KR100543683B1 - 진동현식 다측점 락볼트축력계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하터널 또는 광산터널 등의 토목공사시 터널 내부의 암반, 흙 등에 의한 역학변위, 즉 지반의 침하나 암반의 이동으로 인한 응력을 정확하고 정밀하게 측정하여 측정데이타를 비교 분석함으로써, 굴착공법과 시공순서, 작업공정 등에 관한 설계등 시공계획을 완벽하게 기획하고 안전하게 시공하도록 하는데 사용되는 진동현식 다측점 락볼트축력계(VIBRATING WIRE ROCK BOLT STRESSMETER)에 관한 것으로, 터널공사시에 설치하는 축력측정장치를 변위봉에 의한 것이 아니라 진동현의 진동주파수 변화를 감지하여 진동주파수의 변화량을 측정 함으로서 시공장소의 지반이나 암반의 거동에 따른 락볼트축력계에 전달되는 축력을 정확하게 해독하여 이를 토대로 터널공사도중 안전사고의 위험을 미연에 방지토록 함은 물론, 공사가 완료된 터널의 사후관리에 만전을 기울일수 있도록 함에 그목적을 둔 것이다.

Description

진동현식 다측점 락볼트축력계

본 발명은 지하터널 또는 광산터널 등의 토목공사시 터널 내부의 암반, 흙 등에 의한 역학변위, 즉 지반의 침하나 암반의 이동으로 인한 응력을 정확하고 정밀하게 측정하여 측정데이타를 비교 분석함으로써, 굴착공법과 시공순서, 작업공정 등에 관한 설계등 시공계획을 완벽하게 기획하고 안전하게 시공하도록 하는데 사용되는 진동현식 다측점 락볼트축력계(VIBRATING WIRE ROCK BOLT STRESSMETER)에 관한 것이다.

일반적으로 지하터널 또는 광산터널 등을 굴착하는 토목공사 현장에서는 터널공사를 하고자하는 곳의 각지형마다 지반이나 암반의 구성 상태와 토질조건 들이 차이를 나타내기 때문에, 터널공사를 하고자 하는 곳의 기초암반이나 지반 등의 구성상태와 거동상태 등을 파악한 기초자료가 반드시 필요하였는데, 이들 조건들을 사전에 정확히 조사하고 이를 토대로 터널의 굴착공법과 시공순서, 지반의 거동을 방지하는 락볼트의 설치위치와 설치수량 등에 관한 설계와 시공계획을 완벽하게 기획하고 안전하게 시공하도록 터널내부에 여러 가지 보강구조물을 설치하게 된다. 특히 터널내부로 부터 지층으로 다수의 락볼트를 설치하여 지반이나 암반의 거동을 방지하여 터널의 붕괴를 방지하는 것은 물론, 지하철 공사나 광산채굴공사 기타 터널 토목공사 에서는 필수적인 가장 중요한 작업이다.

그러나 지금까지는 일부 제한된 몇곳의 지반과 암반조사 및 토질시험 결과로 부터 얻어진 자료에 근거하여 설계 함으로서, 설계시 추정한 값과 공사현장 에서 실제로 측정한 값이 상당한 차이를 보이기 때문에 설계된 내용대로 시공하였을 경우, 터널작업 도중이나 시공이 완료된 후에 터널주위를 둘러싸고 있는 주변요인인 불량암반과 지반의 거동으로 일부 지반이 무너지거나 터널전체가 붕괴되는 등의 예상치 못했던 대형 안전사고의 위험이 발생할 우려가 있었다.

이에 터널공사 시에는 물론, 터널공사 완료후에 터널주변을 둘러싸고 있는 주변요인인 암반과 지반의 거동 상태를 측정 함으로서, 락볼트의 증설여부와 설치할 락볼트의 적정길이를 판단하고, 상기 측정된 락볼트의 축력 데이터를 비교분석 함으로서 시공방향 설정이나 사후관리가 가능하도록 한 축력측정장치가 안출되었는데, 지금까지 사용되고 있는것은 도1에 도시된 바와같이, 중공의 락볼트(1) 내부에 종방향으로 적어도 4곳의 측정위치(POINT)를 설정하여 각 측정 위치마다 상기 락볼트(1) 내면과 일체로 결합되도록 각각 변위봉(5)을 설치하되, 상기 각 측정 위치마다 선단이 일체로 결합된 4개의 변위봉(5)은 끝단이 락볼트(1) 후단에 결합되는 락볼트헤드(2) 내부의 지지편(2a)에 지지되어서 일정한 크기로 노출 되도록 구성 한다. 이와같이 구성된 락볼트축력계를, 터널공사를 하고자 하는 시공위치에 구멍을 뚫고 락볼트(1)를 삽입한후 시크리트나 세멘트 등의 몰타르(100)로 주변을 채워서, 락볼트(1)가 삽설된 지반이나 암반과 일체로 응고시켜 고정한 다음, 소정의 시간이 경과되면, 터널 내부의 암반과 흙 등에 역학변위가 발생되게 되며, 이러한 역학 변위의 발생으로 각 지층별로 암반이 거동하면서 락볼트(1)가 축력에의해 변형되며, 이때 그 내부에 임의의 측정 포인트를 설정하여 일체로 결합된 변위봉(5) 또한 휘어지게 되는데, 이때 상기 락볼트(1)의 휨 정도가 각 지층의 거동 정도에 따라 각기 다르게 되어 상기 락볼트(1)의 각기 다른 위치에 측정포인트를 설정하여 일체로 설치한 변위봉(5) 또한 변위 정도가 각기 다르면서, 락볼트헤드(2) 내부의 지지판(2a)에 지지되어서 노출되어 있던 변위봉(5)의 노출 크기가 각기 달라지게 되는바, 이때 변위된 변위봉(5)의 변위치 를 버니어켈리퍼스나 다이알게이지등 별도의 측정 기구로 측정하여 지반의 거동 상태를 분석 하거나, 상기 변위봉의 변위량에 따라 저항값이 변하는 가변저항을 락볼트 후단의 슬리브너트에 설치하여 여기에 측정용케이블을 연결배선하여 측정단자와 연결함으로서, 변위봉의 길이변화에 따라 변화되는 다수의 가변저항의 저항값으로 터널을 구성한곳의 지반과 암반의 내부에 작용하는 축력의 변화를 상기 락볼트에 설치된 가변저항과 측정용 케이블로 여결되도록 배선된 측정단자 에서 저항측정기(테스터기)로 측정이 가능토록 구성하였다.

그러나 이와 같은 종래의 변위봉(5)을 이용한 락볼트 축력계 측정장치는 락볼트(1) 내부의 각포인트에 고정설치되는 다수의 변위봉(5)의 길이 변화를 버어니어켈리퍼스 등의 길이 측정기구를 사용하여 변위량을 측정 하거나 이들의 변위에 따른 저항의 변화를 측정하기 때문에 그 구성이 복잡하고, 측정이 매우 불편하여 측정자의 숙련도에 따라 결과치가 다르게 나타날 수 있는등, 측정의 정밀도가 결여되어 정확한 변위량을 감지할 수 없을 뿐만아니라, 이로 인한 오차 발생에 따라 터널공사 현장의 지반이나 암반의 거동상태를 정확히 해독할 수 없어 터널공사도중 이나 공사완료후의 사후관리에 오류가 발생되어 안전사고를 유발하는 등 항상 위험부담을 안고 있었다.

본 발명은 상기한 지금까지의 변위봉을 이용한 축력측정장치 에서 발생되는 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 터널공사시에 설치하는 축력측정장치를 변위봉에 의한 것이 아니라 진동현의 진동주파수 변화를 감지하여 진동주파수의 변화량을 측정 함으로서 시공장소의 지반이나 암반의 거동에 따른 락볼트축력계에 전달되는 축력을 정확하게 해독하여 이를 토대로 터널공사도중 안전사고의 위험을 미연에 방지토록 함은 물론, 공사가 완료된 터널의 사후관리에 만전을 기울일수 있도록 함에 그목적을 둔 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지하터널 또는 광산터널등 각종 터널 토목공사 현장에서 터널내부에 설치되어 지반이나 암반의 거동 상태에 따른 축력을 측정하는데 사용되는 축력측정장치를 구성함에 있어서,

중공의 락볼트 내부에 종방향으로 1∼4곳의 측정위치(POINT)를 설정하여서 각 측정위치에 진동현을 팽팽하게 설치하고, 상기 진동현의 진동주파수를 트랜스퍼로 감지하여서 케이블을 통하여 자동계측시스템 등의 계측장치로 전송하도록 구성하되, 여기서 상기 각 측정위치마다 설치되는 진동현을 얇은 판으로 형성하여 스프링과 결합한후, 그 양단에 홀다를 일체로 형성하고 상기 홀다를 세트스크류로 고정하여 팽팽하게 유지시키고, 각각의 진동현 에는 트랜스퍼를 설치하여 진동현의 진동주파수를 감지하도록 구성하였다.

상기와 같은 본 발명을 첨부도면에 의거 더욱상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도2에 도시된 바와같이, 중공의 락볼트(1) 내부에 종방향으로 1∼4곳의 측정위치(POINT)를 설정하여 각 측정위치에 진동현(10)을 팽팽하게 설치하고, 상기 진동현(10)의 진동주파수를 트랜스퍼(20)로 감지하여서 케이블(30)을 통하여 자동계측시스템 등의 계측장치(40)로 전송하도록 구성 한다.

여기서 상기 각 측정위치마다 설치되는 진동현(10)은 얇은판(10a)으로 형성하여 양단을 스프링(10b)과 결합하고 상기 스프링을 홀다(11)에 결합하여 세트스크류(12)로 고정하여 최초에는 팽팽하게 유지시키고, 각각의 진동현(10)에는 트랜스퍼(20)를 설치하여 진동현(10)의 진동주파수를 감지하도록 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 도3에 도시된 바와같이 터널을 시공하는 현장의 지반이나 암반의 거동을 측정하고자 하는 소정의 위치에 드릴등으로 홀을 천공하고 본 발명의 락볼트(1)를 삽입 하여, 주위에 몰타르(100)를 채워서 양생함으로서 암반이나 지반에 본 발명의 락볼트(1)가 일체로 단단히 고정되도록 설치한 다음, 락볼트(1) 내부의 각측정 위치에 설치한 진동현(10)의 진동주파수를 감지하도록 설치되어 있는 트랜스퍼(20)에 연결되어 배선된 측정용케이블(30)을 자동계측시스템 등의 계측장치(40)에 연결하여 상기 자동계측시스템 등의 계측장치(40)를 측정이 용이한 곳에 설치하면 본 발명의 설치 작업은 완료된다.

이와같이 설치 작업이 완료되면 상기 자동계측시스템 등의 계측장치(40)에서 최초의 진동 주파수를 측정 하여서 이를 축력으로 환산하여 최초축력값을 구한다.

이와같은 상태에서 소정의 시간이 지나면 터널 주변요인의 변화 등으로 암반이나 지반이 거동되어 락볼트(1)가 축력에의해 변형되면, 그 내부에 임의의 측정 포인트를 설정하여 설치한 진동현(10)이 각 지층의 거동 정도에 따라 느슨해 지거나 더욱 팽팽해 지는등 변하게 되어 트랜스퍼(20)에 감지되는 진동주파수가 달라지게 되며, 이와같이 달라진 진동주파수는 케이블(30)을 통하여 자동계측시스템 등의 계측장치(40)로 전달되고 사용자는 별도의 진동측정기로 진동현(10)의 진동주파수를 측정하여 이를 최초의 진동주파수와 비교하여 변화된 진동주파수를 축력으로 환산하여 지반이나 암반등 지층의 거동에 따른 축력을 산정한다.

여기서 트랜스퍼(20) 에서 감지한 진동주파수가 케이블(30)을 통하여 자동계측시스템 등의 계측장치(40)로 전달되면 이를 진동측정기로 측정하는 시스템은 전화기의 원리와 동일하다.

이와같은 축력측정은 터널벽면의 상대변위와 연관시켜주는 것이 중요한데, 각 지점 및 구간의 응력을 구하여 인장응력을 상단으로 압축응력을 하단으로 하는 그래프를 그려서 판단하면 느슨한 영역의 판단도 가능하다.

상기와 같은 방법으로 터널공사의 진행에 따른 각 지점 및 각 구간의 응력의 변화를 아주 간편한 방법으로 정확하게 측정하고 이를 기록하여 이들을 토대로하여 느슨한 영역에 락볼트를 증설하거나 락볼트의 길이를 적정하게 늘리는등 터널공사를 안전하고 신속하며 정확하게 진행토록 함은 물론 사후관리를 위한 자료로서 지속적으로 관찰한다.

상기와 같이 본 발명은 종래의 변위봉의 변위에 따른 축력측정장치 에서 측정시 측정자의 숙련도에 따라 축력변위량 측정의 정밀도와 정확도가 결여되어 정확한 변위량을 감지할 수 없는 등 측정이 불확실한 것을 진동현의 주파수로 발명함으로서, 터널시공 장소의 암반이나 지반의 거동을 측정자의 숙련도에 관계없이 정확하게 측정하여 락볼트축력계에 전달되는 축력을 정확하게 해독하고, 이를 토대로 락볼트의 증설여부와 느스해진 영역을 파악하여 락볼트의 적정한 길이와 설치수량, 설치위치 등을 판단하여 시공함으로써, 터널시공시 발생우려가 있는 안전사고의 위험을 미연에 방지하며, 시공이 완료된 터널의 사후관리에도 만전을 기울일수 있게 함은물론, 측정이 용이한등 터널공사 등의 토목공사에 있어서 매우 유용하게 사용할 수 있는 신규한 발명이다

도1 은 종래 다측점 락볼트축력계의 구성 상태도.

도2 는 본 발명의 구성상태 예시도.

도3 은 본 발명의 사용상태 예시도.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1 : 락볼트 2 : 락볼트헤드

10 : 진동현 11 : 홀다

12 : 세스크류 20 : 트랜스퍼

30 : 케이블 40 : 자동계측시스템 등의 계측장치

Claims (1)

1. 터널 시공장소의 지반이나 암반의 거동을 알아내는데 사용되는 축력측정장치를 구성함에 있어서,

   중공의 락볼트 내부에 종방향으로 1∼4곳의 측정위치(POINT)를 설정하여서 각 측정위치에 설치되는 진동현을 얇은 판으로 형성하여 스프링과 결합한 후, 그 양단에 홀다를 일체로 형성하고 상기 홀다를 세트스크류로 고정하여 팽팽하게 유지시키고, 각각의 진동현 에는 트랜스퍼를 설치하여 진동현의 진동주파수를 감지하 하여서 케이블을 통하여 자동계측시스템 등의 계측장치로 전송하도록 구성함을 특징으로 하는 진동현식 다측점 락볼트축력계(VIBRATING WIRE ROCK BOLT STRESSMETER).