< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 지반 정보의 디지털화 및 활용 사례 2. Digital Face Mapping System (DFMS) 2.1 개요 Face mapping은 터널 굴착면의 지질, 굴착 단면, 지하수 등 터널의 상태를 육안으로 확인하여 암반 굴착면에 대한 위험도 판단 및 지보 패턴을 결정할 수 있도록 하는 작업으로 터널 시공과정 중 매우 중요한 작업 중 하나이다. 일반적으 로 Face mapping은 수기로 작성되고, 현장 및 기술자별 조사 양식과 방법이 상이하여 주요 지질 정보가 누락되는 경우 가 빈번하게 발생한다. 또한, 수기 작성된 Face mapping 자료들은 데이터화하기 위한 추가 작업을 필요로 하고, 관리 미흡에 따른 자료 분실 등의 문제점이 발생하고 있다. Digital Face Mapping System (DFMS)은 이를 해결하기 위한 일환으로 개발된 시스템으로, Web/모바일 기술을 활용 하여 Face mapping 방식을 일원화하고, 자동으로 데이터화할 수 있는 시스템이다(Kim, M.K. et al., 2023). 2.2 시스템 소개 사용자 편의성을 확보하기 위하여 Web 기반의 PC 프로그램과 모바일기기에 적합한 안드로이드 기반의 모바일 Appli- cation으로 구성되어 있으며, 표준화된 디지털 Mapping 양식을 이용하여 Face Mapping 방식을 일원화하였다. DFMS를 이용한 암반굴착면에 대한 Face Mapping 방법은 다음과 같다. 먼저 암반굴착면 사진 촬영 후 지반특성 입 력 Tool을 활용하여 사진 상에 지반특성을 표기하면서 Face Mapping을 한다. Mapping이 완료되면 Q 값/RMR 값이 자 동 계산되고, Mapping Report가 자동 생성된다(그림 1). 또한, 생성된 Report는 클라우드 서버에 자동으로 저장되어 데이터베이스화가 이루어진다. <그림 1> DFMS User Interface 및 Mapping ReportVol. 25, No. 3 9 또한, 국내에서 주로 적용되는 RMR 뿐만 아니라 Q-System을 이용한 암반분류를 시스템에 포함시켜 해외에서도 적 용 가능하도록 하였으며, 동기화 기능을 활용하여 Off-line 조건에서 시행한 Face mapping 및 암판정이 On-line 조건 에서 자동 업로드되도록 하여 통신연결이 불가능한 조건에 대비하였다. 2.3 적용 사례 중동지역 OO PJT 터널구간에 대하여 DFMS를 시험 적용하였다. 해당 현장의 지반은 화강암(Monzogranite 등) 및 퇴적암(Sandstone 등)으로 구성되어 있으며, DFMS 시험 구간의 지층은 사암과 이암이 교호하며 나타나는 퇴적암층이 다(그림 2). (a) 터널 막장면(b) Face mapping Report (수기) <그림 2> DFMS 시험 전 시험 구간 터널 막장면 및 수기 Face mapping Report DFMS 현장 적용성 검토를 위해 현장 Geologist가 기존 수행하는 수기 Face Mapping과 DFMS를 활용한 Face map- ping을 동시에 진행하여 비교검토를 수행하였다(그림 3). 그 결과, DFMS 상에 Face mapping을 위한 사진 해상도 및 (a) 수기 Face mapping(b) DFMS를 이용한 Face mapping <그림 3> 수기 및 DFMS를 이용한 Face mapping10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 지반 정보의 디지털화 및 활용 사례 터널 내 밝기가 충분함을 확인할 수 있었으며 모바일폰 또는 Tablet PC Application을 통한 Face Mapping 작성으로 기 존의 수기 작업을 위한 사전 준비작업(각 터널에 맞는 지보 패턴도 및 평가 Sheet 등)이 불필요함을 확인할 수 있었다. 또한 Report 자동 생성 및 클라우드 서버를 연계한 자동 데이터베이스화는 작업 시간 단축 효과가 있음을 확인하였으며 향후, DFMS 적용으로 터널 암질 정보의 체계적 구축을 통해 전체 터널 구간에 대한 절리 및 불연속면의 규모와 방향성 에 대한 Digital DB 확보 후 계측자료와의 통합 분석이 이루어진다면 품질 사고 예방 및 유지관리 방안 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, Face Mapping 자료가 축적되면 딥러닝을 이용한 자동 암반분류가 가능할 것으로 판단 된다(Kim, H.Y. et al., 2022). 3. Digitalized Geotechnical Information System (DGIS) 3.1 개요 설계/시공 시 축적되는 지반조사 결과의 활용성을 높일 목적으로 국내외 많은 국가기관 및 연구소에서 지반 정보를 데이터베이스화하여 Map 기반의 저장 및 검색이 가능한 시스템을 구축하여 운영 중이다. 국내의 경우, 국토지반정보 포 털시스템에서 분야별 정부발주 공사 시 수행된 지반 정보를 데이터베이스화하여 제공하고 있으나 주로 시추주상도 정보 에 국한되고 휴먼에러에 의한 입력오류 사례가 빈번히 발생한다. Digitalized Geotechnical Information System (DGIS)는 다양한 지반정보를 데이터베이스화하고, 이러한 지반정보 의 가독성을 개선하기 위해 개발한 시스템으로, 기존의 시추주상도를 비롯하여 실내외 시험결과 및 설계 Parameter의 데이터베이스화가 용이하도록 시스템을 구성하였다. 또한, 미시추 구간에 대한 3D 지층 정보 추정 뿐만 아니라 BIM 등 과 같은 소프트웨어와 연계가 가능하여 지반 정보 분석 및 지반정보의 가시성을 확보할 수 있도록 하였다(그림 4)(Kim, D.K. et al., 2023). <그림 4> DGIS 개발 개요 3.2 시스템 소개 다양한 형식의 지반 정보에 대한 디지털화된 시스템을 구현하기 위해 6단계 절차를 걸쳐 시스템 개발자 및 지반공학 전문가간 기술 전달 및 이해도를 높이고자 하였다(그림 5).Vol. 25, No. 3 11 <그림 5> 시스템 구축 절차 당사의 주요 진출국 및 해당 국가 프로젝트 분석을 통해 공통 지반정보 및 특화된 지반정보를 입력할 수 있는 엑셀 기 반의 Template를 구성하였다. 또한, 사용자 접근성, 편의성 및 사용성을 고려하여 Web 상에서 디지털 Map기반으로 데 이터 조회 및 분석이 가능하도록 시스템이 구성되어있다(그림 6). 또한, 구축된 지반 정보 시스템은 사용자가 원하는 프 로젝트 및 시추조사 정보를 디지털 Map에서 검색할 수 있게 하였다(그림 7). <그림 6> DGIS 메인 화면12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 지반 정보의 디지털화 및 활용 사례 <그림 7> Map기반 지반 데이터베이스 조회 DGIS를 이용하면 층구성을 포함한 Boring Log 기본 정보 및 심도별 실내외 시험결과를 2D 또는 3D 도면으로 확인할 수 있다(그림 8). 또한, Kriging 분석기법을 이용하여 미시추 영역의 지반정보를 예측하여 임의로 그림 9와 같은 지층 정보 조회가 가능하다. (a) 지층 정보 조회(b) 시추공별 시험 데이터 조회 <그림 8> DGIS를 이용한 지층 정보 및 시추공 시험 데이터 조회Vol. 25, No. 3 13 <그림 9> 3D 지층 정보 조회(수직/수평/미시추구간) DGIS는 사용자 편의성을 고려하여 조사심도/위치 및 시험 항목별로 사용자가 원하는 결과를 그래프화/그래픽화 할 수 있으며, 미시추 구간의 지층 정보 및 3차원 지층 정보를 제공하여 설계/시공 시 지반특성 가시성 확보, 잠재 Risk 예 측 및 추가 조사여부 판단 등의 실무적 활용이 가능하다. 이뿐만 아니라, 근래 활용성이 높아지고 있는 BIM (Building Information Modeling)과 연동되어 구조물과 interface 되는 구간에서의 지층별 토공량 산정이 가능하다(그림 10). <그림 10> 3D 지층 정보와 BIM연동 건설 EPC 사업에서는 지반 정보의 불확실성으로 인하여 기술 Risk 증대, 이로 인한 공기 지연 등의 이슈가 지속 발생 하고 있으며, DGIS의 도입으로 구조물-지반 가시성이 향상되어 이러한 이슈 해결에 도움이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 지반 정보의 디지털화 및 활용 사례 4. 대화형 인공지능 챗봇을 활용한 Text Mining 4.1 개요 대화형 인공지능 챗봇은 주고받은 대화와 대화의 문맥을 기억할 수 있고, 질문에 대한 답을 제공한다. 또한 제시한 상 황에 맞는 프로그램 코드를 제안할 수 있기 때문에 파이썬 등 자동화 프로그램을 활용한 코딩에 용이하게 사용할 수 있다. PDF (Portable Document Format)는 다양한 운영 체제와 프로그램에서 동일하게 표시되는 파일 형식으로 활용도가 매우 높다. PDF 기반 디지털 문서는 텍스트 기반 문서와 이미지 기반 문서로 구분할 수 있다. 직접 텍스트를 복사하여 다른 문서에 옮길 수 있다는 장점이 있는 텍스트 기반 PDF 문서는 활용도가 매우 높은 반면에 이미지 기반 PDF 문서는 OCR (광학문자 인식, Optical Character Recognition) 기술을 적용하더라도 텍스트 추출이 용이치 않다. 지반정보를 포함하고 있는 지반 주상도(그림 11)는 이미지 기반 PDF 문서로 제공되는 경우가 빈번하며, 이러한 문서로부터 지반정 보를 추출하기 위해 PDF 텍스트마이닝 기술을 필요로 한다. 이러한 취지에서 텍스트 기반 PDF 문서를 대상으로 텍스트 마이닝 기술을 적용하였고, 이에 대해 간략히 소개코자 한 다(Kim, H.Y., 2023). <그림 11> 지반 주상도 예 4.2 파이썬 코딩을 통한 Text Mining 파이썬은 PyMuPDF, PyPDF2, pdfminer, pdfplumber등 PDF에서 텍스트를 추출할 수 있는 많은 라이브러리를 제공 하며, 이를 활용하여 PDF로부터 텍스트를 추출하도록 하였다. 챗봇에 파이썬 코딩을 질문하면 코드 뿐만 아니라 코드에 대한 개략 설명 및 주석까지 제공한다(그림 12). 이러한 챗봇의 기능을 활용하면 몇 차례의 질문과 코딩 작업으로 그림 13과 같은 엑셀 형태의 결과물을 얻을 수 있다. 그림 13의 엑셀 결과는 PDF의 텍스트 데이터를 단순하게 나열한 결과에 불과하여 이를 활용하기 위해 전처리 과정을 통한 형식 변환이 필요하다. 데이터 전처리 과정은 고도의 프로그램 코딩을 필요로 하지만 이 또한 챗봇의 도움을 받으Vol. 25, No. 3 15 면 쉽게 코딩이 가능하다. 챗봇을 가장 효율적으로 활용하기 위해서는 어느 정도 뼈대가 되는 파이썬 코드를 구성한 후 챗봇을 활용하여 오류를 수정하면 빠른 결과를 얻을 수 있다. <그림 12> 텍스트 데이터 추출 파이썬 코드<그림 13> 텍스트 데이터 추출 결과 챗봇의 유용한 활용법으로 파이썬 경험이 상대적으로 적은 경우에 사용 경험이 많은 프로그램 문법을 활용하여 코딩 한 후 챗봇에 파이썬 코드로 전환하라고 요청할 수 있다. 또한 코딩의 구조가 복잡한 경우, 챗봇을 활용하여 최적화도 가 능하다. 챗봇과 파이썬을 활용한 최종 PDF 문서 텍스트마이닝 결과는 그림 14와 같다. 그림에서 볼 수 있는 것과 같이 Bore- hole정보, N치 정보, Description정보, TCR, SCR, RQD 정보들을 형식에 맞게 엑셀 형식으로 추출되었다. <그림 14> PDF 텍스트마이닝 최종 결과16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 지반 정보의 디지털화 및 활용 사례 최근 시추주상도도 디지털 형태로 제공되는 경우가 증가하고 있지만, 아직까지 이미지 기반 PDF 문서로 제공되는 경 우가 대다수이다. 또한, 기존에 지반정보 또한 문서 형태로 보관되어져 있기 때문에 이를 데이트베이스화하기 위해서도 다량의 이미지 기반 PDF 문서 생성이 불가피한 상황이다. 텍스트마이닝 기술은 이를 위한 해결 방법 중 하나일 수 있으 며, 이미지 기반 PDF 문서 대상으로 확장/적용될 필요성이 있다고 판단된다. 5. 맺음말 본 기술기사에서는 지반정보 데이터베이스 구축을 위한 Digital Face Mapping System과 Digitalized Geotechnical Information System을 간략히 소개하였다. 4차 산업혁명, 디지털 전환 등 사회 전반이 변화하고 있고, 건설분야에서도 스마트 건설 기술 확보를 위해 박차를 가하고 있다. 데이터는 건설업에서 중요시하는 경험과 동일하며, 스마트 건설 기 술의 핵심이 다수의 양질의 데이터인 만큼 지반정보를 비롯한 시공 데이터들의 데이터베이스 구축은 불가피하다. 저자 의 입장에서 본 기사에 소개된 시스템과 기법이 이에 기여할 수 있기를 바란다. 참고문헌 1. Park, K.H., Han, J.T., Yoon, Y.N. (2021), “A Study on the Automatic Digital DB of Boring Log Using AI”, Journal of the Korean Geotechnical Society Vol.37, No.11, pp. 119-129. 2. Kim, D.K., Kim, M.K., Kim, H.Y., Chang, S.B., “Development of DB Construction and Analysis System for Geotechnical Information”, KTA 2023 Annual Conference. 3. Kim, M.K., Kim, D.K., Kim, H.Y., Chang, S.B., Lee H.K., “Development of Mobile/Web Based Face Mapping System for Tunnel Rock Face Management”, KTA 2023 Annual Conference. 4. 김하영, “ChatGPT를 활용한 PDF텍스트 마이닝 기술”, 한국지반공학회, “지반” Vol.39, No.4, 2023. 5. Kim, H.Y., Kim, K.S., Cho, L.H., “Rock classification prediction in tunnel excavation using deep learning, proceedings of the 20th international conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering”, 2022. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 25, No. 3 17 기술기사 2 1. 개 요 터널 주변 지반은 터널 굴착으로 발생하는 응력을 지지하거나 보호층의 역할을 하므로 안전한 터널을 구축하기 위해 서는 반드시 적절한 토피를 확보해야 한다. NATM공법의 경우 주변 암반이 주지보재로 작용하므로 터널 굴착으로 유도 되는 응력을 지지할 수 있는 충분한 암피복(Rock Cover)이 필요하다. 암피복이 부족한 경우 터널 붕괴나 지표침하 등의 문제가 발생할 수 있으므로 연약한 상부지반에 그라우팅을 하거나 터널 주변에 쏘일시멘트 등으로 인공지반을 조성하기 도 한다. 쉴드TBM공법의 경우 굴착과 동시에 세그먼트를 설치하므로 NATM공법에 비해 토피에 따른 영향이 비교적 작 지만 터널 구조물의 부력에 의한 부상을 방지하거나 챔버의 이수분출 방지를 위한 최소한의 토피가 확보되어야 한다. 이 수가압식 쉴드TBM 굴착 시 막장의 이수가 지표로 분출되는 BLOW-OUT이 발생할 수 있다. 특히, NATM공법으로 굴착 하는 하·해저터널에서는 암토피 부족으로 인한 터널 붕괴 시 침수사고 등 복구 불능의 심각한 피해가 발생할 수 있으므 로 육상터널에 비해 토피의 영향이 더 크게 작용한다. 쉴드TBM 터널의 경우에도 수중에 위치하므로 육상터널에 비해 부 력의 영향이 크게 작용하고, 막장압을 유지하기 위해 큰 이수압이 필요하므로 지반이 연약한 경우 이수분출 위험성이 높 아질 수 있다. 하·해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 박민수 (주)서하기술단 전무이사 최용희 (주)포스코이앤씨 인프라설계그룹 그룹장 김동휘 (주)포스코이앤씨 인프라설계그룹 리더대우 김부성 (주)포스코이앤씨 인프라설계그룹 리더대우Next >