KR100258405B1 - 터널공사시 발파위치 및 내공측정방법 및 장치 - Google Patents

터널공사시 발파위치 및 내공측정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

임의의 측정위치에서 미리 측량하여 정해진 2개의 기준점(터널 또는 도로의 중심선과 직각을 이루는 동일한 평면상이나 터널 또는 도로의 중심선 상에 존재하는 점)을 향한 자신의 방위각(Azimuth) 및 위도(Altitude) 값을 2개의 인코더로 부터 부여받고, 기준점 까지의 거리는 레이저 빔을 이용한 거리측정기로 측정하여 컴퓨터에 입력한다.
따라서, 컴퓨터에 입력되는 자료는 거리, 방위각, 위도로 구성된다.
이들 입력자료를 이용하여 임의의 측정점에 대한 위치를 계산하고, 이 점에서 현재 굴착중인 터널의 천정 굴곡거리를 측정하여 설계자료의 거리와 비교하는 프로그램과, 미리 입력된 터널의 발파위치를 거리측정기를 이용하여 자동적으로 표시하는 프로그램을 개발한다.
동시에 모터와 인코더를 이용하여 거리측정기를 구동시키는 회로를 제어 프로그램과 연계하여 제작한다.

Description

터널공사시 발파위치 및 내공측정방법 및 장치
본 발명은 터널공사시 발파위치 및 내공을 정확하게 자동으로 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 터널내의 임의의 위치에서 미리 정해진 2개의 기준점을 향한 자신의 위도와 방위각 및 거리를 측정하여 이들 자료를 바탕으로 임의의 위치(측정점)에 대한 좌표계산을 완료한 다음, 상기 임의의 위치에서 현재 굴착중인 터널의 천정 굴곡거리를 측정하여 이를 컴퓨터에 미리 입력된 설계자료의 거리와 비교하고, 미리 입력된 터널의 발파위치를 거리측정기를 이용하여 자동적으로 표시토록 하며, 거리측정기를 구동시키는 회로가 상기의 제어프로그램과 연계하여 작동되도록 한 터널공사시 발파위치 및 내공측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래에는 터널공사시 각각의 발파지점을 개별적으로 측량하여 표시하였던 바, 이와 같은 방법은 별도의 기준점 및 이를 측정하기 위한 측정기구가 필요하여 작업이 번거롭고 불편하며, 발파지점의 개별측량에 따른 시간낭비로 공기를 지연시키는 단점이 있었다.
또한, 터널 내부의 굴곡상태를 측정하여 이를 원래의 설계도면과 비교하는 내공 측정과정도 모두 수동조작에 의해 이루어지므로 이 또한 공기지연의 원인이 될 뿐만 아니라 많은 작업인원이 필요하여 불필요한 인건비의 낭비 등을 초래하는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적인 과제는 2개의 기준점을 이용하여 임의의 측정점에 대한 위치를 정확히 계산하고, 계산된 측정점으로 부터 터널의 천정 굴곡거리를 측정하여 이를 설계자료의 거리와 비교하는 내공 측정과정과, 모터와 인코더를 통하여 거리측정기의 구동회로가 제어 프로그램과 연계 작동되도록 하므로서 발파패턴에 따른 발파위치의 선정 작업이 일련의 과정을 거쳐 자동화되는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 플로우 챠트
도 2 내지 도 5는 본 발명의 설명을 위한 도표
도 6은 본 발명의 장치를 나타낸 전체 구성도
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 자료 입력단계 20 : 위치 측정단계
30 : 모드 선택단계 40 : 발파모드
50 : 방위각 측정단계 60 : 위도측정 단계
70 : 발파위치 파악단계 80 : 처리자료 저장단계
90 : 내공 측정모드 100 : 측정분해 단계
110 : 자료 저장단계 200 : 수평축 모터
210 : 수평 인코더 220 : 수직축 모터
230 : 수직 인코더 240 : 거리측정기
250 : 퍼스널 컴퓨터 260 : 콘트롤러
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방법은 컴퓨터에 터널의 사양과 설계자료를 입력하는 자료 입력단계와; 2개의 기준점을 이용하여 현재의 위치(측정점)를 파악하는 위치 측정단계와; 모드 선택단계; 로 구성되고, 상기 모드 선택단계는 다시 거리측정기로 발파위치를 정확히 측정하여 표시하는 발파모드와 터널의 굴곡상태를 측정하는 내공 측정모드로 나뉘어지며, 이러한 일련의 모든 과정이 자동적으로 수행된다.
또한, 본 발명의 장치는 임의의 위치에서 2개의 기준점을 향한 자신의 방위각 및 위도를 측정하는 측정기로서 모터에 의해 작동하는 2개의 인코더와; 상기 임의의 측정점으로 부터 기준점 까지의 거리를 측정하는 거리측정기와; 상기 모터의 동작을 제어하며 거리측정기의 회로를 구동시키는 콘트롤러와; 상기 측정점으로 부터 천정의 굴곡거리와 미리 입력된 설계자료의 거리를 비교하는 컴퓨터; 로 구성된다.
이하에서 본 발명을 첨부된 도면에 의거 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 플로우 챠트를 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이 본 발명의 방법은 컴퓨터에 터널의 사양과 설계자료를 입력하는 자료 입력단계(10)와;
2개의 기준점(A,B)을 이용하여 현재의 위치(측정점,C)를 파악하는 위치 측정단계(20)와;
모드 선택단계(30); 로 구성되며,
모드선택단계(30)는 다시 발파위치를 측정하는 발파모드(40)와 터널 내부의 굴곡상태를 측정하는 내공 측정모드(90)로 나뉘어 진다.
또한, 발파모드(40)는 수평축 인코더의 수평 회전으로 방위각을 측정하는 방위각 측정단계(50)와;
수직축 인코더의 수직 회전으로 위도를 측정하는 위도 측정단계(60)와;
측정된 방위각과 위도값으로 발파위치를 파악하는 발파위치 파악단계(70)와;
파악된 발파위치에 대한 자료를 처리 저장하는 자료저장 단계(80); 로 구성된다.
그리고, 내공 측정모드(90))는 터널 내부의 굴곡상태를 측정하여 오차한계를 측정하는 측정분해 단계(100)와;
측정된 굴곡상태를 저장하는 측정 자료저장 단계(110); 로 구성된다.
상기 자료 입력단계(10)는 퍼스널 컴퓨터에 터널의 설계자료와 사양 등을 입력하는 단계로서 준비된 프로그램에 따라 키이보드를 통하여 입력한다.
상기 위치측정 단계(20)는 2개의 기준점(A,B)을 이용하여 현위치(측정점,C)를 측정하는 단계로서 다음과 같은 방법에 의해 이루어진다.
즉, 도 2와 같이 2개의 기준점(A,B)은 미리 측량에 의하여 준비된 표시점으로서 이 기준점들은 정확하게 표시되어 있으며, 사용자에 의해 좌표값이 입력된다.
측정자가 측정을 하는 임의의 지점(C), 즉 측정자가 서있는 위치를 다음과 같은 원리의 연산에 의하여 자신의 좌표를 정확히 계산할수 있다.
레이저 빔을 발사하는 거리측정기의 수평과 수직중심은 구조물 제작시 설정 가능하며, 또한 프로그램에 의하여 수정할수 있다.
이러한 설정은 평면이 고르지 못한 작업조건 하에서 일일이 측정기의 수평을 맞추어야 하는 번거로움을 피할수 있어 작업효율이 높아진다.
이러한 조건에서 도 2와 같이 각도 Aθ,Bθ를 측정하기 위하여 앱설류트 인코더(Absolute Encoder)를 사용하는데, 이는 평면상의 360°내에서 자신의 고유한 위치를 파악하는 기구로서 공지되어 있다.
이 인코더를 이용하면 도 2의 수평면상에서 움직이는 점 A와 B 사이의 각도 θ를 다음의 식(1)과 같이 구할수 있다.
θ=│Aθ-Bθ│..............................(1)
그러나, 각 Aθ와 Bθ는 측정기의 위치가 기준점들의 평면과 평행하여야 하는 조건을 만족해야 하므로 측정기의 위치를 측량하여야 하는 단점이 있다.
따라서, 임의의 점(C)에서 수평과 수직을 맞추지 않고 자신의 위치를 파악하기 위해서는 기준점 A와 B가 이루는 평면이 터널의 중심선과 직각을 이루거나 터널의 중심선 상에 존재하여야하는 조건이 필요하며, 현장에서는 터널의 중심선을 이용한다.
기준점이 터널의 중심선 상에 있는 경우에는 다음 설명보다 간단하나 동일한 원리로 계산된다.
도 3은 도 2의 입체투시도로서 각 r1과 r2는 수평을 기준으로 측정한 값이다.
다음은 위와 같은 조건을 만족한다는 가정하에 인코더와 거리측정기에서 읽어드린 각도 및 거리를 이용하여 X, Y, Z의 좌표를 계산하는 방법이다.
측정점(C), 즉 임의의 점을 기준으로 하여 측정자의 좌우는 X로, 터널 입구에서 깊이인 전후는 Y로, 높이는 Z로 나타낸다.
도 4에서와 같이 기준점(A,B)이 측정기 높이보다 위(-) 또는 아래(+)에 있는 지에 따라 식(2) 및 (3)과 같이 Z좌표를 구할수 있다.
기준점 A와 B의 좌표는 이미 알고 있으므로 점 A의 Z좌표인 A(z)와 l*sin(r1), 점 B의 좌표인 B(z)와 k*sin(r2)를 비교하면 높이 Z를 구할수 있다.
즉, 도 3에서와 같이 r1과 r2가 수평면보다 아래로 향할 경우 측정점의 높이 Z는 기준점의 높이 보다 위에 있으므로 A(z)값과 l*sin(r1)을 더해야 하고, 반대로 수평면보다 높을 경우에는 빼야한다.
Za= A(x,y,z)±l*sin(r1)....................(2)
Zb= B(x,y,z)±k*sin(r2)....................(3)
오차가 없다면 Za와 Zb는 동일한 값이다.
그러나, 오차가 존재한다면 두 높이 Za와 Zb는 오차의 한계내에 있어야 하므로 Za-Zb가 허용오차 보다 클 경우에는 정밀측정을 하여야 한다.
오차내에 존재하는 값을 편의상 Z좌표로 표시한다.
X와 Y좌표값을 구하기 위해 도 5에서와 같이 측정거리 l, k의 투영거리인 a, b가 필요하며 식 (4)와 같이 A, B점의 수평각 r1, r2에 의해 구할수 있다.
a=l*cos(r1), b=k*cos(r2)....................(4)
이들 a, b값을 이용하여 식 (5)에 의해 c의 길이를 계산하면, 기준점 A에 대한 임의의 점(C)의 X, Y좌표를 구하는데 필요한 각도 α를 식 (6)으로 구할수 있다.
이들 식(6)과 (7)을 이용하면 최종적으로 X좌표를 식 (8)과 같이 구하고, Y좌표를 식 (9)와 같이 구한다.
여기서 a는 A점을 기준으로 한 경우 측정기의 위치를 나타내며, 터널에서 깊이를 나타내는 Ya와 Yb는 높이값 Z와 마찬가지로 동일하거나 오차의 범위내에 있어야 한다.
c2= a2+b2-2a*b*cosθ.......................(5)
a = b*cosθ+c*cos(90-α)...................(6)
α + β = θ...............................(7)
Xa= a*sinα, Xb= b*sinβ.................(8)
Ya= a*cosα, Yb= b*cosβ.................(9)
결국, 정해진 원점을 중심으로 좌표값이 이미 정해진 2개의 기준점을 이용하여 임의의 측정점인 자신의 위치를 간단한 계산으로 구할수 있게 된다.
이렇게 구해진 자신의 좌표는 정해진 터널의 발파위치를 자동적으로 추적하여 지시하는데 이용할수 있다.
상기 모드 선택단계(30)는 발파위치를 측정하기 위한 발파모드(40)인가 또는 내공 측정모드(90)인가를 선택하게 된다.
상기 발파모드 단계(40)는 전술한 바와 같이 수평축 인코더의 수평 회전으로 방위각을 측정하는 방위각 측정단계(50)와, 수직축 인코더의 수직 회전으로 위도를 측정하는 위도 측정단계(60)와, 측정된 방위각 및 위도값으로 발파위치를 파악하는 발파위치 파악단계(70)와, 파악된 자료를 처리 저장하는 처리 저장단계(80)로 구성되고, 자료저장 완료된 다음에는 초기의 상태로 복귀한다.
상기 내공 측정모드(90)는 측정된 터널 내부의 굴곡상태가 오차의 범위내에 있는지의 여부를 측정하는 측정분해 단계(100)와, 측정된 자료를 저장하는 저장단계(110)로 구성되고, 자료저장이 완료된 다음에는 초기의 상태로 복귀한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 동작을 실행하기에 앞서 퍼스널 컴퓨터(250)에 터널의 설계자료와 사양 등을 입력하고, 상기한 바와 같은 연산을 통하여 측정점(C)의 위치를 파악한다.
이후, 동작초기에 퍼스널 컴퓨터(250)에서 발파모드(40)인가 또는 내공 측정모드(90)인가를 설정한다.
이때, 발파모드, 내공 측정모드 등의 설정에 따라 데이터를 샤프트 인코더(210,230)나 모터(200,220), 거리측정기(240)에서 읽어오거나 내보낼 지의 여부를 결정한다.
이후, 발파나 내공 측정모드에서는 도 6의 수평축 인코더(210)가 수평 방향으로 회전(모터가 움직임)하면서 방위각을 측정하고, 수직축 인코더(230)는 수직 방향으로 회전(모터가 움직임)하면서 위도를 측정한다.
따라서, 앞의 설명과 같이 r1, r2및 l, k값을 읽어 a, b 및 각도 α, β를 구하여 자신의 위치를 파악한다.
이때, 거리측정기(240)는 레이저 분사기의 빛이 목표물에 반사되어 되돌아 오는 시간으로 거리를 측정한다.
그리고, 각각의 인코더(210,230)와 거리측정기(240)에서 읽은 자료를 도 6의 콘트롤러(260)를 통해 컴퓨터(250)로 보낸다.
이때, 스텝핑모터는 AC모터 로도 사용이 가능하며, 자료의 전송은 컴퓨터 네트워크 등으로 이루어진다.
또한, 컴퓨터(250)에서는 각 모드에 따라 수평, 수직모터(200,220)를 얼마만큼 움직여야 하는지를 계산하여 콘트롤러(260)를 통해 이들 모터를 구동시키며, 목표지점에 이르면 거리측정기(240)의 레이저 빔이 동작되어 발파지점과 내공 측정지점의 위치를 표시 또는 측정하고, 이러한 일련의 흐름을 그림으로 볼수 있게 프로그램을 제작한다.
본 발명의 장치는 도 6과 같이 임의의 위치(C)에서 2개의 기준점(A,B)을 향한 자신의 방위각 및 위도를 측정하는 측정기로서 모터(200,220)에 의해 작동하는 2개의 수평 및 수직축 인코더(210,230)와;
상기 임의의 측정점(C)으로 부터 기준점(A,B) 까지의 거리를 레이저 빔을 이용하여 측정하는 거리측정기(240)와;
상기 모터의 동작을 제어하며 거리측정기의 회로를 구동시키는 콘트롤러(260)와;
상기 측정점으로 부터 천정의 굴곡거리와 미리 입력된 설계자료의 거리를 비교하는 컴퓨터(250); 로 구성된다.
상기 수직 및 수평축 인코더(210,230)은 공지된 기기로서 발파나 내공 측정모드(40,90)시 수평축 인코더(210)가 수평방향으로 회전하여 방위각을 측정하고, 수직축 인코더는 수직방향으로 회전하여 위도를 측정하게 된다.
측정된 방위각 및 위도값은 전술한 연산에 의하여 자신의 위치를 파악하는데 사용된다.
상기 거리측정기(240)는 레이저 빔 분사기로서 발산된 레이저의 빛이 목표물에 맞고 반사되어 되돌아 오는 시간을 거리로 환산하여 목표물과의 거리를 정확히 측정한다.
상기 컴퓨터(250)는 각각의 인코더(210,230)와 거리측정기(240)에서 읽은 자료를 콘트롤러(260)를 통하여 전송받는다.
이때, 자료의 전송은 컴퓨터 네트워크 등으로 이루어진다.
상기 컴퓨터(250)는 각 모드에 따라 수평, 수직모터(200,220)를 얼마만큼 움직여야 하는지를 계산하여 콘트롤러(260)를 통해 상기의 수직 및 수평모터를 구동시키며, 목표지점에 이르면 거리측정기(240)를 작동시켜 레이저 빔이 동작되도록 하고, 이로 인해 발파지점과 내공 측정지점의 위치를 정확히 표시 또는 측정하며, 이러한 일련의 흐름을 그림으로 볼수 있게 프로그램화 한다.
즉, 본 발명의 장치는 방법을 수행하기 위한 하드웨어로서 그에 따른 작용은 전술한 바와 같으며, 스텝핑모터는 AC모터 로도 사용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 2개의 기준점을 이용하여 임의의 측정점에 대한 위치를 정확히 계산하고, 계산된 측정점으로 부터 터널의 천정 굴곡거리를 측정하여 이를 설계자료의 거리와 비교하는 내공 측정과정과, 스텝핑모터와 인코더를 통하여 거리측정기의 구동회로가 제어 프로그램과 연계 작동되도록 하므로서 발파패턴에 따른 발파위치의 선정 작업 및 내공 측정작업이 일련의 과정을 거쳐 자동화되는 효과가 있다.
또한, 2개의 기준점을 활용하므로 발파위치 및 내공을 측정하기 위한 별도의 기준점 설치가 필요없고, 측정지점을 하나의 점으로 확인하므로 별도의 측정기구를 사용하지 않더라도 얼마든지 위치파악이 가능하여 측정기구의 사용에 따른 번거로움과 불편함을 해소할수 있는 것이다.

Claims (5)

  1. 컴퓨터에 터널의 사양과 설계자료를 입력하는 자료 입력단계(10)와;
    2개의 기준점(A,B)을 이용하여 현재의 위치(측정점,C)를 파악하는 위치 측정단계(20)와;
    모드 선택단계(30); 로 구성되며,
    상기 모드 선택단계(30)는 발파위치를 측정하는 발파모드(40)와 터널 내부의 굴곡상태를 측정하는 내공 측정모드(90)로 구성됨을 특징으로 하는 터널공사시 발파위치 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 발파모드(40)는 수평축 인코더의 수평 회전으로 방위각을 측정하는 방위각 측정단계(50)와;
    수직축 인코더의 수직 회전으로 위도를 측정하는 위도 측정단계(60)와;
    측정된 방위각과 위도값으로 발파위치를 파악하는 발파위치 파악단계(70)와;
    파악된 발파위치에 대한 자료를 저장하는 자료저장 단계(80); 로 구성된 것을 특징으로 하는 터널공사시 발파위치 측정방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 내공 측정모드(90))는 터널 내부의 굴곡상태를 측정하여 오차한계를 측정하는 측정분해 단계(100)와;
    측정된 굴곡상태를 저장하는 측정자료 저장단계(110); 로 구성된 것을 특징으로 하는 터널공사시 발파위치 및 내공측정 방법.
  4. 임의의 위치(C)에서 2개의 기준점(A,B)을 향한 자신의 방위각 및 위도를 측정하는 측정기로서 모터(200,220)에 의해 작동하는 2개의 수평 및 수직축 인코더(210,230)와;
    상기 임의의 측정점(C)으로 부터 기준점(A,B) 까지의 거리를 레이저 빔을 이용하여 측정하는 거리측정기(240)와;
    상기 모터의 동작을 제어하며 거리측정기의 회로를 구동시키는 콘트롤러(260)와;
    상기 측정점으로 부터 천정의 굴곡거리와 미리 입력된 설계자료의 거리를 비교하는 컴퓨터(250); 로 구성됨을 특징으로 하는 터널공사시 발파위치 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 거리측정기(240)는 레이저 빔 분사기로서 발산된 레이저의 빛이 목표물에 맞고 되돌아 오는 시간을 거리로 환산하여 목표물과의 거리를 측정하는 것임을 특징으로 하는 터널공사시 발파위치 측정장치.
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