1. 서 론
2. 소규모 지하굴착 계측관리 현황
3. 스마트 계측시스템 설계 및 개발
3.1 소규모 지하굴착 공사를 위한 스마트계측 데이터장치 및 데이터로거 개발
3.2 스마트계측 관리시스템 구조(아키텍처) 설계
4. 스마트 계측시스템 성능평가 및 검증
4.1 실내 성능평가 개요
4.2 현장 성능평가 개요
4.3 성능평가 및 검증 결과
5. 결 론
1. 서 론
도심지에서의 굴착 작업은 인구 증가, 산업화, 대규모 상업시설 개발로 인해 빈번히 이루어지고 있으며, 이에 따라 붕괴 사고 발생률 또한 증가하고 있다. 현행 법령과 제도는 굴착 깊이가 10m 이상이거나 지하 2층 이상의 굴착 공사에 대해 굴토심의와 전문 기술자의 협력을 의무화하고 있지만, 굴착 깊이가 10m 미만인 소규모 공사 현장은 이러한 안전관리 규정의 적용 대상에서 제외되어 안전 관리의 사각지대로 남아 있는 실정이다(Seoul Metropolitan Government, 2016). 도심지 굴착 작업 중 사고의 주요 원인으로는 지나치게 가파른 경사로 인해 발생하는 굴착면의 불안정성, 흙막이 구조물의 변형, 그리고 이에 따른 배면 지반의 붕괴가 지적되고 있다(e.g., Shiau and Watson, 2008). 특히, 굴착면과 구조물 사이의 거리가 10m 미만일 경우, 이러한 붕괴는 인접 건물에 심각한 영향을 미칠 수 있다(Boscardin and Cording, 1989).
굴착 깊이 10m 미만의 소규모 공사 현장에서 사고는 주로 흙막이 미설치, 수동 계측의 한계, 계측 데이터 관리 부족, 구조 검토 부재에 기인한다. 이러한 문제는 중·소규모 민간 공사 현장에서 두드러지며, 심각한 경우 사망사고로 이어지기도 한다. 특히, 계측 오류는 사고 징후를 사전에 포착하지 못해 적절한 대책 마련의 시간을 놓치게 하는 주요 원인으로 지목되며, 이는 더 큰 대형 사고로 이어질 가능성을 높인다(Kim et al., 2010). 또한, 대부분의 굴착 흙막이 벽이 임시 구조물로 간주되는 경우가 많아 그 중요성과 안전성이 종종 간과되고 있다는 점도 문제로 지적되고 있다(Bian and Huang, 2006).
현재 공사현장에서의 흙막이 계측은 주간 1~2회 정도로 이루어지며, 대부분 수동 방식으로 진행된다. 이러한 수동 계측 결과가 시공사 또는 관리자에게 전달되기까지 약 7~10일이 소요되어 실시간 위험을 인지하고 대응하는 것이 어렵다(Lee et al., 2020). 이와 같은 시간적 지연은 사고 가능성을 크게 높이는 요인으로 작용한다. 실시간으로 위험을 파악하고 적절한 보완 조치를 취하기 위해 자동화 계측 기술의 도입이 추천되고 있지만, 높은 비용 때문에 중·소규모 공사 현장에서는 여전히 수동 계측에 의존하는 상황이다(Kim et al., 2001).
또한, 실시간으로 계측 정보를 활용하는 자동화 계측 시스템은 단계별 설치와 관리 비용 증가로 인해 건설 원가 상승을 초래한다(Han, 2022). 중·소규모 민간 공사에서는 계측 비용이 낮게 책정되어 자동화 계측 시스템 도입이 현실적으로 어렵다. 더불어, 대부분의 공사에서는 안전관리계획 작성 및 검토 비용이 공사비에 포함되지 않아 형식적인 안전관리계획서를 작성하는 경우가 많다(Seong et al., 2011). 정부는 현장에서의 사망사고가 지속적으로 발생하자 2022년 1월 27일 “중대재해 처벌 등에 관한 법률”을 시행하였다. 이 법은 중대재해를 발생시킨 기업 책임자를 처벌하며, 중대재해 예방을 핵심 목적으로 한다. 2024년부터는 5인 이상의 모든 사업장에 적용되어, 안전 관리의 중요성이 더욱 강조되고 있다.
본 논문에서는 소규모(10m 미만) 굴착 및 지하흙막이 공사의 안전 문제를 해결하기 위해 스마트계측 데이터장치, 데이터로거 및 스마트계측 관리시스템을 설계하고 개발하였다. 또한, 개발한 시스템을 현장에 적용하여 신뢰도를 평가하였다.
2. 소규모 지하굴착 계측관리 현황
국토안전관리원의 건설공사 안전관리 종합정보망(Construction Safety Management Integrated Information, CIS) 데이터에 따르면, 2019년 7월 1일부터 2024년 6월 30일까지 총 31,546건의 건설 안전사고가 발생했다. 이 중 미입력된 데이터 288건을 제외하면, 공공 부문에서는 11,900건, 민간 부문에서는 19,358건의 사고가 기록되어 민간 발주 현장의 안전 관리가 상대적으로 더 취약한 것으로 나타났다. 특히, 가시설 분야에서 발생한 사고는 7,961건에 달해 가시설 안전 관리의 중요성을 시사한다. 소규모 공사(공사비 1,000만 원 미만)에서도 1,750건의 사고가 보고되었으며, 이로 인해 116명이 사망하고 1,663명이 부상을 입었다. 흙막이 가시설과 관련된 사고는 531건으로, 이 중 15명이 사망하고 514명이 부상을 입는 등 소규모 굴착공사에서도 중대한 사고 위험이 존재함을 보여준다.
현행 법령인 「건축법 시행령」 제91조의3과 자치법규인 「서울특별시 건축 조례」 제7조 제1항 사목 및 제17조의2(Enforcement Decree of the Building Act, 2024; Seoul Metropolitan Government Ordinance on Building, 2025)에 따르면, 굴착 깊이 10m 이상 또는 지하 2층 이상 굴착공사나 높이 5m 이상의 옹벽 설치 공사의 경우, 설계자 및 공사감리자가 토목 분야 또는 국토개발 분야의 지질 및 지반 기술사와 협력하여 계측 관리를 수행하도록 규정하고 있다. 그러나 깊이 10m 미만의 굴착 공사에 대한 구체적인 규제는 부족하여 안전 관리에 취약한 부분이 발생하고 있다.
소규모 공사 현장은 시공업체의 영세성, 현장 관리자의 계측관리 역량 부족, 계측기기 설치 및 해체 과정의 복합성, 계측 데이터 분석의 어려움 등으로 인해 계측 관리의 한계가 있으며(Kim et al., 2021), 주로 수동 방식으로 이루어져 사고 예방에 취약하다. 이러한 문제는 계측 장치 설치와 관리의 체계적 기준 부족에서도 비롯된다. Kang et al.(2023)은 소규모 지하굴착에서 흙막이 가시설 설계 시 지중경사계와 변형률계의 설치 위치를 결정하기 위한 명확한 기준이 없음을 지적하며, 설계 기준에 제시된 추상적인 위치를 기반으로 계측기가 설치되고 있는 문제를 언급하였다. 이를 해결하기 위해, 설계도면에 제시된 지중경사계와 변형률계의 적합한 설치 위치를 수치해석을 통해 규명하였다. 또한, Lee et al.(2018)은 국내 150개 도심지 굴착공사를 분석한 결과, 굴착 깊이 10m 이하의 소규모 굴착현장에서 H-Pile 공법과 H-Pile+그라우팅 공법이 가장 많이 적용된 것을 확인하였다. H-Pile 공법에 토류판을 결합한 방식은 공사 비용이 낮고 공사 기간이 짧다는 장점이 있으나, 지하수위 저하와 지반침하에 취약하여 히빙이나 보일링 현상이 발생할 우려가 크다. 이에 따라 흙막이 구조체의 거동을 확인하기 위한 계측 관리가 필수적임을 강조하였다(Kim et al., 2022). Kim and Yoon(2024)은 소규모 굴착공사에서 발생하는 안전사고를 예방하기 위해 5년간(2019~2023년) 101건의 사고사례 데이터를 분석하고 AHP 분석을 통해 총 14개 항목으로 구성된 체크리스트를 개발하였다. 이러한 배경을 바탕으로 소규모(10m 미만) 굴착 및 지하 흙막이 공사의 안전 문제를 해결하기 위한 실질적인 방안을 제시하고자 한다. 기존 연구 결과에 따르면, 소규모 공사 현장에서의 계측 관리는 주로 수동 방식에 의존하고 있어 실시간 사고 징후 파악에 한계가 있으며, 추상적인 설치 기준은 데이터 신뢰성을 저하시킨다. 또한, 민간 발주 현장의 안전 관리가 상대적으로 취약하며, 흙막이 가시설과 관련된 사고는 지속적으로 발생하고 있어 계측 관리의 중요성이 강조된다. 중·소규모 공사의 현실적 제약을 고려할 때, 저비용 고효율의 자동 계측 관리 시스템 개발과 현장 적용 가능성 검증이 요구된다.
3. 스마트 계측시스템 설계 및 개발
3.1 소규모 지하굴착 공사를 위한 스마트계측 데이터장치 및 데이터로거 개발
소규모(10m 미만) 굴착 및 지하흙막이 공사에 특화된 스마트계측 데이터장치와 데이터로거를 개발하기 위해, ±0.1° 이내의 각도 정밀도를 기반으로 변위 측정, 1km 이상의 통신 거리와 95% 이상의 데이터 취득 및 전송률을 목표로 설계하였다. 이를 위해 소규모 지하흙막이 환경에 적합한 스마트계측 데이터장치와 데이터로거 기능에 대한 세부 연구를 진행하였으며, Fig. 1과 같이 데이터장치와 데이터로거의 하드웨어(H/W), 펌웨어(F/W) 및 회로도를 설계하였다.
PCB 제작 및 하드웨어 설계를 통해 데이터장치 50개와 데이터로거 3개의 시작품을 제작하였다. Fig. 2는 소규모 굴착 및 지하 흙막이 공사에 특화된 스마트 계측 데이터장치, 태양광 충전기, 데이터로거의 설계도면을 나타내며, Fig. 3은 제작된 시작품을 보여준다.
스마트계측 데이터장치는 9축 센서를 적용하여 X, Y, Z의 3방향 변위를 정밀 측정할 수 있도록 설계하였다. GPS 모듈을 활용해 위치정보를 취득하며, LoRa 무선통신(917~ 923.5MHz, AES-128 암호화 지원)을 통해 실시간 데이터 수집 및 전송이 가능하다. 전력 소모를 20mA/h 이하로 설계하여 에너지 효율을 높였으며, 소형 태양광 패널을 추가하여 안정적인 전원 공급을 보장하였다. 케이스는 소형화·경량화를 고려해 제작되었으며, 네오디움 자석 및 브라켓을 적용하여 현장 설치와 철거의 편리성을 극대화화였다. F/W 설계에서는 상보필터를 적용해 자이로 데이터의 안정적 관리를 구현하였다. 스마트 계측 데이터장치의 성능 및 규격은 Table 1에 요약되어 있다.
Table 1.
Performance of the smart measurement data device prototype
스마트계측 데이터로거는 단일 장치로 1:N 다수의 데이터장치에서 계측 데이터를 수집하고 전송할 수 있도록 설계하였다. LoRa 및 LTE 통신을 통해 데이터 송·수신 성공률 95% 이상과 통신거리 1km 이상의 성능을 구현하였으며, 데이터 전송 신뢰성을 강화하기 위해 신뢰성 높은 통신 프로토콜을 적용하여 데이터 손실률을 최소화하였다.
H/W 설계는 소형화 및 경량화를 중심으로 설계되었으며, LTE 무선 라우터를 포함한 PCB 제작을 완료하였다. 또한, 이동성을 고려해 손잡이와 설치를 위한 네오디움 자석 및 브라켓을 적용하였으며, F/W 설계에서는 실시간 계측 데이터를 관제 Web 시스템으로 전송하도록 구성하였다. 이후, LoRa 및 LTE 통신 테스트와 변위 측정 데이터를 활용하여 통신 성능 검증을 완료하였다. 스마트 계측 데이터로거의 성능 및 규격을 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Performance of the smart measurement data logger prototype
3.2 스마트계측 관리시스템 구조(아키텍처) 설계
스마트 계측 관리시스템의 구조는 소규모 지하 굴착 및 흙막이 공사의 실시간 안전 관리와 데이터 기반 의사결정을 지원하도록 설계하였다. 본 시스템은 클라우드 기반 서버, LoRa 및 LTE 통신 연동, 자동 계측 데이터 수집 및 전송, 시계열 분석, 위험 경보 기능을 중심으로 구성된다.
클라우드 서버는 LTE 통신을 통해 각 계측 장치로부터 변위, GPS 위치정보, 배터리 상태 등의 데이터를 통합적으로 수집하고 관리한다. 수집된 데이터는 실시간으로 관제 Web 시스템에 전송되며(Fig. 4 참고), 기준치를 초과하는 변위가 감지될 경우 즉시 주의 또는 경보 메시지가 발송되도록 설계하였다.
해당 관제 Web 시스템은 대시보드 형태로 계측 데이터, 분석 결과, 주의 및 경고 정보를 제공하며, 직관적이고 실용적인 모니터링 및 관리가 가능하도록 설계하였다. 게이트웨이 통신은 관제 시스템과 HTTP 방식으로 연동되어 데이터를 데이터베이스(DB)에 저장하고, 송·수신 데이터를 효율적으로 처리할 수 있도록 구성하였다. 또한, 디지털 트윈 구축을 위한 기초 설계를 포함하며, 기존 수동 계측 시스템과의 성능 비교·분석을 통해 검증 및 성능 개선을 반영하였다.
본 연구에서는 실시간 관제 Web 시스템 구현을 위해 Fig. 5와 같이 LoRa 게이트웨이를 기반으로 한 게이트웨이 시스템, 게이트웨이 통신 및 Web 시스템을 설계하였다. 본 시스템은 시리얼 통신을 통한 LoRa 게이트웨이 연결, 송·수신 데이터 로그 저장, IoT 장치 설정 및 설정값 확인 기능을 포함하며, 관제 시스템과의 연동(HTTP), 데이터베이스 저장, 그리고 송·수신 데이터 처리가 가능하도록 구성되었다. 시스템 구현을 위해 시리얼 통신 코드, 서버 관련 코드, 변위 및 도분초(degree, minutes, seconds) 위치 정보 처리 함수, 배터리 잔량 관리 함수, GPS 정보 수집 코드, Web API 코드를 작성하였으며, 서버의 Nginx 설정도 수행하였다.
4. 스마트 계측시스템 성능평가 및 검증
4.1 실내 성능평가 개요
스마트 계측시스템의 경사 측정 정밀도를 확인하기 위해, 실내에서 데이터장치의 성능 평가를 수행하였다. Fig. 6에 제시된 바와 같이, 경사 조절 장치를 제작한 후 디지털 경사계(정밀도±0.05°)와 데이터장치를 부착하여 각도 변화에 따른 계측 데이터를 비교·분석하였다. 이를 통해 측정 오차를 확인하여 데이터장치의 성능을 평가하였다. 시험은 1회당 26번의 각도 변화를 측정하였으며, 총 10회 시험을 실시하여 평균값을 산출하였다.
데이터로거도 Fig. 7과 같이 실내 성능 평가를 수행하였다. 데이터 장치를 실내에 설치한 후, 데이터로거의 데이터 취득 및 전송 기능을 확인하였다. 데이터는 30분 간격으로 전송되도록 설정하였으며, 전송된 데이터를 평가하여 정상 작동 여부를 확인하였다. 또한, 1:N 데이터 수집 및 전송 성능 평가를 위해 데이터장치를 실내에 다수 설치하고 데이터 취득 및 전송을 확인하였다.
이와 함께, 공인 인증기관(KOLAS 인증기관)을 통한 실환경 실증 신뢰성 평가도 병행하였다. 데이터장치의 각도 감지 기능 정상 동작 여부를 확인하기 위해, 야외에서 2개월 동안 방치한 후 다양한 기울기(1.0°, 2.5°, 5.0°, 10.0°, 15.0°)에서의 각도 감지 성능을 평가하였다. 실험 방법으로 각도 기울기 시험 지그를 활용하였으며, 데이터장치와 교정된 표준 각도계의 계측값을 비교·분석하여 정밀도를 평가하였다. 계측값은 10회 측정된 값의 평균값을 산출하여 적용하였다.
4.2 현장 성능평가 개요
스마트 계측시스템의 현장 적용성 및 성능 검증을 위해 Fig. 8과 같이 대구광역시 ○○관로 공사 현장의 흙막이 가시설(8.3m×8.3m, 깊이 13.6m)에서 성능 검증을 진행하였다. 가시설 1개소당 10개의 데이터장치를 설치하고 데이터로거는 2개를 설치하여 변위 테스트 및 데이터 송수신 테스트를 진행하였다. Fig. 9는 흙막이 가시설에서의 데이터장치 설치 위치를 나타낸다.
4.3 성능평가 및 검증 결과
실내 성능 평가에서 데이터장치는 각도 최대 오차 0.07°로 측정되어 목표 성능인 ±0.1° 이내를 충족하였다(Table 3 참고). 또한, 공인 인증기관을 통한 실환경 실증 신뢰성 평가에서도 최대 오차 0.06°로 동일한 목표를 충족하는 결과를 보였다. 데이터로거는 실내 성능 평가에서 데이터 전송률이 100%로 나타나 목표 성능인 95% 이상을 초과 달성하였으며, 1:N 데이터 수집 및 전송 성능 평가에서도 데이터 수집 및 전송이 정상적으로 이루어짐을 확인하였다(Table 4 참고).
Table 3.
Performance evaluation of the data device conducted indoors
Table 4.
Performance evaluation results of the smart monitoring system
현장 실증 검증 결과, 데이터장치의 계측값은 가시설 인근 지중경사계의 계측값과 유사하게 나타났으며, 흙막이 가시설의 각도 변화는 미미한 수준으로 확인되었다. 데이터장치의 최대 변위값은 0.1°로 측정되었다. 데이터 수신에서는 총 750회 중 4회의 미수신이 발생하여 데이터 취득률이 99.47%를 기록하며 목표 성능인 95% 이상을 만족하였다.
5. 결 론
소규모 지하굴착 공사의 안전성과 효율성 향상을 목표로 스마트 계측시스템을 개발하여 성능을 검증하고 평가하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.
1.9축 센서를 적용하여 X, Y, Z축 변위를 정밀하게 계측할 수 있는 장치를 설계하였다. ±0.07°의 높은 정밀도와 분해능을 확보하였으며, GPS 및 LoRa 통신 기술을 통합하여 위치 정보 취득과 데이터 원격 전송 기능을 제공하였다. 또한, 저전력 설계와 태양광패널을 적용하고, 탈부착식 설치 기구를 설계하여 현장 적용성과 유지관리성을 개선하였다.
2.스마트계측 데이터장치 및 데이터로거 시작품을 제작하였다. PCB 제작 및 하드웨어 설계를 완료하여 데이터장치 50개와 데이터로거 3개의 시작품을 제작하였으며, 성능 시험을 통해 설계 요구 조건을 충족하였다.
3.클라우드 기반의 스마트계측 관리시스템 아키텍처를 설계하고, 계측 데이터를 실시간으로 확인하고 경고 정보를 제공할 수 있는 웹 시스템을 개발하였다. 이를 통해 소규모 굴착 및 흙막이 공사의 상태를 효율적으로 관리할 수 있는 체계를 구축하였다.
4.소규모 지하굴착 공사를 위한 스마트 계측시스템을 개발하여 예·경보 시스템의 아키텍처를 설계하여, 실시간 흙막이 변위 데이터를 분석하고 소규모 지하 흙막이 공사의 안정성을 평가할 수 있는 시스템을 제안하였다.
향후 다양한 SOC 시설물의 유지관리 및 건축 공사 현장에 적용하여 완성도를 높이고, 실제 건설 현장의 안전관리와 유지관리에 활용할 수 있도록 지속적인 개선과 현장 검증을 진행할 계획이다.
