JP7095266B2

JP7095266B2 - 地中変位測定方法

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Publication number: JP7095266B2
Application number: JP2017220704A
Authority: JP
Inventors: 秀雄木梨
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: JP2019090269A

Description

本発明は、トンネル掘削時に生じるトンネル周辺地山の変形挙動を把握するための地中変位測定方法に関する。

トンネル構造物を施工するにあたっては、施工中に様々な測定を行い、トンネル構造物の安定性と安全性を確認するとともに、設計・施工の妥当性を評価し、トンネル掘削に伴う周辺地山の挙動や周辺構造物への影響等を把握している。

なかでも、地中変位測定は、トンネル周辺地山におけるひずみ分布を推定し、また、ゆるみ領域を把握するべく、掘削により生じる地山のトンネル径方向の変位量を測定するものである。その測定方法は、例えば、特許文献１に開示されているように、トンネルの内空より地中変位計を地山のトンネル径方向に向けて放射状に複数設置し、地中変位計の各々において一定の間隔をあけた複数地点で地山の変位量を測定する。これにより、地中変位計の配置位置ごとで、複数地点の変位量からトンネル径方向の地中変位を把握する。

特開２００７－３３３６３８号公報

しかし、地中変位計は切羽が通過した後の地山に設置されるため、測定された地山の変位量には、切羽通過前より地山に生じている先行変位や、切羽通過から測定開始までに生じた初期変位が含まれていない。これら先行変位や初期変位が、掘削作業に起因してトンネル周辺地山に生じる全変位に占める割合は、最大５０％（地山条件や施工条件により約２０～５０％）にまで及ぶことが知られており、その影響は小さくない。このため、先行変位や初期変位を含まない地中変位を使ってトンネルの安定性を評価するべくトンネル周辺地山のひずみ分布を把握しようとする方法は、安定性評価の信頼性に課題が生じていた。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、切羽通過前の先行変位を含む全変位に基づいて、切羽近傍周辺地山におけるトンネル径方向の地中変位を把握することの可能な、地中変位測定方法を提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の地中変位測定方法は、トンネル軸線と直交する所定の仮想断面におけるトンネル径方向の地中変位を把握するための、地中変位測定方法であって、トンネル構築予定領域周辺の地山にトンネルの掘削方向に向けて、切羽前方の変位量を測定する計測点を長さ方向に複数備えた先行変位計を、前記トンネルの軸線から徐々に離間するように設置した後、前記トンネルの掘削作業を開始し、切羽の進行に応じて前記計測点各々で変位量を測定し、該計測点の変位量をそれぞれ前記仮想断面上に投影し、投影した該変位量を前記仮想断面上における地山の変位量と見做してトンネル径方向の地中変位を把握することを特徴とする。

上述する本発明の地中変位測定方法によれば、切羽の前方に先行変位計が設置された状態で、トンネルの掘削作業を開始することから、先行変位計に備えられている複数の計測点には、少なくとも切羽通過前の先行変位を過不足なく含んだ全変位を変位量として測定できる計測点が含まれる。したがって、これら計測点より測定された変位量をそれぞれ、計測点各々をトンネル軸線方向から所定の仮想断面上に投影した変位量として採用することで、トンネル径方向の地中変位を、地山を直接測定して得た全変位に基づいて把握したものとして、取り扱うことが可能となる。

本発明の地中変位測定方法は、掘削開始地点から仮想断面の範囲に位置し、変位量として全変位を測定する前記計測点を用いて、前記地中変位を把握することを特徴とする。また、前記切羽が、前記先行変位計に備えた前記計測点の直下を通過するごとに、すべての前記計測点の変位量を測定し、測定結果に基づいて前記計測点各々で先行変位率を算定し、該先行変位率から全変位が測定される前記計測点を特定することを特徴とする。

上述する本発明の地中変位測定方法によれば、先行変位計に備えた複数の計測点のなかから、切羽通過前の先行変位を過不足なく含んだ全変位を変位量として測定する計測点を特定し、これら特定された計測点を地中変位の把握に採用するため、トンネル径方向の地中変位の信頼性を、より高めることが可能となる。

本発明の地中変位測定方法は、前記先行変位計を、前記トンネルの周方向に間隔を設けて複数設置することを特徴とする。

上述する本発明の地中変位測定方法によれば、計測点が投影された仮想断面上においてトンネル周方向の複数地点でトンネル径方向の地中変位を把握できることから、この仮想断面上におけるトンネル周方向の変位分布を把握できるとともに、これら変位分布から地山のひずみ分布を把握することも可能となる。

これにより、トンネルの安定性を評価するにあたって、地山を直接測定して把握したひずみ分布を、地山の性状から把握される破壊ひずみと比較できるため、信頼性の高い安定性評価結果を得ることが可能となる。

本発明によれば、先行変位計に備えた複数の計測点にて測定された変位量をそれぞれ、計測点各々をトンネルの軸線方向から所定の仮想断面上に投影した変位量として採用することで、トンネル径方向の地中変位を、地山を直接測定して得た全変位に基づいて把握したものとして、取り扱うことが可能となる。

本発明の実施の形態における先行変位計およびこれに備えた計測点を示す図である。本発明の実施の形態における先行変位計の断面を示す図である。本発明の実施の形態における先行変位計が設置された地山におけるトンネルの掘削作業を示す図である。本発明の実施の形態における各計測点の変位量を示す図である。本発明の実施の形態における各計測点の変位量を仮想断面上のトンネル径方向の変位量と見做した状態を示す図である。本発明の実施の形態における各計測点が位置する地山周辺の最終変位量を推定するための図である。本発明の実施の形態における先行変位計に備えた各計測点で測定した変位量の先行変位率を示す図である。本発明の実施の形態における先行変位計を地山に複数設けた際の、変位量を仮想断面上のトンネル径方向の変位量と見做した状態を示す図である。

本発明における地中変位測定方法は、トンネルの掘削作業に伴って生じる切羽前方の変位量を測定する先行変位計を利用して、トンネル径方向の地中変位を把握する方法である。

一般に、地中変位の測定方法は、地中変位を把握したい計測断面を切羽が通過したところで、トンネル坑内からトンネル径方向の地中に向けて地中変位計を埋設し、これら地中変位計に設定された複数地点ごとで、地山におけるトンネル径方向の変位量を測定する。そして、これら複数地点各々より得られた変位量に基づいて、計測断面におけるトンネル径方向の地中変位を把握するが、地中変位計にて測定される地山の変位量に代えて、先行変位計より測定される地山の変位量を採用する点が、地中変位測定方法の大きな特徴である。

＜先行変位計の設置＞
図１で示すように、トンネル構築予定領域周辺の地山１にトンネルＴの天端からトンネル掘削方向へ向けて、切羽２よりも前方における地山１の変位量を測定する計測点Ｄを長さ方向に複数備えた先行変位計３を、トンネル軸線から鉛直上方に徐々に離間するようにして設置する。

先行変位計３としては、地盤の上下方向の変位量を測定することのできる、いわゆる３Ｄ地中変位計を採用している。３Ｄ地中変位計は、内部に加速度センサが内蔵された所定ピッチのセグメント３１が、長手方向に連結されて線状構造をなすように形成されている。これらセグメント３１同士は、フレキシブルな関節３２により一定範囲で屈曲可能となっており、各関節３２の傾斜角から区間変位を算出し、これを不動点（最深部もしくは最浅部）から積算していくことで、複数の計測点Ｄの座標値を出力する。

このような構造の先行変位計３は、掘削開始地点付近におけるトンネル掘削面の天端に開口が位置するようにして、トンネル構築予定領域周辺の地山１に埋設された二重管４の内方に収納されている。二重管４は、図２で示すように、トンネル坑内から地中に向けて打設された外管４１と、外管４１に挿入された内管４２と、外管４１と内管４２との間に充填された固化材４３とにより構成されている。そして、先行変位計３は、これら二重管４を構成する内管４２の内方に収納されている。

先行変位計３の長さや配置角度、計測点Ｄの配置間隔はいずれに設定してもよいが、本実施の形態では、図１で示すように、トンネル軸線方向に延在するよう水平線に対して約２０度の傾斜をもって設置するとともに、トンネル軸線方向に約２０ｍの範囲を測定できる長さに設定している。なお、配置角度は、地盤条件等に応じて適宜変更すればよい。さらに、先行変位計３における計測点Ｄの配置間隔は、トンネル軸線方向に約５０ｃｍの間隔で計測点Ｄが得られるよう、セグメント３１の長さを調整している。

＜地中変位の把握＞
トンネル構築予定領域の地山１に先行変位計３を設置した後、図３で示すように、トンネルＴの掘削作業を開始する。そして、切羽２の進行に応じて、先行変位計３に備えたすべての計測点Ｄ各々で変位量を測定し、その変位量を仮想断面５に投影する。

なお、仮想断面５は、トンネル軸線と直交する断面であれば、いずれの位置に設定してもよい。本実施の形態では、図３で示すように、仮想断面５が、掘削開始地点からトンネル軸線方向に１２ｍ進んだ地点に設定した場合を事例に挙げて説明する。

図４で示すような、横軸に計測点Ｄの位置を取り、縦軸に変位量をとったグラフをみると、切羽２が掘削開始地点から１２ｍに位置する計測点Ｄの直下を通過した時点の、先行変位計３における各計測点Ｄの変位量は、切羽進行１２ｍの折れ線のような結果となっている。

これら切羽進行１２ｍの時点における各計測点Ｄの変位量を、仮想断面５に投影することで、その時点でのトンネル径方向の地中変位を把握する。

具体的には、各計測点Ｄで測定された変位量を、図３で示すように、各計測点Ｄをトンネル軸線方向から仮想断面５上に投影し、地山１の変位量と見做す。これにより図５で示すように、仮想断面５上において、トンネルＴの天端からトンネル径方向に延在する直線６上の複数地点における地山１の変位量を得ることができるため、これら地山１の変位量からトンネル径方向の地中変位を把握することが可能となる。

ここで、図３で示すように、先行変位計３に備えた複数の計測点Ｄは、トンネル軸線方向の位置が、従来の計測工Ｂの様な計測断面とは当然ながら異なっている。しかし、これらの設置範囲は、先行変位計３の設置長さに基づいてほぼ決定され、本実施の形態では、＜先行沈下計の設置＞で述べたように、約２０ｍ程度である。一方で、計測工Ｂは、トンネルの施工途中で地山条件が変化したり特殊なトンネル構造条件になる等の場合に日常の管理に追加される、選択的測定である。したがって、トンネル全長に対して複数個所設定される場合であっても、その配置間隔は数百ｍ～数ｋｍとなる。

してみると、トンネル全長に比べて計測工Ｂの観点からみた計測断面および仮想断面５に投影される複数の計測点の設置範囲は微小であり、またその範囲内がほぼ同一地盤として取り扱うことのできる地山条件にあれば、この設置範囲は、トンネル軸線と直交する同一断面内と見做しても、大きな支障をきたす範疇ではないものと推測できる。

ところで、先行変位計３があらかじめ切羽３の前方に設置された状態で、トンネルＴの掘削作業が開始されることにより、複数の計測点Ｄ各々で測定される変位量には、切羽２の通過前より生じている地山の変位（以降、先行変位と称す）が含まれる。この場合、先行変位計３に備えた複数の計測点Ｄには、先行変位を過不足なく含んだ全変位を変位量として測定できるものと、測定した変位量に先行変位の一部のみが含まれるものが混在していることが想定される。

したがって、これら複数の計測点Ｄの中でも、先行変位を過不足なく含む全変位を変位量として測定しているものを特定し、これら特定された計測点Ｄのみを地中変位測定方法に採用すれば、より高い信頼性をもって、地山１を直接測定した全変位に基づいた、仮想断面５におけるトンネル径方向の地中変位を把握することが可能となる。

そこで、以下の手順により、先行変位計３に備えた複数の計測点Ｄのうち、変位量として全変位を測定可能な計測点Ｄを特定する。

＜全変位を測定可能な計測点の特定＞
トンネルＴの掘削作業を進めつつ、切羽２が、地中変位計３に備えた複数の計測点Ｄのうち、あらかじめトンネル軸線方向に適宜設定した間隔に位置する計測点Ｄの直下を通過するごとに、地中変位計３のすべての計測点Ｄにて変位量を測定する。

なお、変位量の測定は、先行変位計３に備えたすべての計測点Ｄの直下を通過するごとに行ってもよいが、本実施の形態では、切羽２が１個おきの計測点Ｄの直下を通過するごとに、つまり切羽２がトンネル軸線方向に１ｍ進むごとに、すべての計測点Ｄの変位量を測定した。その結果の一部（切羽２がトンネル軸線方向に２ｍ進むごとに計測したすべての計測点Ｄの結果）を、図４のグラフにプロットした。

図４をみると、切羽２が掘削開始地点近傍に位置する時の線形（切羽進行０ｍ）は、地中変位計３の各計測点Ｄで計測された変位量がすべて０ｍｍである。つまり、先行変位計３は、切羽２が掘削開始地点に至るまでのトンネル掘削作業に起因して生じる先行変位を含んでいない状態にある。これは、＜先行変位計の設置＞で述べたように、切羽２が掘削開始地点に到達した後に、先行変位計３が地山に設置されることに起因する。

そして、掘削開始地点から２ｍに位置する計測点Ｄの直下を切羽２が通過した時の線形（切羽進行２ｍ）では、掘削開始地点から４ｍの範囲内に位置する計測点Ｄそれぞれにおいて、変位が生じている。また、トンネルＴの掘削が進み、掘削開始地点から６ｍに位置する計測点Ｄの直下を切羽２が通過した時の線形（切羽進行６ｍ）では、掘削開始地点から１２ｍの範囲内に位置する計測点Ｄそれぞれにおいて、変位量が測定されている。

これにより、先行変位計３は、トンネルＴの掘削作業を進めることにより、切羽２の前方に位置する計測点Ｄにおいて、先行変位の少なくとも一部を変位量として測定している様子を確認できる。

そこで、先行変位計３の各計測点Ｄにて測定した変位量を、図６で示すように、横軸に切羽離れ（計測点Ｄにおける切羽２からの距離）を取り、縦軸に変位量を取ったグラフにプロットする。すると、すべての計測点Ｄにおいて、切羽２が各計測点Ｄを通過した後（切羽離れ０ｍ）、トンネルＴの掘削作業が進行し切羽２と各計測点Ｄとのトンネル軸線方向の距離が広がるにしたがって、地山１の変位量が緩やかに増加しているものの、やがて収束していく様子がわかる。

このような、切羽２が十分遠くまで進行し地山１の変位量が収束した時の計測点Ｄ各々の最終変位量を、計測点Ｄごとにゴンペルツ曲線を描いて推定する。そして、計測点Ｄごとで、推定した最終変位量に対する切羽２が計測点Ｄの直下を通過した時点での変位量（切羽離れ０ｍの時の変位量）が占める割合、つまり先行変位率を算定する。

例えば、図６には掘削開始地点から９ｍに位置する計測点Ｄについて、ゴンペルツ曲線が描かれており、これを見ると、切羽２が十分遠くまで進行し地山１の変位量が収束した時の最終変位量が、約３９．５ｍｍと推定される。また、掘削開始地点から９ｍに位置する計測点Ｄの直下を切羽２が通過したときの変位量は約２１．５ｍｍとなっている。してみると、掘削開始地点から９ｍに位置する計測点Ｄの先行変位率は約０．５４となる。

図７に、計測点Ｄ各々における先行変位率の算定結果を示す。図７のグラフを見ると、掘削開始地点から４ｍの範囲に位置する計測点Ｄでは、先行変位率が安定しておらず、各計測点Ｄで測定された変位量には先行変位が十分に反映されていないことが想定できる。一方、掘削開始地点から４ｍを超える範囲に位置する計測点Ｄではいずれも、先行変位率がほぼ安定しており、また、その数値も５４％前後に位置している。

一般に、トンネルＴの掘削作業を実施することにより、トンネルＴの周辺領域の地山１に生じる全変位のうち、先行変位の占める割合は約３０％、これに切羽の通過後測定を開始するまでの初期変位を含めると、想定される先行変位率は約５０％程度であることが知られている。してみると、先行変位計３における掘削開始地点から４ｍを超える範囲に位置する計測点Ｄは、変位量として全変位を測定する計測点Ｄであると特定することができる。

したがって、仮想断面５上におけるトンネル径方向の地中変位を把握するにあたり、仮想断面５を切羽２が通過した後、掘削開始地点から仮想断面５の範囲に位置する複数の計測点Ｄの変位量を測定する。そして、測定した変位量のうち、掘削開始地点から４ｍを超える範囲に位置する計測点Ｄの変位量をそれぞれ、各計測点Ｄをトンネル軸線方向から仮想断面５上に投影した地点における、地山の変位量と見做すことにより、より信頼性の高いトンネル径方向の地中変位を得ることが可能となる。

なお、変位量として全変位を測定しない計測点Ｄとされた、先行変位計３における掘削開始地点から４ｍの範囲に位置する計測点Ｄの変位量を、地中変位の把握に用いる場合には、図７のグラフから得られる各計測点Ｄの先行変位率と、上述した先行変位率約５０％程度との一般的な知見に基づいて、先行変位を推定するとよい。

本発明の地中変位測定方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、先行変位計３をトンネルＴの天端からトンネル掘削方向に向けて設置したが、設置開始位置は必ずしもトンネルＴの天端に限定されるものではない。先行変位計３をトンネル軸線から徐々に離間するようにしてトンネル掘削方向に向けて設置すれば、トンネル掘削周面のいずれの位置から設置してもよい。

また、本実施の形態では、トンネル構築予定領域の地山１に先行変位計３を１本のみ設置したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、トンネル構築予定領域の地山１に先行変位計３を３本設置し、各々で図８に示すように、仮想断面５上においてトンネル径方向に延在する直線６上の複数地点における地山１の変位量を得るとよい。こうすると、トンネル径方向の地中変位を、仮想断面５上におけるトンネル周方向の３か所で把握することができる。

これにより、仮想断面５上でトンネルＴ周辺の地山１におけるトンネルＴ周方向の変位分布図を作成することが可能となるとともに、これら変位分布からトンネルＴ周方向のひずみ分布を把握することも可能となる。したがって、トンネルＴの安定性を評価するにあたって、地山１を直接測定して把握したひずみ分布を、地山１の性状から把握される破壊ひずみと比較できるため、信頼性の高い安定性評価結果を得ることが可能となるとともに、仮想断面５上において、トンネルＴ周辺の地山１における破壊ひずみを超える領域やゆるみ域の分布を推定することも可能となる。

１地山
２切羽
３先行変位計
３１セグメント
３２関節
４二重管
４１外管
４２内管
４３固化材
５仮想断面
６トンネル径方向に延在する直線
Ｔトンネル
Ｄ計測点

Claims

トンネル軸線と直交する所定の仮想断面におけるトンネル径方向の地中変位を把握するための、地中変位測定方法であって、
トンネル構築予定領域周辺の地山にトンネルの掘削方向に向けて、切羽前方の変位量を測定する計測点を長さ方向に複数備えた先行変位計を、前記トンネルの軸線から徐々に離間するように設置した後、
前記トンネルの掘削作業を開始し、切羽の進行に応じて前記計測点各々で変位量を測定し、
該計測点の変位量をそれぞれ前記仮想断面上に投影し、投影した該変位量を前記仮想断面上における地山の変位量と見做してトンネル径方向の地中変位を把握することを特徴とする地中変位測定方法。
請求項１に記載の地中変位測定方法において、
掘削開始地点から仮想断面の範囲に位置し、変位量として全変位を測定する前記計測点を用いて、前記地中変位を把握することを特徴とする地中変位測定方法。
請求項２に記載の地中変位測定方法において、
前記切羽が、前記先行変位計に備えた前記計測点の直下を通過するごとに、すべての前記計測点の変位量を測定し、
測定結果に基づいて前記計測点各々で先行変位率を算定し、
該先行変位率から全変位が測定される前記計測点を特定することを特徴とする地中変位測定方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の地中変位測定方法において、
前記先行変位計を、前記トンネルの周方向に間隔を設けて複数設置することを特徴とする地中変位測定方法。