1. 서 론

건설 계측이란 인간의 능력과 계측기기의 성능을 조합하여 공학적인 정보를 토대로 분석하는 행위로 이론과 경험, 측정 기술과 측정기기를 조합하여 정량적인 정보를 통해서 설계의 타당성을 규명하고 과다변위 발생 시 적절한 보강을 통해 시공의 안전성 확인을 파악하는 중요한 수단이다. 그러나 건설계측기기 산업이 1980년대 초 국내에 도입된 지 약 40여년이 경과하였음에도 불구하고, 건설계측 관련 규정 및 제도의 미비로 인해 계측기기의 품질보다는 최저가의 가격경쟁이 심화되어 건설현장에서는 검증되지 않은 계측기기가 사용되고 있다. 특히, 터널 정밀계측의 경우 제대로 된 계측기 성능검사와 검교정 관련 규정, 그리고 이를 점검하고 통제할 방법이 없음에 따라 성능기준에 적합한지 확인되지 않은 계측기기가 현재까지 적용 및 설치되고 있다고 할 수 있다. 이러한 문제해결 방안으로 성능검증을 위해 개선되어야 할 제도의 필요성을 논하고 터널 계측기 중 비교적 복잡한 구조를 갖는 록볼트 축력계와 지중변위계 검증을 위한 외관검사를 수행하였다. 또한 해당 계측기의 성능검증을 위해 검증장치 개발을 통해 국내산 계측기기의 문제점을 파악하였다, 이를 토대로 해당 계측기기의 성능검사 절차서(안)와 합격 기준(안)을 마련하여 정확도 확보방안을 제시하였다.

2. 계측기기 검교정 관련 규정

국내 계측기기 센서의 불량원인에는 계측 관련 규정의 미비함이 주원인으로 국내의 성능검사 관련 규정 조사내용은 아래와 같다.

2.1 국내 건설계측 관련 기준

행정안전부 고시 제 2019-43호 계측기기 성능검사 기준에서는 외관검사의 경우 외형적 손상 여부, 누수와 결로에 대한 저항성, 디지털 표시부의 손상 여부 등을 검사하도록 되어 있다(Public Notice of the Ministry of Public Administration and Security, 2019). 성능검사의 경우 각 장비별로 상이하나 일반적인 내용들과 정확도, 분해능, 측정범위에 대해 제시되어 있다. 서울지하철 계측관리요령 개선의 경우 터널구간에 사용되는 계측기기에 한해 더 정밀한 정확도를 요구하고 작동온도 기준치가 추가되었다(Seoul Metropolitan Government Infrastructure Headquarters, 2018). 그 외 KDS (설계기준), KCS (건설기준)에서는 KS 제품 사용 권장 이외에 계측기기 선정에 대한 일반적인 내용들이 기술되어 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021a; 2021b; 2021c). 이상의 내용을 정리하면 Table 1과 같다.

따라서 국내의 건설계측 검교정 및 검사규정은 외관검사와 성능검사 규정을 갖추고 있으나, 일반적인 내용 이상을 언급하고 있지 않아 계측기별로 다른 세부적인 성능지표를 다루지 못하고 있는 것으로 판단된다.

2.2 계측기기 성능검사 및 공인기관 인증기준 점검

계측기기 성능검사 시기와 공인기관 인증기준에 대해 조사한 결과, 행정안전부 제 2019-43호 고시에서는 3년 주기로 3회 이상 성능검사를 실시하며, 한국인정기구(KOLAS)에서 공인한 기관에 검사를 대행할 수 있다고 기재되어있다. 또 서울지하철 계측관리요령에 따르면 KOLAS 인증기관으로부터 검교정을 받은 검사장비를 통해 검교정을 실시한 성적서로 시험성적서를 대체할 수 있다고 제시되어 있다. 그러나 KOLAS 인증업체를 통해 계측기기에 대해 검사를 수행하려 하더라도 KOLAS의 규정상 인정한 분야(길이, 힘, 압력, 질량 등)에 대해서만 정확한 시험 및 검교정을 할 수 있으므로 정확도 확보에 요구되는 세부시험(측정범위, 분해능, 정확도, 동작온도, 방수 능력) 등의 성적서는 발급이 어려운 실정이다(Fig. 1).

Fig. 1.

Manufacturer’s report and KOLAS calibration report (example)

2.3 제도화 필요성

전술한 바와 같은 현행 규정으로는 세부적인 성능지표를 다룰 수 없으며, 공신력 있는 기관을 통해 시험 및 검교정이 불가능한 상황이다. 이로 인해 계측업체들은 계측기기 제조사들의 자체 교정 성적서에 의존할 수밖에 없으며, 부정확한 시험 결과가 의심되어도 이를 검증하기 어려운 실정이다. 따라서 계측기기별로 상세한 성능검사 규정이 필요하며, 정확도, 정밀도, 내구성이 확보될 수 있는 시험방법의 연구가 필요하다. 또한 이를 검증하고 공인하여 계측기기 시장에 적용할 수 있도록 법적 제도화가 시급한 상황이다.

3. 완제품 상태 성능검사의 필요성

3.1 다 센서, 다 부속에 의한 완제품 상태 성능검사 필요성

터널계측기 중 지중변위계(Multiple­point Borehole Extensometers)는 터널 굴착에 따른 주변 지반의 이완 영역을 깊이(간격: 1~1.5 m)별로 파악(4~6 m 깊이)하여 굴착에 따른 변위양상을 관찰하는 정밀계측기(Brown, 1981; Brady and Brown, 1993)이다. 록볼트 축력계는 록볼트 축력을 측정하여 록볼트의 지보효과를 파악하고, 록볼트의 길이, 간격 등 록볼트 내력의 타당성을 판단(Woo, 2006)하는데 사용된다.

지중변위계의 경우, 터널 단면의 대규모화에 따른 이완 영역의 증가로 센서의 길이가 4~6 m 이상인 장 지간의 센서를 설치해야 하며, 아래 Table 2의 부품 리스트와 같이 센서 외에 여러 개(9개 전후)의 여러 부품이 조립되는 구조이다. 따라서 센서 소자만 검교정된 후 조립할 경우 정밀도 확보의 오차 요인이 증가될 수밖에 없다(Dunnicliff, 1993; Korea Geotechnical Society, 1995).

3.2 센서의 구조적 특성에 의한 완제품 상태 성능검사 필요성

센서의 구조적 특성에 따른 문제점 파악을 위해 일례로 록볼트축력계의 현장적용성 시험을 시행하였다. 현장 적용성 성능검사 테스트 결과, 현장에 설치되는 록볼트의 단계별 인발하중(1,000~12,000 kg)을 재하한 값과 동일한 인발값을 나타내어야 함에도 불구하고, 시험결과 인발 하중변화가 거의 발생되지 않는 시험 결과를 나타내었다(Fig. 2) (Brady and Brown, 1993).

Fig. 2.

Results of rock bolt stressmeter pull-out test (Left: field test photo, Right: pull-out test results: N.G)

록볼트축력계의 현장인발 시험결과가 미비한 증가를 나타내는 이유로는 센서의 구조상 아래의 Fig. 3과 같이 Rod와 센서의 복합구조에서 로드에 하중이 선행되어 가해지고 센서에 전달되는 구조이기 때문에 Rod의 변형이 발생되기 전까지는 하중이 전달되지 않는 구조에 기인한 것으로 판단된다(Choi, 2006).

Fig. 3.

Internal structure of rock bolt stressmeter sensor

3.3 완제품 상태의 성능검사 규정 근거

2021년 12월 16일에 신규로 제 ‧ 개정된 공통공사 표준시방서(KCS 10 00 00)의 내용 중 건설 계측공사(KCS 10 50 10)가 고시되었다. 고시된 내용 중 “계측기기는 완제품 상태에서 검증절차를 통과한 KOLAS 인증제품 또는 공인기관으로부터 이와 동등 이상의 품질을 인증 받은 제품 중에서 선정하는 것을 원칙으로 한다”로 강화되었다(Fig. 4).

Fig. 4.

Revision of standard specification for construction measurement works

4. 계측기기 성능검사에 대한 국내외 전문가 검토의견

센서의 성능검증기준 마련 및 신뢰성 확보방안에 대하여 국내외 전문가 자문을 시행하였으며, 주요 내용을 정리하면, 성능검사 절차에 있어서는 국내 규정을 참고하여 완제품 상태에서 성능검사를 필히 수행하여야 하고, 검증장치에 있어서는 한국인정기구(KOLAS)를 통해 승인받아야 하며, 검교정 받은 계측기기와 미검교정 장비를 비교하여 정확성을 검토하는 것이 타당하다는 결론으로 귀결되었다.

4.1 국내 전문가 검토의견 요약

(1) 소자(순수 센서) 검증과 설치된 이후의 완전한 계측기기를 구별하여 성능검증 절차를 진행 필요

(2) 계측기기의 성능검사는 시험에 합격한 센서를 사용하는 것으로 검토 필요

(3) 계측센서 성능검사는 “급경사지 재해 예방에 관한 시행규칙 제12조의 계측기기 성능검사 기준에 관한 규정”을 참고하여 검토 필요

(4) 한국엔지니어링협회 품셈에서 2020년 말 작성한 “IoT 기반 실시간 계측관리 표준품셈“ 적용 필요

(5) 검증장치 제작 후 한국인정기구(KOLAS)에 승인 필요

(6) 테스트 베드 계획에서 검증된 계측기와 기존 사용 계측기를 동시에 설치하여 정확성 검토 필요

4.2 국외 전문가 검토의견 요약

(1) 공사 이후 수년이 경과하여 계측기기가 망실되면, 추가 센서를 공급하여 보충 필요

(2) 설치 시 파손 부담이 큰 매립형 센서나 유지관리 센서의 경우, 설계 단계부터 별도로 센서를 추가 설치하는 것을 권장

(3) 해외 계측기 제조업체는 ISO 9001 인증을 받은 기관이며 ANSI Z.540­1을 준수하는 곳으로 자체적인 검증을 실시하고 있으며, 별도로 발주처가 요청 시 ISO 17025 인증받은 외부 시험기관을 통해 무작위로 자사의 샘플을 테스트함. ANSI Z.540­1의 경우에는 미국 내 관리주체인 상무부 NIST에서 변경 내용에 대한 상시적으로 추적 감시하고 있으며, 표준내용에 대한 변경과 관련해서는 ISO/IEC 17025 인증을 받은 곳에서만 수행할 수 있는 만큼 관리가 엄격함.

(4) 한국의 경우에는 검증기관으로 KOLAS를 통해 검사하는 것을 추천함.

5. 터널 정밀계측기 외관검사를 통한 불량원인 파악

5.1 국내 계측기기 생산업체 조사 및 샘플 구매

터널 정밀계측기기의 불량 원인을 파악하기 위해 Table 3과 같이 국내 계측제조업체에서 생산 및 터널현장에 설치되고 있는 9개사(A사~I사)에 대하여 무작위로 구매 선정하여 록볼트 축력계와 지중변위계의 외관 검사와 특수 제작된 성능검사 검증 장치(Fig. 11 참고)를 이용하여 터널 정밀계측기기의 정확도 시험을 2회, 3회 반복시험을 실시하였다.

5.2 외관검사 결과

록볼트축력계의 외관검사 결과 센서의 길이는 일정하게 4.0 m를 유지하였고, 수동측정 결과 역시 자체 성능검사서와 유사한 측정치를 나타내었다. 그러나, 센서의 전체 무게와 외부돌기 유무, 돌기두께와 간격 등에서는 제조사마다 현저한 차이를 나타내었다(Table 4).

지중변위계의 외관검사 결과 Table 5에서 정리한 바와 같이 길이와 작동 테스트(수동측정)에서는 성능검사서와 유사한 측정값을 나타내었으나. 센서의 간격, 외부 두께 등에서 제조사마다 현저한 차이를 나타내었다.

5.3 불량 사례조사 결과

Table 6에서 보는 바와 같이 록볼트축력계는 원재료인 파이프 강재의 두께(5.8 mm)보다 얇은 것(2 mm)을 선택하여 무게를 줄여 재료 원가를 절감하는 사례가 많이 나타났으며, 지중변위계의 경우 센서의 고정상태가 불량하고 길이를 축소하는 방식의 사례가 조사되었다. 또한 숏크리트 응력계(Tangential방향, Radial방향)의 경우 응력을 제대로 받는 평평한(flat) 구조의 분리형 Cell 타입으로 제작되어야 하는데, 제조원가를 줄이기 위해 수직의 십자(+) 형태의 양방향 일체형으로 변경 제작되어 응력이 제대로 전달되지 못하는 것으로 조사되었다.

불량한 계측기기가 양산되는 주요 원인으로는 터널현장에서는 계측기기의 성능을 자체적으로 검증할 방법이 없으므로 계측제조사의 해당 시험성적서만 의존하며 외관검사 등 검수 과정과 검증 절차도 거치지 않고 있기 때문이다. 이러한 문제점을 해결할 성능검사 관련 연구와 검증 절차, 검증 규정 등 검증 제도의 부재로 인해 신뢰도 낮은 저급한 계측기기가 계속 양산 및 유통되고 있는 것으로 조사되었다.

Figs. 5, 6, 7은 각각 록볼트 축력계, 지중변위계, 숏크리트 응력계의 불량사례를 나타내고 있다.

Fig. 5.

Defective case of rock bolt stressmeter (Left: no external protrusion, Right: lack of thickness of external housing)

Fig. 6.

Defective case of rod extensometer (Left: normal sensor, Right: length defective sensor 1/40 times the recommended length)

Fig. 7.

Use low-cost type of shotcrete stress meter (Left: detachable cell type (standard), Right: integrated V/W type (low cost: defective)

6. 터널 정밀계측기 완제품 성능 시험장치 개발과 실내시험 수행

6.1 터널 정밀계측기기에 대한 완제품 상태 검증장치 개발

완제품 상태의 시험 ‧ 검증을 위하여 종래에는 없었던 단계별 하중 재하가 가능한 정밀계측기 검증장치(검증센서 KOLAS 인증)를 국내에서 처음으로 개발하였다(KOLAS, 2022). 시험장비는 장 지간(4~6 m) 터널정밀 계측기기(록볼트 축력계, 지중변위계)를 완제품 상태에서 자동화시스템으로 단계별 재하시험 및 검증이 가능하도록 개발되었다(Figs. 8, 9, 10, 11).

6.1.1 록볼트축력계 성능 검증장치

록볼트축력계 검증장치(Fig. 8)는 록볼트축력계의 4개 센서(1 m, 2 m, 3 m, 4 m 각 지점 센서 삽입)에 전달되는 축력(ton)을 알기 위해 로드셀(KOLAS 인증 Load cell)을 이용하여 하중을 단계적으로 재하할 수 있도록 제작된 자동화시스템으로써, 록볼트축력계 길이 4~6 m까지 시험이 가능하고, 최대 30 ton까지 재하가 가능하도록 제작되었다.

Fig. 8.

Performance inspection device for rock bolt stressmeter

6.1.2 지중 변위계 성능 검증장치

지중변위계 검증장치(Fig. 9)는 센서(1.5 m, 3 m, 4.5 m, 6 m 각 지점 센서 삽입, 센서당 간격 1.5 m)에 전달되는 변위를 알기 위해 각 지점(point) 4개소를 고정시키고, 로드셀(KOLAS 인증 Load cell)을 이용하여 하중을 단계적으로 재하한 후 변위를 파악하기 위한 자동화시스템으로써, 측정 가능범위는 500 mm이다.

Fig. 9.

Performance inspection device for rod extensometer

6.2 완제품 상태 실내시험 방법

국내 계측기 제조업체 9개사에서 구매한 제품들의 성능검사 성적서를 참조하여 특수 제작된 정밀계측기 검증장치로 성능검사 시험을 실시하였다(Figs. 10, 11 참고). Table 9에서 제시한 성능검사 절차를 준수하여 측정 가능한 최대 측정값(록볼트 최대 15 t, 지중변위계 최대 50 mm)의 60%까지 단계적으로 하중을 재하하여 1~2회 시행하였다. 만약 시험 중 심각한 외형 변형, 파괴가 발생한 경우 시험을 중단하고 파괴 이전까지 측정값을 기록하였다(Lee, 2010).

Fig. 10.

Performance inspection device foreground (Left: rod extensometer, Right: rock bolt axial meter)

Fig. 11.

Performance inspection device foreground (Left: rock bolt axial meter, Right: rod extensometer)

6.3 완제품 상태 성능검사 장치를 이용한 시험결과

6.3.1 록볼트 축력계 성능검사 시험결과

Fig. 12와 같이 록볼트 축력계의 성능검사 시험에 따른 정확도 판정을 해 본 결과, Table 7과 같이 A, D, E, G, H, I사 센서는 하중변화에도 반응하지 않아 시험불가 상태이거나 오차가 너무 크게 나타났다. B, C사에서는 성능검사 재하 하중과 유사한 하중증가 양상과 측정치를 나타내었으나 완제품이 아닌 소자 상태의 한계로 자체 성적서의 기준보다는 다소 떨어지는 정확도를 보였다. F사에서는 오차율이 자체 성적서 기준을 충족하여 합격했다. 9개사 록볼트 축력계의 성능검사 결과는 제조사의 자체 성적서, 현행 관련 기준(Table 1), 외관 검사 결과 그리고 Table 7의 성능시험성적서를 종합하여 합격 1 pc. (11%), 재교정(성능검사 데이터의 선형성이 일정하게 나타남) 후 사용 가능 2 pcs. (22%), 불합격 6 pcs. (67%)로 판정하였다.

Fig. 12.

Performance test picture (Left: rock bolt axial force meter broken, Right: rock bolt axial force meter external deformation)

6.3.2 지중 변위계 성능검사 시험결과

Fig. 13과 같이 지중 변위계(6 m)의 성능검사 시험(4 point: 1.5 m, 3.0 m, 4.5 m, 6.0 m)에 따른 정확도 판정을 실시해 본 결과, Table 8에 정리한 바와 같이 대부분의 업체의 경우 1.5 m의 1개 센서만 작동(불량)하거나, 20 mm 이상 적용 변위를 재하할 때까지는 측정치가 나타났으나 이후 측정값의 변화가 없는 망실 상태를 나타내었다. 그러나, G사, H사의 경우에는 성능검사 재하 변위와 유사한 변위 증가 양상을 나타내었으나, 자체 성적서에 표기된 정확도와는 차이를 나타내었다.

Fig. 13.

Photo of performance inspection of rod extensometer sensors (Left: check displacement, Right: remove outer housing to check operation condition)

지중변위계의 실험 결과 일부 센서만 정상 작동하거나, 일정 변위를 초과한 경우 센서가 망실되는 경우가 대다수였으며, 일부 기기는 정상 작동하는 것으로 파악되었다. 총 9개사 지중변위계의 성능검사 결과는 제조사의 자체 성적서와 현행 관련 기준(Table 1), 외관검사결과 그리고 Table 8의 성능시험성적서를 종합하여 정상 작동 2 pcs. (22%), 불량 7 pcs. (78%) (시험 중 파손 2 pcs.)로 판정하였다.

6.4 향후 추가 시험과제

6.4.1 숏크리트 응력계 성능검사

현재 터널현장에 설치되고 있는 정밀계측기 중 숏크리트 응력계(Tangential방향, Radial방향)는 십자(+) 형태의 양방향 일체형(Fig. 7 Right)으로 평평한(flat) 구조의 분리형 Cell 타입(Fig. 7 Left)에 비해 응력 전달이 제대로 되지 못하는 구조로 파악되었으나, 이를 시험하기 위해서는 십자(+)형 타입과 분리형 Cell 타입에 맞는 숏크리트 몰드 및 시험용 지그를 별도 제작하고, 센서가 매입된 숏크리트 몰드에 응력을 증감시켜 각각의 센서를 검증하여야 할 것으로 판단된다.

6.4.2 방수 시험

6.3에 언급한 내용은 정확도, 정밀도를 측정하는 실내시험이지만, 지하수가 유출되는 터널현장 등에서 센서의 내구성을 확인하기 위해서는 방수시험(IEC 60529 규격, 15~100 cm 깊이의 물속에서 30분간 담금)을 추가로 실시하여 검증하여야 할 것으로 판단된다(Industrial Standards Council, 2017).

7. 터널 정밀계측기기 성능검사절차 제안

전문가 및 해외업체의 자문 결과와, 정밀검증시험 결과를 종합적으로 고려하여 Table 9와 같이 록볼트 축력계 및 지중변위계의 성능검사 절차서(안)를 제시하였다.

Table 9.

Proposal of performance inspection procedure

No.	Performance inspection procedure	Remarks
1)	Conduct an appearance inspection of the measuring instrument to check for abnormalities in appearance (sensor length, weight, thickness, spacing between sensors, etc.)
2)	Conduct a manual measurement and check if each point is not impossible to measure or if it indicates a measurement similar to the calibration sheet.
3)	After mounting the instrument to be tested on the performance inspection device in the finished product state, secure it firmly using the upper, lower, left, and right fixing jigs to prevent the measurement sensor from moving during the test.
4)	If the instrument type of each manufacturer is different, a separate performance inspection jig device, etc. shall be manufactured and the test shall be conducted based on the manufacturer’s own report.
5)	Check the load changes in stages for the maximum applied load through steps 5 to 6, and perform an accuracy check by repeatedly testing the load twice to three times.
6)	After comparing the test report with the test report of the manufacturer requesting the test, it is determined whether it is passed or failed.
7)	After notifying the client of the test results, the test materials are taken out.

8. 결 론

종래 사용되어오던 터널 정밀계측기는 이를 검증할 절차와 방법에 대한 연구와 관련 규정이 없음에 따라 신뢰성 낮은 계측기기가 주류를 이루었다.

1. 이를 해결하기 위해서 본 연구에서는 국내에서 설치되고 있는 터널 계측기기의 불량 원인과 성능검증을 통해 계측기의 미비점과 보완할 점을 파악하였다. 계측기 검교정 관련 규정과 절차, 성능검증을 위해 KOLAS (한국인정기구) 등 공인기관 인증의 필요성에 대해 언급하였다.

2. 국내 계측기 제조업체 9개사에서 생산된 정밀계측기의 외관검사 결과 제조사별로 상이함을 확인하였고, 외관검사 합격 기준과 정확도 확보를 위한 성능검증 방법 및 절차를 제시하였다. 개별센서 위주의 성능테스트도 중요하나 완제품 상태에서의 성능검사가 필요한 근거를 확보하였다.

3. 완제품 상태의 시험 ‧ 검증을 위하여 단계별 하중 재하가 가능한 정밀계측기 검증장치(검증센서 KOLAS 인증)를 국내에서 처음으로 개발하였다. 장 지간(4~6 m) 정밀계측기를 완제품 상태에서 시험 및 검증하여 정확도와 정밀도를 파악할 수 있었고, 그 결과 국내에서 생산된 정밀계측기의 정확도와 합격률은 매우 낮게 나타났다. 따라서 최근 개정된 건설계측공사 표준시방서(KCS 10 50 10)에 고시된 바와 같이 “모든 계측기기는 완제품 상태에서 검증 절차를 통과한 인증제품”을 사용하여야 함을 알 수 있었다.

4. 터널 계측기기의 정확도 및 정밀도 확보를 위한 성능 기준 마련이 필요함에 따라, 성능검증 장치를 통한 시험으로 정밀계측기 성능검사 절차(안)을 제시하였다. 향후 숏크리트 응력계, 방수 시험 등 추가적인 검증연구가 필요하고, 다른 계측기의 성능검증 방법과 절차를 시급히 마련하여 계측기 성능검증과 관련된 규정 등 제도화를 추진하여야 할 것이다.