JP5819252B2 - 掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法 - Google Patents
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Description
本発明は、地下トンネルやビルの建設工事のように、掘削過程を伴う工事での土留め壁の計測管理に関するものである。
地下トンネルやビルの地下フロアなどを構築する際には、図４に示すように、掘削工事が行われる。掘削工事を行うためには、まず、土留め壁の設計を行い、発生する変形や応力を照査するが、設計を行う際には工学的な割り切り等があるため、不確実な点が多い。また都市部などでの施工においては、既設の建物や構造物に非常に近接した箇所での施工となる場面も多い。こういった背景を踏まえ、掘削工事を行う際には、状態監視を行いながら施工を行うことが基本となる。
この状態監視の中では、土留め壁の変形の把握は最も重要な項目となる。しかしながら、現状の計測管理手法では、代表断面を選定しての計測であったり、あるいは横断的な計測を行っても現場条件によってはごくかぎられた一部であったりと、土留め壁の変形を全体として捉えることは現状では難しい。また、土留め壁の計測機器の配置については、現場条件や経験をもとに定めることが多く、適切な配置となっていない可能性がある。
土留め壁の変形挙動を評価する方法としては、特に既設構造物と近接する場合には、多段式傾斜計を用いる場合が多い。図５は従来の多段式傾斜計の模式図である。これは、あらかじめ土留め壁の背面においてボーリングを行い、深度方向に多数の間隔で設けられた傾斜計をボーリング孔に挿入するものであり、現状では最も広く用いられている。
この方法では、傾斜計で得られた傾斜角と、傾斜計間隔を活用して変位を間接的に求める。図６は従来の傾斜の変位への換算方法の説明図である。
この方法では、土留め壁の施工時に、土留め壁２０１内の鉛直方向に傾斜計２０２を多数設置し、この傾斜計２０２で得られた傾斜角θと傾斜計２０２の間隔を活用して、変位を求める方法である。なお、図８において、２０３は別の機器で計測した既知の変位を示している。
〔区間変位（ｍｍ）〕 Δｕ＝θ・Ｌ
〔累計変位（ｍｍ）〕 ｕ＝ΣΔｕ
ここで、ｕ：変位（ｍｍ），θ：傾斜角，Δｕは区間変位（ｍｍ），Ｌ：区間距離である。
〔累計変位（ｍｍ）〕 ｕ＝ΣΔｕ
ここで、ｕ：変位（ｍｍ），θ：傾斜角，Δｕは区間変位（ｍｍ），Ｌ：区間距離である。
しかしながら、この方法では、傾斜計の設置間隔を密とする必要があり、また測線での挙動評価しかできないというデメリットもある。
また、掘削土留め壁の変形挙動を３次元的に解析・可視化する手法も構築されている。図７は土留め壁の変形挙動の３次元的な解析・可視化の説明図である。本方法を活用することで計測機器を測線を設けることなく設置することができる。また、近年は図８に示す独立型傾斜計（ＭＥＭＳ傾斜計）１０１などのような安価で精度も良好な独立型傾斜計が開発され、土留め壁の計測へも適用がなされている。
これらの活用においては、計測機器の配置の自由度が格段に向上するが、一方でどのような配置が最適なもとのなるかは不明である。
本発明は、上記状況に鑑みて、適切な計測機器の配置を行うことができる、掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、掘削工事の開始前に、代表断面で掘削土留め壁の設計計算を行い、深度と変位の関数ｚ＝ｇ (ｙ) を構築し（ステップＳ１）、次に、現場での土留め延長方向の拘束条件を考慮して、土留め頭部位置での変位の延長方向の分布形状をｚ＝ｈ (ｘ) とし（ステップＳ２）、次に、上記 (ステップＳ１）と（ステップＳ２) を合わせて、土留め壁の３次元的な変形挙動をｚ＝ｆ (ｘ，ｙ) ＝ｈ (ｘ) ｇ (ｙ) とし（ステップＳ３）、次に、用いる計測機器の種類（変位計，傾斜計）・数量と設置可能位置を設定し（ステップＳ４）、次に、モンテカルロシミュレーションによって、前記用いる計測機器の数量に応じた配置を無作為に抽出し、３次Ｂ−スプライン法により土留め壁の変形挙動を再現し（ステップＳ５）、次に、ステップＳ５の計算を多数回繰り返し、各繰返し計算で曲面との誤差評価を、各節点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜（絶対値）を算定し、その総和を節点数〔 (Ｍ x ＋１) × (Ｍ y ＋１) 点〕で除すことで求め、次に、上記誤差を評価し、誤差について回帰分析を行うことで、配置ごとの精度向上量を評価し（ステップＳ６）、次に、上記した (ステップＳ１) 〜 (ステップＳ６) の計算を掘削ステップの数だけ実施し、各次掘削段階で同じ計算を行い、各ステップでの最適配置を比較しながら、掘削工事全体での計測機器の最適配置を決定することを特徴とする。ここで、Ｍ x ，Ｍ y は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍ x ＋１) ， (Ｍ y ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数である。
〔１〕掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、掘削工事の開始前に、代表断面で掘削土留め壁の設計計算を行い、深度と変位の関数ｚ＝ｇ (ｙ) を構築し（ステップＳ１）、次に、現場での土留め延長方向の拘束条件を考慮して、土留め頭部位置での変位の延長方向の分布形状をｚ＝ｈ (ｘ) とし（ステップＳ２）、次に、上記 (ステップＳ１）と（ステップＳ２) を合わせて、土留め壁の３次元的な変形挙動をｚ＝ｆ (ｘ，ｙ) ＝ｈ (ｘ) ｇ (ｙ) とし（ステップＳ３）、次に、用いる計測機器の種類（変位計，傾斜計）・数量と設置可能位置を設定し（ステップＳ４）、次に、モンテカルロシミュレーションによって、前記用いる計測機器の数量に応じた配置を無作為に抽出し、３次Ｂ−スプライン法により土留め壁の変形挙動を再現し（ステップＳ５）、次に、ステップＳ５の計算を多数回繰り返し、各繰返し計算で曲面との誤差評価を、各節点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜（絶対値）を算定し、その総和を節点数〔 (Ｍ x ＋１) × (Ｍ y ＋１) 点〕で除すことで求め、次に、上記誤差を評価し、誤差について回帰分析を行うことで、配置ごとの精度向上量を評価し（ステップＳ６）、次に、上記した (ステップＳ１) 〜 (ステップＳ６) の計算を掘削ステップの数だけ実施し、各次掘削段階で同じ計算を行い、各ステップでの最適配置を比較しながら、掘削工事全体での計測機器の最適配置を決定することを特徴とする。ここで、Ｍ x ，Ｍ y は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍ x ＋１) ， (Ｍ y ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数である。
〔２〕上記〔１〕記載の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、前記ステップＳ５におけるステップＳ３の曲面との誤差評価を、等間隔で設けた格子点（評価点）の各点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜を算定し、その総和を全節点数〔 (Ｍx ＋１) × (Ｍy ＋１) 点〕で除すことで求めることを特徴とする。ここで、Ｍx ，Ｍy は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍx ＋１) ， (Ｍy ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数である。
〔３〕上記〔１〕記載の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、前記ステップＳ６における誤差評価式は、
であることを特徴とする。
ここで、ａi ならびにｂは回帰分析により求まる係数であり、＜ｉ＞は番号ｉの計測機器を用いる場合は１、用いない場合は０となるダミー変数であり、ａi は計測機器ｉを用いる場合の精度の向上量を表す。
本発明によれば、用いる計測機器の数量（あるいは計測に要するコスト）を勘案した上で最適な配置を決定できるため、計測精度の向上に資することができる。
本発明の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法は、掘削工事の開始前に、代表断面で掘削土留め壁の設計計算を行い、深度と変位の関数ｚ＝ｇ (ｙ) を構築し（ステップＳ１）、次に、現場での土留め延長方向の拘束条件を考慮して、土留め頭部位置での変位の延長方向の分布形状をｚ＝ｈ (ｘ) とし（ステップＳ２）、次に、上記 (ステップＳ１）と（ステップＳ２) を合わせて、土留め壁の３次元的な変形挙動をｚ＝ｆ (ｘ，ｙ) ＝ｈ (ｘ) ｇ (ｙ) とし（ステップＳ３）、次に、用いる計測機器の種類（変位計，傾斜計）・数量と設置可能位置を設定し（ステップＳ４）、次に、モンテカルロシミュレーションによって、前記用いる計測機器の数量に応じた配置を無作為に抽出し、３次Ｂ−スプライン法により土留め壁の変形挙動を再現し（ステップＳ５）、次に、ステップＳ５の計算を多数回繰り返し、各繰返し計算で曲面との誤差評価を、各節点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜（絶対値）を算定し、その総和を節点数〔 (Ｍ x ＋１) × (Ｍ y ＋１) 点〕で除すことで求め、次に、上記誤差を評価し、誤差について回帰分析を行うことで、配置ごとの精度向上量を評価し（ステップＳ６）、次に、上記した (ステップＳ１) 〜 (ステップＳ６) の計算を掘削ステップの数だけ実施し、各次掘削段階で同じ計算を行い、各ステップでの最適配置を比較しながら、掘削工事全体での計測機器の最適配置を決定する。ここで、Ｍ x ，Ｍ y は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍ x ＋１) ， (Ｍ y ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す土留め壁の変形の３次元的な予想説明図、図２は土留め壁工事全体における計測機器の最適配置を決定するための計測精度の向上量の評価を示す図であり、図２（ａ）は計測機器の設置可能位置、図２（ｂ），図２（ｃ）は土留め壁の変形モードに応じた計測器の設置可能位置での精度向上量の評価の説明図である。
（ａ）まず、図１に示すように、掘削工事の開始前に、代表断面で従来通り掘削土留め壁１の設計計算を行い、深度と変位の関数ｚ＝ｇ (ｙ) を構築する。この部分は従来の設計計算手法をもって行うことができる。
(ｂ) 次に、現場での土留め延長方向の拘束条件等を考慮して、例えば土留め壁１の頭部位置１Ａでの変位の延長方向の分布形状をｚ＝ｈ (ｘ) とする。
(ｃ) 次に、上記 (ａ）と上記（ｂ) を合わせて、土留め壁１の３次元的な変形挙動をｚ＝ｆ (ｘ，ｙ) ＝ｈ (ｘ) ｇ (ｙ) と記述する。
(ｄ) 次に、用いる計測機器の種類（変位計，傾斜計）・数量と設置可能位置を設定する。なお、設置可能位置は計測機器の数量より大きな数となってよい。
(ｅ) 次に、例えばモンテカルロシミュレーションなどによって、用いる計測機器の数量に応じた配置を無作為に抽出し、３次Ｂ−スプライン法により土留め壁の変形挙動を再現する。上記した（ｃ）の曲面との誤差評価を、例えば、各節点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜（絶対値）を算定し、その総和を節点数〔 (Ｍx ＋１) × (Ｍy ＋１) 点〕で除すことで求める。
なお、Ｍx ，Ｍy は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍx ＋１) ， (Ｍy ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数となる。
(ｆ) 次に、上記（ｅ）の計算を多数回繰り返す。図２に示すように、各繰返し計算で誤差を評価し、誤差について例えば次式による回帰分析を行うことで、配置ごとの精度向上量を評価する。
ここで、ａi ならびにｂは回帰分析により求まる計数であり、＜ｉ＞は番号ｉの計測機器を用いる場合は１、用いない場合は０となるダミー変数である。すなわち、ａi が計測機器ｉを用いる場合の精度の向上量を表すこととなる。
(ｇ) 上記した (ａ) 〜 (ｆ) の計算は掘削ステップの数だけ実施できる。各次掘削段階で同じ計算を行い、各ステップでの最適配置を比較しながら、工事全体での最適配置を決定する。
図３は本発明の独立型傾斜計を用いた土留め壁の変形計測の方法の説明図である。この図において、１１は土留め壁、１２は測量ターゲット（トータルステーション）（９点）、１３は独立型傾斜計（ＭＥＭＳ傾斜計）（１０箇所）である。
例えば、独立型傾斜計１３や測量ターゲット１２の測量を土留め壁１１の変形計測に適用する場合に、上記検討を行うことで計測精度の向上に資することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形の計測が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法は、適切な計測機器の配置を行うことができる、計測機器の最適配置方法として利用可能である。
１，１１ 土留め壁
１Ａ 土留め壁の頭部
１２ 測量ターゲット（トータルステーション）
１３ 独立型傾斜計（ＭＥＭＳ傾斜計）
１Ａ 土留め壁の頭部
１２ 測量ターゲット（トータルステーション）
１３ 独立型傾斜計（ＭＥＭＳ傾斜計）
Claims (3)
- 掘削工事の開始前に、代表断面で掘削土留め壁の設計計算を行い、深度と変位の関数ｚ＝ｇ (ｙ) を構築し（ステップＳ１）、
次に、現場での土留め延長方向の拘束条件を考慮して、土留め頭部位置での変位の延長方向の分布形状をｚ＝ｈ (ｘ) とし（ステップＳ２）、
次に、上記 (ステップＳ１）と（ステップＳ２) を合わせて、土留め壁の３次元的な変形挙動をｚ＝ｆ (ｘ，ｙ) ＝ｈ (ｘ) ｇ (ｙ) とし（ステップＳ３）、
次に、用いる計測機器の種類（変位計，傾斜計）・数量と設置可能位置を設定し（ステップＳ４）、
次に、モンテカルロシミュレーションによって、前記用いる計測機器の数量に応じた配置を無作為に抽出し、３次Ｂ−スプライン法により土留め壁の変形挙動を再現し（ステップＳ５）、
次に、ステップＳ５の計算を多数回繰り返し、各繰返し計算で曲面との誤差評価を、各節点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜（絶対値）を算定し、その総和を節点数〔 (Ｍ x ＋１) × (Ｍ y ＋１) 点〕で除すことで求め、
次に、上記誤差を評価し、誤差について回帰分析を行うことで、配置ごとの精度向上量を評価し（ステップＳ６）、
次に、上記した (ステップＳ１) 〜 (ステップＳ６) の計算を掘削ステップの数だけ実施し、各次掘削段階で同じ計算を行い、各ステップでの最適配置を比較しながら、掘削工事全体での計測機器の最適配置を決定することを特徴とする掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法。ここで、Ｍ x ，Ｍ y は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍ x ＋１) ， (Ｍ y ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数である。 - 請求項１記載の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、前記ステップＳ５におけるステップＳ３の曲面との誤差評価を、等間隔で設けた格子点（評価点）の各点で｜（当該ケースの変位）−（基準ケースの変位）｜を算定し、その総和を全節点数〔 (Ｍx ＋１) × (Ｍy ＋１) 点〕で除すことで求めることを特徴とする掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法。ここで、Ｍx ，Ｍy は、３次Ｂ−スプライン法によって解析を行う際のｘ方向，ｙ方向の領域分割数であり、 (Ｍx ＋１) ， (Ｍy ＋１) がそれぞれｘ方向，ｙ方向の節点数となる。
- 請求項１記載の掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置方法において、前記ステップＳ６における誤差評価式は、
ここで、ａi ならびにｂは回帰分析により求まる係数であり、＜ｉ＞は番号ｉの計測機器を用いる場合は１、用いない場合は０となるダミー変数であり、ａi は計測機器ｉを用いる場合の精度の向上量を表す。
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