(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、地盤の弾性係数Ｅ、粘着力ｃ、内部摩擦角φを含む地盤の強度・変形パラメータと、トンネルの径と、トンネルの土被り厚と、鏡止めボルトの打設ピッチと、を入力条件として有限差分解析、有限要素解析を含む数値解析を実施し、鏡止めボルトの前記打設ピッチごとに、前記強度・変形パラメータの値に応じた鏡面の安定と崩壊の閾値を決定し、該閾値に関するグラフ図形を作成することを特徴とする鏡止めボルトの設計方法。
【請求項２】
前記数値解析においては、鏡止めボルトの前記打設ピッチを所定の値に設定し、かつ地盤の前記強度・変形パラメータとして、まず小さな任意の値を設定して三次元の有限差分法に基づく数値解析を実施し、該数値解析によって鏡面の最大せん断ひずみを算定し、設定された地盤の前記強度・変形パラメータに基づく限界最大せん断ひずみと前記最大せん断ひずみとが等しくなる条件に基づいて対応する閾値が決定され、前記強度・変形パラメータを順次大きな値に設定しながら数値解析を実施して対応する閾値を順次決定し、決定された閾値同士を繋ぐことにより、鏡止めボルトの任意の打設ピッチにおける前記閾値に関するグラフ図形が作成されることを特徴とする請求項１に記載の鏡止めボルトの設計方法。
【請求項３】
前記数値解析が三次元有限差分法に基づく掘削に応じたステップ解析であり、該ステップ解析に基づいて、既に入力された鏡止めボルトの地盤内の残長部にラップさせる次打設の鏡止めボルトの打設のタイミングとラップ長を決定することを特徴とする請求項２に記載の鏡止めボルトの設計方法。
【請求項４】
前記グラフ図形の縦軸がｃ／（γＤ）であって横軸がφであり、鏡止めボルトの打設ピッチごとで、かつ地盤の弾性係数ごとに閾値ラインがグラフ化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鏡止めボルトの設計方法。ここで、ｃは地盤の粘着力、γは地盤の単位体積重量、Ｄはトンネルの径、φは地盤の内部摩擦角を示す。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の鏡止めボルトの設計方法によって予め前記グラフ図形を算定しておき、求められた地盤の強度・変形パラメータと、計画されたトンネルの径と、トンネルの土被り厚と、任意に設定した鏡止めボルトの鏡面における打設ピッチとから、鏡面が安定する打設ピッチを前記グラフ図形に基づいて設定し、鏡止めボルトを打設することを特徴とする鏡止めボルトの打設方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル施工の補助工法である鏡止めボルト工法に適用される鏡止めボルトの設計方法と、該設計方法に基づく鏡止めボルトの打設方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＡＴＭ工法は１９７６年に試験的に導入され、それ以降、山岳トンネルの主要な工法となってきており、近年では断面変更の自由度や経済性などの利点から都市部で採用されるケースが増加している。本来はシールド工法や開削工法にて施工されるべき未固結地山で、かつ土被りの浅いトンネルを山岳トンネル工法にて掘削するためには、種々の補助工法を駆使する必要がある。トンネル標準示方書[山岳工法編]・同解説（土木学会）によれば、かかる補助工法の目的を「施工の安全性」と「周辺環境の保全」のためとしている。土被りの浅い都市部では、施工の安全性として切羽（鏡面）の安定対策が、周辺環境の保全としては地上構造物に対する地表面沈下対策が特に重要となる。
【０００３】
ところで、近年、長尺鏡止めボルト工法が、施工機械やボルト材料、注入／定着材料の発達等によってその施工実績を増加させている。この工法は、上記する切羽（鏡面）の安定対策と地上構造物に対する地表面沈下対策の双方の対策に対して有効な補助工法である。具体的には、解放自由面である切羽をボルトで補強することにより、該切羽の安定化のみならず、切羽前方地山のゆるみ領域の拡大を抑制でき、その結果として地表面沈下の低減、内空変位の低減、支保の軽減を期待することができる。また、この工法では、切羽を安定化することによってトンネルの加背割り（トンネル掘削断面を分割して区画を決めること）を少なくし、より大きな断面を大きな機械で掘削することを可能としている。これにより、トンネルの断面閉合を早期におこなうことができ、周辺地山の安定を図ることができる。
【０００４】
上記するように、長尺鏡止めボルト工法は、トンネル施工時の補助工法として極めて有効な工法であるが、その一方で鏡止めボルトの打設ピッチ等の設定方法が確立していないという現状もある。この打設ピッチ等の設定方法に関しては、過去の実績から経験的に決定される場合が一般的であり、熟練者が地山の性状等を勘案して打設ピッチ等を決定している。
【０００５】
上記する経験的手法のほかには、村山の式（下式）や円弧すべり（図８参照）などから切羽に作用する土圧を算定して該切羽の安定に必要なボルトピッチを求め、さらには、切羽前方のすべり面までの距離を算定してボルトのラップ長を求める、いわゆる簡易計算設計法がある。より具体的には、切羽前方の緩んだ地山がすべり面に沿って切羽を押出そうとする力に対して、すべり面の抵抗力および切羽を拘束する力で抵抗すると考え、必要な切羽拘束力である下式におけるＰを求めることができる。図８の点Ｏまわりのモーメントの釣合い式である下の第一式から上記Ｐを求める下の第二式を得ることができる。ここで、既往の研究では、ボルト繋ぎ部の不確実性等を考慮して安全率を決定したり、一般の円弧すべり検討時に適用される安全率を取り入れることで最終的に必要なボルトの打設ピッチ（打設密度）を算定するものである。
【０００６】
【数１】
0004750615.tif 000002
【０００７】
また、そのほかの手法として、トンネルと長尺鏡止めボルトを三次元的にモデル化し、有限要素法、有限差分法、粒状体解析法などの数値解析をおこなうことで切羽の最大せん断ひずみを算定し、限界最大せん断ひずみを超えない範囲で必要なボルトピッチ等を求める、いわゆる数値解析法がある。
【０００８】
経験的手法では、長尺鏡止めボルトの設計仕様（材料仕様、打設ピッチ等）が設計者等の技量、経験等に委ねられることから、だれでも設計仕様を設定することができないという最大の欠点がある。一方、過去の施工実績と簡易計算設計法による計算結果とを発明者等が比較検討した結果によれば、簡易計算設計法による結果が過去の実績に適合していないということが実証されている。これは、地山の強度定数（粘着力、内部摩擦角）のみを用いて極限状態での安定計算をおこなっている結果に起因するものと考えられる。また、数値解析法によれば、精度のよい解析結果に基づいて長尺鏡止めボルトの設計仕様を決定することができる一方で、解析に長時間を要してしまうという欠点がある。例えば、施工が開始した後に不良地山が出現した場合には、設計条件を変更して再度の解析を実施することにより、工期の大幅な遅れに繋がってしまう。
【０００９】
ところで、上記する数値解析法を適用した鏡ボルトの設計方法に関する発明が特許文献１に開示されている。この設計方法は、地山の強度・変形パラメータを設定し、鏡面の無補強状態で三次元数値解析を実施し、鏡の押出量が掘削計測データに基づく基準値以内か否かを判定し、基準値を逸脱している場合に所定ピッチの鏡ボルトを設定し、三次元数値解析を再度実施して、鏡の押出量が掘削計測データに基づく基準値以内か否かを判定するというものである。再度の押出量と基準値との比較判定の結果、押出量が基準値を逸脱している場合には、鏡ボルトの降伏の要否からボルトの打設本数を増加させたり、ボルト定着材の強度をアップさせ、三次元数値解析を再度実施して同様の検討をおこなうというものである。
【特許文献１】特開２００３−３２１９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示の鏡ボルトの設計方法によれば、掘削計測データに基づいて押出量の基準値を設定し、三次元数値解析を繰り返して実施することで、高い精度で鏡ボルトの仕様を決定することができると考えられる。しかし、この基準値は、実際に地山の掘削がはじまってから求められるものであり、したがって、工事の初期に鏡ボルトの仕様を決定できるか否かが不明である。また、この鏡面の安定と崩壊の閾値となる基準値が当該特許文献１からは明確に認識できない。さらには、地山の掘削データに基づいて三次元数値解析を繰り返し実施する方法によるため、掘削中に不良地山に遭遇した場合に鏡止めボルトを打設する必要が生じた際に初めて解析が開始されるのでは、鏡止めボルトの仕様を決定するまでに長時間を要すことは必至であり、工期の大幅な遅れが招来されることは否めない。トンネル工事では、かかる不測の事態に直面することが往々にしてあることからしても、工期に影響を与えない鏡止めボルトの設計方法の確立が望まれるところである。
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、高い精度（対象地山の性状に則し、かつ経済的に）で鏡止めボルトの仕様、特に、その打設ピッチを設定することができ、かつ、経験や技量を要すことなく簡易かつ短時間に鏡止めボルトの打設ピッチを地山に則して設定することのできる鏡止めボルトの設計方法と、この設計方法に基づく鏡止めボルトの打設方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明による鏡止めボルトの設計方法は、少なくとも、地盤の弾性係数Ｅ、粘着力ｃ、内部摩擦角φを含む地盤の強度・変形パラメータと、トンネルの径と、トンネルの土被り厚と、鏡止めボルトの打設ピッチと、を入力条件として有限差分解析、有限要素解析を含む数値解析を実施し、鏡止めボルトの前記打設ピッチごとに、前記強度・変形パラメータの値に応じた鏡面の安定と崩壊の閾値を決定し、該閾値に関するグラフ図形を作成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の鏡止めボルトの設計方法は、鏡止めボルトの打設ピッチ（または打設密度（本／ｍ２））とトンネルの土被り厚を任意に設定（固定）し、地盤の強度・変形パラメータと、トンネルの径とを変数として数値解析を実施することにより、強度・変形パラメータの値に応じた鏡面の安定と崩壊の閾値を決定し、最終的に算定された閾値同士を繋ぐことにより、あるトンネルの土被り厚に対する地盤性状と打設ピッチに関するグラフ図形を作成する方法である。
【００１４】
本発明では、任意に設定された鏡止めボルトの打設ピッチ（例えば１．５ｍピッチ）に対して地盤の変形パラメータである弾性係数Ｅ、粘着力ｃ、内部摩擦角φなどを多様に変化させて多様なバリエーションのグラフ図形を作成しておき、これを多様な鏡止めボルトの打設ピッチ（例えば、１ｍピッチ、１．２ｍピッチ、１．８ｍピッチなど）ごとに作成しておく。例えば、鏡止めボルトの打設ピッチを１．５ｍピッチ、弾性係数Ｅを１５０Ｍｐａに設定し、この設定条件下にて粘着力ｃ、内部摩擦角φをパラメータとする数値解析を実施する。ここで、数値解析はトンネルと鏡止めボルトを三次元的にモデル化した上で有限差分解析や有限要素解析などに基づいておこなわれるのが好ましい。
【００１５】
数値解析にて粘着力ｃ、内部摩擦角φをパラメータとした場合の鏡面の安定と崩壊の閾値をそれぞれ求め、この閾値に基づいてグラフ図形を作成する。打設ピッチを１．５ｍピッチのままで、弾性係数Ｅを別の１００Ｍｐａに設定し直し、同様の数値解析を実行して閾値に基づいてグラフ図形を作成する。さらに別途の弾性係数Ｅの場合のグラフ図形を求めるとともに、別途の打設ピッチにおいても同様に複数の弾性係数Ｅにおけるグラフ図形を求めておく。なお、この弾性係数Ｅは、対象地盤で想定される値や代表的な値などから効率的に選定されるのが好ましい。
【００１６】
本発明の鏡止めボルトの設計方法によれば、実際にトンネルが施工される地山の物性値（上記する強度・変形パラメータ）が求められた段階では、既に作成されたグラフ図形に該地山の物性値を照らし合わせるだけで鏡止めボルトの打設ピッチを一義的に決定することが可能となる。この決定作業には、何らの技量や経験を必要としない。また、トンネル工事での掘削段階で不良地山に遭遇した場合でも、その物性値を既に作成されたグラフ図形に照らし合わせるだけで、鏡止めボルトの打設ピッチを一義的に決定することができ、または臨機に鏡止めボルトの打設ピッチの変更をおこなうことができる。
【００１７】
また、本発明による鏡止めボルトの設計方法の他の実施の形態は、前記数値解析においては、鏡止めボルトの前記打設ピッチを所定の値に設定し、かつ地盤の前記強度・変形パラメータとして、まず小さな任意の値を設定して三次元の有限差分法に基づく数値解析を実施し、該数値解析によって鏡面の最大せん断ひずみを算定し、設定された地盤の前記強度・変形パラメータに基づく限界最大せん断ひずみと前記最大せん断ひずみとが等しくなる条件に基づいて対応する閾値が決定され、前記強度・変形パラメータを順次大きな値に設定しながら数値解析を実施して対応する閾値を順次決定し、決定された閾値同士を繋ぐことにより、鏡止めボルトの任意の打設ピッチにおける前記閾値に関するグラフ図形が作成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、設計方法の一実施の形態に関するものであり、有限差分法に基づく数値解析によって鏡面の最大せん断ひずみを算定し、地盤の前記強度・変形パラメータに基づく限界最大せん断ひずみとこの最大せん断ひずみとが等しくなる条件に基づいて閾値を決定するものである。このグラフ図形としては、グラフの縦軸がｃ／（γＤ）であって横軸がφであり、鏡止めボルトの打設ピッチごとで、かつ地盤の弾性係数ごとに閾値ラインをグラフ化する実施の形態などがある。
【００１９】
ここで、Ｄはトンネルの径であり、本発明の設計方法ではこの値をもパラメータとしたものである。なお、そのほかに、土被り厚や側圧係数等をパラメータとすることもできる。
【００２０】
既述する特許文献１に開示の設計方法では、鏡止めボルトの降伏の有無をもってその打設量の増加が検討されているが、ボルトが降伏しても鏡面が限界ひずみを超えていなければ鏡面の崩壊はない。したがって、鏡止めボルトの降伏の有無ではなく、鏡面のひずみとその限界ひずみとを比較することがより直接的な評価方法であると言える。そこで、本発明では、この鏡面のひずみに基づいて安定／崩壊の判定をおこない、設定されたボルトの打設ピッチと弾性係数Ｅに対する安定／崩壊を区画するラインを決定する。
【００２１】
また、本発明による鏡止めボルトの設計方法の他の実施の形態は、前記数値解析が三次元有限差分法に基づく掘削に応じたステップ解析であり、該ステップ解析に基づいて、既に入力された鏡止めボルトの地盤内の残長部にラップさせる次打設の鏡止めボルトの打設のタイミングとラップ長を決定することを特徴とする。
【００２２】
ステップ解析を実行することにより、例えば鏡止めボルトの地盤内の残長が５ｍの場合〜０ｍの場合における鏡面の最大ひずみを算定し、この値が限界最大ひずみを超える領域が出現する、ないしは限界最大ひずみを超える領域が全鏡面に対して所定の割合以上となるステップを求めることができる。例えば、残長が２ｍの場合のステップにおいて鏡面が崩壊すると判断できる場合、その前掘削ステップである残長が３ｍの場合のステップにおいて、残長部に次の鏡止めボルトを所定長ラップさせながら（例えば、３ｍラップさせる）打設するといった施工計画を立てることが可能となる。
【００２３】
本発明の設計方法によれば、鏡止めボルトの打設ピッチに加えて、掘削に応じて盛替えが必要となる鏡止めボルトの打設のタイミングやラップ長を精度よく設定することが可能となる。
【００２４】
さらに、本発明による鏡止めボルトの打設方法は、前記鏡止めボルトの設計方法によって予め前記グラフ図形を算定しておき、求められた地盤の強度・変形パラメータと、計画されたトンネルの径と、トンネルの土被り厚と、任意に設定した鏡止めボルトの鏡面における打設ピッチとから、鏡面が安定する打設ピッチを前記グラフ図形に基づいて設定し、鏡止めボルトを打設することを特徴とする。
【００２５】
多様な鏡止めボルトの打設ピッチと地盤の強度・変形パラメータに応じたグラフ図形を予め作成しておくことで、地山の物性値が特定された段階で即座に鏡止めボルトの打設ピッチを決定することが可能となる。また、臨機に鏡止めボルトの打設ピッチの変更をおこなうことも可能となる。なお、実際の鏡止めボルトの打設は油圧ジャンボ等の公知の打設マシンを使用しておこなわれる。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明の鏡止めボルトの設計方法および鏡止めボルトの打設方法によれば、精度の高い数値解析を実行し、多様な鏡止めボルトの打設ピッチと地盤の強度・変形パラメータに応じたグラフ図形を予め作成しておくことにより、地山の物性値が特定された段階で一義的かつ即座に鏡止めボルトの設計ピッチを決定ないしは変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、長尺鏡止め工法の概要を示した縦断図を、図２は、鏡面のボルトの打設ピッチを示した模式図であって、図２ａは１．２ｍピッチの場合の図を、図２ｂは１．８ｍピッチの場合の図をそれぞれ示している。図３は、鏡止めボルトの打設ピッチの検討フロー図を、図４は、３ケースの打設ピッチにおけるグラフ図形を、図５は、施工実績とグラフ図形とを比較した図をそれぞれ示している。図６は、鏡止めボルトのラップ長の検討フロー図を、図７は、掘削ステップに応じたステップ解析結果の一実施の形態を示した図をそれぞれ示している。
【００２８】
図１は、長尺鏡止めボルト工法の概要を示した縦断図である。この工法は、対象地山Ｇの切羽面（鏡面Ｇ１）にほぼ垂直に鏡面Ｇ１の前方へ長尺のボルトＢ，Ｂ，…を油圧ジャンボＨ等にて打設し、自由面である鏡面Ｇ１を掘削に先行して補強する工法である。この長尺鏡止めボルトＢ，Ｂ，…は掘削によって切断され、残長が短くなった際にオーバーラップさせて次のシフトの長尺鏡止めボルトが施工される。オーバーラップ長（ラップ長）は、３〜６ｍ程度に設定することができるが、地山の物性や施工サイクル等によってラップ長が決定される。また、長尺鏡止めボルトは、長さ３ｍ程度の短尺ボルトを複数本ねじ式接合しながら長尺化させている。ここで、長尺とは、例えば１０ｍ以上のボルト長を意味しており、道路トンネルや鉄道トンネルの施工に際し、鏡面前方を例えば１Ｄ（Ｄ：トンネル径）程度補強でき、掘削に伴って鏡面前方で発生する先行変位に反応して軸力を発生し、鏡面の変形を抑制する効果が期待できるボルト長のことである。
【００２９】
図２は、鏡面のボルトの打設ピッチを示した模式図である。図２ａは、１０ｍ径のトンネル断面（鏡面Ｇ１）に対して、長尺ボルトＢ，Ｂ，…の打設ピッチを１．２ｍピッチとした場合の模式図であり、図２ｂは、同径トンネルで、打設ピッチを１．８ｍピッチとした場合の模式図である。この打設ピッチは、そのほかにも１．５ｍ、２ｍなど、地山の物性や施工性等によって適宜のピッチを選定できる。
【００３０】
次に、図３に示す鏡止めボルトの打設ピッチの検討フロー図に基づいて、任意に設定された打設ピッチにおける鏡面が安定となる地山物性値の算定方法を説明する。
【００３１】
まず、対象地山の物性値を設定する（ステップＳ１０）。この地山の物性値としては、弾性係数：Ｅを代表とする地盤の変形パラメータ、粘着力：ｃ、内部摩擦角：φをはじめとする地盤の強度パラメータを挙げることができる。
【００３２】
まず、長尺ボルトの打設ピッチを１．５ｍピッチなどの任意の値に固定し、地山とボルトの三次元モデルを作成する（ステップＳ１１）。さらに、地盤の物性値の設定は、例えば、弾性係数を１５０ＭＰａなどの任意の値に固定し、内部摩擦角を仮に１０°に固定して粘着力を変化させながら三次元掘削解析（三次元の掘削ステップに応じたステップ解析）をおこなう（ステップＳ１２）。
【００３３】
この三次元掘削解析に際して使用する解析ソフトとして、例えば市販のＦＬＡＣ３Ｄ（Ｆａｓｔ  Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｉｎｕａ  ｉｎ  Ｔｈｒｅｅ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ  ，  Ｉｔａｓｃａ  ＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＧｒｏｕｐ，  Ｉｎｃ製、商品名）を適用することができる。
【００３４】
三次元掘削解析により、鏡面における最大せん断ひずみ：γの分布が算定される（ステップＳ１３）。
【００３５】
一方、地山の物性を設定した後、別途のルートでは、鏡面における限界ひずみ（の下限値）を用い、所定の安全率を考慮して限界最大せん断ひずみ：γcを算定する（ステップＳ１４）。
【００３６】
算定された最大せん断ひずみ：γと限界最大せん断ひずみ：γcとを比較し（ステップＳ１５）、γ＜γcならば鏡面は安定であると判断でき（ステップＳ１６）、任意に固定された長尺ボルトの打設ピッチ、地盤の弾性係数、地盤の内部摩擦角、設定された地盤の粘着力において、長尺ボルトの打設ピッチが妥当であると判断できる。
【００３７】
一方、γ＞γcならば鏡面は崩壊すると判断でき（ステップＳ１７）、設定された条件にて長尺ボルトの打設ピッチが不当（打設密度が少なすぎる）であると判断できる。この場合は、長尺ボルトの打設ピッチを変更せず、この打設ピッチにて鏡面が安定するまで、地盤の各パラメータを変化させて（強度・変形パラメータを相対的に大きな値に設定し直す）、再度、三次元掘削解析と比較判定のステップを繰り返して実施する。例えば、内部摩擦角を１０°から１５°に上げて再計算をおこない、比較判定をおこなう。
【００３８】
上記の検討フローを、任意に固定された長尺ボルトの打設ピッチにおいて、地盤の弾性係数を変化させて同様におこない、さらには、これらの検討を別途の長尺ボルトの打設ピッチにおいて同様におこなうことにより、少なくとも、長尺ボルトの打設ピッチ、地盤の弾性係数、内部摩擦角、粘着力をパラメータとする多様な条件での解析結果を得ることができる。なお、トンネル径をこのパラメータに加えることにより、トンネルの規模をも勘案してより実用的な解析結果を得ることができる。また、検討フローの実行に際しては、地盤の強度・変形パラメータの各値を可及的に小さな値に設定して最初の解析を実施し、順次大きな値に変更していく手法が好ましい。
【００３９】
図４は、上記する図３の繰り返しフローに基づいて求められた、３ケースの打設ピッチに関するグラフ図形を示したものである。なお、この図形では、地盤の弾性係数を任意の値に設定しており、別途の弾性係数では、異なるグラフ図形が作成されることとなる。
【００４０】
図４において、Ｘ１は打設ピッチが１．２ｍの場合の鏡面の安定／崩壊の閾値ラインを、Ｙ１は打設ピッチが１．５ｍの場合の鏡面の安定／崩壊の閾値ラインを、Ｚ１は打設ピッチが１．８ｍの場合の鏡面の安定／崩壊の閾値ラインをそれぞれ示している。各ラインにおいて、その左下領域は鏡面が崩壊する領域であり、その右上領域は鏡面が安定する領域である。
【００４１】
図４に示すグラフ図形を、多様な打設ピッチごとに、また、それぞれの打設ピッチにおいて多様な弾性係数ごとに作成しておくことにより、施工予定のトンネルの径、トンネルの土被り厚が決定され、対象地盤の強度・変形パラメータが判明した段階で、その値（ｃ／γＤ，φ）がグラフ図形のどの位置にくるかを読むだけで、最適な打設ピッチを設定することが可能となる。
【００４２】
次に、発明者等が実施した解析結果であって、既述する簡易計算設計法による場合と図３に示す検討フローによる場合の、実際の施工実績との適／不適を検証した結果を図５に示す。
【００４３】
図中、Ｘ２は簡易計算設計法（安全率を１．２としている）による場合の閾値ラインを、Ｙ２は本発明の検討フローで弾性係数が１５０ＭＰａの場合の閾値ラインを、Ｚ２は本発明の検討フローで弾性係数が１００ＭＰａの場合の閾値ラインを、Ｗ２は本発明の検討フローで弾性係数が５０ＭＰａの場合の閾値ラインを示している。また、点Ｐ１〜Ｐ５は順に、弾性係数が１０、１３、６８、１２６、５０ＭＰａの場合の施工実績をプロットした点である。
【００４４】
図から、簡易計算設計法によるグラフ図形は施工実績と大きく異なり、この簡易計算設計法によって求めたボルトの打設ピッチに対し、すべての施工実績の方がより密であることが分かる。また、本手法による検討結果によれば、内部摩擦角が大きくなると弾性係数の違いによる影響はほとんどなくなり、逆に内部摩擦角が小さいと弾性係数による解析結果の違いが顕著に現れることが特定された。なお、粘着力が小さく、内部摩擦角の大きな砂質土地山では、弾性係数の大きさが鏡面の安定性に与える影響が少ないものと特定される。また、弾性係数が大きいほど鏡面は安定する。
【００４５】
次に、図６に基づいて鏡止めボルトのラップ長の検討フローについて説明する。この検討において、図６に示すステップＳ２０〜ステップＳ２７までは、図３のステップＳ１０〜ステップＳ１７と同様のステップである。すなわち、図３に示す三次元の掘削ステップ解析を実施することにより、各ステップごとに鏡面における安定ないしは崩壊が判定されるため、このステップ解析結果に基づいてステップＳ２８にて次シフト打設のタイミングを決定することができる。例えば、鏡面で崩壊する領域が出現したステップを特定し、この１ステップ前で次シフト打設を設定するものである。
【００４６】
この崩壊領域が出現したステップの前ステップにおける長尺ボルトの残長ないしはそれに安全率を加味した長さをラップ長に設定することができる。安全率を加味したラップ長とするためには、崩壊領域が出現したステップの２ステップないしは３ステップ前のステップにて次シフトの打設をおこなう必要がある。
【００４７】
図７は、三次元の有限差分解析に基づく掘削解析を実行した際の各ステップ（各残長）ごとの鏡面の安定／崩壊を図化したものである。この解析では、長尺ボルトを掘進長４２ｍの鏡面まで設置し、残長が短くなるときの鏡面の最大せん断ひずみ分布に着目しており、内部摩擦角が２０°の場合で、地盤の弾性係数が５０ＭＰａ、打設ピッチを１．５ｍに設定している。図中、ハッチング部が崩壊領域である。この解析結果では、残長が１ｍになると急激にひずみ領域が広範囲に及ぶことから、この解析結果よりラップ長を３ｍ程度に設定することができる。
【００４８】
上記するように本発明の設計方法によれば、トンネル径、地盤の強度・変形パラメータを多様に変化させて解析を実施し、各設定ケースごとに鏡面の安定／崩壊の閾値ラインを図形化しておくことで、現場のトンネル径や地盤物性が判明した段階で、即座にボルトの打設ピッチを設定することが可能となる。したがって、この設計方法によってグラフ図形を作成しておき、このグラフ図形に基づいてボルトを打設する施工方法を適用することで、トンネル施工の開始後に不良地山が出現して設計変更を余儀なくされる場合でも、このグラフ図形に基づいて即座に打設ピッチの変更をおこなうことが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】長尺鏡止めボルト工法の概要を示した縦断図。
【図２】鏡面のボルトの打設ピッチを示した模式図であって、（ａ）は１．２ｍピッチの場合の図であり、（ｂ）は１．８ｍピッチの場合の図。
【図３】鏡止めボルトの打設ピッチの検討フロー図。
【図４】３ケースの打設ピッチにおけるグラフ図形。
【図５】施工実績とグラフ図形とを比較した図。
【図６】鏡止めボルトのラップ長の検討フロー図。
【図７】掘削ステップに応じたステップ解析結果の一実施の形態を示した図。
【図８】従来の簡易計算設計法にて適用される切羽の釣合いを示したモデル図。
【符号の説明】
【００５１】
Ｇ…地山、Ｇ１…鏡面、Ｂ…鏡止めボルト、Ｈ…油圧ジャンボ
【図１】
0004750615.tif 000003
【図２】
0004750615.tif 000004
【図３】
0004750615.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004750615.tif 000010