フジタ技術研究報告第 44 号 2008 年

砂地盤中のトンネル掘削に伴う周辺地盤の力学的挙動に関する研究
吉川概和行

要

近年、鉄道線路下や道路下を横断する構造物を非開削工法で構築する事例が増加している。その際、非開削工法の代表としてエレメント推進・けん引工法などがよく行われる｡しかしながら、エレメント推進・けん引工法は、工法自体が鋼管を複数本施工する必要があるため周辺地山を乱し、応力の再配分に影響を与える場合も考えられる｡そこで、本研究では、エレメント推進・けん引時の影響を解明することを目的に、砂地盤中にエレメント鋼管と見立てた並列落し戸を連続降下する模型実験や数値解析などによる検討を行った。

Study on Mechanical Behaviors of Sandy Grounds around a Tunnel
Abstract
Recently, the number of construction projects to excavate under existing railways and roads with
non-open cut methods has increased, and the element jacking method is usually adopted. However,since several steel pipes are pushed into grounds when the element jacking method is adopted, thepushing pipes may disturb the grounds around the tunnels and affect the stress re-distribution ingrounds. In this report, in order to clarify these behaviors when the element jacking method or thepipe roofing method is adopted, trapdoor experiments to simulate tunnel excavation in sandy groundwere carried out and comparisons with the results of numerical analysis were made.

キーワード： 模 型実 験
落し戸

エレ メ ン ト推 進 工法

パイプルーフ工法－55－フジタ技術研究報告 第 44 号

§１.はじめにC
L
1200

近年、鉄道線路下や道路下を横断する構造物を構築

奥行き：300mm

沈下計

する場合、軌道面や舗装面への影響を最小限にとどめる

350
210

再配分に影響を与えることも考えられる。

100 100 140

2040A

B

100

870

12070 80

がら、エレメント推進・けん引工法は、工法自体が鋼管を

9 0 100 100

150

土被り500mm

土 圧 計 100

エレメント推進・けん引工法などがよく行われる。しかしな複数本施工する必要があるため周辺地山を乱し、応力の150

乾燥浜岡砂が長くなってきていることなどから非開削工法で施工する場合が増加している。この場合、非開削工法の代表として120150

こと、横断構造物の断面が大きくなってきていること、延長

C
410

430

そこで、本研究では、エレメント推進・けん引時の影響を解明することを目的に、まず模型実験にて砂地盤中にエレメント鋼管と見立てた並列落し戸を連続降下させ、エロードセル
変位計スクリュージャッキ

レメント鋼管の形状が周辺地盤に与える影響について検図 1 実験土槽（Case3）討を行い、次に代表的なケースに絞ってシミュレーション解析を行った。本報告では、これら模型実験とシミュレーション結果について報告するものである。

§2．模型実験による検討
2.1 実験概要
模型実験は 、図 1 に 示すよ うな幅 1200mm× 高さ870mm×奥行き 300mm の土槽を用いて想定実構造物の約1/8 縮尺モデルで行った。図2 中の土槽の底盤中央
図 2 実験土槽（case6）部には掘削を模擬する落し戸（幅 96mm×奥行き 295mm）が 3 つ並列してあり、これを降下することでエレメント掘削を再現した。
本実験では、3 種類の落し戸を用意した。1 つ目の落し戸は、矩形エレメントを模擬し幅 96mm のノーライズ（平坦）とした。2 つ目は、扁平筒形（曲率半径=60mm、ライズ=24mm、幅=96mm）とし、3 つ目はパイプルーフを模擬した半円筒形（曲率半径=48mm、ライズ=48mm、幅=96mm）の落し戸とした。

表 1 実験ケース
ケース名

落し戸装置

土被り

CASE１平坦500mm

CASE２扁平筒形500mm

CASE３

半円筒形500mm

CASE４平坦

250mm

CASE５

扁平筒形250mm

CASE６

半円筒形250mm

2.2 実験方法
実験に使用した模擬地盤は、乾燥浜岡砂を所定の高さから空中落下法により作製した。その後、表１に示す実験

表 2 模擬地盤の物性
使用した砂
乾燥浜岡砂
乾燥密度（g/㎤）

1.509

土粒子の密度（g/㎤）2.672

最大間隙比 emax

0.898

最小間隙比 emin0.582

相対密度 Dｒ（％）

40.5（14 点）である。実験は、図 3 に示すよう、まず落し戸 A を平均粒径（mm）0.2394降下させ次に落し戸 B、最後に落し戸 C の順で約 6mm ま内部摩擦角（°）

34.5で降下させ各種計測は落し戸降下 0.15mm 毎に行った。

粘着力（kN/㎡）

0.0

ケースにしたがって落し戸を降下させた。土被りは 500mmと 250mm の 2 ケースである。表 2 に模擬地盤の物性を示す。主な計測項目は図 1 に示すように①地表面の変位（8点）②落し戸に作用する荷重（3 点）③地中の鉛直土圧－56－砂地盤中のトンネル掘削に伴う周辺地盤の力学的挙動に関する研究

落し戸の降下順序はＡ→Ｂ→Ｃとする
落し戸の降下順序はＡ→Ｂ→Ｃとする

ABCAB

C300
300

②落し戸Ｂを降下②落し戸Ｂを降下①落し戸Aを降下①落し戸Aを降下③落し戸Ｃを降下③落し戸Ｃを降下

case1:A
case1:A
case2:A
case2:A
case3:A
case3:A
case1:B
case1:B
case2:B
case2:B
case3:B
case3:B
case1:C
case1:C
case2:C
case2:C
case3:C
case3:CAC

B

落し戸Ａ降下終了

AB

C

200
200

落し戸Cに落し戸Cに作用する荷重
作用する荷重150150

落し戸Bに落し戸Bに作用する荷重
作用する荷重100
100

落し戸Aに落し戸Aに作用する荷重作用する荷重50500000220066 22 88 4410
10 00 1212 22 14
14 44 1616
落し戸降下量(mm)
落し戸降下量(mm)44

落し戸Ｃ降下終了

図 4

図 3 落し戸の降下順（case2）
2.3 実験結果
図 4 に土被り 500mm におけるケース毎の各落し戸降下に伴う各落し戸に作用する荷重を示す。落し戸降下時の降下した落し戸に作用する荷重（落し戸荷重）は減少する
が、隣接し ている落し戸の荷重（落し戸荷重）は増加しているのが確認できる。また、落し戸降下時の降下した落し戸に作用する荷重（落し戸荷重）は、落し戸の形状が平坦＞扁平筒形＞半円筒形の順に小さくなる。この傾向は、最終荷重の和/初期荷重の和

落し戸Ｂ降下終了

初期荷重200KN
初期荷重200KN

落し戸荷重(kN)

落し戸降下前落し戸荷重（N）
落し戸荷重(kN)

250
250

1818

落し戸の降下量と落し戸荷重の関係

0.410
0.403
0.400
0.395

0.394

CASE2：扁平筒形

CASE3：半円筒形

0.390

0.380

CASE1：平坦

図 5 落し戸荷重の最終荷重の和/初期荷重の和（CASE1～CASE3【土被り500mm】)

土被り 250mm についても同様であった。
重は、模擬地盤を空中落下法で製作しているため各ケース、各落し戸で同一とはならない。そこで、落し戸に作用する最終荷重の和を初期荷重の和で除して荷重の無次元化を行ったものを図 5 に示す。同図より、 CASE3：半円筒形、 CASE2：扁平筒形、CASE1：平坦の順に小さくなることがわかる。すなわち、落し戸の形状が円形に近づくほど、落し戸に作用する荷重が小さく、周辺地盤に荷重が分配されやすいことがわかった。
図 6 に土被り 500mm における落し戸 C 降下終了時の65落し戸A
落し戸C
4落し戸B
32
10＋：増加-1－：減少-2-3
case1:C
case2:C-4
case3:C-5-6-600-400-200
0200400600
土圧計設置位置（落し戸上方150mm，0が中央，単位（mm））
土圧計設置位置（地表面下方350mm,0 が中央,単位(mm)）

鉛直土圧（ｋPa)

また、図 4 中の各ケースにおける落し戸荷重の初期荷図 6落し戸降下に 伴う土圧の増分分布【H=500mm】

地中鉛直土圧の増分分布を示す。鉛直土圧は地表面より下方 350mm の位置の値であり、落し戸降下開始前の土0圧を 0 としたものである。各落し戸上方の鉛直土圧は、落し戸降下に伴い減少し、その減少量は半円筒形が最も大盤は土圧が増加し、その増加量は半円筒形が最も大きく、扁平筒形＞平坦の順で小さくなっていた。この傾向は、
土被り 250mm についても同様であった。
図 7 と図 8 に土被り 500mm と 250mm のケース毎の各落し戸降下に伴う地表面沈下の分布を示す。これより、土被り 250mm の方が各落し戸降下後の地表面沈下量の最落し戸Ｂ2

地表面沈下量(mm)きく、扁平筒形＞平坦の順で小さくなった。一方、周辺地

落し戸Ａ

1345
落し戸Ｃ

6
78-600-400-200

0200

case1:A
case2:A
case3:A
case1:B
case2:B
case3:B
case1:C
case2:C
case3:C400

大値が大きく、また、落し戸 C 降下終了時の地表面沈下量はわずかではあるが半円筒形が最も小さく、扁平筒形

図 7 落し戸降下に伴う地表面沈下量の関係【H=500mm】＜平坦の順で大きくなることが分かった。

－57－600

地表面沈下計設置位置(0が中央，単位(mm))

フジタ技術研究報告 第 44 号

010-9(m/step)を与え、時間ステップを 20 万回計算して 1mm

落し戸Ａ地表面沈下量（ｍｍ）1の降下を再現した。ただし、各落し戸降下後には地盤より2反力が生じるように落し戸を固定した。

落し戸Ｂ

34567

落し戸Ｃ

case4:A
case5:A
case6:Ａ
case4:Ｂ
case5:Ｂ
case6:Ｂ
case4:Ｃ
case5:Ｃ
case6:Ｃ

8-600 -400 -200
0200
400600地表面沈下計設置位置(0が中央，単位(mm))

A B C

図 8 落し戸の降下に伴う地表面沈下量の関係【H＝250mm】§3．シミュレーション解析による検討
図 9 解析メッシュ図3.1 解析概要
並列落し戸を連続降下する模型実験の結果から、 半

3.3 解析結果

円筒形落し戸は、扁平筒形や平坦よりも落し戸に作用す

図10 に落し戸降下に伴う地中鉛直土圧分布を示す。こる荷重が小さく、また周辺地山への応力再配分がより滑られより、落し戸降下前の地中鉛直土圧分布（図 10(a)）は、かに行われることが分かった。そこで、シミュレーション解

円筒形落し戸周辺の土圧がそれ以外の部分より比較的析では、模型実験の case3 の半円筒形の落し戸を対象と大きくなる結果となった。また、図 10(b)、図 10（c）より落しして行った。

戸 A の降下に伴って落し戸 A 直上部の鉛直土圧が小さくシミュレーション解析では、並列落し戸を連続降下するなっていることも確認できた。

模型実験を模擬することを目的とするため、幅 120cm×

図 11 に落し戸降下に伴う各落し戸に作用する荷重比

高さ 71cm を解析領域とし、底盤中央部に掘削を模擬する（落し戸に作用する荷重と初期荷重との比）の解析結果と落し戸（幅 96mm×奥行き 295mm）を 3 つ並列し、これを実験値（模型実験の case3）を示す。これより、落し戸降下降下させることでエレメント掘削を再現した。具体的には、時の降下した落し戸に作用する荷重（落し戸荷重）は減

落し戸の形状については、模型実験の case3 のパイプル少するが、隣接している落し戸の荷重（落し戸荷重）は増ー フ を 模 擬 し た 半 円 筒 形（ 曲 率 半 径 =48mm 、 ラ イ ズ加しているのが確認できる。ただし、解析値の方が実験=48mm、幅=96mm）とし、落し戸 A を 1mm 毎に 6mm まで値より荷重減少の程度が緩やかとなった。

降下させた。その後、落し戸 B を降下させ、最後に落し戸

図 12～図 14 に落し戸 A、B、C 降下量 5mm、6mm におC 降下させた。

ける地中鉛直土圧の増分分布を示す。鉛直土圧は解析領域下方境界より上方 280mm の位置の値であり、落し戸3.2 解析手法降下開始前の土圧を 0kPa としたものである。

シミュレーション解析は、模型実験を模擬するため 2 次実験値（模型実験の case3）と解析値を比較すると、若元平面ひずみ状態とし有限差分法による弾性解析とした。

干の乖離（例えば、図 13 では落し戸 C 直上の土圧増分

図 9 に 解析メ ッ シュ 図を 示す 。 解析コ ー ドは 、が約 2kPa、図 14 では落し戸 B 直上の土圧増分の正負がFLAC_ver.5.0 を用いた。模擬地盤の物性値等は、単位約 3kPa）が見られるが、精度よくシミュレートできている。

体積重量γt=14.8（kN/m 3）、弾性係数 E=0.32（MPa）、ポしたがって、以下に解析値について考察する。

アソン比ν＝0.3 の一様地盤とした。ここで、弾性係数にまず、図 12 より落し戸 A を降下させた場合、落し戸 Aついては土圧の分布状況から設定した。なお、模擬地盤直上で最も大きく減少し、落し戸 B で増加する。次に、落と半円形落し戸模型との接触は、摩擦角を 35°、接線ばし戸 B を A に引き続き降下させた場合、図 13 から落し戸44ね定数(Ks)を 2×10 （MPa/m）、法線ばね定数は 2×10B 直上で減少し、落し戸 A 直上では、落し戸 A 降下時の（MPa/m）で設定した。

減少量の半分程度増加する。そして、落し戸 C の土圧が落し戸の降下については、落し戸に変位速度 5.0×－58－増加する。

砂地盤中のトンネル掘削に伴う周辺地盤の力学的挙動に関する研究

最後に、落し戸 C を B に引き続き降下させた場合、図14 から、落し戸 C 直上で大きく減少し、落し戸 A、B ともに1.4

落し戸 B 降下時の減少量の半分程度増加する。そして、

落し戸B

落し戸A

落し戸C
実験値-落し戸Aの荷重比
実験値-落し戸Bの荷重比

1.2

落し戸荷重/初期荷重の比

落し戸の外側の土圧が増加し、ほぼ落し戸幅分離れた位置で増分が最大となる結果となった。

実験値-落し戸Cの荷重比

1.0

解析値-落し戸Aの荷重比
解析値-落し戸Bの荷重比0.8

解析値-落し戸Cの荷重比

0.60.40.20.00A50B
5 0
落し戸の降下量(mm)C5

図 11 落し戸降下に伴う落し戸荷重/初期荷重の関係
6.0

鉛直土圧の増分（kPa）

3.00.0-3.0

解析値
落し戸Aの降下量δ=5.0mm

-6.0

解析値
落し戸Aの降下量δ=6.0mm

-9.0

実験値
落し戸Aの降下量δ=5.56mm-12.0ABC-15.0020406080100120

土槽横軸（cm）

図 12 落し戸(A1)降下に伴う鉛直土圧の増分分布
6.0

鉛直土圧の増分（kPa）

3.00.0-3.0

解析値
落し戸Bの降下量δ=5.0mm

-6.0

解析値
落し戸Bの降下量δ=6.0mm

-9.0

実験値
落し戸Bの降下量δ=5.50mm-12.0ABC-15.0020406080100120

土槽横軸（cm）

図 13 落し戸(A2)降下に伴う鉛直土圧の増分分布
6.0

鉛直土圧の増分（kPa）

3.00.0-3.0
解析値
落し戸Cの降下量δ=5.0mm

-6.0

解析値
落し戸Cの降下量δ=6.0mm

-9.0

実験値
落し戸Cの降下量δ=5.60mm-12.0A-15.0

図 10 落し戸降下に伴う地中鉛直土圧分布

02040BC6080100

土槽横軸（cm）（単位：100kPa、－側：圧縮）

図 14 落し戸(C)降下に伴う鉛直土圧の増分分布－59－120

フジタ技術研究報告 第 44 号

§４．まとめ７） 吉川和行、岡野法之、仲山貴司：砂地盤中におけるトンネル掘削に伴う周辺地盤の力学的挙動に関するシミュ本研究の連続落し戸実験とシミュレーション解析から以レーション解析について、第 63 回土木学会年次学術講下の知見を得た。

演会（投稿中）1)

半円筒形落し戸形状の方が、扁平筒形や平坦よりも2)落し戸に作用する荷重が小さく、また周辺地山へのひ と こ と応力再配分がより滑らかに行われることが分かった。

エレメント推進時の設計土圧を提案

土被りが小さいと落し戸上に発生する地表面沈下量するためには、模型実験でも行ったが大きく、土被りが大きいと地表面沈下の影響範囲落し戸の形状効果（平坦、扁平筒形）が大きいことが分かった。また、3 枚落し戸では最終についてもシミュレート可能か否かの落し戸降下時の地表面沈下量の最大値は、わずかではあるが円形に近い落し戸が最も小さく、扁平＜平坦の順で大きくなることが分かった。
3)2 次元有限差分法による弾性解析によって、半円筒形落し戸の降下量と落し戸荷重/初期荷重の関係および連続降下する落し戸の地中土圧の分布を精度よくシミュレートすることが可能である。

4)

パイプルーフ工法におけるパイプルーフに作用する土圧および周辺地山応力の再分配について把握することができた。
謝 辞 模型実験を進めるに当たり、（元）日本大学学生の山口真悟氏に御協力をいただいた。謝意を表します。
参 考文 献1) 垂水尚志、山本征彦、大田弘、野口利雄：砂地盤中のトンネル掘削に伴う荷重の再分配、トンネル工学研究発表会、
第 2 巻、pp.27～34、1992.10
2) 足立紀尚、木村亮、岸田潔、伊藤浩志：降下床実験によるトンネル掘削過程を考慮したトンネルおよび周辺地盤の力学的挙動の解明、土木学会論文集№694/Ⅲ-57，277-296，2001.123) 仲山貴司、松岡直樹：小断面エレメント推進工法の作用
土圧に関する研究、第 41 回地盤工学研究発表会、
pp1753～1754，20064) 吉川和行、仲山貴司：連続円形落し戸実験における周辺地盤の力学的挙動について、第 61 回土木学会年次学術講演会、Ⅲ-055，2006.95） 仲山貴司、岡野法之：エレメント推進・けん引工法における 緩 み 土 圧の 分 布 形 状、 鉄 道 総 研 報告 、 pp.41 ～46,2007.86） 吉川和行、岡野法之、仲山貴司：砂地盤中のトンネル掘削に伴う周辺地盤の力学的挙動について、第 62 回土木学会年次学術講演会、Ⅲ-174，2007.9－60－

吉川 和行

検討をすべきと考える。