KR101547508B1 - 전방 지질 예측 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터널 보링 머신(TBM: tunnel boring machine)과 같은 터널 굴진기를 이용한 터널 굴착 시 터널 굴진기의 커터와 암반의 충격에 의해 발생하는 탄성파 음원을 이용하여 굴착 진행 방향의 전면에 위치하는 지질 이상대를 탐사할 수 있도록 하는 전방 지질 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로,
상기 터널 굴진기를 위한 전방 지질 예측 시스템은, 터널 굴진기에 장착되어 터널 굴진기의 진동 신호를 수신하는 하나 이상의 파일롯수진기; 상기 터널 굴진기의 굴착 터널 내에 설치되어 외부탄성파 진동 신호를 원시자료로 수신하는 하나 이상의 탄성파수진기; 및 상기 원시자료에서 전처리를 수행하여 상기 터널 굴진기 진동 신호와 상기 터널 굴진기의 커터와 굴진면에 의해 생성된 탄성파가 직접 수신된 직접파 진동 신호와 외부 잡음 진동 신호를 제거한 후, 상기 탄성파의 지질 이상대에서 반사된 탄성파반사파 진동 신호를 가지는 탄성파 모음을 추출한 후 지질 이상대를 판별하는 분석장치;를 포함하여 구성되어,
굴착 작업의 중단 없이 전방 지질 이상대를 예측할 수 있도록 하여, 굴진면(막장)의 붕괴를 방지함으로서 막장 붕괴로 인한 안전사고의 발생 및 공기 지연을 용이하게 방지할 수 있도록 하며, 적은 비용으로 굴진 터널 저면의 지질 이상대를 용이하고 정확하게 예측할 수 있도록 한다.

Description

전방 지질 예측 시스템 및 그 방법{APPARATUS FOR PREDICTING FRONT GEOLOGICAL FEATURES AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 터널 보링 머신(TBM: tunnel boring machine)과 같은 터널 굴진기를 이용한 터널 굴착 시 전방 지질 예측에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 굴착 시 터널 굴진기의 커터와 암반의 충격에 의해 발생하는 탄성파 음원을 이용하여 굴착 진행 방향의 전면에 위치하는 단층대, 파쇄대 또는 지하수 등의 지질 이상대를 탐사할 수 있도록 하는 전방 지질 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 최근의 터널 기계화 시공 공법인 터널 보링 머신(TBM) 등의 터널 굴진기를 이용한 터널굴착 기술은 중공업 산업의 발달에 따른 유압 장비의 대형화, IT 기술을 접목한 TBM 장비 제어 기술 발달, 소재 개발에 따른 커터의 강도 및 내구성 증대, 세그먼트 라이닝의 강도증대 및 방수성 향상, 계측 장비의 정밀성 증대에 따른 사전 위험 효소 예측 향상 등 성능은 향상되면서 장비의 가격은 오히려 제작사의 증가에 따라 내려가는 시대가 되었다.
TBM 굴착 직경도 과거 약 30년 전에는 약 4m 이내의 소규모 터널 위주로 굴착이 진행되었다면, 최근 에는 19m 이상 되는 대규모 교통 터널까지 그 영역이 확대되고 있다.
상술한 바와 같은 터널 시공 과정에서 지반붕괴 등이 발생하는 경우, 안전사고 등이 발생하며, 또한 복구를 위한 시간이 소요되어 공기 지연 등이 발생하게 된다. 이러한 지반붕괴는 대부분 터널 굴진면 부근에서 발생되고 있으며, 붕괴의 가장 큰 요인은 용수나 단층파쇄대 등의 지질 구조와 관련이 있는 것으로 알려져 있다(Seindenfub, 2006). 이에 따라, 터널 기계화 시공을 포함하는 일반적인 터널 시공에서, 터널 엔지니어는 항상 터널 막장면 전방을 예측함으로써 위험요소를 최소화하고, 위험 요소에 대한 대처 계획을 수립함으로써 사고를 미연에 방지하여 공기 지연에 따른 공사비 증대를 최소화하고자 한다.
그러므로 터널 시공 중 발생하는 붕괴사고를 사전에 방지하기 위해서는 굴진면 전방의 지질 상태를 정확하게 예측하는 것이 매우 중요하다. 따라서 터널 굴착 공정에 영향을 주지 않으면서 터널 전방을 예측할 수 있는 방법들을 지속적으로 모색하게 되었으며, 신속하고 경제적인 터널 막장면 전방예측 기법들이 발달되었다.
이러한 터널 막장면 전방예측 기법들의 예로는 지질 맵핑, 대한민국 등록특허공보 제10-1294241호에 개시된 바와 같은 선진수평시추 방법, 대한민국 특허공개공보 제10-2008-0035751호에 개시된 바와 같은 탄성파 트랜스듀서나 폭발을 이용한 탄성파 탐사(TSP:　Tunnel Seismic Profiling), 대한민국 등록특허공보 제10-1394332호에 개시된 바와 같은 커터의 전기저항을 측정하는 전기저항을 이용한 이상대 예측 등을 들 수 있다.
그러나 상술한 지질 맵핑은 직접적이고 신뢰성이 높다는 장점이 있으나, 그 조사 범위가 막장의 표면에 국한되기 때문에 터널 전방의 예측에는 한계가 있다.
선진 수평시추 방법은 터널 막장면에 보링을 실시하는 것으로서, 보링된 코아를 눈으로 직접 확인할 수 있는 장점이 있으나, 일차원적인 조사 방법으로서 국부적인 암질 변화를 검측하기 어려우며, 많은 시간과 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있다.
TSP는 터널의 측면에 소정 간격으로 천공된 발파공(shot boreholes)에 화약(explosive with electric detonator)을 장약하고 수진기(receiver)를 설치한 후, 발파하여 탄성파를 발생시킴으로써 막장면(face) 전방(前方)의 지반을 탐사하는 방법이다. 즉, 발파에 의하여 발생된 탄성파는 막장면 전방의 단층대 또는 파쇄대 등의 지질 이상대에 의하여 반사된 후, 수진기에서 감지된다. 수진기에 감지된 이러한 탄성파 신호를 분석하여 터널 막장 전방의 지질 상태를 알아낼 수 있다. TSP는 단층대 또는 파쇄대 등의 파악에 유리하고 조사 범위가 비교적 크다는 장점이 있으나, 공동이나 수평 절리에 대한 판단이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, TSP는 발파와 수진기 설치를 위하여 터널 벽면을 천공하여야하는 어려움이 있고, 상기 천공 등으로 인하여 작업 시간이 많이 걸리기 때문에 터널의 공기(工期)에 영향을 줄 수도 있다. 아울러, 송신원으로 화약을 이용하므로 화약 사용에 따른 사용 및 양수양도 허가가 필요하며, 발파로 인한 암반손상 등의 문제를 야기시킬 수 있다. 나아가, 발파로 인하여 생성되는 탄성파는 구형파이기 때문에 신뢰성 있는 자료를 얻기 위해서는 다수의 수진기 혹은 다수의 발파가 필요하다는 문제점도 있다.
또한 TSP의 탄성 파원으로 진동형 송신원 또는 충격형 송신원을 이용하는 방법은 비파괴적인 탐사방법으로 높은 분해능의 결과를 제공하지만 가탐심도가 짧고 시추공이나 막장면에 직접 적용해야 하는 기술로 TBM을 작동시켜 굴진 작업을 수행하는 중인 현장에 TBM의 작동을 정지시키지 않고 직접 적용하기에는 현실적으로 어려움이 많다.
또한, 별도의 탄성파 소스를 이용하여야 하는 경우에는, 커터 측에 탄성파 소스를 발생시키는 트랜스듀서를 포함하는 장치를 구비하여야 하는 문제점이 있다.
이외에도 TBM 전방 지질예측 방법으로는 빔 스캔 시스템(Beam Scan System)을 이용하는 방법이 있다. 빔 스캔 시스템은 전방 지질예측 기법 중 고주파수 성분의 레이다파를 이용한 탐사 방법이다. 탐사 원리는 지표에서 수행하는 지하투과레이더(GPR, Ground Penetrating Rader) 탐사법과 동일하며, TBM 커터헤드에 설치된 송수신 안테나를 이용하여 TBM이 구동하는 동안 막장 전방을 예측할 수 있도록 한다. 그러나 빔 스캔 시스템은 고주파 성분을 이용하게 되므로 분해능 면에서는 터널 내에서 응용되는 탄성파 탐사보다 훨씬 높으나 최대 가탐심도가 5m를 넘지 못하는 단점을 가진다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 탄성음원을 사용함이 없이, 터널 보링 머신의 커터와 굴착면에 의해 발생하는 탄성파를 이용하는 것에 의해, 터널 시공 작업의 중단 없이 터널 시공 진행 방향의 지질 이상대에 대한 정확한 예측을 수행할 수 있도록 하는 터널 굴진기를 위한 전방 지질 예측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터널 굴진기를 위한 전방 지질 예측 시스템은, 터널 굴진기에 장착되어 터널 굴진기의 진동 신호를 수신하는 하나 이상의 파일롯수진기; 상기 터널 굴진기의 굴착 터널 내에 설치되어 외부탄성파 진동 신호를 원시자료로 수신하는 하나 이상의 탄성파수진기; 및 상기 원시자료에서 상기 터널 굴진기 진동 신호와 상기 터널 굴진기의 커터와 굴진면에 의해 생성된 탄성파가 직접 수신된 직접파 진동 신호와 외부 잡음 진동 신호를 제거한 후, 상기 탄성파의 지질 이상대에서 반사된 탄성파반사파 진동 신호를 가지는 탄성파 모음을 추출한 후 지질 이상대를 판별하는 분석장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 분석장치는, 반사법자료처리에 의한 전처리과정을 수행하여 상기 원시자료로부터 상기 탄성파 모음을 추출하고, 추출된 탄성파 모음에 대한 TSP 자료 처리에 의해 지질 이상대를 판별하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전처리과정은, 상기 원시자료와 상기 터널 굴진기 진동 신호의 교차상관 및 진폭스펙트럼 분석에 의해 상기 원시자료에서 상기 터널 굴진기의 진동 신호를 제거한 후, 대역 필터링과 디컨볼루션 처리에 의해 잡음을 제거하는 것에 의해 상기 탄성파 모음을 추출하는 처리인 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터널 굴진기를 위한 전방 지질 예측방법은, 터널 굴진기의 진동 신호를 검출하는 하나 이상의 파일롯수진기와 상기 터널에서 발생하는 진동 신호를 원시자료로 수신하는 하나 이상의 탄성파수진기와 상기 터널 굴진기의 진동 신호와 상기 원시자료를 이용하여 지질 이상대의 위치를 검출하는 분석장치를 포함하는 전방 지질 예측 시스템에 의한 전방 지질 예측 방법에 있어서, 상기 분석장치가 상기 파일롯 수진기에 의해 수신된 터널 굴진기 진동 신호와 상기 탄성파수진기에 의해 수신된 상기 원시자료를 수신하는 터널 굴진기 진동 및 원시자료수신과정; 교차상관분석에 의해 상기 원시자료에서 상기 터널 굴진기 진동 신호의 상관관계를 분석하는 교차상관분석과정; 및 상기 교차상관분석된 자료에서 잡음신호를 제거하여 탄성파반사파 진동 신호를 가지는 탄성파 모음을 추출하는 잡음제거과정;을 포함하여 추출된 탄성파반사파 진동 신호로부터 지질 이상대의 위치를 예측하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 잡음제거과정은, 상기 교차상관 분석된 원시자료에 대한 진폭스펙트럼 분석에 의해 상기 터널 굴진기의 진동수 대역을 추정하여 획득하는 진폭스펙트럼분석과정; 상기 터널 굴진기의 진동수 대역 별로 필터링을 수행하여 상기 교차상관 분석된 자료에서 터널 굴진기 장비의 진동 신호를 제거하는 대역필터링과정; 및 상기 대역필터링된 신호들에서 잡음 주파수 성분을 제겅하여 탄성파반사파들로 구성된 상기 탄성파 모음을 생성하는 디컨볼루션과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 잡음제거과정은 원하는 신호 분해능을 가질 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성파반사파 진동 신호로부터 지질 이상대를 예측하는 처리는. TSP(Tunnel Seismic Profiling) 자료처리에 의해 수행되는 TSP 자료 처리과정;인 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은 별도의 탄성파 음원을 이용하지 않고도 터널 굴진기 굴착 진행 방향에 위치하는 지질 이상대를 정확하게 예측할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
이에 따라, 본 발명은 지질 이상대의 예측을 위하여 굴착 작업을 중단하지 않아도 되므로, 공기를 단축시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 지질 이상대의 정확한 예측에 의해 터널 붕괴사고를 방지함으로써, 공기 지연을 방지함은 물론, 안전사고의 발생을 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 적은 비용으로 굴진 터널 저면의 지질 이상대를 용이하고 정확하게 예측할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 터널 굴진기를 위한 지질 예측 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 터널 굴진기를 위한 지질 예측 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 3은 파일롯수진기에서 수신된 터널 굴진기 진동 신호를 나타내는 도면.
도 4는 탄성파수진기에서 수신된 터널내의 탄성파 진동 신호를 가지는 원시자료를 나타내는 도면.
도 5는 파일롯수진기의 터널 굴진기 진동 신호와 탄성파수진기의 원시자료의 교차상관분석 결과를 나타내는 도면.
도 6은 진폭스펙트럼 분석과정을 나타내는 도면.
도 7은 대역필터링과정을 나타내는 도면.
도 8은 TSP 자료 처리 과정 중 P파의 구조보정 결과를 나타내는 도면.
도 9는 TSP 자료 처리 과정 중 P파의 반사면 추출 예를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하고, 터널 굴진기의 예를 터널 보링 머신으로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 터널 굴진기를 위한 지질 예측 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터널 굴진기의 예로서의 터널 보링 머신(이하, 'TBM')을 위한 지질 예측 시스템(100)(이하, '지질 예측 시스템(100)')은, 터널(1) 내에서 굴착 작업을 수행하는 TBM(100)의 커터헤드(11) 인접 위치에 설치되어 TBM(10) 장비의 진동 신호를 수신하는 파일롯수진기(110)와, 터널(1) 내에서 일정 간격을 가지고 설치되는 다수의 탄성파수진기(120)와, 파일롯수진기(110)에 의해 수신된 TBM 장비의 진동 신호와 다수의 탄성파수진기(120)에 의해 수신된 터널(1) 내부의 탄성파 진동 신호인 원시자료를 분석하여 굴진 방향의 전방에 위치하는 단층대, 파쇄대 혹은 지하수 등의 지질 이상대(3)를 예측하는 분석장치(130)를 포함하여 구성된다.
상기 탄성파수진기(120)들은 서로 일정 간격을 가지도록 터널(1) 내에서 TBM(10)의 굴착 진행 방향을 따라 설치된다.
상기 분석장치(130)는 내부에 탄성파 진동 신호 분석을 위한 프로그램이 탑재되며, 사용자 입력을 입력받는 입력부가 구비되고, 내부의 지질 예측 처리과정을 시각적으로 표시하는 표시부를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 파일롯수진기(110)와 상기 탄성파수진기(120)들 및 상기 분석장치(130)는 유선 또는 무선 통신 방식으로 서로 통신 가능하게 연결 구성된다. 이때 상기 탄성파수진기들 및 상기 파일롯수진기들에는 센서네트워크 기술이 적용될 수 있다.
상술한 구성의 지질 예측 시스템(100)은, TBM(10)의 전면 커터헤드(11)가 굴착면을 굴착하는 때 발생하는 탄성파(3)를 지질 예측을 위한 탄성파 음원인 수동형 음원으로 사용한다. 상기 TBM(10)의 전방에서 발생한 수동형 음원은 터널 진행방향으로 전파하게 되고, 전방 지질 이상대를 만나 반사된다.
상기 구성의 지질 예측 시스템(100)은 파일롯 수진기(110)가 TBM의 진동 신호를 수신하고, 탄성파수진기(120)가 TBM(10)의 전면 커터헤드(11)가 굴착면을 굴착하는 때 발생하는 탄성파(3)(직접파), 상기 탄성파(3)의 지질 이상대(9)에서 반사된 탄성파반사파(7) 진동 신호 및 외부 잡음 진동을 포함하는 탄성파 신호들인 원시자료를 수신하여 분석장치(130)로 전송한다.
상기 분석장치(130)는 교차상관분석에 의해 터널 굴진기 진동 신호와 원시자료의 상관관계를 분석한다. 그리고 상관관계가 분석된 원시자료에서 직접파, 반사파, 굴절파를 구별하고, 송신원 발생 시간의 임의성, 장비 진동과 조사지역 주변에 존재하는 잡음, 탐사장비가 가지고 있는 전기적인 잡음 등의 잡음을 제거하여, 지질 이상대(9)에서 반사된 탄성파반사파(11) 진동 신호의 모음인 탄성파 모음을 생성한다. 이 후, 생성된 탄성파 모음에 대하여 TSP 자료처리기법을 적용하여 지질 이상대의 위치를 예측하여 표시한다.
지질 이상대 예측을 위해, 상기 분석장치(130)는 상기 원시자료와 상기 터널 굴진기 진동 신호의 교차상관 및 진폭스펙트럼 분석에 의해 터널 굴진기의 진동 신호 분포를 분석하고, 대역 필터링과 디컨볼루션 처리에 의해 잡음신호를 제거하여 상기 탄성파 모음을 추출한다. 그리고 추출된 탄성파 모음에 대하여 TSP 자료 처리 방법을 적용하여 지질 이상대의 위치를 예측하게 된다.
이하, 도 1 및 도 2 내지 도 9의 지질 예측 방법을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 터널 굴진기를 위한 지질 예측 방법의 처리과정을 설명한다.
도 2는 본 발명의 터널 굴진기를 위한 지질 예측 방법(이하, '지질 예측 방법')의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 3은 파일롯수진기에서 수신된 터널 굴진기 진동 신호를 나타내는 도면이며, 도 4는 탄성파수진기에서 수신된 터널내의 진동 신호를 가지는 원시자료를 나타내는 도면이고, 도 5는 파일롯수진기의 터널 굴진기 진동 신호와 탄성파수진기의 원시자료의 교차상관분석 결과를 나타내는 도면이며, 도 6은 진폭스펙트럼 분석과정을 나타내는 도면이고, 도 7은 대역필터링과정을 나타내는 도면이며, 도 8은 TSP 자료처리 과정 중 P파의 구조보정 결과를 나타내는 도면이고, 도 9는 TSP 자료 처리 과정 중 P파의 반사면 추출 예를 나타내는 도면이다.
도 2와 같이, 상기 지질 예측 방법은 터널 굴진기 진동 및 원시자료 수신과정(S110)과, 교차상관분석과정(S120)과, 진폭스펙트럼분석과정(S130)과, 대역필터링과정(S140)과 디컨볼루션과정(S150)과 TSP자료처리과정(S160)을 포함하여 이루어진다.
상기 처리과정 중 터널 굴진기 진동 및 원시자료 수신과정(S110)과, 교차상관분석과정(S120)과, 진폭스펙트럼분석과정(S130)과, 대역필터링과정(S140)과 디컨볼루션과정(S150)이 전처리 과정 과정이며, 지질 이상대를 예측하는 TSP자료처리과정(S160)이 후처리과정이다. 그리고 상기 전처리과정 중 상기 교차상관분석과정(S120)과, 진폭스펙트럼분석과정(S130)과, 대역필터링과정(S140)과 디컨볼루션과정(S150)이 본 발명의 잡음제거 과정이다.
TBM(10)의 전방에서 발생한 수동형 음원인 탄성파(3)는 터널 진행 방향으로 전파하게 되고 전방 지질 이상대(9)를 만나 반사된다.
상기 터널 굴진기 진동 및 원시자료 수신과정(S110)에서는 다수의 탄성파수진기(120)들을 이용하여, 터널 내의 탄성파수진기(120)로 직접 들어오는 탄성파(3)인 직접파(5), 지질이상대(9)에서 반사된 탄성파인 탄성파반사파(7)(또는 반사파) 등의 지질 진동 신호를 수신하는 것에 의해 원시자료를 수신한다.
그리고 상기 파일롯수진기(110)는 TBM(10)의 장비 진동 신호를 수신한다. 즉, 상기 파일롯수진기(110)에 의해 기록된 신호는 굴진에 의해 발생된 신호인 TBM(10)의 장비 진동 신호이다. TBM(10)의 후방에 설치되는 다수의 탄성파수진기(120)들에 의해 수신된 신호들인 커터헤드(11) 굴진에 의해 발생된 탄성파(3)(직접파)와 커터헤드(11) 전방 지질 이상대(9)에 의해 반사된 탄성파반사파신호(반사파)들은, 커터헤드(11)에서 탄성파수진기(120)들까지의 그린함수로 표현된다. 도 1에서 파일롯수진기(110)에서 수신된 TBM(10)의 장비 진동 신호들을 Sp로 표시하였고, 탄성파수진기(120)에서 수신된 탄성파 원시자료를 Sr로 표시하였다.
상기 터널 굴진기 진동 및 원시자료 수신과정(S110)에서 수신된 신호들을 그린함수의 수학식으로 표현하면,
Sp=I*P
Sr=I*W*G*R=Sp*P(-1)*W*G*R
T=W*G*R=Sr*I(-1)=Sr*(Sp(-1)*P)
로 표시된다.
여기서,
Sp는 파일롯수신기에서 수신된 TBM 장비 진동 신호
I는 커터헤드(11)의 굴진에 의해 발생된 수동형 신호원인 탄성파(3)
P는 TBM 장비 파일롯 수신기의 반응
Sr는 탄성파수진기(120)들에 의해 수신된 탄성파신호들인 원시자료
W는 커터헤드(11)의 전방 지질 이상대(9)에 의해 발생된 탄성파반사파 신호
R는 탄성파수진기(120)의 반응 신호
T는 탄성파수진기(120)들에 의해 수신된 탄성파들의 기록모음
G는 그린함수를 나타낸다.
상술한 바와 같이 기록된 원시자료에는 직접파(5), 탄성파반사파(7), 굴절파의 식별이 어려우며, 원하는 탄성파 신호를 구분하기 위해서는 장비의 진동특성을 파악하게 장비 진동 신호를 원시자료로부터 제거하고, 이외의 탄성 진동 잡음을 제거하는 과정을 거치게 된다.
여기서 상기 잡음제거과정은, 교차상관분석과정(S120)과, 진폭스펙트럼분석과정(S130)과, 대역필터링과정(S140)과 디컨볼루션과정(S150)을 포함한다.
도 3에 도시된 상기 파일롯수진기(111)에서 수신된 TBM(10)의 장비 진동 신호는 TBM(10)이 가지고 있는 주파수 특성을 파악하는데 이용된다. 파일롯수진기(110)로부터 수신된 TBM 장비 진동 신호는 TBM 장비 진동의 주파수 특성을 파악한 후 지표에 설치된 탄성파수진기(120)들에 의해 수신된 도 4에 도시된 탄성파 신호들인 원시자료와의 교차상관(cross correlation)에 이용된다.
상기 교차상관분석과정(S120)에서는 서로 다른 두 시계열 자료 간의 상관성을 파악하여 과다한 잡음 내에서 탄성파반사파(7) 신호들을 식별하도록 한다. 즉, 상기 교차상관분석과정(S120)은 도 3의 TBM 장비 진동 신호와 도 4의 탄성파 신호들인 원시자료를 교차상관하여 분석하는 것에 의해 원시자료에서 탄성파 신호들을 TBM 장비 진동 신호와 구별한다. 상술한 교차상관분석과정(S120)에 의해 교차광관된 신호가 도 5에 도시되어 있다.
상술한 교차상관분석과정(S120)에 의한 교차상관 후의 탄성파 기록모음인 교차상관분석된 원시자료를 살펴보면 도 5와 같이, 과다한 잡음이 포함되어 있다. 따라서 직접파(5), 탄성파반사파(7) 및 굴절파를 구별하기 어렵게 된다. 이와 같이 탄성파의 식별이 어려운 이유로는 수동형 음원을 사용하였고, 상기 TBM(10)의 커터헤드(11)와 굴진면에 의해 발생되는 수동형 음원인 탄성파의(3)의 에너지양이 크지 않은 비충격형 음원이며, 송신원 발생 시간의 임의성, 장비 진동과 조사지역 주변에 존재하는 잡음, 탐사장비가 가지고 있는 전기적인 잡음 등을 포함하기 때문이다.
따라서 진폭스펙트럼분석과정(S130)에서는 도 6과 같이 시계열 형태로 저장되는 탄성파자료를 주파수 영역으로 변환하여 TBM(10)의 장비 진동의 주파수별 혹은 파장별 에너지 분포를 확인하여 이후의 대역필터링과정(S140)에 적용시킬 수 있도록 한다. 즉, 상술한 진폭스펙트럼분석을 통해 굴진 장비의 진동수 대역을 추정 획득한다.
이 후, 대역필터링과정(S140)에서는 상술한 진폭스펙트럼분석과정(S130)에 의해 추정된 TBM의 진동수 대역을 분할한 후, 대역 통과 필터를 적용하여 각 대역별 필터링을 수행하여, 교차상관된 탄성사 원시자료에서 에너지 파형효과 및 잡음을 제거하여 원하는 신호대역을 최대한으로 표현한다.
상기 디컨볼루션과정(S150)에서는 대역필터링된 스펙트럼에 포함되는 불필요한 주파수 성분을 제거하는 것에 의해 원하는 탄성파반사파(7)들을 가지는 탄성파 모음을 생성한다.
상술한 처리과정이 전처리과정이다. 이후에는 전처리과정을 거쳐 구성된 탄성파 모음을 이용하여 후처리과정인 TSP 차료처리과정을 수행하는 것에 의해 지질 이상대를 예측한다.
상기 TSP자료처리과정(S160)의 첫 번째 단계는 에너지 감쇠변수를 결정하고, 탄성파 에너지 보정을 실시한다. 탄성파는 암반을 전파해 나감에 따라 크게 세 가지 과정에 의해 에너지를 잃게 된다. 첫째 파면이 팽창해 나감에 따라 에너지는 팽창면에 분배되며, 단위 면적당 진폭에너지는 거리에 따라 선형적으로 줄어든다. 둘째 불연속면에서 파의 에너지는 일부 굴절하거나 반사된다. 셋째 열에너지로 전환되어 암석 내부로 전달된다. 이러한 에너지 감소를 반영하여 암반이 탄성파를 전달시키는 능력을 나타내는 지표인 Q값을 다음과 같이 정의한다.
Figure 112014084985283-pat00001
여기서, f= 주파수, a=감쇠상수, V=탄성파속도를 나타낸다.
상기 Q의 식에 나타난 것과 같이 Q값이 작으면 감쇠가 크고 불균질한 매질임을 알 수 있다.
감쇠변수가 결정되면 조사지역 주변 암반의 성질 등이 다르기 때문에, 암반에 전달되는 탄성파 에너지의 크기가 다르게 되어 탄성파 에너지 보정을 실시해야 한다.
에너지 보정 후에는 초동발췌 단계로 기록된 각각의 탄성파 신호에서 P파 및 S파의 직접파 도달시간을 결정하는 과정을 수행한다. S파의 직접파 도달시간 결정은 P파의 초동 도달시간과 주어진 (P파속도/S파속도)의 비를 이용하여 계산하거나 탄성파 기록에서 직접 S파 초동을 발췌하여 결정하게 된다.
발췌된 초동을 바탕으로 속도분석을 실시하게 되는데 속도분석은 크게 네 단계로 구분된다. 첫째 P파 속도와 S파 속도에 대하여 각각 2차원 격자모델을 구성하는 속도모델을 설정한다. 둘째 파동은 시간이 가장 적게 걸리는 경로를 선택한다는 페르마의 원리(Fermat's Principle)를 이용하여 송신점에서 수진점까지의 주시를 계산한다. 셋째 시간영역에서 반사파 진폭(에너지)을 공간영역에 위치시키는 과정인 구조보정을 실시한다. 구조보정은 이전 단계에서 구해진 주시를 이용하여 각각의 기록신호에서 주시에 해당하는 진폭 값을 타원 상의 격자점에 중합시키는 과정이다. P파의 구조보정 결과의 예가 도 8에 나타나 있다.
마지막 단계로 보다 나은 구조보정 결과를 획득하기 위해 속도모델을 갱신하는 과정을 거치게 된다. TSP 해석 기법의 특성상 계산적으로 구해지는 모든 반사면이 지구물리학적으로 의미를 갖지는 않는다. 따라서 규모가 작거나 송신원에서 매우 가까운 거리에 붙어 있는 반사면들은 그 중 가장 우세한 하나의 반사면으로 표현함으로써 터널 시공 중에 영향을 미치는 불연속면의 해석을 용이하게 할 수 있다. 이에 의해 지질 이상대(9)가 예측되며, 도 9는 지질 이상대 예측을 위한 P파의 반사면 추출 예를 나타낸다.
상술한 전처리과정 이후의 처리 과정이 후처리과정인 TSP자료처리과정(S160)이다.
1: 터널 3: 탄성파
5: 직접파 7: 탄성파반사파
9: 지질이상대 10: TBM
11: 커터헤드 100: 지질예측시스템
110: 파일롯수진기 120: 반사파수진기
130: 분석장치

Claims (7)

  1. 터널 굴진기에 장착되어 터널 굴진기의 진동 신호를 수신하는 하나 이상의 파일롯수진기;
    상기 터널 굴진기의 굴착 터널 내에 설치되어 외부탄성파 진동 신호를 원시자료로 수신하는 하나 이상의 탄성파수진기; 및
    상기 원시자료에서 전처리를 수행하여 상기 터널 굴진기 진동 신호와 상기 터널 굴진기의 커터와 굴진면에 의해 생성된 탄성파가 직접 수신된 직접파 진동 신호와 외부 잡음 진동 신호를 제거한 후, 상기 탄성파의 지질 이상대에서 반사된 탄성파반사파 진동 신호를 가지는 탄성파 모음을 추출한 후 지질 이상대를 판별하는 분석장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 분석장치는,
    반사법자료처리에 의한 전처리과정을 수행하여 상기 원시자료로부터 상기 탄성파 모음을 추출하고, 추출된 탄성파 모음에 대한 TSP 자료 처리에 의해 지질 이상대를 판별하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전처리는,
    상기 원시자료와 상기 터널 굴진기 진동 신호의 교차상관 및 진폭스펙트럼 분석에 의해 상기 원시자료에서 상기 터널 굴진기의 진동 신호를 제거한 후, 대역 필터링과 디컨볼루션 처리에 의해 잡음을 제거하는 것에 의해 상기 탄성파 모음을 추출하는 처리인 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 시스템.
  4. 터널 굴진기의 진동 신호를 검출하는 하나 이상의 파일롯수진기와 상기 터널에서 발생하는 진동 신호를 원시자료로 수신하는 하나 이상의 탄성파수진기와 상기 터널 굴진기의 진동 신호와 상기 원시자료를 이용하여 지질 이상대의 위치를 검출하는 분석장치를 포함하는 전방 지질 예측 시스템에 의한 전방 지질 예측 방법에 있어서,
    상기 분석장치가 상기 파일롯 수진기에 의해 수신된 터널 굴진기 진동 신호와 상기 탄성파수진기에 의해 수신된 상기 원시자료를 수신하는 터널 굴진기 진동 및 원시자료수신과정;
    교차상관분석에 의해 상기 원시자료에서 상기 터널 굴진기 진동 신호의 상관관계를 분석하는 교차상관분석과정; 및
    상기 교차상관분석된 자료에서 잡음신호를 제거하여 탄성파반사파 진동 신호를 가지는 탄성파 모음을 추출하는 잡음제거과정;을 포함하여 추출된 탄성파반사파 진동 신호로부터 지질 이상대의 위치를 예측하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 잡음제거과정은,
    상기 교차상관 분석된 원시자료에 대한 진폭스펙트럼 분석에 의해 상기 터널 굴진기의 진동수 대역을 추정하여 획득하는 진폭스펙트럼분석과정;
    상기 터널 굴진기의 진동수 대역 별로 필터링을 수행하여 상기 교차상관 분석된 자료에서 터널 굴진기 장비의 진동 신호를 제거하는 대역필터링과정; 및
    상기 대역필터링된 신호들에서 잡음 주파수 성분을 제거하여 탄성반사파를 포함하는 상기 탄성파 모음을 생성하는 디컨볼루션과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 잡음제거과정은 원하는 신호 분해능을 가질 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 탄성파반사파 진동 신호로부터 지질 이상대를 예측하는 처리는 TSP(Tunnel Seismic Profiling) 자료처리에 의해 수행되는 TSP 자료 처리과정;인 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측 방법.
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