광센서 기술을 이용한 터널 모니터링

터널은 사회 기반시설의 핵심으로 대도시, 산악 지역은 물론 심지어 수중에도 설치되어 있습니다. 이러한 터널은 자연 장애물을 극복하고 먼 거리를 단축시키는 중요한 역할을 합니다. 그런데 터널은 얼마나 안전할까요?

오늘날 광섬유 브래그 기술을 이용한 현대적인 모니터링 시스템을 통해 신뢰할 수 있는 터널 상태 감시가 가능해졌습니다.

특히 터널 또는 그 인근에서 진행되는 건설공사 기간에는 터널의 역학적 변형이 중대한 안전 위험 문제를 제기합니다. 따라서 터널 구조의 안정성과 신뢰성을 신속히 점검해야 합니다.

터널 모니터링에 사용되는 센서 기술을 선택할 경우에는 다음과 같은 문제를 고려해야 합니다.

  • 단기 및 장기로 의도한 기간 전반에 걸쳐 수년간 센서가 필수 신호를 신뢰성 있게 제공할 것인가?
  • 일반적으로 터널에는 긴 케이블이 사용되므로 장거리 계측 신호의 품질을 보장할 수 있는가?
  • 터널 교통에 영향을 미치지 않고 모니터링 시스템을 설치할 수 있는가?
  • 아울러 당연히 이 기본적인 질문이 빠질 수 없습니다. 예컨대 문제 발생 시 경보를 발령하기 위해서는 어떤 측정량 및 모델이 적합한가?

광섬유 브래그 기술을 바탕으로 한 광센서 기술은 위에 열거한 모든 질문에 대해 지난 몇 년 동안 전통적인 모니터링 시스템에 비해 더욱 강력한 대안을 제시했습니다.

광섬유 브래그 기술 - 최적의 솔루션

광섬유 브래그 센서는 빛을 이용하여 스트레인 등의 물리량을 측정합니다.  이 기술은 뛰어난 장기 안정성과 더불어 주요한 이점이 있습니다. 즉, 측정 품질을 거의 해치지 않은 상태로 장거리에 걸쳐 측정값 전송이 가능하다는 것입니다. 뿐만 아니라 광도파관(optical waveguide) 한 개가 여러 개의 광섬유 브래그 센서를 내장할 수 있기 때문에 모니터링 시스템 설치에 필요한 수고를 최소한으로 줄일 수 있습니다. 특히 길이가 몇 킬로미터에 달하는 터널을 모니터링해야 할 때 이것은 매우 중요한 요소입니다. 

HBM FiberSensing의 'SysTunnel'은 사용자가 터널 모니터링용 광섬유 브래그 센서의 이점을 모두 얻을 수 있는 특수한 시스템 솔루션입니다.

SysTunnel의 구성요소

SysTunnel은 다음과 같은 요소로 이루어집니다.

  1. 센서: 원형 금속봉 외주에 설치하여 스트레인과 온도를 측정합니다. 이와 같은 '센서 링(sensor ring)'은 다양한 터널 단면에 설치가 가능하며, 광섬유 케이블에 의해 서로 연결됩니다.
  2. 인터로게이터(Interrogator): 빛 신호를 처리합니다.
  3. 소프트웨어: 측정된 데이터를 처리합니다.

 

 

기하학적인 형상 변형을 안정적으로 측정하는 MEMCOT 방법

SysTunnel은 측정 및 계산을 위해 MEMCOT 방법을 이용합니다.  MEMCOT란 ‘연신계에 의한 터널 내공변위 모니터링(Extensometric Method for Monitoring Convergences in Tunnel)’을 뜻합니다.

재료 이론에서 출발한 MEMCOT는 터널의 변위를 연속적으로 검사하는 것으로, 시간의 흐름에 따른 터널 윤곽 변형을 측정하는 방법입니다. 이 수학모델을 이용하면 축방향 스트레인 측정에 바탕을 둔 터널 모니터링 과업에 필수적인 방사상 오프셋과 변위를 모델링할 수 있습니다.

MEMCOT 접근법을 실제 적용하면 여러 이점을 얻을 수 있습니다. MEMCOT는 각 측정점의 절대운동을 측정합니다. 따라서 모든 단면의 기하학적인 형상 변형을 파악할 수 있습니다. 터널의 흔들림을 대칭적이라고 가정(그러한 가정이 반드시 옳은 것은 아님)하는 타 모니터링 방법과는 구분되는 점입니다. 뿐만 아니라 SysTunnel 사용자는 정확한 변형 형태를 파악할 수 있는데, 이 또한 전통적인 모니터링 시스템에서는 불가능한 기능입니다.

광섬유 브래그 센서: 사용상의 이점

SysTunnel은 장기적인 모니터링은 물론 단기적인 측정 주기에도 적합한 솔루션으로,  Rossio tunnel 상파울루 메트로 터널(São Paulo Metro tunnel)과 같은 정규 터널 운영에서 활용되고 있습니다.

사용자에게 알려드리는 주요 참고 사항:

SysTunnel은 한 번 설치하면 장기적으로 사용 기간 내내 안정적인 모니터링 시스템을 제공합니다. 다시 말해 오랜 기간에 걸쳐 계측 데이터를 안정적으로 수집하는 데 그치지 않고 터널의 주요 기하학적 형상 변형에 대해 자동적으로 경보를 발령할 수 있도록 SysTunnel을 구성할 수 있습니다.

기사 전문 보기

더 많은 정보는 어플리케이션 노트: Optical Monitoring System for Strain and Convergence Measurement (PDF) 에서 확인하실 수 있습니다.

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