KR102389569B1 - 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법 - Google Patents

구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법에 관한 것으로, 본 발명은 터널설계도에 따라 발파와 굴착작업으로 초기 터널을 시공하는 단계; 구조물내공변위 측정장치가 장착된 차량이 상기 초기 터널을 주행하면서 초기 터널의 내벽을 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 산출하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 내벽과 초기 터널의 3차원 내벽의 차이에 따른 오차체적을 산출하는 단계; 상기 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트장비로 상기 준비된 숏크리트를 초기 터널의 내벽에 타설하여 상기 터널설계도의 터널을 시공하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 터널 내벽에 타설되는 숏크리트의 사용량을 최적화할 뿐만 아니라 터널설계도와의 오차를 최소화하여 터널을 시공한다.

Description

구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법{METHOD FOR CONSTRUCTING TUNNEL CONSTRUCTURE USING DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS}
본 발명은 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법에 관한 것이다.
터널이나 암거와 같은 구조물은 땅 밑이나 산 등을 뚫어 자동차, 철도차량, 사람 등이 통행할 수 있도록 만든 통로이다. 국토의 약 70%가 산지로 이루어진 국내의 지형특성상 도로, 철도의 건설에 있어 터널의 건설은 필수적이며 앞으로도 터널시공은 꾸준히 이어질 전망이다. 따라서, 초기 건설비용뿐만 아니라 향후 예상되는 유지관리비용을 고려하여 경제적이고 시공성이 뛰어나며, 구조적 안전성을 보장하는 터널 시공방법이 요구된다.
종래 터널 시공방법으로는, 재래식 공법, NATM 공법, TBM 공법, 침매(沈埋) 공법 등이 있다. 이중 NATM 공법은 터널을 시공할 암반을 발파와 굴착으로 초기 터널을 시공하고 그 초기 터널의 내벽 암반에 숏크리트(Shotcrete)를 타설하고 락볼트(Rock Bolt)를 이용하여 조이는 공법으로서, 암반이 주요한 지보재이고 숏크리트와 락볼트를 이용하여 기초 터널 내벽을 지지한다. 즉, NATM 공법은 원암반에 숏크리트를 타설하여 원암반의 이완을 방지하고 지지력을 증대시켜 최소의 지보재(숏크리트, 락볼트)를 사용하여 터널 시공을 할 수 있다.
그러나, 이와 같은 터널 시공방법은 초기 터널을 시공하고 그 초기 터널의 내벽에 숏크리트를 타설하여 터널을 시공하는 과정에서 숏크리트의 양을 적정하게 산출하지 못하여 숏크리트가 모자랄 경우 시공이 늦어지게 되거나 숏크리트가 남을 경우 숏크리트를 버리게 되어 비용을 증가시키는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 터널 내벽에 타설되는 숏크리트의 사용량을 최적화할 뿐만 아니라 터널설계도와의 오차를 최소화하여 터널을 시공하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 터널설계도에 따라 발파와 굴착작업으로 초기 터널을 시공하는 단계; 구조물내공변위 측정장치가 장착된 차량이 상기 초기 터널을 주행하면서 초기 터널의 내벽을 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 산출하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 내벽과 초기 터널의 3차원 내벽의 차이에 따른 오차체적을 산출하는 단계; 상기 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하는 단계; 상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트장비로 상기 준비된 숏크리트를 초기 터널의 내벽에 타설하여 상기 터널설계도의 터널을 시공하는 단계;를 포함하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법이 제공된다.
상기 구조물내공변위 측정장치는 3D스캐너와 복수 개의 카메라들과, GPS를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 복수 개의 카메라들은 상기 3D스캐너의 양쪽에 대칭이되게 위치하는 것이 바람직하다.
상기 카메라들은 두 개인 것이 바람직하다.
상기 차량의 바퀴에 이동거리를 측정하는 거리측정기가 장착되는 것이 바람직하다.
상기 단위 측정거리는 19 ~ 21m인 것이 바람직하다.
상기 차량은 상기 초기 터널의 시작점부터 설정된 단위 측정거리만큼 주행하고 정지한 상태에서 상기 초기 터널의 내벽을 측정하고, 이어 단위 측정거리만큼 주행하고 정지한 상태에서 상기 초기 터널의 내벽을 측정하는 것을 반복하는 것이 바람직하다.
상기 차량이 정차된 상태에서 상기 구조물내공변위 측정장치는 상기 초기 터널의 원주방향으로 각회전하면서 측정하는 것이 바람직하다.
상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 비교하여 초기 터널의 내벽이 터널설계도상의 터널보다 적게 굴착된 부분이 있으면 그 적게 굴착된 부분을 굴착한 다음 기초 터널을 한 번 더 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽 데이터를 산출하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하여 터널설계도상의 내벽과 초기 터널 내벽과의 차이에 따른 오차체적을 산출하여 그 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하게 되므로 초기 터널의 내벽에 타설할 숏크리트의 양이 최적화되어 숏크리트가 남거나 모자라는 것을 방지하게 된다.
또한, 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트를 숏크리트장비로 초기 터널의 내벽에 타설하여 터널설계도에 따른 터널을 시공하게 되므로 터널설계도상의 터널과 상응하게 시공하게 되어 시공의 정확도를 높이게 된다.
도 1는 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법의 일실시예를 도시한 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치가 구비된 차량를 도시한 측면도,
도 3은 구조물내공변위 측정장치에 의해 측정된 초기 터널과 터널설계도의 터널을 비교한 그래프.
이하, 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
도 1는 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법의 일실시예를 도시한 순서도이다. 도 2는 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치가 구비된 차량를 도시한 측면도이다.
도 1, 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법의 일실시예는, 먼저, 터널설계도에 따라 발파와 굴착작업으로 초기 터널을 시공하는 단계(S10)가 진행된다.
초기 터널의 시공이 완료된 다음 구조물내공변위 측정장치(100)가 장착된 차량(200)이 초기 터널을 주행하면서 초기 터널의 내벽을 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 산출하는 단계(S11)가 진행된다. 바람직하게는, 차량(200)이 시작점부터 설정된 거리만큼씩 이동하여 정지된 상태에서 초기 터널의 내벽을 측정한다. 즉, 초기 터널의 길이를 균일한 간격으로 나누어 단위 측정거리를 설정하고, 차량(200)이 단위 측정거리만큼 주행하여 정지하고 정지한 상태에서 초기 터널의 내벽을 측정하고, 이어 다음 단위 측정거리만큼 주행하여 정지하고 정지한 상태에서 초기 터널의 내벽을 측정하는 과정을 반복하면서 초기 터널의 내벽 전체 또는 부분을 측정한다. 차량(200)의 바퀴에 이동거리를 측정하는 거리측정기가 장착되는 것이 바람직하다. 거리측정기에 의해 차량(200)이 단위 측정거리만큼 이동한다. 단위 측정거리는 19 ~ 21m인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 20m이다.
구조물내공변위 측정장치(100)의 일예로, 구조물내공변위 측정장치(100)는 3D스캐너(110), 복수 개의 카메라(120)들, GPS(130)를 포함하는 것이 바람직하다. 3D스캐너(110), 복수 개의 카메라(120)들, GPS(130)는 본체(140)에 장착되며, 그 본체(140)는 차량(200) 실내의 바닥에 설치되는 상하구동유닛(미도시)에 연결되어 상하구동유닛에 의해 본체(140)가 상하로 움직인다. 카메라(120)들은 복수 개이며, 그 복수 개의 카메라(120)들은 3D스캐너(110)의 양쪽에 대칭이되게 위치한다. 카메라(120)들은 두 개인 것이 바람직하다. 3D스캐너(110)는 본체(140)의 상부에 구비되되, 스캐너회전유닛(150)에 의해 회전 가능하게 구비되며, 카메라(120)들은 본체(140)의 상부 양쪽에 각각 구비되는 가이드팔(10)들에 각각 구비되되, 카메라회전유닛(160)에 의해 회전 가능하게 구비된다. GPS(130)는 3D스캐너(110)에 장착되는 것이 바람직하다. 구조물내공변위 측정장치(100)는 차량(200)의 실내에 설치되며, 차량(200)의 천장에 출입구가 구비되어 측정시 본체(140)가 승강함에 의해 3D스캐너(110), 복수 개의 카메라(120)들, GPS(130)가 승강하여 차량(200)의 천장 출입구를 통해 차량(200) 밖으로 노출되며, 측정이 완료되면 본체(140)가 하강함에 의해 3D스캐너(110), 복수 개의 카메라(120)들, GPS(130)가 승강하여 차량(200)의 실내에 위치한다.
차량(200)이 정차된 상태에서 구조물내공변위 측정장치(100)는 초기 터널의 원주방향으로 각회전하면서 측정하는 것이 바람직하다. 즉, 구조물내공변위 측정장치(100)의 3D스캐너(110)와 복수 개의 카메라(120)들이 초기 터널의 원주방향으로 각회전하면서 측정하며, 3D스캐너(110)는 스캐너회전유닛(150)의 작동에 의해 각회전하며, 복수 개의 카메라(120)들은 카메라회전유닛(160)에 의해 각각 각회전한다. 3D스캐너(110)의 스캐닝에 의해 초기 터널 내벽에 대한 깊이가 측정되고 복수 개의 카메라(120)들에 의해 초기 터널 내벽에 대한 영상이 촬영되어 3D스캐너(110)의 스캐닝 데이터인 3D좌표와 카메라(120)들의 촬영 데이터인 2D 영상을 테스쳐매핑하여 초기 터널 내벽에 대한 3차원 형상 데이터를 산출한다.
초기 터널의 3차원 형상 내벽데이터를 산출한 다음 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 비교하는 단계(S12)가 진행된다(도 3 참조).
터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 비교한 다음 터널설계도의 3차원 내벽과 초기 터널의 3차원 내벽의 차이에 따른 오차체적을 산출하는 단계(S13)가 진행된다. 오차체적은 터널설계도상의 터널 체적과 초기 터널의 3차원 내벽테이터를 기초로하는 기초 터널의 체적을 각각 산출하고 그 터널설계도상의 터널 체적과 기초 터널의 체적을 비교하여 산출한다.
한편, 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 비교하여 초기 터널의 내벽이 터널설계도상의 터널보다 적게 굴착된 부분이 있으면 그 적게 굴착된 부분을 굴착한 다음 기초 터널을 한 번 더 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽 데이터를 산출하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 추가로 측정한 초기 터널의 3차원 내벽테이터와 터널설계도의 3차원 터널 내벽테이터를 비교하여 오차체적을 산출한다.
오차체적을 산출한 다음 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하는 단계(S14)가 진행된다. 바람직하게는, 오차체적보다 1~2% 많은 양의 숏크리트를 준비한다.
오차체적만큼 숏크리트를 준비한 다음 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트장비로 숏크리트를 초기 터널의 내벽에 타설하여 터널설계도의 터널을 시공하는 단계(S15)가 진행된다. 소크리트장비는 고압공기를 이용하여 숏크리트를 기초 터널의 내벽에 타설한다. 기초 터널의 내벽에서 터널설계도상의 내벽보다 많이 굴착된 부분은 숏크리트를 많이 타설하고 적게 굴착된 부분은 적게 타설한다.
이하, 본 발명에 따른 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법의 작용과 효과를 설명한다.
본 발명은 터널설계도에 따라 발파와 굴착작업으로 초기 터널을 시공하고, 차량(200)이 초기 터널을 주행하면서 차량(200)에 설치된 구조물내공변위 측정장치(100)로 초기 터널의 내벽을 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 산출한다. 그리고 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하여 터널설계도상의 내벽과 초기 터널 내벽과의 차이에 따른 오차체적을 산출한다. 그리고 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하고 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트장비로 준비된 숏크리트를 초기 터널의 내벽에 타설하여 터널설계도의 터널을 시공한다.
이와 같이, 본 발명은 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하여 터널설계도상의 내벽과 초기 터널 내벽과의 차이에 따른 오차체적을 산출하여 그 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하게 되므로 초기 터널의 내벽에 타설할 숏크리트의 양이 최적화되어 숏크리트가 남거나 모자라는 것을 방지하게 된다.
또한, 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트를 숏크리트장비로 초기 터널의 내벽에 타설하여 터널설계도에 따른 터널을 시공하게 되므로 터널설계도상의 터널과 상응하게 시공하게 되어 시공의 정확도를 높이게 된다.
100; 구조물내공변위 측정장치 200; 차량

Claims (10)

  1. 터널설계도에 따라 발파와 굴착작업으로 초기 터널을 시공하여 완료하는 단계;
    구조물내공변위 측정장치가 장착된 차량이 상기 초기 터널을 주행하면서 초기 터널의 내벽을 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 산출하는 단계;
    상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널 3차원 내벽데이터를 비교하는 단계;
    상기 터널설계도의 3차원 내벽과 초기 터널의 3차원 내벽의 차이에 따른 오차체적을 산출하는 단계;
    상기 오차체적에 상응하는 양의 숏크리트를 준비하는 단계; 및
    상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 기초로 하여 숏크리트장비로 상기 준비된 숏크리트를 초기 터널의 내벽에 타설하여 상기 터널설계도의 터널을 시공하는 단계;를 포함하며,
    상기 차량은 상기 초기 터널의 시작점부터 설정된 단위 측정거리만큼 주행하고 정지한 상태에서 상기 초기 터널의 내벽을 측정하고, 이어 단위 측정거리만큼 주행하고 정지한 상태에서 상기 초기 터널의 내벽을 측정하는 것을 반복하며, 상기 차량의 바퀴에 이동거리를 측정하는 거리측정기가 장착되며,
    상기 구조물내공변위 측정장치는, 상부 양쪽에 각각 가이드팔이 구비되며 차량에 상하로 움직임 가능하게 구비되는 본체와, 상기 본체의 상부에 구비되되, 스캐너회전유닛에 의해 초기 터널의 원주방향으로 회전 가능하게 구비되는 3D스캐너와, 상기 가이드팔들에 각각 카메라회전유닛에 의해 초기 터널의 원주방향으로 회전 가능하게 구비되는 카메라와, 상기 3D스캐너에 장착되는 GPS를 포함하며,
    상기 초기 터널의 3차원 내벽데이터는 상기 3D스캐너의 스캐닝에 의해 초기 터널 내벽에 대한 깊이가 측정되고 상기 복수 개의 카메라들에 의해 초기 터널 내벽에 대한 영상이 촬영되어 상기 3D스캐너의 스캐닝 데이터인 3D좌표와 상기 카메라들의 촬영 데이터인 2D 영상을 테스쳐매핑하여 산출하는 것을 특징으로 하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 측정거리는 19 ~ 21m인 것을 특징으로 하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 준비된 숏크리트의 양은 오차체적보다 1 ~ 2%많은 것을 특징으로 하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 터널설계도의 3차원 터널 내벽 데이터와 초기 터널의 3차원 내벽데이터를 비교하여 초기 터널의 내벽이 터널설계도상의 터널보다 적게 굴착된 부분이 있으면 그 적게 굴착된 부분을 굴착한 다음 기초 터널을 한 번 더 측정하여 초기 터널의 3차원 내벽 데이터를 산출하는 단계를 더 포함하는, 구조물내공변위 측정장치를 이용한 터널시공방법.
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