JP2008297870A - 地下施工管理システム及び地下施工管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実態に即した安全管理及び施工の合理化を実現する施工管理システムを提供する。
【解決手段】地下施工時の地盤状態の変化を予測して管理するために、地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力する入力手段と、地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力して、施工段階毎の地盤変化の予測解析を実行する予測解析手段と、施工段階毎に、地下施工現場の所定位置に設置された計測器の測定値を読み取る測定値読取手段と、測定値と、予測解析の結果得られる施工段階毎の解析値との間に差があるか否かを判定する判定手段と、判定手段により、測定値と解析値との間に差があると判定された場合に、測定値と解析値と差がなくなるように予測解析手段へ入力するデータを修正する入力データ修正手段とを備え、入力データ修正手段によって修正した入力データに基づき予測解析手段により次の施工段階の予測解析を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地下施工時の山留め、リバウンド及び沈下挙動の予測ならびに管理を行う地下施工管理システム及び地下施工管理方法に関する。

建築地下工事において、特に掘削深度や規模が大きい場合には、各種の計測を行い掘削時の安全性を確認しながら工事を進めることが必要である。地盤の不確定性等を考慮して、従来は予測に対してやや大きめの安全率を見込んだ計画・設計・施工が行われてきた。

しかし、近年は地下施工の合理化のため、より精度の高い予測・施工管理が求められている。先行技術として、例えば、計測を自動化し、リアルタイムに管理する方法（特許文献１）や計測データと危険値・管理基準値とを比較し、その大小に応じて警報を発し、次施工段階の予測を行うシステム（特許文献２）などが知られている。また、計測データと仮定値を基に繰返し拡張カルマンフィルタ処理を行って最適推定値を求め、それらを用いて山留め架構の変形、応力状態を予測する方法（特許文献３）なども知られている。
特開平０９−１７８５１７号公報 特開平１１−２８６９３６号公報 特開平０８−１５１６３３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された従来の方法にあっては、個々の山留め断面の挙動に特化した方法であり、掘削に伴うリバウンド・沈下現象や３次元空間的な工事全体の挙動を予測管理するものではなかったり、計測結果をフィードバックするものではないため、実態に即した安全管理及び施工の合理化を実現することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、実態に即した安全管理及び施工の合理化を実現することができる施工管理システム及び地下施工管理方法を提供することを目的とする。

本発明は、地下施工時の地盤状態の変化を予測して管理する地下施工管理システムであって、地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力する入力手段と、前記地盤条件データ、前記構造物モデルデータ及び前記施工段階データを入力して、施工段階毎の地盤変化の予測解析を実行する予測解析手段と、前記施工段階毎に、地下施工現場の所定位置に設置された計測器の測定値を読み取る測定値読取手段と、前記測定値と、前記予測解析の結果得られる前記施工段階毎の解析値との間に差があるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により、前記測定値と前記解析値との間に差があると判定された場合に、前記測定値と前記解析値と差がなくなるように前記予測解析手段へ入力するデータを修正する入力データ修正手段とを備え、前記入力データ修正手段によって修正した入力データに基づき前記予測解析手段により次の施工段階の予測解析を実行することを特徴とする。

本発明は、地下施工時の地盤状態の変化を予測して管理する地下施工管理方法であって、地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力する入力ステップと、前記地盤条件データ、前記構造物モデルデータ及び前記施工段階データを入力して、施工段階毎の地盤変化の予測解析を実行する予測解析ステップと、前記施工段階毎に、地下施工現場の所定位置に設置された計測器の測定値を読み取る測定値読取ステップと、前記測定値と、前記予測解析の結果得られる前記施工段階毎の解析値との間に差があるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップにより、前記測定値と前記解析値との間に差があると判定された場合に、前記測定値と前記解析値と差がなくなるように前記予測解析ステップへ入力するデータを修正する入力データ修正ステップとを有し、前記入力データ修正ステップによって修正した入力データに基づき前記予測解析ステップにより次の施工段階の予測解析を実行することを特徴とする。

本発明によれば、モデルを用いて想定される施工段階毎の予測解析を行うことにより、非線形性や応力・ひずみ依存性、異方性など、地盤の特性を適切に表現でき、掘削や構築を模した地盤要素の削除や構造要素の付加が可能な手法を用いることにより、地下施工時の山留め及びリバウンド・沈下挙動を適切に評価することが可能となる。また計測結果を施工段階毎にフィードバックすることにより、実現象に逐次対応した次施工段階の予測を精度良く行うことができるため、実態に即した安全管理及び施工の合理化が可能になるという効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態による地下施工管理システムを図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。本発明による地下施工管理システムは、地下工事における３次元的な山留め及びリバウンド・沈下挙動を予測し、計測データをフィードバックすることにより地下施工管理を行うものである。図１において、符号１は、システムの動作を制御するとともに、施工管理処理の演算を行う演算部である。符号２は、キーボードやマウスで構成する入力部である。符号３は、ディスプレイ装置等で構成する表示部である。符号４は、計算データ等の印刷を行う印刷部である。符号５、６は、施工現場の所定の位置に取り付けられた計測器であり、例えば、傾斜計、鉄筋計、土圧計、水圧計、ひずみ計、層別沈下計、間隙水圧計等である。ここでは、２つの計測器のみを図示したが、対象の施工現場における必要数の計測器が設置されることになる。符号７は、入力部２から入力された手動計測を行った結果のデータ及び計測器５、６の計測データを読み込むことにより、計測データを取得する計測データ取得部である。符号８は、計測データ取得部７が取得した計測データを記憶する計測データ記憶部である。符号９は、演算部１において計算された結果を記憶する計算データ記憶部である。

ここで、図３を参照して、計測器５、６について説明する。図３は、大規模掘削を伴う逆打ち工法を用いた超高層建築物の地下施工現場の平面図に計測器の配置位置の一例を示す図である。各計測器（傾斜計・鉄筋計・土圧計・水圧計・ひずみ計・層別沈下計・間隙水圧計等）は自動計測を行っており、計測データは計測データ取得部７を介して計測データ記憶部８に記憶されると共に表示部３に表示され、予め決められた管理値を超えた場合にはアラートを発するようになっている。

次に、図２を参照して、図１に示す地下施工管理システムの動作を説明する。まず、作業者は、入力部２から地盤条件、構造モデル及び施工段階のデータを入力する。これを受けて、演算部１は、入力データに基づいて、地盤条件の設定（ステップＳ１）、構造モデルの設定（ステップＳ２）及び施工段階の設定（ステップＳ３）を行う。続いて、演算部１は、設定情報に基づいて、地盤及び構造物の自重を静的に作用させた解析することにより、初期の応力解析を実行する（ステップＳ４）。図４に解析に用いる３次元数値解析モデルの例を示す。この初期応力解析は、例えば有限要素法などの解析手法によって求めることができる。ここで行う解析動作は、周知の解析方法を用いた解析であるため、詳細な解析動作の説明は省略する。そして、演算部１は、初期応力解析結果を表示部３または印刷部４に出力するとともに解析結果を計算データ記憶部９に記憶する（ステップＳ５）。

次に、演算部１は、施工段階毎の予測解析を実行する（ステップＳ６）。ここでは、施工段階（ステップ）毎に、地盤掘削に関しては地盤要素荷重を除去、構造物構築に関しては構造要素・荷重の付加を行い、実施工を模擬したステップ解析を行う。地盤物性は事前の地盤調査に基づき設定し、予測される条件に即した非線形の応力−ひずみ関係を用いる。そして、この予測解析結果を表示部３または印刷部４に出力するとともに解析結果を計算データ記憶部９に記憶する（ステップＳ７）。この予測解析結果は、施工段階の段階数と同数の予測結果が得られることになる。

次に、演算部１は、ステップＳ８からＳ１８の処理を施工段階の進行に応じて、施工段階数の数だけ繰り返し実行する。例えば、施工段階数がｋ（ｋは自然数）であれば、ｋ回繰り返し実行される。まず、演算部１は、計測データ記憶部８に記憶されている計測データを読み込む（ステップＳ９）。そして、測定値（計測器の出力または手動計測値）が、予め決められた管理値未満である否かを判定する（ステップＳ１０）。この判定の結果、測定値が管理値未満でなければ（測定値が管理値以上であれば）、演算部１は、表示部３にアラートを表示する（ステップＳ１１）。

次に、演算部１は、測定値と解析値とに有意な差があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定の結果、測定値と解析値（予測値）とに有意な差がある場合、演算部１は、この差に基づいて地盤定数、荷重の再設定を行い（ステップＳ１３）、現施工段階の再解析を実行する（ステップＳ１４）。そして、この再解析結果を表示部３または印刷部４に出力するとともに解析結果を計算データ記憶部９に記憶する（ステップＳ１５）。

次に、演算部１は、再び測定値と解析値とに有意な差があるか否かを判定し、処理を繰り返す。そして、測定値と解析値とに有意な差がなくなった時点で、演算部１は、現施工段階の再解析結果に基づいて、次の施工段階の予測解析を実行し（ステップＳ１６）、この予測解析結果を表示部３または印刷部４に出力するとともに解析結果を計算データ記憶部９に記憶する（ステップＳ１７）。

また、各施工段階が終了する毎に、計測値は予測解析値と比較され、有意な差がある場合には予測解析に用いたパラメータの修正を行って再解析を行うことにより、計測値と予測値の差を最小にする最適化、ないしはパラメータの固定を行う。最適化の方法としては、各種数理的手法、探索的手法、経験的手法、ポインタを用いた手法など適用可能である。図５に計測値に基づく地盤の応力−ひずみ曲線再設定の概念図を示す。繰返し収束計算を行うことにより計測値と実測値との差が最小になったところでパラメータを固定し、次施工段階以降の予測解析を再実施する。

この予測解析結果と次の施工段階における測定値とがステップＳ１０において比較されることになり、施工段階が進行するのに伴って、現在の状態が予測値に反映されることになり、予測値と計測値の誤差を小さくすることができるため、施工の管理を適切かつ確実に行うことが可能となる。前述したステップＳ９からＳ１７までの処理を施工段階数だけ繰り返し実行した時点で、処理が終了する（ステップＳ１８）。

次に、図６〜図８を参照して、前述した手順を図３、図４の例に関して施工段階毎に逐次実施して予測管理を行い、実測値と解析値を比較した結果を説明する。ここでは地盤の層毎のヤング係数、すなわち応力−ひずみ関係のみを探索的手法と経験的手法を組み合わせた方法により最適化（固定）し、他のパラメータについては固定するものとする。図６は傾斜計による山留め壁の水平変形、図７は層別沈下計による地盤の鉛直変位、図８はひずみ計及び鉄筋計による逆打ち構真柱及び杭の軸力を、それぞれ解析値と比較したものである。計測値と解析値はよく一致しており、本システムによる予測管理が有効であることがわかる。

このように、初期応力解析と同じモデルを用い、想定する施工段階毎の予測解析を行うことにより、非線形性や応力・ひずみ依存性、異方性など、地盤の特性を適切に表現でき、掘削や構築を模した地盤要素の削除や構造要素の付加が可能な手法を用いることにより、地下施工時の山留め及びリバウンド・沈下挙動を適切に評価することが可能となり、さらに計測結果を施工段階毎にフィードバックすることにより、実現象に逐次対応した次施工段階の予測を精度良く行うことができるため、実態に即した安全管理及び施工の合理化が可能となる。

なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより地下施工管理処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す装置の動作を示すフローチャートである。 計測器の配置位置の一例を示す平面図である。 解析に用いる３次元数値解析モデルの一例を示す説明図である。 計測値に基づく地盤の応力−ひずみ曲線再設定の概念図である。 本発明による手順を施工段階毎に逐次実施して予測管理を行い、実測値と解析値を比較した結果の一例を示す図である。 本発明による手順を施工段階毎に逐次実施して予測管理を行い、実測値と解析値を比較した結果の一例を示す図である。 本発明による手順を施工段階毎に逐次実施して予測管理を行い、実測値と解析値を比較した結果の一例を示す図である。

符号の説明

１・・・演算部、２・・・入力部、３・・・表示部、４・・・印刷部、５、６・・・計測器、７・・・計測データ取得部、８・・・計測データ記憶部、９・・・計算データ記憶部

Claims (2)

1. 地下施工時の地盤状態の変化を予測して管理する地下施工管理システムであって、
   地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力する入力手段と、
   前記地盤条件データ、前記構造物モデルデータ及び前記施工段階データを入力して、施工段階毎の地盤変化の予測解析を実行する予測解析手段と、
   前記施工段階毎に、地下施工現場の所定位置に設置された計測器の測定値を読み取る測定値読取手段と、
   前記測定値と、前記予測解析の結果得られる前記施工段階毎の解析値との間に差があるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により、前記測定値と前記解析値との間に差があると判定された場合に、前記測定値と前記解析値と差がなくなるように前記予測解析手段へ入力するデータを修正する入力データ修正手段とを備え、
   前記入力データ修正手段によって修正した入力データに基づき前記予測解析手段により次の施工段階の予測解析を実行することを特徴とする地下施工管理システム。
2. 地下施工時の地盤状態の変化を予測して管理する地下施工管理方法であって、
   地盤条件データ、構造物モデルデータ及び施工段階データを入力する入力ステップと、
   前記地盤条件データ、前記構造物モデルデータ及び前記施工段階データを入力して、施工段階毎の地盤変化の予測解析を実行する予測解析ステップと、
   前記施工段階毎に、地下施工現場の所定位置に設置された計測器の測定値を読み取る測定値読取ステップと、
   前記測定値と、前記予測解析の結果得られる前記施工段階毎の解析値との間に差があるか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップにより、前記測定値と前記解析値との間に差があると判定された場合に、前記測定値と前記解析値と差がなくなるように前記予測解析ステップへ入力するデータを修正する入力データ修正ステップとを有し、
   前記入力データ修正ステップによって修正した入力データに基づき前記予測解析ステップにより次の施工段階の予測解析を実行することを特徴とする地下施工管理方法。

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