JP2007309008A - Method of analyzing state change of tunnel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネルの覆工構造体に発生する内空変位等の変状を解析する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for analyzing deformations such as internal displacement generated in a tunnel lining structure.
我が国では、道路及び鉄道を含めてトンネルの総数が10000カ所以上存在し、その総延長距離も4000kmを越える状況にある。しかも、現在供用されているトンネルの中には戦前に建設されたものも多く存在しており、その維持管理は重要な課題となっている。とりわけ、トンネルの補強対策は、覆工構造体の耐力向上やトンネル周辺部地山の安定化を図る上できわめて重要である。 In Japan, the total number of tunnels including roads and railroads is 10,000 or more, and the total extension distance exceeds 4000 km. Moreover, many of the tunnels currently in use were constructed before the war, and their maintenance is an important issue. In particular, tunnel reinforcement measures are extremely important for improving the proof strength of the lining structure and stabilizing the ground around the tunnel.
トンネルの補強対策を検討する場合には、有限要素法や有限差分法の要素モデルを用いて地山と覆工構造体の両方を表現し、地山の長期的な変形と覆工構造体との相互作用からトンネル全体の安全性を検討する方法がある。この場合、トンネル周辺地山の経時的な変形挙動の取り扱いには、クリープモデル、粘弾塑性モデル、地山劣化モデル等の解析モデルを適用するのが一般的である。 When considering tunnel reinforcement measures, the element model of the finite element method or the finite difference method is used to represent both the natural ground and the lining structure. There is a method to examine the safety of the whole tunnel from the interaction. In this case, an analysis model such as a creep model, a viscoelastic-plastic model, and a ground degradation model is generally applied to handle the temporal deformation behavior of the ground surrounding the tunnel.
しかしながら、実際のトンネルの維持管理に関わる補強検討においては、トンネル周辺地山の経時的な変形挙動をクリープモデルや粘弾塑性モデルを用いて検討された事例がほとんどない。この理由には、クリープモデルや粘弾塑性モデルを用いて解析を行う場合、トンネルの設計段階から現状に至るまでの数多くの情報が必要になることが挙げられる。例えば、解析に必要となる情報の開示が制限されている場合、あるいは戦前に建設されたもの等、建設から長期間経過して必要となる情報が現存しない場合には、いずれも解析を行うことが困難となる。 However, in the reinforcement study related to actual maintenance of tunnels, there are almost no cases where the temporal deformation behavior of the ground surrounding the tunnel was examined using a creep model or viscoelastic-plastic model. The reason for this is that when analysis is performed using a creep model or viscoelastic-plastic model, a large amount of information from the tunnel design stage to the present state is required. For example, if disclosure of information required for analysis is restricted, or information required for a long time since construction, such as that built before the war, does not exist, analyze all It becomes difficult.
一方、地山劣化モデルでは、強度定数が時間経過とともに低下するという想定で地山の経時変化を表現することが可能であり、覆工構造体の耐力向上やトンネル周辺部地山の安定化を図るための検討を行うことができる。 On the other hand, in the natural degradation model, it is possible to express the temporal change of natural ground on the assumption that the strength constant decreases over time, improving the proof strength of the lining structure and stabilizing the natural ground around the tunnel. Consideration can be made for planning.
しかしながら、地山劣化モデルにあっては、地山の応力が残留強度となった時点、例えば建設後20年程度の時間が経過すると変形挙動が収束することになり、その後の変状挙動を検討することができない。実際には20年を経過した後にも地山の劣化は依然として進行しており、その変状挙動は必須の検討事項である。 However, in the natural degradation model, the deformation behavior converges when the stress of the natural ground reaches the residual strength, for example, about 20 years after construction, and the subsequent deformation behavior is examined. Can not do it. In fact, even after 20 years have passed, the degradation of natural ground is still progressing, and its deformation behavior is an essential consideration.
また、地山劣化モデルを用いて解析を行う場合には、比較的大きな初期地圧が必要となる。このため、例えば解析対象となるトンネルにおいて土被りが小さい場合等、十分な初期地圧が得られない場合には、地山劣化に伴うトンネルの変位量も小さいものとなり、変状現象を十分に表現できない虞れがある。換言すれば、地山劣化モデルを適用する場合には、トンネルの建設状態として土被りが十分に確保され、地山劣化に伴うトンネルの変位量が十分に大きくなることが条件となり、その適用範囲が著しく制限されることになる。 Moreover, when analyzing using a natural ground degradation model, a comparatively big initial ground pressure is needed. For this reason, when sufficient initial ground pressure cannot be obtained, for example, when the earth cover is small in the tunnel to be analyzed, the amount of displacement of the tunnel due to natural ground degradation will be small, and the deformation phenomenon will be sufficient. There is a possibility that it cannot be expressed. In other words, when applying the natural ground degradation model, it is a condition that the covering of the tunnel is sufficiently secured as the tunnel construction state, and the displacement of the tunnel due to natural ground degradation is sufficiently large. Will be severely limited.
本発明は、上記実情に鑑みて、適用範囲に大きな制限がなく、かつ長期間に亘ってトンネルの変状解析を行うことのできる方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method capable of performing a deformation analysis of a tunnel over a long period of time without a large limitation in the application range.
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係るトンネルの変状解析方法は、コンクリート製の覆工構造体を備えたトンネルの変状を解析する方法であって、覆工構造体及び周辺地山を要素モデル化する工程と、地山要素モデルに対する覆工構造体要素モデルからのイオン化物の拡散分布を算出する工程と、覆工構造体のセメント成分からイオン化物が地山に溶出した場合の化学的劣化度を損傷パラメータとして演算し、これを地山要素モデルに設定する工程と、覆工構造体要素モデルからのイオン化物の拡散に伴う地山要素モデルの劣化を前記損傷パラメータに従ってシミュレートする工程と、地山要素モデルの劣化に伴う覆工構造体要素モデルの変位を算出する工程とを含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a tunnel deformation analysis method according to
また、本発明の請求項2に係るトンネルの変状解析方法は、上述した請求項1において、前記損傷パラメータは、覆工構造体からのカルシウムイオンの溶出に伴って地山中の粘土鉱物に発生する化学的劣化の割合として設定することを特徴とする。
The tunnel deformation analysis method according to
また、本発明の請求項3に係るトンネルの変状解析方法は、上述した請求項1において、前記損傷パラメータに従った変形特性の変化及び強度特性の変化を地山要素モデルの劣化としてシミュレートし、当該地山要素モデルの劣化に起因した塑性圧を覆工構造体要素モデルに作用させてその変位を算出することを特徴とする。
A tunnel deformation analysis method according to
本発明によれば、覆工構造体のセメント成分からイオン化物が溶出したことによる地山の化学的劣化度を損傷パラメータとして地山要素モデルの構造劣化をシミュレートし、この地山要素モデルの劣化に伴う覆工構造体要素モデルの変位を算出するようにしているため、土被りが十分に大きくなければならない等、適用範囲としてトンネルの力学的な建設条件に左右されることがない。しかも、覆工構造体が存在する以上、そのコンクリートのセメント成分から継続的に地山に対してイオン化物が溶出することになり、長期間に亘ってトンネルの変状解析を行うことができるようになる。 According to the present invention, the structural degradation of the ground element model is simulated using the degree of chemical degradation of the natural ground due to the elution of ionized substances from the cement component of the lining structure as a damage parameter. Since the displacement of the lining structure element model accompanying deterioration is calculated, the applicable range does not depend on the dynamic construction conditions of the tunnel, for example, the earth covering must be sufficiently large. Moreover, as long as the lining structure is present, the ionized material is eluted from the cement component of the concrete continuously into the ground, so that the deformation analysis of the tunnel can be performed over a long period of time. become.
以下に添付図面を参照して、本発明に係るトンネルの変状解析方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a tunnel deformation analysis method according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、初期地圧の小さな条件下においてもトンネルの変状挙動を長期的に解析するには、その変状要因の経時的な影響を考慮して解析モデルを構築する必要がある。但し、上述したように変形挙動に直接影響を及ぼす応力や圧力といった力学的条件を変状要因とした場合には、種々の制限が存在する。そこで本発明者は、発想を大きく転換し、トンネルのコンクリート製覆工構造体(以下、単に「覆工コンクリート」と称する)からの地山に対する化学的な劣化度という間接的要因に着目し、この地山の化学的な劣化がトンネルに長期的な変状を来す要因であると想定した。具体的に説明すると、覆工コンクリートのセメント成分からはイオン化物が地山の地下水中に溶出しており、この溶出したイオン化物による地山の劣化に伴って地山の経時的なトンネル内への押し出し挙動が生じると想定して本発明を創作するに至った。 First, in order to analyze the deformation behavior of a tunnel over a long period of time even under conditions of small initial ground pressure, it is necessary to construct an analysis model in consideration of the influence of the deformation factors over time. However, as described above, there are various limitations when mechanical conditions such as stress and pressure that directly affect the deformation behavior are used as the deformation factors. Therefore, the present inventor has greatly changed the idea, paying attention to the indirect factor of the chemical degradation degree to the natural ground from the concrete lining structure of the tunnel (hereinafter simply referred to as “lining concrete”), It was assumed that the chemical degradation of the natural ground was a factor causing long-term deformation in the tunnel. More specifically, ionized substances are eluted from the cement component of the lining concrete into the groundwater of the natural ground, and as the ground ion deteriorates due to the eluted ionized material, it enters the tunnel over time. The present invention has been created on the assumption that the extruding behavior occurs.
覆工コンクリートの間隙中には、セメント成分に含まれる水和物から溶解したカルシウムイオン(Ca2+)及び水酸化イオン(OH-)が一定の濃度で共存している。この覆工コンクリートの間隙中に存在するカルシウムイオンの濃度が周辺地山の地下水より高い場合には、濃度拡散が生じてカルシウムイオンが周辺地山へ拡散する。一方、覆工コンクリートにおいては、カルシウムイオンの濃度と水酸化イオンの濃度とが一定に保たれるようにセメント成分の水酸化カルシウム(Ca(OH)2)やカルシウムシリケート水和物(C-S-H)からカルシウムイオン及び水酸化イオンの溶解が生じる。これにより、覆工コンクリートからは、周辺地山に対してイオン化物が定常的に供給されていると考えることができる。 In the gaps of the lining concrete, calcium ions (Ca 2+ ) and hydroxide ions (OH − ) dissolved from the hydrate contained in the cement component coexist at a certain concentration. When the concentration of calcium ions present in the gap between the lining concrete is higher than the groundwater in the surrounding natural ground, concentration diffusion occurs and calcium ions diffuse into the surrounding natural ground. On the other hand, in lining concrete, from calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) and calcium silicate hydrate (CSH) as cement components so that the concentration of calcium ions and the concentration of hydroxide ions are kept constant. Dissolution of calcium ions and hydroxide ions occurs. Thereby, it can be considered that the ionized material is constantly supplied from the lining concrete to the surrounding natural ground.
覆工コンクリートから溶出するイオン化物の中で地山の劣化に対してもっとも影響を与えるのは、以下に示す理由により、カルシウムイオンであると想定することができる。 It can be assumed that, among the ionized materials eluted from the lining concrete, calcium ions have the most influence on the deterioration of natural ground for the following reasons.
(1)地下水と地山の粘土鉱物との間のイオン交換反応による地山の膨潤圧減少
地下水に溶出したカルシウムイオンと、地山の粘土鉱物であるNa-モンモリロナイトとの間において以下に示すイオン交換反応が発生する。
Ca2++6[Na-モンモリロナイト]=[Ca-モンモリロナイト]+2Na+
(1) Decrease in swelling pressure of natural ground due to ion exchange reaction between groundwater and natural clay minerals The following ions are present between calcium ions eluted in groundwater and Na-montmorillonite, a natural mineral clay mineral. An exchange reaction occurs.
Ca 2+ +6 [Na-montmorillonite] = [Ca-montmorillonite] + 2Na +
この反応は数時間から数週間という比較的短時間に化学平衡状態に達する。このイオン交換反応による影響については、図1に示すように、ナトリウムイオンがカルシウムイオンに置換されることにより膨潤圧が低下することが分かる。すなわち、トンネルの建設前後において周辺地山が地下水面下にあり、地山中のNa-モンモリロナイトが十分に飽和しているとすれば、膨潤性を有していたと考えることができる。従って、これがカルシウムイオンに置換されれば膨潤圧が減少し、トンネル周辺地山の支持力が低下することになる。 This reaction reaches a chemical equilibrium state in a relatively short time of several hours to several weeks. About the influence by this ion exchange reaction, as shown in FIG. 1, it turns out that a swelling pressure falls because sodium ion is substituted by calcium ion. That is, if the surrounding natural ground is under the groundwater before and after the construction of the tunnel, and the Na-montmorillonite in the natural ground is sufficiently saturated, it can be considered that it had swelling properties. Therefore, if this is replaced with calcium ions, the swelling pressure is reduced, and the bearing capacity of the ground around the tunnel is reduced.
(2)粘土鉱物のイオン交換によるコンシステンシーの変化
粘土鉱物は含水量により変形の仕方や抵抗の度合い(コンシステンシー)が異なることが知られている。コンシステンシーは、液態、プラスチックな状態、半固態、固態の4つの段階に分け、その境界をそれぞれ液性限界、塑性限界、収縮限界と呼び、含水比で与えられる。これを用いた分類はAtterbergのコンシステンシー限界と呼ばれている。主要粘土鉱物のAtterberg限界試験結果を図2に示す。図2からも明らかなように、各粘土鉱物は地下水中のカルシウムイオンが粘土鉱物中のナトリウムイオンと交換することにより、液性限界や塑性限界の含水比が低下する傾向にあり、特にモンモリロナイトの液性限界の含水比が小さくなることが分かる。つまり、モンモリロナイトのナトリウムイオンがカルシウムイオンに置換された場合、液性限界が低くなり、例えばプラスチックな状態にあったものが液態となってその変形の仕方や抵抗の度合いが大きく変化することになる。
(2) Change in consistency due to ion exchange of clay minerals It is known that clay minerals differ in how they are deformed and the degree of resistance (consistency) depending on the water content. The consistency is divided into four stages of liquid state, plastic state, semi-solid state, and solid state, and the boundaries are called the liquid limit, plastic limit, and shrinkage limit, respectively, and given by the water content ratio. This classification is called Atterberg's consistency limit. Fig. 2 shows the Atterberg limit test results of major clay minerals. As is clear from FIG. 2, each clay mineral tends to decrease the water content ratio of the liquid limit and the plastic limit by exchanging calcium ions in the ground water with sodium ions in the clay mineral. It can be seen that the water content at the liquid limit is reduced. In other words, when sodium ions of montmorillonite are replaced with calcium ions, the liquid limit is lowered, for example, what is in a plastic state becomes a liquid state, and the manner of deformation and the degree of resistance greatly change. .
トンネル建設時に周辺地山の変形が静止状態であれば、このコンシステンシーの変化が及ぼす影響は小さいと考えられるが、地山が長期的に変形を生じる場合、変形の仕方や抵抗の度合いが変化することによる影響も無視できないと考えられる。 If the deformation of the surrounding natural ground is stationary at the time of tunnel construction, the effect of this change in consistency is considered to be small, but if the natural ground is deformed in the long term, the deformation method and the degree of resistance will change. It is thought that the effects of doing this cannot be ignored.
(3)地下水の高アルカリ化に伴う粘土鉱物の溶解
覆工コンクリートからのカルシウムイオンの溶出に伴ってトンネルの周辺地下水は高pH環境となる。このような環境下にあっては、以下に示すような粘土鉱物の加水分解・溶解が生じやすい。
3[Na-モンモリロナイト]+11/2H2O=3/2[カオリナイト]+4H2SiO4+2Na+
[カオリナイト]+5H2O=2Al(OH)3+2H2SiO4
(3) Dissolution of clay minerals due to high alkalinity of groundwater Groundwater around the tunnel becomes a high pH environment as calcium ions are eluted from the lining concrete. Under such circumstances, hydrolysis and dissolution of clay minerals as shown below are likely to occur.
3 [Na-montmorillonite] + 11 / 2H 2 O = 3/2 [kaolinite] + 4H 2 SiO 4 + 2Na +
[Kaolinite] + 5H 2 O = 2Al (OH) 3 + 2H 2 SiO 4
これらの溶解は、地山要素モデルのマトリックス(要素部分)を考慮した場合、マトリックスの容積減少に繋がり、マトリックス中の実質応力増大や強度(粘着力)低下を招来することが考えられる。 When considering the matrix (element part) of the natural element model, these dissolutions may lead to a decrease in the volume of the matrix, leading to an increase in substantial stress in the matrix and a decrease in strength (adhesive strength).
以上の考察を前提として、有限要素法等による解析を行う場合の地山要素モデルを以下のように定式化した。尚、以下においては、トンネル周辺地山には地下水が存在し、かつ地山が低透水性であるため大きな地下水流動が生じることがなく、その影響も小さいためカルシウムイオンが濃度拡散するものと仮定する。 Based on the above consideration, the ground element model for the analysis by the finite element method etc. was formulated as follows. In the following, it is assumed that groundwater exists in the ground around the tunnel, and since the ground is low in permeability, there will be no large groundwater flow, and the influence will be small, so that calcium ions will diffuse. To do.
トンネル周辺地山に対するカルシウムイオンの拡散により、地山に含まれるNa-モンモリロナイトがCa-モンモリロナイトに置換される等、上述の化学的変化が発生して地山が劣化したと仮定すると、その劣化の度合いである損傷パラメータは以下の式で表される。
Dp=Mc/M0
ここで、M0(mol/m3)はNa-モンモリロナイトの初期含有量である。Mc(mol/m3)は化学的変化後におけるNa-モンモリロナイトの含有量であり、計算の各ステップにおいて以下のように算出することとした。
Mc(i)=Mc(i-1)−n・DCa・Ac・dt
ここで、n,DCa,Ac,dtはそれぞれ地山の間隙率、カルシウムイオン濃度、イオン置換率、解析ステップ(i-1)から(i)の時間間隔である。
Assuming that the above-mentioned chemical change has occurred and that the natural ground has deteriorated, such as Na-montmorillonite contained in the natural ground being replaced by Ca-montmorillonite due to the diffusion of calcium ions to the natural ground surrounding the tunnel, The damage parameter, which is the degree, is expressed by the following formula.
Dp = Mc / M0
Here, M0 (mol / m 3 ) is the initial content of Na-montmorillonite. Mc (mol / m 3 ) is the content of Na-montmorillonite after chemical change, and was calculated as follows in each step of the calculation.
Mc (i) = Mc (i-1) -n, DCa, Ac, dt
Here, n, DCa, Ac and dt are the porosity of the natural ground, the calcium ion concentration, the ion substitution rate, and the time interval from the analysis steps (i-1) to (i), respectively.
この損傷パラメータを用いて地山要素モデルの変形特性及び強度特性を次式のように表すこととした。
G=G0・Fd
K=K0・Fd
Fd=1+(1−Rm)(Dp−1)
C=C0+(C0−Cres)(Dpa−1)
Φ=Φ0+(Φ0−Φres)(Dpb−1)
ここで、G,K,C,Φは損傷パラメータDpのときの地山のせん断弾性係数、体積弾性係数、せん断強度及び内部摩擦角である。添え字「0」は初期強度のとき、添え字「res」は残留強度のときを意味する。また、Rm,a,bは定数である。
Using the damage parameters, the deformation characteristics and strength characteristics of the natural ground element model are expressed as follows:
G = G0 ・ Fd
K = K0 ・ Fd
Fd = 1 + (1-Rm) (Dp-1)
C = C0 + (C0-Cres ) (Dp a -1)
Φ = Φ0 + (Φ0−Φres) (Dp b −1)
Here, G, K, C, and Φ are the shear elastic modulus, bulk elastic modulus, shear strength, and internal friction angle of the natural ground at the damage parameter Dp. The subscript “0” means the initial strength, and the subscript “res” means the residual strength. Rm, a, and b are constants.
図3は、本発明で適用する解析装置の構成を示したブロック図である。ここで例示する解析装置は、パーソナルコンピュータ等の数値演算装置にプログラムを読み込ませることによって具現化されるもので、要素モデル生成部10、拡散分布演算部11、パラメータ設定部12、劣化演算部13、変位演算部14を備えている。要素モデル生成部10は、キーボード等の入力手段20を通じて解析対象となるトンネルの覆工コンクリート及び周辺地山の諸元や物性、境界条件等のデータが与えられた場合にそれぞれを要素モデル化するものである。拡散分布演算部11は、入力手段20を通じて拡散係数が与えられた場合に、覆工コンクリートの要素モデル(以下、「覆工構造体要素モデル」と称する)からの地山要素モデルに対するカルシウムイオンの拡散濃度分布を演算するものである。パラメータ設定部12は、覆工コンクリートのセメント成分からカルシウムイオンが地山に溶出した場合の化学的劣化度を損傷パラメータとして演算し、これを地山要素モデルに設定するものである。劣化演算部13は、拡散分布演算部11が算出したカルシウムイオンの拡散濃度分布から、損傷パラメータに従って地山要素モデルにおける変形特性の変化及び強度特性の変化を算出するものである。変位演算部14は、劣化演算部13によって地山要素モデルにおける変形特性の変化及び強度特性の変化が算出された場合、当該地山要素モデルにおける変形特性の変化及び強度特性の変化に起因した塑性圧を覆工構造体要素モデルに作用させてその変位を演算するものである。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an analysis apparatus applied in the present invention. The analysis device exemplified here is realized by causing a numerical calculation device such as a personal computer to read a program, and an element
図4は、上述した解析装置が実施する処理の手順を示したフローチャートである。この解析装置では、要素モデル生成部10を通じて、覆工コンクリート及び周辺地山の要素モデル化を行い、建設時の初期状態を求める(ステップS100)。次いで、解析装置は拡散分布演算部11を通じて、覆工構造体要素モデルから地山要素モデルに対してカルシウムイオンの拡散濃度分布を演算する処理を行う(ステップS101)。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of processing performed by the above-described analyzing apparatus. In this analysis device, element modeling of the lining concrete and surrounding ground is performed through the element
次いで、解析装置は演算したカルシウムイオンの拡散濃度分布に基づき、パラメータ設定部12を通じて、覆工コンクリートのセメント成分からカルシウムイオンが地山に溶出した場合の化学的劣化度を損傷パラメータとして演算してこれを地山要素モデルの各マトリックス(要素部分)に設定し(ステップS102)、さらに劣化演算部13を通じて、覆工構造体要素モデルからのカルシウムイオンの拡散に伴う地山要素モデルの変形特性及び強度特性を個々の損傷パラメータに従ってシミュレートするとともにその変化を演算する(ステップS103)。
Next, based on the calculated diffusion concentration distribution of calcium ions, the analysis device calculates the degree of chemical deterioration when calcium ions are eluted from the cement component of the lining concrete as a damage parameter through the
最後に、変位演算部14を通じて、覆工構造体要素モデルに地山要素モデルの変形特性の変化及び強度特性の劣化に伴う塑性圧を作用させ、当該覆工構造体要素モデルの変位を算出する(ステップS104)。以降、経過年数が終了するまでステップS101からの処理を繰り返し実施することにより(ステップS105)、覆工構造体要素モデルの変位からトンネルの変状挙動を解析することができるようになる。尚、要素モデル生成部10で生成した要素モデル、拡散分布演算部11が演算したカルシウムイオンの拡散濃度分布状況、パラメータ設定部12が設定した損傷パラメータ、劣化演算部13が演算した変形特性の変化や強度特性の変化、変位演算部14が演算した覆工構造体要素モデルの変位状況は、ディスプレイやプリンタ等の出力手段30を通じて都度出力を行うことが可能である。
Finally, the
以下、上述した解析装置により、実際のトンネルを解析対象とした本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention in which an actual tunnel is analyzed by the above-described analyzing apparatus will be described.
・物性の設定
本実施例では、要素モデル生成部10に与える基本物性として、従来の検討(熊坂博夫,朝倉俊弘,小島芳之,松長剛:地山の時間依存性を考慮したトンネル変状解析手法の適用性に関する検討,第32回岩盤力学に関するシンポジウム,pp.34-40,2003)と同様にトンネルの梁−ばねモデルに用いられた条件(鉄道総合技術研究所:変状トンネル対策工設計マニュアル,p.215,1998)と、アイダンら(アイダン オメール,赤木知之,伊東孝,川本眺万:スクイーズィング地山におけるトンネルの変形挙動とその予測方法について,土木学会論文集,No.448/III,pp.73-82,1992)、蒋ら(蒋宇静,江崎哲郎,横田康行,禿英和:地山特性曲線に影響を及ぼす要因の定量的分析,第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.767-772,1994)の相関式から得られた物性値とを用いた。尚、ダイレイタンシー角については、降伏後の変形(体積増加)が過度とならないようにするためピーク強度の内部摩擦角の1/2とした。残留強度状態のCres,Φresから求まる一軸圧縮強度、せん断強度は上述したアイダンら、蒋らの相関値の1/2とした。解析に用いた地山及び覆工コンクリートの物性値を図5に示す。拡散分布演算部11に与える拡散係数としては、希薄水溶液中の電解質の拡散係数を参考として1.0×10-5(cm2/s)とした。
-Setting of physical properties In this example, as a basic physical property given to the element
・解析モデルと境界条件
本実施例では、トンネル周辺地山が長期的に劣化することで塑性圧が等方的に覆工コンクリートへ作用し、トンネル内部に押し出す現象を表現することに着目している。このため、要素モデル生成部10においては、対称条件を考慮して右半断面として覆工コンクリート及び地山をそれぞれ要素モデル化した。トンネルの諸元を図6に、解析領域と境界条件及び要素モデルの分割状況を図7に、覆工コンクリートの要素モデル化と境界条件について図8にそれぞれ示す。
・ Analysis model and boundary conditions In this example, we focus on expressing the phenomenon that plastic pressure acts isotropically on the lining concrete due to long-term deterioration of the surrounding rocks in the tunnel and pushes it into the tunnel. Yes. For this reason, in the element
尚、変状調査により、解析対象となるトンネルには、天端付近に位置する覆工コンクリートの背面に空洞が存在することが判明している。このため、梁−ばねモデルと同様の条件として上半部天端から円中心を半径として左右に30°の範囲で地山要素モデルの3要素分を空洞とした。 In addition, it has been clarified from the deformation investigation that the tunnel to be analyzed has a cavity on the back surface of the lining concrete located near the top end. For this reason, as a condition similar to the beam-spring model, three elements of the natural ground element model were hollowed in a range of 30 ° to the left and right with the circle center as the radius from the top of the upper half.
覆工コンクリートと地山との接触の要素モデル化については、本トンネルの施工が在来工法であるため、覆工コンクリートと地山とが一体でないとし、Coulomb則によるすべりとして取り扱った。また、覆工コンクリートは片持ち梁のような変形となるため、覆工コンクリートと地山との間が分離できるようにインターフェース要素を用いてモデル化した。 Regarding the element modeling of contact between lining concrete and natural ground, since the construction of this tunnel is a conventional construction method, it was assumed that the lining concrete and natural ground were not integrated and handled as a slip by Coulomb's law. In addition, since the lining concrete is deformed like a cantilever, it was modeled using interface elements so that the lining concrete and the natural ground can be separated.
覆工コンクリートは、図5に示した物性でMohr-Coulomb則による非線形な材料として要素モデル化し、また側壁中央部の内側には、引張強度を越える応力が発生することが考えられるため、クラックが開口することを考慮して覆工コンクリートの引張強度を持つインターフェース要素を用いてモデル化した。 The lining concrete is modeled as a non-linear material according to the Mohr-Coulomb law with the physical properties shown in FIG. 5, and stress exceeding the tensile strength is considered to be generated inside the central part of the side wall. Modeling using interface elements with tensile strength of lining concrete considering opening.
・解析手順
本実施例における拡散分布演算部11、劣化演算部13及び変位演算部14での解析は以下のとおりである。
(1)初期地圧解析
垂直方向応力は自重を考慮し、水平方向応力は側圧係数を1とする静水圧状態を仮定した。境界条件としては図7に示すように、上方、右側方境界から初期地圧相当の分布荷重を与えて各要素モデルの初期応力を設定した。
Analysis procedure The analysis in the diffusion
(1) Initial ground pressure analysis The vertical stress assumed a hydrostatic pressure state with a lateral pressure coefficient of 1 in consideration of its own weight. As the boundary condition, as shown in FIG. 7, the initial stress of each element model is set by applying a distributed load corresponding to the initial ground pressure from the upper and right boundary.
(2)掘削解析
トンネルの建設が在来工法による全断面掘削によって行われたことにより、100%応力解放の解析を実施した。
(2)
(3)建設後のトンネル変形解析
前ステップまでの変位をリセットし、覆工コンクリートの要素モデル部分を挿入する。覆工コンクリートからのカルシウムイオンの拡散を1年ごとに計算し、この拡散濃度分布から上述の損傷パラメータに従った地山の劣化を考慮して覆工構造体要素モデルの変形を予測する解析を実施した。
(3) Tunnel deformation analysis after construction Reset the displacement up to the previous step and insert the element model part of the lining concrete. Calculate the diffusion of calcium ions from the lining concrete every year, and analyze the prediction of deformation of the lining structure element model from this diffusion concentration distribution taking into account the deterioration of the ground according to the above damage parameters Carried out.
・予測解析結果及び考察
(1)カルシウムイオン濃度分布について
図9は、拡散分布演算部11において算出された30年後のトンネル周辺地山中のカルシウムイオン濃度分布を色の濃さで示したものであり、図10は、地山壁面からの距離とカルシウムイオン濃度分布との関係を示したものである。これらの図から明らかなように、覆工コンクリートから溶出したカルシウムイオンはトンネル近傍の2〜3mに分布し、経過年数とともにその濃度が高くなることが分かる。
-Prediction analysis result and consideration (1) About calcium ion concentration distribution FIG. 9 shows the calcium ion concentration distribution in the ground around the tunnel after 30 years calculated by the diffusion
(2)損傷パラメータの分布について
図11は、地山壁面からの距離と損傷パラメータの分布との関係を示したものである。図11に示すように、覆工コンクリートから溶出したカルシウムイオンによる地山の劣化領域はトンネル近傍の2〜3mに分布する。これは図10に示した地山壁面からの距離とカルシウムイオン濃度分布との関係と対応したものである。また、経過年数とともに領域の損傷パラメータが小さくなり、つまり劣化度が大きくなり、これが地山壁面に近いところで著しいことが分かる。
(2) Distribution of damage parameters FIG. 11 shows the relationship between the distance from the natural ground wall and the distribution of damage parameters. As shown in FIG. 11, the degraded area of the natural ground due to calcium ions eluted from the lining concrete is distributed in 2 to 3 m near the tunnel. This corresponds to the relationship between the distance from the ground wall shown in FIG. 10 and the calcium ion concentration distribution. Moreover, it turns out that the damage parameter of an area | region becomes small with the elapsed years, that is, a deterioration degree becomes large, and this is remarkable near a natural ground wall surface.
(3)水平方向内空変位について
図12は、図6に示した内空変位計測位置における経過年数と内空変位量との関係を示したもので、図13は、地山壁面からの距離と水平方向変位量との関係を示したものである。図12中の破線は、トンネルの各内空変位計測の平均的な初期変位速度6mm/年による経過変数と内空変位との関係を示したものである。一方、解析から得られた経過年数と内空変位量との関係は直線関係ではなく、当所は平均的な初期変位速度6mm/年と同程度であるが、10〜20年の間で変位速度が大きくなり、それ以降、再度、初期変位速度に戻るようなS字曲線となった。
(3) Horizontal direction internal air displacement FIG. 12 shows the relationship between the number of years elapsed and the amount of internal air displacement at the internal air displacement measurement position shown in FIG. 6, and FIG. And the amount of horizontal displacement. The broken line in FIG. 12 shows the relationship between the progress variable and the inner air displacement at an average initial displacement speed of 6 mm / year in each inner air displacement measurement of the tunnel. On the other hand, the relationship between the number of years elapsed from the analysis and the amount of displacement in the sky is not a linear relationship, and this place is similar to the average initial displacement speed of 6 mm / year, but the displacement speed is between 10 and 20 years. After that, the S-curve returned to the initial displacement speed again.
加えて、以前に検討した地山劣化モデルでは、長期の変位は約22年で収束していたが、本実施例では50年以上に亘り、変状に伴う変形が生じる結果となった。 In addition, in the ground degradation model studied previously, the long-term displacement converged in about 22 years, but in this example, the deformation caused by the deformation occurred over 50 years.
また、図13に示すように、地山中の水平方向変位は、図11の損傷パラメータの低下と対応してトンネル近傍の2〜3mにおいて顕著となり、その変位量はトンネル近傍ほど大きく、経過年数とともに増加する結果となった。 In addition, as shown in FIG. 13, horizontal displacement in the natural ground becomes noticeable at 2 to 3 m near the tunnel corresponding to the decrease of the damage parameter in FIG. Increased results.
以上説明したように、本実施例の解析によれば、土被りが十分に大きくなければならない等、適用範囲としてトンネルの力学的な建設条件に左右されることがなく、長期間に亘ってトンネルの変状解析の予測を行うことができるようになる。 As described above, according to the analysis of the present embodiment, the coverage is not influenced by the dynamic construction conditions of the tunnel, for example, the earth covering must be sufficiently large. It becomes possible to predict the deformation analysis.
尚、上述した実施例では、トンネルの覆工コンクリート及び周辺地山を要素モデル化する場合に、インターフェース要素を用いるようにしているが、必ずしもインターフェース要素を用いる必要はなく、覆工コンクリート及び周辺地山を単に要素モデル化して解析を実施しても構わない。また、解析を行う場合の物性や諸元はあくまでも例示のものであり、適用するトンネルに応じて適宜変更して良いのはいうまでもない。 In the above-described embodiment, when the tunnel lining concrete and surrounding ground are modeled, the interface element is used. However, the interface element is not necessarily used. The analysis may be performed by simply modeling the mountain as an element model. Further, the physical properties and specifications in the case of performing the analysis are merely examples, and it goes without saying that they may be changed as appropriate according to the tunnel to be applied.
10 要素モデル生成部
11 拡散分布演算部
12 パラメータ設定部
13 劣化演算部
14 変位演算部
17 基礎工学
20 入力手段
30 出力手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
覆工構造体及び周辺地山を要素モデル化する工程と、
地山要素モデルに対する覆工構造体要素モデルからのイオン化物の拡散分布を算出する工程と、
覆工構造体のセメント成分からイオン化物が地山に溶出した場合の化学的劣化度を損傷パラメータとして演算し、これを地山要素モデルに設定する工程と、
覆工構造体要素モデルからのイオン化物の拡散に伴う地山要素モデルの劣化を前記損傷パラメータに従ってシミュレートする工程と、
地山要素モデルの劣化に伴う覆工構造体要素モデルの変位を算出する工程と
を含むことを特徴とするトンネルの変状解析方法。 A method for analyzing deformation of a tunnel having a concrete lining structure,
A process of elemental modeling of the lining structure and surrounding ground,
Calculating a diffusion distribution of ionized substances from the lining structure element model for the natural mountain element model;
Calculating the degree of chemical degradation when ionized substances are eluted from the cement component of the lining structure into the natural ground as a damage parameter, and setting this as a natural ground element model;
Simulating the degradation of the ground element model due to the diffusion of ionized material from the lining structure element model according to the damage parameters;
And a step of calculating a displacement of the lining structure element model accompanying the deterioration of the ground element model.
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