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3차원 레이저 스캐너 및 BIM을 활용한 터널 과대.과소 굴착 평가
Assessment of over / under-break of tunnel utilizing BIM and 3D laser scanner 원문보기

한국터널지하공간학회논문집 = Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, v.14 no.4, 2012년, pp.437 - 451  

박정준 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  신재철 ((주)동성엔지니어링 기술연구소) ,  황주환 ((주)동성엔지니어링 기술연구소) ,  이강현 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  서형준 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  이인모 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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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참고문헌 (17)

  1. 곽영주, 장용구, 강인준 (2005), "사면재해 평가의 3차원 스캐닝 기법 적용", 한국지형공간정보학회 논문집, 제13권, 제2호, pp. 45-50. 

  2. 김인섭, 임수봉 (2007), "터널굴착시 3차원레이저스캐너에 의한 내공단면 측량에 관한 연구", 대한토목학회 논문집, 제27권, 제4D호, pp. 541-546. 

  3. 노태호, 김진수, 이영도 (2008), "지상 레이저 스캐닝 자료를 이용한 터널단면관리시스템 개발", 한국지리정보학회지, 제11권, 제1호, pp. 90-104. 

  4. 사공명, 문철이, 이준석, 황선근, 김병홍 (2006), "3D 레이저 스캐너 기반의 터널스캐너 개발", 한국터널공학회 논문집, 제8권, 제4호, pp 377-388. 

  5. 사공명, 문철이, 윤정숙, 이준석 (2007), "유도주행 장치에 탑재된 레이저 기반의 터널 스캐닝 시스템", 한국터널공학회 정기학술발표대회 논문집, 서울, pp. 167-172. 

  6. 이강현, 허인욱, 한병원, 이인모 (2010), "3차원 레이저 스캐너의 고용량 데이터 처리 및 터널현장 적용 연구", 한국방재학회 정기학술발표대회 논문집, 서울, pp. 568-571. 

  7. 이강현, 허인욱, 김도훈, 이인모 (2011), "3차원 레이저 스캐너를 활용한 터널 시공관리", 한국터널지하공간학회논문집, 제13권, 제3호, pp. 159-176. 

  8. 이승호, 황영철, 김세현, 심석래, 정태영 (2004), "3D-Laser scanner를 이용한 암반 절리의 정밀 측정에 관한 연구", 대한화약발파공학회 논문집, 제22권, 제3호, pp. 103-111. 

  9. 이종출, 문두열, 김남식, 서동주 (2006), "3차원 레이저 스캐너를 이용한 터널 여굴량 산정", 대한토목학회 정기학술발표대회 논문집, pp. 4608-4611. 

  10. 이종출, 차성렬, 서용철, 김진수 (2007), "지상 레이저 스캐닝 기법을 이용한 터널 여굴량 산정", 대한토목학회 정기학술발표대회 논문집, pp. 4443-4446. 

  11. 이태노, 김동현, 서영화 (2002), "터널 굴착면 여굴 최소화를 위한 발파암 분류(안) 및 공법 개발 연구", 한국지반공학회 2002년도 가을 학술발표회 논문집, pp. 303-310. 

  12. 이태형, 오영석, 신용석, 김성태 (2008), "3D 레이저 스캐너를 활용한 터널진단 사례연구", 한국터널공학회 정기학술발표대회 논문집, 서울, pp. 297-303. 

  13. 임은상, 김범주, 오석훈, 임정열, 김영경 (2006), "3차원 스캐닝을 활용한 사면의 안정성 평가 및 대책공법 수립", 한국지반공학회 춘계학술발표대회 논문집, 서울, pp. 711-719. 

  14. Http://www.rapidform.com/ko/home-2/ 

  15. Http://www.trimble.com/ 

  16. Lindenbergh, R., Pfeifer, N., Rabbani, T. (2005), "Accuracy analysis of the Leica HDS-3000 and feasibility of tunnel deformation monitoring", ISPRS WG III/3, III/4, V/3 Workshop "Laser scanning 2005", The Netherlands, pp. 24-30. 

  17. Yoon, J.S., Sagong, Myung, Lee, J.S., Lee K.S. (2009), "Feature extraction of a concrete tunnel liner from 3D laser scanning data", NDT&E international, Vol. 42, pp. 97-105. 

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