岡崎麻里

シールドトンネル用セグメントの設計方法に関する研究

杉本光隆


　地盤中にトンネルを掘削すると、地盤の応力状態が変化し、新しい応力状態となる。この応力状態の変化を応力再配分という。応力再配分はトンネル掘削前の地盤の応力状態、地盤の工学的性質、トンネル構造に左右される。また、トンネル覆工に作用する荷重は、一般の地上構造物に作用する荷重と異なり、地盤の特性だけでなく構造物の剛性、施工時期、構造物と地盤の接触状態などによって変化し、非常に複雑となる。よって、トンネル覆工設計においては地盤と覆工の相互作用の評価が重要となる。

　従来のシールドトンネルの覆工設計において、荷重の作用により覆工が変形して発生する地盤反力は、覆工がリング外側へ変位して地盤が受働側となる場合に生じ、地盤が主働側となる場合には生じないとしているため、覆工全周にわたる応力再配分を評価できない。また、従来の設計では軟弱地盤条件を想定しており、地盤が良好な大深度地下条件においては、新たな対応が求められる。さらに、覆工の剛性についても、軟弱地盤条件と硬質地盤条件との考え方に違いがある。

　本研究では、以上のシールドトンネル覆工設計の現状を踏まえ、トンネル周辺地盤による作用荷重の分担および覆工の変形に伴う作用荷重の変化を統一的に表現できる解析モデルを提案し、同モデルを用いて、大深度地下シールドトンネルの覆工設計について検討を行った。

　本解析モデルで用いる、地盤反力を評価するための地盤ばねは、土圧係数を変化させることにより各種地盤条件での地盤と覆工の相互の挙動を表現することができる。まず、地盤ばね特性に関する感度分析を行い、その影響を確認した。また、初期荷重を覆工本体に直接作用させるのではなく、地盤ばねの初期応力として与えることで評価しており、その妥当性を確認した。さらに、初期土圧を全土被り土圧とし、Terzaghiの緩み土圧に相当する初期変位を強制変位として地盤ばねに与えることで、覆工変形後に作用する土圧を低減し、周辺地盤による作用荷重の分担を評価できることを確認した。

　大深度地下シールドトンネルでは、覆工作用荷重は裏込注入圧の大きさに大きく影響されるため、本解析モデルが裏込注入率による影響を評価できることを確認した。また、覆工剛性と継手剛性の関係を評価し、大深度地下シールドトンネルでの覆工設計の考え方を示した。

　以上より、本研究で提案した解析モデルは、従来の設計モデル包含し、地盤と覆工の相互作用をより合理的に正確に表現できることを示した。また、大深度地下シールドトンネルにおいても、提案する解析モデルが合理的な設計方法であることを確認した。