技報第 27 号

2014

大和川線シールドトンネルの損傷制御設計
阪神高速道路(株)建設事業本部堺建設部設計課
新名勉
阪神高速道路(株)建設事業本部堺建設部大和川線建設事務所
志村敦
阪神高速道路(株)建設事業本部大阪建設部西船場ジャンクション建設事務所 藤原 勝也………………………………………………………………………………
要

旨大和川線シールドトンネル［当社施工区間］は，セグメント外径φ12.230m，延長 2.0km の併設トンネルである．レベル 2 地震動以上の地震レベルである「最大級シナリオ地震動」に対し，縦断方向の耐震設計において，トンネル軸方向の圧縮力が卓越した．このため，圧縮力が卓越したセグメントの構造変化点に変位吸収機構を導入することにより，所要の耐震性能を確保することを目指した．変位吸収機構は，従来技術（可とうセグメント）との比較から，鋼製セグメントの縦リブ変形を活用し，必要以上の変形は抑制する構造（損傷制御型鋼製セグメント）とした．本稿は，このシールドトンネルの損傷制御設計について報告する．
キーワード:シールドトンネル，最大級シナリオ地震動，耐震性能，損傷制御設計工事を進めているところである（図-1）．

はじめにこれまで，本トンネルでは，横断方向および縦断方向の耐震設計を実施してきた．縦断方向の耐当社が施工する大和川線シールドトンネルは，震設計のうち，レベル 2 地震動以上の地震レベル

堺市堺区遠里小野町 4 丁(No.1 立坑)～同市北区である「最大級シナリオ地震動」では，過大な地

常磐町 1 丁(No.2 立坑)の延長 2.0km 区間であり， 盤応答が発生し，トンネル軸方向に卓越する圧縮
浅香川を境として，西側約 1.9km は当社，東側約力の対策として，セグメント構造変化点に可とう

0.1km は堺市の事業区間である．堺市事業区間の吸収構造を配置する必要性が整理されてきた 1)．

施工は当社が受託し，全体を当社施工区間として

本稿では，この具体策として，損傷制御設計の概図-1 大和川線シールドトンネル（阪神高速道路(株)施工区間）平面図－38－念を導入して開発した「損傷制御型鋼製セグメン成セグメント（篏合方式合成セグメント，六面鋼ト」の設計について報告する．

殻合成セグメント）を適用した．その他の区間は，所要の建築限界に対し，内空断面に余裕があるた

１．シールドトンネル概要

め，経済性も考慮し，桁高の大きい RC セグメン
トを適用した．

図-1 に平面図を，表-1 に概要を示す．施工手

図-2 に地質縦断図を示す．施工区間西端の順は，西端の No.1 立坑を発進し，西行き車線を

No.1 立坑付近で局所的に上町断層による撓曲がNo.2 立坑に向かって先行掘進する．No.2 立坑に見られるが，全体的には，洪積層を主体とする大到達後，同立坑にて転回し，東行き車線を No.1

阪層群の砂質土，礫質土および粘性土で構成され立坑に向かって後行掘進する．なお，西行き，東る互層状の地盤である．シールドが掘進する地盤行き車線とも，通過型の中間立坑を設けている．

は，N 値 50 以上の良く締まった砂質土・礫質土，

表-2 に覆工の概要を示す．主に合成セグメン

N 値 14～15 およびせん断弾性波速度 Vs＝300m/s

ト，RC セグメントを適用した．トンネル外径程度の比較的硬い粘性土である．

（セグメント外径）の決定断面である非常駐車帯区間，曲線部の視距拡幅区間は，桁高の小さい合表-1 シールドトンネル概要

２ ．縦断方向の耐震設計
2-1 耐震性能

シールド機 ： 泥土圧式（外径 φ12.470m，機長 12.8m）

縦断方向の耐震設計は，「シールドトンネル設掘進延長 ： 4,082m
線形条件 ： 平面線形
縦断線形計マニュアル」2)に基づき実施した．表-3 に地震最小曲率 R=400mレベルと目標とする耐震性能を示す．「最大級シ最大勾配 3.0%

ナリオ地震動」は，上町断層の破壊シナリオを反セグメント間最小離隔 986mm （外径比 0.08D）映した，大和川線の設計対象区間に最も大きな影

土かぶり ： 7.0m ～ 29.7m

響を及ぼす想定地震動である．最大級シナリオ地
表-2 覆工の概要
外径内径震動は，強度が極めて大きい，供用期間中に発生桁高幅する確率が極めて低い等の特徴を有しており，これを考慮し，耐震性能は安全性に限定している．

合成セグメント

－－－－

篏合方式

φ12.230m

φ11.580m

325mm

1,800mm

六面鋼殻

φ12.230m

φ11.630m

300mm※

1,800mm

RCセグメント

φ12.230m

φ11.320m

455mm

2,000mm以降では，縦断方向の耐震設計のうち，最大級シナリオ地震動におけるトンネル軸方向の圧縮力対策として導入した損傷制御設計について述べる．

※：耐火工厚さは除く
立坑

中間立坑
検討断面
No.267立坑
検討断面No.275図-2 地質縦断図

－39－

検討断面
No.291

は 2～4 倍程度，軸方向は 5 倍程度の大きな応答

2-2 設計概要
図-3 に設計フローを示す．最大級シナリオ地
震動における各地点の地盤変位は，大和川線のサとなった．その最大値は，トンネル軸直角方向は約 300mm，軸方向は約 500mm となった．

イトの表層地盤（GL-200m～地表面）をモデル化し，3 次元動的 FEM 解析より抽出した．シールド2-4 部材耐力検討（応答変位法）

トンネルは，リング継手による剛性低下を考慮し部材耐力の検討では，部材の非線形性を考慮した等価な一様剛性はりとしてモデル化した．立坑た解析を実施した．シールドトンネルは，道示Ⅲ接続部は，トンネル覆工と立坑躯体を一体化（剛に規定するコンクリートのσ－ε関係 3)により部結）せず，軸方向は充てん材の付着による拘束を材の非線形性を設定した．地盤ばね定数は，併設考慮したスライド結合，軸直角方向はピン結合とトンネルによる影響および地震時の地盤のせん断してモデル化した．そして，応答変位法を用いて， 剛性低下を考慮して低減させた．また，最大級シトンネル軸方向および軸直角方向（水平・鉛直）

ナリオ地震動で発生した地盤変位は過大なため，の地震外力（地盤変位）をばねを介して動的に載地盤と構造物の剛性の差により，地盤と構造物の荷した．

間にはく離が生じると考えられる．そこで，接触

表-4 に最大級シナリオ地震動における安全性面におけるせん断力が地盤と構造物の間のせん断の照査項目を示す．圧縮力に対する照査では，コ強度を上回った場合にすべりが生じることを想定

ンクリートの終局耐力を許容値とした．

し，地盤ばねモデルにすべり開始限界せん断力（上限値）を設定した．
圧縮力に対する検討結果として，図-4 にトン

2-3 地盤応答解析
3 次元動的 FEM 解析の結果，最大級シナリオ地

ネル縦断方向の最大地盤ひずみ分布を，図-5 に震動での地盤変位は，レベル 2 地震動と比較して，トンネル軸直角方向（水平方向および鉛直方向）始め

阪神高速道路株式会社殿より受領（ 本文P6 - 4 0 5 ま で）土質条件の整理表-3 地震レベルと目標とする耐震性能 2)
地震レベル

土質縦断図の作成目標とする耐震性能
安全性
機能性
復旧性

対象地震動

入力地震動の整理①地震時応答変位の算定

レベル１
地震動

地震直後に
道路橋 示方 書Ⅰ 種地 地 震 時の 利用
通行止めをも一般車両
盤のス ペク トル 特性 者 に 対す る安伴う補修・の通行が可を有する地震動
全性を確保
補強不要
能

レベル２
地震動

兵庫県 南部 地震 における強 震動 記録 より
地震直後に作成し た， 基盤 での補修・補強
地 震 時の 利用 も緊急車両
平均的 なス ペク トル
により当初者 に 対す る安 が 通 行 可
特性を有 する 地震の機能回復
全性を確保
能・建築限
動，お よび 南海 トラが可能
界確保
フ沿い を震 源と する
南海・東南海地震

最大級
シナリオ
地震動

構 造 物全 体系
が 崩 壊せ ず，上町断 層を 震源 とす
地 震 時の 利用るシナリオ地震動
者 に 対す る安
全性を確保

－－

動的FEM解析■地盤の構成則 ⇒ 弾性-完全塑性体で、Drucker-Pragerの破壊基準を使用■地震の位相差 ⇒ ・レベル１、レベル２地震動
関西地区アレー観測結果等を参考に位相速度として1.0km/secを考慮
・最大級シナリオ地震動
地震動の場所毎の違いが位相差に相当するため、これを忠実に入力

地盤応答値の抽出②地盤ばねの算出
動的FEM解析の初期剛性Gから地盤ばねを算出■シールドトンネル設計マニュアルに準拠⇒地下構造物と周辺地盤をモデル化した静的なＦＥＭ解析により算出③応答変位法による部材耐力検討

構造物のモデル化

構造物のモデル化■シールドトンネル ⇒ 梁要素（等価剛性）■発進到達立坑⇒ 梁要素（線形）■地盤⇒ ばね要素（線形）（地震時低減なし）■シールドトンネル ⇒ 梁要素（部材非線形）■発進到達立坑⇒ 梁要素（線形）■地盤⇒ ばね要素（上限設定）（地震時低減あり）

地盤ばねを介して部材（軸芯）に動的に応答変位入力

地盤ばねを介して部材（軸芯）に動的に応答変位入力

部材断面力算出

表-4 安全性の照査項目(最大級シナリオ地震動)

OK照査

部材変形（ひずみ）量算出
NG（最大級）NG（ﾚﾍﾞﾙ１、２）

地震レベル

加振方向

最大級
シナリオ
地震動

軸方向

部位

照査内容

許容値

覆工本体

軸圧縮力に対して覆工本体が崩壊しないことを確認

軸圧縮耐力

照査
NG

仕様変更

安全性の照査方法

OK

仕様変更

終り

図-3 縦断方向耐震設計フロー－40－

最大級シナリオ地震動に対する最大軸ひずみの分

なお，引張側の検討では，引張力はリング継手布を示す．図-5 の「対策工なし」のとおり，地の引張耐力を超えるが，覆工本体は健全な状態で盤ひずみが大きい領域のセグメント構造変化点あることを確認している．

（合成セグメント－RC セグメント接続部，3 断面）
2-5 対策工（変位吸収機構）の検討において，コンクリートの軸圧縮ひずみが終局ひ圧縮力により終局ひずみが大幅に超過したセグずみ（εcu=0.0035）を大きく上回る結果となり，メント構造変化点（3 断面）の対策として，変位対策工の必要性が認められた．
0.0080最大地盤ひずみ中間
立坑

立坑

0.0070立坑

0.0060

レベル１地震動
レベル２地震動
最大級シナリオ地震動

0.00500.00400.00300.00200.00100.0000

0200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

位置 (m)

図-4 トンネル縦断方向の最大地盤ひずみ分布0.0120
合成

本体部-最大軸ひずみ

0.0100

RC

合成

合成

RC

RC

「損傷制御型鋼製セグメント」配置

RC

中間
立坑

立坑「損傷制御型鋼製セグメント」配置

合成

合成

RC

RC

立坑
「損傷制御型鋼製セグメント」配置

0.0080

対策工なし
対策工あり

ε c = 0.00666

0.0060ε c = 0.00512

ε c = 0.00441

0.0040

コンクリート終局ひずみ ε cu=0.0035

ε c = 0.00348
ε c = 0.00240

0.00200.00000200

400

ε c = 0.00212

600

800

1000

位置 (m)

12001400

1600

1800

図-5 最大級シナリオ地震動に対する最大軸ひずみ分布（先行トンネル）
表-5 対策工（変位吸収機構）の比較①可とうセグメント

ケース②鋼製セグメントの縦リブ変形による対策

概 要

最大級シナリオ地震動に対し，鋼製セグメントの縦リブを不伸縮部を有する可とうセグメントの変形により圧縮力を吸収．
可逆的に変形させることにより変位を吸収．
［可とうセグメントは常時部材］［変位吸収機構は，最大級シナリオ地震動のみ発揮］

使用性

常時の可とう性から，舗装等の内部構築に目地が必要となる可能性．

△

通常の鋼製セグメントと同等．

○

耐久性

止水ゴムの長期耐久性が懸念．

△

通常の鋼製セグメントと同等．

○

継手部からの漏水リスクあり．

△

通常の鋼製セグメントと同等．

○

特に問題ない．

○

地震時変形にともなう土砂流入等の懸念はあるが，対処可能．

○

経済性

一般的なセグメントと比較して高価．

△

比較的安価．

○実 績

道路シールドトンネルとして複数の実績あり．

○

変位吸収機構としての実績は無いため，解析・実験等による性能確認が必要．

△維持管理性
安全性(最大級ｼﾅﾘｵ地震動)

評 価△○－41－2000

吸収機構を導入し，所要の耐震性能を確保するこし，下記について検討した．とを目指した．

①端部境界条件，初期不整の影響に対する座屈挙

表-5 に対策工の比較を示す．変位吸収機構と動の確認して，ゴムの伸縮機能で対応する「①可とうセグ②所定範囲の荷重で座屈を生じることの確認

メント」（実績有）と，「②鋼製セグメントの縦リ③縦断耐震設計で用いる非線形モデル（座屈時のP－δ曲線）の検証

ブ変形による対策」を比較した．②は，変位吸収機構としての実績は無いが，構造は鋼製セグメン④非対象の縦リブ形状による座屈時の面外変形方トの範疇であり，変位吸収を必要とする最大級シ向の確認

ナリオ地震時のみ，機能を発揮させることができ

特に，①に関して，縦リブの降伏荷重は，端部る．①との比較において，②は特に耐久性，維持の境界条件の違いによる影響を受けないこと，初管理性で優位であると判断し，これを選定した．

期不整の影響が限定的であることを確認した．

そして，②の具体策として，「損傷制御型鋼製セ(2) 要素実験
次に，解析検討を受け，縦リブの要素実験で座グメント」を開発し，トンネル軸方向の圧縮ひず屈挙動を検証し，部材仕様を決定した．要素実験

みを終局ひずみ以内に収めることとした．

は，上記②～④の検証を目的とし，実物大の縦リ

３ ．
「損傷制御型鋼製セグメント」の開発

ブを抽出した供試体を合計 9 体作成した．図-6に実験供試体を示す．供試体はウェブ厚を 28mm，30mm，32mm に変化させた 3 水準（各 3 体）で設

3-1 断面性能表-6 に縦断方向の耐震設計におけるトンネル定し，圧縮力を一方向単調載荷し，座屈挙動を確軸方向の地震時荷重を示す．損傷制御型鋼製セグ認した．図-7 に各供試体の最大荷重を示す．最メントの断面性能は，レベル 2 地震動の発生軸力

大荷重はいずれのケースもレベル 2 地震動以上，では座屈せず，最大級シナリオ地震動の発生軸力最大級シナリオ地震動以下の範囲に収まり，所定に対して座屈（降伏）するよう設定する必要があ

範囲の荷重で座屈が生じることを確認した．最終る．適用するセグメントは 3 断面共通としたため， 的に縦リブのウェブ厚は,最小の 28mm を採用した．
セグメントリングは 256,600～469,500kN の軸圧縮力で座屈する必要があった．

3-3 セグメント設計方針
従前の部材耐力検討から，縦リブが座屈すれば，3-2 縦リブ仕様の検討

コンクリートの軸圧縮ひずみを終局ひずみに収め縦リブの部材仕様は，実験および解析により，座屈挙動を総合的に検証した上で設定した．
(1) 解析検討
まず，3 次元 FEM モデルによる座屈解析を実施
表-6 トンネル軸方向の地震時荷重単位（kN/ring）
測点
位置

No.243400m

施工時［ジャッキ推力］

No.257680m

No.2781,100m142,600

レベル１地震動

71,00064,76079,810

レベル２地震動

256,600

227,100

217,100

最大級シナリオ
地震動

472,600

470,300

469,500

図-6 実験供試体（Web t=28mm）－42－載荷荷重 [kN]5,000

最大級ｼﾅﾘｵ地震動
4,695kN

4,000
3,000

レベル2地震動
2,566kN2,000

左：最大荷重
右：規格荷重 ※

1,000

0
1-①

1-②

1-③

Web t=28mm

2-①

2-②

2-③

Web t=30mm

3-①

3-②

3-③

Web t=32mm※各試験結果を規格降伏荷重で正規化．
例：1-① 3,778kN×355（規格降伏点）/418（ﾐﾙｼｰﾄ降伏点）＝3,209kN

図-7 各供試体の最大荷重
400000

表-7 損傷制御型鋼製セグメントの概要

350000

軸圧縮力(kN)

300000

Py=376700 kN

縦リブ
軸力伝達材

外径 ： φ12.230m

内径 ： φ11.530m

250000桁高 ： 350mm（耐火工厚さ除く） 幅 ： 1,100mm

200000

継手 ： ボルト式

150000耐火構造 ： あと施工型，パネル形式(検討中)100000

縦リブ ： 100本/ring

63 mm

設計圧縮変形量 ： 70mm（最大級ｼﾅﾘｵ地震動に対して）

50000
00.0000.050

0.1000.150

縮力を伝達するモデルとした．

圧縮変形量 (m)図-5 の「対策工あり」のとおり，解析上 63mm

図-8 損傷制御型鋼製セグメントのモデル化の圧縮変形量を設定することで，コンクリートのることができるが，座屈後の変形を制御しなけれ軸圧縮ひずみが終局ひずみ（εcu=0.0035）以内ば，圧縮変形量は最大 246mm に及び，その大変形に収まることを確認した．この検討をふまえ，本にともなう悪影響が懸念された．対策工の性能とセグメントの設計上の圧縮変形量は，安全側のしては，隣接する合成セグメントおよび RC セグ70mm で設定した．

メントのひずみが終局ひずみを超えない程度の可とう性（圧縮変形）を発揮すれば良い．このこと

3-4 構造概要

から，対策工では，所要の圧縮変形が発生した後

表-7 および図-9 に損傷制御型鋼製セグメントは，軸力伝達材を介して再度軸力を伝達させ，その構造を示す．縦断方向の断面性能（縦リブ他）れ以上の不要な変形は発生させない構造とした．

は，レベル２地震動の発生軸力以上の耐力を有し，図-8 に損傷制御型鋼製セグメントのモデル化

最大級シナリオ地震動では座屈（降伏）するものを示す．縦リブの圧縮特性（降伏強度等）は，要とした．図-10 に圧縮変形のイメージを示す．縦素実験で確認した P-δ曲線を反映した．ここで， リブの座屈にともなう圧縮変形により，トンネル要素実験では，座屈後の縦リブ剛性は軟化したが， 軸方向のひずみを許容値内に収めた．一方で，セ隣接セグメントに対して安全側の設定となるよう， グメントに必要以上の変形を生じさせず，損傷をバイリニアでモデル化した．また，縦リブ座屈後制御する観点から，所定の圧縮変形以上の変形にのセグメントの変形性能を 63mm で設定し，これ抵抗する部材（軸力伝達材）を設定した．なお，を超える圧縮変形では，軸力伝達材により，軸圧主桁との接触面に緩衝ゴムを配置し，軸力伝達材－43－

の偏当たりの抑制に配慮した．

スキンプレートとカバープレートはトンネル軸方

図-11 に地山側の構造を示す．縦リブの座屈挙向にスライドできる接合構造とした．併せて，セ動に追随，あるいは，座屈挙動を阻害しないよう， グメントの変形範囲には，止水プレートを設け，

a

縦リブ

軸力伝達材

主桁

b c

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

ｶﾊﾞｰﾌﾟﾚｰﾄ

b c

b c

b c
縦リブ

軸力伝達材

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

主桁

ｶﾊﾞｰﾌﾟﾚｰﾄ

ｶﾊﾞｰﾌﾟﾚｰﾄ

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

緩衝ゴム
縦リブ

軸力伝達材

ａ部詳細

ｂ－ｂ断面

ｃ－ｃ断面

図-9 損傷制御型鋼製セグメントの構造

止水ﾌﾟﾚｰﾄ
ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

軸力伝
達材

縦リブ
ｶﾊﾞｰﾌﾟﾚｰﾄ

ｽｷﾝﾌﾟﾚｰﾄ

緩衝ゴム

主桁図-10 圧縮変形のイメージ

図-11 地山側の構造－44－

性・経済性に優れた耐震対策を実施することがで圧縮変形時の土砂流入抑制に配慮した．

図-12 に施工状況（耐火パネル未施工）を示す． きた．2014 年 9 月現在，掘進を完了した先行トンネルにおいて，本セグメント（3 リング）の施おわりに工を無事終えている．今後も完工に向けて鋭意努
力し，大和川線の事業進捗を図っていきたい．

今回開発した「損傷制御型鋼製セグメント」により，各レベルの地震動に対して，安全性の確保

謝辞：本稿の一部（縦リブ要素実験等）は，阪神は大前提とした上で，使用性・耐久性・維持管理高速道路(株)・鹿島建設(株)による「損傷制御型鋼製セグメントの開発に関する共同研究」の成果である．また，検討にあたっては，「大和川線トンネル技術委員会（委員長：大西有三 京都大学名誉教授）」より多大なご指導を頂いた．ここに付記して謝意を表します．
参考文献
1) 藤原 勝也，仲 義史，志村 敦：阪神高速大和川線シールドトンネルの耐震検討，阪神高速道路(株)技報第 25 号，2010.
2) 阪神高速道路(株)：シールドトンネル設計マニュアル，pp.10-1～10-40，2011.2.
3) 日本道路協会：道路橋示方書・同解説 Ⅲ コンクリート橋編，pp.142，2012.3.

図-12 施工状況

SEISMIC STUDY ON THE YAMATOGAWA ROUTE SHIELD TUNNEL OF THE HANSHIN
EXPRESSWAY USING DAMAGE CONTROL DESIGN CONCEPT
Tsutomu NIINA, Atsushi SHIMURA and Katsuya FUJIWARA
The shield tunnel of the Yamatogawa Route under construction consists of 2.0 km long twin tunnels
with large cross sections (segment outer diameter: 12.230 m). Seismic analysis predicted excessive
axial force in the longitudinal direction for the scenario of maximum earthquake ground motion. In thisproject the authors developed a displacement absorption mechanism under the concept of damage
control design and applied it to structural change points on the steel segments. The mechanism wasdesigned to utilize deformation of longitudinal ribs of the steel segments to absorb compressive force
and suppress unnecessary deformation, thereby satisfying seismic requirements for the shield tunnel.

新名勉

阪神高速道路株式会社
建設事業本部 堺建設部
設計課
Tsutomu Niina

志村敦

阪神高速道路株式会社
建設事業本部 堺建設部
大和川線建設事務所
Atsushi Shimura－45－

藤原 勝也

阪神高速道路株式会社
建設事業本部 大阪建設部
西船場ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝ建設事務所
Katsuya Fujiwara