KR100439203B1 - 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 터널 시공 중 및 유지관리 단계에서 내공변위와 천단침하를 측정할 시에 사용되는 센서시스템을 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템(1)을 구성하되, 상기 센서시스템(1)은 일단이 베이스(6)에 축연결되며 타단이 커넥터(7)로 연속 이음되는 레코드샤프트(5)를 갖는 센서기구부(2)와, 상기 센서기구부(2)에는 길이 및 기울기 변형을 측정하기 위한 센서모듈부(3)와 이를 제어하기 위한 센서콘트롤러부(4)를 설치하며, 상기 센서모듈부(3)는 1/100도의 분해능을 갖고 레코드샤프트(5)에 연결샤프트(9)로 연결설치되는 기울기센서모듈(8)과, 1/100mm의 분해능을 갖고 커넥터(7)의 단부에 게이지가이드스케일(11)에 의해 설치되는 길이변형센서모듈(10)로 구성된 것으로서, 본 발명에서 제공하는 센서시스템(1)은 센서기구부(2) 상에 길이변형센서와 기울기센서를 동시에 설치하여 측정점에 대한 길이와 각을 정확히 센싱할 수 있으며, 계측 정밀성에 있어 월등한 성능을 지닌 센서시스템(1)을 제공할 수 있는 것이다.

Description

터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템{The sensor system for measurement of tunnel endurance displacement and its ceiling subsidence}

본 발명은 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 터널 시공 중 및 유지관리 단계에서 측정할 시에 사용되는 센서시스템을 제공코자 하는 것이다.

통상 터널 시공 중 및 유지관리 단계에서 터널의 내공변위와 천단침하현상을 측정하기 위해서는 작업자가 현장에서 직접 측정장비를 사용하여 인력에 의존하여 측정을 행하여 옴으로서, 인력의 낭비는 물론 신속한 측정이 불가능한 등 다수의 문제점을 안고 있었던 것이다.

특히 기존의 센서를 이용한 터널 내공변위와 천단침하 측정용 센서들은 내공 변위를 측정하기 위한 센서와 각도센서가 각각 독립적으로 설치되어, 측정코자 하는 점의 벡터 측정이 불가능하며, 각각의 센서에 맞는 데이터 수집용 로거(Logger)가 필요했었다.

한편, 기존에 터널 내공변위를 측정하는 센서에는 크게 2가지 방식이 있는바, 하나는 변위측정 테이프(Converzence Tape) 센서와 광섬유센서 이다.

변위측정 테이프 센서는 전통적인 방식으로 핀을 터널 라이닝에 고정시키고 테이프를 연결하는 형태로서, 변형이 가해지면 테이프의 길이가 변하는 정도를 측정하게 된다. 이는 시공이 간단하고, 테이프의 길이를 30m 까지 늘려서 측정이 가능하지만, 정밀성이 0.1~0.15mm 정도로 정밀도가 낮다는 점과 별도의 각도 센서가 필요하다는 단점을 안고 있었던 것이다.

그리고 광섬유 센서는 최근에 개발된 기술로 기본적인 구성은 광원(주로 반도체 레이저), 광섬유, 그리고 광 검출기로 구성되어 외부의 물리적 힘이 가해지면 굽힘 광 손실 혹은 산란의 특성을 이용하여 길이로 산출해내는 방식이다.

이는 주로 대교(大橋)와 같은 곳에 이용되고 있으며, 정밀한 계측을 위해서는 고가의 정밀한 광원과 광검출기가 필요하다는 단점이 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 기존의 터널의 내공변위와 천단침하를 측정하기 위한 센서시스템이 안고 있는 제반 문제점을 해결할 수 있는 신규한 구성의 터널 내공변위와 천단침하 측정용 센서시스템을 제공코자 하는 것으로서,

본 발명은 특히 센서기구부 상에 길이변형센서와 기울기센서를 동시에 설치하여 측정점에 대한 길이와 각을 정확히 측정할 수 있으며, 정밀성에 있어 월등한 성능을 지닌 센서시스템을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템의 정면도

도 2는 본 발명의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템의 측면도

도 3은 본 발명의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템의 연장 구성

도

도 4는 본 발명의 터널 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템의 터널

단면 설치 상태를 보인 개략도

도 5는 본 발명의 터널 내공변위와 천단침하에 의한 벡터 dx, dy 측정

도 6은 본 발명에 있어서 라이닝 내공변위와 천단침하 절대좌표 방식의 계측

원리도

도 7은 본 발명에 있어서 라이닝 내공변위와 천단침하 상대좌표 방식의 계측

원리도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1:센서시스템 2:센서기구부

3:센서모듈부 4:센서콘트롤러부

5:레코드샤프트 6:베이스

7:커넥터 8:기울기센서모듈

9:연결샤프트 10:길이변형센서모듈

11:게이지가이드스케일 12:터널

도 1은 본 발명에서 제공하는 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템(1)의 정면도이며, 도 2는 이의 측면도로서, 본 발명은 소정 길이를 갖고 연속적으로 연결하여 사용할 수 있는 단위 센서시스템(1)으로 구성된다.

즉, 상기 센서시스템(1)은 크게 사각형의 바아 등으로 이루어지는 센서기구부(2)와, 상기 센서기구부(2)상에 설치되며 길이 및 기울기 변형을 측정하기 위한 센서모듈부(3), 그리고 이들을 제어하기 위한 센서콘트롤러부(4)로 크게 구성된다.

상기 센서기구부(2)는 레코드샤프트(5)를 양단에 각각 연결하기 위한 베이스(6)와 길이방향으로 이웃하여 연속적으로 연결되는 센서기구부(2)의 베이스(6)상에 설치된 커넥터(7)와 연결된다.

상기 레코드샤프트(5)에는 센서모듈부(3)를 구성하는 1/100도의 분해능을 갖는 기울기센서모듈(8)이 연결샤프트(9)로 연결설치되며, 커넥터(7)의 단부에는 1/100mm의 분해능을 갖는 길이변형센서모듈(10)이 게이지가이드스케일(11)에 의해 설치된다.

이러한 구성상의 특징을 갖는 본 발명의 센서시스템(1)은 도 3과 같이 터널(12)의 내공변위와 천단침하를 측정하기 위하여 베이스(6) 부위에 레코드샤프트(5)를 길이방향으로 이웃하여 연속적으로 연결시켜 측정작업을 수행하도록 구성되는 것이다.

도면중의 부호 13은 터널(12)의 천단을 도시한 것이다.

상기와 같이 구성될 수 있는 본 발명의 센서시스템(1)을 사용하여 터널(12)의 내공변위와 천단침하를 측정코자 할 시는 도 4와 같이 터널(12)의 천단(13)을 따라 센서시스템(1)을 도 3과 같이 길이방향으로 연장되게 연결하여 라이닝 길이에 맞게 설계ㆍ설치한다.

센서시스템(1)은 1m의 길이로 도 2에서와 같이 a 포인트가 관측점이며, b 포인트가 계측점이 된다. 즉, 도 6에서 B가 계측점일 때는 A가 관측점이며, B가 관측점일 때는 C가 계측점이 된다. 라이닝에 변형이 발생하여 B~D 포인트가 이동을 하면 새로운 좌표 B'~D'로 구성되며, A좌표는 불변이다.

본 발명의 센서시스템(1)에서 라이닝 변형을 계측하는 기본 원리는 내공변위를 구하는 방법에 따라 '절대좌표방식'과 '상대좌표방식'이 있다.

절대좌표방식의 계측법에서 내공변위는 도 6의 예에서 보면 변형후의 중점좌표와 변형이전의 중점좌표의 이동거리이다. 그러므로 변형에 따른 이전의 계측점의 좌표를 반드시 알아야 한다.

반면에 상대좌표방식은 도 7과 같이 변형에 의해 발생된 길이변형과 각도변형을 이용하여 좌표와 상관없이 한 시각 변화에 대하여 삼각함수 관계에 의한 곡률변화() 값을 내공변위로 놓는다.

절대좌표방식은 한 단면의 연속된 센서시스템(1)에서 중간에 해당하는 센서시스템(1)에 고장이 발생할 경우 새로운 좌표 생성을 못하게 되거나 센서시스템(1)의 오동작으로 인한 오차 값의 전달이 이루어지는 문제점이 있을 수 있다.

반면에 상대좌표방식은 앞의 경우에 각 센서시스템(1)이 독립적 계측을 하므로 정상 센서시스템(1)에 대하여 내공변위를 모두 구할 수 있으나 수식적 값 축약에 의하여 각도변형이 미세할 경우에 그 정확성을 가진다.

이하 절대좌표방식에 의한 계측법을 보다 상세히 설명하면;

터널의 단면변형 측정을 위한 센서시스템(1)은 터널(12) 단면의 천단(13)을 따라 도 6과 같이 S1~S4까지 센서시스템(1)이 설치되었을 때, 단면변형이 일어나는 경우 좌표점의 이동은 B'~D' 좌표로 나타내며, 선행 센서시스템(1)의 좌표이동에 영향을 받는다.

S1 센서시스템(1)의 경우를 살펴보면, 선행 센서시스템(1)이 없으므로 B에서 B'로의 이동을 dx(b), dy(b) 성분만으로 나타낼 수 있다.

각 설치좌표점(A~D)은 센서시스템(1)의 설치점 설계에 의하여 이미 알고 있으며, 변형 좌표점 B'(Xb',Yb')는와에 의한 삼각 함수에 의하여 구할 수 있다.

여기서,,이다.

따라서 dx, dy는 B(Xb,Yb)와 B'(Xb',Yb')를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

결과적으로 B점에서의 터널(12)의 단면변화는 위의 수식에 따라과을 구하여 얻을 수 있다.

S2 센서시스템(1)의 순수한 변형은 C에서 C"로의 이동이며, C' 좌표는 C"좌표에 S1의 B에서 B'점으로의 이동 성분인 dx(b), dy(b)을 더한 값이다.

위의 수식과 같이 C'점을 구할 수 있으며, 나머지 D', E' 좌표 역시 같은 방식으로 구하게 된다.

그리고 본 발명의 센서시스템(1)을 사용하여 라이닝 변형을 상대좌표방식에 의한 계측법은 다음과 같다.

도 7에서 곡률변화와 h', h 는 다음 수식과 같으며 이를 내공변위로 하여 축력 및 휨모멘트를 구하게된다. 즉, 각와을 구하면 각 센서시스템(1)에서 각 좌표와 독립적인 내공변위값을 구하게 된다.

절대좌표방식 및 상대좌표방식의 계측원리에서 결과적으로 각 센서시스템(1)에서와을 구하면 된다.는 도 1의 센서시스템(1)의 A부와 B부, A'부와 B'부가 각각 조인트 구조로 단면변형에 의한 상하운동은 기울기센서모듈(8)에 의하여값을 구하게된다.

또한 B와 B'부는 서로 슬라이딩할 수 있는 구조로 단면변형에 의한 좌표점의 이동 거리가 길이변형센서모듈(10)에 의하여값을 구하게 된다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명은 터널 내공변위와 천단침하를 측정하기 위한 센서시스템(1)을 제공하되, 센서기구부(2) 상에 길이변형센서와 기울기센서를 동시에 설치하여 측정점에 대한 길이와 각을 정확히 센싱할 수 있으며, 계측 정밀성에 있어 월등한 성능을 지닌 센서시스템(1)을 제공할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 예상외로 다대한 발명이다.

Claims (1)

1. 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템(1)을 구성함에 있어서;

   상기 센서시스템(1)은 일단이 베이스(6)에 축연결되며 타단이 커넥터(7)로 연속 이음되는 레코드샤프트(5)를 갖는 센서기구부(2)와,

   상기 센서기구부(2)에는 길이 및 기울기 변형을 측정하기 위한 센서모듈부(3)와 이를 제어하기 위한 센서콘트롤러부(4)를 설치하며,

   상기 센서모듈부(3)는 1/100도의 분해능을 갖고 레코드샤프트(5)에 연결샤프트(9)로 연결설치되는 기울기센서모듈(8)과, 1/100mm의 분해능을 갖고 커넥터(7)의 단부에 게이지가이드스케일(11)에 의해 설치되는 길이변형센서모듈(10)로 구성된 것을 특징으로 하는 터널의 내공변위와 천단침하 측정을 위한 센서시스템.