터널은 열차운행을 떠받치는 중요한 역할을 담당하고 있으며, 교체 및 복구 작업이 어렵기 때문에 터널을 장기간 사용하기 위해서는 적절한 유지보수 및 관리가 필요하다. 앞으로는 노후화된 터널의 수가 점차 증가해 터널의 변상을 실시간으로 감시하는 기술이 더욱 중요해질 것으로 전망된다. 본고에서 소개할 센서와 무선통신을 활용한 기술은 지금까지 자동계측에 걸림돌이 되어왔던 배선작업 및 비용에 관한 문제의 해결책으로서 도입되었다. 이 장에서는 일본의 철도 터널에서의 계측사례를 통해 변상 감시의 현황 및 과제, 그리고 변상 감시에서 활용되고 있는 센서와 무선통신기술에 대해 알아본다.
번역·정리 김대근 기자
주변의 지산에 둘러싸인 터널은 지진에도 강하고 튼튼한 오래가는 구조물이다. 그러나 ①터널 주변의 지산이 단단한 암석이 아니라, 부드러운 모래인 경우 ②언뜻 보기에 안정돼 있는 것 같아 보여도 일단 터널을 파기 시작하면 흩트려지면서 서서히 약해지는 성질의 지산인 경우 ③불안정한 경사면에 터널이 위치한 경우 등에서는 건설 시 예기치 못한 지압을 받아 터널이 변형되거나 복공 콘크리트에 균열이 가는 등 변상(이상상태)을 일으키는 경우가 있다.([그림 1] 참조) 터널은 아치 형상이기 때문에 다소 균열이 생겨도 곧바로 열차주행의 안전성에 영향을 주는 것은 아니지만, 어느 정도의 균열이 생기면 복공 전체의 강성이 저하되거나, 누수가 발생하게 된다. 따라서 지압의 영향으로 보이는 현상이 발견되면 변형 및 균열의 상태를 잘 파악하여 변상의 진행 과정을 모니터링하고 적절한 유지보수를 실행하는 것이 중요하다. 한편, 터널 근처에서 굴삭 및 터널 건설 작업과 같은 근접시공이 이루어지는 경우에는 터널이 유해한 영향을 받아 변상이 발생하거나 진행되기도 한다. 이러한 근접시공의 영향에 있어서도 변상 감시는 중요하다고 할 수 있다. 수년간에 걸친, 장기적인 터널의 변상 감시에서는 인력에 의한 육안 관찰, 타음 검사 및 수동계측에 의한 대응이 일반적이나, 최근에는 센서 기술을 활용한 고도의 감시체제 구축도 가능해졌다. 본고에서는 철도 터널의 변상 감시를 둘러싼 현황과 과제, 감시에 이용되는 센서 기술에 대해 해설하고, (재)철도종합기술연구소에서 연구개발을 실시해 온 무선통신을 활용한 변상 감시의 방법에 대해 소개하고자 한다.
변상 감시에 이용되는 센서 기술
변상 감시의 현황과 과제
터널의 변상 감시에서는 육안 관찰로 복공 표면의 상태를 파악한 후에 해머(Hammer)를 이용한 타음 검사를 통해 복공 내부 상태를 파악하는 것이 기본이 된다. 여기에 캘리퍼스(Callipers, 측경기(測徑器))를 이용한 균열 폭의 측정, 컨버전스 메저 등을 이용한 내공변위의 계측([그림 2] 참조) 등이 일반적으로 행해져 왔다. 그러나 연장방향으로 긴 터널복공에 있어서는 심야 등의 열차가 다니지 않는 한정된 시간대에 계측해야만 했으며, 계측빈도에 제한이 생기는 등의 문제도 있었다. 이와 관련해서는 레이저 변위계 및 균열 측정계와 같은 센서를 활용한 자동계측을 통해 실시간으로 변상 감시를 실행하는 방법도 있다. 이 경우 센서를 포함한 계측기기류와 수록장치를 유선으로 연결하는데, 계측기기 자체가 간편한 것이어도 대규모의 배선공사를 필요로 하는 경우도 있기 때문에 배선의 유지보수가 발생하게 된다. 그리고 작업시간도 한정되어 있기 때문에 배선의 시공시간 및 배선의 설치를 위해 비계(飛階)를 세워야할 필요가 있다는 점이 도입의 걸림돌로 작용한다. 또한 수록된 데이터를 터널 안까지 회수하러 가야하기 때문에 데이터 수집에 있어서도 많은 수고와 비용이 발생한다. 이와 같은 과제가 남아있는 가운데 자동계측은 매우 고가이며, 근접시공 및 대책효과의 확인 등 기간이 한정되어 있는 변상 감시에서는 이용되고 있지만, 장기간의 변상 감시에서는 아직 활용되는 사례가 드물다. 터널의 장기적인 변상 감시에 센서를 이용한 자동계측기술이 적극적으로 활용되기 위해서는 센서 기술의 향상 및 저코스트화뿐만 아니라 배선과 수록방법을 포함한 계측 시스템 전체의 기술 향상 그리고 저코스트화가 필수불가결하다.
변상 감시에 이용되는 센서 기술
터널의 변상은 정기적으로 실시되는 육안 검사와 타음 검사에 의해 추출되는 것이 일반적이다. 최근에는 육안 검사를 보완하는 방법으로 라인센서 카메라나 레이저 등을 이용하여 복공 표면의 연속 사진을 작성하는 기술과 그 결과를 화상 처리함으로써 변상전개도를 작성하는 기술도 실용화되고 있다. 또 비파괴로 복공 내부 및 후면을 조사하는 방법으로서 타격음법, 초음파법, 충격탄성파법, 전자파법, 열 적외선법 등도 개발되고 있어 수신부에 센서가 활용되고 있다. 한편, 변상이 추출된 이후의 장기적인 변상 감시에서는 단면의 변상 감시와 균열 감시에 센서 기술이 활용되고 있다.([그림 3] 참조) 그 밖에도 변상 감시의 계측 항목이 있지만 특히 지압에 의한 변상의 장기적인 변상 감시에 있어서는 상기의 두 가지가 변상원인의 추정 및 건전성의 판단에 중요한 역할을 한다. 단면의 변상 감시에서는 광파 및 레이저 변위계에 의한 내공변위 계측 및 스트레인 게이지에 의한 복공의 발생 스트레인의 계측에 사용되어 왔다. 또 최근에는 광섬유(Optical fiber)를 이용하여 터널 전체의 스트레인(변형)을 측정하는 방법도 실용화되고 있다. 균열 감시에서는 균열상에 모르타르를 바르고(모르타르 패드) 새로운 균열이 생기는지를 조사하거나 균열에 걸쳐 표점(Gauge Mark)을 설치하여 그 간격을 캘리퍼스로 계측하는 방법이 있으며, 균열계(π형 스트레인계를 이용하여 자동계측을 실행하는 방법도 도입되고 있다. 최근에는 복공에 전도 도료를 도포하여 균열의 발생 및 진행 시 전도 도료가 파단(破斷)되어 통전되지 않는 현상을 이용해 균열을 검지하는 시스템도 실용화되고 있다.
철도 터널에서의 무선통신
센서와 무선통신을 활용한 변상 감시
터널의 장기적인 변상 감시에 센서 기술을 활용하기 위해서는 센서 기술뿐만 아니라 데이터 전송 및 수록방법을 포함한 계측 시스템 전체의 기술 향상이 필수불가결하다. 특히 공용 중인 철도 터널에 있어서는 계측에서의 배선이 걸림돌이 되기 때문에 계측기기에서 얻은 데이터를 무선통신으로 전송하는 시스템을 개발하여 실용화했다. 이하 센서와 무선기를 조합한 것을 「무선 센서」라 칭한다. 무선, 와이어리스(Wireless) 기술이라고 하면 일상생활 속에 침투해 있는 휴대전화 및 무선 LAN 등이 있지만, 이러한 것들은 통신거리 및 데이터 전송 속도 면에서는 뛰어난 반면, 어느 정도의 전력을 필요로 한다. 한편, 터널의 변상 감시에서 무선 센서용에 발전설비를 설치하는 것은 현실적이지 못 하고, 또 급전용에 배선을 설치하면 무선 센서의 이점을 잃어버리게 되므로 소비전력을 낮게 억제하여 적은 전력으로 가동시키는 것이 중요하다고 하겠다. 그리하여 통신거리와 데이터 전송 속도를 어느 정도 희생해서라도 저소비전력을 확보하는 것이 중요하다고 판단돼 와이어리스 LAN(근거리 무선) 규격의 일종인 Zig Bee 규격의 무선을 도입하기로 했다. 이번에 균열계(π형 스트레인계)도 포함한 변형식의 센서를 대상으로 하였는데, 변형식의 센서는 미약한 전압을 취급하기 때문에 소형·저전력의 신호 컨디셔너를 개발했다. 또 슬립(Sleep)모드에 의한 저전력화를 도모하여 단 3형 리튬 1차전지도 장기간 동작 가능해졌다. 철도 터널에서 이용하는 경우 열차와 복공 사이의 좁은 공간에 설치하기 때문에 무선 센서(특히 부속기기)를 경량이면서 박형(薄型)으로 할 필요가 있었다. 그래서 온도계를 내장한 후에 앰프(증폭기)를 포함해 세로 10cm, 가로 10cm, 높이 3.5cm의 방수용기 안에 격납하여 소형·경량으로완성시켰다.([그림 4] 참조) [그림 5]는 무선 센서를 활용한 터널 변상 감시 시스템의 개념도이다. 무선 센서를 활용한 변상 감시에서는 균열계(π형 스트레인계) 및 도전 도료와 같은 변상의 진행성을 계측하는 센서를 복공에 설치하고, 이것에 부속기기를 접속한다. 한편, 터널의 입구에는 기기본체를 설치하여 부속기기에서 본체까지 계측 데이터를 무선으로 전송하고, 본체에 전송된 데이터를 컴퓨터로 연결하여 수록한다. 터널 입구를 벗어난 터널 밖의 통신은 휴대전화 및 무선 LAN 회선 등의 일반적인 통신 방법을 통하여 터널을 관리하는 사무소까지 데이터를 전송시킬 수 있다. 개발된 무선 센서는 균열계(π형 스트레인계)와 조합하여 1~10분 간격으로 데이터를 전송할 수가 있어 저렴하면서도 편리한 실시간 계측이 가능해졌다. 또한 변위계, 수위계, 록 볼트 축력계에도 대응 가능하다.
터널 내에서의 전송 성능
무선 센서의 전송 성능을 확인하기 위해 옥외(하천부지) 및 터널 내(철도폐선터널, 단선)에서 통신시험을 실시했다. 시험은 기기본체와 부속기기의 무선기기 2대를 이용하여 실시하였으며, 기기본체와 부속기기 사이에 40byte의 디지털 정보 송수신을 10회 반복하여 디지털 정보의 누락발생률과 전파의 감쇠를 나타내는 전파강도(RSSI)를 계측했다. 옥외, 터널 내 모두 거리가 커짐에 따라 전파강도가 저하되는 경향을 보이지만, 옥외에서는 통신거리 200m까지 데이터의 누락발생률이 0%이며, 확실한 전송이 이루어지고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 터널 내에서는 터널의 길이가 156m였기 때문에 150m 지점에서 실험을 종료하였지만, 통신거리 140m까지 전송이 가능하다는 것을 확인했다([그림 6] 참조)
철도 터널에서의 계측 사례
이번에 개발한 무선 센서를 이용해 공용 중인 철도 터널에서 균열 폭과 기온을 장기간 계측했다. 터널의 입구 부근과 입구에서 15m, 그리고 87m의 위치에 있는 복공에 발생한 균열에 균열계(π형 스트레인계)를 설치하여 부속기기를 연결하고 터널의 입구에 설치한 기기본체에 무선으로 계측 데이터를 전송시켰다. 5개월 동안 1분 또는 10분 간격으로 데이터를 수록한 결과, 이 기간 동안 데이터의 누락 발생 없이 실제로 공용 중인 철도 터널에서도 양호한 데이터 취득 결과를 확인할 수 있었다. 얻어진 데이터로부터 터널 내의 온도는 안쪽으로 갈수록 외기온의 영향이 적어지고, 균열 폭은 온도의 변화에 의해 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다. 계측은 가을에서 봄에 걸쳐 실시하고 있으며, 2월 초순에는 터널 입구 부근에서 최저기온이 -18℃까지 떨어졌으나 이러한 가혹한 조건에서도 문제없이 데이터 취득이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.([그림 7] 참조)
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