[논문]지반조건과 지진파를 고려한 해저철도 터널의 동적 수치 모델링

곽창원; 유민택

doi:10.7843/kgs.2022.38.11.69

지반조건과 지진파를 고려한 해저철도 터널의 동적 수치 모델링
Dynamic Numerical Modeling of Subsea Railway Tunnel Based on Geotechnical Conditions and Seismic Waves 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.38 no.11, 2022년, pp.69 - 86

곽창원 (인하공업전문대학 건설환경공학과) , 유민택 (한국철도기술연구원 철도구조연구실)

초록
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철도는 정시성과 수송능력을 갖춘 여객 및 물류 운송 수단으로서 널리 사용되고 있다. 근래의 급격한 건설기술의 발전으로 철도는 대륙과 대륙, 대륙과 섬을 잇는 다양한 해저철도의 건설이 계획되고 있으며 국내에는 보령 해저터널(2021), 가덕 해저터널(2010) 등 유사 설계 및 시공 경험이 축적되고 있다. 그러나 최근 국내외적으로 다양한 규모의 지진이 빈번하게 발생함에 따라 지진위험에 대한 인식이 증대되고 있으며, 국내 지진의 발생빈도 또한 증가하고 있다. 해저터널에 대한 지진의 영향은 매우 복잡하나 주로 지반조건, 지진하중 등에 의하여 큰 차이를 보일 수 있다. 본 연구에서는 외부수압이 작용하는 가상의 해저철도 쉴드터널에 대하여 지반구성과 지진파 의한 영향을 파악하기 위하여 토사, 암반, 복합지반 및 파쇄대로 구성된 4 가지 지반조건을 반영한 3차원 수치해석 모델을 구축하였다. 각 해석 모델에 대하여 장주기, 단주기, 그리고 장단주기 특성을 모두 가지는 인공지진파를 각각 적용하여 유한차분해석법에 의한 동적해석을 수행하여 변위 및 터널 부재력 응답을 검토하였다. 그 결과 터널 변위는 토사지반에서 터널 진행방향에 연직방향 지진하중이 작용 시 장주기파의 영향이 우세하고 암반지반에서는 단주기파의 영향이 우세한 결과를 얻었다. 또한 국부적 취약구간인 파쇄대에서는 인공지진파의 영향이 우세하였다. 터널 세그먼트의 부재력 검토 결과 지반 및 세그먼트의 구속효과로 인하여 지진하중이 변위보다 부재력에 미치는 영향이 크게 나타남을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The railway is widely used to transport passengers and freight due to its punctuality and large transport capacity. The recent remarkable development in construction technology enables various subsea railway tunnels for continent-continent or continent-island connectivity. In Korea, design and construction experience is primarily based on the successful completion of the Boryeong subsea tunnel (2021) and the Gadeok subsea tunnel (2010). However, frequent earthquakes with diverse magnitudes, globally induced and continuously increased the awareness of seismic risks and the frequency of domestic earthquakes. The effect of an earthquake on the subsea tunnel is very complicated. However, ground conditions and seismic waves are considered the main factors. This study simulated four ground types of 3-dimensional numerical models, such as soil, rock, composite, and fractured zone, to analyze the effect of ground type and seismic wave. A virtual subsea railway shield tunnel considering external water pressure was modeled. Further, three different seismic waves with long-term, short-term, and both periods were studied. The dynamic analyses by finite difference method were performed to investigate the displacement and stress characteristics. Consequently, the long-term period wave exhibited a predominant lateral displacement response in soil and the short-term period wave in rock. The artificial wave, which had both periodic characteristics, demonstrated predominant in the fractured zone. The effect of an earthquake is more noticeable in the stress of the tunnel segment than in displacement because of confining effect of ground and structural elements in the shield tunnel.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1. Analysis cases according to the ground conditions
그림 Fig. 2. Time histories of input seismic waves
그림 Fig. 3. Disposition and dimensions of analysis area
그림 Fig. 4. Section of subsea boreholes
표 Table 1. Summary of analysis cases
표 Table 2. Input geotechnical properties
표 Table 3. Case histories of shield TBM under high water pressure condition (Modified after Jun et al., 2017)
표 Table 4. Determination of cross-sectional area
표 Table 5. Conditions of numerical analysis
그림 Fig. 5. Mesh generation and grouping result (3D view)
그림 Fig. 6. Location of monitoring point
그림 Fig. 7. Initial stress and porewater pressure distribution
그림 Fig. 7. Initial stress and porewater pressure distribution (Continued)
그림 Fig. 8. Application of free-field boundary (Case-1)
표 Table 6. Predominant period of model
그림 Fig. 9. Displacement histories for estimating predominant period
그림 Fig. 10. Maximum displacement at crown (point 1, 2, 3)
그림 Fig. 11. Maximum displacement at spring line (point 4, 5, 6)
그림 Fig. 12. Vertical displacement contour
그림 Fig. 13. Lateral displacement contour
그림 Fig. 14. Vertical displacement history at crown
그림 Fig. 15. Lateral displacement history at springline
그림 Fig. 15. Lateral displacement history at springline (Continued)
그림 Fig. 16. Maximum compressive stress
그림 Fig. 17. Comparison of compressive stress
그림 Fig. 18. Compressive stress contour

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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