新幹線による地盤振動を低減するための対策工法に関する研究

1．はじめに地盤工学研究室

塚本尚規

指導教員

豊田浩史

1/100，相対密度 Dr60%で，小名浜砂を用いて作製

近年，鉄道の高速化により，鉄道沿線の振動問題した．適用した相似則は，実物の長さ lp と模型の長が大きな課題となっている．振動への対策としてさ lm の比を相似比 λ=lp/lm と定義し，砂の振動実験

は，加振力の周波数特性を把握し，卓越する周波数でよく用いられる，砂のせん断剛性 G が拘束圧の平帯で，振動低減効果が発揮される対策を選定するこ方根に比例するという実験結果によるものを利用しとが効果的である．しかし，実際の振動伝播機構のた．

解明や，防振効果の高い施工法の特定にまでは至っていない．

3．使用機器

そのため，本研究では，新幹線振動の低減を目的

3．1 使用機器とした防振壁を設計する上で必要となる基礎データ

本試験では振動源として，小型起振器を用いた．

を収集するために，1/100 スケールでの模型試験を用いた起振器は，幅=41(mm)，奥行=41(mm)，高さ実施し，新幹線通過時に発生する振動の広がりに着=56(mm)，重さ 0.4kg，加振力：9.8N，最大加速度：目して地盤伝播特性の把握と，振動を効果的に抑制無負荷時 326m/s2 の性能を持つ．また試験で用いたする対策工法について検討を実施した．

基礎模型のベースとして直径 120mm のペデスタルを起振器土台として使用した．土槽は，幅=1.7(m)，長さ=2.8(m)，高さ=1.6(m)である．

2．試験条件
本研究では，防振壁を模擬した防振材を地盤に挿土槽は一般構造用圧延鋼材 SS400 によって作製入し試験を行った．Table 2.1 に試験条件をまとめたされており，また，土槽の構造，大きさによっものを示す．主に防振壁のサイズ，質量，剛性に着て，外来ノイズや壁面反射波の干渉が問題視され目した試験を実施した．試験条件は，防振壁を設置ているため，影響を軽減させるために，土槽内壁しないケースと設置するケースの計 17 ケースであに緩衝材を設けた．緩衝材の材料として，押出式る．この試験は，実験土槽内に作製した模擬地盤上ポリスチレンフォーム保温版 1B(スタイロフォーで行った．本試験に用いた模型地盤は，模型縮尺ム)を使用した．

Table 2.1 試験条件一覧
実験名

Case名

無対策

Case0

実験名

Case名

防振壁実験

Case1-1
Case1-2
Case1-3
Case1-4
Case1-5
Case1-6
Case1-7
Case1-8
Case1-9

実験名

Case名

筒型実験

Case2-1
Case2-2

実験名

Case名

反射振動実験

Case3-1
Case3-2

実験名
質量体実験

厚さー

幅ー

高さー

防振材
根入れ深さ 防振壁の枚数
ーー

厚さ5mm
5mm
5mm
5mm
1mm
5mm
5mm
5mm
5mm

幅860mm860mm
430mm400mm
860mm
344mm
172mm
430mm
430mm

高さ200mm
200mm
200mm
430mm
200mm
200mm
200mm
125mm
87mm

防振材
根入れ深さ 防振壁の枚数 材質
150mm
2真鍮
150mm
2アクリル
150mm
1真鍮
370mm
2真鍮
150mm
1真鍮
150mm
2真鍮
150mm
1真鍮
75mm
1真鍮
37mm
1
真鍮

備考
防振壁連結あり
防振壁連結あり
起振器に対し真ん中に設置
長軸と短軸を90度回転して設置
860mmの防振壁を1枚172mmの防振壁を2枚172mmの防振壁を1枚起振器に対し真ん中に設置
起振器に対し真ん中に設置

厚さ5mm
5mm

外径
200m
200m

内径190mm
190mm

防振材
根入れ深さ
150mm
150mm

材質
真鍮
真鍮

備考
起振器を中心に囲み設置
加速度計を囲み設置

厚さ5mm5mm

幅430mm
430mm

高さ200mm
200mm防振材
根入れ深さ 防振壁の枚数
150mm
2150mm
1材質
真鍮
真鍮

備考
430mmの防振壁を2枚430mmの防振壁を1枚

Case名
厚さ
幅
Case4-1 30mm×30mm
860ｍｍ
Case4-2 30mm×30mm 380mm，380mm
Case4-3 30mm×30mm
430mm

高さ200mm
200mm

材質
ー

備考
対策なし

防振材
材質
鉛
鉛
鉛

使用個数
2544（左:22，右:22）11

備考
起振器に対し壁状に1列に並べて設置
起振器に対し左右に2列に並べて設置
起振器に対し壁状に1列に並べて設置

3．2 防振材
防振壁実験では，C2801P 真鍮板とアクリル板を使用した．防振材の大きさは，厚さ 5mm，幅430mm，高さ 200mm であり，これを 1 枚とする．
幅 860mm の防振壁は，幅 430mm の防振壁を 2 枚隣合わせて使用した．2 枚の防振壁の境目を固定する
場合，防振壁の上端はアルミ製のフレーム材をボルトで固定し，下端は鉄製の連結板を取り付けボルトで固定した．アクリル板では，防振壁の上端はアルミ製の連結板を取り付けボルトで固定し，下端はア

Fig. 3.1 防振壁実験での設置位置

クリル製のプレートを取り付け樹脂製ボルトで固定した．
筒型実験では，防振壁実験と同じ真鍮板を使用した．防振材の大きさは，厚さ 5mm，高さ 200mm，外径 200mm，内径 190mm のパイプ型である．実験
では，振動伝播の影響を調べるため，起振器または加速度計の周りに設置して行った．
反射振動実験では，防振材は，C2801P 真鍮板を使用した．防振材の大きさは，厚さ 5mm，幅 430mm，高さは 200mｍであり，これを 1 枚とする．
実験では，Fig. 3.2 筒型実験での設置位置加速度計の両サイドに設置して行った．
質量体実験では，重量物として 30mm×30mm のパックに鉛玉を入れ起振器周辺の地表面に設置して行った．
3．3 使用機器等の設置方法
Fig. 3.1～Fig. 3.4 は使用機器等の設置位置を示す．図中の六角形のものは PV-87，四角形のものはPV-93 を示している．設置した加速度計は，土台に3 箇所（計測は 1 箇所のみ，他 2 箇所は土台のバランスをとるために設置），防振壁上に 3 箇所，地表Fig. 3.3 反射振動実験での設置位置

面に 18 箇所（PV-87 が 12 箇所，PV-93 が 6 箇所），起振器の制御用に 1 箇所と制御値のモニター用が 1箇所と制御値のモニター用が 1 箇所である．土槽の軸は，土槽の短軸方向を X 軸，長軸方向を Y 軸と設定した．

4．測定条件
本試験の加振条件は，Table 4.1 に示した通りである．これまでの様々な研究より，地盤を伝播する振動の卓越周波数は，概ね 1~100 Hz（実物換算周波数）であるということが報告されている．これを受けて，加振周波数は，模型レベル換算で 5～3,000Hz

Fig. 3.4 質量体実験での設置位置の領域に設定した．また，サンプリングインターバ（1）防振壁の剛性

ルについては，Table 4.2 に示す．

Fig5. 1 より，無対策に対し，真鍮板・アクリル板ともに振動低減効果が発揮されていることがわか

Table 4.1 起振器の加振条件

る．さらに真鍮板とアクリル板を比較すると真鍮板加振波形
加速度 Gal
加振周波数 (Hz)がより効果的である．これは剛性の高い真鍮板が振Sin波
1,0005～3,000

動対策工法に効果的であるといえる．

Table 4.2 加速度波形測定条件
サンプリング加振周波数
サンプリング時間
インターバル
サンプル数
(Hz)
(sec)
(μ sec)
5～3,000
100
40400,000

Fig 5.1 防振壁の剛性の比較結果

5．試験結果5．1 試験結果の整理方法得られたデータから振幅比 N を算出した．振幅比（2）防振壁の厚さ

N は測定データを比較検討するために，Fig5. 2 より，5mm 板と 1mm 板を比較すると同じ

𝐴𝑔𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑
𝐴𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡𝑒𝑟

挙動を示していることがわかる．振動低減対策にお𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑒，𝑁 =ここで，Aground

は，地盤の加速度振幅(m/s2)

いて防振壁の厚さは影響が小さいと推測される．つ，Aexciter は，起振機の加速度振幅(m/s2)とした．

まり，防振壁の厚さが薄くても振動低減効果は発揮されるといえる．

本研究では，模型実験で測定した周波数を実物周波数に変換し，低周波数(95Hz~160Hz)，中周波数(160Hz～316Hz)，高周波数(316Hz～632Hz)の 3 つ周波数領域を区分して比較する(Table5.1)．本報告では，環境基準に規定されている距離 12.5m（試験では起振器に最も近い加速度計）の地点を測定した．
Table 5.1 周波数変換一覧

低周波数
中周波数高周波数

実物レベル(λ =1)
3～5Hz
5～10Hz
10～20HzFig 5.2 防振壁の厚さの比較結果

模型レベル(λ =20)
95Hz～160Hz
160ｚ～316Hz
316Hz～632Hz（3）防振壁の幅
Fig5. 3 より，防振壁の幅が長いほど低減効果がより発揮されることがわかる．周波数領域で比較する

5．2 振幅比の比較結果と，高周波数域（316Hz～632Hz）においてTable5.2 は本研究において，効果的に抑制する対策工法を検討するための比較項目である．

344mm・430mm と 860mm グラフが逆転している．
これにより振動低減対策に効果的である周波数領域は区分されると考えられる．

Table 5.2 各実験における比較一覧
比較対象ケース
比較No.
1
Case1-1 Case1-2 Case0
2
Case1-1 Case1-5 Case0
3
Case1-1 Case1-3 Case1-6 Case1-7
4
Ｃａｓｅ1-3 Case1-4 Case0
5Ｃａｓｅ1-3 Ｃａｓｅ1-8 Ｃａｓｅ1-9 Case0
6Case1-1 Case4-1 Case0
7Case2-1 Case2-2 Case1-1 Case0Case0

比較項目
防振壁の剛性
防振壁の厚さ
防振壁の幅
根入れ深さ①
根入れ深さ②
振動対策工法の比較
振動対策箇所の比較

Fig5. 6 に，対策工法による振動低減効果を示す．
質量体実験と防振壁実験のグラフを比較すると，防振壁実験が振動低減において効果的であることがわ
かる．

Fig 5.3 防振壁の幅の比較結果（4）根入れ深さ①Fig5. 4 に，防振壁による根入れ深さの影響①を示
す．根入れを比較すると根入れを深くすると，低周

Fig 5.6 振動対策工法の比較結果

波数領域でも低減効果を発揮していることがわかる（7）振動対策箇所の比較
Fig5. 7 より，無対策に対し起振器周りに設置した筒型実験はほぼ同じ振幅比を示し，防振壁実験と加速度計周りに設置した筒型実験がほぼ同じ振幅比を示している．これにより，振動低減対策において，振動源付近に設置する対策工法よりも，振動を受ける構造物付近に設置する対策工法の方が効果的であFig 5.4 防振壁の根入れ深さ①の比較結果ると考えられる．

（5）根入れ深さ②
Fig5. 5 に，防振壁による根入れ深さの影響②を示
す．根入れ深さを比較すると，根入れが浅い 37mm
でも低減効果が発揮していることがわかる．参考に
質量体実験でも比較すると，無対策と比較した場合，低減効果を示しているが，防振壁ほど効果的な結果ではないことがわかった．以上のことから，低Fig 5.7 振動対策箇所の比較結果

減効果には根入れがある対策が効果的であり，根入れがある程度浅くても効果的であることがわかる．

（8）防振壁の幅と周波数の関係
Fig5. 8～Fig5. 10 に周波数別で整理した防振壁幅の影響を示す．防振壁幅の低減効果について，各図より 344mm まで振動低減効果が増大していることがわかる．

Fig 5.5 防振壁の根入れ深さ②の比較結果（6）振動対策工法の比較

Fig 5.8 防振壁の幅（低周波数領域）

4. 防振壁根入れ深さは 3.7m あればよい－参考文献－
1) 香川崇章：土構造物の模型振動実験における相似則，土木学会論文集, No. 275, pp. 69-77, 1978.
2) 豊田浩史：模型地盤内に設置した遮断壁の地盤振動低減効果確認試験-報告書-，2014.12
3) 野本将太，豊田浩史：模型実験による振動遮断

Fig 5.9 防振壁の幅（中周波数領域）壁を用いた地盤振動低減効果の検証，長岡技術科学大学修士論文，2014.3
4) 山村恭子，豊田浩史：新幹線による地盤振動を低減するための振動遮断壁のサイズに関する研究，長岡技術科学大学修士論文，2016.3
5) 安藤正樹，豊田浩史：新幹線による地盤振動を効果的に低減するための振動遮断壁，長岡技術科学大学修士論文，2017.3

Fig 5.10 防振壁の幅（高周波数領域）

6．まとめ
・振動を効果的に抑制する対策工法について防振材を比較した結果，防振壁の剛性が大きい真鍮板がアクリル板より振動低減効果を発揮した．防振材の厚さを比較した結果，振動低減対策において厚さに大きな影響はない．したがって，厚さが薄くても振動低減効果が発揮されることがわかった．
防振壁の幅に関しては，幅を長くするほど振動低減効果が発揮されることがわかった．周波数領域と防振壁幅の関係性を見ると，低周波領域は明確でないものの，中周波数領域以上は幅 344mm までは，振動低減効果が増大し，それ以上は効果が小さいことがわかった．
7. 結論
本研究を行った範囲内で，環境基準に規定されている距離 12.5m（試験では起振器に最も近い加速度計）の地点の振動対策として，防振壁は効果的である．フーチング基礎模型の直径を d とした時，防振壁の仕様は以下のようなものが好ましい．
1. 地盤とのインピーダンス比が大きい防振材を用いる
2. 防振壁幅は約 3d 以上とする
3. 防振壁厚さは 10cm あればよい