開削工事の盤ぶくれ問題への有限要素法解析の適用性評価
杉 江 茂 彦 鈴 木 和 明
Applicability of FEM Analysis to Prediction of Ground Heaving Induced
by Groundwater Pressure in Open Cut Works
Shigehiko Sugie Kazuaki Suzuki
Abstract
For open cuts excavation works, the bottom ground may be heaved and broken by groundwater pressure.
This heaving phenomenon is called banbukure in Japanese. In order to investigate the applicability of the finite
element analysis method (FEM) to predicting banbukure, a simulation of the field test example was conducted.
In addition, a series of trial analysis for investigating the effect of the measure against banbukure was executed
for an example of deep excavation work using reverse concreting excavation method. The soil/water coupled
FEM analysis was used with the GRASP3D code. The calculated results were found to represent the ground
heaving and stresses during banbukure generation, and the applicability of FEM was confirmed.
概 要 開削工事においては掘削底面の粘性土地盤が地下水圧によって押し上げられて破壊することがある。この現 象は，一般に「盤ぶくれ」と呼ばれている。本研究では「盤ぶくれ」の予測への有限要素法の適用性を調べる ために，現場実験事例のシミュレーション解析を行った。また逆打ち施工による深い開削工事例について，採 用された「盤ぶくれ」対策の効果を試算した。その結果，盤ぶくれ発生時の地盤の変形・応力の状態や対策工 の効果を再現することができた。また開削工事の盤ぶくれの問題への有限要素法の適用性を確認することがで きた。なお，ここでは地盤/地下水連成解析法(大林組開発ソフト：ＧＲＡＳＰ３Ｄ)を用いた。
１. はじめに
開削工事では掘削底面の地盤に大きな浮き上がりが生 じ破壊に至ることがある。主な要因に「盤ぶくれ」があ る。これは掘削底面下に高い地下水圧をもった砂層や礫 層がある場合に，水圧によってその上方の地盤が押し上 げられる現象である。盤ぶくれへの対策では砂層や礫層 の地下水圧を下げるために井戸揚水が行われている。 地下水圧の下げ幅の算定には，従来よりFig. 1 に示す 検討式例えば１），２）が用いられている。検討式の各項の安 全率を含めた運用の仕方については，鉄道・道路等の事 業者や土木・建築の学会の指針で解説されている。 盤ぶくれへの抵抗力の主体は「土の重量」である。「土 留め壁面の摩擦」や「地盤のせん断抵抗」については十 分吟味した上で加える，と言うのが基本的な姿勢であり， 鉄道の設計標準１）では，検討手法にＦＥＭ解析をあげて いる。特に，大深度の開削工事では，高まる水圧条件下 での安全性の確保や地盤・地下水環境への影響軽減など 満たすべき条件は多い。従来の検討式だけでは実務への 対応が難しくなってきており，現実的な対策工の案出に 詳細な検討が求められてきている。 そのための設計・計画ツールとして，筆者らは「盤ぶ くれ」の問題への有限要素法の適用性を調べてきた。本 研究では，開削工事における盤ぶくれの現場実験事例(松 井・中平３))について解析シミュレーションを試み，地盤 Fig. 1 盤ぶくれの慣用検討式 Conventional Method for Examination of GroundHeaving Induced by Groundwater Pressure
▽ Ｈ1 Ｈ2 ｆ1 粘土層包含 （不透水層） Ｗ 被圧水頭 hw ｆ2
Ｖ
Ｖ
Ｖ
Ｖ
Ｖ
Ｖ
浮き上がり Ｕ 砂層・礫層 （透水層） 盤ぶくれの検討式 （安全率 ： Fs1, Fs2 , Fs3 ） 地下水の揚圧 土の重量 壁の摩擦抵抗 地盤のせん断抵抗 U F H f F H f F W s s s 3 2 2 2 1 1 1 2 2大林組技術研究所報 No.76 開削工事の盤ぶくれ問題への有限要素法解析の適用性評価 挙動の再現性を調べた。また，逆打ち工法により建屋と 同時に施工された地下階の開削工事例４）について，盤ぶ くれの安定性向上への場所打ちコンクリート杭(以後，場 所打ち杭と呼称)の効果を検証したのでここに報告する。
２. 有限要素法による盤ぶくれの解析評価法
2.1 地盤/地下水連成解析法の概要 開削工事では安全かつ効率的に施工を進めるために， 地盤と土留め，ならびに地下水の挙動を精度よく予測す る必要がある。地盤/地下水連成解析法(大林組ソフト： ＧＲＡＳＰ３Ｄ)５）はそのために開発されたＦＥＭによ る解析法である。本研究でねらいとする地下水の揚圧力 による盤ぶくれの問題にも応用することができる。 この解析法はBiotの多次元圧密理論に基づいている。 同理論のフレームワークをFig. 2 に示す。地盤の変形・ 応力解析に用いる式と地下水の浸透流解析の式を連立さ せて解くところに特徴がある。これにより地盤の変形・ 応力ならびに全水頭・流速の時間・空間での変化を求め ることができる。 2.2 盤ぶくれの評価法 Fig. 2 の(7)式はTerzhaghiの「有効応力の原理」である。 飽和した地盤に生じる応力(全応力)σが有効応力σ’と 間隙水圧pwの和で表わされている。ここで，有効応力は 土粒子が形づくる骨組み構造に生じる応力である。間隙 水圧pwは，土粒子の間隙を満たす水の水圧である。地盤 に働く力は有効応力と間隙水圧の両方が受け持つことに なる。砂層や礫層では間隙を縫っての水の行き来が容易 であるから，間隙水圧の値は帯水する地下水の水圧に概 ね等しいと考えられる。 地盤の全応力の深さ方向の成分σvは，自然堆積地盤で は土被り圧に等しい。開削工事では掘削の進捗とともに 底面の地盤のσvは減少していく。被圧の砂・礫層内にお いて，σvが水圧pwを下回る状況では水圧を抑え込むこと ができず盤ぶくれが生じる。この様な状態では，(7)式よ り有効応力の鉛直方向成分σv'は正値を保てなくなる。 盤ぶくれへの抵抗力となるσvの減少の仕方は，掘削の 規模や形状によって異なる。また土留めや基礎構造が発 揮する拘束の度合いによっても異なる。連成解析ではこ れらの施工条件をモデル化することが可能であり，掘削 過程を追って砂・礫層内の全応力σvと水圧ｐｗの大小関 係，有効応力の符号をみることにより，盤ぶくれが生じ るかどうかの詳細な安全評価が可能となる。 2.3 一次元掘削問題での検証解析の結果 粘土層と砂礫層から成る一次元の地盤モデルを設けて 盤ぶくれの再現性を検証した。掘削過程で得られた地盤 応力の計算結果をFig. 3 (a)～(c)に示す。ここで初期の地 下水条件については，地表に全水頭を持つ静水圧を想定 Fig. 2 地盤/地下水連成ＦＥＭ解析の理論概要 Theoretical Framework of Soil/water CoupledFEM Analysis -5 -4 -3 -2 -1 0 粘土層 湿潤密度 γt= 20 kN/m3 透水係数 k = 1.0 ×10-7 cm/sec 砂層・礫層 透水係数 k = 1.0 ×10-2 cm/sec σv=γt・ｚ 深度 （ m ） 全応力 (土被り圧) 湿潤密度 γt= 20 kN/m3 有効 応力 σｖ’ 水圧 pw 地盤の鉛直応力 （kN/m2） -20 0 50 100 検討深度 地下水頭 pw= 30kN/m2 σv= 60kN/m2 -5 -4 -3 -2 -1 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 地盤の鉛直応力 （kN/m2） -20 0 50 100 地盤の鉛直応力 （kN/m2） -20 0 50 100 σv= 20 pw= 30 深度 （ m ） つりあい状態 σｖ= pw 検討深度 検討深度 盤ぶくれ σｖ< pw pw= 30kN/m2 σv= 30kN/m2 （σｖ< 0） ’ (a) 初期状態 Fig. 3 一次元掘削問題における地盤応力の算定結果
Calculation Results of Ground Stresses in One-dimensional Excavation Problem
(b) 釣り合い状態 (c) 盤ぶくれ状態 kl ijikl ijD ; ; w ; i g 土の密度 間隙水の密度 重力加速度 構成則 0 , jij gi 釣り合い式 i i vv, 連続式 間隙水 （地下水） 土の骨格 j ij i kh v , ) ( i w w g p h ; Darcy 則 位置水頭 ; w p 間隙水圧 地盤の変形・応力 地下水の浸透流 (4) (5) (2) (3)
ij ji
ij12u, u, ij w ij ijp ひずみ ～ 変位 有効応力の原理 (1) (6) (7)した。またドライ掘削を模擬するために，掘削過程の掘 削底面の水圧を0値とした。 このモデルでは盤ぶくれへの抗力は粘土層の土の重量 だけとなる。初期のFig. 3(a)では盤ぶくれの検討深度であ る砂礫層の上端レベルで土被り圧σvが水圧pwを大きく 上回っている。掘削深さが1.5mになると検討深度ではσ vとpwが等しく釣り合い状態となる。さらに掘削を進める とσvがpwを下回り，砂礫層の水圧によって地盤が浮き上 がる盤ぶくれが生じる。連成解析による算定結果の同図 (b)では盤ぶくれの検討深度においてσvとpwが釣り合う 状態，有効応力が0値となる状態が再現されている。また 同図(c)ではσvがpwを下回り，検討深度付近の有効応力 σv'が負値(図中の網掛け部)となる盤ぶくれの状態が再 現されている。
３. 現場実験事例の解析再現性の検証
松井・中平による現場実験３）の地盤構成，施工・計測 状況がFig. 4とFig. 6 に示されている。これにもとづき2 次元平面ひずみ条件で有限要素モデルを設けて，掘削底 面の地盤の浮き上がりと応力状態の再現性を調べた。用 いた地盤の有限要素メッシュ，土留めと掘削過程のモデ ル化の概要をFig. 5 に示す。 3.1 地盤のモデル化 現場実験は沖積平野の河口で実施された。地表より6m 程の厚さで砂・砂質シルト層が堆積している。続いて盤 ぶくれが生じた軟弱な粘土層が約9mの厚さで堆積して いる。その下には被圧の地下水をおびた玉石混じりの砂 礫層が続いている。 粘土の力学挙動のモデル化には関口・太田の弾塑性構 成式6)を用いた。文献３）にもとづき与えた定数値をFig. 5 に併記している。その他の定数値(湿潤密度ρt=1.7g/cm3， 過圧密比OCR=1.1および間隙比eo=1.5)についても文献 ３）にもとづいた。表層からの砂層・砂質シルト層(N値10)， と被圧の砂礫層(N値30)については弾性体で模擬した。今 井・殿内の式７）を用いて，両層のN値からS波速度をも とめて地盤剛性を設定した。ここでポアソン比は0.35と した。地下水の条件については，Fig. 6 に示される被圧 の砂礫層の水位変動幅の上限レベルTP±0.0mを水面とし た。 Fig. 4 現場実験の施工断面(松井・中平，1989)Cross Section Schema of Excavation Work at The Field Experiment Site (After Matsui and Nakahira, 1989)
鋼矢板 観測井 鉛直変位測定 層別鉛直変位計 鉛直変位測定 連続鉛直変位計 傾斜計 切梁 １次 掘削 ２次 ３次 ４次 ５次 ６次 最終 砂 粘土 玉石混じ り砂礫 砂質 ｼﾙﾄ 被圧観測井 TP-17.9 TP-18.1 R-2: TP-14.2 R-1: TP-8.7 沈下素子 TP-12.2 TP-10.2 TP-8.3 TP-6.7 S-4 S-3 S-2 S-1 TP-0.3 TP-1.7 TP-5.2 TP-7.75 TP(m) +1.35 -4.65 -5.65 -14.65 TP-2 -16.0m 砂 砂質シルト 粘土 玉石混じり砂礫 2次 〃 -4.2m 6.0m 24.0m 鋼矢板Ⅳ型 1次掘削 -2.1m S-2 -9 .7m G L ±0m - 1. 7m -6 .6m - 3. 1m 測点 S-3 -1 1.6m S-4 -1 3.6m 3次 〃 -5.6m 4次 〃 -6.4m 5次 〃 -7.2m 6次 〃 -8.2m 切梁 (弾塑性モデルの定数値） 圧縮・膨潤指数 λ=0.34，κ=0.04 破壊応力比 M=1.208 透水係数 k=1.5×10-7cm/sec ポアソン比 ν’=1/3 図-6の検証深度 モデルの右面・底面境界：流入境界（静水圧保持） 被圧水頭 -25.0m Fig. 5 有限要素メッシュと施工条件のモデル化 Finite Element Mesh and
the Modeling of Excavation Work
TP(m) -4.65 -5.65 -14.65 +1.35 原地盤 R-1:TP-8.7m R-2:TP-14.2m R-1 -8.7 R-2 -14.2 ヒ ー ビング量 (mm) １次掘削 ２次 ３次 ４次 ５次 ６次 注水 B地点連続鉛直変位計 経過日数 （日） ±0 +20 +40 +60 +80 +100±0 +20 +40 +60 +80 +100 0 5 10 15 20 25 30 被 圧水位 TP (m)+0.5 -0.5 -1.0 ±0 Fig. 6 盤ぶくれの発生状況（松井・中平，1989２））
Ground Heaving Measured at Excavation Process (After Matsui and Nakahira,1989)
大林組技術研究所報 No.76 開削工事の盤ぶくれ問題への有限要素法解析の適用性評価 3.2 施工過程のモデル化 掘削平面の規模は(12m×30m)であり，その中心地点で は6次掘削時(GL-8.2m)に掘削底面の浮き上がりが急進し たため，注水による安定化対策がとられ実験が終了され た(Fig. 6 参照)。解析では各段階における掘削と切梁設置 の施工と所要時間を模擬し，地盤の浮き上がりと応力の 変化，ならびに被圧の地下水圧と抑え荷重のバランスの 状況を最終の7次掘削まで追跡した。注水過程については， モデル化を行わなかった。 ここで，鋼矢板による土留め壁(鋼矢板Ⅳ型)の模擬に はシェル要素を，各段切梁の模擬にはトラス要素を用い た。土留め壁/地盤間の摩擦の模擬には薄層のメッシュを 設け，文献３）で用いられた摩擦の極限値40kN/m2を与え た。各掘削段階の掘削底面にはドライ掘削ワークを模擬 して水圧値0の条件を与えた。 3.3 盤ぶくれ発生時の地盤の浮き上がりと応力状態 掘削底面下の粘土層で計測(計測点S-3：GL-11.6m)さ れた浮き上がりと解析結果との比較をFig. 7 に示す。3 次掘削以前と4次掘削以後で浮き上がりの生じ方に変化 が生じている。3次掘削までは浮き上がりが比較的緩やか に増加しているが，4次掘削以後では放置期間での浮き上 がりが顕著となり，5次・6次掘削では20mm以上の増加 となっている。6次掘削ではもはや放置できずに，地盤の 安定化を図る注水がなされた。Fig. 7では解析結果におい て，注水実施前の過程までの地盤の挙動がうまく再現さ れている。 地盤の鉛直有効応力のコンターをFig. 8 に示す。注水 が行われた6次掘削時の解析値である。掘削底面下に有効 応力が正値を保てなくなった領域(白塗り)が生じている。 この領域では粘土層の重量や土留め壁の周面摩擦が動員 されていても，被圧砂礫層の地下水圧には抗しきれずに 局所的なボイリングが生じている。Fig. 3 の(c)に示した 盤ぶくれの状態にある。加えて粘土層がせん断を受けて 限界状態(critical state)に達した領域(朱塗り)も生じてい る。現場実験では地盤の浮き上がりが急進して不安定化 する状況が確認されたが，解析においてもこれに符合し た地盤の応力状態が得られている。
４. 逆打ち開削工事における場所打ち杭の
盤ぶくれ抑制効果の検証
大阪市内で実施されたビル建屋の建設工事例４）をとり あげ，掘削過程の底部地盤の応力状態をＧＲＡＳＰ３Ｄ で検証した。本工事ではビル建屋の構築に併行して，地 下階が逆打ち工法で施工された。最終の床付け深度に近 づく掘削では被圧地下水による盤ぶくれが懸念された。 その対策に地下水低下工法が採用された。盤ぶくれに対 しては，掘削底面の地盤の重量や土留め壁の周面摩擦に 加えて，逆打ち支持杭の根入れ部の場所打ち杭も建物荷 重を支持しながら，抵抗力を発揮したものと考えられる。 以下にこれらの効果の試算結果を述べる。 4.1 対象地盤のモデル化 開削施工の断面概要と地盤の成層状況をFig. 9に示す。 対象地盤は地表より緩い沖積上部砂層が堆積している。 軟弱な沖積粘土層が床付け(GL-24m)付近まで堆積して おり，沖積下部砂層ならびに洪積の粘土層と砂礫層の互 層が続いている。正規圧密に近い軟弱な沖積粘土層と過 圧密状態にある洪積の上部・中間粘土層には，各々の非 線形挙動を表現するために関口と太田の提案による弾塑 性構成式６）を用いた。圧密試験の結果を主体に定数値を 設定した。沖積・洪積の各砂層，および洪積の下部粘土 層については，開削工事でのせん断ひずみと地盤の剛性 低下を調べた龍岡・木幡・金・澁谷の研究成果８）を参考 に与えた。ここで初期剛性は工事前に実施された。PS検 Fig. 7 掘削底面の地盤の浮き上がりCalculated and Measured Ground Heaving
砂層 粘土層 玉石混じり砂礫層 ６次掘削 GL-8.2m 盤ぶくれの応力状態 ：有効応力が正値を保てなくなった領域 土留め壁（鋼矢板） 地盤がせん断破壊した領域 ＧＲＡＳＰ３Ｄeffective stress 200 120 100 80 60 40 20 0 -20 鉛直有効応力 kN/m2 Fig. 8 鉛直有効応力のコンター：6次掘削時 Contour of Ground Vertical Effective Stress at
6th Excavation Stage 0 20 40 60 80 100 120 140 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 浮き 上がり 量 (m m ) 掘削深さ (m) 現場計測値 ＦＥＭ解析値 ①次掘削時 ②次 〃 ③次 〃 ④次 〃 ⑤次 〃 ⑦次 解析 ５次後 放置時 注水 （実験終了） ⑥次掘削時
層のS波測定結果より設定した。各砂層の透水係数値は 揚水井戸と観測井戸を用いた現場透水試験の結果にもと づいた。 4.2 施工条件のモデル化 掘削平面は概ね80m×90mの矩形状であり，格子状に配 置された逆打ち支柱の1サイクル分の領域を切り取り，有 限要素メッシュを設けた。メッシュの平面図をFig. 10に 示す。RC連壁による土留め壁および各地下階のRC床板 にはシェル要素を，逆打ち支持杭の根入れ部の場所打ち 杭にはソリッド要素を用いて，コンクリートの定数値を 与えて模擬した。逆打ち支持杭・土留め壁と地盤の間の 境界に生じる周面摩擦を考慮するために，ソリッドの 薄層の要素を設け弾完塑性体で模擬した。ここで，極限 周面摩擦力については，Fig. 11に示す鉄道の設計標準１） の設定値を与えた。 施工過程については実際の施工日数に合わせて各次の 掘削と逆打ち床板の施工を順次模擬した。ドライ掘削ワ ークのためのリリーフウェル，および最終7次掘削時の 盤ぶくれ対策(洪積中間砂層の水頭低下ΔH=-6.0 m)のデ ィープウェル(以後DWと記述)の効果については，スト レーナー該当部の節点に低下水頭値を与えて模擬した。 ここでの水頭低下量は，土の重量だけを抵抗力として考 慮し，盤ぶくれの安全率を1.0として設定されたものであ る。施工の進捗とともに累加する逆打ち施工の躯体荷重 については，建屋分は杭頭部に面荷重で，地下階分はRC 床板模擬のシェル要素に自重として与えた。 4.3 掘削底部地盤の盤ぶくれに対する安定性 実際の工事では盤ぶくれ対策に洪積中間砂層の水圧低 下策がとられた。解析で得られた同層付近の盤ぶくれの 安全率(鉛直全応力σvと水圧pwの比：Fs=σv/pw)をFig. 12 に示す。検証位置は杭間位置(Fig. 10 参照)の縦断面 である。ここでの鉛直全応力σvには，土留め壁や杭の周 面摩擦の寄与分が含まれており，掘削底面のレベルを基 準にした土被り圧との比較では大きな値が得られた。 -10 -20 -30 -40 -50 -60 GL±0 m 1F ﾃﾞｨｰﾌﾟ ｳｪﾙ（外付） RC ｽﾗﾌﾞ B1F B2F B3F B4F B5F -2.5m 沖積上部砂 沖積粘土 沖積下部砂 洪積上部粘土 洪積上部砂 洪積中間粘土 洪積中間砂 洪積下部粘土 場所打ち コン クリート杭 φ2m 掘削 ﾚﾍﾞﾙ 1次 3次 5次 7次 -9.5m -15.6m -24 m CL 逆打ち 支持杭 ・ ・ ・ GL-45m 土留め壁 (RC連壁) t = 1.0 m L = 38 m 盤ぶくれ要因の被圧層 低下水位 ΔＨ=-6m （盤ぶくれ要因 被圧層） Fig. 9 施工断面の概要
Cross Section Schema of Excavation Work
土留め壁 X=45m 7.9m 5.8m Fig. 12，13 の検証 平面位置 Fig. 10 場所打ちコンクリート杭の平面配置と 有限要素メッシュ
Horizontal Cross Section of Finite Element Mesh with The Positional Image of Cast-in-place Piles
せん断ひずみ ： γ１－γ３ せん断応力 ： σ１－σ３ ２ G γfailure τfailure= f 極限周面摩擦力：ｆkN/m2 砂質土 粘性土 qu/2 または 10N≦80 RC地下連壁 場所打ち杭 2N≦100 但し、2＜N せん断ひずみ ： γ１－γ３ せん断応力 ： σ１－σ３ ２ G γfailure τfailure= f 極限周面摩擦力：ｆkN/m2 砂質土 粘性土 qu/2 または 10N≦80 RC地下連壁 場所打ち杭 2N≦100 但し、2＜N Fig. 11 土留め壁・杭の周面摩擦のモデル化 Modeling of the Friction Occurred on the Surface of
Earth Retaining Wall and Cast-in-place Pile
GL -30 -40 -20 -50 m 洪積 中間砂 （盤ぶくれ 誘発層） 洪積 下粘土 洪積 中粘土 洪積 上砂 洪積 上粘土 沖積 下砂 沖積 粘土 被圧水圧が鉛直全応力を超過する領域 盤ぶくれ （1.0 ＞σv/pw ） ＤＷによる揚水（ΔH=-6m）： 盤ぶくれ回避 （1.0 ≦σv/pw ） 杭周面摩擦の拘束効果で鉛直全応力 が大きく残留 （1.0 ＜＜σv/pw ） 極限周面摩擦 に達した領域 (a) 杭無し・洪積中間砂の 水圧低下策無し (b) 杭無し・洪積中間砂の 水圧低下策有り (c) 杭有り・洪積中間砂の 水圧低下策無し Fig. 12 盤ぶくれの安全率 Fsのコンター：Fs=鉛直全応力σv/地下水圧pw
大林組技術研究所報 No.76 開削工事の盤ぶくれ問題への有限要素法解析の適用性評価 盤ぶくれの状態(1＞σv/pw)では被圧帯水層の上端付 近の鉛直有効応力σv’が負値と算定される。Fig. 12 (a) の未対策のケース(DWによる水圧低下無し，杭無し)で は，実際の工事で懸念されたように，盤ぶくれを示す1 ＞σv/pwの領域(白塗り)が掘削部中央付近から壁側に 拡がっている。工事で実施された対策であるDWによる 水圧低下を考慮した同図(b)では盤ぶくれの状態が解消 されている。杭有りの計算結果を示した同図(c)では，杭 の周面摩擦の模擬に配置した杭周面の境界要素の応力状 態を図中の杭部に併記している。掘削底面付近の沖積下 部砂層の位置では，極限周面摩擦力に達したすべりをと もなう領域が生じている。それ以深の洪積粘土と砂の互 層の位置では，大半の要素で摩擦力が極限値以内にあり， 地盤の浮き上がりを抑える状況が認められる。このよう な杭の周面摩擦の効果により，洪積中間砂層の水圧を低 下させなくても盤ぶくれの安全率σv/pwは1.4を上回る 値となっている。既往研究１）の模型実験おいても，地盤 改良杭の周面摩擦が盤ぶくれの安全率1.0を1.4～1.5まで 高める効果が得られており，本研究ではこれと整合する 結果となった。 Fig. 13 に盤ぶくれ対策が実施された被圧帯水層(洪積 中間砂層)の上端レベルの鉛直全応力値σvを示す。平面 上での検証位置をFig. 10 に示す。杭間の位置を選んでい る。被圧地下水の減圧前後の水圧pwも加えている。 杭が無い場合では土留め壁の近傍，離間約10m以内の 領域を除き，鉛直全応力が減圧前の被圧水圧を下回る領 域(着色部)が生じている。この領域を狙って地下水圧の 減圧をはかれば盤ぶくれは生じず，具体的な対策範囲を 確認することができる。杭を設けた場合では，地下水圧 の減圧をしなくても底部地盤の鉛直全応力は被圧水圧 を上まわっている。実際の工事ではディープウェルによ る揚圧力の減圧，土留め壁や場所打ちコンクリート杭の 周面摩擦や剛性効果によって，掘削底面の地盤の安定性 が保持されて施工されたものと考える。
５. おわりに
開削工事の地下水圧による底面地盤の盤ぶくれの問題 をとりあげ，この分野への有限要素法の適用性を調べた。 地盤/地下水連成解析法(大林組開発：ＧＲＡＳＰ３Ｄ) を用いた試算結果より以下が得られた。 1) 一次元の掘削問題において，盤ぶくれ発生時の地 盤の応力状態が正しく算定できることを確認した。 2) 現場実験事例のシミュレーション解析では，盤ぶ くれ発生時の地盤の変形・応力が良好に再現できた。 3) 逆打ち施工による深い開削工事例での試算では， 盤ぶくれの対策が必要な範囲を掘削平面の中に明確 に示すことができた。また場所打ち杭や土留め壁の 周面摩擦による盤ぶくれの抑制効果を検証すること ができた。 参考文献 1) 鉄道構造物等設計標準・同解説開削トンネル編， pp.208-210,376-378,(2001) 2) 大深度土留め設計・施工指針(案) ,財団法人先端建設 技術センター，pp.67-69,(1994) 3) 松井・中平：粘土地盤のヒービングに関する現場実 験 と 塑 性 解 析 , 土 と 基 礎 ( 土 質 工 学 会 誌),pp.29-34,(1989) 4) 上野・水口：大規模建築施工例，基礎工，vol.21， No.7，pp.97-101，(1993) 5) 杉 江 ： 3 次 元 地 盤 / 地 下 水 連 成 解 析 プ ロ グ ラ ム GRASP3Dの解析理論と粘土の力学挙動解析への応 用,大林組技術研究所報,No.51,pp.15-22,(1995) 6) Sekiguchi,H. and Ohta,H.:Induced anisotropy and timedependency in clay,9th ICSMFE, Proc.,Specialty session 9, pp.229-239,(1977) 7) 今井･殿内:Ｎ値よＳ波速度の関係およびその利用方 法，基礎工，pp.70-76,(1982) 8) 龍岡･木幡･金･澁谷：原位置調査・室内試験・逆解析 による土と岩の変形係数(その1)－原位置試験・室内 試験・逆解析データの比較－, 東京大学 生産研究, 44巻10号，pp.36-42,(1992) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 鉛直全応力 （土被り圧） 掘削前 最終掘削後 初期土被り圧 場所打ち杭有り 〃 無し ディープウェル稼働前の地下水圧 ディープウェル稼働・減圧後の地下水圧 ： 低下水位 ΔH=-6m 荷重バランスが不良な領域 鉛直全応力 ≦ 初期の地下水圧 土留め壁からの距離 （ｍ） 鉛直 全応 力 ・ 地下 水圧 （k N / m 2） Fig. 13 洪積中間砂層の上端レベルでの 地盤応力と地下水圧
Ground Vertical Total Stresses at the Depth of the Upper End of the Diluvial Mid. Sand Layer
