1. 서 론
터널은 지하공간을 통하여 두 지점 사이를 단거리로 연결하는 지하 구조물이며 수송 수단의 종류에 따라 크게 도로터널과 철도터널로 구분할 수 있다. 국내의 터널 설계 및 시공 기술은 토목기술의 발전과 더불어 급속도로 향상되어 왔고 최근에는 지하교통망 확충을 위한 터널의 수요가 급증함에 따라 쉴드 TBM 적용 사례 또한 증가하고 있는 추세이다. 쉴드 TBM 공법은 특히 수밀성과 내수압성이 요구되는 하 ‧ 해저통과 터널 시공 시 적용성이 우수하여 OECD 국가에서 시공된 터널 중 약 90%에 적용되었다(Kang et al., 2020). 국내에는 주로 한강 하저구간을 통과하는 지하철 터널로 계획되었으며 최근 김포-파주 고속국도 제 2공구에서 국내 최초의 하저통과 대단면 쉴드 TBM 공법이 적용된 바 있다. 그러나 장대~초장대(연장 50 km 이상), 고수압(20 bar 이상)을 받는 해저터널은 본격적으로 설계, 시공된 바 없다. 국내에 건설된 해저터널은 동양 최초의 해저터널인 통영 해저터널(1937)부터 최근 개통한 보령 해저터널(2021) 등 총 4개소이며 이 중 굴착공법에 의하여 건설된 해저터널은 보령 해저터널이다. 국내에 건설된 해저터널은 도로터널 위주로 건설되었고 그 개요는 Table 1과 같다.
Table 1.
Summary of domestic subsea tunnels
일반적으로 해저터널 내 교통수단은 배기가스가 거의 없고, 터널 통과시간을 최소화 할 수 있는 철도 및 고속철도가 가장 적합하다고 볼 수 있고, 상하 방향으로 긴 철도차량의 단면 특성 상 원형의 쉴드 TBM 적용성이 우수하며 공간 활용도가 높으므로 경제적으로도 유리하여 향후 해저철도에 대한 국내 연구 및 관심이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 국내에는 2023년 남해군과 여수시를 연결하는 연장 약 8 km, 왕복 4차로의 남해-여수 해저터널이 2023년 말 착공 예정이나 대륙간, 도서간, 연륙간을 연결하는 해저지반 지하에 건설되는 초장대 고수압 해저터널 설계 및 시공경험이 없어 관련분야에 대한 지속적인 투자와 연구가 절실하다. 특히 한-중 해저터널, 한-일 해저터널, 호남-제주 해저터널 등 연장 50 km 이상의 해저터널을 계획 중에 있으며 지역 특성 상 국가간 연결터널이 대부분이므로(Jun et al., 2017) 관련 기술선점의 중요성이 더욱 대두되고 있다. Table 2에서는 현재 국내에서 계획하고 있는 초장대 해저터널(안)을 제시하였다.
Table 2.
Currently planned ultra-long subsea tunnel (modified after Kim, 2022)
해저터널의 설계와 시공 시 터널의 정적 안정성 뿐만 아니라 고수압 조건 하에서의 지진 시 동적 안정성이 매우 중요한 요소로 평가받고 있다(Kim et al., 2021). He and Koizumi (2001)는 지진 시 쉴드 TBM 터널의 동적 거동을 실내실험 및 2차원 유한차분해석을 통하여 분석하여 터널의 동적 변위는 주변 지반 변위에 종속됨을 확인하였다. Chang and Park (2009)은 지진동 시 지반의 불연속면을 고려한 2차원 유한요소해석 및 개별요소해석을 수행한 결과를 비교하였다. 이를 통하여 절리의 강성이 암석의 강성보다 작을 경우 절리의 거동이 터널의 거동을 지배함을 수치해석적으로 분석하였다. Yamamoto et al. (2014)은 보스포러스 해협을 통과하는 해저철도 터널을 건설하는 터키 Marmaray 프로젝트에서 설계된 침매터널과 쉴드 TBM 터널의 연결부에서의 내진안정성을 수치해석을 통하여 검토하여 두 터널 사이의 접속기구를 개발하고 주변 지반 개량을 수행한 바 있다. Liu et al. (2023)은 연약 층상지반에 설계된 쉴드터널에 대하여 비선형 수치해석을 통하여 축 직각방향의 지진하중 재하 시의 동적 거동을 모델링하여 취약함수를 도출하였다. Zhao et al. (2023)은 다양한 크기의 지진하중이 대구경 해저 쉴드터널에 가해질 때 콘크리트 라이닝의 손상 형태를 3차원 유한요소해석을 이용하여 검토한 결과 대규모 지진하중(0.4 g) 재하 시 측면부 및 바닥부에 심각한 라이닝 손상이 발생하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 이와 같이 다수의 기존 연구들에 의하여 그 중요성과 필요성이 입증된 해저철도 터널의 내진 안정성을 검토하기 위하여 3차원 동적 수치해석을 수행하였다. 이를 위하여 다양한 지반조건과 지진하중 조건을 설정하여 총 6개의 해석 Case를 설정하고 이에 따라 지반-터널 구조물계 전체를 모델링하였다.
2. 3차원 수치모델링
해저터널은 토압 뿐만 아니라 외부 수압이 상시 재하되는 상태이며 비교적 균질한 토사 또는 암반지반 뿐만 아니라 연약지반, 연약-강성 복합지반, 파쇄대 등 다양한 취약 지반에 시공될 가능성이 높다. 이 경우 지진 시 지진파의 증폭에 의하여 변위 및 부재력이 큰 영향을 받으므로 해저철도 터널의 동적거동 평가를 위하여 수압을 고려하여 지반-터널 구조물계 전체를 모델링함으로서 상호 응답거동을 파악할 수 있는 동적 수치모델링이 필요하다. 이를 위하여 해저철도 터널에 대한 유한차분 수치모델링을 수행하고, 해저철도 터널의 단면특성과 하중조건을 고려하여 지진 시 거동을 합리적으로 모사할 수 있는 수치해석 Case를 지반구성, 지진파 및 최대가속도에 따라 다양하게 설정하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 지반-터널 구조물계 전체를 유한차분 해석 기법으로 모델링 하고 상호 지진 시 구조물 응답을 분석하였다. 해저철도 터널의 지진 시 동적 거동에 영향을 미치는 주요 인자는 지반조건과 지진파이므로 가상 지반조건에 따라 총 6가지의 해석 Case를 설정하였다. 가상 지반조건은 해석 대상영역의 지반이 모두 토사(풍화토)인 경우(Case-1), 모두 암반(경암)인 경우(Case-2), 터널 진행방향(종방향)으로 토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-3), 암반 내 폭이 상대적으로 좁은 파쇄대(폭 2.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-4), 터널 진행방향(종방향)으로 연약토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-5), 암반 내 폭이 상대적으로 넓은 파쇄대(폭 10.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-6)로 구분하여 각각 모델링을 수행하였다. 지반조건에 따른 해석 Case의 개요는 Fig. 1과 같다.
또한 지진하중 재하 시 각 해석 Case별로 장주기파인 Hachinohe파, 단주기파인 Ofunato파, 그리고 장단주기 특성을 모두 가진 인공지진파를 입력지진파로 적용하였으며 설계기준가속도를 해석 Case별로 0.110 g (Case-1~6), 0.154 g (Case-5, 6), 0.220 g (Case-1~6) 및 0.340 g (Case-6, 인공지진파)의 최대가속도로 설정하여 입력지진파로 적용하였다. 이는 국내 내진설계 기준에 의거하여 기능수행수준~붕괴방지수준에 대한 다양한 설계기준가속도를 고려하여 최대지진가속도에 따른 해저터널 거동 차이를 비교하기 위함이다. 입력지진파 가속도 시간이력은 Fig. 2와 같고, 전체 해석조건을 요약하면 Table 3과 같다.
Table 3.
Case conditions
| Case | Ground condition | Seismic wave | Peak acceleration (g) |
| 1 | Soil | Ha)/Ob)/Ab) | 0.110/0.154/0.220 |
| 2 | Hard rock | H/O/A | 0.110/0.154/0.220 |
| 3 | Soil + Hard rock | H/O/A | 0.110/0.154/0.220/0.340 |
| 4 | Hard rock with narrow fractured zone | H/O/A | 0.110/0.154/0.220/0.340 |
| 5 | Soft soil + Hard rock | H/O/A | 0.110/0.154/0.220 |
| 6 | Hard rock with wide fractured zone | H/O/A | 0.110/0.154/0.220/0.340 |
Case 5, 6을 포함한 모든 Case별 해저터널 모델링 시 국내에서 시공된 통영 해저터널(최대심도 13.5 m), 가덕 해저터널(최대심도 18 m), 보령 해저터널(최대심도 80 m), 인천 북항터널(최대심도 59 m)를 고려하여 수심은 20 m, 터널 천단부가 해수면 아래 50 m 지점에 위치하는 것으로 가정하여 5 bar의 수압조건을 반영하였다. 가상지반의 수평방향 및 하부영역은 터널 직경의 5배 이상의 영역을 확보하여 경계부에서의 중복 반사파의 영향을 최소화할 수 있도록 해석 영역을 구성하였다. 전체 해석 영역의 횡단면은 폭 130 m, 지반영역 높이 90 m, 종단길이 140 m이다. Fig. 1에서 가정한 개념을 바탕으로 구체적인 해석 영역을 나타내면 Fig. 3과 같다.
수치해석을 위한 가상지반의 물성은 기 수행된 해저지반 시추조사자료(Gwangsung GM, 2019) 및 해저터널 기술기획보고서(MLTM, 2012) 적용 물성을 참조하여 Table 4와 같이 산정하였다.
Table 4.
Geotechnical properties
해저터널 단면은 선행연구(Kwak and Yoo, 2022)에서 검토된 바와 같이 단면 효율성, 기존 건설사례 및 운영 중인 유로터널의 터널의 단면구성을 참조하여 외경 10 m, 토피고 30 m, 세그먼트 두께 0.5 m로 결정하여 해석에 적용하였다.
수치해석은 유한차분법에 의하여 시간영역에서 3차원 응답이력해석을 수행하였고 동적해석 시 모델의 측면 경계부에는 자유장경계(free-field boundary)를 적용하여 반사파의 영향을 최소화하였다. 자유장경계는 동해석 모델 측면에서 전체 요소망의 자유장운동(free-field motion)을 대시폿(dashpot)을 적용하여 요소망 외곽까지 전달시키는 경계조건을 부여함으로서 경계면에서의 중복 반사파를 억제하게 된다. 3차원 해석 프로그램은 범용 유한차분해석 프로그램으로서 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) 3D를 사용하였다. 지반(토사, 암반 및 파쇄대)에 대한 수치해석 모델은 소성거동을 고려하여 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였고 터널 라이닝 세그먼트는 프로그램에서 제공하는 쉘(shell) 요소를 이용하였으며 탄성(elastic) 모델을 적용하였다. 각 Case별 모델링 결과는 Fig. 4와 같다. 모델링 시 전체 모델 내 요소의 크기가 최대한 일정한 값을 가지도록 구성하였으며 Case-1 기준 터널부에서 최소 0.64 m, 터널부 이외에서 3.5~4.15 m로 작성하였다. 또한 변위 및 부재력 등의 동적응답 시간이력을 도출하는 위치는 터널의 종방향으로 터널 중앙부 천단(지점-2), 중앙부로부터 앞쪽 46 m 이격지점 천단(지점-1), 중앙부로부터 뒤쪽 46 m 이격지점 천단(지점-3) 및 동일 위치에서의 측벽부(지점-5, 4, 6) 등 1개 터널당 6개의 측점을 설정하였다(Fig. 5). 측점에서의 응답데이터를 통해 지반조건별 터널의 횡, 종방향 거동의 차이를 비교할 수 있다. 해석 순서에 따라 동적 수치해석 수행을 위하여 모델에 대한 정적해석을 우선적으로 수행하여 원지반 초기응력을 구현하였다. 모델링 후 수평, 연직방향 고정경계 조건을 부여하고 중력장에서 지반응력을 구현 후 변위 및 속도를 초기화하여 원지반 상태를 재현하였다. 그 후 간극수압 및 해저면 수압을 재하 후 터널을 굴착하고 변위 및 속도를 초기화하였다. 원지반 초기응력 및 간극수압 재하 결과는 Fig. 6에 나타내었다.
3. 수치해석 결과
3.1 동적 변위 분석결과
3차원 동적 수치해석 결과 천단부 및 측벽부 각 측점에서의 변위를 모니터링 하여 각 Case 별로 분석하였다.
Case-1, 2의 경우 천단부 연직변위는 전체 토사 및 암반 구간임을 고려할 때 지점별 최대값의 차이는 미소하였으며 지진파에 따른 차이도 Case-1에서 4.4%, Case-2에서 4.9%의 작은 값을 나타내었다. 또한 입력지진파의 최대가속도 증가 시에도 연직변위는차이가 극히 작게 산정되었는데 이는 지진파의 횡방향 가진에 따라 연직변위에 미치는 영향이 작기 때문인 것으로 판단된다. 반면에 측벽부 수평변위는 지진파 종류에 따라 Case-1에서 최대 85.1%, Case-2에서 최대 91.5%로 연직변위 대비 현저히 큰 변위량 차이를 나타내었다. 수평변위는 토사지반일 경우(Case-1) 단주기파, 장주기파, 인공지진파 순으로 증가하였고 암반지반일 경우(Case-2) 장주기파, 단주기파, 인공지진파 순으로 증가하였다. 지반의 강성이 클 경우(Case-2) 장주기파 작용 시 최소 수평변위가 관찰되어 상대적으로 장주기파에 유리한 거동을 보임을 확인하였다. Case-1, 2 해석결과 산정된 최대변위 및 조건은 Table 5와 같고 천단부 연직변위 및 측벽부 수평변위 산정 결과는 각각 Fig. 7, Fig. 8과 같다.
Table 5.
Maximum displacement of Case 1, 2
| Case | 1 | 2 |
| Max. vertical displacement (mm) | 0.4473 | 0.00234 |
| Min. vertical displacement (mm) | 0.4274 | 0.00223 |
| Max. lateral displacement (mm) | 101.20 (Ac)) | 100.40 (Ac)) |
| Min. lateral displacement (mm) | 15.06 (Ob)) | 8.56 (Ha)) |
| Amplification ratio (vertical displacement, %) | 4.4 | 4.9 |
| Amplification ratio (lateral displacement, %) | 85.1 | 91.5 |
Case-3의 경우 측점 1에서 변위가 측점 3 대비 모든 지진파에서 현저히 증가하였는데 이는 암반구간에 위치한 측점 3의 변위가 매우 미소하게 발생하였고 토사구간에 위치한 측점 1의 변위가 상대적으로 크게 발생함에 따라 큰 비율의 증가가 나타난 것이라 판단된다. 연직변위는 측점 3대비 1에서 최대가속도 0.220 g의 인공지진파 작용 시 최대 83,846.8% 증가하였고 수평변위는 동일 지진파 조건에서 최대 53% 증가하여 입력지진파 최대가속도가 증가함에 따라 측점 3대비 1에서의 변위 증가율도 커지는 경향을 나타내었다. 단, 최대가속도 0.340 g 작용 시 변위 증가율이 감소하는데 이는 입력가속도의 현저한 증가로 인하여 암반구간의 변위량 또한 증가하기 때문으로 사료된다.
Case-4의 경우 파쇄대에 위치한 측점 2의 변위가 가장 크게 산정되었는데 암반구간에 위치한 측점 1, 3 대비 연직변위는 최대가속도 0.340 g의 인공지진파 적용 시 최대 728.4% 증가하였다. 연직변위는 최대가속도 증가에 비례하여 증가하고 암반구간(측점 1, 3) 대비 파쇄대(측점 2)에서의 변위 증가율도 최대가속도가 커짐에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 수평변위는 암반 대비 파쇄대에서의 증가율이 모든 경우에서 1% 미만으로 작게 산정되었으며 오히려 최대가속도 0.340 g 적용 시 증가율이 더욱 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 폭이 좁은 파쇄대를 터널이 관통할 경우 횡방향 지진하중 재하 시 파쇄대 폭이 좁고 주변 지반의 구속압 및 수압이 작용함으로서 파쇄대의 국부적이고 급격한 변위가 발생하지 않는 것으로 판단된다. 연직변위의 증가량은 뚜렷이 관찰되나 변위의 크기가 미소하여 터널 안정성에 미치는 영향은 제한적일 것으로 판단된다. Case-3, 4에 대하여 천단부 연직변위 및 측벽부 수평변위 산정 결과는 Fig. 8과 같다.
Case-5의 경우 Case-3과 동일한 해석 Geometry를 구성하나 연약토사층의 물성을 반영하였다. Case-3의 결과와 유사하게 측점 1에서 변위가 측점 3 대비 모든 지진파에서 현저히 증가하였는데 이는 암반구간에 위치한 측점 3의 변위가 매우 미소하게 발생하였고 토사구간에 위치한 측점 1의 변위가 상대적으로 크게 발생함에 따라 큰 비율의 증가가 나타난 것이라 판단된다. 연직변위는 측점 3대비 1에서 최대가속도 0.220 g의 인공지진파 작용 시 최대 52,606.3% 증가하였고 수평변위는 동일 지진파 조건에서 최대 49.6% 증가하여 입력지진파 최대가속도가 증가함에 따라 측점 3대비 1에서의 변위 증가율도 대체적으로 커지는 경향을 나타내었다. 공통적으로 Case-3, 5의 경우 측점 3대비 1에서 연직변위의 증가율이 수평변위 증가율보다 현저히 크게 산정되었는데 이는 연직변위량 자체가 1.0 mm 미만(최대 0.368 mm, 최소 0.002 mm)으로 미소하고 편차가 커서 증가율로 계산할 경우 값이 커지기 때문이다. 반면 수평변위량은 최대 100.90 mm, 최소 8.49 mm로서 값이 큰 대신 편차가 연직변위 대비 상대적으로 작으므로 증가율이 더 작게 산정되었다.
Case-6의 경우 파쇄대에 위치한 측점 2의 변위가 가장 크게 산정되었는데 암반구간에 위치한 측점 1, 3 대비 연직변위는 최대가속도 0.110 g의 장주기파 적용 시 최대 1,056.8% 증가하였다. 연직변위는 최대가속도 증가에 비례하여 증가하고 암반구간(측점 1, 3) 대비 파쇄대(측점 2)에서의 변위 증가율은 최대가속도 증가에 따라 일관성 있게 증가하는 경향을 보이지는 않았다. 연직변위의 증가량은 뚜렷이 관찰되나 변위의 크기가 미소하여 터널 안정성에 미치는 영향은 제한적일 것으로 판단된다. 또한 인공지진파, 단주기파, 장주기파의 순서로 연직변위 증가율이 커지는 경향을 보여 Case-4와 반대되는 결과를 나타내었다. 즉 파쇄대 너비가 증가할 경우 연약한 지반의 범위 증가로 인하여 장주기파의 영향이 커지는 현상을 확인하였다. 수평변위는 암반 대비 파쇄대에서의 증가율이 모든 경우에서 2% 미만으로 작게 산정되었으며 오히려 최대가속도 0.340 g 적용 시 더욱 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 파쇄대를 터널이 관통할 경우 횡방향 지진하중 재하 시 파쇄대 주변 지반의 구속압 및 수압이 작용함으로서 파쇄대의 국부적이고 급격한 변위가 발생하지 않는 것으로 판단된다. 또한 Case-4의 결과와 비교 시, 파쇄대에서의 수평변위 증가율이 최대 1.53% 로서 최대 0.91%인 Case-4 대비 0.62% 포인트 증가하였으나 증가량 자체는 크지 않았다. 그러나 Case-4, 6의 수평변위량 자체는 0.154 g 작용 시 최대 70.34 mm, 0.320 g 작용 시 155.30 mm로 산정되어 지진파의 최대가속도가 클 경우 터널 안정성을 확보하기 곤란할 것으로 판단된다. 또한 지진파의 최대가속도 증가에 따라 최대수평변위도 비례하여 증가하였다. Case-6의 변위 발생 경향은 Case-4의 경향과 유사하게 파쇄대에서의 급격한 변위 증가는 발생하지 않았으며 이는 터널이 고강도의 연속적인 균질 구조체인 세그먼트로 보강되어 일체거동을 하며 터널 진행방향을 기준으로 볼 때 파쇄대의 범위가 전체 길이(140.0 m) 대비 1.4%(Case-4) 및 7.1%(Case-6)에 불과하여 터널 변위에 미치는 영향이 제한적이기 때문인 것으로 사료된다. Case-5, 6에 대하여 천단부 연직변위 및 측벽부 수평변위 산정 결과는 Fig. 9와 같다.
3.2 세그먼트 부재력 분석결과
터널 세그먼트에서의 부재력은 천단부 세그먼트의 최대휨압축응력을 산출하여 분석하였다. 세그먼트는 두께 0.5 m의 쉘요소(shell element)로 모델링하였으며 시간에 따른 휨압축응력의 변화 및 최대값을 도출하였다. 변위 발생 경향과 유사하게 매질이 균일한 Case-1 (토사) 및 Case-2 (암반)에서는 측점 위치별 최대휨압축응력의 차이가 최대 0.052 MPa (Case-1) 및 0.001 MPa (Case-2)로 미소하게 발생하였고 토사(Case-1) 대비 암반(Case-2)에서 최대휨압축응력이 93.5% 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 Case-1 및 Case-2에서 각 최대휨압축응력의 차이는 입력지진파의 최대가속도가 증가할수록 커지는 경향을 보였다. Case-3에서는 터널 종방향으로 토사-암반이 복합되어 토사부의 세그먼트 최대휨압축응력이 장주기파 적용 시 암반부 대비 1,680.7% 증가하였다. 즉 수평변위의 경우 세그먼트의 강성과 지반의 구속효과로 인하여 토사부의 증가율이 암반부 대비 최대 53% 증가한 반면 세그먼트 최대휨압축응력의 증가율이 현저히 크게 나타났다. Case-4의 경우 폭이 좁은 파쇄대를 통과하여 터널이 위치하며 장주기파 적용 시 파쇄대(측점 2)에서 암반부 대비 세그먼트 최대휨압축응력이 최대 14,241.6% 증가하는 경향을 나타내었다. Case-5의 경우 터널 종방향으로 연약토사-암반이 복합되어 연약토사부의 세그먼트 최대휨압축응력이 장주기파 작용 시 암반부 대비 1,822.1% 증가하였다. 또한 최대 입력가속도 0.110 g 대비 0.220 g 작용 시 세그먼트 최대휨압축응력은 인공지진파에서 최대 436% 증가하였다. Case-6의 경우 폭이 넓은 파쇄대를 통과하여 터널이 위치하며 장주기파 적용 시 파쇄대(측점 2)에서 암반부 대비 세그먼트 최대휨압축응력이 최대 13,881.2% 증가하는 경향을 나타내었다. 세그먼트 최대휨압축응력 산정 결과는 Fig. 10과 같다.
Case-1~6에 대한 세그먼트 최대휨압축응력 검토결과 매질의 구성형상 및 강성차이에 따라서 발생 부재력의 차이가 변위 차이보다 현저히 뚜렷한 경향을 나타냄을 확인하였으며 세그먼트 부재력 발생경향은 Fig. 11과 같다.
4. 결 론
외부수압(5 bar) 작용 조건에서 해저철도 터널에 대하여 균질한 토사, 암반지반 및 연약지반, 연약-강성 복합지반, 파쇄대 등 다양한 취약 지반조건을 고려하여 총 6가지 Case를 선정하고 3차원 동적 수치모델링을 수행하여 지진 시 거동을 분석하였다. 지진 가속도는 장주기, 단주기 및 인공지진파에 대하여 0.110 g, 0.154 g, 0.220 g 및 0.340 g의 최대가속도를 설정하여 입력지진파로 적용하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 지반 조건이 각각 전체 토사, 암반으로 균질한 Case-1, 2의 경우 천단부 연직변위 최대값의 차이는 미소하였으며 지진파에 따른 차이도 5% 미만으로 크지 않았다. 반면 측벽부 수평변위는 지진파 종류에 따라 Case-1에서 최대 85.1%, Case-2에서 최대 91.5% 차이로 연직변위 대비 현저히 큰 변위량 차이를 나타내었고 두 Case 모두 인공지진파에서 최대 수평변위를 나타내었다. 또한 지반의 강성이 클 경우(Case-2) 장주기파 작용 시 최소 수평변위가 관찰되어 상대적으로 장주기파에 유리한 거동을 보였다.
2. 토사와 암반의 복합지반인 Case-3, 연약 토사와 암반의 복합지반인 Case-5의 경우 토사구간 변위가 암반구간 대비 모든 지진파에서 현저히 증가하였는데 이는 암반구간의 변위가 매우 미소하게 발생하였고 토사구간 변위가 상대적으로 크게 발생함에 따라 큰 비율의 증가가 나타난 것이라 판단된다. 단, Case-3에서 최대가속도 0.340 g 작용 시 변위 증가율이 감소하는데 이는 입력가속도의 현저한 증가로 인하여 암반구간의 변위량 또한 증가하기 때문으로 사료된다.
3. 좁은 파쇄대(폭 2 m)가 포함된 Case-4의 경우 최대가속도 0.340 g의 인공지진파 적용 시 파쇄대 구간의 변위가 가장 크게 산정되었으나 암반 대비 파쇄대에서의 증가율이 모든 경우에서 1% 미만으로 작게 산정되었으며 오히려 최대가속도 0.340 g 적용 시 증가율은 더욱 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 폭이 좁은 파쇄대를 터널이 관통할 경우 횡방향 지진하중 재하 시 파쇄대 폭이 좁고 주변 지반의 구속압 및 수압이 작용함으로서 파쇄대의 국부적이고 급격한 변위가 발생하지 않는 것으로 판단된다.
4. 넓은 파쇄대(폭 10 m)가 포함된 Case-6의 경우 파쇄대 구간의 연직변위 증가량은 뚜렷이 관찰되나 변위의 크기가 미소하여 터널 안정성에 미치는 영향은 제한적일 것으로 판단된다. 또한 인공지진파, 단주기파, 장주기파의 순서로 연직변위 증가율이 커지는 경향을 보여 파쇄대 너비가 증가할 경우 연약한 지반의 범위 증가로 인하여 장주기파의 영향이 커지는 현상을 확인하였다. 수평변위는 암반 대비 파쇄대에서의 증가율이 모든 경우에서 2% 미만으로 작게 산정되었으며 오히려 최대가속도 0.340 g 적용 시 더욱 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 파쇄대를 터널이 관통할 경우 횡방향 지진하중 재하 시 파쇄대 주변 지반의 구속압 및 수압이 작용함으로서 파쇄대의 국부적이고 급격한 변위가 발생하지 않는 것으로 판단된다.
5. Case-6에서 파쇄대에서의 수평변위 증가율이 Case-4 대비 최대 1.53% 로서 최대 0.91%인 Case-4 대비 0.62% 포인트 증가하였으나 증가량 자체는 크지 않았다. 그러나 Case-4, 6의 수평변위량 자체는 0.154 g 작용 시 최대 70.34 mm, 0.320 g 작용 시 155.30 mm로 산정되어 지진파의 최대가속도가 클 경우 터널 안정성을 확보하기 곤란할 것으로 판단된다. 또한 지진파의 최대가속도 증가에 따라 최대수평변위도 비례하여 증가하였다. Case-6의 변위 발생 경향은 Case-4의 경향과 유사하게 파쇄대에서의 급격한 변위 증가는 발생하지 않았으며 이는 터널이 고강도의 연속적인 균질 구조체인 세그먼트로 보강되어 일체거동을 하며 터널 진행방향을 기준으로 볼 때 파쇄대의 범위가 전체 길이(140.0 m) 대비 1.4%(Case-4) 및 7.1%(Case-6)에 불과하여 터널 변위에 미치는 영향이 제한적이기 때문인 것으로 사료된다.
6. 해석 Case별 세그먼트응력 발생경향을 분석한 결과 변위 발생 경향과 유사하게 매질이 균일한 Case-1 (토사) 및 Case-2 (암반)에서는 측점 위치별 최대휨압축응력의 차이가 미소하게 발생하였고 토사(Case-1) 대비 암반(Case-2)에서 최대휨압축응력이 감소하는 경향을 나타내었으며 입력지진파 최대가속도가 증가할수록 최대휨압축응력이 커지는 경향을 보였다. Case-3, 5에서는 터널 종방향으로 토사-암반이 복합되어 토사부의 세그먼트 최대휨압축응력이 현저히 크게 나타났다. Case-4, 6의 경우 파쇄대에서 암반부 대비 세그먼트 최대휨압축응력이 현저히 증가하는 경향을 나타내었으며 장주기파 적용 시 최대값이 관찰되었다.
7. 세그먼트 부재력은 지층구성 및 강성차이에 따라서 발생 부재력의 차이가 변위 차이보다 현저히 뚜렷한 경향을 나타내었다.
8. 본 연구는 수치해석을 통하여 수행되었으며 추후 현장 데이터 및 실험자료를 수집하여 상호 피드백 및 비교검증이 가능할 것으로 판단된다.
