建設機械施工 Vol.73 No.12

CMI 報告December

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山岳トンネル覆工における分割型プレキャスト覆工システムの開発
井野裕輝

1．はじめに山岳工法により建設される覆工の構築方法は，現場打設が標準となっている。覆工作業の生産性向上を目的に分割型プレキャスト覆工（以下，PCa 覆工）を用いて機械により組み立てる工法の開発を清水建設㈱と㈱ IHI 建材工業業との共同研究により行っている。
覆工のプレキャスト化により，工程短縮や省人化が図

図─ 2

PCa 覆工本体の外観れるとともに高品質な構造物を構築することができる。
しかし，従来の覆工構造と異なる点を有しており，となっている。無筋構造が基本である従来覆工と異な耐荷力など必要な性能の確保が重要となる。

り，有筋構造で主筋として SD345-D13 を配置してい本稿は，PCa 覆工の開発における実物大の供試体る。コンクリートの設計基準強度については，従来覆を用いた載荷試験と数値解析による従来覆工との耐荷工の 18 N/mm2 よりも高強度な 40 N/mm2 とした。

力比較について報告するものである。

側壁部は現場打ちコンクリートで厚さは 30 cm，設計基準強度は 18 N/mm2 で無筋構造としている。上半2．分割型 PCa 覆工システムの概要

アーチ部と側壁部の接合部は，固定金具で PCa 覆工と側壁コンクリートをつなぎ，隙間を設計基準強度（1）PCa 覆工の構成24 N/mm2 のモルタルで埋める構造である。これらの図─ 1 に開発を行っている PCa 覆工の概要を示す。

構造諸元を基本とするが，個別の条件に合わせて適宜PCa 覆工は，上半アーチ 1 リングが 6 つのピースに決定する。

より構成される構造で，継手にはシールドトンネルで多くの実績のあるワンパス型の継手（セグメント継手：（2）架設装置

くさび継手〈2 か所／断面〉，リング継手：ピン挿入

架設機械は組立を行うエレクタ（図─ 3 手前）と型継手〈2 か所／断面〉）を採用しており，トンネル組立中の形状を保持する形状保持装置（図─ 3 奥）の軸方向のリング配置はイモ継ぎとした。PCa 覆工本2 台で構成される。架設の手順を図─ 4 に示す。まず体は，図─ 2 に示すように幅は 1 m，厚さは一般部がエレクタがプレキャスト部材を把持し，組立位置まで14 cm，継手部が 20 cm であり，すりつけ部は変断面移動させる。次に，エレクタのスライド力により継手

図─ 1

PCa 覆工の概要

図─ 3架設機械の外観

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図─ 4を挿入し組み立てる。エレクタがプレキャスト部材をDecember

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施工フロー

3．実物大載荷実験

離た後に，形状保持装置が組み立て済みの部材を保持する。その後，プレキャスト部材に設置された形状保（1）試験概要

持ボルトを作用させて，変形を抑制する。1 リング分（6新たに開発した PCa 覆工の耐荷力を検証するためピース）組立終了後に形状保持装置を解除し，エレクにプレキャスト部材から構成される上半アーチ部を対タ及び形状保持装置を次の施工位置に移動する。

象とした実物大の載荷実験とシミュレーション解析を実際のトンネル内を模擬した実証実験を弊所敷地内行った。実験の外観を図─ 6 に示す。実験装置は，の模擬トンネルにて実施した。実施後の様子を図─ 5

地盤反力の模擬と載荷のために，ジャッキを 10゜ピッに示す。9 リング分の施工実験を行い，下記のようなチで 19 箇所設置した構造とした。供試体は 2 車線の結果が確認された。

道路トンネルを想定し，プレキャスト部材 6 ピースで

① PCa 覆工 1 ピースの把持〜設置〜形状保持までの一連の作業は平均 10 分で完了した。
② PCa 覆工の形状は全線を通して設計値の±5 mm以内と非常に高精度で施工できた。

構成される内径 10.6 m，高さ 1 m の半円形とした。
水平より 30°ピッチでの位置に存在するプレキャスト
部材同士の接合部にはセグメント継手を有する構造である。載荷方法は荷重制御（図─ 7 参照）にて行い，天端及び両側 10°，20°離れた位置に載荷した。

図─ 5

実証実験後の覆工図─ 6

実物大実験の外観

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December図─ 72021

載荷方法の概要

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図─ 9

実験結果と解析結果の比較（変位荷重関係）

図─ 10

実験結果と解析結果の比較（外面ひずみ分）（2）解析概要
今回開発した PCa 覆工の耐荷力評価手法の検討を目的に数値解析による実験のシミュレーションを行った。様々な解析手法がある中で，今回はファイバーモデルを用いた非線形解析手法を採用した。PCa 覆工を評価する上で，従来覆工にはない継手部分のモデル化が重要となり，今回はシールドトンネルにおけるセグメントの評価に用いられる手法を参考に線形の回転ばねでモデル化して解析を行った。
（3）試験及び解析結果
試験では最終的に荷重値が 350 kN/ 本を超えた時に天端部から反時計回りに 5 〜 10°付近の部材厚さが4．解析による従来覆工との耐荷力の比較薄くなった一般部の外面において圧壊によるひび割れが生じ，構造全体の破壊に至った。破壊状況を図─ 8（1）比較概要に示す。覆工構造全体の破壊に至った時の天端の変位

新たに開発した PCa 覆工を対象とした解析手法の量は 48 mm でトンネル半径に対する比率（変形率）妥当性を実物大載荷実験との比較により確認できた。

は約 0.9％となる。

そこで，従来から用いられている覆工と同等以上の耐実験で得られた天端荷重と変位の関係とその解析値荷力を有していることを確認するために，比較解析をを図─ 9 に示す。実験値の傾向を概ね再現できており，行った。比較解析では，実際の地山を想定し，図─今回採用した手法で開発した PCa 覆工の変形挙動を再11 に示すように荷重は鉛直及び水平方向に作用さ現できることが確認できた。次に，荷重が 300 kN/ 本

せ，地盤による反力を模擬したばねを全周にわたって時の外面ひずみ分布を図─ 10 に示す。ある荷重時点配置した。なお，PCa 覆工のコンクリート設計基準における外面ひずみ分布もおおよそ再現できており，今回採用した解析手法が妥当であることが確認できた。

図─ 8覆工コンクリートの破壊状況

図─ 11比較概要

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強度は 40 N/mm2 で，従来覆工及び PCa 覆工におけ今回断面の破壊荷重の評価手法として，コンクリー

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−N 破壊包絡線を採用した。図─ 12 中の○で示した

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る時の荷重値である。鉛直荷重のみの場合の結果を図

図─ 14

─ 13 に，水平荷重のみの場合の結果を図─ 14 に示す。
鉛直荷重のみの場合については，従来覆工と PCa◚ቯ᩿㠃㻼㻯㼍そᕤ㻤㻜㻜トの終局ひずみと鉄筋の降伏ひずみで規定される Mのが，発生する断面力が，M−N 破壊包絡線と交差すᚑ᮶そᕤ㻥㻜㻜ỈᖹⲴ㔜㼇㼗㻺㻛㼙㻞㼉（2）比較結果

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る現場打ちとなる側壁部はコンクリート設計基準強度
18 N/mm2，厚さ 30 cm の無筋コンクリートとした。

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変位関係（水平荷重のみ）

5．おわりに覆工ともに天端部で断面破壊が生じている。断面破壊
荷重で耐荷力を評価すると，PCa 覆工は従来覆工と覆工作業の生産性向上を目的とした分割型プレキャ同等以上の耐荷力を有していることが確認された。

スト覆工を用いて専用の架設機械で組立てる覆工シス水平荷重のみが作用する場合については，PCa 覆2工のコンクリートの設計基準強度を 48 N/mm に大きくしたものも示す。従来覆工は側壁部で断面破壊を生テムの開発において，下記のことが確認できた①架設機械の開発及び覆工組立の実証実験を行い，本工法の省人化への有効性を確認した。

じているのに対して，PCa 覆工は上半脚部において②実物大実験を対象としたシミュレーション解析に断面破壊が生じている。耐荷力は従来覆工に比べてやよって，従来とは異なる構造を有する分割型プレや劣る結果となったが，コンクリート強度を増加させキャスト覆工においても，解析的手法が有効であることにより，同等の耐荷力確保が可能となった。

ること確認できた。
③数値解析による検討によって，本工法が従来の覆工と同等以上の耐荷力を確保できることが確認できた。
これらは，一つの断面形状の PCa 覆工を対象に実施した実験と解析にて得られた知見であり，今後各種現場条件に応じた検討は必要と考えている。

図─ 12

ＭＮ破壊包絡線と評価方法《参 考 文 献》
1）小池 悠介，安井 成豊，井野 裕輝，土谷 勝也，夏目 岳洋，山岳トン
ネルにおける分割型プレキャスト覆工システムの実物大実証実験，土木学会第 76 回年次学術講演会講演概要集，Ⅵ−922，2021
2）吉武 謙二，鹿島 竜之介，真下 英人，井野 裕輝，夏目 岳洋，山岳トンネルにおけるプレキャスト覆工の変形挙動に関する実験的検討，土木学会第 76 回年次学術講演会講演概要集，Ⅲ−14，2021
3）井野 裕輝，真下 英人，吉武 謙二，鹿島 竜之介，夏目 岳洋，山岳ト
ンネルにおけるプレキャスト覆工の変形挙動に関する数値解析的検討，土木学会第 76 回年次学術講演会講演概要集，Ⅲ−15，2021［筆者紹介］
井野 裕輝（いの ゆうき）
（一社）日本建設機械施工協会
施工技術総合研究所
研究第一部 研究員

図─ 13

荷重変位関係（鉛直荷重のみ）