KR101380208B1 - 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치 및 이를 이용한 현장 터널 계측이 가능한 지반 보강 및 지반 계측 공법 - Google Patents

광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치 및 이를 이용한 현장 터널 계측이 가능한 지반 보강 및 지반 계측 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 제공하되, 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 삽입 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 내부 또는 외부에 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강 관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 고정 설치하고, 설치되는 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되도록 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체로 구성되며, 터널 막장면에 선진 천공된 천공홀 내부에 삽입되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)가 광섬유 센서 및 그 합성수지제 피복부를 감싸고 있는 강재 스트랜드로 구성되는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체와 함께 천공홀 내부에서 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체로 고착되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치 및 이를 이용한 현장 터널 계측이 가능한 지반 보강 및 지반 계측 공법 {Apparatus for In-situ Monitoring of Tunnel Ground Movement with Supporting Tube Assembly having Fiber Optical Sensor and Method for In-situ Monitoring of Tunnel Ground Movement using thereof}
본 발명은 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면에 사용되는 터널 보조 공법들로 사용되는 보강공법으로서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 삽입 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)에 터널 막장면 내부의 지반 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 부가 설치함으로써 지반 보강과 더불어서 지반 보강 관체에 부가 설치된 광섬유 센서를 이용하여 지반 거동을 굴착 초기에서부터 보다 정확하게 계측할 수 있도록 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체 및 이를 이용한 현장 터널 계측이 가능한 지반 보강 및 지반 계측 공법에 관한 것이다.
일반적으로 터널 굴착 공사를 진행하는 경우에 연약 지반 또는 절리가 발달한 지층, 저토피 구간, 도심지 통과 구간을 통과하게 되는 경우에는 지반 변형의 적절한 제어가 필수적이기 때문에 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 천공홀을 천공하여 천공홀 내부에 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입하거나 천공홀의 천공과 동시에 지반 보강 관체를 지반 내부에 삽입한 후에 주변에 그라우팅을 실시하여 지반과 일체화시킴으로써 지보재를 설치하는 터널 보강 공정을 수행하여야 하며, 나아가 터널 막장면에서 주변 지반에서 발생하는 지반 거동(지반 변위)을 측정하기 위한 현장 지반 계측 장치를 설치하기 위하여 별도의 천공홀을 천공하고 내부에 현장 지반 계측 장치를 삽입 설치하여 지반 변위를 측정하는 공정을 또한 별도로 수행하게 된다.
터널 시공 과정에서 일반적으로 사용되는 지반 계측 방법은 일상 관리 계측으로서 내공 변위(변위량, 변위 속도, 변위 수렴)를 측정하는 방법과 더불어서 터널 천단의 침하 정도를 측정하는 방법이 사용되고 있으며, 또한 터널 주변의 이완 영역(이완대)의 범위와 지반 안정도를 측정하기 위하여 지중 변위를 측정하는 방법이 사용되는데, 특히 터널 주변의 이완 영역(이완대)의 범위와 지반 안정도를 측정하기 위한 지중 변위를 측정하는 방법은 터널의 안정성과 지보 패턴 설계에 아주 중요한 방안임에도 불구하고 정확하게 그 선행 변위나 선행 변위의 방향을 측정할 수 있는 수단이 오랜 기간 동안 확보되지 못하고 있었다.
이와 관련하여 최근 들어서 다양한 측정 기술들이 제시되었으며, 일례로서 도 1에 도시된 바와 같이 한국 등록특허 10-0456485호에서는 외측에 상,하 한쌍과 양측 한쌍으로 길이방향의 직선형 광섬유(2)가 구비된 원형 센서봉(1)을 지중의 내부에 매몰 설치하여 지반 거동과 일체적으로 변형하는 센서봉의 변형 정도를 측정하는데, 상기 원형 센서봉(1)의 외측에 구비된 각 광섬유(2)에 계측기(3)의 광원 발행기로부터 조사되는 광원의 파장을 달리하여 각 광섬유(2)를 일정길이의 구간별로 길이변형을 계측기(3)의 데이터수집기를 통해 실시간으로 검출 수집하는 단계를 진행하고, 그리고는 상기 계측기(3)와 연결된 콘트롤러(4)를 통해 각 광섬유(2)의 길이변형 데이터를 입력받아, 상기 상,하 한쌍을 이루는 광섬유(2)의 각 구간의 길이변형를 상호 비교하여 각 구간별로 지중의 수직변형량를 산출하고, 상기 양측 한쌍을 이루는 광섬유(2)의 각 구간의 길이 변형을 상호 비교하여 각 구간별로 지중의 수평 변형량을 산출하며, 상기 각구간별의 수직, 수평 변형량을 바탕으로 각 구간별의 지중의 변형방향 및 변형량을 산출하는 단계를 진행함으로서, 지중의 변화를 계측할 수 있는 기술이 제안되었다.
그러나, 이와 같이 외측면에 광섬유를 구비한 센서봉을 지중에 매설하는 구조의 종래 기술에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 센서봉도 터널 막장면에 매설하고 그리고 앞서 언급한 바와 같이 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입 설치하는 경우에는, 터널 막장면에서 2개의 공정 사이에 공정 간섭이나 충돌이 발생하여 공정 효율이 저하되는 문제점이 발생하기 때문에 실제 터널 시공 현장에서는 터널 막장면에서는 선진 보강 작업을 수행하면서 이에 후속하여 일정 거리 떨어진 곳에서 터널 천정면에 센서봉을 매설하고 지중 변위를 측정하는 경우가 빈발하고 있는 실정이며, 이와 같이 터널 막장면으로부터 이격된 위치의 터널 천정면에 매설된 센서봉을 사용하여 측정되는 지중 변위에는 터널 굴착에 의해 발생하는 초기 이완대 형성에 따른 변위가 포함되지 않기에 측정의 정확성이 결여되는 문제점이 발생한다.
한편, 종래 기술에 따라서 외측면에 광섬유를 구비한 센서봉을 지중에 매설하는 경우에는 광섬유를 구비한 센서봉을 지중의 설치 구간 전체를 따라서 천공홀과 일체화시키도록 그라우팅재를 주입하여 고결시킨다면 그라우팅재의 고결시에 발생하는 고온의 열에 의해 센서봉에 부착 설치된 광섬유가 손상되거나 열변형으로 인하여 측정 오류가 발생할 가능성이 높기에 선단부가 되는 기준단만을 지중에 고착시키는 구조를 채택할 수 밖에 없기에 이로 인하여 짧은 구간별로 그 변형량을 정확하게 측정하는 것이 어려운 문제점이 있다.
이와 같이 터널 시공시에 발생하는 지반 거동을 보다 빠른 시점에서 파악하여 적절한 지보 패턴이나 보강 패턴을 결정하고 나아가 이를 수정 보완하는 것은 터널의 안정성 확보에 필수적인 공정이지만, 터널 시공시에 발생하는 지반 변위를 터널 굴진에 의한 영향이 발생하는 초기부터 짧은 구간에 걸쳐서 정확히 측정하는 것은 상당한 기술적인 어려움이 있을 뿐만 아니라 터널 굴진의 직접적인 시공 공정의 진행에는 일정한 방해 요소가 되기 때문에, 보다 정확한 터널 변위의 적절한 시기에서의 측정과 그 측정값을 계측 공정이 터널 굴진 작업 공정에 미치는 방해 요인을 최소화시키는 새로운 계측 장치와 측정 방법이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 일반적이고 공통적인 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명을 통하여 해결하고자 하는 기술적 과제는, 터널 굴착시에 막장면에 선행하여 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)와 더불어서 지반 계측 장비를 구성하는 광섬유 센서가 지반 보강 관체의 지중 매설 구간 전체에 걸쳐서 지반과 일체화되도록 설치하면서, 아울러 이를 위하여 지반 보강 관체의 내부와 주변에 주입되는 그라우팅재의 고결 과정에서 발생하는 높은 온도의 열에 대해 광섬유 센서가 보호될 수 있는 수단을 제공하는 것이다.
또한, 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 초기 지반 거동(초기 지반 변위)을 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화시키는 기술적 수단을 제시하며, 나아가 터널 공사 완료 후에도 이미 설치된 지반 계측 장비를 계속적으로 이용하여 영구 계측이 가능하도록 하는 방안을 제시하는 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그 구체적인 과제 해결 수단으로서,
광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 제공하되, 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 삽입 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 내부 또는 외부에 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 고정 설치하고, 설치되는 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되도록 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체로 구성되며,
터널 막장면에 선진 천공된 천공홀 내부에 삽입되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)가 광섬유 센서 및 그 합성수지제 피복부를 감싸고 있는 강재 스트랜드로 구성되는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체와 함께 천공홀 내부에서 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체로 고착되도록, 주입되는 그라우팅재는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 내부 공간과 그리고 그 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간을 채우면서 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관) 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록, 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)에는 그라우팅재 주입 밸브가 내외부를 관통하도록 설치되고, 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 내부에는 그라우팅재 주입관이 설치되며, 그리고
고결된 그라우팅재에 의해 상기 천공홀 및 상기 지반 보강 관체와 일체화된 광섬유 센서가 지반 보강 관체의 외측으로 터널 내부로 연장된 부분에는 광섬유 센서에 주사되는 광원의 발광부와 수광부를 포함한 계측기와 이를 제어하는 제어기가 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명은 상술한 두번째 기술적 과제를 해결하기 위한 기술적 해결 수단의 하나로서, 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 초기 지반 거동(선행 변위)을 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록,
(a1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치할 수 있도록 천공홀을 천공하는 천공홀 형성 단계와;
(a2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서가 내부 또는 외부에 고정 설치된 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 상기 천공홀 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체에 고정 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 광섬유가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체의 천공홀 삽입 단계와;
(a3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
(a4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
(a5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
(a6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)가 천공홀 내부에 고착되도록, 그라우팅재 주입 밸브를 구비한 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관) 내부에 설치된 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관) 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 두번째 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 기술적 해결 수단으로서, 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 초기 지반 거동(선행 변위)을 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록,
(b1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치하도록 천공홀을 천공하면서 지반 보강 관체를 지반 내부로 동시에 삽입하는 지반 보강 관체의 직천공 삽입 단계와;
(b2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 상기 지반 보강 관체의 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체 내부에 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와;
(b3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
(b4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
(b5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
(b6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)가 천공홀 내부에 고착되도록 상기 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 지반 조강 관체에 내외부를 관통하도록 제공되는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관) 내측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법을 제공한다.
여기에서, 상기 그라우팅재 주입관은 단관 또는 복수개의 다단 주입관으로 형성하고, 지반 보강 관체 내부에서 설정 간격을 유지하며 주입관을 분리 지지하는 내부 몸체에 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드를 지지하는 광섬유 스트랜드 지지홀을 형성하여, 내부 몸체에 의해 주입관 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드가 함께 지지 설치된 상태에서 지반 보강 관체의 내부에 동시 삽입되도록, 상기 광섬유 센서의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와, 그리고 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계가 동시에 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치에 의하면, 지반 보강 관체의 내부와 주변에 주입되는 그라우팅재의 고결 과정에서 발생하는 높은 온도의 열에 대해 광섬유 센서가 보호될 수 있는 구조를 제공함으로써 터널 굴착시에 막장면에 선행하여 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)와 더불어서 지반 계측 장비를 구성하는 광섬유 센서가 지반 보강 관체의 지중 매설 구간 전체에 걸쳐서 지반과 일체화되도록 설치하는 것이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법에 의하면, 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 지반 거동을 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화시킬 수 있도록 함으로써 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공하며, 아울러 보다 이른 시기에 현장 지반 계측 공정을 수행할 수 있도록 함으로써 초기 지반 거동(선행 변위)을 실시간으로 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과를 제공하며, 나아가 터널 공사 완료 후에도 이미 설치된 지반 계측 장비를 계속적으로 이용하여 영구 계측이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 지반 변위 계측 방법의 하나로서 광섬유 를 구비한 센서봉을 지중에 매설하여 측정하는 지반 계측 장치의 구성도와 설치 상태도이다.
도 3은 광섬유 센서를 구비한 센서봉의 지반 설치 공정과 터널 막장면에서의 지반 보강 공정이 별개로 진행되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 터널 막장면에 삽입 설치하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 지반 계측 장치를 구성하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체의 바람직한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 A-A선 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체의 사시도이다.
도 8은 도 5에 도시된 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 지반 보강 관체 내부에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 터널 막장면에 삽입 설치하는 상태를 도시한 상세 종단면도이다.
도 10은 본 발명에 따라서 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체가 설치된 상태의 터널 횡단면도와 요부 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 지반 계측 공법을 제시하는 방법 발명의 제 1 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 지반 계측 공법을 제시하는 방법 발명의 제 2 실시예를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 앞서 설명하고 첨부 도면 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 보다 이른 시기에 현장 지반 계측 공정을 수행할 수 있도록 함으로써 초기 지반 거동(선행 변위)을 실시간으로 보다 정확하게 측정할 수 있도록 하기 위하여, 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체(100)를 제공하되, 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 삽입 설치되는 지반 보강 관체(강관 또는 합성수지관)(100)의 내부 또는 외부에 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서(210)를 고정 설치하고, 설치되는 광섬유 센서(210)는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드(220)의 내부에 삽입되어 광섬유(211)와 그 합성수지제 피복부(212)가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되도록 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 터널 막장면에 선진 천공된 천공홀 내부에 삽입되는 지반 보강 관체(100)가 광섬유 센서(210) 및 그 합성수지제 피복부(212)를 감싸고 있는 강재 스트랜드(220)로 구성되는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)와 함께 천공홀 내부에서 지반 보강 관체(100)의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체로 고착되도록, 주입되는 그라우팅재는 지반 보강 관체(100)의 내부 공간과 그리고 그 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간을 채우면서 광섬유 센서(210) 피복 외측의 강재 스트랜드(220)의 외측면과 지반 보강 관체(100) 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체(100), 및 광섬유 센서(210)와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드(220)의 변형 거동이 지반 보강 관체(100)의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 한다.
그리고, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 첨부 도면 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 지반 보강 관체(100)에는 그라우팅재 주입 밸브(110)가 내외부를 관통하도록 설치되고, 지반 보강 관체(100)의 내부에는 그라우팅재 주입관(400)이 설치되며, 그리고 그라우팅재 주입장치(600)에 의해 주입되고 고결되는 그라우팅재에 의해 상기 천공홀 및 상기 지반 보강 관체(100)와 일체화된 광섬유 센서(210)가 지반 보강 관체(100)의 외측으로 터널 내부로 연장된 부분에는 광섬유 센서(210)에 주사되는 광원의 발광부와 수광부를 포함한 계측기(710)와 이를 제어하는 제어기(720)가 설치됨으로써 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치가 제공되도록 한다.
여기에서, 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)는 지반 보강 관체(100)의 내측에 고정된 위치를 가지고 삽입되어 고정될 수 있도록 지반 보강 관체(100)의 내측에 삽입되는 그라우팅재 주입관 지지체(300)에 형성되는 보호체 관통홀(320)에 끼워져 통과하며 지지되도록 형성되는 것이 바람직하고, 그리고 상기 그라우팅재 주입관 지지체(300)에 형성되는 상기 보호체 관통홀(320)은 그라우팅재 주입관(400)이 끼워져 통과하는 주입관 관통홀(310) 사이에 배치되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치의 설치 상태를 도 11 및 도 12를 참조하여 2가지의 구별되는 실시예를 예로 들면서 설명하기로 한다.
먼저, 도 11에 도시된 바와 같이 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 초기 지반 거동을 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록 할 수 있는 제 1의 방법이 사용될 수 있는데, 보다 구체적으로 살펴보면 다음의 단계로써 진행될 수 있다.
(a1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치할 수 있도록 천공홀을 천공하는 천공홀 형성 단계와;
(a2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서가 내부 또는 외부에 고정 설치된 지반 보강 관체를 상기 천공홀 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체에 고정 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)를 구비한 지반 보강 관체의 천공홀 삽입 단계와;
(a3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체(100)가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부(100)에 그라우팅재 주입관(400)을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
(a4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
(a5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
(a6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체가 천공홀 내부에 고착되도록, 그라우팅재 주입 밸브를 구비한 지반 보강 관체 내부에 설치된 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 거치게 된다.
한편, 여기에서 상기 그라우팅재 주입관은 단관 또는 복수개의 다단 주입관으로 형성하고, 지반 보강 관체 내부에서 설정 간격을 유지하며 주입관을 분리 지지하는 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드를 지지하는 광섬유 스트랜드 지지홀을 형성하여, 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 의해 주입관 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드가 함께 지지 설치된 상태에서 지반 보강 관체의 내부에 동시 삽입되도록, 상기 광섬유 센서가 지반 보강 관체의 내부에 고정 설치되는 단계와, 그리고 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계가 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체의 천공홀 삽입 단계에 앞서 동시에 진행되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 도 11의 도시된 실시예와 다른 대안적인 구성으로서, 도 12에 도시된 바와 같이 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록 하는 본 발명에 따른 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법을 수행하기 위한 또 다른 대안적인 방법이 될 수 있는 제 2의 방법이 사용될 수도 있다.
직천공 공법으로도 칭할 수 있는 이러한 제 2의 방법에 따르면, 도 12에 그 단계들이 보다 구체적으로 나타낸 바와 같이,
(b1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치하도록 천공홀을 천공하면서 지반 보강 관체를 지반 내부로 동시에 삽입하는 지반 보강 관체의 직천공 삽입 단계와;
(b2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 상기 지반 보강 관체의 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체 내부에 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와;
(b3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
(b4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
(b5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
(b6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체가 천공홀 내부에 고착되도록 상기 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 지반 조강 관체에 내외부를 관통하도록 제공되는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체 내측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계.
이와 같은 제 2 실시예에서도 앞서 설명한 제 1 실시예에서 처럼 상기 광섬유 센서의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와, 그리고 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계가 동시에 진행되도록 할 수 있는데, 이로써 상기 그라우팅재 주입관은 단관 또는 복수개의 다단 주입관으로 형성하고, 지반 보강 관체 내부에서 설정 간격을 유지하며 주입관을 분리 지지하는 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드를 지지하는 광섬유 스트랜드 지지홀을 형성하여, 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 의해 주입관 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드가 함께 지지 설치된 상태에서 지반 보강 관체의 내부에 동시 삽입되게 된다.
이상에서 살펴본 실시예들에서는 공통적으로 하나의 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)가 사용되며 지반 보강 강관(100)의 지반 내측의 선단부로 삽입되고서는 그 진행 방향이 반대로 굽혀져서 천공홀 외부로 반출되는 상하 연결 1열 구조의 경우(도 9 참조)를 예시한 것이며, 이러한 상하 연결 1열 구조를 이루는 진입부와 인출부 각각의 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)는 지반 보강 강관(100)의 상하에 배치되도록 함으로써 지반 변위에 따라서 상하로 휘어지는 강관의 변형 정도를 보다 정확하고 용이하게 측정할 수 있도록 한다.
한편, 첨부 도면 도 8 내지 도 10에서는 도면의 복잡성을 피하기 위하여 도시하지 않았으나 지반의 상하 및 좌우 방향의 3차원 거동을 보다 정확하게 파악할 수 있도록 상하 연결 1열 구조체와 좌우 연결 1열 구조체를 병렬적으로 사용할 수 있으며, 나아가 상하 방향 또는 좌우 방향 각각에서 양측에 분리된 별개의 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)를 사용할 수도 있는데, 이러한 각각의 경우에는 도 9에 도시된 계측기(710)와 제어기(720)의 장치 구조상의 변화가 수반되게 될 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 지반 보강 관체
200: 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체
210: 광섬유 센서
211: 광섬유 212: 합성수지제 피복부
220: 강재 스트랜드
300: 그라우팅재 주입관 지지체
400: 그라우팅재 주입관
500: 패커
600: 주입장치
710: 계측기 720: 제어기

Claims (7)

  1. 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체(100)를 제공하되, 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 삽입 설치되는 지반 보강 관체(100)의 내부 또는 외부에 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 고정 설치하고, 설치되는 광섬유 센서(210)는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드(220)의 내부에 삽입되어 광섬유(211)와 그 합성수지제 피복부(212)가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되도록 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)로 구성되며,
    터널 막장면에 선진 천공된 천공홀 내부에 삽입되는 지반 보강 관체(100)가 광섬유 센서(210) 및 그 합성수지제 피복부(212)를 감싸고 있는 강재 스트랜드(220)로 구성되는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)와 함께 천공홀 내부에서 지반 보강 관체(100)의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체로 고착되도록, 주입되는 그라우팅재는 지반 보강 관체(100)의 내부 공간과 그리고 그 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간을 채우면서 광섬유 센서(210) 피복 외측의 강재 스트랜드(220)의 외측면과 지반 보강 관체(100) 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체(100), 및 광섬유 센서(210)와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드(220)의 변형 거동이 지반 보강 관체(100)의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록, 지반 보강 관체(100)에는 그라우팅재 주입 밸브(110)가 내외부를 관통하도록 설치되고, 지반 보강 관체(100)의 내부에는 그라우팅재 주입관(400)이 설치되며, 그리고
    고결된 그라우팅재에 의해 상기 천공홀 및 상기 지반 보강 관체(100)와 일체화된 광섬유 센서(210)가 지반 보강 관체(100)의 외측으로 터널 내부로 연장된 부분에는 광섬유 센서(211)에 주사되는 광원의 발광부와 수광부를 포함한 계측기(710)와 이를 제어하는 제어기(720)가 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체(200)는 지반 보강 관체(100)의 내측에 고정된 위치를 가지고 삽입되어 고정될 수 있도록 지반 보강 관체(100)의 내측에 삽입되는 그라우팅재 주입관 지지체(300)에 형성되는 보호체 관통홀(320)에 끼워져 통과 또는 주입관을 감싸서 지지되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그라우팅재 주입관 지지체(300)에 형성되는 상기 보호체 관통홀(320)은 그라우팅재 주입관(400)이 끼워지거나 감싸져 통과하는 주입관 관통홀(310) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치.
  4. 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 선행 변위를 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록,
    (a1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치할 수 있도록 천공홀을 천공하는 천공홀 형성 단계와;
    (a2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서가 내부 또는 외부에 고정 설치된 지반 보강 관체를 상기 천공홀 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체에 고정 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체의 천공홀 삽입 단계와;
    (a3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
    (a4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
    (a5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
    (a6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체가 천공홀 내부에 고착되도록, 그라우팅재 주입 밸브를 구비한 지반 보강 관체 내부에 설치된 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체 내측면 또는 외측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그라우팅재 주입관은 단관 또는 복수개의 다단 주입관으로 형성하고, 지반 보강 관체 내부에서 설정 간격을 유지하며 주입관을 분리 지지하는 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드를 지지하는 광섬유 스트랜드 지지홀을 형성하여, 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 의해 주입관 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드가 함께 지지 설치된 상태에서 지반 보강 관체의 내부에 동시 삽입되도록, 상기 광섬유 센서가 지반 보강 관체의 내부에 고정 설치되는 단계와, 그리고 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계가 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체의 천공홀 삽입 단계에 앞서 동시에 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법.
  6. 터널 굴착과 관련하여 터널 막장면 내부의 지반에서 발생하는 초기 지반 거동을 실시간으로 측정하는 현장 지반 계측 공정과 더불어서 터널 막장면에 선행하여 지반 내부로 지반 보강 관체를 삽입 설치하는 터널 보강 공정을 하나의 단일 공정으로 일체화하도록,
    (b1) 터널 굴착 지반의 터널 막장면에 지반 보강 관체를 선행 설치하도록 천공홀을 천공하면서 지반 보강 관체를 지반 내부로 동시에 삽입하는 지반 보강 관체의 직천공 삽입 단계와;
    (b2) 터널 막장면 내부의 지반 변형 및 보강관체 변형을 계측할 수 있는 광섬유 센서를 상기 지반 보강 관체의 내부에 삽입 설치하되, 상기 지반 보강 관체 내부에 설치되는 상기 광섬유 센서는 복수 가닥으로 꼬여지는 강재 스트랜드의 내부에 삽입되어 광섬유와 그 합성수지제 피복부가 외부로부터의 열과 충격에 대하여 보호되게 설치되도록 하는 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와;
    (b3) 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체가 내부에 설치된 상기 지반 보강 관체가 지반 내부에 고착되도록, 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계와;
    (b4) 상기 천공홀과 상기 지반 보강 관체의 후단부 사이를 코킹하는 단계와;
    (b5) 상기 천공홀과 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 상기 지반 보강 관체 사이의 공간부를 실링하는 단계와; 그리고
    (b6) 천공홀 내부에 삽입된 상기 광섬유 센서 강재 스트랜드 보호체를 구비한 지반 보강 관체가 천공홀 내부에 고착되도록 상기 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 주입하고, 주입되는 그라우팅재는 지반 조강 관체에 내외부를 관통하도록 제공되는 그라우팅재 주입 밸브를 통하여 지반 보강 관체의 외측면과 천공홀의 내측면 사이 공간도 채우며, 광섬유 센서 피복 외측의 강재 스트랜드의 외측면과 지반 보강 관체 내측면 사이의 공간에서 고화되어서, 지반 내의 천공홀, 지반 보강 관체, 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드의 변형 거동이 지반 보강 관체의 설치 길이에 따라 연속적으로 일체화되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그라우팅재 주입관은 단관 또는 복수개의 다단 주입관으로 형성하고, 지반 보강 관체 내부에서 설정 간격을 유지하며 주입관을 분리 지지하는 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드를 지지하는 광섬유 스트랜드 지지홀을 형성하여, 내부의 그라우팅재 주입관 지지체에 의해 주입관 및 광섬유 센서와 이를 감싸고 있는 강재 스트랜드가 함께 지지 설치된 상태에서 지반 보강 관체의 내부에 동시 삽입되도록, 상기 광섬유 센서의 지반 보강 관체 내부 삽입 단계와, 그리고 지반 보강 관체 내부에 그라우팅재 주입관을 설치하는 그라우팅재 주입관 설치 단계가 동시에 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 지반 보강 및 지반 계측 공법.
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KR1020130151803A KR101380208B1 (ko) 2013-12-06 2013-12-06 광섬유 센서를 구비한 지반 보강 관체를 이용한 터널 지반 계측 장치 및 이를 이용한 현장 터널 계측이 가능한 지반 보강 및 지반 계측 공법

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