한국형 터널 굴착기술로 건설기술 강국 ‘성큼’-세계 최초 ‘TBM 커터헤드 설계자동화 시스템’ 개발 성공

한국형 터널 굴착기술로 건설기술 강국 ‘성큼’-세계 최초 ‘TBM 커터헤드 설계자동화 시스템’ 개발 성공

담당부서기술정책과 등록일2021-07-20 11:00

 

 

 

세계 최초‘TBM 커터헤드 설계자동화 시스템’개발 성공

한국형 터널 굴착기술로 건설기술 강국‘성큼’

 

 

□ 국토교통부(장관 노형욱)는 세계 최초로 “TBM(Tunnel Boring Machine)* 커터헤드(cutterhead)** 설계자동화 시스템”을 개발하고 핵심기술인 “TBM 장비 운전·제어 시스템”을 국산화 하는데 성공하였다고 7. 16일 공식 밝혔다.

 

  * TBM은 도심지 터널, 하·해저터널, 장대 산악터널 등에서 친환경적이로 경제적인 터널공법으로, 과거 발파에 의한 터널공법과는 달리 터널 전단면을 기계･굴착하는 장비로 소음과 진동을 최소화하고 시공의 효율성을 극대화 할 수 있는 첨단 건설기계

 

 ** cutter head, 터널을 뚫기 위해 사용하는 거대한 드릴로 굴착기 전면에 위치

 

 

 

<TBM 적용 굴착현장 개념도>

 

 

 ㅇ 이번에 개발된 기술은 한국건설기술연구원과 이엠코리아㈜ 등 4개 민간회사가 국토교통부 연구개발(R&D)사업*에 참여하여 이뤄낸 성과로, '17년부터 `21년까지 총 94억 원이 투입되었다. 

 

  * (과제명) TBM 커터헤드 설계자동화 및 운전·제어 시스템 개발, (기간) ’17.4∼‘21.12 (총연구비) 94억원(정부70,민간24), (참여) 한국건설기술연구원, 이엠코리아㈜, ㈜삼보기술단, 강릉건설㈜, ㈜두나정보기술 

 

□ TBM은 일반적으로 규격화된 건설기계와 달리 지반상태 등 현장 조건에 따라 맞춤형으로 설계․제작해야 하는 고가의 건설기계이며,

 

 ㅇ 특히, 설계･제작 기술을 보유한 국가*들은 TBM 제작 및 운영기술을 철저하게 비공개로 관리하고 있어서 원천기술 확보가 현실적으로 어려운 기술이었다.

 

   * TBM 시스템 설계․제작할 수 있는 국가는 독일, 미국, 일본, 중국, 호주, 캐나다 6개국

 

□ 세계 최초로 개발된 “TBM 커터헤드 설계자동화 시스템”은 기존에 수작업으로 이뤄지던 커터헤드 설계를 3차원 프로그램을 통해 다양한 지반 조건을 입력하면 이에 적합한 커터헤드의 설계가 자동으로 이루어지게 하는 첨단 기술로, 

  

 ㅇ 현재, 평균 1개월 이상 소요되는 커터헤드 설계 소요기간을 설계 자동화 기술을 통하여 3일 이내 완료할 수 있는 획기적인 기술이다. 

 

□ 이와 함께 국내 기술로 개발에 성공한 “TBM 장비 운전･제어 시스템”은 커터헤드 회전속도, 굴진방향 등을 자동 제어하고 운전하는 TBM 운용의 핵심 기술로서 일부 선진 국가에서만 보유한 기술이며,

 

 ㅇ 이번에 확보한 TBM 장비 운전·제어 시스템 원천기술을 통해 순수 국내 기술로 TBM 제작이 가능해 질 것으로 기대된다.

 

□ 최근 전 세계적으로 터널굴착 공사 시 소음, 진동 피해를 최소화하고 안전한 작업환경 조성하기 위하여 화약을 사용하는 굴착방식보다는 TBM을 활용한 기계식 굴착방식이 증가하는 추세이다.

 

 ㅇ 특히, 도시와 해저･하저지역에 터널공사를 중심으로 TBM 공사가 일반화 되면서 TBM을 활용할 수 있는 세계 시장 규모*는 매년 크게 성장할 전망*으로 기술개발의 효용성이 클 것으로 예상된다.

 

    * 세계 TBM이용 시장 : ’10년 약 11조원 → ’20년 약 55조원(한국지방세연구원, ’18.01) 

    * 세계 TBM제작 시장 : `19년 6조원 → `27년 8.4조원 전망(Research and Markets 2020)국내 TBM제작 시장 : `19년 1,781억원 → `27년 2,410억원 전망(날리지윅스 2015)

 

□ 국토교통부 이상주 기술안전정책관은 “TBM 커터헤드 설계자동화와 운전․제어 시스템 개발은 우리나라 건설기술이 세계시장을 선도할 수 있는 가능성을 보여준 큰 쾌거”라며,

 

 ㅇ “앞으로 국내 중소기업에 기술이전과 사업화를 통해 내수시장 뿐만 아니라 해외 시장 진출도 활발해 질 것으로 기대”된다고 밝혔다.

 

참고1

 

 TBM 커터헤드 설계자동화 및 운전·제어 시스템 개발 개요

 

  

□ 과제 개요

  

 ㅇ (과제명) TBM 커터헤드 설계자동화 및 운전·제어 시스템 개발

 

 ㅇ (연구기간) ’17.04∼‘21.12(4년 9개월)

  

 ㅇ (총연구비) 9,434백만원(정부 7,022백만원, 민간 2,412백만원)

  

 ㅇ (주관연구기관) 한국건설기술연구원(장수호 연구책임자)

 

     * 참여기업 : 이엠코리아㈜, ㈜삼보기술단, 강릉건설㈜, ㈜두나정보기술 

  

□ 주요 연구내용

   

 ㅇ TBM 커터헤드(Cutterhead) 설계자동화 시스템 개발

   

 ㅇ TBM 굴진용 운전·제어 시스템 개발

   

 ㅇ 교육·훈련용 TBM 시뮬레이터(하드웨어, 소프트웨어) 개발 

   

 ㅇ 시공조건별 TBM 최적 장비선정 가이드라인 개발 등

 

 

   

 

참고2

 

 TBM 장비 주요 용도 및 구성 현황

 

   

□ TBM(Tunnel Boring Machine) 장비 용도 및 활용

  

 ㅇ 장대터널, 도심지터널, 해․하저터널에서에서 기존 재래식 공법(예: 발파공법) 대피 시공속도가 빨라 공사기간/공사비용 절감가능하며, 다양한 지반조건에 시공이 용이하여 안전성 우수

  

 ㅇ 도심지 주변 환경 피해(소음, 진동, 침하, 교통정체 등) 최소화하여 지하철, 고속도로, 전력구, 상하수도, 가스관로 등의 터널공사에 활용

 

 

 

 

< TBM 적용 굴착현장 >

< 美 장대 수로터널 >

 

  

□ TBM 장비 구성 

  

 ㅇ TBM 장비 주요 구성품으로는 ①굴진면, ②커터헤드(Cutterhead), ③굴착챔버, ④압력 벌크헤드(Bulkhead), ⑤쉴드추진잭(Sheild Jack), ⑥배토장치, ⑦세그먼트 조립용 이렉터(Erector), ⑧세그먼트 라이닝, ⑨기타 설비(전기, 유압, 냉각, 변압) 등으로 구성

 

 

① 굴진면 : TBM 장비가 터널을 굴착하는 면

② 커터헤드 : 전방 굴착, 토사의 기내 유입·혼합

③ 굴착챔버 : 굴착면 지지 압력 제어·유지

④ 벌크헤드 : 터널 굴착 시 압력이 다른 부분을 칸막이하는 격벽

⑤ 쉴드추진잭 : 주요 추진 추력 발생

⑥ 배토장치 : 기내 유입된 버력(굴착된 토석, 암석덩어리 등)을 기외로 이동

⑦ 이렉터 : 세그먼트(붕괴방지용 원통모양 방호재) 조립 및 설치

⑧ 세그먼트 라이닝 : 터널에서 굴착부의 본 바닥면을 세그먼트로 피복

 

 

참고3

 

 TBM 커터헤드 설계자동화 시스템 주요 메인화면

 

 

 

 

< 커터헤드 설계자동화 시스템의 주요 구성 및 개념도 >

 

< 자동배열 커터들의 간섭/겹침 해결 모듈(일부) >

 

< 자동설계된 직경 8m급 커터헤드 설계사례(OO도시철도 터널) >

 

 

참고4

 

 TBM 운전․제어 시스템 화면 및 검증 전경

 

 

 

 

< TBM 운전·제어시스템의 메인화면 및 커터헤드 운전 화면 >

 

< 추진부 조작화면(TBM 직경조건별 자동변경 기능 포함) >

 

< 개발 시스템 검증을 위한 직경 3.54m TBM에의 설치 및 검증 >