| 鉄道トンネルの変状対策とその評価 |
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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。 |