3차원 레이져 스캐너를 이용한 터널 스캐닝
Tunnel scanning that use third dimension laser scanner
김재홍 Jae-Hong Kim1)*, 윤중만 Jung-Mann Yun2), 여규권 Geu-Guwen Yea3)
1)
한국수자원공사 kwater연구원, Korea Institute of Water and Environment, Kwater
2)
안산공과대학 건설정보시스템과, Professor, Ansan College of Technology, Depart. of Construct Information System
3)
삼부토건 기술연구실, Sambu Construction Co., Ltd.
* 교신저자:
[email protected]
주요어: 3차원 스캐너, 터널 라이닝, 비상여수로, 공동현상
1. 서론
최근 기상이변으로 인한 이상홍수가 빈번하게 발생하여 집중강우시 댐 붕괴가 예상되어 댐의 수문학적 안정성을 위한 대책마련이 필요하게 되었다. 이와 관련하여 국내의 「댐의 수문학적 안 정성검토 및 치수능력증대 기본계획 수립」을 수행한 결과 일부댐에서는 가능최대홍수량(PMF)이 댐 건설시에 비해 많이 증가하여 기존 여수로의 방류능력으로는 증가된 홍수량에 대한 배제능력 이 부족하여 치수능력 증대사업이 필요하게 되었다.
댐의 치수능력 증대방법은 여러가지가 있으나, 비상여수로 건설이 공사비나 기타 여건상 가장 유리하며, 비상여수로 공사는 기존의 개착식 여수로와 터널 형식의 비상여수로로 크게 구분할 수 있다. 터널형식의 비상여수로뿐만 아니라 일반 도로 터널의 라이닝 콘크리트 타설 완료후 시공상 태 확인과정에서 기존 광파기 측량이 대부분이나 여러가지 한계점으로 새로운 방식의 확인절차가 요구되는 실정이다.
그림 1. 3차원 레이져 스캐닝 광경(터널내부)
2. 문제점과 연구목적
터널식 비상여수로의 경우는 대부분 직경이 10m를 넘는 대단면에다 비상여수로 성격상 비상시 에만 방류하여 고유속으로 인한 압력이 크게 저하하고 비등점이 낮아지게 된다. 상온이지만 물이 끓는 현상처럼 공기방울이 발생하고 이 공기방울이 파괴될때 그 충격에 의한 표면변형은 재료내 부에서 인장력을 발생하여 콘크리트 표면에 탈락이나 균열같은 손상을 가져 온다.
기존의 개착식 여수로나 터널형식의 비상여수로와 같은 방류구조물의 단면이 요철이나 Joint부 위의 단차는 공동현상(Cavitation)을 발생하게 하여 구조물 손상의 원인이 되므로 정확한 설계단 면 유지가 중요하다.
대단면 터널의 경우 라이닝 콘크리트를 타설한후 설계단면과 이상이 없는지 확인하는 방법에 대해 많은 제안과 여러가지 방법을 시도중이나 근본적으로 기존의 광파기를 이용하여 측량하는 것이 대부분이다. 광파기를 이용한 측량시 일정 간격(5m, 10m, 20m)으로 측량하는 것인데, 이 결 과로는 공간적인 단면 상태를 확인하기 어렵다. 이런 문제점을 극복하기 위하여 종전의 광파기를 이용하여 라이닝 타설현황을 확인하는 방식에서 3차원 레이져 스캐너를 이용하여 터널 라이닝 상 태를 확인하는 방안에 대하여 제안하고자 한다.
3. 3차원 레이져 스캐닝
본 연구에서 사용된 지상 레이저 스캐너(Terrestrial Laser Scanner)는 Time-Of-Flight(TOF) 방식의 스캐너로서 상대적으로 짧은 시간안에 대상물체 표면을 3차원 공간 좌표를 가지는 수많 은 측점군(point-clouds)으로 자동 기록하는 방식이다. 이 측정 방법은 그림 1에서 보듯이 대상 체에 레이저 빔을 보내는 diode에서 물체 표면위에 laser beam을 투사하여 대상표면에서 반사 되어 돌아오는 일부 레이저 광을 receiver로 측정하는 방법이다.
그림 2. Time-of-flight 측정방식의 개념과 원리
3.1 사용 레이져 스캐너의 성능
본 연구에서 사용된 장비는 Trimble사의 GS-200을 이용하였으며, 사용 장비의 성능으로는
표준 측정 범위로는 2~250m이나 최대 350m까지 측정할 수 있으며, 스캐닝 속도는 초당 약
5,000 point이며, 정밀도는 1.4~6.5㎜이다. 회전각은 360° 회전에 상하 60°로 높낮이를 조정할 수
있다.
주로 다각형 망을 이용하는데, 특히 삼각망 형태가 주로 사용되고 있다. 이는 간결성, 수치적 안 정성이 효과적이며 쉽게 표현이 가능한 장점을 가지고 있다.
4. 3차원 단면생성
4.1 스캔결과 병합(Merging)
기존에 터널 스캔시 주의사항은 터널 축방향으로 스캐너를 거치하는 관계로 중첩에 상당한 노하우를 요구한다. 터널 스캔에서 양질의 스캔자료를 취득할려면 중첩관계와 병합을 위한 타 켓볼 측정이 신뢰도에 많은 결과를 좌우한다.
어두운 터널내부에서 라이닝 단면의 스캔 취득은 어느 정도 가능하나, 타겟볼 스캔시에는 조 명기구의 도움이 수반되어야 가능한 어려움점이 있다. 그림 3과 같이 터널 내부를 스캔하여 이 를 컴퓨터상에서 각 단면을 병합(merging)하면 아래와 같다.
터널내부 병합 결과 터널외부 병합 결과
그림 3. 병합 결과
4.2 병합결과 정치 과정
터널 스캔으로 도출할 수 결과는 당초 설계 상태와 비교해서 터널 라이닝 규격 확인, 터널 선형, 구배현황, 각 Span 연결부위 단차현황, 라이닝면의 요철현황 등이다.
단면 현황, 축설정(Cad) Scan data open
Cad File과 Scan data 정치 정치 완료광경
그림 4. 터널 해석 정치광경(터널내부)
4.3 해석 결과
현장 스캔시 주요사항이 중첩과 타겟볼 취득이라면 결과 해석시 가장 어렵고 중요한 사항이 2차원의 설계도면(Cad)상에 3차원 스캔자료를 정확하게 정치시키는 것이다.
정치가 완료되면 어느 지점이든지 설계와 라이닝 콘크리트의 타설현황을 비교ㆍ확인할수 있 다. 당초 설계단면(빨간색)과 스캔현황(파란색)에 대해 비교하면 아래와 같다.
그림 5. 해석결과 단면
5. 결 론
문화재 발굴시 주로 사용하는 3차원 레이져 스캐너를 이용하여 터널식 비상여수로 라이닐 단
1. 터널식 비상여수로의 방류시에는 고유속으로 인한 압력 저하로 공동현상이 발생하여 콘크 리트 표면이 탈락이나 균열같은 손상을 가져 오기 때문에 라이닝 타설 후 설계단면 확인이 중 요하다.
2. 기준의 광파기 측량에서 3차원 레이져 스캐너를 이용할 경우 터널 라이닝 규격 확인, 선형, 구배현황, 각 Span 연결부위 단차현황, 라이닝면의 요철현황을 쉽게 파악할 수 있다.
3. 터널 특성상 작업환경(스캔 작업자의 안전과 보건상태)이 스캔에 많은 영향을 미치기 때문 에 본 스캔 장비로 시험스캔 결과 좌우 중첩스캔시 시간당 약 50m정도(터널 직경 : 15m)이며, 스캔환경이 최상일 경우 1일 최대 300m 정도 스캔이 가능한 걸로 판단된다.
참고문헌
김재홍, 윤제호, 임은상, 김완영(2008) “3차원 레이져 스캐너를 이용한 Face mapping 작성 방안 제시” 대 한토목학회 2008년도 정기 학술대회 논문집. pp. 2955~2958
김인섭 임수봉(2007) “터널굴착시 3차원 레이저스캐너에 의한 내공단면 측량에 관한 연구” 대한토목학회 논문집 : 제 Vol.27 No.4D pp. 541~546
임은상, 신동훈, 김재홍, 김영경(2007), “3차원 스캐닝 기법을 활용한 암반사면의 거동모니터링” 대한토목학 회 2007년 정기학술대회
