건축/환경에너지

닛케이 컨스트럭션_2602호 (p34-36)

광섬유가 새로운 인프라로
상하수도의 이상 감지, 후보로 급부상

매설관 파손이나 지반 함몰을 유발하는 지하 공동을 광범위하고 고빈도로 탐지하는 ‘리모트 센싱(원격탐사) 기술’의 유력 후보로 광섬유가 급부상하고 있다. 2026년에는 기초 연구 단계를 넘어 실증 단계로 진입한다.

효고현 롯코산을 횡단하는 3기 아시베다니 송수 터널에서는 건전도 모니터링 기술을 모색하고 있다. 건설 후 약 60년이 경과한 이 터널의 갱신 공사 과정에서 2025년 8월, 감시의 핵심이 되는 광섬유 케이블 설치를 완료했다.

기존의 마제형 콘크리트 터널 내부에 직경 2.1m의 강관을 삽입하고, 강관과 기존 구조물 사이의 3개 지점에 관축 방향으로 광섬유를 배치한 뒤 그라우트를 충전했다. 갱신과 함께 설치된 광섬유의 총 연장은 약 4km에 달한다.

발주처인 한신수도기업단 기술부 정수계획과의 고바야시(古林) 주간은 “노후화로 인한 누수 소리나 관로의 진동, 변형 등을 광신호 변화로 감지해, 어디에서 어떤 이상이 발생했는지 파악할 수 있게 하고 싶다”라고 기대를 밝혔다. 한신수도기업단은 고베대학교, Neubrex(고베시)와 공동 연구를 진행 중이다.

광섬유 케이블은 현장 사무소로 인입되며, 사무소 내에 설치한 계측 장비를 통해 데이터를 수집한다.

-- 변형과 온도를 분리해 측정 --
광섬유를 이용한 센싱 구조는 다음과 같다. 광섬유에 연결된 송수신기에서 펄스 신호를 발신하고, 반사 및 산란광을 수신한다. 측정 대상에 이상이 발생하면 후방 산란파가 변화하기 때문에, 그 위상과 강도 변화를 분석하면 이상 부위를 파악할 수 있다.

후방 산란파는 라만, 브릴루앵, 레일리로 나뉘며, 어떤 신호를 측정하느냐에 따라 정밀도가 달라진다. 아시베다니 송수 터널에서는 레일리의 산란 강도를 측정하고, 변형과 온도의 분포 변화를 고정밀로 파악할 수 있는 ‘TW-COTDR 방식’을 채택한 계측기를 사용하고 있다.

센싱에서는 지진 시 진동의 확산 등을 파악해 단층 위치를 특정하는 것도 검토하고 있다. 또한 온도와 압력 변화를 감지할 수 있어 그라우트 충전 상태 확인 등 시공 관리에도 활용할 수 있다.

아시베다니 송수 터널의 토피(overburden)는 최대 약 100m에 달한다. 이처럼 깊은 위치의 공동이나 누수는 지표면에서 탐지하기 어렵다. 따라서 지중 깊이 매설된 관로의 이상을 감지하는 새로운 ‘인프라’로서 광섬유가 주목받고 있다. 특히 상하수도는 향후 갱신 대상이 많은 만큼, 갱신 시 함께 설치하면 비용을 절감할 수 있다는 것도 장점이다.

-- 기존 광섬유를 활용 --
이미 설치된 광섬유를 활용하는 방법도 있다. 예를 들어 NTT가 설치한 광섬유의 총 연장은 2023년도 말 기준 약 62만km에 이른다. NTT와 산업기술종합연구소는 기존 광섬유를 활용해 차량 통행 등에 따른 지반의 ‘상시 미세 움직임’을 동적으로 측정하고, 지하 공동화를 추정하는 연구를 진행 중이다.

“공동이 있으면 지반을 타고 전달되는 진동 속도가 감소한다. 시간 경과에 따른 모니터링으로 빈 공간을 추정할 수 있다고 생각한다”고, NTT 액세스 서비스 시스템 연구소 액세스 운영 프로젝트의 이이다 다이스케 주임연구원이 말했다.

NTT 액세스서비스시스템연구소의 이이다(飯田) 주임연구원은 “공동이 있으면 지반을 타고 전달되는 진동 속도가 느려진다. 시간에 따른 모니터링을 통해 공동을 추정할 수 있다고 생각한다”라고 말한다.

이 측정에는 NTT가 개발 중인 분산형 음향 센싱(DAS)을 활용한다. 이 역시 레일리 산란광을 이용하지만 음향과 진동에 따른 동적 변형을 고정밀로 감지할 수 있는 것이 특징이다.

측정 결과는 산업기술종합연구소가 보유한 미동 배열 탐사 기술로 지상에서 진동을 측정하나 결과와, 거의 동일한 수준의 정확도를 얻었다.

또한 시뮬레이션을 통해 공동 형성을 추정할 수 있는 가능성도 확인했다. 2026년에는 실제 공동이 존재하는 지반에서 실증 실험을 진행할 계획이다.

이 기술을 이용한 탐사 깊이는 지하 3~30m다. 사이타마현 야시오시에서 발생한 도로 함몰과 같은 깊은 공동도 탐지 범위에 포함될 수 있다. 다만 과제도 있다. 광섬유가 인근에 매설되지 않은 상하수도관 주변의 공동은 탐지하기 어렵다는 한계가 있다.

광섬유와 대상 관로 간 거리와 탐지 정밀도의 관계는 향후 검증이 필요하다. “대각선 아래 위치한 관로라도 검사할 수 있을 것으로 생각한다.”(이이다 주임연구원).

-- 하수도관에도 기존 광섬유 존재 --
센싱 정밀도를 높이기 위해서는 측정 대상에 직접 광섬유를 설치하는 것이 가장 효과적이다. 실제로 일부 하수관에는 통신이나 원격 감시 제어를 목적으로 광섬유가 이미 설치되어 있다.

일본 하수도 광섬유 기술협회에 따르면, 하수도관 내부에 설치된 광섬유 길이는 2022년도 말 기준 약 2400km에 달한다. 이 기존 광섬유의 변형을 측정해 하수관 이음부의 틈새 등을 감지하는 기술 개발도 진행 중이다.

사실 광섬유를 센서로 활용하는 기술 자체는 새로운 것은 아니다. 해외에서는 석유나 가스 플랜트의 파이프라인 모니터링에 이미 활용되고 있다. 그럼에도 인프라 분야 적용은 쉽지 않았다. “광섬유 센싱은 비용 등의 문제로 비즈니스화가 어려웠다”(이이다 주임연구원).

하지만 “야시오시에서 발생한 사고를 계기로 ‘기술을 빨리 실용화해 달라’는 요청이 급증했다. 연구에 참여해 오면서 이렇게까지 관심이 높았던 적은 없었다”(이이다 주임연구원). 이처럼 인프라 분야에서의 기대는 크게 높아지고 있다.

고정밀 측정에서 중요한 요소는 계측 장비다. Neubrex 필드엔지니어링부의 마쓰다(松田) 부장은 “센싱 수요가 발생한 지금이야말로 계측기 시장을 확대할 기회다”라고 강조했다.

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닛케이 컨스트럭션_2602호 목차

특집
야시오(八潮) 싱크홀 사고 이후 1년, 변화하는 상·하수도

Part 1. 급격한 환경 변화
・‘야시오’가 남긴 마지막 경고, 상·하수도가 인프라 유지관리 문제의 중심으로

Part 2. 기술 ‘개화’
・광섬유가 새로운 인프라로 -- 상하수도의 이상 감지, 후보로 급부상

・인공위성으로 수도관 누수를 탐지, 하수도 이상 및 지반 함몰 징후까지 파악

Part 3. 행정 이관의 영향
・수도 행정 이관으로 하수와 통합 예산 편성, 상·하수도국으로 통합하는 사업자

Part 4. 미래 처방전
・상수도·하수도 모두 경영 광역화부터 추진, 나라현은 26개 시읍면 참여로 요금 통일

・‘분산형’으로 상·하수도 재편, 하수관망을 폐지한 미나미이즈초(시즈오카현)

・기술로 구현하는 상·하수도의 ‘철수 전략’, 다운사이징과 관로망의 최적화

퍼스트 뉴스
・지하주차장, 274대 침수의 교훈 – ‘그림의 떡’이었던 방재 계획

인터뷰
・다이세이건설 사장 아이카와 요시로(相川 善郎) 씨
건설업계 재편은 앞으로도 지속 -- 다이세이건설의 M&A 전략, ‘진척은 40%’

특집
・자격으로 도약

・탈탄소 어드바이저
환경 × 컨설팅의 높은 시너지 -- 야치요 엔지니어링의 나카노 하루야스(中野 晴康) 씨

・2등 무인항공기 조종사
드론을 직접 운용해 현장 지원 -- 시미즈건설의 이데 아키토(井手 章人) 씨, 다이세이건설의 이치카와 히로토시(市川 裕駿) 씨

・방재사
시코쿠에서 생활하면서 높아진 방재 의식 -- 퍼시픽 컨설턴츠의 다나카 요스케(田中 庸介) 씨

・BIM/CIM 관리기사
건설+ICT 자격으로 설득력 강화 -- 오바야시구미의 야마나카 사토시(山中 哲志) 씨

・작업환경측정사
자격 지식을 활용해 토목학회상 수상 – 가시마의 가와노 마이코(河野 麻衣子) 씨

・PMP
해외 프로젝트에서 신뢰 확보 -- 니혼코에이의 사노 유이치(佐野 祐一) 씨, 히라오카 치히로(平岡 ちひろ) 씨

・토목 관련 자격 가이드
- 기술사
- RCCM
- 토목학회 인증 토목기술자
- 콘크리트 진단사
- 콘크리트 주임기사·기사
- 콘크리트 구조 진단사
- 1급 토목시공관리기사
- 1급 조경시공관리기사
- 1급 관(管)공사 시공관리기사
- 1급 포장시공관리기술자
- 도로교 점검사
- 수도시설 관리기사
- BIM/CIM 관리기사
- 포장 진단사
- 인프라 조사사
- 측량사
- 환경계량사
- 노동안전 컨설턴트(토목)
- 지질조사기사
- 해상공사 시공관리기술자

뉴스
뉴스 시사·프로젝트
・건설 투자 전망, 30년 만에 80조 엔 돌파
・명칭은 ‘버스타 고베 산노미야’, 관민 협력으로 정비
・건설업의 인력 부족으로 인한 도산이 역대 최다
・요코하마시와 가시마, CO₂ 고정 콘크리트 협약 체결
・교각 돌출부 파손, 보강공사의 영향일까?
・교량 붕괴 원인은 보강재의 무단 제거
・사고 전날부터 지하수위 변화, 호쿠사쓰터널
・파일드라이버의 전도 원인은 ‘나사 파손’

뉴스 기술
・JR 동일본, 드론으로 철도 연선 사면 조사
・시미즈건설, 3D 프린터로 철근 내장 곡면벽
・PC 교량 거더와 충전부를 일체화

시리즈
신연재 기술사 직행 2026 제1회 시험 개요와 준비 방법
・기술사의 개정 컴피턴시가 적용

콘크리트 사범 양성 강좌 제10회 검사
・검사와 품질관리는 일체로, 콘크리트 구조물의 '미래로 이어지는 바통'

토목의 법무 해설
・손해를 배상해야 하는 것은 단체장인가, 직원인가

신제품·신서비스
・드론 통신환경을 검증, 전파 강도를 3D 맵으로
・두께 60mm 저위치 조명, 고속도로 표준 사양에 적합
・외국인 대상 e러닝, 실무에 직결된 내용을 학습
・수평 굴착을 효율화, 협소 공간에서도 사용 용이
・창문에 부착해 반사 억제, 물방울이나 오수의 부착을 방지

 -- 끝 --

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