SENS の覆工の挙動解析
地盤工学研究室

阿部 広明

指導教官

杉本 光隆
玉井 達毅

1. はじめに
SENS で施工されたトンネルでは，未固結の一次

2.2 逐次解析(1) 一次覆工コンクリートの硬化過程

覆工コンクリート中の内型枠がシールド機から離れ一次覆工コンクリートが固体状態の場合，周辺地るに従って浮上がる現象が確認されている．これは，盤から土水圧は一次覆工コンクリートを介して内型内型枠が未固結な場所打ちコンクリートの浮力によ枠に作用する．そこで，一次覆工コンクリートを地って，上方に剛体変位したためと考えられる．また，

盤と内型枠間のスペーサーとみなし，一次覆工コン時間の経過とともに，未固結であった場所打ちコンクリートばねとして表現するとともに，地盤ばねとクリートは硬化し，地山からの有効土圧を受ける．

一次覆工コンクリートばねを直列に配置したものとこの有効土圧は，トンネル掘削面の初期変位やトン等価なばね特性を地盤ばねに設定する．なお，コンネル掘削面と覆工との相対変位により減少したり，クリートばね値は，コンクリート打設後経過時間に地山が自立し 0 となっていることも考えられる．

応じたヤング係数（実験式）を用いて算定し，コン

そこで本研究では，内型枠の挙動を解明することを目的として，内型枠の剛体変位，一次覆工コンククリートが硬化過程を考慮した．
(2) 逐次解析

リートの硬化過程，主働側の土圧や地山の自立が表

図 3 は逐次解析のイメージを示したものである．

現可能な，SENS の荷重条件と施工過程を考慮した内型枠 1 リング分の掘進・組立時間を 1 ステップと三次元解析モデルを開発した．

して，施工ステップ毎に新たな内型枠を先端に設置し，コンクリート打設圧とテールばね，地盤ばねを

2. 解析モデル

前方に 1 リング分移動させる．

2.1 解析モデル概要
本研究の 3 次元解析モデルの概要を図 1 に，メッ
地盤とコンクリートの合成ばね

リング間継手ばね

シュ図を図 2 に示す．本解析モデルでは，地盤を覆インターフェイス

盤ばねによって支持されたシェル，内型枠のリング間継手を軸方向ばねとせん断ばね，内型枠間継手をジャッキ力

工全周に配置させた法線方向地盤ばね，内型枠を地

内型枠シェル回転ばねで表現する．また，シールドマシンテール
テールばね部と内型枠の競りを表現するためにテールばねを，コンクリート打設圧

土水圧

液体区間

固体区間

内型枠と一次覆工コンクリートとの周面摩擦を表現
マシン部

するために，一次覆工コンクリートが固体状態の区間には，内型枠と地盤ばねの間にインターフェイス
図 1 解析モデル
要素を設定する．
リングに作用させる荷重は，先端のリングのジャ
内型枠組立前

マシン
区間

固体区間

液体区間

ッキ力，コンクリート液体区間のコンクリート打設
ステップ0（初期状態）

17 16 15 14 13 12 11 109圧，固体区間の土水圧である．地盤ばねの性状は，周辺地盤が比較的硬質な地山であることから，トン

ステップ2（４時間後）

ネル掘削面の初期変位やトンネル掘削面と覆工の相
図 2 逐次解析
対変位による土圧減少，地山の自立を評価できる地盤反力曲線を適用する．

876543213. パラメータスタディ

表 1 解析ケース
地盤反力係数 水平土圧係数(MN/m3)
501000.75
2000.50
1000.75
1.00

3.1 解析ケース
Case

本研究の解析モデルでは，地盤ばね特性の違いが123456789

内型枠シェルに与える影響が大きい．そこで，表 1に示すように各パラメータを変化させて解析した．
3.2 解析結果

100

初期変位(mm)
1010510200.75

各パラメータが，鉛直剛体変位・扁平率・軸力・メントが小さくなる．これは，地盤が硬くなると，

6000

400
軸力
曲げモーメント

0.3

5000

300

4000

2000.1

3000

1000.02000

1090.28

軸力(kN)
軸力

ど変化しないが，扁平率は減少し，軸力と曲げモー

0.4
剛体変位
扁平率

11扁平率
扁平率(%)

a) 地盤反力係数が大きくなると，剛体変位はほとん

鉛直剛体変位(mm)
剛体変位（上）12から以下のことがわかる．

7650100
水平土圧係数

020050200

水平土圧係数3)
地盤反力係数(MN/m

地盤反力係数(MN/m3)

地山が自立し，作用有効土圧が減少すること，周辺100

曲げモーメント
最大曲げモーメント(kN-m)

曲げモーメントに与える影響を図 3 に示す．この図

a)地盤反力係数

れらの原因は，水平土圧の増加により，有効土圧が400
軸力
曲げモーメント

0.3
1090.2軸力(kN)
軸力は増加傾向，曲げモーメントは減少傾向にある．こ60000.4
剛体変位
扁平率11扁平率
扁平率(%)

んど変化しないが，扁平率は減少する．また，軸力

鉛直剛体変位(mm)
剛体変位（上）12b) 水平土圧係数が 1 に近づく場合，剛体変位はほと

5000

300

4000

2000.130001000.02000

8760.50.75
水平土圧係数

010.50.75
水平土圧係数1

曲げモーメント
最大曲げモーメント(kN-m)

地盤の変位拘束が強くなることに起因する．

水平土圧係数水平土圧係数等圧分布に近くなることで，リングが真円を保持しb)水平土圧係数増加するが，扁平率はほとんど変化しない．また，

0.4

400
軸力
曲げモーメント

5000

300

4000

2000.1

3000

1000.0

2000

10
90.2

8

軸力(kN)
軸力0.376

軸力は減少するが，曲げモーメントはほとんど変化

6000

剛体変位
扁平率

11扁平率
扁平率(%)c) 初期変位が大きくなると，鉛直方向の剛体変位は鉛直剛体変位(mm)
剛体変位（上）12ため軸力が増加すると考えられる．

510初期変位

020

510初期変位

20

初期変位(mm)

初期変位(mm)

しない．これは，初期変位で土圧が抜けることによc)初期変位

り軸力が減少すること，隙間が大きく，剛体変位す
図 3 各パラメータの影響るスペースが存在するためと考えられる．
Mea4

Mea43.3 逆解析
10000
計測値

10000

14計測値と解析値が一致するような地盤パラメータ推定した．

14

解析値

解析値

パラメータスタディの結果から，断面力の計測値

5000

5000

00-5000-5000-10000-10000

断面力分布を図 4 に，推定したパラメータを表 2 に示す．なお，この時，変位の計測値と解析値は一致しなかった．結果として，地盤反力係数は軟岩程度の値と一致した．また，コンクリート打設の影響を受けて，水平土圧係数は通常よりも大きくなり等圧軸力(kN)曲げモーメント(kN-m)

分布に近づくこと，初期変位は主働側に 10mm で地
図 4 断面力分布
盤応力とコンクリート圧が釣合うことがわかった．
表 2 推定したパラメータ
5. 今後の展開
現在の解析モデルでは変位の計測値を表現できな

地盤反力係数(MN/m3)

100

水平土圧係数0.75

初期変位(mm)10

いため，今後は，コンクリート硬化によるシェルの自重と剛性の変化を考慮できるように改良する．

曲げモーメント
最大曲げモーメント(kN-m)

たまま内側に変形し，また，単純に荷重が増加する