온도 변화에 의한 오차 보정을 통한 터널 변위 측정 정확도 개선 연구
Research on Improving Tunnel Displacement Measurement Accuracy through Error Correction for Temperature Changes
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초록
터널 변위 측정의 정확성은 구조물의 안전성 평가 및 유지관리에 필수적인 요소이다. 토털스테이션(Total Station, TS)은 터널 변위모니터링에 널리 활용되지만, 온도 변화 및 환경적 요인으로 인해 측정 오차가 발생하는 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 특히, 굴절률 변화및 공기층 형성으로 인해 발생하는 광학적 왜곡 효과는 기존 연구에서 충분히 고려되지 않았으며, 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 터널 내부의 온도 변화가 변위 측정값에 미치는 영향을 분석하고, 이를 보정하기 위한 수학적 모델을 개발하였다. 온도 차이에따른 공기 밀도의 변화와 이에 따른 빛의 굴절 현상이 변위 측정값에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였으며, 이를 기반으로 한 굴절률 기반보정 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, 본 연구에서 개발한 보정 모델은 기존 TS 기반 자동 계측 시스템에 적용할 경우 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 지하철 터널 및 지하 저장소 등 다양한 지하 구조물의 변위 모니터링에도 적용 가능할 것으로 기대된다.
Abstract
The accuracy of tunnel displacement measurement is essential for evaluating structural stability and conducting maintenance effectively. Total Station (TS) is widely used for tunnel displacement monitoring; however, measurement errors caused by temperature variations and environmental factors remain a significant issue. In particular, optical distortion effects due to refractive index changes and air layer formation have not been sufficiently considered in previous studies, necessitating a more systematic approach. This study analyzes the impact of temperature fluctuations on displacement measurements in tunnels and develops a mathematical model for correction. The relationship between air density variations caused by temperature differences and subsequent light refraction phenomena is quantitatively evaluated. Based on this analysis, a refractive index-based correction model is applied to reduce measurement errors and improve accuracy. The results demonstrate that applying the proposed correction model improves the accuracy of tunnel displacement measurements by approximately 52.1% compared to conventional methods. Additionally, the study provides a more precise understanding of seasonal displacement variation patterns. The developed correction model is expected to enhance the reliability of existing TS-based automated measurement systems and could be applied to various underground structures such as subway tunnels and underground storage facilities.