KR101475155B1 - 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법 - Google Patents

전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법 Download PDF

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요이치 키타하라
박진호
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Abstract

본 발명은 터널의 전방 지반조건을 예측하기 위한 것으로 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널에서 막장 전방의 암반(rock mass) 및 이상대의 전자기적 특성을 바탕으로 터널 전방의 이상대, 전반적인 지반조건 등을 예측하여 시공 중 위험으로 작용할 수 있는 터널 전방 지반조건에 대한 정보를 제공하는 기술이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예는 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널의 전방 지반 조건을 예측하기 위한 예측방법에 있어서, (a) 막장의 전방 지반으로의 압입하여 접촉되도록 센서(S)를 설치하는 단계; (b) 저항측정 장비(2)를 이용하여 지반의 저항을 측정하는 단계; (c) 측정된 저항값을 비저항값으로 환산하는 단계; (d) 막장의 전방 거리에 따른 RMR비를 도출하는 단계; (e) 저항값 기반 역해석을 수행하여 이상대 정보를 도출하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서의 역해석 정보를 정해석하여 재검토하는 단계; (g) 상기 (d) 단계의 RMR비와, (e)단계의 역해석 정보로부터 얻은 정보를 비교하여 이상대 정보를 획득하는 단계; 및 (h) 상기 (d) 단계와, (e)단계의의 결과를 상호 비교하여 최종 이상대 정보 제시 단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법{Method for predicting ground condition ahead of tunnel using electrical resistivity}
본 발명은 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널에서 막장 전방의 암반(rock mass) 및 이상대의 전자기적 특성을 바탕으로 터널 전방의 이상대, 전반적인 지반조건 등을 예측하여 시공 중 위험으로 작용할 수 있는 터널 전방 지반조건에 대한 정보를 제공하는 기술이다.
터널 막장 전방 지반조건을 예측하는 기술은 탄성파, 전기비저항, 선진 시추 방법 등이 있다. 탄성파, 선진 시추 방법 등은 발전을 거듭해왔으며, 전기비저항 측정을 이용한 막장전방 지반조건을 예측하는 기법은 BEAM, TEPS등이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0705756호 "전자기파를 이용한 터널전방 지반조건 측정방법"(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 "터널 굴착시 터널막장에 임의 간격(L)으로 이격된 두 전극(+q, -q)을 형성시키고, 두 전극간의 전기저항(RRM)을 측정하는 터널전방 지반조건 측정방법에 있어서, 상기 측정된 5~6개의 각 전기저항(RRM) 값은
Figure 112013092736005-pat00001
을 만족하고, 상기 측정된 각 전기저항(RRM) 값으로부터 터널막장 전방에 존재하는 암반의 절리면과 인접한 다른 절리면간의 거리(d), 절리면 두께(t), 절리면의 전기전도도(σJ), 신선암의 전기전도도(σIR)를 역함수 기법에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 전자기파를 이용한 터널전방 지반조건 측정방법."을 제안한다.
그러나 상기 배경기술은 NATM(New Austrian Tunnelling Method)에만 적용 가능한 예측 방법으로, TBM에 적용하기에는 한계가 있었다. 또한, TBM은 전도체로 구성되어 있고, 전기적인 잡음이 많은 문제가 있으며 전기비저항을 측정할 수 있는 센서를 막장전방에 삽입하기 어려운 문제점이 있었다.
특허등록 제0705756호 "전자기파를 이용한 터널전방 지반조건 측정방법"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, TBM 터널 시공 중 전방의 지반에 센서를 삽입하여 전기저항을 측정함으로써 터널 전방에 위치한 파쇄대 및 연약대 등의 이상대, 전반적인 지반조건을 예측할 수 있으며, 암반상태 및 이상대 등의 상태(두께, 위치 등)를 용이하게 파악할 수 있는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, TBM 장비의 특성을 고려하여 개발된 기술이므로 Open TBM 뿐만 아니라 공간이 협소한 Shield TBM에 적용할 수 있으며, 실시간/비실시간 막장 전방 지반정보를 제시할 수 있다. 본 TBM 예측기술은 기존의 예측기술보다 지반조건을 도출하는 해석에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하였고, 매우 정확하게 지반정보를 예측할 수 있다. 따라서 지반 상태에 따른 대처방안이나 대책공법을 수립하는데 필요한 정확한 지반정보를 매우 신속하게 제공할 수 있는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 개발하는 데 그 목적이 있다.
또한, TBM 터널에서는 센서를 다수 설치하기 어려워, 복잡한 수식의 경우 미지수의 개수가 측정치의 개수보다 많기 때문에 해석의 정확도가 떨어질 수 있으나 본 발명에서는 지질학적 조건을 수직한 이상대로 간단화하여 미지수의 개수를 줄임으로써, 측정치가 개수가 적더라도 정확한 해석 결과를 도출할 수 있는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널의 전방 지반 조건을 예측하기 위한 예측방법에 있어서, (a) 막장의 전방 지반으로의 압입하여 접촉되도록 센서를 설치하는 단계; (b) 저항측정 장비를 이용하여 지반의 저항을 측정하는 단계; (c) 측정된 저항값을 비저항값으로 환산하는 단계; (d) 막장의 전방 거리에 따른 RMR비를 도출하는 단계; (e) 저항값 기반 역해석을 수행하여 이상대 정보를 도출하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서의 역해석 정보를 정해석하여 재검토하는 단계; (g) 상기 (d) 단계의 RMR비와, (e)단계의 역해석 정보로부터 얻은 정보를 비교하여 이상대 정보를 획득하는 단계; (h) 상기 (d) 단계와, (e)단계의 결과를 상호 비교하여 최종 이상대 정보 제시 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 제공하고자 한다.
또한, (a) 단계에서, TBM의 전방부에 고정설치되는 거치대와 거치대의 일측에 고정 설치되는 유압잭으로 형성되는 거치부와, 유압잭에 의하여 이동가능하게 일단이 고정되는 연장강관과, 연장강관의 타단에 일단이 연결되는 이음강관과, 이음강관의 타단에 일단이 연결되는 지지강관으로 형성되고, 지지강관의 타단에 센서가 고정 설치되는 측정장치가 TBM의 전방부에 구성되도록 할 수 있다.
또한, (b) 단계에서, 저항측정 장비는 센서로부터 전류의 양을 감지하는 디지털멀티미터, 데이터 측정을 위한 회로보드 및 회로보드에 전원을 공급하고 센서에 전압을 공급하는 전압을 주는 전원공급기로 이루어지며, 상기의 디지털멀티미터, 회로보드 및 전원공급기가 하나의 시스템으로 작동할 수 있도록 제어하는 프로그램을 탑재한 컴퓨터를 포함하도록 구성되어, 센서와 전기적으로 연결되도록 구성하여, 전원공급기는 센서를 통해 지반에 전압차를 주어 지반에 전류가 흐르도록 하고 흘러들어온 전류량을 디지털멀티미터에서 감지 및 측정을 하여 주어진 전압(V)과 흘러들어온 전류를 바탕으로 저항값(R)을 계산하도록 하도록 할 수 있다.
또한, (e) 단계에서,
저항값
Figure 112013092736005-pat00002
1차원 식 ①
Figure 112014104302784-pat00088
1차원 식 ②
Figure 112013092736005-pat00004
1차원 식 ③
Figure 112014104302784-pat00089
의 수식을 기반으로,
측정된 저항값(R)과 주변 암반의 전기전도도(
Figure 112013092736005-pat00006
), 원형 센서의 반지름(
Figure 112013092736005-pat00007
)과 센서의 위치좌표를(known variables) 바탕으로 역해석을 수행하여 네 가지 이상대 변수((unknown variables)
Figure 112013092736005-pat00008
,
Figure 112013092736005-pat00009
,
Figure 112013092736005-pat00010
,
Figure 112013092736005-pat00011
: 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리, 이상대의 두께, 신선암에 대한 이상대의 유전율 비, 이상대의 전기전도도)를 도출하도록 할 수 있다.
또한, (f) 단계에서, (e) 단계에서의 역해석 정보
Figure 112013092736005-pat00012
,
Figure 112013092736005-pat00013
,
Figure 112013092736005-pat00014
,
Figure 112013092736005-pat00015
를 1차원 식 ①②③에 넣어서 계산된 저항값을 측정된 저항값과 비교함으로써 역해석이 올바르게 수행되었는지 재검토하도록 하도록 할 수 있다.
본 발명의 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법은 TBM 터널 시공 중 전방의 지반에 센서를 삽입하여 전기저항을 측정함으로써 터널 전방에 위치한 파쇄대 및 연약대 등의 이상대, 전반적인 지반조건을 예측할 수 있으며, 암반상태 및 이상대 등의 상태(두께, 위치 등)를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
특히, TBM 장비의 특성을 고려하여 개발된 기술이므로 Open TBM 뿐만 아니라 공간이 협소한 Shield TBM에 적용할 수 있으며, 실시간/비실시간 막장 전방 지반정보를 제시할 수 있다. 본 TBM 예측기술은 기존의 예측기술보다 지반조건을 도출하는 해석에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하였고, 매우 정확하게 지반정보를 예측할 수 있다. 따라서 지반 상태에 따른 대처방안이나 대책공법을 수립하는데 필요한 정확한 지반정보를 매우 신속하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, TBM 터널에서는 센서를 다수 설치하기 어려워, 복잡한 수식의 경우 미지수의 개수가 측정치의 개수보다 많기 때문에 해석의 정확도가 떨어질 수 있으나 본 발명에서는 지질학적 조건을 수직한 이상대로 간단화하여 미지수의 개수를 줄임으로써, 측정치가 개수가 적더라도 정확한 해석 결과를 도출할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 측정장치(1)의 구성을 개략적으로 도시한 도이다.
도 3은 본 발명에서 사용되는 저항측정 장비(2)의 개략적인 구성도이다.
도 4는 센서 간격에 따른 저항-비저항 관계식 도출 모식도이다.
도 5는 센서(S) 간 간격에 대한 저항과 비저항의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 전기비저항과 RMR의 상관관계를 예시한 그래프이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널에서 막장 전방의 암반(rock mass) 및 이상대의 전자기적 특성을 바탕으로 터널 전방의 파쇄대, 연약대 등을 포함한 이상대, 전반적인 지반조건 등을 예측하여 시공 중 위험으로 작용할 수 있는 터널 전방 지반조건에 대한 정보를 제공하는 기술이다.
도 1은 본 발명의 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법을 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 막장의 전방 지반으로의 압입하여 접촉되도록 임의의 간격을 두고 서로 이격되도록 다수의 센서(S)를 설치한다(a).
센서(S)는 고정강관에 고정설치하고, 막장의 전방지반에 압입하여 설치하도록 한다.
이때, 센서(S)는 TBM의 전방부에 고정설치되도록 하여, 전기비저항을 측정할 수 있는 센서(S)를 막장전방에 삽입하기 용이하도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 측정장치(1)의 구성을 개략적으로 도시한 도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센서(S)를 TBM의 전방에 고정설치하기 위하여, 별도의 측정장치(1)에 센서(S)가 고정 구성되도록 할 수 있다.
본 발명의 측정장치(1)는 TBM의 전방부에 고정설치되는 거치대(11a)와 거치대(11a)의 일측에 고정 설치되는 유압잭(11b)으로 형성되는 거치부(11)와, 유압잭(11b)에 의하여 이동가능하게 일단이 고정되는 연장강관(12)과, 연장강관(12)의 타단에 일단이 연결되는 이음강관(13)과, 이음강관(13)의 타단에 일단이 연결되는 지지강관(14)으로 형성되고, 지지강관(14)의 타단에 센서(S)가 고정 설치되도록 구성된다.
거치부(11)는 TBM의 전방부에 고정 설치되도록 하며, 거치대(11a)와 유압잭(11b)으로 이루어진다.
거치대(11a)는 유압잭(11b)을 올려놓을 수 있는 거치판으로 형상에는 특별한 제한은 없으며, 유압잭(11b)이 고정 설치가 가능한 형태를 갖도록 한다.
유압잭(11b)은 거치대(11a)에 볼트로 고정시킨 후, 유압잭(11b)과 연장강관(12)을 체결한다. 이때 유압잭(11b)은 전방으로 센서(S)를 삽입하게 해주는 역할을 한다.
연장강관(12)은 유압잭(11b)에 연결되어 유압잭(11b)의 이동에 의하여 TBM의 전방으로 전,후진이 가능하도록 구성되며, 지지강관(14)은 센서(S)를 고정 설치하기 위하여 구성된다.
이때, 이음강관(13)이 연장강관(12)과 지지강관(14)의 사이에 연결구성되는데, 이음강관(13)은 센서(S)가 막장 전방의 지반에 접촉할 수 있도록 길이를 연장하기 위한 역할을 한다.
연장강관(12), 이음강관(13) 및 지지강관(14)의 각각의 연결은 길이방향의 양단부에 외측으로 돌출하도록 플랜지를 구성하여 플랜지를 상호 면접하고 볼트 결합 등으로 결합하도록 한다.
센서(S)는 전기비저항 값을 획득하기 위하여 임의의 간격을 두고 서로 이격되도록 다수를 동일 개수의 지지강관(14)의 끝단에 각각 부착한다.
지지강관(14)은 TBM 챔버 후방에서 막장 전방까지 TBM 챔버 및 면판을 관통하여 연결되고 유압잭(11b)에 의해 전진되므로 지지강관(14) 끝단에 부착된 센서(S)가 막장 전방으로 나아가 지반과 접촉이 가능하다. 지지강관(14)의 끝단에 설치된 센서(S)에 연결된 전선은 강관 내부로 넣어 최종 조립된 연장강관(12)의 끝단까지 빼내어 TBM 챔버 후방부에 설치된 저항측정 장비(2)에 연결한다.
센서(S)가 전방까지 도달하도록 이음강관(13)을 길게 이어 거리를 확보하도록 조립한 후, 유압잭(11b)으로 지지강관(14)을 압입/전진시키면, 지지강관(14)의 끝단에 부착된 센서(S)가 막장 전방 지반에 압입되어 지반과 밀착하고 저항의 측정 준비를 마치게 된다.
이후, 저항측정 장비(2)를 사용하여 막장의 전방 지반에 압입된 센서(S)에 전압을 걸어주면 센서끼리의 전압차이에 의해 막장 전방 지반으로 전류가 흐르게 되며, 전류를 측정하여 저항을 구한다(b).
도 3은 본 발명에서 사용되는 저항측정 장비(2)의 개략적인 구성도이다.
저항측정 장비(2)를 사용하여 센서(S) 접촉면까지 연결된 전선으로 전류를 흘려보내 지반의 저항을 측정하는데, 이때 사용되는 저항측정 장비(2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전류의 양을 감지하는 디지털멀티미터(Digital Multi Meter, DMM)(21), 전압을 주는 전원공급기(Power Supply)(23), 회로보드(Circuit Board)(22)로 구성되며, 센서(S)의 측정을 제어하는 프로그램(Control Program)을 탑재한 랩탑 등의 컴퓨터(24)를 포함하도록 구성되어, 센서(S)와 전기적으로 연결되도록 한다.
특히 회로보드(22)와 제어 프로그램은 다중으로 구성된 센서(S)에서 연속적인 측정이 가능하도록 형성하고, 제어 프로그램은 두 개의 센서(S)를 선택하여 각각 소스와 리시버로 하여 개별적인 측정이 가능하며, 소스센서를 자동적으로 변환하며 나머지 센서들을 리시버 센서로 하는 자동측정(Auto) 방식을 통해 다수의 데이터를 확보할 수 있는 제어가 가능하도록 할 수 있으며, 측정된 저항값은 텍스트 파일로 저장이 가능하도록 할 수도 있다.
저항측정 장비(2)의 전원공급기(23)는 지반 저항측정 시 30V로 측정을 수행하기 때문에, 최대 30V까지 전압 차이를 주도록 하고, 센서(S)를 통해 지반에 전압차를 주게 되면 자연히 지반에 전류가 흐르게 되고 흘러들어온 전류량을 디지털멀티미터(21)에서 감지/측정을 하게 된다. 따라서 주어진 전압(V)과 흘러들어온 전류(I)를 바탕으로 옴의 법칙을 통해 저항값(R)을 계산할 수 있다.
이후, 측정된 저항값을 비저항값으로 환산한다(c).
실내실험을 수행하여 얻은 저항-비저항 간 관계식으로부터 (b)단계에서 센서(S)로부터 측정된 저항값을 비저항으로 환산한다. 저항(R)-비저항(ρ) 관계식은 서로 다른 전기전도도를 가지는 물에서(수돗물에 염화소듐 투여량을 달리함) 저항과 비저항 간의 관계식을 구하였으며, 동시에 센서(S) 간 거리에 따른 변화도 함께 구하였다.
즉, 두 센서(S)에서 저항값이 측정되면 그 두 센서(S)간의 거리와 측정된 저항값 정보를 가지고 해당되는 전기 비저항 값을 찾음으로써 비저항으로 환산한다.
실내실험 기반 저항(R)비저항(ρ) 관계식 도출 방법은 다음과 같다.
도 4는 센서 간격에 따른 저항-비저항 관계식 도출 모식도 및 센서(S) 간 간격에 대한 저항과 비저항의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 증류수에 염화소듐(소금)을 조금씩 투여하며 증류수의 전기전도도를 점점 높여가고(전기비저항은 감소), 각각 다른 전기전도도를 가진 증류수에서(전기전도도는 conductivity meter로 측정함) 센서 간 거리를 1m에서 6m까지 변화시켜가며 저항값을 측정하였다.
도 5a는 센서(S) 간 간격에 대한 저항과 비저항의 관계를 나타낸 결과 그래프이며, 도 5b는 x축을 센서 간 거리, y축을 저항으로 두고 전기비저항에 따라 나타낸 것으로 동일한 실험 결과를 바탕으로 plot만 달리한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, R2 값이 1과 매우 가까운 정확도 높은 실험 결과로, 센서 간 거리와 저항값을 알면 비저항 값으로 환산할 수 있다. 즉, 추세선 수식을 이용하여 계산이 가능한데, 예를 들어, 6m 센서 간격에서 7만 옴(Ω)의 저항값이 측정되었으면, 측정 대상 물질의 전기 비저항은 도 5a의 6m의 추세선 식을 통해 Y=0.004x7만+39.214로 계산하여 319.21옴미터(Ω-m)로 환산할 수 있다.
이후, 막장의 전방 거리에 따른 RMR비를 도출한다(d).
일반적으로 터널 설계에 앞서 지반조사를 수행하게 되는데, 이때 주로 쓰이는 탐사로는 시추조사, 전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 등이 있다. 일반적으로 전기비저항 탐사, 전기비저항 검층을 수행함으로써 터널 노선 내의 전기비저항을 구하고 시추조사를 통해 암석 시추코어의 RMR을 구하는 과정을 거친다.
RMR은 Rock Mass Rating의 약자로서 터널에서 암반 상태를 평가하는 하나의 방법을 말한다. RMR 분류법은 Bieniawski(1989)에 의하여 제시된 분류방법으로 가장 많이 쓰이는 분류법이다. 암석의 상태와 불연속면의 상태에 따라, 세부적으로 점수를 부여하고 각 점수를 합산하여, 합산된 총 점수를 이용하여 암반상태를 평가하는 방법이다. 점수는 0~100 점 사이에 존재하며 점수가 좋을수록 공학적으로 양호한 지반으로 볼 수 있다. RMR 분류법에서는 다음의 6가지 요소를 중심으로 하기의 식을 이용하여 점수화함으로써 암반 상태를 평가한다.
Figure 112013092736005-pat00016
(1) 암석의 일축압축강도
(2) RQD
(3) 불연속면의 간격
(4) 불연속면의 상태
(5) 지하수의 상태
(6) 불연속면의 방향성의 영향을 고려하기 위한 보정
도 6은 전기비저항과 RMR의 상관관계를 예시한 그래프이다.
도 6에 예시된 바와 같이, 이로부터 얻어진 전기비저항과 RMR을 도시함으로써, 전기비저항과 RMR의 관계식을 도출할 수 있으며, 일반적으로 로그를 취한 전기비저항과 RMR은 선형관계를 갖게 되지만, 각각의 터널 현장에 위치한 암반, 지하수 등의 지질학적 특성에 따라 각각 다르게 도출될 수 있다.
따라서, 각각의 터널 현장에 위치한 암반, 지하수 등의 지질학적 특성을 반영하여, (c) 단계에서 환산된 비저항값을 다시 RMR로 환산하고 막장전방 거리에 따라 나타낸다.
예를 들어, 막장전방 위치에 따라 RMR의 상대적인 변화를 도시하도록 하는데, 5개 센서(S)의 위치좌표와 관입 시의 정보를 입력하면, 센서(S)가 지반과 접촉하는 접촉면 끝단에서의 위치가 자동 계산되며, 5개 센서(S)에서 측정된 저항값을 기반으로 자동적으로 센서(S) 간 거리에 따른 전기비저항을 도출할 수 있다. 따라서, 최종적으로 계산된 전기비저항 값을 RMR로 환산하여 상대적인 RMR 값을 도시할 수 있도록 한다.
이후, 저항값 기반 역해석을 수행하여 이상대 정보의 도출한다(e).
상기 (b) 단계에서 측정된 저항값을 프로그램에 입력 및 (c) 단계에서 측정된 비저항 값을 해석 범위로 입력하고 역해석을 수행하여 이상대에 대한 물리적 특성정보
Figure 112013092736005-pat00017
,
Figure 112013092736005-pat00018
,
Figure 112013092736005-pat00019
,
Figure 112013092736005-pat00020
를 구한다(여기서
Figure 112013092736005-pat00021
,
Figure 112013092736005-pat00022
,
Figure 112013092736005-pat00023
,
Figure 112013092736005-pat00024
는 각각 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리, 두께, 신선암에 대한 이상대의 유전율 비, 전기전도도를 의미).
센서(S)에 대한 위치정보와 측정된 저항값을 입력하고, 각 역해석 변수들에 대한 범위를 입력하면 범위 내에서 조화 알고리즘을 기반으로 역해석을 수행한다.
역해석 기본식은 터널 막장 전방에 존재하는 이상대가 굴착방향에 수직으로 위치할 때, 이상대와 암반(rock mass)의 전자기적 특징 및 이상대의 두께와 거리가 센서에서 측정된 전기저항과 어떠한 관계가 있는지를 나타낸다.
본 발명에서 적용되는 역해석 기본식은 전자기학 이론을 근간으로 기존에 유도되어 활용되고 있는 3차원 적분식을 두 가지 가정을 바탕으로 1차원으로 단순화하였는데, 복잡한 3차원 적분식과 비교하였을 때 단순화된 1차원 적분식은 프로그램 코딩으로 구현하기에 상대적으로 매우 편리하다. 즉, z축에 대한 적분만 수행하고 x, y축에 대한 적분을 생략할 수 있어서, 1차원 적분 코딩을 적용한 프로그램 해석은 훨씬 짧은 해석시간이 소요된다는 큰 장점이 있다. 단순화된 1차원 적분식은 각 변수가 변화함에 따른 영향이 저항값에 미치는 정도(민감도)가 3차원 적분식과 동일하게 나타난다. 따라서 수직한 이상대의 정보가 포함된 저항값 간의 상대적인 차이를 이용할 때에 매우 활용도가 높다.
이때, 이상대와 주변암반의 물리적 특성과 더불어 센서의 직경과 기하학적 위치가 저항에 영향을 미치게 되기 때문에,
저항은
Figure 112013092736005-pat00025
이 된다.
(여기서
Figure 112013092736005-pat00026
,
Figure 112013092736005-pat00027
,
Figure 112013092736005-pat00028
,
Figure 112013092736005-pat00029
는 각각 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리, 두께, 신선암에 대한 이상대의 유전율 비, 전기전도도를 의미하며
Figure 112013092736005-pat00030
는 신선암의 전기전도도이다.
Figure 112013092736005-pat00031
,
Figure 112013092736005-pat00032
는 소스센서의 x, y좌표이고
Figure 112013092736005-pat00033
,
Figure 112013092736005-pat00034
는 리시버센서의 x, y좌표를 나타낸다.
Figure 112013092736005-pat00035
는 센서의 접촉면적을 등가원으로 환산했을 때의 반지름을 의미한다.)
이때, 전자기적 특성을 바탕으로 한 가우스 법칙(Gauss‘s law)과 발산이론(divergence theorm)을 이용하여 3차원 적분식이 다음과 같이 유도될 수 있다.
3차원 식 ①
Figure 112014104302784-pat00090
3차원 식 ②
Figure 112013092736005-pat00037
3차원 식 ③
Figure 112014104302784-pat00091
상기 3차원 식을 바탕으로 다음의 가정을 통하여 1차원 적분식으로 단순화할 수 있다.
가정 1 : 이상대는 측정되는 두 센서의 정중앙 위치에서 터널굴착방향으로 나가는 선상에 수직으로 존재한다.
가정 2 : 수직한 이상대의 정보가 포함된 저항값 간의 상대적인 차이에 기반하여 계산된 저항값의 활용 시 단순화된 적분식을 이용한다.
상기 가정을 통하여 단순화된 1차원 식은 다음과 같다.
1차원 식 ①
Figure 112014104302784-pat00092
1차원 식 ②
Figure 112013092736005-pat00040
1차원 식 ③
Figure 112014104302784-pat00093

여기서,
Figure 112014104302784-pat00094
는 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리,
Figure 112014104302784-pat00095
는 이상대의 중심 z좌표(이상대가 수직이라고 가정하였기 때문에
Figure 112014104302784-pat00096
로 동일),
Figure 112014104302784-pat00097
는 이상대의 두께,
Figure 112014104302784-pat00098
는 신선암에 대한 이상대의 유전율 비,
Figure 112014104302784-pat00099
는 신선암의 전기전도도,
Figure 112014104302784-pat00100
는 소스센서의
Figure 112014104302784-pat00101
좌표,
Figure 112014104302784-pat00102
는 리시버센서의
Figure 112014104302784-pat00103
좌표,
Figure 112014104302784-pat00104
는 센서의 접촉면적을 등가원으로 환산했을 때의 반지름을 의미하고,
Figure 112014104302784-pat00105
이고,
Figure 112014104302784-pat00106
이며,
Figure 112014104302784-pat00107
은 이상대의 중심 x좌표(
Figure 112014104302784-pat00108
), y좌표(
Figure 112014104302784-pat00109
), z좌표(
Figure 112014104302784-pat00110
)와 소스센서의 x좌표(
Figure 112014104302784-pat00111
), 소스센서의 y좌표(
Figure 112014104302784-pat00112
)로 이루어지는 함수이며,
Figure 112014104302784-pat00113
은 이상대의 중심 x좌표(
Figure 112014104302784-pat00114
), y좌표(
Figure 112014104302784-pat00115
), z좌표(
Figure 112014104302784-pat00116
)와 리시버센서의 x좌표(
Figure 112014104302784-pat00117
), 리시버센서의 y좌표(
Figure 112014104302784-pat00118
)로 이루어지는 함수이다.
본 발명에서의 역해석은 상기에서 단순화된 1차원 식과 조화알고리즘을 바탕으로 수행하게 된다.
자세히 설명하자면, 조화 알고리즘(Harmony search)은 김종우(박사학위논문, 2000)에 의해 처음 제안된 발견적 탐색법이다. HS는 음악의 최적화음이 공학에서의 최적해에 해당된다고 보고 해를 찾아가는 기법으로 HS는 군탐색을 함으로써 역해석을 수행한다. 즉, 각 악기(각 변수)가 어떤 음(어떤 값)을 가짐에 있어서 기존의 많은 경험들이 영향을 미치게 되고 이는 바로 이전의 화음만이 영향을 미치는 것이 아니라 과거부터 축적된 상당량의 화음집합이 새로이 만들어 내는 화음에 영향을 미치게 된다. 과거의 경험을 축적하고 있다는 측면에서 TS의 특징을 가지는 것이며, 또한 해가 꼭 최적이 아니어도 좋은 범위에 들면 경험 집합에 추가한다는 점에서 SA의 특징도 지니고 있는 탐색기법이다.
이론 저항값은 아래와 같이 10개 변수에 대한 함수로 나타낼 수 있다.
저항
Figure 112013092736005-pat00042
정해석이 위의 수식에서 10개의 변수 바탕으로 저항값을 계산하는 것이라고 한다면, 표 1에 나타난 바와 같이, 역해석은 상기의 1차원 수식을 기반으로, 측정된 저항값(R)과 주변 암반의 전기전도도(
Figure 112013092736005-pat00043
), 원형 센서의 반지름(
Figure 112013092736005-pat00044
)과 센서의 위치좌표를(known variables) 바탕으로 역해석을 수행하여 네 가지 이상대 변수((unknown variables)
Figure 112013092736005-pat00045
,
Figure 112013092736005-pat00046
,
Figure 112013092736005-pat00047
,
Figure 112013092736005-pat00048
: 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리, 이상대의 두께, 신선암에 대한 이상대의 유전율 비, 이상대의 전기전도도)를 도출하도록 한다.
Known values 역해석 수행
(조화알고리즘)
→		 Uknown values
Figure 112013092736005-pat00049
,
Figure 112013092736005-pat00050
Figure 112013092736005-pat00051
,
Figure 112013092736005-pat00052
,
Figure 112013092736005-pat00053
,
Figure 112013092736005-pat00054
다시 말하자면, 조화알고리즘에서 최적화음에 해당하는 임의의
Figure 112013092736005-pat00055
,
Figure 112013092736005-pat00056
,
Figure 112013092736005-pat00057
,
Figure 112013092736005-pat00058
를 결정하고, 임의로 결정된 값을 이론식에 대입하여 저항값(이론기반)을 산정하게 되면, 실험에서 측정된 저항값(실험기반)과 차이를 내어 오차를 산정하게 되고, 이 오차(이론저항값과 측정저항값)가 작아지는 모든
Figure 112013092736005-pat00059
,
Figure 112013092736005-pat00060
,
Figure 112013092736005-pat00061
,
Figure 112013092736005-pat00062
조합을 계속적으로 탐색하는 것이 바로 역해석을 수행하는 과정이 되는 것이다. 따라서, 조화알고리즘은 역해석 과정을 더 정확하고 빠르게 해내는 하나의 방법으로 사용될 수 있다.
이후, 상기 (e) 단계에서의 역해석 정보를 정해석하여 재검토한다(f).
상기 (e) 단계에서의 역해석 결과로 얻은 이상대 정보를, 다시 센서의 위치좌표와 함께 입력하였을 때, 초기에 측정되었던 저항값이 거꾸로 올바르게 나왔는지 재검사를 수행한다.
재검사는 1차원 식 ①②③을 이용하여 계산하게 된다. 역해석으로부터 얻어진 4개의 변수(
Figure 112013092736005-pat00063
,
Figure 112013092736005-pat00064
,
Figure 112013092736005-pat00065
,
Figure 112013092736005-pat00066
)를 1차원 식 ①②③에 넣어서 계산된 저항값을 측정된 저항값과 비교함으로써 역해석이 올바르게 수행되었는지 재검사를 수행할 수 있다.
이후, 상기 (d) 단계의 RMR비와, (e)단계의 역해석 정보로부터 얻은 정보를 비교하여 이상대 정보를 획득한다(g).
(d) 단계에서 암반분류 프로그램으로부터 얻은 거리별 RMR 비와 (e)단계의 역해석 프로그램으로부터 얻은 이상대 정보와 상호 비교하여 해석에 대한 신뢰성을 평가한다. 예를 들어, 암반분류 프로그램에서 전방 4m 부근에서 상대적 RMR 비가 크게 감소한 결과가 나타났다면 마찬가지로 역해석 프로그램에서도 전방 4m 지점에서 지반변화/파쇄대 등 이상대 정보가 역해석 되어 나타나는 방식으로 상호 결과가 논리적으로 일치해야 할 것이다.
이후, 상기 (d) 단계와, (e)단계의의 결과를 상호 비교하여 최종 이상 정보 제시하도록 한다(h).
(g) 단계에서 해석에 대한 신뢰도성이 충분히 높다고 평가/판단되면, 최종적으로 이상대 정보에 대한 결과를 제시할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법은 TBM 터널 시공 중 전방의 지반에 센서를 삽입하여 전기저항을 측정함으로써 터널 전방에 위치한 파쇄대 및 연약대 등의 이상대, 전반적인 지반조건을 예측할 수 있으며, 암반상태 및 이상대 등의 상태(두께, 위치 등)를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
특히, TBM 장비의 특성을 고려하여 개발된 기술이므로 Open TBM 뿐만 아니라 공간이 협소한 Shield TBM에 적용할 수 있으며, 실시간/비실시간 막장 전방 지반정보를 제시할 수 있다. 본 TBM 예측기술은 기존의 예측기술보다 지반조건을 도출하는 해석에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하였고, 매우 정확하게 지반정보를 예측할 수 있다. 따라서 지반 상태에 따른 대처방안이나 대책공법을 수립하는데 필요한 정확한 지반정보를 매우 신속하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, TBM 터널에서는 센서를 다수 설치하기 어려워, 복잡한 수식의 경우 미지수의 개수가 측정치의 개수보다 많기 때문에 해석의 정확도가 떨어질 수 있으나 본 발명에서는 지질학적 조건을 수직한 이상대로 간단화하여 미지수의 개수를 줄임으로써, 측정치가 개수가 적더라도 정확한 해석 결과를 도출할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
1 : 측정장치
11 : 거치부
11a : 거치대
11b : 유압잭
12 : 연장강관
13 : 이음강관
14 : 지지강관
2 : 저항측정 장비
21 : 디지털멀티미터
22 : 회로보드
23 : 전원공급기
S : 센서

Claims (5)

  1. TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공하는 터널의 전방 지반 조건을 예측하기 위한 예측방법에 있어서,
    (a) 막장의 전방 지반으로의 압입하여 접촉되도록 임의의 간격을 두고 서로 이격되도록 다수의 센서(S)를 설치하는 단계;
    (b) 저항측정 장비(2)를 이용하여 지반의 저항을 측정하는 단계;
    (c) 측정된 저항값을 비저항값으로 환산하는 단계;
    (d) 막장의 전방 거리에 따른 RMR비를 도출하는 단계;
    (e) 저항값 기반 역해석을 수행하여 이상대 정보를 도출하는 단계;
    (f) 상기 (e) 단계에서의 역해석 정보를 정해석하여 재검토하는 단계;
    (g) 상기 (d) 단계의 RMR비와, (e)단계의 역해석 정보로부터 얻은 정보를 비교하여 이상대 정보를 획득하는 단계; 및
    (h) 상기 (d) 단계와, (e)단계의의 결과를 상호 비교하여 최종 이상대 정보 제시 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (a) 단계에서,
    TBM의 전방부에 고정설치되는 거치대(11a)와 거치대(11a)의 일측에 고정 설치되는 유압잭(11b)으로 형성되는 거치부(11)와,
    유압잭(11b)에 의하여 이동가능하게 일단이 고정되는 연장강관(12)과,
    연장강관(12)의 타단에 일단이 연결되는 이음강관(13)과,
    이음강관(13)의 타단에 일단이 연결되는 지지강관(14)으로 형성되고,
    지지강관(14)의 타단에 센서(S)가 고정 설치되는 측정장치(1)가 TBM의 전방부에 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    (b) 단계에서, 저항측정 장비(2)는
    센서(S)로부터 전류의 양을 감지하는 디지털멀티미터(21), 데이터 측정을 위한 회로보드(22) 및 회로보드(22)에 전원을 공급하고 센서(S)에 전압을 공급하는 전압을 주는 전원공급기(23)로 이루어지며,
    상기의 디지털멀티미터(21), 회로보드(22) 및 전원공급기(23)가 하나의 시스템으로 작동할 수 있도록 제어하는 프로그램을 탑재한 컴퓨터(24)를 포함하도록 구성되어, 센서(S)와 전기적으로 연결되도록 구성하여,
    전원공급기(23)는 센서(S)를 통해 지반에 전압차를 주어 지반에 전류가 흐르도록 하고 흘러들어온 전류량을 디지털멀티미터(21)에서 감지 및 측정을 하여 주어진 전압(V)과 흘러들어온 전류(I)를 바탕으로 저항값(R)을 계산하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    (e) 단계에서,
    저항값
    Figure 112014104302784-pat00067

    1차원 식 ①
    Figure 112014104302784-pat00119

    1차원 식 ②
    Figure 112014104302784-pat00069

    1차원 식 ③
    Figure 112014104302784-pat00120

    의 수식을 기반으로,
    측정된 저항값(R)과 주변 암반의 전기전도도(
    Figure 112014104302784-pat00071
    ), 원형 센서의 반지름(
    Figure 112014104302784-pat00072
    )과 센서의 위치좌표를(known variables) 바탕으로 역해석을 수행하여 네 가지 이상대 변수((unknown variables)
    Figure 112014104302784-pat00073
    ,
    Figure 112014104302784-pat00074
    ,
    Figure 112014104302784-pat00075
    ,
    Figure 112014104302784-pat00076
    )를 도출하는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법.
    (여기서,
    Figure 112014104302784-pat00121
    는 이상대가 막장으로부터 떨어진 거리,
    Figure 112014104302784-pat00122
    는 이상대의 중심 z좌표,
    Figure 112014104302784-pat00123
    는 이상대의 두께,
    Figure 112014104302784-pat00124
    는 신선암에 대한 이상대의 유전율 비,
    Figure 112014104302784-pat00125
    는 신선암의 전기전도도,
    Figure 112014104302784-pat00126
    는 소스센서의
    Figure 112014104302784-pat00127
    좌표,
    Figure 112014104302784-pat00128
    는 리시버센서의
    Figure 112014104302784-pat00129
    좌표,
    Figure 112014104302784-pat00130
    는 센서의 접촉면적을 등가원으로 환산했을 때의 반지름을 의미하고,
    Figure 112014104302784-pat00131
    이고,
    Figure 112014104302784-pat00132
    이며,
    Figure 112014104302784-pat00133
    은 이상대의 중심 x좌표(
    Figure 112014104302784-pat00134
    ), y좌표(
    Figure 112014104302784-pat00135
    ), z좌표(
    Figure 112014104302784-pat00136
    )와 소스센서의 x좌표(
    Figure 112014104302784-pat00137
    ), 소스센서의 y좌표(
    Figure 112014104302784-pat00138
    )로 이루어지는 함수이며,
    Figure 112014104302784-pat00139
    은 이상대의 중심 x좌표(
    Figure 112014104302784-pat00140
    ), y좌표(
    Figure 112014104302784-pat00141
    ), z좌표(
    Figure 112014104302784-pat00142
    )와 리시버센서의 x좌표(
    Figure 112014104302784-pat00143
    ), 리시버센서의 y좌표(
    Figure 112014104302784-pat00144
    )로 이루어지는 함수이다.)
  5. 청구항 4에 있어서,
    (f) 단계에서,
    (e) 단계에서의 역해석 정보
    Figure 112013092736005-pat00077
    ,
    Figure 112013092736005-pat00078
    ,
    Figure 112013092736005-pat00079
    ,
    Figure 112013092736005-pat00080
    를 1차원 식 ①②③에 넣어서 계산된 저항값을 측정된 저항값과 비교함으로써 역해석이 올바르게 수행되었는지 재검토하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 비저항을 이용한 터널 막장 전방 지반조건 예측방법.
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