こうえいフォーラム第９号／２００１．１

縦横連続シールドの施工法に関する合理的設計法の提案
THE DESIGN OF THE VERTICAL-HORIZONTAL CONTINUOUS TUNNELING

黒川信子*・田中 弘*･池谷 正**・阪本隆広***
Nobuko KUROKAWA, Hiroshi TANAKA, Tadashi IKEYA and Takahiro SAKAMOTO

To establish a practical design and a construction implementation system for the 'VerticalHorizontal Continuous shield tunneling method', in-situ measurement was firstly employed by
the authors. We chose two typical projects located in different ground conditions. One site is at
an alluvial layer and the other site is at a diluvial gravel-sandy layer. By comparing
observational data obtained from the two sites, a rational way of evaluating shield drive
resistance force and jacking force transmission mechanism are studied. The authors found somekey factors influenced on design and construction and proposed procedures for appropriate
design and construction of the 'Vertical-Horizontal Continuous shield tunneling method'.
Key Words : shield, diluvial ground, in-situ measurement

１．は じ め に
縦横連続シールド工法による立坑構築は、補助工法の省略、工期の短縮ならびに立坑規模の縮小など施工性、安全性、経済性での効果が期待されており、今後の幹線工事の大深度化に適応できる工法の１つである。そこで、設計・施工方法の妥当性の裏付けとなる計測管理を軟弱地盤および硬質地盤において行い、それぞれの分析結果に基づいて合理的設計法を提案した。調査研究の全体の流れを図−１に示す。

2．縦横連続シールド工法概要
縦横連続シールド工法とは、従来のように、開削工法により立坑を構築してからシールドを投入・横発進し、横坑を掘削するのではなく、横坑を掘進するシールドを止水された球体回転部に内蔵し、この球体を包含するシールドを立坑構築工事に適用することにより、立坑と横坑とを連続して１台のシールドで施工するものである（写真−１参照）。
このため、本工法による立坑構築は、横シールド発進のための補助工法の省略、立坑から横坑構築に至る全体工事工期の短縮、ならびに立坑施工用地の縮小化など、施工性・安全性・経済性の各面での効果が期待できる工法である。
＊
首都圏事業部 地盤構造部＊＊
名古屋支店 技術部＊＊＊ 総合技術センター

図−１ 本調査研究の全体の流れ

139縦横連続シールドの施工法に関する合理的設計法の提案

図−２ 縦シールド掘進時の作用力の問題と検討課題

課題３

縦シールド掘進のための必要推進力と推力伝達挙動の算定法

課題４ 推力伝達挙動を考慮した掘進反力体設計の考え方
課題５

縦シールド掘進に伴う地盤変状とその予測手法

写真−１ 縦横連続シールド（1）縦シールド掘進中の掘進抵抗力の算定法

３．縦横連続シールド工法の合理的な設計手法の検討

1）掘進抵抗力の検討手法

軟弱地盤、硬質地盤での現場実態調査の結果を表−１に実態調査結果に基づいた考察から、掘進抵抗力の合理的示す。以上で得られた知見より、今後、縦横連続シールドな算定に際しては次の条件を考慮することが必要と考えら工法の合理的な設計・施工を行う上で以下に示すような課れる。

題を抽出した（図−２参照）。

条件１

掘進抵抗力はシールドとその周辺地盤間の摩擦

課題１

縦シールド掘進中の掘進抵抗力の算定法

力に起因する成分（F1）と、切羽断面積部分に課題２

縦シールド切羽安定機構の解明と必要泥水圧の生じる成分（F2）とで構成されること

算定法

条件２

摩擦力に起因する成分はシールド外殼の面積に関係すること

表−１ 現場実態調査結果

条件３

掘進地盤性状が反映できることａ） F（シールドとその周辺地盤の摩擦力に起因する成分）1について上記の条件３から地盤条件を砂質地盤と粘性土地盤に大別して扱うこととし、それぞれの摩擦抵抗力を考慮した上記条件２の形式による縦シールドに作用する掘進抵抗力の算定式を表現すると式（1）が得られる。図−３に考え方の模式図を示す。

140

こうえいフォーラム第９号／２００１．１

・

粘性土地盤の掘進抵抗力の試算に用いる粘着力Ｃ非排水せん断強度Ｃuを用いる。さらに深度方向の分布を考慮するため、東京地区でのＮ値と一軸圧縮強度ｑu関係を与えた大崎の式からｑuを求め、その1 / 2を原位置でのＣとする。

ｂ）Ｆ2ついて（切羽断面部に作用する掘進抵抗力成分）シールド切羽に作用する掘進抵抗力は、シールド切羽での掘削土砂の取り込み方が大きく影響する。これは、シールドタイプと実際の現場での施工方法に大きく依存するも
図−３ 縦シールド推進時のシールドに作用する掘進抵抗力のである。よって、施工実績に基づく算定法（原設計で用いたような切羽部断面積（A）に対応させた方法）の方がより実用的である。今回はＦ2成分には、縦シールド掘進過程のうち、立坑床付け直前においてさや管を固定して掘進する部分における掘進抵抗力を採用した。（沖積粘性土算定式で用いる各定数は以下の考え方により設定する。
①（花畑工区）：23.5A［kN］ 洪積砂礫土（十二社工区）：

砂質地盤の場合に用いるシールド外殼面に垂直に作

62.7A［kN］）

用する平均土圧Ｐm2）推進抵抗力の検討結果
図−４は掘進抵抗力の算定式を用いて算定した地盤条件の異なる２現場のシールド外殼に作用する掘進抵抗力成分の分布である。同図ではシールドが通過する地盤性状に応じて変動する掘進抵抗力を縦シールド切羽先端深度の関係で表示したものであり、現場実績も併記した。ただし、こK0＝1−sinφ（Jakyの静止土圧係数）を用いて算定②した静止土圧を利用する。

進抵抗力成分（さや管固定後の掘進時の掘進抵抗力平均値）

砂質地盤の場合に用いる縦シールドと掘削地盤とのを引いた補正データを用いている。

摩擦係数μ
洪積砂礫地盤のケースではμ＝0.6、なお、沖積③④

同図より得た知見を以下に示す。
ａ）洪積砂礫地盤の場合、Jakyの静止土圧係数を用いて粘性土地盤の場合にはμ＝0.25を設定した。

縦シールド外殼に垂直に作用する土圧を算定した場

砂質地盤と粘性土地盤との互層地盤内を掘進してい合がシールド外殼に作用する掘進抵抗力の実績値のる場合特徴をよく説明できている。これは、自立性のある縦シールド長の範囲にわたって分布するそれぞれ硬質地盤の場合、特に縦シールド掘進時の縦シールの地盤領域の掘進抵抗力を個別に算定し、その総和ド外殼、周辺地盤には余掘り等の影響による地山応を用いる。

力開褫の影響がほとんどなく、掘削前の静止土圧状

土質物性値態に近い状態で施工がなされることを示すものであ

原設計時に実施した室内土質試験結果を用いる。

・の現場実績は、Ｆ2を考慮して、切羽断面部に作用する掘る。

室内土質試験を実施していない地層や層長さに対しｂ）沖積粘性土地盤の場合、大崎の式を用いてN値よりて試験数量が少ない場合（深度方向の分布を考慮）換算した非排水せん断強度Cを用いた場合の掘進抵は以下の考えを使用する。

抗力は117.6A〜137.2A［kN］であり、掘進抵抗力の砂質土地盤の掘進抵抗力の試算に用いる土の内部摩擦角φ

実績値をよく説明できている。
ｃ）以上の結果から、砂質地盤の場合にはJaky静止土圧係数を用いて算定した縦シールド外殼に垂直に作用する土圧を用い、沖積粘性土地盤の場合には大崎の141

縦横連続シールドの施工法に関する合理的設計法の提案（2）
切羽崩壊は、切羽直下部地盤の最大せん断応力が非排水せん断伸張強度Ｃｕに達した時点で発生するから、式
（3）
、
（4）
が成立する。
（3）（4）
崩壊応力比は、切羽崩壊泥水圧を切羽部の全土被り圧で除した値であるから、以下のような式変形により、崩壊応力比は側方土圧係数（K）を切片とし、−2（γ/ t×H）を勾配とする非排水せん断伸張強度の一次式で表すことができる。
（5）以上の式より崩壊応力比の特徴を挙げると・切羽部の非排水せん断伸張強度が大きくなると、崩壊応力比は小さくなる。

・

切羽深度が大きくなるほど切羽部の非排水せん断伸張強度の変化に対する崩壊応力比の変化は小さいものとなる。

2）切羽泥水圧設定方法
図−４ 推進抵抗力の検討結果

掘進地盤の非排水せん断強度Ｃｕ（伸張強度）から崩壊応力比を算定し、これに掘進地盤深度での式を用いてN値より換算した非排水せん断強度Cを全土被り圧（γt ×H）を乗じることで切羽崩壊時の泥水圧用いることで、掘進地盤性状の変化を考慮した掘進が算定される。よって必要泥水圧はここで算定された抵抗力の算定が可能である。

切羽崩壊時の泥水圧以上の値とすればよい。

3）沖積粘性土地盤（花畑工区）での切羽泥水圧の実績（2）切羽安定機構と切羽泥水圧の設定方法値との比較切羽安定機構を検討するために遠心載荷試験を行った。

図−５は花畑工区縦シールドおける切羽泥水圧実績値と

ここで、縦シールド模型の切羽直下１cm（実物換算1.5m）式（5）から求めた必要切羽泥水圧（６Ｖ）を示したものであに設置してある標点変位データから読み取った勾配変化点る。花畑工区は、縦横連続シールド工法を初めて採用したを切羽崩壊時とし、その時の泥水圧を切羽崩壊泥水圧と定工事であり、高めの原設計泥水圧から、施工時目標切羽泥義する。

水圧に沿って若干切羽泥水圧を低下させて施工したが、切1）崩壊応力比算定方法

羽安定に支障なく安全に縦シールド施工ができた事例であ切羽崩壊泥水圧をσv、切羽直下部地盤の側方土圧をσhる。必要泥水圧を与える提案式の値は実績値とよく整合しとすると、この２軸状態での最大せん断応力τmaxは式（2）で表すことができる。この場合、切羽崩壊時ではσvよりもσhの方が大きくなっているので、通常とは大小関係を逆に置いた式としている。

142ており、提案式の妥当性を示している。

こうえいフォーラム第９号／２００１．１

図−５ 提案した必要泥水圧と花畑工区での切羽泥水実験値との比較（3）縦シールド掘進のための必要推進力と推進伝達機構

図−６（b） 推進力補正値と計測第１リング軸力の比較（洪積砂礫地盤）の算定法
1）推進伝達機構の比較
ａ）推進力と計測第１リング軸力の比較

ｂ）地盤の違いによる推進伝達機構の相違ａ）の結果を模式的に示すと図−７のようになる。掘進

図−６に推進力補正値（推進力―計測第１リング以深の反力を分担する成分の一つである立坑セグメント外周面に立坑セグメント自重）と計測第１リング軸力の比較を示す。

作用する周面摩擦力Fは、立坑セグメント周面の地盤条件

これより以下の知見が得られるに応じて異なる。この立坑セグメント周面摩擦力を正確に・・N値が０〜２程度の沖積粘性土地盤の場合には、立評価することで、縦シールド工の設計をより合理的なもの坑セグメントへの周面摩擦力は期待できない。したにすることができる。例えば、周面摩擦の効果は、①立坑がって、推進ジャッキ位置からの推力は、立坑セグ長が伸びる大深度立坑ほど増大し、②地盤強度が大きい地メントの重量成分で発揮される減衰以外のほとんど盤ほど周面摩擦力が期待できるため、掘進反力体の規模のの量がそのまま立坑セグメント上端部まで伝達す縮小につながり経済的となる。

る。

2）推進伝達機構の検討手法と検討結果

N値が30〜50以上の洪積砂礫地盤では、立坑セグメａ）周辺摩擦力を考慮した推力伝達挙動の算定法

ントへの周面摩擦力による反力がかなり期待できる。

立坑セグメント外周面に作用する周面摩擦力が明瞭に認められた洪積砂礫地盤（十二社工区）での実態調査結果を分析した。推力伝達挙動のシミュレーション解析に用いる構造解析モデルとしては、立坑セグメント部材を「梁部材」

図−６（a） 推進力補正値と計測第１リング軸力の比較（沖積粘性地盤）図−７ 推進伝達機構模式図143

縦横連続シールドの施工法に関する合理的設計法の提案に、また周辺地盤から立坑セグメント外周面に作用する周Case２の解析結果に加えて立坑セグメント内を伝達する推面摩擦力を「せん断ばね」でモデル化した、いわゆる、ば力の現場計測値を併記した。現場計測結果では、立坑セグねモデルを用いることとした。図−８に構造解析モデルのメントリングに残留軸ひずみが認められたため、計測結果模式図を示す。シミュレーションの対象は、立坑セグメンより推力伝達力のみを抽出して現場計測軸力として示してトに周面摩擦力が発揮していると考えられる縦シールドテある。同図から以下の知見が得られる。

ールが礫混り中砂層下端（GL-30m）に位置する施工状況を・

立坑セグメント上端部にばねを配置して変位を考慮

取り上げ、最下端部の立坑セグメントに作用させる推進力できるようにしたCase１は、現場計測結果と整合しは施工実績より3,400tfとした。また、立坑上端部の境界条ており、セグメント周面摩擦力を考慮した推力伝達件としては、実際の施工時においてRCガイドウォールの挙動の解析モデルとして妥当なものである。

隆起現象が若干見られたことを考慮して、①上端部を完全・立坑セグメント上端部を完全固定としたCase２は推固定とはせずにばね反力を配置したCase1と、比較のため力伝達力が大き目に算定されており、設計計算としに②上端部完全固定条件としたCase2の2ケースを設定して用いるならば安全側の解を与えていることになる。

た。立坑セグメントと地山間のせん断ばね定数は式（6）で・上段部境界のばね反力係数を事前に評価設定するこ表すケーソン基礎の設計時に考慮する基礎側面の鉛直方向とは困難であるが、Case2を用いておくことで安全せん断地盤反力係数１）より設定した。

側の設計が可能である。
（4）推力伝達挙動を考慮した掘進反力体設計の考え方図−10に、縦シールド掘進地盤の地盤調査から掘進反力体の設計までの流れを模式して示す。ここに示す設計の考え方は、経済的な掘進反力体の設計を可能とするための提案であり、掘進地盤条件を合理的に反映させた設計手法としている。
1）地盤条件の整理
立坑掘削地盤においてボーリング調査を実施し、掘削地盤の地盤条件を深度方向に正確に把握する。なお、ボーリング調査時に必要な原位置試験ならびに土質試験は以下のようである。

ｂ）シミュレーション結果
図−９にシミュレーション解析結果を示す。Case１、

図−８ 解析モデル図

144

・標準貫入試験（N値）
・各土層ごとの物理試験（土粒子の密度試験よりγt）

図−９ シミュレーション結果

こうえいフォーラム第９号／２００１．１

・各土層ごとの力学試験（三軸圧縮試験よりＣ、φ）決定する。

・地下水試験（湧水圧測定試験）
2）縦シールド構造条件の整理
縦シールド条件（縦シールド外径Ｄm、スキンプレート長Ｌ、縦シールド自重Ｗm）を整理する。

（5）縦シールド掘進に伴う地盤変状とその予測手法
1）縦シールド掘進時の沈下挙動シミュレーション
立坑中心を中心軸とした軸対称モデルによる二次元線形3）推進抵抗力の算定

弾性有限要素法解析により行った。土層区分ならびに入力

３.（1）で提案した手法により、各深度ごとの掘進Ｆ1ｄ土質定数は設計値を用いた。応力解褫率をパラメーターと（Ｆ1＋Ｆ2）を算定する。この際、掘進抵抗力は立坑セグメした解析を実施し、その結果ベノト杭下端の実測値約９ントの単位幅１mごとに算定する。

mmに対応する応力解褫率として約14％が得られた。これ

4）必要泥水圧の算定は沖積地盤の解析で通常用いる解褫率と比べると比較的小縦シールド掘進時に必要な切羽泥水圧は、３.
（2）で提案さめな値であり、即時裏込注入が良好に実施されたことをした手法により縦シールド掘進時に必要な切羽泥水圧を算示している。

定し、これに縦シールド切羽部断面積Ａを乗じて泥水浮力

2）縦シールド掘進時の地盤沈下予測手法

Uを求める。この場合の算定深度も1m深度ごとに算定する。

・5）必要推進力の算定

縦シールドテール部の応力解褫モデルを組み入れた軸対称線形有限要素法解析で行う。

各深度における掘進抵抗力Ｆ1ｄと泥水浮力Ｕｄの合算値

・計算は逐次ステップ解析とし、第１ステップにて地から縦シールド自重Ｗmを引くことで、縦シールド掘進時山初期応力を計算し、その後のステップから逐次シに必要な各深度ごとの必要推進力Ｊｄを見積もる。

ールドテールボイド部の要素を削除して解褫応力を6）推進反力体の設計荷重作用させた計算を行う。

最後にばね構造解析モデルを用いて、上記で算定した必・

軟弱な沖積粘性土地盤の場合の応力解褫率は約14％

要推進力を作用外力とした数値解析を実施し、各深度ごとが妥当であることが、実態調査結果より言える。なの掘進反力の上部への伝達力を算定し（３.
（3）参照）、そお、地盤条件あるいは施工条件によりこの応力解褫の最大値を与えるケースに対応させた掘進反力体の規模を率は変化するものと考えられるが、地盤変状予測を

図−10 縦シールド掘進地盤の地盤調査から掘進反力体の設計までの流れ

145縦横連続シールドの施工法に関する合理的設計法の提案必要とする現場条件は軟弱地盤の場合が多いため、性状把握は概略的なものとならざるを得ない。一方、縦横今回使用した応力解褫率（14％）は軟弱地盤の場合

連続シールド工法における縦シールド工の設計の場合にに対する一つの目安を与える参考値としては有効とは、立坑掘削地盤位置で最低１本の地質調査ボーリングを考えられる。

実施すれば、掘進地盤条件を正確に反映させた合理的な設計が可能となる。ここで提案した縦シールド施工ならびに

４．ま と め推進反力体の合理的な設計法は、立坑１m深度ごとの算定以上のように縦横連続シールド工法の計測データーをもに基づくものであるが、現行の立坑深度の実績は最大でもとに合理的な設計法の提案を行った。表−２に各着目点に約60m程度であるから、その設計計算量は実際に対応可能おける合理的な設計手法を示す。以上に提案した方法は、な範囲のものである。

下記に述べる理由から実務的対応が十分に可能であり合理的な設計方法と考えられる。通常のシールド工法の設計時では、施工延長に対して数量の限られた離散的な地盤調査結果を活用するために、設計時点でのトンネル掘進地盤の表−２ 合理的な設計法の提案

146

参考文献
１）日本道路協会：道路橋示方書・同解説Ⅳ下部構造編