1. 서 론
1)도심지 지하에 매설된 대형 하수박스암거는 강우 유출수의 유하를 목적으로 설치한 사각형거 시설물 또는 기존 자연형 하천수로를 단면형으로 복개한 통 수로를 의미한다(KWWA, 2010). 최근 사회적인 문제 가 되고 있는 도로면 싱크홀을 예방하기 위해 제정된
‘지반침하 안전관리 매뉴얼’에 따르면 신설공사에 기 인한 주변 지반침하 발생현상을 제외하고는 대부분 상·하수관로에서의 누수가 지반침하의 직접적인 원인 이므로 이를 잘 관리해야함을 명기하고 있다(MOLT, 2015). 대형 하수박스암거는 기능상실시 지반침하뿐
Received 30 October 2017, revised 6 December 2017, accepted 7 December 2017
*Corresponding author: Sangjong Han (E-mail: [email protected])
만 아니라 도심지 내배수침수를 야기하기 때문에 핵 심관리대상 인프라 구조물로 구분할 수 있다.
통상 800mm 이하 소구경 하수관로의 경우에는 CCTV 탐사로봇을 맨홀에 투입하여 원격으로 조사하 고, 수집된 결함자료를 하수관로 조사·판독 매뉴얼에 따라 진단하고 유지관리를 위한 의사결정을 한다 (MOE, 2011; WRc, 2001; NZWAA, 2006; WSAA, 2008). 그러나 대구경 하수박스암거인 경우에는 조사 자가 통행이 가능하기 때문에 육안조사를 기본적으로 수행하도록 하고 있으며(KWWA, 2011), 탐사로봇을 통한 자료수집을 하려고 해도 조사대상물은 내면이 넓고 사각이어서 광학적 촬영 및 데이터베이스화가 한계가 있다. 또한 바닥면은 퇴적토나 상시 하수유량 의 수위 제약조건 때문에 탐사로봇의 주행도 제한적
대형 하수박스암거의 속성 데이터베이스 구축을 위한 결함유형 평가
Evaluation of Defect Types for Characteristic Database Construction of Large Sewage Box Culverts
한상종*･송호면
Sangjong Han
*･Homyeon Song
한국건설기술연구원 환경․플랜트연구소
Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Environmental and Plant Engineering Research Institute
ABSTRACT
As the 3D laser scanning technology capable of databaseing large sewage box culverts becomes possible, it is necessary to develop a standardization manual that can clearly distinguish the structural and operational defect types of box culver and analyze the defect data. In this study, we collected and analyzed defects in sewage box culverts of 14,827m in total by selecting three districts in Korea. The major defects were surface damages, and their defect densities were 2.17 m
2/m, 0.27 m
2/m and 0.10 m
2/m for aggregate exposure, Steel reinforcement exposure, and Steel reinforcement projecting. In order to support the decision of the box culverment management, it was divided into five grades and each defect code and defect score were allocated. The results of this study are useful for the diagnosis of the sewage box culverts in Korea and it is expected to support a decision making for management.
Key words: Sewage Box Culvert, 3D Laser Scanning, Defect database, management decision making, Defect score
주제어: 하수박스암거, 3D 레이저 스캐닝 , 결함 데이터베이스, 유지관리 의사결정, 결함점수
이다. 따라서 아직까지 국내 지자체 GIS기반 하수도 관리시스템내에 문서화 되어 있는 하수관로 상태평가 데이터베이스는 주로 관경 800mm 이하의 원심력철근 콘크리트관에 국한된다.
그러나 최근 국제적으로 Sonar, Laser scanning 신형 장비를 통하여 대구경 관로를 탐사하는 기술이 정착 되고 있고(Gomez, F. et al., 2006; Lepot, M., 2017), 국 내에서도 Laser scanning과 IMU를 결합한 3차원 원격 탐사장비를 개발에 착수하는 등(Lee, 2017) 대형 하수 박스암거의 3차원 조사자료가 데이터베이스로 기록될 수 있는 환경이 조성되고 있다.
기존 중소구경 원형 하수관로의 결함 데이터베이스 관련된 선행연구로서, Han 등은 흄관의 균열 결함군을 상세정의하고 각각에 대한 심각도 평가를 수행한 바 있 으며(Han et al., 2013a) , 흄관의 이음부 결함에 대한 발 생원인과 각각의 결함에 대한 심각도 가중치를 제안한 바 있다(Han et al., 2013b). 이러한 연구 결과들은 국내 환경부 제정 ‘하수관거 상태평가 판독 매뉴얼’의 결함 구분 및 결함점수 개정에 반영되어 국내 매설된 흄관기 반 하수관로를 정량적으로 판독할 수 있도록 기여하였 다(MOE, 2017). Son 등은 외국 4개의 CCTV 조사 매뉴 얼을 참고하고 국내 하수관로 결함빈도 분석을 통한 CCTV 조사 결함항목 코드를 제안 하였고(2016), Kim 등은 2011년 환경부에서 제정한 하수관거 판독매뉴얼 (MOE, 2011)을 보완하여 하수관로의 결함항목들을 추 가하고 점수를 수정보완 제시하였다(2017).
대형 하수박스암거는 ‘시설물안전관리를위한특별 법’에 의거하여 ‘안전진단 세부지침 해설서’의 수문편 을 참고로 안전진단을 실시하고 있는 실정이다(Han S.
and Song, H., 2016). 그러나 수문구조물은 댐의 방류 구조물로서 암거, 날개벽, 수문 등의 고유 중요시설을 종합적으로 포함하도록 되어 있어서 안전진단메뉴얼 을 통해 하수박스 암거를 진단평가하기에는 부족한 부 분이 있다. 또한 환경부 제정 ‘하수관로·맨홀 조사 및 상태등급 판단기준 표준매뉴얼’로 결함을 판독·평가하 기에도 부족한 면이 있다(MOE, 2017). 그 이유는 결함 코드구분이 흄관에서 발생되는 결함을 기반으로 작성 되어 있기 때문에 하수박스암거에서 발생되는 결함군 들과는 상당히 다른 특성을 가지고 있다는 것이다.
따라서 본 연구의 목표는 대형 박스암거에서 실제적 으로 발생하는 여러 결함사례를 조사 및 분석하고, 각 결함별 구조적 심각도 가중치를 제시하는 것이다. 이를
통하여 향후 원격 3D 탐사장비를 통해 결함 데이터를 용이하게 수집하고 , 수집된 결함데이터를 심각도 평가를 자동수행하고 , 정비 소요물량을 누계하는 등 관리자에게 유지관리 의사결정을 지원할 수 있도록 하는 것이다.
2. 연구수행방법
2.1 3차원 Laser Scanning 데이터 취득 및 저장 기술
최근 Laser scanning 기술이 발달함에 따라서 지하 하수박스암거에서 탐사할 수 있는 3D laser scanning 탐사장비가 실용화단계에 진입하였다. 본 장비는 지 상 맨홀로부터 박스암거로 투입하여 주행하면서 촬영 하여 외부로 연결된 모니터를 통해 이상항목을 스캐 닝하고 그 데이터를 취득하는 것이다. 일반적으로 하 수관거 조사용 CCTV보다 크기가 크며 암거 중심에서 스캐닝할 수 있는 3D레이져 스케너와 정확한 위치측 량을 위한 IMU가 장착되어 있는 것이 특징으로 한다.
탐사장치는 다음 Fig. 1에서 제시하는 것과 같이 직접 적으로 박스암거내부를 촬영하는 촬영장치(카메라부, 저장부)와 조명부, 결함의 정확한 위치를 파악하기 위 한 거리측정부로 나누어진다.
① 3D laser scanner
② Inertial measuring device
③ Video recording device
④ Lighting equipment
⑤ Remote sensing equipment body
⑥ Remote sensing equipment wheels
Fig. 1. 3D laser scanning equipment for inspecting large sewer
box.
박스암거용 탐사장치의 최소 요구사양은 박스암거 내부의 다양한 결함항목들을 왜곡없이 촬영·저장할 수 있도록 90만 화소 이상을 가져야 하고, 결함항목을 진단할 수 있도록 자연광에 가까운 1000루멘(lm) 이상 의 조명(LED)이 필요하다. 또한 박스암거 내부를 연 속적으로 균일하게 촬영할 수 있도록 주행장치의 동 력원과 촬영된 동영상 또는 3차원스캐닝 데이터가 원 활히 전송될 수 있어야 한다. 3D 탐사장비의 데이터 취득순서는 다음 Fig. 2와 같이 투입된 탐사장비를 통 하여 레이져 스캐닝을 실시하고, 포인트 클라우드(점 군데이터)를 수집하여 먼저 정밀도 검사를 실시한다.
수집된 포인트 클라우드는 오차보정을 통한 정·병합처 리를 실시한다. 궁극적으로 각각의 점군데이터는 GPS 좌표값이 존재하는 Laser scanning data로서 존재하게 된다. 이러한 취득 데이터베이스는 대형 박스구조물내 각각의 결함을 판독하기 위한 시각적 자료를 제공할 뿐만아니라 퇴적토량, 결함면적과 같이 정비물량산출 에 필요한 정량적 데이터를 제공할 수 있게 된다.
2.2 대형 박스암거의 조사지역 선정 및 자료 수집
본 연구에서 대형 박스암거의 결함 데이터는 과거 의 육안조사를 통하여 수집된 결함사진 촬영자료를 활용하여 결함군을 분석하였다. 대형 박스암거의 결 함데이터 수집지역은 서울특별시 3개구를 표본으로 하였다. 서울특별시에 매설된 하수박스암거의 연장은 2015년 하수도 통계상 총 1,368km로서 우리나라 전체 하수박스암거 연장의 약 14%를 차지하며, 그 중 합류 식 하수박스 암거연장 비율로만 계산하면 약 25%를 차지한다(KWWA, 2017).
표본조사구간은 다음 Table 1과 같이 서울시 S구 6,917m, M구 1,555m, G구 6,355m의 하수박스 암거로 서 정밀안전진단 수행시 육안조사를 통해 수집된 결 함 사진데이터를 확보하여 분석에 활용하였다 (Kim D.N, 2015; Kim, S.H., 2015; Kim, Y.M., 2015). 하수박 스암거의 내용년수는 내구연한이 30년 초과된 관거가 전체 조사·분석연장의 89%를 차지하였다.
Fig. 2. Acquisition procedure of 3D laser scanning data.
3. 연구수행결과
3.1 대형 하수박스의 결함 특성 구분
대형 하수박스의 결함군은 크게 균열결함, 부식성 결함, 연결관 주변 결함, 바닥면 세굴, 퇴적토 등으로 구분할 수 있었다. 다음 Fig. 3과 같이 균열은 결함발 생위치에 따라서 종방향 균열, 횡방향 균열로 구분되 고, 심각도에 따르면 균열, 균열 및 백태현상, 균열 및 누수현상이 동시에 발생하는 사례로 구분되었다. 부 식성 표면손상 결함의 위치는 슬래브와 측벽부로 구 분 가능하고, 심각도 측면에서는 골재노출, 철근노출 및 박락, 철근돌출 및 박락 등으로 구분할 수 있었다.
다음 Table 2는 원심력철근콘크리트관에서 발생되는 결함특성을 기존의 결함기준으로 삼고 박스암거에서 발생될 수 있는 결함특성을 구분하여 결함코드를 재정
립하고 신규로 필요한 결함특성을 표시하였다. 기존 환 경부 제정의 원심력콘크리트관의 결함코드를 그대로 활용할 수 있는 결함은 연결관 돌출 (Lateral, Protruding), 연결관 주변 결함(Lateral, Faulty) 이음부 결함(Joint, Faulty), 영구 장애물(Permanent Obstruction), 토사퇴적 (Debris, Silty) 등이 해당되었다. 반면 원심력철근콘크리 트관에서만 발생되는 전형적인 결함특성인 이음부 이 탈(Joint, Open), 이음부 단차(Joint, Displaced), 관파손 (Pipe, Broken), 관 함몰(Pipe, Collapsed)등은 박스암거에 서 발생되지 않으므로 상태평가시 항목을 제외해야 할 것으로 판단되었다. 또한 운영적 결함으로서 내피생성 (Deposits, Encrusted), 폐유부착(Debris, Greasy), 나무뿌 리 침입(Roots intrustion)등은 박스암거의 특성상 사례 를 찾을 수 없었다. 한편 하수박스암거에서 전형적으로 발견된 결함으로서 바닥면 세굴현상(Floor erosion)이 목 Table 1. Sewer box lengh and installation year
Area Sewer box type Sewer box size Sewer box length Installation year
S-Gu RC ▣ 1.5×1.5m ~ 2
▣ 2.4×2.4m
5,558 Before 1980
1,359 1989~1991
M-Gu RC ▣ 1.0×1.0m ~ 3
▣ 2.5×3.5m
1,241 Before 1980
314 2005
G-Gu RC ▣ 1.0×2.0m ~ 2
▣ 3.0×2.0m 6,355 Before 1985
Fig. 3. Defects on sewer box culvert.
격되었고, 철근방청 및 손상벽면을 보수하기 위한 단면 보수(Repaired surface)의 흔적이 다수 발견되었다.
안전진단 세부지침 해설서의 수문편에 따르면 균열 폭이 0.3 mm 이상일 때 결함손상으로 규정하고 있으나 본 탐사장비는 무인탐사장비로서 정밀한 측정판독은 불가능하다. 본 결함구분은 향후 3D 원격탐사장비로 충 분한 정밀도로 관측하여 결함을 구분할 수 있을 것인지
를 결정해야 할 것이며, 본 연구에서는 국내·외 하수관 로 CCTV탐사장비로 취득가능한 범용적인 최소균열 2 mm를 균열결함의 기준으로 삼았다(JSWA, 2007;
KWWA, 2011). 본 방법에 따른 향후 유지관리 수행전략 으로서 지자체에서는 원격탐사장비로 조사데이터 수집 분석결과를 활용하여 정밀안전진단 및 단면보수가 우 선적으로 필요한 구간들을 추출할 수 있다.
Table 2. Development of defect codes for box culvert
Defect types for hume pipe Review the availabiltity of box culverts Defect types for box culvert Defect code
Lateral, Protruding Acceptable Lateral Protruding LP
Lateral, Faulty Acceptable Lateral, Faulty LF
Joint, Open Not occurred -
Joint, Faulty Acceptable Joint, Faulty JF
- Additional defect type Box culvert, Bend BB
- Additional defect type Section Reduction SR
Crack, Longitudinal
Acceptable but need to revise and distinguish by detailed terms
Crack (Longitudinal,
Transversal and Multiple) C(L,T,M)
Crack, Circumferential Crack and Efflorescence CE(L,T,M)
Crack, Multiple Crack and Infiltraion CI(L,T,M)
- Additional defect type Efflorescence E
Sags Acceptable but need to change
terminology Negative Slope NS
Pipe, Holed Acceptable but need to change
terminology Box culvert, Holed BH
Surface Damage (Small, Medium, Large)
Acceptable but need to distinguish by detailed terms
Aggregate Exposure AE Steel reinforcement Exposure
and spalling SE
Steel reinforcement Projecting
and spalling SP
- Additional defect type Floor Erosion FE
Pipe, Broken Not occurred - -
Pipe, Collapsed Not occurred - -
Permanent Obstruction Acceptable Permanent Obstruction PO
Pipe Deformation Not occurred - -
Protective lining defective Not occurred Repaired Surface RS
Repaired surface, Failure RSF
Debris, Silty Acceptable Debris, Silty DS
Deposits, Encrusted Not occurred - -
- Additional defect type Construction Debris CD
Debris, Greasy Not occurred - -
Roots Intrustion Not occurred - -
- Additional defect type Soil Ingress SI
3.2 하수박스의 결함 빈도 분석결과
서울시 표본조사 대상지역 3개구의 총 14,827m 하 수박스암거에서 발생되는 결함을 수집 분석한 결과 다음 Fig. 4와 같이 집계되었다. 가장 발생빈도가 높은 결함은 부식성 결함으로서 슬래브 및 벽면손상 결함 군들(AE, Aggregate exposure; SE, Steel reinforcement exposure and spalling; SP, Steel reinforcement projecting and spalling)과 바닥면 세굴 (FE, Steel reinforcement projecting and spalling) 결함이며, 각각은 전체 결함물 량의 81.0%와 9.3%를 차지하였다.
Fig. 4. Defect quantity analysis.
본 조사구간에서 수집된 자료중 박스암거내 표면손 상 결함의 전형적인 노후화 사진을 다음 Fig. 5에서 나 타냈다. 표면손상이 진행되는 하수박스암거의 고유 현 상은 슬래브 층에서 콘크리트 벽면층 탈리·박락이 가속 화되는 것이었다. 골재노출(AE, Aggregate exposure)은 하수박스암거의 콘크리트 벽면조도가 거칠어진 이후의 단계로서 , 골재가 노출 또는 돌출되어 있을 때의 결함현 상이다 (Fig. 5, AE). 본 결함조사시 총 32,220 m
2의 결함 면적이 산출되어 단위 m당 환산시 2.17 m
2/m의 결함밀 도를 보였다. 철근노출(SE, Steel reinforcement exposure and spalling)현상은 철근 주변에 콘크리트가 탈리·박락 되지만 보강철근 내면까지 확장되지는 않은 상태로서 철근이 보이는 상태이다(Fig. 5, SE). 철근돌출(SP, Steel reinforcement projecting and spalling) 현상은 보강철근 안쪽 면까지 콘크리트가 탈리·박락되어 보강철근의 부 식성이 상당히 진행된 상태이다(Fig. 5, SP). 본 조사시 철근노출은 3,985 m
2, 철근돌출은 1,485 m
2의 물량이 집 계되어 각각 0.27 m
2/m, 0.10 m
2/m의 결함밀도를 기록하 였다.
바닥면 세굴의 전형적인 결함특성을 다음 Fig. 6에서 나타냈다. 바닥면 세굴(Floor erosion)은 두 번째로 가장 많은 비율을 차지하는 결함군으로서 약 0.29 m
2/m의 결 함밀도를 차지하였다 . 이 결과는 철근노출과 비슷한 수준의
Fig. 5. Defects regarding surface damage.
Fig. 6. Defects regarding floor erosion.
결함빈도이다. 퇴적발생(Debris, Silty)결함은 총 2,016 m3의 물량이 집계되었는데, S구에서 804 m3, G구에서 1,212 m3가 발생한 반면 M구에서는 거의 발생하지 않 아서 지형적 특성과 관로경사 특성에 따라 퇴적에 밀접 한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
다음 Fig. 7은 균열에 따른 심각도 구분을 나타낸다.
본 연구에서 박스암거는 상재하중에 따른 균열발생 원인이 명확히 구분(Han et al., 2013a)되는, 흄관의 균 열구분(예: 원주방향균열, 종방향균열)을 그대로 적용 할 지에 관하여 재검토를 수행하였다. 물론 종방향 및 횡방향의 위치적인 특성을 포함하여 다양한 위치적 사례에 대하여 균열결함코드를 세분화할 수 있지만, 하수박스암거는 위치적으로 구분된 결함들에 대하여 심각도 가중치(점수)가 확연하게 구분되지 않았다. 따 라서 유지관리 우선순위 의사결정에 큰 영향을 미칠 수 없기 때문에 본 연구에서 위치적인 속성은 조사 및 판독자의 분류작업의 편의성을 위하여 통합하여 균열(C, Crack) 단일코드로 통합하였다.
반면 하수박스암거의 균열부위에 발생하는 특별한 현상으로서 백태 (CE, Crack and Efflorescence)가 자주
관찰됨을 알 수 있었다(Fig. 8). 본 표본조사지역의 결함 집계에 따르면 균열 및 백태 (CE, Crack and Efflorescence) 또는 균열 및 누수 (CL, Crack and leakage) 를 동시에 수반하는 결함은 단위 m당 약 0.08 m
2/m의 결함밀도를 차지하였기에 이에 대한 결함구분을 위하 여 결함코드를 추가하였다.
우리나라 하수박스암거는 1970~80년대에 하천을 복개하면서 현장타설콘크리트로 단면형 박스암거를 시공하는 사례가 많았다. 이러한 영향으로 하수박스 암거는 단면유로변화(Box culvert, bend), 관단면 축소 (Section Reduction) 결함들이 다수 존재하였으며, 이러 한 결함은 수리적인 통수능력 저하를 야기할 수 있기 에 본 결함을 추가하였다(Fig. 9).
기타 군소결함으로서 연결관 주변 결함(Lateral faulty), 벽체내 구멍(Box culvert, Holed), 단면보수를 하였 으나 시간경과에 따라 박리 또는 누수가 다시 발생되는 사례가 수집되었고 , 이에 대한 결함을 단면보수면 재손상 (RSF, Repaired surface, Failure)으로 명기하였다. 특히 단 면보수부위의 열화현상은 유지관리를 위해 재시공 대상 이므로 결함 집계시 간과해서는 안될 것으로 판단된다.
Fig. 7. Defects regarding crack
CE (Crack and Effloresence) CI (Crack and Infilitraion)
Fig. 8. Defects regarding effloresence and infiltration.
3.3 유지관리 의사결정을 위한 심각도 평가
