平成 25 年度創成シミュレーション工学専攻修士論文梗概集都市シミュレーション工学分野トンネル掘削における既設構造物の影響及び繰り返しせん断変形を受ける地盤中のトンネル土圧学籍番号 24413526 黒井翔指導教員ホサインシャヒン准教授 1 はじめに一般的に，地震動がトンネル構造物に及ぼす影響は少ないといわれている．橋梁等の地上構造物は，地震動による慣性力によって振動し，多くは構造物自身の共振が支配的となり大きな揺れを引き起こすが，トンネル構造物に働く慣性力は周辺地盤のそれよりも小さく，地盤の変位及び変形に追随して振動するためトンネル自体の共振が支配的となることはない．したがってある程度地中の深い場所に建設されたシールドトンネルは，地震時において周辺地盤の変形が少なく，断面が円形であり変形に強いことから大被害をうけることはほとんどないと考えられている．実際に土木学会がまとめた阪神・淡路大震災調査報告[1]によると，シールドトンネルにおいては二次覆工コンクリートにひび割れが生じる程度であったという．しかし，地中接合部のように構造の急変する箇所や，地盤条件が急変し，断面力が発生して地盤変位が一様とならない箇所においては，設計の段階で十分な検討が必要であると考えられる．そこで本研究では，従来用いていた 2 次元模型試験機 2)をモデル地盤に繰返しせん断を与えられるように改良し，地震時におけるトンネルの基本的な力学挙動を解明することを試みた．本稿ではこの試験機を用いて地震時にトンネルに作用する土圧の変化を実験と解析両面から明らかにすることを目的としているが、紙面の都合上実験結果のみの記載とし，近接施工を想定した実験及び解析は割愛する。 2 モデル実験の概要図 1 に 2 次元模型試験機全体の概要を示す．モデル地盤の幅 1200mm，トンネル模型の直径 100mm，模型地盤としては現場の約 1/100 のスケールを想定し，平面ひずみ状態を仮定している．地盤材料には直径 1.6mm と 3.0mm のアルミ棒を重量比 3:2 で混合した積層体を用いた．トンネル模型は半径方向に滑らかに収縮できる機構になっており，トンネル掘削を模擬している．またこのトンネル模型の周面は 12 個のブロックに分けられ，各ブロックには周面方向にロードセルを設置しており，トンネルに作用する周面土圧を計測できる．続いてモデル地盤にせん断を与える機構について説明する．従来この試験機のフレームの両端は完全に固定し，水平方向の変位を許していなかったが[2]，下端部を回転軸として左右に可動できる構造とした．また左右両端のアルミ板は上端を連結されており，試験機脇に取り付けられたハンドルを操作することによって任意の方向に一様なせん断変形を与えることができる．そのときのモデル地盤の変形モードは図 1 に示す破線のようになる．この一連の改良により，モデル地盤には任意の方向及び任意の大きさのせん断変形を与えることが可能になった．モデル地盤に与えるせん断変形は，震度法を参考に設定したせん断力を地盤に作用させることで発生させる。実験手順は，まずトンネル模型を収縮させて地盤の掘削を模擬し，その後所定のせん断力を模型地盤に与えた時点でトンネルに作用する土圧の計測を行う．なおトンネルの収縮量は dr と定義し，dr=4.0mm で掘削完了とした．本稿に記載する結果は上下方向に近接した双設トンネル掘削を模擬しており、土被り D = 2.0B（B:トンネル直径），の先行トンネルを掘削後に下部地盤の後続トンネルを掘削し、その状態を初期状態としてせん断変形を模型地盤に与え、トンネル土圧の変化及びサイクルごとの比較検討を行う．着目点は，先行トンネル周面に作用する土圧と，その増減の履歴を追った土圧履歴である．図 1 2 次元モデル試験概要図平成 25 年度創成シミュレーション工学専攻修士論文梗概集都市シミュレーション工学分野実験結果と考察の結果は実験結果を定性的によく評価できておトンネルの周面土圧分布を図 2 に，土圧履歴を図 3 り，地震時のシールドトンネルの力学挙動を評に示す．図 2 の 1 サイクルの結果より，トンネル掘削価する上で有効なツールになりうる。に伴い作用土圧は掘削前（破線）から大きく減少し， 5 参考文献一定値に収束するのだが，下部地盤の後続トンネル掘 [1] 土木学会阪神・淡路大震災調査報告削に伴い先行トンネルである上部地盤のトンネル土 [2] 菊本統，中井照夫，ホサインシャヒン，石井健嗣，岩田圧は，応力再配分の影響でスプリングラインの土圧が敏和：実際の内空変位と周面土圧分布を考慮した単設トンネ上昇し最終的な土圧分布は赤の○プロットのようなル掘削モデル実験とその解析, 土木学会論文集 F1（トンネル形状になる．その状態を初期状態として模型地盤にせ工学）特集号, 57-65, 2011．ん断変形を与えると，右方向へのせん断ではトンネル [3] Nakai, T. and Hinokio, M. : A Simple Elastoplastic Model for の左肩部及びその反対側の土圧が大きく上昇する．一 normally and over consolidated soil with unified material 方，左方向へのせん断のとき，左肩部及びその反対側 parameters, S&F, 44(2), 53-70, 2004. の土圧は大きく減少するが，右肩部及びその反対側の土圧が大きく上昇する．他サイクルの結果を見ると， 1 サイクルの場合と同様に増減を顕著に繰り返す箇所が発生することがわかり，その箇所も一致していることがわかる．図 3 は右上のトンネルの概要図に示すように，トンネル周面をクラウン，スプリングライン，インバートの 3 領域に分け，さらにトンネル中心に対して対となる点をペアとしてグラフにまとめ，各領域での土圧の増減履歴を追った土圧履歴を示している．これは掘削前の土圧から 4 サイクル完了後までを連続的にプロットしたものになっている．いずれの領域，いずれのプロット箇所においても作用土圧はせん断変形を与える方向の変化に伴って増減を繰り返しており，特にスプリングラインおよびインバートの領域においてその増減の様子は顕著にみられることがわかる。サイクルを追うごとに作用土圧は増加している様子が読み取ることができるが、1 サイクル目と 2 サイクル目間の増加量が最も大きく、せん断を繰り返すごとに土圧は一定値に収束し、同一線上でループを描図 2 各サイクルの周面土圧くように増減を繰り返すことが分かる．これは地盤材料の力学特性として、せん断を繰り返すごとに剛性が 100 増加することによるものと考えられる． Right side Left side 80 4 まとめ 60 (1) 地盤に繰返し等せん断ひずみを与えると，トン f a e b 40 ネルに作用する土圧は，せん断を与える方向に d c 20 よって顕著に増減を繰り返す．これは載荷方向 0 の変化に伴い，アーチ効果が発達する方向が変 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Shear force at the top (N/cm) 化することによる．またせん断変形を繰り返し 120 120 Right side Right side Left side 与えることによりトンネルに作用する土圧は増 Left side 100 100 加するが、これは地盤材料の剛性が増加するた 80 80 めである。したがって設計の際には上記の点に 60 60 留意する必要がある．また双設トンネル掘削に 40 40 おいてはその掘削順序も設計の上で考慮すべき 20 20 項目となりうるため、種々の条件に応じた設計 0 0 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Shear force at the top (N/cm) Shear force at the top (N/cm) が肝要となる。 (2) 本稿では紙面の都合上記載していないが，弾塑図 3 土圧履歴 [3] 性構成式 subloading tij model に基づく数値解析 n(*98Pa) n(*98Pa) n(*98Pa) 3