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JP7064286B2 - Design method of reinforcement structure of existing structure and reinforcement structure of existing structure - Google Patents
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Design method of reinforcement structure of existing structure and reinforcement structure of existing structure Download PDF

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Description

特許法第30条第2項適用 ▲1▼発行日 平成28年11月7日 刊行物 第26回トンネル工学研究発表会予稿集、「シールドトンネルの鉄筋残存量の評価と補強設計に関する研究」、公益社団法人土木学会 トンネル工学委員会 ▲2▼発行日 平成29年1月20日 刊行物 電気評論2017年1月号 株式会社 電気評論社Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act ▲ 1 ▼ Publication date November 7, 2016 Publications Proceedings of the 26th Tunnel Engineering Research Presentation, "Study on Evaluation of Residual Reinforcement of Shield Tunnel and Reinforcement Design", Japan Society of Civil Engineers Tunnel Engineering Committee ▲ 2 ▼ Publication date January 20, 2017 Publications Electrical Review January 2017 Issue Electrical Review Co., Ltd.

本発明は、既設構造物の劣化の進行度合いに応じて既設構造物を補強するための補強構造の設計方法、及び既設構造物の補強構造に関する。 The present invention relates to a method for designing a reinforcing structure for reinforcing an existing structure according to the degree of deterioration of the existing structure, and a reinforcing structure for the existing structure.

既設のシールドトンネル等の構造物の中には、経年変化により劣化が進行し、将来的に強度が低下する虞が生じるものがある。非特許文献1には、既設のトンネル構造物の内側に補強用のセグメントを新設する方法が記載されている。 Some of the existing structures such as shield tunnels deteriorate due to aging, and there is a risk that the strength will decrease in the future. Non-Patent Document 1 describes a method of newly constructing a reinforcing segment inside an existing tunnel structure.

落合孝雄、円谷喜只、阪井田修、田中榮一、「電力洞道改修工事における新しい内巻き補強工法」、1999年、トンネルと地下、第30巻1号,pp.46-52Takao Ochiai, Yoshita Tsuburaya, Osamu Sakata, Eiichi Tanaka, "New Inner Winding Reinforcement Method in Electricity Cable Tunnel Repair Work", 1999, Tunnel and Underground, Vol. 30, No. 1, pp. 46-52 塩冶幸男、内藤幸弘、阿南健一、大塚正博、小泉淳「経年劣化したシールドトンネルの補強に関する研究」、2011年、土木学会論文集、F1(トンネル工学)67(2),pp.62-78Yukio Shioji, Yukihiro Naito, Kenichi Anan, Masahiro Otsuka, Atsushi Koizumi "Study on Reinforcement of Shield Tunnels Aged", 2011, JSCE Proceedings, F1 (Tunnel Engineering) 67 (2), pp. 62-78

既設のシールドトンネル等の構造物は、建設された場所や時期の違いによって劣化の進行度合いが異なる。劣化が進行した構造物に対しては、劣化の進行度合いに応じた補強対策が行われることが望ましい。非特許文献1に記載された方法によると、既設のトンネル構造物の劣化の進行度合いにかかわらず補強用のセグメントを新設する。そのため、特許文献1に記載された方法では、既設のトンネル構造物の劣化の進行度合いが少ない場合には、少ない補強で足りる状態でも過剰な補強を施すこととなり、その結果コストが過大となってしまう虞がある。補強を適切に行うためには、既設の構造物の劣化の進行度合いを正確に把握して、劣化の進行度合いに応じた対策をする必要がある。
本発明は、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じて補強対策を行うことができる既設構造物の補強設計方法、及び既設構造物の補強構造を提供することを目的とする。
Structures such as existing shield tunnels have different degrees of deterioration depending on the place and time of construction. For structures that have progressed in deterioration, it is desirable to take reinforcement measures according to the degree of progress in deterioration. According to the method described in Non-Patent Document 1, a reinforcing segment is newly established regardless of the progress of deterioration of the existing tunnel structure. Therefore, in the method described in Patent Document 1, when the degree of deterioration of the existing tunnel structure is small, excessive reinforcement is performed even when a small amount of reinforcement is sufficient, and as a result, the cost becomes excessive. There is a risk that it will end up. In order to properly reinforce, it is necessary to accurately grasp the degree of deterioration of the existing structure and take measures according to the degree of deterioration.
It is an object of the present invention to provide a method for designing reinforcement of an existing structure and a reinforcing structure for the existing structure, which can take reinforcement measures according to the degree of deterioration of the existing structure.

本発明の実施形態に係る既設構造物の補強構造の設計方法は、
前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す設計上の第1曲線に基づいて、前記既設構造物に加わる第1荷重によって生じる第1変位量を求める初期変位量演算工程と、
想定される劣化状態にある前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、前記第1変位量を生じさせる第2荷重を求める劣化後荷重演算工程と、
前記第1荷重及び前記第2荷重との差に基づいて前記既設構造物を補強するための補強構造の強度を演算する補強構造強度演算工程と、を備える。
The method for designing a reinforcing structure of an existing structure according to an embodiment of the present invention is as follows.
An initial displacement amount calculation step for obtaining a first displacement amount generated by a first load applied to the existing structure based on a first design curve showing the relationship between the load acting on the existing structure and the displacement amount.
A post-deterioration load calculation step for obtaining a second load that causes the first displacement amount based on a second curve showing the relationship between the load acting on the existing structure in a assumed deteriorated state and the displacement amount.
The present invention includes a reinforcing structure strength calculation step of calculating the strength of the reinforcing structure for reinforcing the existing structure based on the difference between the first load and the second load.

本発明はこのような構成により、劣化状態にある前記既設構造物の状態を示す第2曲線から、劣化状態にある前記既設構造物に加わる仮想荷重となる第2荷重を求めて荷重履歴を参照することができ、補強構造の設計を合理的に行うことができる。 With such a configuration, the present invention obtains a second load, which is a virtual load applied to the existing structure in the deteriorated state, from the second curve showing the state of the existing structure in the deteriorated state, and refers to the load history. And the design of the reinforcing structure can be done rationally.

本発明は、更に、前記補強構造を設置した後、前記第1変位量における前記第2荷重を初期値として、補強後の前記既設構造物に作用する荷重と前記変位量との関係を示す第3曲線を求める補強後曲線演算工程と、
前記第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する将来変位量演算工程と、
を更に備えるよう構成してもよい。
The present invention further shows the relationship between the load acting on the reinforced existing structure and the displacement amount, with the second load in the first displacement amount as the initial value after the reinforcing structure is installed. 3 The post-reinforcement curve calculation process to obtain the curve and
A future displacement amount calculation process for calculating a future displacement amount with respect to an assumed future load based on the third curve, and a future displacement amount calculation process.
May be further provided.

本発明はこのような構成により、補強後の外力に対する耐力を既設構造物と補強構造とで受け持つよう設計することができ、補強構造の設計を合理的に行うことができる。 With such a configuration, the present invention can be designed so that the proof stress against the external force after reinforcement is taken over by the existing structure and the reinforcing structure, and the reinforcing structure can be rationally designed.

本発明は、更に、前記将来の荷重及び前記将来の変位量に基づく荷重状態における前記既設構造物の本体及び前記補強構造に生じる応力をモデル化された前記既設構造物と前記補強構造とを用いた構造解析モデルに基づいて演算する応力演算工程と、
を更に備えるよう構成してもよい。
The present invention further uses the existing structure and the reinforcing structure in which the stress generated in the main body of the existing structure and the reinforcing structure under the load state based on the future load and the future displacement amount is modeled. The stress calculation process that calculates based on the structural analysis model that was used,
May be further provided.

本発明はこのような構成により、具体的な既設構造物の形状に合わせた応力を演算することができる。 With such a configuration, the present invention can calculate the stress according to the shape of a specific existing structure.

本発明は、更に、演算した前記応力に基づいて設計された前記補強構造の耐力を前記補強構造に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する判定工程と、を更に備えるよう構成してもよい。 The present invention further comprises a determination step of determining the yield strength of the reinforcing structure designed based on the calculated stress based on the response value generated with respect to the dynamic load applied to the reinforcing structure. It may be configured.

本発明はこのような構成により、算出された補強構造の耐力を判定することで補強構造の安全性を評価することができる。 With such a configuration, the present invention can evaluate the safety of the reinforced structure by determining the calculated proof stress of the reinforced structure.

本発明は、更に、前記劣化後荷重演算工程は、前記第2曲線を決定するために、
前記既設構造物を構成する複数の構造部材の残存量の分布を示す分布曲線を決定する分布曲線決定工程と、
前記分布曲線を経時的に変化させるパラメータを演算するパラメータ演算工程と、
所定の期間経過後に対応する前記パラメータで算出される前記分布曲線に基づいて統計的に将来の前記構造部材の前記残存量を推定する構造部材残存量推定工程と、を更に備えるよう構成してもよい。
In the present invention, the post-deterioration load calculation step further determines the second curve.
A distribution curve determination step for determining a distribution curve showing the distribution of residual amounts of a plurality of structural members constituting the existing structure, and a distribution curve determination step.
A parameter calculation process for calculating parameters that change the distribution curve over time, and
Even if it is configured to further include a structural member residual amount estimation step for statistically estimating the residual amount of the structural member in the future based on the distribution curve calculated by the corresponding parameter after the lapse of a predetermined period. good.

本発明はこのような構成により、経年変化により腐食する構造部材の残存量を推定することができ、将来的に劣化した状態の既設構造物の荷重状態を推定することができる。 With such a configuration, the present invention can estimate the residual amount of the structural member that corrodes due to aging, and can estimate the load state of the existing structure in a deteriorated state in the future.

本発明は、更に、上記の設計方法による設計工程と、
前記設計工程で設計された補強構造を構築する補強工程と、を備えて既設構造物の補強構造の構築方法を構成してもよい。
The present invention further comprises a design process according to the above design method.
A method for constructing a reinforcing structure of an existing structure may be configured by comprising a reinforcing step for constructing the reinforcing structure designed in the design process.

本発明はこのような構成により、現場の既設構造物に対して補強構造を構築するための構築方法を得ることができる。 With such a configuration, the present invention can obtain a construction method for constructing a reinforcing structure with respect to an existing structure at the site.

本発明の実施形態に係る既設構造物の補強構造は、管路構造物の内空壁の天端においてトンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される上方支持部と、
前記内空壁の下端において前記トンネル軸方向に沿って連続して配置されると共に、前記内空壁の周方向に沿って配置される下方支持部と、
前記トンネル軸方向に沿って所定の間隔で配置されると共に、前記上方支持部と前記下方支持部とを連結する複数の支柱部と、を備える。
The reinforcing structure of the existing structure according to the embodiment of the present invention is continuously arranged along the tunnel axial direction at the top end of the inner empty wall of the pipeline structure, and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall. And the upper support part that is arranged
A lower support portion that is continuously arranged along the tunnel axial direction at the lower end of the inner empty wall and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall.
It is arranged at a predetermined interval along the tunnel axial direction, and includes a plurality of support columns for connecting the upper support portion and the lower support portion.

本発明はこのような構成により、既設構造物の補強構造を構築することができる。 With such a configuration, the present invention can construct a reinforcing structure of an existing structure.

本発明に係る既設構造物の補強構造の設計方法、及び既設構造物の補強構造によると、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じた補強対策を行うことができる。 According to the method for designing a reinforcing structure of an existing structure and the reinforcing structure of an existing structure according to the present invention, reinforcement measures can be taken according to the degree of progress of deterioration of the existing structure.

実施形態に係るシールドトンネルの一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of the shield tunnel which concerns on embodiment. シールドトンネルのセグメントの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the segment of a shield tunnel. 補強構造で補強されたシールドトンネルの状態を示す斜視断面図である。It is a perspective sectional view which shows the state of the shield tunnel reinforced by the reinforced structure. 既設のシールドトンネルのセグメントの主鉄筋の板厚の分布を示すヒストグラムである。It is a histogram showing the distribution of the plate thickness of the main reinforcing bar of the segment of the existing shield tunnel. 既設の他のシールドトンネルのセグメントの主鉄筋の板厚の分布を示すヒストグラムである。It is a histogram showing the distribution of the plate thickness of the main reinforcing bar of the segment of other existing shield tunnels. 主鉄筋の腐食量の中央値、最頻値、及び確率密度関数のパラメータを示す図である。It is a figure which shows the parameter of the median value, the mode value, and the probability density function of the corrosion amount of a main reinforcing bar. 経時的に変化するパラメータで示される確率密度関数の分布の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the distribution of the probability density function shown by the parameter which changes with time. 変動荷重比と側方土圧係数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a variable load ratio and a lateral earth pressure coefficient. ひびわれ本数と変動荷重比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of cracks and a variable load ratio. 劣化が無いシールドトンネル及び将来のトンネルの荷重状態を示すグラフである。It is a graph which shows the load state of a shield tunnel without deterioration and a tunnel in the future. 一般的な設計方法で補強構造が負担する荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the load which a reinforcement structure bears by a general design method. 補強構造が負担すべき荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the load which a reinforcement structure should bear. 補強構造による補強の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of reinforcement by a reinforcement structure. 補強構造に加わる将来の荷重を示すグラフである。It is a graph which shows the future load applied to a reinforcement structure. 主鉄筋の過重負担割合を示すグラフである。It is a graph which shows the overload ratio of a main reinforcing bar. 補強構造の設計方法で用いる荷重履歴を示すグラフである。It is a graph which shows the load history used in the design method of a reinforced structure. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which applied the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which applied the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which applied the load to the structural analysis model for structural analysis. 構造解析のための構造解析モデルに荷重を加えた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which applied the load to the structural analysis model for structural analysis. 劣化後のセグメントに生じる曲げモーメントMと曲率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the bending moment M and the curvature generated in the segment after deterioration. 構造解析に用いた補強構造の諸元を示す図である。It is a figure which shows the specification of the reinforcement structure used for the structural analysis. 構造解析で得られた数値の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the numerical value obtained by the structural analysis. 構造解析で得られた結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the result obtained by the structural analysis. セグメントの照査限界値を示す図である。It is a figure which shows the check limit value of a segment. 補強構造の照査限界値を示す図である。It is a figure which shows the check limit value of a reinforced structure. セグメントの照査値を示す図である。It is a figure which shows the check value of a segment. 補強構造の照査値を示す図である。It is a figure which shows the check value of a reinforced structure. 補強構造の配置関係を示す図である。It is a figure which shows the arrangement relation of the reinforcement structure. 補強構造の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of a reinforced structure.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る既設構造物の補強設計方法について説明する。 Hereinafter, a method for reinforcing and designing an existing structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示されるように、補強対策の対象となる構造物は、例えば既設のシールドトンネル10である。シールドトンネル10は、複数の湾曲したセグメントGを有する。シールドトンネル10は、断面が円形のトンネルを掘削するシールドマシンが穿孔した孔に予め製造されたセグメントGを順次嵌め込んで連結することによって築造される。その際、複数のセグメントGが円環状に連結されたリングRが形成される。形成されたリングRが順次連続することによってトンネル壁が構築され、シールドトンネル10が完成する。 As shown in FIG. 1, the structure targeted for reinforcement measures is, for example, an existing shield tunnel 10. The shield tunnel 10 has a plurality of curved segments G. The shield tunnel 10 is constructed by sequentially fitting and connecting a segment G manufactured in advance into a hole drilled by a shield machine for excavating a tunnel having a circular cross section. At that time, a ring R in which a plurality of segments G are connected in an annular shape is formed. A tunnel wall is constructed by sequentially continuing the formed rings R, and the shield tunnel 10 is completed.

図2に示されるように、セグメントGは、円形断面のトンネル壁の一部となるよう湾曲している。セグメントGは、鉄筋Sがコンクリートで被覆され補強された鉄筋コンクリート(Reinforced Concrete:RC)構造を有している。セグメントGの鉄筋Sは、セグメントGに加わる主荷重を受け持つ主鉄筋S1と荷重を分散する配力鉄筋S2とを有する。主鉄筋S1は、帯状の平鋼(フラットバー:Flat Bar(FB))である。主鉄筋S1は、引張鉄筋となる板状構造部材である。配力鉄筋S2は、例えば異形鉄筋等の鋼棒である。 As shown in FIG. 2, the segment G is curved to be part of a tunnel wall with a circular cross section. The segment G has a reinforced concrete (RC) structure in which the reinforcing bar S is covered with concrete and reinforced. The reinforcing bar S of the segment G has a main reinforcing bar S1 that takes charge of the main load applied to the segment G and a distribution reinforcing bar S2 that distributes the load. The main reinforcing bar S1 is a strip-shaped flat steel (flat bar (FB)). The main reinforcing bar S1 is a plate-shaped structural member serving as a tensile reinforcing bar. The distribution reinforcing bar S2 is, for example, a steel rod such as a deformed reinforcing bar.

主鉄筋S1は、厚さが数mm程度(例えば6mm)で、幅が数センチ程度の湾曲した帯状の板状体である。セグメントGは、例えば平行に配筋された一対の主鉄筋S1を2層有している。また、セグメントGは、一対の主鉄筋S1に直交して配筋された多数の配力鉄筋S2を有している。セグメントGは、複数の主鉄筋S1と、複数の配力鉄筋S2とからなる鉄筋Sをコンクリート部Cで被覆されることで生成される。即ちセグメントGは、主鉄筋S1がフラットバーのFBセグメントである。 The main reinforcing bar S1 is a curved strip-shaped body having a thickness of about several mm (for example, 6 mm) and a width of about several centimeters. The segment G has, for example, two layers of a pair of main reinforcing bars S1 arranged in parallel. Further, the segment G has a large number of force distribution reinforcing bars S2 arranged orthogonally to the pair of main reinforcing bars S1. The segment G is generated by covering a reinforcing bar S composed of a plurality of main reinforcing bars S1 and a plurality of distribution reinforcing bars S2 with a concrete portion C. That is, the segment G is an FB segment in which the main reinforcing bar S1 is a flat bar.

主鉄筋が平鋼であるセグメントGが使用されたシールドトンネルは、建設から30年以上経過したものがある。セグメントGは、地中の環境において経年的に錆の発生等により劣化が進行して強度が不足し、補強対策が必要となる場合がある。例えばシールドトンネル10の中には、セグメントGの鉄筋Sに変形や腐食が発生している事例があり、将来的にシールドトンネル10の構造物全体の耐力が低下する虞がある。 Some shield tunnels using segment G whose main reinforcing bar is flat steel have been constructed for more than 30 years. In the underground environment, the segment G may deteriorate over time due to the occurrence of rust or the like, resulting in insufficient strength, and reinforcement measures may be required. For example, in the shield tunnel 10, there is a case where the reinforcing bar S of the segment G is deformed or corroded, and there is a possibility that the yield strength of the entire structure of the shield tunnel 10 will decrease in the future.

ここで、セグメントGに対して一律の補強対策を行うと、過剰な補強となってコストが増加したり、セグメントGに対して設計で想定された方向とは異なる方向に力を与えたりする虞がある。そこで、既設のシールドトンネル10に対して想定されるセグメントGの将来の劣化の進行度合いに応じて合理的な補強対策を行う。具体的には、シールドトンネル10の内部に柱状の補強構造30を形成してシールドトンネル10を補強する。 Here, if uniform reinforcement measures are taken for the segment G, there is a risk that the cost will increase due to excessive reinforcement, or the force will be applied to the segment G in a direction different from the direction assumed in the design. There is. Therefore, rational reinforcement measures will be taken for the existing shield tunnel 10 according to the degree of future deterioration of the segment G assumed. Specifically, a columnar reinforcing structure 30 is formed inside the shield tunnel 10 to reinforce the shield tunnel 10.

図3に示されるように、補強構造30は、既設の構造物であるシールドトンネル10を補強するためにシールドトンネル10の内部に複数連なって設置されるI型断面の柱状体を有する。補強構造30は、経年劣化によりセグメントGの主鉄筋S1に腐食が生じて耐力が低下したシールドトンネル10を補強する。補強構造30は、例えば鉄筋コンクリートで構築される。補強構造30は、シールドトンネル10の天板部11を支持する上方支持部32と、シールドトンネル10の下部に形成された歩床(インバート部12)上に形成された下方支持部33と、上方支持部32と下方支持部33とを連結する複数の支柱部31と、を有する。 As shown in FIG. 3, the reinforcing structure 30 has a columnar body having an I-shaped cross section, which is installed in a row inside the shield tunnel 10 in order to reinforce the shield tunnel 10 which is an existing structure. The reinforcing structure 30 reinforces the shield tunnel 10 in which the main reinforcing bar S1 of the segment G is corroded due to aged deterioration and the yield strength is lowered. The reinforcing structure 30 is constructed of, for example, reinforced concrete. The reinforcing structure 30 includes an upper support portion 32 that supports the top plate portion 11 of the shield tunnel 10, a lower support portion 33 formed on a stepbed (invert portion 12) formed in the lower part of the shield tunnel 10, and an upper portion. It has a plurality of support columns 31 that connect the support portion 32 and the lower support portion 33.

上方支持部32は、シールドトンネル10の内空壁の天端においてトンネル軸L方向に沿って連続して配置されると共に、内空壁の周方向に沿って配置される。下方支持部33は、シールドトンネル10の内空壁の下端においてトンネル軸L方向に沿って連続して配置されると共に、内空壁の周方向に沿って配置される。複数の支柱部31は、トンネル軸L方向に沿って上方支持部32と下方支持部33の間に所定の間隔で配置される。 The upper support portion 32 is continuously arranged along the tunnel axis L direction at the top end of the inner empty wall of the shield tunnel 10, and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall. The lower support portion 33 is continuously arranged along the tunnel axis L direction at the lower end of the inner empty wall of the shield tunnel 10, and is arranged along the circumferential direction of the inner empty wall. The plurality of column portions 31 are arranged at predetermined intervals between the upper support portion 32 and the lower support portion 33 along the tunnel axis L direction.

補強構造30は、柱状体として形成されているため、シールドトンネル10内に既設のケーブル等の設備が設置されたままで構築可能となる。そして、補強構造30は、構築された後でも、作業者が入る空間を確保してシールドトンネル10内でケーブル等の維持管理を行える形状を有している。補強構造30は、I型断面の柱状体の他、例えばH型断面や円形断面等を用いてもよく、シールドトンネル10の天板部11を後述する原理に従って補強できればどのような形状のものを用いてもよい。 Since the reinforcing structure 30 is formed as a columnar body, it can be constructed with the existing equipment such as cables installed in the shield tunnel 10. The reinforcing structure 30 has a shape that allows the maintenance of cables and the like in the shield tunnel 10 by securing a space for an operator even after the structure is constructed. As the reinforcing structure 30, in addition to a columnar body having an I-shaped cross section, for example, an H-shaped cross section, a circular cross section, or the like may be used, and any shape may be used as long as the top plate portion 11 of the shield tunnel 10 can be reinforced according to the principle described later. You may use it.

補強構造30による補強対策は、劣化により生じたセグメントGの耐力の不足分を補強構造が負担する設計とする。セグメントGの劣化の進行度合いは、統計的データに基づいて評価される。セグメントGの劣化の進行度合いは、主に主鉄筋S1の厚さの残存量に比例する。 The reinforcement measures by the reinforcement structure 30 are designed so that the reinforcement structure bears the shortage of the bearing capacity of the segment G caused by the deterioration. The degree of deterioration of segment G is evaluated based on statistical data. The degree of progress of deterioration of the segment G is mainly proportional to the residual amount of the thickness of the main reinforcing bar S1.

まず、主鉄筋S1の厚さの残存量を評価するために用いられる統計的手法について説明する。計測対象のシールドトンネル10が有するセグメントGのうち、主鉄筋S1に腐食が生じているセグメントGの数を計測する。図4及び図5には、異なる計測対象のシールドトンネル10の主鉄筋S1の厚さとその箇所数とが関連づけられた統計データが示されている。図示するように、統計データは、主鉄筋S1の厚さを0.25mm刻みで示したヒストグラム(柱状グラフ)である。まずこのヒストグラムに合致する関数を設定する。 First, a statistical method used for evaluating the residual amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 will be described. Among the segments G of the shield tunnel 10 to be measured, the number of segments G in which the main reinforcing bar S1 is corroded is measured. 4 and 5 show statistical data in which the thickness of the main reinforcing bar S1 of the shield tunnel 10 to be measured differently and the number of the locations thereof are associated with each other. As shown in the figure, the statistical data is a histogram (columnar graph) showing the thickness of the main reinforcing bar S1 in increments of 0.25 mm. First, set a function that matches this histogram.

図4及び図5に示されるように、主鉄筋S1の厚さ(残存量)に対して腐食が生じているセグメントGの数の分布は、主鉄筋S1の厚さの設計値(6mm)の値の近辺に集中している。腐食が生じている主鉄筋S1のそれぞれの厚さに対するセグメントGの数の分布は、主鉄筋S1の厚さの設計値を基準として腐食量に従って分布する確率密度関数で表されるものとする。この確率密度関数は、左右の分布形状が非対称の対数正規分布となる。この場合、対数正規分布を表す確率密度関数は、主鉄筋S1の腐食量(=設計値-残存量)の関数として例えば以下の式(1)のように定義される。

Figure 0007064286000001
ここで、
m,s:確率密度分布のパラメータ
x:腐食量(mm)
である。 As shown in FIGS. 4 and 5, the distribution of the number of segments G corroded with respect to the thickness (residual amount) of the main reinforcing bar S1 is the design value (6 mm) of the thickness of the main reinforcing bar S1. Concentrated near the value. The distribution of the number of segments G with respect to each thickness of the main reinforcing bar S1 in which corrosion has occurred shall be represented by a probability density function distributed according to the amount of corrosion based on the design value of the thickness of the main reinforcing bar S1. This probability density function is a lognormal distribution with asymmetric distribution shapes on the left and right. In this case, the probability density function representing the lognormal distribution is defined as the following equation (1) as a function of the corrosion amount (= design value-residual amount) of the main reinforcing bar S1.
Figure 0007064286000001
here,
m, s: Probability density distribution parameter x: Corrosion amount (mm)
Is.

確率密度分布のパラメータm,sは、例えば経年に従って変化するよう設定される。まず確率密度分布のパラメータを分布の中央値と最頻値で表すと、例えば以下の式(2)のように示される。

Figure 0007064286000002
ここで、
median(x):ヒストグラムの中央値
mode(x):ヒストグラムの最頻値
である。 The parameters m and s of the probability density distribution are set to change with time, for example. First, the parameters of the probability density distribution are expressed by the median value and the mode value of the distribution, for example, as shown in the following equation (2).
Figure 0007064286000002
here,
median (x): Median histogram
mode (x): Mode (x): Mode of the histogram.

式(2)における確率密度分布のパラメータの算出において、経年変化する時間的要素を考慮に入れるために、時間に関するパラメータを導入する。主鉄筋S1の腐食量と経年数とは線形関係にあると仮定すると、分布の中央値と最頻値が経年に比例して増加するように、例えば以下の式(3)が設定される。

Figure 0007064286000003
ここで、
t:現在からの経年数
median(xt):現在からt年後の推定中央値
median(xp):現在の中央値
Tp:新設から現在までの経年数
mode(xt):現在からt年後の推定最頻値
mode(xp):現在の最頻値
mt,st:t年後の確率密度分布のパラメータ
である。 In the calculation of the parameter of the probability density distribution in the equation (2), the parameter related to time is introduced in order to take into consideration the time element that changes over time. Assuming that the amount of corrosion of the main reinforcing bar S1 and the number of years are linearly related, for example, the following equation (3) is set so that the median value and the mode value of the distribution increase in proportion to the years.
Figure 0007064286000003
here,
t: Number of years since the present
median (x t ): Estimated median t years from now
median (x p ): current median
T p : Number of years from new establishment to the present
mode (x t ): Estimated mode from now to t years
mode (x p ): Current mode
m t , st : It is a parameter of the probability density distribution after t years.

図4の統計データでは、ヒストグラム形状は、主鉄筋S1の設計板厚6mm寄りの分布となっている。図4の統計データに上記式(1)及び(2)を当てはめて検証すると、主鉄筋S1の残存量の中央値は4.90mm(腐食量x=1.10mm)である。最頻帯は、残存量5.25mm~5.50mmの範囲である。最頻値は、最頻帯の平均値5.375mm(腐食量x=0.625mm)が採用される。この結果を式(2)に適用すると、確率密度分布のパラメータm,sは、それぞれm=0.095、s=0.752と決定される。決定したそれぞれのパラメータm,sを式(1)に適用すると、確率密度関数の分布曲線の曲線形状は、図4及び図5のいずれのヒストグラム形状にほぼ一致する。但し、上記の比較は、最大発生確率値となる分布曲線のピークがヒストグラムのピークに該当するとして行われている(図4及び図5参照)。 In the statistical data of FIG. 4, the histogram shape has a distribution of the main reinforcing bar S1 closer to the design plate thickness of 6 mm. When the above equations (1) and (2) are applied to the statistical data of FIG. 4 and verified, the median residual amount of the main reinforcing bar S1 is 4.90 mm (corrosion amount x = 1.10 mm). The mode zone has a residual amount in the range of 5.25 mm to 5.50 mm. As the mode, the average value of the mode band is 5.375 mm (corrosion amount x = 0.625 mm). When this result is applied to the equation (2), the parameters m and s of the probability density distribution are determined to be m = 0.095 and s = 0.752, respectively. When the determined parameters m and s are applied to the equation (1), the curve shape of the distribution curve of the probability density function substantially matches the histogram shape of either FIG. 4 or FIG. However, the above comparison is performed assuming that the peak of the distribution curve, which is the maximum occurrence probability value, corresponds to the peak of the histogram (see FIGS. 4 and 5).

上記の式(1)~(3)に基づいて、経時的に劣化する主鉄筋S1の将来の残存量を設定することができる。例えば、完成から33年経たシールドトンネル10では、Tp=33年、median(xp)=1.10mm、mode(xp)=0.625mmである。これらの数値に基づいてt=15,25,35年後における中央値median(xt)と最頻値mode(xt)は、式(3)を用いて例えば以下の式(4)のように計算される。

Figure 0007064286000004
Based on the above formulas (1) to (3), the future residual amount of the main reinforcing bar S1 that deteriorates with time can be set. For example, in the shield tunnel 10 33 years after completion, T p = 33 years, median (x p ) = 1.10 mm, mode (x p ) = 0.625 mm. Based on these values, the median (x t ) and mode (x t ) at t = 15, 25, and 35 years later are calculated using Eq. (3), for example, as in Eq. (4) below. Is calculated to.
Figure 0007064286000004

図6に示されるように、経年に従って中央値と最頻値とは共に腐食側に推移し、これにともない確率密度分布のパラメータm,sも変化する。これらの数値に基づいて、式(1)を用いてt=15,25,35年後における確率密度関数曲線の将来の分布形状を予測することができる。 As shown in FIG. 6, both the median value and the mode value shift to the corrosion side with the passage of time, and the parameters m and s of the probability density distribution also change accordingly. Based on these numerical values, equation (1) can be used to predict the future distribution shape of the probability density function curve after t = 15, 25, 35 years.

図7に示されるように、確率密度関数曲線の分布形状は、経年に従って最頻帯での個所数(曲線のピーク値)が少なくなる。即ち、確率密度関数は、経年に従ってばらつきが大きくなる。これは、経年に従って腐食が進行して主鉄筋S1の将来の残存量が少なくなることを表している。このとき、ヒストグラムのばらつきを示す腐食側標準偏差σは、確率密度分布のパラメータm,sを用いて例えば以下の式(5)によって決定される。

Figure 0007064286000005
As shown in FIG. 7, in the distribution shape of the probability density function curve, the number of points (peak value of the curve) in the mode zone decreases with the passage of time. That is, the probability density function has a large variation over time. This indicates that the corrosion progresses with the aging and the future residual amount of the main reinforcing bar S1 decreases. At this time, the corrosion side standard deviation σ indicating the variation of the histogram is determined by, for example, the following equation (5) using the parameters m and s of the probability density distribution.
Figure 0007064286000005

式(5)を用いると、現状の標準偏差は1.272mmで、現状から35年後の標準偏差は2.622mmとなり、ばらつきが2倍以上に大きくなる。上記の計算結果を用いて将来の1リングR当たりの1本の主鉄筋S1の残存量の将来予測を行う。上記の各式によると、35年後の主鉄筋S1の腐食量の最頻値1.29mmと計算される。この値に腐食側の標準偏差1σ分(2.622mm)を適用すると主鉄筋S1の腐食量は3.912mmと計算される。 Using equation (5), the current standard deviation is 1.272 mm, and the standard deviation 35 years after the current state is 2.622 mm, and the variation is more than doubled. Using the above calculation results, the future prediction of the residual amount of one main reinforcing bar S1 per ring R in the future is performed. According to each of the above equations, it is calculated that the mode of the corrosion amount of the main reinforcing bar S1 after 35 years is 1.29 mm. When the standard deviation of 1σ on the corroded side (2.622 mm) is applied to this value, the amount of corrosion of the main reinforcing bar S1 is calculated to be 3.912 mm.

ここで、主鉄筋S1の厚さの設計値6mmから3.912mm腐食した2.088mmを将来の1個所の主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量として採用する。このとき、対数正規分布曲線の性質から、将来的に調査される1個所の主鉄筋S1の厚さの残存量が2.088mm以上である確率は87%と計算される。 Here, the design value of the thickness of the main reinforcing bar S1 from 6 mm to 3.912 mm corroded 2.088 mm is adopted as the residual amount after deterioration of the thickness of the main reinforcing bar S1 at one place in the future. At this time, from the nature of the lognormal distribution curve, the probability that the residual amount of the thickness of one main reinforcing bar S1 to be investigated in the future is 2.088 mm or more is calculated to be 87%.

ここで、主鉄筋S1の厚さの残存量が最小となる腐食量を採用しない理由として、シールドトンネル10の構造に特有の性質があることが挙げられる。シールドトンネル10は、例えば地下10m以上の深度にあり、地盤が構造体を支持している。そのため、シールドトンネル10は、高次の不静定構造物となり、局所的に主鉄筋S1の断面損失があったとしても即時に崩壊するわけではない。更に、シールドトンネル10において隣接するリングR同士は、リングR内で隣接するセグメントGの間の継目が互い違いに表れる千鳥配置で設置される(図1参照)。 Here, the reason why the corrosion amount that minimizes the residual amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 is not adopted is that there is a property peculiar to the structure of the shield tunnel 10. The shield tunnel 10 is located at a depth of, for example, 10 m or more underground, and the ground supports the structure. Therefore, the shield tunnel 10 becomes a high-order statically indeterminate structure, and even if there is a local cross-sectional loss of the main reinforcing bar S1, it does not collapse immediately. Further, the adjacent rings R in the shield tunnel 10 are installed in a staggered arrangement in which the seams between the adjacent segments G appear alternately in the ring R (see FIG. 1).

複数のセグメントGからなるリングRを千鳥配置にしてシールドトンネル10を築造すると、隣接するリングR同士の継手には隣接するリングRのセグメントGから加えられるせん断力が働く。これにより、リングR全体の変形が拘束される。これは一般的に添接効果と呼ばれている。そして、セグメントGにはこの添接効果により、リングR同士の継手を介して曲げモーメントが伝達される。従って、添接効果によって、セグメントG内の2本の内の1本の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以下であったとしても、他方の主鉄筋S1の厚さが2.088mmより大きければ、シールドトンネル10の構造体系が維持される。 When the shield tunnel 10 is constructed by arranging the rings R composed of a plurality of segments G in a staggered manner, a shearing force applied from the segments G of the adjacent rings R acts on the joints between the adjacent rings R. As a result, the deformation of the entire ring R is constrained. This is commonly referred to as the collusion effect. Then, due to this splicing effect, the bending moment is transmitted to the segment G via the joint between the rings R. Therefore, even if the thickness of one of the two main reinforcing bars S1 in the segment G is 2.088 mm or less due to the splicing effect, the thickness of the other main reinforcing bar S1 should be larger than 2.088 mm. For example, the structural system of the shield tunnel 10 is maintained.

ここで、セグメントG内の一方の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以上である確率を計算する。この確率は、隣接する2本の主鉄筋S1のうち、1本以上を選択する場合として、例えば以下の式(6)によって計算される。

Figure 0007064286000006
上記確率は、式(6)に示されるように、95%以上となる。 Here, the probability that the thickness of one of the main reinforcing bars S1 in the segment G is 2.088 mm or more is calculated. This probability is calculated by, for example, the following equation (6), assuming that one or more of the two adjacent main reinforcing bars S1 are selected.
Figure 0007064286000006
The above probability is 95% or more as shown in the equation (6).

従って、少なくとも一方の主鉄筋S1の厚さが2.088mm以上残存していることの信頼度は95%以上となる。数値を安全側に簡単にすると、上記計算によって将来の劣化が進行したセグメントGの主鉄筋S1の厚さの残存量は2mmと推定される。すなわち、隣接する2本の主鉄筋S1のうちの一方の主鉄筋S1が消滅しても他方の主鉄筋S1の厚さが少なくとも2mmの残存量を有していると推定される。 Therefore, the reliability that the thickness of at least one of the main reinforcing bars S1 remains 2.088 mm or more is 95% or more. To simplify the numerical value to the safe side, it is estimated that the residual amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G whose deterioration has progressed in the future is 2 mm by the above calculation. That is, it is estimated that even if one of the two adjacent main reinforcing bars S1 disappears, the thickness of the other main reinforcing bar S1 has a residual amount of at least 2 mm.

従って、将来のセグメントGの状態で最も腐食した場合は、「隣接する2本の主鉄筋S1のうちの一方の主鉄筋S1が消滅し、他方の主鉄筋S1の厚さが少なくとも2mmまで腐食した場合」と推定される。このため、シールドトンネル10の複数のセグメントG全体で考慮すると最も腐食した状況において、主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量は、両者の平均をとって1mmと推定される。上述したように、ヒストグラムの分布形状の変化に関する計算を行うことによって、主鉄筋S1の厚さの劣化後残存量を推定することができる。 Therefore, in the case of the most corrosion in the state of the segment G in the future, "one of the two adjacent main reinforcing bars S1 has disappeared, and the thickness of the other main reinforcing bar S1 has been corroded to at least 2 mm. It is estimated that "if". Therefore, in the most corroded situation when considering the entire plurality of segments G of the shield tunnel 10, the residual amount after deterioration of the thickness of the main reinforcing bar S1 is estimated to be 1 mm on average of both. As described above, the residual amount after deterioration of the thickness of the main reinforcing bar S1 can be estimated by performing the calculation regarding the change in the distribution shape of the histogram.

次に、経時的に変化する、シールドトンネル10に加わる荷重を推定する方法について説明する。補強構造30の設計にあたっては、シールドトンネル10に加わる現状の荷重P1と、将来的に生じる圧密による見かけ上の最大の増加荷重(以下、圧密の最大荷重Pm)との双方を設定する必要がある。既存の研究によると、シールドトンネル10の周囲の地盤の圧密の増加にともない鉛直土圧は1.3倍に、側方土圧は0.85倍になることが得られている。 Next, a method of estimating the load applied to the shield tunnel 10 that changes with time will be described. In designing the reinforcement structure 30, it is necessary to set both the current load P1 applied to the shield tunnel 10 and the apparent maximum increase load due to consolidation (hereinafter referred to as the maximum consolidation load Pm) that will occur in the future. .. According to existing studies, it has been found that the vertical earth pressure increases 1.3 times and the lateral earth pressure 0.85 times as the consolidation of the ground around the shield tunnel 10 increases.

そこで、この結果から初期側方土圧係数をトンネル設計時の0.80とすると、図8に示される変動荷重比αと側方土圧係数λとの関係が得られる。ここで、変動荷重比αとは、設計鉛直荷重及び鉛直方向の変動荷重の和と設計鉛直荷重との比をいう(非特許文献2)。ところで、現状の荷重の推定方法としては、例えば内空変位量から推定する方法、ひびわれ本数から推定する方法などを用いることができる。ここでは、非特許文献2のひびわれ本数から推定する方法を採用する。セグメントGに発生するひびわれ本数の算出のために、荷重を連動させたはりばねモデル計算法による構造計算を実施する。 Therefore, assuming that the initial lateral earth pressure coefficient is 0.80 at the time of tunnel design from this result, the relationship between the variable load ratio α and the lateral earth pressure coefficient λ shown in FIG. 8 can be obtained. Here, the variable load ratio α means the ratio of the sum of the design vertical load and the variable load in the vertical direction to the design vertical load (Non-Patent Document 2). By the way, as the current load estimation method, for example, a method of estimating from the amount of internal air displacement, a method of estimating from the number of cracks, or the like can be used. Here, a method of estimating from the number of cracks in Non-Patent Document 2 is adopted. In order to calculate the number of cracks generated in the segment G, the structural calculation by the beam spring model calculation method linked with the load is performed.

ひびわれ本数の算出においては、以下の既存の方法を用いる。まず、シールドトンネル10の天板部11について、上方左右45°範囲で内空側の主鉄筋S1に発生する引張応力度σseを算出する。その後、ひびわれ幅算定式を用いて現場で観測可能なひびわれの幅w=0.1mmからひびわれ発生応力度σswを逆算する。そして、引張応力度σseがひびわれ発生応力度σswを超過する範囲を特定し、この範囲の長さを算出する。最後に、地盤の鉛直荷重によるトンネル軸方向Lに沿ったひびわれは、配力鉄筋S2の位置に発生することから配力鉄筋S2の間隔で上記の範囲の長さを除して本数を算出する。 The following existing method is used to calculate the number of cracks. First, for the top plate portion 11 of the shield tunnel 10, the tensile stress degree σse generated in the main reinforcing bar S1 on the inner air side is calculated in a range of 45 ° above and to the left and right. Then, the crack generation stress degree σsw is calculated back from the crack width w = 0.1 mm that can be observed in the field using the crack width calculation formula. Then, a range in which the tensile stress degree σse exceeds the cracked generated stress degree σsw is specified, and the length of this range is calculated. Finally, since cracks along the tunnel axial direction L due to the vertical load of the ground occur at the position of the distribution reinforcing bars S2, the number is calculated by dividing the length in the above range at the intervals of the distribution reinforcing bars S2. ..

次に、算出したひびわれ本数を、実際に現地で確認したセグメントのひびわれ本数と比較する。両者が一致する状態を現状の荷重とした。図9に示されるように、この検討の結果、現状の荷重は設計鉛直荷重の1.13倍と推定される。また、将来生じる圧密の最大荷重は、過去の実験で得られた既知の荷重増加最終予測値に基づき、設計鉛直荷重の1.30倍まで増加すると推定される。現状の荷重の推定については、ひびわれ本数による推定方法を用いたが、これに限定されず、現状の荷重の推定ができれば実測を含む他のどのような方法を用いてもよい。 Next, the calculated number of cracks is compared with the number of cracks in the segment actually confirmed in the field. The current load was defined as the state in which the two match. As shown in FIG. 9, as a result of this examination, the current load is estimated to be 1.13 times the design vertical load. In addition, the maximum consolidation load that will occur in the future is estimated to increase up to 1.30 times the design vertical load, based on the known final predicted load increase values obtained in past experiments. For the estimation of the current load, the estimation method based on the number of cracks was used, but the estimation is not limited to this, and any other method including actual measurement may be used as long as the current load can be estimated.

推定された現状の荷重と圧密の最大荷重に基づいて補強構造30の設計を行う。補強構造30の設計方法は、シールドトンネル10の劣化を考慮して行われる。以下、シールドトンネル10の補強構造30の設計方法について説明する。 The reinforcing structure 30 is designed based on the estimated current load and the maximum consolidation load. The design method of the reinforcing structure 30 is performed in consideration of deterioration of the shield tunnel 10. Hereinafter, a method of designing the reinforcing structure 30 of the shield tunnel 10 will be described.

図10に示されるように、シールドトンネル10に加わる鉛直荷重Pと、シールドトンネル10の内部の鉛直方向の内空変位量δとは相関関係にあり、鉛直荷重P-内空変位量δ曲線で示される。図示するように設計当時の劣化が無いシールドトンネル10の状態は、鉛直荷重Pの増加に従って内空変位量δが増加する設計上の第1曲線によって示される。また、将来的に劣化が生じている将来のシールドトンネル10の状態は、鉛直荷重Pの増加に従って内空変位量δが増加する第2曲線によって示される。 As shown in FIG. 10, there is a correlation between the vertical load P applied to the shield tunnel 10 and the amount of internal air displacement δ in the vertical direction inside the shield tunnel 10, and the vertical load P-internal air displacement amount δ curve. Shown. As shown in the figure, the state of the shield tunnel 10 without deterioration at the time of design is shown by the first design curve in which the amount of internal displacement δ increases as the vertical load P increases. Further, the state of the shield tunnel 10 in the future, which is deteriorated in the future, is indicated by the second curve in which the amount of internal displacement δ increases as the vertical load P increases.

鉛直荷重Pと内空変位量δとは通常では弾性理論に従って線形関係を示すが、第1曲線及び第2曲線は、鉛直荷重Pの増加に従ってコンクリート部Cに生じるひびわれなどの影響によりP/δの勾配が初期勾配から徐々に低くなる状況が考慮されている。劣化が生じているシールドトンネル10は耐力が低下しているため、第2曲線の勾配は、第1曲線の勾配より小さくなる。 The vertical load P and the amount of internal displacement δ usually show a linear relationship according to the elastic theory, but the first curve and the second curve are P / δ due to the influence of cracks and the like that occur in the concrete portion C as the vertical load P increases. The situation where the gradient of is gradually lowered from the initial gradient is taken into consideration. Since the shield tunnel 10 in which the deterioration has occurred has a reduced yield strength, the gradient of the second curve is smaller than the gradient of the first curve.

ここで、劣化が無いシールドトンネル10とは、主鉄筋S1の腐食がないトンネルを指している。第1曲線は、例えばセグメントGの主鉄筋S1の厚さが設計値の6mmの状態を示す。第2曲線は、例えばセグメントGの主鉄筋S1の厚さが上述した方法によって推定された、劣化後残存量の1mmの状態を示す。 Here, the shield tunnel 10 without deterioration refers to a tunnel without corrosion of the main reinforcing bar S1. The first curve shows, for example, a state where the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G is 6 mm, which is the design value. The second curve shows, for example, a state in which the thickness of the main reinforcing bar S1 of the segment G is estimated by the method described above, and the residual amount after deterioration is 1 mm.

第1曲線において、設計当時の劣化が無いシールドトンネル10は、鉛直方向に設計荷重P0が加わっている点Aの状態にある。また、シールドトンネル10に加わる荷重は、上述のように周囲の地盤の状態が圧密の増加等の影響によって増加する。将来的にシールドトンネル10に加わる鉛直荷重は、上記のように設計荷重P0の1.30倍まで増加するものとする。 In the first curve, the shield tunnel 10 which has not deteriorated at the time of design is in the state of the point A where the design load P0 is applied in the vertical direction. Further, the load applied to the shield tunnel 10 increases due to the influence of the increase in consolidation of the surrounding ground condition as described above. The vertical load applied to the shield tunnel 10 in the future shall increase up to 1.30 times the design load P0 as described above.

そのため、シールドトンネル10に加わる鉛直荷重は、設計荷重P0から現状の荷重(第1荷重)P1に増加し、第1変位量δ1を生じさせる点Bの状態に移行する。現状の荷重P1は、上記の推定方法によれば設計荷重の1.13倍である。現状の荷重P1の推定には例えば内空変位量δから推定する方法、セグメントGに生じているひびわれ本数から推定する方法等が用いられる。ここでは、ひびわれ本数から推定する方法を用いて現状の荷重P1を推定している。 Therefore, the vertical load applied to the shield tunnel 10 increases from the design load P0 to the current load (first load) P1, and shifts to the state of the point B that causes the first displacement amount δ1. The current load P1 is 1.13 times the design load according to the above estimation method. For the estimation of the current load P1, for example, a method of estimating from the amount of internal displacement δ, a method of estimating from the number of cracks generated in the segment G, and the like are used. Here, the current load P1 is estimated using a method of estimating from the number of cracks.

まず、第1曲線に基づいて、シールドトンネル10に第1変位量δ1を生じさせるシールドトンネル10に作用する第1荷重を求める。現状の荷重P1がシールドトンネル10に加わった状態で補強対策が行われない場合、主鉄筋S1の腐食が進行すると、シールドトンネル10の荷重状態は点Bから腐食が進行した状態を示す第2曲線の点Cに移行する。このとき、内空変位量δは第1変位量δ1からは第2変位量δ2まで増加する。 First, based on the first curve, the first load acting on the shield tunnel 10 that causes the first displacement amount δ1 in the shield tunnel 10 is obtained. If reinforcement measures are not taken while the current load P1 is applied to the shield tunnel 10, if the corrosion of the main reinforcing bar S1 progresses, the load state of the shield tunnel 10 is the second curve indicating the state where the corrosion has progressed from the point B. It shifts to the point C of. At this time, the internal displacement amount δ increases from the first displacement amount δ1 to the second displacement amount δ2.

一般的な補強方法によると、シールドトンネル10内に形成された補強構造が現状の荷重を受け持つように設計される。そしてこの設計方法によると、主鉄筋S1の将来の腐食状況が考慮されたシールドトンネル10のリングRの剛性と、構築された補強柱体の剛性とに対して加えられた現状の荷重P1によって発生する断面力が計算される。 According to a general reinforcement method, the reinforcement structure formed in the shield tunnel 10 is designed to bear the current load. According to this design method, it is generated by the current load P1 applied to the rigidity of the ring R of the shield tunnel 10 in consideration of the future corrosion condition of the main reinforcing bar S1 and the rigidity of the constructed reinforcing column. The section force to be used is calculated.

図11に示されるように、一般的な補強方法における、劣化後のシールドトンネル10と補強構造との関係を示す、鉛直荷重Pと内空変位量δのP-δ曲線が描かれる。現状の荷重P1が加わる補強後のシールドトンネル10は、点Dの状態にある。このときシールドトンネル10のみが負担する荷重は、点Eの状態にある荷重である。したがって,この設計方法によると、セグメントGは点Eまでの荷重を負担し、補強柱体が点Dと点Eの荷重の差分を負担する。 As shown in FIG. 11, a P-δ curve of a vertical load P and an internal displacement amount δ showing the relationship between the shield tunnel 10 after deterioration and the reinforcing structure in a general reinforcing method is drawn. The reinforced shield tunnel 10 to which the current load P1 is applied is in the state of point D. At this time, the load borne only by the shield tunnel 10 is the load in the state of the point E. Therefore, according to this design method, the segment G bears the load up to the point E, and the reinforcing prism bears the difference between the loads at the points D and E.

しかしながら、この状態では補強柱体で現状の荷重の大部分を負担して、セグメントGはほとんど荷重を負担しないことになり、セグメントGにとって危険側の設計となる虞がある。さらに、補強柱体は、過剰な荷重を負担するという不経済な設計となる虞がある。 However, in this state, the reinforcing column bears most of the current load, and the segment G bears almost no load, which may result in a dangerous design for the segment G. Further, the reinforcing column may be uneconomically designed to bear an excessive load.

図12に示されるように、主鉄筋S1の腐食が進行するに従って、現状の荷重P1によって生じる変位量δは、第1曲線の点Bの変位量δ1から第2曲線の点Cの変位量δ2まで増加する。従って、主鉄筋S1が腐食しても点Bの状態を維持したい場合、第1曲線の点Bにおける現状の荷重P1と、点Bにおける変位量δ1と同じ変位量を生じさせる第2曲線の点Fにおける仮想荷重(第2荷重)Pvとの荷重の差分を補強構造30で負担させる設計方法を用いればよい。 As shown in FIG. 12, as the corrosion of the main reinforcing bar S1 progresses, the displacement amount δ generated by the current load P1 is from the displacement amount δ1 at the point B on the first curve to the displacement amount δ2 at the point C on the second curve. Increases to. Therefore, if it is desired to maintain the state of the point B even if the main reinforcing bar S1 is corroded, the current load P1 at the point B of the first curve and the point of the second curve that causes the same displacement as the displacement amount δ1 at the point B. A design method may be used in which the reinforcing structure 30 bears the difference in load from the virtual load (second load) Pv in F.

この設計方法に従って補強構造30を形成すると、第2曲線における第1変位量δ1と第2荷重Pvを初期値として、補強後のシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第3曲線が求められる。第3曲線は、補強構造30と劣化後のシールドトンネル10とが協働して、外部から加えられる荷重を負担する状態を示す。従って第3曲線は、第1曲線の勾配よりも大きい勾配を有している。 When the reinforcing structure 30 is formed according to this design method, the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 after reinforcement and the displacement amount is shown with the first displacement amount δ1 and the second load Pv in the second curve as initial values. A curve is required. The third curve shows a state in which the reinforcing structure 30 and the deteriorated shield tunnel 10 cooperate with each other to bear a load applied from the outside. Therefore, the third curve has a gradient larger than the gradient of the first curve.

シールドトンネル10を補強する際、初期の状態では補強構造30に荷重を加えないようにシールドトンネル10内に補強構造30を形成する。そうすると、図13に示されるように、補強構造30が形成された後、時間の経過に従って天板部11が下方に変位して補強構造30に荷重が加わる。そして、シールドトンネル10の内空変位量δは、現状の荷重P1によって生じる第1曲線の点Bの変位量δ1から、現状の荷重P1によって生じる第3曲線の点Gにおける変位量δ3まで変位する。 When reinforcing the shield tunnel 10, the reinforcing structure 30 is formed in the shield tunnel 10 so as not to apply a load to the reinforcing structure 30 in the initial state. Then, as shown in FIG. 13, after the reinforcing structure 30 is formed, the top plate portion 11 is displaced downward with the passage of time, and a load is applied to the reinforcing structure 30. Then, the internal displacement amount δ of the shield tunnel 10 is displaced from the displacement amount δ1 at the point B of the first curve caused by the current load P1 to the displacement amount δ3 at the point G of the third curve caused by the current load P1. ..

つまり、補強構造30の効果として、補強構造30は、現状の荷重が加わった状態におけるシールドトンネル10の内空変位量δを第2曲線の点Cにおける変位量δ2ではなく、第3曲線の点Gにおける変位量δ3で留めることができる。 That is, as an effect of the reinforcing structure 30, in the reinforcing structure 30, the internal empty displacement amount δ of the shield tunnel 10 under the current load is not the displacement amount δ2 at the point C of the second curve, but the point of the third curve. It can be fixed by the displacement amount δ3 in G.

上述した図13の補強構造30の設計方法は、劣化が無い状態のシールドトンネル10に補強構造30を構築する設計法を採用しているということに留意が必要である。ここで、劣化が無い状態とは、現状は劣化が無いが、将来劣化のおそれが想定される状態という意味である。 It should be noted that the design method of the reinforcing structure 30 of FIG. 13 described above employs a design method of constructing the reinforcing structure 30 in the shield tunnel 10 in a state where there is no deterioration. Here, the state without deterioration means a state in which there is no deterioration at present, but there is a possibility of deterioration in the future.

厳密に補強構造30が負担する荷重を考慮して設計する場合、理想的にはシールドトンネル10が外力に対し限界となる時点の荷重状態において補強構造30を設計すべきである。そうすると補強構造30が負担する荷重を最も少なく設計することができ、設計が経済的となるからである。 When designing strictly in consideration of the load borne by the reinforcing structure 30, ideally, the reinforcing structure 30 should be designed in the load state at the time when the shield tunnel 10 becomes the limit with respect to the external force. This is because the load borne by the reinforcing structure 30 can be designed to be the smallest, and the design becomes economical.

しかし、図13の将来のシールドトンネル10の点Fにおける荷重状態と、補強後のシールドトンネル10の点Gにおける荷重状態の間で外力に対し限界となっている点を決定することは現実的には困難である。ここで、劣化が無いシールドトンネル10の点Fと点Gの荷重の差分は全て補強構造30で分担するとして設計すると、一般的な設計方法を用いている図11と比較して補強構造30が負担する荷重を少なく設計することができる。従って、設計の困難性と経済性とを比較考量して上記のような劣化が無い状態のシールドトンネル10に補強構造30を構築する設計法を採用する。 However, it is realistic to determine the limit to the external force between the load state at the point F of the future shield tunnel 10 in FIG. 13 and the load state at the point G of the reinforced shield tunnel 10. It is difficult. Here, if the difference between the loads of the points F and the points G of the shield tunnel 10 without deterioration is designed to be shared by the reinforcing structure 30, the reinforcing structure 30 is compared with FIG. 11 which uses a general design method. It can be designed with less load. Therefore, a design method is adopted in which the reinforcing structure 30 is constructed in the shield tunnel 10 in a state where there is no deterioration as described above by weighing the difficulty of the design and the economic efficiency.

図14に示されるように、将来的にシールドトンネル10に加わる荷重は圧密によって増加して、最大値となる。この時、圧密の最大荷重Pmは、上述のように設計荷重P0の1.30倍である。第3曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態は点Hで示される。第2曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態は点Iで示される。従って補強しない場合とした場合を比較すると、最大荷重Pmが加わった状態で生じる変位量の差は点Hと点Iの差となり、この差が補強による効果と考えることができる。 As shown in FIG. 14, the load applied to the shield tunnel 10 in the future increases due to consolidation and reaches a maximum value. At this time, the maximum consolidation load Pm is 1.30 times the design load P0 as described above. The state in which the maximum consolidation load Pm is applied in the third curve is indicated by the point H. The state in which the maximum consolidation load Pm is applied in the second curve is indicated by the point I. Therefore, comparing the case without reinforcement, the difference in the amount of displacement that occurs when the maximum load Pm is applied is the difference between points H and I, and this difference can be considered to be the effect of reinforcement.

この場合、第3曲線で圧密の最大荷重Pmが加わった状態の点Hでは、変位量δmが生じる。第2曲線で変位量δmを生じさせる点Jでは、荷重P2が加わった状態となる。そうすると、補強構造30が将来的に負担する荷重は点Hにおける最大荷重Pmと点Jにおける荷重P2の差分となる。 In this case, the displacement amount δm is generated at the point H in the state where the maximum consolidation load Pm is applied on the third curve. At the point J where the displacement amount δm is generated on the second curve, the load P2 is applied. Then, the load to be borne by the reinforcing structure 30 in the future is the difference between the maximum load Pm at the point H and the load P2 at the point J.

上述した補強構造30の設計方法に基づいて具体的に補強構造30を設計する。設計時の主鉄筋S1の厚さの残存量を6mmとし、将来的に腐食した場合の主鉄筋S1の厚さの残存量を上記の推定方法に基づいて1mmとする。 The reinforcing structure 30 is specifically designed based on the above-mentioned design method of the reinforcing structure 30. The remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 at the time of design is 6 mm, and the remaining amount of the thickness of the main reinforcing bar S1 in the case of corrosion in the future is set to 1 mm based on the above estimation method.

図15に示されるように、これらの値に基づいて構造計算を実施すると、両者の荷重負担割合を示すP-δ曲線が得られる。但しこのP-δ曲線では、横軸の内空変位量δに対して縦軸には変動荷重比αをとっている。このグラフに基づくと、現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)によって生じる第1曲線の点B(図13参照)における第1変位量δ1は10.9mmと推定される。 As shown in FIG. 15, when the structural calculation is performed based on these values, a P-δ curve showing the load-bearing ratio of both is obtained. However, in this P-δ curve, the variable load ratio α is taken on the vertical axis with respect to the amount of internal air displacement δ on the horizontal axis. Based on this graph, the first displacement amount δ1 at the point B (see FIG. 13) of the first curve caused by the current load P1 (1.13 times the design load P0) is estimated to be 10.9 mm.

そして、第1変位量δ1を生じさせる第2曲線の点F(図13参照)における鉛直方向の仮想荷重Pvは、設計荷重P0の1.07倍と推定される。これにより、既設のシールドトンネル10の剛性低下により補強構造30が負担すべき荷重を合理的に評価することができる荷重モデルが構築される。 Then, the virtual load Pv in the vertical direction at the point F (see FIG. 13) of the second curve that causes the first displacement amount δ1 is estimated to be 1.07 times the design load P0. As a result, a load model capable of reasonably evaluating the load to be borne by the reinforcing structure 30 due to the decrease in rigidity of the existing shield tunnel 10 is constructed.

図16に示されるように、補強後のシールドトンネル10のP-δ曲線は、点Bにおける第1変位量δ1=10.9mmと同じ変位量を生じさせる、第2曲線における仮想荷重Pvに対応する点Fを初期値とした、第3曲線によって表される。そして、補強後のシールドトンネル10の第3曲線において、荷重経路は点Fから点Gに移る経路となる。つまり、ここで示される荷重モデルは、既設のシールドトンネル10が設計荷重P0の1.07倍を負担した後、補強されて1.13倍まで増加する現状の荷重P1を負担するというものである。 As shown in FIG. 16, the P-δ curve of the shield tunnel 10 after reinforcement corresponds to the virtual load Pv in the second curve, which causes the same displacement as the first displacement amount δ1 = 10.9 mm at the point B. It is represented by a third curve with the point F as the initial value. Then, in the third curve of the shield tunnel 10 after reinforcement, the load path is a path that shifts from the point F to the point G. That is, in the load model shown here, the existing shield tunnel 10 bears 1.07 times the design load P0, and then bears the current load P1 which is reinforced and increases up to 1.13 times. ..

そして、補強後のシールドトンネル10の第3曲線において、荷重経路は点Gから補強後に1.30倍まで増加する圧密の最大荷重Pmに対応する点Hに移る経路となる。つまり、ここで示される荷重モデルは、既設のシールドトンネル10が設計荷重P0の1.13倍を負担した後、将来的に1.30倍まで増加する最大荷重Pmを負担するというものである。 Then, in the third curve of the shield tunnel 10 after reinforcement, the load path is a path that shifts from the point G to the point H corresponding to the maximum consolidation load Pm that increases up to 1.30 times after reinforcement. That is, in the load model shown here, the existing shield tunnel 10 bears 1.13 times the design load P0 and then bears the maximum load Pm that will increase up to 1.30 times in the future.

次に、上述した設計方法で演算された補強構造30の構造解析を行い、補強構造30の設計の適否を判定する。上述した荷重モデルを追跡する形で構造解析モデルを構築する。この構造解析モデルは、既設のシールドトンネル10と補強構造30とが協働する複合モデルである。構造解析は、例えば既知のはりばねモデルが用いられる。 Next, the structural analysis of the reinforcing structure 30 calculated by the above-mentioned design method is performed, and the suitability of the design of the reinforcing structure 30 is determined. A structural analysis model is constructed by tracking the load model described above. This structural analysis model is a composite model in which the existing shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 cooperate with each other. For structural analysis, for example, a known beam spring model is used.

図17から図20に示されるように、はりばねモデルでは、セグメントGは、はりに、セグメントG同士を連結する継手部は、回転ばね要素として設定される。そして複数のセグメントGで構成されるリングRの同士を連結する継手部は、せん断バネ要素として設定される。そして、シールドトンネル10内に構築される補強構造30が支持するリングRとの連結関係は、連結ばね要素として設定される。隣接するリングR同士は、千鳥組みされる。 As shown in FIGS. 17 to 20, in the beam spring model, the segment G is set as a beam, and the joint portion connecting the segments G to each other is set as a rotary spring element. The joint portion connecting the rings R composed of the plurality of segments G to each other is set as a shear spring element. Then, the connection relationship with the ring R supported by the reinforcing structure 30 constructed in the shield tunnel 10 is set as a connection spring element. Adjacent rings R are staggered together.

上述したように既設のシールドトンネル10における荷重状態は、シールドトンネル10のみに荷重が作用する点Fの状態(図16参照)と,補強後のシールドトンネル10に荷重が作用する点G及び点Hの状態(図16参照)の2つの状態がある。 As described above, the load states in the existing shield tunnel 10 are the state of the point F where the load acts only on the shield tunnel 10 (see FIG. 16), and the points G and H where the load acts on the shield tunnel 10 after reinforcement. There are two states (see FIG. 16).

図17に示されるように、隣接するリングRを千鳥組みした構造解析モデルに、点Fの状態に相当する仮想荷重Pv(設計荷重P0の1.07倍)を構造解析モデルに加える。そして、セグメントGの断面に発生する断面力を演算する。 As shown in FIG. 17, a virtual load Pv (1.07 times the design load P0) corresponding to the state of the point F is added to the structural analysis model in which adjacent rings R are staggered. Then, the cross-sectional force generated in the cross-section of the segment G is calculated.

図18に示されるように、構造解析モデルの内空に補強構造30を構築する。この状態では、点Fの状態に補強構造30を構築しただけであり、この段階では,補強構造30に断面力はまだ発生していない。 As shown in FIG. 18, the reinforcing structure 30 is constructed in the inner space of the structural analysis model. In this state, only the reinforcing structure 30 is constructed in the state of the point F, and at this stage, the cross-sectional force is not yet generated in the reinforcing structure 30.

図19に示されるように、補強構造30の構築が終わった後、点Gの状態に相当する現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)まで構造解析モデルに加える荷重を上げる。荷重の増加に従って補強構造30にも断面力が発生する。 As shown in FIG. 19, after the construction of the reinforcing structure 30 is completed, the load applied to the structural analysis model is increased up to the current load P1 (1.13 times the design load P0) corresponding to the state of the point G. As the load increases, a cross-sectional force is also generated in the reinforcing structure 30.

図20に示されるように、現状の荷重P1(設計荷重P0の1.13倍)から点Hの状態に相当する圧密の最大荷重Pm(設計荷重P0の1.30倍)まで構造解析モデルに加える荷重を上げ、各部材での断面力を演算する。なお、図18から図20ではわかりやすさのために,セグメントGのリングRと補強構造30との間が離間して記載されているが、実際に計算する場合では後述のように相互に密着している。すなわち、シールドトンネル10と補強構造30との接地面は、リングRの半径方向と接線方向に分けてばね値が設定される。 As shown in FIG. 20, the structural analysis model is used from the current load P1 (1.13 times the design load P0) to the maximum consolidation load Pm (1.30 times the design load P0) corresponding to the state of the point H. Increase the applied load and calculate the cross-sectional force of each member. In addition, in FIGS. 18 to 20, for the sake of clarity, the ring R of the segment G and the reinforcing structure 30 are described apart from each other, but in the actual calculation, they are in close contact with each other as described later. There is. That is, the spring value of the ground contact surface between the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 is set separately in the radial direction and the tangential direction of the ring R.

この構造解析モデルでは前提条件として、地盤の圧密(現状の荷重P1および圧密の最大荷重Pm)により、リングRの半径方向において補強構造30の上方支持部32の頂面部とセグメントGの内空面とが相互に密着すると共に、補強構造30の下方支持部33の下面部とインバート部12の上面とが相互に密着しているものとしている。また、リングRの半径方向において構造解析モデルが圧縮される場合のばね値は無限大相当とし、引張が働く場合(離れる場合)のばね値は0になるものとしている。 In this structural analysis model, as a prerequisite, the top surface of the upper support portion 32 of the reinforcing structure 30 and the inner air surface of the segment G in the radial direction of the ring R due to the consolidation of the ground (current load P1 and maximum consolidation load Pm). It is assumed that the lower surface portion of the lower support portion 33 of the reinforcing structure 30 and the upper surface portion of the invert portion 12 are in close contact with each other. Further, it is assumed that the spring value when the structural analysis model is compressed in the radial direction of the ring R corresponds to infinity, and the spring value when tension works (when it separates) becomes 0.

リングRの接線方向においても、圧縮力が作用するとせん断抵抗も大きくなることから、半径方向のばね値と同様に、構造解析モデルが圧縮される場合のばね値は無限大相当とし、引張が働く場合のばね値は0になるものとしている。 Even in the tangential direction of the ring R, the shear resistance increases when a compressive force acts. Therefore, as with the spring value in the radial direction, the spring value when the structural analysis model is compressed is equivalent to infinity, and tension works. In this case, the spring value is assumed to be 0.

図21に示されるように、セグメントGの内空側の主鉄筋S1の厚さが腐食によって1mmとなったときのセグメントGに加えられる曲げモーメントMと変化する曲率Φとの関係を示すM-Φ関係が用いられる。ここで、計算に用いたM-Φ関係は、セグメントGの主鉄筋S1の配筋方向の軸力に依存し、代表的なケースとして軸力が400kNの場合のM-Φ関係が示されている。また、現状でトンネル内面側の主鉄筋S1しか腐食が認められないことから、トンネル外面側の主鉄筋S1は腐食しないものとする。 As shown in FIG. 21, M- showing the relationship between the bending moment M applied to the segment G and the changing curvature Φ when the thickness of the main reinforcing bar S1 on the inner air side of the segment G becomes 1 mm due to corrosion. The Φ relationship is used. Here, the M-Φ relationship used in the calculation depends on the axial force in the reinforcing bar arrangement direction of the main reinforcing bar S1 of the segment G, and as a typical case, the M-Φ relationship when the axial force is 400 kN is shown. There is. Further, since only the main reinforcing bar S1 on the inner surface side of the tunnel is currently corroded, it is assumed that the main reinforcing bar S1 on the outer surface side of the tunnel does not corrode.

セグメントGの継手部を示す回転ばねのモデルには、既知の方法が用いられる。ただし、シールドトンネル10の竣工から35年が経過し継手部の締結力は期待できないことから、継手部が離間した後のばね値が採用される。リングR同士を連結するせん断ばねのモデルについても既知の方法に基づいて、例えばトリリニアモデルを採用している。なお、現状で継手部の腐食が主鉄筋S1に比して軽微であることから、回転ばね特性は変化しないものとする。 A known method is used for the model of the rotary spring showing the joint portion of the segment G. However, since 35 years have passed since the completion of the shield tunnel 10 and the fastening force of the joint portion cannot be expected, the spring value after the joint portion is separated is adopted. As for the model of the shear spring that connects the rings R to each other, for example, a trilinear model is adopted based on a known method. Since the corrosion of the joint portion is lighter than that of the main reinforcing bar S1 at present, it is assumed that the characteristics of the rotary spring do not change.

図22に示されるように、上記前提条件等に基づいて設定された各諸元を用いて、構造解析モデルに基づいて既設のシールドトンネル10及び補強構造30に生じる応力が荷重状態に従って演算される。図23及び図24は、構造解析モデルに基づいて解析した解析結果である。図23に示されるように、現状の荷重P1から圧密の最大荷重Pmへ荷重値が上がる際に、セグメントGに発生する軸力は440kNから442kNとほとんど変化しない。 As shown in FIG. 22, the stress generated in the existing shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 is calculated according to the load state based on the structural analysis model using the specifications set based on the above preconditions and the like. .. 23 and 24 are analysis results analyzed based on the structural analysis model. As shown in FIG. 23, when the load value increases from the current load P1 to the maximum consolidation load Pm, the axial force generated in the segment G hardly changes from 440 kN to 442 kN.

その後、補強構造30の支柱部31断面に発生する軸力は75.9kNから300kNと大きく変化する。この解析結果は、荷重増加に伴って補強構造30が有効に機能するという荷重履歴(図16参照)を再現している。また、リングRの曲げモーメントMについても63.8kNmから70.2kNmとなり、増加率は10%程度である。 After that, the axial force generated in the cross section of the support column 31 of the reinforcing structure 30 greatly changes from 75.9 kN to 300 kN. This analysis result reproduces the load history (see FIG. 16) that the reinforcing structure 30 functions effectively as the load increases. Further, the bending moment M of the ring R also changes from 63.8 kNm to 70.2 kNm, and the increase rate is about 10%.

すなわち、変動荷重比αが1.13から1.30と15%以上増加し、かつ側方土圧係数λが0.80から0.67と15%以上減少した場合、鉛直土圧と側方土圧のバランスが悪化するにもかかわらず、補強構造30は、荷重を負担してセグメントGに発生する断面力が増加することを抑制している。 That is, when the variable load ratio α increases by 15% or more from 1.13 to 1.30 and the lateral earth pressure coefficient λ decreases by 15% or more from 0.80 to 0.67, the vertical earth pressure and lateral earth pressure. Despite the deterioration of the earth pressure balance, the reinforcing structure 30 bears a load and suppresses an increase in the cross-sectional force generated in the segment G.

図24には、上記の荷重履歴に従って、曲げモーメント図と軸力図についてリングRと補強構造30とにそれぞれ演算結果が示されている。図示するように、シールドトンネル10のリングRに生じる曲げモーメントMと軸力は変化が少ないのに対し、補強構造30の曲げモーメントM及び軸力は荷重の増加に従っていずれも増加する。 In FIG. 24, calculation results are shown for the ring R and the reinforcing structure 30 for the bending moment diagram and the axial force diagram according to the above load history. As shown in the figure, the bending moment M and the axial force generated in the ring R of the shield tunnel 10 do not change much, whereas the bending moment M and the axial force of the reinforcing structure 30 both increase as the load increases.

特に、図24(a)に示されるように、構造解析モデルによると、現状の荷重P1が加わる応力状態でセグメントGの主鉄筋S1の腐食に伴って補強構造30の上方支持部32に曲げモーメントMが発生している状況が再現される。上述したように、荷重モデルを追跡した構造解析モデルを構築して補強柱体の設計を行うことにより、適切にセグメントGと補強構造30の各々に発生する応力を演算できる。 In particular, as shown in FIG. 24A, according to the structural analysis model, the bending moment is applied to the upper support portion 32 of the reinforcing structure 30 due to the corrosion of the main reinforcing bar S1 of the segment G under the stress state in which the current load P1 is applied. The situation where M is occurring is reproduced. As described above, by constructing a structural analysis model that tracks the load model and designing the reinforcing prism, the stress generated in each of the segment G and the reinforcing structure 30 can be appropriately calculated.

次に、上記方法で演算された応力に基づいて設計された補強構造30の耐力を判定する。補強構造30の耐力は、既知の式(7)に基づく構造照査によって判定される。構造照査によって、補強構造30に発生する動的な発生断面力に基づく応答値と予め定められた構造照査項目に決定される限界値から補強構造30の耐力が判定される。即ち、設計された補強構造の耐力は、補強構造30に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定される。

Figure 0007064286000007
ここで、
Sd:応答値
Rd:限界値
γi:構造物係数(=1.0)
である。 Next, the yield strength of the reinforcing structure 30 designed based on the stress calculated by the above method is determined. The proof stress of the reinforced structure 30 is determined by structural inspection based on the known formula (7). By the structural inspection, the yield strength of the reinforcing structure 30 is determined from the response value based on the dynamically generated cross-sectional force generated in the reinforcing structure 30 and the limit value determined by the predetermined structural inspection item. That is, the yield strength of the designed reinforcing structure is determined based on the response value generated with respect to the dynamic load applied to the reinforcing structure 30.
Figure 0007064286000007
here,
S d : Response value
R d : Limit value γ i : Structure coefficient (= 1.0)
Is.

限界値は、現状の荷重P1に対する降伏応力値によって、また圧密の最大荷重Pmに対しては終局断面耐力で決定される。決定された限界値を図25及び図26に示す。限界値に対する応答値の照査は、図27及び図28に示すとおりであり、セグメントGと補強構造30で値が全て1.0以下となり、耐荷性能を満足することが判定される。なお、上述した補強設計では地震時の照査も実施され、レベル1地震動およびレベル2地震動に対し,既設のシールドトンネル10と補強構造30とは共に耐荷性能を満足していることが確認された。 The limit value is determined by the yield stress value for the current load P1 and the ultimate cross-sectional yield strength for the maximum consolidation load Pm. The determined limit values are shown in FIGS. 25 and 26. The verification of the response value with respect to the limit value is as shown in FIGS. 27 and 28, and the values are all 1.0 or less in the segment G and the reinforcing structure 30, and it is determined that the load bearing performance is satisfied. In the above-mentioned reinforcement design, inspection during an earthquake was also carried out, and it was confirmed that both the existing shield tunnel 10 and the reinforcement structure 30 satisfy the load bearing performance against the level 1 earthquake motion and the level 2 earthquake motion.

以下、上記の設計方法によって設計された補強構造30のシールドトンネル10内における複数の支柱部31の設置間隔Dについて説明する。図29に示されるように、複数の支柱部31は、シールドトンネル10内にトンネル軸Lに沿って配置される。各支柱部31は、支柱部31のトンネル軸Lに沿った方向の中心の位置がシールドトンネル10のリングR同士の継ぎ目Uの位置となるように配置される。鉛直荷重がシールドトンネル10に加わると、支柱部31断面に発生する軸力によって、上方支持部32と天板部11のセグメントGに内に45度をなす、せん断面Tが生じる。 Hereinafter, the installation intervals D of the plurality of column portions 31 in the shield tunnel 10 of the reinforcing structure 30 designed by the above design method will be described. As shown in FIG. 29, the plurality of column portions 31 are arranged in the shield tunnel 10 along the tunnel axis L. Each strut portion 31 is arranged so that the position of the center of the strut portion 31 in the direction along the tunnel axis L is the position of the seam U between the rings R of the shield tunnel 10. When a vertical load is applied to the shield tunnel 10, the axial force generated in the cross section of the support column 31 creates a shear surface T that forms 45 degrees in the segment G of the upper support portion 32 and the top plate portion 11.

鉛直荷重がシールドトンネル10に加わった際、隣接する支柱部31によって生じる、各せん断面Tの交点がセグメントG内となるように支柱部31の設置間隔Dが決定される。これにより支柱部31のトンネル軸Lに沿った方向の幅Wが決定される。そして、上記の設計方法によって算出された補強構造30に発生する応力に基づいて支柱部31のトンネル軸に直交する方向の幅も決定される。セグメントGに想定外の方向の力が加わることが防止され、セグメントGに対して安全な設計とすることができる。 When a vertical load is applied to the shield tunnel 10, the installation interval D of the strut portions 31 is determined so that the intersections of the shear surfaces T generated by the adjacent strut portions 31 are within the segment G. As a result, the width W in the direction along the tunnel axis L of the support column 31 is determined. Then, the width in the direction orthogonal to the tunnel axis of the support column 31 is also determined based on the stress generated in the reinforcing structure 30 calculated by the above design method. It is possible to prevent a force in an unexpected direction from being applied to the segment G, and the design can be made safe with respect to the segment G.

次に、補強構造30の設計方法の流れについて図30に従って説明する。劣化が無いシールドトンネル10の荷重状態を示す設計上の第1曲線に基づいて、既知の現状の荷重P1によって生じる第1変位量δ1を求める(S100)。想定される劣化状態にあるシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、第1変位量δ1を生じさせる仮想荷重(第2荷重)を求める(S101)。第1荷重と第2荷重との差に基づいて補強構造30の強度を求める(S102)。補強構造30を設置した後、第1変位量における第2荷重を初期値として、補強後のシールドトンネル10に作用する荷重と変位量との関係を示す第3曲線を求める(S103)。 Next, the flow of the design method of the reinforcing structure 30 will be described with reference to FIG. Based on the first design curve showing the load state of the shield tunnel 10 without deterioration, the first displacement amount δ1 caused by the known current load P1 is obtained (S100). Based on the second curve showing the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 in the assumed deteriorated state and the displacement amount, a virtual load (second load) that causes the first displacement amount δ1 is obtained (S101). The strength of the reinforcing structure 30 is obtained based on the difference between the first load and the second load (S102). After installing the reinforcing structure 30, the second load in the first displacement amount is set as an initial value, and a third curve showing the relationship between the load acting on the shield tunnel 10 after reinforcement and the displacement amount is obtained (S103).

第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する(S104)。将来の変位量が生じた場合におけるシールドトンネル10の本体及び補強構造30に生じる応力をシールドトンネル10と補強構造30とをはりとばねで構成してモデル化した構造解析モデルに基づいて演算する(S105)。演算した応力に基づいて設計された補強構造30の耐力を補強構造30に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する(S106)。 Based on the third curve, the amount of future displacement with respect to the assumed future load is calculated (S104). The stress generated in the main body of the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 when a future displacement amount occurs is calculated based on a structural analysis model modeled by constructing the shield tunnel 10 and the reinforcing structure 30 with beams and springs (). S105). The yield strength of the reinforcing structure 30 designed based on the calculated stress is determined based on the response value generated to the dynamic load applied to the reinforcing structure 30 (S106).

上述したように補強構造30の設計方法によると、既設の構造物の劣化の進行度合いに応じた補強対策を行うことができる。即ち、補強構造30の設計方法によると、シールドトンネル10に加わる荷重の荷重履歴を追跡することで補強構造30が負担する荷重を合理的に設定できる。そして、補強構造30の設計方法によると、設定された補強構造30が負担する荷重に基づいて補強構造30の諸元を合理的に設定することができ、過剰な設計を低減することができる。更に、補強構造30の設計方法によると、設定された補強構造30の諸元に基づく補強構造30の耐力を判定することで補強構造30の安全性を評価することができる。 As described above, according to the design method of the reinforcing structure 30, reinforcement measures can be taken according to the progress of deterioration of the existing structure. That is, according to the design method of the reinforcing structure 30, the load borne by the reinforcing structure 30 can be reasonably set by tracking the load history of the load applied to the shield tunnel 10. Then, according to the design method of the reinforcing structure 30, the specifications of the reinforcing structure 30 can be rationally set based on the load borne by the set reinforcing structure 30, and excessive design can be reduced. Further, according to the design method of the reinforcing structure 30, the safety of the reinforcing structure 30 can be evaluated by determining the proof stress of the reinforcing structure 30 based on the set specifications of the reinforcing structure 30.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.

例えば、上記実施形態では、既設のシールドトンネル10の補強構造30について例示したが、上記の補強構造の設計方法は他の既設構造物の補強に対しても適用できる。例えば、既設構造物は、荷重状態にある他の鉄筋コンクリート構造物としてもよい。その他、上記の補強構造の設計方法は、将来劣化のおそれがある既設構造物であればどのようなものに適用してもよい。その場合、荷重履歴を演算した後、上記の構造解析モデルを他の既設構造物の形状に合わせて構築して応力計算を行えばよい。また、上記の主鉄筋S1の残存量の推定方法に用いた主鉄筋S1はフラットバーを例示したが、上記の推定方法は他の形状の鉄筋に対しても適用してもよい。 For example, in the above embodiment, the reinforcing structure 30 of the existing shield tunnel 10 has been exemplified, but the design method of the reinforcing structure can be applied to the reinforcement of other existing structures. For example, the existing structure may be another reinforced concrete structure under load. In addition, the above method for designing a reinforcing structure may be applied to any existing structure that may deteriorate in the future. In that case, after calculating the load history, the above structural analysis model may be constructed according to the shape of another existing structure to perform stress calculation. Further, although the main reinforcing bar S1 used in the above-mentioned method for estimating the residual amount of the main reinforcing bar S1 exemplifies a flat bar, the above-mentioned estimation method may be applied to reinforcing bars having other shapes.

10 シールドトンネル
11 天板部
12 インバート部
30 補強構造
31 支柱部
32 上方支持部
33 下方支持部
C コンクリート部
G セグメント
R リングS 鉄筋
S1 主鉄筋
S2 配力鉄筋
10 Shield tunnel 11 Top plate part 12 Invert part 30 Reinforcing structure 31 Strut part 32 Upper support part 33 Lower support part C Concrete part G Segment R Ring S Reinforcing bar S1 Main reinforcing bar S2 Distribution reinforcing bar

Claims (5)

劣化状態にある既設構造物の補強構造の設計方法であって、
前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す設計上の第1曲線に基づいて、前記既設構造物に加わる第1荷重によって生じる第1変位量を求める初期変位量演算工程と、
想定される劣化状態にある前記既設構造物に作用する荷重と変位量との関係を示す第2曲線に基づいて、前記第1変位量を生じさせる第2荷重を求める劣化後荷重演算工程と、
前記第1荷重及び前記第2荷重との差に基づいて前記既設構造物を補強するための補強構造の強度を演算する補強構造強度演算工程と、
前記補強構造を設置した後、前記第1変位量における前記第2荷重を初期値として、補強後の前記既設構造物に作用する荷重と前記変位量との関係を示す第3曲線を求める補強後曲線演算工程と、
前記第3曲線に基づいて、想定される将来の荷重に対する将来の変位量を演算する将来変位量演算工程と、を備える、
既設構造物の補強構造の設計方法。
It is a method of designing a reinforced structure of an existing structure that is in a deteriorated state.
An initial displacement amount calculation step for obtaining a first displacement amount generated by a first load applied to the existing structure based on a first design curve showing the relationship between the load acting on the existing structure and the displacement amount.
A post-deterioration load calculation step for obtaining a second load that causes the first displacement amount based on a second curve showing the relationship between the load acting on the existing structure in a assumed deteriorated state and the displacement amount.
A reinforcing structure strength calculation step for calculating the strength of the reinforcing structure for reinforcing the existing structure based on the difference between the first load and the second load .
After installing the reinforcing structure, the second load in the first displacement amount is set as an initial value, and after reinforcement, a third curve showing the relationship between the load acting on the existing structure after reinforcement and the displacement amount is obtained. Curve calculation process and
A future displacement amount calculation step for calculating a future displacement amount with respect to an assumed future load based on the third curve is provided.
How to design a reinforced structure for an existing structure.
前記将来の荷重及び前記将来の変位量に基づく荷重状態における前記既設構造物の本体及び前記補強構造に生じる応力をモデル化された前記既設構造物と前記補強構造とを用いた構造解析モデルに基づいて演算する応力演算工程と、
を更に備える、
請求項に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
Based on a structural analysis model using the existing structure and the reinforcing structure, which models the stress generated in the main body of the existing structure and the reinforcing structure in the load state based on the future load and the future displacement amount. And the stress calculation process
Further prepare,
The method for designing a reinforced structure of an existing structure according to claim 1 .
演算した前記応力に基づいて設計された前記補強構造の耐力を前記補強構造に加わる動的な荷重に対して生じる応答値に基づいて判定する判定工程と、を更に備える、
請求項に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
Further comprising a determination step of determining the yield strength of the reinforcing structure designed based on the calculated stress based on the response value generated with respect to the dynamic load applied to the reinforcing structure.
The method for designing a reinforcing structure of an existing structure according to claim 2 .
前記劣化後荷重演算工程は、前記第2曲線を決定するために、
前記既設構造物を構成する複数の構造部材の残存量の分布を示す分布曲線を決定する分布曲線決定工程と、
前記分布曲線を経時的に変化させるパラメータを演算するパラメータ演算工程と、
所定の期間経過後に対応する前記パラメータで算出される前記分布曲線に基づいて統計的に将来の前記構造部材の前記残存量を推定する構造部材残存量推定工程と、を更に備える、
請求項1からのいずれか1項に記載の既設構造物の補強構造の設計方法。
The post-deterioration load calculation step is for determining the second curve.
A distribution curve determination step for determining a distribution curve showing the distribution of residual amounts of a plurality of structural members constituting the existing structure, and a distribution curve determination step.
A parameter calculation process for calculating parameters that change the distribution curve over time, and
Further comprising a structural member residual amount estimation step of statistically estimating the residual amount of the structural member in the future based on the distribution curve calculated by the corresponding parameter after the lapse of a predetermined period.
The method for designing a reinforcing structure of an existing structure according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1からのいずれか1項に記載の設計方法による設計工程と、
前記設計工程で設計された補強構造を構築する補強工程と、を備える、
既設構造物の補強構造の構築方法。
The design process according to the design method according to any one of claims 1 to 4 .
A reinforcement process for constructing a reinforcement structure designed in the design process is provided.
How to build a reinforced structure for an existing structure.
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