トンネル鏡ボルト工の切羽安定効果に関する模型実験

トンネル鏡ボルト工の切羽安定効果に関する模型実験

田口 善文台、田平丈航

A  model t e s t  on t h e  f a c e  s t a b i l i t y  e f f e c t  o f  t h e  f a c e  b o l t s  i n  t h e  t u n n e l  

Yoshifumi TAGUCHI • and Takeru TABlRA

In the tunnel excavating Wlconsolidated sandy layer， it  is  important to stabilize the cutting face and to prevent血e surface settlement.  Various auxiliary methods of tunnel construction are used by this  p町pose，but it  becomes the  e:ffective method to execute the long face bolts with the pre‑lining recently. The design method about the length and the  interval of the face bolts is not established， and it  is  the present conditions也atit  is  executed the work based on the past  results. As the e:ffect of the face bolts for the cutting face stability and the surface settlement con仕01，it  is  thought that  reinforcement e宜ectsare di:fferent according to length and the interva .lIn this study， we changed the length and the  interval of the face bolts by the two‑dimensional model test used Toyoura‑sand and examined the influence level on the  e:ffect of the face stability and the surface settlement. 

Keywords: tunnel， face bolt， reinforcement effect， Wlconsolidated sandy soil， model test， surface settlement 

1 .はじめに

沖積層や洪積層などからなる都市部の軟弱な地盤中に トンネルを構築する方法として、近年のトンネル補助工法 や地山補強技術の発展に伴い、シールド工法に比較してよ り経済的なN A T M工法を適用する事例が多く見られる ようになってきた。これらの工法は、都市部山岳工法や都 市N A T Mトンネルなどと呼ばれている1)2)。

図1に示すような都市域の未固結地盤を掘削する都市 N A T Mトンネルにおいては、地上の建物や道路に影響を 及ぼさないように切羽を安定させ、地表沈下を抑制するこ とが重要な課題である。このために各種の補助工法が活用 されているが、最近では先受工と併用し、鏡ボ、ルト工を長 尺施工する方法が先行変位抑制や沈下抑制対策として極 めて有効な方法となっている自)。

このような中、鏡ボルト工の打設範囲や打設密度等に関 する設計方法は確立しておらず、過去の実績を基に施工

*近畿大学工業高等専門学校

総合システム工学科都市環境コース

**近畿大学工業高等専門学校 専攻科 生産システム工学専攻 土木工学系

されているのが現状である5)6)。

未固結地山トンネル掘削における切羽安定や地表沈下 抑制に対する鏡ボ、ルトの効果は長さ、間隔により補強効果 が異なると考えられる。本研究では、鏡ボルト工の長さを 種々変化させて、豊浦砂を用いた単純化した二次元縦断方 向の模型実験により 7湖、鏡ボ、ルトの長さが切羽安定効果 や地表沈下に及ぼす影響度合いを検討した。

2.実験概要 2.  1 実践装置

模型実験装置を図 2および写真1に示す。寸法が高さ 65cm、横 80cm、幅 15cmの土槽を用い、 トンネルに相当 する部分は図3に示すように、実際のトンネル断面を中心 で、切った二次元断面で、切羽高さ 15cm、奥行き 15cmの矩 形の二次元断面にした。実際のトンネルの円形三次元断面 を二次元断面にした理由は、三次元断面のモデ、ルで、実験を した場合、土槽の規模が大きくなり実験が難しくなってし まうのに対し、二次元断面では実験がやりやすく、断面形 状が単純で解析しやすいからである。

今回の実験は、鏡ボ、ルト工を平板状とした厚さ O.10mm の薄いケント紙でモデル化し、図3に示すように切羽面に 所定の間隔で設置した。

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2.2  実験方法

表lに実験ケースを示す。鏡ボ、ルト模型(ケント紙)の 設置間隔を 5cm (3段)に固定し、長さを 15cm(1.0H)、

10.5cm(O.7H)、7.5cm(O.5H)、4.5cm(O.3H)、3cm(O.2H) (H :  切羽高さ、 15cm)と変化させ、その影響を検討した。鏡 ボ、ルトの模型を棒状のボノレトではなく平板状のケント紙 にしたのは、ボ、ルトの長さの影響を単純に比較しやすいた めであり、また切羽付近の実験模型作製が容易にできるた めである。

模型地山は空気乾燥状態の豊浦砂を用いた。砂の投入は、

高さ 50cmの位置で一定の寸法の出口から自由落下させ、

土被り厚さ 30cm (2.0H)まで砂を投入し作成した。

実験はトンネル切羽面をスクリュージャッキにより引 き抜くことで掘削を再現し、所定の引抜量に達した際に、

切羽に作用する荷重および地表沈下を測定した。引き抜き は、 O""'""2mmまでは O.2mmずつ、 2""'""10mmまでは O.5mm ずつ、 10""'""15mmまではlmmずつ引き抜いて行った。

地表面の沈下測定には図 2に示すように変位計を使用 し、切羽直上を基準に切羽前方に10cm間隔で4箇所設置、

切羽後方に1箇所設置した。切羽に作用する荷重は切羽面 の裏側にロードセルを組み込み、引き抜きに伴う荷重の変

0   1 1

ピノレ

民 家

砂地盤 吹付けコンクリート ー鋼製支保工

長尺鏡ボルト

トンネル 切羽

上半 下半

図1都市N A T Mトンネルの概要(鏡ボ、ルト工併用)

正 面 側 面

︒山田

」笠立斗

砂

図2 模型実験装置

パッキン

鏡 ポJレト(3段) ケント紙でモデル化

スウリュージャッ キによる引鎗き

レ 150 ~I

図3 切羽部分拡大図 (単位mm)

写真1模型実験装置

表l 実験ケース(鏡ボ、ルトの長さ変化)

2 

鏡ボ、ルト無し(無補強)

5.0crn  (3段)

4. 5crn  (0. 3H)  3.0crn  (0.2H)  5 

6 

3. 実験結果 3.  1 鏡ボルト無しの場合

図4は、鏡ボルトが無い場合(無補強)のトンネル切羽 面引抜きに伴う切羽に作用する荷重の変化を示す。図から、

切羽に作用する荷重は 1.0mm程度の引抜きで急激に減少 し、その後4""'""5 N程度の値に収束していることが分かる。 これは切羽面の土圧が静止状態から主働状態になったた めであると考えられる。

同様に、図5にトンネル引抜きに伴う地表沈下量の変化 を示す。測定点は切羽直上および切羽直上面から前方 10cm、20cm、30cm、40cmおよび切羽直上面から後方 10cm の地点である。

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O  5  10 

ト ン ネ ル 引 抜 量 (mm) 

15 

図4 引抜きに伴う切羽荷重(無補強の場合)

切羽直上と切羽前方10cmの地点の地表沈下が大きくな っており、切羽の引抜き量が大きくなるに伴い、沈下が直 線的に増加している。これは、切羽前方地山のすべり面の 範囲に入っており沈下が大きくなったと考えられる。切羽 前方30cm‑‑‑‑‑40cmの位置では沈下量が小さく、切羽の引抜 き量が大きくなっても沈下は増加しない。これは前述の逆 ですべり面の範囲より外に位置するため、沈下が増大しな いと考えられる。

O  O  2 

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咽長帽

326 8 

10  12 

トンネル引抜量Cmm)

5  10  15 

図5 引抜きに伴う地表沈下量の変化 (無補強の場合)

3.2  鏡ボルトの長さ 15cm(1. OH) の場合

図6は、鏡ボ、ルトを長さ 15cm、設置間隔5cmで切羽面 に 3段設置した場合のトンネノレ引抜きに伴う切羽荷重の 変化を示す。

1.0mm程度の引抜きで切羽に作用する荷重は初期荷重 から急激に減少し2N程度の値に収束している。この値は 無補強の場合の値 (4‑‑‑‑‑5N程度)より小さく、切羽に作用 する荷重が小さくなることで、鏡ボ、ルトによる切羽補強効 果が表れていることが分かる。

同様に図7に、トンネル引抜きに伴う地表沈下量の変化 を示す。沈下測定点は前述の鏡ボ、ルト無しのケースと同じ である。切羽直上と切羽前方10cmの地点の沈下量がわず かながら大きくなる。トンネル引抜量15mmにおいて最大 沈下量が 4mm程度であり、鏡ボ、ルト無しに比べて地表沈 下がかなり抑制されていることが分かる。

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O  5  10 

トンネル引抜量 (mm) 

15 

図6 引抜きに伴う切羽荷重(鏡ボ、ルト 15cm)

。

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側 側 側 側

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日間 山樹 君

図7 引抜きに伴う地表沈下量の変化 (鏡ボ、ルト 15cm)

3.3  鏡ボルトの長さ 7.5叩 (O.5H) の場合

図8は、鏡ボ、ルトの長さ 7.5cmの場合のトンネノレ引きに 伴う切羽荷重の変化を示す。図から 1.0mm程度の引抜きで 切羽に作用する荷重は初期荷重から急激に減少し、 3N程 度に収束している。この値は、前述の鏡ボ、ルト無しのケー スと鏡ボ、ルト長さ 15cmのほぼ中間の値であり、鏡ボ、ルト による切羽補強効果が表れていることが分かる。

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口 組 斗

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トンネル引抜量 (mm) 

15 

図8 引抜きに伴う切羽荷重(鏡ボ、ルト 7.5cm)

同様に図9は、トンネル引抜きに伴う地表沈下量の変化 を示す。切羽直上と切羽前方10cmの地点の沈下量が大き くなっている。トンネル引抜量15mmにおいて、最大沈下 量は7mm程度であり、鏡ボ、ルト長さ 15cmの場合(最大沈 下量4mm程度)ほど沈下抑制効果は見られないが、鏡ボ

円弓U

門IS

ルト無し(最大沈下量11mm程度)の場合と比べて沈下が 抑制されていることが分かる。

トンネル引銀量(1lIs)

。

10 

企切羽直上 .切羽前方10倒

。切羽前方20側

・切羽前方30an ロ切羽前方40an 12 

図9 引抜きに伴う地表沈下量の変化 (鏡ボ、ルト7.5cm)

3.4  鏡ボルトの長さ 3cm(O.2H) の場合

図10は、鏡ボ、ルトの長さ 3.0cmの場合のトンネル引抜 きに伴う切羽荷重の変化を示す。

図から 1.0mm程度の引抜きで切羽に作用する荷重は初 期荷重から急激に減少し、 4N程度に収束している。この 値は、前述の鏡ボ、ルト無しのケース (4"'5N程度)と同程 度の値であり、補強効果がほとんど見られないことが分か

る。

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O  5  10  15 

ト ン ネ ル 引 抜 量 (mm) 

図10 引抜きに伴う切羽荷重(鏡ボ、ルト 3cm)

同様に図 11は、 トンネル引抜きに伴う地表沈下量の変 化を示す。切羽直上と切羽前方10cmの地点の沈下量が大 きくなっている。トンネル引抜量15mmにおいて、最大沈 下量は9mm程度であり、鏡ボ、ルト無し(最大沈下量llmm 程度)の場合と比べて沈下がわずかながら抑制されている が、上述の切羽荷重の実験結果を考慮、しても、補強効果が ほとんど見られないことが分かる。

3.5切羽に作用する荷重に関する考察

図 12は、鏡ボルトの長さの違いによる切羽に作用する 荷重の差異を示す。鏡ボルトの長さは、 15cm、10.5cm、 7.5cm、4.5cm、3cmの6ケースである。

全てのケースにおいて、1.0mm程度の引抜きで切羽荷重 15 

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5  10  15 

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10  ^{‑ 切 羽 前 方30cm}

ロ 切 羽 前 方40αn 12 

図11 引抜きに伴う地表沈下量の変化 (鏡ボ、ルト3cm)

は急激に減少し、引抜量が増加するに伴い一定値に収束し ている。鏡ボ、ルトの長さ 15cm、1O.5cmの場合には、切羽 荷重が最も小さくなっており、切羽安定効果が高くなるこ

とが分かる。

一方、長さ 3cmの場合には、トンネル引抜き初期の段 階では切羽荷重は無補強の場合より小さくなっているが、

切羽の引抜量が増加するにつれ、最終的に無補強の場合と ほぼ同値になっており補強効果が小さいと考えられる。長 さ4.5cmおよび7.5cmの場合はその中間的な値を示す。

20  18  16  z 14  12  酬 10 lJj: 

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10 

トンネルヨ!抜量 (mm) 15 

図12 引抜きに伴う切羽荷重(鏡ボ、ルトの長さを変化)

3.6無次元化による比較

ここでは、切羽荷重の差異の検討にあたって、切羽に作 用する初期荷重にばらつきが見られたためトンネル引抜 き前の初期荷重を1.0として、トンネル引抜き後の切羽荷 重を初期荷重で無次元化して比較した。

図13は図12のグラフを無次元化したものである。図か ら、切羽荷重の傾向は無次元化しない場合の結果と同様の 傾向であり、 3.5で述べた傾向が見られた。

3.  7地表沈下抑制に関する考察

図 14'"図 16は、鏡ボルトの長さを 15cm(l.OH)、 10.5cm(0.7H)、7.5cm(0.5H)、4.5cm(0.3H)、3cm(0.2H)  (H : 

1.0 

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10  ト ン ネ ル 引 銭 量 (mm)

15 

図13 引抜きに伴う切羽荷重(無次元化)

切羽高さ)とした場合のトンネル縦断方向の地表沈下曲 線の差異を示す。

図14はトンネル切羽面を 5mm (O.03H)引抜いた時の 地表沈下を示す。無補強の場合では切羽直上の地点で3mm 程度沈下している。鏡ボ、ルト長さ 7.5cm、1O.5cm、15cmで は、切羽直上から切羽前方 10cmの部分の沈下が 1'""'‑'2mm 程度となっており補強効果が高い。一方、鏡ボ、ルトの長さ 3cm、4.5cmでは無補強の場合の沈下曲線に近く、沈下抑 制効果が小さいことが分かる。

図15はトンネル切羽面を10mm (O.07H)引抜いた時の 地表沈下を示す。無補強の場合では切羽直上部の沈下が 7mm程度沈下している。鏡ボ、ルト長さ 15cmでは切羽直上 から切羽前方10cmの部分の沈下が 2'""'‑'3mm程度となって おり補強効果が高い。一方、鏡ボ、ルト長さ 3cm、4.5cmで は5'""'‑'6mm程度の沈下量であり、沈下抑制効果が小さいこ とが分かる。鏡ボ、ルト長さ 7.5cm、1O.5cmでは、その中間 的な値であり沈下抑制効果が高い。

同様に、図 16はトンネル切羽面を 15mm (O.lH)引抜 いた時の地表沈下を示す。無補強の場合では切羽直上部の 沈下が11mm程度沈下している。鏡ボ、ルト長さ 15cmでは 最大で 4mm程度の沈下量であり沈下抑制効果が高い。一 方、鏡ボ、ルト 3cmでは切羽直上で9mm程度に沈下が増加 しており、沈下抑制効果が小さい。鏡ボ、ルト長さ 4.5cm、 7.5cm、10.5cmでは、その中間的な値であり沈下抑制効果 が高くなっている。

また、地表沈下の影響範囲は切羽前方20'""'‑'30cm(1.3'""'‑'  2.0H)程度である。

4. 

まとめ

豊浦砂を用いた二次元縦断方向の模型実験により、鏡ボ ルト工の長さを種々変化させて、切羽安定効果や地表沈下 への影響度合いを検討した。その結果、以下のことが分か った。

1)切羽荷重について

‑10 

切羽面からの距離 (cm)

10  20  30  40 

n J ι F R U

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10  12 

図14 地表沈下曲線(縦断方向5mm引抜き時)

切羽面からの距離 (cm)

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10  12 

図15 地表沈下曲線(縦断方向 10mm引抜き時)

‑10 

。

E 2 

~ E 4 

T

12 

切 羽 面 か ら の 距 離 (cm)

o  10  20  30  40 

図16 地表沈下曲線(縦断方向 15mm引抜き時)

①鏡ボ、ルトの長さ 15cm(1.0H、H:切羽高さ)、10.5cm(O.7H)、 7.5cm(O.5H)、4.5cm (O.3H)では、切羽安定効果が高く なるが、長さ 3cm (O.2H)で、は小さい。

②したがって、鏡ボ、ルトの長さがO.3H(日:切羽高さ)よ り長い時は、切羽に作用する荷重が小さくなり、切羽補 強効果が高くなる。

2)地表沈下について

①鏡ボルトの長さ 15cm(1.0H)、10.5cm(O.7H)、7.5cm(O.5H) では沈下抑制効果が見られたが、長さ4.5cm(O.3H)、3cm

(O.2H)では沈下が比較的大きくなる。

②したがって、鏡ボルトの長さがO.5Hより長い時、沈下 抑制効果が高くなる。

③また、地表沈下の影響範囲は切羽前方 20'""'‑'30cm(1.3H  '""'‑'2.0H)程度である。

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参考文献

1)土木学会 :山岳トンネルの補助工法、 トンネル・ライ ブラリー第20号、 pp.1""'6、2009.

2)地盤工学会 :山岳トンネル工法の調査・設計から施工 まで、 pp.140""'141、2007.

3)土木学会:実務者のための山岳トンネルにおける地表 面沈下の予測評価と合理的対策工の選定、 トンネル・

ライブラリー第24号、 pp.250""'251、2012.

4)御手洗良夫、松尾勉、手塚仁、岡本哲也、西村誠一、

松井保:山岳トンネルにおける長尺鏡補強工の作用効 果の評価、土木学会論文集No.7 43/III ‑64、pp.213‑222、 2003.9 

5)地盤工学会:山岳トンネル工法の調査・設計から施工 まで、 pp.141、2007.

6)西崎晶士、宮本健太郎、羽馬徹、 阿部正:長尺鏡ボ、ノレ ト工の適正配置に関する解析的評価、 トンネル工学報 告集、第14巻、 pp.  31""'36、2004. 11 

7)土木学会 :山岳トンネルにおける模型実験と数値解析 の実務、 pp.22'"'"'59、2006.

8)田口善文、香川和夫、相良昌男、吉川和行:柔な薄肉 プレライニングの先受け効果、土木学会論文集、 No.

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一 76‑