久保田紘一

主働土圧を考慮できる地盤ばねによる大深度地下トンネルに作用する土水圧の検討

杉本光隆


本論文では、大深度地下シールドトンネルの覆工に作用する土水圧を、地山の自立性や、裏込め充填の影響を考慮できる新しいモデルで計算し、現場計測データと比較、検討を行う。従来のシールドトンネル解析モデルでは、作用土圧（全土被り圧または緩み土圧）が全て覆工に作用すると仮定している。しかし、大深度地下では、覆工に水圧相等の力しか作用していないケースが多くみられる。このことから、大深度では地山が自立しているため、土圧が覆工周辺の地山に分担されシールドトンネル覆工に土圧が作用しないという現象が起きていると考えられる。

　本解析モデルでは、地盤と覆工の相互作用を表現するモデルとして、非線形の地盤ばねを用いる。この地盤ばねで土圧係数と地盤変位の関係を表現する。ばね定数は地盤反力係数と土圧係数からなる双曲線関数からなる。この関数は地盤が受働側に変位すると土圧係数が大きくなり、逆に主働側に変位すると土圧係数は小さくなる。覆工と地山が完全に非接触になると土圧係数はゼロとなる。その結果、覆工に作用する土圧が低減される。また、大深度のような硬質な地山では裏込注入の影響が大きいことが報告されている。そこで本モデルでは、裏込め注入率とテールボイド幅から推測される空隙を表現するため、地盤ばねに強制変位を与えている。

　本研究は、従来のはり−ばねモデルから上記2点を改良したモデルで、大深度地下シールドトンネル覆工に作用する土水圧と、それにともなって発生する変位、曲げモーメント、軸力の評価を行った。解析の結果、以下の成果を得ることができ、本モデルの妥当性を確認した。
1)地盤ばねを評価するために用いる地盤反力係数を変化させることにより、大深度地盤条件による地盤と覆工の相互の挙動を表現し、その影響を確認した。
2)強制変位を地盤ばねに与えることにより、裏込注入の影響を表現することができた。
3)従来の設計モデルと比較し、本モデルを用いた場合、作用有効土圧、変位、曲げモーメント、軸力が小さくなることを確認した。
4)現場計測データと作用土水圧を比較することにより、本モデルの妥当性を確認した。