KR20050072213A - 터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법 - Google Patents

터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제1고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓과 이격되며 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제2고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓에 내장되며 그 제1고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀 및 제2연결핀과, 상기 제2고정부라켓에 내장되며 그 제2고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀 및 제4연결핀과, 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제1연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제1샤프트, 및 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제2연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제2샤프트를 구비하여, 상기 제1샤프트와 제2샤프트와 제1고정부라켓을 삼각형 구조로 설치하여 삼각함수 관계에 의하여 고정부라켓의 설치좌표점 이동을 계산하여 터널의 시공 중 혹은 유지관리 중에 이를 설치하여 터널의 내공변위 및 천단침하를 파악할 수 있다.

Description

터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법{Unit retrocession displacement measurement system and the measuring method of tunnel}
본 발명은 터널의 내공변위, 천단침하 그리고 터널의 거동을 살피기 위한 터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법에 관한 것으로, 특히 터널 시공중 및 유지관리 단계에서 고정밀의 내공변위 측정에 관한 방법을 제공코자 하는 것이다.
종래의 기술은 통상 터널 시공중에 변위측정 테이프를 이용하여 내공변위 및 천단침하를 측정을 하여 시공에 반영하였으나, 가격이 저렴한 반면에 정밀도가 낮으며 유지관리 시에는 적용하지 못하는 단점이 있다.
유지관리 시에 터널 단면을 거동을 살피기 위한 2차원적 해석과 내공변위 측정을 위해서는 측정점의 위치 변화를 알아야하며, 이를 위해서는 발생변위와 각을 알아야하며, 특히 내공변위는 각도변화에 따라 큰 값을 가지는 특성이 있다.
광섬유 센서를 이용하여 측정하는 방법은 터널의 변형에 의해 발생되는 빛의 굴절을 길이로 계산하는 방식이 있으나, 내공변위를 산출하기 위하여 각도센서를 별도로 설치하여야 하는 단점이 있다.
또한 최근의 샤프트상에 길이변형센서와 각도센서를 설치하여, 라이닝벽면을 따라 설치한 내공변위 측정 시스템이 있으나, 고정밀의 내공변위를 측정하기 위해서는 고정밀의 각도센서가 필요로 하며, 각도센서는 일반적으로 진동에 매우 약하며, 한 점에서 중력방향에 대하여 기울어짐을 측정하기 때문에 샤프트의 거리를 이용한 각도측정의 기구적인 장점을 살리지 못하며, 고 분해능의 센서 모듈을 만들기 위해서는 센서자체의 성능 외에도 매우 낮은 잡음, 고 분해능의 ADC 등을 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 기존의 센서시스템이 안고 있는 문제점을 해결할 수 있는 터널의 단위 내공변위 측정시스템과 그 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명은 특히 각도센서로 비롯되는 단점을 극복하기 위하여, 길이변형센서가 내장되어 길이변형을 측정가능한 샤프트를 삼각형 구조로 구성하여, 세 변의 길이를 알면 삼각형의 세 각을 알 수 있는 삼각함수 관계에 의하여 측정점의 위치 변화를 구할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 1/100mm 분해능의 센서를 이용하여 1/1000 도(˚) 이상의 각도센서 이상의 분해능을 가지는 측정 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 터널의 단위 내공변위 측정시스템은 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제1고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓과 이격되며 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제2고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓에 내장되며 그 제1고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀 및 제2연결핀과, 상기 제2고정부라켓에 내장되며 그 제2고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀 및 제4연결핀과, 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제1연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제1샤프트, 및 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제2연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제2샤프트를 구비하여, 상기 제1샤프트와 제2샤프트와 제1고정부라켓이 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 터널의 내공변위 측정방법은 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제1고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓과 이격되며 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제2고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓에 내장되며 그 제1고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀 및 제2연결핀과, 상기 제2고정부라켓에 내장되며 그 제2고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀 및 제4연결핀과, 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제1연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제1샤프트, 및 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제2연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제2샤프트를 구비하여, 상기 제1샤프트와 제2샤프트와 제1고정부라켓을 삼각형 구조를 형성하여 터널의 내공변위 측정을 위하여 선택된 연산식에 상기 제1고정부라켓 및 제2고정부라켓의 설치좌표점 이동값을 입력하여 구해지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 터널의 내공변위 측정을 위하여 선택된 연산식은
로 구해지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 각 A의 변화값 D는
로 구해지는 것이 바람직하다.
단, 여기서 b는 점 A와 B사이의 거리, L1은 제1샤프트의 길이초기값, L2는 제2샤프트의 길이초기값, L1'는 제1샤프트의 길이변위값, L2'는 제2샤프트의 길이변위값이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 터널의 고정밀 내공변위 측정을 위한 방법에 대한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 터널의 단위 내공변위 측정시스템의 구성도이며, 도 2는 상기 도 1의 다른 일실시예를 나타낸 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 샤프트를 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 단위 내공변위 측정시스템을 터널 라이닝을 따라 연속적으로 설치된 것을 나타낸 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 내공변위 측정을 위한 각 파라미터들의 초기값 및 내공변위값 산출을 설명하기 위한 도면을 각각 나타낸 것이다.
도 1에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 단위 내공변위 측정시스템(10)은 터널 라이닝벽면(20)에 제1고정부라켓(110)이 고정볼트(130)로 부착되고, 상기 제1고정부라켓(110)과 이격되게 제2고정부라켓(120)이 고정볼트(130)로 부착된다.
또한, 상기 제1고정부라켓(110)은 그 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀(112) 및 제2연결핀(114)을 가지며, 상기 제2고정부라켓(120)은 그 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀(122) 및 제4연결핀(124)을 갖는다.
상기 제1샤프트(210) 및 제2샤프트(220)는 길이변형센서(200)가 내장되어 터널의 내공변위나 천단침하시 길이가변을 측정하는 것으로서, 상기 제1샤프트(210)의 일단은 상기 제1고정부라켓(110)의 상기 제1연결핀(112)에 결합되며, 그 타단은 상기 제2고정부라켓(120)의 상기 제4연결핀(124)에 결합된다.
또한, 상기 제2샤프트(220)의 일단은 상기 제1고정부라켓(110)의 상기 제2연결핀(114)에 결합되며, 그 타단은 상기 제2고정부라켓(120)의 상기 제4연결핀(124)에 결합된다.
여기서 상기 제1샤프트(210) 및 제2샤프트(220)에 결합되는 연결핀(112, 114, 122, 124)은 상기 고정부라켓(110,120)이 회동가능하도록 결합된다.
따라서, 상기 제1고정부라켓(110)과 제1샤프트(210)와 제2샤프트(220)가 삼각형 구조를 구성하며, 이를 본 발명에 있어서는 단위 내공변위 측정시스템(10)이라 하며, 이것은 도 2에서 도시한 바와 터널 라이닝벽면(20)을 따라 연속된 연결 구조를 갖는다.
즉, 상기 제2고정부라켓(120)과 인접하여 터널의 라이닝벽면(20)에 제3고정부라켓(130)이 부착되고, 상기 제2고정부라켓(120)과 제3고정부라켓(130)의 사이에는 제3샤프트(230)와 제4샤프트(240)가 설치된다.
상기 제3샤프트(230)의 일단은 상기 제2고정부라켓(120)의 제3연결핀(122)에 결합되며, 그 타단은 상기 제3고정부라켓(130)의 제6연결핀(134)에 결합된다.
또한, 상기 제4샤프트(240)의 일단은 상기 제2고정부라켓(120)의 제4연결핀(124)에 결합되며 그 타단은 상기 제3고정부라켓(130)의 상기 제6연결핀(134)에 결합된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 터널의 단위 내공변위 측정시스템을 제1고정브라켓(110), 제2고정부라켓(120), 제3고정부라켓(130)을 예시하여 기술하였으나, 터널의 라이닝벽면(20)에 연속적으로 설치되는 제4고정부라켓, 제5고정부라켓 등도 동일한 방법으로 설치되므로 이하 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 상기 샤프트(210,220)를 보다 세부적으로 표현한 것으로, 상기 샤프트(210,220)의 중간부에 장착되는 길이변형센서(200)는 피스톤의 형태로, 고정홀(202)에 연결된 고정부라켓(110,120)의 설치점 변화가 있을 시 길이변형센서(200)에서 피스톤의 이동에 따른 센서값의 변화를 가져오게 된다.
즉, 터널 라이닝벽면(20)의 변형이 있을 시, 이는 고정부라켓(110,120)의 설치점의 변화를 가져오며, 이는 다시 샤프트(210)의 길이변형센서(200)의 길이 변화로 반영되게 된다.
도 4에서와 같이 터널 라이닝벽면(20)의 2차원적인 거동을 살피는 것은 터널 라이닝벽면(20)을 따라 연속 설치된 단위 내공변위 측정시스템(10)의 고정부라켓(110)의 설치점의 변화값을 구하여 알 수 있으며, 또한 내공변위는 상기 제1샤프트(210) 및 제2샤프트(220)의 중점의 이동거리로서 구할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 고정부라켓(110,120)의 초기 설치점 A, B, C는 이미 알고 있는 좌표이며, A와 B사이 거리를 b, 각 A의 변화값 D, 내공변위를 Conv라고 둔다.
또한, L1(210), L2(220), L1'(212), L2'(222) 값을 측정할 수 있으며, 그에 따라 C점의 좌표점의 이동과 내공변위는 다음과 같다.
설치시 각 A 값을 D1, 변화 이후의 각 A 값을 D2라 두면 삼각함수 관계에 변화각 D값을 구할 수 있다.
즉,
이고,
이므로, D = D2 - D1 에서
으로 연산된다.
터널의 거동은 C점의 좌표변화이므로, 초기설치점 C(x,y), 이동한 C 설치점을 C(x', y')라 두면, 아래에 식에서 좌표점을 구할 수 있다.
도 5와 같이 첫 번째 단위 내공변위 측정시스템(10)의 A 점의 좌표를 고정으로 하여, 연속된 시스템의 설치 좌표점을 계산한다.
내공변위는 중점간의 이동 거리이므로, 삼각함수 관계에 의하여 다음식이 성립한다.
여기서, D의 부호가 음(-)이면 터널 라이닝의 거동이 터널 중심으로 향하며 안으로 진행하는 것이며, D의 부호가 양(+)이며 터널 라이닝의 거동이 터널 밖으로 진행하는 것을 의미한다.
이러한 고정밀 터널의 내공변위 측정을 위한 센서시스템에 의한 분해능을 표를 들어 설명한다.
표 1은 도 4에서 초기치 b= 150mm, L1 = 1000, L2 = 1005 일 때 각 D1은 87.61676도이며, 변동치에서 L2의 길이변화가 0.01 발생할 때(길이변형센서의 분해능이 0.01 일 때) 각 D2는 87.62061도이므로, 각도 변화는 0.0038의 분해능을 가지며, 이 때의 내공변위는 0.00112의 분해능이 나오게 된다.
또한, 길이변형센서의 분해능을 좋게 하거나, b의 길이값을 늘임에 따라 내공변위는 표 1 보다 고분해능인 0.00001을 갖는다.
<표 1>
L1(mm) L2(mm) b(mm) 각도 D1,D2 각도변화 D 내공변위
초기치 1000 1005 150 87.61676 0.00384 0.00112
변동치 1000 1005.01 150 87.62061
초기치 1000 1005 200 85.70237 0.00029 0.00001
변동치 1000 1005.001 200 85.70266
도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
그러므로, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 터널의 고정밀 내공변위 측정 시스템과 측정 방법에 의하면, 기존의 길이변형센서와 각도 센서를 이용한 내공변위 측정 시스템은 단점인 각도센서의 진동에 따른 불안정, 회로의 복잡성, 경제적 단점을 극복하며, 안정적으로 1/1000도 이상의 분해능을 쉽게 가지므로 내공변위 측정의 신뢰성을 높이며, 더불어 터널 라이닝의 거동을 알 수 있는 고정밀 내공변위 측정 시스템과 측정 방법을 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 터널의 단위 내공변위 측정시스템의 구성도
도 2는 상기 도 1의 다른 일실시예를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 샤프트를 개략적으로 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 단위 내공변위 측정시스템을 터널 라이닝을 따라 연속적으로 설치된 것을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 내공변위 측정을 위한 각 파라미터들의 초기값 및 내공변위값을 산출을 설명하기 위한 도면
*도면의 주요부분에 관한 부호의 설명*
10. 단위 내공변위 측정시스템 20. 터널 라이닝벽면
110. 제1고정부라켓 112. 제1연결핀
114. 제2연결핀 120. 제2고정부라켓
122. 제3연결핀 124. 제4연결핀
130. 제3고정부라켓 132. 제5연결핀
134. 제6연결핀 200. 길이변형센서
202. 고정홀 210. 제1샤프트
220. 제2샤프트 230. 제3샤프트
240. 제4샤프트

Claims (4)

  1. 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제1고정부라켓;
    상기 제1고정부라켓과 이격되며, 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제2고정부라켓;
    상기 제1고정부라켓에 내장되며, 그 제1고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀과 제2연결핀;
    상기 제2고정부라켓에 내장되며, 그 제2고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀과 제4연결핀;
    그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제1연결핀에 결합되며, 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며, 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제1샤프트; 및
    그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제2연결핀에 결합되며, 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며, 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제2샤프트;를 구비하여,
    상기 제1샤프트와 제2샤프트와 제1고정부라켓이 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 터널의 단위 내공변위 측정시스템.
  2. 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제1고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓과 이격되며 터널의 라이닝 벽면에 부착되는 제2고정부라켓과, 상기 제1고정부라켓에 내장되며 그 제1고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제1연결핀 및 제2연결핀과, 상기 제2고정부라켓에 내장되며 그 제2고정부라켓의 길이방향을 따라 서로 이격된 위치에 놓여지는 제3연결핀 및 제4연결핀과, 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제1연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제1샤프트, 및 그 일단은 상기 제1고정부라켓의 상기 제2연결핀에 결합되며 그 타단은 상기 제2고정부라켓의 상기 제3연결핀에 결합되며 그 중간부에 길이변형센서가 내장되어 길이가변을 측정하는 제2샤프트를 구비하여, 상기 제1샤프트와 제2샤프트와 제1고정부라켓을 삼각형 구조를 형성하여 터널의 내공변위 측정을 위하여 선택된 연산식에 상기 제1고정부라켓 및 제2고정부라켓의 설치좌표점 이동값을 입력하여 구해지는 것을 특징으로 하는 터널의 내공변위 측정방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 터널의 내공변위 측정을 위하여 선택된 연산식은
    로 구해지는 것을 특징으로 하는 터널의 내공변위 측정방법.
    단, Conv는 내공변위, L1은 제1샤프트의 길이초기값, L2는 제2샤프트의 길이초기값, L1'는 제1샤프트의 길이변위값, L2'는 제2샤프트의 길이변위값, D는 각 A의 변화값이다.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 A의 변화값 D는
    로 구해지는 것을 특징으로 하는 터널의 내공변위 측정방법.
    단, b는 점 A와 B사이의 거리, L1은 제1샤프트의 길이초기값, L2는 제2샤프트의 길이초기값, L1'는 제1샤프트의 길이변위값, L2'는 제2샤프트의 길이변위값이다.
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