1. 서 론

최근 발생한 포항지진(2017, M5.4)과 경주지진(2016, M5.8)으로 시설물의 지진에 대한 안전성에 관한 관심이 증가되고 있는 실정이다. 그러나 지하 구조물은 지진 시 겉보기 단위 체적중량이 주변 지반에 비해 상대적으로 작기 때문에 지하 구조물에 작용하는 관성력이 작고, 또한 주변 지반에 둘러 싸여 있어 구조물에서 주변 지반으로 빠져나가는 에너지는 상대적으로 크기 때문에 타 시설물에 비하여 상대적으로 위험도를 낮게 평가하여 내진설계를 간과하는 경향이 있다. 그러나 일본에서 고베 대지진(1995, M7.3)으로 터널이 붕괴되고 터널 시설물의 내진성능 확보가 중요하게 인식되어, 그에 따른 연구 및 설계기준 개정이 활발히 이루어졌다.

터널은 터널설계기준^{(MOCT, 1999)}에서 내진설계에 대한 항목들이 추가되어 내진설계가 의무화 시행되고 있고, 지진·화산재해대책법에 의해 시설물이 지진에 견딜 수 있는 능력을 평가하는 내진성능평가 및 보강방안대책이 요구되고 있다.

도시철도 내진설계는 2005년부터 내진기준이 적용되었고, 2018년도에 내진설계기준 공통적용사항^{(MOPAS, 2017)}에 부합하도록 내진설계기준이 개정되었다.

내진 설계는 지진하중에 대하여 구조물의 안전성을 확보하고, 지진이 발생된 이후에도 적절한 기능이 유지될 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 구조물의 내진설계는 성능에 기초한 내진설계 개념을 도입하였으며, ｢기능수행수준｣과 ｢붕괴방지수준｣의 내진성능수준을 만족하여야 한다. 터널 구조물은 대부분 내진 Ⅰ등급에 속하기 때문에 내진성능 목표에서 고려하는 설계지반강도는 기능수행수준에서는 평균재현주기 100년(10년 내 초과확률 10%), 붕괴방지수준에서는 평균재현주기 1,000년(100년내 초과확률 10%)에 해당되는 지진지반운동을 고려하여 설계한다. 내진성능평가방법은 크게 동적하중을 유사정적 하중화 하여 계산하는 유사정적해석법과 터널 및 주변지반의 모델링에 의한 보다 엄밀한 해석법인 동적해석법으로 구분된다.

터널과 같은 지중구조물 내진해석에 있어서 유사정적해석법 중 대표적인 해석방법은 ｢응답변위법｣이 있으며, 동적해석법 중에는 ｢시간이력해석법｣이 있다. 해석은 2차원 횡단면 해석을 원칙으로 하되 지반변화가 급변하는 경우에는 종방향에 대해서도 검토할 필요가 있다. 또한 박스터널과 같은 개착구조물에 대해서는 일반적으로 응답변위법을 적용하며, 그 외의 갱구부 또는 본선부 터널(아치형)에 대해서는 시간이력해석법을 적용 한다^{(KALIS, 2021)}.

1999년 이전에 설계된 현재 운영중인 도로 터널의 지진에 대한 성능을 평가하였다. 해석방법은 응답변위법과 동적해석을 활용하였으며, 해석결과 축소된 해석영역에 대한 결과가 유사한 것으로 나타났으며 내진설계가 적용되지 않은 터널들도 재현주기 1000년 지진에 대해서는 안전하며 추가보강은 불필요한 것으로 나타났다^{(Ahn et al., 2013)}.

국토안전관리원에서 2020년에 개정한 내진성능 평가요령에서 제시하고 있는 두 가지 성능평가방법인 응답변위법과 응답이력해석기법을 소개하고, 대표 공동구에 대해서 두 가지 내진성능평가방법을 적용하여 그 결과를 비교･검토 하였다. 평가에 사용된 공동구는 1988년 건설되어 내진설계가 적용되지 않은 공동구 이며, 붕괴방지 수준의 지진에 대한 성능평가 결과 응답변위법은 구조물이 탄성범위내 거동하는 것으로 평가되는 반면, 응답이력해석은 구조물 일부에서 소성힌지가 발생하는 결과를 얻었다^{(Kwon et al., 2020)}.

시설물별 내진설계기준이 성능기반 내진설계로 전환됨에 따라, 신뢰성있는 비선형 응답이력해석(Response- history analysis, RHA)에 대한 요구가 높아짐을 착안하여 1989년 미국 Loma Prieta 지진기록을 바탕으로 다층지반에 대해서 비선형 RHA를 이용한 부지응답해석 결과의 신뢰성을 검증하였다. 평가 결과, 제한된 조건하에서 가장 정확한 비선형 지반모델과 경계조건을 적용 시 비선형 RHA의 결과는 등가선형 해석결과와 유의미한 차이는 발생하지 않음을 확인하였다^{(Liu and Lee, 2017)}.

터널건설시 굴착과정, 지보재 설치 과정 등에서 터널막장 주변의 지반 응력 재분배는 필수적으로 발생한다. 이에 따라 터널구조물 설계시 안전성평가를 위해 일반적으로 굴착단계를 반영한 수치해석을 수행하고 있으며, 공용시설물의 안전성을 평가하는 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(2019)’에서도 안전성평가 시 응력상태를 고려하도록 제시하고 있다. 2007년 터널설계기준이 개정되며, 기 설계가 완료되고 공용중인 시설물에 대해서도 내진 성능을 검토하도록 하였다. 이를 근거로 정밀안전진단 과업 수행시 내진성능평가를 수행하지 않은 터널 시설물을 대상으로 내진성능평가를 수행하고 있으나 구조물 안전성평가와 같이 지반상태를 고려한 명확한 평가 방법은 제시되지 않았다.

본 연구에서는 도로터널을 대상으로 동적해석방법인 시간이력해석법을 적용하여 안전성평가를 실시하였다. 이를 위해 터널 주변지반의 응력상태 변화를 반영할 수 있도록 굴착단계를 반영한 내진해석 결과와 준공 15년이 넘은 현 시점에서 록볼트, 숏크리트와 같은 지보재가 주변지반과 일체화 되어 더 이상 기능을 할 수 없으며, 터널 주변지반의 응력조건이 안정화 되었다는 가정아래 터널 굴착단계를 반영하지 않은 상태의 내진해석 결과를 비교하여 공용중인 도로터널을 대상으로 최적의 내진해석 방향을 제시하고자 한다.

2. 대상터널

도로터널 내진해석을 위해 터널 구간의 취약부위 검토가 필요하며, 터널설계기준^{(MOLIT, 2018)}에서는 1) 토피의 두께가 얇고 지반이 연약한 터널의 갱구부, 주요 구조물 접속부 구간 2) 대규모 단층대 및 파쇄대 통과구간, 지층구조가 급변하는 계곡부 3) 천층터널 및 편경사 지형으로 지진 시 터널의 안정성이 취약하다고 판단되는 구간 4) 편지반의 자립이 어려운 연약한 지층에 터널이 위치한 구간 5) 액상화가 우려되는 연약지반 내 터널구간 등에 대해서 내진 설계대상을 규정하고 있다. 본 연구 에서는 수도권 제1순환고속도로에 위치한 ○○터널을 대상으로 하였으며, 대상 터널은 지진 시 상부 토피하중이 터널에 하중으로 작용할 수 있어 설계, 시공 및 유지관리 시 특별한 관리가 필요한 터널 천단부 기준 2.0D(D:터널직경) 이하의 저토피 구간(현 구간 12m)에서 시공 당시 시추조사 자료를 참고하여 타 구간에 비해 다소 지반이 불리한 철근콘크리트구간을 선정하였다.

해석을 위한 지반 적용물성은 시공당시 작성된 토질조사보고서, 설계서, 지질조사보고서 등의 설계 및 시공자료 등을 참고하였다. 특히, 본 구간은 해석위치에서 시추된 지반조사 자료를 최대한 활용 및 분석하였으며, 지진시의 동적물성은 ‘구조물기초설계기준 해설서^{(Korean Geotechnical Society, 2015)}’를 참고하여 대상지층에 대한 합리적이고 보수적인 측면에서 결정하였다. 추가적으로 터널 주변 지층 보강재료의 경우 수치해석 프로그램 사에서 제공하는 일반적인 수치를 적용하였다. Table 1은 결정된 토질 및 재료 물성을 나타낸다.

3. 수치해석

유지관리 측면에서 제1종 시설물에 해당하는 터널의 내진안전성평가는 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침^{(KALIS, 2019)}’을 따라야 하며, 세부지침에서는 내진설계 성능기준 및 ‘기존 시설물(터널)의 내진성능 평가 및 향상요령’을 참고하여 지진의 발생빈도와 지반운동의 세기, 시설의 중요도에 따라 요구되는 내진성능을 기능수행 수준과 붕괴방지 수준으로 구분하여 만족시키도록 규정하고 있다.

여기서 시간이력해석법을 적용하는 동적해석법은 가장 정밀하게 터널의 동적 응답을 평가할 수 있는 방법이지만 하부 및 측면 경계조건 설정, 비선형 구성모형, Rayleigh 감쇠 등 해석 수행 시 어려움이 많아 전문가가 아니면 정확하게 수행할 수 없다는 단점이 있다^{(Park et al., 2010)}. 해석에 사용되는 프로그램은 그 적합성이 확인되고 지반의 거동을 적절하게 모사(Simulation)할 수 있는 기능을 보유하여야 하며, 터널의 단계별 굴착을 재현할 수 있는 기능과 지반, 지보재의 변위, 응력 그리고 모멘트 등을 계산하여 터널설계 및 안정해석에 이용할 수 있어야 한다^{(MOLIT, 2018)}.

본 연구에서는 수치해석을 위해 동적해석 방법인 시간이력해석법을 적용 가능하고 국내 설계사에서 일반적으로 사용하는 상용프로그램인 MIDAS IT사의 GTS NX 프로그램을 활용하여 철근·무근 콘크리트 구간의 부재력 평가시 고려할 점을 제시하기 위해 세가지 Case로 수치해석을 수행 후 해석결과를 비교 하였다.

Case1은 굴착단계 과정을 반영한 시간이력해석으로 해석을 위해 자중을 고려하고, 측면/하부 경계를 모두 고정한 상태에서 굴착단계를 적용하여 지반의 응력상태 변화를 반영하였다. 그 후 지진파를 적용하기 위해 점성경계(Viscous Boundary)를 적용 후 시간이력해석을 수행하여 결과를 도출하였다.

Case2의 경우 준공시점 15년이 지난 현재 상태는 터널 주변 지반이 안정화 되었고, 지반 보강재가 재 기능을 더 이상 수행 할 수 없다는 가정을 바탕으로 굴착단계를 적용하지 않고, 터널이 굴착된 상태에서 선행해석(자중) 고려할 수 있는 옵션만 활성화하여 시간이력해석을 수행하였으며, 경계조건은 굴착단계를 반영한 조건과 동일하게 설정하였다.

Case3는 Case2와 조건을 동일하게 하고 선행해석을 고려할 수 있는 옵션을 활성화 하지 않은 상태에서 시간이력해석을 수행하였다.

해석 Case는 공통으로 구조물 고유의 동적 특성을 분석하기 위해 고유치 해석을 선행하였으며, 1,2차 모드의 고유주기를 산정하여 시간이력해석을 위한 감쇠행렬을 결정하여 지진파에 적용하였다. 동적해석을 수행하기 위해 국내 내진설계시 가장 많이 활용되는 지진파로 단주기(Ofunato), 장주기(Hachinohe) 2개의 파를 활용하여, 경기지역 지진구역 (Ⅰ), 붕괴방지수준 위험도계수 (Ⅰ), 유요수평지반가속도 0.154g를 반영하여 시간이력해석을 수행하였다. 여기서 Fig. 2와 Fig. 3는 해석순서를, Fig. 4는 적용지진파를 나타낸다.

Fig. 1 General map and Longitudinal section of Analysis section location

Fig. 2 Analysis process (Case1)

Fig. 3 Analysis process (Case2 & Case3)

Fig. 4 Seismic waves

4. 해석결과

시간이력해석시 유효수평지반가속도 0.154g에 해당하는 단주기파 및 장주기파를 적용 후 터널 천장 및 측벽에 발생하는 변위, 라이닝에 발생하는 부재력을 비교·평가하였다. 여기서 Fig. 5는 해석 Case별 해석에 적용된 단면을 나타내고, Fig. 6은 축력 검토를 위한 라이닝 절점 번호를 나타낸다.

Fig. 5 Analysis sections

Fig. 6 Node of tunnel linings

4.1 지진시 지반 변위

지진지속시간 경과에 따라 붕괴방지수준으로 검토한 지반변위 결과는 Fig. 7과 같다.

Case1의 경우 최대변위 발생지점 기준으로 단주기파 적용시 최대 지반변위는 약 30cm, 장주기파 적용시 최대 지반변위가 약 80cm로 두 가지 형태의 파장에 따라 약 50cm 정도 차이가 나타나며 모델링 단면 전체적인 변위 분포는 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. Case2, Case3의 경우 단주기파 적용시 약 30cm, 장주기파 적용시 약 80cm로 파장별 최대 변위 값이 Case1과 유사한 행태를 나타내고, 컨투어 분포도 색상차이는 Case1과 달리 차이가 큰 것으로 나타나지만 수치상으로는 Case1과 같이 모델링 단면 전체적으로 유사한 경향을 나타내는 것으로 검토되었다.

Fig. 7 Analysis results of ground displacement (Max Value)

4.2 라이닝 변위

지진지속시간 경과에 따라 구조물 붕괴방지수준으로 검토한 라이닝 변위는 Table 2와 같다.

Case1의 경우 단주기파 적용시 천장부 최대 수직변위는 지진파 발생 6.1초 지점에서 약 0.1mm, 천장부 수평변위는 6.1초에서 약 1.6mm, 측벽부는 5.1초 지점에서 약 1.3mm의 변위가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 장주기파 적용시 천장부 수직변위는 단주기파 적용시 발생한 변위보다 작은 5.3초 지점에서 약 0.09mm 가 발생하였고 천장부 수평변위, 측벽변위는 단주기파보다 큰 약 1.7mm, 1.4mm가 발생하는 것으로 나타났으나, 파장에 따른 변위는 전체적으로 유사하다고 볼 수 있다.

Case2의 경우 파장에 따른 변위발생 경향은 유사한 것을 볼 수 있다. 또한 수평변위 측정값인 터널천장부, 측벽부 측정값은 Case1과 유사한 것으로 나타났다. 하지만 천장부 수직변위의 경우 좌터널에서 각 파장별 약 6mm 정도로 변위가 다소 높게 나타났으나 구조물에 미치는 영향은 없을 것으로 판단된다.

Case3의 경우 파장에 따른 변위발생 경향은 유사하였으며, Case1, Case2에 비해 전체적으로 변위 발생량이 낮은 것을 확인 할 수 있었다.

Table 2 Analysis results of lining displacement (Max Value)

4.3 라이닝 부재력

붕괴방지 수준으로 검토한 라이닝에 작용하는 최대 부재력은 Table 3과 같다.

굴착단계를 고려한 Case1의 경우 단주기파 적용시 최대 발생 전단력 7.97kN, 최대발생 축력 263.13kN, 최대발생 모멘트는 4.68kN·m로 나타났으며, 장주기파 적용시에는 전단력 8.12kN, 축력 267.11kN, 모멘트는 4.79kN·m로 단주기파 적용시 결과 값과 유사하게 나타났다.

굴착단계를 고려치 않고 선행하중만 작용한 Case2의 경우 파장별 결과 값은 유사하나, Case1과 비교시 최대로 발생한 전단력은 약 2배, 축력은 약 10배, 모멘트는 약 3배가량 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Case2 상태에서 선행하중을 작용하지 않고 해석을 수행한 경우인 Case3의 경우, 각각의 Case 중 터널 라이닝 부위에 발생하는 부재력이 가장 낮았다. Case1에 비해서도 전단력은 약 4배, 축력은 약 2배, 모멘트는 약 2배가량 낮은 수치를 나타냈다.

Table 3 Analysis results of member force (Max Value)

5. 결 론

안전한 터널시공을 위해 설계단계에서 지반상태·굴착과정을 최대한 모사(Simulation)하여 수치해석을 수행한다. 또한 공용중인 터널에 대해서도 현 단계의 안전성평가를 위해 공용중인 터널의 상태를 최대한 반영하여 수치해석을 수행해야 한다. 해석을 수행하는 사람의 숙련도에 따라 상용 프로그램에서 제공하는 다양한 지반변수 및 재료특성 등을 고려할 수 있으며, 최대한 현실에 가까운 조건에서 수치해석을 수행하여야 할 것이다. 구조물 안전성평가의 경우 굴착단계를 고려한 해석을 수행하게끔 되어 있으나, 내진성능 평가에서는 평가 방법은 제시되어 있지 않은 실정이다.

따라서 본 연구에서는 터널굴착시 지반응력 변화를 반영할 수 있는 굴착단계를 반영한 해석과 준공 15년이 지난 현 상태를 반영하여 터널 주변 지반응력이 안정화 되었다는 가정하에 해석한 결과를 각각 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 지진시 발생하는 지반 변위의 경우 적용지진파가 0.154g에 해당하는 지진파라고 가정시 단주기파에서는 30cm, 장주기파 적용시 80cm 정도로 파장에 따른 X축 변위 차가 해석 case별 유사하게 발생하였다.

(2) 라이닝에 발생하는 변위의 경우 전체적으로 수평방향으로 작용하는 지진파 특성상 수평방향 변위가 높게 나타나는 것이 바람직하다고 판단된다. 하지만 Case2의 경우 오히려 천장부 수직방향으로 발생하는 변위가 높게 나타나는 것은 본 연구결과를 바탕으로 판단시 해석단면의 선행하중 적용 유무에 따른 현상으로 판단된다.

(3) 라이닝에 발생한 부재력 검토시 터널의 굴착단계를 반영한 Case1의 경우와 굴착단계를 반영하지 않고 해석을 수행한 Case2·Case3의 결과 값이 큰 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

(4) 공용터널시설물의 안전 여부를 판단하기 위해 라이닝에 발생한 부재력을 평가하고 이후 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침^{(KALIS, 2019)}의 ‘개착터널의 안전성평가 결과 산정에서 구조물의 해석방법에는 강도설계법과 허용응력설계법이 있으며 이 중 강도설계법을 원칙으로 하지만 특별한 경우에는 허용응력설계법을 적용할 수 있다’을 준용하여 굴착터널에서도 강도설계법 검토를 통해 구조물의 안전 여부를 평가할 수 있다. 하지만 부재력이 크게 발생하는 Case2의 경우 무근콘크리트구간에서 강도설계법을 적용한 부재력 평가시 만족할 수 없는 것으로 평가될 수 있으므로 내진성능평가시 주의를 기울여야 한다.

(5) 본 연구에서 추가로 평가하지는 않았지만 Case3의 부재력 평가 결과 값과 상시 지반상태에서 자중을 고려한 후 해석한 결과 값을 합산하여 부재력 평가 시 Case1의 결과 값과 유사한 부재력 값을 얻을 수 있을 것이라 기대되나, 이는 초기 지반상태를 다른 형태로 가정하는 모순이 있다.

이와 같이 본 연구결과에서 나타나듯이 내진성능평가 시에도 구조물안전성평가 경우와 같이 굴착단계를 반영한 Case1의 형태로 해석하여 결과를 도출하는 방법이 바람직하다고 판단되며, 나아가 공용시설물을 평가하는 기준인 세부지침 상에서도 관련 내용을 명확히 하는 것을 제안한다.