KR101791866B1 - 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
콘크리트 슬래브 궤도 또는 침목 직결궤도와 같은 철도용 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 정확하게 탐지할 수 있고, 또한, 기존의 지표투과레이더(GPR)에 비해 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 경제적으로 탐지할 수 있는, 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 콘크리트궤도 하부의 공동 탐지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 콘크리트 슬래브 궤도 또는 침목 직결궤도와 같은 철도용 콘크리트궤도(Concrete Track)의 하부지반에서 발생하는 공동(Cavity)을 탐지하기 위한 공동 탐지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열차 등이 주행하게 되는 궤도(Track)는 노반 위에 도상(Roadbed)을 마련하고, 그 도상 위에 침목 및 레일을 배치한 것이 널리 알려져 있다. 여기서, 도상은 레일 및 침목으로부터 전달되는 열차 하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고, 침목을 소정 위치에 고정시키는 역할을 하는 궤도재료로서, 자갈(또는 쇄석)이나 콘크리트가 사용된다.
이러한 궤도의 구조는, 노반 위에 형성한 도상에 침목을 배열하고, 그 위에 한 쌍의 레일을 일정 간격으로 평행하게 부착하는 것이 일반적이다. 이러한 궤도를 구성하는 도상으로는 밸러스트(Ballast), 슬래브(Slab) 등이 있으며, 노선의 다양한 조건을 고려하여 선정되고 있다. 특히, 자갈, 쇄석 등의 밸러스트를 이용한 밸러스트 도상 궤도가 널리 알려져 있다.
이러한 자갈, 쇄석 등의 밸러스트는 침목을 확실히 유지하고, 열차로부터 레일 및 침목을 거쳐 전해지는 하중을 노반에 균등하게 분산시키며, 궤도에 탄성을 갖게 하며, 탬핑(Tamping) 등의 보수 작업을 용이하게 실시할 수 있어야 하고, 궤도의 배수를 좋게 하여 분니나 잡초의 발생을 방지하는 등의 기능을 갖고 있다.
한편, 열차의 고속화에 따라 자갈궤도에서 점차 콘크리트궤도로의 채택률이 늘고 있다. 예를 들면, 고속철도 등의 궤도를 부설함에 있어서 궤도틀림 발생이 큰 문제가 되고 있고, 자갈을 이용한 일반 자갈도상 궤도의 경우, 열차 통행시의 자갈 비산 등의 문제가 크게 대두되고 있다. 따라서 토사 지반에 대해서도 콘크리트궤도를 이용하는 방안이 고려되고 있다.
한편, 도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트궤도인 침목 직결궤도를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 콘크리트궤도인 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 도면이다.
종래의 기술에 따른 콘크리트궤도는, 크게 도 1a에 도시된 침목 직결궤도(10) 및 도 1b에 도시된 콘크리트 슬래브 궤도(20)로 구분할 수 있다. 구체적으로, 침목 직결궤도(10)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 하부지반(11), 바닥 콘크리트(12), 콘크리트 도상(13), 침목(14) 및 레일(15)을 포함하며, 초기건설비용이 저렴하고 중량이 작아 시공성이 우수하며 궤도의 선형 및 부등침하 발생시 유지보수가 유리한 장점을 가지고 있으나, 종방향 및 횡방향 수평저항력 확보를 위한 전단보강장치의 설치가 필수적으로 요구된다.
또한, 콘크리트 슬래브 궤도(20)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 하부지반(21), 콘크리트 도상(22), 콘크리트 슬래브(23) 및 레일(24)을 포함하며, 종방향 및 횡방향 수평저항력 확보에 유리하며 좌굴에 대한 위험이 낮아 궤도 틀림 발생이 적게 발생되는 장점이 있는 반면에, 초기 건설비용이 높고 중량이 커서 시공성이 불량하며, 노반 부등침하로 인한 대변형 발생시에 궤도 조정이 불리하다는 단점이 있다.
전술한 바와 같이, 열차 고속화와 유지보수 효율화를 위하여 콘크리트궤도가 적용되고 있다. 이때, 자갈궤도의 경우, 궤도의 처짐 발생 시 처짐의 원인과는 상관없이 일반적으로 도상자갈 보충만으로 열차의 안전운행이 보장되지만, 콘크리트궤도의 경우, 궤도의 과도한 처짐 발생시 HSB층이나 TCL층의 손상으로 유지보수가 어려워지는 문제점이 발생한다.
따라서 콘크리트궤도의 경우, 과도한 처짐이 발생하기 이전에 상시 모니터링을 통하여 궤도의 상태를 파악하여야 하지만, 현재는 궤도검측차를 통한 정기적 검측만을 수행하고 있기 때문에, 궤도틀림 발생 이후에 궤도정정 작업으로 유지보수를 수행하고 있다. 하지만 궤도틀림이 궤도 하부지반에서의 강성 변화, 공동(Cavity) 등의 원인으로 발생할 경우, 궤도검측차의 검측으로 인한 궤도틀림의 유지보수는 근본적인 해결방안을 제시할 수 없다.
한편, 철도용 콘크리트궤도에서 콘크리트층과 하부지반 사이의 빈 공간(뜬슬래브 또는 에어포켓)과 상기 콘크리트층의 하부지반 내에서 발생한 공동은 철도용 콘크리트궤도의 안정성에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 이와 같은 빈 공간 및 공동 등을 사전에 탐지하는 기술은 콘크리트궤도의 안정성 확보에 매우 중요하다.
또한, 도시철도를 포함한 철도용 콘크리트궤도의 이상 구간 발생에 의한 콘크리트궤도의 위험성을 사전에 판단하기 위하여 콘크리트궤도 상에서 직접 적용할 수 있는 비파괴 진단법을 활용하여 공동의 위치와 크기를 파악할 수 있는 탐사장치의 개발이 필요한 실정이다.
전술한 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생한 공동(Cavity)은 강성을 갖고 있던 지반이 여러 가지 이유로 이완되면서 발생하고, 최초 작은 공동에서 시작하여 시간경과에 따라 공동의 크기가 점점 커질 뿐만 아니라 공동의 위치도 지표면과 점점 가까워지는 특징을 가지고 있다. 따라서 이러한 공동이 콘크리트궤도의 노반 침하를 발생시키기 전에 미리 탐지할 필요성이 있다. 이러한 공동 발생을 탐지하기 위해 최근 많이 이용되고 있는 장치가 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar: GPR) 탐사장치이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 지표투과레이더(GPR) 탐사장치를 이용하여 공동을 탐지하는 것을 나타내는 도면이다.
종래의 기술에 따른 GPR 탐사장치(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 송신부의 송신안테나(31)로부터 전자파를 짧은 폭의 펄스 형태로 지하로 전파시킨 후에 전파경로 중에 물리적 성질이 다른 매질인 공동(40)의 경계에서 반사해 오는 전자파를 수신부의 수신안테나(32)로 수신 및 분석하여 지하의 정보를 얻을 수 있는 물리적인 탐사장치이다.
하지만 종래의 기술에 따른 GPR 탐사장치(30)는 탐사에 이용되는 안테나가 워낙 고가일 뿐만 아니라 탐사 깊이별 안테나의 주파수가 다르게 적용되어 적용범위에 따라 안테나를 별도로 구매해야 하는 단점이 있을 뿐만 아니라 매질(40)에 따라 전자파의 속도가 다르기 때문에 종래의 기술에 따른 GPR 탐사장치(30)에서 수집한 데이터 분석시 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
또한, 종래의 기술에 따른 GPR 탐사장치(30)는 대상 지반의 전기적 특성에 따라 탐사 결과의 불확실성이 야기될 수 있으며, 특히, 강우 후에 전기비저항 감소로 인해서 전자기파의 심한 감쇠현상 때문에 반사파 신호가 매우 미약하여 충분한 수준의 자료획득이 어려운 경우가 발생한다. 또한, 종래의 기술에 따른 GPR 탐사장치(30)는 장비 자체의 크기로 인해 항상 차량 등에 탑재하여 운행해야 하는 단점이 있다.
다시 말하면, 종래의 기술에 따르면, 도로포장 분야에서 주로 사용하는 2㎒ 이상 대역의 주파수를 이용한 GPR 탐사장치(30)를 이용하여 철도궤도 하부 상태를 평가하는 시스템이 개발된 바 있으나, 그 알고리즘이 복잡하고, 콘크리트 슬래브를 포함한 천층부에서의 위치 파악만 가능하며, 특히, 공동의 위치 파악을 위해서는 전문가의 해석이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 파악된 공동의 위치가 정확하지 않고 영상의 해상도 또한 매우 불명확하다는 문제점이 있다. 특히, 철도용 콘크리트궤도의 하부지반 내에서 발생할 수 있는 공동(Cavity)의 위치 파악을 위한 전용의 공동 탐지 장치는 아직까지 개발되지 않은 것으로 알려져 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 콘크리트 슬래브 궤도 또는 침목 직결궤도와 같은 철도용 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 정확하게 탐지할 수 있는, 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 기존의 지표투과레이더(GPR)에 비해 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 경제적으로 탐지할 수 있는, 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템은, 철도용 콘크리트궤도 하부지반 내에서 발생하는 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템에 있어서, 낙하추를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층에 충격을 재하하여 가진시키고, 상기 콘크리트궤도의 하부지반 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 하중재하판의 평균 탄성침하량을 측정하여 상기 콘크리트궤도의 평균강성을 산출하는 충격재하 장치; 상기 콘크리트층과 하부지반 사이의 소형공동인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해서 상기 콘크리트층과 상기 하부지반의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정하는 충격반응 센서; 대형공동의 존재 여부 탐지를 위해서 상기 콘크리트층의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정하는 음향/변위 듀얼 감지장치; 상기 대형공동의 위치 및 크기를 탐지하기 위해 상기 충격재하 장치와 일정 간격에 설치되고, 상기 콘크리트층의 표면을 따라 전달되는 표면파를 연속 측정하는 진동센서 어레이; 및 상기 충격재하 장치, 충격반응 센서, 음향/변위 듀얼 감지장치 및 진동센서 어레이에서 측정된 데이터에 따라 상기 콘크리트층 하부의 소형공동의 위치 및 상기 하부지반 내의 대형공동을 판단하는 탐지정보 분석 모듈을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템은, 상기 콘크리트층 하부의 소형공동의 위치 및 상기 하부지반 내의 대형공동의 위치 및 크기를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 출력하는 탐지결과 출력부를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법은, 철도용 콘크리트궤도 하부의 하부지반 내에서 발생한 공동을 탐지하는 방법에 있어서, a) 충격재하 장치, 충격반응 센서, 음향/변위 듀얼 감지장치, 진동센서 어레이, 탐지정보 분석 모듈 및 탐지결과 출력부로 이루어진 공동 탐지 시스템을 콘크리트궤도 상에 설치하는 단계; b) 상기 충격재하 장치의 낙하추를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층에 충격을 재하하여 가진시키는 단계; c) 상기 콘크리트궤도의 하부지반 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 상기 충격재하 장치의 하중재하판의 평균 탄성침하량을 측정하고 콘크리트궤도의 평균강성을 산출하는 단계; d) 상기 콘크리트층과 하부지반 사이의 소형공동인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해서 상기 충격반응 센서가 상기 콘크리트층과 상기 하부지반의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정하는 단계; e) 대형공동의 존재 여부 탐지를 위해서 상기 음향/변위 듀얼 감지장치가 상기 콘크리트층의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정하는 단계; f) 상기 대형공동의 위치 및 크기를 탐지하기 위해서 상기 충격재하 장치와 일정 간격에 설치된 진동센서 어레이가 상기 콘크리트층의 표면을 따라 전달되는 탄성파를 연속 측정하는 단계; 및 g) 상기 탐지정보 분석 모듈이 측정 데이터에 따라 상기 콘크리트층 하부의 소형공동 및 상기 하부지반 내의 대형공동을 분석 판단하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 d) 단계에서 소형공동이 존재하지 않는 경우, 상기 충격반응 센서를 이용하여 상기 낙하추에 의한 충격 재하시 상기 콘크리트층 및 하부지반 사이의 경계면에서 경계층 반사파를 수신하면, 이를 주파수 대역에서 분석함으로써 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층의 결함 정도를 파악할 수 있다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 슬래브 궤도 또는 침목 직결궤도와 같은 철도용 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 정확하게 탐지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 지표투과레이더(GPR)에 비해 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 경제적으로 탐지할 수 있다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트궤도인 침목 직결궤도를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 콘크리트궤도인 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 지표투과레이더(GPR) 탐사장치를 이용하여 공동을 탐지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지정보 분석 모듈을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템에서 충격반응 센서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 진동센서 어레이인 지오폰을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 진동센서 어레이가 격자형으로 배치되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지결과 출력부에서 출력되는 탐지결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법의 동작흐름도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 지표투과레이더(GPR) 탐사장치를 이용하여 공동을 탐지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지정보 분석 모듈을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템에서 충격반응 센서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 진동센서 어레이인 지오폰을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 진동센서 어레이가 격자형으로 배치되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지결과 출력부에서 출력되는 탐지결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템은, 철도용 콘크리트궤도 하부의 하부지반 내에서 발생하는 공동(Cavity)을 탐지하는 공동 탐지 시스템으로서, 충격재하 장치(110), 충격반응 센서(120), 음향/변위 듀얼 감지장치(130), 진동센서 어레이(140), 탐지정보 분석 모듈(150) 및 탐지결과 출력부(160)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템(100)에서 콘크리트궤도는 침목 직결궤도 및 콘크리트 슬래브 궤도를 포함하며, 하부지반(210) 상에 콘크리트층(220)이 형성된 경우로서, 이때, 상기 콘크리트층(220)은 콘크리트 도상(221) 및/또는 콘크리트 슬래브(222)를 포함하며, 이하, 편의상 콘크리트(220)층으로 칭하기로 한다.
충격재하 장치(110)는 낙하추(113)를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시키고, 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정하여 상기 콘크리트궤도의 평균강성을 산출한다.
충격반응 센서(120)는 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해서 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정한다.
음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 대형공동(230b)의 존재 여부 탐지를 위해서 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정한다. 여기서, 상기 대형공동(230b)은 상기 소형공동(230a)의 크기보다 상대적으로 큰 공동을 의미한다.
진동센서 어레이(140)는 상기 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 탐지하기 위해 상기 충격재하 장치(110)와 일정 간격에 설치되고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 탄성파를 연속 측정한다.
탐지정보 분석 모듈(150)은 상기 충격재하 장치(110), 충격반응 센서(120), 음향/변위 듀얼 감지장치(130) 및 진동센서 어레이(140)에서 측정된 데이터에 따라 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)을 판단한다.
탐지결과 출력부(160)는 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 하부지반(210) 내 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 출력한다.
구체적으로, 도 4를 참조하면, 충격재하 장치(110)는, 손잡이(111), 가이드 로드(112), 낙하추(113), 충격흡수용 고무(114), 연결단자(115), 가속도계(116), 로드셀(117) 및 하중재하판(118)을 포함한다.
상기 충격재하 장치(110)의 손잡이(111)는 계측자가 상기 충격재하 장치(110)를 손으로 파지할 수 있도록 상기 충격재하 장치(110)의 상단에 형성된다.
상기 충격재하 장치(110)의 가이드 로드(112)는 상기 낙하추(113)가 관통하도록 수직 방향으로 설치되고, 상기 낙하추(113)를 수직 방향으로 가이드한다.
상기 충격재하 장치(110)의 낙하추(113)는 상기 콘크리트층(220) 하부에 위치하는 하부지반(220)의 강성의 크기별로 무게와 낙하높이를 선택할 수 있고, 자유낙하에 의해 상기 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시키는 역할을 한다.
상기 충격재하 장치(110)의 탄성고무(114)는 가속도계(116) 상부에 설치되고, 상기 낙하추(113)의 충격 재하시, 가속도계(116) 및 로드셀(117)의 파손을 방지하도록 상기 낙하추(113)가 가속도계(116) 상부에 인가하는 충격을 흡수한다.
상기 충격재하 장치(110)의 가속도계(116)는 변위센서로서, 상기 충격재하 장치(110)의 낙하추(113)에 의한 충격재하시 상기 콘크리트층(220)의 표면에 대한 탄성 변위를 측정하고, 상기 충격재하 장치(110)의 로드셀(117)은 하중계로서, 충격하중을 측정한다.
이때, 상기 충격재하 장치(110)의 연결단자(115)는 상기 가속도계(116) 및 상기 로드셀(117)이 측정한 데이터를 상기 탐지정보 분석 모듈(150)에 전달할 수 있도록 형성된다.
상기 충격재하 장치(110)의 하중재하판(118)은 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 상부 표면에 밀착하도록 배치되고, 상기 낙하추(113)의 가속충격을 받아 상기 콘크리트층(220)으로 하중을 전달한다.
도 4를 다시 참조하면, 상기 충격재하 장치(110)는 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 상단에 충격을 가하여 상기 콘크리트층(220)의 순간 탄성침하를 유도하고, 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계면에서 경계층 반사파를 발생시키며, 또한, 상기 콘크리트층(220) 근접 지반에서 표면파를 발생시키고, 상기 하부지반(210) 각층에서 반사파를 발생시키는 역할을 한다. 이에 따라, 상기 낙하추(113)에 의한 여러 차례 충격시의 수직 탄성변형량과 충격하중을 측정하고 평균측정 값을 이용하여 상기 하중재하판(118) 하부의 콘크리트층(220)의 역학적 평균강성을 산정하여, 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)을 파악하고, 상기 소형공동의 존재로 인하여 급감하는 콘크리트궤도의 강성 및 콘크리트층(220) 하부의 취약개소를 1차적으로 잠정 파악할 수 있다.
이때, 상기 충격반응 센서(120)는 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 경계면에서 반사되는 경계층 반사파를 상기 콘크리트층(220)의 표면에서 측정한다.
음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210)과의 경계면에서 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파와 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정한다. 즉, 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 음향마이크로폰과 탄성변위를 근접 거리의 콘크리트층(220)의 표면에서 측정하면, 이후 탐지정보 분석 모듈(150)에서 주파수 공진특성 분석에 의해 대형공동(230b)의 존재 여부를 근접 거리에서 탐지할 수 있다.
구체적으로, 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 상기 낙하추(113)에 의한 충격재하시 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달된 탄성파(Stress Wave)와 음파(Acoustic Wave)를 동시에 수집하고, 상기 콘크리트층(220) 상부 위치에서 상기 탄성파 및 음파의 각 위상차와 분산곡선 분석 결과를 종합함으로써, 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓(230a)의 존재에 따라 가변하는 공진 특성에 따라 주파수 분석에 의해서 대형공동(230b)의 존재 여부를 정확하게 파악할 수 있다.
진동센서 어레이(140)는 충격재하 지점으로부터 이격되어 상기 콘크리트층(220)의 표면에 설치되는 탄성파 탐지장치로서, 예를 들면, 지오폰을 사용하여 탄성파를 측정하면, 이후 상기 탐지정보 분석 모듈(150)이 상기 탄성파 검출신호를 이용하여 전단파속도를 분석함으로써 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 탐지할 수 있다.
탐지결과 출력부(150)는 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 2차원 또는 3차원 영상으로 출력한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템(100)은, 상기 뜬슬래브 또는 에어포켓과 같은 소형공동(230a)이 존재하지 않는 경우, 상기 충격반응 센서(120)를 이용하여 상기 낙하추(113)에 의한 충격 재하시 상기 콘크리트층(220) 및 하부지반(210) 사이의 경계면에서 경계층 반사파를 수신하면, 이를 주파수 대역에서 분석함으로써 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220), 즉, 콘크리트 도상(221) 또는 콘크리트 슬래브(222) 자체의 결함 정도를 파악할 수 있는 기능을 부가적으로 갖는다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지정보 분석 모듈을 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지정보 분석 모듈(150)은, 궤도강성 산출부(151), 충격반응 분석부(152), 음향/변위 분석부(153), 탄성파 분석부(154) 및 공동 판단부(155)를 포함한다.
먼저, 상기 충격재하 장치(110)가 철도용 콘크리트궤도 상을 이동하면서 낙하추(113)를 이용하여 상기 콘크리트층(220) 표면을 가진시킴으로써 표면파를 발생시키고, 동시에 하중재하판(118) 중심에 설치한 충격반응 센서(120)를 이용하여 상기 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정한 경우, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 궤도강성 산출부(151)는 상기 콘크리트층(220)의 평균강성을 산출할 수 있고, 이에 따라 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 공동 판단부(155)는 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 소형공동(230a)의 존재 여부를 1차적으로 파악할 수 있다. 즉, 상기 충격재하 장치(110)가 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 평균강성을 하중재하판(118) 직경(D)의 2~3배 깊이(H) 및 충격재하 지점으로부터 횡방향 이격거리 L=3D에 해당하는 비교적 넓은 영역에서 파악하고, 이에 따라 소형공동(230a)이 발생한 것으로 탐지한 경우, 상기 파악된 평균강성에 따라 상기 콘크리트궤도의 이전 궤도강성에 비하여 현재 궤도강성이 급격하게 저하된 것을 파악할 수 있다.
또한, 상기 충격반응 센서(120)가 상기 낙하추(113) 충격에 따라 발생되는 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계층 반사파를 측정한 경우, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 충격반응 분석부(152)는 상기 경계층 반사파를 분리 및 해석할 수 있고, 이에 따라 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 공동 판단부(155)는 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)을 탐지할 수 있다.
또한, 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)가 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파의 탄성변위를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음향의 음파를 측정한 경우, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 음향/변위 분석부(153)는 상기 탄성변위 및 음파를 수신하여 분석할 수 있고, 이에 따라 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 공동 판단부(155)는 대형공동(230b)의 존재 여부를 파악할 수 있다.
또한, 상기 진동센서 어레이(140)가 상기 충격재하 장치(110)와 일정 이격거리에 위치하도록 설치되는 탄성파 탐지장치로서, 상기 낙하추(113)에 의한 충격 재하시 상기 콘크리트층(220)을 따라 전달되는 탄성파를 연속적으로 측정할 경우, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 탄성파 분석부(154)는 상기 수신된 탄성파를 분석할 수 있고, 이에 따라 상기 탐지정보 분석 모듈(150)의 공동 판단부(155)는 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)의 위치와 크기를 산정할 수 있다.
이후, 탐지결과 출력부(160)는 상기 공동 판단부(155)의 공동 판단 결과에 따라 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치뿐만 아니라 상기 대형공동(230b)의 위치와 크기를 2차원 또는 3차원 영상으로 출력할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템에서 충격반응 센서를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템(100)에서 충격반응 센서(120)는, 상기 충격재하 장치(110)의 하중재하판(118)의 중심을 따라 설치되고, 상기 충격반응 센서(120)는 상기 하중재하판(118) 직경(D)의 2~3배 깊이(H) 및 충격재하 지점으로부터 횡방향 이격거리 L=3D에 해당하는 비교적 넓은 영역에서 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계에서 발생한 경계층 반사파를 측정할 수 있다.
즉, 철도용 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 상단에 충격재하 장치(110)를 이용하여 가진시켜 표면파를 발생시키면, 상기 충격반응 센서(120)는 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계에서 발생한 경계층 반사파를 수집하여 뜬슬래브나 에어포켓의 소형공동(230a)을 탐지할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 진동센서 어레이인 지오폰을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 진동센서 어레이가 격자형으로 배치되는 것을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 진동센서 어레이(140)는 격자형으로 배치되는 지오폰(Geophone)으로 구현될 수 있고, 상기 지오폰은 육상에서 지중 진동을 탐지하는 센서로서, 지층 내부의 구조 및 지진 예측 등의 용도로 사용되고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 지오폰(140)은 자기장을 형성시키는 자석(141), 전자기 유도현상을 이용하여 자기장내에서 전류를 발생시키는 코일(142) 및 리프 스프링(143) 등으로 구성된다.
이러한 지오폰(140)은 자기장 내에서 코일(142)이 움직이게 되면, 상기 코일(142)을 통과하는 자속 밀도가 변화되어, 상기 코일(142)에 전류가 유도되는 현상 즉, 전자기 유도 현상이 일어난다. 여기서, 상기 코일(142)은 리프 스프링(143)에 의해 고정되어 있으므로, 소정의 진동에 도달하면 관성에 의해 흔들리게 되고, 이에 따라 상기 코일(142)에는 전류가 유도된다. 또한, 상기 유도전류는 후술하는 탄성파 분석부(154)인 신호처리부로 보내져 의미 있는 신호로 해석될 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 충격재하 장치(110)와 근접한 거리에 일정 간격의 격자형으로 설치된 진동센서 어레이(150)의 위치를 정렬하면서 상기 충격재하 장치(110)의 충격재하 지점을 변경하면서, 각각의 충격재하 지점에서 상기 낙하추(113)를 자유낙하시킨 후, 지오폰 센서를 이용하여 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 바꾸어 가면서 상기 전달된 탄성파를 이격된 콘크리트층(220) 상에서 연속적으로 측정하여 위상차 및 분산곡선 분석에 의해 하부지반 내의 대형공동(230b)의 위치와 크기를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 콘크리트층(220) 및 하부지반(210)의 두 매질의 위상차와 위상속도(Phase Velocity)를 분리하고, 이를 역산(Inversion)하여 분산곡선(Dispersive Curve)을 형성하고, 이를 수학적으로 후처리(Post Processing)하여 상기 하부지반(210)의 깊이에 따른 각층의 전단탄성계수 분포를 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 따라 가로방향 및 세로방향으로 연속 측정함으로써, 상기 대형공동(230b)과 매질의 탄성계수가 극히 작은 취약부분의 위치와 크기를 파악할 수 있고, 이를, 후술하는 도 9에 도시된 바와 같이, 2차원 또는 3차원 영상으로 분석 및 추정하여 출력할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템의 탐지결과 출력부에서 출력되는 탐지결과를 나타내는 도면으로서, 도 9의 a)는 2차원 영상을 나타내며, 도 9의 b)는 3차원 영상을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템에서, 탐지결과 출력부(160)는 대형공동(230b)과 매질의 탄성계수가 극히 작은 취약부분의 위치와 크기를 도 9의 a)에 도시된 바와 같이 깊이 및 수평거리에 따라 2차원 영상으로 분석 및 추정하여 나타내거나, 또는 도 9의 b)에 도시된 바와 같이, 깊이, X 방향 수평거리 및 Y 방향 수평거리에 따라 3차원 영상으로 분석 및 추정하여 나타낼 수 있다.
[철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법]
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법의 동작흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법은, 철도용 콘크리트궤도 하부의 하부지반 내에서 발생한 공동을 탐지하는 방법으로서, 먼저, 충격재하 장치(110), 충격반응 센서(120), 음향/변위 듀얼 감지장치(130), 진동센서 어레이(140), 탐지정보 분석 모듈(150) 및 탐지결과 출력부(160)로 이루어진 공동 탐지 시스템(100)을 콘크리트궤도 상에 설치한다(S110).
다음으로, 상기 충격재하 장치(110)의 낙하추(113)를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시킨다(S120).
다음으로, 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 상기 충격재하 장치(110)의 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정하고 콘크리트궤도의 평균강성을 산출한다(S130).
다음으로, 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해 상기 충격반응 센서(120)가 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정한다(S140).
다음으로, 대형공동(230b)의 존재 여부 탐지를 위해 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)가 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정한다(S150).
다음으로, 상기 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 탐지하기 위해 상기 충격재하 장치(110)와 일정 간격에 설치된 진동센서 어레이(140)가 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 탄성파를 연속 측정한다(S160).
다음으로, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)이 상기 측정된 데이터에 따라 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a) 및 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)을 분석 판단한다(S170).
다음으로, 상기 탐지결과 출력부(160)가 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 하부지반(210) 내 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 출력한다(S180).
결국, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템 및 그 방법에 따르면, 콘크리트 슬래브 궤도 또는 침목 직결궤도와 같은 철도용 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 정확하게 탐지할 수 있고, 또한, 기존의 지표투과레이더(GPR)에 비해 콘크리트궤도의 하부지반에서 발생하는 소형공동 및 대형공동의 위치 및 크기를 경제적으로 탐지할 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.
100: 공동 탐지 시스템
110: 충격재하 장치
120: 충격반응 센서
130: 음향/변위 듀얼 감지장치
140: 진동센서 어레이(지오폰)
150: 탐지정보 분석 모듈
160: 탐지결과 출력부
111: 손잡이
112: 가이드 로드(Guide Rod)
113: 낙하추
114: 충격흡수용 고무
115: 연결단자
116: 가속도계(변위센서)
117: 로드셀(하중계)
118: 하중재하판
151: 궤도강성 산출부
152: 충격반응 분석부
153: 음향/변위 분석부
154: 탄성파 분석부
155: 공동 판단부
210: 하부지반
220: 콘크리트층
221: 콘크리트 도상(Track Concrete Layer: TCL)
222: 콘크리트 슬래브(Concrete Slab)
230a: 소형공동(뜬슬래브 또는 에어포켓)
230b: 대형공동
110: 충격재하 장치
120: 충격반응 센서
130: 음향/변위 듀얼 감지장치
140: 진동센서 어레이(지오폰)
150: 탐지정보 분석 모듈
160: 탐지결과 출력부
111: 손잡이
112: 가이드 로드(Guide Rod)
113: 낙하추
114: 충격흡수용 고무
115: 연결단자
116: 가속도계(변위센서)
117: 로드셀(하중계)
118: 하중재하판
151: 궤도강성 산출부
152: 충격반응 분석부
153: 음향/변위 분석부
154: 탄성파 분석부
155: 공동 판단부
210: 하부지반
220: 콘크리트층
221: 콘크리트 도상(Track Concrete Layer: TCL)
222: 콘크리트 슬래브(Concrete Slab)
230a: 소형공동(뜬슬래브 또는 에어포켓)
230b: 대형공동
Claims (18)
- 철도용 콘크리트궤도 하부의 하부지반 내에서 발생하는 공동(Cavity)을 탐지하는 공동 탐지 시스템에 있어서,
낙하추(113)를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시키고, 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정하여 상기 콘크리트궤도의 평균강성을 산출하는 충격재하 장치(110);
상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해서 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정하는 충격반응 센서(120);
대형공동(230b)의 존재 여부 탐지를 위해서 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정하는 음향/변위 듀얼 감지장치(130);
상기 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 탐지하기 위해 상기 충격재하 장치(110)와 일정 간격에 설치되고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 표면파를 연속 측정하는 진동센서 어레이(140); 및
상기 충격재하 장치(110), 충격반응 센서(120), 음향/변위 듀얼 감지장치(130) 및 진동센서 어레이(140)에서 측정된 데이터에 따라 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)을 판단하는 탐지정보 분석 모듈(150)
을 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치 및 상기 하부지반(210) 내 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 출력하는 탐지결과 출력부(160)를 추가로 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 충격재하 장치(110)는 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 상단에 충격을 가하여 상기 콘크리트층(220)의 순간 탄성침하를 유도하고, 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계면에서 경계층 반사파를 발생시키며, 상기 콘크리트층(220) 근접 지반에서 표면파를 발생시키고, 상기 하부지반(210) 각층에서 반사파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 충격재하 장치(110)는 상기 낙하추(113)에 의한 여러 차례 충격시의 수직 탄성변형량과 충격하중을 측정하고, 평균측정 값을 이용하여 상기 하중재하판(118) 하부의 콘크리트층(220)의 역학적 평균강성을 산정하여, 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)을 파악하고, 상기 소형공동(230a)의 존재로 인하여 급감하는 콘크리트궤도의 강성 및 콘크리트층(220) 하부의 취약개소를 1차적으로 파악할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 충격재하 장치(110)는,
자유낙하에 의해 상기 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시키는 낙하추(113);
상기 낙하추(113)가 관통하도록 수직 방향으로 설치되고, 상기 낙하추(113)를 수직 방향으로 가이드하는 가이드 로드(112);
변위센서로서, 상기 충격재하 장치(110)의 낙하추(113)에 의한 충격재하시 상기 콘크리트층(220)의 표면에 대한 탄성 변위를 측정하는 가속도계(116);
하중계로서, 상기 낙하추(113)에 의한 충격하중을 측정하는 로드셀(117); 및
상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220) 상부 표면에 밀착하도록 배치되고, 상기 낙하추(113)의 가속충격을 받아 상기 콘크리트층(220)으로 하중을 전달하는 하중재하판(118)
을 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제5항에 있어서, 상기 충격재하 장치(110)는,
계측자가 상기 충격재하 장치(110)를 손으로 파지할 수 있도록 상기 가이드 로드(112)의 상단에 형성되는 손잡이(111);
상기 가속도계(116) 상부에 설치되고, 상기 낙하추(113)의 충격 재하시, 상기 가속도계(116) 및 로드셀(117)의 파손을 방지하도록 상기 낙하추(113)가 상기 가속도계(116) 상부에 인가하는 충격을 흡수하는 충격흡수용 고무(114); 및
상기 가속도계(116) 및 상기 로드셀(117)이 측정한 데이터를 상기 탐지정보 분석 모듈(150)에 전달할 수 있도록 연결하는 연결단자(115)
를 추가로 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 낙하추(113)는 상기 콘크리트층(220) 하부에 위치하는 하부지반(220)의 강성의 크기별로 무게와 낙하높이를 선택하여 상기 가이드 로드(112)에 장착하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 상기 낙하추(113)에 의한 충격재하시 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달된 탄성파(Stress Wave)와 음파(Acoustic Wave)를 동시에 수집하고, 상기 콘크리트층(220) 상부 위치에서 상기 탄성파 및 음파의 각 위상차와 분산곡선 분석 결과를 종합함으로써, 상기 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓(230a)의 존재에 따라 가변하는 공진 특성에 따라 주파수 분석에 의해서 대형공동(230b)의 존재 여부가 정확하게 파악되는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 진동센서 어레이(140)는 상기 충격재하 장치(110)와 근접한 거리에 일정 간격의 격자형으로 설치되고, 상기 충격재하 장치(110)의 충격재하 지점을 변경하면서, 각각의 충격재하 지점에서 상기 낙하추(113)를 자유낙하시킨 후, 지오폰 센서를 이용하여 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 바꾸어 가면서 상기 전달된 탄성파를 이격된 콘크리트층(220) 상에서 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 진동센서 어레이(140)는 상기 콘크리트층(220) 및 하부지반(210)의 두 매질의 위상차와 위상속도(Phase Velocity)를 분리하고, 이를 역산(Inversion)하여 분산곡선(Dispersive Curve)을 형성하고, 이를 수학적으로 후처리(Post Processing)하여 상기 하부지반(210)의 깊이에 따른 각층의 전단탄성계수 분포를 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 따라 가로방향 및 세로방향으로 연속 측정하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 탐지정보 분석 모듈(150)은,
상기 충격재하 장치(110)가 상기 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정한 경우, 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 소형공동(230a)의 존재 여부를 1차적으로 파악할 수 있도록 상기 콘크리트층(220)의 평균강성을 산출하는 궤도강성 산출부(151);
상기 충격반응 센서(120)가 상기 낙하추(113) 충격에 따라 발생되는 콘크리트층(220)과 하부지반(210)의 경계층 반사파를 측정한 경우, 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)을 탐지할 수 있도록 상기 경계층 반사파를 분리 및 해석하는 충격반응 분석부(152);
상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)가 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파의 탄성변위를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음향의 음파를 측정한 경우, 대형공동(230b)의 존재 여부를 파악할 수 있도록 상기 탄성변위 및 음파를 수신하여 분석하는 음향/변위 분석부(153);
상기 충격재하 장치(110)와 일정 이격거리에 위치한 진동센서 어레이(140)가 상기 낙하추(113)에 의한 충격 재하시 상기 콘크리트층(220)을 따라 전달되는 탄성파를 연속적으로 측정할 경우, 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)의 위치와 크기를 산정할 수 있도록 상기 탄성파를 분석하는 탄성파 분석부(154); 및
상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)의 위치뿐만 아니라 상기 대형공동(230b)의 위치와 크기를 2차원 또는 3차원 영상으로 출력할 수 있도록, 공동 여부를 판단하는 공동 판단부(155)
를 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 공동 탐지 시스템. - 철도용 콘크리트궤도 하부의 하부지반 내에서 발생한 공동을 탐지하는 방법에 있어서,
a) 충격재하 장치(110), 충격반응 센서(120), 음향/변위 듀얼 감지장치(130), 진동센서 어레이(140), 탐지정보 분석 모듈(150) 및 탐지결과 출력부(160)로 이루어진 공동 탐지 시스템(100)을 콘크리트궤도 상에 설치하는 단계;
b) 상기 충격재하 장치(110)의 낙하추(113)를 자유낙하시켜 콘크리트궤도의 콘크리트층(220)에 충격을 재하하여 가진시키는 단계;
c) 상기 콘크리트궤도의 하부지반(210) 내의 공동 존재 여부를 1차 판단하기 위해서 상기 충격재하 장치(110)의 하중재하판(118)의 평균 탄성침하량을 측정하고 콘크리트궤도의 평균강성을 산출하는 단계;
d) 상기 콘크리트층(220)과 하부지반(210) 사이의 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓의 탐지를 위해서 상기 충격반응 센서(120)가 상기 콘크리트층(220)과 상기 하부지반(210)의 경계면에서 발생한 경계층 반사파를 측정하는 단계;
e) 대형공동(230b)의 존재 여부 탐지를 위해서 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)가 상기 콘크리트층(220)의 표면으로 반사 및 전달되는 탄성파를 측정하고, 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 음파를 측정하는 단계;
f) 상기 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 탐지하기 위해서 상기 충격재하 장치(110)와 일정 간격에 설치된 진동센서 어레이(140)가 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달되는 탄성파를 연속 측정하는 단계; 및
g) 상기 탐지정보 분석 모듈(150)이 측정 데이터에 따라 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a) 및 상기 하부지반(210) 내의 대형공동(230b)을 분석 판단하는 단계
를 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제12항에 있어서,
h) 상기 탐지결과 출력부(160)가 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a) 및 상기 하부지반(210) 내 대형공동(230b)의 위치 및 크기를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 출력하는 단계를 추가로 포함하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 c) 단계에서 상기 충격재하 장치(110)는 상기 낙하추(113)에 의한 여러 차례 충격시의 수직 탄성변형량과 충격하중을 측정하고, 평균측정 값을 이용하여 상기 하중재하판(118) 하부의 콘크리트층(220)의 역학적 평균강성을 산정하여, 상기 콘크리트층(220) 하부의 소형공동(230a)을 파악하고, 상기 소형공동(230a)의 존재로 인하여 급감하는 콘크리트궤도의 강성 및 콘크리트층(220) 하부의 취약개소를 1차적으로 파악할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 e) 단계에서 상기 음향/변위 듀얼 감지장치(130)는 상기 낙하추(113)에 의한 충격재하시 상기 콘크리트층(220)의 표면을 따라 전달된 탄성파(Stress Wave)와 음파(Acoustic Wave)를 동시에 수집하고, 상기 콘크리트층(220) 상부 위치에서 상기 탄성파 및 음파의 각 위상차와 분산곡선 분석 결과를 종합함으로써, 상기 소형공동(230a)인 뜬슬래브 또는 에어포켓(230a)의 존재에 따라 가변하는 공진 특성에 따라 주파수 분석에 의해서 대형공동(230b)의 존재 여부가 정확하게 파악되는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 f) 단계에서 상기 진동센서 어레이(140)는 상기 충격재하 장치(110)와 근접한 거리에 일정 간격의 격자형으로 설치되고, 상기 충격재하 장치(110)의 충격재하 지점을 변경하면서, 각각의 충격재하 지점에서 상기 낙하추(113)를 자유낙하시킨 후, 지오폰 센서를 이용하여 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 바꾸어 가면서 상기 전달된 탄성파를 이격된 콘크리트층(220) 상에서 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 진동센서 어레이(140)는 상기 콘크리트층(220) 및 하부지반(210)의 두 매질의 위상차와 위상속도를 분리하고, 이를 역산하여 분산곡선을 형성하고, 이를 수학적으로 후처리하여 상기 하부지반(210)의 깊이에 따른 각층의 전단탄성계수 분포를 격자형으로 배열된 진동센서 어레이(140)의 위치를 따라 가로방향 및 세로방향으로 연속 측정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 d) 단계에서 소형공동(230a)이 존재하지 않는 경우, 상기 충격반응 센서(120)를 이용하여 상기 낙하추(113)에 의한 충격 재하시 상기 콘크리트층(220) 및 하부지반(210) 사이의 경계면에서 경계층 반사파를 수신하면, 이를 주파수 대역에서 분석함으로써 상기 콘크리트궤도의 콘크리트층(220)의 결함 정도를 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는 철도용 콘크리트궤도 하부에서 발생한 공동을 탐지하는 방법.
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