KR101175298B1

KR101175298B1 - 터널의 폐색여부 검출 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101175298B1
Application number: KR20100083973A
Authority: KR
Inventors: 이종섭; 이인모
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-08-23
Also published as: KR20120020390A

Abstract

터널의 배수재의 폐색여부를 검출하는 장치에 있어서, 제 1 주파수의 초음파 신호를 상기 배수재의 일부 영역인 측정영역에 출력하는 출력부, 상기 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 수신부 및 상기 제 1 주파수와 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 상기 측정영역의 폐색여부를 판단하는 분석 장치를 포함하는 폐색여부 검출 장치를 제공한다.

Description

터널의 폐색여부 검출 장치 및 그 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING OBSTRUCTION OF TUNNEL}

본 발명은 터널의 폐색여부를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도시에 인구가 집중됨에 따라 도로, 철도, 지하철 등의 교통수단이나 전력기구, 통신기구, 상수도 공급 등의 목적으로 터널 구조물이 점차 증가하고 있다. 이러한 터널의 경우 터널의 안정성 및 유지관리에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나가 지하수 처리 문제이다. 일반적으로 터널 내 지하수를 처리하기 위한 터널 구조 방식은 기본 개념에 따라 배수형 터널과 비배수형 터널로 나뉜다.

배수형 터널은 콘크리트 라이닝에 수압이 작용하지 않도록 하는 터널의 구조개념으로 유입수량이 적거나 지하수위 저하가 심각하지 않을 경우에 이용된다. 그러나 배수형 터널의 경우 배수시스템 기능저하 현상으로 인해 설계 시 고려하지 못했던 잔류수압이 발생하게 되고, 이에 따라 콘크리트 라이닝의 장기적 안정성이 저해된다. 이처럼 터널의 수명을 단축시키고 안정성을 저해하는 요소인 열화, 누수, 잔류수압 등의 원인을 근본적으로 해결하기 위하여, 터널의 배수시스템 기능을 원활히 유지하기 위한 해결 방법이 필요하다.

터널의 배수시스템 기능이 저하되는 이유는 일반적으로 배수형 터널의 기본 요소인 배수재에 폐색현상이 발행하기 때문이다. 다시 말해 지하수와 함께 유입되는 폐색요소뿐만 아니라 터널 시공시 사용되는 각종 시멘트류의 그라우팅 재료 등이 배수재에 쌓여 배수재에 폐색현상을 유발하고, 이로 인해 배수시스템 기능이 저하되는 것이다. 하지만 배수재는 콘크리트 라이닝 내측에 부착되므로 폐색여부를 육안으로 확인할 수 없을 뿐만 아니라 폐색 현상이 발생했을 경우 이에 대한 처리방안도 마련되어 있지 않다는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도플러 효과를 이용하여 터널의 폐색여부를 파악하고, 초음파의 공동현상을 이용하여 배수재 폐색현상을 해소하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 터널의 배수재의 폐색여부를 검출하는 장치는, 제 1 주파수의 초음파 신호를 상기 배수재의 일부 영역인 측정영역에 출력하는 출력부, 상기 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 수신부 및 상기 제 1 주파수와 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 상기 측정영역의 폐색여부를 판단하는 분석 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 터널의 배수재의 폐색여부를 검출하는 방법은, 제 1 주파수의 초음파 신호를 상기 배수재의 일부 영역인 측정영역에 출력하는 단계, 상기 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 단계 및 상기 제 1 주파수와 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 상기 측정영역의 폐색여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 스캔 방식의 평가방법을 사용하여 폐색현상의 유무를 평가함으로써 종래의 고정위치 방식의 한계를 극복할 수 있다.

또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 터널 배수재 전 구역에 대해 폐색현상이 있는지 평가할 수 있다.

또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 배수재의 폐색구간을 정확히 파악할 수 있고, 터널에 직접적인 물리적 타격을 주지 않고 폐색요소를 제거할 수 있다.

또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 터널의 배수시스템 기능을 원활히 유지함으로써 터널 구조물의 안정성을 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배수형 터널 및 폐색여부 검출 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 장치를 도시한 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 폐색요소의 이동여부와 초음파 에코의 변화 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색요소의 제거과정을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 방법을 도시한 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배수형 터널 및 폐색여부 검출 장치를 도시한 도면이다.

배수형 터널(50)은 굴착면을 통하여 터널로 유입되는 지하수를 배수관(56)을 통하여 집수정으로 유도한 후 터널 밖으로 배수하는 형식의 터널로서, 유입지하수량이 적거나 지하수위 저하가 심각하지 않은 경우에 적용될 수 있다.

배수형 터널(50) 층은 터널 라이닝(52), 배수재(54) 및 숏크리트 층(58)을 포함한다. 터널 라이닝(52)은 배수형 터널(50)의 가장 내측면에 형성되며, 터널을 목적에 적합하게 영구적으로 안전하게 사용할 수 있도록 터널 내공 단면을 제외한 공간에 석재나, 콘크리트, 숏크리트 등의 재료를 사용하여 형성된다. 터널 라이닝(52)은 영구적으로 토압이나 외부하중에 견디어야 하며 변형이나 붕괴가 되지 않고 누수에 따라 침식이나 강도가 저하되지 않도록 내구성이 요구된다.

이를 위해, 배수형 터널(50)은 터널 라이닝(52) 상부에 배수재(54)를 구비하여, 배수되는 지하수로 인해 터널 라이닝(52)에 수압이 작용하지 않도록 한다. 배수재(54)는 숏크리트 층(58)을 통해 침투된 지하수를 터널의 횡측 방향으로 가이드하여, 배수관(56)을 통해 배수시킨다. 배수재(54)는 부직포 및 방수막 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 참고로, 배수재(54)는 수 mm의 두께를 가지고, 터널 라이닝(52)은 수십 cm의 두께를 가진다.

한편, 배수재(54)로 유입되는 지하수는 침전물뿐만 아니라, 터널 시공 시 사용되는 각종 시멘트류의 그라우팅 재료도 함께 포함한다. 폐색요소는 침전물, 불순물 및 그 밖의 폐색현상을 유발하는 모든 물질을 포함한다. 폐색요소와 그라우팅 재료 등은 배수재(54)에 쌓여 폐색현상을 유발하고 이로 인해 배수시스템 기능을 저하시키고, 터널의 안정성도 문제가 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 장치(10)는 적어도 일부가 터널의 내측에 배치하여, 터널의 배수시스템을 감시한다. 폐색여부 검출 장치(10)는 배수재(54)의 폐색여부를 판단하고, 배수재(54)가 폐색된 것으로 판단되면, 정지된 폐색요소에 대해 초음파 신호를 이용하여 제거한다. 폐색여부 검출 장치(10)는 터널의 내측에 배치되기 위한 임의의 장치를 포함할 수 있다. 폐색여부 검출 장치(10)의 구성 및 작동 메커니즘과 관련해서는 하기에서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 장치를 도시한 블록도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 장치(10)는 배수재(54)의 폐색여부를 파악하고, 배수재(54)가 폐색된 것으로 판단되면, 정지된 폐색요소를 제거한다. 특히, 본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 장치(10)는 도플러 효과를 이용하여 폐색요소의 이동여부를 파악하고, 초음파 공동현상을 이용하여 폐색요소를 제거한다.

구체적으로, 폐색여부 검출 장치(10)는 도 2에서 나타낸 바와 같이, 펄스 인가 장치(100), 센싱 장치(200), 분석 장치(300), 이동 장치(400) 및 디스플레이 장치(500)를 포함한다.

펄스 인가 장치(100)는 센싱 장치(200)에 초음파 신호를 인가하는 장치로서, 펄스 발생부(110), 주파수 조정부(120) 및 전압 조정부(130)를 포함한다. 주파수 조정부(120) 및 전압 조정부(130)에 대한 실험자의 조작 또는 자동 제어에 따라 송신 전압과 주파수 조건을 결정하고, 결정된 송신전압과 주파수 조건에 대응하는 펄스를 발생시켜 펄스 발생부(110)로부터 센싱 장치(200)로 전송한다. 센싱 장치(200)로 전송되는 펄스는 초음파 신호의 송신 전압 및 주파수 조건에 대응된다.

본 발명의 일실시예에 따른 펄스 인가 장치(100)는 배수재(54), 터널 라이닝(52) 및 폐색요소의 크기, 두께, 재질 등의 정보에 기초하여 초음파 신호의 전압 및 주파수를 선택할 수 있다. 이를 통해 터널 라이닝(52), 배수재(54) 및 폐색요소 등 측정영역의 상태에 따라 최적의 수신 감도를 가지는 초음파 펄스 신호를 센싱 장치(200)에 전송할 수 있다.

센싱 장치(200)는 폐색요소의 이동여부를 감지하지 위해 초음파 신호를 송수신하는 장치로서, 초음파 신호를 측정영역에 출력하는 출력부(210)와 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코를 수신하는 수신부(220)를 포함한다.

출력부(210)는 펄스 인가 장치(100)로부터 전송된 펄스 신호를 이용하여 초음파 신호를 출력한다. 초음파 신호가 터널 내로 출력되면, 출력된 초음파 신호는 배수재(54) 내의 폐색요소의 경계부에 의해 반사된다. 수신부(220)는 출력부(210)와 소정 간격을 두고 배치되어, 폐색요소의 경계부에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신한다. 반사된 초음파 에코 신호에 의해 수신부(220)에 포함된 초음파 수신 소자가 진동하고 전압 신호를 발생시킬 수 있다. 수신부(220)를 통해 수신된 초음파 에코 신호는 분석 장치(300)로 전송된다. 출력부(210) 및 수신부(220)는 각각 별개의 소자로 구성될 수 있으나, 초음파 출력 및 수신을 모두 수행하는 일체형 소자로 구성될 수도 있다.

출력부(210)에 의해 출력되는 초음파 신호는 기설정된 주파수 값을 가질 수 있다. 폐색요소의 이동여부를 판단하기 위한 초음파 신호는 제 1 주파수일 수 있으며, 폐색요소를 제거하기 위한 초음파 신호는 제 2 주파수일 수 있다. 제 1 주파수 및 제 2 주파수는 서로 상이할 수 있다. 출력되는 초음파 신호의 주파수를 변경하기 위해, 펄스 인가 장치(100)의 주파수 조정부(120)를 조정할 수 있다.

센싱 장치(200)는 센싱 장치(200)에 의해 발생되는 초음파가 포커싱될 수 있도록 포커싱 수단을 포함할 수 있다. 포커싱 수단에 의해 초음파의 횡 방향 및 깊이 방향 포지셔닝이 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 포커싱 타입은 곡선형 거울, 음향 크리스털, 음향 렌즈, 위상 어레이(phased array)를 포함할 수 있다.

센싱 장치(200)는 터널의 배수재(54) 영역으로 초음파 신호를 출력하고, 초음파 에코 신호를 수신하므로, 터널 내측 표면에 배치될 수 있다. 폐색여부 검출 장치(10)는 센싱 장치(200)를 터널 내측에 배치되기 위한 지지 수단을 포함할 수 있다.

분석 장치(300)는 제 1 주파수와 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 폐색요소의 이동여부를 판단한다. 또한, 폐색요소의 이동여부를 기초로 하여 배수재(54) 또는 배수재(54)의 적어도 일부 영역을 포함하는 측정영역에 대한 폐색여부를 판단한다. 구체적으로, 분석 장치(300)는 제 1 주파수가 초음파 에코 신호의 주파수와 동일한 경우, 폐색요소가 정지상태인 것으로 판단하고, 제 1 주파수가 초음파 에코 신호의 주파수보다 크거나 작은 경우, 폐색요소를 이동하는 것으로 판단한다. 또한, 폐색요소가 정지상태인 것으로 판단되면, 배수재(54) 또는 배수재(54)의 적어도 일부 영역이 포함된 측정영역을 폐색된 것으로 판단한다. 이와 관련하여, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 폐색요소의 이동여부와 초음파 에코의 변화 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 출력부(210)는 초음파를 송신하고, 송신된 초음파는 폐색요소에 의해 반사되어 초음파 에코를 발생시킨다. 도 3a에 나타낸 바와 같이 폐색요소가 특정 방향을 향해 이동할 경우, 초음파 에코의 주파수는 시간에 따라 변한다. 구체적으로, 폐색요소가 출력부(210)에 점점 가까워질 경우 초음파 에코의 주파수는 송신 초음파 주파수보다 높아지고, 폐색요소가 출력부(210)에서 점점 멀어질 경우 초음파 에코의 주파수는 송신 초음파 주파수보다 낮아진다. 반면, 도 3b에 나타낸 바와 같이 폐색요소가 정지된 경우, 초음파 에코의 주파수는 시간에 따라 변화없이 일정하기 유지되며, 일정하게 유지되는 주파수는 송신 초음파 주파수와 동일하다.

분석 장치(300)는 수신부(220)로부터 수신한 초음파 에코의 주파수가 송신 초음파 주파수와 상이하거나 시간에 따라 변하는 경우 이동하는 것으로 판단하고, 초음파 에코의 주파수가 시간의 변화에 따라 변하지 않는 송신 초음파 주파수와 동일한 주파수를 가지는 경우, 정지된 것으로 판단할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 분석 장치(300)는 아날로그 처리부(310), 디지털 처리부(320) 및 판단부(330)를 포함한다.

아날로그 처리부(310)는 초음파 에코 신호와 송신 주파수와의 차이 주파수를 발생시키고, 발생된 차이 주파수를 출력한다. 차이 주파수는 폐색요소의 이동속도를 주파수로 나타낸 값으로 이동속도가 높아지면 주파수가 증가하고 이동속도가 낮아지면 주파수도 작아진다. 이 차이 주파수를 일명 맥놀이 주파수(beat frequency)라고 한다. 맥놀이 주파수는 증폭부에 의해 증폭된 후, 폐색요소를 제외한 물질에 의해 반사되는 저주파 성분의 신호들이 제거된다. 상기와 같이 아날로그 처리부(310)에 의해 저주파 성분의 신호가 제거된 맥놀이 주파수는 디지털 처리부(320)로 전송된다.

디지털 처리부(320)는 맥놀이 주파수를 디지털 신호로 변환한 후, 디지털 변환된 맥놀이 주파수를 이용하여 폐색요소의 이동속도 값을 산출한다. 산출된 폐색요소의 이동속도 값은 판단부(330)로 전송된다.

판단부(330)는 산출된 폐색요소의 이동속도 값을 이용하여 폐색요소의 이동여부를 판단한다. 폐색요소의 이동속도 값이 0인 경우뿐만 아니라 기설정된 범위 내인 경우도 폐색요소가 정지된 것으로 판단할 수 있다. 폐색요소가 실제로 정지한 경우뿐만 아니라, 이동속도가 느린 경우에도 폐색현상을 일으킬 수 있으므로, 정지한 것으로 간주하여 이를 제거할 수 있다.

판단부(330)에서 판단된 배수재(54)의 폐색여부 또는 폐색요소의 이동여부는 디스플레이 장치(500)로 전송되어 디스플레이될 수 있다. 분석 장치(300)와 디스플레이 장치(500)가 서로 떨어져서 배치되는 경우, 분석 장치(300)는 배수재(54)의 폐색여부 또는 폐색요소의 이동여부에 대한 정보를 디스플레이 장치(500)로 전송하기 위한 통신 인터페이스(340)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 분석 장치(300)와 디스플레이 장치(500) 간 네트워크는 근거리 통신망(Local Area Network; LAN), 광역 통신망(Wide Area Network; WAN) 또는 부가가치 통신망(Value Added Network; VAN) 등과 같은 유선 네트워크나 이동 통신망(mobile radio communication network) 또는 위성 통신망 등과 같은 모든 종류의 무선 네트워크로 구현될 수 있다.

분석 장치(300)는 센싱 장치(200)와 마찬가지로 터널 내측 표면에 배치될 수 있다. 이 경우, 폐색여부 검출 장치(10)는 분석 장치(300)를 터널 내측에 배치되기 위한 지지 수단을 포함할 수 있다. 그러나, 분석 장치(300)는 이에 한정되지 않고 센싱 장치(200)와 독립적으로 구비되어 터널 내측 표면에 배치되지 않을 수 있다.

분석 장치(300)에 의해 배수재(54)가 폐색된 것으로 판단될 경우, 출력부(210)는 초음파를 이용하여 정지된 폐색요소를 제거할 수 있다. 이것과 관련해서는 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색요소의 제거과정을 도시한다.

분석 장치(300)에 의해 배수재(54)가 폐색된 것으로 판단될 경우, 출력부(210)는 폐색요소 제거를 위한 초음파를 출력한다. 폐색요소 제거를 위한 초음파 주파수는 폐색요소의 이동여부를 판단하기 위한 송신 초음파 주파수와는 상이할 수 있다. 예컨대, 폐색요소 제거를 위한 초음파 주파수는 25khz에서 30khz 사이일 수 있으며, 바람직하게는 28Khz일 수 있다.

배수재(54) 내로 입사된 초음파 신호가 물속으로 전달되면 액체 내에 기포가 발생된다. 구체적으로, 초음파를 액체 매질 속에 조사하면 매질 분자는 진동하게 되고, 분자들간의 평균거리가 액체상을 유지하는 매질 분자들간의 임계거리보다 길어져 액상매질이 찢어지게 된다. 그때, 공동화 기포(cavitation bubble)라고 불리는 공동(cavity)이 생성된다.

물속에 포함되어 있는 공동화 기포는 압력이 높은 폐색요소를 만나면 급격히 부서져 에너지를 방출한다.

공동화 기포의 증가, 이동 및 소멸이 반복되면서 발생되는 에너지를 이용하여 폐색요소를 제거할 수 있다.

폐색요소 제거를 위해 초음파를 송신하는 출력부(210)는 폐색요소의 이동여부를 판단하기 위해 초음파를 송신하는 출력부(210)와 일체형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 별개로 구비될 수도 있다.

센싱 장치(200) 및 분석 장치(300)를 통해 배수재(54)의 폐색구간을 정확히 파악할 수 있고, 터널에 직접적인 물리적 타격을 주지 않고 폐색요소를 제거할 수 있다.

폐색여부 검출 장치(10)는 출력부(210), 수신부(220) 및 분석 장치(300) 중 적어도 하나 이상을 이동시키는 이동 장치(400)를 더 포함할 수 있다. 센싱 장치(200)의 측정영역이 배수재(54)의 전 영역을 포함하지 못할 경우, 이동 장치(400)는 출력부(210), 수신부(220) 및 분석 장치(300) 중 적어도 하나 이상을 이동시켜 측정영역을 변경시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 이동 장치(400)는 센싱 장치(200)의 이동을 자동 또는 반자동으로 제어할 수 있다. 예컨대 이동 장치(400)는 분석 장치(300)에 의해 폐색요소가 이동하는 것으로 판단된 경우, 센싱 장치(200)를 이동시키도록 제어할 수 있다. 이동 장치(400)는 터널의 횡측 방향 및 종측 방향 중 어느 한 방향으로 이동할 수 있으나 이에 한정되지 않고 임의의 방향으로 이동될 수 있도록 구현될 수 있다.

이동 장치(400)는 배수형 터널(50) 일면 상에서 출력부(210), 수신부(220) 및 분석 장치(300) 중 적어도 하나 이상을 인접한 측정영역으로 이동시킬 수 있는 임의의 장치로 구현될 수 있다. 예컨대, 배수형 터널(50)의 터널 라이닝(52)은 내측에 형성된 가이드-레일을 포함하고, 이동 장치(400)는 가이드 레일 상에서 이동할 수 있도록 일면에 이동 수단을 포함할 수 있다. 이 경우, 이동 장치(400)는 센싱 장치(200)를 고정시키기 위한 고정 부재를 더 포함할 수 있다.

이동 장치(400)를 이용하면 터널 배수재(54) 전 구역에 대해 폐색현상이 있는지 평가할 수 있다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐색여부 검출 방법을 도시한 순서도이다.

먼저, 제 1 주파수의 초음파 신호를 측정영역에 출력한다(S100).

터널 내측에서 배수재 방향으로 제 1 주파수의 초음파 신호를 출력한다. 이 경우, 초음파가 포커싱될 수 있도록 포커싱 수단을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 신호를 전송하기 위해 펄스 인가 장치(100)로부터 펄스를 인가받을 수 있다. 펄스 인가 장치(100)는 초음파 신호의 송신 전압 및 주파수 조건에 대응하는 펄스를 인가한다.

다음으로, 전송된 초음파 신호 중 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신한다(S200).

초음파 신호가 터널 내로 출력되면, 출력된 초음파 신호는 배수재 내의 폐색요소의 경계부에 의해 반사된다. 폐색요소의 경계부에 의해 반사된 초음파 에코 신호는 수신 수단에 의해 수신된다.

다음으로, 제 1 주파수와 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 배수재의 폐색여부를 판단한다(S300).

제 1 주파수와 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 폐색요소의 이동여부를 판단하고, 폐색요소가 정지상태인 것으로 판단되면, 배수재가 폐색된 것으로 판단한다. 구체적으로, 제 1 주파수가 초음파 에코 신호의 주파수와 동일한 경우, 폐색요소가 정지상태인 것으로 판단하고, 제 1 주파수가 초음파 에코 신호의 주파수보다 크거나 작은 경우, 폐색요소를 이동하는 것으로 판단한다.

배수재의 폐색여부를 판단하는 단계(S300)는 제 1 주파수와 초음파 에코 신호의 주파수의 차이를 이용하여 맥놀이 주파수를 생성하는 단계, 맥놀이 주파수를 이용하여 폐색요소의 이동속도 값을 산출하는 단계 및 산출된 폐색요소의 이동속도 값을 이용하여 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 폐색요소의 이동속도 값이 0인 경우뿐만 아니라 기설정된 범위 내인 경우에도 폐색요소가 정지상태인 것으로 판단할 수 있다. 폐색요소가 실제로 정지한 경우뿐만 아니라, 이동속도가 느린 경우에도 폐색현상을 일으킬 수 있으므로, 정지한 것으로 간주하여 이를 제거할 수 있다. 폐색요소의 이동여부 또는 배수재의 폐색여부에 관한 정보는 디스플레이 장치를 통해 디스플레이될 수 있다.

다음으로, 배수재가 폐색된 것으로 판단된 경우, 정지된 폐색요소에 제 2 주파수의 초음파 신호를 전송하여 폐색요소를 제거한다(S400).

배수재의 폐색여부를 판단하는 단계(S300)에서 배수재가 폐색된 것으로 판단된 경우, 폐색요소 제거를 위한 초음파를 출력한다. 폐색요소 제거를 위한 초음파 주파수는 폐색요소의 이동여부를 판단하기 위한 송신 초음파 주파수와는 상이할 수 있다. 예컨대, 폐색요소 제거를 위한 초음파 주파수는 25khz에서 30kkz 사이일 수 있고 바람직하게는 28khz일 수 있다. 배수재 내로 입사된 초음파가 물속에 전달될 때 액체 내에 기포를 발생시킨다. 초음파를 액체 매질 속에 조사하면 매질 분자는 진동하게 되고, 분자들간의 평균거리가 액체상을 유지하는 매질 분자들간의 임계거리보다 길어져 액상매질이 찢어지게 된다. 그때, 공동화 기포(cavitation bubble)라 불리는 공동(cavity)이 생성된다. 물속에 포함되어 있는 공동화 기포는 압력이 높은 폐색요소와 만나면 급격히 부서져 에너지를 방출한다. 공동화 기포의 증가, 이동 및 소멸이 반복되면서 발생되는 에너지를 이용하여 폐색요소를 제거할 수 있다. 이 경우, 터널에 직접적인 물리적 타격을 주지 않고 폐색요소를 제거할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 2에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성 요소를 의미하며, 소정의 역할들을 수행한다.

그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.

구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 폐색여부 검출 장치 50: 배수형 터널
52: 터널 라이닝 54: 배수재
56: 배수관 58: 숏크리트 층
100: 펄스 인가 장치 110: 펄스 발생부
120: 주파수 조정부 130: 전압 조정부
200: 센싱 장치 210: 출력부
220: 수신부 300: 분석 장치
310: 아날로그 처리부 320: 디지털 처리부
330: 판단부 340: 통신 인터페이스
400: 이동 장치 500: 디스플레이 장치

Claims

터널의 배수재의 폐색여부를 검출하는 장치에 있어서,
제 1 주파수의 초음파 신호를 상기 배수재의 일부 영역인 측정영역에 출력하는 출력부,
상기 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 수신부 및
상기 제 1 주파수와 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 상기 측정영역의 폐색여부를 상기 폐색요소의 이동여부에 의해 판단하는 분석 장치
를 포함하는 폐색여부 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 분석 장치는 판단 결과 상기 폐색요소가 정지 상태이면 상기 측정영역이 폐색된 것으로 판단하는 폐색여부 검출 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 분석 장치는 상기 제 1 주파수가 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수와 동일한 경우, 상기 폐색요소가 정지 상태인 것으로 판단하는 폐색여부 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 분석 장치는,
상기 제 1 주파수와 상기 초음파 에코 신호의 주파수의 차이를 이용하여 맥놀이 주파수를 생성하는 아날로그 처리부,
상기 맥놀이 주파수를 이용하여 상기 폐색요소의 이동속도 값을 산출하는 디지털 처리부 및
상기 산출된 폐색요소의 이동속도 값을 이용하여 상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 판단부
를 포함하는 폐색여부 검출 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 판단부는 상기 디지털 처리부에서 산출된 상기 폐색요소의 이동속도 값이 기설정된 범위 내인 경우, 상기 폐색요소가 정지 상태인 것으로 판단하는 폐색여부 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정영역을 변화시키기 위해 상기 출력부, 상기 수신부 및 상기 분석 장치 중 적어도 하나 이상을 이동시키는 이동 장치를 더 포함하되,
상기 이동 장치는 상기 분석 장치에 의해 상기 측정영역이 폐색된 것으로 판단된 경우, 상기 출력부, 상기 수신부 및 상기 분석 장치 중 적어도 하나 이상을 인접한 측정영역으로 이동시키는 폐색여부 검출 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 분석 장치에 의해 상기 측정영역이 폐색된 것으로 판단된 경우,
상기 출력부는 상기 정지된 폐색요소에 제 2 주파수의 초음파 신호를 출력하여 상기 폐색요소를 제거하는 폐색여부 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 출력부로 펄스 신호를 전송하는 펄스 인가 장치를 더 포함하되,
상기 펄스 인가 장치는 상기 초음파 신호의 송신 전압 및 주파수 조건에 대응하는 펄스를 전송하는 폐색여부 검출 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제 2 주파수는 25khz 내지 30khz를 갖도록 기설정된 폐색여부 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정영역의 폐색여부에 대한 정보를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 더 포함하는 폐색여부 검출 장치.
터널의 배수재의 폐색여부를 검출하는 방법에 있어서,
제 1 주파수의 초음파 신호를 상기 배수재의 일부 영역인 측정영역에 출력하는 단계,
상기 출력된 초음파 신호 중 상기 측정영역에 존재하는 폐색요소에 의해 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 단계,
상기 제 1 주파수와 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수를 비교한 결과에 기초하여 상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계 및
상기 이동여부에 대한 판단 결과에 따라 상기 측정영역의 폐색여부를 판단하는 단계
를 포함하는 폐색여부 검출 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계에서 상기 폐색요소가 정지 상태라고 판단하면, 상기 측정영역의 폐색여부를 판단하는 단계에서 상기 측정영역이 폐색된 것으로 판단하는 것인 폐색여부 검출 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계는 상기 제 1 주파수가 상기 수신된 초음파 에코 신호의 주파수와 동일한 경우, 상기 폐색요소가 정지 상태라고 판단하는 것인 폐색여부 검출 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계는,
상기 제 1 주파수와 상기 초음파 에코 신호의 주파수의 차이를 이용하여 맥놀이 주파수를 생성하는 단계 및
상기 맥놀이 주파수를 이용하여 상기 폐색요소의 이동속도 값을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 산출된 폐색요소의 이동속도 값을 이용하여 상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 폐색여부 검출 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 폐색요소의 이동여부를 판단하는 단계는 상기 폐색요소의 이동속도 값이 기설정된 범위 내인 경우, 상기 폐색요소가 정지 상태인 것으로 판단하는 것인 폐색여부 검출 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 측정영역이 폐색된 것으로 판단된 경우, 정지된 폐색요소에 제 2 주파수의 초음파 신호를 출력하여 상기 폐색요소를 제거하는 단계
를 더 포함하는 폐색여부 검출 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 제 2 주파수는 25khz 내지 30khz를 갖도록 기설정된 폐색여부 검출 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 측정영역의 폐색여부에 대한 정보를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 폐색여부 검출 방법.