JP2005002675A

JP2005002675A - 合成山留め壁の支保性能の評価手法

Info

Publication number: JP2005002675A
Application number: JP2003167666A
Authority: JP
Inventors: Shin Uchiyama; 伸内山
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP4196269B2

Abstract

【課題】既存建物の地下外壁の一部を利用する新規建物の地下部掘削工事における支保部材の合理化を図る。
【解決手段】既存建物の地下部を解体し、新規建物の地下部に位置する被圧帯水層を貫通して掘削する掘削工事の山留め壁として用いられる、前記既存建物の地下外壁及び／または山留め壁と、新規建物の新規山留め壁２２とを一体としてなる合成山留め壁１の支保性能の評価方法であって、掘削工事に先立ち、被圧帯水層２に設けられた揚水井３あるいは観測井４からの揚水にて所定の被圧水頭をΔＷだけ低下させ、そのときの新規山留め壁２２の壁体深度方向にわたる水平方向変位量を計測する。そして梁バネモデルによる山留め変形解析を用いて差分水圧Δｑと新規山留め壁２２の変位量とを既知として逆解析を行い、合成山留め壁１の等価剛性を求め、掘削における支保性能の評価を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は合成山留め壁の支保性能の評価手法に係り、特に既存建物の地下外壁の一部を新規建物の地下部の掘削工事における山留め壁と一体的に考慮し、新規建物の地下部掘削工事における支保部材の合理化を図るようにした合成山留め壁の支保性能の評価手法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既存建物の建物建替工事や地区再開発工事等では、一般に既存建物を解体した跡地に新規建物を構築するが、新規建物の地下部の構築にあたって、掘削工事の合理化（既存建物の解体作業量の低減、新規構築壁体の数量低減等によるコスト削減等を実現）を目的として、既存建物の地下外壁を新規建物の地下部の掘削工事の山留め壁の一部として再利用する提案がある（特許文献１参照）。また、既存建物と新規建物の位置関係によっては、地下外壁が既存建物の地下部解体の安全のためだけでなく、既存建物の地下部掘削工事で使った山留め壁も併せて残置されている場合が多い。すなわち、一例として図４に示したように、構築予定の新規建物２０では、地下部（２点鎖線）の深度が既存建物１０の地下部より深い場合等が多く、このような場合、既存建物１０の地下外壁１３の一部と山留め壁１２が、新規掘削のために造成される山留め壁２２や切梁２４等の支保工と一体とした合成山留め壁を構成する設計がなされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２２２４８号公報
【０００４】
ここで、図４に示した新規建物の地下工事の従来の施工手順について、図５各図を参照して簡単に説明する。まず、既存建物１０の地下スラブ１１の一部を解体して新規建物２０の地下部構築のための山留め壁２２を構築する（図５（ａ））。以下、地下外壁１３を残しながら、既存建物１０の地下スラブ１１を解体し、地下外壁１３が所定の自立高さになった位置で対向する地下外壁１３，１３間に切梁１４を架設する（同図（ｂ））。同様に切梁１４を盛り替えて地下外壁１３の支保を図りながら、下階のスラブ１１，１１…を順次解体撤去していく。最終的に既存建物１０の基礎スラブを掘削盤１５が露出するように撤去し（同図（ｃ））、既存建物１０の基礎レベルより深い新設地下部分の掘削を、所定段数の切梁２４を架設しながら行う（同図（ｄ））。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した新規建物２０の地下部の掘削を進める際、この掘削工事の仮設壁体を構成する部材は、図６（ａ）（＝図５（ｄ））の掘削状態を例にモデル化して示す図６（ｂ）のようになる。この部材は、地下部の掘削に際し、既存建物１０の山留め壁１２、地下外壁１３、新規建物２０の山留め壁２２、山留め壁間に挟まれる地盤５とが一体となった合成構造の山留め壁１として挙動する。ところが、従来はこの合成山留め壁１の支保性能を、適切に評価できなかった。そのため、従来の山留め設計では、新規山留め壁２２と切梁の支保工計算に旧山留め壁の支保効果は加味されず、また既存建物の地下外壁についても、形状に応じて構造耐力を算定し、外力との釣合い（転倒、滑動）から安定性を検討するに留まっていた。この結果、新規建物の地下部の掘削時における新規の山留め壁の水平方向変位は非常に小さく、新規の支保工（山留め壁、切梁）はいずれも過大な設計となっていた。
【０００６】
また、従来の梁バネモデルによる山留め弾塑性法解析において、合成山留め壁の変化する断面形状、材料定数を考慮して連続した梁要素ごとに異なる曲げ剛性（ＥＩ）を用いた計算を行うことも可能であるが、合成された各支保部材間の一体性が不明確であり、モデル化の精度に問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、実際の合成山留め壁へ作用する荷重による変形性状を用いて、既存建物の地下外壁、山留め壁（以下、旧山留め壁）と、新規建物の山留め壁（以下、新山留め壁）とを一体的な地下工事の支保部材として考慮して評価し、新規建物の山留め壁等の支保性能を定量的、かつ適正に設定できるようにした合成山留め壁の支保性能の評価手法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は既存建物の地下部を解体し、新規建物の地下部に位置する被圧帯水層を貫通して掘削する掘削工事の山留め壁として用いられる、前記既存建物の地下外壁及び／または山留め壁と、新規建物の新規山留め壁とを一体としてなる合成山留め壁の支保性能の評価方法であって、前記掘削工事に先立ち、前記被圧帯水層に設けられた井戸からの揚水にて所定の被圧水頭を低下させ、そのときの前記新規山留め壁の壁体深度方向にわたる水平方向変位量を計測し、前記差分水圧と前記新規山留め壁の変位量とを既知値として梁バネモデル山留め変形解析による逆解析を行って前記合成山留め壁の等価剛性を求め、前記新規建物の地下部掘削における支保性能の評価を行うようにしたを特徴とする。
【０００９】
前記井戸は、掘削側に設けられた揚水井であり、前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記既存建物の山留め壁背面側から掘削側に作用する等分布荷重とすることが好ましい。
【００１０】
前記井戸は、前記既存建物の山留め壁背面側に設けられた観測井であり、前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記掘削側から山留め壁背面側に作用する等分布荷重とすることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の合成山留め壁の支保性能の評価手法の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
本発明の評価方法は、上述した図４に代表されるような掘削工事において、新規建物２０の地下部分（以下、掘削側）の掘削開始前に、掘削敷地（山留め空間）の内外に設置された揚水井３あるいは観測井４等の井戸を用いて、周辺環境に影響を与えない程度に被圧帯水層２での被圧水頭を変動させ、その時の新規建物２０の山留め壁２２の水平方向変位を計測し、たとえば図６（ｂ）に示した合成山留め壁１を梁要素として地盤バネで支承する解析モデル（梁バネモデル）による山留め弾塑性法解析等の公知の解析手法を用いて作用外力の増減と、作用外力によって生じた変位の増減の関係から合成山留め壁１の等価剛性を求め、この等価剛性を有する合成山留め壁による部材設計を行うものである。
【００１２】
一般的に、図２に示したように、掘削工事位置での地下水位が高い場合や、掘削中間深度に砂質土層等の被圧帯水層２を有する場合、掘削側の地盤に揚水井３を設置することがある。また、中規模以上の山留め工事では、掘削敷地外に観測井４を設置し、掘削敷地外の周辺地域での地下水位低下による周辺環境への影響を監視することも行われている。そこで、本発明では、上述した合成山留め壁１の支保性能の評価を簡易に行うことを目的として、解析対象となる現場地盤条件に応じて合成山留め壁１の内外に設置されている井戸３，４を用い、その水位を制御することで壁体に作用する被圧水頭を変化させ、そのときの差分水圧によって生じる壁体変位を求めることとした。すなわち、本発明は、既存建物側の旧山留め壁、新規建物２０側の新山留め壁２２が、上下に不透水層が位置する砂質土層（被圧帯水層２）を貫通するように造成された現場地盤条件において適用されるものである。
【００１３】
以下、図１各図，図２を参照して本発明の合成山留め壁の支保性能の評価手法について２例の実施の態様によって説明する。
［第１の実施の形態］
図１（ａ）は、既存建物の基礎スラブが残置された状態において、新山留め壁２２で囲まれた掘削側の山留め空間の底部に揚水井３が立設された状態を示した断面図である。図中には被圧帯水層２において合成山留め壁１に作用する台形分布の土水圧の作用状態が模式的に示されている。図１においても図６（ｂ）に示した場合と同様に、既存建物の地下外壁と旧山留め壁と、新規建物の新山留め壁と山留め壁間に挟在する地盤の一部とが一体的に合成山留め壁１を構成している。この太実線で示した合成山留め壁１は、たとえば砂質土層等の被圧帯水層２を貫通するように施工されている。
【００１４】
この状態で、揚水井３の揚水ポンプＰを運転して掘削側の被圧帯水層２の被圧水頭を所定水位（Ｗ_０→Ｗ_１：ΔＷ）だけ下げる。これにより、当初壁内外でバランスしていた背面側土水圧（被圧帯水層の最下点での分布荷重値ｑ_ｏｕｔ）と掘削側土水圧（被圧帯水層の最下点での分布荷重値ｑ_ｉｎ）との間に、差分水圧としての等分布荷重Δｑが生じる。この被圧帯水層２の全層厚にわたって合成山留め壁の背面側から掘削側に作用する等分布荷重Δｑにより、新山留め壁２２は頂部が既存建物の基礎スラブに拘束された状態で、図１（ａ）（ＩＩ）に示したように壁体中間位置が掘削側に向けて変位する。この新山留め壁の水平方向変位の計測方法としては、公知の計測手法、たとえば壁体の深度（鉛直）方向に削孔したボーリング孔あるいは埋設されたパイプの変形、傾斜を水平方向変位に換算する方法で求めることができる。
【００１５】
次に、同図（ａ）（ＩＩＩ）に示したような合成山留め壁１の梁モデルを想定し、この合成山留め壁１に作用する中間荷重（Δｑ）によって生じた新山留め壁２２の水平方向変位（実測値）と合成山留め壁１の計算による変位とが等しいとして、梁バネモデルにおける逆解析計算を行い、実測値（破線）に対して計算値（実線）のフィッティングを行う。すなわち、逆解析計算では作用荷重（差分水圧）と山留め壁の水平方向変位（＝バネ要素としての地盤変形量）とが既知値とし、梁要素としての山留め壁の剛性を未知パラメータとした計算を行う。このとき掘削側底面以深の地盤は受働土圧を考慮する塑性域から地盤弾性バネを考慮する弾性域に遷移するように設定されている。
【００１６】
具体的な計算としては、対象となる山留め架構全体の剛性方程式において、実測により求めた変位後の壁体の計測点座標と既知荷重作用時の壁体の変位後の節点座標とが一致するとしてたてた非線形方程式を繰り返し計算を行って解く。これにより、剛性方程式中に仮定した未知の弾性定数パラメータが求められる。また、逆解析を簡易に行うためには、山留め弾塑性法解析モデルの計算における解析結果と実測値との対比を行い、いくつかの入力定数をトライアルにより入れ換えた計算を行い、適切な定数を設定するようにしてもよい。
【００１７】
これにより求められた合成山留め壁１の等価剛性ＥＩをもとに、新規建物２０の地下部掘削工事における支保工設計における山留め支保部材の支保性能を精度良く評価することができ、他の支保部材の最適設計を行うことができる。
【００１８】
［第２の実施の形態］
図１（ｂ）は、掘削側の山留め空間の底部の基礎スラブが撤去された状態において、合成山留め壁１の背面側に、地下水位変動を調査するための観測井４が立設された状態を示した模式断面図である。同図（ａ）と同様の条件で、太実線で示した合成山留め壁１が被圧帯水層２を遮断するように地盤中に存在している。このとき背面側の観測井４の揚水ポンプＰを運転して背面側の被圧帯水層２の地下水を所定水位（Ｗ_０→Ｗ_２：ΔＷ）をだけ下げる。これにより、当初内外でバランスしていた背面側土水圧（被圧帯水層の最下点での分布荷重値ｑ_ｏｕｔ）と掘削側土水圧（被圧帯水層の最下点での分布荷重値ｑ_ｉｎ）との間に、背面側の水頭低下分だけの等分布荷重Δｑが掘削側から背面側に向けて生じる。この被圧帯水層２において合成山留め壁１の掘削側から作用する等分布荷重Δｑの作用により、（ｂ）（ＩＩ）に示したように、新山留め壁２２は頂部が既存建物の基礎スラブに拘束された状態で壁体中間位置が背面側に向けて変位する。このとき、上述と同様に、実際の水平方向変位を計測によって求めておく。
【００１９】
次に、同図（ｂ）（ＩＩＩ）に示したような合成山留め壁１の梁要素を想定し、この合成山留め壁１に作用する中間荷重（Δｑ）による新山留め壁１の水平方向変位（実測値）と合成山留め壁の変位（計算値）とが等しいとして第１の実施の形態と同様の逆解析計算によるフィッティングを行う。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の山留め壁の性能評価方法について、上述の第１の実施の形態（図１（ａ））に示した現場地盤条件において具体的な地盤定数（図３（Ｉ）参照）を適用した実施例を示して説明する。揚水井の水位Ｗ_０を、揚水井に連結されたポンプを稼働させて３．０ｍ（ΔＷ）低下させる。そのときの新山留め壁の深度方向の各計測点における水平方向変位を計測する。次いで、合成山留め壁の変形応力解析を、山留め壁の梁要素を地盤バネで支承した梁バネモデルを用いて行う。図３（ＩＩ）は解析モデルを示している。この解析モデルは、所定の新山留め壁２２の材料諸元から求められた初期剛性ＥＩ_０を有する梁要素が、所定のバネ定数（Ｋ_ｓ１，Ｋ_ｓ２）を有する地盤バネで支持されており、梁の中間位置（掘削側被圧帯水層位置）に、水位低下に伴って生じた作用荷重（Δｑ）が作用している。逆解析計算では、この作用荷重（Δｑ）によって生じた新山留め壁の水平方向変形量と、地盤定数（粘着力Ｃ，横方向地盤反力係数Ｋｈ）とを既知定数、初期剛性ＥＩ_０を有する梁要素としてモデル化された合成山留め壁１の剛性を未知パラメータとし、設定初期剛性によって求められる新山留め壁２２の水平方向変位量と実測された変位量との誤差が設定された所定許容範囲内になるまで、剛性を変更して繰り返し計算を行う。
【００２１】
本実施例では、下表（表１）に示した各材料諸元の定数を用いて逆解析計算を行い、合成山留め壁の支保性能評価を行った。
【００２２】
［表１］

【００２３】
図３（ＩＩＩ）に示したように、逆解析計算によるフィッティングの結果、新山留め壁の実測された水平方向変位量に対して破線で示した計算値を得た。このときの新山留め壁の変位量を生じさせるための合成山留め壁の等価剛性としてＥＩ＝４．５０×１０^５ｋＮ・ｍ^２を得た。この等価剛性ＥＩは、新山留め壁、背面側、旧山留め壁、既存建物の地下外壁の一部、及び各部材によって拘束された地盤を考慮した、現実的な合成山留め壁の剛性であり、これにより合成山留め壁の支保性能を適正に評価することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に述べたように、既存建物の建替え工事などによる新規建物の地下部の掘削工事において、既存建物の地下外壁や山留め壁、及び新規建物の山留め壁等によって複合的に構成された合成山留め構造の支保性能を適切に評価することが可能となり、これにより新規掘削における適正でかつ合理的な山留め支保部材の設計が可能となり、支保部材の低減による工事コストダウンと工期短縮が実現するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による合成山留め壁の支保性能の評価手法の一実施の形態を模式的に示した部分断面図。
【図２】本発明を適用する現場の状態を模式的に示した部分断面図。
【図３】実施例の解析モデル、計算結果を示した説明図。
【図４】従来の合成山留め壁の一例を示した部分断面図。
【図５】図４に示した合成山留め壁の構築手順の一例を示した作業順序図。
【図６】図５（ｄ）に示した合成山留め壁のモデル化例を示した部分断面図。
【符号の説明】
１合成山留め壁
２被圧帯水層
３揚水井（井戸）
４観測井（井戸）
１０既存建物
１２既存建物の山留め壁（旧山留め壁）
１３既存建物の地下外壁
２０新規建物
２２新規建物の山留め壁（新山留め壁）

Claims

既存建物の地下部を解体し、新規建物の地下部に位置する被圧帯水層を貫通して掘削する掘削工事の山留め壁として用いられる、前記既存建物の地下外壁及び／または山留め壁と、新規建物の新規山留め壁とを一体としてなる合成山留め壁の支保性能の評価方法であって、
前記掘削工事に先立ち、前記被圧帯水層に設けられた井戸からの揚水にて所定の被圧水頭を低下させ、そのときの前記新規山留め壁の壁体深度方向にわたる水平方向変位量を計測し、前記差分水圧と前記新規山留め壁の変位量とを既知値として梁バネモデル山留め変形解析による逆解析を行って前記合成山留め壁の等価剛性を求め、前記新規建物の地下部掘削における支保性能の評価を行うようにしたを特徴とする合成山留め壁の支保性能の評価手法。
前記井戸は、掘削側に設けられた揚水井であり、前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記既存建物の山留め壁背面側から掘削側に作用する等分布荷重であることを特徴とする請求項１記載の合成山留め壁の支保性能の評価手法。
前記井戸は、前記既存建物の山留め壁背面側に設けられた観測井であり、前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記掘削側から山留め壁背面側に作用する等分布荷重であることを特徴とする請求項１記載の合成山留め壁の支保性能の評価手法。