온도 변화 보정 모델을 적용한 대심도 철도 터널 구조물의 변위 측정 정확도 개선 연구 : 온도 변화 보정 모델을 적용한 대심도 철도 터널 구조물의 변위 측정 정확도 개선 연구 = A Study on Improving the Accuracy of Displacement Measurement for Deep Underground Railway Tunnel Structures Using a Temperature Variation Compensation Model

국문 초록 (Abstract)

온도 변화 보정 모델을 적용한 대심도 철도 터널 구조물의 변위 측정 정확도 개선 연구 상 지 대 학 교 대 학 원 콘 크 리 트 공 학 전 공 김 진 환 지 도 교 수 노 병 철 터널 변위 측정의 정확성은 구조물의 안전성 평가 및 유지관리에 필수적인 요소이다. 토탈스테이션(Total Station, TS)은 터널 변위 모니터링에 널리 활용되지만, 온도 변화 및 환경적 요인으로 인해 측정 오차가 발생하는 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 특히, 굴절률 변화 및 공기층 형성으로 인해 발생하는 광학적 왜곡 효과는 기존 연구에서 충분히 고려되지 않았으며, 이에 관한 체계적인 연구가 필요하다. 터널 내부의 온도 변화가 변위 측정값에 미치는 영향을 분석하고, 이를 보정하기 위한 수학적 모델을 개발하였다. 온도 차이에 따른 공기 밀도의 변화와 이에 따른 빛의 굴절 현상이 변위 측정값에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였으며, 이를 기반으로 한 굴절률 기반 보정 모델을 적용하여 측정 오차를 줄이는 방법을 제안하였다. 연구 결과, 제안된 보정 모델을 적용할 경우 터널 변위 측정 정확도가 기존 대비 약 52.1 % 향상됨을 확인하였으며, 계절적 온도 변화에 따른 변위 변화 패턴을 보다 정밀하게 분석할 수 있었다. 특히, 개발한 보정 모델은 기존 TS 기반 자동 계측 시스템에 적용할 경우 신뢰성을 향상 시킬 수 있으며, 지하철 터널 및 지하 저장소 등 다양한 지하 구조물의 변위 모니터링에도 적용 가능할 것으로 기대된다. 핵심용어 : 광학적 왜곡, 굴절률 보정, 터널 변위, 온도 변화, 토탈스테이션 오차

목차 (Table of Contents)

• 차 례 ⅰ
• 표 차 례 iv
• 그 림 차 례 ⅴ
• 사 용 기 호 vii
• 국 문 요 약 ix
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.1.1 연구배경 1
• 1.1.2 연구의 필요성 3
• 1.2 연구동향 5
• 1.2.1 대심도 철도 터널 구조물의 계측 기술 동향 5
• 1.2.2 대기 굴절률 변화에 따른 TS 오차 보정 연구 동향 8
• 1.3 연구목적 15
• 1.4 연구방법 및 범위 16
• 1.4.1 연구방법 16
• 1.4.2 연구범위 18
• 제 2 장 대심도 철도 터널 계측 환경 및 변위 측정 문제점 분석 19
• 2.1 대심도 철도 터널의 환경적 특성 19
• 2.2 철도 터널 변위 자동화 계측 시스템 21
• 2.2.1 TS 기반 자동화 계측 시스템의 개요 21
• 2.2.2 토탈스테이션의 측정 원리 및 방법 22
• 2.3 TS 기반 터널 변위 측정의 주요 문제점 26
• 2.4 온도 환경변화에 따른 TS 계측 오차 보정의 이론적 배경 28
• 2.4.1 대기 굴절률의 정의 및 변화 요인 28
• 2.4.2 거리 측정 오차 메커니즘 28
• 2.4.3 기상 인자별 민감도 분석 29
• 2.4.4 기존 굴절 보정 모델 30
• 제 3 장 대심도 철도 터널 현장 계측 시스템 및 계측 결과 39
• 3.1 실측 대상 터널 개요 39
• 3.2 터널 변위 측정을 위한 자동화 계측 시스템 구성 41
• 3.2.1 계측 기기 41
• 3.2.2 계측기 설치 현황 44
• 3.2.3 계측주기 49
• 3.2.4 변위 계측 관리기준치 49
• 3.3 터널 내부 계측 데이터 결과 51
• 3.3.1 온도 계측 데이터 51
• 3.3.2 TS에 의한 변위 계측 데이터 53
• 3.3.3 온도와 변위 계측 데이터 결과 56
• 3.3.4 수동 계측 데이터 59
• 3.3.5 측정 위치와 측정 방법에 따른 수직 변위 비교 61
• 제 4 장 계측값의 신뢰성 및 상관성 분석 64
• 4.1 온도 데이터의 자기 상관성 분석 64
• 4.2 수직변위의 자기 상관성 분석 66
• 4.3 온도와 수직변위의 상관성 분석 71
• 4.4 Minitab을 활용한 계측값 간의 상관성 분석 76
• 4.4.1 대표 구간 변위 시계열의 ACF 및 PACF 분석 76
• 4.4.2 계측값 간의 상관성 분석 79
• 제 5 장 온도변화에 의한 터널 변위 오차 보정 모델 82
• 5.1 빛의 굴절에 따른 오차 보정 모델 82
• 5.2 굴절률 기반 보정 모델의 검증 88
• 5.3 연구의 시사점 및 한계 92
• 제 6 장 결 론 94
• 참고문헌 96
• ABSTRACT 108