山岳工事 における地盤評価方法 とその施工への適用

山岳工事 における地盤評価方法 とその施工への適用

神 藤 健 一 要

トンネル・ 斜面・ ダム基礎 な ど地盤 を対 象 とした山岳土木工事 で は,その工事地 点 の地形・ 地質 。周辺環 境 な どの地盤条件 が,その建 設工事 の工期・工費・安全性 お よび完成後 の維持管理 な どに大 き く影響 す る。

地盤 は,工事 の特徴 や 内容 を十分理 解 した上 で,必要 とす るデー タを調査・試験 で的確 に得 て,その構造物 に適 した評 価 を行 うこ とが必要 で あ るが,地盤 が ① 分布・性状 とも複雑 で変化 に富 む,② 工種(ト ンネル・

斜面・ ダム基礎等)や施工条件 (土被 り 。勾配 。施工法等)と の関係 で現象が異 な る等 のた め,適切 な地盤 評価 が難 しいのが現状 であ る。

本研究 で は,山 岳 土木工事 で工事 が多 く,地盤評価 が難 しい表 1に 示 す ような地盤条件 に対 す る地盤評価 方法 を提案 し,施工 に適 用す る ことによ り,地盤 に起 因す る トラブル防止 を図 るこ とを目的 に研究 を行 った 結果,次の よ うな結論 を得 た。

まず,表 1に 示 す ような地盤条件 に対 して簡易 な調査・試験 。計測 によ り地盤評価 方法 を提案す る ととも に,模型実験・数値解析 。現場 デー タに よ り施工 に伴 う挙動 を把握 し,表 1に 示す ような安定性 を評価 す る か に名判定指標 や管理規準 を提案 し,実務 に使 用で きる こ とを確認 した。

表 11 地盤条件別の トラブル現象 と地盤評価方法

学位 と学位記番号 :博 士 (工学),博第5号 授与年月日   :平 成12年12月 21日

授与時の所属  :八戸工業大学大学 院受託研 究員 。前田建設工業^lttl技術研究所 十345‑―

提案項 目

トラブル現象 地盤評価方法

対象地盤条件

トンネル周辺応力の再配置 変位量の予測式

内部摩擦角

(tanφ

tanφ

軟質地山

トンネルの大 きな変形・

強大 な土圧

(膨

切羽安定評価 のための地 山 分類

トンネル切羽崩壊 表面波速度 と比抵抗値 の組

み合せ 含水未固結地 山

FEMジ ョイ ン ト要素法

(」FEM)

個別要素法 (DEM) 施工 中の計測

安定 の判断基準 と安定評価 方法

計測位置・ 計測管理基準 シーム・断層等のあ る長大

岩盤

斜面変状・崩壊

近似 円弧すべ りによる 安定計算

施工 中の計測

安定性評価方法 計測管理基準・ 計測範囲

急勾配掘 削の上砂地 山 斜面変状・ 崩壊

割れ 目幅 による地 山分類割 れ 目幅 とグラウ ト浸透性 の 関係 グラウ トの選定,仕様

剖れ目か らの漏水 ^{ボアホールスキナ に}

よる割れ 目調査 ル ジオ ン試験 比抵抗 トモグラフィー 高透水性岩盤

山岳工事 にお ける地盤評価方法 とその施工への適用

(神

以下,各章 の結果 を述 べ る。 トンネル は,線状構造物 であ り, トンネル切羽周辺 での適切 な対応が施工 の 良否 を決 め るので,切羽周辺 の地 山挙動 と施工 中の切羽安定評価方法 を取 り上 げ,それ ぞれの次の ような結 果 を得 た。

第2章で は,土被 りの大 きい軟質地 山で の トンネル掘 削 に伴 う周辺地 山の挙動 は,ク リープ挙動 を含 めて,

地 山強度比10以_{下 で},地山挙動 を評価 す る場合,内部摩擦 角 (tanφ)が有効 な指標 とな る。 また, トンネ ル掘削 に伴 う周辺地山の応力再配置過程で,5つの領域

(初

応力再増加領域,および強度低下領域)が存在 し, これ らの分布形状や応力増減 も地 山の力学的性質

(と

で予測 で きる ことを示 した。

第3章で は,物理探査手法(表面波探査,比抵抗探査)を 用 いて切羽前方 の10mまで の地層境界や断層破 砕帯 を施エ サイ クル内で事前 に調査 で きる ことを確認 した。さらに,ト ンネルエ事で切羽崩壊現象が多い含 水末 固結地盤 を対 象 に,S波速度が主 に国結度 と比抵抗値 が含水状態 と相関が あ り,こ れ らを組 み合せ るこ とに よ り事前 に切羽の安定性 を評価で きる地 山分類 を提案 し,施 工 中の切羽崩壊対策 の必要性 の判 断指標 に 役立 つ ことを示 した。

以上 の ように トンネル切羽周辺 の応力再配置過程や切羽安定性 の地山分類 を示す ことによ り,施 工 中の瀬 パ安定化 の評価 。対策 に有効 であることを確認 した。

次 に斜面 で は,掘削 に伴 う地 山評価 で,安全性 や対策工 の必要性 を判 断 し,変状・崩壊 の奉仕 を図 る ことが 施工 時 に求 め られ るので,法 面 の安定評価方法 と計測管理用法 を取 り上 げ,そ れぞれ次の ような結果 を得 た。

第4章で は,シーム・断層等 の不連続面がある長大岩盤斜面への数値解析手法 (JFEM,DEM)での安 定 。 不安定 の判 断基準 を示 す とともに,長大岩盤斜面 での安定評価 に適 用で きる ことを確認 した。 また,」FEM

で地 山内の引張亀裂 の位置 を推定で き,さ らに水平変位量 を粘着力 との関係 か ら推定す ることによ り,合理 的 な計測管理値 を提案 で きる ことを示 した。

第5章で は,比較的 自立性 のない土砂地 山等 をロ ックボル トと吹付 けコンク リー ト等で補強 しなが ら,急 勾配切土 す る場合,1段あた りの掘 削高 さは,少な くとも地 山の 自立高 さ以下 とす る必要が ある こと,法面 に円弧状 の崩壊面が生 じ,補 強材のせん断強度 と引抜 き抵抗で補強す ることで法面 の安定 を保 つ とい う考 え 方 に立 って安定性 を評価 す る方法 を提案 した。 また,計測管理 として,地表面 の水平変位 の管理規準(水平 変位 の法高 さに対 す る割合)や地表面 の沈下,ロ ックボル ト軸力管理 の考 え方 (収束性 や ロ ックボル ト軸力 分布)を示 す とともに,計測範 囲 について も法高 さの関係 で提案 した。

以上 の よ うに斜面 の掘 削 にお いて,計測管理規準 や対策工 の追加 の考 え方 を示 し,多 くの長大岩盤斜面 や 切土法面補 強工 法 の現場施工 に適 用す る ことに よ り,変状・崩壊等 防止 し,あるい は早期 に対応 す るこ とに

よ り無事施工 す ることがで きた。

第6章で は,ダ ム基礎で問題 となる高透水性岩盤 を対象 に透水試験法やボアホールテ レ ビ等 による調査 で グラウチ ング対象である岩盤割れ 目を評価 し,ルジオ ン値 と岩盤割れ 目性状 との関係 か ら,透水′性のた めの 地 山分類 を作成 す る とともに,高透水岩盤 でのグ ラウチ ング対 象割 れ 目は比較 的大 きな割 れ 日 (04mm以

上)であ る ことを示 した。 また,室内試験 や現場実験 に よ り割 れ 目幅 とグラウ トの浸透性 の関係 を検討 し,

割 れ 目でのグ ラウ トの閉塞 と沈殿 との両面か ら明 らか にす るとともに,割 れ 目 とグラウチ ングの 目的か らグ ラウ トの選 定方法の提案 した。 さらに,比抵抗 トモグ ラフィー に よ リグラウチ ングによる改良範 囲・効果等 を評価 で きる ことを明 らかに した。

以上 か ら,止水 グラ ウチ ングでの施工 中の調査 を利用 し,岩盤 中の害Jれ目に適 した グラウチ ング を施 工 す ることによ り,グラウチ ングでの高孔数孔の削減 によるコス ト縮減 の可能性 を示唆す ることがで きた。

以上 の ような施工 の安定化 のための地盤評価 方法 を提案 し,施エ ヘ適用す ることによ り,ト ンネル・斜面 。 ダム基礎 の地盤 に起 囚す る トラブル防止や安全施工や工事 コス トの縮減 に役立せ る ことがで きた。

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八戸工業大学紀要 第 20巻

Study on GrOund Evaluation 

Siopes,and]Dam Foundations

Doctor Course in Doctor of Engineering Ken‑lchi KANTO

ABSTRACT

In lllountainous civil engineering works such as tunnels,slopes,and dam

foundations, for郡_「hich the ground is modified, ground evaluation is important, because the ground conditions such as topography,geology,and surrounding environment at the site affect the terlll,cost, and safety of construction works,as、veH as rnaintenance and management after comoletiOn,However, it is currently rather difficult to carry out the ground evaluation properly,as a)the ground is compli‐

cated、、テith variety both of distribution and properties,and b)itS Characteristic differ depending on the type of、、アorks(tunnel,slope,dana foundation,etc),work execution conditions(overburden,grade,、 vork execution method,etc)and such like

This study assessed the earth pressure and face stability of tunnels,、 、アhich are frequently constructed in mountainous civil engineering  、、アorks and ground evaluation is difficult, stability evaluation and monitoring management of siopes,and、^、ア

^ater cut‐

/n

ln chapter 2,expansive earth pressure is investigated by using model experilllents,and the foHo、 キアing conclusions have been dro、^1′n: obtained as foHows  a)The behavior of surrounding ground doing tunnel excavation in soft ground with large overburden,including creep behavior,is controlled by the mechanical properties of the ground lnternal friction angle(tan C)iS a useful index; b)In the stress relocation process of the surrounding ground doing tunnel excavation, 5 domains exist, and their distribution patterns and stress increase/decrease are related also with the rnechanical properties of the ground (espeCia■y, internal friction al■gle), and c)Ground displacement accompanied Mrith tunnel excavation occurs ahead of the face on a large scale  ln addition,displacement of a cavity in tunnels is correlated ttrith inverse of a safety factor(C/rH)and internal friction angle(tan c)

In chapter 3,by using a geophysical exploration technique,the front ahead of tunnel faces is surveyed and evaluated in advance Field experi11lents on an advanced face design and for preventing face collapse shoM/ed thati a)the Strata boundaries and the fault fracture zones up to 10 m ahead of faces can be surveyed in advance within the work execution cycle, by using a geophysical exploration

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山岳工事 における地盤評価方法 とその施工への適用

(神

(surface ttrave exploration and resistivity exploration)technique,and b)with respect to、 、ア_ater‐bearing unconsolidated ground,face c01lapse frequently occurrs in tunneling wOrks By combining the S‐ _、vave velocity and resistivity value, a classification syste■ l for the evaluating face stability beforehand is proposed and,shO耶ァn to be very useful to for taking countermeasures against face collapse during work execution

ln chapter 4,for the design of long and large slopes that have discontinuity such as seams and faults, and for preventing collapse a model analysis is performed using a numerical analytical technique (JFEⅣI and DEヽ /1),ApplicatiOn of the analysis tO actual conapse cases in the field shOwed thati a)

」FEヽ/1 and DEふ′I can be applied to stability evaluation in long and large rocky ground slopes,and b) The positiOn of tensiOn cracks inside the grOund can be estirnated by using  _」FEM, and a rational monitoring management value can be propOsed by estilllating the horizOntal displacement based on the relation with cOhesion in the case of」

_FEh′

1n chapter 5,with respect to the reinfOrced earth work method M/ith a steep grade for reinforcing

relatively ttreak self‐

pull‐out resistance of the reinforcing materials,when an arc shaped collapse face is generated on the slope face Based on this,a method of evaluating stability is prOposed, and b)As for the monitOring management,a management standard for horizOntal displacement of the ground surface,subsidence of the grOund surface and axial tension of rock b01ts,rnanagement philosophy,and measurement range are proposed referring to the height Of the slope f aces.

In chapter 6,for the design of the danl foundation and to save cost, as the result of surveying the ground cracks and investigating the grout test results in a laboratory,and fields,conclusions have been obtained as follo、vs  a)By surveying the crack、、アidth fOr grOuting by using a bOre hole scanner, a grOund classification for water permeability has been established; b)The relation between crack width and grouting permeability in confornlity to the both sides of b10ckage of grOut particles in the cracks and sedi11lentation Of grout due to critical ve10city、 、アas clarified, and a selection method for grouting based upon the purpose of grouting and crack width is proposed: c)The range improved by grOuting can be evaluated by using resistivity tOmOgraphy  The study results described above are considered to be of great use for preventing troubles originating in the ground of tunnels,slopes and dani foundations,as瓢 /ell as for making sophisticated designs and Mrork execution

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