トンネル抗口部に三層緩衝構造を用いた場合の落石衝撃挙動解析
（株）構研エンジニアリング 正 員 ○川瀬 良司 （独）北海道開発土木研究所 正 員 今野 久志
（株）構研エンジニアリング 正 員 牛渡 裕二 室蘭工業大学 フェロー 岸 徳光 はじめに
本研究では，アーチ形状を有するトンネル坑口覆工上 に三層緩衝構造 を設置した場合 以後，単に三層緩衝 構造の場合 の緩衝効果を把握することを目的に，緩衝 工として敷砂および三層緩衝構造を用いる場合の三次元 弾塑性衝撃応答解析を実施し，伝達衝撃力について比較 検討を行うこととした。さらに，落石作用位置によるト ンネル坑口部の緩衝効果についても検討を行っている。
図− には，三層緩衝構造を設置した場合のトンネル坑 口部の断面形状を示している。また，緩衝工として敷砂 を用いる場合 以後，単に敷砂の場合 の敷砂厚は，設計 要領 に即して としている。なお，本数値解析は衝 撃解析用汎用コード を用いて実施した。
解析仮定
図− には、本研究で用いた三層緩衝構造を設置した 場合の解析モデルの要素分割状況を示している。解析対 象範囲は、地盤部にはトンネル高さと同程度の深さを考 慮し、山側および谷側方向に関しては、側面に無反射境 界を定義していることから、両方向共にトンネル幅の 程度を考慮している。
解析は、緩衝工に敷砂および三層緩衝構造の 種類、
載荷位置は中央および端部の 箇所に変化させ、合計 ケース実施した。表− に、本解析で実施した解析ケー ス一覧を示す。また、表− 、図− に本解析で使用し た物性値の一覧と各材料の応力−ひずみモデルをそれぞ れ示している。
数値解析結果 衝撃力
図− には，鉛直（ 軸）方向の各種衝撃力波形（重錘衝 撃力波形，覆工頂版上の伝達衝撃力波形）を示している。
図の重錘衝撃力波形では，全ケースとも衝突初期に 最大応答値を示し，最大重錘衝撃力の発生時刻は全ケー スで 〜 程度とほぼ同様である。しかし，最 大重錘衝撃力は三層緩衝構造で中央載荷した場合が，他 のケースに比べ 程度大きく示されている。これは，
三層緩衝構造の敷砂厚が薄いことによるものと考えられ
キーワード：トンネル坑口部，三層緩衝構造，伝達衝撃力，衝撃応答解析 連絡先：〒 札幌市東区北 条東 丁目 番 号
図− トンネル坑口部の断面図と三層緩衝構造
図− 要素分割図
表− 解析ケース一覧 解析ケース 緩衝工 載荷位置
敷砂 中央部 敷砂 端部 三層緩衝構造 中央部 三層緩衝構造 端部
る。また，三層緩衝構造の端部載荷時が中央載荷時に比 較して小さい値を示すのは，荷重載荷位置が端部である ために中央載荷に比較して変形しやすく，たわみ剛性が 相対的に小さく評価されるためと考えられる。
図の伝達衝撃力波形より，衝撃初期における波動の 立ち上がりは，敷砂の場合で重錘衝突後 程度，三 層緩衝構造の場合で 程度経過後に発生している。
また，波動の立ち上がり勾配は三層緩衝構造の場合が敷 砂の場合より緩やかとなっている。
図の重錘衝撃力と 図の伝達衝撃力の最大応答値 土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
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表− 解析に用いた物性値一覧 材料 密度 弾性係数 ポアソン
比 敷砂
コンク リート
鉄筋 裏込め土
重錘 岩盤
の密度および弾性係数は設計時の値 除荷時の弾性係数 版
図− 各材料の応力−ひずみモデル
を比較すると，緩衝工に敷砂や三層緩衝構造を用いるこ とにより，伝達衝撃力が重錘衝撃力の 以下に低減さ れることが分かる。
図− には，トンネル覆工上面の載荷点を中心に幅員 方向 の範囲に発生する各ケースの最大伝達衝撃応 力の包絡線分布を示している。敷砂の場合は，最大伝達 衝撃応力が中央載荷，端部載荷にかかわらず， 〜 程度の三角形状の分布性状を示している。また，
最大応答発生位置は，覆工中心より谷側に 〜 程度推移している。これは，落石の入射角の影響による ものと推察される。一方，三層緩衝構造の場合における 伝達衝撃応力は，中央載荷，端部載荷にかかわらず
程度の均等な分布性状を示しており，三層緩衝構造 の緩衝効果が十分に発揮されていることが分かる。
まとめ
本研究の範囲内で得られた知見をまとめると，以下の
図− 各衝撃力波形
図− 最大伝達衝撃応力包絡線分布
通りである。
緩衝工に三層緩衝構造を用いることにより 衝撃伝達 力が重錘衝撃力の 以下に低減される。
三層緩衝構造を用いる場合には， ブロックの道路 軸方向中央載荷時と端部載荷における応答値に有意 な差が生じない。
参考文献
土木学会：構造工学シリーズ ロックシェッドの 耐衝撃設計，
社 北海道開発技術センター：北海道開発局 道路 設計要領 第 集 トンネル，
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， 土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
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