[논문]위험지반 터널 굴진면의 실시간 변위 감시를 위한 계측시스템 개발

윤현석; 송규진; 김영배; 김창용; 서용석

doi:10.9711/ktaj.2015.17.4.441

위험지반 터널 굴진면의 실시간 변위 감시를 위한 계측시스템 개발
Developments of real-time monitoring system to measure displacements on face of tunnel in weak rock 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.17 no.4, 2015년, pp.441 - 455

윤현석 (충북대학교 지구환경과학과) , 송규진 (충북대학교 지구환경과학과) , 김영배 (케이앤씨 컨설턴트(주)) , 김창용 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 터널 시공 중 굴진면에서의 붕괴 위험을 판단하여 작업자의 안전을 확보할 수 있는 굴진면 안전감시시스템을 개발하였다. 이 시스템은 실시간으로 측정되는 굴진면 변위를 x-MR 관리도기법으로 실시간 분석함으로써 굴진면의 이상 거동을 감시할 수 있다. 또한 관리 기준을 초과하는 측정치의 개수와 이동 범위 k를 비교하여 굴진면의 이상 거동과 작업 과정에서 발생하는 오류를 구분할 수 있도록 오경보 판단 알고리듬을 개발하였다. 본 연구결과는 위험지반 구간에서의 굴진면의 실시간 거동 감시에 적용되어 작업자의 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, a face safety monitoring system was developed that will enable judging collapse risks on faces during tunnel construction to secure workers' safety. This system enables detecting abnormal behaviors of faces by analyzing the displacement of faces measured in real time using the x-MR control chart technique. In addition, an algorithm to judge false alarms was developed so that abnormal behaviors of faces and errors occurring in the process of work can be distinguished from each other by comparing the number of measured values exceeding the management criteria and moving range k. The results of the present study are applicable to real-time monitoring of behavior on the face in dangerous ground sections to minimize damage to workers.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 레이저 거리계를 이용하는 시스템의 특성상 측정 중에 거리계와 굴진 면 사이에서 작업자나 장비가 가로 막는 경우 비정상적인 데이터가 측정될 수 있어 x-MR 관리도 분석 시 오류로 인한 오경보가 발령되어 작업에 지장을 초래할 수 있다. 따라서 지반 변위로 인하여 관리기준선을 초과하는 경우와 작업환경에 의한 측정 오류로 관리 기준선을 초과하는 경우를 구분할 수 있는 알고리듬을 개발하였다.
본 논문은 시간의존성 거동을 보이는 굴진면에서 발생할 수 있는 이상 데이터와 오류 데이터를 구분할 수 있는 알고리듬을 검토한 것이다. 향후 사전 붕괴 예측을 통해 예보를 발령할 수 있는 알고리듬과 동시에 활용하면 위험지반 굴진면의 이상 거동 시 신속한 경보 발령을 통해 작업 중 붕괴에 의한 작업자의 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 굴착 중 굴진면의 거동을 실시간으로 감시하고 이상 거동을 현장에서 판단하여 작업자의 안정성을 확보할 수 있도록 레이저거리계를 이용한 굴진면 안전감시시스템(FSMS, face safety monitoring system)을 개발하였다. 이 시스템에는 실시간 측정되는 변위를 x-MR 관리도기법으로 분석하여 굴진면의 이상 거동을 감시할 수 있는 알고리듬과, 굴착 작업 중 장비나 작업자에 의해 발생하는 측정 오류를 구분할 수 있는 알고리듬이 적용되었다.
굴진면 안전감시시스템은 레이저거리계를 이용하기 때문에 작업자나 장비의 이동 시 레이저 측정 라인을 지나게 되면 일시적으로 관리 기준선을 초과하는 오류 데이터가 발생할 수 있다. 이러한 경우 경보가 발령되면 작업에 지장을 초래할 수 있으므로 이상 데이터를 오류 데이터로 판별할 수 있는 조건을 검토하였다. Fig.
일반적으로 시공 단계에서 굴진면 붕괴 위험에 대한 예측 및 평가는 굴진면 관찰과 천단 및 내공 변위에 대한 계측을 통해 주로 수행된다. 특히 계측 변위는 굴착에 따른 지반의 거동 양상을 파악하기 위해 이용되는 중요한 자료로서 많은 연구자들이 경향선(trend line) 및 영향선(influence line) 파악(Schubert and Vavrovsky, 1994; Lee et al., 1998), 변위 벡터 방향성의 변화 추이에 대한 분석(Steindorfer, 1998; Kim et al., 2010), 변위비를 이용한 분석(Schubert and Steindorfer, 1996; Kim et al., 2003; Park et al., 2004) 등 다양한 방법을 통해 굴진면에 분포하는 위험 지반에 대한 변위 및 붕괴 예측을 위한 연구를 수행하였다. 이러한 기존의 연구들은 굴진면 전방에 분포하는 위험지반을 사전에 예측을 위해 시공 현장에서 효과적으로 적용할 수 있는 방법이지만, NATM 터널 공정의 특성상 굴진면에서 일정 간격 이격된 지점에서 측정되는 일상 계측 변위를 이용하기 때문에 굴진 면의 초기 및 실시간 변위를 획득할 수 없어 굴착작업 중 발생하는 굴진면에서의 붕괴를 즉각적으로 인지할 수 없는 단점이 있다.

제안 방법

본 연구를 통하여 개발된 굴진면 안전감시시스템은 레이저거리계를 이용하여 굴진면의 변위를 굴착 직후부터 손쉽게 측정할 수 있도록 개발된 계측시스템이다. 분석부에는 작업 과정에서 오류가 발생할 수 있는 경우들을 검토하여 x-MR 관리도기법을 이용한 변위의 이상 거동 여부를 판별할 수 있는 알고리듬을 적용하였다.
상기에서 설정한 오경보 발령의 조건식 (3), (4) (5)에 대한 적용성을 검토하기 위해 터널 시공 현장에서 레이저 거리계로 측정한 변위 데이터를 이용하여 x-MR 관리도를 작성하였다.
상기의 검토 결과를 바탕으로 지반 거동의 이상 변위와 측정 오류를 구분할 수 있는 기준을 적용하여 지반의 이상 거동 시에만 경보를 발령할 수 있는 굴진 면 안전감시시스템(FSMS)의 데이터 분석 흐름도를 작성하였다(Fig. 13). 이 흐름도는 레이저거리계로부터 변위 데이터를 수신하여 k에 따른 관리 기준선을 작성하는 계산 과정과 이상 데이터의 조건식 (3)을 만족하는지 여부를 판별하여 만족할 경우 경보를 발령하고, 오류 데이터인 식 (4)와 (5)를 만족할 경우 오류 데이터를 제거한 후 계측을 계속적으로 수행하는 일련의 과정을 포함하고 있다.
3은 위험 지반에서 시간이 지남에 따라 변위가 서서히 증가하여 관리 기준선을 초과하는 경우를 가정하여 이동범위 k에 따른 x-MR 관리도를 작성한 것이다. 상단의 그래프가 x 관리도, 하단의 그래프가 MR 관리도이며, 데이터의 평균(CL)선을 기준으로 관리 기준선인 관리 상한선(UCL, upper control limit)과 관리 하한선(LCL, lower control limit)을 설정하였다. 각 그래프의 x 관리도에서처럼 굴진면 내 위험지반이 분포하게 되면 변위는 서서히 증가하여 붕괴 이전에 관리 기준선을 초과하게 되며, 붕괴와 동시에 변위는 급격히 변하게 될 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 굴착 중 굴진면의 거동을 실시간으로 감시하고 이상 거동을 현장에서 판단하여 작업자의 안정성을 확보할 수 있도록 레이저거리계를 이용한 굴진면 안전감시시스템(FSMS, face safety monitoring system)을 개발하였다. 이 시스템에는 실시간 측정되는 변위를 x-MR 관리도기법으로 분석하여 굴진면의 이상 거동을 감시할 수 있는 알고리듬과, 굴착 작업 중 장비나 작업자에 의해 발생하는 측정 오류를 구분할 수 있는 알고리듬이 적용되었다.

성능/효과

1, 2개의 일시적인 오류 데이터가 나타나는 Case-1, 2 외에 5개의 지속적인 오류 데이터가 발생할 수 있는 경우(Case-3)를 가정하여 검토하면(Fig. 6), k=2일 때 α=2로 Case-1, 2의 k=2인 경우와 동일하게 α=k를 보이지만 k=3, 5, 7인 경우 α=4, 8, 11로 각각 나타나 Case-1, 2와 비교하였을 때, α와 k 사이의 상관관계가 명확하지 않은 것으로 나타났다.
x-MR 관리도에서 관리 기준선을 초과하는 데이터의 개수 α, β와 이동 범위 k를 비교하여 이상 데이터와 오류 데이터를 구분한 결과, α=k－1인 경우 이상 데이터로 구분되며, 오류 데이터 발생 시 k≦β인 경우 α=2(k－1), k>β인 경우 α=k+β－1을 만족하는 것으로 나타났다.
또한 k=2인 경우 MR 관리도에서 관리 기준선을 초과하는 데이터의 개수 α=1이며, k=3인 경우 α=2, k=5와 7인 경우 α=4와 6으로 나타나 이상 변위의 발생으로 관리 기준선을 초과하는 경우의 조건식 (3)을 만족하는 것으로 나타났다.
x-MR 관리도에서 관리 기준선을 초과하는 데이터의 개수 α, β와 이동 범위 k를 비교하여 이상 데이터와 오류 데이터를 구분한 결과, α=k－1인 경우 이상 데이터로 구분되며, 오류 데이터 발생 시 k≦β인 경우 α=2(k－1), k>β인 경우 α=k+β－1을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 터널 시공 현장에서 레이저 거리계를 통해 측정한 변위 데이터를 이용하여 오경보 관리기준을 적용한 결과, 이상 거동에 대한 예측 및 이상 데이터와 오류 데이터에 대한 구분이 가능하였다.
상기의 3가지 경우에서 총 12개 조건을 가정하여 검토한 결과, Case-1, 2, 3에서 k=2일 때 α=k인 결과를 제외하고 뚜렷한 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
평균선 주변에서 일정한 변화를 보이던 변위는 시간이 지남에 따라 굴진면 후방으로 증가하다 붕괴와 동시에 급격히 변화한 것을 알 수 있다. 상단의 그래프가 x 관리도이며, 하단의 그래프는 MR 관리도로 k에 따른 x 관리도 분석 결과, 모든 경우에 변위 데이터는 붕괴 시점부터 약 20초 전에 관리 하한선을 초과하며, MR 관리도에서도 붕괴 이전에 관리 상한선을 초과하여 붕괴 위험에 대한 예측이 가능함을 보여준다. 또한 k=2인 경우 MR 관리도에서 관리 기준선을 초과하는 데이터의 개수 α=1이며, k=3인 경우 α=2, k=5와 7인 경우 α=4와 6으로 나타나 이상 변위의 발생으로 관리 기준선을 초과하는 경우의 조건식 (3)을 만족하는 것으로 나타났다.

후속연구

본 논문은 시간의존성 거동을 보이는 굴진면에서 발생할 수 있는 이상 데이터와 오류 데이터를 구분할 수 있는 알고리듬을 검토한 것이다. 향후 사전 붕괴 예측을 통해 예보를 발령할 수 있는 알고리듬과 동시에 활용하면 위험지반 굴진면의 이상 거동 시 신속한 경보 발령을 통해 작업 중 붕괴에 의한 작업자의 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널 시공 중 발생하는 굴진면에서의 붕괴는 어디서 발생하는가?	터널 시공 중 발생하는 굴진면에서의 붕괴는 대부분 천단부에서 발생하지만 굴진면의 상단부 및 하단부 또는 굴진면 전체에서 발생할 수 있으며, 국부적인 절리의 발달로 인해 쐐기형의 낙반으로 발생하기도 한다. HSE (health and safety executive, 1996)가 전 세계의 철도 및 도로 터널을 대상으로 붕괴사례를 분석한 연구에 의하면 총 39개 터널 중 굴진면과 관련된 붕괴는 35개로 전체의 91%로 나타났으며, Shin et al.
	NATM 터널 공정의 단점은?	, 2004) 등 다양한 방법을 통해 굴진면에 분포하는 위험 지반에 대한 변위 및 붕괴 예측을 위한 연구를 수행하였다. 이러한 기존의 연구들은 굴진면 전방에 분포하는 위험지반을 사전에 예측을 위해 시공 현장에서 효과적으로 적용할 수 있는 방법이지만, NATM 터널 공정의 특성상 굴진면에서 일정 간격 이격된 지점에서 측정되는 일상 계측 변위를 이용하기 때문에 굴진 면의 초기 및 실시간 변위를 획득할 수 없어 굴착작업 중 발생하는 굴진면에서의 붕괴를 즉각적으로 인지할 수 없는 단점이 있다. 특히 초기 변위의 측정은 굴착 후 발생하는 전변위의 양상을 파악하기 위한 중요한 자료로서 빠른 계측 시점과 굴진면에 근접하여 측정할수록 지반의 상태를 보다 정확하게 예측할 수 있다(Kim et al.
	터널 시공 중 발생하는 굴진면에서의 붕괴는 어떤 손실을 야기하는가?	또한 KTA (2010)가 도로 및 지하철, 철도, 전력구 등 다양한 종류의 터널 46개를 대상으로 붕괴 유형을 분석한 결과에 의하면 전체 터널 중 51%가 천단부 및 굴진면, 측벽부 붕락, 쐐기형 탈락, 굴진면 내 토사 유출 등 굴진면과 관련된 붕괴사고로 나타났다. 상기의 연구 결과와 같이 터널 시공 중 굴진면에서 많은 붕괴가 발생하고 있으며, 이러한 붕괴는 인명 및 재산 피해뿐만 아니라 재시공에 의한 공사 기간의 지연 등 막대한 재산 손실을 발생 시키는 요인이 된다. 따라서 시공 중 터널 구조물 및 지반의 안정성을 확보하기 위해 다양한 방법을 이용한 연구가 이루어지고 있다.

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Yun, H.S., Song, G.J., Shin, Y.W., Kim, C.Y., Choo, S.Y., Seo, Y.S. (2014), "Application of x-MR control chart on monitoring displacement for prediction of abnormal ground behaviour in tunnelling", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 5, pp. 445-458.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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