[국내논문]광섬유센서케이블을 이용한 지하연구시설의 지반변위 및 온도변화 감시시스템 구축 Monitoring System of Rock Mass Displacement and Temperature Variation for KURT using Optical Sensor Cable원문보기
한국원자력연구원 내에 위치하는 지하연구시설의 안정적인 운영을 위하여 터널 내 벽면과 주변 사면의 지반변위 및 온도 변화를 실시간 감시할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 광섬유센서케이블의 센서 기능을 활용하여 케이블 전체가 하나의 센서 기능을 하는 분포개념의 온도 및 변형을 측정기법을 이용한 것으로서 기존의 특정지점 계측방법과는 확연하게 차별된다. 이 기법은 구조물의 특성에 따라 선택적으로 탄력적 적용이 가능하여, 최대 매 1 m 간격으로 총연장 30 km까지 하나의 운영체계로 감시할 수 있는 기능을 가지고 있다. 변형특성의 계측 범위는 1 m 당 1 mm 변위 크기까지 계측이 가능하며, 변위 발생 위치와 변위가 진행하는 방향까지 계측 가능하다. 온도는 $0.01^{\circ}C$해상도를 가지며 케이블 종류에 따라 $-160{\sim}600^{\circ}C$까지 계측이 가능하다. 지하연구시설에서 1년 간의 모니터링 결과, 터널 벽면 및 주변 사면에서 뚜렷한 변위 혹은 거동은 확인할 수 없었으나, 지하수 누출에 의해 점진적으로 영향이 미칠 것으로 예상되는 징후를 확인하였다. 이로서 숏크리트로 처리한 터널 벽면의 균열변형 및 붕괴/낙반사고를 사전에 감지하고, 암반 내 지하수위의 등락과 함께 연구 터널내 환기상태를 감시, 관리할 수 있는 시스템을 구축하게 되었다. 이 외에도 이 시스템은 복잡한 구조를 갖는 플랜트의 변형은 물론 장대 구조물과 고층빌딩, 대형선박, 장대 교량, 댐과 송수관로 및 지하철 등의 안전 유지상태 및 누수 등의 감시에도 적용 가능하다. 특히 온도 변화 감시 기능은 목재 건조물에도 효과적으로 이용할 수 있다.
한국원자력연구원 내에 위치하는 지하연구시설의 안정적인 운영을 위하여 터널 내 벽면과 주변 사면의 지반변위 및 온도 변화를 실시간 감시할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 광섬유센서케이블의 센서 기능을 활용하여 케이블 전체가 하나의 센서 기능을 하는 분포개념의 온도 및 변형을 측정기법을 이용한 것으로서 기존의 특정지점 계측방법과는 확연하게 차별된다. 이 기법은 구조물의 특성에 따라 선택적으로 탄력적 적용이 가능하여, 최대 매 1 m 간격으로 총연장 30 km까지 하나의 운영체계로 감시할 수 있는 기능을 가지고 있다. 변형특성의 계측 범위는 1 m 당 1 mm 변위 크기까지 계측이 가능하며, 변위 발생 위치와 변위가 진행하는 방향까지 계측 가능하다. 온도는 $0.01^{\circ}C$ 해상도를 가지며 케이블 종류에 따라 $-160{\sim}600^{\circ}C$까지 계측이 가능하다. 지하연구시설에서 1년 간의 모니터링 결과, 터널 벽면 및 주변 사면에서 뚜렷한 변위 혹은 거동은 확인할 수 없었으나, 지하수 누출에 의해 점진적으로 영향이 미칠 것으로 예상되는 징후를 확인하였다. 이로서 숏크리트로 처리한 터널 벽면의 균열변형 및 붕괴/낙반사고를 사전에 감지하고, 암반 내 지하수위의 등락과 함께 연구 터널내 환기상태를 감시, 관리할 수 있는 시스템을 구축하게 되었다. 이 외에도 이 시스템은 복잡한 구조를 갖는 플랜트의 변형은 물론 장대 구조물과 고층빌딩, 대형선박, 장대 교량, 댐과 송수관로 및 지하철 등의 안전 유지상태 및 누수 등의 감시에도 적용 가능하다. 특히 온도 변화 감시 기능은 목재 건조물에도 효과적으로 이용할 수 있다.
The optical fiber cable acting as a sensor was embedded in the underground research tunnel and portal area in order to monitor their stability and the spatial temperature variation. This system includes two types of sensing function to monitor the distributed strain and temperature along the line, w...
The optical fiber cable acting as a sensor was embedded in the underground research tunnel and portal area in order to monitor their stability and the spatial temperature variation. This system includes two types of sensing function to monitor the distributed strain and temperature along the line, where sensor cable is installed, not a point sensing. According to the results of one year monitoring around the KURT, there is no significant displacement or movement at the tunnel wall and portal slope. However, it would be able to aware of some phenomena as an advance notice at the tunnel wall which indicates the fracturing in rockmass and shotcrete fragmentation before rock falls accidently as well as movement of earth slope. The measurement resolution for rock mass displacement is 1 mm per 1 m and it covers 30 km length with every 1m interval in minimum. In temperature, the cable measures the range of $-160{\sim}600^{\circ}C$ with $0.01^{\circ}C$ resolution according to the cable types. This means that it would be applicable to monitoring system for the safe operation of various kinds of facilities having static and/or dynamic characteristics, such as chemical plant, pipeline, rail, huge building, long and slim structures, bridge, subway and marine vessel. etc.
The optical fiber cable acting as a sensor was embedded in the underground research tunnel and portal area in order to monitor their stability and the spatial temperature variation. This system includes two types of sensing function to monitor the distributed strain and temperature along the line, where sensor cable is installed, not a point sensing. According to the results of one year monitoring around the KURT, there is no significant displacement or movement at the tunnel wall and portal slope. However, it would be able to aware of some phenomena as an advance notice at the tunnel wall which indicates the fracturing in rockmass and shotcrete fragmentation before rock falls accidently as well as movement of earth slope. The measurement resolution for rock mass displacement is 1 mm per 1 m and it covers 30 km length with every 1m interval in minimum. In temperature, the cable measures the range of $-160{\sim}600^{\circ}C$ with $0.01^{\circ}C$ resolution according to the cable types. This means that it would be applicable to monitoring system for the safe operation of various kinds of facilities having static and/or dynamic characteristics, such as chemical plant, pipeline, rail, huge building, long and slim structures, bridge, subway and marine vessel. etc.
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문제 정의
본 연구에서는 일반적으로 통신용으로 사용하는 광케이블 자체를 센서 (optical sensor cable: 광섬유센서케이블) 로 활용하여 최소한 매 1 m 간격으로 센서 기능을 할 수 있는 특성을 이용함으로써 각 센서와 수많은 연결선으로부터 해방하였고, 평가대상 구조물의 다양한 물리적, 기하학적 특성에 유연하게 대처할 수 있는 가능성을 확인하였다. 특히, 저준위방사성폐기물 지하처분 공동의 경우 처분장 운영 중 매 50m 간격으로, 그리고 지반이 취약한 구역에는 보다 조밀한 간격으로 지반변위 감시관리를 시행하도록 SRP (Standard Review Plan)에서 규정하고있으며, 부지 내 인공사면의 경우도 동일하게 시행하도록 주문하고 있다.
특히, 저준위방사성폐기물 지하처분 공동의 경우 처분장 운영 중 매 50m 간격으로, 그리고 지반이 취약한 구역에는 보다 조밀한 간격으로 지반변위 감시관리를 시행하도록 SRP (Standard Review Plan)에서 규정하고있으며, 부지 내 인공사면의 경우도 동일하게 시행하도록 주문하고 있다. 본 연구를 통하여 한국원자력연구원 내에위치흐)는 방사성폐기물 지하연구시설 (KURT: KAERI Undetground Research Tunnel)의 안정적인 운영을 위하여 실시간 터널 내 벽면의 지반변위 및 온도 변화를 실시간으로 감시 가능한 체제를 확립함으로써, 벽면의 균열변형 현상을 미리 감지하여 대규모 붕괴를 사전에 예방하고, 암반 내 지하수위의 등락 및 화재감시의 첨병 역할을 할 수 있게 되었다.
본 사업의 최종목표는 고준위폐기물 처분시스템 개발을 위한 지하 실증연구시설을 건설하는 것으로 처분장 예상 심도에서의 한국형 처분시스템의 안전성을 실증하고, 이와 더불어 방사성폐기물 처분에 관한 지속적인 교육 홍보를 통하여 국민 수용성을 증진시키는 것이다. 2009년까지는 1단계 시설에서 지하수 환원환경 조건의 지하지질 기초자료를 확보하고 처분시스템 안전성 예비 실증시험을 수행하고 있다.
제안 방법
KURT의 터널 벽면 및 입구 주변 사면의 변형특성 (변위의 위치, 크기, 방향 등)을 계측하고 실시간 모니터링할 수 있는 기능을 확립하기 위해서 광섬유센서케이블을 설치하였다. 터널 벽면의 설치 위치는 터널 단면에서 응력 집중이 가장 크게 일어날 것으로 예상되는 천정 좌우 모서리 부근에 한 줄로 설치하였다 (Fig.
설치 총연장은 650m 이며 에폭시로 벽면에 고정시켰다. 효율적인 감시관리 및 자료 해석을 위하여 터널 진입방향을 기준으로 총 10 개 구역으로 구분하여 관리하였다. 특히, 3 구역은 터널 입구의 콘크리트라 이닝 구간이며, 5 구역과 9 구역은 좌우 대칭이 되는 지점의 상대적인 특성을 파악할 수 있도록 체계화 하였고, 6 구역과 8 구역은 각각 좌우 연구 터널에 해당한다.
KURT의 공동 벽면 및 동굴 입구 주변 사면에 설치한 광섬유 센서 케이블은 설치 후 최초의 상태를 초기화하여 이 시점의 값을 기준으로 정하고 후속 측정값을 대비시키도록 설정하였다. 모니터링 주기는 시설의 기능과 목적에 따라 최소 수 초 단위로 감시할 수도 있으나, 본 시설은 운영 시 진동현상을 나타내는 특정 플랜트와 같이 동적 특성을 가진 시설이 아닐 뿐만 아니라, 효율적인 인력 및 시설 투자 여건을 감안하여 월 1~2회 측정하는 것을 기본으로 하고 필요 시 횟수를 증가하도록 계획하였다.
설정하였다. 모니터링 주기는 시설의 기능과 목적에 따라 최소 수 초 단위로 감시할 수도 있으나, 본 시설은 운영 시 진동현상을 나타내는 특정 플랜트와 같이 동적 특성을 가진 시설이 아닐 뿐만 아니라, 효율적인 인력 및 시설 투자 여건을 감안하여 월 1~2회 측정하는 것을 기본으로 하고 필요 시 횟수를 증가하도록 계획하였다.
대상 데이터
특히, 3 구역은 터널 입구의 콘크리트라 이닝 구간이며, 5 구역과 9 구역은 좌우 대칭이 되는 지점의 상대적인 특성을 파악할 수 있도록 체계화 하였고, 6 구역과 8 구역은 각각 좌우 연구 터널에 해당한다. 터널 입구부 사면은 남측 좌안 사면으로부터 시작하여 터널 입구 방향으로 도수로를 따라서 깊이 10cm 지점에 연장 250 m까지 총 9개 구역으로 구분하여 매설, 설치하였다 (Fig. 5). 입구방향으로 좌측사면에 1, 2 구역이며, 3~7 구역은 터널 입구 배후의 급사면에 해당하며, 8과 9 구역은 우측의 북측사면에 해당한다.
성능/효과
9일 측정 결과이다. 전반적으로 센서 케이블이 설치된 전체 구간에서 1,000 pie 이하의 범위 내에서 변위를 나타내었으나, 5 구역에서 2,000 * 이상의 크기를 갖는 누적 변위가 발생한 것으로 확인되었다. 이 지점은 터널 외부 도로 시작지점에서 터널 진입방향 거리 200m 지점 좌측 터널 벽면에 해당한다.
7). 이 지점에서 이상 현상이 발생한 원인을 규명하기 위하여 확인한 결과, 지하수의 누출로 인하여 광섬유센서가 벽면으로부터 일부 일탈하기 시작하는 현상에 기인한 것으로 확인하였다. 이와 같은 모니터링 결과를 전체적인 경향으로 나타낸도면은 Fig.
10(a) 및 (b)), 2 구역 중간부 이후 구간의자료가 확인 불가능한 상태로 확인되었다. 이 지점의 현장 확인 결과, 센서케이블이 짐승이나 사람의 통행과 같은 외부 힘에 의해 절단되어 있음을 확인하였다.
본 연구를 통하여 구축된 터널 내 벽면과 주변 사면의 지반 변위 및 온도 변화에 대한 실시간 감시시스템을 이용하여 숏크리트로 처리한 터널 벽면의 균열변형 및 붕괴, 낙반사고를 사전에 감지하고, 암반 내 지하수위의 등락 및 화재감시 기능을 할 수 있는 시스템을 확립하게 되었다.
본 연구에 적용된 기술은 케이블을 따라 분포개념의 온도 및 변형율 측정기법을 이용하는 것이므로 기존의 특정 지점 계측방법과는 확연하게 차별된다. 이러한 계측기술은 구조물의 특성에 따라 선택적으로 탄력적 적용이 가능하여, 최대 매 1m 간격으로 총연장 30km 까지 최대 30, 000 개의 센서를 하나의 운영체계로 감시할 수 있는 기능을 가지고 있다.
후속연구
현재의 KURT 시설 수준은 고준위폐기물 처분기술을 실증하기 위한초기 단계의 시설로서 향후게는 실제 처분 예상 심도까지 확장하여 고준위폐기물 처분을 위한 세부 요소기술의 실증을 위한 특수목적형 초심부 지하연구시험시설(PBG-URL: Purpose-Built Generic Deep Underground Research Laboratory)로 확장할 계획이다.
다만, 시간이 경과함에 따라 터널 내에서는 지하수의 누출현상으로 벽면의 누적된 변화가 예상되며, 2009년 봄철을 지나면서 사면에서 거동이 발생할 수도 있으므로 이에 대한 세심한 주의가 필요하다. 한편, 터널 벽면과 사면에는 동일한 모델의 광섬유 센서 케이블을 설치하였으나, 사면의 경우 상대적으로 지표환경에서 일어날 수 있는 파손 등을 감안하여 단일 광섬유 센서 케이블로 피복한 별도 모델로 교체하여 적용하는 방안을 검토하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
참고문헌 (5)
김중열, 김태희, 김유성, 2006, 온도센서 배열 모니터링에 의한 매질이 투수성 및 절리 연결성 연구, 2006년 한국지반공학회 봄학술발표회 논문집, pp.1110-1119
김중열, 2007, 분포개념의 변형률 성분측정기법 개발을 통한 토목 구조물의 안전진단 연구, (주)소암컨설턴트, 중소기업청
한필수, 2005, 지하처분연구시설 확보 및 활용계획, 한국원자력연구원, KAERI/TR-2969/2005
Paker, T. R., Farhadiroushan, M., Handerek, V. A., and Rogers, A. J., 1997, A Fully Distributed Simultaneous Strain and temperature Sensor using SpontaneousBrillouin Backscatter, IEEE Photonics Technology Letters, 9(7), 979-981
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