Prediction of Tunnel Response by Spatially Variable Ground Motion

공간적으로 변이하는 지진파에 대한 터널의 응답 예측

Various components including wave scattering, wave passage, and site amplification effects cause the ground motion to vary spatially. The spatially varying ground motion can significantly influence the dynamic response of longitudinal structures such as bridges and tunnels. While its effect on bridges has been extensively studied, there is a lack of study on its effect on underground tunnels. This paper develops a new procedure for simulating the tunnel response under spatially varying ground motion. The procedure utilizes the longitudinal displacement profile, which is developed from spatially variable ground motion time histories. The longitudinal displacement profile is used to perform a series of pseudo-static three dimensional finite element analyses. Results of the analyses show that the spatially variable ground motion cause longitudinal bending of the tunnel and can induce substantial axial stress on the tunnel lining. The effect can be significant at boundaries at which the material properties of the ground change in the longitudinal direction.

지진파는 진원지로부터 지표면으로 전파되는 과정에서 전파경로와 부지증폭정도의 차이, 그리고 비균질한 지반에서의 지진파 산란 등으로 인하여 공간적으로 변이하게 된다. 공간적으로 변이하는 지진파는 교량과 터널과 같이 종단방향 길이가 긴 구조물에 큰 영향을 미칠 수 있다. 지진파의 공간적 변이성이 교량에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려져 있지만 터널에 미치는 영향에 대해서는 체계적인 연구가 수행된 바 없다. 본 연구에서는 공간적으로 변이하는 지진파에 대한 터널의 응답을 예측하기 위한 새로운 기법을 개발하였다. 개발된 기법의 핵심은 이격거리별 계산된 공간적으로 변이하는 지진파의 시간이력으로부터 생성되는 종단방향 변위 주상도이다. 종단방향 변위 주상도는 일련의 3차원 유사정적 유한요소해석을 수행하는데 사용되었다. 해석결과, 공간적으로 변이하는 지진파는 터널에 종단방향 휨을 유발하며 터널 라이닝에 큰 축력이 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 특히 지반의 특성이 변이하는 경계면에서 영향이 큰 것으로 나타났다.