상수도관은 매설된 이후 주변의 다양한 환경 영향에 의해 누수, 부식, 파손과 같은 노후화가 진행되며 이는 상수도관 본연의 기능인 안정된 공급과 깨끗한 수질의 유지 기능을 상실함은 물론 누수로 인한 경제적인 손실과 에너지의 사용을 증가시키게 된다.
현재 국내에서는 상수관로의 위치탐사를 위해 전자유도탐사법, 지중레이더탐사법, 음파탐사기법 등을 활용하고 있으나 현장 여건에 따른 위치탐사 장비에 대한 선택의 폭이 좁다. 이에 국내 관로 매설환경에 적합한 위치탐사를 위한 새로운 기법의 연구가 필요하다.
한편, 우리나라의 노후관에 의한 누수율은 최근 5년간 큰 변화 없이 10% 정도를 유지하고 있으며, 6천억원 이상의 물이 누수됨에 따라 막대한 경제적인 손실을 발생시키고 있다. 지상에서 발견되지 않을 정도의 미세한 누수를 탐지하기 위해 음청식 누수탐사 장비와 상관식 누수탐사 장비가 도입되어 활용되고 있으나, 전자는 숙련자의 경험에 의존하는 방식으로 정밀도 측면에서 효율적이지 않으며, 후자의 경우에는 장비 개발 및 분석에 관한 기초 연구가 부족한 실정이며, 금속관로를 대상으로 연구한 사례가 주를 이루고 있어 한계가 있다. 상수도관로에서 발생하는 누수의 대부분이 인입급수관로에서 발생하고, 급수관의 51 % 이상이 비금속관로로 이루어져 있으며 그 비율이 점차 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 누수탐사 장비를 활용한 누수탐지 시 소구경 비금속관로의 누수특성에 맞는 탐지조건의 도출 및 누수위치 추정 방법론에 관한 연구를 수행하고자 하였다.
노후화된 상수도관로는 위치탐사와 누수탐지 등 정확한 진단을 통하여 노후도를 분석한 후 개량을 하게 되며, 우리나라에서는 교체공법이 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 도심지에서의 개착을 통한 상수도관로의 개량은 각종 지하시설물의 저촉 및 지반의 변위를 발생시켜 인접 시설물의 안정성에 직?간접적으로 영향을 줄 수 있어 비굴착 방법으로 개량할 수 있는 공법의 개발이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 상수도관의 정확한 위치를 탐사할 수 있는 위치탐사 장비를 개발하고 성능을 검증하며, 상관식 누수탐사 장비의 누수신호 및 주파수 특성을 분석하여 최적 누수탐지 조건을 분석하였다. 상수도관로의 파손, 누수 등으로 교체가 필요한 경우, 관로의 정확한 위치 및 누수 위치를 기반으로 하여 비굴착으로 상수도관로를 교체하는 pipe bursting 기술을 개발하고 현장 실험을 통해 적용성을 평가하는 연구를 수행하였다.
상수도관로의 정확한 위치를 탐사하기 위해 단거리 주행 실험을 실시한 결과, 두 센서 중 0.09 %의 오차로 위치탐사가 가능한 fiber optics 기반의 1750 IMU 센서가 선정되었으며, Unscented 칼만필터 기반의 데이터 보정 및 좌표변환 알고리즘을 활용하여 위치탐사 장비를 개발하였다.
장거리 주행 실험결과 수평 및 수직 폐합오차율은 각각 평균 0.043 %와 0.034 %이고, 측량데이터와 위치탐사데이터의 이격거리는 평균 0.23 m로 나타났다. 또한, 현장 실증시설 실험을 통해 각 지점에서의 이격거리를 분석한 결과, 직선 관과 곡선 관 모두 0.3 m 정도의 이격오차를 나타내었다. 이는 지하시설물 공공측량 허용오차보다 조금 높은 수준이나, 상수도관의 매설위치를 확인하는 데에는 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
상수도관로의 누수위치를 탐지하는 방법으로 마이크로폰 센서를 이용한 누수신호의 측정 및 FFT 변환을 활용한 주파수 특성분석으로 비금속관인 50 mm 관경의 PE관에서 누수가 발생하는 경우 30 ~ 200 Hz의 주파수대역에서 높은 데시벨 값을 가지는 누수신호가 감지되는 것을 확인하였다. 누수신호는 센서의 설치 위치가 누수 지점으로부터 멀어짐에 따라 감쇄되어 주파수대역이 넓게 분산되며 누수신호에 해당하는 주파수대역의 데시벨 값이 감소하는 것으로 나타났다.
관로 내 물의 흐름이 없는 경우 누수위치 추정의 정확도가 향상되는 것으로 결과가 도출되어 추후 누수탐지 장비의 현장 적용시 물 사용량이 적은 야간최소유량 시간대에 장비의 설치 및 누수신호 측정을 실시하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
상수도관의 비굴착 교체 방법인 Pipe bursting 공법으로 소구경 상수도관을 비굴착으로 교체할 수 있는 장비를 개발하고 현장 실증실험과 비굴착 교체장비의 견인력 및 견인시간을 예측하는 모델을 도출하였다.
실증시설에서의 실험결과, PE관 및 PVC관의 견인시간은 1 m 당 1분 정도의 시간이 소요되었으며 견인력은 평균 413.65~789.00 kgf이고 곡관부는 개수에 따라 견인력을 평균 30 %정도 증가시켜야 함을 확인할 수 있었다. 현장에서의 실험결과, 비금속 관종의 견인력은 2,000 ~ 2,200 kgf로 나타났으며, 금속관인 STS관은 3,800 kgf 정도의 높은 견인력이 필요함을 확인하였다. PVC관의 경우 90도 곡관부의 허용곡률반경에 대한 실험결과 헤드가 1~5개인 경우에는 9D~29D로 나타났으며, SDR 11인 경우 확관헤드를 2개 이상, SDR 17인 경우는 4개 이상 부착하여야 함을 확인할 수 있었다.
비굴착 교체 장비의 적정 견인력 및 견인시간을 예측함으로써 현장 적용성을 향상시키기 위해, 관종, 관경, 관로 연장, 곡관유무 등의 영향요인을 독립변수로 고려하고, 수량화 Ⅰ류 이론을 활용하여 적정 견인력 및 견인시간 예측모델을 개발하였다. 실제 현장에서 측정된 견인력과 견인시간과 예측값과의 결정계수가 각각 0.969, 0.976으로 나타나 상관성이 높은 모델이 도출되었다고 판단되어 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다. 다만, 견인력의 경우, 매설 토양의 다양한 환경에 충분히 대응할 수 있도록 본 예측모델에 평균 견인력 대비 최대 견인력의 비율로 산정한 안전계수(F) 1.33을 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.

Water supply pipes undergo aging after burial due to various environmental effects. This causes pipes to fail to supply clean water steadily, causing economic loss and an increase in energy use.
Electromagnetic induction method, underground radar method, sonic prospecting method are currently being used in Korea. However, the range of choice gets narrower due to field condition. Thus, new research for locating method that fits domestic pipe burial condition is required.
Meanwhile, leakage rate of aged pipes in Korea has maintained 10 % for the last 5 years, causing water leakage worth of 600 billion won. While ground microphones, manual sounding and leak noise correlator are being deployed and used, former method heavily relies on expertise of skilled hand and thus is inefficient, and latter method lacks base research of equipment development and analysis, and most of the research is limited to metal pipes. Most water leakage occurs in the entrance pipe, and more than 51% of pipes are non-metallic pipes, and the percentage is increasing. Thus the purpose of this study is to find out the detection condition and to find the leakage location methodology for the leakage characteristics of the small diameter non-metallic pipe in case of leak detection using leak detection equipment.
Aged pipes are improved after analyzing deterioration through accurate diagnosis, and replacement method is usually used in Korea. However, improving water pipes in the urban core through excavating can affect neighboring structures by causing deteriorating underground facilities and displacement of ground, thus the development of improvement method without excavation is required.
In this research, we developed locating equipment that is capable of detecting the exact location of water pipes and verified its performance, and also analyzed leakage signal and frequency traits of leak noise correlator and analyzed optimal leakage detecting condition. We developed pipe bursting technology that is capable of replacing water pipe without excavation based on an exact location of pipe and leakage point and assessed applicability through a field test.
Results of short-distance test drive, fiber optics based 1750 IMU sensor capable of locating with error under 0.09 % was chosen from two sensors, and we developed locating device using data correcting and coordinate transformation algorithm based on Unscented Kalman filter. Long-distance test drive showed 0.043 % and 0.034 % horizontal and vertical error of closure rate in average, and separation distance of measurement data and locating data was 0.23m in average. Also, by analyzing separation distance in each point, straight and curved pipes both showed approximately 0.3 m of distance error. While this is little above of public surveying allowable error, we consider that it can be used to locate buried pipes.
In case of leakage in 50 mm diameter pipe of non-metallic pipe, it is possible to detect the leakage position of water pipe by using microphone sensor and measurement of frequency characteristics using FFT conversion. In the frequency band of 30~200 Hz, it was confirmed that a leak signal having a high decibel value was detected. The leak signal was attenuated as the installation position of the sensor moved away from the leaking point, so that the frequency band was widely dispersed and the decibel value of the frequency band corresponding to the leak signal was decreased. It is considered installing and detecting leak signal in night time where water usage is low is proper as leakage point detection accuracy increase if there is no water flow in the pipe.
We developed equipment that can replace small-diameter water pipe without excavating with Pipe bursting and developed traction power and time prediction models.
Results from experiments in pilot plant showed traction time of PE and PVC pipe was 1 minute per 1m and traction power was 413.65~789.0 kgf in average and curved parts required 30 % increase in average for every curve part. Field test results showed non-metallic pipes traction power was approximately 2000~2200 kgf, and STS pipes which are metallic pipes showed high 3800 kgf traction power. In case of PVC pipe, results of allowable bending radius in 90 degrees experiment showed 9D~29D for 1~5 heads, and more than 2 expanding head for SDR 11, and more than 4 expanding head for SDR 17 were required.
To field applicability by predicting proper traction power and traction time of Pipe bursting equipment, we developed proper traction time and power predicting model considering pipe type, pipe diameter, total pipe length, existence and non-existence of curved line and using Quantification theory. Field tested traction power and time and predicted value showed 0.969 and 0.976, thus It is considered that we deducted model with high interrelationship and can be used. However, for traction power, It is considered that applying safety coefficient (F) 1.33 is logical to respond to various environments.