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터널이야기

터널 변위 영구계측기기 종류

by ◎◎●◎●◎◎◎● 2020. 5. 29.

터널 변위 영구 계측기기 종류

터널에서 계측은 인간의 판단력과 계측기기의 수행력을 조합시켜 터널 구조물 자체, 굴착면 주변 지반, 인접 구조물 및 각 지보재의 변화 양상을 측정 거동에 관한 공학적 정보를 수집하는 행위 즉, 이론과 기법, 통찰과 경험, 측정기술과 측정기기를 이용하여 터널 건설, 유지관리와 관련된 공학적 문제 해결에 정량적 및 정성적 정보를 얻는다. 터널 계측은 일상 계측, 정밀 계측, 유지관리 계측으로 나뉘며, 변위 영구 계측을 위하여 광섬유 센서, 바셋 시스템, DTL 시스템 등을 이용하고 있다. 

계측 항목

일상계측은 공사의 안정성을 확인하고 시공의 적합성을 확인하기 위해 실시한다. 갱내 관찰조사, 첨단 침하 측정, 락볼트 인발시험, 내공 변위 측정, 지표침하 측정 등이 있다. 

정밀 계측은 설계의 타당성을 확인하고 잔여공사의 시공계획을 수립하기 위하여 실시한다. 숏크리트 응력 측정, 지중 침하 측정, 지중 변위 측정, 지중 수평 변위 측정, 락볼트 축력 측정 등이 있다. 

유지관리 계측은 터널이 완공된 후 사용기간 중에 굴착면 주변 지반의 변화로 발생하는 콘크리트 라이닝의 변화 여부를 사전에 확인하여 터널 자체의 안정성을 확보하는 행위를 뜻한다. 지반변형이 예상되는 터널이나 주변의 특정 건물에 위해가 예상되는 터널, 하저터널, 해저터널, 장대터널 등에 설치한다. 내공 변위 측정, 천단 침하 측정, 간극수압 측정, 토압 측정, 철근 응력 측정, 라이닝 응력 측정 등이 있다. 지반이 취약하고 지질변화가 심하여 과다 변위가 생기는 구간, 주요 구조물 인접지나 향후 구조물이 터널에 근접하여 건설 예정인 구간, 공사 중에 붕락이 발생한 구간 등에 실시한다. 

변위 영구계측기기 종류

광섬유 센서

구조물 단면 형상을 따라서 종, 횡방향 표면에 설치하여 외부 하중으로 인한 콘크리트의 균열 및 변위를 변형률로 구하여 구조물의 안정성을 판단하는 방식이다. 광발진기로부터 빛을 반사하여 돌아오는 광량을 체크하여 광섬유의 길이 변화를 파악하는 광 변형율 계 개념이다. 전자기 등의 영향에 의한 노이즈가 발생되지 않고 부식이나 습기 등의 영향을 받지 않고 장기간 열악한 환경에서 안정적인 계측이 가능하다. 지하철 구조물에 사용 중인 광섬유 센서의 길이는 보통 4~5m이나 최근 기술발전으로 센서 길이를 최대 12m까지 할 수 있어서 구조물의 국부 변형 및 전체 변형을 측정할 수 있다. 케이블이 광섬유로 이루어져 단락 시 재사용이 안되고 유지관리비용이 비싸다. 

바셋 시스템

터널 변형 측정을 목적으로 개발된 방식이다. 터널에 변형이 생기면 참고 핀이 움직임을 감지하여 그 움직임을 기울기 변화량으로 저장한다. 이 시스템은 여러 개의 장축과 단축에 빔 센서를 부착하여 길이 변화와 각도 변화를 측정하여 변화된 형상을 그리므로 구조물의 거동을 전체적으로 측정할 수 있다. 바셋 시스템은 전해질 기울기 측정 센서를 사용함으로 터널 내의 공기 굴절율에 따른 변동을 제거하여 정밀도가 향상되며 실시간 측정을 통해 변위 추이를 알 수 있다. 구조물 내면에 돌출되어 설치하므로 구조물 내 각종 시설물에 저촉되지 않도록 장축과 단축의 조정이 필요하고 전동차 고속운행구간에서는 반복되는 풍속과 진동 영향으로 고정너트가 풀릴 우려가 있고 견고하게 고정이 필요하다. 전해질 기울기 측정 센서는 자체 코일은 전자기장 복원력을 이용하여 각속도를 측정하므로 지하철 구조물 내에서는 고전압으로 인한 전자기장으 영향에 대비가 필요하다. 일반 케이블 사용으로 유지보수가 쉽다. 

DTL 시스템

국내에서 바셋 시스템을 개선하여 단축과 각도 센서 대신 장축에 길이 센서 기능을 추가하여 단축을 없앰으로써 터널 라이닝 면에 밀착시키므로 안정성을 확보한 방식이다. 일반 케이블을 사용하므로 유지보수가 쉽고 유지비용이 저렴하다. 

활용법

소개한 변위 영구 계측기는 터널 계측의 신기술로 현재 사용 중에 있다. 터널의 전단면 내공 변위계로 유지관리용 계측기로 통신망을 이용하여 모니터링하는 원거리 계측 시스템에 이용된다. 기존 기계식에 비하여 보다 정밀하고 신뢰도가 높은 계측 데이터를 실시간으로 측정하기 때문에 터널 유지관리적인 측면에서 훨씬 유리하다. 터널뿐만 아니라 항만 콘크리트 구조물이나 기초공 등 다른 분야에도 활용할 수 있다. 계측 분야에서 광섬유 센서, 바 셋 시스템, DTL 시스템의 편리성은 국내, 국외 적용사례에서 이미 입증되고 있다. 

 

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