1.서론

전세계적으로 지진발생빈도가 최근들어 급증하고 있으며 지진에 의한 피해도 비례하여 증가하고 있다. 우리나라에서도 그림 1과 같이 지진의 발생빈도가 1990년 이후로 연도별 편차는 있으나 꾸준히 증가하는 경향을 나타내고 있는 것으로 관측되었다.

또한, 해외의 지진피해사례를 분석해 보면 지상구조물외에 개착식 터널과 같이 심도가 낮고 개착한 부분 즉, 구조물 인접 주변을 뒤채움 하여야 하는 지중구조물의 경우 지진동에 의한 피해가 상당히 발생하는 것으로 조사 분석 되고 있다. 이와같이 지진에 의한 지중구조물의 피해 발생 가능성이 높아지고 있지만 우리나라의 경우 현재까지 지중구조물에 대한 내진설계기준에 대한 연구가 미흡한 상태이다. 특히, 근래들어 친환경 건설정책과 양호한 도로선형 확보를 위해 도로터널에 도로상에서 차지하는 비중이 90년대 0.9%에서 최근들어 2.9%로 점점 높아지고 있는 추세이다.

따라서 본 연구에서는 지진동에 대한 영향을 비교적 많이 받는 터널 상부 토피고가 1D (D:터널의 직경)이하인 개착식 터널에 대하여 지진 발생시 터널 거동에 미치는 영향을 다음과 같은 조건들에 대하여 분석하였다.

(1) 뒤채움과 성토를 단위중량이 토사의 1/100인 EPS블럭 (0.02)블럭을 이용하는 경우

(2) 뒤채움과 성토를 토사로 하는 경우

(3) EPS블럭을 터널 주변에 뒤채움재로 설치후 그 상부로 토사를 성토하는 복합 성토 경우

그림 1. 연도별 지진발생빈도

상기와 같은 각각의 조건에 대하여 뒤채움 경사별 (1:0.6, 1:1.2), 성토고 높이별 진동대 시험을 수행, 개착식 터널의 뒤채움재에 의한 터널 거동 영향을 분석하여 EPS블럭의 내진성능 평가를 하므로서 개착식 터널에서의 적용성을 분석하였다.

2.진동대 시험 장치 및 방법

2.1 시험장치

본 연구에서는 크기가 2m×2m, 최대 시험하중 5ton, 최대가속도 1.0g, 최대주파수는 50Hz인 2축방향으로 진동을 가할수 있는 진동대 시험대를 사용하였다. 본 실험에서는 터널의 횡방향에 대한 지진하중 작용시 터널의 동적 거동특성을 분석하기 위하여 터널의 횡단방향에 대한 입력지진동을 이용하여 실험하였고 본 실험에서 사용될 진동대의 상세한 제원은 다음 표1과 같다.

2.2 축소 모형 모델 시험체

본 연구에서 수행된 진동대 시험은 실물크기의 개착식 터널을 그대로 모사하기에는 규모가 크므로 진동 시험용 모델체와 실물원형의 관계에 대하여 1970년 이후 현재까지 지속적으로 수행되어온 축소 모형 진동대 시험과 관련된 연구결과들을 통해 신뢰성 입증된 Iai’s (1989)의 Scaling Factor을 적용하여 그림 2, 그림 3과 같이 2차선 도로터널을 1/40 (λ=40)의 크기로 축소 제작한 시험체를 사용하였다.

즉, 2차로 표준 도로터널의 폭이 14.2m 높이가 약 8.5m로 이를 1/40으로 축소하게 되면 모형 터널의 폭이 약 0.33m, 높이가 약 0.2m가 되므로 이와 같은 치수를 이용한 모형터널을 제작하였다. 또한, 실제 개착식 터널의 재료는 60cm 두께의 콘크리트 라이닝이므로 동일한 재료로 축소 모형 터널을 제작하는 것이 것의 불가능하므로 본 연구에서는 알루미늄을 이용하였다. 알루미늄은 일반적으로 터널 축소 모형 실험에 많이 사용되고 있는데 이는 알루미늄 특성상 얇은 두께로 제작이 용이하며 단위중량이 콘크리트 라이닝 재료와 유사하고 탄성구간에서도 변형이 용이하게 일어나므로 역학적 거동 분석에 적합하기 때문이다. 그러나 알루미늄은 콘크리트와 물리적 성질 즉, 강성이 다르므로 이러한 강성 차이에 대한 보정을 위해 Iai’s Similitude Rule (λ5=405)을 이용하여 터널의 단면두께를 0.8mm의 알루미늄으로 제작하였다. 터널 모형을 설치하는 시험 본체는 그림 4.와 같다. 시험 본체는 폭 1.75m, 높이 0.70m, 길이 1.22m이며 원지반의 경사각에 따른 터널의 영향을 분석하기 위하여 원지반 경사가 1:0.6, 1:1.2의 목재 블럭을 별도로 제작하여 각각의 경사각에 대하여 진동대 시험을 수행하였다.

그림 4. 진동대 실험에 사용된 실험 본체

시험체의 전면과 후면에는 20mm 두께의 투명 아크릴판을 설치하여 뒤채움 및 성토재료의 유실을 방지하도록 하였다.

2.3 계측기 설치 위치

그림 5. 계측시 설치 위치도 (평면도)

본 실험에서는 지진동 발생시 터널 주변 뒤채움 및 성토재에 의한 터널 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 그림 5와 같이 계측을 수행하였다, 터널 외측면에 총 3개의 가속도계를 터널 천단부, 어깨부, 측벽부에 설치 하였다.

지진등으로 인해 터널에 발생되는 응력을 파악하기 위해 총 9개의 전기식 스트레인게이지 (변형율계)를 터널 천단부에 2개, 어깨부에 6개, 측벽부에 1개씩 설치하였다.

2.4 시험 방법

2.4.1 시험 수행 내용

본 연구에서 수행된 시험은 그림 6과 같이 EPS블럭만 성토고 높이별 (0D, 0.25D, 0.5D, 1D, D: 터널직경), 굴착경사별 (1:0.6, 1:1.2)로 각각 설치하여 각각의 입력 가속도별 각각의 실험을 수행한 경우와 사진 1과 같이 EPS블럭과 토사를 혼합 성토하여 성토고 높이별, 굴착경사별로 각각 설치하여 진동대 시험을 실시하였다.

진동대 실험절차는 우선 터널 모형체에 계측기를 설치한 후, 계측기의 이상유무를 미리 검증한 후, 사진 1에서 보여주는 바와 같이 시험 본체에 설치한다.

시험 본체가 설치되면 터널 주변에 EPS블럭 또는 모래를 터널 주변에 뒤채움 하고 그 상부로 실험 조건에 맞추어 EPS블럭 또는 모래를 단계별 성토하였다.

뒤채움 및 성토재로 사용된 모래는 비중이 약 2.62, 균등계수가 약 1.75이며 최대, 최소 건조단위중량이 약 1.6tf/㎥, 1.4tf/㎥인 주문진 표준사를 사용하였는데 최초 포설된 모래는 상대밀도가 느슨한 상태이므로 이를 일정한 다짐도롤 조성하기 위해 0.3g, 12Hz의 가진 조건으로 3분간 진동을 가하였다. 가진후, 조성된 뒤채움 모래의 밀도를 측정한 결과 모래의 건조단위중량이 1.6tf/㎥정도의 다짐상태로 확인되었다.

이와 같은 순서로 터널 측벽과 천단에 EPS블럭 또는 토사를 설치한 후에 입력주파수를 일정한 값으로 출력될 수 있도록 고정시켜 놓은 상태로 입력가속도를 0.1g에서 부터 0.4g까지 0.1g간격으로 매단계 마다 5초간 가진 하였다. 그후 입력주파수 (12Hz)를 변경하여 동일한 방법으로 진동실험을 수행하였다. 이상과 같은 방법으로 하나의 실험조건 이 종료가 되면 다시 EPS블럭과 상부 모래의 성토높이를 단계별로 증가시켜 시험을 수행하였다.

2.4.2 진동대 시험에 적용된 진동파형

진동대 시험시 사용되는 입력파는 실측된 지진파 또는 인공지진파를 이용하는 것이 적절하지만 본 실험에서 사용된 Scale Factor가 1/40이므로 지진파를 Similitude Rule로 변환시켜 실험에 이용하기가 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 우리나라의 내진설계기준에 적합한 인공합성지진파의 특성을 반영한 정현파 (Sine Wave)를 이용하여 진동대 시험을 수행하였다. 

즉, 국내 내진설계기준에 의하면 지반조건이 보통암, 지진구역 I지역인 1등급구조물에 대한 인공합성지진파의 탁월주파수가 약 2.2Hz정도이고 지진지속시간이 약 24sec로 산정되므로 이를 Similitude Rule에 의한 정현파 (Sine Wave)로 작성하면 정현파의주파수 ()는 약 14Hz이고 지진동 지속시간이 약 5sec로 변환된다.

따라서, 이러한 파형의 특성을 반영한 정현파 (Sine Wave)를 이용하여 실험을 수행하였다. 이러한 방법으로 생성된 입력 지진동을 이용하여 진동대에 진동에너지를 발생시킬 경우, 진동대에 내장되어 있는 가속도계에서 출력된 대표적 파형은 그림 7과 같다.

3.진동대 실험결과분석

3.1 뒤채움 설치 경사 1:0.6에서 터널 발생 변형율 분석

3.1.1 EPS블럭과 토사 성토고별 터널 발생 변형율 비교

우리나라의 경우 터널구조물은 내진1등급 붕괴방지수준을 만족해야하고 이때 최대지반가속도는 0.154g이므로 다음 그림 8과 같이 지진가속도 0.2g인 경우의 EPS블럭과 토사조건에 대한 진동대 시험 비교 결과 EPS블럭을 적용하는 경우가 토사를 적용하는 경우 보다 발생 변형율이 평균 50%이상 감소하는 것으로 분석되었다.

특히, 성토고 0.25D인 조건에서 동일한 높이에 대하여 상대적으로 토사를 적용하는 경우 보다 EPS블럭을 적용하는 경우가 진동감쇠효과가 효율성 측면에서 여러 성토조건 중 가장 효율적인 것으로 분석되었다.

3.1.2 EPS블럭 0D+토사 성토고별 (복합 성토)와 토사 성토고별 터널 발생 변형율 비교

본 실험조건은 EPS블럭을 적용한 복합성토조건과 토사성토 조건을 비교분석하여 복합 성토조건의 진동감쇠효과를 분석하기 위하여 수행하였다. 진동대 실험 비교결과 다음 그림 9와 같이 EPS블럭과 토사를 복합성토한 조건이 토사만을 성토한 조건보다 발생 변형율이 평균 25% 정도 감소하는 것으로 분석되었다.

이는 EPS블럭을 복합성토하는 경우도 상기의 EPS블럭만을 성토하는 조건과 마찬가지로 지진동에 대하여 진동감쇠효과가 있음을 확인하였다. 하지만 터널 천단부 상부로 성토고가 1D가 되었을때는 EPS블럭과 토사 혼합 성토의 경우나 토사만을 성토한 경우나 차이가 없는 것으로 분석되었다.

이는 상대적으로 EPS 블럭 설치높이가 낮아 지진동에 대하여 상부의 수직구속력으로 작용하는 성토재 성상과 성토고가 동일하기 때문인 것으로 판단된다.

3.2 뒤채움 설치 경사 1:1.2에서 터널 발생 변형율 분석

3.2.1 EPS블럭과 토사 성토고별 터널 발생 변형율 비교

그림 10과 같이 EPS블럭의 경우 성토고가 높아짐에 따라 지진동에 대한 터널 발생 변형율이 아주 완만하게 감소하고 안정적인 경향을 보였지만 상대적으로 토사 성토의 경우 성토고 0.25D까지는 변형율이 급격히 감소하다가 성토고 0.5D부터 급격히 증가하는 경향을 보였다.

이와 같이 토사성토의 경우 뒤채움 설치 경사 1:0.6에서는 1:1.2보다 원지반과 터널간의 이격거리가 상대적으로 작기하기 때문에 성토고가 높아짐에 따라 상부 수직 구속응력 증가에 비례한 구속효과로 진동감쇠효과를 발휘하는 것으로 분석되었으나 1:1.2인 경우는 상부의 성토재의 구속효과 보다는 지진동으로 발생된 동적토압이 상대적으로 영향을 더 받는 것으로 판단된다.

3.2.2 EPS블럭 0D+토사 성토고별 (복합 성토)와 토사 성토고별 터널 발생 변형율 비교

본 실험은 원지반과 터널경사 1:1.2에 대하여 터널 천단부까지 EPS블럭을 뒤채움 한 후 상부로 토사를 0.25D, 0.5D, 0.75D, 1D 높이로 단계 성토하는 경우와 동일한 조건에 대하여 뒤채움과 상부 성토를 토사만을 사용하는 경우에 대하여 비교한 실험이다.

진동대 시험결과 다음 그림 11과 같이 EPS블럭과 토사를 복합 성토한 경우와 토사만을 성토한 경우를 발생 변형율 측면에서 비교해 보면, 입력주파수에 따라 다른 경향을 보이고 성토고가 높아짐에 따라 복합성토와 유사한 거동을 하는 것으로 분석되었다.

3.3 성토고별 터널 발생 예상 응력  분석

개착식 터널의 뒤채움재과 성토재로서 적용되는 EPS블럭 설치높이에 따른 지진동에 대한 터널의 안전성을 검토하고자 본 연구에서 수행된 진동대 실험에서 얻어진 계측결과를 이용하여 Scale Factor를 고려한 실물크기의 개착식 터널에서 발생될것으로 예상되는 응력을 분석하였다. 지진동시 터널에 발생예상 응력을 분석하기 위하여 진동대 실험에서 얻어진 터널의 최대변형율을 이용, 발생응력을 계산하였다.

뒤채움재별 (EPS블럭, 토사) 성토 조건에 따른 실물크기 터널에서 발생 예상되는 응력을 다음 그림 12～18과 같이 굴착 경사별, 성토고 별, 입력주파수 별로 분석하였다. 내진설계시 지반종류 SB의 설계지진계수가 내진 1등급 붕괴방지수준의 경우, 설계지진 가속도가 0.154g이므로 본절에서도 수행된 진동대 시험 결과중 가속도가 0.2g인 경우에 발생된 응력결과를 분석하였다.

그림 12～18과 같이 원지반과 터널 뒤채움재의 굴착경사 1:0.6과 1:1.2, 입력주파수가 12Hz 경우에 대하여 EPS블럭을 단계별 높이로 뒤채움하고 그 상부로 토사를 성토하는 복합성토 조건들에 대하여 지진가속도 0.2g인 경우 터널에서 발생되는 휨응력은 경사가 완만 할수록 발생 휨응력이 커지는 경향을 보였지만 전체적으로 허용응력 이내에서 발생하는 것으로 분석되었다.

다음 그림 12에서와 같이 EPS블럭 상부로 토사가 0.25D 성토되어졌을 때 지진동 발생시 가장 작은 휨응력이 발생시키는 것으로 분석되었고 EPS블럭 상부로 토사 0.5D 성토되었을 때 전반적으로 지진동에 의한 발생 휨응력이 커지는 경향을 보였다.

특히, 상기의 그림과 같이 뒤채움 EPS블럭 0D하고 그 상부로 토사성토 0.25D인 조건의 경우가 지진동 발생시터널에서 발생되는 휨응력이으로 가장 작게 발생하였으며 개착식 터널의 지진동에 대한 뒤채움재 조건으로 가장 효율적인 조건으로 분석되었다.

위의 그림 16～18과 같이 굴착경사 1:1.2인 경우는 굴착경사 1:0.6에 비하여 지진동으로 인한 발생 휨응력이 전반적으로 증가하였다.

4.결론

본 연구에서는 지진동 발생시 터널 주변 뒤채움 및 성토조건에 따라 터널 거동에 미치는 영향 분석하기 위하여 뒤채움 및 성토재로서 EPS블럭을 적용한 진동대 시험 수행 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. EPS블럭을 뒤채움과 성토하는 조건, 토사를 뒤채움과 성토하는 조건에 대하여 수행된 각각의 진동대 시험을 분석한 결과 성토 높이가 증가할수록 EPS블럭, 모 래 각각의 변형율은 감소하는 경향을 보이는것으로 분석되었다. 이는 성토높이가 높아질수록 상부의 수직구속력이 증가하므로 이로 인한 진동감쇠효과가 크게 작용하기 때문인 것으로 판단된다.

2. EPS블럭과 토사를 복합 성토하는 조건이 토사만을 성토하는 조건 보다 지진동에 대한 발생 변형율이 최대 45% 정도감소, 진동감쇠 효율성 측면에서 유리한 것으로 분석되었다.

3. 뒤채움 설치경사별 진동대 실험분석결과 경사가 1: 1.2에서 1:0.6으로 갈수록 즉, 원지반과 터널 경사가 수직에 가까워 질수록 지진동에 의해서 터널에 발생되는 지 진동에 대한 발생 휨응력 더 감소하는 것으로 분석되었다.

4. EPS블럭을 뒤채움하고 그 상부로 토사를 단계별 복합 성토하는 각 조건들에 대한 진동대 실험결과 (경사 1:0.6)에 의하면 EPS블럭 뒤채움 높이 OD조건 즉, 터널 천단부 높이까지 EPS블럭을 설치한 후 그 상부로 0.25D높이로 토사를 성토하였을 경우가 가속도 0.2g인 지진동 조건에 대한 발생응력이 으로 가장 작게 발생하였으며 지반조건이 SB인 내진 1등급 붕괴방지수준에서 설계지진가속도 0.154g임을 고려해 보면 2차로 개착식 터널의 지진동에 대한 가장 효율적인 조건으로 분석되었다.