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山岳トンネル技術

鋼製支保工の降伏を考慮する
トンネル支保設計プログラム「TRASY」

トンネル支保工を合理化する新しい設計手法

土被りが大きく、かつ脆弱な地盤内にトンネルを建設する場合は、トンネル支保工に大きな土圧が作用します。

数値解析を用いてトンネル支保工を設計する場合、従来の設計手法では鋼製支保工と吹付けコンクリートそれぞれの応力が許容値を超えないように、支保工のサイズを決めていました。しかし実際は鋼製支保工の応力が許容値(降伏応力)に達すると、鋼製支保工に代わって吹付けコンクリートや周辺の地盤が土圧を負担することが、鹿島のこれまでの実測結果から分かっています。そこで鋼製支保工が降伏した後、吹付けコンクリートや周辺地盤に土圧が配分される様子をシミュレートできるFEMトンネル解析プログラム「トレーシー(TRASY;Tunneling Rational Analysis with Support Yielding model)」を開発しました。

特許出願中

キーワード

FEM解析、鋼製支保工、鋼材の降伏、蛇紋岩
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TRASYの概要

トンネルの支保工に大きな土圧が作用すれば、鋼製支保工の応力が許容値(降伏応力)に達します。さらに大きな土圧が作用すれば、その状態のまま壊れることなくトンネルの変形に追随し、鋼製支保工に代わって吹付けコンクリートや周辺の地盤が土圧を負担するようになります。つまり鋼製支保工の応力が許容値(降伏応力)に達しても、吹付けコンクリートの応力に余裕がある限り、トンネルの安定性は保たれます。

TRASYを用いれば、鋼製支保工が降伏した後にトンネルに作用する土圧が吹付けコンクリートや周辺の地盤に分散される様子をシミュレートできるため、土被りが大きくかつ脆弱な地盤内にトンネルを建設する際のトンネル支保工の挙動を精度よく再現することが可能です。

図版:支保工への作用土圧と支保応力の関係

支保工への作用土圧と支保応力の関係

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特長・メリットココがポイント

支保工のサイズアップが不要

従来のトンネル支保設計手法では、鋼製支保工の応力が許容値(降伏応力)を超えれば、鋼製支保工と吹付けコンクリートの応力が許容値を下回るように、支保工をサイズアップしていました。一方TRASYを用いれば、鋼製支保工が降伏しても吹付けコンクリートの強度を最大限活用する合理的な支保設計が行えるため、多くの場合、支保工のサイズアップは不要になります。

図版:従来のトンネル支保設計とTRASYを用いたトンネル支保設計の比較

従来のトンネル支保設計とTRASYを用いたトンネル支保設計の比較

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解析事例

土被り200m~300mの蛇紋岩地帯に建設される道路トンネル(内空断面積76m2)にTRASYを適用して支保設計を行い、下図のような支保仕様を採用しました。またTRASYを用いてトンネルの挙動(実測変位)を再現し、支保部材の応力に関する実測結果と解析結果を比較した結果、両者がよく一致することを確認しています。

図版:従来のトンネル支保設計とTRASYを用いたトンネル支保設計の比較

従来のトンネル支保設計と
TRASYを用いたトンネル支保設計の比較

図版:トンネル挙動の実測結果とTRASYを用いた解析結果の比較

トンネル挙動の実測結果とTRASYを用いた解析結果の比較

学会論文発表実績

  • 「鋼製支保工の降伏時における剛性低下を考慮した支保設計事例」,第67回土木学会年次学術講演会,2012年 

トンネル有効応力解析プログラム
「LIMDAC-TUNNEL」

地下水影響を考慮したトンネル掘削時の挙動予測

トンネル掘削時の挙動予測解析では一般に地下水挙動を考慮しない全応力解析が用いられます。しかしウォータータイトトンネルなど、止水注入を施した後にトンネルを掘削する場合は、トンネル周辺が高水圧となって地盤が破壊しやすくなるので、力学検討をする際でも地下水の影響を見逃すことはできません。

一方、地下水挙動を考慮できる有効応力解析は、軟弱地盤での圧密沈下予測などでの利用はありますが、トンネルでの適用事例は少なく、岩盤の構成則や支保部材のモデル化などが出来るプログラムがありませんでした。

そこで、トンネル専用の有効応力解析プログラム(LIMDAC-TUNNEL)を開発しました。

図版:LIMDAC-TUNNELアウトプットイメージ(間隙水圧分布)

LIMDAC-TUNNELアウトプットイメージ(間隙水圧分布)

キーワード

FEM解析、有効応力解析、予測解析、ウォータータイト、地下水、土水連成解析
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LIMDAC-TUNNELの概要

LIMDAC-TUNNELは、トンネル専用の有効応力解析(土水連成解析)プログラムです。トンネルの施工ステップ毎に、力学解析・水理解析を同時に行い、力学・水理挙動がそれぞれ相互に与える影響を考慮した予測が出来ます。トンネル専用に開発したプログラムですのでLIMDAC-TUNNELには、トンネル掘削解析で通常使用される以下に示す構成則・支保部材要素が用意されています。

LIMDAC-TUNNELの機能

地盤の構成則

  • 線形弾性
  • 電中研方式 非線形
  • NEXCO方式 非線形
  • NATMFEM(鉄道方式 非線形)
  • 弾塑性(Drucker-Prager)
  • 変形異方性
  • など

支保部材要素

  • 鋼製支保工(梁要素)
  • 吹付けコンクリート(棒要素)
  • ロックボルト(棒要素)
  • など

特長・メリットココがポイント

トンネルの支保工の合理化と安全性の向上

ウォータータイトトンネルでは、トンネル周囲に止水グラウトを施すことが多く、それに伴ってトンネル近傍の間隙水圧が高く保たれることになります。それによって地山内の有効応力が減少し、地山が塑性化し易くなったり、それに伴ってトンネル変形や支保応力が増大したりすることが懸念されます。LIMDAC-TUNNELを用いる事により、これらトンネル掘削時の地下水影響を考慮できるので、ウォータータイトトンネルなど高水圧下でのトンネルの支保工の合理化やトンネル周辺構造物の安全性向上につながります。

図版:局所安全率Fs分布比較(例)

局所安全率Fs分布比較(例)

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図版:全応力解析と有効応力解析との算出応力値の比較(例)

全応力解析と有効応力解析との算出応力値の比較(例)

解析事例

注入改良体で止水した実トンネルでの解析事例を以下に示します。周囲5mに止水グラウトを施したトンネル掘削時の挙動予測解析事例です。

図1に解析モデル図を示します。浸透流解析を同時に行うので、通常の力学解析よりも解析領域を広く設定しています。
図2〜4には解析結果を示します。力学挙動および水理挙動を同時に解析した結果を得る事ができます。

図版:図1 解析モデル図

図1 解析モデル図

図版:図2 圧力水頭分布図

図2 圧力水頭分布図

図版:図3 塑性領域分布図 

図3 塑性領域分布図 

図版:図4 最大せん断ひずみ分布図

図4 最大せん断ひずみ分布図

トンネル再現解析プログラム「GEOTECHS-BACK」

実験計画法を用いてトンネル挙動を高精度に再現

トンネルの情報化施工では、各施工段階における計測値に基づき、地盤の変形係数や強度定数、側圧係数などの物性パラメータを逆解析するとともに、得られた物性パラメータによって次工程におけるトンネル及び周辺構造物の挙動を精度よく予測します。しかしながら、従来の逆解析手法では、逆解析するパラメータの種類が限定されたり、支保工を考慮する事が出来なかったりするなどの実用面の問題が残されていました。そこで、これらの問題を解決した実用的なトンネル再現解析プログラムGEOTECHS-BACKを開発しました。

図版:地下発電所空洞解析事例

地下発電所空洞解析事例

キーワード

FEM解析、逆解析、予測解析、情報化施工
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GEOTECHS-BACKの概要

GEOTECHS-BACKは計測結果と実験計画法を用いて地盤物性を逆解析し、現状を再現する解析プログラムです。統計学的手法の一種である実験計画法は、膨大な実験条件の中から精度の高い結果が効率的に得られる実験条件を選択する手法であり、これを物性パラメータの逆解析に応用しています。この方法を用いるとほとんどの入力パラメータの逆解析が可能であり、かつ収束性も高いため、従来の逆解析プログラムより実用性が向上しています。

図版:実験計画法による最適パラメータの探索イメージ

実験計画法による最適パラメータの探索イメージ
(弾性係数と側圧係数を逆算した場合)

特長・メリットココがポイント

トンネルの安定性の向上と
支保工の合理化

従来の再現解析では、地山の弾性係数と側圧係数をパラメータとして、トンネル天端沈下、内空変位を再現していました。本解析ではさらに多くの物性を逆解析パラメータに設定でき、再現値も脚部沈下や地表面沈下などを加えることができるため、トンネルの安定性の向上や支保工の合理化に役立ちます。

図版:従来の逆解析手法とGEOTECHS-BACKとの比較

従来の逆解析手法とGEOTECHS-BACKとの比較

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解析事例

道路トンネルにおける解析事例

図版:解析断面と計測値

解析断面と計測値

図版:GEOTECHS-BACKにより同定した地盤物性値

GEOTECHS-BACKにより同定した地盤物性値

学会論文発表実績

  • 「クリープ挙動を考慮したトンネル逆解析プログラムの開発」,土木学会第53回年次学術講演会,2008年9月

山岳トンネル技術 インデックス

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