JP2020148018A - 地盤振動予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新設高架橋の建設予定地で、該新設高架橋に列車を走行させたときに生じる周辺での地盤振動の予測方法において、類似する地盤での地盤振動の測定データを用いて、より高い精度で予測を得ようとする地盤振動予測方法を提供する。【解決手段】列車３０通過時に既存高架橋から橋脚１１０を介して参照地盤１０へ入力された振動を橋脚の周囲の参照測定位置において第１振動データとして測定する実車測定工程と、対象地盤における新設高架橋の橋脚位置に対応させ、第１振動データを入力したときの対象地盤の地盤振動を予測する振動予測工程と、を含む。ここで、既存高架橋及び新設高架橋はそれぞれの橋脚の下端にフーチング１１６を備え、参照測定位置ＳＰがフーチングを地表面に投影した投影領域よりも外側に設けられていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、新設高架橋の建設予定地において該新設高架橋に列車を走行させたときに生じるその周辺での地盤振動の予測方法に関する。

高速で走行する新幹線や都市部近郊の通勤路線などを中心に、鉄道と道路の平面交差を避け、高架橋を設けて立体交差をさせて列車を走行させている。このような高架橋において、走行する列車によって生じる振動が高架橋から地盤を伝播し、周辺の住宅等に影響を及ぼすことがある。そこで、鉄道沿線における環境維持の目的において、高架橋を新規に建設する場合や、既存の高架橋に新たな車両を走行させる場合に、事前に地盤振動を予測しておくことが必要とされる。

ここで、非特許文献１では、列車走行にともなって沿線に生じる振動を予測する手法について述べている。まず、過去の振動測定の統計データを利用し、新たな箇所での振動を予測する方法が一般的に用いられているとしている。しかしながら、この方法は、多くの現地測定データを統計処理する必要があるとともに、対象とする列車の車両の違いや、構造物、地盤などの条件の相違などから、現実的な予測をすることは難しい、ともしている。一方、車両、軌道、構造物、地盤などを数値解析モデルで作成し、解析のみで予測を行う方法も提案されているが、計算量が膨大となるため、数値解析上の種々の工夫が必要となる、ともしている。

例えば、特許文献１には、実際の現場での振動データを取得する作業に代えて、地盤及び橋脚の双方をそれぞれモデル化し、複数の橋脚からのエネルギー伝搬を考慮して、着目位置におけるエネルギー和を計算し地盤振動を予測する方法が開示されている。事前に行った地盤調査の結果に基づいて地盤の構造解析を行うとともに、対象となる橋脚および基礎の形式、形状の調査の結果に基づいて橋脚のモデル化を行うのである。この得られた地盤モデル及び橋脚モデルを用いて、各橋脚から伝播する加速度波形を算出し、着目位置の振動レベルの予測値を算出している。

特開２０１７−４８５８３号公報

野寄真徳、横山秀史著；「列車走行にともなって沿線に生じる列車騒音を予測する」；ＲＲＲ誌、Ｖｏｌ．７４ Ｎｏ．１０、２０１７年１０月号

特許文献１に開示の方法においても、地盤モデル及び橋脚モデルのモデル化は容易ではなく、演算負荷も大きくなる。そこで、非特許文献１でも述べられているように、高架橋建設予定地の地盤と類似する地盤であって且つ既存の高架橋を有する場所での地盤振動の測定データを用いて、該建設予定地の周辺の地盤での地盤振動を予測する方法が提案されている。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、新設高架橋の建設予定地で、該新設高架橋に列車を走行させたときに生じるその周辺での地盤振動の予測方法において、類似する地盤での地盤振動の測定データを用いて、より高い精度で予測を得ようとする予測方法を提供することにある。

本発明による地盤振動予測方法は、新設高架橋の建設予定地の対象地盤における地盤振動について、該対象地盤に対応し既存高架橋を有する参照地盤で測定された測定データを用いて予測する方法であって、列車通過時に前記既存高架橋から橋脚を介して前記参照地盤へ入力された振動を、前記橋脚の周囲の参照測定位置において第１振動データとして測定する実車測定工程と、前記対象地盤における前記新設高架橋の橋脚位置に対応させ、前記第１振動データを入力したときの前記対象地盤の地盤振動を予測する振動予測工程と、を含み、前記既存高架橋及び前記新設高架橋は、それぞれの橋脚の下端にフーチングを備え、前記参照測定位置が前記フーチングを地表面に投影した投影領域よりも外側に設けられていることを特徴とする。

かかる発明によれば、橋脚を介して地盤に入力される振動の伝搬についての振動予測工程での誤差を低減し、新設高架橋の建設予定地での列車走行時に生じる周辺での地盤振動の予測精度を高めることが可能となる。

上記した発明において、前記参照測定位置は、前記投影領域よりも外側に１ｍ以上３ｍ以下で離して設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、橋脚を介して地盤に入力される振動の伝搬についての誤差をより低減でき、新設高架橋の建設予定地での列車走行時に生じる周辺での地盤振動の予測精度をより高めることが可能となる。

上記した発明において、前記振動予測工程は、前記新設高架橋の橋脚位置に打撃を加えたときの前記対象地盤の上にあり前記参照測定位置に対応する基準測定位置及びこれから離間した測定位置において、前記打撃が伝搬した地盤振動の第２振動データをそれぞれ測定し、前記打撃と前記第２振動データとの実測伝播関数を定義する工程と、前記実測伝播関数に前記第１振動データを入力して演算し、前記測定位置の振動状態を予測する工程と、を含むことを特徴としてもよい。また、前記打撃は重錘落下によることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、実測伝播関数を用いた新設高架橋の建設予定地での列車走行時に生じる周辺での地盤振動の予測精度をより高めることが可能となる。

上記した発明において、前記振動予測工程は、前記対象地盤の上にあり前記参照測定位置に対応する基準測定位置及びこれから離間した測定位置との距離、及び前記対象地盤の物性値に基づいて理論伝播関数を定義する工程と、前記理論伝播関数に前記第１振動データを入力して演算し、前記測定位置の振動状態を予測する工程と、を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基準測定位置及びこれから離間した測定位置との距離と地盤の物性値とに基づく理論伝播関数を用いた新設高架橋の建設予定地での列車走行時に生じる周辺での地盤振動の予測精度をより高めることが可能となる。

鉄道用高架橋の模式的構造を示す断面図である。 本発明による地盤振動予測方法を示す断面図であって、図２（ａ）は実車測定工程、図２（ｂ）は振動予測工程を示す。 本発明による地盤振動予測方法のフローチャートである。 本発明による他の実施例による地盤振動予測方法であって、振動予測工程のフローチャートである。 本発明による地盤振動予測方法を用いた予測結果を示すグラフである。

以下、本発明の代表的な一例による地盤振動予測方法の具体的な実施態様について、図１〜図５を用いて説明する。

図１に示すように、鉄道車両の走行する高架橋１は、典型的には、地盤２の上に橋脚１１０を設け、その上に高架スラブ１１２を設けこの上面に列車３０の走行する軌道２０を与えた鉄筋コンクリート構造となっている。

例えば、スラブ軌道に適用される高架橋１は、地盤２に立設された幅Ａを有する２本の橋脚１１０を一定間隔で軌道２０に沿って設け、これら橋脚１１０の上部で互いの間に渡された高架スラブ１１２がコンクリートで一体的に成形されている。高架スラブ１１２の上面には、軌道２０、ここでは複線の路線を構成する２本の軌道２０が設けられており、高架スラブ１１２の両側部には、軌道２０に沿って遮音壁１１４が形成されている。

橋脚１１０の下端には、橋脚１１０よりも広い幅Ｂを有する板状のフーチング１１６が一体的に形成されており、深さＤだけ地盤２に埋入した状態で固定されている。フーチング１１６は、地盤２と橋脚１１０との間に生じる荷重を受ける構造物として機能する。

ここで、軌道２０上を列車３０が走行すると、これにより生じる振動ＲＷが軌道２０の下面から高架スラブ１１２を介して橋脚１１０を伝播し、地面の位置に対応し且つ橋脚１１０の中央軸Ｃ上の入力点ＡＰから地盤２に入力される。そして、橋脚１１０を中心に放射状に広がるように伝播する。そこで、入力点ＡＰを加振位置として振動を地盤２に与える地盤振動シミュレーションなどが行われている。一方、シミュレーションに実際の測定データを反映させようとする場合、橋脚１１０の内部にある入力点ＡＰでの振動の測定は困難であるから、橋脚１１０の近傍の位置ＭＰでの振動を測定した測定データをシミュレーションに反映させることが考慮される。

ところで、高架スラブ１１２による上方からの荷重は、橋脚１１０を介してフーチング１１６の底部で主に支持されるから、かかる位置を加振位置に設定した地盤振動シミュレーションも考慮できる。もっとも、地盤振動シミュレーションに実際の測定データを反映させようとする場合、橋脚１１０の近傍の位置ＭＰでの振動を測定した測定データ自体は、実際に測定されたデータであり加振位置を逆算できれば、実際の加振位置がどこになるかは問題とならない。ところが、地盤振動シミュレーションでは、測定データ自体が正しくとも、その測定位置ＭＰによって地盤振動シミュレーションに反映させたときにシミュレーション精度が異なるのである。そこで、測定位置ＭＰと地盤振動予測方法の精度との関係について、本発明による地盤振動予測方法とともに述べる。

次に、本発明の代表的な一例による地盤振動予測方法について説明する。

図３に示すように、地盤振動予測方法は、新設高架橋の建設予定地の対象地盤と類似し、既存高架橋を有する参照地盤を選択する（参照地盤選択工程：Ｓ０）。次に、参照地盤での振動データを収集する（実車測定工程：Ｓ１）。かかる振動データが既に取得済みであれば、この後の工程にこれを用いても良いし、新たに取得してもよい。振動データは、列車通過時に既存高架橋から橋脚を介して参照地盤へ入力された振動を橋脚の周囲の参照測定位置において得たものである。後述するように、かかる参照測定位置は、橋脚から所定以上の距離だけ離れた位置にある。次に、対象地盤における前記新設高架橋の橋脚位置に対応させ、第１振動データを入力したときの対象地盤の地盤振動を予測するのである（振動予測工程：Ｓ２）。

詳細には、参照地盤の選択（Ｓ０）は、例えば、地盤硬さや地盤の構成成分、走行する列車の種類や運行速度、あるいは設置される構造物の構造において、新設高架橋の建設予定地と類似する箇所の地盤が選択される。このとき、少なくとも、新設する高架橋と類似する形状及び構造の既存高架橋を有し、想定される列車の種類が類似する路線の地盤を選択することが好ましい。これにより、後述する実車測定工程（Ｓ１）を実行する参照地盤１０が決定される。

図２（ａ）及び図３を参照すると、実車測定工程（Ｓ１）は、参照地盤選択工程（Ｓ０）で選択された参照地盤１０において、既存高架橋１００ａの橋脚１１０から距離Ｌ１となる任意の位置（参照測定位置ＳＰ）を決定するステップＳ１１と、参照測定位置ＳＰに振動検出器１２０を配置し実際の列車３０が走行したときの既存高架橋１００ａの橋脚１１０から入力点ＡＰ１から参照地盤１０へ入力し伝播した振動ＲＷを、参照測定位置ＳＰにおける第１の振動データとして測定するステップＳ１２と、を含む。

図２（ｂ）及び図３を参照すると、振動予測工程（Ｓ２）は、新設高架橋１００ｂの建設予定地である対象地盤１２において、仮想上の橋脚１１０が位置する第２の入力点ＡＰ２に、例えばハンマー打撃や重錘落下等による仮想の入力振動ＩＷを入力するステップＳ２１と、入力点ＡＰ２から距離Ｌ２となる基準測定位置ＳＰ１及び所定の測定位置ＳＰｎ（ｎ＝２、３、・・・）のそれぞれにおいて、ステップＳ２１で入力した入力振動ＩＷが伝播した伝播振動ＶＷの第２振動データを測定するステップＳ２２と、ステップＳ２２で取得した第２振動データに基づいて、対象地盤１２における入力振動ＩＷに対する基準測定位置ＳＰ１と任意の測定位置である測定位置ＳＰｎとのそれぞれの振動データの関係を規定した実測伝播関数を特定するステップＳ２３と、特定された実測伝播関数に対する入力として、実車測定工程（Ｓ１）で測定した第１の振動データを適用して演算することにより、地盤の任意の位置での振動状態を予測するステップＳ２４と、を含む。ここで、実測伝播関数としては、入力振動ＩＷと入力点からの距離に対する減衰特性を規定した関係式等が例示できる。

ここで、基準測定位置ＳＰ１は、第２の入力点ＡＰ２からの距離Ｌ２が距離Ｌ１と同一となるような位置（すなわちＬ１＝Ｌ２）とした。また、振動予測工程（Ｓ２）において、例えば図１等に示した複数の橋脚に対して複数の入力点を設定した複数の実測伝播関数を個別に特定し、これら複数の実測伝播関数から対象地盤の同一地点における振動状態を演算し、それらを重ね合わせることにより最終的な予測値としてもよい。

なお、本発明による地盤振動予測方法の他の実施例として、図３に示した振動予測工程Ｓ２に代えて、図４に示す振動予測工程（Ｓ２´）を実行してもよい。すなわち、他の実施例における振動予測工程（Ｓ２´）は、新設高架橋１００ｂの建設予定地である対象地盤１２に対して予め地盤調査を実施して、対象地盤１２の地盤データの物性値を取得するステップｓ２１と、得られた地盤データに基づいて、図２（ｂ）に示した第２の入力点からの距離と入力される仮想の入力振動ＩＷとの関係を規定する理論伝播関数を定義するステップｓ２２と、特定された実測伝播関数に対する入力として、実車測定工程（Ｓ１）で測定した第１の振動データを適用して演算することにより、新設高架橋１００ｂの建設予定地である対象地盤１２の任意の位置での振動状態を予測するステップｓ２３と、を含むように構成してもよい。このとき、上記理論式として、新設高架橋１００ｂのフーチングと同様の形状を有する橋脚モデルを採用するのが好ましい。これにより、新設高架橋１００ｂの建設予定地における実際の地盤での多数の測定点による繰り返しの測定にかかる手間を省くことができるとともに、フーチングの影響を考慮に入れることにより、さらに高精度な振動予測が可能となる。

次に、本発明による地盤振動予測方法により得られた結果について説明する。

図５では、橋脚１１０に対する参照測定位置ＳＰの距離と予測精度の関係を表した。すなわち、図３に示したフローによる結果と、従来法により時間を要するものの高精度にシミュレーションをした結果との対比を行っている。横軸には橋脚１１０からの参照測定位置ＳＰの距離Ｌ１（図２（ａ）参照）、縦軸には対比誤差を示した。

図５に示すように、距離Ｌ１がＡ／２のとき（図２（ａ）参照）、すなわち、振動検出器１２０を橋脚１１０に隣接して配置したときに比べて、距離Ｌ１が大きくなるに連れて予測誤差が小さくなっている。つまり、図３に示す実車測定工程（Ｓ１）において、参照測定位置ＳＰは、橋脚１１０の中心から離間した位置に設けることにより、振動予測工程（Ｓ２）で得られる予測結果の誤差が小さくなるとの結果が得られた。

このとき、橋脚１１０の中心から参照測定位置ＳＰまでの距離Ｌ１は、橋脚１１０の下端に設けられたフーチング１１６を地表面に投影した投影領域より外側、すなわち橋脚１１０の中心からフーチング１１６の端部までの幅Ｂ／２よりも大となる大きさとすれば、より予測精度が向上する。これは、参照測定位置ＳＰに伝播する振動が、実際には図２（ａ）に示した第１の入力点ＡＰ１だけでなく、地中にあるフーチング１１６の端部からも発生することから、その影響がより小さくなることが一因であると考えられる。

したがって、図３に示す実車測定工程（Ｓ１）を実施する際に、参照測定位置ＳＰとして、橋脚１１０の中心からフーチング１１６を地表面に投影した投影領域より外側の距離Ｌ１となる位置を選択することにより、上記した地盤振動の予測方法は、全体をモデル化して演算する従来技術による手法に対する代替技術として、十分な予測精度を確保できることがわかる。

これらのことから、上記した地盤振動の予測方法によれば、実車測定工程における参照測定位置として、橋脚のフーチングを地表面に投影した投影領域より外側となる位置を選択し、当該参照測定位置で測定した第１の振動データを振動予測工程における入力として適用することにより現地での振動予測値を精度良く演算できる。つまり、予測したい地盤が新規の現場のものであっても、橋脚を介して地盤に入力される振動の伝搬についての誤差を低減し、列車走行時に生じる周辺での地盤振動の予測精度を高めることができる。

以上、本発明による代表的な実施例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ 高架橋
１０ 参照地盤
１２ 対象地盤
２０ 軌道
３０ 列車
１１０ 橋脚
１１２ 高架スラブ
１１４ 遮音壁
１１６ フーチング
１２０ 振動検出器

Claims (5)

1. 新設高架橋の建設予定地の対象地盤における地盤振動について、該対象地盤に対応し既存高架橋を有する参照地盤で測定された測定データを用いて予測する地盤振動予測方法であって、
   列車通過時に前記既存高架橋から橋脚を介して前記参照地盤へ入力された振動を、前記橋脚の周囲の参照測定位置において第１振動データとして測定する実車測定工程と、
   前記対象地盤における前記新設高架橋の橋脚位置に対応させ、前記第１振動データを入力したときの前記対象地盤の地盤振動を予測する振動予測工程と、を含み、
   前記既存高架橋及び前記新設高架橋は、それぞれの橋脚の下端にフーチングを備え、前記参照測定位置が前記フーチングを地表面に投影した投影領域よりも外側に設けられていることを特徴とする地盤振動予測方法。
2. 前記参照測定位置は、前記投影領域よりも外側に１ｍ以上３ｍ以下で離して設けられていることを特徴とする請求項１記載の地盤振動予測方法。
3. 前記振動予測工程は、
   前記新設高架橋の橋脚位置に打撃を加えたときの前記対象地盤の上にあって前記参照測定位置に対応する基準測定位置及びこれから離間した測定位置において、前記打撃が伝搬した地盤振動の第２振動データをそれぞれ測定し、前記打撃と前記第２振動データとの実測伝播関数を定義する工程と、
   前記実測伝播関数に前記第１振動データを入力して演算し、前記測定位置の振動状態を予測する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤振動予測方法。
4. 前記打撃は重錘落下によることを特徴とする請求項３記載の地盤振動予測方法。
5. 前記振動予測工程は、
   前記対象地盤の上にあって前記参照測定位置に対応する基準測定位置及びこれから離間した測定位置との距離、及び前記対象地盤の物性値に基づいて理論伝播関数を定義する工程と、
   前記理論伝播関数に前記第１振動データを入力して演算し、前記測定位置の振動状態を予測する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤振動予測方法。