(57)【要約】【課題】  近接した状態で配置された併設トンネルの構築において、トンネル間の中間部分に作用する荷重を考慮して設計し、中間部分が安定性した併設トンネルを提供する。【解決手段】  構築すべき併設トンネルの土被りＨと併設トンネルの全幅Ｄａを比較する。土被りＨがトンネル全幅Ｄａより長い場合には、トンネル天端から前記トンネル全幅長さＤａ分をモデル化して、以浅の地山部分Ｙをモデル化せずに有限要素法による解析を行うことを特徴とする。【選択図】  図１０
2005180097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル間が近接して配置された併設トンネルの設計方法であって、
構築すべき併設トンネルの土被りと併設トンネルの全幅を比較し、
前記土被りがトンネル全幅より短い場合には、併設トンネル間の中間部分に作用する荷重Ｐを
【数１】
2005180097.tif 000007
と設定し、又は
前記土被りがトンネル全幅より長い場合には、前記中間部分に作用する荷重（Ｐ）を
【数２】
2005180097.tif 000008
と設定して有限要素法による解析を行うことを特徴とする併設トンネルの設計方法。
【請求項２】
前記土被りがトンネル全幅より長い場合に、トンネル天端から前記トンネル全幅長さ分をモデル化し、以浅の地山部分をモデル化せずに有限要素法による解析を行うことを特徴とする請求項１に記載の併設トンネルの設計方法。
【請求項３】
前記併設トンネルを構築する地山の弾性係数が、２００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の併設トンネルの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル間が近接して配置された併設トンネルの設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、トンネルの中心間が近接した併設トンネル（めがねトンネル又は超近接トンネル）は、一般的に、先行施工と後行施工の相互影響を考慮して、一方のトンネルの中心から他方のトンネルの中心までの間隔を各々のトンネルの直径の３倍程度確保していた。しかし、施工場所によっては、立地条件等の制約を伴いトンネル同士の間隔を充分に確保することが困難であり、２つのトンネルを近接して構築しなければならないことがあった。このようなトンネルの間隔を近接して併設トンネルを構築する場合には、トンネルの中間部分には大きな荷重が作用するため、トンネル間に支保工を共有するコンクリート構造物を設置する場合がある。
【０００３】
図１を参照して説明すると、トンネル間に設置する前記コンクリート構造物は、通常センターピラーと称されており、２つのトンネル３ａ，３ｂが支保部材２ａ，２ｂを支持するセンターピラー１を共有する（めがねトンネル）。このセンターピラー１には、トンネル３ａ，３ｂ間の中央導坑と、併設された２本のトンネル３ａ，３ｂの掘削による応力集中が生じる。従って、２つのトンネルを近接して設けた併設トンネルの施工に際しては、支持構造物となるセンターピラーの安定性が極めて重要である。また、超近接トンネルは、トンネル間に前記センターピラーを設けず、離間距離がほんとどない。そのため、超近接トンネルにおいても、その中間部となる地山に応力集中が生じ、設計に際しては、中間部地山の安定性が重要である。
【０００４】
しかし、前述のような近接した併設トンネルの施工例は少なく、その設計法は確立されていない。そのため、センターピラー又は中間部地山の内部発生応力に注目した検討を充分に行うことは困難であり、センターピラーへ作用する荷重の設定を容易に行うことは出来なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、近接した状態で配置された併設トンネルの構築において、トンネル間の中間部分に作用する荷重を考慮して設計を行い、安定した構造の併設トンネルを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために以下のように構成されている。すなわち、トンネル間が近接して配置された併設トンネルの設計方法であって、構築すべき併設トンネルの土被りと併設トンネルの全幅を比較し、前記土被りがトンネル全幅より短い場合には、併設トンネル間の中間部分に作用する荷重（Ｐ）を
【数１】
2005180097.tif 000003
と設定し、又は、
前記土被りがトンネル全幅より長い場合には、前記中間部分に作用する荷重（Ｐ）を
【数２】
2005180097.tif 000004
と設定することを特徴とする。
【０００７】
本発明は、前記式１、式２を用いて、構築すべき併設トンネルの土被りと併設トンネル全幅との関係から、トンネル間の中間部分に作用する荷重を設定する。そのため、従来、考慮することが困難であった中間部分の安定性を充分に考慮することが可能となり、トンネル中間部分の安定性を向上させることができる。尚、前記式１、式２については、後述する実施の形態において詳細に説明する。そして、前記設定に基づいて有限要素法による解析を行い併設トンネルを構築することにより、安定した構造のトンネルを構築することができる。
【０００８】
尚、本発明に係る設計方法は、トンネルの中間部分に設けられるセンターピラーの有無に関わらず、トンネル間が近接して配置された併設トンネルに好適に用いることができる。ここで、トンネルの中間部分に設けられるセンタピラーについて詳細に説明する。図２は、トンネルに作用する力をモデル化して表した図であり、（ａ）は、単体トンネルであり、（ｂ）は、併設トンネルである。トンネルの構築に際しては、地盤応力の解放によりトンネルの支保部材に大きな力が作用し（図示する矢印）、トンネルは沈下する方向に変形する。これは、単体のトンネルであっても、併設トンネルであっても同じである。しかし。併設トンネルでは、相互のトンネルの掘削影響が中間部分に作用するため、中間部分には大きな力が作用することとなる。そのため、中間部分に位置する支保部材２ａ，２ｂの応力状態は厳しいものとなる。このような場合に、応力状態が厳しくなる箇所の支保部材２ａ，２ｂをセンタピラー１で置換する。なお、このセンタピラーを設けるか否かは、中間部分に作用する応力だけでなく、支持地盤の強度等を考慮して判断する。
【０００９】
また、本発明に係る併設トンネルの設計方法は、土被りがトンネル全幅より大きい場合に、トンネル天端から前記トンネル全幅長さ分をモデル化し、以浅の地山部分をモデル化しないことを特徴とすることが望ましい。
【００１０】
前述のように、トンネル間の中間部分に作用する荷重は、前記式１、式２において設定することができる。この式１、式２によれば、有限要素法による解析の際に、土被りがトンネル全幅より大きい場合に、トンネル天端から前記トンネル全幅長さ分をモデル化し、以浅の地山部分を考慮する必要がないことがわかる。従って、このようにモデル化することによって、トンネルの中間部分に対しての構造的な検討を十分に行うことが可能となる。よって、近接した併設トンネルの信頼性を向上させることが可能となる。
【００１１】
加えて、本発明に係る併設トンネルの設計方法は、前記併設トンネルを構築する地山の弾性係数が、２００ＭＰａ以下であることが望ましい。
【００１２】
前記中間部分の作用荷重は、前記式１、式２によって設定する。本出願人は、後述する実施の形態において、既存のトンネルの中間部分に作用する荷重と、
前記式１、式２によって算出した中間部分の作用荷重とを比較考慮した。その結果、特に、トンネルを構築する地山の弾性係数が比較的小さい場合に式１、式２によって算出した作用荷重が実測した値と概ね一致するという結果を得た。従って、本発明に係る設計方法は、弾性係数が比較的小さい２００ＭＰａ以下の地山に構築する併設トンネルの設計に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る併設トンネルの設計方法によれば、近接した状態で配置された併設トンネルにおいて、トンネル間の中間部分に作用する荷重を考慮し、トンネルの構造上の信頼性を向上させることができる。また、トンネル間にコンクリート構造物が配置された併設トンネルにおいては、コンクリート構造物に作用する荷重を考慮することができるため、コンクリート構造物の安定性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、図１に示す併設トンネルを有限要素法を用いて設計を行い、この設計に基づいた構築である。図１に示す併設トンネルは、左右のトンネル３ａ，３ｂが互いに近接して設けられており、各々のトンネル３ａ，３ｂの支保部材２間にはコンクリート製のセンターピラー１が設けられている。このような状況で、併設トンネルを構築する地山の弾性係数、応力解放率、土被り比、併設トンネルの中間部分となるセンターピラーに作用する荷重をパラメータとしたシミュレーションを行い、併設トンネルの応力解析を行った。尚、本解析においては、２次元平面ひずみ状態とし、施工工程を出来る限り忠実に再現することとした。図３にその解析ステップを示す。また、覆工は、併設トンネルの施工において最終工程となる場合が多いことから本解析においては考慮しなかった。
【００１５】
本実施の形態においては、まず、センターピラー１へ作用する荷重に着目して解析を行った。この解析によって得られたセンターピラー荷重比と地山弾性係数との関係を図４に示す。図４は、縦軸をセンターピラー荷重比として、横軸を地山の弾性係数としており、応力解放率を４０％に設定したものである。なお、センターピラー荷重比は、センターピラーへ作用する荷重の解析値を設定値Ｐで除した値である。設定値Ｐは、トンネルの土被りＨとトンネルの全幅Ｄａを比較考慮して、以下の２式に基づいて設定した（図９参照）。
【数１】
2005180097.tif 000005
【数２】
2005180097.tif 000006
図４から、地山の弾性係数が大きくなるに従って、センターピラー荷重比が小さくなる傾向であることがわかる。
【００１６】
次いで、図４の横軸を地山の弾性係数から土被り比に変更すると、センターピラー荷重比と土被り比の関係を示す図５が得られる。図５には、地山弾性係数２０ＭＰａと２００ＭＰａの場合を示した。図５によれば、土被り比１．０を境にして、土被り比が１．０より小さな場合には、土被り比が大きくなるに従って、センターピラー荷重比が小さくなり、土被り比が１．０より大きな場合には、土被り比が大きくなるに従って、センターピラー荷重比が少し大きくなることがわかる。
【００１７】
さらに、縦軸をセンターピラー荷重比、横軸を応力解放率とした解析結果を図６に示す。図６は、地山の弾性係数が２００ＭＰａの場合の解析結果である。図６から、応力解放率が大きくなるに従って、センターピラー荷重比が小さくなることがわかる。しかし、その変化は小さい。また、図示しないが、地山の弾性係数が２０ＭＰａの場合においても、図６と同様の結果が得られた。これらより、応力解放率がセンタピラーに作用する荷重に及ぼす影響は少ないことがわかる。
【００１８】
ここで、前記式１、式２によって算出された設定荷重Ｐの当否を確認するために、式１、式２よって算出された設定荷重Ｐと既存のトンネルの中間部分に作用する実測値とを比較検討する。まず、図７に示す弾性係数が比較的小さい地山の３カ所の現場において、センターピラー１に作用する荷重を計測した。この結果を図８に示す。図８は、センターピラー１に作用する荷重の測定値を設定荷重で除したセンターピラー荷重比を縦軸とし、土被りＨをトンネル全幅Ｄａで除した土被り比を横軸として表したものである。この設定荷重Ｐは、土被り比との関係を考慮して、前記式１、式２によって算出した値である。
【００１９】
図８から、地山の弾性係数が比較的小さな併設トンネルにおいては、センターピラー荷重比が１．０に近い値である。すなわち、地山の弾性係数が比較的小さな併設トンネルにおいては、式１、式２で設定した土被り比荷重相当の荷重がセンターピラー１に作用することが理解できる。よって、式１、式２によって算出した設定荷重は、概ね妥当であることがわかる。特に、地山の弾性係数が小さい併設トンネルにおいては、式１、式２によっ
て算出した設定荷重と計測した荷重はほぼ一致することがわかる。尚、図８からも明確なように、センターピラーへ作用する荷重は、一定の上限があるため、その点に注意が必要である。図９に、式１、式２を模式的に表した図を示す。
【００２０】
この現場計測結果を前述した有限要素法を用いた解析結果と比較すると、両者が概ね一致するのは、地山の弾性係数が比較的小さく、土被り比が１．０以下の場合であることがわかる。すなわち、地山の弾性係数が比較的小さく、土被り比が１．０以下の場合には、特に本発明に係る設計方法を好適に用いることができると判断される。
【００２１】
前記現場計測結果と有限要素法を用いた解析の結果から、地山の弾性係数が比較的小さな併設トンネルにおいては、センターピラー１には、式１、式２で評価した荷重が作用することがわかった。また、併設トンネルの複雑な形状、施工工程を考慮するためには、有限要素法を用いた解析が有用な手段である。有限要素法を用いた解析では、地山の物理性、センターピラーコンクリートの物理性を考慮した解析を実施し、施工工程最終段階において設定荷重がセンターピラーに作用することを確認するとともに、センターピラーの安定性が最も損なわれる施工段階を選定する。
【００２２】
なお、前記有限要素法を用いた解析及び現場での計測結果に基いて、土被りＨが併設トンネル全幅Ｄａより大きな場合においては、トンネル天端から１・Ｄａまでの領域をモデル化し、以浅の地山部分Ｙについては考慮しない。このモデル化した模式図を図１０に示す。このようなモデル化では、少なくとも支保部材２、支保構造物に発生する応力を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態に係る併設トンネルの概略図である。
【図２】トンネルに作用する応力をモデル化して表した図である。（ａ）は単体トンネルであり、（ｂ）は併設トンネルである。
【図３】本実施の形態に係る併設トンネルの解析ステップである。
【図４】有限要素法を用いた解析によって得られたセンターピラー荷重比と地山弾性係数の関係を示す図である。
【図５】有限要素法を用いた解析によって得られたセンターピラー荷重比と土被り比の関係を示す図である。
【図６】有限要素法を用いた解析によって得られたセンターピラー荷重比と応力解放率の関係を示す図である。
【図７】センターピラーに作用する荷重を実測した現場の一覧である。
【図８】センターピラーに作用する荷重の現場での計測結果である。
【図９】式１、式２によって設定されるセンターピラーに作用する設定荷重を模式的に表した図である。
【図１０】土被りがトンネル全幅より長い場合の有限要素法解析におけるモデル化を表した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  センターピラー
２ａ，２ｂ  支保部材
３ａ，３ｂ  トンネル
【図１】
2005180097.tif 000009
【図２】
2005180097.tif 000010
【図３】
2005180097.tif 000011
【図４】
2005180097.tif 000012
【図５】
2005180097.tif 000013
【図６】
2005180097.tif 000014
【図７】
2005180097.tif 000015
【図８】
2005180097.tif 000016
【図９】
2005180097.tif 000017
【図１０】
2005180097.tif 000018