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문제 정의
- 본 논문은 열차운행으로 인해 발생한 터널의 진동이 인접 지반을 거쳐 전파되는 양상을 조사하기 위해 시행된 현장측정시험의 과정 및 결과에 대해 기술한다.
제안 방법
- 탄성파기록기는 센서가 측정한 아날로그 신호를 디지털 정보로 변환하였다. 시추공 진동측정장치 제어기(Borehole seismograph controller)는 시추공 진동측정장치를 공벽내부 소정의 심도에 고정 및 해체시키며 내장된 수평 속도감지센서의 방위(동서남북)를 제어하였다.
- 개선된 기능의 시추공 진동측정장치 개발이 진행 중에 있다. 시추공 진동측정장치 주요 기능(Table 2) 구현을 위한 기본 설계가 수행되었다. 기본 설계의 잠재적인 문제점을 파악하기 위한 Mock-up 제작이 완료되었으며, 현 기본설계가 가지는 한계에 대한 고찰을 통해 실시설계 및 제작이 이루어질 계획이다.
- 영동고속도로 통과 차량으로 인한 상시진동이 본 KTX 열차진동 현장측정시험에 미치는 영향을 검토하기 위해, 상시 진동과 열차진동이 비교 되었다(Fig. 6). 빨강색은 상시진동을 나타내며, 검정색은 열차진동을 나타낸다.
- 탄성파기록기로는 Geometrics社의 Geode모델이 사용되었다. 탄성파기록기는 센서가 측정한 아날로그 신호를 디지털 정보로 변환하였다. 시추공 진동측정장치 제어기(Borehole seismograph controller)는 시추공 진동측정장치를 공벽내부 소정의 심도에 고정 및 해체시키며 내장된 수평 속도감지센서의 방위(동서남북)를 제어하였다.
- 터널 내 열차주행으로 인한 지반진동의 전파양상을 측정하기 위해, KTX 고속선 터널 인근에 시추공을 형성시켜 시추공 내부에 진동측정장치를 설치하여, 현장측정시험을 실시하였다. 시험 데이터 분석 결과, 아래와 같은 주요 결론에 도달하였다.
대상 데이터
- 본 열차진동 현장측정 시험에는 4개의 시추공 진동측정장치(B1~B4), 1개의 지표면 진동측정장치(B0), 3개의 탄성파 기록기 및 휴대용컴퓨터가 사용되었다(Fig. 4). 시추공 진동측정장치는 풍화토(4.
- 본 열차진동 현장측정 시험은 KTX 고속선 장상터널 인근(KP 30.7 지점)에서 실시되었다(Fig. 1). 시험부지는 행정구역상 경기도 안산시에 속하며, 영동고속도로(Yeongdong expressway)와 인접해 있었다.
- 9~11은 심도에 따른 각 방향(수직 방향, 열차진행 방향, 열차진행 직각방향) 진동성분의 최대입자속도(Peak particle velocity, mm/sec)를 나타낸다. 본 현장시험이 측정한 총 11개의 열차진동 데이터가 사용되었다. 예를 들어, 144(N)은 상행(North bound) 144번 열차 데이터를 말한다.
- 1). 시험부지는 행정구역상 경기도 안산시에 속하며, 영동고속도로(Yeongdong expressway)와 인접해 있었다. 지표면으로부터 터널 천단부까지의 거리는 약 8m, 인버트부까지의 거리는 약 20m였다(Fig.
- 5). 지표면 진동측정장치는 시추공 인근 지표면에 설치되었다.
- 기반암층은 안구상 편마암(Augen gneiss)으로 분류되었다. 토사 구간에서는 표준관입시험기를 이용하여 토사 샘플이 채취되었고, 암반구간은 코어채취기를 이용하여 암석 시편이 채취되었다(Fig. 2). 심도 10m 이후에 위치하는 연암 및 경암층은 TCR(Total Core Recovery)이 100%, RQD(Rock Quality Designation)가 50~67%에 이르는 신선한 상태였다.
이론/모형
- 지중 열차진동 측정을 위해, 시추공 진동측정장치(Borehole seismograph, Geostuff社의 BHG-3 모델, 고유진동수 14hz)가 사용되었다(Fig. 3(a)).
- 센서에 의해 측정된 신호는 탄성파기록기(Analogue digital converter)를 거쳐 휴대용 컴퓨터에 저장되었다. 탄성파기록기로는 Geometrics社의 Geode모델이 사용되었다. 탄성파기록기는 센서가 측정한 아날로그 신호를 디지털 정보로 변환하였다.
성능/효과
- 열차진동의 암반층을 거쳐 토사층에 전파되는 과정에서, 수평 진동 성분의 증가정도가 수직진동 성분의 증가정도 보다 우세하였다.
- 모든 방향 진동성분에 대해, 지표면에서 측정된 속도가 지중에서 측정된 속도보다 컸다. 예를 들어, 지표면에서 측정된 수평 진동성분 최대입자속도는 약 25mm/sec인 반면, 경암층의 최대입자속도는 약 3mm/sec이었다.
- 빨강색은 상시진동을 나타내며, 검정색은 열차진동을 나타낸다. 상시진동은 30hz 이하의 저주파 성분이 우세한 반면 (60Hz 및 180Hz에서 감지되는 상시진동 신호는 본 계측시스템의 고유 노이즈로 추정됨), 열차진동은 30hz 이상 진동성분이 우세하였다. 따라서 당해 현장에서 열차진동 신호에 대한 상시진동 신호의 중첩영향이 크지 않다고 판단되었다.
- 앞서 호도그램 분석에서 언급한 바와 같이, 터널 내 열차주행으로 인해 발생한 지반의 진동이 암반층에서 지표면으로 전파되면서 증폭되었다. 수직 방향 진동성분 최대입자속도(Fig. 9)는 암반층(19.2m~9.0m)에서 거의 일정하게 유지 되다가 토사층 이후 증가하였으며, 지표면에서의 최대입자 속도는 암반층의 최대입자속도 보다 평균적으로 2~3배 컸다. 열차진행(수평) 방향 진동성분 최대입자속도(Fig.
- 열차진동 주파수 분석 결과(Fig. 7), 우세 주파수는 약 45Hz, 70Hz, 100Hz이었다.
- 0m)에서 거의 일정하게 유지 되다가 토사층 이후 증가하였으며, 지표면에서의 최대입자 속도는 암반층의 최대입자속도 보다 평균적으로 2~3배 컸다. 열차진행(수평) 방향 진동성분 최대입자속도(Fig. 10)는, 수직 성분의 경우와 달리, 암반층과 토사층에서 거의 동일한 증가세를 보이며 증가하였으며, 지표면에서의 최대입자 속도는 암반층의 최대입자속도 보다 평균적으로 5~6배 컸다. 열차진행 직각방향 진동성분 최대입자속도(Fig.
- 최대 상시진동 및 열차진동은 모두 지표면(Top soil)에서 측정되었는데, 열차진동(18mm/sec)이 상시진동(2mm/sec) 보다 9배 정도 컸다. 총 기록시간 16초 중, 상시진동에 비해 월등히 큰 열차진동이 감지되는 시간은 약 8초였다.
후속연구
- 5) 하행선 열차운행 시 상행선 열차운행시 보다 더 큰 지반진동이 예측되었으나, 151(S)의 경우 이외에, 눈이 뛰는 차이를 보이지는 않았다. 열차운행으로 인한 진동의 전파 양상은 열차의 운행 속도에 영향을 받으므로, 향후에는 지중 및 지표면 진동측정 뿐 아니라, 터널 내부 진동측정이 동시에 실시되어야 할 것으로 판단되었다.
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