裏込め注入と泥水圧の影響を考慮した中折れシールド機挙動シミュレーション
地盤工学研究室岩崎広幸

指導教官 杉本光隆
1 はじめにて算定した泥水圧に任意の倍率を設定できるようにす施工実績や既往の研究によると、裏込注入材のテーるとともに、シールド機軸方向の分布を考慮できるよル内空への付着や、切羽泥水のシールド機周囲への回うにした（図-2(b)参照）。

り込みがシールド機挙動に影響を及ぼすことがあると4 シールド機挙動解析

されている。

4.1 解析概要

裏込注入材のシールドテール内空への付着は、テー

本研究では、ルシールの接地圧が不足する場合に起こりやすく、切

1)中折れシールド機動力学モデルの妥当性を確認する。

羽泥水のシールド機周囲への回り込みは、余掘りによ2)裏込注入材の付着分布、付着厚の違いがシールド機ってスキンプレートと地盤の間に隙間がある場合に起挙動に及ぼす影響を定性的に評価する

こりやすい。これらの影響は中折れシールドが用いら

3)泥水の回り込みがシールド機挙動に及ぼす影響を定れる急曲線施工で影響が大きいと考えられる。

性的に評価する。

そこで、本研究では、裏込注入と泥水圧による影響を目的として、以下の 3 項目の解析を実施した。

をより詳細に表現できるモデルを開発するとともに、

1)実測データによるシールド機挙動シミュレーション

これらがシールド機挙動に及ぼす影響の定性的な評価

2)裏込注入材の付着による影響を考慮したシールド機を行い、これらがシールド機挙動に及ぼす影響のメカ挙動シミュレーション

ニズムを解明することを目的とする。

3)泥水の回り込みによる影響を考慮したシールド機挙

2 裏込注入材付着のモデル化

動シミュレーション

既往のモデルでは、図-1(a)のように裏込注入材がテ4.2 解析対象ール部内空全体に一定厚で付着することを想定していシミュレーションには、泥水式の中折れシールド(φた。本研究では、図-1(b)のようにシールドテール端部=8.08m)で土被り約 25m の洪積砂層と洪積粘性土層とゼグメント前端面位置で独立に、かつ、指定範囲にの互層地盤中を約 2900m 掘進した工事の現場実測デ設定できるようにした。

ータを用いた。掘進データの計測区間は、RingNo.50

3 切羽泥水回り込みのモデル化〜309 の 259Ring であり、挙動シミュレーションは、既往のモデルでは、スキンプレート周囲に作用する

このうち平面線形が直線のみの区間（以降、直線部と泥水圧を、切羽泥水圧を基準とした静水圧分布で与え呼ぶ）と直線と曲線の双方を含む区間（以降、曲線部ていた（図-2(a)参照）。本研究では、静水圧分布としと呼ぶ）で実施した。図-3 の地質縦断上に直線部およテール全長

全周一定

σmud

σmud

(a) 一定厚(a) 静水圧分布
付着位置を選択

指定範囲(b) 分布を考慮
図-1 裏込注入材付着のモデル化(b) シールド機軸方向の分布を考慮

図-2 泥水圧分布のモデル化

び曲線部のシミュレーション区間を示す。
5 解析結果5.1 実測データによるシールド機挙動シミュレーショ
ン
中折れシールド機動力学モデルの妥当性を確認する
直線部

曲線部

ため、裏込注入および泥水の回り込みを考慮しない状
態で直線部，曲線部それぞれについて挙動シミュレーションを実施した。
図-4,図-5 に直線部,曲線部におけるシールド機軌跡のシミュレーション結果と実測値を示す。

図-3 地質縦断図

両図より、直線部,曲線部ともにシミュレーション結果は実測値とよく一致していることが分かる。
ド機挙動シミュレーション
ここでは、裏込注入材の付着による影響が大きく現x -coodinate (m)5.2 裏込め注入材の付着による影響を考慮したシール

26
Observed
Predicted
Planned Alignment

27

鉛直面

2829

れると考えられる曲線部について検討を行う。
305.2.1 解析ケース

45800

裏込注入材の付着による影響は、付着の分布と付着〜(d)に示す 4 パターンを設定し、付着厚については、片側のテールクリアランス 30mm を考慮して表-1 のy - coodinate (m)厚を検討項目とした。付着の分布については、図-6(a)水平面4577545750

ように定めた。
なお、付着厚 tTD=0mm の S000 と C000 は、5.1 節

45725-48750-48725で示した、裏込注入材の付着および泥水の回り込みを5.2.2 解析結果

(b)図は水平面内について示している。

-4862526x -coodinate (m)の計画線形からの位置偏差を示す。(a)図は鉛直面内、-48650

図-4 シールド機軌跡（直線部）

考慮しない場合の解析結果である。
図-7 に付着厚 tTD=30mm の場合のシールド機軌跡-48700-48675z - coodinate (m )Observed
Predicted
Planned Alignment

27

鉛直面

2829

図-7 より、以下のことが分かる。
3045800

1)裏込注入材の付着を設定しない C000 と比較して、裏込注入材の付着を設定した全てのケースで、鉛直面
2) テール左側に付着のある 3 ケースでは、裏込注入材の付着を設定しない C000 と比較して、水平面内の軌

y - coodinate (m)内の軌跡が上方へそれる。

水平面4577545750

跡が右側（カーブ外側）へそれる。一方、テール右側に付着を設定した C144 では、左側（カーブ内側）へそれる。
3)裏込注入材の付着を設定しない C000 と比較して、裏込注入材の付着を設定した全てのケースで掘進距離

45725-48925-48900-48875-48850z - coodinate (m)-48825図-5 シールド機軌跡（曲線部）-48800が若干短い。
これらは以下のためであると考えられる。
1) 裏込注入材の付着を設定したことで、テールクリアランスが減少し、セグメント反力が増加する。このため、シールド機の回転が拘束される。また、力の釣合いのために裏込注入材の付着を設定した側へ後胴位置(a) –150〜150°(b) 0〜360°(a) 0〜180°(d) 180〜360°

がシフトする。これらの結果として、シールド機軌跡がずれる。
2) シールドテールに作用するセグメント反力が増加
すると、作用力に応じ摩擦力が増加する。
これにより、シールド機は掘進抵抗が増大し、掘進速度が低下する。

図-6 付着分布のパターン

上記は、力の釣合いの結果であり、力学的に合理的である。

表‑1

5.2 泥水の回り込みによる影響を考慮したシールド機

裏込め材付着による影響の検討ケース
付着範囲 (deg)-150 〜

挙動シミュレーション

150

ここでは、泥水の回り込みによる影響が大きく現れると考えられる曲線部について検討を行う。
5.2.1 解析ケース

直線部

泥水の回り込みによる影響は、シールド機軸方向の分布と作用圧比（切羽泥水圧に対する比）を検討項目

30
付着厚40t TD0（ mm ）とした。

01020

曲線部

検討ケースの一覧を表-2 に示す。シールド機軸方向の分布については、図-2(a)のようにシールド機全長で0 〜 360 0 〜 180

180 〜360

S111
S112

S000
S121S131S122S132

S141
S142

S113

S123

S133

S143

S134

S144

C000

1020C111
C112

C121
C122

C131
C132

C141
C142

30C113

C123

C133

C143

C134

C14440一様に分布する場合と、図-2(b)のようにシールド機先-0.5減を設定する場合の 2 種類を設定した。作用圧比につ-0.25

いては、0.5,1.0 とした。なお、作用圧比 0 の S000 とC000 は、5.1 節で示した、裏込注入材の付着および泥Dev. X (m)端部（1.5ｍ）で一様に分布し、後方テールにかけて低(Up)(a)鉛直面内

C113

C143

C123
C133

0C000

0.25

水の回り込みを考慮しない場合の解析結果である。
0.50.55.2.2 解析結果
計画線形からの位置偏差を示す。(a)図は鉛直面内、(b)図は水平面内について示している。
図より、以下のことが分かる。
1)泥水の回り込みを設定しない C000 と比較して、泥水の回り込みを設定した 2 ケースでは、鉛直面内の軌(Right)(b)水平面内

Dev. Y (m)

図-8 に作用圧比 1.0 とした場合のシールド機軌跡の(Down)

0.25

C143
C0000
C113-0.25

C123C133-0.5
310

320

330

跡が上方へそれる。また、シールド機軸方向の低減を設定しない C212 と低減を設定した C222 では、低減を設定しない C212 の方が大きくそれる。
2)泥水の回り込みを設定しない C000 と比較して、泥340 350 360
Distance (m)370

図-7 シールド機軌跡の計画線形からの位置偏差(Left)380

水の回り込みを設定した 2 ケースでは、水平面内の表-2 泥水の回りこみによる影響の検討ケース

軌跡が左側（カーブ内側）へそれる。また、シール分布

ド機軸方向の低減を設定しない C212 と低減を設定一様した C222 では、低減を設定しない C212 の方が大1

作用圧比（- ）これらは、以下のためであると考えられる。
1) 泥水圧の密度は水の密度より大きいので、泥水の

S211
S2120.5

直線部きくそれる。

C211
C2120.5
1

回り込みを考慮することにより、シールド機作用す

S221
S222
C0000
曲線部

テール方向に低減

S0000

C221
C222

る浮力が増加する。
したがって､シールド機は上方へ-0.5ほうが広いので、上向きの回転を生ずる。

-0.252) ｢泥水圧よりも小さい地盤反力が作用している部分に泥水圧が作用する｣という仮定を用いている。
カDev. X (m)変位する。さらに、泥水圧が作用する範囲は前胴のC212(Up)

C222(a)鉛直面内
C000

00.25

ーブ内側より外側の方が上記の範囲が広いので、泥0.50.5

カーブ内側へ変位する。さらに、泥水圧が作用する範囲は前胴のほうが広いので、カーブ内側への回転を生ずる。
上記は、力の釣合いの結果であり、力学的に合理的である。
6.結論

Dev. Y (m)

水の回り込みを考慮することにより、シールド機は0.25(Down)(Right)(b)水平面内

C222

0C000-0.25-0.5(Left)

310

320330

本研究により以下の結論を得た。
1) 現場実測データを用いて直線区間および曲線区

C212

340 350 360
Distance (m)

370

380

図-8 シールド機軌跡の計画線形からの位置偏差

間を掘進する泥水式中折れシールド機の挙動シミュレーションを実施し、計算値は実際のシールド機挙動参考文献と良い一致を見た。これより、中折れシールド機動力

1)杉本光隆,Aphichat Sramoon 施工実績に基づくシ学モデルの妥当性が確認された。

ールド機動力学モデルの開発,土木学会論文

2) 裏込注入のテール内空への付着およびスキンプレ

集,No.673/Ⅲ-53,2001

ート周囲に回りこむ泥水について、分布を考慮できる

2)山口宇玄,杉本光隆,Aphichat Sramoon

モデルを開発した。このモデルを用いることで、よりールド機挙動モデルの開発,第 56 回土木学会学術講演

実現象に近い状態でこれらがシールド機挙動に及ぼす会講演概要集Ⅲ,Ⅲ-B075,2001

影響を評価できるようになった。
3) 開発したモデルを用いて裏込注入材の分布性状ならびに泥水の作用圧を検討項目とした数値実験を実施し、これらのシールド機挙動に及ぼす影響の定性的な評価を行った。その結果、両者のシールド機挙動に及ぼす影響とそのメカニズムを解明した。
謝辞
本研究を行うにあたり貴重なデータをご提供くださった関係者の方々に深く感謝の意を表します。

中折れシ