1. 서 론

국내에서 설계되고 있는 대부분의 터널 라이닝은 구조체로서 지반조건에 따라 상이하기는 하지만 일정한 하중이 작용하는 형태로 설계가 이루어진다. 따라서 내구년한 동안 터널 라이닝이 충분한 하중을 지지할 수 있도록 설계가 이루어지는 것이 일반적이다. 하지만 시간의 경과에 따라 예기치 못한 열화현상이나, 구조적 하중으로 인한 균열의 발생 등은 결국 터널라이닝에 균열을 유발하며 최종적으로는 구조물의 수명주기를 단축하는 경우가 있다.

터널의 유지보수에 있어 터널 점검은 초기단계이며 중요한 단계중의 하나이다. 주로 터널 점검은 사람에 의해 수행이 되며 목측에 의한 라이닝의 상태 파악과 강도 및 탄산화 측정이 라이닝의 건전도 평가의 중요한 방법이다. 특히 라이닝의 표면 점검은 주로 시각적인 평가에 의해 이루어지므로 정량화된 지표의 설정 및 다수 검측데이터의 비교분석이 어려운 상황이다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 최근에는 영상 및 레이저 기반의 터널 스캐닝 기술을 이용하여 터널의 상태를 평가하기 위한 다양한 기술이 적용되고 있다 

3차원 레이저 스캐닝 기술은 시공된 터널의 형태에 대한 조사(Pejic 2013, Argüelles-Fraga 2013), 시공중 및 시공직후 모니터링을 통한 터널 거동 분석(Nuttens et al., 2014), D&B 방식에 의한 터널 굴착시 굴착의 정밀도, 암반상태에 대한 정보제공(Fekete S. et al., 2010)등이 연구되었다. 이처럼 레이저 스캐닝을 통해서 3차원의 공간좌표를 획득하므로 주로 시공중 혹은 시공후의 모니터링에 주로 많이 활용되어 왔다. 또한 운용중인 터널내 부착물 및 조명등에 대한 점검 등의 목적으로도 사용되어 왔다(Puente et al., 2014)

이외 다양한 이미지 기반의 터널 라이닝 균열에 대한 연구도 수행되었는데 Lee et al.(2013)은 2D 조건에서 획득된 이미지의 모자이크화 및 보정을 통하여 왜곡된 영상의 정밀도를 높인 상태에서 해당 영상내에서 확인되는 균열을 측정하는 방법을 제시하였다. 비록 해당 기법을 적용하더라도 한 영상당 차지하는 면적이 크므로 영상의 왜곡을 피할 수는 없을 것으로 판단된다. 최근 들어서는 영상과 레이저의 장점을 결합하여 터널 유지보수시 고해상도의 영상 및 레이저 장비를 탑재한 터널 스캐닝장비가 등장하고 있다. Gavilan et al.(2013)에 의하며 최대 시속 30km까지 이동이 가능하며 동시에 레이저를 통한 단면의 공간정보획득이 가능한데 이때 측정오차 0.5mm까지 가능하며 영상정보를 통해서는 라이닝의 상태평가가 가능하다. 이외 Montero et al.(2015)등에 따르면 다양한 터널점검 기법 및 자동화 장치를 이용한 터널점검 기술에 대하여 기술을 하고 있다. 자동화 장치를 이용하더라도 해당기술의 기반이 되는 내용이 결국에는 영상과 레이저 센서 기술이다. 향후 자동화를 위해서라도 영상 및 레이저 기반기술의 성숙도가 지원되어야 하며 그 이전에 해당 기술에 대한 적극적인 활용이 선행되어야 한다.

따라서 본 연구에서는 상시점검의 목적이 아니라 특별한 이벤트가 발생한 현장에 대한 적용결과이다. 기존의 터널유지관리 계측과 레이저 스캐닝 기술을 활용하는 기술간의 연계성을 바탕으로 특별한 이벤트 발생구간에 대한 점검 및 분석결과를 제시하였다.

2. 공사에 따른 터널 라이닝의 상태변화

본 논문에서의 조사현장은 기존 터널 직상부에 지하보도 설치공사 구간의 한 부분으로서 현재 운행중인 터널의 천단부에서 약 12m 이격되어 있다. 운영중인 기존역사와 지상구간을 연결하는 연결통로이므로 상대적으로 굴착심도가 그리 깊지 않으며, 지반의 조건도 보통암 이상 수준으로써 상대적으로 양호한 현장여건이다. 터널 직상부에 지하보도가 시공되는 구간은 전체 연장이 약 100m 수준이며, 폭은 터널의 폭과 유사한 크기이다. 굴착상황과 터널의 위치는 Fig. 1에서 확인할 수 있다.

해당구간에 지하보도 신설을 위하여 지상부에서부터 개착을 시작하였으며 개착을 위하여 가시설을 Fig. 1에서와 같이 설치하였다. 가시설 설치이후 장비를 이용하여 연암 및 보통암 수준의 암층을 파쇄하면서 굴착을 진행하였다. 이러한 과정에서 가시설 설치위치에서 5.3m 이격된 터널 라이닝에서 균열이 발생하였다.

Fig. 2는 평면도를 나타내고 균열의 발생위치는 복선터널에 확폭부 직전에 발생함을 알 수 있다. 균열의 발생위치와 현장의 상황을 종합적으로 고려해 보면 균열의 발생가능성은 다음과 같이 정리할 수 있다.

지상부에서 가시설 설치를 위하여 엄지말뚝을 항타로 시공하였으며, 해당 시공과정에서 충격파가 기 운영중인 터널 라이닝에 작용한 것으로 추정된다. 이때 확폭부 직전위치에서 균열이 발생한 사유는 Fig. 3에서와 같이 균열이 발생한 위치가 일반적인 터널 라이닝 타설구간이 아니라 상대적으로 라이닝 스팬이 짧은 구간이다. 해당구간에서 콘크리트 라이닝 타설시 사용된 강재 라이닝 폼을 이용하기 보다는 임시로 제작된 라이닝 폼을 사용했을 가능성이 높다. 따라서 충분한 시공의 질을 확보하기 어려운 상황으로 판단된다. 따라서 작은 충격에도 라이닝에 균열이 발생한 것으로 판단된다.

균열이 발생한 형태는 Fig. 4와 같으며 신규로 발생한 균열에 대해서는 균열계를 설치하여 시공에 따른 균열의 발전 양상을 지속적으로 모니터링 하고 있다.

3. 레이저 스캐닝 기술을 이용한 터널 라이닝 상태 및 변상평가

3.1 레이저스캐닝 기술

터널 직상부 공사로 인하여 변상이 발생한 터널에는 내공변위계와 균열계의 설치와 더불어 레이저 스캐닝 기술을 이용하여 상태를 점검하였다. 내공변위계는 균열이 발생한 인접구간에 기 설치되었으며 균열계는 균열발생이후 관측된 균열에 부착되어 균열의 진행성을 확인하였다. 그리고 레이저 스캐닝 기술로는 균열의 발생으로 인한 라이닝의 변형유무를 목표로 수행되었다.

해당구간에 적용한 레이저 스캐너는 GRP 1000과 5000을 사용하였다. GRP 1000 시스템을 이용하여 궤도의 변형을 측정하였으며, GRP 5000 시스템으로는 터널에 대한 3차원 스캐닝을 실시하였다. GRP 5000에 적용되는 레이저 스캐너는 독일 Z+F사의 제품을 사용하는데 거리측정 정밀도가 25m 거리에서 반사율 10% 타겟 측정시 3mm 수준이며 10m 거리에서는 1.2mm 수준이다. 또한 데이터 측정속도는 1초당 최대 500,000점 측정이 가능하다. 레이저 스캐닝을 통해서 획득되는 포인트 클라우드로부터 두가지 형태의 정보를 획득할 수 있다. 3차원 공간좌표 데이터의 분석을 통하여 여러 위치에서의 터널의 단면의 제작이 가능하며, 또한 반사되는 레이저 신호의 반사강도값과 공간좌표값의 접목을 통하여 3차원 이미지의 제작도 가능하다.

터널은 기다란 원통형의 기하학적 특성을 가지고 있으므로 터널내에서의 레이저 스캐닝 결과를 2차원 평면상에 알기 쉽게 표현하기 위해서 터널의 설계 단면 프로파일을 직선으로 펴서 그 직선상에 측정 결과를 투영하는 방식으로 표현할 수 있다. 이때 터널 천단부를 기준으로 1축의 좌표를 삼고, 터널 스테이셔닝을 직교축으로 하여 2차원 평면상에 결과를 표시한다.

현재까지 2차에 걸쳐서 레이저스캐닝을 수행하였으며 반사강도 이미지로 표현된 스캐닝 결과는 Fig. 7과 같다. Fig. 7에서와 같이 반사강도 이미지만으로도 카메라 영상과 유사한 형태로 표현할 수 있다. 다만 고해상도의 영상과 같이 미세한 크랙을 표현하기에는 한계가 있다. 그 이유는 레이저 스캐너로 획득되는 데이터는 촘촘히 배열된 포인터 데이터로서 측정하는 해상도에 따라 차이가 나겠지만 개별 포인터 간의 간격이 발생한다. 결국 이 간격의 크기에 따라 반사강도 이미지의 해상도 차이가 발생한다. 운용중인 터널내에서 제한된 작업시간으로 인하여 고해상도의 스캐닝작업을 수행하기에는 한계가 있으므로 표현되는 이미지 또한 고해상도의 영상과 같이 표현하기에는 다소무리가 있으나 터널내부의 상태 및 부착구조물의 종류 및 형태, 라이닝의 상태 등은 확인이 가능한 수준이다.

이미지형태와 더불어 3차원 좌표값으로부터 여러 위치에서의 단면 프로파일의 획득이 가능하다. 도출된 단면프로파일의 형태는 Fig. 8과 같다. Fig. 8은 2차에 걸쳐 수행된 측정결과 14K770 위치에서의 상대변위 값을 나타내고 있다. 균열이 주로 발생한 터널 상단부의 경우 최대 변위차가 4mm 수준으로 오차범위 이내의 측정값이므로 균열이 비록 일부 발생하였더라도 터널단면의 형태변화 측면에서는 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

이러한 결과는 인접해 있는 내공변위계와 균열계의 계측결과에서도 확인할 수 있는데 초기 균열이 발생한 이후 진행된 내공변위 및 균열폭의 진행 양상은 아주 미미한 수준임을 알 수 있다. 

다음 Fig. 9는 14K770 구간에 설치된 균열계와 내공변위에 대한 결과이다. 계측기별 1차 관리기준(균열계 : ±0.2mm, 내공변위계 : ±3mm) 이내에서 변위가 안정적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 균열계의 경우 굴착공사 진행에 따라 균열이 지속적으로 증가하고 있는 경향을 나타내고 있는 상태이며, 내공변위계는 X축 방향의 변위가 Y축 방향의 변위보다 크게 발생되고 있음을 확인하였다.

본 구간은 철도역사 인근이므로 터널의 변상에 따른 궤도에 미치는 영향 또한 조사하였다. GRP 1000을 이용하여 검측구간 내에서의 궤간의 변화, 수평 및 수직 변위, 캔트의 변위 등을 검측하였다. 해당결과는 그림 10에서 확인할 수 있으며 전체적으로 오차범위이내의 값이 계측되었다.

4. 결 론

(1)본 연구에서는 터널 단면 상에 발생하는 균열 및 변상 등을 파악하고 관리하는데 있어 기존에 널리 적용되는 내공변위계 및 균열계 이외에 3차원 레이저 스캐닝 기법을 적용하였다. 운행중인 지하철 터널의 상부 굴착시공 현장을 대상으로, 기 설치된 내공변위계 및 주요 균열부에 신규 설치한 균열계를 이용하되, 전체 터널 라이닝 단면을 대상으로 3차원 레이져 스캐닝을 수행하고 그 결과를 기존의 외관망도 형태와 동일한 2차원 전개도 형식으로 표현하여 전체적인 균열 및 변상 관리를 수행하였다.

(2)연구대상 현장에서 총 2차례에 걸쳐 터널 라이닝 단면에 대한 3차원 레이저 스캐닝을 수행하였다. 운행중인 지하철 터널 상부에 지하차도 공사를 위하여 시공된 가시설 및 터파기 공사중에 발생한 터널 내 균열에 대한 검측결과, 균열의 정확한 발생 원인이 파악되지 않은 상황에서 공사로 인하여 발생한 균열의 발전여부에 대한 모니터링을 위하여 내공변위계, 균열계, 그리고 3차원 레이저 스캐닝 기술을 이용하여 종합적인 검토를 수행하였다. 이를 통해 전체 변상에 대한 정량적 관리 및 터널 단면의 변위거동, 세부 균열에 대한 확장 여부 등을 효과적으로 판단할 수 있었다.

(3)균열발생이후 추가공사에도 불구하고 내공변위계와 균열계에서 계측된 결과값들은 내공변위의 의미있는 발생이나 균열의 추가진전을 나타내고 있지는 않고 있다. 이와 더불어 3차원 레이저 스캐닝의 결과에서도 확인할 수 있듯이 1차 및 2차 계측결과로부터 도출된 내공단면의 변위양상은 계측기의 오차 수준이내임을 확인할 수 있었으며 또한 터널 라이닝의 변상으로 인한 궤도의 변형여부를 확인한 결과 큰 특이사항은 발생하지 않았음을 확인하였다.

(4)유지관리 차원의 안전진단 또는 인접시공에 대한 기존 터널의 안정성 평가 등을 목적으로 수행되는 각종 점검에서는 터널 라이닝 단면에서의 균열 및 변상을 대상으로 그 형태와 규모를 인력에 의해 주기적으로 표기하는 외관망도 작업을 하고 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 일정 기간별 세부 균열 및 변상에 대한 변화를 정확히 표현하는데 한계가 있으며, 균열 및 변상의 수가 많아진다면 이에 대한 정량적 관리가 불가능해 지는 기술적 한계가 있다. 이러한 상황에서 본 연구에서와 같이 기존 내공변위계 및 균열계에 3차원 레이저 스캐닝 기법을 접목시킴으로서 전체적인 균열 및 변상관리의 정확성을 향상시킬 수 있으며 다수의 특정 손상에 대한 정량적 추적관리가 가능함을 알 수 있었다.