大断面トンネルの限界状態設計法に関する研究

限界状態設計法を確立するためには、まず崩壊機構を明らかにしなければならない。トンネルにおいては周辺地山に生ずるせん断すべり面の形状と位置、さらに耐力(抵抗力)を求める必要がある。そして、すべり面によって囲まれる領域の安全性を検討するわけであるが、その場合、耐力が崩壊させようとする力(荷重)より十分に大きければ崩壊は生じない。しかし、トンネルが大断面になるにつれて崩壊の可能性は大きくなる。すなわち、荷重は崩壊しようとする領域の体積に比例するが、耐力はその作用する面積に比例する。したがってトンネル断面が大きくなり崩壊領域が大きくなると耐力が不足し崩壊する。本研究では、断面の大きさの違い、また支保工の剛性・構造などの違いによりトンネル天端および切羽周辺の変形メカニズム、また地山内及び支保工への土圧の分布にどのような差異が生じるかに注目してモデル実験・および数値解析により検討した。その結果、トンネルは空洞径が大きくなるにともなって相対的に安定性が低下することがわかった。これは、横断面および縦断面の両方において実験的に確認した。また、非弾性ひずみを考慮した逆解析を用いて、計測変位からトンネル周辺に生ずるせん断すべり面を非常に変位の小さい初期の段階で求め得る事を示した。これについては、アルミ棒を用いたモデル実験、および実測データのある地下発電所空洞に対して実施し、それぞれにおいて局部的に非弾性な挙動が存在する場合、これを実用上十分な制度で推定しうることが確かめられた。さらに、実問題においては複雑な地盤条件を取り扱う場合が多いことから、不均一な地盤材料の“限界ひずみ"に関する実験的検討を実施した。ここでは、不均質性岩盤の限界ひずみについて、人工的に作成した不均質岩質材料を用いて実験を行い、その特性について検討した。これらの成果から、トンネルの限界状態設計法を確立するためには、まず、崩壊メカニズムを明らかにし、そのうえで実測データに基づく逆解析などを利用することにより、実地盤の挙動に関する特性を検討して行くことが重要であることを認識した。さらに、これらの過程においては、早期の段階での崩壊の前兆を把握できるようにするとともに、より経済的なトンネル・地下空洞の設計を実現するために信頼性の高い土圧計測を含めた情報化施工のさらなる発展が必要であることが確認された。

限界状態設計法を確立するためには、まず崩壊機構を明らかにしなければならない。トンネルにおいては周辺地山に生ずるせん断すべり面の形状と位置、さらに耐力(抵抗力)を求める必要がある。そして、すべり面によって囲まれる領域の安全性を検討するわけであるが、その場合、耐力が崩壊させようとする力(荷重)より十分に大きければ崩壊は生じない。しかし、トンネルが大断面になるにつれて崩壊の可能性は大きくなる。すなわち、荷重は崩壊しようとする領域の体積に比例するが、耐力はその作用する面積に比例する。したがってトンネル断面が大きくなり崩壊領域が大きくなると耐力が不足し崩壊する。本研究では、断面の大きさの違い、また支保工の剛性・構造などの違いによりトンネル天端および切羽周辺の変形メカニズム、また地山内及び支保工への土圧の分布にどのような差異が生じるかに注目してモデル実験・および数値解析により検討した。その結果、トンネルは空洞径が大きくなるにともなって相対的に安定性が低下することがわかった。これは、横断面および縦断面の両方において実験的に確認した。また、非弾性ひずみを考慮した逆解析を用いて、計測変位からトンネル周辺に生ずるせん断すべり面を非常に変位の小さい初期の段階で求め得る事を示した。これについては、アルミ棒を用いたモデル実験、および実測データのある地下発電所空洞に対して実施し、それぞれにおいて局部的に非弾性な挙動が存在する場合、これを実用上十分な制度で推定しうることが確かめられた。さらに、実問題においては複雑な地盤条件を取り扱う場合が多いことから、不均一な地盤材料の“限界ひずみ"に関する実験的検討を実施した。ここでは、不均質性岩盤の限界ひずみについて、人工的に作成した不均質岩質材料を用いて実験を行い、その特性について検討した。これらの成果から、トンネルの限界状態設計法を確立するためには、まず、崩壊メカニズムを明らかにし、そのうえで実測データに基づく逆解析などを利用することにより、実地盤の挙動に関する特性を検討して行くことが重要であることを認識した。さらに、これらの過程においては、早期の段階での崩壊の前兆を把握できるようにするとともに、より経済的なトンネル・地下空洞の設計を実現するために信頼性の高い土圧計測を含めた情報化施工のさらなる発展が必要であることが確認された。