JP4771173B2 - 掘削地盤におけるリバウンド量の推定方法および地盤掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤掘削により生じるリバウンドを高精度で推定する方法、およびそれに基づいて地盤掘削を行うための方法に関する。

開削工法により大規模な地盤掘削を行う際にはその周囲に対する影響を考慮する必要があり、特に掘削底面以深の地盤がリバウンドを生じることによって近接位置にある既存構造物が浮き上がってしまうことを防止するための充分な対策が必要である。
そのような対策が必要とされる場合の一事例を図４〜図５を参照して説明する。

図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、トンネルや地中軌道などの地中の既存構造物１の周囲および上方を取り囲むようにして地下駅舎などの地中の新設構造物２を構築するような場合には、図５に示すように新設構造物２の施工領域の周囲に不透水層３に達するような山止め壁４を施工してその内側を掘削することが通常であるが、そのような掘削を行うことにより掘削底面以深の地盤は上載荷重が除荷されて弾性歪みが解放されることになり、したがって上方に膨らむような変形（リバウンド）が生じて既存構造物１を浮き上がらせる事態も想定される。
特に、図示例のように掘削底面以深に地下水位の高い砂質土層（被圧帯水層）５があり、その上層に粘性土層（不透水層）６があるような場合には、砂質土層５の地下水圧によって粘性土層６が押し上げられて盛り上がるようないわゆる盤ぶくれが同時に生じる場合もある。

従来、そのようなリバウンドや盤ぶくれによる掘削底面の変形を防止するためには、ディープウエル工法等による揚水によって掘削領域内の地下水位を充分に低下させたり、掘削底面全体を増強するための地盤改良を予め行ったり、あるいは掘削領域を複数の工区に分割して段階的な掘削を行う、といった対策がなされることが一般的である。
また、たとえば特許文献１に示されるように掘削底面をアースアンカーによって定着するという工法や、特許文献２に示されるように既存の地下構造物の上方にその浮き上がりを防止するための押さえ手段を先行構築してから掘削するという工法が提案されている。さらに、特許文献３には、掘削底部地盤の変状をＦＥＭ解析により予測する手法についての提案がある。
特開平４−１７４１３４号公報 特開２００６−１１２１４８号公報 特開２００３−２０６４９号公報

いずれにしても、この種の掘削工事を計画し施工するに際しては、既存構造物１に対する悪影響の排除のみならず、施工精度や施工効率の向上、さらには施工安全性を確保するうえにおいても、リバウンド発生の可能性やその程度を予め高精度で予測しておくことが必要とされるが、従来においてはそのための有効適切な手法は確立されていない。
特に、特許文献３に示されるようなＦＥＭ解析により地盤変状を予測する場合においては、対象地盤の変形特性を示す指標である変形係数（地盤の有効応力と歪みとの比）を正確に求める必要があるが、従来においてはその変形係数を現地からサンプリングした試料を対象として土質試験により実験的に求めるしかなく、したがって必ずしも正確な変形係数を求めることができないものであった。そのため、そのような変形係数に基づいて実施するＦＥＭ解析によることでは予測値が実測値と大きく乖離してしまうことも多く、結果としてかなりの安全率を見込む必要があって有効かつ信頼性の高い効果的なリバウンド対策を講じることができない場合があった。

上記事情に鑑み、本発明は地盤掘削の際に発生すると予想されるリバウンド量を予め高精度で推定することのできる有効適切な推定方法を提供し、併せて、リバウンドを抑制しつつ掘削を行うことのできる有効適切な地盤掘削方法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、地盤掘削に際して掘削底面以深の地盤が変形することによって生じるリバウンド量を推定するための方法であって、掘削対象地盤に設けた井戸を通して掘削底面以深の地盤から地下水を揚水した後、揚水を停止して地下水位を回復させ、その間における地盤内の間隙水圧と鉛直方向の変位量を計測する揚水・回復試験を行い、前記揚水・回復試験による間隙水圧と鉛直方向の変位量の計測値に基づいて、掘削底面以深の地盤の鉛直方向の有効応力と歪みとの比である変形係数を求め、該変形係数を用いてＦＥＭ解析を行うことによってリバウンド量を推定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、地盤掘削に際して掘削底面以深の地盤が変形することによって生じるリバウンド量を予め推定し、該推定値を管理基準として掘削底面を所定レベルまで掘削するための地盤掘削方法であって、請求項１記載の発明の推定方法によりリバウンド量を推定し、該推定値を管理基準として地盤を掘削するとともに、リバウンド量が推定値を超えた際には前記井戸を通して掘削底面以深の地盤より揚水を行うことにより、該地盤内の間隙水圧を再び低下させてリバウンド量を抑制することを特徴とする。

本発明によれば、掘削前に実施する揚水・回復試験によって地盤の変形係数を正確に求めることができ、その変形係数を用いてＦＥＭ解析を行うことによってリバウンド量の予測を高精度で行うことが可能であり、したがってその想定値を管理指標として掘削を行うことにより、従来に比べてより効果的かつ有効なリバウンド対策を講じることが可能である。

また、揚水・回復試験によって揚水量と沈下量との関係を予め把握しておくことにより、リバウンド量が推定値を超えたような場合には井戸を通して揚水を行うことによって地盤を沈下させることができるとともに、想定以上のリバウンドをキャンセルするような適正な揚水量を設定することができ、したがって最も合理的かつ効果的なリバウンド対策が可能であって既存構造物が浮き上がるといった重大な悪影響を確実に回避することが可能である。

図１〜図３を参照して本発明の実施形態を説明する。
本実施形態は図４〜図５に示した事例への適用例であって、既存構造物１の周囲および上方に新設構造物２を施工するために既存構造物１の周囲を掘削する際にその掘削により生じると想定されるリバウンド量を公知のＦＥＭ解析により予測することを基本とする。
但し、上述したように従来のＦＥＭ解析手法では対象地盤の変形係数を現地からサンプリングした試料によって実験的に求めるものであり、それにより必ずしも正確な変形係数を求めることができないものであったことから、本実施形態では対象地盤の変形係数を現地での揚水・回復試験を行うことによって高精度で求めることを主眼とするものである。

すなわち、本実施形態では、図１に示すように掘削に先立ってまず不透水層３に達する井戸７を設けるとともに、砂質土層５および粘性土層６内の要所には間隙水圧を測定するための水圧センサ８を設け、また、各層の境界位置および要所に鉛直方向の変位を測定するための変位センサ９を設ける。なお、井戸７はディープウエルを兼用可能である。
そして、井戸７を通して砂質土層５から連続的に揚水を行うと、砂質土層５の地下水位は図示しているように初期水位から漸次低下していって長時間（たとえば２週間程度）が経過した後には最終水位まで低下する。それに伴い、砂質土層５では間隙水圧が低下して有効応力が増加する（これは砂質土層５に載荷したことと等価である）ことによって弾性沈下が生じ、また粘性土層６においても特にその下層部では間隙水圧が低下して圧密沈下が生じる。
その後、揚水を停止すれば所定期間後には水位は自然回復し、それに伴い各層の間隙水圧が増加するように回復して有効応力が低下し（これは除荷したことと等価である）、各層の変位（沈下）も回復する。

そこで、上記の揚水による水位低下から揚水停止による水位回復の間において、水圧センサ８により各層の間隙水圧を計測し、かつ変位センサ９により各層の変位を計測する。
これにより、間隙水圧の変化から各層の有効応力σ’が求められ、また鉛直方向の変位を層厚で除すことにより各層の歪みεが求められるから、この揚水・回復試験の間における有効応力σ’と歪みεとの関係とその変化の状況を図２に示すようにグラフ化すれば、その履歴曲線から各層の平均的な変形係数Ｅ（有効応力σ’と歪みεとの比。すなわちＥ＝σ’／ε）を精度良く求めることができる。
具体的には、粘性土層６については図２（ａ）に示すように２カ所の計測点での計測結果である２本の履歴曲線のそれぞれに対して近似直線を求め、それら２本の近似直線の勾配の平均値を変形係数Ｅとして決定する。同様に、砂質土層５については図２（ｂ）に示すように３カ所の計測点での計測結果である３本の履歴曲線から３本の近似直線を求め、それら近似直線の勾配の平均値を変形係数Ｅとして決定する。
その結果、図示例の場合には粘性土層６の変形係数はＥ＝１３９，０００ｋＮ／ｍ^２となり、砂質土層５の変形係数はＥ＝５０７，０００ｋＮ／ｍ^２となったが、比較のために従来手法（試料サンプリングによる実験的手法）により変形係数を求めてみると、粘性土層６の変形係数はＥ＝１７，５００ｋＮ／ｍ^２であり、砂質土層５の変形係数は１５０，０００ｋＮ／ｍ^２であって、双方の結果に大きな差が生じた。

以上により粘性土層６および砂質土層５の変形係数が正確に求められたので、それらの変形係数を用いてＦＥＭ解析を行ってリバウンド量を予測する。図３はその結果を示すもので、地盤表層部に対する一次掘削を行った段階では既存構造物１に対して１１．７ｍｍの変位が生じると予測され、掘削底面までの最終掘削を行った段階では４２．７ｍｍの変位が生じることが予測されるという結果となった。なお、本例は掘削底面に地盤改良を施した場合の例である。
それに対し、従来の実験的手法で決定した変形係数を用いて同様のＦＥＭ解析を行った場合には、一次掘削の段階では１５．９ｍｍ、最終掘削の段階では８４．４ｍｍとなり、本実施形態による解析結果に比較してかなり過大な結果となった。

このように、揚水・回復試験によって地盤の変形係数を求め、その変形係数を用いてＦＥＭ解析を行うことにより、従来に比べてリバウンド量の予測を高精度で行うことが可能となり、したがってその想定値を管理指標として掘削を行うことにより、従来に比べてより効果的かつ有効なリバウンド対策を講じることが可能である。

また、上記のようにリバウンド量の想定値を管理指標として掘削底面を所定レベルまで掘削した際に、仮にリバウンド量が推定値を超えたような場合には、揚水試験に使用した井戸７を通して揚水を行うことにより、掘削底面以深の地盤の間隙水圧を再び低下させて各層を沈下させることができ、それによりリバウンド量を抑制することが可能となる。
その場合、掘削前に実施した揚水・回復試験により揚水量と沈下量との関係を予め把握しておくことが可能であるから、その関係に基づいて適正な揚水量を設定することによって想定以上のリバウンドをキャンセルすることができ、したがって最も合理的かつ効果的なリバウンド対策が可能であって、既存構造物１が浮き上がるといった重大な悪影響を確実に回避することが可能である。

本発明の実施形態を示すもので、掘削前に実施する揚水・回復試験の概要を示す図である。 同、地盤の変形係数を求めるための手法の説明図である。 同、ＦＥＭ解析の結果を示す図である。 既存構造物の周囲を掘削して新設構造物を設ける場合の一事例を示す図である。 同、掘削時の状況を示す図である。

符号の説明

１ 既存構造物
２ 新設構造物
３ 不透水層
４ 山止め壁
５ 砂質土層
６ 粘性土層
７ 井戸
８ 水圧センサ
９ 変位センサ

Claims (2)

1. 地盤掘削に際して掘削底面以深の地盤が変形することによって生じるリバウンド量を推定するための方法であって、
   掘削対象地盤に設けた井戸を通して掘削底面以深の地盤から地下水を揚水した後、揚水を停止して地下水位を回復させ、その間における地盤内の間隙水圧と鉛直方向の変位量を計測する揚水・回復試験を行い、
   前記揚水・回復試験による間隙水圧と鉛直方向の変位量の計測値に基づいて、掘削底面以深の地盤の鉛直方向の有効応力と歪みとの比である変形係数を求め、該変形係数を用いてＦＥＭ解析を行うことによってリバウンド量を推定することを特徴とする掘削地盤におけるリバウンド量の推定方法。
2. 地盤掘削に際して掘削底面以深の地盤が変形することによって生じるリバウンド量を予め推定し、該推定値を管理基準として地盤を掘削するための方法であって、
   掘削対象地盤に設けた井戸を通して掘削底面以深の地盤から地下水を揚水した後、揚水を停止して地下水位を回復させ、その間における地盤内の間隙水圧と鉛直方向の変位量を計測する揚水・回復試験を行い、
   前記揚水・回復試験による間隙水圧と鉛直方向の変位量の計測値に基づいて、掘削底面以深の地盤の鉛直方向の有効応力と歪みとの比である変形係数を求め、該変形係数を用いてＦＥＭ解析を行うことによってリバウンド量を推定し、
   該推定値を管理基準として地盤を掘削するとともに、リバウンド量が推定値を超えた際には前記井戸を通して掘削底面以深の地盤より揚水を行うことにより、該地盤内の間隙水圧を再び低下させてリバウンド量を抑制することを特徴とする地盤掘削方法。

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