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令和5年度土木学会全国大会第78回年次学術講演会

数値解析を用いた低強度地山区間における長尺鋼管先受工法の検討（その 2：弾塑性 FEM 解析を活用した長尺鋼管先受工法の地表面沈下抑制効果）
中日本高速道路株式会社 正会員 稲垣 太浩㈱奥村組 正会員○外木場康将㈱地域地盤環境研究所 正会員 稲垣 祐輔㈱地域地盤環境研究所

初谷 樹弥㈱奥村組 正会員 岩崎光㈱地域地盤環境研究所 正会員 中井 照夫

１．はじめに低強度小土被りの地山区間において，合理的かつ経済的な長尺鋼管先受け工法（以下，AGF 工法）の仕様選定を行うためには，複雑な地盤条件を反映した検討を行うことが重要である．その検討方法として，詳細な力学試験とそれに基づく Subloading tij model を用いた 3 次元弾塑性 FEM 解析が有効であることを確認した 1)．本稿では，その3 次元弾塑性 FEM 解析を使用して，先受け鋼管の設置範囲と段数をパラメータとした数値解析を複数パターン実施した．これらの結果の比較から，AGF 工法適用時のトンネル掘削による地表面沈下の発生機構の解明，ならびに合理的かつ経済的な AGF 工法の仕様選定のアプローチについて報告する．
２．数値解析による AGF 工法の効果の確認
トンネル掘削時の地盤状態を適切に表現できる
Subloading tij model による 3 次元 弾塑 性 FEM 解析(PLAXIS)を適用した．解析モデルを図-1 に示す．解析
モデルは半断面でモデル化し，境界条件は，側方にトンネル SL から 4D 以上，下方にトンネル下端から 1D 以上を取り，側方境界を鉛直自由，下方境界を完全固定とした．地盤材料パラメータは，現場付近から採取した乱れの少ない試料による三軸圧縮試験結果から決定した．
解析の物性値は参考文献 1)に記載の値を採用した．
解析ケースを表-1 に示す．解析は 4 ケース実施し，AGF なし（Case1）に対し，AGF の段数と設置範囲を変図-1

FEM 解析モデル図

表-1 解析ケース化させた 3 ケースを実施した．AGF の設置範囲は，天端を中心に 120 度の範囲（低強度地盤の dt 層途中まで）と 180 度の範囲（比較的強度のある地盤の Ss-w1 層層境付近まで）を，180 度の範囲では AGF を 1 段と 2 段の場合を想定した．

※概略図は坑口部の断面を示す

３．解析結果と考察
図-1 の着目点における掘削距離と地表面沈下の関係を図-2 に示す．横軸はトンネル上半における切羽の進行距離であり，トンネル掘進に伴う地表面沈下の経時変化を表している．図-2 より全てのケースでトンネル掘進に伴い地表面沈下が進行することが確認でき，坑口部では AGF180 度・2 段（Case4）が最も地表面沈下を抑制していることがわかる．一方，AGF 中間部では，AGF180 度・1 段（Case2）と AGF120 度・2 段（Case3）がほぼ同じ変位抑制効果を示し，AGF 先端部では AGF を採用した全てのケースで同じ変位抑制効果となった．次に，偏差ひずみの分布を図-3 に示す．同図は上半掘削 9m 時点におけるトンネルセンターでの縦断方向の偏差ひずみの分布である．全てのケースにおいて低強度層である dt 層の切羽前面に偏差ひずみが集中していることがわかる．また，AGF なし（Case1）では，切羽前面に発生した偏差ひずみが地表面まで伝達するのに対し，AGF 工法を採用した全てのケー

キーワード 山岳トンネル，注入式長尺鋼管先受工法，3 次元弾塑性有限要素法
連絡先〒108-8381 東京都港区芝 5-6-1 ㈱奥村組 TEL:03-5427-8041 FAX:03-5427-8114

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令和5年度土木学会全国大会第78回年次学術講演会の進展が抑制されたことも確認できる．偏差ひずみの集中は dt 層で顕著であることから，掘削地盤の大半が dt 層である坑口付近で最も AGF による沈下量の差が生じ，比較的強度を有する Ss-w1 層が多くになるにつれ沈下量の差が無くなったものと考えられる．以上より，地盤強度の差による偏差ひずみの集中や分布状況がわかれば，経済的なAGF の仕様の選定が可能であると考えられる．
上半 20m 掘削時のトンネルセンターでの縦断方向における地表面沈下の分布を図-4 に示す．抗口部から約 5m の範囲において，AGF180 度・1 段（Case2）ならびに AGF180地表面鉛直変位[mm]（＋：隆起，－：沈下）スにおいて，AGF により切羽前面の偏差ひずみの地表面へ度・2 段（Case4）と AGF120 度・2 段（Case3）で沈下分布

0051015掘削距離[m]20 25 3035404550

図-1(a)点：抗口部-10-20-30-400図-1(b)点：AGF中間部-10-20-30-400-10図-1(c)点：AGF先端部
Case1:AGF無し-20 Case2:AGF180度(1段)-30 Case3:AGF120度(2段)Case4:AGF180度(2段)-40

図-2 着目点の地表面沈下と掘削距離の関係が異なる結果となった．図-5 に坑口から 3m 地点のトンネ
ル横断面の偏差ひずみの分布を示す．同図(i)の箇所において，Case3 では dt 層の途中までしか補強していないため，補強範囲外の dt 層（トンネル側部）で偏差ひずみが発達しているが，Case2 および Case4 では dt 層と Ss-w1 層の層境付近まで補強したため大きな偏差ひずみが発達しなかったことが要因として考えられる．また，トンネル縦断方向において，dt 層および Ss-w1 層は地表面に沿って傾斜しており，Case3 においても坑口から 10m の位置では AGF 端部がら離れた位置での地表面沈下に明瞭な差異は見られなかったものと考えられる．以上から，地表面付近の地盤強度が低い場合，AGF 工法の設置範囲は偏差ひずみが地表面に進展しない範囲まで広げることが重要であることを確認した．

地表面鉛直変位[mm]Ss-w1 層に貫入している（図-6 参照）．その結果，坑口部か図-3

トンネル縦断方向の偏差ひずみコンター図0010

縦断方向座標[m]2030-10 5[m]-20-30-40

Case1：AGF無し
Case2：AGF180度(1段)Case3：AGF120度(2段)Case4：AGF180度(2段)〇：最大値

図-4 上半 20m 掘削時の各地表面地点での沈下量分布

４．まとめ
Subloading tij model を用いた 3 次元弾塑性 FEM 解析により，AGF 工法の効果について検討した．解析結果から，当該トンネル現場における AGF 工法による地表面沈下の抑制効
果や，鋼管の設置範囲や段数に応じて，地表面へ進展する偏差ひずみに差異が生じることを確認した．今回の解析結果からもわかるように，AGF 工法の配置が 120 度 2 段と 180 度 1段でほぼ同じ効果が期待できる等，地山条件を詳細に表現できる検討手法を用いれば，合理的かつ経済的な AGF 工法の仕図-5 トンネル横断面偏差ひずみコンター図様決定が可能となる．今後，トンネル現場の地表面形状ならびに施工ステップを詳細に模擬した解析と計測結果から，トンネル掘削時における坑口部の挙動解明をおこなう予定である．
参考文献
1)稲垣他：数値解析を用いた低強度地山区間における長尺鋼図-6 トンネル側部縦断方向の偏差ひずみコンター図

管先受工法の検討（その１），第 78 回土木学会年次学術講演会，投稿中，2023.9

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