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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김한얼 (한양대학교 )

지도교수
유한규
발행연도
2023
저작권
한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수1

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

초록· 키워드

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노후화된 터널은 단면이 작아 만성 정체가 발생할 수 있으며, 라이닝의 열화와 지반조건의 변형 등으로 안정성의 문제도 발생할 수 있다. 이에 대한 대책으로 터널을 신설하거나 기존노선을 확대하는 등 많은 투자가 이루어지고 있지만 부지 확보가 어려운 도심지역이나 우회도로를 이용할 수 없는 지역에서는 어려운 일이다. 이러한 이유로 교통흐름을 유지하면서 터널의 단면을 확대하는 터널확폭의 수요가 증가하고 있다. 최근에 들어서는 기계식 굴착의 일종인 Pre-cutting 머신을 활용한 터널확폭이 수행되었다. 토목 및 광업분야에서 기계식 굴착의 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, Pre-cutting 머신을 이용한 터널확폭의 수요 역시 증가할 것으로 예측된다. 이에 본 연구에서는 Pre-cutting 머신에 의한 굴착 특성을 분석하고자 하였다.
굴착 특성을 분석하기에 앞서, Pre-cutting 머신의 컷팅 툴에서 형상에 따른 영향을 분석하고자 하였다. 컷팅 툴은 절삭 능력에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 컷팅 툴의 형상 파라미터들 중, 여유각과 레이크각을 변수로 설정하였으며, 각기 다른 형상의 컷팅 툴을 이용하여 선형 절삭 시험을 수행하였다. 여유각의 영향이 레이크각의 영향에 비해 크게 나타났으며, 여유각이 일정 값 이상 커지게 되면 그 영향이 나타나지 않았다.
컷팅 툴의 형상의 영향분석을 토대로, 최적의 컷팅 툴을 이용하여 다양한 절삭 조건에서 선형 절삭 시험을 수행하였다. 절삭에 의해 발생한 절삭력과 수직력, 비에너지는 다른 터널 굴착 머신 들의 특성과 유사하게 나타났다. 반면, 절삭력과 수직력의 비율과 첨두 절삭력과 평균 절삭력의 비율에서 최적의 절삭조건을 예측할 수 있는 특징을 발견하였다. 이는 추후 Pre-cutting 머신의 설계와 운용에 유용한 데이터로서 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
추가적으로, 절삭에 의해 발생한 암석파편으로부터 굴착효율을 예측하는 새로운 방법을 제안하고자 하였다. 기존에 굴착효율의 지표로 사용되던 입자 사이즈 파라미터들과 CI를 암석파편의 최대직경과 비교하였으며, 최대직경이 비에너지와의 관계에서 추가적인 정보를 제공한 다는 것을 확인하였다. 이를 통해 암석파편의 최대직경이 굴착효율을 예측하는 지표로 활용 가능함을 증명하였다.

목차

CHAPTER 1. INTRODUCTION..........................................................................1
1.1 Background..................................................................................................1
1.2 Objectives and methodology of dissertation.................................................3
1.3 Organization of dissertation.........................................................................4
CHAPTER 2. BASIC THEORY AND LITERATURE REVIEW.......................6
2.1 Pre-cutting method.......................................................................................6
2.2 Mechanical pre-cutting................................................................................7
2.3 Rock cutting mechanism by drag-type tool................................................10
2.3.1 Rock cutting theories for chisel picks...............................................10
2.3.2 Rock cutting theories for conical picks.............................................17
2.3.3 Rock cutting by the interaction between drag picks..........................20
2.4 Excavation efficiency of drag-type tool.....................................................24
CHAPTER 3. LINEAR CUTTING TESTS........................................................26
3.1 Introduction................................................................................................26
3.2 Linear cutting machine...............................................................................27
3.2.1 Overview of linear cutting machine..................................................27
3.2.2 Cutting system of linear cutting machine..........................................28
3.2.3 Control system of linear cutting machine..........................................30
3.3 Cutting tool of pre-cutting machine............................................................30
3.3.1 Classification of cutting tools...........................................................30
3.3.2 Description of cutting tool of pre-cutting machine...........................30
3.4 Rock sample...............................................................................................34
3.4.1 Rock-like materials for rock experiments.........................................34
3.4.2 Fabrication of rock samples..............................................................34
3.5 Cutting volume measurement.....................................................................37
3.5.1 Cutting volume measuring method...................................................37
3.5.2 Description of 3D scanner.................................................................38
3.5.3 Measurement of cutting volume by 3D scanning..............................41
3.6 Cutting scheme...........................................................................................43
CHAPTER 4. ANALYSIS OF EFFECT OF TOOL SHAPE.............................44
4.1 Introduction................................................................................................44
4.2 Experimental setup.....................................................................................46
4.3 Relationship between tool shape and rock chip formation..........................48
4.3.1 Cutting force in formation of rock chip.............................................48
4.3.2 Effect of tool shape on rock chip formation......................................50
4.4 Effect of tool shape on cutting force...........................................................52
4.4.1 Effect of clearance angle on cutting force.........................................52
4.4.2 Effect of rake angle on cutting force.................................................59
4.5 Effect of tool shape on normal force...........................................................66
4.5.1 Effect of clearance angle on normal force.........................................66
4.5.2 Effect of rake angle on normal force.................................................72
4.6 Effect of tool shape on cutting volume.......................................................78
4.6.1 Effect of clearance angle on cutting volume.....................................78
4.6.2 Effect of rake angle on cutting volume..............................................82
4.7 Effect of tool shape on specific energy........................................................85
4.7.1 Effect of clearance angle on specific energy.....................................85
4.7.2 Effect of rake angle on specific energy..............................................89
4.8 Summaries.................................................................................................93
CHAPTER 5. ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF MECHANICAL
EXCAVATION............................................................................94
5.1 Introduction................................................................................................94
5.2 Experimental setup.....................................................................................95
5.3 Analysis of characteristics of tool forces by cutting conditions..................97
5.3.1 Effect of penetration depth and spacing on cutting force..................97
5.3.2 Effect of penetration depth and spacing on normal force................101
5.3.3 Analysis of cutting force to normal force ratio................................104
5.3.4 Analysis of peak to mean tool forces ratio.......................................106
5.4 Analysis of characteristics of tool forces by cutting conditions................112
5.4.1 Effect of penetration depth and spacing on cutting volume.............112
5.4.2 Comparison of measured and calculated cutting volume................115
5.5 Analysis of the effect of cutting condition on ridge formation..................121
5.5.1 Effect of penetration depth on ridge formation...............................121
5.5.2 Effect of spacing on ridge formation...............................................122
5.6 Analysis of the effect on specific energy by cutting condition..................128
5.6.1 Effect of penetration depth on specific energy................................128
5.6.2 Effect of spacing on specific energy................................................130
5.7 Summaries...............................................................................................135
CHAPTER 6. ANALYSIS OF RELATIONSHIP BETWEEN EXCAVATION
EFFICIENCY AND ROCK FRAGMENTS.............................136
6.1 Introduction..............................................................................................136
6.2 Rock fragment analysis............................................................................138
6.2.1 Rock cutting tests............................................................................138
6.2.2 Sieve analysis.................................................................................138
6.2.3 Coarseness index............................................................................140
6.3 Comparison between maximum diameter and particle size parameters...141
6.3.1 Correlation between median particle size and coarseness index.....141
6.3.2 Correlation between mean particle size and coarseness index........142
6.3.3 Correlation between absolute particle size and coarseness index....144
6.3.4 Correlation between maximum diameter and coarseness index......145
6.4 Comparison between maximum diameter and coarseness index by cutting
conditions................................................................................................150
6.4.1 Effect of penetration depth..............................................................150
6.4.2 Effect of spacing.............................................................................152
6.4.3 Effect of ratio of spacing to penetration depth................................153
6.5 Comparison of correlation with cutting results.........................................158
6.5.1 Correlation with cutting force.........................................................158
6.5.2 Correlation with normal force.........................................................166
6.5.3 Correlation with cutting volume.....................................................170
6.5.4 Correlation with specific energy.....................................................175
6.6 Summaries...............................................................................................180
CHAPTER 7. CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH.......................181
7.1 Conclusions..............................................................................................181
7.2 Recommendations for future research......................................................184
REFERENCES...................................................................................................185
APPENDIX A. RESULTS OF LINEAR CUTTING TESTS FOR ANALYSIS OF EFFECT OF TOOL SHAPE..............................................194
APPENDIX B. RESULTS OF LINEAR CUTTING TESTS FOR ANALYSIS OF EXCAVATION CHARACTERISTICS............................219
APPENDIX C. RESULTS OF 3D SCANNING................................................231
APPENDIX D. RESULTS OF ROCK FRAGMENTS ANALYSIS................258
국문요지..............................................................................................................279

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