KR100290644B1 - 2차원 터널 내공측정 센서기구장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널의 내공 변형을 측정하기 위한 터널 내공변위 계측 시스템의 하나인 복합 센서구조의 2차원 내공변위 계측 시스템에 관한 것으로, 실린더의 내부에 직선성이 우수한 고정도 리니어 저항을 내장하여 피스톤의 움직임을 측정하고 실린더 몸체에 각도를 잴 수 있는 장치를 부착하여 2차원 평면상의 한 점의 위치 변화를 극 좌표 형태로 나타냄으로써 터널의 실 유효 공간을 넓힐 수 있고 삼각함수 계산이 필요치 않으며 견고한 시스템을 구축할 수 있다.

Description

2차원 터널 내공측정 센서기구장치{Two demensional meansuring instrument of deformation in tunnels}

본 발명은 지하 터널의 내공변위 측정장치에 관한 것으로, 특히 길이 변이측정을 위한 리니어 저항과 각도 측정을 위한 자기저항소자를 조합한 2차원 터널 내공측정 센서기구장치에 관한 것이다.

2차원 영역에서 한 점의 위치 변화는 두 개의 변수를 가지고 나타낼 수 있다. 기존의 광케이블 시스템이나 전기 저항시스템에서는 내공변위 계측이 1차원으로 터널의 2차원 단면의 변화된 모습을 알 수 없었으나 2차원 내공계측 시스템인 BCS(basset convergency system)는 2차원 단면의 변화된 모습을 알 수 있기 때문에 터널의 위험여부를 판단하는데 많은 도움이 되고 있다.

터널 구간 중 구조적으로 취약한 지점 중 터널 종단방향에 수직인 단면을 터널 내공변위 계측단면으로 한다. 이 단면은 두 개의 층과 원 지반으로 구성되며 원 지반과 접하는 쪽이 쇼크리트 층이고 터널 내부와 접하는 쪽이 라이닝 층이다.

터널 내공변위계측이란 라이닝 단면이 초기 계측된 단면에서 얼마나 변화되었는지를 계측하는 것으로 터널의 위험 여부를 판단하는 중요한 자료가 된다.

내공변위계측은 이 라이닝 단면을 따라 원호에 다수의 계측 센서를 일렬로 나열하여 개개의 센서들을 측정함으로서 이루어진다. 이 때 초기 계측 값이란 계측 센서 설치 종료 후 계측 센서들이 안정되었을 때 이루어지는 최초 계측 값을 말한다. 또한 최초 계측 시 동시에 광파기 등 측량 기기를 사용하여 해당 단면을 측량하여 초기 단면의 모습을 구한다. 즉 최초 계측 값과 초기단면의 모습을 맵핑시킨다. 이 과정에 의하여 향후 계측 값의 변이는 터널 내공 단면의 변위로 환산이 가능해 진다.

우리 나라 터널 내공변위 측정은 상당 수 수동 계측에 의존하고 있으나 향후 자동 계측 시스템을 이용한 계측이 보편화 될 것으로 생각되며 특히 2차원 측정이 주가 될 것이다. 2차원 터널 내공변위계측은 BSC 방식으로 널리 알려져 있다.

도 1은 종래 BCS의 관절부위를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 라이닝 벽(10)에 고정장치(7)를 사용하여 한 쌍을 이룬 각도센서(4)가 부착된 긴 암(1)과 각도센서(3)가 부착된 짧은 암(11)을 체인 형태로 터널 라이닝 단면에 일렬로 나열하여 고정한다. 여기서 두 개의 각도센서(3, 4)로 2차원 평면상의 한 점의 위치 변화를 나타낼 수 있다. 라이닝 벽(10) 고정장치(7)는 고정볼트(8, 9)를 사용하여 라이닝 벽(10)에 고정하고 이 고정장치(7)에 긴 암(1)과 짧은 암(11)을 고정 핀(5)으로 고정하며 짧은 암(11)과 다음 긴 암(2)은 고정 핀(6)으로 고정한다. 각 점의 상대적인 위치 변화를 자동 계측 장비를 사용하여 계측을 하게 되며 이 상대적인 변이를 연산을 통하여 절대 변이로 바꿈으로써 초기단면 대비 변화된 단면을 그릴 수 있게 된다.

그러나 종래의 BCS는 구조가 복잡하고 꺽임 관절의 유격이나 돌출 부위가 있어 터널 내공의 변화를 계측할 때에 계속 되는 열차의 운행으로 인한 풍력과 진동 등으로부터 안정된 계측을 수행하기가 어렵고 계측 결과에 대한 재 계산을 필요로 한다. 돌출 부위가 커지면 우선 터널의 유효 체적을 줄이는 결과를 가져오고 돌출 부위의 회전 모먼트가 커지게 되어 본래 계측하고자 하는 방향에서 벗어나는 오차를 발생시킨다. 또한 꺽임 관절 부위의 유격은 각도 측정의 오차로 작용하며 이는 직선 운동 유격에 비하여 훨씬 크다. 재 계산의 문제는 복잡한 삼각함수 계산뿐만 아니라 대부분의 계측 시스템의 변환 공식이 2차 함수의 형태를 가지므로 각도 변화에 따른 삼각함수 계산을 2차 함수로 근사 시킬 때 발생하는 오차 문제를 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 2차원 터널 내공측정 센서기구장치는 꺽임 관절을 없앰으로서 터널의 유효 면적을 넓히고 길이 변이측정 센서기구장치를 사용함으로서 계산을 단순화시키고 근사 오차를 줄이는데 목적이 있다.

도 1은 종래 BCS(basset convergency system)의 구조를 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 터널 내공측정 기구장치의 구조를 나타낸 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 터널 내공측정 센서기구장치의 단면도.

도 4는 본 발명의 길이 변화를 측정하기 위한 길이변이 센서기구장치 단면도.

도 5는 본 발명의 각도 변화를 측정하기 위한 각도변이 센서기구장치 단면도.

도 6은 본 발명의 터널 라이닝 부분에 터널 내공측정 센서기구장치를 고정하기 위한 기구의 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

22 : 리니어 저항실린더 23 : 리니어 저항피스톤

24,25 : 리니어 베어링 26,29 : 고정핀

28 : 실린더 30 : 피스톤

31 : 스트록 제한장치 41 : 자기저항 각도센서

42,43,47 : 고정볼트 48 : 실린더 부착홀

60,61 : 고정홀

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차원 터널 내공측정 센서기구장치는 길이 변화를 측정하기 위한 길이변이 측정센서기구장치가 내장된 실린더와, 실린더의 한 부분에 부착되어 각도 변화를 측정하기 위한 각도변이 측정센서기구장치와, 실린더의 양측에 길이 변이에 따라 왕복 운동하는 피스톤 및 피스톤의 양 끝에 부착된 고정 홀로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 터널 내공측정 기구장치의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 라이닝 벽(19)에 고정장치(16)를 사용하여 고정된 긴 암(12)에는 리니어 길이변이 측정센서가 내장되어 있고 각도변이 각도센서(14)가 부착되어 있어 길이와 각도 변화를 측정하게 된다. 각 점의 기준 계측 값과의 상대적인 변이 즉, 두 센서를 통하여 측정한 길이와 각도를 자동 계측장비를 사용하여 계측을 하게 되며 이 상대적인 변이를 연산을 통하여 절대 변이로 바꿈으로써 초기단면 대비 변이단면을 그려 터널 내공을 측정하게 된다. 두 개의 긴 암(12, 13)은 라이닝 벽(19)에 부착된 고정장치(16)에 고정 핀(15)으로 고정시킨다. 고정장치(16)는 고정 앙카 볼트(17, 18)로 라이닝 벽(19)에 고정된다.

도 3은 본 발명의 터널 내공측정 센서기구장치의 전체 구조를 나타낸 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 실린더(20) 내부에는 길이변이 측정센서기구장치가 내장되어 있고 한 부분에는 각도변이 측정센서기구장치(40)가 부착되어 있다. 고정 홀(60, 61)은 라이닝 벽 부착고정장치에 고정된다. 피스톤(50)은 고정되고, 피스톤(51)은 길이 변화에 따라 왕복 운동을 하게 된다.

도 4는 본 발명의 직선 길이 변이를 측정하기 위한 리니어 저항 센서를 내장한 센서 구성장치로서 내부 구조를 보여주는 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(28) 내부에 터널 내공 변형에 따라 움직이는 피스톤(30)은 리니어 저항 피스톤(23)에 연결되고 리니어 저항 피스톤(23)은 리니어 저항 실린더(22)와 일렬로 연결되어 있다. 리니어 저항 실린더(22)는 원통 파이프(27)에 의해 지지되고 고정 핀(26)에 의해 고정되며 리니어 저항 피스톤(23)과 피스톤(30)은 고정 핀(29)을 사용하여 고정된다. 왼쪽 끝의 축(62)은 고정 핀(21)을 사용하여 실린더(28)에 고정되며 실린더(28)를 지지하는 역할을 한다. 피스톤(30)은 리니어 베어링(24, 25)에 의해 지지되며 센서 구성장치의 양쪽 끝의 축(62, 63)은 고정 홀(60, 61)을 통하여 라이닝부착 고정장치에 고정된다. 여기서 두 고정 홀(60, 61) 사이의 길이 변화에 따라 피스톤(30)이 좌우로 움직이게 된다. 이 때 리니어 저항 피스톤(23)은 고정 핀(29)으로 피스톤(30)과 연결되어 있기 때문에 피스톤(30)과 똑같은 변이만큼 움직이게 되어 결과적으로 저항 값의 변화로 움직임이 나타나게 된다. 이 저항 값은 직선성과 분해능이 우수하기 때문에 미소한 변이도 간단한 1차 함수를 사용하여 길이 단위로 쉽게 나타낼 수 있다. 피스톤(30)의 스트록 제한장치(31)는 피스톤(30)의 최대 스트록을 제한하기 위한 장치로서 터널 내공측정 시스템 설치시 중간 위치에 있게 되며 설치 후 두 지점의 길이 변화에 따라 움직이게 된다. 스트록을 제한하는 이유는 리니어 저항을 보호하고 설치 시 도움이 되기 때문이다.

도 5는 본 발명에 따른 각도 변이를 측정하기 위한 센서기구장치의 평면도와 측면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 각도변이 센서기구장치는 각도 측정 자기저항 각도센서(41)와 센서 케이스(44, 45) 및 센서를 길이변이 측정장치에 결합하기 위한 실린더 부착 홀(48)이 있는 각도센서 부착장치(46)로 구성된다. 분리된 두 개의 센서 케이스(44, 45)는 두 개의 케이스 고정볼트(42, 43)를 사용하여 고정되며 회전축 고정 볼트(47)를 축으로 하여 회전하게 된다. 센서 부착 터널 라이닝 단면은 원을 그리게 되며 각도 센서를 부착하는 위치에 따라 센서의 초기 각도가 다르게 나타난다. 이 초기 각도를 0으로 만들어 주기 위해 센서 케이스(44, 45)를 회전시켜 측정 각도가 0이 되는 위치에서 고정볼트(47)로 회전하지 않게 고정한다. 대부분의 각도 센서는 ±10°각도를 측정하기 때문에 초기 측정 각도를 0으로 조정하는 것은 아주 중요하다.

도 6은 본 발명의 터널 라이닝 부분에 터널 내공측정 센서기구장치를 고정하기 위한 기구의 단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 센서기구장치를 고정하기 위한 고정장치(70)로 고정 홀(71, 72)을 앙카 볼트를 사용하여 라이닝 벽에 고정한다. 터널 내공측정 센서 장치의 양 끝 홀을 고정 홀(73)에 고정 볼트를 사용하여 고정한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 2차원 터널 내공변위계측을 위한 시스템은 2차원 변위측정을 위해 리니어 저항과 각도 측정용 자기 저항 소자를 사용하기 때문에 구조가 일직선 형태가 되며 꺽임 관절을 사용하는 기존의 시스템 보다 터널 유효공간을 넓힐 수 있고 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 터널 내공 변형을 측정하기 위한 2차원 터널 내공측정 센서기구장치에 있어서,

   길이 변화를 측정하기 위한 길이변이 측정센서기구장치가 내장된 실린더(20)와,

   상기 실린더(20)의 한 부분에 부착되어 각도 변화를 측정하기 위한 각도변이 측정센서기구장치(40)와,

   상기 실린더(20)에 한쪽 끝에 부착되어 길이 변이에 따라 왕복 운동하는 피스톤(50)과,

   상기 실린더(20)의 다른 한쪽 끝에 고정된 피스톤(51), 및

   상기 피스톤(50, 51)의 양 끝에 부착된 고정 홀(61, 60)로 이루어짐을 특징으로 하는 2차원 터널 내공측정 센서기구장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 길이변이 측정센서기구장치는 실린더(28)와,

   상기 실린더(28)내에 터널 내공의 변형에 따라 움직이는 피스톤(30)과,

   상기 피스톤(30)에 연결된 리니어 저항 피스톤(23)과,

   상기 리니어 저항 피스톤(23)에 연결된 리니어 저항 실린더(22)와,

   상기 리니어 저항 실린더(22)를 지지하는 원통 파이프(27)와,

   상기 원통 파이프(27)를 고정시키는 고정핀(26)과,

   상기 리니어 저항 피스톤(23)과 상기 피스톤(30)을 고정시키는 고정핀(29)과,

   상기 피스톤(30)을 지지하는 리니어 베어링(24, 25), 및

   상기 피스톤(30)의 최대 스트록을 제한하기 위한 스트록 제한장치(31)로 이루어짐을 특징으로 하는 2차원 터널 내공측정 센서기구장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각도변이 측정센서기구장치(40)는

   각도 측정 자기저항 각도센서(41)와,

   상기 각도센서(41)를 보호하기 위한 센서 케이스(44, 45)와,

   상기 각도센서(41)를 길이변이 측정센서기구장치에 결합하기 위해 실린더 부착 홀(48)이 포함된 각도센서 부착장치(46)와,

   상기 센서 케이스(44, 45)를 고정하는 고정볼트(42, 43), 및

   상기 센서 케이스(45)와 각도센서 부착장치(46)를 고정하는 회전축 고정볼트(47)로 이루어짐을 특징으로 하는 2차원 터널 내공측정 센서기구장치.