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鉄道トンネルの変状対策工


鉄道トンネルの変状対策とその評価
2022.2.2
トンネルと地下 2021年5月Vol.52,No.5

「変状した山岳トンネルの補強工の評価とその設計法」
(公財)鉄道総合技術研究所構造物技術研究部トンネル研究室室長
 野城一栄
(公財)鉄道総合技術研究所構造物技術研究部トンネル研究室主任
研究員 嶋本敬介

1章 はじめに
 山岳トンネルは地質などの条件によっては供用後に地圧の作用に
より変形し、補強工を施工する場合がある。地圧の作用より変形し
たトンネルの補強工として裏込め注入工、ロックボルト工、内巻き
工、インバート工などがある。これまでに実施した模型実験、数値
解析、現地計測などの結果によると、これらの補強工により、トン
ネルの変形を抑制することが出来ると言えるが、その設計体系がま
だ確立されていないという課題がある。
 補強工の解析に関していえば、『変状トンネル対策工設計マニュ
アル』においては、変状の程度(内空変位速度)に応じて補強工を
組み合わせて使うことが示されているが、これにより、どの程度の
変位抑制効果があるかは示されていない。また、マニュアル上は数
値解析法も確立されたものは示されておらず、骨組解析により簡易
的に補強効果を定量的に相対比較するまでにとどまっていた。
 本稿では、補強工の設計体系を確立することを目的とし、補強工
の効果に関する計測事例を踏まえて、数値解析により各補強工の効
果を評価し、覆工補強の考え方と、覆工補強効果の簡易な予想法を
提案したので(※)、その概要を報告する。
(※)野城・嶋本・大原・水谷:供用後の変状山岳トンネルの補強
工の効果の評価と簡易な設計法に関する研究,土木学会論文集F1
(トンネル工学),Vol.77,No.1,pp.1-16,2021.

2章 補強工の効果に関する計測事例
 文献調査により収集した10トンネル13か所について、補強工の種
類・仕様、年間変位速度の変化を整理した。盤ぶくれのみの事例を
除外し、補強後の変位速度(mm/年)を補強前の変位速度で除した
値を「変位速度比」と定義し、補強工の変位抑制効果を図に整理し
た。この結果、補強工を組み合わせて施工した事例では変位速度比
が30%以下と効果が比較的大きい。
 一方で、単独で施工した事例のうち、裏込め注入工とセントルは
変位速度比が60%以上で効果が小さくなっている。裏込め注入工は
計測結果によると変形抑制効果は明確でない。ロックボルト工はほ
かの補強工と組み合わせて施工される事例が多いが、単独であって
も20〜40%程度の変位速度比となり、単独でも効果が比較的現れて
いる。

3章 数値解析による各種補強工の効果の評価
解析には、3次元有限差分コードFLAC3Dを用いた。トンネルの変形
はモール円における地山劣化法を用いて表現した。解析領域は水平
方向20m(半断面)、鉛直方向40mとし、トンネル延長方向に1m
のみをモデル化した。境界条件はすべてりローラー支持とし、土被
り100m相当(側圧係数1.0)の初期応力状態を表現した。トンネル
断面は鉄道トンネルを対象とし、新幹線トンネル(R1=4.8m)、単線
トンネル(R1=2.38m)の2断面とした。
補強工の効果に与える影響は次式で定義される変位速度比RDにより
評価した。変位速度比RDが小さいほど補強効果が大きいことを意味
する。
 RD=DBn/DAn
 ここで、
 DAn:補強工なしの変位量(解析ステップnまで)
 DBn:補強工有りの変位量(解析ステップnまで)
[補強工なしの変位量を1としたとき、補強工有りの変位量の比率
で1以下]
 今回の解析結果によると、変形抑制を目的とするのであれば、一
般にロックボルト工が適しており、ロックボルト工だけでは対応で
きない場合に、裏込め注入工と併用しつつ内巻き工やインバート付
加を適用するのが良いことがわかる。
 裏込め注入工は圧ざ防止や天端の緩み拡大の防止工として基本的
な対策であるが、単独では内空変位速度低減効果が限定的である。
 ロックボルト工は単独でも内空変位速度の低減効果があり、本数
を増加すると効果も増大する。
 内巻工はある程度の巻き厚(10cm以上)があって変形抑制効果が
期待できるが、単独での効果は小さい。しかし、裏込め注入工と組
み合わせて用いると効果が顕在化することから、変形が大きく、大
きな変位抑制効果が必要な場合に、裏込め注入工やロックボルト工
と併用して用いることが基本となる。

4章 覆工補強効果の予測法の提案
 はじめに、補強工の設計に必要な構造条件(支保構造・材質,巻
き厚不足などの欠陥,背面空洞)、地山条件(岩種・岩質,一軸圧
縮強度2MPaと8MPaも2種,変形モード4種,変状程度)、補強条件
(裏込め注入,ロックボルト,内巻き厚)のパラメータを簡素化し
て設定し、3章と同様な解析を行い、変位速度比RDのデータベース
を構築した。
 現場での適用には、このデータを元に、自動計算プログラムを作
成し、パラメータの選定により、対策後の予測内空変位速度(mm/
年)と変位抑制効果(%)を表示できるようにした。

5章 結論
1)裏込め注入工は、単独では変形抑制効果が限定的である。
2)ロックボルトは、単独でも内空変位速度の低減効果があり、本
数を増加すると効果も増加する。
3)内巻き工は、ある程度の巻き厚(10〜15cm)があって変形抑制
効果が期待できるが、単独での効果は小さい。しかし、裏込め注入
工と組み合わせて用いると効果が顕在化することから、変形が大き
く、大きな変形抑制効果が必要な場合に、裏込め注入工やロックボ
ルト工と併用して用いるのが良い。
4)実務で想定される条件を設定して、補強工の効果を予測する解
析を行い、その結果に基づき、内挿を利用して補強工の効果を予測
する自動計算プログラム手法を提案した。また、実際の変状トンネ
ルの検証解析を行い、その妥当性を確認した。


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