서 론
지하공간 개발, 자원 확보, 터널 및 기반시설 건설 등 다양한 분야에서 지반 드릴링 공정(drilling process)은 필수적 요소로 자리잡고 있다. 특히 터널 굴착이나 시추 과정에서 지반의 불균질성과 예측 불가능성은 건설 시공 리스크의 주요 원인으로 작용한다. 이에 따라 실시간 지반 특성의 평가 및 드릴링 공정의 모니터링 시스템에 대한 중요성이 갈수록 강조되고 있다. 기존의 드릴링 정보(drilling data)는 시추 후 수동적으로 기록되거나 단편적인 로그(log) 자료에 의존하는 경우가 많으므로 드릴링 정보의 정확성, 객관성 및 시의성 확보에 대한 한계가 있었다.
이러한 문제의 해결을 위하여 드릴링 도중에 타격압, 피드압, 회전압, 드릴링 시간 및 깊이, 드릴 붐의 각도 등과 같은 다양한 정보를 측정하고 기록하는 드릴링 데이터 로깅 시스템(drilling data logging system)에 대한 수요가 증대되고 있다. 이와 같이 드릴링 데이터 로깅 시스템은 일반적으로 센서 및 데이터 측정장치, 통신 모듈, 저장 시스템, 데이터 분석 프로그램로 구성되며, 실시간 모니터링과 자동화된 이상탐지 기능을 활용하여 시공의 효율성 향상과 지반의 안정성 확보에 기여할 수 있다.
특히 최근의 건설산업 흐름(trend)은 센서 기술과 데이터 기반 분석기술의 융합을 통하여 자원개발 및 인프라 건설 분야에서의 공정 최적화 및 리스크 대응 능력 제고로 이어지고 있다. 예를 들면, 스웨덴 Atlas Copco의 EDGE Drill Monitor System (Premachandran, 2015), 일본 Furukawa Rock Drill Co. (2019)의 Integrated Drilling System, 일본 Kajima Corporation (2025)의 A4CSEL System 등은 자사가 개발한 드릴링 장비에 센터를 장착하여 드릴링 데이터를 수집 및 분석하는 시스템을 구축 및 상용화하였다. 이와 같이 개발된 드릴링 데이터 로깅 시스템을 토대로 실시간 암질 평가, 천공 가능성(drillability) 예측, 시공 품질관리 등에 폭넓게 활용되고 있다.
그러나 이러한 국외에서 개발된 상용 로깅 시스템은 고가이며 대형 장비를 중심으로 개발되어 국내의 현장에서는 적용이 제한적이다. 그리고 국내 현장에서 측정된 데이터가 분석을 목적으로 국외로 유출되고 있으므로 측정 데이터의 소유 및 관리에 대한 문제가 대두되고 있다.
드릴링 데이터 기반의 실시간 지반 평가 및 모니터링 기술은 최근 다양한 연구를 통해 발전하고 있다. 드릴링 데이터의 측정시 정확도를 높이기 위하여 드릴링 데이터 측정시 단일지점(single-point)에서 이중지점(dual-point)으로 확장하여 정확성을 향상시키고 노이즈를 감소시키는 연구가 진행되었다(Emmerich et al., 2015; Yan et al., 2019; Wang et al., 2020; Gutierrez et al., 2021). 그리고 분산형 광섬유를 이용하여 온도, 음향, 변형 등을 측정하는 장치(Hemink and Van der Horst, 2018; Gurjao et al., 2021; Sun et al., 2021; He et al., 2022)와 분산형 MEMS (micro-electro-mechanical system) 기반의 방향, 온도, 압력 등을 측정하는 장치(Wang et al., 2018; Van Pol et al., 2018; Liu et al., 2022; Li et al., 2023b)가 개발되었다. 또한 마이크로칩(microchip)을 활용하여 시추시 유체의 흐름에 따른 온도와 압력을 측정하는 장치가 연구 및 개발되었다(Yu et al., 2012; Li et al., 2017, 2022, 2023a; Shi et al., 2020; Dokhani et al., 2022).
한편, 현재 상용화 측면에서 드릴링 데이터 로깅 시스템으로는 이태리 DAT Instruments의 DAT WideLog 및 미국 DigiDrill의 DataLogger가 대표적이다. 이들 시스템은 다양한 센서 인터페이스 및 저장 포맷(WITSML, CSV 등)을 지원하며, 현장 작업자 UI와 통합된 데이터 시각화 기능을 제공하고 있다. 그러나 여전히 고가의 장비, 운영의 복잡성, 현장 맞춤형 기능의 부재 등으로 국내 도입에 장애 요소가 많다.
국내 연구에서는 아직까지 드릴링 데이터 로깅 시스템에 대한 일관된 적용 기준 및 현장 프레임 워크가 미비한 상황이다. 일부 건설 자동화 관련 연구를 통하여 단편적인 적용사례가 보고되고 있으나, 체계적인 연구가 수행되지 못하고 있다.
따라서 국내의 독자적 기술을 토대로 드릴링 데이터 로깅 시스템을 개발하고, 건설현장에 상용화를 위한 실증 연구가 매우 시급한 상황이다. 본 연구에서는 우선적으로 드릴링 데이터의 수집을 위하여 장비에 설치 가능한 모듈형 데이터 수집장치를 개발하고, 수집된 데이터를 분석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 실제 현장실험을 통하여 개발된 드릴링 데이터 로깅 시스템의 기초적인 현장적용성을 검토하였다.
드릴링 데이터 로깅 시스템 개발
드릴링 데이터 수집장치 제작
드릴링 데이터 수집장치를 제작하기 위하여 실제 현장에서 장비운용시 환경을 조성하여 드릴링 데이터를 생성할 수 있는 발생장치를 개발하였다. Fig. 1은 본 연구에서 제작된 드릴링 데이터 발생장치를 나타낸 것이다. 이를 활용하여 현장에서의 드릴링 작업시 발생되는 아날로그 형태의 데이터를 생성시키고, 아날로그 형태의 데이터를 디지털 형태의 데이터로 변환시키는 기술을 개발하였다. 또한 아날로그 형태의 데이터에서 디지털 형태의 데이터로 변환시 노이즈를 처리하는 기술도 적용하였다.
드릴링 데이터 로깅 시스템에서는 드릴링 작업시 발생되는 타격압, 피드압, 회전압, 드릴 붐의 각도 및 드릴링 심도 측정이 가능한 센서가 설치된다. 타격압(hydraulic impact pressure)은 드리프터 내부의 피스톤이 왕복운동을 하면서 비트 후방을 타격하여 암반을 파쇄하는데 필요한 압력이다. 피드압(feed pressure)은 비트와 드릴 로드를 전방으로 밀어주는 압력으로 드릴을 암반에 누르는 힘으로 설명할 수 있다. 회전압(rotation pressure)은 드릴 로드를 회전시키는 압력으로 비트가 암반을 파고들면서 회전하는 힘이다. 이러한 다양한 드릴링 데이터를 정확하게 측정하기 위하여 최적의 센서를 선정하고 조합하는 것이 매우 중요하다. 따라서 현장의 다양한 드릴링 데이터를 측정할 수 있는 센서들 가운데 내구성과 신뢰성이 입증된 압력센서, 각도센서, 심도센서를 선정 및 제작하였다. 그리고 지하굴착 혹은 터널공사시 현장의 특성을 반영하여 진동, 분진, 습기 등의 열악한 환경에서도 데이터의 정확도가 유지될 수 있는 방진 및 방수센서를 활용하였다. 이와 같이 최적의 조합으로 선정된 센서들은 내구성, 설치 안정성, 편의성 등을 고려하여 드릴링 데이터 로깅 시스템에 결합하였다. Fig. 2는 본 연구에서 선정된 압력측정 센서를 나타낸 것이며, Fig. 3은 본 연구에서 제작된 각도측정 센서 및 심도측정 센서를 나타낸 것이다.
드릴링 데이터 발생장치에서 압력 데이터 측정을 위한 아날로그 형태의 데이터를 생성하여 샘플 데이터를 확보하였다. 본 장치에서는 압력측정 센서에 전달되는 타격압, 피드압 및 회전압을 아날로그 형태의 데이터로 생성할 수 있다. 그리고 시스템 개발의 편의성 및 호환성을 확보하기 위하여 디지털 신호 발생기를 제작하여 샘플 디지털 데이터를 생성하도록 하였다. Fig. 4는 본 연구에서 개발된 디지털 신호 발생기를 나타낸 것이다.
한편, 드릴링 데이터 로깅 시스템이 현장 환경에서도 안정적으로 원활하게 데이터 수집이 가능하도록 외관을 구성하였다. 특히 드릴링 장비의 진동을 최소화하기 위하여 결합 소켓을 제작하고, 현장에서 유지보수 및 센서 교체가 용이하도록 설계하였다. 그리고 제작된 드릴링 데이터 수집장치에 대한 성능 확인을 위하여 드릴링 데이터 발생장치와 디지털 신호 발생기를 이용한 실내실험을 완료하였다. Fig. 5는 본 연구를 통하여 개발된 드릴링 데이터 수집장치의 본체를 나타낸 것이다.
드릴링 데이터 분석 프로그램
드릴링 데이터 로깅 시스템에 활용되는 분석 프로그램은 데이터 수집장치로부터 실시간으로 제공되는 데이터를 분석하고, 분석된 자료에 대한 DB 구축 및 관리기능을 갖도록 하였다. 본 프로그램에서는 실제 드릴링 작업 중 발생하는 타격압, 피드압, 회전압, 드릴 붐의 각도 및 드릴링 심도에 대한 데이터를 실시간으로 분석하여 도시화하고 이를 토대로 지반의 상태를 예측할 수 있는 자료를 생성한다. 그리고 사용자가 쉽게 활용할 수 있도록 직관적으로 시각화할 수 있는 인터페이스를 제작하였다.
한편, 분석된 자료에 대한 DB를 구축하여 데이터 조회 및 출력이 용이하도록 하였다. DB 구축된 데이터 가운데 특정 자료를 선택하면 공 단위별로 드릴링 심도, 피드압, 회전압, 타격압, 상하/좌우 각도를 그래프로 도시하여 화면에서 볼 수 있도록 하였다. Fig. 6은 개발된 분석 프로그램을 통하여 시범적으로 DB 구축된 드릴링 데이터를 조회하는 기능을 도시한 것이다. 그리고 Fig. 7은 분석 프로그램을 통하여 드릴링 데이터를 분석하고 타격압, 피드압, 회전압 등을 그래프로 도시한 것이다.
현장실험
개발된 드릴링 데이터 로깅 시스템에 대한 현장 적용성을 기초적으로 평가하기 위하여 현장실험을 수행하였다. 현장실험을 통하여 드릴링 데이터 수집장치와 드릴링 데이터 분석 프로그램이 실제 작업현장에서 안정적으로 작동하는지 확인하고, 실제 현장에서 측정된 데이터가 개발된 프로그램을 이용하여 정상적으로 처리 및 분석되는지 확인하였다.
현장실험이 수행된 지역은 충북 음성군 맹동면 일원으로 나지막한 구릉성 산지를 대상으로 하였다. 대상지역의 지질은 흑운모 화강암으로 실제 풍화토 지반을 대상으로 드릴링 작업을 수행하였다. Fig. 8은 현장실험이 수행된 구간의 지질도를 도시한 것이다.
현장실험에 활용된 드릴링 장비는 JD-1400E로서 국내 전진 CSM에서 제작된 유압식 크롤러 천공기이다. 본 장비는 유압 크롤러 기반의 일체형 드릴링 장비이며, 드리프터는 YH-135 (JET-11) 모델을 사용하며 타격력은 30 hp / 23 kW이다. 굴착경은 102–127 mm이고, 공기압축기 용량은 11.5 m3/min이다. Fig. 9는 본 현장실험에서 활용된 드릴링 장비 JD-1400E를 나타낸 것이다.
Fig. 10에서 Fig. 11은 현장실험에서 압력측정 센서, 각도측정 센서 및 심도측정 센서를 드릴링 장비에 설치하고 개발된 드릴링 데이터 로깅 시스템을 구축한 모습이다. 그리고 Fig. 12는 실제 현장에서 지반을 천공하는 모습으로, 드릴링 작업을 수행하면서 드릴링 데이터 로깅 시스템을 이용하여 드릴링 데이터를 수집하였다.
Fig. 13은 드릴링 분석 프로그램을 이용하여 현장에서 측정된 드릴링 데이터를 분석한 것으로 드릴링 심도는 303 cm이다. 그림에서 보는 바와 같이 드릴링 작업시 측정된 드릴링 데이터를 나타낸 것으로, 드릴링 작업이 수행되면서 타격압, 피드압, 회전압 등의 변화를 실시간으로 확인할 수 있다. 또한 천공작업시 측정된 드릴링 로우 데이터는 메모장 파일의 형식(.txt)으로 수집된다.
현장실험 결과 분석
현장실험을 통하여 측정된 드릴링 로우 데이터를 이용하여 드릴링 작업에 따른 타격압, 피드압, 회전압 및 드릴 붐의 각도 변화를 고찰하였다. Fig. 13은 드릴링 심도에 따른 타격압의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 드릴링이 시작되면서 타격압은 약 70–80 bar로 수직상승하며 드릴링 심도가 증가되는 동안 타격압은 유지되는 것으로 나타났다. 그리고 드릴링 심도의 감소가 시작되면서 타격압은 수직하강하는 것으로 나타났다. 이는 드릴링 작업을 수행하면서 나타나는 타격압의 전형적인 변화 패턴이다.
Fig. 14는 드릴링 심도에 따른 피드압의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 드릴링이 시작되면서 피드압이 약 20–30 bar정도 증가함을 알 수 있다. 그리고 드릴링이 진행되면서 드릴링 심도가 증가되는 동안 피드압은 유지되다가 드릴링 심도가 낮아지면서 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다.
Fig. 15는 드릴링 심도에 따른 회전압의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 드릴링이 시작되면서 회전압이 약 30 bar 정도로 증가함을 알 수 있다. 그리고 드릴링이 진행되면서 드릴링 심도가 증가되고 감소되는 동안에도 회전압은 지속적으로 유지되다가 드릴링이 완료되면 급격하게 감소하는 경향을 보인다.
이와 같이 드릴링 심도에 따라 타격압, 피드압 및 회전압의 변화는 서로 다른 변화양상을 보이는 것으로 확인되었다. 그러나 본 현장 실험은 풍화토인 토사층을 대상으로 수행되었으므로 추후 암반층에 대해서도 드릴링 심도에 따른 타격압, 피드압 및 회전압의 변화 양상에 대한 고찰을 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 16은 드릴링 심도에 따른 드릴 붐의 각도의 변화를 나타낸 것이다. 드릴 붐이 앞뒤로 기울어지는 각도는 상하 방향이라고 하며 양의 각도는 상향천공, 음의 각도는 하향천공을 의미한다. 그리고 드릴 붐이 좌우로 회전하거나 기울어지는 각도를 좌우 방향이라고 한다. 그림에서 보는 바와 같이 드릴링 작업이 수행되는 동안 상하방향의 각도는 약 -20° (하향천공), 좌우방향의 각도는 약 -2°로 유지되고 있음을 알 수 있다.
이상의 측정결과에 따르면 드릴링 작업이 시작되면서 타격압, 피드압 및 회전압은 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 이후 드릴링 심도가 증가함에 따라 이들 압력은 비교적 일정하게 유지된다. 그리고 드릴링 심도가 감소하면서 타격압 및 피드압은 즉시 감소하고, 회전압은 드릴링 작업이 완료될 때까지 유지되다가 감소하는 것으로 나타났다. 이들 현장실험을 토대로 국내 풍화토 지반에서 드릴링 작업이 진행되는 동안 전형적으로 발생되는 타격압, 피드압 및 회전압의 변화를 확인할 수 있었다. 추후 실제 현장에서의 시험시공을 통하여 측정 데이터와 시추 및 지반조사 자료의 비교 분석을 수행할 예정이며, 추가 실증을 통한 드릴링 데이터 로깅 시스템의 상용화를 추진할 예정이다.
결 론
본 연구에서는 국내 지반 공사 현장에서 활용 가능한 드릴링 데이터 로깅 시스템의 국산화 및 실용화를 목적으로, 데이터 수집 장치와 분석 프로그램을 포함한 통합 시스템을 개발하고, 실제 현장에 적용 가능한지를 확인하기 위한 기초 실험을 수행하였다. 이를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
(1) 드릴링 데이터 로깅시스템은 드릴링 데이터 수집장치와 드릴링 데이터 분석 프로그램으로 구성하였다. 드릴링 데이터 수집장치는 드릴링 작업시 측정 가능한 다양한 정보(타격압, 피드압, 회전압, 드릴 붐 각도, 심도 등)를 실시간으로 측정하기 위하여 최적의 센서를 선정 및 조합하여 구성하였다. 그리고 드릴링 데이터 분석 프로그램은 실시간 드릴링 데이터의 수집, 다양한 압력정보의 분석, 데이터베이스(DB) 구축 및 조회, 도식화하도록 하였다.
(2) 드릴링 데이터 발생장치와 디지털 신호 발생기를 개발 및 제작하여 실제 현장에서 드릴링 작업시 발생되는 환경을 조성하여 드릴링 데이터를 생성하고, 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정에서 발생할 수 있는 노이즈의 처리 기술을 개발하였다.
(3) 개발된 드릴링 데이터 로깅 시스템에 대한 현장 적용성을 기초적으로 평가하기 위하여 충북 음성군의 실제 풍화토 지반을 대상으로 현장실험을 수행하였다. 현장실험을 통하여 개발된 시스템이 실제 드릴링 장비에 성공적으로 설치 및 운영되었음을 확인하였고, 수집된 데이터가 분석 프로그램에 의해 정상적으로 처리 및 시각화됨을 확인하였다.
(4) 현장실험을 통하여 측정된 드릴링 데이터를 분석하여 드릴링 작업시 드릴링 심도에 따른 타격압, 피드압, 회전압 및 드릴 붐의 각도에 대한 변화양상을 파악할 수 있었다. 이들 자료는 국내 풍화토 지반에서 드릴링 작업이 진행되는 동안 전형적으로 나타나는 타격압, 피드압 및 회전압의 변화로서 추후 지반특성과의 상관관계 분석, 시추·지반조사 자료와의 통합 분석 등의 기초자료로서 활용이 가능할 것으로 판단된다.
(5) 본 시스템은 기존 고가의 외국 장비를 대체하기 위하여 개발되었으며, 국내 건설현장의 특수성과 운영환경에 적합하게 활용할 수 있을 것이다. 추후 다양한 지질 및 지반조건에 대한 시험시공을 수행하여 측정 데이터와 시추 및 지반조사 자료의 비교 분석을 통한 정밀도 및 적용성 검증, 분석 프로그램의 고도화, 시스템 성능 최적화 등을 실시할 예정이다.
(6) 개발된 시스템을 활용할 경우 지반굴착시 발생하는 드릴링 데이터를 실시간으로 분석하여 굴착 전방의 암질상태를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 이를 통하여 드릴링 굴착작업의 효율성을 높이고 정밀한 현장관리가 가능하게 될 것으로 기대한다.
