第40回地盤工学研究発表会
2005 年 7 月

68

H - 05 （函 館）

ユニバーサル変位計の計測結果に基づく併設シールドトンネルの解析について
シールドトンネル

近接施工

数値解析

（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構

正会員

高田正治

（財）地域 地盤 環境 研究所

水原勝由○Yingyongrattanakul, N.

正会員

神田大

1. はじめにつくばエクスプレスの内，「常新，つくば T 他」工事は，終点つくば駅までの約 900m 区間を単線並列シールドトンネルで施工したものである。本工事では，近接施工管理の一環として，新しく開発したユニバーサル変位計による併設トンネル断面の変形計測を実施した 1)。ここでは，ユニバーサル変位計および地中変位計の計測値に基づいた併設シールドトンネル施工時の 2 次元 FEM 解析を行った。本解析ではシールドの切羽通過時，テール通過時およびテール通過後に分けて，先行トンネル断面の変形および地盤の変形に及ぼす影響を表現するパラメータを現場計測データに基づいて設定した。さらに，応力解放に関わる補正係数をパラメータとし，ケーススタディを行った。
2. 工事概要
工事 2)は，シールド外径φ7,450mm，セグメント外径φ7,300mm の単線並列トンネルを泥土圧式シールド工法

常総粘土により施工したものである。シールド施工は，下り線を先行掘進し，つくば駅で回転した後，上り線の掘進を行っている。トンネル土被りは約 6〜14m，併設トンネル
竜ヶ崎層
砂質土の最小離隔は発進到達立坑付近で約 0.3ｍである。トンネル覆工は，立坑付近で一部ダクタイルセグメントを使用し，その他区間では RC セグメントを使用している。
3. ユニバーサル変位計の計測概要（図‑1 参照）

成田層
粘性土

先行トンネル（下り線）断面の変形計測は，つくば駅回転立坑から約 42m（57k979m）の位置で実施した。こ成田層
砂質土の位置でのトンネル土被りは約 12m，併設トンネルとの離隔は約 2.5m（0.33D）である。計測器の設置は，トンネル覆工（RC セグメント，579R）内面にユニバーサル

竜ヶ崎層
粘性土変位計を 45 度ピッチ（計 8 箇所）に設置し，計測点間を図‑1連結ロッドで連結併合したものである。トンネル断面の57k979m 付近の計器配設置断面図

表‑1

変形量は，トンネル最下端部を基準点（⊿X =⊿Y = 0）

地層とし，各計測点の相対変位量で整理している。
4. 解析概要

土質パラメータの一覧表

N

γ値(kN/m3)λE（kN/m2)quν(kN/m2)

tc

5

16.0

0.50

16,3800.45

本解析では，各施工段階で実測した施工時荷重を基に，

156.0

Ds2L3018.1

0.40

75,0000.30-以下の荷重モデルを仮定し，2 次元弾性 FEM 解析を実施

Dc3U

2116.70.50

11,0250.45

105.0

した 3)。

Ds3

2418.10.50

60,0000.30-(1) 切羽通過時（Step1）：地盤変形の要因は地山側圧と切Dc2514.5

0.50

8,243

0.45

78.5

羽圧の差圧であると考え，掘削面の載荷荷重が，∆P1 = α1×(Pf-Ph)

表‑2

ここに，Pf：切羽圧，Ph：切羽面の地山側圧，α1：切羽

施工時荷重解析に用いた施工時荷重
先行ｼｰﾙﾄﾞ

後行ｼｰﾙﾄﾞ面の応力増加に対するシールド半径方向の応力増加割合

切羽泥土圧

(kPa)

206

217としている。

総推力

(kN)

16,611

17,540(2) テール通過時（Step2）：テールボイドでの裏込め注入カッター圧

(kPa)

46

45

圧と地山応の差圧を掘削面に載荷し，その載荷荷重は，裏込め注入圧(kPa)298303∆P2 = α2×(Pg-Pi)
ここに，Pg：裏込め注入圧，Pi：Step1 後の地山応力，α2：3 次元応力状態の 2 次元応力状態への補正係数としている。解析時の裏込め注入圧はポンプから注入吐出までの圧力損失を 100kPa とし，圧力分布は裏込め注入材の比重分を考慮した分布圧とした。また，この時の地山応力は前ステップにおける変形後の応力とした。
(3) テール通過後（Step3）：セグメント（ビーム要素）を設置し，前ステップの残留応力を解放させた。
The Analysis of Parallel Shield Tunnels based on theMeasuring Results from the Universal Displacement Gauge

Masaji TAKADA, Hiroshi KANDA, JRTT
Katsuyoshi MIZUHARA, GRI
Narentorn YINGYONGRATTANAKUL, GRI- 137 -今回の解析は応力解放に関わる係数をパラメータとし，α1=α2= 20%, 30%, 40%の 3 ケースの解析を行った。表‑1 に土質パラメータを示し，計測断面掘進時の施工時荷重を表‑2 に示す。切羽通過時の載荷荷重は，実測の泥土圧とカッター圧の和，テール通過時は実測の裏込め注入圧とした。なおカッター圧は，総推力から泥土圧による切羽前面抵抗，シールド外周面摩擦抵抗（摩擦係数 = 0.2），セグメントとスキンプレートとの摩擦抵抗，および後方台車の牽引抵抗（約 500kN）を引いたものとした。

P5

計測値
α=20%
α=30%
α=40%

1.5

5. 計測値と解析結果の比較

1.0P61.5

後行シールド掘進時の先行トンネル断面の変1.50.51.0

1.0

0.00.5形分布と地中水平変位分布を図‑2，3 に示す。図-0.51.50.51.00.00.02345[mm]

計測値
α=20%

21.5

α=40%

15.5

0.5

P3
1.5

1.013.5

9.5

0.0

-0.5

7.5

0.5

0.0

1.0

1.00.5

1.5P81.55.5P2

3.5

1.01.5

先行シールド（下り線）

後行シールド
（上り線）

1.5

P1

切羽通過時の形状を示す。これは後行シールドの切羽通過に-0.5

初期値は下り線掘進開始前

先行トンネルの内空変位 (mm)57k979m地点（579R)

よって地山が側方へ押し広げられたことによるP5ものと考える。また，地中水平変位は，後行トン

計測値
α=20%
α=30%
α=40%

1.5
1.0P61.5

ネル外側方向に最大 2mm 程度変位している。解1.50.5
1.00.5
0.0-5-4-3-2-10

123[TP+m]
23.5

45[mm]

計測値
α=20%

21.5

α=30%
19.5

0.5-0.5-0.5

切羽通過時の地中水平変位 (57k979m)

P4

1.00.0析結果は，α1 = 30%〜40%の時にトンネル断面変

0.0

α=40%

17.5-0.515.5P7する。

1.51.00.50.0-0.5-0.5 0.0

0.5

1.0P31.5

13.5
11.5-0.5(2) テール通過時：裏込め注入時のトンネル断面-0.5

0.0-0.50.5

実測変位は，トンネル肩部の変形が若干増加し，

9.5

0.0
0.5

0.0

1.0

7.5

1.00.51.5

水平・鉛直方向の変形量が若干減少する傾向を示

P85.5

1.5
P21.03.51.5す。地中水平変位量も若干減少する結果である。

先行シールド（下り線）

後行シールド（上り線）

1.5

P1テール通過時

この時の解析結果は，α2= 20%〜30%とすること先行トンネルの内空変位 (mm)で概ね計測値と一致する結果が得られた。

P5(3) テール通過後：テール通過以後，実測値のト1.5計測値
α=20%
α=30%
α=40%

1.5

1.50.51.0方，解析結果は，後行トンネルのセグメント要素

1.00.00.5
0.0

0.50.0-4-323.5-1012345[mm]

α=20%

21.5

α=30%

0.0

α=40%

17.5

-0.5

-0.5-2

計測値

19.5

15.5

P3

1.0-5[TP+m]

P4P71.5

初期値は下り線掘進開始前

テール通過時の地中水平変位 (57k979m)

0.5

-0.5
-0.5

-0.5

57k979m地点（579R)

1.0P6

ンネル断面変形および地中水平変位は少ない。一-0.5 0.00.5

1.01.5

13.5
11.5-0.5の変形量が若干増加する結果となっている。

-0.5

0.0-0.50.5なお，トンネル側部の実測地中鉛直変位は，シ9.5

0.00.01.00.51.5

ールド通過中に±1mm 程度の沈下と隆起挙動をP80.57.5

1.01.55.5

P23.51.0

示すが，側部地表面における最終沈下量は 1mm

1.5

先行シールド（下り線）

テール通過後-0.5

先行トンネルの内空変位 (mm)57k979m地点（579R)

図‑2後行シールド（上り線）

1.5

P1程度であり，解析結果と概ね一致している。
今回実施した 2 次元 FEM 解析では，ユニバー

117.5-0.50.5

鉛直方向に最大約 1mm 変形し，トンネルが縦長6. おわりに011.5

ネル断面実測変形は，水平方向に最大約 1.5mm，に地山が先行トンネル側へ押され，先行トンネル-1α=30%0.0-0.5 0.0-0.5(1) 切羽通過時：後行シールド切羽通過時のトンを追加し，残留応力を解放することにより，さら-219.5-0.5-0.5点（P1）からの相対変位量で示している。

形および地中水平変位ともに概ね計測値と一致-3P4は計測値と解析結果を比較したものである。なお， P7
図‑2 の解析結果は計測値と同じ，トンネル最下端-423.50.5-0.50.0-5[TP+m]

先行トンネル断面の変形分布 図‑3

初期値は下り線掘進開始前
テール通過後の地中水平変位 (57k979m)

地中水平変位分布

サル変位計から得られた先行トンネル断面の変形挙動，特に後行シールドの切羽通過時とテール通過時の変形分布を定性的に再現することができた。また今回の地盤条件，施工条件下ではα1 = 30%〜40%，α2= 20%〜30%の範囲であり，載荷荷重を実施工時荷重，特に実際の裏込め注入圧としたこと，また切羽通過時の荷重として，泥土圧＋カッター圧としたこととで実態に近い変形解析結果が得られたと考える。今回解析に用いたカッター圧は，マシン推力と摩擦抵抗等から簡易的に算出したものであるが，カッター圧を定量的に評価できれば，より実態に近い変形解析が可能になると考える。今後は，これらの結果を基に，同一断面で計測した側圧および覆工応力等の結果と併せた分析を行い，総合的な近接施工の影響評価手法について検討を行いたいと考えている。
<参考文献>
1) 小野，清水，小山，水原他：連結ユニバーサル変位計を用いたトンネル断面の変形挙動計測，第 39 回地盤工学研究発表会，2004.7.
2) 小野，清水，西田，廻田：離隔 30cm 以下の併設泥土圧シールドつくばエクスプレス

つくばトンネル，トンネルと地下，2004.2.

3) 沢田，太田，橋本，長屋：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の変形・破壊予測に関するシンポジウム，2002.9.

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