개착터널에 대한 지진 시 동적수치해석에 관한 연구

Abstract

지진 시에 지하구조물은 지상구조물보다 더욱 안전한 것으로 간주되어 왔으나, 1995년 고베지진 시 발생한 지하철터널의 피해 이후 지하구조물의 피해 사례가 점점 증가하고 있다. 본 논문에서는 풍화토로 되메움한 개착식 터널과 주변 지반의 지진 시 거동을 Mohr-Coulomb모델을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 지반의 측면 경계조건, 인장강도, 최대지진가속도에 따른 개착식 터널과 주변 지반의 변위 및 터널 라이닝에 작용하는 응력을 예측하였다. 지반의 측면 경계조건(자유장 경계조건과 일반 경계조건)과 주변 지반의 인장강도의 변화에 따라 계산된 변위와 응력은 상당한 차이를 나타냈다. 좌우경계조건이 자유장 조건인 경우에는 지반의 잔류변형이 거의 발생하지 않았으나, 구속된 일반 조건인 경우에는 지진으로 인한 주변 및 기초 지반의 융기로 인한 잔류변형이 크게 발생하였다. 하지만 주변 및 기초 지반의 인장강도를 점착력의 100%로 가정하였을 경우 개착식 터널은 측면 경계조건이나 입력된 최대가속도에 관계없이 잔류변위는 1 cm 이내로 무시할 수준이다. 뿐만 아니라, 최대변위 발생 시 및 최종 단계에서 터널 라이닝에서 발생하는 응력은 모두 허용응력 이내이므로 안전한 것으로 판단된다. 동적 수치해석에서는 주변 지리적 조건을 고려하여 적절한 경계조건을 설정하고 인장강도와 같은 지반의 물성치를 정확하게 구하는 것이 매우 중요한 것으로 판단된다. Underground structures such as a tunnel have been considered as safer than structures on the ground during earthquake. However, severe damages of underground structures occurred at subway tunnel during 1995 Kobe Earthquake and such damages are gradually increased. In this study, a dynamic behavior of a cut and cover tunnel surrounded by weathered soils is investigated using Mohr-Coulomb Model. Parametric study was carried out for boundary conditions, tensile strength, and earthquake magnitudes. The results of numerical analyses in terms of ground deformations and stresses acting on the lining were quite dependent on the side boundary condition (free or fix conditions) and tensile strength of surrounding soils. The ground was deformed upward at the end of earthquake when the side boundary condition was fixed, whereas residual deformations were not predicted when it was free. When the tensile strength of a soil was set to the same as its cohesion, residual deformation was less than 1cm, regardless of side boundary conditions or input accelerations. In addition to that, stress conditions at the maximum deformation and end of earthquake were within an allowable range and considered as safe. Proper boundary conditions and material properties such as tensile strength are quite important because they may significantly impact on the results of dynamic analyses.