와전류 센서는 전자기유도 현상에 의한 계측원리를 사용하므로 커터헤드 챔버 내에서 조우할 수 있는 토사, 이수액, 수중 환경에서 계측 결과가 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 실험실에서 모사된 다양한 환경 내에서의 계측 결과는 공기 중에서의 측정값과 거의 동일한 값들을 나타내었으며 이는 도체에서 발생하는 코일의 인덕턴스 변화를 이용하는 와전류 센서의 장점을 잘 보여주는 결과이다. 와전류 센서에 대한 적용성을 평가하기 위한 기초연구로 수행되어 비록 한정된 조건에서의 시험 결과만이 얻어졌다는 한계점은 있지만 향후 국내에서 디스크 커터의 마모량측정 시스템을 개발하고자 하는 경우 본 연구의 결과들은 유용한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
