Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. January 2020. 77-89
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.1.077


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 수치해석 프로그램

  •   2.2 수치해석 모델링

  •   2.3 해석 조건

  •   2.4 기본 해석 조건 - 대조군

  • 3. 구조 인자 영향 분석

  •   3.1 그라우팅재 강성의 영향

  •   3.2 연결부 조인트 자유도 구성의 영향

  •   3.3 조인트 설계 적용 간격의 영향

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 해저터널 및 침매터널은 선박이나 항공기를 이용한 운송이 가지는 약점을 극복하기 위한 주요 대안으로서 연구되고 있다. 또한 연안의 지반공학적 기술 및 구조공학의 발전과 함께 기상환경에 적은 영향을 받으며 수중을 통한 선형 경로의 생성을 가능하게 하는 수중 부유식 터널(SFT)의 개념이 잠재적인 해결책으로 제안되고 있다. 수중 부유식 터널을 활용하고 그 이점을 극대화하기 위해서는 육지로의 연결이 필수적이다(Mazzolani et al., 2010). 그런데, 수중터널이 내륙에 건설된 지중 터널과 연결되면 두 터널의 상이한 구속 조건 때문에 서로 다른 거동을 보이게 된다. 수중터널은 파랑이나 교통하중으로 인해 동적인 거동을 보이며(Yan et al., 2016), 지중터널은 주변 지반에 의해 구속된 상태에서 비교적 적은 변위를 가지는 거동을 보인다. 따라서 두 터널의 서로 다른 변위는 연결부위에서 큰 응력 집중을 야기할 가능성을 가지며 연결부의 지반 및 구조물 안정성에 위험이 존재한다(Nilsen and Palmstrøm, 2001; Shi et al., 2016). 그러므로 수중터널의 지반 접속부에서 안정성을 평가하고 두 가지 조건의 환경에 위치하는 터널들의 거동 특성을 고려한 터널 설계에 대한 연구가 필요하다. 수중터널 및 지중터널이 위치한 환경적 특성이나 각 터널의 구조적 특성이 수중터널의 지반 접속부 안정성에 영향을 미칠 것이므로 이를 고려한 연구가 수행되어야 한다.

수중 부유식 터널에 대한 기존 연구는 주로 다양한 수중환경 조건 내에서 수중에 위치한 터널의 거동 특성에 대해 연구해왔다. 대부분의 연구에서는 수중 터널의 양쪽 끝을 고정단으로 가정하고 파랑이나 교통하중 등의 동적 하중 적용 시 터널의 거동에 대해 집중하였다(Kunisu et al., 1994; Chen et al., 2008; Hong and Ge, 2010; Youshi and Fei, 2010). 수중터널의 동적 거동은 경계조건에 큰 영향을 받을 것이므로 지반 접속부의 연결 방법을 고려한 경계조건 구성이 필요함에도 불구하고 지반 접속부의 연결에 따라 상세한 경계조건을 설정한 연구는 매우 부족하다. 수중터널의 세그먼트간 조인트 설계는 해양 환경에 따른 동적 하중 고려 시 터널 안정성을 확보하기 위한 주요 인자로 간주되었다(Jakobsen, 2010; Xiao and Huang, 2010; Zhang et al., 2010; Zhou et al., 2012; Oh et al., 2013). 그러나 이 연구들은 수중터널이 지반에 접속되는 지중터널과의 연결부의 조인트 설계에 대해서는 고려하지 않았으며 오직 수중터널 자체의 설계에 집중하였다. 수중터널의 지반 접속에 대해 고려한 연구들(Nilsen and Palmstrøm, 2001; Zingg and Anagnostou, 2012; Shi et al., 2016)은 깊은 심도의 해양 환경에서 터널이 지반에 연결되는 경우 발생할 수 있는 해수의 침투와 높은 간극수압으로 인한 지반 강도의 약화로 인한 위험만을 분석하였고 두 종류의 터널이 가지는 변위 불균형에서 야기되는 문제에 대해서는 고려하지 않았다. 전반적으로 수중터널과 관련된 기존 연구들은 수중터널의 해안 연결에서 지반의 안정성에 대해 고려하지 않았지만 수중터널의 거동과 관련된 중요한 요소를 제안하고, 그 효과에 대해 분석하였다. 해당 문헌들에 따르면 수중터널의 지반 접속과 관련하여 중요하게 고려되어야 하는 인자들은 해양 환경 인자, 지반 환경 인자 그리고 구조 인자로 분류될 수 있다.

이 연구에서는 3차원 수치해석을 이용하여 수중터널과 지중터널의 연결부 주변 지반의 거동이 분석되었다. 지반 및 해양 환경을 가정한 상태에서 두 종류의 터널의 변위 불균형으로 인해 발생하는 연결부 주변 지반에서 발생할 수 있는 문제가 검토되었으며, 안정성 확보를 위해 구조적 설계에서 적용할 수 있는 방안들과 해당 인자들의 영향이 분석되었다. 문헌 연구를 통해 도출된 주요 인자 중 구조적 인자에서 터널 설계 및 시공에서 반영할 수 있는 인자인 지중터널 배면의 그라우팅 재료 특성과 수중터널의 지반 접속부 세그먼트 조인트 설계를 변경 적용하였을 때 연결부 주변 지반의 변형 분포를 분석한 결과, 해당 인자들이 수중터널의 지반 접속 시 연결부 주변 지반에 집중되는 전단변형을 완화시킴을 확인하였다. 비록 이 연구가 특정 지역에서 수중터널의 지반 접속에 대한 명확한 설계 기준을 확립하는 것에 사용되기는 어렵지만, 연결부 주변 지반에 존재하는 문제점과 안정성 확보를 위한 구조적 주요 인자의 영향을 파악하는 것에 기여할 수 있으며, 추후 정량적 연구 수행 시 고려해야 할 사항들에 대해 제시할 수 있다고 예상된다.

2. 연구 방법

2.1 수치해석 프로그램

이 연구에서는 특정 영역에서 정량적 결과를 도출하기보다 수중터널이 지중터널과 연결되었을 때 주변 지반의 안정성을 분석하기 위해 다양한 사례의 분석을 용이하게 하기 위해 수치해석 연구가 수행되었다. 수치해석을 위한 소프트웨어로는 ITASCA 사의 FLAC 3D (Fast Lagrangian Analysis of Continuum in three dimensions)가 사용되었다. FLAC 3D는 지반 및 구조물을 대상으로 하는 지반공학적 분석을 위해 다양한 연구에서 사용되어 왔다. 이 프로그램은 지반 및 구조물을 연속체로서 고려하여 거동을 분석하고 대변형이나 비선형 재료 또는 불안정한 조건 또한 모사할 수 있다는 특징을 가진다. 따라서 지반과 수중터널의 연결부에서 지반과 터널의 거동을 평가하기에 적합하다고 판단되었다.

2.2 수치해석 모델링

수치해석 모델은 지반과 해양 환경, 수중터널, 그리고 지중터널을 모사하도록 구성되었다. 수중터널의 외부에서 작용하는 파랑 및 교통하중은 수중터널 끝에서 연직 아래방향으로 가해진다고 가정하였으며, 주기 0.5초, 파고 1 m의 파랑이 수직방향으로 가해지는 상황을 설정하였다. 지반은 균일한 화강암 지반으로 가정되었으며 수치해석 내에서는 Mohr-Coulomb 모델로 화강암의 일반적인 물성을 입력하여 모사되었다. 지중터널 및 수중터널의 길이는 각각 100 m로 설정되었으며, 터널의 물성으로는 일반적인 콘크리트 라이닝의 물성이 입력되었다. 지반 물성의 상세 가정사항은 Table 1에 정리되었다. 터널이 위치하는 심도나 터널의 내경 등 터널 목적성에 부합하도록 설정되어야 하는 인자들은 철도 및 도로를 수용할 수 있는 용량의 터널 직경과 제주해협의 수심을 고려하여 Table 2와 같이 가정되었다.

Table 1. Rock properties

Rock type: Granite
Density (kg/m3) 2,700
Elastic modulus (GPa) 40
Shear modulus (GPa) 16
Bulk modulus (GPa) 26.7
Friction angle (radian) π/6
Cohesion (MPa) 10
Tensile strength (MPa) 16

Table 2. Assumptions for numerical model

Parameter Value
Tunnel diameter (m) 24
Segment thickness (m) 1.0
Water level of tunnel (m) 100
Buoyancy to weight ratio (BWR) 1.3

이러한 가정들을 포함하는 수치해석 모델은 Fig. 1과 같다. 수중터널의 지반 접속부의 지반 거동 분석 시 경계 효과를 방지하기 위해 접속부에서 모델의 경계까지의 거리가 터널 지름의 5배 이상이 되도록 지반의 크기가 설정되었으며 지반의 초기조건 수립 등의 수치해석 진행 과정은 Table 3에 나열된 순서로 수행되었다. 초기 응력 조건은 화강암 지반 및 해수면 설정 이후 변화된 간극수압 조건 내에서 모사되었으며 깊이에 따른 정수압이 가해지도록 모사되었다. 지반의 초기상태 모사 이후 지중터널 굴착 및 수중터널과의 연결이 진행되고 수중터널에 BWR 1.3의 부력이 적용되었다.

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Fig. 1.

Numerical modeling for ground and tunnels

Table 3. Steps for numerical simulation

Step Process
1 Formation of zones for simulating ground
2 Simulation of the initial condition considering gravity and water level
3 Ground excavation and installation of the bored tunnel
4 Installation of the floating tunnel and connection to the bored tunnel
5 Simulation of marine environment - application of buoyancy and tidal wave
6 Case study for evaluating effects of main factors

2.3 해석 조건

지중터널과 수중터널이 연결되는 지점 근처의 지반이 보이는 거동을 파악하고 위험성을 완화시키기 위한 구조적 인자들의 효과를 검토하기 위하여 기본조건과 구조인자 적용 조건으로 나누어 해석이 수행되었다. 일반적인 방식의 수중터널-지중터널 연결 시 발생하는 문제점을 파악하기 위한 기본조건에서의 수치해석 결과는 일반적인 세그먼트 조인트의 방식으로 지중터널과 수중터널을 연결했을 때 발생할 수 있는 연결부의 위험성을 보여주며, 구조인자 적용 시 안정성 향상 효과가 있는지 검토하기 위한 대조군으로서 활용되었다. 구조인자 적용 조건은 두 터널의 연결부 조인트 설계와 지중터널 배면의 그라우팅재 강성을 변화시켜가며 수치해석에 적용되었으며, 수치해석이 수행된 사례의 조건은 Table 4에 요약되었다.

Table 4. Cases of numerical simulation

Standard case (control case) Application of ground/marine environment and tunnel connection, without structural factors
Cases with various
structural conditions
Various coupling stiffness of grouting material
Various joint design (degree of freedom) at tunnel connection
Various interval of joint design installation

2.4 기본 해석 조건 - 대조군

구조 인자들의 영향 평가를 위해 대조군 역할을 하는 기본 해석 조건의 사례의 해석이 수행되었다. 이 케이스는 구조적 인자를 제외하고 두 터널과 환경적 요소를 모사했을 때 발생하는 상황을 나타낸다. 이 대조군의 결과는 구조적 인자를 적용한 경우의 결과와 비교되며, 그를 통해 각 인자의 영향에 대해 평가할 수 있다. Fig. 2 (정면도)와 Fig. 3 (종단면도)는 기본 해석 조건에서 연결부 주변 지반의 최대 전단 변형 분포를 나타낸다. 연결부 주변 지반에서 전단변형이 집중되어 발생하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 2.

Numerical result without structural factors - max. shear strain distribution (front view)

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Fig. 3.

Numerical result without structural factors - max. shear strain distribution (longitudinal view)

3. 구조 인자 영향 분석

3.1 그라우팅재 강성의 영향

일반적으로 지반이 굴착된 후 터널과 지반 사이 공간에 그라우팅이 시공된다. 이 때 그라우팅재의 강성에 따라 지중터널의 거동이 변화하게 되므로 적은 강성의 그라우팅재를 활용하여 지중터널에 변위를 허용시킬 수 있다. 수치해석 모델링 시 일정한 1 m 두께의 원통형 그라우팅층이 터널 배면에 위치하는 상황을 모사하였다. Fig. 4는 시멘트와 점토를 활용한 그라우팅 시공 시 연결부 주변 지반에 발생하는 전단 변형 분포를 나타낸다. 그라우팅 재료의 강성에 따른 터널과 그라우팅재 사이의 경계면 특성을 이해하고 적절한 그라우팅재를 선택하기 위해 다양한 그라우팅 재료를 이용한 수치해석 결과를 바탕으로 그라우팅 재료 특성이 연결부 주변 지반 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 수치해석 모델에서 고려되는 경계면 결합 강성(coupling stiffness, ik)은 식 (1)과 같이 표현될 수 있으며 그라우팅재의 강성에 따라 변화한다(Itasca, 2013). 수치해석 시 고려된 다양한 그라우팅재의 물성은 Table 5와 같다.

$$i_k=100\;\frac{\left(K+\frac43G\right)}{l_\min}$$ (1)
(ik is coupling stiffness, K is bulk modulus, G is shear modulus, and lmin is minimum zone length)
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Fig. 4.

Shear strain distribution with two grouting types

Table 5. Properties of grouting materials

Type Shear modulus (MPa) Bulk modulus (MPa) Coupling stiffness (GPa)
Clay 83 18 112
Material 1 1,040 2,300 1,530
Material 2 2,080 4,600 3,070
Material 3 3,120 6,900 4,600
Cement 4,160 9,200 6,130

다양한 그라우팅 재료 적용 시 수치해석 결과는 Figs. 5, 6과 같다. Fig. 4의 전단 변형 분포와 비교할 때, 재료의 강성이 클수록 터널과 그라우팅 재료 사이에 작용하는 결합 강성이 증가하면서 터널 배면의 지반 변형을 줄이는 효과를 가지는 것을 확인하였다. 그러나 강성이 큰 그라우팅 재료는 변형에 저항하므로 전단 응력이 지면으로 전달되어 종단면도와 같이 넓은 전단 변형 분포가 발생했다. 또한, 그라우팅 재료의 강성이 높을수록 전단 변형이 연결부 근처 지반에 집중되었다.

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Fig. 5.

Shear strain distribution with various grouting materials (front view)

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Fig. 6.

Shear strain distribution with various grouting materials (longitudinal view)

3.2 연결부 조인트 자유도 구성의 영향

수중 환경에서 발생한 하중이 수중터널에서 지중터널로 연결될 때 연결부 주변 지반 및 터널의 거동은 두 터널을 연결하는 조인트 설계에 따라 변경될 수 있으며, 조인트의 자유도를 조정함으로써 변위의 방향이나 크기에 대한 조건을 줄 수 있다. 아무런 조인트 설계를 적용하지 않는 경우의 결과(Figs. 2, 3)에서 연결부 주변 지반에 집중적으로 발생하는 지반 변형과 조인트 설계 시 발생하는 지반 변형의 차이를 파악하여 적합한 연결부 설계 방법에 대해 분석하기 위해 다양한 연결부 자유도 구성 방법에 대한 수치해석 모사가 수행되었다. 수치해석 상에서 자유도는 각 노드에서 세 가지 축방향 변형 및 회전에 대한 허용 여부를 결정한다. 이 연구에서 조성한 수치해석 모델 내 터널 연결부는 여덟 개의 노드로 구성되어 Fig. 7과 같이 두 터널을 연결한다. 각 연결 노드는 자유도 뿐만 아니라 변위에 대한 강성을 갖도록 설정될 수 있다. 자유도에 대한 영향을 파악하기 위해 힌지 설치로 인한 회전에 대해 허용하는 경우, 힌지와 축방향 변위을 허용하는 경우 그리고 힌지와 축방향/수직방향 변위를 허용하는 경우로 총 세 가지의 해석을 수행하였다. 이 때 변위에 대한 강성으로는 일반적으로 터널 조인트 내 변위 허용 시 사용되는 스프링 계수가 적용되었다.

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Fig. 7.

Conceptual diagram of joint design

해석 결과는 Fig. 8과 Fig. 9에 조인트에서 회전(a), 회전 및 축방향 변위(b) 그리고 회전 및 축방향과 수직방향 변위(c)를 허용하는 경우 각각의 결과로 표현되었다. 조인트 설계가 없는 경우인 Figs. 2, 3과 비교했을 때 연결부 조인트의 자유도 구성을 통해 특정 방향에 대한 변위 및 회전을 허용함으로써 연결부 주변 지반의 전단변형 집중이 완화됨을 확인하였다. 더 많은 방향의 변위를 허용할수록 지반에 가해지는 응력의 크기는 감소하여 연결부 주변 지반의 전단변형은 감소하지만 회전 및 축방향과 수직방향 변위를 모두 허용하면 수중터널로부터 전달되는 응력이 터널이 아닌 지반을 향하여 지중터널 배면에 위치하는 지반에 변형 집중이 발생할 수 있음을 확인하였다. 이 결과들은 조인트의 자유도 구성을 통해 수중터널의 지반 접속 시 두 터널의 연결부 주변 지반에 발생하는 변형 집중을 해결할 수 있음에 대한 가능성을 보여준다. 외부에서 가해지는 하중이나 지반 및 터널의 특성에 따라 분포가 달라질 것이므로 목표 지역이나 터널의 제원을 고려한 조인트 설계가 필요할 것으로 예상된다.

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Fig. 8.

Shear strain distribution with various DOF configuration in joint (front view)

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Fig. 9.

Shear strain distribution with various DOF configuration in joint (longitudinal view)

3.3 조인트 설계 적용 간격의 영향

수중터널과 지중터널의 연결 시 조인트의 자유도를 조정함으로써 연결부 주변 지반에 집중되는 전단변형을 완화시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 그에 추가적으로 해당 설계의 조인트를 지중터널 세그먼트 조인트에 일정 간격으로 설치했을 때 연결부 주변 지반의 거동에 대해 분석하였다. 10 m, 20 m 그리고 50 m의 간격으로 회전과 축방향 변위를 허용하도록 하는 조인트 설계를 적용하였으며, 지중터널은 100 m 구간에 설치되어 있기 때문에 간격에 따른 케이스에 적용된 조인트의 수는 각각 10, 5 그리고 2개이다. 해석 결과, 터널 세그먼트 사이의 조인트가 추가적으로 변위를 흡수하면서 간격이 좁은 케이스일수록 연결부 주변에서 적은 지반 변형이 발생함을 확인하였다. 그러나 조인트의 변위 흡수 시 응력은 배면 지반으로 전달되기 때문에 조인트 설계가 적용된 조인트 주변 지반에서 변형이 집중되었다. 조인트 설계의 간격이 좁은 경우(10 m)에는 조인트에 주변 지반에 집중되는 변형이 연결되어 지중터널의 중심부에서 지반변형 집중이 발생하였다. 이 결과에 따르면, 수중터널의 지반 접속부 주변 지반에서의 응력 집중을 온전히 해소하기 위해 회전 및 변위에 대한 자유도를 허용하는 방법이 사용될 수 있으나, 조인트에서 흡수하는 변위에 따른 응력이 조인트 배면의 지반으로 전달되어 지반 내부에 안정성을 낮출 수 있다. 그러므로 조인트 설계의 간격은 지반의 특성이나 터널의 재료 등을 고려하여 조정하여 안정성을 확보하는 설계에 고려되어야 한다. 또한 자유도와 그라우팅 설계를 동시에 수행하여 수중터널의 지반 접속부뿐만 아니라 지중터널 배면의 지반 안정성까지 고려한 설계가 필요하다. 지중터널 및 수중터널이 가지는 목적에 따라 도로 및 철도의 기능성을 충족하기 위한 허용 변위가 존재한다. 따라서 조인트 설계 시 허용 변위 이하의 변위가 발생하도록 함과 동시에 지반의 안정성을 고려하여 일정 부분의 변위를 허용하도록 하는 설계가 필요하다.

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Fig. 10.

Shear strain distribution with various interval of joint design (front view)

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Fig. 11.

Shear strain distribution with various interval of joint design (longitudinal view)

4. 결 론

본 연구에서는 수중터널이 지반에 접속할 때 지중터널과 연결되는 연결부 주변지반의 거동을분석하기 위한 수치해석적 연구가 수행되었다. 일반적인 방식의 터널 설계 시 존재하는 연결부 근처 지반의 전단 변형 집중을 확인하고, 해당 문제를 해결할 수 있는 방법으로서 그라우팅 재료와 조인트 설계에 대한 영향을 파악하기 위한 사례 연구가 수행되었다. 본 연구는 특정 지역을 대상으로 수행되지 않았기 때문에 수중터널과 지중터널의 연결 시 주요하게 검토되어야 하는 구조적 인자들의 영향을 파악하는 정성적인 연구 결과만을 제시하였다. 이 연구에서 도출된 주요 결론은 다음과 같이 요약된다.

1. 수중터널의 지반 접속부 주변 지반에서 집중되는 전단 변형은 약한 강성의 그라우팅재를 지중터널 배면에 시공함으로써 완화시킬 수 있다. 그러나 그라우팅재의 강성이 낮은 경우 지중터널 자체의 변위가 커지기 때문에 도로 및 철도의 기능성을 충족시키지 못할 수 있다. 따라서 연결부의 안정성과 터널의 기능성을 동시에 만족시킬 수 있는 최적 설계가 필요하다.

2. 두 터널의 연결부에서 조인트의 자유도 구성을 설계함으로써 접속부에서 집중되는 전단 변형을 완화시킬 수 있다. 외부에서 발생하는 하중의 종류 및 방향에 따라 연결부 안정성을 확보하는 자유도 구성의 종류가 다르며, 그 자유도 구성의 결정은 지반 및 해저 환경에 따른 영향을 고려했을 때 가장 안정한 방향의 변위를 허용하도록 해야 한다. 또한 터널의 과도한 변위를 방지하여 도로 또는 터널의 기능성을 충족시키기 위한 조인트의 변형에 대한 강성 산정이 필요하다.

3. 지중터널 내부까지 조인트 설계를 적용시키는 경우, 그 간격을 줄일수록 수중터널의 지반 접속부 주변 지반에서 적은 전단 변형 집중이 발생했다. 그러나 접속부에서 흡수된 응력이 지반 내부로 전달되어 지중터널의 중심부에서 전단 변형이 집중된다. 따라서 지중터널 내부에 많은 조인트 설계를 적용시키는 경우에는 지중터널이 위치하는 지반의 강도를 고려하여 지반 보강에 대한 고려 또한 필요하다.

4. 이 연구에서는 지반 변형의 집중을 파악하여 상황에 따른 불안정한 상태의 지반 위치를 파악하는 것을 목적으로 정성적인 연구가 수행되었지만, 결과들을 활용하여 향후 연구에서 고려해야 할 주요 인자와 그 영향, 그리고 위험한 구역에 대한 제안이 가능하다고 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. 2017R1A5A1014883).

저자 기여도

강석준은 데이터 수집, 데이터 해석, 데이터 분석 및 원고작성을 하였고, 조계춘은 연구 개념 및 설계, 원고 검토를 하였다.

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