J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(4): 225-232  https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.4.225
The Effects of Construction of Underground Structure on Neighboring Anchor System by the Distance
Hyunmin Seo*, and Kangil Lee**
* Member, Ph.D. Candidate, Dept. of Civil Engineering, Daejin University
Correspondence to: Member, Professor, Dept. of Civil Engineering, Daejin University (Tel: +82-31-539-2024, Fax: +82-31-539-2020, E-mail: kilee@daejin.ac.kr)
Received: March 3, 2017; Revised: March 7, 2017; Accepted: June 21, 2017; Published online: August 30, 2017.
© The Korean Society of Hazard Mitigation. All rights reserved.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

Construction of the underground structures such as tunnel in urban area has frequently a great impact on the neighboring structures specially reinforced with ground anchors. In other words, close construction between structures gives rise to a lot of problems in stability. This paper presents the result of numerical analysis that is carried out to find out the effect of close construction and the proper distance between tunnel and anchored structure. The result shows that the anchor system can be secured if tunnel construction takes place in 0.5D in vertical and 0.75D in horizontal away.

Keywords: Close Construction, Proper Distance, Numerical Analysis
1. 서론

최근 들어 도심지내 구조물의 대부분이 대형화됨에 따라서 구조물의 하부가 지중에 설치되는 시공사례가 증가하고 있으며, 이에 따른 구조물의 안정성 확보를 위한 많은 보강방법 적용되고 있다. 대표적인 공법으로는 구조물의 지지력 확보를 위한 파일공법과 풍하중, 지진하중, 부력 등 외부적인 요인에 의해 발생될 수 있는 구조물 기초 내에서 작용하는 인발력에 저항하는 앵커공법 등이 있다.

앵커와 파일공법은 지중응력을 활용하는 공법들이며, 앵커공법은 앵커정착장의 인접지반 내에서 발휘되는 지중응력에 의해 안정성이 확보된다. 만약 지하구조물의 안정성 확보를 위해 앵커공법이 구조물 기초의 하부에 설치될 경우 지중응력이 서로 상이해져 앵커에 영향을 끼칠 수 있으며 이 때문에 기존 구조물의 안정성에도 문제가 발생할 수 있다.

이와 관련된 연구동향을 살펴보면 지중구조물과 기존 구조물의 영향성에 대한 연구는 파일기초에 국한돼 왔으며, 앵커가 설치된 기존 구조물을 대상으로 한 연구는 거의 없는 상태이다. 앵커공법 역시 구조물 기초에 설치되는 공법 중 하나이며, 파일과 마찬가지로 앵커의 인접지반 응력변화에 따라 앵커력이 상이하며 터널 시공시 앵커의 간섭을 받을 수 있다. 지반과 구조물의 상호거동에 대한 연구는 1940년대 초반 터널직경과 토피고를 기준해 지반거동에 대해 연구한 Terzaghi의 연구를 비롯해 많은 연구자(Loganathan and Poulos, 1998; Chen et al., 1999; Loganathan et al., 2001; Xu and Poulos, 2001)들이 관련 연구를 수행해 왔다.

국내의 경우 역시 도심지내 구조물이 지중화 됨에 따라서 이에 대한 관심이 증가해 최근 들어 수치해석방법을 적용한 연구가 진행되었다(Lee, 2012). 더불어 Lee(2004), Ong et al.(2006), Lee and Chiang(2007)은 실내모형실험이나 원심모형실험을 이용하여 지중구조물과 기 설치된 말뚝의 거동을 분석하였으며 터널굴착으로 인해 말뚝과 터널이격거리에 따라 말뚝거동이 상이해짐이 연구를 통해 밝혀졌다(Jacobsz, 2002; Lee, 2012).

만약 앵커가 설치된 구조물의 하부지반에 터널시공이 시행될 경우 설계시 앵커력 확보를 위해 고려한 지반과 앵커의 마찰특성이 정착장내 인접지반의 응력변화로 서로 상이할 수 있다. 또한 앵커형식에 따라 인접지반에 전이되는 특성이 서로 상이하므로, 터널시공에 따른 앵커에 미치는 영향이 달라질 수 있으므로 기존 구조물에 설치된 앵커와 신설하고자하는 터널 간 이격거리는 매우 중요한 고려사항이다. 따라서 본 연구는 기 시공된 압축형 앵커와 지중구조물(터널)의 간섭으로 변화되는 앵커력을 수치해석을 통해 조사하고, 그 연구결과를 통해 앵커가 설치된 기초와 지중구조물간의 적정이격거리를 제안하고자 한다.

2. 모델링 및 수치해석 조건

현장시험 또는 검측을 통해 구조물간의 간섭효과를 고려하는 것이 가장 효과적인 연구방법이나 이 방법은 시간적, 경제적인 문제가 따른다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 구조물의 간섭효과에 대한 연구에 주로 사용되는 연구방법이 수치해석방법 중 하나인 유한요소해석방법(Finite Element Method, FEM)이다. 따라서 앵커와 터널시공의 이격거리에 따른 간섭효과를 고려하기 위해 활용한 유한요소해석 프로그램은 최근 지반설계에 주로 활용되는 PLAXIS이다.

2.1 모델링

Fig. 1은 터널굴착에 따른 앵커의 거동 특성을 분석하기 위해 수행한 모델링을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 전체 지반은 너비 100.0 m, 높이 50.0 m로 고려하였으며, 앵커의 정착장은 풍화암층에 정착되는 것으로 모사하였다. 토사층의 깊이는 10.0 m로 모사하였으며, 정착장은 토사층 하부 –2.0 m에 정착시켰다.

Fig. 1.

Modelling and Mesh Generation of Compression Type Anchor


해석지반은 2D-면 요소(2D-plane element)이고, 삼각형 요소(Triangular finite mesh)로 모델링하였다. 앵커는 1차원 선요소(1D-line element)이며, 앵커가 인장을 받는 구조임을 감안해 엠베디드 트러스(Embedded truss element) 로 모델링하였다. 터널시공에 대한 모델링은 최근도심지에서 주로 시행되고 있는 TBM 과정을 모사했으며, 모델링은 TBM 공법 적용시 지반체적변형이 1~10% (최근 연구시 1~2% 내외 적용, Atkinson, 2007) 임을 감안해 2%의 체적변형이 발생되도록 하였고, 고려한 소구경 터널의 직경은 8.0m이다.

앵커의 형식은 압축형 앵커형식으로 앵커에 따라 정착장내 긴장위치가 서로 상이하므로 프리스트레스를 가하는 지점을 달리해 모사하였다. 압축형의 경우 Fig. 1에서와 같이 정착장의 끝단부에 긴장력을 작용시켰다. 초기 긴장력의 크기에 따라 인접지반에 전이되는 응력이 서로 상이하므로 앵커 초기 긴장력의 크기는 모델링한 앵커체(4연선, 8연선)의 안정성을 고려해 500 kN, 1,000 kN으로 정하였다.

압축형의 앵커체의 길이는 앵커의 내적 안정성을 고려한 구조계산을 통해 산정한 결과 값을 적용했으며, 모델링한 압축형의 정착장 길이는 각각 5.0 m이다. 앵커와 지반모델은 지반의 경우 모어쿨롱의 모델을, 앵커의 경우 탄성모델을적용하였다.

객관적인 수치해석결과 산출을 위해 가장 중요한 것은 모델링시 적용되는 재료물성 값들이다. 좀 더 객관적이고, 해석결과에 대한 현장적용성을 고려해 본 연구에서는 지반설계에서 주로 활용되는 경험적 이론값들 활용하였고, 적용된 물성값은 Table 1과 같다.

Table 1

Material Properties

MaterialModelK0vE (kPa)γt (kN/m3)c (kPa)φ(°)
W.SM-C0.50.320,00016.68025
W.R0.50.398,10019.629.8130

※ W.S = Weathered soil; W.R = Weathered rock


2.2 수치해석 조건

Fig. 2는 앵커와 터널의 수직, 수평 이격거리에 대한 해석조건을 나타낸 것이다. Fig. 2에서 보인 것과 같이 수직, 수평의 이격거리는 터널과 앵커의 끝단을 기준해서 터널직경(D = 8.0 m)의 (0.25, 0.50, 0.75, 1.0)D를 적용하였다.

Fig. 2.

Analysis Conditions


Fig. 3은 앵커의 정착장내 측점위치를 보인 것이다. 그림에서와 같이 앵커의 정착장을 4등분해 위치 별 앵커체의 축력과 전단력을 수치해석으로 체크하였다.

Fig. 3.

Observed Point in Bonded Length


3. 압축형 앵커의 변위양상 분석

3.1 원지반에 압축형 앵커만이 설치되어 있을 경우

Fig. 4는 원지반 상태에서 압축형 앵커만을 설치하였을 경우 Fig. 4(a)는 초기긴장력이 500 kN인 경우, Fig. 4(b)는 초기긴장력이 1,000 kN일 경우의 전체 변위형상을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 압축형 앵커의 경우 앵커의 상향으로 지반변위가 전이되는 특성을 보였고, 초기 긴장력의 크기가 클수록 전이된 변위의 분포가 확대되었다.

Fig. 4.

Total Displacement Contour of Compression Anchor in Soil and Rock Layer


3.2 기 설치된 압축형 앵커에 터널을 설치했을 경우

Fig. 5는 기 설치된 압축형 앵커에 인접하여 소규모 터널(D = 8.0 m)을 설치했을 경우 터널 설치로 인해 압축형 앵커의 정착장에 측점 위치별로 앵커체의 축력과 지반/앵커 경계면의 전단력의 변화 양상을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 압축형 앵커의 경우는 앵커의 정착장 끝단에 큰 축력과 전단력이 발생되었다. 앵커체의 축력은 Fig. 5(a)와 같이 정착장을 따라 선형적으로 압축력(+)이 전이 되었으며 경계면의 전단력은 Fig. 5(b)와 같이 정착장을 따라 비선형적으로 힘이 전이되는 특성을 보였으며, 긴장력이 크면 전단력이 고르게 발생되는 것으로 나타났다.

Fig. 5.

Axial Load and Shear Force for Compression Anchor in Soil and Rock Layer


Fig. 6은 앵커력 Pw = 500 kN인 경우 압축형 앵커와 터널의 수직 이격거리(SV)에 대한 전체 변위형상(total displacement contour)을 보인 것이다. 이격거리 SV = 0.25 D인 경우 Fig. 6(a)와 같이 앵커와 터널천단부에 변위가 집중되는 변위형상을 보였으며, 이 경우의 최대변위는 약 36.84 mm이었다. 이격거리 SV = 1.0 D인 조건인 경우 Fig. 6(b)와 같이 수직이격거리의 증가로 인해 앵커와 터널천단부의 변위가 감소하였다. 또한 이 조건의 전체 변위량도 타 조건에 비해 크게 감소하였으며, 하중작용점의 최대변위는 각각 26.32 mm, 23.68 mm인 것으로 나타났다.

Fig. 6.

For Compression Anchor and Pw= 500kN, Displacement Contour with the Vertical Space(SV)


Fig. 7은 앵커력 Pw = 500 kN인 경우 앵커와 터널의 수평 이격거리(SH)에 대한 전체 변위형상을 보인 것이다. 앵커와 터널의 수평 이격거리 SH = 0.25 D인 경우 전체변위형상은 Fig. 7(a)에서 보인 것과 같이 영역 A(앵커정착장의 우측과 터널 천단부)에서 변위가 집중되었고, 하중작용점의 최대변위(δmax)는 약 36.84 mm이었다. 수평 이격거리 SH = 1.0 D인 조건의 경우 Fig. 7(b)와 같이 터널굴착에 따른 변위영향 범위 외에 앵커가 존재하는 것으로 나타났으며, 발생 변위량도 크게 감소하였다. 이 조건의 최대 변위량은 5.26 mm인 것으로 예측되었다.

Fig. 7.

For Compression Anchor and Pw = 500kN, Displacement Contour with the Horizontal Space(SH)


Fig. 8은 앵커력 Pw = 500 kN인 경우 터널과 앵커의 수직 이격거리에 대한 앵커와 터널의 전단변형 형상(shear strain contour)을 보인 것이다. 수직 이격거리 SV = 0.25 D인 경우 역시 Fig. 8(a)와 같이 정착장의 인접지반과 터널 측면부의 변위가 집중 되었다. 특히 Fig. 8(b)와 같이 앵커와 터널의 수직 이격거리 SV = 1.0 D인 경우 앵커의 인접지반에 전단변형이 크게 감소됨을 알 수 있다.

Fig. 8.

For Compression Anchor and Pw = 500 kN, Shear Strain Contour with the Vertical Space(SV)


Fig. 9는 앵커력 Pw = 500 kN인 경우 앵커와 터널의 수평 이격거리에 대한 전단변형 형상을 보인 것이다. 특히 Fig. 9(a)와 같이 수평 이격거리 SH = 0.50 D인 경우 하중작용점 뿐만 아니라 영역 B의 지반(앵커정착장의 우측지반)에서도 전단변형이 발생하였다. 그러나 이격거리 SH = 1.0 D인 조건에서는 이격거리의 증가로 앵커의 하중 작용점에 인접한 지반에서는 전단변형이 집중되지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 9.

For Compression Anchor and Pw = 500 kN, Shear Strain Contour with the Horizontal Space (SH)


4. 해석결과 분석

앞의 해석결과에서 보인 바와 같이 터널과 앵커의 수직과 수평 이격거리, 앵커타입과 초기 긴장력에 따라 앵커체의 축력, 경계면에 발생된 전단력의 크기가 달라진다. 또한 정착장내 위치별 축력과 전단력의 변화 역시 상이함을 알 수 있다. 이는 앵커의 구조적 특성으로 인한 인접지반의 전이특성이 서로 상이하고, 터널근접시공에 따른 간섭효과로 비롯된 것이라 할 수 있다. 특히 지반 굴착시 지반변형을 유발하는 터널 근접시공은 원지반상태의 앵커에 큰 영향을 미친다.

본 연구에서 Figs. 1011은 압축형 앵커인 경우 수직, 수평 이격거리에 따른 앵커체의 축력비(axial load ratio, Pw(case)/Pw(anchor only))의 변화를 보인 것이다. 그리고 Figs. 1011과 같이 수직 이격거리 0.5 D 이상인 경우와 수평 이격거리 0.75 D 이상인 경우가 초기 긴장력(Pw)에 상관없이 축력비가 거의 일정하게 나타났다. 앵커체의 축력비 변화가 크다는 것은 앵커의 내적 안정성에 문제가 있음을 의미한다. 앵커체의 축력비 증가는 그라우트에 긴장력이 집중돼 예측하지 못한 변위를 유발시키는 반면, 축력비의 감소는 그라우트와 앵커체의 마찰저항이 원활하지 발휘되지 못함을 의미한다. 따라서 이 같은 사항을 고려해 원지반내 설치된 앵커가 압축형 앵커인 경우 수직 이격거리인 경우 0.5 D 이상, 수평 이격거리인 경우 0.75 D 이상이 요구된다.

Fig. 10.

Axial Load Ratio with Vertical Space, for Compression Anchor


Fig. 11.

Axial Load Ratio with Horizontal Space, for Compression Anchor


Fig. 12는 수직 이격거리에 따른 압축형 앵커의 경계면에 발생된 전단력비를 비교한 것이다.초기 긴장력이 500 kN인 경우 전단력비는 이격거리의 증가에 따라 감소한 후, 이격거리가 0.5 D부터 일정하였으며 이격거리에 따른 전단력비는 1.0~1.30 정도인 것으로 나타났다. 또한 초기 긴장력이 1,000 kN인 경우도 초기 긴장력 500 kN인 경우와 유사한 전단력비의 변화를 보였으며, 이격거리에 따른 전단력비는 1.30~1.55 정도인 것으로 나타났다.

Fig. 12.

Shear Force Ratio with Vertical Space, for Compression Anchor


Fig. 13은 수평 이격거리에 따른 앵커 경계면의 전단력비를 비교한 것이다. 초기 긴장력이 500 kN인 경우 그림에서 보는 것과 같이 전단력비는 1.10~1.30 정도이며, 이격거리가 증가함에 따라 전단력비는 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 13.

Shear Force Ratio with Horizontal Space, for Compression Anchor


또한 이격거리가 0.75 D 이상부터 전단력비가 일정하였다. 초기 긴장력이 1,000 kN인 경우는 Fig. 13(b)에서 보는 것과 같이 앵커의 전단력비는 1.20~1.62 정도이었으며 초기 긴장력이 500 kN인 경우와 유사하게 이격거리 0.75 D 이상부터 전단력비가 일정한 것으로 나타났다.

Fig. 14는 수평 이격거리에 따른 최대, 최소 전단력비를 비교한 것이다. 초기긴장력 1,000 kN인 경우 압축형 앵커의 최대, 최소 전단력비가 긴장력 500 kN인 경우 보다 큰 것으로 나타났다. 또한 이격거리가 증가함에 따라 터널과 앵커의 간섭효과의 감소로 인해 최대, 최소의 전단력비가 감소하였으며, 이격거리 0.75 D 이상부터는 일정하였다.

Fig. 14.

Comparison of Shear Force Ratio with Horizontal Space


Fig. 15는 수직 이격거리에 따른 최대, 최소 전단력비를 비교한 것이다. 초기긴장력이 1,000 kN인 압축형 앵커의 최대, 최소 전단력비는 긴장력이 500 kN인 경우보다 큰 것으로 나타났다. 또한 이격거리가 증가함에 따라 터널과 앵커의 간섭효과의 감소로 인해 최대, 최소의 전단력비가 감소하였으며, 이격거리 0.5 D 이상부터는 일정하였다. 따라서 Figs. 14, 15에서와 같이 수평, 수직이격거리에 따른 최대, 최소 전단력비를 비교한 결과 터널의 수직 이격거리보다 수평 이격거리에 크게 좌우되며, 앵커와 지반 경계면에 발생된 전단력 변화에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

Fig. 15.

Comparison of Shear Force Ratio with Vertical Space


5. 결론

본 연구는 현장에 많이 적용되고 있는 압축형 앵커가 설치된 지반을 대상으로 터널 근접시공시 앵커와 터널의 적정 이격거리를 제안하고자 수치해석을 수행하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

  • (1) 초기긴장력이 큰 앵커가 터널 근접시공으로 인한 간섭효과로 앵커와 지반의 경계면에 발생되는 전단력이 긴장력이 작은 경우보다 상대적으로 크게 발생된다.

  • (2) 터널과 앵커의 간섭효과는 터널의 수직 이격거리보다 수평 이격거리에 크게 좌우되며, 앵커와 지반 경계면에 발생된 전단력 변화에 큰 영향을 미친다.

  • (3) 터널 근접시공시 원지반에 설치된 압축형 앵커의 경우, 적정 설치이격거리는 앵커의 초기 긴장력과 관계없이 수직 이격거리의 경우 터널반경의 0.5 D 이상을, 수평 이격거리의 경우 터널반경의 0.75 D 이상을 확보해야 한다.

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