地下近接施工による地盤環境的相互影響の模型実験的評価蒋

長 崎 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第

3 1

5 6

1 3

地下近接施工による地盤環境的相互影響の模型実験的評価

蒋 宇静*

・

E x p e r i m e n t a l  s t u d y  on t h e  m e c h a n i c a l  b e h a v i o u r  o f  t h e   a d j a c e n t  o p e n i n g s  

by 

Y u j i n g   JIANG '¥Yos h i h i k o  T  ANABASHI* 

H i d e k a z u  SUGINO

H i d e a k i  IMAHASE

T h i s  s t u d y  i s   t o  

a r i f y  t h e  m u t u a l  i n n u e n c e  due t o  t h e  a d j a c e n t  e x c a v a t i o n  n e a r  t o  t h e  e x i s t e d  o p e n i n g  by u s i n g  t h e  b a s e  f r i c t i o n   model a p p a r a t u s  and t h e  p i c t u r e   a n a l yz i n g  system .  The v a r i e d  f a c t o r s  i n c 1 uded t h e  m e c h a n i c a l  c h a r a c t e r s  o f  t h e  g r o und

t h e   n e a r n e s s  and d e p t h  o f  ope n i n g s .   l n  o r d e r  t o  r ed u c e  t h e  i n f l u e n c

t ot h e  e x i s t e d  o p e n i n g

t h e  s t a b i l i z i n g  e f f e c t s  o f  i n n e r  s u p p o r t s  o n  t h e  e x t e n t  o f  f a i l u r e  zone  a nd d e f o r m a t i o n a l  b e h a v i o r  o f   s u r r o u n d i n g  r o c k   ma s s  and p i l l a r  a r e  i n v e s t i g a t e d  and  d i s c u s s e d  

1 .

今日，大都市圏の地下利用をはじめとして，エネルギ

ー施設，放射線廃棄物の地層処分，埋設施設などの大 規模な地下開発利用が注目されている. しかし，この

既存の地下構造物との近接施工が挙げられる.例えば，

既設空洞の近くに，新規に空洞を掘削した場合には，

相互の空洞周辺の地 1 1 1 応力の変化による各空洞の安定

問距離は ，掘削幅の約 3

そこで，本研究は様々な地

1 1 1 条件で近接施工された 地下空洞の相互影響を実験的に評価することを目的と し，現時点で他の二次元地盤模型実験装置に比べ，岩

制御し，厳密な相似自

に基づいた幾何スケール，応力

忠実にシミュレートできる特徴をもっ底面摩擦試験装

2 .底面摩練模型実験装置の概要について 2 . 1

底面摩擦模型実験は，一定速度で移動する摩擦面上に

二次元の縮小地盤模型を水平に設置し，その模型の底 面に摩擦を与えることにより重力場を表現し，空洞お

よびその周辺地盤の挙動をシミュレートする模型実験

壊挙動を連続的にかつ視覚的に観察できることにある 図 ー l に実験装置の概略図を示す.

2 . 2

底面摩擦

j

図 ー 2 のように，模型中の微小要素 d " d

dF

.

dF .  =  f 1 .  

+  y "   t )  dx .  d z  

ここに 1 1 .

Rir :模型表面に作用する空気圧

y '  :

. 

I 模型の厚さ

模型が一定の幅

W

z ' の位置において作用する摩擦力尺は次式のよ

) 

( 

うになる.

凡=汀(1.

( p . "  

y ' .  t )   dx .  d z  

=  .r 11.(P'~ +y'

.  d z  

=μ/

(p.~ +  y ' ・ t )W . z '  

( 2 )  

平成

1 2

0

7

*社会開発工学科

( D e p a r t m e n t o f   C i v i l  E n g i n e e r i n g  ) 

特 大 学院博士前期課程環境システム工学専攻

(G r a d u a t e S t u d e n t

D e partmen t  o f   E n v i r o n m e n t a l  Sy s tems Engin e e r i n g ) 

72 

よって，深さ方向に生じる垂直応力

σ J

I T ;

/

w. t

= f1

h 

( p . ; ，  +  y ' ・ t ) w.  z '

w.t)

=μゐ(

p

y ' .  t

z '  / t 

( 3 )  

ただし，模型の自重による応力は，模型表面に作用 する空気圧による応力に比べて

，無視できるほとと小さ

( 3 )

.

I T ;  

f 1

h . p

， U '   Z ' / t =(

P ， ) t )

( 4 )  

このように，原地盤と同様に，模型内に深さに比例し た応力分布を得ることができ

，

図‑

1

P a i r  

品品ぷ品協 ^β

ndxdz  λ(z ，園 l . ‑ R ( が

d

清 志 i t y 図 2

2 . 3 画像解析システムの概要

模型の変形や破壊挙動は，図

‑ 3 に示される画像解析シ

，

2

. 1 つは，画像を撮

影し

3 mm

収録ブロック(図 ‑ 3 ( a ) ) で，精

ー

CC D

自動的

.

1 つ

3 ( b ) )

3mm

アクチュエーター

ω 画像収録プロック

テレビ VBOX  ピ芦オ パソコン

(b)画像解析プロック 図 3 画像解析システム

3 . 実験材料と実験条件

連続性地盤のモデル材料として， Kar l s r u h e

7 0

2 1 :  9

，こ

p

2 . 0

c m

46 cm X30 c 0 1

4

= 1 5 0 ，模型の厚さは t = 2 . 0 c 0 1 ，模型とプレートの聞の摩擦係数は/" = 0 . 6 3 5 で

=5 . 4 7

I

本模型に直径

0 = 9 0 1

4 0m

4 0 0 1

側部から側圧を与えた.実験は，既設トンネルと新設

B

. 5D ， 2 . 0 D ，  2 . 5 D ( D は空洞直径)

中で地 l L I

対して新設トンネルの深度を変化させるパターンと補

2

本研究では空洞内に支保(弾性パネ)を設置することによ り空洞の変形挙動に対する補強効果を定性的に

把握す

7 3  

多数の亀裂が生じ，ピラ一部にも両空洞をつなぎあわ せる亀裂が生じピラ一部は完全に破捜した これに対 し，

( b ) H 2 0 D ，  ( c ) H 2 5 D

安定であ

.沈下量も H20 D

H25D

， H 1 5 D

地下近接施工による地盤環境的相互影響の模型実験的評価

る.図ー

5 にモ

補強のモデル化では，伸縮が可能にするため上下に 二分割したアクリル管に弾性パネを装填した

. :  

h 

4 6 c m 

模型と

地盤の力学的特性

B 

。 叫 . .  

図

4

表

l

i  

実験パターン 実験名称

深さ比

補強の有無

hIH 

H15D  1 . 5D  1 . 0  無 H2 0D  2.0D  1 . 0  無 H2 5D  2.5D  1 . 0  無 A15D  1 . 5D  。 ^{. 6 無}

B15D  1 . 5D  1 . 4  無 PH15D  1 . 5D  1 . 0 

PB15D  1 . 5D  1 . 4 

表

‑ 2

写真ー

1 空 洞 周 辺 の 亀 裂 進 展 状 況

< h I H = l . 0

ー企

‑8=2 . 5 0 空洞直上方の沈下量 ( h 畑=1.

2 

‑‑E子

‑8=2 . 0 0

8 = 1 . 5 0

図 ‑ 6 ( E )

圃m

uF MM

補強のモデル化

4 .

写真

‑ 1

空洞の深さ比を h 庁長1. 0

し，中心問距 離のみを変化させた場合の亀裂の進展状況を示し，図‑

6 1 こ空洞直上方レベルでの沈下量を示す.図 6 を見て分

( a ) H I 5D では，両空洞に

図 ‑ 5

蒋字静・棚橋由彦・杉野秀一‑今長谷秀亮

況から判

￨

h

H=1 .

h

H=0.6

両空洞の深度が等しい場合と同様にピラ一部や既設空 洞周辺に多数の亀裂が生じ，ピラ一部は完全に破壊し た.以上より，既設空洞よりも新設空洞を上部に掘削 した場合は

，相互の影響を受けにくく空洞周辺地1 1 1

，周辺地 1 1 1 は不安定であ

写真ー

3

，図 ‑ 8

7 4  

破壊により大きな沈下が見られる

.特に，ピラ一部(

0.5く(ピラー中心からの距離/ピラー幅)く0.5)での沈下量 が大きく， H20D

， H

2 . 0 D よ

小さけれ

1 1

.

写真一

2

1 . 5 D と一定にし，新設

図ー

7

/ H = 1 .

/H =0

h/H=0.6の場合の約

3

ρPH15D 

写真

ー 3補強を行った場合の亀裂進展状況

5 . 0

写真.

2深さ比を変化した場合の亀裂進展状況

= 1 . 5 . 0

‑ F ^{ラー雪'心から} p ^{距厳/ t '7‑itl4}

‑ 6  

︿

E )

酬

﹁

鍵 ピラー中心からの距離/ ピラー緬

‑4  ‑2  0  2  4 

‑ 6  

( E )

圃 聞 い 然

一・‑h

H = 1 . 0，補強有り

‑

ー ^‑h

^{H= 1 .4，補強有り}

ー+ー h/H= 1 .0，補強無し

‑

ー ^‑h/H= 1 .4 ，補強無し

空洞直上方の沈下量(補強効果) 図

‑ 8

ー企ー h

H = l . 4

(B = 1 . 5D)

一 昏

‑h

H = 1

0

‑‑&‑ h / H = O . 6  

‑ 7

地 下 近 接 施 工 に よ る 地 盤 環 境 的 相 互 影 響 の 模 型 実 験 的 評 価

7 5  

示 す . い ず れ も 沈 下 量 は 相 当 に 抑 制 さ れ 補 強 効 果 は 十 分に表れている しかし，

PH150

PB1 5 0

PH1 5 0 l i

5 .

本 研 究 で は ， 両 空 洞 の 中 心 間 距 離 ， 深 度 ， 補 強 の 有 無 に よ る 近 接 空 洞 の 相 互 影 響 の 評 価 を 目 的 と し て 実 験 的検討を実施した その結果，下記の知見が得られた.

①亀 裂 進 展 領 域 が ピ ラ 一 部 に 分 布 し て い る 場 合 ， 相 互 の 影 響 が 大 き く ， 空 洞 周 辺 地 山 は 不 安 定 と な る

なお本実験において，両空洞が同深度ならば中心問 距維を

2 . 00

②既設空洞よ りも新設空洞を上部に掘削した場 合 は ピラ一部の亀裂進展領域領域の分布は小さく相互の 影響はあまり見られないが，下部に掘削した場合は ピラ一部に広範囲で分布し，空洞周辺地山は不安定 となる.

@補 強 効 果 に お い て は ， 並 列 し て 近 接 施 工 し た 場 合 は変形に対する抑制

l

補 強 を 考 慮 し た 場 合 の 実 験 は ， 定 性 的 な 実 験 に 止 ま り，空洞に 作 用 す る 荷 重 お よ び 補 強 に よ る 空 洞 の 変 形 量 な ど 定 量 的 に 把 握 す る 必 要 が あ る た め，今 後 は 補 強 による変形に対する抑 制効果を様々な地iJ

l

謝 辞

本研究の実施にあたり，平成

1 1

参考文献

1 )

l

1 9 8 6   2 )

評価について， トンネル工学研究論文 報 告 集 ， 土 木学会，

Vo

6

p p . 1 ‑ 8

1 9 9 6  

3 )

1

第

7 4 号 ， p p . l 7 ‑ 2 4 ，  1 9 9 3 . 

4)

蒋

に よ る 地 下 空 洞 の 安 定 評 価 ， 地 盤 工 学 会 誌 [ 土 と 基 礎

J

Vo

46

N o . 6

p p . 2 1 ‑ 2 5

1 9 9 8