1. 서 론

최근 포항과 경주에서 발생한 지진의 영향으로 구조물의 내진 성능에 대한 관심이 증가하고 있으나 터널과 같은 지하 구조물은 지상 구조물보다 지진에 대한 안정성이 큰 것으로 인식되어 내진 성능에 대한 관심은 여전히 낮다. 그러나 터널이 지상 구조물에 비하여 지진으로 인한 영향을 상대적으로 적게 받는다고 하더라도 수직구와 터널의 접속부의 경우 지진의 피해를 입을 가능성을 배제할 수 없다(Lee et al., 2002). 수직구와 같은 지하 구조물은 지상 구조물과 달리 자체의 자중 보다는 주변지반의 거동에 더 영향을 받으므로(Okamoto et al., 1973; Kim et al., 2011) 지층 조건에 따라 상대적인 거동 특성이 달라져(Aguilar-Téllez et al., 2012) 수직구와 터널의 접속부 응력 집중으로 인한 구조적 손상을 입을 수 있다(Yamazaki et al., 2013).

국내외에서 터널의 지진 안전성에 대한 연구는 다수가 수행되었으나 수직구의 지진 안정성에 대한 연구는 매우 적으며 주로 수직구 구조물과 지반과의 상호작용에 대한 연구가 주를 이루고 있어(Ohbo et al., 1992; Kim et al., 2010; Kim et al., 2011) 수직구와 터널의 접속부에 대한 지진 안정성을 연구한 사례(Aguilar-Téllez et al., 2012; Yamazaki et al., 2013; Jang et al., 2017)는 많지 않다. 최근 도심지에 시공되는 전력구, 통신구 등은 터널 등 기존 구조물과의 간섭을 피하기 위해 설치 심도가 50 m 이상 깊어지는 경향이 있으며, 지진으로 인한 접속부의 구조적 손상이 특히 지하수위가 높은 조건에서 발생하는 경우 침수로 인한 피해가 발생 할 가능성도 배제할 수 없다(Yamazaki et al., 2013). 따라서 국외의 경우 동경만 아쿠아라인과 터키의 해저 터널의 라이닝 구조물에 대하여 지진 시 지반의 상대 강성 차에 의해 발생하는 변위를 흡수하기 위한 가동 세그멘트를 설치하기도 하였으나(Jeon et al., 2009; Yamamoto et al., 2014; Kwak and Park, 2015), 국내에서 지진으로 인해 수직구와 터널의 접속부에서 발생하는 변위와 이에 대한 대응책을 고려한 사례는 찾아보기 어렵다. 그러나 부산과 같이 비교적 연약한 지반이 두껍게 형성된 지층조건에서 수직구의 심도가 깊어지는 추세를 감안하면 수직구와 터널 구조물의 접속부에 대한 지진 안정성을 면밀하게 검토해 볼 필요가 있다.

이 연구는 최근 국내에서 수직구가 가장 많이 발생되고 있는 전력구, 통신구와 같은 유틸리티 터널을 대상으로 수직구와 터널의 접속부의 지진에 대한 안정성을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 서로 다른 가상의 다층 지반 조건을 모델링하고 장주기와 단주기의 지진파를 활용한 선형 탄성 시간이력해석을 적용하였다. 이 연구의 결과는 수치해석에 의한 것으로 실제 지반과 구조물의 거동과는 차이가 있을 수 있다. 그러나 제시된 구조물의 거동과 접속부에 작용하는 응력의 형태는 실제와 유사한 경향을 보일 것으로 추정되며, 연구결과가 향후 심도가 깊은 수직구 또는 해저나 하저터널 수직구를 설계, 시공하는 경우 유용하게 활용 될 수 있을 것으로 생각된다.

2. 해석 개요

교량과 같은 지상 구조물의 내진 해석을 수행하는 경우 구조물의 하부 기초를 제외하면 구조물의 거동에 미치는 외부 영향이 거의 없으므로 구조물의 관성력 만을 고려한 해석을 수행한다. 그러나 수직구와 같이 지중에 위치하는 지하 구조물은 구조물 전체 체적에 의한 단위체적중량이 주변 지반에 비해 상대적으로 작아 지진 시 구조물 자중에 의한 관성력보다 주변 지반의 거동에 더 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2011). 따라서 이 연구에서는 지반과 수직구, 터널을 모델하여 지반-구조물 상호작용(Soil Structure Interaction, SSI)을 고려한 내진 해석을 수행하였으며, 해석에 사용된 프로그램은 MIDAS GTS NX 이다.

2.1 해석 대상 구조물 및 지반 모델링

해석에 사용된 수직구와 터널의 규모는 최근 국내 전력구 현장의 추세를 반영하였으며(Table 1), 수직구의 심도는 50 m로 가정 하였다. 다층 지반에 대한 매개변수 해석을 위해 지층은 점토층~경암층으로 5개로 구분하였으며(Table 2), 지반을 10 m 두께로 총 7층의 요소망으로 모델링하였다(Fig. 1(a)). 모델의 규모는 경계 효과가 나타나지 않도록 충분한 거리를 두었으며, 90 m × 90 m × 70 m (가로 × 세로 × 높이)로 하였다. 수직구와 터널의 모델링은 3차원 솔리드(solid) 요소를 사용하여 모형화 하였다(Fig. 1(b)).

Table 1. Dimension of the underground structures for analysis (unit: m)

Table 2. Geotechnical and structural properties

Fig. 1.

Modelling results for numerical analysis

구조물은 선형 탄성 재료로 고려하였으나 지반은 2차원 등가선형재료 특성을 적용하여 지반의 비선형성을 고려할 수 있도록 설정하였고, 모호-쿨롱(Mohr-Coulomb) 모델을 파괴 모델로 사용하였다. 변형률에 따른 전단계수(shear modulus) 및 감쇠비(damping ratio) 변화 곡선은 MIDAS GTS NX 프로그램에 내장된 데이터베이스 자료(MIDAS IT, 2017)를 활용하였다.

2.2 동적 하중 조건

실제 지진가속도를 사용한 시간이력해석 방법을 사용하기 위해 입력 지진파는 Ofunato (단주기 특성파) 지진파와 Hachinohe (장주기 특성파) 지진파 데이터를 활용하였으며, 내진설계 1등급 붕괴방지수준의 0.154 g의 최대 가속도로 스케일링 하여 모사하였다(Fig. 2). 지진파 진행 방향에 따른 영향을 고려하기 위해 지진파의 진행 방향을 수평 터널의 진행 방향과 평행하는 X축과 수직 방향인 Y축으로 하여 두 방향에 대해 각각 해석을 수행하였다.

Fig. 2.

Scaled seismic wave for analysis (Hachinohe, a_max = 0.154 g)

2.3 매개변수 해석 조건 및 관측 지점의 선정

지진파의 종류, 파의 진행방향 및 지층 형태에 따른 구조물의 동적 거동 특성 파악을 위한 매개변수 해석을 위해 총 8개의 해석 케이스를 선정하였다(Table 3). 지층 형태는 일반적으로 수평 터널이 암반층에 위치하는 단단한 지반(hard ground)과 부산과 같이 기반암 층이 깊은 연약한 지반(soft ground)을 모사할 수 있도록 두개의 그룹(hard ground: A, B, C, D; soft ground: E, F, G, H)으로 분류하였다.

Table 3. Analysis cases

수평 터널은 시공 시 사고를 줄이고 보강비를 절감하기 위하여 안정성이 높은 암반 지반에 위치하는 경우가 많고, 심도가 깊은 수직구 구조물의 경우 관입 깊이에 따라 여러 종류의 다른 지층에 위치하게 된다. 지진 발생 시 지반 내에 위치하는 구조물은 지반 관성력에 주된 영향을 받으며, 지반 관성력은 지층의 종류에 따라 달라지므로 수직구의 심도와 지층 종류의 변화에 따라 수직구와 이에 연결되는 수평 터널의 전체 거동 차이를 유발하게 된다. 특히 연약한 지반일수록 낮은 고유 진동수를 갖는 것으로 알려져 있다(Yamazaki et al., 2013). 여러 해석 케이스 가운데 수직구 및 수평 터널 구조물의 전체 거동분석은 거동을 극대화 시킬 수 있는 환경 모사를 위해 장주기파인 Hachinohe 지진파와 연약 지층으로 구성된 해석 케이스 G를 선정하여 수직구와 수평 터널 구조물의 동적 거동 특성을 검토하였다. 또한 이와 반대의 케이스로 단단한 지층으로 구성된 해석 케이스 C를 선정하여 수직구와 수평 터널 구조물의 동적 거동 특성을 비교하였다. 해석 케이스 C와 G의 지진파의 방향은 3차원 직교 좌표계에서 수평 터널과 평행한 방향(X 축)으로 지진이 진행하는 경우를 고려하였다. 접속부의 경우 A 부터 H 까지의 모든 경우에 대한 해석을 수행하고 그 거동을 분석하였다.

수직구 및 수평 터널 구조물의 전체 동적 거동 파악을 위해 가장 큰 변위가 발생할 것으로 예상되는 지진파의 진행 방향(X 축)에 대한 변위를 Fig. 3(a)와 같이 깊이에 따른 관측 절점을 선정하였다. 수평 터널의 경우에는 수평 터널의 수직 방향(Z 축)의 거동을 판단하기 위해 수평 터널의 길이 방향으로 5곳의 관측 절점을 선정하였다. 또한 접속부의 상세한 거동 파악을 위해 Fig. 3(b)와 같이 4곳의 절점을 선정하였다.

Fig. 3.

Inspection points for estimating structural behavior under earthquake loading

3. 매개변수 해석 결과

3.1 수직구 구조물 및 수평 터널의 동적 거동 특성 검토

수직구 구조물의 지진 전달 방향(X 축)으로의 동적 거동을 검토하기 위해 Fig. 4(a), Fig. 5(a)와 같이 X축 방향의 변위를 깊이 별로 지진 지속 시간에 따라 도식화 하였다. 연약한 지반에 위치하는 수직구 구조물(해석 케이스 G, Fig. 5(a))이 단단한 지반에 있는 경우보다 지진 발생 시 더 큰 동적 거동을 하는 것으로 나타났다. 수평 터널 구조물의 수직(Z축) 방향으로의 동적 거동을 검토한 결과(Fig. 4(b), Fig. 5(b)) 풍화암 지반에 위치하는 수평 터널의 경우(해석 케이스 C) 지진 하중 발생 시에도 수평 터널의 연직 방향으로의 거동은 거의 발생하지 않는 것으로 확인되었다(Fig. 4(b)). 그에 반해 상대적으로 연약한 수평 터널이 풍화토에 위치하는 경우(해석 케이스 G)는 지진 지속 시간에 따른 수평 터널의 수직 방향으로의 변위가 상대적으로 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 5(b)). 따라서 수직구와 수평 터널 구조물의 동적 거동은 구조물이 위치하는 지반의 영향을 크게 받는 것으로 보인다. 연약한 지반에 수직구 및 수평 터널이 위치하는 경우 지진시 심도에 따라 수평 방향(X축 방향)으로 크게 거동하는 수직구 구조물과 수직 방향(Z축 방향)으로 크게 거동하는 수평 터널의 상대적인 거동차이로 인해 수직구-수평 터널 접속부에서 균열 및 파괴가 발생할 위험이 있다.

Fig. 4.

Structural behavior in hard ground under earthquake loading (Case C)

Fig. 5.

Structural behavior in soft ground under earthquake loading (Case G)

Fig. 6.

Shear stress distribution of structures

3.2 접속부 주변 최대 변위 및 응력 검토

접속부 주변에서 발생하는 변위 검토를 위해 각각의 관측 지점(N, W, S, E)에서의 수직(Z 축), 수평(Y 축) 그리고 수평 터널과 평행한 방향(X 축)의 변위를 시간에 따라 Fig. 7과 같이 도시하였으며, 이는 Ofunato파(단주기 특성파)와 Hachinohe파(장주기 특성파)에 대한 매개변수 해석 케이스 중 가장 큰 변위가 발생한 E와 G에 대한 해석 결과이다. 두 지진파에 의한 모든 해석 케이스에서 동일한 방향에서는 각각의 관측 지점 별로 매우 유사한 거동을 보이고 있으며, 그 크기를 분별하기 어려운 유사한 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 모든 매개변수 해석 케이스에 대한 관측 지점별 최대 변위는 Table 4로 나타내었다. 대부분의 매개변수 해석 케이스에서 X축 방향으로 지진파가 전달 될 때 N 지점에서 수직(Z 축) 및 수평 터널과 평행한 방향(X 축) 변위의 최대치가 관측되었으나, 수평(Y 축) 변위의 최대치는 Y축 방향으로 지진파가 전달 될 때 N 지점에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7.

Displacements by seismic waves that propagate parallel to tunnel axis (X-axis)

Table 4. Maximum displacement at vertical shaft-tunnel connection under earthquake loading (unit: mm)

지층 종류(단단한 지층, 연약한 지층)에 따른 각 방향(X, Y, Z축)의 접속부 변위 차이는 수직 방향(Z 축), 수평 방향(Y 축) 그리고 수평 터널과 평행한 방향(X 축)에 대해 연약한 지층에서 각각 평균적으로 약 6.4배, 7.4배, 14.5배 크게 발생하는 것을 확인하였다. 지진파 종류(Ofunato, Hachinohe)에 따른 각 방향(X, Y, Z 축)의 접속부 변위 차이는 수직 방향(Z 축), 수평 방향(Y 축) 그리고 수평 터널과 평행한 방향(X 축)에 대해 장주기 특성파인 Hachinohe 지진파에서 각각 평균적으로 약 1.9배, 1.7배, 1.4배 크게 발생하는 것으로 나타났다.

지진파의 방향(X축, Y축)에 따른 각 방향(X, Y, Z축)의 접속부 변위는 지진파의 전달 방향에 크게 영향을 받는 것으로 확인되었다. 지진파의 전달 방향과 수직한 방향에 대한 변위는 그 크기가 상대적으로 작게 발생하였으며, 그에 비해 지진파와 평행한 방향의 변위는 다른 방향의 변위보다 크게 나타나는 것으로 나타났다.

매개변수 해석 수행 결과 접속부 주변 4곳의 관측지점(N, W, S, E)에서 관측된 최대 변위는 해석 케이스 H의 N 지점에서 16.9 mm이다. 구조물의 탄성계수(2*10⁴ MPa)로부터 도출된 허용 압축 응력 및 허용 전단 응력과 각 관측 지점에서 발생하는 최대 압축 응력 및 전단 응력을 Table 5에 정리하였다. 모든 관측 지점에서 최대 전단 응력이 발생하였을 때 구조물의 접속부에서의 파괴가 발생하는 것으로 예측되었다.

Table 5. Stability analysis results for the connection

4. 결론 및 토의

지진하중이 작용하는 수직구-수평 터널 접속부의 동적 거동 특성에 대한 연구를 위해 지층 구성, 지진파 종류 및 전달 방향에 따른 매개변수 해석을 수행하였다. 수직구와 수평 터널 구조물의 동적 거동 특성과 구조물 내의 응력 집중에 대한 검토를 수행하였다. 또한 접속부에 주변에 발생하는 변위 및 응력 분포 검토를 통해 구조물의 안정성을 검토하였다. 이 연구결과에 의해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 지진과 같은 동적 하중이 작용할 때 지반 강성이 낮은 연약지반일수록 수직구의 수평 변위 및 수평 터널의 수직 변위의 정도가 커지며, 이로 인해 접속부에 응력집중 현상이 발생한다.

2. 수직구 배면에서의 응력집중 현상은 지반강성이 상대적으로 낮은 점성토 또는 풍화토 지층이 위치한 곳에서 발생되며, 두 지층의 경계면에서도 응력집중 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 접속부 변위는 지반강성이 약할수록 장주기파 특성을 가진 지진파에 대해 더 큰 변위가 발생하는 것으로 나타났다.

3. 지진파의 전달 방향에 따른 매개변수 해석을 바탕으로 접속부에서 발생하는 최대 변위는 지진파의 진행 방향과 같은 방향으로 발생하는 것을 확인하였다.

4. 이 연구의 결과는 수직구-수평 터널의 접속부 구조물 설계를 위한 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대되며, 추가적으로 지하수위와 접속부에서의 변위 및 응력 흡수를 모사한 인터페이스를 고려한 연구가 필요하다.