キーワード 情報化施工，弾塑性法，3 次元，可視化
連絡先 〒185-8540 東京都国分寺市光町 2-8-38 （公財）鉄道総合技術研究所 ＴＥＬ042-573-7261
掘削工事における 3 次元可視化解析を用いた情報化施工
（公財）鉄道総合技術研究所 正会員 ○小島謙一 松丸貴樹 正会員 栗山亮介
東日本旅客鉄道（株） 正会員 松尾伸之 １．はじめに
掘削工事では地盤のバラツキに起因する設計時の不確実性や，施 工時の安全の確保あるいは工期・工費の短縮の観点から，情報化施 工の必要性が言われている．しかし，実際には逆解析と計測データ を統一的に取り扱い評価する手法が十分に整備されていない点や，
設計断面や計測断面のみによる線での評価が中心になっているこ とから，積極的に採用されていない．そこで，線での計測データか ら
3
次元的な面情報へ展開できるシステムを応用し，弾塑性法によ る設計手法と連携させることによる，3 次元的な挙動評価を用いた 情報化施工法を構築した．ここでは本手法の概要と時速データを用 いた試解析について示す．２．3次元計測システムと逆解析・予測解析手法との連携
図-1に本システムのイメージを示す．3次元計測システムは任意の点や測線で計測された土留め壁の変位や傾斜 の離散的な計測データを
3
次元的な曲面として評価する手法である．本手法の詳細は文献1)に詳しい．この手法を
適用すると，深度方向ならびに土留め壁の延長方向に等間隔に設けられた(Mx +1)×(M y +1)点の節点において解析され
た変位が求められる．そこで，土留め壁の延長方向に(Mx +1)列配置された同一列の節点の集合（各測線で(M y +1)点
の節点データを有する）を測線とみなし，弾塑性法との連携を図って各測線で逆解析および予測解析を実施し，再 度3
次元計測システムに戻し可視化を行うことで，3次元的な挙動を考慮して情報化施工が可能となる．なお，こ こでは逆解析および予測解析に用いる弾塑性法による計算には，設計プログラム「Rainpal-JR」を用いた。本シス テムの手順を以下に示す．① 3次元計測システムを用いて現時点における土留め壁の変形挙動を解析および評価を行う．
② 土留め壁の延長方向に設定した測線（計(M
x +1)測線）ごとに，弾塑性法による逆解析を行い，各測線で現状の土
留め壁の変位分布に最も適合するような変形を与える地盤ばねの逆解析を行う．③ 各測線において②で求めた地盤ばねを使い，以降の各掘削段階での予測計算を実施する．
④全測線での予測計算を
3
次元計測システムへ戻し，各次掘削段階での変形挙動の3
次元可視化を行う．３．実現場データを用いた適用事例 実際の施工事例（図-2参照（詳細は
文献
2））を用いて，本システムの適用
性について検討を行った．検討は次の
2
ケースについて実施した．ケース①：自立時（1次掘削完了時）
の逆解析を行い，得られた地盤ばね 定数を用いて，
2
次および3
次掘削 終了時の解析を行う．y x z
(My+1)点
(Mx+1)点
逆解析 予測値
深 度 変位 実測値
測線1測線2 測線3
測線Mx-1測線Mx 測線Mx+1
等間隔節点
（解析用）
（将来－予測解析）
（現状－逆解析）
実測値と整合するよ う地盤バネを逆解析
逆解析した地盤バネ を使って予測解析
３次元計測 システム
逆解析・
予測解析
多測線で逆解析・
予測解析を実施
⇒再度曲面を生成
図-1 3 次元可視化手法を用いた情報化施工システム
3 3 .4 m
1 m 2 m 2 m 2 m 2 m 2 m 1 m A
A
A A
平 面 図 A - A 断 面
： 3 次 掘 削 8 .6 m
： 2 次 掘 削 5 .1 m
： 1 次 掘 削 1 .1 m
解 析 対 象 位 置 3 9 .2 m
1 4 .8 m
1 5 .9 m
） (東
） (西
） (北
） (南
多 段 式 傾 斜 計
土 留 め 壁 の 計 測 機 器 配 置
TS 測 量 タ ー ゲ ッ ト
： 3 次 掘 削 8 .6 m
： 2 次 掘 削 5 .1 m
： 1 次 掘 削 1 .1 m
① 測 線
④
測 線 測 線 ③ 測 線 ②
）
(東 (西 ）
） (北
） (南
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 0
5
1 0
1 5 N 値
（）深度m
図-2 現場概要 土木学会第67回年次学術講演会(平成24年9月)
‑83‑
Ⅲ‑042
ケース②：
2
次掘削まで の逆解析を行い，得ら れた地盤ばね定数を 用いて，3
次掘削終了 時の解析を行う．逆解析・予測解析により 求められた各次掘削完了 時の変位の深度分布を図 -3に示す．表-1はケース
①および②で逆解析によ
り求めた水平地盤反力係数である．なお，結果はいずれも図-2に示した 測線①のものである．設計で得られた変位と比較して実測値の方が小さ かったことから，両ケースともに設計時よりも逆解析で求められた水平 地盤反力係数の方が大きい．ケース①で逆解析により求められた水平地 盤反力係数は，自立時（1次掘削終了時）のデータを用いて評価してい るため比較的浅い深度で設計値よりも大きくなっているが，深い深度で はそれほど大きな値とはなっていない．
2
次掘削終了時および
3
次掘削終了時において，設計計算と比 べ予測解析の方が実測値に近い変形モードに改善 されている．しかし，実測値に比べて予測計算の方 がまだ大きな値となっている．ケース②では2
次掘 削完了時に逆解析を行ったため，水平地盤反力係数は
6～12m
の深度で設計値よりも大きな値となっている。このため，
3
次掘削終了時の予測解析で求 められた変位量は設計と比較して非常に小さな値 となり，実測値と概ね整合している．図-4に
3
次掘削終了時における，計測結果，設 計計算結果およびケース①，②での予測解析による 土留め壁の変形をそれぞれ3
次元計測システムに より可視化した結果を示す．計測結果（(a)）と比べると，設計計算結果（（b））では変形モードや変位量が大きく異なっている．一方，(c)，(d)の予測解析では変形 モードや変位量が計測結果（(a)）に近づいており，特に
2
次掘削データを考慮したケース②（(d)）では非常に実測 値に近い値となっており，面的な挙動予測の評価が実施可能であることが分かる．このように施工に応じて予測さ れる変形が3
次元的に予測可能であることから，従来は任意断面により一義的に実施していた支保工等の部材の変 更や施工方法の検討などを3
次元的に進められ，より経済的、合理的なものとすることができる．４．まとめ
弾塑性法による解析と
3
次元計測システムとの連携による3
次元的な情報化施工について検討を行った．実際の 事例により解析から3
次元的な挙動予測が可能であり，より適切な情報化施工の実施を示すことができた．参考文献
1)王寺秀介，大西徹夫，松丸貴樹，田中祐二：地盤構造物を対象とした計測データの 3
次元評価システムの構築，第46
回地盤工学研究発表会，2011．2) 久島敏靖，小泉秀之，栗山亮介，小島謙一：架道橋に近接した掘削工事に伴う土留め壁の 変形挙動の3
次元可視化，第67
回土木学会年次学術講演会，2012‐12000
‐10000
‐8000
‐6000
‐4000
‐2000
0
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
深さ方向（mm)
変位量（mm) 計測値 設計値 逆解析（ケース①）
‐12000
‐10000
‐8000
‐6000
‐4000
‐2000
0
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
深さ方向（mm)
変位量（mm) 計測値
設計値 予測値（ケース①）
逆解析（ケース②）
‐12
‐10
‐8
‐6
‐4
‐2
0
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
深度（m)
変位量（mm) 計測値
設計値 予測値（ケース①）
予測値（ケース②）
(a)1
次掘削終了時 (b)2次掘削終了時 (c)3次掘削終了時図-3 逆解析・予測解析結果と設計ならびに計測による土留め壁の変位の比較（測線①）
表-1 逆解析により算出した水平地盤反力係 数（測線①）
設計値 ケース① ケース②
0～1.1 480 - -
1.1～2.5 2400 240000 -
2.5～3.9 480 5200 -
3.9～5.1 480 24000 -
5.1～6 8400 8400 840000
6～8 8400 8400 840000
8～10 8400 8400 840000 10～12 8400 8400 840000 深度(m) 水平地盤反力係数(kN/m3)
(a)計測 (b)設計
単位：㎜(c)予測解析（ケース①） (d)予測解析（ケース②）
図-4 3 次元計測システムを用いた逆解析結果（3 次掘削終了時）
土木学会第67回年次学術講演会(平成24年9月)
