第 44 回地盤工学研究発表会
2009 年 8 月

648

H - 05 （横浜）施工時荷重を考慮したシールド掘進に伴うトンネル周辺地盤の変形挙動検討
シールド，軟弱地盤，施工時荷重

中之島高速鉄道

中野道夫

京阪電気鉄道１．はじめに

久ノ坪宏司

地域 地盤 環境 研究所

正会員

○管茜檬

地域 地盤 環境 研究所国際会員

長屋淳一，譽田孝宏

シールド掘進に伴うトンネル周辺地盤の変形挙動を事前予測する場合，応力解放率を用いた有限要素解析による検討が一般的に多い．この手法は，解放応力をトンネル半径方向内側に作用させる解析であるため，トンネル上部地盤は沈下し，側部地盤はトンネル内側へ引き込まれる変形挙動になる．しかし，実際にはトンネル上部地盤は沈下または隆起し，側部地盤については押し広げる変形を示すなど，解析結果と異なる傾向を示すことが多い．この要因としては，切羽圧や裏込め注入圧と地山応力とのバランス変化などが考えられることから，ここでは施工時荷重の影響を考慮した２次元線形弾性有限要素解析を実施し，中之島新線工事で得られた実測値との比較，検討をおこなった．
２．施工時荷重を考慮した弾性 FEM 解析モデル

シールド掘進に伴うトンネル周辺地盤の変形は，通過中において直上地盤では沈下または隆起傾向にあり，側部地盤で押し広げ傾向にあることが現場計測結果から知られている 1)．地盤変形の要因としては，①切羽圧や裏込め注入圧と地山応力のバランス(差圧)変化，②マシン姿勢の変化やマシン～周辺地盤間の摩擦による影響，等が考えられる．ここでは，特に①の側部地盤の押し広げ変形時における地山への圧力と地山応力の関係に注目し，「施工時荷重を考慮した FEM 解析 2) (以下，解析 A)」を用いた検討をおこなう．荷重モデルは，地山への圧力(切羽圧や裏込め注入圧など)と地山応力の差圧を変動荷重としてトンネル周辺地盤に作用させる(図-１参照)．具体的な地山への圧力については，泥土圧や裏込め材の比重(12kN/m2)を考慮して深度方向に分布載荷させた．３次元応力状態から２次元応力状態への補正値βについては，L/D～β関係図 3)(L：テールボイド長，D：掘削外径)より想定した．シールド半径方向への増加荷重ΔP を式(1)に示す．
ΔP＝PG＋(PS－P)×β式(1)+PS ：地山への圧力(切羽圧や裏込め注入圧)（（PG ：シールドマシン自重―×β

P ：地山応力β ：３次元応力状態の２次元応力状態への補正値
３．解析条件

地山への圧力Ps(泥土・裏注材の比重を考慮した分布圧)

シールドマシン自重PG

解析には，応力解放率を用いる FEM 解

図-１

地山応力P(異方応力状態)

施工時荷重を考慮した荷重モデルの概念図

析(以下，解析 B)も実施した．２次元線形弾性 FEM 解
析(全応力解析)に用いたメッシュ図を図-２に，土質パラメータは表-１に示す．主たるシールド掘進土層であ-50. -45. -40. -35. -30. -25. -20. -15. -10. -5. 0.

-10.

向の強度変化を考慮して３分割とした．変形係数につ-15.

先行 後行Asc2AsgTg-30.

式(2)(軟弱な沖積粘性土層：Ma13-1～Ma13-3)

-35.
Y-40.

図-２

式(3)

FEM 解析に用いたメッシュ図
表-1(洪積砂·砂礫層：Asg，Tg1)
E＝28N×98 (kN/m )Ma13-25.

(沖積砂·砂礫層：F，Asc)

2 6)

F
Asc1

堂島川

-20.

いては，以下のように設定した．

E＝210×c (kN/m2)5)

X

0.
-5.

る軟弱な沖積粘性土層(Ma13 層)については，深度方

E＝(5N＋70)×98 (kN/m2)4)

5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50.

式(4)解析Ｂについては，応力解放率α＝10％を仮定して

土層名下端深度(GL-m)

F5.8

土質パラメータ

単位体積重量3

γ t (kN/m )18.0

平均N値
10粘着力

変形係数

c (kN/m2) E (MN/m2)
11.76－

ﾎﾟｱｿﾝ比ν0.35

解析を実施した 7)．また，地盤の鉛直変位に関する簡

Asc19.9

18.020－16.660.35

易予測手法として Jeffery 式 8)を用いた解析も実施した

Ma13-1

14.6

16.5

453

11.13

0.45

Ma13-2

19.3

16.5

279

16.59

0.45

Ma13-3

23.3

16.5

6

10822.68

0.45

Asc2

27.6

18.0

40－

26.460.35

が，トンネル上部地盤については均一な土層と仮定し，Asc1 層の土質パラメータを用いた．なお，ここでは，先行トンネル掘進に伴う影響のみを比較している．

Asg34.018.095－260.680.35

Tg140.020.0

100－274.400.35Ground Deformation Behavior around Tunnel due to Shield Excavation Considering the Construction LoadMichio Nakano(Nakanoshima Rapid Railway), Hiroshi Kunotsubo(Keihan Electric Railway)
Shimon Kan, Junichi Nagaya and Takahiro Konda (Geo-Research Institute)1295

表-２ 荷重条件(解析 A)
先行トンネル
掘削時

荷重項目
マシン自重圧力P G (kPa)
地山への圧力P S (kPa)
3D → 2D補正値

β

施工時荷重を考慮した FEM 解析時に想定した荷重条件を表-２に示す．解析 A ではテール通過前後の裏込め注入圧に着目して，施工

備考

時荷重としてトンネル天端位置での実測の裏込め注入圧 150kN/m2 を

7.85

マシン自重 350tf

150

トンネル天端における裏込め注入圧(実測値)0.7

裏込注入圧の影響範囲を２リング程度と仮定用いた．

４．解析結果および実測値との比較·考察

先行シールド掘進に伴うトンネル側部地盤の水平変位量に関する実測値と解析値の比較を図-３に示す．なお，以下に示す実測値については，テール通過前後の最5北側変位量(mm)-30 -20 -10 0 10 20

大変形発生時のデータを示している．実測値は，両側とも外側に押し南側広げる変形挙動を示しているのに対して，解析 B では，応力解放に0F-5Asc1

伴ってトンネル内側に周辺地盤が引き込まれる形で変位し，実挙動とは逆の傾向を示した．一方，解析 A の結果については，トンネル外した．なお実測値について，北側の水平変位の方が南側に比べて押しMa13(1)-10

標高OP(m)

側に地盤を押し出す挙動について実測値と類似した変形モードを示-15出し量が大きくなっている．これは，若干南側への曲線施工による影響と考えられるが，解析ではそこまで考慮していないことから，解析Ma13(2)先行ｼｰﾙﾄﾞ値はトンネルを挟んで対象形になり，南側の解析値は実測値に比べて大きかった．ただし，解析 B に比べると，定性的および定量的に解Ma13(3)

析 A は実挙動を適切に表現できていると考えられる．

-20

先行シールド掘進に伴うトンネル直上地盤の鉛直変位量に関する
Asc2

実測値と解析値の比較を図-４に示す．各解析結果ともに各深度にお-25ける沈下モードについて，トンネル直上での実測値と解析値は良い対
Asg

実測値
解析A
解析B-30応関係にあった．ただし，トンネル直上から南北方向に離れた領域に関しては，Jeffery 式を用いた解析結果と解析 B の結果がなだらかな沈下分布を示しているのに対して，解析 A の結果については，実挙動Tg1が示す下に凸の沈下モードを再現できており，他の解析結果とは傾向-35-10-505が異なって，実測値と良い対応関係にあった．

10先行シールド中心より距離(m)５．おわりに

図-３ 水平変位に関する実測値と解析値の比較

シールド掘進に伴うトンネル周辺地盤の変形挙動について，現場計測によって得られた実測値と，応力解放率を用いた FEM 解5地表面北側析(解析 A)および施工時荷重を考慮した FEM

南側

解析(解析 B)による解析値をそれぞれ比較した．
F

その結果，水平方向変位については，解析 B よ直上5.0mりも解析 A の方が実測変形挙動を定性的および-5Asc1

直上1.0m

変位量(mm)

標高OP(m)0-10-15-20

定量的により適切に表現できることがわかった．
鉛直方向変位についても，解析 A は他の方法よ20
100-10-20-30

実測値
解析A
解析B
Jeffery式

先行ｼｰﾙﾄﾞ-15-10-50510Ma13(1)Ma13(2)1520

り実挙動で見られる下に凸の沈下モードを表現できており，定量的にもよい対応関係にあった．
以上のことから，施工時荷重として切羽圧や裏込め注入圧を解析条件として考慮することにより，地盤の変形挙動を適切に予測でき，既設構

シールド間センターより距離(m)

図-４ 鉛直変位に関する実測値と解析値の比較

造物や近接施工時にシールド工事がおよぼす影
響を抑制するための施工管理に解析 A は有効であることがわかった．

参考文献 1)太田拡，橋本昭雄，長屋淳一，管茜檬：シールド掘進時の施工時荷重による地盤変形に関する計測結果とその分析，トンネル工学報告集第 16 巻，pp.395-402，2006． 2)沢田充弘，太田拡，橋本正，長屋淳一：施工過程を考慮したシールド掘進に伴う近接構造物の影響予測，施工過程を考慮した地盤変形･破壊予測に関するシンポジウム発表論
文集，pp.175-182，2002． 3)新田耕司，中廣俊幸，橋本正，小谷丈二：シールド施工における切羽およびテールボイドの応力解放率に関する研究，土木学会第 49 回年次学術講演会，Ⅲ-691，pp.1372-1373，1994． 4)竹山喬，葛野恒夫：鉄道シールドの施工に伴う地盤沈下とその予測，トンネルと地下，Vol.14，No.9，pp.7-18，1983． 5)竹中準之介：粘土のサンプリングとその信頼度「土質材料の力学と試験法における最近の問題点」，土質工学会関西支部，pp.1-22，1962．
6)(社)日本建築学会：建築基礎構造設計指針，pp.153，1988． 7)川口大仁，太田擴，塩谷智弘：大阪地下鉄 7 号線･泥水式シ－ルド掘進に伴う近接構造物の計測管理，基礎工，Vol.17，No.12，pp.115-121，1989． 8)Jeffery, G. B.：Plane stressand plane strain in bipolar co-ordinates, Trans. Royal Society, Series A, Vol.221, pp.265-293, 1920.

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