구조물/지반변이 감지용 스마트 센서(일명 : 반딧불 센서) 및 시스템

1. 구조물/지반변이 감지용 스마트 센서란 무엇인가?

1.1 개발기술 개요

구조물 변이 및 지반 변이가 발생될 소지가 있는 위험블록에 손쉽게 부착하고, 위험을 조기에 감지하여 직관적이고 즉각적인 경보/알람을 위험 현장에서 발생함으로써 인명 및 재해를 최소화 할 수 있는 스마트 감지센서 및 시스템, 일명 반딧불 센서(이하 반딧불 센서)라고 칭함. 평상시에는 센서가 작동하지 않으나 변이가 발생하고 감응이 될 때 반딧불과 같이 LED 조명 등이 반응하는 시스템으로 구성되어 있음.

반딧불 센서의 특징은 크게 다음과 같이 세가지로 나타낼 수 있음. 그림 1은 반딧불 센서의 전체적인 개요도임. 반딧불 센서의 적용현장을 예상하여 지하 굴착 흙막이 현장에 적용하는 사례를 도시한 개략적인 흐름도를 그림으로 표현한 것임. 

● 저전력·간편한 운영

● 설치장소의 환경을 고려하여 경보알람기준 조정 가능

● 초저가·보급형 스마트 조기경보시스템으로 다양한 장소에 적용 가능 

1.2 반딧불 센서의 원리

반딧불 센서의 기본 원리는 고감도 3축 중력 가속도 센서를 이용한다는 것임. 감지원리는 경미한 위치 변화에 따른 센서에 영향을 주는 3축 중력가속도의 변화를 감지하는 것임.

적용 대상 위치가 선정이 되면 위험블록과 대상목표물에 손쉽게 부착할 수 있으며 위험을 조기에 감지할 수 있게 됨. 위험감지가 인지되면 이후에 즉각적인 경보를 알리게 되어 있어 인적피해와 물적피해를 최소화 할 수 있도록 하는 것임. 그림 2는 반딧불 센서에 들어 있는 센서 기판과 기본적인 원리를 나타낸 것임. 

1.3 적용가능 대상

반딧불 센서의 사용처는 구조물과 지반변이가 발생하는 모든 곳에 손쉽게 적용가능하다고 할 수 있음. 그림 3은 개략적으로 적용가능한 곳을 설명한 것임. 생활주변에 위험을 감지할 수 있는 대상물에 적용 가능함. 특히, 건설현장(굴착현장 등), 노후건물, 교량, 건물축대, 옹벽, 철거건물, 문화재, 국립공원 탐방로 낙석위험지역 등 적용대상은 다양하고 널리 활용 가능함.

2. 발열 반딧불 센서 및 연동 시스템(기능성 추가)

2.1 기술 개요

계측센서에 전원을 내장하고 CCTV영상으로 감지센서의 LED와 발열패드의 데이터를 획득하는 시스템을 구현함으로써 전력선/통신선이 없는 계측센서부를 구현하고 센서의 데이터를 딥러닝으로 판단하여 모니터링 센터쪽으로 정보를 제공하는 시스템으로 센싱기술(AI)과 영상감지기술(딥러닝), IoT통신기술을 융합하여 실시간 계측 및 모니터링 하는 것임.

● 전력선, 통신선이 없는 계측센서부

● 시공난이도를 낮추어 시공 위험성 및 설치비 최소화

● 작업자가 상시 위치할 수 없는 장소에 최적화된 시스템

발열감지 반딧불 센서의 기본 개념도는 그림 4와 같음. 기본적인 흐름은 위험을 감지하고 CCTV(열화상인식/딥러닝)기반으로 분석을 하게 됨. 이후 LTE통신(실시간 영상전송)을 통하여 모니터링 센터(선별된 CCTV영상 육안 모니터링)로 전송하여 피해를 줄이고자 하는 것임. 

2.2 적용가능 대상

열감지 반딧불 센서 적용대상 시설물은 구조물 변이가 예상되는 지역이면 모두 가능함. 도로사면, 산사태, 터널입구, 급경사지, 산지인근 주택지, 저수지 제방, 수중 구조물 변이 감지 등에 적용 가능할 것으로 생각함. 그림 5의 현장에서 적용성이 높을 것으로 판단하고 있음. 

3. 반딧불 센서 특성 및 기대효과

3.1 시공성 

반딧불 센서의 가장 큰 장점은 시공성 향상과 원가 절감으로 인한 최소 경비를 투입하여 효과를 극대화 하는 것임. 시공성 향상을 위하여 개발한 개념의 사례는 다음과 같음. 그림 6은 브라켓을 사용한 반딧불 센서의 사례임.

① 필요위치에 따라 설치가 매우 간단함 

② 선정된 위치 표면에 그라인더를 이용하여 표면 녹 또는 이물질 제거함으로써 부착력을 증대시킴

③ 제공하는 센서 결합용 고정 브라켓을 에폭시 이용하여 설치 위치에 간단히 부착 가능함 

④ 센서 결합용 고정 브라켓에 변이 센서를 결합 후 작동함

⑤ 천공이 불필요한 비매립형으로도 가능함 

⑥ 통신선, 전원선 등 부대장비가 없는 단순한 계측센서로 설치공사의 난이도를 낮추고, 작업상의 위험성을 최소화함 

3.2 보급형 저가 센서

반딧불 센서 개발 의도는 고가의 성능보다는 원가절감과 보급형을 기반으로 개발되었음. 사용자가 손쉽게 사용할 수 있도록 보급형 저가센서로 개발되었음(그림 7). 저비용 감지센서로 기존 계측시스템 1 point 감시비용으로 수십 point 위험지역을 감시할 수 있으며, 이러한 가격 경쟁력으로 감지 사각지역, 붕괴 가능성이 있는 다양한 넓은 지역 커버가 가능함.

센서는 주기적으로 관리하기 때문에 운영비가 매우 부담스러운 것이 현실임. 따라서, 이런 경비를 최소화하고자 하였음. 위험 감지를 실시간 반영하고 고성능의 다양성과 기능성 보다는 시인성과 관리 편의성을 추구함으로 인하여 유지관리비를 줄이고자 하였음. 

알람 방식은 설정한 변이한도 기준각도를 넘어설 경우(트리거), 고휘도 LED가 지속 점멸(육안관측 가능 범위: 70m이상)하도록 하였음.

전문가 또는 비전문가도 LED 점등상태를 보고 육안으로 위험을 조기에 직관적으로 감지 가능하도록 함으로 기능성을 향상시킴.

3.3 세부기능과 내구성

반딧불 센서의 세부기능은 표 1과 같음. 알람 기준 및 감지력은 일정 각도 이상 회전시 또는 변이 발생시 위험 징후로 감지함(국가기준에 따라 시설물별 감도 조정 가능).

4. 기존 계측 방식과 차별성 및 적용사례

4.1 차별성

기존의 지반과 구조물에 대한 계측은 장기적인 변이를 계측하기 위한 자동화 계측시스템을 이용하는 방법과 국부변이를 관찰하기 위한 경사계, 변이계 등 수동 계측기기를 주로 활용하고 있음. 자동화 계측시스템의 경우 초기 설치비용이 과다하고, 수동 계측기기의 경우 초기 설치비용은 자동화 계측기기에 비해 저렴하나, 지속적으로 계측데이터 확보를 위한 전문 조사인력이 필요함(많은 유지관리 인건비 소요). 

따라서, 본 반딧불 센서는 변이 발생 될 소지가 있는 위험블록에 손쉽게 부착하여 변이 발생시 즉각적인 경보알람을 발생함으로써 관리자 및 작업자(일반인)가 쉽게 위험 상황인지 가능함. 반딧불 센서는 계측비가 아닌 산업안전보건관리비에 적용 가능함(별첨 1, 2 참조). 

- 전문가 또는 비전문가도 LED 점등상태를 보고 육안으로 위험을 조기에 직관적으로 감지할 수 있는 저비용, 고효율 계측센서로 인명 및 재해를 최소화 하고 운영 및 유지관리비용을 획기적으로 절감할 수 있음.

- 보급형 감지센서로 기존 계측시스템 1 point 감시비용으로 수십 point 위험지역을 감시할 수 있어 고가의 전문화된 계측시스템으로 인해 필요지점 대비 극히 일부만 시행되고 있는 위험지역의 촘촘한 감시가 가능함.

- 비매립형(천공 불필요), 통신선, 전원선 등 부대장비가 없는 단순한 계측센서로 설치공사의 난이도를 낮추어 설치공사비를 대폭 절감하고, 무겁고 복잡한 장비로 인한 작업상의 위험성을 최소화함.

- 기존 계측의 용도가 아닌 위험 감지를 실시간 반영하여 작업자들의 안전을 도모하고 붕괴에 따른 비용/일정 손실을 줄일 수 있음.

- 가격 경쟁력으로 감지 사각 지역, 붕괴 가능성 있는 다양한 넓은 지역을 커버 가능함.

4.2 적용사례

반딧불 센서의 설치는 엄지말뚝 상부에 구조물/지반 변이센서를 일률적으로 설치하여 LED가 점멸시(70m 이상 식별가능) 작업자들은 작업을 중지하고 대피할 수 있도록 고안되었음. 또한, 현장조사 후 기존계측기 미설치 장소에 계측기 설치를 검토 가능함. LED 점멸 주변에 기존계측기가 설치된 곳은 기존계측기 데이터와 비교분석도 가능함.

실제 반딧불 센서가 시공되어 적용성을 검토한 현장 사례는 다음과 같음. 제주도 용암 동굴 중 재암천굴(한림읍 소재)의 천단부 변이 발생을 감지하기 위하여 적용 중에 있음(한국건설기술연구원 설치)(그림 8). 

그림 9는 문화재 주변 석축의 변이 및 붕괴 발생을 감지하기 위하여 설치하여 테스트 하는 현장임. 

반딧불 센서의 홍보에도 적극적으로 시도하고 있음. 2021년에 두 건의 전문학회와 대국민 홍보전시회에 참여하였음. 그림 10은 홍보 전시회 부스 운영사진임.

5. 기타 

반딧불 센서의 특허에 대한 부분도 추진 중임. 현재 특허 등록 중이며 세부사항은 다음과 같음. 

● 발명의 명칭 : 대상물의 변이 감지를 위한 감지센서, 이를 이용한 감시 시스템 및 그 방법

● 출원번호 : 10-2021-0158764

● 출원일자 : 2021년 11월 23일

[초고속교통인프라 시대의 솔루션 - 해저터널]

제2편 해저터널의 주요 건설기술과특징

최근 국가와 국가, 육지와 섬을 연결하고자 하는 노력은 바다 밑을 통과하는 해저터널(Undersea Tunnel)의 기술 발전과 함께 그 실현가능성이 커지고 있다. 이러한 이슈를 배경으로 해저터널을 어떻게 안전하게 그리고 빠르게 굴착하는지에 대한 기술적 관심이 증가하고 있으며, 이미 오래전부터 터널 엔지니어를 중심으로 해저터널에 대한 연구와 기술개발이 상당한 수준으로 발전하기에 이르렀다. 

이러한 관점에서 지난 1편에서는 한국의 해저 터널 건설현황과 특징에 대하여 소개한 바 있다. 이어 제2편에서는 해저터널의 주요 건설기술과 특징을 중심으로 기술하고자 한다.

1. 해저터널 건설에서의 중점 고려사항

터널은 지하 또는 지중을 통과하는 지하구조물로서 교량과 같은 토목구조물과는 다른 특징을 가지고 있다. 이는 자연적으로 만들어진 지하(Underground)를 굴착하기 때문에 상대적으로 잘 모르거나(Unknown) 불확실한(Uncertain) 지질 및 지반조건을 만날 수 있게 되고, 이로 인한 리스크가 매우 크다는 사실이다. 이를 공학적으로는 지질 또는 지반 리스크(Geo-Risk)라 하며 터널공사는 이와 같은 리스크를 얼마나 잘 관리하고 컨트롤 하느냐가 중요한 특징이라 할 수 있다.  

해저터널은 바다 밑을 통과하기 때문에 해수에 의한 상당한 수압이 작용하게 되고, 시공중 또는 운영중에 이러한 고수압 조건을 견딜 수 있도록 설계 및 시공이 이루어져야 한다는 것이다. 또한 지각운동에 의해 발생한 대규모 단층파쇄대(Fault zone)와 같은 열악한 지질조건에서 안전하게 굴착할 수 있는 다양한 시공기술과 공사중 대규모 출수 등과 같은 비상시를 대비한 다양한 대응기술도 요구되고 있다. 특히 지진이 발생할 가능성이 있는 지역에서는 지진에 견딜 수 있는 튼튼한 터널 구조물은 만들 수 있도록 내진기술도 반드시 필요한 기술일 것이다. 

바다 밑을 통과하는 해저터널을 건설하는 경우에 여러 가지 사항을 종합적으로 고려하여야 한다. 표 1에는 해저터널 건설시에 요구되는 주요 고려항목과 각각의 항목에 대한 평가내용을 간략하게 정리하여 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 노선계획, 지반특성, 터널계획, 공법 검토와 시공성, 안전성, 환경영향 그리고 공사비, 공기 및 유지관리 등을 포함하고 있다. 표에서 제시한 고려항목은 계획하고자 하는 해저터널의 특징에 따라 항목을 추가할 수 있으며, 항목별로 가중치를 부과할 수 도록 하여 최적의 해저터널을 건설할 수 있다.

2. 해저터널의 건설 프로세스와 주요 기술  

바다 밑을 통과하는 해저터널을 건설하는 프로세스는 크게 지반조사단계, 설계단계, 시공단계로 구분되는데, 각각의 프로세스에서의 주요 기술에 대하여 간단하게 기술하였다. 

2.1 지반조사 기술  

지반조사는 가장 기본적이며 중요한 과정으로 해저 터널 통과구간과 주변지역에 대한 지질 및 지반특성을 공학적으로 파악하는 절차이다. 하지만 해양에서의 지반조사는 많은 제약과 한계가 있으며, 상대적으로 엄청난 비용이 소요된다는 점이다. 그림 1에는 해양구간에서 수행되는 여러 가지 지반조사기술을 나타내었다.  

2.2 설계 기술

지반조사 결과를 바탕으로 터널을 설계하는 과정이다. 여기에는 해당 지질 및 지반에 적합한 터널공법 선정과 적합한 굴착장비 선정이 가장 중요한 설계항목으로 고수압 조건에 굴진이 가능하고 복합 지반과 단층파쇄대 구간에서의 대응이 가능한 굴진방법과 굴착장비 검토가 종합적으로 수행되어야만 한다. 해저터널의 설계기술은 지질 및 지반특성에 대한 공학적 분석능력과 터널링에 대한 다양한 경험 그리고 기계장비에 대한 전문성이 이 요구되는  프로세스이다. 그림 2에는 고수압 구간에서의 TBM 설계기술의 예가 나타나 있다.

2.3 시공 기술 

지반 조사 및 터널 설계내용을 바탕으로 해저터널을 시공하는 과정이다. 현장 및 주변여건을 반영한 시공계획과 분야별 시공을 위한 전문업체 선정, 공사에 필요한 인원과 자재 등에 대한 계획을 종합적으로 수립하고 시행하도록 한다. 장대화되는 해저터널 특성상 적절한 공기관리가 필수적이므로 굴착장비의 굴진관리가 가장 중요하다. 해저터널은 공사중 안전성 확보가 가장 중요한 이슈이므로 고수압 조건, 대규모 단층대 조건, 열악한 지반조건에 대한 시공중 대응방안이 요구되며, 특히 해수가 대규모로 유입되는 출수에 대한 비상대책이 반드시 수립되어 비상시 안전을 최대한 확보를 할 수 있어야 한다.  

3. 해저터널 건설에서의 핵심기술 

3.1 고수압 조건에서의 굴진기술  

해저터널은 수심과 암토피(Rock cover)에 의해 수압이 결정된다. 일반적으로 최소 암토피 50m 이상을 확보하도록 하고 있으며, 지금까지 시공된 해저터널 대부분은 최소 암토피 50m 이상을 확보하고 있다. 하지만 해저터널이 장대화됨에 따라 수심도 깊어지게 됨에 따라 상당한 정도의 수압이 작용하게 된다. 따라서 수심이 깊을수록, 최대수압이 10bar을 초과할 경우 별도의 터널 굴진비 개선 및 차수보강이 추가적으로 요구되므로 이에 대한 기술적 대책이 수립하는 것이 반드시 요구된다. 그림 4에는 고수압을 고려한 TBM 장비의 예가 나타나 있다. 

3.2 해저구간에서의 차수 및 보강기술 

해저 암반을 굴착할 때 파쇄대와 같은 연약 암반층이 출현하거나 지하수 또는 해수가 굴착공간으로 유입될 경우에는 심각한 상황을 초래할 수 있다. 따라서 이러한 고수압의 위험구간에 적용될 차수 및 보강 기술이 요구된다. 차수를 위한 그라우팅은 터널 주위에 충분한 범위에서 실시될 수 있도록 침투성이 커야하며, 해저 아래의 큰 수압에 저항해야 한다. 또한 연약한 지반에 대한 보강재 역할을 하므로 충분한 강도를 가져야 하며 경화시간이 적당해야 한다. 이러한 제반사항 등을 만족시킬 수 있는 해저지반 및 현장상황에 맞는 그라우팅 재료 및 시공법의 개발이 요구된다. 그림 5에는 해저터널에서의 차수 그라우팅 기술을 적용한 사례가 예가 나타나 있다.

3.3 해저터널에서의 방재 및 유지관리기술 

해저터널 건설이 완료되어 운영될 경우 터널내부와 지상에 이를 관리하고 감시할 수 있는 각종 시스템이 구축된다. 즉 배수설비, 환기설비, 전기설비, 조명설비, 수송설비, 계측설비 및 방재설비가 터널 내에 설치되고 이와 관련된 지상의 운영시스템이 구축되게 된다. 이 중에서 환기설비, 방재설비 및 계측설비는 터널의 안전성과 인명사고 등의 대형사고를 방지할 수 있는 중요한 설비이다. 해저 터널은 일반적으로 장대터널이며, 지상으로 통하는 공간이 입·출구부 외에는 존재하지 않는다. 따라서 터널 내에서 발생하는 화재를 예방하고 감지할 수 있는 조기 경보장치 및 방재 시스템 구축이 필요하며, 터널 내의 대피공간을 확보해야 한다. 또한 운행되는 차 량에서 배출되는 배기가스의 농도를 측정하여 유입량을 조절할 수 있는 자동 유입량 산출 시스템의 구축이 필요하다. 그리고 터널의 안정성을 점검하기 위하여 해저터널 변형상태를 실시간으로 계측할 수 있는 모니터링 시스템의 개발이 필요하다. 그림 6에는 해저터널에서의 방재기능과 설비를 적용한 사례가 예가 나타나 있다.  

4. 해저터널 건설기술의 특징과 과제 

해저터널의 건설기술은 육상에서 터널과는 매우 다른 새로운 개념의 건설기술이라 할 수 있다. 육상과 달리 해저는 건설시 지반 상태에 따라 매우 높은 수압이 작용할 수 있어, 이때 안전하고 경제적인 설계 및 시공기술은 기존과 다른 새로운 기술 분야라 할 수 있다. 실제로 국내외적으로 도서와 대륙을 연결하기 위한 대형 프로젝트들이 계획 및 진행되고 있으므로 이와 관련된 기술을 종합적으로 검토하고 필요한 핵심 기술에 대한 개발이 요구되고 있다. 해저터널에 대한 주요 기술을 정리하면 다음과 같다. 

● 고수압에 대응 가능한 고난도 굴진기술

해저터널이 장대화 됨에 따라 상대적으로 수심이 깊은 구간을 통과하게 된다. 이러한 경우 상당한 정도의 수압이 작용하게 되고 고수압에 대응 가능한 터널 굴진기술이 요구된다. 지금까지 고수압에 대응하기 위한 여러 가지 기술들이 개발되어왔지만, 10Bar 이상에서의 굴진경험은 제한적이기 때문에 보다 차별화된 특수한 기술들이 구축되어 해저터널에 적용 가능하도록 하여야 할 것이다.    

● 고기능 방재성능을 고려한 방재 안전기술

해저터널이 장대화됨에 따라 비상사태 발생시에 필요한 비상탈출구 등이 다수 요구되나, 해저 구간이라는 특성으로 인하여 지상으로 통하는 공간이 입·출구부 외에는 존재하지 않는다. 따라서 해저터널 운영중에 발생할 수 있는 화재 등과 같은 사고에 대응할 수 있도록 고기능 방재성능을 구축한 안전기술이 요구된다.      

● 멀티 복합기능을 고려한 초대단면 시공기술  

해저터널은 교통인프라기능을 가진 메가 프로젝트로서, 한번의 시공으로 여러 가지 목적을 달성할 수 있도록 다양한 복합기능을 가진 대단면화가 요구되고 있다. 현재 시공 가능한  복층 구조(Double deck)기술을 포함하여 향후 초대단면 특성을 고려한 3층 구조(Tripple Deck) 기술도 요구되고 있다. 또한 현재의 15m급 TBM 장비기술이 향후 20m급의 TBM 장비가 개발되고 적용되도록 해야 한다.   

● 초장대 터널건설에 요구되는 급속 굴진터널 

해저터널이 장대화됨에 따라 공기 등을 만족하기 위해 더욱 빠르게 굴착해야만 한다. 해저터널은 육상 터널과는 달리 인공섬을 만들지 않는 경우 별도의 작업구(수직구 등)를 만들 수 없기 때문에 급속 굴진기술은 해저터널에서 반드시 요구되는 기술이다. 굴진속도는 지질 및 암반 상태와 굴착장비의 성능에 좌우되므로 해저 암반에 적합한 장비 개발과 운영기술이 요구된다. 

참고문헌

1. 해저터널 기술 현황 - 국내외 현황 및 특징, 한국터널지하공간학회 학회지, 2007  

2. 해저시설물 차폐기술 개발 연구보고서, 건설교통부 한국건설교통기술평가원, 2008 

3. 해저터널 기술개발  동향 - 해저터널건설기획, 해저터널연구단, 2012

4. 해저터널의 건설 현황과 전망 그리고 과제, 해저터널 공동심포지엄, 김영근, 2021

본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다