최근 3차원 레이저 스캐너는 토목 분야의 적용에 관한 다수의 연구가 수행되고 있으며, 연구 분야 역시 터널 및 교량, 토공량 산정, 시공검측, 암반절리 측정 등 여러 분야에서 이루어지고 있다. 그 중 터널 시공 시 여굴량 및 미굴량을 산정함에 있어 3차원 레이저 스캐너를 활용하는 연구가 점차적으로 이루어지고 있으며, 지금까지의 연구는 스캔 데이터와 2차원 CAD 도면과의 비교를 통해 여굴량 및 미굴량을 산정하는 방식으로 이루어 졌다. 그러나 터널이 비교적 단순한 형상의 구조물이라 하더라도 3차원 형상의 구조물로 정확한 여굴량 및 미굴량을 산정하기 위해서는 3차원적인 비교가 필요하다. 본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너로 획득한 스캔 데이터와 3차원 설계 모델링인 BIM을 활용하여 시공시 발생하는 여굴량 및 미굴량을 산정하는 시공오차 평가 프로그램을 개발하였으며, 이를 위한 효율적인 스캔 데이터의 처리 프로세스를 제안하였다. 또한 실제 현장에 3차원 레이저 스캐너를 적용하여 시공오차를 산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다.
최근 3차원 레이저 스캐너는 토목 분야의 적용에 관한 다수의 연구가 수행되고 있으며, 연구 분야 역시 터널 및 교량, 토공량 산정, 시공검측, 암반절리 측정 등 여러 분야에서 이루어지고 있다. 그 중 터널 시공 시 여굴량 및 미굴량을 산정함에 있어 3차원 레이저 스캐너를 활용하는 연구가 점차적으로 이루어지고 있으며, 지금까지의 연구는 스캔 데이터와 2차원 CAD 도면과의 비교를 통해 여굴량 및 미굴량을 산정하는 방식으로 이루어 졌다. 그러나 터널이 비교적 단순한 형상의 구조물이라 하더라도 3차원 형상의 구조물로 정확한 여굴량 및 미굴량을 산정하기 위해서는 3차원적인 비교가 필요하다. 본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너로 획득한 스캔 데이터와 3차원 설계 모델링인 BIM을 활용하여 시공시 발생하는 여굴량 및 미굴량을 산정하는 시공오차 평가 프로그램을 개발하였으며, 이를 위한 효율적인 스캔 데이터의 처리 프로세스를 제안하였다. 또한 실제 현장에 3차원 레이저 스캐너를 적용하여 시공오차를 산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다.
Application of 3D laser scanner to civil engineering is widely studied in various fields such as tunnel, bridge, calculation of earth volume, construction measurement, observation of rock joint, etc. Some studies on utilization of the 3D laser scanner for calculating the over-break and/or under-brea...
Application of 3D laser scanner to civil engineering is widely studied in various fields such as tunnel, bridge, calculation of earth volume, construction measurement, observation of rock joint, etc. Some studies on utilization of the 3D laser scanner for calculating the over-break and/or under-break of tunnels have also been carried out. However, in the previous research, the scanning data were usually compared with the 2D CAD blueprint results; although the shape of tunnel structure is relatively simple, for precise calculation of the over-break and/or under-break of tunnels, three-dimensional analysis based on BIM is needed. Therefore, in this paper, a new program that calculates the over-break and/or under-break of tunnels using the 3D laser scanner and the BIM is developed; moreover the effective and rapid process of data treatment is proposed. The accuracy of the developed program was verified by applying the new system to a real tunnels construction field.
Application of 3D laser scanner to civil engineering is widely studied in various fields such as tunnel, bridge, calculation of earth volume, construction measurement, observation of rock joint, etc. Some studies on utilization of the 3D laser scanner for calculating the over-break and/or under-break of tunnels have also been carried out. However, in the previous research, the scanning data were usually compared with the 2D CAD blueprint results; although the shape of tunnel structure is relatively simple, for precise calculation of the over-break and/or under-break of tunnels, three-dimensional analysis based on BIM is needed. Therefore, in this paper, a new program that calculates the over-break and/or under-break of tunnels using the 3D laser scanner and the BIM is developed; moreover the effective and rapid process of data treatment is proposed. The accuracy of the developed program was verified by applying the new system to a real tunnels construction field.
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문제 정의
NATM 터널 공사에 있어서 여굴 및 미굴의 발생은 빈번하며, 이러한 여굴 및 미굴의 발생을 최소화 시키는 목적은 암반의 손상방지와 터널 설계 단면의 최적화 유지에 있다. 여굴이 과다하게 발생하게 되면 암반보강을 위한 록볼트 및 숏크리트 타설 등의 보강비 및 라이닝 콘크리트의 수량 증가를 수반하며, 미굴이 발생하게 되면 추가적인 굴착 비용의 발생 등을 초래하여 공사비 증가의 주된 요인으로 작용하게 된다.
그러나 격자의 크기가 과도하게 증가하게 되면 하나의 격자 영역을 평균값을 사용하여 동일한 값으로 산정하기 때문에 여굴량 및 미굴량의 산정이 부정확하게 될 가능성이 있으며, 이와 반대로 너무 작은 격자 크기를 사용하게 되면 데이터 처리속도가 감소하게 되고 레이저 미도달 영역에 대한 보정이 이루어지지 않게 된다. 따라서 적절한 격자크기의 산정이 필요하며, 이에 대한 연구는 현장 적용 평가 시에 격자크기에 따른 여굴량 및 미굴량을 산정하여 그 영향을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너로 획득한 데이터와 3차원 설계 모델링인 BIM을 활용하여 시공 시 발생하는 여굴량 및 미굴량을 3차원적으로 산정하는 시공오차 평가 프로그램을 개발하였으며, 이를 위한 효율적인 스캔 데이터의 처리 프로세스를 제안하였다. 또한 실제 현장에 3차원 레이저스캐너를 사용하여 시공오차를 산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다.
그러나 비교적 단순한 형태의 터널 구조물이라 하더라도 정확한 여굴량 및 미굴량을 산정하기 위해서는 3차원의 터널 형상과 비교가 필요하다. 본 연구에서는 터널의 설계 도면을 2차원 캐드 도면이 아닌 3차원 BIM(Building Information Modelling)을 사용하였으며, 3차원 스캔 데이터와 비교를 위하여 BIM 모델의 도면 추출 프로세스를 개발하였다. 이와 더불어 취득한 스캔 데이터의 효율적인 처리 프로세스를 개발하여 터널의 여굴량 및 미굴량 산정 시공오차 프로그램을개발하였으며, 실제 현장에서 취득한 3차원 스캔 데이터를 활용하여 터널의 여굴량 및 미굴량을산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다.
제안 방법
2. 3차원 레이저 스캐너로부터 얻은 고용량의 스캔 데이터와 BIM 설계 단면과의 비교를 위하여 station 축에 따른 데이터 정렬 방식을 제안하였으며, 처리속도 및 효율적인 데이터 처리를 위해 격자망 개념을 개발하였다.
3. 3차원 BIM 설계 단면과 스캔 데이터의 비교를 통한 여굴량 및 미굴량 산정 프로세스를 개발하여 시공오차 평가 프로그램을 개발하였으며, 실제 시공 중인 터널 현장의 데이터를 취득하여 프로그램을 검증하고, 격자망 크기와 데이터 sampling 비율에 따른 여굴량 및 미굴량에 대한 경향을 파악하여 효율적인 처리 프로세스를 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 스캔 데이터 후처리 과정에 있어 사용되는 격자망 크기를 10∼100 mm로 변경해 가면서 여굴량 및 미굴량 결과를 산정 하였다.
생성된 3차원 선형 곡선은 그 출발점 위치를 0으로 보고 그 출발점으로부터의 상대적인 곡선 거리를 위치값(dv)으로 나타낸 것이므로, 이는 실제 station의 위치(전체 시공 구간에서 해당 station이 위치하는 지점까지의 거리)와 다른 값을 갖게 된다. 따라서 이러한 3차원 선형 곡선 상의 특정 위치값(dv)과 실제의 station의 위치를 매칭시켜 줄 필요가 있으며, 이를 위하여 보간 테이블을 생성하였다.
본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너로 획득한 데이터와 3차원 설계 모델링인 BIM을 활용하여 시공 시 발생하는 여굴량 및 미굴량을 3차원적으로 산정하는 시공오차 평가 프로그램을 개발하였으며, 이를 위한 효율적인 스캔 데이터의 처리 프로세스를 제안하였다. 또한 실제 현장에 3차원 레이저스캐너를 사용하여 시공오차를 산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다. 이상의 연구로부터 얻어진 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
먼저, 획득된 3차원 스캔 데이터를 포함하는 스캔 파일을 열고, 변환 완료될 단면 좌표 데이터들을 저장할 단면 좌표 파일을 생성한다. 이후, 3차원 스캔 데이터의 포인트(X, Y, Z)를 읽어 들인다.
본 연구에서 개발한 3차원 레이저 스캐너와 3차원 BIM 설계 모델을 활용하여 개발한 시공오차 프로그램을 실제 시공 중인 터널 현장에 적용하여 여굴량 및 미굴량을 산정하였다. 스캔한 터널 구간의 암은 풍화암으로 총 23 m 구간이며, 스캔은 총 5회 수행하였다.
본 연구에서는 이를 위해서 터널 벽면을 가상의 일정한 크기의 격자로 이루어진 격자망 형태로 변환하여 데이터를 이 격자망에 채워 넣는 개념을 도입하였다. 격자망으로 데이터를 변환하게 되면, 각각의 데이터 포인트들을 하나하나 비교하는 것이 아니라 일정한 면적의 격자 값과 비교하게 되므로 처리속도가 빠르게 되며, 하나의 격자망 안에서는 그 안의 데이터 값들의 평균을 사용하게 되기 때문에 값이 비정상적으로 측정된 데이터나 그림 5와 같이 터널 벽면의 거칠기로 인해 직선인 레이저가 도달하지 않아 측정이 되지 않은 데이터 포인트들에 대한 보정이 이루어지게 된다.
스캔 데이터의 후처리 과정에 있어 우선적으로 클라우드 포인트의 데이터 정렬과정이 필요하며 이에 대한 개념은 그림 4와 같다. 스캔 데이터를 정렬하는데 있어 앞에서 언급했던 3차원 BIM 모델의 위치 기준으로 정했던 station 축을 스캔 데이터 정렬에서도 동일한 기준으로 사용하고자 한다. station 축으로 정렬하는 과정은 다음과 같다.
본 연구에서 개발한 3차원 레이저 스캐너와 3차원 BIM 설계 모델을 활용하여 개발한 시공오차 프로그램을 실제 시공 중인 터널 현장에 적용하여 여굴량 및 미굴량을 산정하였다. 스캔한 터널 구간의 암은 풍화암으로 총 23 m 구간이며, 스캔은 총 5회 수행하였다. 해당 터널에 대한 3차원 BIM 모델 및 스캔 데이터와 비교 형상은 그림 8과 같다.
본 연구에서는 터널의 설계 도면을 2차원 캐드 도면이 아닌 3차원 BIM(Building Information Modelling)을 사용하였으며, 3차원 스캔 데이터와 비교를 위하여 BIM 모델의 도면 추출 프로세스를 개발하였다. 이와 더불어 취득한 스캔 데이터의 효율적인 처리 프로세스를 개발하여 터널의 여굴량 및 미굴량 산정 시공오차 프로그램을개발하였으며, 실제 현장에서 취득한 3차원 스캔 데이터를 활용하여 터널의 여굴량 및 미굴량을산정하였으며, 프로그램의 성능을 검증하였다.
하지만 스캔 데이터의 특성상 대용량이기 때문에 모든 데이터를 한 번에 격자모델에 넣는 작업을 하기는 비효율 적이므로 station을 30 m 단위로 구분하여 순차적으로 격자 모델을 생성하였다. 이에 대한 개념은 그림 6과 같다.
대상 데이터
3차원 레이저 스캐너는 레이저 방식 이외에도 카메라 방식이 있으나, 본 연구에서는 레이저 방식의 고정밀 대용량 스캐너를 사용하였으며, 고용량의 3차원 데이터를 터널 특성에 맞게 변환하고 이를 실제 현장에 적용하기 위한 연구이므로, 공기지연이 발생하지 않도록 초당 측정 속도가 빨라서 스캔 시야 전 구간을 스캔 하는데 걸리는 시간이 약 3.5분 정도인 Z + F Imager 5003 레이저 스캐너를 이용하였다. 레이저 스캐너의 제원은 표 1과 같다.
반복되는 스캔 작업으로 얻은 각 데이터들은 각각 스캐너를 기준으로 한 로컬좌표계 값을 가지고 있으므로, 이러한 데이터들을 통합적으로 활용하기 위해서는 각 데이터의 로컬좌표계를 절대좌표계로 변환해줄 필요가 있다. 이를 위하여 그림 3과 같이 스캐너 주위 4곳에 표적지를 설치하여 3차원 레이저 스캐너와 광파기로 표적지의 좌표를 획득한다. 이렇게 획득한 표적지의 절대좌표계 값 및 스캐너로 획득한 로컬좌표계 값과 스캐너 소프트웨어의 변환매트릭스를 활용하여 스캔 데이터의 절대좌표 값을 획득하게 된다.
데이터처리
또한, 스캔 데이터의 처리 속도 증가를 위하여 스캔 데이터의 1/16만을 사용하여 취득한 데이터 전부를 사용하여 얻는 결과와 비교 분석을 수행하였다. 데이터의 1/16만을 사용하게 되면, 처리속도는 16배 증가하는 것으로 볼 수 있다.
성능/효과
1. 3차원 BIM 설계 단면으로부터 스캔 데이터와 비교를 위해 설계 단면을 추출하는 프로세스를 개발하였으며, 추출된 단면은 터널의 3차원적 형상(곡률, 반경 등)을 반영할 수 있도록 하였고 이를 통해 터널 단면 중 몇몇의 포인트에 기초하여 여굴량 및 미굴량을 산정하는 기존의 측량 방법에 비하여 정밀한 여굴량 및 미굴량 산정이 가능하게 하였다.
32%(격자크기 30 mm 일 때)의 차이를 보여주어 전체 데이터를 사용하나 데이터의 1/16만 사용하나 그 결과는 유사하였다. 따라서 데이터의 1/16만 사용하게 되면 처리 시간 역시 1/16로 감소하기 때문에 본 연구결과로는 데이터의 1/16만 사용하는 것이 효율적인 방법이라고 판단된다.
또한 전체 데이터를 사용한 것과 데이터의 1/16만 사용한 것을 비교하였을 때, 여굴량의 경우 최대 0.28%(격자크기 40 mm 일 때)의 차이를 보여주었고, 미굴량의 경우 최대 0.32%(격자크기 30 mm 일 때)의 차이를 보여주어 전체 데이터를 사용하나 데이터의 1/16만 사용하나 그 결과는 유사하였다. 따라서 데이터의 1/16만 사용하게 되면 처리 시간 역시 1/16로 감소하기 때문에 본 연구결과로는 데이터의 1/16만 사용하는 것이 효율적인 방법이라고 판단된다.
표 2와 그림 9에서 보듯이 계산된 여굴량 및 미굴량은 격자면적이 최대 100배까지 증가하여도 그 변화량은 작았다. 여굴량을 보면, 10 mm 격자 크기일 때의 결과를 기준으로 최대 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
여굴량 산성을 위한 토털스테이션을 사용한 터널내공단면측량의 단점은?
여굴량 산정을 위한 토털스테이션을 사용한 터널내공단면측량은 시공공정에 따라서 매 발파 직후 또는 숏크리트 타설 직후에 수시로 실시해야할 뿐 아니라 발파, 버럭제거, 숏크리트 타설 등이 연속적으로 시공되는 과정에서는 공정 간에 잠시 발생되는 여유시간을 잘 포착하여 신속히 완료해야 한다. 그러나 토털스테이션의 경우 1점 측위 방식으로서 시간이 과다 소요되며 배점밀도가 낮으므로 제한된 시간 내에 내공단면측량을 완료하기 위해서는 부득이 변곡점 위주의 단면측량을 하게 됨으로써 정밀한 성과를 취득하기가 어려운 단점이 있다. 또한 외국에서 주로 이용되었던 Tunnel Profiler(입력된 데이터에 따라 천공될 터널윤곽선을 3D로 스캔하여 보여주는 프로그램)는 무반사경 광파거리계에 모터를 장착하여 1단면씩 자동측위를 수행하나, 이 방법 역시 배점밀도가 낮고 매번 기계를 옮길 때마다 기계점 위치를 측량해야 하며, 특히 곡선구간에서는 정확한 횡단면 측량이 어렵다는 단점이 있다(김인섭, 2007). 3차원 레이저 스캐너는 정확한 3차원 좌표 값을 취득함으로써 지형 및 구조물에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있어 최근 철도, 도로, 수공학, 터널 등의 토목 분야에서도 그 활용성이 증가되는 추세이며, 터널에서는 스캐너를 활용한 암반사면의 절리 및 안정성 평가(이승호 등, 2004; 곽영주 등, 2005; 임은상 등, 2006), 터널에 스캐너를 적용하기 위한 방안 및 개발에 관한 연구(사공명 등, 2006; 사공명 등, 2007; Yoon et al.
여굴 및 미굴의 발생을 최소화 시키려는 목적은?
NATM 터널 공사에 있어서 여굴 및 미굴의 발생은 빈번하며, 이러한 여굴 및 미굴의 발생을 최소화 시키는 목적은 암반의 손상방지와 터널 설계 단면의 최적화 유지에 있다. 여굴이 과다하게 발생하게 되면 암반보강을 위한 록볼트 및 숏크리트 타설 등의 보강비 및 라이닝 콘크리트의 수량 증가를 수반하며, 미굴이 발생하게 되면 추가적인 굴착 비용의 발생 등을 초래하여 공사비 증가의 주된 요인으로 작용하게 된다.
여굴의 과도한 발생이 가져다 주는 문제점은?
NATM 터널 공사에 있어서 여굴 및 미굴의 발생은 빈번하며, 이러한 여굴 및 미굴의 발생을 최소화 시키는 목적은 암반의 손상방지와 터널 설계 단면의 최적화 유지에 있다. 여굴이 과다하게 발생하게 되면 암반보강을 위한 록볼트 및 숏크리트 타설 등의 보강비 및 라이닝 콘크리트의 수량 증가를 수반하며, 미굴이 발생하게 되면 추가적인 굴착 비용의 발생 등을 초래하여 공사비 증가의 주된 요인으로 작용하게 된다. 기 발표된 통계자료에 의하면 터널 굴착선 여굴에 의해 추가로 소요되는 비용은 터널 공사비의 15~18%를 차지하는 것으로 나타나고 있다(이태노 등, 2002).
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