未固結砂層トンネルにおける鏡ボルトの補強効果に関する模型実験

未固結砂層トンネルにおける鏡ボルトの補強効果に関する模型実験

田口 善文

、田中 貴士

A model test on the reinforcement effect of the face bolts in the unconsolidated sandy tunnel

Yoshifumi TAGUCHI

and Takashi TANAKA

In the tunnel excavating unconsolidated sandy layer, it is important to stabilize the cutting face and to prevent the surface settlement. Various auxiliary methods of tunnel construction are used by this purpose, but it becomes the effective 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 that it is executed the work based on the past results. As the effect of the face bolts for the cutting face stability and the surface settlement control, it is thought that reinforcement effects are different according to length and the interval. In 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 effect of the face stability and the surface settlement.

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

１．はじめに

図１に示すような都市域の未固結砂層を掘削する都市 NATMトンネルにおいては、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 工法が併用されているが、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 ¹⁾²⁾。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 は確立されておらず、過去の実績を基に施工されているの が現状である ³⁾⁴⁾。砂質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、豊浦砂を用いた単純化した２次元縦断方向 の模型実験により^5)～7)、鏡ボルト工の長さや打設間隔を変

化させて、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 実験装置

模型実験装置を図２に示す。内寸法が高さ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2次元断 面で、切羽高さ15cm、奥行き15cmの矩形の断面とした。

実際のトンネルの円形3次元断面を2次元断面にした理由 は、3次元断面のモデルで実験を実施した場合、土槽のス ケールが大きくなり実験が難しくなるのに対し、2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 0.12mm の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。

2.2 実験方法

実験はトンネル切羽面をスクリュージャッキにより引

*近畿大学工業高等専門学校 総合システム工学科 都市創造系

**近畿大学工業高等専門学校

生産システム工学専攻 土木工学系

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。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化を測定した。

表１に実験ケースを示す。鏡ボルト模型（ケント紙）の 長さを15cm（1.0H）、7.5cm（0.5H）、3cm（0.2H）（H：切 羽高さ）と変化させた。さらに設置間隔を7.5cm（1段）、

5cm（3段）、3cm（5段）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模型ではなく平板状のケント 紙とした理由は、ボルトの長さや打設間隔の影響を単純に

図１ 都市ＮＡＴＭトンネル（鏡ボルト併用）

図－４ 模型実験装置 （単位mm）

図２ 模型実験装置

図３ 切羽部分拡大図 （単位mm）

表１ 実験ケース

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。

砂の投入は、高さ60cm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）まで投入し作成 した。この時の砂の密度は1.54g/cm³である。模型地山は 空気乾燥状態の豊浦砂を用いた。

引き抜きは、0～2mmまでは0.2mmずつ、2～10mmまで は0.5mmずつ、10～15mmまでは1mmずつ引き抜いて行 った。地表面の沈下測定には変位計を使用し、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。

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4～5N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だと考 えられる。

図４ 引抜きに伴う切羽荷重（無補強の場合）

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。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つ れ、沈下が直線的に増加している。これは、地盤のすべり 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。

実験ケース 長 さ（ℓ） 密 度 （間隔）

1 無 し（無補強）

2 15.0cm (1.0H) 1段、3段、5段 3 7.5cm (0.5H) 1段、3段、5段

4 3.0cm (0.2H) 5段のみ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 2 4 6 8 10 12 14

トンネル引抜量（ｍｍ）

切羽荷重（N）

無補強

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15

トンネル引抜量（mm）

地表沈下量（mm）

切羽後方10cm 切羽直上 切羽前方10cm 切羽前方20cm 切羽前方30cm 切羽前方40cm

切羽後方10cm、切羽前方20cm～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さほど 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、沈下があまり増大しないと考えられる。

図５ 引抜きに伴う地表沈下量の変化（無補強の場合）

3.2 鏡ボルト有りの場合

図6は、鏡ボルトを長さ15cm、設置間隔3cmで切羽面 に 5 段設置した場合のトンネル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。

この値は無補強のケースの値より小さくなっており、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。

図６ 引抜きに伴う切羽荷重

（鏡ボルト15cm、5段の場合）

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が、トンネル引抜量15mmにおいて最 大沈下量が2mm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。

3.3 切羽荷重に対する鏡ボルトの段数の影響 (1)長さ15cm（1.0H）の場合

図８は、鏡ボルトの長さを15cm（1.0H）とした場合の、

鏡ボルト設置間隔の違いによる切羽に作用する荷重の差 異を比較したものである。鏡ボルトの設置間隔は1段、3 段、5段の3ケースである。前述のように、全てのケース において、1.0mm程度の引き抜きで切羽荷重は急激に減少

図７ 引抜きに伴う地表沈下量の変化

（鏡ボルト15cm、5段）

し、引抜量が増加するにつれ、ほぼ一定値に収束している。

鏡ボルト5段の場合には、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わかる。3段の場合に は、5段の場合より、わずかながら大きくなるが、ほぼ同 等である。

また、鏡ボルト1段の場合でも、トンネル引抜き初期の 段階で切羽荷重は無補強の場合より小さくなっており、切 羽安定効果がみられる。しかし、切羽引抜量が増加するに つれ、最終的に無補強の場合値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。

図８ 引抜きに伴う切羽荷重

（長さ15cm（1.0H）の場合）

(2)長さ7.5cm（0.5H）の場合

図９は、鏡ボルトの長さ7.5cm（0.5H）とした場合の、

鏡ボルトの設置間隔の違いによる切羽に作用する荷重の 差異を比較したものである。鏡ボルトの設置間隔は1段、

3段、5段の3ケースである。全てのケースにおいて、1.0mm 程度の引き抜きで切羽荷重は急激に減少し、引抜量が増加 するのに伴いほぼ一定値に収束している。

鏡ボルト 5 段の場合の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。3段の場合には、5段の場 合より、わずかながら大きくなる。また、鏡ボルト1段の 場合は、前述の鏡ボルト15cm、1段の場合とほぼ同様の傾 向 で ある 。鏡 ボ ル ト 5 段の 場 合、 長 さ 15cm(1.0H)と 7.5cm(0.5H)では、長さによる差異はさほど見られない。

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 2 4 6 8 10 12 14

トンネル引抜量（ｍｍ）

切羽荷重（N）

ℓ=15cm、5段

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15

トンネル引抜量（mm）

地表沈下量（mm）

切羽後方10cm 切羽直上 切羽前方10cm 切羽前方20cm 切羽前方30cm 切羽前方40cm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 5 10 15

トンネル引抜量（ｍｍ）

切羽荷重（N） 無補強

ℓ=15cm、1段 ℓ=15cm、3段 ℓ=15cm、5段

図９ 引抜きに伴う切羽荷重

（長さ7.5cm（0.5H）の場合）

3.4 切羽荷重に対する鏡ボルトの長さの影響

図10は、鏡ボルトの間隔を5段とした場合に、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比較 したものである。鏡ボルトの長さは、15cm、7.5cm、3cm の3ケースである。全てのケースにおいて、1.0mm程度の 引抜きで切羽荷重は急激に減少し、引抜量が増加するにつ れ一定値に収束している。長さ15cm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、3cmの場合には、トンネル引抜き初期の段階で切 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。7.5cmの 場合は長さ15cmの場合とほほ同等である。

図10 引抜きに伴う切羽荷重（段数5段の場合）

3.5 地表沈下に対する鏡ボルトの段数の影響

(1)鏡ボルト長さ15cmの場合

図11～図13 は、鏡ボルトを長さ15cm（1.0H）とした 場合の鏡ボルトの設置間隔の違いによるトンネル縦断方 向の地表沈下曲線の差異を比較したものである。トンネル 切羽位置を0として、切羽前方10、20、30、40cmの位置 と切羽後方10cm（－10cm）の位置の地表沈下を鏡ボルト

無し、1段の場合、3段の場合、5段の場合で示している。

図11はトンネル切羽面を 5mm（0.03H）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から切羽前方 10cmの地点が2mm程度沈下しているが、鏡ボルト5段お よび3段ではほとんど沈下していない。鏡ボルト1段の場 合にわずかながら沈下が生じる。

同様に図12はトンネル切羽面を10mm(0.07H)引抜いた 時の地表沈下を示す。無補強の場合では、切羽直上から切 羽前方10cmの地点が4mm程度沈下している。一方、5段 および3段ではほとんど沈下しておらず、1段でも切羽直 上で1mm程度の沈下となっており、地表沈下抑制効果が 顕著に表われている。

図13はトンネル切羽面を 15mm（0.1H）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から切羽前方

10cmの地点が6～7mm程度沈下している。一方、5段、3

段では2mm程度沈下しているが、1段では切羽直上で急激 に沈下が増加しており補強効果が見られなかった。また、

これらの図より、地表沈下の影響範囲は切羽前方 20～

30cm（1.3～2.0H）程度であることが分かる。

図11 地表沈下曲線（縦断方向5mm引抜き時）

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=15cm、1段 ℓ=15cm、3段 ℓ=15cm、5段

図12 地表沈下曲線（縦断方向10mm引抜き時）

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=15cm、1段 ℓ=15cm、3段 ℓ=15cm、5段

図13 地表沈下曲線（縦断方向15mm引抜き時）

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 5 10 15

トンネル引抜量（ｍｍ）

切羽荷重（N） 無補強

ℓ=7.5cm、1段 ℓ=7.5cm、3段 ℓ=7.5cm、5段

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 5 10 15

トンネル引抜量（ｍｍ）

切羽荷重（N） ^無補強

ℓ=15cm、5段 ℓ=7.5cm、5段 ℓ=3cm、5段

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=15cm、1段 ℓ=15cm、3段 ℓ=15cm、5段

(2)鏡ボルト長さ7.5cmの場合

同様に、図14、図15は、鏡ボルトを長さ7.5cm（0.5H）

とした場合の鏡ボルトの設置間隔の違いによるトンネル 縦断方向の地表沈下曲線の差異を比較したものである。

図 14はトンネル切羽面を5mm（0.03H）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から切羽前方 10cmの地点が2mm程度沈下しているが、鏡ボルト5段お よび3段の場合はその半分以下になっている。鏡ボルト1 段の場合もわずかながら沈下が生じている。

同様に、図15 はトンネル切羽面を 15mm（1.0H）引抜 いたときの地表沈下を示す。無補強の場合では切羽直上か ら切羽前方10cmの地点が6～7mm程度沈下している。一 方、5段、3段では2mm程度であり、１段では3mm程度 と多少沈下が大きくなっている。

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=7.5cm、1段 ℓ=7.5cm、3段 ℓ=7.5cm、5段

図14 地表沈下曲線（縦断方向5mm引抜き時）

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=7.5cm、1段 ℓ=7.5cm、3段 ℓ=7.5cm、5段

図15地表沈下曲線（縦断方向15mm引抜き時）

3.6 地表沈下に対する鏡ボルトの長さの影響

図16、図17は、設置間隔5段で鏡ボルトの長さを15cm

（1.0H）、7.5cm（0.5H）、3cm（0.2H）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比較したものであ る。

図 16はトンネル切羽面を 5mm（0.03H）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から切羽前方 10cmの地点が2mm程度沈下しているが、鏡ボルトを設置 したケースではほとんど沈下していない。

同様に、図 17はトンネル切羽面を 15mm（0.1H）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から

切羽前方10cmの沈下が7～8mm程度沈下している。鏡ボ

ルト15cm、7.5cmでは同程度の沈下量であり、2mm程度

沈下しているが、沈下抑制効果が高い。一方、鏡ボルト 3cm（0.2H）では切羽直上で4mm程度に沈下量が増加して おり、沈下抑制効果が小さいことが分かった。

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=15cm、5段 ℓ=7.5cm、5段 ℓ=3cm、5段

図16 地表沈下曲線（縦断方向5mm引抜き時）

0 2 4 6 8 10 12

-10 0 10 20 30 40

切羽面からの距離（cm）

地表沈下（mm）

無補強 ℓ=15cm、5段 ℓ=7.5cm、5段 ℓ=3cm、5段

図17 地表沈下曲線（縦断方向15mm引抜き時）

４. まとめ

豊浦砂を用いた2次元縦断方向の模型実験により、鏡ボ ルト工の設置間隔や長さを変化させて、地表沈下への影響 度合いや切羽安定効果を検討した。その結果、以下のこと が分かった。

① 切羽荷重に対する鏡ボルトの設置間隔について

・鏡ボルトの設置間隔が小さく、段数が多いほうが、切 羽に作用する荷重が小さくなり、切羽安定効果が高く なる。

・長さ15cm（1.0H）（H：切羽高さ）の場合、5段およ

び3段では切羽安定効果が高くなるが、1段では小さ い。また、5段と3段はあまり変わらない。

② 切羽荷重に対する鏡ボルトの長さについて

・鏡ボルトの長さが 0.5H（H：切羽高さ）より長い時、

切羽に作用する荷重が小さくなり、補強効果が高くな る。

・設置間隔5段の場合、長さ15cm（1.0H）、7.5cm（0.5H）

では、切羽安定効果が高くなるが、長さ3cm（0.2H）

では小さい。

③ 地表沈下に対する鏡ボルトの設置間隔について

・鏡ボルトの段数が多い方が地表抑制効果が高くなる。

・長さ15cm（1.0H）の場合、5段および3段では、地 表沈下抑制効果が顕著に見受けられたが、1段では沈 下が大きくなる。

④ 地表沈下に対する鏡ボルトの長さについて

・鏡ボルトの長さが0.5Hより長い時、沈下抑制効果が 高い。

・設置間隔が5段の場合、長さ15cm（1.0H）、7.5cm（0.5H）

では、ほぼ同等の沈下抑制効果が見られたが、長さ 3cm（0.2H）では沈下が比較的大きくなる。

・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。

参考文献

1）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.

2）御手洗、松尾、手塚、岡本、西村、松井：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.743/Ⅲ-64、pp.213-222、2003.9

3）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.

4）西崎、宮本、羽馬、岡部：長尺鏡ボルト工の適正配置 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

5）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.

6）田口、香川、相良、吉川：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．645/Ⅲ－50、pp.125

～135、2000.3

7) 田中、田口：未固結砂層における長尺鏡ボルトの補強 効果に関する模型実験、平成21年度土木学会中部支部 研究発表会、pp. 297-298、2010.3