博 士 （ 工 学 ） 宮 川 房 夫
学 位 論 文 題 名
シ ー ル ド ト ン ネ ル 近接 施 工 に おけ る 地 盤 変位 の 実 用 予 測 手 法 に 関 す る 研 究
学 位 論 文 内 容 の要 旨
近年、鉄道、道路などの交通施設、上下水道、ガス、電力、通信などのライフライン、
さらに建物の基礎などを密集度が高い都市部におぃて、新たに地下施設として設ける場合 には、既存の施設に近接して工事を行うことか避けられない状況にある。このような場合、
その工事によって、既存の施設に対し荷重増加や不等沈下などの悪影響を生じさせ、その 機能や安全性に問題を及ぼすことがある。一般に、近接施工が計画されると、類似の施工 事例を参考に、種々の手法を用いて数値解析を行い、工事による影響と既存施設の安全性 を検討し、その結果に基づぃて必要な対策工か計画される。しかし、数値解析による予測 は、有限要素法などの高度な手法を用いているにもかかわらず、モデル化および入カする 地盤定数の設定の難しさから、定量的な精度について高い評価が得られているとは言えな いのが現状である。
本研究は、シールド卜ンネルが関係する近接施工を対象として、シールド施工による他 の構造物への影響とその予測手法に関する解析を行ったものである。近接施工には、既存 施設の用途や形式、および近接して行う工事の種類や現地の地盤条件により様々なケース がある。本研究では、シールド卜ンネル同士の近接工事やシールド卜ンネル上部の開削、
土留め工直下でのシールド施工などを対象とし、シールド施工に伴う地盤の挙動と予測解 析手法の適用性について検討を行い、その結果を踏まえ、シールド施工に伴う地盤変位の 新しぃ実用予測手法を提案するものである。
本論文の概要は次のとおりである。まず最初に、シールド工法の歴史を略述し、工法の 変遷と新技術の動向を示した。また都市部地下空間の利用状況と鉄道のル―卜選定上の制 約によって生じた、シールドトンネルに関する近接施工の実例、おょび近接施工に関する 各事業者の技術基準を紹介し、これまでの近接施工対策の進め方や影響予測手法について その種類と適用上の問題点を指摘した。さらに、筆者がこれまでに携わったシールド卜ン ネルに関する近接施工の事例を紹介し、影響予測手法、対策工、現場計測結果などを検討 し、それらの現状と課題および今後のあるべき方向を示した。
現在、シールド施工による地盤変位の予測手法については、二次元有限要素法を利用し、
テールボイド部の地盤の緩みに着目した方法が提案されている。この手法は密閉型シール ドによる地盤変位予測に広く用いられているが、シールド機の前方で地盤を押し拡げる効 果については考慮されていなぃ。筆者は、シールド施工による地盤変位の実用的な予測手 法として、これまでに携わったシールド工事における地盤やトンネルの挙動を基に、その 発生メカニズムを分析して、従来の解析手法に改良を加え、シールド推進カによる地盤の 押し拡げ圧を考慮した二次元有限要素法を用いた新しぃ予測手法を開発した。本手法では 計算時間や費用などの実用面を考慮して、三次元的に発生する地盤変位を二次元モヂルで 算定しており、容易にシールド機の掘進に伴う施工過程を考慮した地盤変位を予測するこ とが可能である。
シ ール ド 掘 進に よる地 盤変位の 特徴は 、シール ド機の周 りでの 地盤変位 の発生 源が、切 羽 面 で の土 圧 の アンバ ランス、 テールボ イド部 での綬み 、シー ルド機掘 進時の 鋼殻やカ ッ タ ー ビ ッ卜 か ら の作用 荷重など 多様であ るとと もに、地 盤変位 がシール ド機を 中心に三 次 元 的 に 拡が り 、 しかも その分布 がシール ド機の 進行とと もに移 動・累積 して行 くことな ど にある。
い ま、 泥 水 式シ ールド 、土圧式 シール ドなどの 密閉型シ ールド を対象と すると 、地盤変 位の発生要因は、次の3点に集約できる。
◎ジャッキ推カによる切羽面の押さえ圧による地盤変位 ＠テールボイドの裏込め注入材未硬化部の地盤変位 ◎セグメントリングの変形による地盤変位
シ ール ド 掘 進に よる地 盤変位を 数値解 析により 予測する 場合、 三次元的 な拡が りおよび 逐 次 的 に発 生 す る地盤 変位の挙 動を解析 にいか に取り込 んでい くかが問 題とな る。これ ら 地 盤 変 位の 要 因 を二次 元モデル で評価す るため 、本予測 手法で は、ジャ ッキ推 カによる 押 し 拡 げ 圧お よ び テール ポイド部 の解放応 カによ る地盤変 位につ いて、次 に示す 有効率を 用 いることにした。 ￣
PJ―Po
qj−―pjニ ― ， △p〓p七（げ−p七）
。As
こ こに、qj：ジャッ キ推カに よる押し拡げ圧（tf/m゜）、△p：解放応力（tf/m ）、pj：押 し 拡 げ 圧に 関 す る有 効 率 、pt： 解 放応 カ に 関す る 有 効率 、Pj： シ ー ルド推 進時の ジャツ キ総推力（tf）、げ：地盤の応力（tf/m゜）、P。：切羽面の静止土圧と水圧の合力（tf）、pt： テ ー ル ボ イ ド 部 に お け る 有 効 圧 （tf/m゜ ） 、 As： 切 羽 の 断 面 積 （ m゜ ） 。 こ れら の 係 数に ついて は、実際 の地盤 の挙動を 可能な限 り忠実 に表現す るため 、三次元 有 限 要 素法 を 用 いて地 盤変位を 算出し、 その結 果に基づ ぃて定 量的評価 を行っ た。シー ル ド 掘 進 問題 に 関 する三 次元有限 要素法解 析につ いては、 これま でに数例 の研究 が知られ て い る が 、い ず れ も十分 に確立さ れたもの ではな ぃ。本研 究では 、シール ドの一 連の掘進 過 程 を 、 シー ル ド 推進カ 、切羽掘 削、テー ルボイ ドの発生 、裏込 め注入、 セグメ ン卜組立 に ついて忠実に再現し、三次元有限要素法解析を行った。
こ の三 次 元 有限 要素法 を用いて 試算し た結果と 二次元有 限要素 法との対 比によ り有効率 を 評 価 した 。 す なわち 、実用的 な二次元 解析に より三次 元解析 と同様な 地盤変 位を算出 で き る 値 を設 定 し た。そ の値は、 ジャッキ 推カに よる押し 広げ圧 の有効率pj＝O．2〜O．3、 テ ー ル ボ イ ド 部 の 解 放 応 カ の 有 効 率pt〓O．30〜O．35と な る こ と を 明 ら か に し た 。 さ らに 、 ト ンネ ル 縦 断方 向 の 地 盤変 位 の 分布を、 上述の3っの 発生要因 と関連 させて地 盤 変 位 モー ド の 定式化 を行った 。これに より二 次元解析 によっ て計算さ れた各 要因ごと の 地 盤 変 位を 累 積 し、そ の結果か ら卜ンネ ル縦断 方向の地 盤変位 形状を推 定する ことが可 能 となった。
以 上のよ うに本手 法によれ ば、最近の密閉型シールド工法，による地盤変位のI主要な発生 要 因 を すべ て 考 慮した 地盤変位 を推定す ること ができる 。これ により、 とくに 近接施工 の 影響を容易に把握することが可能となった。
― 83 ‑
学位論文審査の要旨 主 査 教 授 土 岐 祥 介 副 査 教 授 板 倉 忠 興 副査 教授 三田地利之 副 査 教 授 三 上 隆 副 査 教 授 中 島 巌
学 位 論 文 題 名 ．
シールドトンネル近接施工 における地盤変位の 実用予測手法に関する研究
本 論文 は、 シー ルド 卜ン ネル の近 接施 工 によ る既 設構 造物 への 影響 とそ の予測手法につ いて 、実 際の 掘進 過程 にお ける 地盤 の変 位 やト ンネ ルの 変形 挙動 を検 討し 、従来の解析手 法 に 改 良 を 加 え た 上 で 、 新 し い 地 盤 変 位 の 実 用 的 な 予 測 手 法 を 構 築 し た も の で あ る 。 第1章 結 諭 に 続 き 、 第2章 で は 、 シ ー ルド 工法 の歴 史 を略 述し 、そ の変 遷と 新技 術の 動 向を 示し 、都 市部 の地 下空 間の 利用 状況 と 鉄道 のル ート を選 定す る上 で建 設基準の制約に よっ て生 じた シー ルド 卜ンネルの近接施工の実例を紹介し、 その現状と課題を論じている。
第3章 で は 、シ ール ドト ンネ ルの 近接 施工 の進 め方 に つい て、 各事 業者 の定 めて いる 設 計・ 施工 指針 等を 分析 する こと によ り、 近 接程 度の 判定 法や 近接 程度 に対 応した適切な対 策法 の内 容を 明か にし 、さ らに 近接 施工 に よる 影響 予測 手法 の実 際と 問題 点、およぴ計謝 管理 の現 状に つい て述 べて いる 。こ のう ち 影響 予測 手法 につ いて は、 最近 の密閉型シール ド工 法に あっ ては 、従 来の テー ルボ イド 部 の地 盤の 緩み を主 な地 盤変 形要 因として解析し てい た手 法に 加え て、 新た にシ ール ド推 進 カに よる 地盤 の押 し拡 げに よる 影響も考慮した 合理 的な 解析 が必 要で ある こと を提 起し て いる 。
第4章 で は 、シ ール ド卜 ンネ ルが 関係 する 近接 施工 に つい て、 ＠シ ール ド卜 ンネ ル同 士 の近 接工 事（4例） 、＠開削工と シールド卜ンネル（2例）、 および＠シールドトンネル通過 に伴 う河 川堤 防の 耐震 安全 性の 検討 （1例 ）の 計7例 につ いて 、影 響予 測解 析、対策工、現 場計 測な どの 計画 と実 施に つい て詳 述し 、 近接 施工 にお ぃて 安全 性と 経済 性のパランスの とれ た対 策を 行う ため には 、定 量的 な地 盤 変位 およ び近 接し てい る構 造物 の挙動を精度よ く予 測で きる 手法 が必 要で ある こと 、お よ びこ の予 測の 過程 で従 来考 慮さ れていなかった シー ルド の推 進カ によ る地 盤の 押し 拡げ カ を合 理的 に表 現で きる 実用 的な 予測手法の開発 が必 要な こと を明 かに して いる 。
第5章 で は 、 シ ー ル ド 施 工 に よ る 地 盤 変 位 の 実 態 に つ い て 分 析 し て い る 。 シ ール ド推 進に よる 地盤 変位 の特 徴は 、 シー ルド 機の 周り での 地盤 変位 の発生原因が、
切羽 面に おけ るチ ャン パ一 内泥 水圧 と地 盤 の土 圧・ 水圧 との 不均 衡、 テー ルボイド部での 地盤 の緩 み、 およ びシ ール ド機 推進 時に 銅 殻や カッ ター ビッ トか ら伝 達さ れる応カなど多 様で ある とと もに 、地 盤変 位が シー ルド 機 を中 心に 三次 元的 に拡 がり 、し かもその分布や 変位 量が シー ルド の進 行と とも に移 動、 累 積し て行 くこ とに ある 。最 近の 密閉型シールド 工法 の場 合、 シー ルド 推進 カに よる 地盤 の 押し 拡げ 、テ ール ボイ ド部 の地 盤の緩み、およ び硬 化し た裏 込め 注入 材を 介し て作 用す る 土圧 によ るセ グメ ント の変 形が 地盤変位の主要
‑ 84−
な要因となることを明かにしている。次にこれら三っの要因を対譲として、三次元的な挙 動を示す地盤変位を実用的な二次元解析で評価するために、二次元有限要素法解析値と三 次元有限要素法解析値との関係から求められる有効率を導入して、二次元有限要素法によ り逐次解析を行い、最終的な地盤変位を求める実用的な手法を構築している。そして、泥 水式シールド工法による近接した併設シールド工事の現場計測結果との比較によりこの実 用予測手法の妥当性を検証している。
第6章では、シールド施工に伴う地盤変位の実用予測法を導くにあたって用いた三次元 有限要素法についてモデル化および適用性について検証している。モデル化にあたっては、
シールド機、セグメントおよび硬化後の裏込め注入材を構造要素とし、これにジャッキ総 推カに相応した切羽面圧カとテールボイド部の裏込め注入圧を荷重として作用させ、掘進 に合わせて切羽地盤を削除することで前進した掘進状態を、またセグメント等の構造要素 を加えるヽことで覆工の完成状態を表現し、これを繰り返すことによってシールドの1リン グづっ前進する施工過程を表現している。さらに、このモデルの適用性について、現場計 測結果と比較検証し、精密解析を必要とする場合に有用な三次元有限要素法による新しい 提案手法の妥当性を確認している。
最 後 に 第7章 で は 、 本 研 究 に よ っ て 得 ら れ た 成 果 を 総括 し て 結 諭 と して いる 。 これを要するに、著者は、シールドトンネル近接施工における地盤変位の新しぃ実用予 測法を確立し、その有用性を明かにしたものであり、地盤工学の進歩に寄与するところ大 なるものがある。
よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認める。
― 85―
