KR100550108B1 - 광섬유 센서를 이용한 터널의 2차원 내공변위 측정장치 및시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널의 내공변위 측정을 위한 센서시스템에 관한 것으로 터널의 콘크리트 라이닝에 부착된 광섬유 FBG 변위센서로부터 변형 전후의 라이닝의 수평 및 수직 좌표를 정밀하게 측정하여, 궁극적으로 터널라이닝의 2차원 내공변위를 측정을 위해 사용되는 센서시스템을 제공하고자 한다. 즉, 터널라이닝에 부착된 광섬유 FBG센서로부터 라이닝의 단면을 따라 측정 포인트에 센서 부착 기구를 부착하여, 동일 측정 대상 면에 두 개의 센서를 설치한 후 미세한 길이변화를 측정하여 터멀의 2차원 내공변위를 계산하는 방식으로 두 개의 길이 변화 센서는 센서 부착기구에 의해서 삼각형의 두 변을 이루게 되며, 이 두변을 측정하여 계산을 통해 각도를 역산하여 최초의 부착점을 기준으로 전체 라이닝단면의 변형 후 상대 좌표를 계산하는 장치 및 센서시스템을 제공할 수 있는 것 이다.

2차원 터널 내공변위측정, 광섬유센서시스템, 착탈 식 길이변화측정기구

Description

광섬유 센서를 이용한 터널의 2차원 내공변위 측정장치 및 시스템{METHOD FOR MEASURING 2D CONVERGENCE OF TUNNEL AND APPARATUS THEREOF}

도 1은 일반적인 터널의 내공변위 측정장치를 모식적으로 도시한 사시도.

도 2는 터널의 단면에 부착된 광섬유길이변위측정센서의 설치 예시도.

도 3은 광섬유 FBG센서로 제작한 내공변위 측정장치를 도시한 입체도

도 4는 터널의 라이닝에 부착되는 부착기구의 상세도

도 5는 광섬유 FBG의 착탈이 가능하게 고안된 착탈식 광섬유 센서 및 길이변화측정 부착기구의 상세도

도 6은 측정 대상면에서 두 개의 광섬유센서로부터 길이변화를 측정하여 내공변위를 계산하는 도형

도 7은 터널의 내공변위 측정을 위한 상대좌표 계산을 위한 모식도

본 발명은 터널의 내공변위 측정을 위한 센서시스템에 관한 것으로 터널의 내공변위 측정에 있어서 터널의 단면상에서 길이 방향의 변화만을 측정하는 경우, 라이닝의 변형특성상 변형된 후 좌표의 방향성을 알 수가 없기 때문에 터널의 수축 또는 팽창유무를 알기 전에는 정밀한 내공변위를 계측하기 힘들다.

따라서, 기존의 센서를 이용한 터널 내공변위와 천단침하 측정용 센서들은 터멀의 라이닝을 관통하여 길이변화측정센서를 매립하여 팽창 또는 수축여부를 판단하거나 내공변위를 측정하기 위한 변위센서와 각도센서를 사용하여 길이 변화량과 각도 변화량을 측정한 후, 두 개의 측정결과를 조합하여 내공변위로 환산하는 방식을 사용한다. 이중 후자의 방법을 이용한 기존 방식의 센서시스템은 길이변화와 각도의 두 가지 값을 측정하기 때문에, 두 가지 센서의 서로 다른 측정 정밀도에 의해서 내공변위의 정확성이 좌우되며, 두 가지 센서 시스템을 사용하기 때문에 데이터 수집 장치가 복잡해지므로 그 측정비용이 상대적으로 높게 책정되었다. 즉, 상용화된 기존의 터널내공변위 측정 장치는 길이변화만을 측정하여 라이닝의 팽창 또는 수축여부를 알 수 없었거나, 개선된 시스템의 경우에도 각도를 추가로 측정하여야하는 번거로운 시스템을 사용하였는데 이 시스템의 경우에도 센서정확도는 길이의 경우 1/100mm, 각도의 1/100도를 주로 사용하므로 미세변형의 측정에는 다소 문제가 있었다.

본 발명은 길이 변화 센서로 월등한 계측정밀도를 갖고 있는 광섬유 FBG센서를 사용하며 측정 점에 센서 부착 기구를 설치하여 동일 측정 대상 면에 두 개의 센서를 설치, 측정하여 내공변위를 계산하는 방식이다. 두 개의 길이 변화 센서는 센서 부착기구에 의해서 삼각형의 두 변을 이루게 되며, 이 두변을 측정하여 상각함수 계산식을 통해 각도를 역산하여 부착기준점을 기준으로 모든 터널 단면에서의 상대 좌표를 계산하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 터널의 내공변위를 측정함에 있어서 광섬유 FBG 센서를 이용하여 발명에서 고안한 삼각형 두변의 길이변화를 측정하여 각도를 환산하는 계산방법을 사용하여 높은 정밀도를 가지는 터널의 2차원 내공변위 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 터널라이닝의 변형 후 2차원 상대좌표를 정확히 측정함으로써 터널의 변형 후 단면변화를 도식적으로 제공할 수 있어 관리자가 별도의 계산 또는 데이터 처리를 하지 않고도 터널의 효율적인 유지관리가 가능한 계측장치 및 센서시스템을 제공 할 수 있다.

본 발명에서 터널의 2차원 내공변위는 터널라이닝에 부착한 광섬유센서로부터 고정된 부착치구를 통해 삼각형으로 구성된 두변의 길이변화를 측정하여 변형 후 라이닝의 상대 좌표로 구할 수 있다. 따라서 터널의 내공변위를 그래픽 처리하여 곧바로 알 수 있어 터널의 유지관리를 효율적으로 할 수 있게 된다.

구체적으로 본 발명은 터널라이닝에 수직으로 부착된 고정 장치를 삼각형의 한 변으로 하고 광섬유센서가 부착된 센서장치를 통해 나머지 두변의 길이변화를 측정하여, 궁극적으로는 라이닝의 변형 후 내공변위를 측정할 수 있다.

본 발명의 다른 일측 면에 따르면 삼각형 두변의 길이를 1/1000mm의 정확도를 가지는 광섬유 FBG센서를 통해 측정하므로 라이닝의 팽창 또는 수축에 의한 각도변화에 따른 상대좌표를 구함으로써 시스템 내에서 매우 정확한 터널의 내공변위 Curvature를 실시간으로 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 상술한다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 측정장치를 터널 라이닝의 한 단면에 설치한 예시로써 100cm길이로 된 광섬유 FBG센서를 내장한 변위계의 두 부착점을 앵커볼트로 고정하여 미세한 길이변화를 측정하게 된다.

이때 터널라이닝과 수평하게 설치된 하부 핀에 고정된 센서는 순수한 길이변화를 측정하게 되고 상부 핀에 고정된 또 하나의 센서는 팽창, 수축에 따른 수직방향의 길이변화량을 벡터로 표현하게 되어 변형각도를 구하는데 사용된다.

도 2는 터널의 단면을 따라 설치된 본 발명의 측정 장치의 설치개요도로써 터널의 반경을 따라 100cm간격으로 연속적으로 설치함으로써 완벽한 터널의 변형곡선을 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명에 따라 얻어지는 측정장치의 개요도로써 콘크리트 라이닝에 부착될 두개의 부착장치(200, 201)와 길이변화를 측정하기 위한 광섬유 FBG센서를 포함한 변위계(202, 203)으로 구성된다. 부착장치에는 상, 하부의 두개의 핀(204, 205)을 포함하고 있는데 여기에 길이변화측정을 위한 변위계가 고정되어 순수한 길이변화와 팽창, 수축에 따른 변형각도를 구하는데 사용된다.

도 4는 부착장치의 상세를 나타내는데, 핀 고정용 Plate(302)는 부착 면과 수직을 이루며 부착 면은 콘크리트고정용 앵커볼트(300)로 라이닝에 고정하게 된다. 이때 광섬유 FBG센서 변위계는 착탈 식으로 고안되어 센서의 재활용이 가능하 고 향후 수명이 다하는 경우 손쉽게 교체가 가능하도록 센서 고정바(301)를 이용하여 부착장치에 연결된다.

도 5는 길이변화를 측정하기 위한 광섬유 FBG센서를 포함한 변위계의 상세도로써, 도면에서와 같이 FBG센서가 내장될 센서 접착부(402) 및 센서연결부(403)를 포함하며, 센서의 보호를 위하여 상하부에 보호케이스(401, 404)를 설치하여 구성된다.

본 발명에 의해서 제공되는 터널의 내공변위를 구하기 위해서는 간단한 삼각함수를 이용한 계산식이 사용된다.

즉, 도 6에서 터널의 라이닝에 부착된 두개의 부착점 중 기준고정점을 0, 변형점을 A라고 하고 여기에 수직으로 부착된 고정 장치의 끝 점을 C 라고 하면,

=

, ∠OAC = ∠OCA인 △OAC는 이등변 삼각형임을 알 수 있다.

여기에서

는 항상 일정한 길이(c)를 가지며 원호에 직각으로 설치되는 것을 가정하며,

,

는 광섬유 FBG 센서를 이용하여 1/1000mm 정밀도로 정밀하게 측정하게 된다.

전체 내공변위를 모니터링 하기 위해서는 2차원 평면에서 부착된 고정 장치의 끝 점 C를 원점으로 하여 임의의 측정 점 B의 위치를 좌표로 표시해야 하며, 이를 위해서는 위 그림에서 ∠ACB = α 와 ∠OCB = β 를 계산해야 한다.

삼각형 △ABC의 면적은 해론의 공식,

(여기서,

)와 삼각함수를 이용한 삼각형 넓이 식,

로 구할 수도 있다.

두 식을 연립하면,

와 같이 α , β를 구할 수 있다.

α , β를 이용하여 측정점 A, B의 좌표를 다음의 식(4), 식(5)와 같이 계산할 수 있다.

△ACG 에서 ∠ACG = ∠ACB + ∠OCB = α + β 이며,

이므로, 측정점 A의 좌표는

와 같이 계산된다.

또한, △BCH 에서 ∠BCH = β 이며,

이므로, 측정 포인트 B의 좌표는

와 같이 계산된다.

즉, 터널의 라이닝이 초기 설치 후 수축 변형을 일으켜 기준점으로부터 얻어진 라이닝의 곡률변화에 의해 원호의 중심이 0가 0'으로 이동하며 측정대상인

,

가 각각

,

으로 길이변화를 보이며 그 변화량은 △a, △b로 표시할 수 있다.

이때,

는 원호에 직각으로 설치되어 있으며 길이변화가 없다고 가정하였기에

=

로 항상 일정한 길이(c)를 유지하게 된다. 이에 따라서 변화된 측정점 A', B'의 좌표는 앞에서 증명한 식에 변형 값을 대입하여 다음의 식(10) 및 (11)과 같이 계산할 수 있다.

상술한 본 발명의 터널의 2차원 내공변위 측정 장치 및 측정 방법에 따르면, 터널 콘크리트 라이닝에 앵커볼트로 부착된 두개 한조의 광섬유 FBG 센서패키지를 통해 터널 내부에 외부압력 등에 의하여 콘크리트 라이닝의 수축, 팽창거동이 발생하는 상태에서도 터널단면의 정확한 2차원 변형을 알 수 있는 내공변위 측정 센서시스템 제공할 수 있다.

또한, 관리자는 변위 좌표값을 통해 그래픽으로 처리된 터널의 변형 Curvature를 제공받을 수 있어 쉽게 터널의 이상 유무를 판단할 수 있어 본 발명의 내공변위 측정 장치를 이용하여 정확하게 실제 거동되는 터널의 변형을 측정할 수 있음은 물론 효율적인 유지관리를 할 수 있다.

Claims (4)

1. 터널의 라이닝에 수직하게 설치된 제 1 부착 장치, 상기 제 1 부착 장치와 이격되어 터널의 라이닝에 수직하게 설치된 제 2 부착 장치, 소정의 핀들에 의해서, 상기 제 1 부착장치의 소정의 제 1 지점 및 상기 제 2 부착장치의 소정의 제 2 지점에 고정되어 상기 제 1 지점과 상기 제 2 지점을 연결하는, 광섬유 FBG 센서를 포함한 제 1 변위계, 및 소정의 핀들에 의해서 상기 제 2 지점으로부터 소정 거리 이격된 상기 제 2 부착 장치의 소정의 제 3 지점 및 상기 제 1 지점에 고정되어, 상기 제 3 지점과 상기 제 1 지점을 연결하는, 광섬유 FBG 센서를 포함한 제 2 변위계를 포함하는 고정 장치를 이용하여 터널의 내공 변위를 측정하는 방법으로서,

   상기 제 1 변위계의 광섬유 FBG 센서를 이용하여 상기 제 1 지점과 상기 제 2 지점간의 길이 변화를 측정하고, 상기 제 2 변위계의 광섬유 FBG 센서를 이용하여 상기 제 1 지점과 상기 제 3 지점간의 길이 변화를 측정하는 단계;

   상기 제 1 지점과 상기 제 2 지점간의 길이 변화 및 상기 제 1 지점과 상기 제 3 지점간의 길이 변화를 이용하여 상기 제 1 변위계 및 상기 제 2 변위계 간의 변형각을 계산하고, 상기 제 1 부착장치 및 상기 제 2 부착장치가 설치된 터널의 라이닝을 원호로 하는 원의 중심점과 상기 제 1 지점을 잇는 가상의 선분과 상기 제 2 변위계간의 변형각을 계산하는 단계; 및

   상기 변형각들을 이용하여 상기 제 1 지점에 대한 상기 제 2 지점 및 상기 제 3 지점의 상대 좌표값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널의 내공 변위 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 길이 변화는 센서당 1/1000mm정밀도의 범위로 측정하는 것을 특징으로 하는 터널의 내공변위측정방법.
3. 제2항에 있어서, 측정된 터널의 변형 후 상대좌표를 이용하여 실시간으로 터널라이닝의 변형 Curvature를 제공하는 터널의 내공 변위 측정 방법.
4. 제 2항에 있어서, 유지보수가 간편하고 정확도가 우수한 착탈이 가능한 광섬유 FBG센서를 내장한 변위계를 이용한 터널의 내공변위 측정방법

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