< Previous해외학회 소개118 자연,터널그리고 지하공간터널 막장면 안정성 확보를 위한 연구내용 소개1. 화상처리 해석에 의한 NATM 터널의 막장면 탈락 예측 시스템 개발저자 : 가지마 건설(株) 戸邉勇人 宮嶋保幸 외NATM 터널 공사 진행시 막장면의 안정성은 굴착 직후 막장 관찰자의 육안관측에 의한 판단이 많이 수행되고 있으나 개인차가 발생할 가능성이 높아 정량적인 평가방법 개발이 시급한 상황이다. 본 논문에서는 NATM 터널 막장면의 영상 촬영 결과를 바탕으로 막장면의 안정성을 평가하는 방법을 제안하였다. 연구수행은 막장면 불연속면의 점토 충진물의 색에 대한 데이터베이스 구축으로 약간풍화 ~ 심한풍화 상태의 충진물을 구분할 수 있는 방안을 제안하였으며 불연속면의 상태 및 풍화정도를 고려하여 암괴탈락 가능성에 대한 분석을 진행하였다. 또한 NATM 터널의 암반 불연속면의 요철부에서 확인되는 조명의 반사율 차이를 이용하여 휘도차이가 크게 발생하는 부분을 표현하고 이로부터 위험부분을 검증하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.풍화변질판정의 개념도반사 휘도차이에 의한 불연속 요철 추출예<그림 2> 풍화 변질 현황 및 불연속면 요철 추출예2. 막장면 3차원 데이터 활용을 통한 지질평가 기법저자: 시미즈건설 邊見 涼 외측량기술의 발달로 NATM터널 막장면의 불연속면 3차원 측량 데이터나 색정보를 비교적 쉽게 취득할 수 있게 됨에 따라 이를 활용한 지질 모델링 및 쌍굴 터널에서 후행 터널의 안정성을 평가하는 방안에 대해 연구를 수행하였다. 사진측량 소프트웨어를 사용하여 복수의 사진측량 자료로부터 얻은 자료를 바탕으로 3차원 지질 모델링을 구현하고 이를 실제 굴착 현장에 적용하여 효과를 검증하였다. 모델링의 신뢰도 증가를 위하여 선행 굴착되는 터널에서 확인된 지질 데이터를 후처리를 통해 불연속면의 형태와 색을 파악하고 이를 바탕으로 풍화정도를 평가할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 Rock Bolt 시공시 확인되는 6m 내외의 천공 정보를 활용하여 3차원 지질 정보를 검증하고 수정하여 신뢰도를 높이는 방안을 제시하였다.Vol. 20, No. 4 1192018년 일본 토목학회 터널 분야 주요 발표내용 소개3차원 형상 측정 결과실제 현장 적용 분석 사례<그림 3> 3차원 형상 측정결과 및 실제현장 적용예3. NATM 터널 막장면 붕락사고 방지를 위한 IOT 이용 실시간 예측 시스템 개발저자 : 가지마 건설 白鷺 卓 戸邉勇人 외NATM 터널 굴착시 막장면 관찰을 통해 불연속면의 변화를 관찰하고 공사를 진행하나 급격한 지질변화나 예기치 못한 단층과의 조우시 터널내 문제가 발생하게 된다. 본 연구에서는 실제 시공과정에서 확인되는 천공 데이터(장약공, Rock Bolt)를 이용하여 통계학적 처리를 통해 굴착 대상부중 위험한 구간을 정량적으로 예측하는 시스템을 구현하였다. 천공 데이터는 자동적으로 외부의 PC로 전송되어 지반 위험도를 평가하며 암반의 풍화정도나 균열 발생 정도를 평가한다. 지반 위험도 평가결과를 바탕으로 지질 취약부를 80% 이상의 확률로 추출하는 것을 목표로 하였으며, 암반의 풍화정도나 불연속면의 분포등을 정량적으로 평가할 수 있도록 하였다.천공 Data 해석을 통한 지질사태 예측 결과장비 조작을 통한 확인<그림 4> 천공 Data 해석을 통한 지질 예측 및 장비 조작을 통한 확인해외학회 소개120 자연,터널그리고 지하공간실제 현장 적용을 통한 평가결과 해당 Risk 예상 6m 전에서 지번 위험도 평가가 가능함을 확인하였다.Risk 대상면 6M 전에 파악된 Risk 부분Risk 예상부 통과시 확인한 실결과<그림 5> 굴진장 진행에 따른 Risk 예상부 확인사항4. 배경 차분법을 이용한 터널 막장면 붕괴방지 시스템저자 : 오바야시 구미 기술연구소 藤岡大輔 中岡健一 외천공기 상단에 설치된 카메라등 검지 장치를 이용하여 천공작업 진행시 막장면의 변화를 감지하여 이상거동 확인시 작업자 및 운전자에게 알려줄 수 있는 시스템을 제시하였다. 붕괴검지 시스템은 터널 굴착장비 천정에 설치된 감지 시스템에서 막장면과 약 10m 이격된 조건으로 화상처리를 통해 붕괴위험의 낙석을 검지해 내고 이를 운전자와 작업자에게 실시간으로 전달하기 위한 시스템을 구성하였다.붕괴 감지 System의 구성도배경 차분법에 의한 낙석 확인의 흐름<그림 6> 장비 부착형 막장면 낙석 감지 System 및 실적용 예Vol. 20, No. 4 1212018년 일본 토목학회 터널 분야 주요 발표내용 소개막장면에 대한 낙석위험 촬영 방식은 다음과 같이 진행된다.(1) 촬영 영역 설정낙석위험 촬영을 개시하기 전, 불연속면을 포함한 영역을 감시영역으로 임의 설정한다.(2) 기존 누적영역 제거감시를 개시하기 전에, 수초간 배경 차분법을 이용하여 이동체의 추출을 통해 이동체를 누적하여 추출되는 이동체는 흔들리는 물체나 사람의 움직임으로 판단하여 제외한다.(3) 영역외 이동체 탐지배경차분법에 의한 이동체의 추출은 감시영역외에서도 추가하여 사람이나 중기가 이동하면 화상상 색의 변화가 발생하고 이를 이용하여 이동체를 추출한다. 실제 터널 현장에서 터널 굴착 약 12m, 높이 6m 정도 되는 2차선 도로터널에서 붕괴 탐지 시스템을 시행한 결과는 다음과 같다.<그림 7> 감시영역 설정과 누적영역으로 확인된 위험 대상부5. 터널 막장면 작업시 실시간 낙석 확인 방법에 대한 연구저자 : 다이세이건설 古賀 快尚，谷 卓也 외NATM 터널 시공시 발파를 위한 장약 작업은 작업자가 막장면에 접근하여 작업을 진행하여야 하므로 작업자의 안전을 확보하기 위한 막장면 숏크리트나 낙석방지 시설을 설치하곤 한다. 그러나 이를 통해서도 막장면의 낙석 및 낙반을 완전히 억제하는 것은 불가능 하므로 막장면 변화의 징후를 순간적으로 포착하여 작업자를 대피 시킬 수 있는 낙석검지 및 경보 장치를 개발하여 현장 적용을 수행하였다. 이 장치는 1초에 30 프레임 이상의 연속 촬영이 가능하고 탈락 위험의 해외학회 소개122 자연,터널그리고 지하공간암괴를 0.1초 이내로 판정하여 즉시 경보(경보음과 점멸등)가 시행 되도록 하여 현장의 안정성을 확보할 수 있도록 한 기술이다. 낙석감지는 근적외선을 사용하여 조명원에 의한 오류 발생을 최소화 하였으며 낙석 발생 예상부에 대해서는 경고표시를 하도록 하였다.낙석검지 장치영상 확인 예<그림 8> 낙석검지 장치 및 이를 활용한 영상 확인의 예낙석은 프레임 차분법을 사용하여 연속하는 2개의 프레임 사이에서 차분 화상을 생성하여 역해석을 통해 이동한 영역을 판단하고 작업원의 움직임과 낙석의 움직임을 구분하여 작업자의 안전성이 확보되도록 하였다.Vol. 20, No. 4 1232018년 일본 토목학회 터널 분야 주요 발표내용 소개6. 고속 이미지 레이더에 의한 굴착 막장면 변위 측정에 대한 검토저자 : 시미즈 건설 多田 浩幸，岩城 英朗，青野 泰久 외 터널 막장면의 낙석등 문제발생 가능성 확인을 위하여 막장면에서 이격된 위치에 이미지 레이저 센서를 설치하여 막장면 변화 발생등을 지속적으로 관측할 수 있는 시스템을 구성하였다. 현장 계측은 NATM 터널내 막장면에서 15.5m 이격된 위치에서 수행되었으며 터널 중앙을 향해 전파가 발생될 수 있도록 경사지게 설치하여 이용하였다. <그림 9> 터널 막장면 변위 측정장비 배치도 및 실제 측정 장비 외관실제 현장 적용을 통하여 확인한 결과 폭 0.2m, 높이 0.5m 간격 픽셀로 1화소의 폭이 결정되었으며 천공작업등 막장면 작업 진행시 거동을 지속 관찰하였다. 굴착공사 진행중 변위측정은 2mm 이상 거동을 검지하는 것을 목표로 하며 계측간격 및 데이터처리 방법등에 대해서는 지속적인 기술개발이 필요하다.결 론1) NATM 터널 막장면의 안정성 확보는 굴착중 작업자의 안정성을 확보하기 위하여 필수적으로 요구되는 사항이지만 실제 굴착과정에서 막장면 안정성을 객관적으로 평가할 수 있는 방법은 많지 않다.2) 일본에서는 이를 해결하기 위하여 다양한 사진측량 방법과 센서를 활용하여 굴착중 막장면의 안정성을 확보하고 있으며, 국내에서도 이와 같은 시도를 통해 막장면의 안정성을 확실하게 담보해야 할 것으로 판단된다.124 자연,터널그리고 지하공간인문학 산책지하공간에 대해 그동안 엔지니어가 주목해 온 것은 도시기반시설이나 주거공간이었다. 기껏해야 소음원이나 주차장 물류창고 정도였다. 그러나 지하공간의 역사에서 가장 중요하게 쓰여온 것은 지하저장고 즉 곳간이었다.쟈스민 혁명을 일으킨 식량문제튀니지에서 시작된 쟈스민 혁명은 급기야 리비아 이집트의 정변으로 이어졌다. 지금까지도 끔찍한 내전이 벌어지는 시리아의 혼란도 여기서 시작되었다. 평온해 보이던 무슬림 국가에서 왜 이런 혼란이 일어났을까? 어이없게도 그 발단은 밀 수급의 일시적인 불균형 때문이었다. 2010년 러시아가 밀수출을 중단하자 이에 의존하던 중동의 밀값이 요동쳤고 이로 인한 시위가 결국 정치 불신과 민주화 요구로 확산된 것이다. 밀 수급이 가져온 쟈스민 혁명은 마치 카오스 이론의 나비효과처럼 보인다. 이 때문에 예나 지금이나 식량의 안정적인 수급을 위해서는 많은 곳간이 필요하다. 고대문명의 곳간은 주로 지하공간에 만들어졌다. 수시로 기후가 변하는 지상에 지하공간의 또 다른 쓰임, 땅속의 곳간아르메니아 고대 동굴 양조장김재성(주)동명기술공단 부사장Vol. 20, No. 4 125지하공간의 또 다른 쓰임, 땅속의 곳간비해 지하는 어느 정도 안정된 상태가 지속되기 때문이다. 이러한 이점을 이용해 지하암반층에 대규모 곳간을 만들면 어떨까? 이미 우리는 지하공간을 이용한 석유비축경험도 많고 기반암도 견고하니 말이다. 식량 자급율이 22%에 불과한 우리나라 사정으로 볼 때 중동의 혼란은 남의 나라 일이 아니다. 식량 사정을 고려할 때 고대문명의 곳간을 살펴보는 것은 의미 있는 일이다. 별다른 장치도 없이 공간 구조와 통풍만으로 기능을 유지했던 지하곳간에서 우리가 얻을 수 있는 지혜는 적지 않아 보인다. 기술적인 측면도 그렇지만 시대적 배경과 구조를 유추하다 보면 거시적 역사에서는 볼 수 없던 소소한 민중의 삶, 문명의 뒤뜰에 감추어진 또 하나의 역사를 만나볼 수 있게 될 것이다.이집트의 곳간어느 날 이집트의 파라오가 이상한 꿈을 꾸었다. 살찐 암소들이 한가로이 풀을 뜯으며 강가에서 놀고 있었다. 그때 어디선가 나타난 야윈 암소가 살찐 암소를 모두 잡아먹었다. 꿈 이야기를 들은 유대인 요셉이 이를 해몽해 주었다. ‘살찐 암소는 앞으로 풍년이 계속된다는 것이고 야윈 암소는 흉년이 계속된다는 것입니다.’ 요셉의 해몽에 따라 흉년에 대비한 이집트는 이후 더욱 부강한 국가가 될 수 있었다... 유대인 요셉을 이집트 제상에 오르게 했다는 파라오의 꿈 이야기는 꽤 그럴듯하다. 당시 대기근이 성서뿐 아니라 이집트 아스완 석비에도 기록되어 있으니 말이다.실제로 메소포타미아 일대에는 BC.1600년을 전후하여 많은 곳간이 만들어졌다. 카이로 인근에는 당시 만들어진 시설이 지금도 많이 남아 있는데 보통 땅을 파낸 뒤 흙벽돌을 쌓아서 만든 것이다. 이집트 파윰(Fayum)에는 BC 1520년경 만들어진 곳간 일곱 개가 한데 몰려 있다. 지름 5.5~6.5m 깊이 7.5m로 간단히 계산해 봐도 1천 톤의 곡물을 비축할 수 있는 규모다. 형태는 원형으로 파내려간 뒤 바닥과 벽을 흙벽돌로 쌓았다. 그 위에는 튼실한 지붕이 있었겠지만 지금은 남아있지 않다. 당시 메소포타미아의 곡창지대였던 므깃도(Megiddo)에도 이 무렵 지어진 곳간이 많이 남아 있다. 대기근이 기록된 아스완 석비(좌), 므깃도의 지하 곳간(우)126 자연,터널그리고 지하공간인문학 산책우리나라의 움도토리를 묻는 다람쥐나 사냥한 고기를 땅에 숨기는 여우처럼 먹거리를 저장하는 것은 아마도 본능이 아닐까 싶다. 원시수렵기의 움도 처음에는 이렇게 구덩이를 파고 묻는 수준이었지만 차츰 내벽과 널을 얹어 정형을 갖추게 되었을 것이다. 사계 변화로부터 안정된 삶을 담보하려면 규모가 크고 출입이 편리한 곳간이 필요했을 테니 말이다. 움은 땅을 파내고 널을 얹은 소규모 지하곳간을 말한다. 아마도 많은 사람들은 긴 겨울밤 움에서 꺼내 온 무나 고구마를 벗겨 먹던 추억이 있을 것이다. 보통 움은 겨울이 오기 전 집집마다 조그맣게 만든다.그러나 6세기 중엽에 만들어진 연천 호로고루성의 움은 규모가 꽤 크고 튼실하다. 3m 깊이로 땅을 파고 바닥에 통나무를 깔았으며 벽에는 돌을 에둘러 짐승이 들어오지 못하게 막았다. 문경 고모산성의 곳간은 신라시대 지하 목조건축을 대표한다. 내부구조를 3층으로 만들고 곡물 과실 씨앗류를 따로 저장하였는데 정교한 공간계획이 돋보인다. 가장 아래층에는 물을 담아둘 수 있게 만들었다. 규모는 360㎥ 정도이며 가로·세로·깊이는 각각 12.3×6.6×4.5m이다. 영남의 관문인 고모산성을 지키는 병사들에게 이 곳간은 아주 요긴했을 것이다. 호로고루성의 움(좌)과 고모산성의 지하곳간(우)모헨조다로와 하랍파인더스 문명을 대표하는 모헨조다로와 하랍파는 5000년 전에 만들어진 도시라고는 믿을 수 없을 정도로 정교한 계획도시다. 현대의 도시들이 스트리트와 블록으로 도시를 구획하고 도시기반시설을 배치하는 것처럼 모헨조다로 역시 도시 전체를 12개 블럭(228m×384m)으로 나누었다. 특히 눈여겨 볼 것은 이 블록중에서 가장 높은 쪽에 있는 구역에 배치한 곳간이다. 강가에 위치한 도시였기 때문에 수해로부터 안전을 고려한 배치였을 것이다. 곳간의 크기는 얼추 800m2에 이른다. 곳간의 외벽은 벽돌을 두껍게 쌓아 외열과 습기를 차단하였다. 창고 곁에는 집회소 욕조 베란다가 함께 있어서 곡물관리가 최상위층의 권한이었음을 보여준다.Vol. 20, No. 4 127지하공간의 또 다른 쓰임, 땅속의 곳간 모헨조다로 유적과 벽돌 구조물하랍파 역시 도시계획에 있어 모헨조다로에 버금가는 도시였다. 하랍파의 곳간은 곡물관리에 있어 한층 진일보한 시설을 보여준다. 곳간의 바닥에는 벽돌로 만든 토대석을 깔았고 내부공간을 12개의 방으로 구분하였다. 방 하나의 면적은 70m2에 이른다. 곳간 전체 면적은 836m2으로 모헨조다로와 비슷하지만 이렇게 각 방이 나누어져 있었기 때문에 곡물관리가 훨씬 수월했을 것이다. 내벽은 벽돌로 쌓은 뒤 진흙으로 표면을 다듬고 윗쪽 벽돌은 엇갈려 배치하였다. 이러한 구조는 햇빛과 열을 차단하면서도 통풍이 잘되도록 하여 장기보관에 효과적이었을 것이다.리비아 원형곳간지중해의 남쪽 아프리카는 로마와 카르타고의 전쟁으로 황폐해진 기원전부터 문명의 중심에서 벗어나 있었다. 그러나 리비아 트리폴리에는 곳간의 역사에서 빼놓을 수 없는 중요한 시설이 있다. 지상과 지하에 반쯤 걸쳐있는 원형곡간이 그것이다. 이 원형곡간은 적의 침입을 막기 위해 외부를 성곽처럼 두르고 출입구는 하나만 두었다. 그 자체로 성곽으로 트리폴리 원형곳간 내․ 외부Next >