종방향 지하선형의 특수구조물인 터널에서, 굴착으로 인한 지반이완이 일어나기 이전에, 그 지반과의 유연성․부착성이 좋은 지보공을 설치하여, 굴착에 의한 응력․강도의 저하를 최대한 방지하고, 지반 자체의 지지력을 최대로 활용한 arch를 형성시켜서, 터널 시공의 안정성을 확보하기 위하여, 주변지반과 지보공의 응력․변위․거동을 파악하고 굴착시공을 제어․조정하기 위한 수단으로, 터널의 내공변위․지중변위․rock bolting 축력․shotcrete 응력 등의 지보공 변형과 주변지반의 변위에 대한 계측의 시행이 필요하게 되는 것이다.
터널의 설계․시공은 지반에 대한 사전 정보 획득에 한계가 있고, 굴착방법․시공순서․공정관리․quality에 따라 응력강도 발생에 한계가 있으므로, 지반거동․지보공 효과․구조물 안정상태․인접구조물의 안정성을 확인하고 대처하기 위하여서는, 변위의 영역․속도․가속도와 허용지지력을 파악하고, 이완영역 범위내의 지표부 침하․지중변화․터널 내공의 변위 등을 계측하여, 지보효과를 극대화하기 위한 지보의 수량 보완․공법의 개선변경․붕괴 붕락 등의 변형 파괴를 사전에 방지하여 안정성․경제성을 확보하고자 하는 것으로, 터널 시공관리 단계의 한 수단이다.
계측데이터는 터널 단면의 평형상태․변위속도․상대적인 변형과, 집중현상․단면폐합시기 결정 등 최종적인 변위량을 예측하고, shotcrete․rock bolt의 추가설치 여부와, 2차 콘크리트 lining 타설시기 판단 등, 시공의 안정성․지보효과․시공시기와 방법․붕괴 예측 등의 안정상태 파악에 최우선적으로 이용되며, 특히 터널 line 상부 지표부 지반 토피가 얕은 경우나, 고결도가 낮은 지반 또는 층리․절리․단층․파쇄대 등 붕괴 우려지역에서는, 이완영역 예상 지표면 직하부의 tunneling은 3주정도 이전에 grout anchor식의 다층지중변위계(9.2.4.2 : 4～6 stage borehole rod extensometer)와 침하핀(9.2.2.2) 또는 지표침하계(9.2.4.2)를 설치하여, 지표면의 침하변화와 지표에 미치는 이완영역을 감시하고, 터널에 작용하는 하중 영향에 의한 천단침하(tunnel roof settlement) 및 내공변위와, rock bolt의 적정길이․지보효과와 주변지반의 안전을 확인해야 한다.
지반 상황에 따라서는, 지반표면경사계(9.2.2.9)나 지중매설형경사계(embedment tiltmeter : 9.2.6.4)와 increx system(9.2.4.11) 등을 설치하나, 지중변위계를 자석식 층별침하계(9.2.4.8)로 tunneling에 의한 지반 이완상태 파악의 수단으로 대체하는 경우도 발생한다.
터널 계측은 그 규모와 환경조건에 의해, 계측의 목적․방법․설치위치․측정수단에 따라 상호보완적 관계로 선택되고, 선정된 대표 단면상에 주로 배열되며, 계측항목별․기기종류별․ 규모별로 설치난이도에도 큰 차이가 있다.
9.2.7.1 천단침하 및 내공변위계
내공변위를 측정하기 위해서는 터널 단면의 대각방향에 2․4․6․8의 복수 point와 천단암반에, 내공변위핀(φ19～22㎜×20㎝ 정도)을 착암기로 천공하여 삽입하고 grouting으로 고정하여, 내공변위계(tape extensometer : steel tape)의 hook를 걸어 변위 상태를 측정하게 된다.
최근에는 변위핀 대신 bireflex target을 설치하고 광파 측량하여 변위를 3차원으로 측정하는 방식도 사용되고 있다.
9.2.7.2 지중변위계(rod extensometer)
터널 내의 반경방향 이완영역을 파악하고, 내공변위(9.2.7.1)․지표부 다층지중변위계(9.2 .4.4)․rock-bolt 축력측정(9.2.7.3) 결과와 연관하여, rock bolt의 적정길이 설정 판단에 활용하게 되므로, rock bolt 축력계와 연관된 개소에 착암기 천공공(φ38㎜)에 적용할 수 있도록 2～6m 길이의 단면당 3개소 측점 방식이 주로 이용되며 6개소 측점 방식까지도 활용된다.
이는 다층지중변위계(borehole rod extensometer)의 하향 앵커방식을 터널내 암반에의 rock bolting 방향으로 상향 착암공에 장착하는 방식의 차이가 있을 뿐이다.
변위 측정 방식에 따라 dial gauge로 측정하는 수동식과 센서(potentiometer, V/W readout unit) type으로 측정할 수 있는 종류로 구별되며 개소당 4point체가 주로 이용된다.
9.2.7.3 rock bolt 축력계(rock bolt stressmeter)
shotcrete와 함께 tunneling에의 대표적인 지보공인 rock bolting의 축력을 계측하여, rock bolt의 유효성(유효깊이․수량․응력 등)을 검증하기 위한 계측이다.
설치방식은 2～6m의 앵커체(φ¾″, 고탄소강관) 내에 균등하게 배분된 4point에, strain gauge sensor를 방수․방습․방청처리로 내장하고, ribs를 용접한 앵커파이프를 암반 착암공(φ38㎜)에 grouting하여 암반과 일체화되게 고정시킨다.
계측은 암반의 거동이나 이완․절리 등에서 하중에 의한 축력으로 발생되는 미세한 변형을 각 지점에서 측정하게 되어서, 인발 항복점과 강도와의 관계와 이완 영역 파악에 의한 장력․정착효과의 판단으로, 적정길이․증설여부를 결정하는 계측수단이다.
9.2.7.4 shotcrete stress cell(응력계)
tunnel shotcrete lining의 배면 토압 크기와 분포, 암반팽창 등 shotcrete 파괴 감시를 위하여, 원지반과의 경계면과 shotcrete 내에 설치하여, 축방향 응력․측압계수․내응력측정으로 shotcrete의 안정성과 추가 지보공의 필요성, 1․2차 타설 두께 등을 설정하게 하는 계측수단이다.
터널 반경방향의 radial cell과 직각방향의 tangential cell로 조합된 pair cell로 응력을 측정하며, rock bolt stressmeter(9.2.7.3)․rod extensometer(9.2.7.2)․내공변위계(9.2.7.1)와 조합되어, lining에 작용하는 힘의 크기와 방향을 계측하게 되고, lining의 두께와 2차 타설시기 등의 결정에 이용된다.