JP2018123563A - Design method for reinforcement structure of existing structure, and reinforcement structure of existing structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design method for an existing structure capable of performing reinforcement treatment corresponding to the progress degree of the deterioration of the existing structure, and a reinforcement structure of the existing structure.SOLUTION: The design method for a reinforcement structure of an existing structure according to an embodiment comprises: an initial displacement calculation process to acquire a first displacement caused by a first load applied to the existing structure on the basis of a designed first curve showing the relationship between the load acting on the existing structure and the displacement; a post-deterioration load calculation process to acquire a second load for generating the first displacement on the basis of a second curve showing the relationship between the load acting on the existing structure under an assumed deterioration state and the displacement; and a reinforcement structure strength calculation process to calculate the strength of the reinforcement structure for reinforcing the existing structure on the basis of the difference between the first load and the second load.SELECTED DRAWING: Figure 30

Description

本発明は、既設構造物の劣化の進行度合いに応じて既設構造物を補強するための補強構造の設計方法、及び既設構造物の補強構造に関する。   The present invention relates to a reinforcing structure design method for reinforcing an existing structure in accordance with the degree of progress of deterioration of the existing structure, and a reinforcing structure of the existing structure.

既設のシールドトンネル等の構造物の中には、経年変化により劣化が進行し、将来的に強度が低下する虞が生じるものがある。非特許文献1には、既設のトンネル構造物の内側に補強用のセグメントを新設する方法が記載されている。   Among existing structures such as shield tunnels, there is a possibility that deterioration will progress due to secular change and that strength may be lowered in the future. Non-Patent Document 1 describes a method of newly providing a reinforcing segment inside an existing tunnel structure.

落合孝雄、円谷喜只、阪井田修、田中榮一、「電力洞道改修工事における新しい内巻き補強工法」、1999年、トンネルと地下、第30巻1号,pp.46−52Takao Ochiai, Yoshitsugu Tsuburaya, Osamu Sakaida, Junichi Tanaka, “New Inner Reinforcement Method for Electric Power Tunnel Improvement Work”, 1999, Tunnel and Underground, Vol. 30, No. 1, pp. 46-52 塩冶幸男、内藤幸弘、阿南健一、大塚正博、小泉淳「経年劣化したシールドトンネルの補強に関する研究」、2011年、土木学会論文集、F1(トンネル工学)67(2),pp.62−78Yukio Shioji, Yukihiro Naito, Kenichi Anan, Masahiro Otsuka, Satoshi Koizumi, “Research on Reinforcement of Shield Tunnel Aged” 2011, Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers, F1 (Tunnel Engineering) 67 (2), pp. 62-78

既設のシールドトンネル等の構造物は、建設された場所や時期の違いによって劣化の進行度合いが異なる。劣化が進行した構造物に対しては、劣化の進行度合いに応じた補強対策が行われることが望ましい。非特許文献1に記載された方法によると、既設のトンネル構造物の劣化の進行度合いにかかわらず補強用のセグメントを新設する。そのため、特許文献1に記載された方法では、既設のトンネル構造物の劣化の進行度合いが少ない場合には、少ない補強で足りる状態でも過剰な補強を施すこととなり、その結果コストが過大となってしまう虞がある。補強を適切に行うためには、既設の構造物の劣化の進行度合いを正確に把握して、劣化の進行度合いに応じた対策をする必要がある。
本発明は、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じて補強対策を行うことができる既設構造物の補強設計方法、及び既設構造物の補強構造を提供することを目的とする。
Existing structures such as shield tunnels have different degrees of deterioration depending on the location and timing of construction. It is desirable to take reinforcement measures according to the degree of progress of deterioration for structures that have progressed. According to the method described in Non-Patent Document 1, a reinforcing segment is newly installed regardless of the degree of progress of deterioration of an existing tunnel structure. Therefore, in the method described in Patent Document 1, when the degree of progress of deterioration of the existing tunnel structure is small, excessive reinforcement is applied even in a state where a small amount of reinforcement is sufficient, resulting in an excessive cost. There is a risk of it. In order to appropriately reinforce, it is necessary to accurately grasp the progress of deterioration of an existing structure and take measures according to the progress of deterioration.
An object of this invention is to provide the reinforcement design method of the existing structure which can perform a reinforcement measure according to the progress degree of deterioration of the existing structure, and the reinforcement structure of an existing structure.

本発明の実施形態に係る既設構造物の補強構造の設計方法は、
前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す設計上の第1曲線に基づいて、前記既設構造物に加わる第1荷重によって生じる第1変位量を求める初期変位量演算工程と、
想定される劣化状態にある前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、前記第1変位量を生じさせる第2荷重を求める劣化後荷重演算工程と、
前記第1荷重及び前記第2荷重との差に基づいて前記既設構造物を補強するための補強構造の強度を演算する補強構造強度演算工程と、を備える。
A method for designing a reinforcing structure of an existing structure according to an embodiment of the present invention is as follows.
An initial displacement amount calculating step for obtaining a first displacement amount generated by a first load applied to the existing structure based on a first design curve indicating a relationship between a load acting on the existing structure and a displacement amount;
A post-degradation load calculation step for obtaining a second load that causes the first displacement amount based on a second curve indicating a relationship between a load acting on the existing structure in an assumed deterioration state and a displacement amount;
A reinforcing structure strength calculating step of calculating the strength of the reinforcing structure for reinforcing the existing structure based on the difference between the first load and the second load.

本発明はこのような構成により、劣化状態にある前記既設構造物の状態を示す第2曲線から、劣化状態にある前記既設構造物に加わる仮想荷重となる第2荷重を求めて荷重履歴を参照することができ、補強構造の設計を合理的に行うことができる。   With this configuration, the present invention obtains a second load as a virtual load applied to the existing structure in the deteriorated state from the second curve indicating the state of the existing structure in the deteriorated state, and refers to the load history. The reinforcement structure can be rationally designed.

本発明は、更に、前記補強構造を設置した後、前記第1変位量における前記第2荷重を初期値として、補強後の前記既設構造物に作用する荷重と前記変位量との関係を示す第3曲線を求める補強後曲線演算工程と、
前記第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する将来変位量演算工程と、
を更に備えるよう構成してもよい。
The present invention further provides a relationship between a load acting on the existing structure after reinforcement and the displacement amount, with the second load at the first displacement amount as an initial value after the reinforcement structure is installed. A post-reinforcement curve calculation step for obtaining three curves;
A future displacement amount calculating step of calculating a future displacement amount with respect to an assumed future load based on the third curve;
May be further provided.

本発明はこのような構成により、補強後の外力に対する耐力を既設構造物と補強構造とで受け持つよう設計することができ、補強構造の設計を合理的に行うことができる。   With this configuration, the present invention can be designed so that the existing structure and the reinforcing structure bear the proof strength against the external force after reinforcement, and the reinforcing structure can be designed rationally.

本発明は、更に、前記将来の荷重及び前記将来の変位量に基づく荷重状態における前記既設構造物の本体及び前記補強構造に生じる応力をモデル化された前記既設構造物と前記補強構造とを用いた構造解析モデルに基づいて演算する応力演算工程と、
を更に備えるよう構成してもよい。
The present invention further uses the existing structure and the reinforcing structure in which stresses generated in the main body of the existing structure and the reinforcing structure in a load state based on the future load and the future displacement amount are modeled. A stress calculation process for calculating based on the structural analysis model
May be further provided.

本発明はこのような構成により、具体的な既設構造物の形状に合わせた応力を演算することができる。   With this configuration, the present invention can calculate a stress that matches the shape of a specific existing structure.

本発明は、更に、演算した前記応力に基づいて設計された前記補強構造の耐力を前記補強構造に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する判定工程と、を更に備えるよう構成してもよい。   The present invention further includes a determination step of determining a proof stress of the reinforcing structure designed based on the calculated stress based on a response value generated with respect to a dynamic load applied to the reinforcing structure. It may be configured.

本発明はこのような構成により、算出された補強構造の耐力を判定することで補強構造の安全性を評価することができる。   With this configuration, the present invention can evaluate the safety of the reinforcing structure by determining the calculated strength of the reinforcing structure.

本発明は、更に、前記劣化後荷重演算工程は、前記第2曲線を決定するために、
前記既設構造物を構成する複数の構造部材の残存量の分布を示す分布曲線を決定する分布曲線決定工程と、
前記分布曲線を経時的に変化させるパラメータを演算するパラメータ演算工程と、
所定の期間経過後に対応する前記パラメータで算出される前記分布曲線に基づいて統計的に将来の前記構造部材の前記残存量を推定する構造部材残存量推定工程と、を更に備えるよう構成してもよい。
In the present invention, the post-deterioration load calculating step may further determine the second curve.
A distribution curve determining step for determining a distribution curve indicating a distribution of residual amounts of a plurality of structural members constituting the existing structure;
A parameter calculation step for calculating a parameter for changing the distribution curve over time;
A structural member remaining amount estimating step that statistically estimates the remaining amount of the structural member in the future based on the distribution curve calculated with the corresponding parameter after a predetermined period of time. Good.

本発明はこのような構成により、経年変化により腐食する構造部材の残存量を推定することができ、将来的に劣化した状態の既設構造物の荷重状態を推定することができる。   With this configuration, the present invention can estimate the remaining amount of structural members that corrode due to secular change, and can estimate the load state of an existing structure that has deteriorated in the future.

本発明は、更に、上記の設計方法による設計工程と、
前記設計工程で設計された補強構造を構築する補強工程と、を備えて既設構造物の補強構造の構築方法を構成してもよい。
The present invention further includes a design process by the above design method,
A reinforcing step of building a reinforcing structure designed in the design step, and a method of building a reinforcing structure of an existing structure may be configured.

本発明はこのような構成により、現場の既設構造物に対して補強構造を構築するための構築方法を得ることができる。   With this configuration, the present invention can provide a construction method for constructing a reinforcing structure for an existing structure on site.

本発明の実施形態に係る既設構造物の補強構造は、管路構造物の内空壁の天端においてトンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される上方支持部と、
前記内空壁の下端において前記トンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される下方支持部と、
前記トンネル軸方向に沿って所定の間隔で配置されると共に、前記上方支持部と前記下方支持部とを連結する複数の支柱部と、を備える。
The reinforcing structure of the existing structure according to the embodiment of the present invention is continuously arranged along the tunnel axis direction at the top end of the inner empty wall of the pipe structure and along the circumferential direction of the inner empty wall. An upper support portion arranged in a
A lower support portion arranged continuously along the tunnel axis direction at the lower end of the inner empty wall, and arranged along the circumferential direction of the inner empty wall;
A plurality of support columns arranged at predetermined intervals along the tunnel axis direction and connecting the upper support and the lower support.

本発明はこのような構成により、既設構造物の補強構造を構築することができる。   With this configuration, the present invention can construct a reinforcing structure for an existing structure.

本発明に係る既設構造物の補強構造の設計方法、及び既設構造物の補強構造によると、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じた補強対策を行うことができる。   According to the design method of the reinforcement structure of the existing structure and the reinforcement structure of the existing structure according to the present invention, it is possible to take reinforcement measures according to the degree of progress of the deterioration of the existing structure.

実施形態に係るシールドトンネルの一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of shield tunnel which concerns on embodiment. シールドトンネルのセグメントの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the segment of a shield tunnel. 補強構造で補強されたシールドトンネルの状態を示す斜視断面図である。It is a perspective sectional view showing the state of the shield tunnel reinforced with the reinforcement structure. 既設のシールドトンネルのセグメントの主鉄筋の板厚の分布を示すヒストグラムである。It is a histogram which shows distribution of the thickness of the main reinforcement of the segment of the existing shield tunnel. 既設の他のシールドトンネルのセグメントの主鉄筋の板厚の分布を示すヒストグラムである。It is a histogram which shows distribution of the thickness of the main reinforcement of the segment of the other existing shield tunnel. 主鉄筋の腐食量の中央値、最頻値、及び確率密度関数のパラメータを示す図である。It is a figure which shows the parameter of the median value of the corrosion amount of a main reinforcement, the mode value, and a probability density function. 経時的に変化するパラメータで示される確率密度関数の分布の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of distribution of the probability density function shown with the parameter which changes with time. 変動荷重比と側方土圧係数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a variable load ratio and a side earth pressure coefficient. ひびわれ本数と変動荷重比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of cracks and a variable load ratio. 劣化が無いシールドトンネル及び将来のトンネルの荷重状態を示すグラフである。It is a graph which shows the load state of the shield tunnel with no deterioration, and a future tunnel. 一般的な設計方法で補強構造が負担する荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the load which a reinforcement structure bears with a general design method. 補強構造が負担すべき荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the load which a reinforcement structure should bear. 補強構造による補強の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of reinforcement by a reinforcement structure. 補強構造に加わる将来の荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the future load added to a reinforcement structure. 主鉄筋の過重負担割合を示すグラフである。It is a graph which shows the overload burden ratio of a main reinforcement. 補強構造の設計方法で用いる荷重履歴を示すグラフである。It is a graph which shows the load history used with the design method of a reinforcement structure. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which added the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which added the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which added the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which added the load to the structural analysis model for structural analysis. 劣化後のセグメントに生じる曲げモーメントMと曲率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the bending moment M which arises in the segment after degradation, and a curvature. 構造解析に用いた補強構造の諸元を示す図である。It is a figure which shows the specification of the reinforcement structure used for the structural analysis. 構造解析で得られた数値の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the numerical value obtained by the structural analysis. 構造解析で得られた結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the result obtained by the structural analysis. セグメントの照査限界値を示す図である。It is a figure which shows the verification limit value of a segment. 補強構造の照査限界値を示す図である。It is a figure which shows the verification limit value of a reinforcement structure. セグメントの照査値を示す図である。It is a figure which shows the verification value of a segment. 補強構造の照査値を示す図である。It is a figure which shows the verification value of a reinforcement structure. 補強構造の配置関係を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning relationship of a reinforcement structure. 補強構造の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of a reinforcement structure.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る既設構造物の補強設計方法について説明する。   Hereinafter, a reinforcement design method for an existing structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示されるように、補強対策の対象となる構造物は、例えば既設のシールドトンネル10である。シールドトンネル10は、複数の湾曲したセグメントGを有する。シールドトンネル10は、断面が円形のトンネルを掘削するシールドマシンが穿孔した孔に予め製造されたセグメントGを順次嵌め込んで連結することによって築造される。その際、複数のセグメントGが円環状に連結されたリングRが形成される。形成されたリングRが順次連続することによってトンネル壁が構築され、シールドトンネル10が完成する。   As shown in FIG. 1, the structure to be subjected to reinforcement measures is, for example, an existing shield tunnel 10. The shield tunnel 10 has a plurality of curved segments G. The shield tunnel 10 is constructed by sequentially fitting and connecting segments G manufactured in advance to holes drilled by a shield machine that excavates a tunnel having a circular cross section. At that time, a ring R in which a plurality of segments G are connected in an annular shape is formed. A tunnel wall is constructed by successively forming the formed rings R, and the shield tunnel 10 is completed.

図2に示されるように、セグメントGは、円形断面のトンネル壁の一部となるよう湾曲している。セグメントGは、鉄筋Sがコンクリートで被覆され補強された鉄筋コンクリート(Reinforced Concrete:RC)構造を有している。セグメントGの鉄筋Sは、セグメントGに加わる主荷重を受け持つ主鉄筋S1と荷重を分散する配力鉄筋S2とを有する。主鉄筋S1は、帯状の平鋼(フラットバー:Flat Bar(FB))である。主鉄筋S1は、引張鉄筋となる板状構造部材である。配力鉄筋S2は、例えば異形鉄筋等の鋼棒である。   As shown in FIG. 2, the segment G is curved so as to be a part of a tunnel wall having a circular cross section. The segment G has a reinforced concrete (RC) structure in which a reinforcing bar S is covered with concrete and reinforced. The reinforcing bar S of the segment G has a main reinforcing bar S1 responsible for the main load applied to the segment G and a distribution reinforcing bar S2 that distributes the load. The main reinforcing bar S1 is a strip-shaped flat bar (Flat Bar (FB)). The main reinforcing bar S1 is a plate-like structural member that becomes a tensile reinforcing bar. The distribution reinforcing bar S2 is a steel bar such as a deformed reinforcing bar.

主鉄筋S1は、厚さが数mm程度(例えば6mm)で、幅が数センチ程度の湾曲した帯状の板状体である。セグメントGは、例えば平行に配筋された一対の主鉄筋S1を2層有している。また、セグメントGは、一対の主鉄筋S1に直交して配筋された多数の配力鉄筋S2を有している。セグメントGは、複数の主鉄筋S1と、複数の配力鉄筋S2とからなる鉄筋Sをコンクリート部Cで被覆されることで生成される。即ちセグメントGは、主鉄筋S1がフラットバーのFBセグメントである。   The main reinforcing bar S1 is a curved belt-like plate having a thickness of about several mm (for example, 6 mm) and a width of about several centimeters. The segment G has, for example, two layers of a pair of main reinforcing bars S1 arranged in parallel. In addition, the segment G has a large number of reinforcing bars S2 that are arranged perpendicular to the pair of main reinforcing bars S1. The segment G is generated by covering a reinforcing bar S composed of a plurality of main reinforcing bars S1 and a plurality of distribution reinforcing bars S2 with a concrete part C. That is, the segment G is an FB segment in which the main rebar S1 is a flat bar.

主鉄筋が平鋼であるセグメントGが使用されたシールドトンネルは、建設から30年以上経過したものがある。セグメントGは、地中の環境において経年的に錆の発生等により劣化が進行して強度が不足し、補強対策が必要となる場合がある。例えばシールドトンネル10の中には、セグメントGの鉄筋Sに変形や腐食が発生している事例があり、将来的にシールドトンネル10の構造物全体の耐力が低下する虞がある。   Some shield tunnels that use segment G, whose main rebar is flat steel, have been built for more than 30 years. The segment G may deteriorate due to rust and the like over time in the underground environment, resulting in a lack of strength and requiring reinforcement measures. For example, in the shield tunnel 10, there is a case where deformation or corrosion has occurred in the reinforcing bar S of the segment G, and there is a possibility that the proof stress of the entire structure of the shield tunnel 10 may be reduced in the future.

ここで、セグメントGに対して一律の補強対策を行うと、過剰な補強となってコストが増加したり、セグメントGに対して設計で想定された方向とは異なる方向に力を与えたりする虞がある。そこで、既設のシールドトンネル10に対して想定されるセグメントGの将来の劣化の進行度合いに応じて合理的な補強対策を行う。具体的には、シールドトンネル10の内部に柱状の補強構造30を形成してシールドトンネル10を補強する。   Here, if uniform reinforcement measures are applied to the segment G, there is a risk of excessive reinforcement resulting in an increase in cost or a force applied to the segment G in a direction different from the direction assumed in the design. There is. Therefore, rational reinforcement measures are taken according to the degree of future deterioration of the segment G assumed for the existing shield tunnel 10. Specifically, the shield tunnel 10 is reinforced by forming a columnar reinforcing structure 30 inside the shield tunnel 10.

図3に示されるように、補強構造30は、既設の構造物であるシールドトンネル10を補強するためにシールドトンネル10の内部に複数連なって設置されるI型断面の柱状体を有する。補強構造30は、経年劣化によりセグメントGの主鉄筋S1に腐食が生じて耐力が低下したシールドトンネル10を補強する。補強構造30は、例えば鉄筋コンクリートで構築される。補強構造30は、シールドトンネル10の天板部11を支持する上方支持部32と、シールドトンネル10の下部に形成された歩床(インバート部12)上に形成された下方支持部33と、上方支持部32と下方支持部33とを連結する複数の支柱部31と、を有する。   As shown in FIG. 3, the reinforcing structure 30 has a columnar body having an I-shaped cross section that is installed in a plurality in series inside the shield tunnel 10 in order to reinforce the shield tunnel 10 that is an existing structure. The reinforcing structure 30 reinforces the shield tunnel 10 whose proof strength is reduced due to corrosion of the main reinforcing bar S1 of the segment G due to deterioration over time. The reinforcing structure 30 is constructed of, for example, reinforced concrete. The reinforcing structure 30 includes an upper support portion 32 that supports the top plate portion 11 of the shield tunnel 10, a lower support portion 33 that is formed on the floor (invert portion 12) formed at the lower portion of the shield tunnel 10, and an upper portion A plurality of support columns 31 connecting the support unit 32 and the lower support unit 33;

上方支持部32は、シールドトンネル10の内空壁の天端においてトンネル軸L方向に沿って連続して配置されると共に、内空壁の周方向に沿って配置される。下方支持部33は、シールドトンネル10の内空壁の下端においてトンネル軸L方向に沿って連続して配置されると共に、内空壁の周方向に沿って配置される。複数の支柱部31は、トンネル軸L方向に沿って上方支持部32と下方支持部33の間に所定の間隔で配置される。   The upper support portion 32 is continuously arranged along the tunnel axis L direction at the top end of the inner empty wall of the shield tunnel 10 and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall. The lower support part 33 is continuously arranged along the tunnel axis L direction at the lower end of the inner empty wall of the shield tunnel 10 and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall. The plurality of column portions 31 are arranged at a predetermined interval between the upper support portion 32 and the lower support portion 33 along the tunnel axis L direction.

補強構造30は、柱状体として形成されているため、シールドトンネル10内に既設のケーブル等の設備が設置されたままで構築可能となる。そして、補強構造30は、構築された後でも、作業者が入る空間を確保してシールドトンネル10内でケーブル等の維持管理を行える形状を有している。補強構造30は、I型断面の柱状体の他、例えばH型断面や円形断面等を用いてもよく、シールドトンネル10の天板部11を後述する原理に従って補強できればどのような形状のものを用いてもよい。   Since the reinforcing structure 30 is formed as a columnar body, the reinforcing structure 30 can be constructed with the existing equipment such as cables installed in the shield tunnel 10. The reinforcing structure 30 has a shape that can secure a space for an operator to enter and maintain cables and the like in the shield tunnel 10 even after being constructed. The reinforcing structure 30 may use, for example, an H-shaped cross section or a circular cross section in addition to a columnar body having an I-shaped cross section, and may have any shape as long as the top plate portion 11 of the shield tunnel 10 can be reinforced in accordance with the principle described later. It may be used.

補強構造30による補強対策は、劣化により生じたセグメントGの耐力の不足分を補強構造が負担する設計とする。セグメントGの劣化の進行度合いは、統計的データに基づいて評価される。セグメントGの劣化の進行度合いは、主に主鉄筋S1の厚さの残存量に比例する。   The reinforcing measure by the reinforcing structure 30 is designed such that the reinforcing structure bears the insufficient strength of the segment G caused by the deterioration. The degree of progress of degradation of segment G is evaluated based on statistical data. The degree of progress of deterioration of the segment G is mainly proportional to the remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1.

まず、主鉄筋S1の厚さの残存量を評価するために用いられる統計的手法について説明する。計測対象のシールドトンネル10が有するセグメントGのうち、主鉄筋S1に腐食が生じているセグメントGの数を計測する。図4及び図5には、異なる計測対象のシールドトンネル10の主鉄筋S1の厚さとその箇所数とが関連づけられた統計データが示されている。図示するように、統計データは、主鉄筋S1の厚さを0.25mm刻みで示したヒストグラム(柱状グラフ)である。まずこのヒストグラムに合致する関数を設定する。   First, a statistical method used for evaluating the remaining thickness of the main reinforcing bar S1 will be described. Among the segments G included in the shield tunnel 10 to be measured, the number of segments G in which the main reinforcing bar S1 is corroded is measured. FIG. 4 and FIG. 5 show statistical data in which the thickness of the main reinforcing bar S1 of the shield tunnel 10 to be measured is associated with the number of points. As shown in the figure, the statistical data is a histogram (column graph) showing the thickness of the main reinforcing bar S1 in increments of 0.25 mm. First, a function that matches this histogram is set.

図4及び図5に示されるように、主鉄筋S1の厚さ(残存量)に対して腐食が生じているセグメントGの数の分布は、主鉄筋S1の厚さの設計値(6mm)の値の近辺に集中している。腐食が生じている主鉄筋S1のそれぞれの厚さに対するセグメントGの数の分布は、主鉄筋S1の厚さの設計値を基準として腐食量に従って分布する確率密度関数で表されるものとする。この確率密度関数は、左右の分布形状が非対称の対数正規分布となる。この場合、対数正規分布を表す確率密度関数は、主鉄筋S1の腐食量(=設計値−残存量)の関数として例えば以下の式(1)のように定義される。

Figure 2018123563
ここで、
m,s:確率密度分布のパラメータ
x:腐食量(mm)
である。 As shown in FIGS. 4 and 5, the distribution of the number of segments G in which corrosion occurs with respect to the thickness (remaining amount) of the main reinforcing bar S1 is the design value (6 mm) of the thickness of the main reinforcing bar S1. Concentrated around the value. The distribution of the number of segments G with respect to the thickness of the main reinforcing bar S1 where corrosion has occurred is expressed by a probability density function distributed according to the amount of corrosion with the design value of the thickness of the main reinforcing bar S1 as a reference. This probability density function is a lognormal distribution in which the left and right distribution shapes are asymmetric. In this case, the probability density function representing the logarithmic normal distribution is defined as a function of the corrosion amount (= design value−residual amount) of the main reinforcing bar S1, for example, as in the following equation (1).
Figure 2018123563
here,
m, s: probability density distribution parameter x: corrosion amount (mm)
It is.

確率密度分布のパラメータm,sは、例えば経年に従って変化するよう設定される。まず確率密度分布のパラメータを分布の中央値と最頻値で表すと、例えば以下の式(2)のように示される。

Figure 2018123563
ここで、
median(x):ヒストグラムの中央値
mode(x):ヒストグラムの最頻値
である。 The parameters m and s of the probability density distribution are set so as to change with time, for example. First, when the parameters of the probability density distribution are expressed by the median value and the mode value of the distribution, for example, the following equation (2) is obtained.
Figure 2018123563
here,
median (x): median of the histogram
mode (x): Mode value of the histogram.

式(2)における確率密度分布のパラメータの算出において、経年変化する時間的要素を考慮に入れるために、時間に関するパラメータを導入する。主鉄筋S1の腐食量と経年数とは線形関係にあると仮定すると、分布の中央値と最頻値が経年に比例して増加するように、例えば以下の式(3)が設定される。

Figure 2018123563
ここで、
t:現在からの経年数
median(xt):現在からt年後の推定中央値
median(xp):現在の中央値
Tp:新設から現在までの経年数
mode(xt):現在からt年後の推定最頻値
mode(xp):現在の最頻値
mt,st:t年後の確率密度分布のパラメータ
である。 In calculating the parameter of the probability density distribution in the equation (2), a parameter related to time is introduced in order to take into account a temporal element that changes over time. Assuming that the corrosion amount of the main reinforcing bar S1 and the age are in a linear relationship, for example, the following formula (3) is set so that the median value and the mode of the distribution increase in proportion to the age.
Figure 2018123563
here,
t: Number of years since the present
median (x t ): estimated median t years from now
median (x p ): current median
T p : Number of years since establishment
mode (x t ): Estimated mode value t years from now
mode (x p ): Current mode
m t , st : parameters of probability density distribution after t years.

図4の統計データでは、ヒストグラム形状は、主鉄筋S1の設計板厚6mm寄りの分布となっている。図4の統計データに上記式(1)及び(2)を当てはめて検証すると、主鉄筋S1の残存量の中央値は4.90mm(腐食量x=1.10mm)である。最頻帯は、残存量5.25mm〜5.50mmの範囲である。最頻値は、最頻帯の平均値5.375mm(腐食量x=0.625mm)が採用される。この結果を式(2)に適用すると、確率密度分布のパラメータm,sは、それぞれm=0.095、s=0.752と決定される。決定したそれぞれのパラメータm,sを式(1)に適用すると、確率密度関数の分布曲線の曲線形状は、図4及び図5のいずれのヒストグラム形状にほぼ一致する。但し、上記の比較は、最大発生確率値となる分布曲線のピークがヒストグラムのピークに該当するとして行われている(図4及び図5参照)。   In the statistical data of FIG. 4, the histogram shape has a distribution close to the design plate thickness 6 mm of the main reinforcing bar S1. When the above formulas (1) and (2) are applied to the statistical data of FIG. 4 and verified, the median value of the remaining amount of the main reinforcing bar S1 is 4.90 mm (corrosion amount x = 1.10 mm). The most frequent zone is in the range of the remaining amount of 5.25 mm to 5.50 mm. As the mode value, an average value of 5.375 mm (corrosion amount x = 0.625 mm) of the mode band is adopted. When this result is applied to Equation (2), the parameters m and s of the probability density distribution are determined as m = 0.095 and s = 0.552, respectively. When the determined parameters m and s are applied to the equation (1), the curve shape of the distribution curve of the probability density function substantially coincides with any of the histogram shapes in FIGS. However, the above comparison is performed assuming that the peak of the distribution curve that is the maximum occurrence probability value corresponds to the peak of the histogram (see FIGS. 4 and 5).

上記の式(1)〜(3)に基づいて、経時的に劣化する主鉄筋S1の将来の残存量を設定することができる。例えば、完成から33年経たシールドトンネル10では、Tp=33年、median(xp)=1.10mm、mode(xp)=0.625mmである。これらの数値に基づいてt=15,25,35年後における中央値median(xt)と最頻値mode(xt)は、式(3)を用いて例えば以下の式(4)のように計算される。

Figure 2018123563
Based on the above formulas (1) to (3), the future remaining amount of the main reinforcing bar S1 that deteriorates with time can be set. For example, in the shield tunnel 10 33 years after completion, T p = 33 years, median (x p ) = 1.10 mm, and mode (x p ) = 0.625 mm. Based on these numerical values, the median value median (x t ) and the mode value mode (x t ) after t = 15, 25, 35 years are expressed by, for example, the following equation (4) using equation (3). Is calculated.
Figure 2018123563

図6に示されるように、経年に従って中央値と最頻値とは共に腐食側に推移し、これにともない確率密度分布のパラメータm,sも変化する。これらの数値に基づいて、式(1)を用いてt=15,25,35年後における確率密度関数曲線の将来の分布形状を予測することができる。   As shown in FIG. 6, both the median value and the mode value change to the corrosion side according to the passage of time, and the parameters m and s of the probability density distribution change accordingly. Based on these numerical values, the future distribution shape of the probability density function curve after t = 15, 25, and 35 years can be predicted using Equation (1).

図7に示されるように、確率密度関数曲線の分布形状は、経年に従って最頻帯での個所数(曲線のピーク値)が少なくなる。即ち、確率密度関数は、経年に従ってばらつきが大きくなる。これは、経年に従って腐食が進行して主鉄筋S1の将来の残存量が少なくなることを表している。このとき、ヒストグラムのばらつきを示す腐食側標準偏差σは、確率密度分布のパラメータm,sを用いて例えば以下の式(5)によって決定される。

Figure 2018123563
As shown in FIG. 7, the distribution shape of the probability density function curve has a smaller number of points (peak value of the curve) in the most frequent zone according to aging. In other words, the probability density function varies more with time. This indicates that the corrosion progresses with time and the remaining amount of the main reinforcing bar S1 decreases. At this time, the corrosion side standard deviation σ indicating the variation of the histogram is determined by, for example, the following equation (5) using the parameters m and s of the probability density distribution.
Figure 2018123563

式(5)を用いると、現状の標準偏差は1.272mmで、現状から35年後の標準偏差は2.622mmとなり、ばらつきが2倍以上に大きくなる。上記の計算結果を用いて将来の1リングR当たりの1本の主鉄筋S1の残存量の将来予測を行う。上記の各式によると、35年後の主鉄筋S1の腐食量の最頻値1.29mmと計算される。この値に腐食側の標準偏差1σ分(2.622mm)を適用すると主鉄筋S1の腐食量は3.912mmと計算される。   Using Equation (5), the current standard deviation is 1.272 mm, the standard deviation after 35 years from the current state is 2.622 mm, and the variation is more than doubled. A future prediction of the remaining amount of one main reinforcing bar S1 per ring R is performed using the above calculation result. According to the above formulas, the mode value of the corrosion amount of the main reinforcing bar S1 after 35 years is calculated as 1.29 mm. When the standard deviation of 1σ (2.622 mm) on the corrosion side is applied to this value, the corrosion amount of the main reinforcing bar S1 is calculated to be 3.912 mm.

ここで、主鉄筋S1の厚さの設計値6mmから3.912mm腐食した2.088mmを将来の1個所の主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量として採用する。このとき、対数正規分布曲線の性質から、将来的に調査される1個所の主鉄筋S1の厚さの残存量が2.088mm以上である確率は87%と計算される。   Here, 2.088 mm which corroded 3.912 mm from the design value 6 mm of the thickness of the main reinforcing bar S1 is adopted as the remaining amount after deterioration of the thickness of one main reinforcing bar S1 in the future. At this time, the probability that the remaining amount of the thickness of one main reinforcing bar S1 to be investigated in the future is 2.088 mm or more is calculated as 87% from the nature of the lognormal distribution curve.

ここで、主鉄筋S1の厚さの残存量が最小となる腐食量を採用しない理由として、シールドトンネル10の構造に特有の性質があることが挙げられる。シールドトンネル10は、例えば地下10m以上の深度にあり、地盤が構造体を支持している。そのため、シールドトンネル10は、高次の不静定構造物となり、局所的に主鉄筋S1の断面損失があったとしても即時に崩壊するわけではない。更に、シールドトンネル10において隣接するリングR同士は、リングR内で隣接するセグメントGの間の継目が互い違いに表れる千鳥配置で設置される(図1参照)。   Here, the reason why the corrosion amount that minimizes the remaining thickness of the main reinforcing bar S1 is not employed is that the structure of the shield tunnel 10 has a characteristic property. The shield tunnel 10 is, for example, at a depth of 10 m or more underground, and the ground supports the structure. Therefore, the shield tunnel 10 becomes a high-order indefinite structure, and even if there is a cross-sectional loss of the main rebar S1 locally, it does not collapse immediately. Further, the adjacent rings R in the shield tunnel 10 are installed in a staggered arrangement in which seams between adjacent segments G in the ring R appear alternately (see FIG. 1).

複数のセグメントGからなるリングRを千鳥配置にしてシールドトンネル10を築造すると、隣接するリングR同士の継手には隣接するリングRのセグメントGから加えられるせん断力が働く。これにより、リングR全体の変形が拘束される。これは一般的に添接効果と呼ばれている。そして、セグメントGにはこの添接効果により、リングR同士の継手を介して曲げモーメントが伝達される。従って、添接効果によって、セグメントG内の2本の内の1本の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以下であったとしても、他方の主鉄筋S1の厚さが2.088mmより大きければ、シールドトンネル10の構造体系が維持される。   When the shield tunnel 10 is constructed in a staggered arrangement of the rings R composed of a plurality of segments G, a shearing force applied from the segments G of the adjacent rings R acts on the joints between the adjacent rings R. Thereby, the deformation of the entire ring R is constrained. This is generally called an attachment effect. The bending moment is transmitted to the segment G through the joint between the rings R due to this attachment effect. Accordingly, even if the thickness of one of the two main reinforcing bars S1 in the segment G is 2.088 mm or less, the thickness of the other main reinforcing bar S1 must be larger than 2.088 mm due to the splicing effect. Thus, the structural system of the shield tunnel 10 is maintained.

ここで、セグメントG内の一方の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以上である確率を計算する。この確率は、隣接する2本の主鉄筋S1のうち、1本以上を選択する場合として、例えば以下の式(6)によって計算される。

Figure 2018123563
上記確率は、式(6)に示されるように、95%以上となる。 Here, the probability that the thickness of one main reinforcing bar S1 in the segment G is 2.088 mm or more is calculated. This probability is calculated by the following formula (6), for example, when selecting one or more of the two adjacent main reinforcing bars S1.
Figure 2018123563
The probability is 95% or more as shown in Equation (6).

従って、少なくとも一方の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以上残存していることの信頼度は95%以上となる。数値を安全側に簡単にすると、上記計算によって将来の劣化が進行したセグメントGの主鉄筋S1の厚さの残存量は2mmと推定される。すなわち、隣接する2本の主鉄筋S1のうちの一方の主鉄筋S1が消滅しても他方の主鉄筋S1の厚さが少なくとも2mmの残存量を有していると推定される。   Therefore, the reliability that the thickness of at least one main reinforcing bar S1 remains 2.088 mm or more is 95% or more. If the numerical value is simplified on the safe side, the remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G whose future deterioration has progressed by the above calculation is estimated to be 2 mm. That is, even if one main reinforcing bar S1 of two adjacent main reinforcing bars S1 disappears, it is estimated that the thickness of the other main reinforcing bar S1 has a remaining amount of at least 2 mm.

従って、将来のセグメントGの状態で最も腐食した場合は、「隣接する2本の主鉄筋S1のうちの一方の主鉄筋S1が消滅し、他方の主鉄筋S1の厚さが少なくとも2mmまで腐食した場合」と推定される。このため、シールドトンネル10の複数のセグメントG全体で考慮すると最も腐食した状況において、主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量は、両者の平均をとって1mmと推定される。上述したように、ヒストグラムの分布形状の変化に関する計算を行うことによって、主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量を推定することができる。   Accordingly, when most corrosion occurs in the state of the future segment G, “one main reinforcing bar S1 of the two adjacent main reinforcing bars S1 disappears, and the thickness of the other main reinforcing bar S1 corrodes to at least 2 mm. It is estimated that For this reason, when considering the entire plurality of segments G of the shield tunnel 10, in the most corroded state, the remaining amount after deterioration of the thickness of the main reinforcing bar S1 is estimated to be 1 mm by taking the average of both. As described above, the remaining amount after deterioration of the thickness of the main reinforcing bar S1 can be estimated by performing the calculation related to the change in the distribution shape of the histogram.

次に、経時的に変化する、シールドトンネル10に加わる荷重を推定する方法について説明する。補強構造30の設計にあたっては、シールドトンネル10に加わる現状の荷重P1と、将来的に生じる圧密による見かけ上の最大の増加荷重(以下、圧密の最大荷重Pm)との双方を設定する必要がある。既存の研究によると、シールドトンネル10の周囲の地盤の圧密の増加にともない鉛直土圧は1.3倍に、側方土圧は0.85倍になることが得られている。   Next, a method for estimating the load applied to the shield tunnel 10 that changes over time will be described. In designing the reinforcing structure 30, it is necessary to set both the current load P <b> 1 applied to the shield tunnel 10 and an apparent maximum increase load due to consolidation that will occur in the future (hereinafter, maximum consolidation load Pm). . According to existing studies, it is found that the vertical earth pressure is increased 1.3 times and the lateral earth pressure is increased 0.85 times as the consolidation of the ground around the shield tunnel 10 is increased.

そこで、この結果から初期側方土圧係数をトンネル設計時の0.80とすると、図8に示される変動荷重比αと側方土圧係数λとの関係が得られる。ここで、変動荷重比αとは、設計鉛直荷重及び鉛直方向の変動荷重の和と設計鉛直荷重との比をいう(非特許文献2)。ところで、現状の荷重の推定方法としては、例えば内空変位量から推定する方法、ひびわれ本数から推定する方法などを用いることができる。ここでは、非特許文献2のひびわれ本数から推定する方法を採用する。セグメントGに発生するひびわれ本数の算出のために、荷重を連動させたはりばねモデル計算法による構造計算を実施する。   Therefore, from this result, when the initial side earth pressure coefficient is 0.80 at the time of tunnel design, the relationship between the variable load ratio α and the side earth pressure coefficient λ shown in FIG. 8 is obtained. Here, the variable load ratio α is a ratio between the design vertical load and the sum of the vertical variable loads and the design vertical load (Non-Patent Document 2). By the way, as a current load estimation method, for example, a method of estimating from the amount of internal displacement, a method of estimating from the number of cracks, or the like can be used. Here, the method of estimating from the number of cracks of Non-Patent Document 2 is adopted. In order to calculate the number of cracks generated in the segment G, structural calculation is performed by a spring spring model calculation method in which loads are linked.

ひびわれ本数の算出においては、以下の既存の方法を用いる。まず、シールドトンネル10の天板部11について、上方左右45°範囲で内空側の主鉄筋S1に発生する引張応力度σseを算出する。その後、ひびわれ幅算定式を用いて現場で観測可能なひびわれの幅w=0.1mmからひびわれ発生応力度σswを逆算する。そして、引張応力度σseがひびわれ発生応力度σswを超過する範囲を特定し、この範囲の長さを算出する。最後に、地盤の鉛直荷重によるトンネル軸方向Lに沿ったひびわれは、配力鉄筋S2の位置に発生することから配力鉄筋S2の間隔で上記の範囲の長さを除して本数を算出する。   The following existing methods are used in calculating the number of cracks. First, with respect to the top plate portion 11 of the shield tunnel 10, the tensile stress σse generated in the inner rebar main rebar S <b> 1 in the upper left and right 45 ° range is calculated. Thereafter, the crack generation stress σsw is calculated backward from the crack width w = 0.1 mm that can be observed in the field using the crack width calculation formula. Then, a range in which the tensile stress level σse cracks and exceeds the generated stress level σsw is specified, and the length of this range is calculated. Finally, since cracks along the tunnel axis direction L due to the vertical load of the ground are generated at the position of the distribution reinforcing bar S2, the number is calculated by dividing the length of the above range by the interval of the distribution reinforcing bar S2. .

次に、算出したひびわれ本数を、実際に現地で確認したセグメントのひびわれ本数と比較する。両者が一致する状態を現状の荷重とした。図9に示されるように、この検討の結果、現状の荷重は設計鉛直荷重の1.13倍と推定される。また、将来生じる圧密の最大荷重は、過去の実験で得られた既知の荷重増加最終予測値に基づき、設計鉛直荷重の1.30倍まで増加すると推定される。現状の荷重の推定については、ひびわれ本数による推定方法を用いたが、これに限定されず、現状の荷重の推定ができれば実測を含む他のどのような方法を用いてもよい。   Next, the calculated number of cracks is compared with the number of cracks of the segments actually confirmed on site. The state where both coincide with each other was taken as the current load. As shown in FIG. 9, as a result of this examination, the current load is estimated to be 1.13 times the design vertical load. In addition, the maximum load of consolidation that will occur in the future is estimated to increase to 1.30 times the design vertical load based on the known final predicted increase in load obtained in past experiments. As for the estimation of the current load, the estimation method based on the number of cracks is used, but the present invention is not limited to this, and any other method including actual measurement may be used as long as the current load can be estimated.

推定された現状の荷重と圧密の最大荷重に基づいて補強構造30の設計を行う。補強構造30の設計方法は、シールドトンネル10の劣化を考慮して行われる。以下、シールドトンネル10の補強構造30の設計方法について説明する。   The reinforcing structure 30 is designed based on the estimated current load and the maximum consolidation load. The design method of the reinforcing structure 30 is performed in consideration of deterioration of the shield tunnel 10. Hereinafter, a design method of the reinforcing structure 30 of the shield tunnel 10 will be described.

図10に示されるように、シールドトンネル10に加わる鉛直荷重Pと、シールドトンネル10の内部の鉛直方向の内空変位量δとは相関関係にあり、鉛直荷重P−内空変位量δ曲線で示される。図示するように設計当時の劣化が無いシールドトンネル10の状態は、鉛直荷重Pの増加に従って内空変位量δが増加する設計上の第1曲線によって示される。また、将来的に劣化が生じている将来のシールドトンネル10の状態は、鉛直荷重Pの増加に従って内空変位量δが増加する第2曲線によって示される。   As shown in FIG. 10, the vertical load P applied to the shield tunnel 10 and the internal air displacement amount δ in the vertical direction inside the shield tunnel 10 are correlated, and the vertical load P−internal air displacement amount δ curve is obtained. Indicated. As shown in the figure, the state of the shield tunnel 10 without deterioration at the time of design is indicated by a first design curve in which the internal air displacement amount δ increases as the vertical load P increases. Further, the future state of the shield tunnel 10 in which the future deterioration has occurred is indicated by a second curve in which the internal air displacement amount δ increases as the vertical load P increases.

鉛直荷重Pと内空変位量δとは通常では弾性理論に従って線形関係を示すが、第1曲線及び第2曲線は、鉛直荷重Pの増加に従ってコンクリート部Cに生じるひびわれなどの影響によりP/δの勾配が初期勾配から徐々に低くなる状況が考慮されている。劣化が生じているシールドトンネル10は耐力が低下しているため、第2曲線の勾配は、第1曲線の勾配より小さくなる。   The vertical load P and the internal air displacement amount δ usually show a linear relationship according to the elasticity theory, but the first curve and the second curve are P / δ due to the influence of cracks or the like generated in the concrete portion C as the vertical load P increases. A situation is considered in which the slope of the slope gradually decreases from the initial slope. Since the proof strength of the shield tunnel 10 in which deterioration has occurred is reduced, the slope of the second curve is smaller than the slope of the first curve.

ここで、劣化が無いシールドトンネル10とは、主鉄筋S1の腐食がないトンネルを指している。第1曲線は、例えばセグメントGの主鉄筋S1の厚さが設計値の6mmの状態を示す。第2曲線は、例えばセグメントGの主鉄筋S1の厚さが上述した方法によって推定された、劣化後残存量の1mmの状態を示す。   Here, the shield tunnel 10 without deterioration refers to a tunnel without corrosion of the main reinforcing bar S1. The first curve shows a state where the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G is 6 mm, which is a design value, for example. The second curve shows a state in which the post-deterioration residual amount is 1 mm, for example, where the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G is estimated by the method described above.

第1曲線において、設計当時の劣化が無いシールドトンネル10は、鉛直方向に設計荷重P0が加わっている点Aの状態にある。また、シールドトンネル10に加わる荷重は、上述のように周囲の地盤の状態が圧密の増加等の影響によって増加する。将来的にシールドトンネル10に加わる鉛直荷重は、上記のように設計荷重P0の1.30倍まで増加するものとする。   In the first curve, the shield tunnel 10 having no deterioration at the time of design is in a state of point A where a design load P0 is applied in the vertical direction. Further, the load applied to the shield tunnel 10 increases due to the influence of an increase in consolidation of the surrounding ground as described above. It is assumed that the vertical load applied to the shield tunnel 10 in the future increases to 1.30 times the design load P0 as described above.

そのため、シールドトンネル10に加わる鉛直荷重は、設計荷重P0から現状の荷重(第1荷重)P1に増加し、第1変位量δ1を生じさせる点Bの状態に移行する。現状の荷重P1は、上記の推定方法によれば設計荷重の1.13倍である。現状の荷重P1の推定には例えば内空変位量δから推定する方法、セグメントGに生じているひびわれ本数から推定する方法等が用いられる。ここでは、ひびわれ本数から推定する方法を用いて現状の荷重P1を推定している。   Therefore, the vertical load applied to the shield tunnel 10 increases from the design load P0 to the current load (first load) P1, and shifts to the state of point B that causes the first displacement amount δ1. The current load P1 is 1.13 times the design load according to the above estimation method. The current load P1 is estimated using, for example, a method of estimating from the internal air displacement amount δ, a method of estimating from the number of cracks generated in the segment G, or the like. Here, the current load P1 is estimated using a method of estimating from the number of cracks.

まず、第1曲線に基づいて、シールドトンネル10に第1変位量δ1を生じさせるシールドトンネル10に作用する第1荷重を求める。現状の荷重P1がシールドトンネル10に加わった状態で補強対策が行われない場合、主鉄筋S1の腐食が進行すると、シールドトンネル10の荷重状態は点Bから腐食が進行した状態を示す第2曲線の点Cに移行する。このとき、内空変位量δは第1変位量δ1からは第2変位量δ2まで増加する。   First, based on the first curve, a first load acting on the shield tunnel 10 that causes the shield tunnel 10 to generate the first displacement amount δ1 is obtained. When the current load P1 is applied to the shield tunnel 10 and no reinforcement measures are taken, if the corrosion of the main rebar S1 progresses, the load state of the shield tunnel 10 shows the state where the corrosion has progressed from the point B. Move to point C. At this time, the internal displacement amount δ increases from the first displacement amount δ1 to the second displacement amount δ2.

一般的な補強方法によると、シールドトンネル10内に形成された補強構造が現状の荷重を受け持つように設計される。そしてこの設計方法によると、主鉄筋S1の将来の腐食状況が考慮されたシールドトンネル10のリングRの剛性と、構築された補強柱体の剛性とに対して加えられた現状の荷重P1によって発生する断面力が計算される。   According to a general reinforcing method, the reinforcing structure formed in the shield tunnel 10 is designed to handle the current load. According to this design method, the current load P1 applied to the rigidity of the ring R of the shield tunnel 10 in consideration of the future corrosion state of the main reinforcing bar S1 and the rigidity of the constructed reinforcing column is generated. The cross-sectional force to be calculated is calculated.

図11に示されるように、一般的な補強方法における、劣化後のシールドトンネル10と補強構造との関係を示す、鉛直荷重Pと内空変位量δのP−δ曲線が描かれる。現状の荷重P1が加わる補強後のシールドトンネル10は、点Dの状態にある。このときシールドトンネル10のみが負担する荷重は、点Eの状態にある荷重である。したがって,この設計方法によると、セグメントGは点Eまでの荷重を負担し、補強柱体が点Dと点Eの荷重の差分を負担する。   As shown in FIG. 11, in a general reinforcing method, a vertical load P and a P-δ curve of the internal air displacement amount δ showing the relationship between the shield tunnel 10 after deterioration and the reinforcing structure are drawn. The shield tunnel 10 after reinforcement to which the current load P1 is applied is in a point D state. At this time, the load borne only by the shield tunnel 10 is a load in the state of point E. Therefore, according to this design method, the segment G bears the load up to the point E, and the reinforcing column bears the difference between the load at the points D and E.

しかしながら、この状態では補強柱体で現状の荷重の大部分を負担して、セグメントGはほとんど荷重を負担しないことになり、セグメントGにとって危険側の設計となる虞がある。さらに、補強柱体は、過剰な荷重を負担するという不経済な設計となる虞がある。   However, in this state, most of the current load is borne by the reinforcing pillars, and the segment G hardly bears the load, which may be a dangerous design for the segment G. Furthermore, there is a possibility that the reinforcing column body has an uneconomical design of bearing an excessive load.

図12に示されるように、主鉄筋S1の腐食が進行するに従って、現状の荷重P1によって生じる変位量δは、第1曲線の点Bの変位量δ1から第2曲線の点Cの変位量δ2まで増加する。従って、主鉄筋S1が腐食しても点Bの状態を維持したい場合、第1曲線の点Bにおける現状の荷重P1と、点Bにおける変位量δ1と同じ変位量を生じさせる第2曲線の点Fにおける仮想荷重(第2荷重)Pvとの荷重の差分を補強構造30で負担させる設計方法を用いればよい。   As shown in FIG. 12, as the corrosion of the main reinforcing bar S1 proceeds, the displacement amount δ caused by the current load P1 is changed from the displacement amount δ1 at the point B of the first curve to the displacement amount δ2 at the point C of the second curve. Increase to. Therefore, when it is desired to maintain the state of the point B even when the main reinforcing bar S1 corrodes, the current load P1 at the point B of the first curve and the point of the second curve that produces the same displacement amount as the displacement amount δ1 at the point B What is necessary is just to use the design method which bears the difference of the load with the virtual load (2nd load) Pv in F with the reinforcement structure 30. FIG.

この設計方法に従って補強構造30を形成すると、第2曲線における第1変位量δ1と第2荷重Pvを初期値として、補強後のシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第3曲線が求められる。第3曲線は、補強構造30と劣化後のシールドトンネル10とが協働して、外部から加えられる荷重を負担する状態を示す。従って第3曲線は、第1曲線の勾配よりも大きい勾配を有している。   When the reinforcing structure 30 is formed in accordance with this design method, the first displacement amount δ1 and the second load Pv in the second curve are used as initial values, and a third relationship indicating the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 after reinforcement and the displacement amount is shown. A curve is determined. The third curve shows a state in which the reinforcing structure 30 and the deteriorated shield tunnel 10 cooperate to bear a load applied from the outside. Accordingly, the third curve has a slope that is greater than the slope of the first curve.

シールドトンネル10を補強する際、初期の状態では補強構造30に荷重を加えないようにシールドトンネル10内に補強構造30を形成する。そうすると、図13に示されるように、補強構造30が形成された後、時間の経過に従って天板部11が下方に変位して補強構造30に荷重が加わる。そして、シールドトンネル10の内空変位量δは、現状の荷重P1によって生じる第1曲線の点Bの変位量δ1から、現状の荷重P1によって生じる第3曲線の点Gにおける変位量δ3まで変位する。   When reinforcing the shield tunnel 10, the reinforcement structure 30 is formed in the shield tunnel 10 so that no load is applied to the reinforcement structure 30 in the initial state. Then, as shown in FIG. 13, after the reinforcement structure 30 is formed, the top plate portion 11 is displaced downward as time passes, and a load is applied to the reinforcement structure 30. Then, the inner space displacement amount δ of the shield tunnel 10 is displaced from the displacement amount δ1 of the first curve point B caused by the current load P1 to the displacement amount δ3 of the third curve point G caused by the current load P1. .

つまり、補強構造30の効果として、補強構造30は、現状の荷重が加わった状態におけるシールドトンネル10の内空変位量δを第2曲線の点Cにおける変位量δ2ではなく、第3曲線の点Gにおける変位量δ3で留めることができる。   In other words, as an effect of the reinforcing structure 30, the reinforcing structure 30 is configured so that the inner displacement δ of the shield tunnel 10 in the state where the current load is applied is not the displacement δ 2 at the point C of the second curve, but the point of the third curve. The displacement amount δ3 in G can be retained.

上述した図13の補強構造30の設計方法は、劣化が無い状態のシールドトンネル10に補強構造30を構築する設計法を採用しているということに留意が必要である。ここで、劣化が無い状態とは、現状は劣化が無いが、将来劣化のおそれが想定される状態という意味である。   It should be noted that the above-described method for designing the reinforcing structure 30 in FIG. 13 employs a design method for constructing the reinforcing structure 30 in the shield tunnel 10 in a state where there is no deterioration. Here, the state where there is no deterioration means a state where there is no deterioration at present but there is a possibility of deterioration in the future.

厳密に補強構造30が負担する荷重を考慮して設計する場合、理想的にはシールドトンネル10が外力に対し限界となる時点の荷重状態において補強構造30を設計すべきである。そうすると補強構造30が負担する荷重を最も少なく設計することができ、設計が経済的となるからである。   When designing in consideration of the load borne by the reinforcing structure 30 strictly, the reinforcing structure 30 should be ideally designed in a load state at the time when the shield tunnel 10 becomes a limit against the external force. This is because it is possible to design the load borne by the reinforcing structure 30 with the least amount, and the design becomes economical.

しかし、図13の将来のシールドトンネル10の点Fにおける荷重状態と、補強後のシールドトンネル10の点Gにおける荷重状態の間で外力に対し限界となっている点を決定することは現実的には困難である。ここで、劣化が無いシールドトンネル10の点Fと点Gの荷重の差分は全て補強構造30で分担するとして設計すると、一般的な設計方法を用いている図11と比較して補強構造30が負担する荷重を少なく設計することができる。従って、設計の困難性と経済性とを比較考量して上記のような劣化が無い状態のシールドトンネル10に補強構造30を構築する設計法を採用する。   However, it is realistic to determine a point that is a limit to the external force between the load state at the point F of the future shield tunnel 10 in FIG. 13 and the load state at the point G of the shield tunnel 10 after reinforcement. It is difficult. Here, if it is designed that the difference between the loads of the point F and the point G of the shield tunnel 10 having no deterioration is shared by the reinforcing structure 30, the reinforcing structure 30 is compared with FIG. 11 using a general design method. It is possible to design with less load. Accordingly, a design method for constructing the reinforcing structure 30 in the shield tunnel 10 in a state in which there is no deterioration as described above by taking into consideration the difficulty of design and the economic efficiency is adopted.

図14に示されるように、将来的にシールドトンネル10に加わる荷重は圧密によって増加して、最大値となる。この時、圧密の最大荷重Pmは、上述のように設計荷重P0の1.30倍である。第3曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態は点Hで示される。第2曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態は点Iで示される。従って補強しない場合とした場合を比較すると、最大荷重Pmが加わった状態で生じる変位量の差は点Hと点Iの差となり、この差が補強による効果と考えることができる。   As shown in FIG. 14, the load applied to the shield tunnel 10 in the future increases due to consolidation and reaches a maximum value. At this time, the maximum load Pm for consolidation is 1.30 times the design load P0 as described above. A state where the maximum load Pm of consolidation is applied in the third curve is indicated by a point H. A state where the maximum load Pm of consolidation is applied in the second curve is indicated by a point I. Therefore, comparing the cases where the reinforcement is not performed, the difference in the amount of displacement that occurs when the maximum load Pm is applied is the difference between the points H and I, and this difference can be considered as an effect of reinforcement.

この場合、第3曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態の点Hでは、変位量δmが生じる。第2曲線で変位量δmを生じさせる点Jでは、荷重P2が加わった状態となる。そうすると、補強構造30が将来的に負担する荷重は点Hにおける最大荷重Pmと点Jにおける荷重P2の差分となる。   In this case, the displacement amount δm occurs at the point H where the maximum load Pm of consolidation is applied in the third curve. At the point J where the displacement amount δm is generated in the second curve, the load P2 is applied. Then, the load that the reinforcing structure 30 will bear in the future is the difference between the maximum load Pm at the point H and the load P2 at the point J.

上述した補強構造30の設計方法に基づいて具体的に補強構造30を設計する。設計時の主鉄筋S1の厚さの残存量を6mmとし、将来的に腐食した場合の主鉄筋S1の厚さの残存量を上記の推定方法に基づいて1mmとする。   The reinforcing structure 30 is specifically designed based on the design method of the reinforcing structure 30 described above. The remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 at the time of design is set to 6 mm, and the remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 when corroded in the future is set to 1 mm based on the above estimation method.

図15に示されるように、これらの値に基づいて構造計算を実施すると、両者の荷重負担割合を示すP−δ曲線が得られる。但しこのP−δ曲線では、横軸の内空変位量δに対して縦軸には変動荷重比αをとっている。このグラフに基づくと、現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)によって生じる第1曲線の点B(図13参照)における第1変位量δ1は10.9mmと推定される。   As shown in FIG. 15, when the structural calculation is performed based on these values, a P-δ curve showing the load sharing ratio of both is obtained. However, in this P-δ curve, the variable load ratio α is taken on the vertical axis with respect to the internal displacement δ on the horizontal axis. Based on this graph, the first displacement δ1 at the point B (see FIG. 13) of the first curve caused by the current load P1 (1.13 times the design load P0) is estimated to be 10.9 mm.

そして、第1変位量δ1を生じさせる第2曲線の点F(図13参照)における鉛直方向の仮想荷重Pvは、設計荷重P0の1.07倍と推定される。これにより、既設のシールドトンネル10の剛性低下により補強構造30が負担すべき荷重を合理的に評価することができる荷重モデルが構築される。   And the virtual load Pv of the perpendicular direction in the point F (refer FIG. 13) of the 2nd curve which produces 1st displacement amount (delta) 1 is estimated as 1.07 times the design load P0. Thereby, the load model which can rationally evaluate the load which the reinforcement structure 30 should bear by the rigidity fall of the existing shield tunnel 10 is constructed | assembled.

図16に示されるように、補強後のシールドトンネル10のP−δ曲線は、点Bにおける第1変位量δ1=10.9mmと同じ変位量を生じさせる、第2曲線における仮想荷重Pvに対応する点Fを初期値とした、第3曲線によって表される。そして、補強後のシールドトンネル10の第3曲線において、荷重経路は点Fから点Gに移る経路となる。つまり、ここで示される荷重モデルは、既設のシールドトンネル10が設計荷重P0の1.07倍を負担した後、補強されて1.13倍まで増加する現状の荷重P1を負担するというものである。   As shown in FIG. 16, the P-δ curve of the shield tunnel 10 after reinforcement corresponds to the virtual load Pv in the second curve that causes the same displacement amount as the first displacement amount δ1 = 10.9 mm at the point B. It is represented by a third curve with the point F to be used as an initial value. And in the 3rd curve of the shield tunnel 10 after reinforcement, a load course turns into a course which moves from point F to point G. That is, in the load model shown here, after the existing shield tunnel 10 bears 1.07 times the design load P0, it is reinforced and bears the current load P1 that increases to 1.13 times. .

そして、補強後のシールドトンネル10の第3曲線において、荷重経路は点Gから補強後に1.30倍まで増加する圧密の最大荷重Pmに対応する点Hに移る経路となる。つまり、ここで示される荷重モデルは、既設のシールドトンネル10が設計荷重P0の1.13倍を負担した後、将来的に1.30倍まで増加する最大荷重Pmを負担するというものである。   And in the 3rd curve of the shield tunnel 10 after reinforcement | strengthening, a load path | route becomes a path | route which moves to the point H corresponding to the maximum load Pm of consolidation which increases to 1.30 time after reinforcement from the point G. FIG. That is, in the load model shown here, after the existing shield tunnel 10 bears 1.13 times the design load P0, it bears the maximum load Pm that increases to 1.30 times in the future.

次に、上述した設計方法で演算された補強構造30の構造解析を行い、補強構造30の設計の適否を判定する。上述した荷重モデルを追跡する形で構造解析モデルを構築する。この構造解析モデルは、既設のシールドトンネル10と補強構造30とが協働する複合モデルである。構造解析は、例えば既知のはりばねモデルが用いられる。   Next, the structural analysis of the reinforcing structure 30 calculated by the design method described above is performed, and the suitability of the design of the reinforcing structure 30 is determined. A structural analysis model is constructed by tracking the load model described above. This structural analysis model is a composite model in which the existing shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 cooperate. For the structural analysis, for example, a known beam spring model is used.

図17から図20に示されるように、はりばねモデルでは、セグメントGは、はりに、セグメントG同士を連結する継手部は、回転ばね要素として設定される。そして複数のセグメントGで構成されるリングRの同士を連結する継手部は、せん断バネ要素として設定される。そして、シールドトンネル10内に構築される補強構造30が支持するリングRとの連結関係は、連結ばね要素として設定される。隣接するリングR同士は、千鳥組みされる。   As shown in FIGS. 17 to 20, in the beam spring model, the segment G is set to the beam, and the joint portion connecting the segments G to each other is set as a rotary spring element. And the joint part which connects the rings R comprised by the some segment G is set as a shear spring element. And the connection relationship with the ring R which the reinforcement structure 30 constructed | assembled in the shield tunnel 10 supports is set as a connection spring element. Adjacent rings R are staggered.

上述したように既設のシールドトンネル10における荷重状態は、シールドトンネル10のみに荷重が作用する点Fの状態(図16参照)と,補強後のシールドトンネル10に荷重が作用する点G及び点Hの状態(図16参照)の2つの状態がある。   As described above, the load state in the existing shield tunnel 10 includes the state of the point F where the load acts only on the shield tunnel 10 (see FIG. 16), and the point G and the point H where the load acts on the shield tunnel 10 after reinforcement. There are two states (see FIG. 16).

図17に示されるように、隣接するリングRを千鳥組みした構造解析モデルに、点Fの状態に相当する仮想荷重Pv(設計荷重P0の1.07倍)を構造解析モデルに加える。そして、セグメントGの断面に発生する断面力を演算する。   As shown in FIG. 17, a virtual load Pv (1.07 times the design load P0) corresponding to the state of the point F is added to the structural analysis model in which the adjacent rings R are staggered. Then, the cross-sectional force generated in the cross section of the segment G is calculated.

図18に示されるように、構造解析モデルの内空に補強構造30を構築する。この状態では、点Fの状態に補強構造30を構築しただけであり、この段階では,補強構造30に断面力はまだ発生していない。   As shown in FIG. 18, the reinforcing structure 30 is constructed in the interior of the structural analysis model. In this state, the reinforcing structure 30 is merely constructed in the state of the point F, and at this stage, no cross-sectional force is generated in the reinforcing structure 30 yet.

図19に示されるように、補強構造30の構築が終わった後、点Gの状態に相当する現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)まで構造解析モデルに加える荷重を上げる。荷重の増加に従って補強構造30にも断面力が発生する。   As shown in FIG. 19, after the construction of the reinforcing structure 30 is finished, the load applied to the structural analysis model is increased to the current load P1 corresponding to the state of the point G (1.13 times the design load P0). As the load increases, a cross-sectional force is also generated in the reinforcing structure 30.

図20に示されるように、現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)から点Hの状態に相当する圧密の最大荷重Pm(設計荷重P0の1.30倍)まで構造解析モデルに加える荷重を上げ、各部材での断面力を演算する。なお、図18から図20ではわかりやすさのために,セグメントGのリングRと補強構造30との間が離間して記載されているが、実際に計算する場合では後述のように相互に密着している。すなわち、シールドトンネル10と補強構造30との接地面は、リングRの半径方向と接線方向に分けてばね値が設定される。   As shown in FIG. 20, from the current load P1 (1.13 times the design load P0) to the consolidated maximum load Pm (1.30 times the design load P0) corresponding to the state of the point H, the structural analysis model is used. Increase the applied load and calculate the cross-sectional force at each member. In FIGS. 18 to 20, the ring R of the segment G and the reinforcing structure 30 are shown apart from each other for easy understanding. However, in actual calculation, they are in close contact with each other as described later. Yes. In other words, the spring value is set for the ground contact surfaces of the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 separately for the radial direction and the tangential direction of the ring R.

この構造解析モデルでは前提条件として、地盤の圧密(現状の荷重P1および圧密の最大荷重Pm)により、リングRの半径方向において補強構造30の上方支持部32の頂面部とセグメントGの内空面とが相互に密着すると共に、補強構造30の下方支持部33の下面部とインバート部12の上面とが相互に密着しているものとしている。また、リングRの半径方向において構造解析モデルが圧縮される場合のばね値は無限大相当とし、引張が働く場合(離れる場合)のばね値は0になるものとしている。   In this structural analysis model, as a precondition, the top surface portion of the upper support portion 32 of the reinforcing structure 30 and the inner surface of the segment G in the radial direction of the ring R due to the consolidation of the ground (the current load P1 and the maximum load Pm of the consolidation). Are in close contact with each other, and the lower surface portion of the lower support portion 33 of the reinforcing structure 30 and the upper surface of the invert portion 12 are in close contact with each other. In addition, the spring value when the structural analysis model is compressed in the radial direction of the ring R is assumed to be infinite, and the spring value when tension is applied (when separated) is zero.

リングRの接線方向においても、圧縮力が作用するとせん断抵抗も大きくなることから、半径方向のばね値と同様に、構造解析モデルが圧縮される場合のばね値は無限大相当とし、引張が働く場合のばね値は0になるものとしている。   Even in the tangential direction of the ring R, if a compressive force is applied, the shear resistance increases, so that the spring value when the structural analysis model is compressed is equivalent to infinity, and the tension works, similarly to the spring value in the radial direction. In this case, the spring value is assumed to be zero.

図21に示されるように、セグメントGの内空側の主鉄筋S1の厚さが腐食によって1mmとなったときのセグメントGに加えられる曲げモーメントMと変化する曲率Φとの関係を示すM−Φ関係が用いられる。ここで、計算に用いたM−Φ関係は、セグメントGの主鉄筋S1の配筋方向の軸力に依存し、代表的なケースとして軸力が400kNの場合のM−Φ関係が示されている。また、現状でトンネル内面側の主鉄筋S1しか腐食が認められないことから、トンネル外面側の主鉄筋S1は腐食しないものとする。   As shown in FIG. 21, M− indicates the relationship between the bending moment M applied to the segment G and the changing curvature Φ when the thickness of the main reinforcing bar S1 on the inner space side of the segment G becomes 1 mm due to corrosion. The Φ relationship is used. Here, the M-Φ relationship used for the calculation depends on the axial force in the reinforcing bar arrangement direction of the main reinforcing bar S1 of the segment G, and the M-Φ relationship in the case where the axial force is 400 kN is shown as a typical case. Yes. In addition, since corrosion is recognized only in the main rebar S1 on the inner surface side of the tunnel at present, the main rebar S1 on the outer surface side of the tunnel is not corroded.

セグメントGの継手部を示す回転ばねのモデルには、既知の方法が用いられる。ただし、シールドトンネル10の竣工から35年が経過し継手部の締結力は期待できないことから、継手部が離間した後のばね値が採用される。リングR同士を連結するせん断ばねのモデルについても既知の方法に基づいて、例えばトリリニアモデルを採用している。なお、現状で継手部の腐食が主鉄筋S1に比して軽微であることから、回転ばね特性は変化しないものとする。   A known method is used for the model of the rotary spring showing the joint portion of the segment G. However, since 35 years have passed since the completion of the shield tunnel 10 and the fastening force of the joint portion cannot be expected, the spring value after the joint portion is separated is adopted. For example, a trilinear model is adopted for a model of a shear spring that connects the rings R to each other based on a known method. In addition, since the corrosion of the joint part is lighter than that of the main rebar S1 at present, the rotation spring characteristics are not changed.

図22に示されるように、上記前提条件等に基づいて設定された各諸元を用いて、構造解析モデルに基づいて既設のシールドトンネル10及び補強構造30に生じる応力が荷重状態に従って演算される。図23及び図24は、構造解析モデルに基づいて解析した解析結果である。図23に示されるように、現状の荷重P1から圧密の最大荷重Pmへ荷重値が上がる際に、セグメントGに発生する軸力は440kNから442kNとほとんど変化しない。   As shown in FIG. 22, the stress generated in the existing shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 is calculated according to the load state based on the structural analysis model, using each item set based on the above preconditions and the like. . 23 and 24 show analysis results analyzed based on the structural analysis model. As shown in FIG. 23, when the load value increases from the current load P1 to the maximum consolidated load Pm, the axial force generated in the segment G hardly changes from 440 kN to 442 kN.

その後、補強構造30の支柱部31断面に発生する軸力は75.9kNから300kNと大きく変化する。この解析結果は、荷重増加に伴って補強構造30が有効に機能するという荷重履歴(図16参照)を再現している。また、リングRの曲げモーメントMについても63.8kNmから70.2kNmとなり、増加率は10%程度である。   Thereafter, the axial force generated in the cross section of the column portion 31 of the reinforcing structure 30 varies greatly from 75.9 kN to 300 kN. This analysis result reproduces a load history (see FIG. 16) that the reinforcing structure 30 functions effectively as the load increases. The bending moment M of the ring R is also changed from 63.8 kNm to 70.2 kNm, and the increase rate is about 10%.

すなわち、変動荷重比αが1.13から1.30と15%以上増加し、かつ側方土圧係数λが0.80から0.67と15%以上減少した場合、鉛直土圧と側方土圧のバランスが悪化するにもかかわらず、補強構造30は、荷重を負担してセグメントGに発生する断面力が増加することを抑制している。   That is, when the variable load ratio α increases from 1.13 to 1.30, 15% or more, and the lateral earth pressure coefficient λ decreases from 0.80, 0.67, 15% or more, the vertical earth pressure and the side Despite the deterioration of the earth pressure balance, the reinforcing structure 30 bears a load and suppresses an increase in the cross-sectional force generated in the segment G.

図24には、上記の荷重履歴に従って、曲げモーメント図と軸力図についてリングRと補強構造30とにそれぞれ演算結果が示されている。図示するように、シールドトンネル10のリングRに生じる曲げモーメントMと軸力は変化が少ないのに対し、補強構造30の曲げモーメントM及び軸力は荷重の増加に従っていずれも増加する。   FIG. 24 shows the calculation results for the ring R and the reinforcing structure 30 for the bending moment diagram and the axial force diagram, respectively, according to the load history. As shown in the figure, the bending moment M and the axial force generated in the ring R of the shield tunnel 10 change little, whereas the bending moment M and the axial force of the reinforcing structure 30 both increase as the load increases.

特に、図24(a)に示されるように、構造解析モデルによると、現状の荷重P1が加わる応力状態でセグメントGの主鉄筋S1の腐食に伴って補強構造30の上方支持部32に曲げモーメントMが発生している状況が再現される。上述したように、荷重モデルを追跡した構造解析モデルを構築して補強柱体の設計を行うことにより、適切にセグメントGと補強構造30の各々に発生する応力を演算できる。   In particular, as shown in FIG. 24A, according to the structural analysis model, the bending moment is applied to the upper support portion 32 of the reinforcing structure 30 in accordance with the corrosion of the main reinforcing bar S1 of the segment G in the stress state where the current load P1 is applied. The situation where M occurs is reproduced. As described above, the stress generated in each of the segment G and the reinforcing structure 30 can be appropriately calculated by building the structural analysis model that tracks the load model and designing the reinforcing column.

次に、上記方法で演算された応力に基づいて設計された補強構造30の耐力を判定する。補強構造30の耐力は、既知の式(7)に基づく構造照査によって判定される。構造照査によって、補強構造30に発生する動的な発生断面力に基づく応答値と予め定められた構造照査項目に決定される限界値から補強構造30の耐力が判定される。即ち、設計された補強構造の耐力は、補強構造30に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定される。

Figure 2018123563
ここで、
Sd:応答値
Rd:限界値
γi:構造物係数(=1.0)
である。 Next, the proof stress of the reinforcing structure 30 designed based on the stress calculated by the above method is determined. The yield strength of the reinforcing structure 30 is determined by structural verification based on the known equation (7). By the structural verification, the proof strength of the reinforcing structure 30 is determined from a response value based on a dynamic generated sectional force generated in the reinforcing structure 30 and a limit value determined by a predetermined structural verification item. That is, the proof stress of the designed reinforcing structure is determined based on a response value generated with respect to a dynamic load applied to the reinforcing structure 30.
Figure 2018123563
here,
S d : Response value
R d : Limit value γ i : Structural coefficient (= 1.0)
It is.

限界値は、現状の荷重P1に対する降伏応力値によって、また圧密の最大荷重Pmに対しては終局断面耐力で決定される。決定された限界値を図25及び図26に示す。限界値に対する応答値の照査は、図27及び図28に示すとおりであり、セグメントGと補強構造30で値が全て1.0以下となり、耐荷性能を満足することが判定される。なお、上述した補強設計では地震時の照査も実施され、レベル1地震動およびレベル2地震動に対し,既設のシールドトンネル10と補強構造30とは共に耐荷性能を満足していることが確認された。   The limit value is determined by the yield stress value with respect to the current load P1, and with the ultimate cross-sectional yield strength with respect to the maximum consolidation load Pm. The determined limit values are shown in FIGS. The verification of the response value with respect to the limit value is as shown in FIG. 27 and FIG. 28, and it is determined that the values of the segment G and the reinforcing structure 30 are all 1.0 or less and the load bearing performance is satisfied. In addition, in the reinforcement design mentioned above, the verification at the time of an earthquake was also implemented, and it was confirmed that the existing shield tunnel 10 and the reinforcement structure 30 satisfy the load resistance performance against the level 1 and level 2 earthquake motions.

以下、上記の設計方法によって設計された補強構造30のシールドトンネル10内における複数の支柱部31の設置間隔Dについて説明する。図29に示されるように、複数の支柱部31は、シールドトンネル10内にトンネル軸Lに沿って配置される。各支柱部31は、支柱部31のトンネル軸Lに沿った方向の中心の位置がシールドトンネル10のリングR同士の継ぎ目Uの位置となるように配置される。鉛直荷重がシールドトンネル10に加わると、支柱部31断面に発生する軸力によって、上方支持部32と天板部11のセグメントGに内に45度をなす、せん断面Tが生じる。   Hereinafter, the installation interval D of the plurality of column portions 31 in the shield tunnel 10 of the reinforcing structure 30 designed by the above design method will be described. As shown in FIG. 29, the plurality of support columns 31 are arranged along the tunnel axis L in the shield tunnel 10. Each support column 31 is arranged such that the center position of the support column 31 in the direction along the tunnel axis L is the position of the joint U between the rings R of the shield tunnel 10. When a vertical load is applied to the shield tunnel 10, a shear surface T that forms 45 degrees in the segment G of the upper support portion 32 and the top plate portion 11 is generated by the axial force generated in the cross section of the support column portion 31.

鉛直荷重がシールドトンネル10に加わった際、隣接する支柱部31によって生じる、各せん断面Tの交点がセグメントG内となるように支柱部31の設置間隔Dが決定される。これにより支柱部31のトンネル軸Lに沿った方向の幅Wが決定される。そして、上記の設計方法によって算出された補強構造30に発生する応力に基づいて支柱部31のトンネル軸に直交する方向の幅も決定される。セグメントGに想定外の方向の力が加わることが防止され、セグメントGに対して安全な設計とすることができる。   When a vertical load is applied to the shield tunnel 10, the installation interval D of the column portions 31 is determined so that the intersection of the shear surfaces T generated by the adjacent column portions 31 is in the segment G. Thereby, the width W in the direction along the tunnel axis L of the support column 31 is determined. And the width | variety of the direction orthogonal to the tunnel axis | shaft of the support | pillar part 31 is also determined based on the stress which generate | occur | produces in the reinforcement structure 30 calculated by said design method. A force in an unexpected direction is prevented from being applied to the segment G, and a safe design for the segment G can be achieved.

次に、補強構造30の設計方法の流れについて図30に従って説明する。劣化が無いシールドトンネル10の荷重状態を示す設計上の第1曲線に基づいて、既知の現状の荷重P1によって生じる第1変位量δ1を求める(S100)。想定される劣化状態にあるシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、第1変位量δ1を生じさせる仮想荷重(第2荷重)を求める(S101)。第1荷重と第2荷重との差に基づいて補強構造30の強度を求める(S102)。補強構造30を設置した後、第1変位量における第2荷重を初期値として、補強後のシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第3曲線を求める(S103)。   Next, the flow of the design method of the reinforcing structure 30 will be described with reference to FIG. A first displacement amount δ1 caused by a known current load P1 is obtained based on a first design curve indicating the load state of the shield tunnel 10 without deterioration (S100). Based on the second curve showing the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 in the assumed deteriorated state and the displacement, a virtual load (second load) that causes the first displacement δ1 is obtained (S101). The strength of the reinforcing structure 30 is obtained based on the difference between the first load and the second load (S102). After the reinforcement structure 30 is installed, a third curve indicating the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 after reinforcement and the displacement amount is obtained using the second load at the first displacement amount as an initial value (S103).

第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する(S104)。将来の変位量が生じた場合におけるシールドトンネル10の本体及び補強構造30に生じる応力をシールドトンネル10と補強構造30とをはりとばねで構成してモデル化した構造解析モデルに基づいて演算する(S105)。演算した応力に基づいて設計された補強構造30の耐力を補強構造30に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する(S106)。   Based on the third curve, a future displacement amount with respect to an assumed future load is calculated (S104). The stress generated in the main body of the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 when a future displacement occurs is calculated based on a structural analysis model in which the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 are modeled by a beam and a spring ( S105). The proof stress of the reinforcing structure 30 designed based on the calculated stress is determined based on a response value generated with respect to a dynamic load applied to the reinforcing structure 30 (S106).

上述したように補強構造30の設計方法によると、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じた補強対策を行うことができる。即ち、補強構造30の設計方法によると、シールドトンネル10に加わる荷重の荷重履歴を追跡することで補強構造30が負担する荷重を合理的に設定できる。そして、補強構造30の設計方法によると、設定された補強構造30が負担する荷重に基づいて補強構造30の諸元を合理的に設定することができ、過剰な設計を低減することができる。更に、補強構造30の設計方法によると、設定された補強構造30の諸元に基づく補強構造30の耐力を判定することで補強構造30の安全性を評価することができる。   As described above, according to the design method of the reinforcing structure 30, it is possible to take a reinforcing measure according to the degree of progress of deterioration of the existing structure. That is, according to the design method of the reinforcing structure 30, the load borne by the reinforcing structure 30 can be set rationally by tracking the load history of the load applied to the shield tunnel 10. And according to the design method of the reinforcement structure 30, the specification of the reinforcement structure 30 can be set rationally based on the load which the set reinforcement structure 30 bears, and an excessive design can be reduced. Furthermore, according to the design method of the reinforcing structure 30, the safety of the reinforcing structure 30 can be evaluated by determining the strength of the reinforcing structure 30 based on the set specifications of the reinforcing structure 30.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

例えば、上記実施形態では、既設のシールドトンネル10の補強構造30について例示したが、上記の補強構造の設計方法は他の既設構造物の補強に対しても適用できる。例えば、既設構造物は、荷重状態にある他の鉄筋コンクリート構造物としてもよい。その他、上記の補強構造の設計方法は、将来劣化のおそれがある既設構造物であればどのようなものに適用してもよい。その場合、荷重履歴を演算した後、上記の構造解析モデルを他の既設構造物の形状に合わせて構築して応力計算を行えばよい。また、上記の主鉄筋S1の残存量の推定方法に用いた主鉄筋S1はフラットバーを例示したが、上記の推定方法は他の形状の鉄筋に対しても適用してもよい。   For example, in the above-described embodiment, the reinforcing structure 30 of the existing shield tunnel 10 has been illustrated, but the above-described reinforcing structure design method can be applied to the reinforcement of other existing structures. For example, the existing structure may be another reinforced concrete structure in a loaded state. In addition, the above-described reinforcing structure design method may be applied to any existing structure that may be deteriorated in the future. In that case, after calculating the load history, the above structural analysis model may be constructed in accordance with the shape of another existing structure to perform stress calculation. Moreover, although the main reinforcing bar S1 used for the estimation method of the remaining amount of the main reinforcing bar S1 is a flat bar, the above estimating method may be applied to reinforcing bars of other shapes.

10 シールドトンネル
11 天板部
12 インバート部
30 補強構造
31 支柱部
32 上方支持部
33 下方支持部
C コンクリート部
G セグメント
R リングS 鉄筋
S1 主鉄筋
S2 配力鉄筋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Shield tunnel 11 Top plate part 12 Invert part 30 Reinforcement structure 31 Support | pillar part 32 Upper support part 33 Lower support part C Concrete part G Segment R Ring S Reinforcement S1 Main reinforcement S2 Power distribution reinforcement

Claims (7)

既設構造物の補強構造の設計方法であって、
前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す設計上の第1曲線に基づいて、前記既設構造物に加わる第1荷重によって生じる第1変位量を求める初期変位量演算工程と、
想定される劣化状態にある前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、前記第1変位量を生じさせる第2荷重を求める劣化後荷重演算工程と、
前記第1荷重及び前記第2荷重との差に基づいて前記既設構造物を補強するための補強構造の強度を演算する補強構造強度演算工程と、を備える、
既設構造物の補強構造の設計方法。
A method for designing a reinforcing structure of an existing structure,
An initial displacement amount calculating step for obtaining a first displacement amount generated by a first load applied to the existing structure based on a first design curve indicating a relationship between a load acting on the existing structure and a displacement amount;
A post-degradation load calculation step for obtaining a second load that causes the first displacement amount based on a second curve indicating a relationship between a load acting on the existing structure in an assumed deterioration state and a displacement amount;
A reinforcing structure strength calculating step of calculating the strength of a reinforcing structure for reinforcing the existing structure based on the difference between the first load and the second load.
Design method for reinforcement structure of existing structures.
前記補強構造を設置した後、前記第1変位量における前記第2荷重を初期値として、補強後の前記既設構造物に作用する荷重と前記変位量との関係を示す第3曲線を求める補強後曲線演算工程と、
前記第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する将来変位量演算工程と、
を更に備える、
請求項1に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
After the reinforcement structure is installed, the second load at the first displacement amount is used as an initial value, and a third curve indicating the relationship between the load acting on the existing structure after reinforcement and the displacement amount is obtained after reinforcement. Curve calculation process;
A future displacement amount calculating step of calculating a future displacement amount with respect to an assumed future load based on the third curve;
Further comprising
The design method of the reinforcement structure of the existing structure of Claim 1.
前記将来の荷重及び前記将来の変位量に基づく荷重状態における前記既設構造物の本体及び前記補強構造に生じる応力をモデル化された前記既設構造物と前記補強構造とを用いた構造解析モデルに基づいて演算する応力演算工程と、
を更に備える、
請求項2に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
Based on a structural analysis model using the existing structure and the reinforcing structure in which stresses generated in the main body of the existing structure and the reinforcing structure in a load state based on the future load and the future displacement amount are modeled. A stress calculation process for calculating
Further comprising
The design method of the reinforcement structure of the existing structure of Claim 2.
演算した前記応力に基づいて設計された前記補強構造の耐力を前記補強構造に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する判定工程と、を更に備える、
請求項3に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
A determination step of determining the yield strength of the reinforcing structure designed based on the calculated stress based on a response value generated with respect to a dynamic load applied to the reinforcing structure,
The design method of the reinforcement structure of the existing structure of Claim 3.
前記劣化後荷重演算工程は、前記第2曲線を決定するために、
前記既設構造物を構成する複数の構造部材の残存量の分布を示す分布曲線を決定する分布曲線決定工程と、
前記分布曲線を経時的に変化させるパラメータを演算するパラメータ演算工程と、
所定の期間経過後に対応する前記パラメータで算出される前記分布曲線に基づいて統計的に将来の前記構造部材の前記残存量を推定する構造部材残存量推定工程と、を更に備える、
請求項1から4のいずれか1項に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
In the post-deterioration load calculating step, in order to determine the second curve,
A distribution curve determining step for determining a distribution curve indicating a distribution of residual amounts of a plurality of structural members constituting the existing structure;
A parameter calculation step for calculating a parameter for changing the distribution curve over time;
A structural member remaining amount estimating step that statistically estimates the remaining amount of the future structural member based on the distribution curve calculated with the corresponding parameter after a predetermined period of time;
The design method of the reinforcement structure of the existing structure of any one of Claim 1 to 4.
請求項1から5のいずれか1項に記載の設計方法による設計工程と、
前記設計工程で設計された補強構造を構築する補強工程と、を備える、
既設構造物の補強構造の構築方法。
A design process by the design method according to any one of claims 1 to 5,
A reinforcement step of constructing a reinforcement structure designed in the design step,
A method of constructing a reinforcement structure for existing structures.
管路構造物の内空壁の天端においてトンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される上方支持部と、
前記内空壁の下端において前記トンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される下方支持部と、
前記トンネル軸方向に沿って所定の間隔で配置されると共に、前記上方支持部と前記下方支持部とを連結する複数の支柱部と、を備える、
既設構造物の補強構造。
An upper support portion arranged continuously along the tunnel axis direction at the top end of the inner empty wall of the pipe structure, and arranged along the circumferential direction of the inner empty wall;
A lower support portion arranged continuously along the tunnel axis direction at the lower end of the inner empty wall, and arranged along the circumferential direction of the inner empty wall;
A plurality of struts arranged at predetermined intervals along the tunnel axis direction and connecting the upper support part and the lower support part;
Reinforcement structure for existing structures.
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