JP6289942B2

JP6289942B2 - 通信用シールドトンネルの耐力判定方法及び耐力判定装置

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Publication number: JP6289942B2
Application number: JP2014045043A
Authority: JP
Inventors: 禎一須藤; 一嘉川端; 大志出口; 琢也石川; 小泉　淳; 淳小泉
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Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-03-07
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Description

本発明は、通信用シールドトンネルの耐力判定方法及び耐力判定装置に関し、特に、一次覆工及び二次覆工を備える通信用シールドトンネルの耐力判定方法及び耐力判定装置に関する。

通信用シールドトンネルは、通常、鋼製のセグメントを組み上げた一次覆工と、この一次覆工の内側に、無筋コンクリートを巻き立てた二次覆工と、を備える構成である。

このような通信用シールドトンネルの耐力評価は、一次覆工の強度のみを考慮して行われることが一般的であり、二次覆工については、一次覆工の腐食防止や内面整形が主な役割であるとして、その強度が考慮されないことがある（非特許文献１参照）。

これに対して、非特許文献２には、一次覆工のみならず二次覆工をも考慮した、シールドトンネルの断面力解析ツールが開示されている。

しかしながら、このような通信用シールドトンネルの耐力を判定するための安全判断指標として、設計応力度に仮想荷重から累積的に算出される応力度を加えた値が許容応力度を超えないか否かで安全を判断することが考えられるが、特に確立された指標はない（非特許文献３参照）。

土木学会トンネル工学委員会「トンネルライブラリー第６号セグメントの設計」、社団法人土木学会、平成６年６月１５日「シールドトンネル断面力解析システム Moleman(R)シリーズ」、[online]、[平成２６年１月２４日検索]、インターネット<URL;http://www.mizuho-ir.co.jp/solution/research/digital/construction/moleman> 竹林亜夫、外２名、「地下構造物の維持管理に関する検討」、土木学会第５１回年次学術講演会、ＣＳ−５３、平成８年９月

本発明の目的は、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルに関して、二次覆工を考慮した耐力判定方法及び耐力判定装置を提供することである。

本発明の第１の態様としての耐力判定方法は、梁ばね解析モデルを用いて、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルの耐力を判定する耐力判定方法であって、前記一次覆工の部材情報及び前記二次覆工の部材情報を含む、前記シールドトンネルの部材情報に基づいて、前記シールドトンネルの梁ばね解析モデルを生成するステップと、前記シールドトンネルの部材情報のうち前記一次覆工の所定の部材情報に基づいて、軸力の値に応じた、前記一次覆工の曲げモーメントの許容応力度又は限界応力度を算出するステップと、前記梁ばね解析モデルに対して所定の外部荷重を入力した際の、当該梁ばね解析モデルの前記一次覆工に発生する最大曲げモーメント、最小曲げモーメント、前記最大曲げモーメントが発生している第１位置での前記一次覆工の軸力、及び前記最小曲げモーメントが発生している第２位置での前記一次覆工の軸力、を算出するステップと、前記最大曲げモーメント及び前記最小曲げモーメントと、前記第１位置及び前記第２位置での軸力の値に対応した前記許容応力度及又は前記限界応力度と、を比較することにより、前記シールドトンネルの耐力を判定するステップと、を含み、前記梁ばね解析モデルの前記二次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の二次覆工梁と、前記複数の二次覆工梁間で、前記二次覆工梁同士を接続する二次覆工ばねと、を備え、前記シールドトンネルの部材情報のうち前記二次覆工の部材情報は、前記二次覆工のひび割れ、空洞又は空洞充填に関する付加的部材情報を含み、前記二次覆工ばねは、前記付加的部材情報に基づき、ばね定数が決定されることを特徴とするものである。

本発明の第２の態様としての耐力判定装置は、梁ばね解析モデルを用いて、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルの耐力を判定する耐力判定装置であって、前記一次覆工の部材情報及び前記二次覆工の部材情報を含む、前記シールドトンネルの部材情報を取得する取得部と、前記取得部が取得した前記シールドトンネルの前記部材情報に基づき、前記シールドトンネルの梁ばね解析モデルを生成する梁ばねモデル生成部と、前記取得部が取得した前記シールドトンネルの前記部材情報のうち前記一次覆工の所定の部材情報に基づき、軸力の値に応じた、前記一時覆工の曲げモーメントの許容応力度又は限界応力度を算出すると共に、前記梁ばね解析モデルに対して所定の外部荷重を入力した際の、当該梁ばね解析モデルの前記一次覆工に発生する最大曲げモーメント、最小曲げモーメント、前記最大曲げモーメントが発生している第１位置での前記一次覆工の軸力、及び前記最小曲げモーメントが発生している第２位置での前記一次覆工の軸力、を算出する演算部と、前記演算部で算出された、前記最大曲げモーメント、前記最小曲げモーメント、並びに前記第１位置及び前記第２位置それぞれでの軸力の値に対応する前記許容応力度又は前記限界応力度、を出力する出力部と、前記出力部が出力した値に基づき、前記シールドトンネルの耐力を判定する耐力判定部と、を備え、前記梁ばね解析モデルの前記二次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の二次覆工梁と、前記複数の二次覆工梁間で、前記二次覆工梁同士を接続する二次覆工ばねと、を備え、前記取得部は、前記二次覆工のひび割れ、空洞又は空洞充填に関する前記二次覆工の所定の付加的部材情報を取得し、前記梁ばね解析モデル生成部は、前記二次覆工の前記所定の付加的部材情報に基づき、前記二次覆工ばねのばね定数を決定することを特徴とするものである。

本発明の耐力判定方法及び耐力判定装置によると、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルに関して、二次覆工を考慮した耐力の判定を実現することができる。

本発明に係る１つの実施形態としての耐力判定方法により、耐力の判定が可能なシールドトンネルを示す概略図である。本実施形態に係る耐力判定方法の手順を示すフローチャート図である。シールドトンネルの横断面図である。図３で示すシールドトンネルの梁ばね解析モデルの一部を示す図である。シールドトンネルの梁ばね解析モデルに対して付加される所定の外部荷重を示す図である。曲げモーメントと軸力の相関図である。本発明に係る１つの実施形態としての耐力判定装置の構成を示すブロック図である。１つのセグメント及びこのセグメントに隣接する二次覆工の無筋コンクリートの断面を示す図である。本発明で用いる梁ばね解析モデルを使用した解析結果と、比較例としての一次覆工のみを考慮した解析モデルを使用した解析結果と、を示す、曲げモーメントと軸力の相関図である。二次覆工にひび割れ、空洞が発生しているシールドトンネルを示す横断面図である。本発明で用いる梁ばね解析モデルを使用した解析結果に基づく補強手法の一例と、比較例としての、一次覆工のみを考慮した解析モデルを使用した解析結果に基づく補強手法の一例と、を示す図である。

以下、本発明に係る、通信用シールドトンネルの耐力判定方法及び耐力判定装置の実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。なお、各図において共通する部材には、同一の符号を付している。

まず、本発明の１つの実施形態としての耐力判定方法について説明する。図１は、本実施形態に係る耐力判定方法を用いて保有耐力の安全性が判定される通信用のシールドトンネル１を示す概略図である。図２は、本実施形態に係る耐力判定方法の手順を示すフローチャート図である。

図１に示すように、シールドトンネル１は、一次覆工２と、二次覆工３とを備える。具体的に、シールドトンネル１は、鋼製のセグメント４が組み上げられた一次覆工２と、この一次覆工２の内側に巻き立てられた無筋コンクリートで構成される二次覆工３と、を備える。

図２に示すように、本実施形態に係る耐力判定方法は、判定対象となるシールドトンネル１の各種部材情報を取得するステップＳ１と、シールドトンネル１の部材情報に基づいて、シールドトンネル１の梁ばね解析モデル６（図４参照）を生成するステップＳ２と、シールドトンネル１の部材情報に基づいて一次覆工２の所定の部材情報を算出するステップＳ３と、一次覆工２の所定の部材情報に基づいて、軸力Ｎの値に応じた、一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出するステップＳ４と、梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを入力するステップＳ５（図５参照）と、梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを入力した際の、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが発生している第１位置での一次覆工２の軸力Ｎ１、及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが発生している第２位置での一次覆工２の軸力Ｎ２を算出するステップＳ６と、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎと、第１位置及び第２位置での軸力Ｎ１、Ｎ２の値に応じた、一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較することにより、シールドトンネル１の耐力を判定するステップＳ７（図６参照）と、を含む。

以下、上述のステップＳ１〜Ｓ７について詳細に説明する。

シールドトンネル１の各種部材情報を取得するステップＳ１では、シールドトンネル１の一次覆工２に関する部材情報、二次覆工３に関する部材情報などの、シールドトンネルの許容応力度設計法又は限界状態設計法に用いられる設計情報を取得する。

具体的に、このステップＳ１では、「一次覆工寸法」、「二次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」、「継手位置」、「継手特性（ばね定数）」、「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」、「二次覆工の空洞充填実施位置」を取得する。

上記「一次覆工寸法」とは、シールドトンネル１の部材情報としての、一次覆工２の横断面（シールドトンネル１の長手方向に直交する断面）での寸法を意味する。図３は、シールドトンネル１の横断面を示す。本実施形態では、一次覆工寸法として、一次覆工２のスキンプレート厚、主桁高さ、主桁厚、主桁本数、セグメント幅を取得する。ここで図８は、シールドトンネル１の一次覆工２のうち１つのセグメント４及びこの１つのセグメント４に隣接する二次覆工３の無筋コンクリートの一部を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態の一次覆工２は、鋼製のセグメント４として、主桁５を備えるスチールセグメント４ａを用いる構成であり、上述した「一次覆工寸法」としての一次覆工２の層厚は、主桁５の高さとスキンプレート厚の合計値を意味する。

上記「二次覆工寸法」とは、シールドトンネル１の部材情報としての、二次覆工３の横断面での寸法を意味する。本実施形態では、二次覆工寸法として、二次覆工３の横断面での層厚及び内径を取得する。上述したように、本実施形態における一次覆工２は、主桁５を備えるスチールセグメント４ａを備える。従って、「二次覆工寸法」としての二次覆工３の層厚は、主桁５が存在しない位置での層厚を意味する（図８参照）。

上記「物性」とは、一次覆工２及び二次覆工３の部材情報のうち、一次覆工２及び二次覆工３を構成するそれぞれの物質が有する物性値を意味する。本実施形態では、一次覆工２のセグメント４及び二次覆工３の無筋コンクリートそれぞれの、ヤング係数と単位体積重量とを取得する。

上記「断面形状」とは、シールドトンネル１の部材情報としての、シールドトンネル１の横断面での形状に関する情報を意味する。すなわち、本実施形態では、一次覆工２及び二次覆工３の具体的形状に関する情報である。上述したように、本実施形態のセグメント４は、主桁５を備えるスチールセグメント４ａであって、一次覆工２の層厚及び内径、並びに二次覆工３の層厚及び外径は、シールドトンネル１の周方向位置や長手方向位置によって異なるため、上記「一次覆工寸法」や上記「二次覆工寸法」として取得した基本的な寸法情報のみでは、一次覆工２及び二次覆工３の正確な耐力や一次覆工２の正確な許容応力度及び／又は限界応力度を算出することは難しい。従って、上記「一次覆工寸法」及び「二次覆工寸法」に加えて、一次覆工２及び二次覆工３の断面形状に関するより具体的な情報を、「断面形状」として取得する。

本実施形態では、シールドトンネル１の周方向及び長手方向における主桁５の位置や、主桁５の寸法情報を取得する。更に本実施形態では、一次覆工２が腐食することによって生じる横断面での断面積の減少を考慮するため、一次覆工２の部材情報として、一次覆工２の腐食に関する情報を取得する。具体的には、腐食前の一次覆工２の断面積に対する、腐食後の一次覆工２の断面積の割合である「腐食度」を取得する。

上記「継手位置」とは、シールドトンネル１の部材情報としての、セグメント４同士を接続するセグメント継手の周方向位置を意味する。一次覆工２は、シールドトンネル１の周方向においてセグメント４を複数組み上げられることにより形成される。従って、この周方向におけるセグメント４間の継手位置を取得する。

上記「継手特性」とは、シールドトンネル１の部材情報としての、上述したセグメント継手の部材特性を意味する。具体的に、ここでは、継手特性として、セグメント継手のせん断応力方向（図３の径方向）の変形特性を表すせん断ばね定数、セグメント継手の軸力方向（図３の周方向）の変形特性を表す軸ばね定数、及びセグメント継手の回転方向の変形特性を表す回転ばね定数を取得する。

上記「二次覆工ひび割れ位置」とは、シールドトンネル１の部材情報のうち二次覆工３の部材情報の１つであり、シールドトンネル１の周方向における二次覆工３のひび割れ位置を意味する。ここで図１０は、劣化したシールドトンネル１としてのシールドとう道の横断面図である。図１０に示すシールドトンネル１では、二次覆工３のうち、シールドトンネル１の頂部側（図１０において上側）に位置する部分に、ひび割れ（図１０中で「ｃ」と示す。）が形成されている。このようなひび割れは、二次覆工３の強度に影響するため、ステップＳ１では、「二次覆工ひび割れ位置」として、二次覆工３のひび割れ位置を取得する。なお、図１０のシールドトンネル１内には、支持台７上に載置された、通信ケーブルなどの管路８が延在している。

上記「二次覆工空洞位置」とは、シールドトンネル１の部材情報のうち二次覆工３の部材情報の１つであり、シールドトンネル１の周方向における二次覆工３の空洞位置を意味する。図１０に示すシールドトンネル１では、その頂部側の位置に、二次覆工３が存在しない空洞（図１０中で「ｏ」と示す。）が形成されている。このような空洞は、二次覆工３の強度に影響するため、ステップＳ１では、「二次覆工空洞位置」として、空洞のある位置を取得する。

上記「二次覆工の空洞充填実施位置」とは、シールドトンネル１の部材情報のうち二次覆工３の部材情報の１つであり、シールドトンネル１の周方向における二次覆工３の空洞充填実施位置を意味する。図１０に示す二次覆工３の空洞を、例えばコンクリート等により充填したとしても、二次覆工３の強度は、空洞が形成される前の強度まで回復しない。従って、二次覆工３の強度を正確に評価するために、ステップＳ１では、空洞充填が行われた位置についても取得する。

なお、対象となるシールドトンネルによっては、二次覆工にひび割れ、空洞及び／又は空洞充填がないこともある。従って、以下、「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」及び「二次覆工の空洞充填実施位置」を纏めて付加的部材情報と記載する。

このように、ステップＳ１では、シールドトンネル１の各種部材情報を取得する。なお、本実施形態のステップＳ１では、上述のシールドトンネル１の各種部材情報に加えて、後述するステップＳ５で用いられる外部荷重及び強制変位の情報を併せて取得している。更に、詳細は後述するが、このステップＳ１において、リング間ばねのばね定数も併せて取得する。

次に、ステップＳ１で取得したシールドトンネル１の部材情報に基づいて、シールドトンネル１の梁ばね解析モデル６を生成するステップＳ２について説明する。

図４は、図３で示すシールドトンネル１の梁ばね解析モデル６の一部を示す図である。ステップＳ２では、上述したステップＳ１で取得した部材情報に基づいて、図４に示す梁ばね解析モデル６を生成する。具体的に、ステップＳ２では、一次覆工２の梁ばねモデル１０と、二次覆工３の梁ばねモデル１１と、一次覆工２と二次覆工３との間で、一次覆工２及び二次覆工３を接続する覆工間ばね１２と、を備えるシールドトンネル１の梁ばね解析モデル６を生成する。

一次覆工２の梁ばねモデル１０は、複数の梁（一次覆工梁１３）及びこれら一次覆工梁１３間の一次覆工ばね１４を備える。二次覆工３の梁ばねモデル１１は、複数の梁（二次覆工梁１５）及びこれら二次覆工梁１５間の二次覆工ばね１６を備える。覆工間ばね１２は、一次覆工２と二次覆工３との間で、一次覆工梁１３と二次覆工梁１５とを接続する。

ここで、一次覆工梁１３は、上述したステップＳ１で取得した「一次覆工寸法」及び一次覆工２の「断面形状」の情報を用いて生成される。例えば、一次覆工梁１３の断面係数や、一次覆工梁１３の断面二次モーメントなどが、「一次覆工寸法」及び一次覆工２の「断面形状」の情報に基づき算出される。

また、一次覆工ばね１４は、一次覆工梁１３同士を接続するばねであり、せん断ばね、軸ばね及び回転ばねで構成される。これらばねのせん断ばね定数、軸ばね定数及び回転ばね定数は、上述したステップＳ１で取得した「継手位置」及び「継手特性」の情報を用いて決定される。

二次覆工梁１５は、上述したステップＳ１で取得した「二次覆工寸法」及び二次覆工３の「断面形状」の情報を用いて生成される。例えば、二次覆工梁１５の断面係数や、二次覆工梁１５の断面二次モーメントなどは、「二次覆工寸法」及び二次覆工３の「断面形状」の情報に基づき算出される。

二次覆工ばね１６は、二次覆工梁１５同士を接続するばねであり、せん断ばね、軸ばね及び回転ばねで構成される。また、覆工間ばね１２は、せん断ばね及び軸ばねで構成される。二次覆工ばね１６及び覆工間ばね１２におけるそれぞれのばねのばね定数は、上述したステップＳ１で取得した「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」及び／又は「二次覆工の空洞充填実施位置」の付加的部材情報に基づき決定される。

シールドトンネルの耐力は、一次覆工の強度のみを考慮して判定されることがあるが、実際のシールドトンネルの耐力には、一次覆工のみならず、二次覆工も寄与していると考えられ、本願発明者は、実験を行うことにより、シールドトンネルの耐力には二次覆工の役割が大きいことを確認した。具体的に、発明者は、シールドトンネル（シールドとう道）の１／２模型を作製し、この模型にひずみ計を複数設置した後に、油圧ジャッキを用いて荷重載荷を実施する実験を行い、載荷重量と、発生変形量及び発生ひずみ量と、の関係を分析することにより一次覆工と二次覆工の応力分担を解明した。

そして発明者は、既設のシールドトンネルの耐力評価において、一次覆工に加え、二次覆工の強度も考慮することで、現在の状態を正確に把握することが可能となるとの知見を得るに至った。そのため、本実施形態では、上述したように、二次覆工３の強度を考慮した梁ばね解析モデル６を生成する。特に本実施形態では、二次覆工３の強度をより正確に把握するため、二次覆工ばね１６及び覆工間ばね１２におけるそれぞれのばねのばね定数を、二次覆工３の強度に影響を与える二次覆工３のひび割れ、空洞、空洞充填に関する付加的部材情報に基づき決定している。具体的なばね定数の値については、実際の状態に応じて適宜決定することが可能であるが、例えば、ひび割れや空洞が発生している位置でのばね定数を０に近い極めて小さい値とし、ひび割れや空洞が発生していない位置でのばね定数を無限大に近い極めて大きい値とすることが可能である。また、空洞充填が実施された位置については、空洞充填が実施された位置の端部をひび割れとみなし、その端部に対応する位置でのばね定数を上記と同様の方法により決定することが可能である。

このようにすることにより、本実施形態にかかる耐力判定方法では、ステップＳ２において、一次覆工２のみならず二次覆工３を考慮した梁ばね解析モデル６、より具体的には、二次覆工３のひび割れ、空洞及び／又は空洞充填までも考慮した梁ばね解析モデル６を生成することができる。

なお、図４に一部を示す梁ばね解析モデル６（後述する図５における円形状の梁ばね解析モデル６）を一つのリングと呼ぶ場合に、この解析モデル６は、シールドトンネル１の長手方向において３つのリングを配置し、リング間を、長手方向ばね、径方向ばね（長手方向に直交する方向に変形するばね）及び回転ばねで構成されたリング間ばねにより接続した場合の、長手方向において真ん中に位置するリングを想定したものである。このリング間ばねの各ばね定数は、上述したように、ステップＳ１にて取得される。

次に、ステップＳ１で取得したシールドトンネル１の部材情報に基づいて一次覆工２の所定の部材情報を算出するステップＳ３について説明する。具体的に、ステップＳ３では、ステップＳ１で取得した「一次覆工寸法」及び「断面形状」の情報から、一次覆工２の所定の部材情報として、一次覆工２のセグメント４の断面係数、断面二次モーメント、上縁断面係数、及び下縁断面係数を算出する。なお、本実施形態の耐力判定方法では、一次覆工２のセグメント４の断面係数、断面二次モーメント、上縁断面係数、及び下縁断面係数を、上述したステップＳ１で取得した「一次覆工寸法」及び「断面形状」の情報から算出しているが、この方法に限らず、例えば、算出することなく、ステップＳ１で直接、部材情報として取得するようにしてもよい。

また、本実施形態で算出された一次覆工２の所定の部材情報は、上述した「腐食度」に基づき算出される。すなわち、一次覆工２の腐食が考慮された断面で、断面二次モーメント等が算出される。

次に、シールドトンネル１の部材情報のうち一次覆工２の所定の部材情報に基づいて、軸力Ｎの値に応じた、一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出するステップＳ４について説明する。

本実施形態における、一次覆工２の所定の部材情報は、上述したステップＳ３で算出された、一次覆工２のセグメント４の断面係数、断面二次モーメント、上縁断面係数、及び下縁断面係数である。これらの部材情報、並びに、セグメント４を構成する材料の許容応力度及び／又は限界応力度の値を用いて、軸力Ｎの値に応じた、シールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出する。

ここで、本実施形態のステップＳ４では、一次覆工２の正曲げ時及び負曲げ時それぞれについての許容応力度及び／又は限界応力度を算出する。

次に、上述したステップＳ２で生成した梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを入力するステップＳ５について説明する。

図５は、シールドトンネル１の梁ばね解析モデル６に対して入力される所定の外部荷重Ｆを示すものである。なお、図５では、梁ばね解析モデル６の一次覆工ばね１４及び二次覆工ばね１６が省略されて描かれている。

図５に示すように、所定の外部荷重Ｆは、シールドトンネル１の横断面における周囲から地盤ばね１７を介して作用させる。具体的に、シールドトンネル１の地盤側には、地盤変位を考慮しない、自重を含めた鉛直方向荷重につり合う等分布地盤反力を作用させる。また、シールドトンネル１の頂部側（図５において上側であり、地盤側の反対側）には、地山からの土圧と地下水圧による鉛直方向の所定の等分布荷重を作用させる。シールドトンネル１の側面側（図５において左右方向の面側）には、地山からの土圧と地下水圧による水平方向の所定の等変分布荷重を作用させる。

なお、地山からの土圧は、土の質等に応じて異なるため、実際にシールドトンネル１を施工する場所に応じた土圧を用いればよい。また、地下水圧についても、地下水の水面からの高さに応じて異なるため、実際にシールドトンネル１を施工する場所に応じた水圧を用いればよい。

ここで、上述の所定の外部荷重Ｆの他に、梁ばね解析モデル６に所定の強制変位を入力するようにしてもよい。例えば、近接施工により、シールドトンネル１における所定の位置において、上述の土圧や水圧以外の特定の荷重を考慮すべき場合がある。かかる場合に、所定の強制変位を入力できるようにすれば、このような特定の荷重についても考慮した解析結果を導出することができる。

次に、梁ばね解析モデル６に所定の外部荷重Ｆを入力した際の、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが発生している第１位置での一次覆工２の軸力Ｎ１、及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが発生している第２位置での一次覆工２の軸力Ｎ２を算出するステップＳ６について説明する。

ステップＳ６では、梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを作用させて解析を実行し、梁ばね解析モデル６に発生する応力を算出する。そして本実施形態に係る耐力判定方法では、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが発生している第１位置での軸力Ｎ１、及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが発生している第２位置での軸力Ｎ２、を算出する。更に、本実施形態に係る耐力判定方法では、このステップＳ４において、梁ばね解析モデル６の周方向における任意の位置での一次覆工２の曲げモーメントＭ及びその位置での軸力Ｎについても算出する。また更に、梁ばね解析モデル６の周方向における任意の位置での一次覆工２の変位量を算出するようにしてもよい。

最後に、一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎと、第１位置及び第２位置での軸力Ｎ１及びＮ２の値に応じた、一次覆工２の曲げモーメントの許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較することにより、シールドトンネル１の耐力を判定するステップＳ７について説明する。

上述したように、ステップＳ４では、軸力Ｎの値に応じた、シールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度が算出される。従って、ステップＳ６で算出された軸力の値を用いれば、ステップＳ６で算出された軸力の値での、シールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出することができる。ステップ７では、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ１の値に対応する、シールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出する。そして、軸力Ｎ１の値に対応する、シールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度と、ステップＳ６で算出された梁ばね解析モデル６の一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘと、を比較し、シールドトンネル１の耐力の安全性を判定する。

ここで、本実施形態では、上述したステップＳ４において、一次覆工２の正曲げ時及び負曲げ時それぞれについての許容応力度及び／又は限界応力度を算出しているため、本実施形態のステップＳ７では、ステップＳ６で算出された最大曲げモーメントＭ_ｍａｘと、ステップＳ６で算出された第１位置での軸力Ｎ１の値に対応した、正曲げ時の許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較すると共に、ステップＳ６で算出された最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎと、ステップＳ６で算出された第２位置での軸力Ｎ２の値に対応じた、負曲げ時の許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較することにより、シールドトンネル１の耐力を判定する。

具体的に、本実施形態では、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ１の値での、正曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度より小さい場合であって、かつ、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ２の値での、負曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度より大きい場合に、このシールドトンネル１が、許容応力度設計法にて、保有耐力が安全であると判定することができる。

逆に、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ１の値での、正曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度以上の場合、又は、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ２の値での、負曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度以下の場合に、このシールドトンネル１は、許容応力度設計法にて、保有耐力が安全ではないと判定することができる。

なお、シールドトンネル１の耐力を、限界状態設計法によって判定する場合も同様である。具体的に、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ１の値での、正曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの限界応力度より小さい場合であって、かつ、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ２の値での、負曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの限界応力度より大きい場合に、このシールドトンネル１が、限界状態設計法にて、保有耐力が安全であると判定することができる。

また、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ１の値での、正曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの限界応力度以上の場合、又は、ステップＳ６で算出された一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが、ステップＳ６で算出された軸力Ｎ２の値での、負曲げ時のシールドトンネル１の一次覆工２の曲げモーメントＭの限界応力度以下の場合に、このシールドトンネル１は、限界状態設計法にて、保有耐力が安全ではないと判定することができる。

ここで、本実施形態のステップＳ７での耐力判定は、正曲げ時及び負曲げ時それぞれの許容応力度を表す耐力線及び／又は限界応力度を表す耐力線、第１位置での軸力Ｎ１及び最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、並びに、第２位置での軸力Ｎ２及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎを、曲げモーメント−軸力の相関図（以下、単に「Ｍ−Ｎ図」と記載する。）上に作図して、これらを比較することにより行われる。なお、上記「耐力線」とは、軸力Ｎの値に対する曲げモーメントＭの許容応力度又は限界応力度を表す線を意味する。以下、許容応力度を表す耐力線を、単に「許容耐力線」と記載し、限界応力度を表す耐力線を、単に「限界耐力線」と記載する。

図６は、シールドトンネル１の一次覆工２について、軸力Ｎの値に応じた、正曲げ時及び負曲げ時それぞれの許容耐力線及び限界耐力線、第１位置での軸力Ｎ１及び最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、並びに、第２位置での軸力Ｎ２及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎを作図したＭ−Ｎ図である。

なお、図６における破線は限界耐力線、実線は許容耐力線を示す。より具体的に、限界耐力線及び許容耐力線のそれぞれは、上側の耐力線と下側の耐力線で構成され、この上側の耐力線が正曲げ時の耐力線であり、下側の耐力線が負曲げ時の耐力線を表している。また、図６でプロットされている２つのプロットは、本実施形態における梁ばね解析モデル６により算出された一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘと軸力Ｎ１とを示すプロット（凡例にて「二次覆工あり−最大曲げ」と記載されているプロット）、及び、本実施形態における梁ばね解析モデル６により算出された一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎと軸力Ｎ２とを示すプロット（凡例にて「二次覆工あり−最小曲げ」と記載されているプロット）である。

図６に示すように許容耐力線及び／又は限界耐力線をＭ−Ｎ図に載せ、耐力計算させたシールドトンネル１の解析値のプロットと比較すれば、耐力計算させたシールドトンネル１の解析値が耐力線の内側であれば安全、外側であれば安全性に欠けるというように、合理的かつ分かり易い保有耐力の安全性の確認が可能となる。

なお、本実施形態のステップＳ７では、一次覆工２の許容耐力線及び限界耐力線、梁ばね解析モデル６の一次覆工２の最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ及びその位置での軸力Ｎ１、並びに、梁ばね解析モデル６の一次覆工２の最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ及びその位置での軸力Ｎ２を作図するのに加えて、図２に示すように、ユーザーが確認したい角度（梁ばね解析モデル６の周方向における任意の位置）で発生する曲げモーメント及びその位置での軸力を作図する（図６では不図示）。このようにすることにより、ユーザーは、梁ばね解析モデル６の周方向における任意の位置での応力を視覚的に確認することができる。更に、梁ばね解析モデル６の周方向における任意の位置での変位量を作図するようにしてもよい。

また、図９は、あるシールドトンネルに関して、本発明に係る耐力判定方法で用いられる一次覆工及び二次覆工を考慮した梁ばね解析モデルを使用して行った解析結果（凡例「二次覆工あり」が示すプロット）と、比較例として、一次覆工のみを考慮した解析モデルを使用して行った解析結果（凡例「一次覆工のみ」が示すプロット）と、を示すＭ−Ｎ図である。図９の２つのプロットは、いずれも正曲げ時の一次覆工の最大曲げモーメントとその位置での軸力とを示している。図９から分かるように、比較例としての解析モデルは、二次覆工の強度が考慮されていないため、一次覆工に発生する最大曲げモーメントの値が許容応力度より大きい値である（許容耐力線の上側）と評価されるのに対して、本発明で使用する梁ばね解析モデルでは、二次覆工の強度が考慮されているため、一次覆工に発生する最大曲げモーメントが許容応力度よりも小さい値（許容耐力線の下側）と評価されている。

すなわち、本発明で使用する梁ばね解析モデルを用いれば、二次覆工の強度が考慮されるため、一次覆工の耐力が過小に評価されることを抑制することができ、シールドトンネルの補強を検討するに際しても、実際的で経済的な補強を実現することが可能となる。

図１１は、本発明に係る耐力判定方法で用いられる一次覆工及び二次覆工を考慮した梁ばね解析モデルを使用してシールドトンネルの耐力を評価した評価結果に基づく補強手法の一例と、比較例として、一次覆工のみを考慮した解析モデルを使用してシールドトンネルの耐力を評価した評価結果に基づく補強手法の一例と、を示す図である。

図１１の左上欄に示すように、一次覆工のみを考慮した解析モデルを使用してシールドトンネルの耐力を評価すると、一次覆工の耐力が過小に評価され得るため、右上欄に示すように、周面全域に亘る内壁増厚補強などのシールドトンネルの過剰な補強が実施される場合があり、不経済である。これに対して、左下欄に示すように、本発明に係る耐力判定方法で用いられる一次覆工及び二次覆工を共に構造体とした梁ばね解析モデルを使用してシールドトンネルの耐力を評価すると、一次覆工の耐力が比較例と比べて正確に評価されるため、シールドトンネルに過剰な補強をすることが抑制され、図１１の右下欄に示すような部分補強などの、実際の保有耐力に応じた低コストの適切な補強を実施することができる。

ここまでは、本発明に係る１つの実施形態としての、通信用シールドトンネルの耐力判定方法について説明した。以下、本発明に係る別の実施形態としての、通信用シールドトンネルの耐力判定装置について説明する。

図７は、本実施形態に係る耐力判定装置２０の構成を示すブロック図である。この耐力判定装置２０は、上述した耐力判定方法と同様の方法により、シールドトンネル１の耐力を判定するものである。

図７に示すように、耐力判定装置２０は、記憶部２１、取得部２２、梁ばね解析モデル生成部２３、演算部２４、出力部２５、耐力判定部２６及び作図部２７を備える。

記憶部２３は、テーブル保持部２８と、データベース保持部２９と、を備える。データベース保持部２９は、複数種のデータベースを保持している。また、テーブル保持部２８は、データベース保持部２９の各データベースに対応したテーブルを保持している。

本実施形態のデータベース保持部２９は、シールドトンネルのセグメント形状のデータベース、及びセグメント継手形状のデータベースを保持している。シールドトンネルのセグメント形状のデータベースには、複数種の規格化されたセグメント形状が記憶されている。また、セグメント継手形状のデータベースには、例えば、継手に用いられるボルトのためのボルト穴の位置など、シールドトンネルの耐力に寄与するセグメント継手の所定の特性について複数のパターンが記憶されている。

本実施形態のテーブル保持部２８は、一次覆工テーブル、二次覆工テーブル、外部荷重テーブル及び強制変位テーブルを保持している。ここで、一次覆工テーブルとは、一次覆工２に関しての、上述の「一次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」、「継手位置」及び「継手特性」のデフォルト情報を保持するテーブルである。また、二次覆工テーブルとは、二次覆工３に関しての上述の「二次覆工寸法」、「物性」及び「断面形状」についてのデフォルト情報を保持するテーブルである。

すなわち、テーブル保持部２８は、セグメント形状のデータベースに記憶されている各セグメント形状と、セグメント継手形状のデータベースに記憶されている各パターンとの組み合わせ、それぞれに対応する「一次覆工寸法」、「二次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」、「継手位置」及び「継手特性」のデフォルトの部材情報を保持している。

また、テーブル保持部２８の外部荷重テーブルとは、対象となるシールドトンネルの横断面における周囲から作用する土圧及び水圧の外部荷重Ｆについてのデフォルト情報を保持するテーブルである。強制変位テーブルとは、外部荷重Ｆ以外に考慮すべき外部影響に関する、水平変位量及び鉛直変位量のデフォルト情報を保持するテーブルである。

取得部２２は、設計情報取得部３６と、表示情報取得部３７と、を備える。設計情報取得部３６は、設計情報として、一次覆工２及び二次覆工３を備える、対象となる通信用のシールドトンネル１の部材情報を取得する。本実施形態の設計情報取得部３６は、上述の「一次覆工寸法」、「二次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」、「継手位置」、「継手特性」、「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」及び「二次覆工の空洞充填実施位置」を、シールドトンネル１の部材情報として取得する。また、本実施形態の設計情報取得部３６は、設計情報として、所定の外部荷重及び強制変位の情報を取得する。

本実施形態の設計情報取得部３６は、記憶部２１のテーブル保持部２８が保持する「一次覆工寸法」、「二次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」、「継手位置」及び「継手特性」のデフォルトの部材情報、並びに、記憶部２１のテーブル保持部２８が保持する外部荷重及び強制変位のデフォルト情報を取得する。「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」及び「二次覆工の空洞充填実施位置」の付加的部材情報については、ユーザーにより入力されたデータを取得する。なお、一次覆工２の部材情報である一次覆工２の腐食度についても、本実施形態の取得部２２は、ユーザーにより入力されたデータから取得する。また、シールドトンネル１の部材情報であるリング間ばねのばね定数についても、本実施形態の取得部２２は、ユーザーにより入力されたデータから取得する。但し、取得部２２が、腐食度及びリング間ばねのばね定数を、記憶部２１に予め格納されたデータから取得するようにしてもよい。

更に、取得部２２の設計情報取得部３６は、上述の部材情報や、外部荷重及び強制変位の情報を別の方法で取得することも可能であり、例えば、シールドトンネル１の全ての部材情報、外部荷重及び強制変位をユーザーの外部入力データで取得することもできる。また、本実施形態の設計情報取得部３６は、「二次覆工ひび割れ位置」、「二次覆工空洞位置」及び「二次覆工の空洞充填実施位置」の付加的部材情報を、ユーザーの外部入力により取得しているが、これらの付加的部材情報の所定のデフォルト値を記憶部２１が予め記憶しており、設計情報取得部３６がこのデフォルト値を記憶部２１から取得するようにしてもよい。

表示情報取得部３７は、後述する作図部２７が作図するＭ−Ｎ図中で表示する表示情報を取得する。本実施形態の表示情報取得部３７は、例えば、作図部２７が作図する作図角度（シールドトンネルの横断面における周方向位置）を取得する。詳細については後述する。

梁ばね解析モデル生成部２３は、取得部２２が取得したシールドトンネル１の部材情報に基づき、シールドトンネル１の梁ばね解析モデル６（図４参照）を生成する。梁ばね解析モデル６、及び梁ばね解析モデル生成部２３がこの梁ばね解析モデル６を生成する具体的方法については、本発明の一実施形態としての耐力判定方法の説明で述べたものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

演算部２４は、取得部２２が取得したシールドトンネル１の部材情報のうち一次覆工２の所定の部材情報に基づき、軸力Ｎの値に応じた、一時覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度又は限界応力度を算出する。

本実施形態の演算部２４は、まず、取得部２２が取得したシールドトンネル１の部材情報に基づき、一次覆工２の所定の部材情報を算出する。具体的に、本実施形態の演算部２４は、取得部２２が取得した「一次覆工寸法」、「物性」、「断面形状」及び腐食度の情報に基づき、一次覆工２のセグメント４の断面係数、断面二次モーメント、上縁断面係数、及び下縁断面係数を算出する。

更に、本実施形態の演算部２４は、一次覆工２の断面係数等の、一次覆工２の所定の部材情報に基づき、軸力Ｎの値に応じた、一時覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を少なくとも算出する。より具体的に、本実施形態の演算部２４は、一次覆工２の正曲げ時及び負曲げ時それぞれについて、軸力Ｎの値に応じた、一時覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を少なくとも算出する。

なお、演算部２４が、一次覆工２の所定の部材情報に基づき、軸力Ｎの値に応じた、一時覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度を算出する具体的方法については、本発明の一実施形態としての耐力判定方法の説明で述べたものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

また、本実施形態では、演算部２４が、上述した一次覆工２の断面係数などの所定の部材情報を、取得部２２が取得した部材情報から算出しているが、これに限らず、例えば、取得部２２が、一次覆工２の断面係数などの所定の部材情報を、直接取得するようにしてもよい。

この他に、演算部２４は、梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを入力した際の、梁ばね解析モデル６に発生する応力や変位量を算出する。具体的に、本実施形態の演算部２４は、梁ばね解析モデル６に対して所定の外部荷重Ｆを入力した際の、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘが発生している第１位置での一次覆工２の軸力Ｎ１、及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎが発生している第２位置での一次覆工２の軸力Ｎ２、を少なくとも算出する。

本実施形態の演算部２４は、梁ばね解析モデル６に対して入力される所定の外部荷重Ｆとして、取得部２２が取得した外部荷重の値を用いる。この所定の外部荷重Ｆの詳細は、本発明の一実施形態としての耐力判定方法の説明で述べたものと同様であるため、ここでは説明を省略する（図５参照）。更に、本実施形態の演算部２４は、梁ばね解析モデル６に対して強制変位を入力していない状態で応力計算をしているが、外部荷重Ｆに加えて、取得部２２が取得した強制変位を入力した状態で応力計算することも可能である。

出力部２５は、演算部２４で算出された、最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、並びに第１位置及び第２位置それぞれでの軸力Ｎ１及びＮ２の値に対応する許容応力度及び／又は限界応力度、を少なくとも出力する。本実施形態の出力部２５は、これらの情報の他に、任意の軸力Ｎの値に対応した、一次覆工２の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度、梁ばね解析モデル６（図４参照）の周方向の任意の位置での発生応力（曲げモーメント、せん断応力、軸力）、及び梁ばね解析モデル６の周方向の任意の位置での変位量を出力することができる。

耐力判定部２６は、出力部２５が出力した値に基づき、シールドトンネル１の耐力を判定する。具体的に、耐力判定部２６は、出力部２５が出力した、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘと、出力部２５が出力した、軸力Ｎ１に対応する、一次覆工２の正曲げ時の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較すると共に、出力部２５が出力した、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎと、出力部２５が出力した、軸力Ｎ２に対応する、一次覆工２の負曲げ時の曲げモーメントＭの許容応力度及び／又は限界応力度と、を比較することにより、シールドトンネル１が十分な耐力を保有するか否か判定する。この判定方法の更なる詳細については、本発明の一実施形態としての耐力判定方法の説明で述べたものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

作図部２７は、出力部２５が出力した、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、梁ばね解析モデル６の一次覆工２に発生する最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎ、並びに第１位置及び第２位置それぞれでの軸力Ｎ１及びＮ２の値における、一次覆工２の曲げモーメントの許容応力度及び／又は前記限界応力度、を少なくとも作図する。本実施形態の作図部２７は、正曲げ時及び負曲げ時それぞれの許容耐力線及び／又は限界耐力線、第１位置での軸力Ｎ１及び最大曲げモーメントＭ_ｍａｘ、並びに第２位置での軸力Ｎ２及び最小曲げモーメントＭ_ｍｉｎを、Ｍ−Ｎ図上に作図する（図６参照）。なお、これらの情報に加えて、梁ばね解析モデル６（図４参照）の周方向の任意の位置での一次覆工２の応力（例えば、梁ばね解析モデル６の周方向の任意の位置における一次覆工２の曲げモーメント及び軸力の値）や、梁ばね解析モデル６の周方向の任意の位置での一次覆工２の変位量を作図するようにしてもよい。作図する対象については、上述したように、取得部２２の表示情報取得部３７が取得した表示情報に基づいて決定される。

作図部２７が作図したＭ−Ｎ図によれば、上述の耐力判定部２６による判定結果を視覚的に容易に確認することができる（図６参照）。

上述した耐力判定装置２０として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、耐力判定装置２０の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部２１に格納しておき、該コンピュータの演算部２４によってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。なお、このプログラムを、ネットワークを通じてコンピュータに提供するようにすることも可能である。

また、本発明に係る耐力判定方法は、例えば１つのコンピュータなどの、１つの装置としての耐力判定装置２０によって実現できる他に、有線又は無線回線により接続された複数のコンピュータによって実現可能である。

１：シールドトンネル
２：一次覆工
３：二次覆工
４：セグメント
４ａ：スチールセグメント
５：主桁
６：梁ばね解析モデル
７：支持台
８：管路
１０：一次覆工の梁ばねモデル
１１：二次覆工の梁ばねモデル
１２：覆工間ばね
１３：一次覆工梁
１４：一次覆工ばね
１５：二次覆工梁
１６：二次覆工ばね
１７：地盤ばね
２０：耐力判定装置
２１：記憶部
２２：取得部
２３：梁ばね解析モデル生成部
２４：演算部
２５：出力部
２６：耐力判定部
２７：作図部
２８：テーブル保持部
２９：データベース保持部
３６：設計情報取得部
３７：表示情報取得部
Ｆ：外部荷重
ｃ：二次覆工のひび割れ
ｏ：二次覆工の空洞

Claims

梁ばね解析モデルを用いて、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルの耐力を判定する耐力判定方法であって、
前記一次覆工の部材情報及び前記二次覆工の部材情報を含む、前記シールドトンネルの部材情報に基づいて、前記シールドトンネルの梁ばね解析モデルを生成するステップと、
前記シールドトンネルの部材情報のうち前記一次覆工の所定の部材情報に基づいて、軸力の値に応じた、前記一次覆工の曲げモーメントの許容応力度又は限界応力度を算出するステップと、
前記梁ばね解析モデルに対して所定の外部荷重を入力した際の、当該梁ばね解析モデルの前記一次覆工に発生する最大曲げモーメント、最小曲げモーメント、前記最大曲げモーメントが発生している第１位置での前記一次覆工の軸力、及び前記最小曲げモーメントが発生している第２位置での前記一次覆工の軸力、を算出するステップと、
前記最大曲げモーメント及び前記最小曲げモーメントと、前記第１位置及び前記第２位置での軸力の値に対応した前記許容応力度及又は前記限界応力度と、を比較することにより、前記シールドトンネルの耐力を判定するステップと、を含み、
前記梁ばね解析モデルの前記二次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の二次覆工梁と、前記複数の二次覆工梁間で、前記二次覆工梁同士を接続する二次覆工ばねと、を備え、
前記シールドトンネルの部材情報のうち前記二次覆工の部材情報は、前記二次覆工のひび割れ、空洞又は空洞充填に関する付加的部材情報を含み、
前記二次覆工ばねは、前記付加的部材情報に基づき、ばね定数が決定されることを特徴とする耐力判定方法。
前記許容応力度及又は前記限界応力度を算出するステップは、前記一次覆工の正曲げ時及び負曲げ時それぞれについての許容応力度又は限界応力度を算出し、
前記シールドトンネルの耐力を判定するステップは、前記最大曲げモーメントと、前記第１位置での軸力の値に対応した、前記正曲げ時の許容応力度又は限界応力度との比較、並びに、前記最小曲げモーメントと、前記第２位置での軸力の値に対応した、前記負曲げ時の許容応力度又は限界応力度との比較を行うことを特徴とする、請求項１に記載の耐力判定方法。
前記シールドトンネルの耐力を判定するステップは、前記正曲げ時及び前記負曲げ時の前記許容応力度を表す耐力線又は前記限界応力度を表す耐力線、前記第１位置での軸力及び前記最大曲げモーメント、並びに、前記第２位置での軸力及び前記最小曲げモーメントを、曲げモーメント−軸力の相関図上に作図することにより行われることを特徴とする、請求項２に記載の耐力判定方法。
前記一次覆工の前記所定の部材情報は、前記一次覆工の腐食に関する情報に基づき算出されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の耐力判定方法。
前記梁ばね解析モデルの前記一次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の一次覆工梁と、前記複数の一次覆工梁間で、前記一次覆工梁同士を接続する一次覆工ばねと、を備え、
前記梁ばね解析モデルのうち、前記一次覆工の梁ばねモデルの前記一次覆工梁と前記二次覆工の梁ばねモデルの前記二次覆工梁とを接続する覆工間ばねは、前記付加的部材情報に基づき、ばね定数が決定されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の耐力判定方法。
梁ばね解析モデルを用いて、一次覆工及び二次覆工を備える通信用のシールドトンネルの耐力を判定する耐力判定装置であって、
前記一次覆工の部材情報及び前記二次覆工の部材情報を含む、前記シールドトンネルの部材情報を取得する取得部と、
前記取得部が取得した前記シールドトンネルの前記部材情報に基づき、前記シールドトンネルの梁ばね解析モデルを生成する梁ばねモデル生成部と、
前記取得部が取得した前記シールドトンネルの前記部材情報のうち前記一次覆工の所定の部材情報に基づき、軸力の値に応じた、前記一時覆工の曲げモーメントの許容応力度又は限界応力度を算出すると共に、前記梁ばね解析モデルに対して所定の外部荷重を入力した際の、当該梁ばね解析モデルの前記一次覆工に発生する最大曲げモーメント、最小曲げモーメント、前記最大曲げモーメントが発生している第１位置での前記一次覆工の軸力、及び前記最小曲げモーメントが発生している第２位置での前記一次覆工の軸力、を算出する演算部と、
前記演算部で算出された、前記最大曲げモーメント、前記最小曲げモーメント、並びに前記第１位置及び前記第２位置それぞれでの軸力の値に対応する前記許容応力度又は前記限界応力度、を出力する出力部と、
前記出力部が出力した値に基づき、前記シールドトンネルの耐力を判定する耐力判定部と、を備え、
前記梁ばね解析モデルの前記二次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の二次覆工梁と、前記複数の二次覆工梁間で、前記二次覆工梁同士を接続する二次覆工ばねと、を備え、
前記取得部は、前記二次覆工のひび割れ、空洞又は空洞充填に関する前記二次覆工の所定の付加的部材情報を取得し、
前記梁ばね解析モデル生成部は、前記二次覆工の前記所定の付加的部材情報に基づき、前記二次覆工ばねのばね定数を決定することを特徴とするシールドトンネルの耐力判定装置。
前記出力部が出力した、前記最大曲げモーメント、前記最小曲げモーメント、並びに前記第１位置及び前記第２位置それぞれでの軸力の値に対応した前記許容応力度又は前記限界応力度、を作図する作図部を備えることを特徴とする、請求項６に記載の耐力判定装置。
前記梁ばね解析モデルの前記一次覆工の梁ばねモデルは、円形状に配置される複数の一次覆工梁と、前記複数の一次覆工梁間で、前記一次覆工梁同士を接続する一次覆工ばねと、を備え、
前記梁ばね解析モデル生成部は、前記二次覆工の前記所定の付加的部材情報に基づき、前記一次覆工の梁ばねモデルの前記一次覆工梁と前記二次覆工の梁ばねモデルの前記二次覆工梁とを接続する覆工間ばねのばね定数を決定することを特徴とする、請求項６又は７に記載の耐力判定装置。