トンネル工学報告集，第24巻，Ⅱ-6，2014.12.

大断面，曲線シールド掘進における施工時荷重の影響に関する分析
西原知彦1・新名勉2・崎谷淨3・岩住知一4・譽田

孝宏5

1正会員

阪神高速道路株式会社 建設事業本部 堺建設部（〒590-0075 大阪府堺市堺区南花田口町2-3-20）
E-mail:tomohiko-nishihara@hanshin-exp.co.jp

2正会員

阪神高速道路株式会社 建設事業本部 堺建設部（〒590-0075 大阪府堺市堺区南花田口町2-3-20）
E-mail: tsutomu-niina@hanshin-exp.co.jp

3正会員

阪神高速道路株式会社 建設事業本部 堺建設部（〒590-0075 大阪府堺市堺区南花田口町2-3-20）
E-mail: kiyoshi-sakiya@hanshin-exp.co.jp
4正会員

5正会員

鹿島・飛島建設工事共同企業体（〒590-0001 大阪府堺市堺区遠里小野町4-5-3）
E-mail: iwazumi@kajima.com

株式会社

地域 地盤 環境 研究所 地盤解析部（〒550-0012 大阪府大阪市西区立売堀4-3-2）
E-mail:konda@geor.co.jp

大和川線シールドトンネルは，大断面，超近接の併設，曲線および縦断線形変化区間を含む道路トンネルである．これらの特徴を有する大和川線シールドトンネルにおいて，シールド掘進に伴う周辺地盤や併設トンネルの挙動を的確に把握し，別途検討した設計手法の検証を目的として，各種計測データを収集した．本稿では，曲線区間に設定した計測断面で得られた計測結果に基づき，単設シールド掘進に伴う施工時荷重の影響について検討した．その結果，トンネル覆工作用圧や発生応力は，前リングの変形履歴に依存することと，テールシール圧や裏込め注入圧などの施工時荷重の影響を受けることを確認した．また，曲線施工に伴い，トンネル曲線外側地盤の水平変位分布を計測することにより，その傾向を捉えた．

Key Words : shield tunnel, large diameter, adjacent and curve construction, construction loads, in-site measurement

1. はじめに

2. 計測断面①の概要

阪神高速大和川線は，阪神高速道路4号湾岸線と同14
大和川周辺の土質縦断図と計測断面①付近の平面図お号松原線を結ぶ延長約9.7[km]の自動車専用道路である． よび土質縦断図を図-2に示す．大和川線の北側に位置す
このうち阪神高速道路(株)が施工する大和川線シールドる大和川は，江戸時代中期の1704年(宝永元年)に付け替
トンネルは，セグメント外径D：12 230[mm]，最小離隔えられ，堺方面に向けて西流させた人口河川である．こ約1.0[m](≒0.08D)の大断面かつ超近接施工で構築する． のため，地表付近は，盛土等の人為的な改変の影響を受既往事例の少ないシールドトンネル工事であるため，けているが，深部においては旧河川の影響はない．
併設影響を考慮した「大和川線シールドトンネル設計マ
大和川沿いの地形は，沿岸部の西大阪地域，上町台地
1)2)
ニュアル （以後「設計マニュアル」）」に基づいて詳地域，東側の東大阪地域の3つに大別できる3)．このうち細設計を実施した．その上で，本設計思想の妥当性検証
計測断面①付近は，上町台地地域に位置しており，標高を目的に，計測断面を5断面設けてトンネル覆工挙動とはTP＋10[m]前後である．表層から洪積層が分布する比トンネル周辺地盤の変形挙動を把握し(図-1参照)，実測較的良く締まった地盤が出現し，沖積層はほとんど分布
値と設計値を比較，検証している．本稿では，曲線区間していない．計測断面①は，最小平面曲率R＝400[m]のに設定した計測断面①で得られた計測結果に基づき，併曲線施工区間にあり，下り勾配から上り勾配に転じる最設施工時の影響を検証する上で，基本情報となる単設シ深断面でもある．掘進土層は，上半は洪積砂層(Ds7層，N値30～60以上)，下半は洪積粘土層(Dc6層，N値10程ールド掘進に伴う施工時荷重の影響について検討した．

- 1 -度)である． 土被り厚はは27[m]程度，地下水位は
はGLの他の計測項目目については，計測リング組組立直後を初初その12[m]程度でである．
期値値とした．またた，トンネル周周辺地盤の計測測項目は，ト各計測機器器の設置位置図
図および計測測項目を図-3にに示す． ンネ
ネル上部地盤のの鉛直変位と曲曲線施工外側側側部の水平変変トンネル覆工工計測のうち発発生応力の初初期値は，セググメン位でである．後者はは，曲線施工をを考慮して多段段式傾斜計ををト組立直前のの船形に置かれれた状態で計計測した値とししたが， 配置置した．自動計
計測頻度は，11～5分ピッチでである．

図-1 大和和川線シールドトンネル工事ににおける計測断断面位置図

計測
測断面①付近図
図-2
大和川周辺辺の土質縦断図
図3)および計測断断面①付近の平面面図と土質縦断断図- 2 -対象
トン
ネ
ル
覆工

紙面向か
かって
右側が曲
曲線外側

計測項目
作用圧
トンネル覆工作トンネル覆工作作用水圧トンネル覆工発
発生応力
トンネル内空変変位
トンネル内空空変位

坑内温度

周
辺
地
盤

(a)計測
測機器設置全体図
図

地盤内鉛直変変位

地盤内水平変変位
温度

計測機器
パッド式土圧計 4)
間隙水圧計
ひずみ計
変位計
位計(ユニバーサル変変位計)
内空変位
TSプリズム
温度計
水圧式アンカー
伸縮計
基準水槽
水盛式沈下計
水圧式沈下計多段式傾斜計
温度計

記号(bb)トンネル覆工
工計測拡大図図
図-3 計測機器
器配置図
表-1 計測断面①におけ計けるシールド施
施工概要および掘
掘進条件
工 法
シールドマシシン
施工概要
セグメン ト

土被り厚
厚
地下水位
位
掘進地盤
盤
平面線形形
縦断線形形
ター
コピーカッタ

地盤条件
線形条件
その他の施工条件

ジャッキパタターン
項

泥土圧
圧式シールド工
工法70[mm]，機長 L 12 800[mm]シール
ルド外径φ 12 47
嵌合方方式合成セグメ ント 2)mm]，幅B 1 8000[mm]セグ
グメント外径φ 12 230[mm]，内内径φ11 580[mmm，コンクリ ート部60mm)
厚ささh 325mm(耐火 層：形鋼部25m
セグ
グメント継手： 嵌合構造＋雄雄ピン－雌板構構造
リンング継手： 嵌合構造＋雄
雄ピン－雌金物物構造27.26[mm] (全土被り圧圧：527[kPa])
DL＋3..2[m] (トンネ ル天端部の水 圧：246[kPa])
上半： 砂層(Ds7)，下下半：粘土層((Dc6)
R ＝4000[m]
上向き
き勾配3[%]区間間の開始点付近
近未使用
用
全ジャャッキ使用(片押押し回避)
5推進ジ
ジャッキ推力をを制御し，シーールドの姿勢ををコントロール
ルするFLEXシスステム )を採用
用(ジャッキ片片押し回避，全全ジャッキ推進進)

目

設定条
条件
上部： 430[kPa]，中央
央：500[kPa]

切羽圧

左上･右
右上：460[kPa]]
左･右 ：530[kPa]
約130[ %]

圧(最大)
裏込め注入圧量
裏込め注入量上上下中折れ角度[ 度]左左右ピッチング[ ‰]アランス
テールクリア

0.15-0.77(715R),-0.76(716RR),-0.74(717R)-0.69(718R),-0.63(719RR),-0.60(720R)
18.6(715R)，19.5(716R
R)，20.4(717R)
R)，21.7(720R)
21.1(718R)，21.6(719R

正規組
組立時：45[mm]]

- 3 -

実施工
工時の状況
掘進時：切切羽圧はほぼ設
設定値．
kPa]程度
停止時：上上部 400[kPa]程程度, 中央 450[k右側の裏込込め注入圧が設設定値を超過すする部分があるが，ほぼぼ設定値程度のの最大圧で制御
御．
127～136[%%]
マシン後半
半部において設設定値よりも中中折れ角度が大きくなるる(0.3～0.35度) ．
ほぼ設定値値で制御．
過中は設定値でで制御．テール
ル通過後よりマシン通過
掘進線形にに比べて上向ききの状態で掘進
進．
図-9参照

3. シールド掘進概要おおよびセグメ
メント設計条条件(2) トンネル覆工
工発生応力
トンネル覆工発ト発生応力に関すする経時変化図を図-7に，シールド施施工概要およびび掘進条件を表-1に，セグ
グメン
そのの分布図を図-88に示す．
ト構造条件おおよび荷重条件
件を図-4に示す．本諸条件件を踏セグメント組立セ
立時において，トンネル右斜斜上部で外側側まえ，「設計計マニュアル」」に準拠して設計値を算出出した． 引張張，内側圧縮のの縁応力(正曲曲げモーメントト)が発生してて先行トンネネル覆工には，超近接施工工する後行シーールド
いるる．本挙動は，(3)で示すテ
テールクリアラランスから想想掘進による影影響が大きく作作用することから，施工過過程を定ししたトンネル内内空変位分布とと一致している．
M解析によって考慮したFEMて併設時の増分荷重を別途途抽出
テールシール通テ
通過時は，テーールシール圧によりトンネネした後，はりり－ばねモデル
ルにそれを作作用させて設計計値を
ル下下半部で圧縮力力が増加するととともに，トンネル右斜上上算出している
る．詳細についいては，文献
献6)を参照されれたい． 部でで外側引張，内内側圧縮の縁応応力傾向が進行行している．
テール通過1D(
テ(D：シールドド掘進径)以降大大きな変化はは見らられず，縁応力力分布状況が残残留する結果になった．なな
お，トンネル左斜斜上部外側の計計器データに長長期的な変動
動4. トンネル
ル覆工の挙動動計測結果確認しているがが，調査の結果果，計器異常と判断した．
を確(1) トンネル
ル覆工作用圧
なお，単設シー
なールド掘進時ににおけるトンネネル覆工発生
生
260[N/mm ]であトンネル覆覆工作用圧に関関する経時変変化図を図-5にに，そ応力力の最大値は6あったが，許容容圧縮応力度度
2215[の分布図を図図-6に示す．
[N/mm ]に対しして28%程度でであったことかから，トンネ
ネ
テール通過
過時におけるトンネル天端端部作用圧は，テール覆覆工の安全性はは確保できていいることを確認認した．
ルブラシの通通過に伴い，短短期的に最大大1.2[MPa]を示示した．
(3) トンネル内空また，テール
ル通過直後の作作用圧は，裏込め注入圧相相当の空変位約0.5[MPa]のの等方的な作用用圧分布となっった．
掘進完了時およ掘よびセグメント組立時のテールクリアラ
ラ
テール通過
過後，トンネルル覆工作用圧は全測点で低低下し， ンス
スから推定したたトンネル内空空変位分布図を図-9に示す
す．
テール通過10～20日後にははほぼ水圧相当圧力まで低低下し
ここ
こでは，計測断断面①である7718Rを中心にに，4リング手手Rを一例としてた．ただし，トンネル天端端部作用圧の低下量は小さ
さく，前のの714Rと6リング後方の724Rて示す．
7114Rから718Rで水圧以上に残残留する結果にになった．これは，大阪府
府施工
では，トンネ
ネル右～右斜下下部のテール
ル7)区間に設定しした計測断面④④，⑤と同様様の傾向 であるる．
クリリアランスが徐徐々に大きく なっているののに対して，724R
Rでは逆に左～～左斜下部でで大きくなり，傾向が変化化した
た．また，トンンネル内空変位位は，トンネルル左斜上部と右斜斜下部を結ぶ方方向に圧縮するる傾向を示した．これは，トンンネル覆工自重重の影響ではななく，曲線施工に伴う前リング
グトンネル覆工工の変位分布にに合わせてセグメントを組組み立立てたことによよる影響と考考えられる．ここの傾向は，(2)でで示すトンネルル覆工発生応応力分布と挙動動が一致した
た．
また，718Rでは
まは，掘進完了了時よりも組立立時の方で例
例
えばば右斜下部でののテールクリア
アランスが小さくなることからら，シールドはは左斜上部方向向(設定掘進線線形方向)に向向
かいい，曲線掘進の影響を受けけていると想想定できる．
セグメント組立セ立後に設置ししたTSプリズムム位置においいてト
トンネル内空変変位を測量しした結果を図-110に示す．セセ
グメ
メント組立後かからテール通過過時にかけて，トンネル覆覆工全全体が短期的にに鉛直方向にに10～15[mm]程程度押し下げげられれており，若干干左斜上部かららの押し込み荷荷重が作用ししていいる現象が顕著著になった．そその後，テール
ル通過後に鉛鉛
直方方向上向きに若若干の回復傾向向があったが，その後は長長期的的な変化が見らられず，左斜上上部から押されれた内空変位位0[mm]程度残留が10留する結果にになった．
図-4 トンネル覆工のの構造条件およよび荷重条件

- 4 -

MPa]
最大 1.2[M図-5 トンネル
ル覆工作用圧経時
時変化
最大 1.2[MPa]
1.2

：計測値

0.600MPa][M【テテール通過時】

：計測値
：設計値
：水圧

：計測値
：設計値
：水圧

0.6[MPa]【テー ル通過２ヶ月後 】＋：引張－：圧縮0-1120-120：外側：内側600：外側：内側600[N/mm2 ]【テール通通過時】＋：引張－：圧縮60：外側：内側00[＊]-1120[N/mm2 ]【テール通過 1D後】

図-6 トンネ
ネル覆工作用圧分
分布＋：引張－：圧縮[N/mm2 ]

[＊]

0MPa]
[M：外側：内側600【セグメント組組立時】

1.20【テールル通過1D後】＋：引張－：圧縮[MPa]【 テールブラシ通通過中作用圧最最大時】

0.6

：計測値
：設計値
：水圧

1.20.61.2

図-7 トンネル覆工発
発生応力経時変変化-120[N/mm2 ]【テール通過過２ヶ月後】

図-8 トンネル覆覆工発生応力分布
布([＊]異常発生生により除外)- 5 -P-1水圧P-2P-8水圧

P-3P-7水圧

P-4P-6

水圧

P-5

水圧

10.80.60.40.20

正規組立時(45mm)
714R掘進完了時
714R組立時

10.80.60.40.2
トンネル覆工作用圧(M Pa)(シールドおよよびトンネル覆工工を地表面から見たた場合のクリアラ
ラン
ス測定位置に関関する概略図)(mm)806040200【714R(計測測断面①－4リング位置】

010.80.60.40.2010.8

正規
規組立時(45mm)
7188R掘進完了時
7188R組立時

正規組立時(45mm)
724R掘進完了時
724R組立時(mmm)
8006004002000(mm)806040200【718R(計計測断面①】0.60.40.2010.80.60.40.2【724R(計測測断面①＋6リング位置】0

図-9 テールク
クリアランスかから想定したトンネル内空変位位分布

H25.6.118

H25.6.28

H25.77.8

H25.7.18

H255.7.28

H25.8.7

H
H25.8.17

H25.8.27

図-11 トンネ
ネル覆工作用圧
圧経時変化(長期期データ)-155015 (mm)

【テールブラシ通通過中作用圧最大時】-150が残留したと考考えられる．トンネル内空変
変位測量結果果響がかららも，天端部ががテール通過時時に内空側へ変変位した後，逆にに地山側へ押し返される挙挙動を示していいることから
ら(図-10参照)，そのの可能性が考考えられる．

15 (mm)と設計値の比比較
5. トンネル覆工計測結果と【テテール通過時】

トンネル覆工作ト
作用圧と，トンンネル覆工発生生応力から算算出しした断面力，おおよびトンネルル内空変位につついて，各施施工段段階の計測値とと設計値を比比較した結果をを図-12に示す
す．
-155015 (mm)

【テールル通過1D後】-15015 (mm)【テーール通過２ヶ月後】

図-10 TS プ
プリズム位置におおけるトンネル
ル内空変位測量結結果(4) トンネル
ル覆工の長期挙挙動
トンネル覆覆工作用圧の長期挙動を図
図-11に示す．テール通過後，作作用圧は経時的的に低下傾向にあり，天端端部以外はすべて水水圧相当圧力ままで低下した．本傾向は約約１ヶ月後には収束束し，それ以降降の変動は見られなかったた．
天端部のトトンネル覆工作作用圧は，他計測点と同様様に低下傾向を示ししたが，水圧相相当までは低低下せず，有効効応力が残留する結結果になった．
．この傾向はは，図-6のトンンネル
覆工作用圧分分布のうち，テテール通過２ヶ月後の状態態からも明らかであある．この要因因として，浮力によってトトンネ
ル天端部が上上部地盤に押し付けられ，その反力によよる影(1) 自重作用時((計測セグメンント組立直後)の挙動
テールクリアラテランスは，トンンネル天端部および曲線施
施
工外
外側(図右側)上上部と内側(図図左側)上部におおいて小さく，曲線線施工外側スプ
プリングラインン部とその下部部で大きくななったた．一方，曲げげモーメントのの設計値は，トンネル覆工工の自自重のみを考慮慮しているため
め，上部から押押し潰されたたよううな分布を示ししている．なおお，各セグメント継手部のの影響響を反映していいるため，左右右非対象形を示示している．
比較図からもわ比わかるように，このような施施工時の影響響を設設計上は考慮ししていないこととから，曲げモーメント分分
布ででは計測値と設設計値で傾向がが異なることが確認できた
た．
(2) テール通過時時(テールシーール圧最大時)の挙動
テールブラシがテがセグメント表表面に接していることから
ら，トン
ンネル覆工作用用圧はトンネルル天端部において短期的にに最大大値を，トンネ
ネル内空変位はは押し潰されれた挙動を示しし，- 6 -断面力は自重重作用時の分布
布形状を維持持したまま大ききくなる傾向を示しした．つまり，テール通過時における施施工時荷重の影響がが大きいことがが伺える．
設計値(青青色太実線)は，常時荷重に対する断面力力を示しており，テテール通過時のの実挙動とは異なった．

分布の傾向と類類似した結果にになった．トンネル内空変変
力分位にについては，上上部から押し潰潰された状態がやや緩和ししていいるものの，トトンネル天端部部で5[mm]程度度残留した．

形挙動6. トンネル側部地盤の変形(3) テール通通過後(裏込めめ注入圧作用時時)の挙動
トンネル覆覆工には，裏込込め注入圧に相当する均等等圧が作用しているるのに対して，セグメント覆工軸力は，トンネル下半の圧圧縮応力が大ききくなる歪な軸力分布を示示し，設計時の想定定軸力とは異ななり，テールル通過時に発生生した断面力が残存存する結果とななった．
トンネル覆覆工作用圧の計計測値は，等方的な裏込めめ注入圧分布を示しし，分布形状はは設計値と同等であったがが，絶対量は設計値値の1.7倍程度度であった．設
設計上の断面面力とトンネル内空空変位の分布形
形状は左右対対称を示すが，実際にはテールシシール圧最大時時の挙動が残留する状態ににあって，定性的にに異なる傾向をを示した．
(4) テール通通過2ヶ月後のの挙動
トンネル覆覆工作用圧は，経時的に減減少して設計土土圧相当に収束してている．一方，軸力は徐々に均一分布形形状に近似し，最終終的に設計値よよりも大きいが，比較的良良い対応関係を示しした．曲げモーーメント分布は，大局的にには軸先行シールド掘
先掘進に伴うトンンネル周辺地盤
盤の変形分布布を図
図-13に示す．なお，初期値
値は，トンネルル下端から前前方にに45°線を立ちち上げた影響領領域の端部の値値とした．
シールド掘進にシに伴いトンネルル上部地盤は，先行トンネ
ネル直直上を中心に下下に凸の沈下分分布を示した．一方トンネ
ネ
ル側側方地盤は，切切羽到達までス
スプリングライイン以浅で曲曲線外外側に水平変位位する傾向を示示しているが，シールド中中
央通通過時およびテテール通過時ににおいて，トンネル斜め上上m]程度引き寄せ部地地盤でトンネルル側に0.5[mm]せられている．
またた，テール通通過2リング後後には，逆にに曲線外側にに0.8[mmm]程度変位位した．このよような挙動は，，シールド曲曲線施施工に伴う曲線線外側に押し出出す挙動によるものと考ええられれる．なお本傾傾向は，テールル通過後も残留留している．
このように，トこトンネル直上地地盤は沈下傾向を示すのにに対しして，トンネルル側部地盤は水水平方向に押し出す挙動にについいては，通常よよく用いられるる応力解放率を用いた地盤盤
変形形解析結果と異異なる傾向にななることを確認認した．
-200300-200300-200300-200300＊)赤色実
実線：計測値，青青色太実線：設設計値，水色実線
線：トンネル覆覆工作用水圧図--12 トンネル覆覆工作用圧，トトンネル覆工発生
生断面力，トンンネル内空変位に関する計測値
値と設計値の比較- 7 -0-5

③ シールドの曲線施工に伴い，トンネル直上地盤は沈下傾向を示すのに対して，トンネル側部地盤は水平に押し広げる傾向を示した．これは，トンネル中心方向に収縮する応力解放を用いた地盤変形解析結果とは，傾向が異なる．

2mm-10-15

今後，単設施工時における施工時荷重の影響も含めて，併設施工時の影響を現場計測結果から分析し，「設計マニュアル」の検証を進める予定である．

深度(GL m)-20-25

謝辞：本稿の検討では，｢大和川線トンネル技術委員会(委員長：大西有三 京都大学名誉教授)｣よりご指導頂いた．ここに付記して謝意を表します．

-30
後行トンネル(未掘進)-35

先行トンネル
(掘進済)

参考文献
1)
2)

-40-45-50-30

切羽到達時
シールド中央通過時
テール通過時
テール通過2リング後-25-20-153)-10-5054)

図-13 先行トンネル側部(曲線外側)地盤の水平変位分布図5)7. おわりに

6)

本検討で得られた知見を以下に示す．
① トンネル覆工作用圧や発生応力は，前リングの変形履歴に依存することが判明した．さらに，テールシール圧や裏込め注入圧などの施工時荷重の影響を受けることも確認した．
② テール通過時における施工時荷重の影響は，設計上考慮していないが，トンネル覆工の発生応力は，最終的に許容応力度の範囲内に収束した．

7)

阪神高速道路㈱：シールドトンネル設計マニュアル，2011．
志村敦，藤原勝也，辻野博史，岩住知一：超近接長距離併設シールドトンネルの設計，トンネルと地下，Vol.41，
No.11，pp.43-50，2010．
KG-NET・関西圏地盤研究会：新関西地盤－大阪平野から大阪湾－，口絵 10，2007．
橋本正，矢部興一，山根明彦，伊藤博昭：パッド式シー
ルドセグメント用土圧計の開発，第28回土質工学研究発
表会講演概要集，pp.2055-2058，1993．
飛島建設株式会社技術資料，http://www.tobishima.co.jp/ technology/civil/sealed/flex/flex01.html．
崎谷淨，新名勉，卜部賢一，陣野員久，長屋淳一：大断面，超近接併設シールドトンネル設計手法の提案，土木学会第24回トンネル工学報告集(投稿中)．
卜部賢一，陣野員久，石垣兄太，長屋淳一，稲垣祐輔：
大断面，超近接シールド掘進に伴う併設トンネルへの影
響に関する分析，土木学会第24回トンネル工学報告集(投稿中)．
(2014. 9. 15 受付)

CONSIDERING CONSTRUCTION LOADS DUE TO SHIELD EXCAVATIONWITH LARGE SCALE, NEIGHBORING AND CURVE CONDITON
Tomohiko NISHIHARA, Tsutomu NIINA, Kiyoshi SAKIYATomokazu IWAZUMI and Takahiro KONDA
The Yamatogawa Route shield tunnel is the road tunnel including a large diameter, an adjacent construction, the curve and vertical section alignment change section. In order to get to know the phenomenaof neighboring tunnel lining due to shield excavation and to review the original design method, somemonitoring data are observed. In this paper, the influence of construction loads due to 1st shield excavation is evaluated based on measuring results. As a result, tunnel lining pressure and stress are depended
on the modification history of a front ring and construction loads. Moreover, some characteristics ofcurve construction are interpreted based on the horizontal ground deformations distribution around tunnel.

- 8 -