유한요소해석을 이용한 3분절 모듈형 철도 피암터널의 낙석 저항 성능 평가 = Evaluation of rockfall resistance capacity of 3 segmented modular rock-shed for railway by finite element analysis

국문 초록 (Abstract)

최근 산악지형을 통과하는 단선 철도 노선에서 낙석으로 인한 피해가 빈번하게 발생하고 있으며, 낙석의 규모 또한 점차 증가할 것으로 예상된다. 대형 낙석은 선로 및 열차에 직접적인 피해를 발생시킬 뿐만 아니라, 장기간의 열차 운행 중단 및 2차 사고로 이어질 가능성이 높아 철도 운행의 안전성 확보를 위해 낙석방지시설의 설치가 필수적이다. 일반적으로 낙석방지망, 낙석방지울타리, 낙석방지옹벽은 중·소규모 낙석에 대해서는 효과적이나, 대형 낙석에 대해서는 낙석 저항 성능이 제한적이므로 충분한 낙석 저항 능력을 갖춘 방호시설이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 구조물이 바로 피암터널이며, 낙석의 에너지를 흡수하고 분산시켜 철도시설물을 보호할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 기존 피암터널은 현장타설식 철근콘크리트 구조로 시공되며, 산악지형의 철도 구간에서는 건설장비의 접근이 어렵고 중량 및 시공 공간이 제한된다는 문제가 있다. 이러한 제약을 극복하기 위해 철도 화차 운송 규격을 만족하는 산악지형 철도에 적합한 3분절 모듈형 철도 피암터널이 제안되었다. 제안된 구조는 상부 슬래브, 기둥, 하부 기초 세 부분으로 구성되며, 각 부재는 공장에서 사전 제작된 후 현장에서 볼트 혹은 스플라이스를 이용하여 조립된다. 본 연구에서는 제안된 모듈형 피암터널의 낙석 저항 성능을 평가하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 낙석 하중은 충돌에너지와 등가 정적하중 간의 상관관계를 통해 산정되었으며, 해석 모델은 실규모 상부 슬래브 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 낙석 하중이 작용할 때의 취약 하중 위치를 일체형 피암터널 해석 모델을 이용하여 선정하였으며, 해당 위치를 기준으로 비선형 정적해석을 수행하여 경계조건 및 연결부 상세를 변수로 설정하였다. 또한, 해석에서 산정된 최대 하중을 이용하여 충돌에너지와 등가 정적하중 간의 상관관계를 역산함으로써 낙석 저항 성능을 평가하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, rockfall-related damage has frequently occurred along single-track railway lines in mountainous regions, and the scale of rockfalls is expected to increase further. Large rockfalls can cause direct damage to railway tracks and trains, as well as prolonged service interruptions and secondary accidents. Therefore, the installation of effective rockfall protection structures is essential to ensure railway safety. Conventional protection systems such as rockfall nets, fences, and retaining walls are effective for small- to medium-scale rockfalls but have limited resistance capacity against large-scale impacts. To address this limitation, rock-shed tunnels have been introduced as protective structures capable of absorbing and dispersing impact energy to safeguard railway infrastructure.
However, traditional rock-shed tunnels are typically constructed using cast-in-place reinforced concrete, which poses significant challenges in mountainous railway sections where heavy equipment access, material transport, and working space are limited. To overcome these constraints, a three-segment modular railway rock-shed tunnel comprising a precast upper slab, column, and foundation has been proposed. Each segment is pre-fabricated in the factory and assembled on site using bolts or splice connections, enabling efficient and standardized construction.
In this study, the rockfall resistance performance of the proposed modular rock-shed tunnel was evaluated through finite element analysis. The equivalent static load corresponding to rockfall impact energy was derived based on the correlation between impact energy and static load. The analytical model was validated using the results of a full-scale upper slab bending test. The critical impact position was identified from the analysis of a monolithic tunnel model, and non-linear static analyses were performed using this position to evaluate the effects of boundary conditions and connection details. Finally, the relationship between the maximum static load and impact energy was back-calculated to quantitatively assess the rockfall resistance performance of the modular railway rock-shed tunnel.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 8
• 1.3. 연구 개요 13
• Ⅱ. 배경 이론 14
• 2.1. 피암터널의 구조적 특성 14
• 2.2. 낙석에너지 산정 19
• 2.3. 등가 정적하중 산정 21
• 2.3.1. 국가별 등가 정적하중 산정 기준 21
• 2.3.2. 등가 정적하중 작용 면적 산정 24
• Ⅲ. 유한요소해석 모델 정립 28
• 3.1. 해석 모델 정립 28
• 3.2. 상부 슬래브 시험 및 모델 검증 34
• 3.2.1. 실물 시험 개요 및 수행 과정 34
• 3.2.2. 해석 모델 검증 및 비교 분석 40
• Ⅳ. 모듈형 피암터널의 낙석 저항 성능 평가 49
• 4.1. 모듈형 피암터널 목표 설계에너지 설정 49
• 4.2. 해석 조건에 따른 모델 정립 51
• 4.2.1. 하중조건 설정 및 취약 하중 작용점 선정 52
• 4.2.2. 경계조건 설정 및 형식 선정 56
• 4.2.3. 슬래브-기둥 연결부 상세에 따른 거동 비교 60
• 4.3. 낙석에너지 환산 및 저항 성능 평가 66
• Ⅴ. 결론 68
• 참고문헌 69
• Abstract 72