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JP7170992B2 - Structural calculation method and structural calculation program for linear structure - Google Patents
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JP7170992B2 - Structural calculation method and structural calculation program for linear structure - Google Patents

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Description

本発明は、線状構造物の構造計算方法に関する。 The present invention relates to a structural calculation method for linear structures.

従来、地下鉄トンネル等の線状構造物の構造計算が行われている。このような構造計算は、例えば、軸方向の一部に沈下等の変状が生じている地下鉄トンネルの耐荷性能を評価する際に有効活用されている。 Structural calculations of linear structures such as subway tunnels have been conventionally performed. Such structural calculations are effectively utilized, for example, when evaluating the load-bearing performance of subway tunnels that have deformation such as subsidence in part in the axial direction.

ところで、地下鉄トンネルの場合、通常、軸力を考慮すべき状況が見当たらない。そのため、地下鉄トンネルに軸方向の外力が作用していないと仮定して、構造計算をすることが適切と考えられる。 By the way, in the case of subway tunnels, there is usually no situation in which the axial force should be considered. Therefore, it is appropriate to perform structural calculations assuming that no axial external force acts on the subway tunnel.

しかしながら、上記方法により構造計算をすると、構造計算により得られた結果(ひずみ分布等)が、実際の構造を調査した結果と大きく異なることがあった。 However, when the structural calculation is performed by the above method, the results (strain distribution, etc.) obtained by the structural calculation are sometimes greatly different from the results obtained by examining the actual structure.

そこで、本発明は、変状が生じている線状構造物の構造計算に用いることができる精度が高い構造計算方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly accurate structural calculation method that can be used for structural calculation of a linear structure in which deformation has occurred.

第1の態様に係る構造計算方法は、線状構造物の構造計算を前記線状構造物の軸方向の一部に生じた変状を考慮して行う構造計算方法であって、前記線状構造物の構造情報及び前記変状の変状情報に基づいて、前記変状により中立軸位置変動要因(ひび割れ等)が発生して中立軸位置が変動することによる前記線状構造物の伸びが、前記線状構造物の変状発生地点の軸方向両側から拘束されていると仮定した場合の軸力を見かけの軸力として算定する軸力算定ステップと、前記線状構造物の構造情報、前記変状の変状情報及び前記見かけの軸力に基づいて、前記線状構造物の構造計算をすることで構造計算結果を得る結果取得ステップと、を含む。 A structural calculation method according to a first aspect is a structural calculation method in which structural calculation of a linear structure is performed in consideration of deformation occurring in a part of the linear structure in an axial direction, Based on the structural information of the structure and the deformation information of the deformation, the extension of the linear structure caused by the occurrence of neutral axis position fluctuation factors (cracks, etc.) due to the deformation and the fluctuation of the neutral axis position is determined. , an axial force calculation step of calculating an apparent axial force when it is assumed that the linear structure is restrained from both sides in the axial direction of the deformation occurrence point; structural information of the linear structure; a result obtaining step of obtaining a structural calculation result by performing structural calculation of the linear structure based on the deformation information of the deformation and the apparent axial force.

この態様に係る構造計算方法によれば、地中の線状構造物等、変状箇所を挟んだ軸方向両側が拘束されているといえる線状構造物について、精度の高い構造計算結果を得ることができる。なぜなら、変状箇所を挟んだ軸方向両端が拘束されているといえる線状構造物では、変状箇所が伸張することができない状態となり、これが軸力のように作用していると考えられるためである。 According to the structural calculation method according to this aspect, a highly accurate structural calculation result can be obtained for a linear structure that can be said to be constrained on both sides in the axial direction across a deformed portion, such as an underground linear structure. be able to. This is because in a linear structure that can be said to be restrained at both ends in the axial direction across the deformed portion, the deformed portion cannot be stretched, and this is thought to act like an axial force. is.

また、この態様に係る構造計算方法は、例えば、変状箇所を挟んだ軸方向両側が拘束されているといえるか否か不明な線状構造物について、変状箇所を挟んだ軸方向両側が拘束されているか否か(線状構造物の軸方向両側の拘束状況)の判断に用いることもできる。つまり、この態様の構造計算方法の計算対象は、線状構造物であればよく、地中の線状構造物等のような変状箇所を挟んだ軸方向両側が拘束されているといえる線状構造物に限定されない。 Further, in the structure calculation method according to this aspect, for example, for a linear structure for which it is unclear whether it can be said that both sides in the axial direction sandwiching the deformed portion are constrained, It can also be used to determine whether or not it is constrained (constraint conditions on both sides of the linear structure in the axial direction). In other words, the calculation object of the structural calculation method of this aspect may be a linear structure, and a line that can be said to be constrained on both sides in the axial direction across a deformed location such as a linear structure in the ground. It is not limited to shaped structures.

なお、軸力算定ステップで用いる構造情報及び変状情報と、結果取得ステップで用いる構造情報及び変状情報とは、同一の情報でなくてもよい。
また、上記の「前記線状構造物の構造情報、前記変状の変状情報及び算定した見かけの軸力に基づいて、・・・構造計算をする」には、線状構造物の構造情報としての有限要素モデルに、変状情報及び見かけの軸力に基づいて決定した境界条件を与えて計算することが含まれるが、この際、境界条件は、変状情報及び見かけの軸力に加えて他の要素を考慮して決定してもよい。
また、この構造計算方法は、現に変状が生じている線状構造物の構造計算だけでなく、現在では変状が生じていないが変状が生じているものと仮定した上での構造計算にも用いることができる。
The structural information and deformation information used in the axial force calculation step and the structural information and deformation information used in the result acquisition step may not be the same information.
In addition, in the above "structural information of the linear structure, deformation information of the deformation and the calculated apparent axial force, ... structural calculation is performed", the structural information of the linear structure The finite element model as is given with boundary conditions determined based on the deformation information and the apparent axial force. may be determined in consideration of other factors.
In addition, this structural calculation method can be used not only for structural calculations of linear structures that are actually deformed, but also for structural calculations on the assumption that deformation has not occurred at present. can also be used for

第2の態様に係る線状構造物の構造計算方法は、第1の態様において、前記中立軸位置変動要因は、コンクリートのひび割れである。 A structural calculation method for a linear structure according to a second aspect is the first aspect, wherein the neutral axis position fluctuation factor is cracks in concrete.

この態様に係る構造計算方法によれば、トンネルの軸方向の一部に沈下等の変状が生じ、当該箇所にコンクリートのひび割れが生じている場合について、精度の高い構造計算結果を得ることができる。 According to the structural calculation method according to this aspect, it is possible to obtain a highly accurate structural calculation result in the case where deformation such as subsidence occurs in a part of the tunnel in the axial direction and cracks occur in the concrete at that part. can.

第3の態様に係る線状構造物の構造計算方法は、第1の態様において、前記線状構造物は、軸方向に多数配列されたセグメントリングからなるトンネルであり、前記中立軸位置変動要因は、前記セグメントリングの開きである。 A structural calculation method for a linear structure according to a third aspect is, in the first aspect, wherein the linear structure is a tunnel composed of a large number of segment rings arranged in the axial direction, and the neutral axis position variation factor is the opening of the segment ring.

この態様に係る構造計算方法によれば多数のセグメントリングからなるトンネルの軸方向の一部に沈下等の変状が生じ、当該箇所にセグメントリングの開きが生じている場合について、精度の高い構造計算結果を得ることができる。 According to the structural calculation method according to this aspect, a highly accurate structure can be obtained in the case where deformation such as subsidence occurs in a part of the tunnel in the axial direction, which is composed of many segment rings, and the segment rings open at that part. Calculation results can be obtained.

第4の態様に係る線状構造物の構造計算方法は、第1~第3の何れかの態様において、前記軸力算定ステップでは、前記変状の変状情報に基づいて、前記変状の発生地点における変状方向側端部が引張りとなっている範囲を軸力算定範囲として設定し、前記線状構造物の構造情報及び前記変状の変状情報に基づいて、前記軸力算定範囲における前記変状方向側端部の中立軸位置変動前後の伸びの差を拘束される伸び量として算定し、前記拘束されるされる伸び量及び前記軸力算定範囲に基づいて、前記変状方向側端部の拘束されるひずみ量を算定し、前記拘束されるひずみ量に基づいて、前記見かけの軸力を算定する。 A structural calculation method for a linear structure according to a fourth aspect is, in any one of the first to third aspects, in the axial force calculating step, based on the deformation information of the deformation, A range in which the deformation direction side end at the occurrence point is in tension is set as the axial force calculation range, and based on the structural information of the linear structure and the deformation information of the deformation, the axial force calculation range Calculate the difference in elongation before and after the neutral axis position change of the end portion on the deformation direction side as the amount of elongation to be restrained, and based on the amount of elongation to be restrained and the axial force calculation range, the deformation direction A constrained strain amount of the side end portion is calculated, and the apparent axial force is calculated based on the constrained strain amount.

この態様に係る構造計算方法では、変状発生始点における変状方向側端部(例えば沈下の場合は下端)が引張りとなっている範囲を軸力算定範囲とするので、変状方向側端部の変位の情報(変状情報)を調査することで構造計算を実施することができる。 In the structural calculation method according to this aspect, since the range in which the deformation direction side end (for example, the lower end in the case of subsidence) at the deformation start point is in tension is the axial force calculation range, the deformation direction side end Structural calculation can be performed by investigating the information of displacement (deformation information).

第5の態様に係る線状構造物の構造計算方法は、第1~第4の何れかの態様において、前記結果取得ステップでは、前記線状構造物の構造モデルの軸方向両端に、前記見かけの軸力に相当する強制変位を与え、その後、前記変状に相当する強制変位を与える。 A structural calculation method for a linear structure according to a fifth aspect is characterized in that, in any one of the first to fourth aspects, in the result acquisition step, the apparent is applied, and then forced displacement corresponding to the deformation is applied.

この態様に係る構造計算方法では、構造物の構造モデルの軸方向両端に見かけの軸力に相当する強制変位を与えて、構造物の構造モデル全体に軸力を発生させた後、変状に相当する強制変位を与えるので、適切な計算結果を得ることができる。 In the structural calculation method according to this aspect, a forced displacement corresponding to an apparent axial force is applied to both ends of the structural model of the structure in the axial direction to generate an axial force in the entire structural model of the structure. Appropriate calculation results can be obtained since corresponding forced displacements are given.

第6の態様に係る線状構造物の構造計算プログラムは、コンピュータに、第1~第5のいずれかの態様に係る構造計算方法の各ステップを実行させるためのプログラムである。 A structural calculation program for a linear structure according to a sixth aspect is a program for causing a computer to execute each step of the structural calculation method according to any one of the first to fifth aspects.

この態様に係る構造計算プログラムによれば、コンピュータを用いて容易に、変状が生じている線状構造物について精度が高い計算結果を得ることができる。 According to the structural calculation program according to this aspect, it is possible to easily obtain highly accurate calculation results for a deformed linear structure using a computer.

本発明によれば、変状が生じている線状構造物の構造計算に用いることができる精度が高い構造計算方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structural calculation method with high precision which can be used for the structural calculation of the linear structure which deformation|transformation has arisen can be provided.

本発明の構造計算方法の一例を示す全体フローである。It is the whole flow which shows an example of the structural calculation method of this invention. 線状構造物としての地下鉄トンネルの全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole subway tunnel as a linear structure. 軸力算定範囲の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of an axial force calculation range; ひび割れの有無によるひずみの違いを示す図である。It is a figure which shows the difference of strain|strain by the presence or absence of a crack. ひび割れの有無によるトンネルの伸びの差のイメージ図である。FIG. 4 is an image diagram of the difference in tunnel elongation depending on the presence or absence of cracks. 実施形態の結果取得ステップを示す図である。It is a figure which shows the result acquisition step of embodiment. 比較例(見かけの軸力を考慮しない例)の結果取得ステップを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a result acquisition step of a comparative example (an example in which apparent axial force is not considered); 検討対象トンネルの概要および近接施工の状況を示す図である。1 is a diagram showing an outline of a tunnel to be considered and a situation of adjacent construction; FIG. 地点B付近のトンネル内のひび割れ状況を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing cracks in a tunnel near point B; トンネル軸方向のひずみの調査結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the results of investigation of strain in the tunnel axial direction; トンネル軸方向に対する鉄筋幸福曲げ耐力算定のイメージを示す図である。It is a figure which shows the image of reinforcement bending strength calculation with respect to a tunnel axial direction. 沈下によるひび割れが発生した場合のトンネル高さ方向のひずみ分布のイメージを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an image of strain distribution in the tunnel height direction when cracks occur due to subsidence. ひび割れの有無によるトンネル下端のひずみの算定結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing calculation results of strain at the bottom end of a tunnel depending on the presence or absence of cracks; トンネル軸方向のひずみの調査結果と見かけの軸力を考慮した場合のひずみ分布の比較を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a comparison of strain distribution in the case where investigation results of strain in the tunnel axial direction and apparent axial force are taken into consideration. 擬似3次元によるトンネル軸方向のモデル化のイメージを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an image of modeling in the tunnel axial direction by pseudo three-dimensional; 終局曲げ耐力算定時のコンクリートの応力とひずみの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the stress and strain of concrete when calculating the ultimate bending strength. 擬似3次元によるトンネル軸方向の構造計算モデルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a structural calculation model in the tunnel axial direction by pseudo three-dimensional; 構造計算モデルの違いによるひび割れ図の比較(沈下中心付近)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a comparison of crack diagrams (near the center of subsidence) due to differences in structural calculation models; 主ひずみのコンター図である。FIG. 4 is a contour diagram of principal strain; せん断ひずみのコンター図である。It is a contour figure of shear strain. トンネル高さ方向の側壁のひずみ分布の比較を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a comparison of strain distributions on sidewalls in the tunnel height direction; 沈下量とせん断ひずみの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between settlement amount and shear strain. 構造計算装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a structure calculation apparatus. シールドトンネルを計算対象とする場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of making a shield tunnel into calculation object.

以下、本発明の一実施形態として、構造計算対象である「線状構造物」を地下鉄トンネルとし、地下鉄トンネルの一部に生じている沈下を考慮した構造計算をする方法について説明する。 In the following, as an embodiment of the present invention, a method of carrying out structural calculation in consideration of subsidence occurring in a portion of a subway tunnel, with the "linear structure" to be structurally calculated as a subway tunnel, will be described.

まず、図2を用いて、対象とする地下鉄トンネル10について説明する。図2に示すように、地下鉄トンネル10は、亘長が約1kmの鉄筋コンクリート構造とする。図2に示す地点Xに、大きな沈下(例えば100~300mm)が発生しているとする。 First, the target subway tunnel 10 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the subway tunnel 10 is a reinforced concrete structure with a length of approximately 1 km. Assume that a large subsidence (for example, 100 to 300 mm) occurs at point X shown in FIG.

図1は、本実施形態の計算結果方法を示す全体フローである。図1に示すように、本実施形態の構造計算方法は、大きく分けて以下の(1)(2)のステップを含む。
(1)変状による見かけの軸力を算定する(軸力算定ステップ)
(2)見かけの軸力に対応する境界条件を決定し、構造計算をする(結果取得ステップ)
FIG. 1 is an overall flow showing the calculation result method of this embodiment. As shown in FIG. 1, the structural calculation method of this embodiment is roughly divided into the following steps (1) and (2).
(1) Calculate apparent axial force due to deformation (axial force calculation step)
(2) Determine boundary conditions corresponding to apparent axial force and perform structural calculation (result acquisition step)

<軸力算定ステップ>
(1)軸力算定ステップについて説明する。
軸力算定ステップでは、地下鉄トンネルの構造情報及び沈下の情報(変状情報)に基づいて、沈下によりひび割れが発生して中立軸位置が変動することによる地下鉄トンネルの伸びが、沈下発生地点Xの軸方向両側から拘束されていると仮定した場合の軸力を「見かけの軸力」として算定する。
<Axial force calculation step>
(1) Explain the axial force calculation step.
In the axial force calculation step, based on the structural information and settlement information (deformation information) of the subway tunnel, the elongation of the subway tunnel due to the occurrence of cracks due to settlement and the change in the neutral axis position is estimated at the settlement occurrence point X. Calculate the axial force assuming that it is constrained from both sides in the axial direction as the "apparent axial force".

具体的には、まず、見かけの軸力の算定に用いる範囲(以下、軸力算定範囲Lという。)を設定する(ステップS101)。
図3に示すように、軸力算定範囲Lは、トンネル下端が引張りとなっている範囲とする。例えば、トンネル下端が引張りとなっている範囲が40mの範囲の場合、その40mの範囲を軸力算定範囲Lとする。
Specifically, first, a range used for calculating the apparent axial force (hereinafter referred to as axial force calculation range L) is set (step S101).
As shown in FIG. 3, the axial force calculation range L is a range in which the lower end of the tunnel is in tension. For example, if the range in which the lower end of the tunnel is in tension is a range of 40 m, the range of 40 m is defined as the axial force calculation range L.

沈下は下方向の変状であるため、トンネル下端が引張りとなっている範囲とは、線状構造物の変状方向側の端部(以下「変状方向側端部」という。)が引張りとなっている範囲と言い換えることができる。 Since subsidence is deformation in the downward direction, the area where the lower end of the tunnel is in tension is the end of the linear structure on the deformation direction side (hereinafter referred to as the “end in the deformation direction”) that is in tension. It can be rephrased as the range in which

なお、軸力算定範囲Lは、変状方向側端部が引張りとなる範囲における中央地点を含んだ範囲であれば、引張りとなる範囲の全体でなくてもよい。 Note that the axial force calculation range L does not have to be the entire tensile range as long as it includes the center point of the tensile range at the ends on the deformation direction side.

次に、ひび割れがない場合のひずみεを算定すると共に(ステップS102)、ひび割れがある場合のひずみε’を算定する(ステップS103)。 Next, the strain ε when there is no crack is calculated (step S102), and the strain ε' when there is a crack is calculated (step S103).

ここで、鉄筋コンクリート断面は、ひび割れが発生すると中立軸位置が変動し、これに伴いひずみ分布も変化する。ひび割れが発生すると、コンクリートの引張を無視できるか、もしくはその影響が小さくなるので、ひび割れ後の中立軸位置は、曲げの内側に変動する。なお、コンクリートのひび割れが本発明の「中立軸位置変動要因」に相当する。 Here, in the cross section of reinforced concrete, when cracks occur, the position of the neutral axis fluctuates, and the strain distribution also changes accordingly. When cracking occurs, the tension of the concrete can be ignored or its effect becomes small, so the neutral axis position after cracking fluctuates toward the inside of the bend. Note that cracks in concrete correspond to the "neutral axis position variation factor" of the present invention.

ひび割れ前のひずみ分布は、次式により算定することができる。

ε=φ・z

ここで、
ε:ひび割れ前の算定位置でのひずみ量
φ:曲率
z:中立軸位置(ひび割れ前)からの算定位置までの長さ
The strain distribution before cracking can be calculated by the following formula.

ε=φ・z

here,
ε: Strain amount at the calculated position before cracking φ: Curvature z: Length from the neutral axis position (before cracking) to the calculated position

ひび割れ後のひずみ分布は、次式により算定することができる。

ε’=φ・z’

ここで、
ε’:ひび割れ後の算定位置でのひずみ量
φ :曲率
z’:中立軸位置(ひび割れ後)からの算定位置までの長さ
The strain distribution after cracking can be calculated by the following formula.

ε′=φ・z′

here,
ε': Strain amount at calculated position after cracking φ: Curvature z': Length from neutral axis position (after cracking) to calculated position

ひび割れにより中立軸が変動するため、ひび割れの有無により地下鉄トンネルの軸方向の長さの計算値が変化する。図4に、ひび割れの有無による軸方向長さの違いを示す。なお、図では、判りやすさのため、伸縮量を200倍として描画している。 Since the neutral axis fluctuates due to cracks, the calculated value of the axial length of the subway tunnel changes depending on the presence or absence of cracks. FIG. 4 shows the difference in axial length depending on the presence or absence of cracks. In addition, in the drawing, for ease of understanding, the amount of expansion and contraction is drawn as 200 times.

次に、ひび割れ前の伸び量を算定すると共に(ステップS104)、ひび割れ後の伸び量を算定する(ステップS105)。 Next, the amount of elongation before cracking is calculated (step S104), and the amount of elongation after cracking is calculated (step S105).

ここで算定する伸び量は、トンネル下端の伸び量とする。トンネル下端の伸び量は、「トンネル下端のひずみ量εiと要素の長さlから、次の式で算定することができる。

dl =Σεi ・l
dl’=Σεi’・l
ここで、
dl :トンネル下端の伸び量(ひび割れ前)
dl’:トンネル下端の伸び量(ひび割れ後)
ε :トンネル下端のひずみ量(ひび割れ前)
ε’:トンネル下端のひずみ量(ひび割れ後)
:ひずみ量を算定した要素の長さ
The amount of elongation calculated here is the amount of elongation at the bottom of the tunnel. The amount of elongation at the bottom end of the tunnel can be calculated by the following formula from the amount of strain ε i at the bottom end of the tunnel and the length l i of the element.

dl = Σε i · l i
dl'=Σε i '·l i
here,
dl: Elongation at the bottom end of the tunnel (before cracking)
dl': Elongation at the bottom end of the tunnel (after cracking)
ε i : Amount of strain at the bottom of the tunnel (before cracking)
ε i ': amount of strain at the bottom of the tunnel (after cracking)
l i : length of the element for which the amount of strain was calculated

図5は、ひび割れの有無によるトンネルの伸びの差のイメージである。この伸びの差が地下鉄トンネルの軸方向両側から拘束されると仮定する。なお、トンネル下端の伸び量は、線状構造物の変状方向側端部の伸び量と言い換えることができる。 FIG. 5 is an image of the difference in tunnel elongation due to the presence or absence of cracks. Assume that this difference in elongation is constrained from both axial sides of the subway tunnel. The amount of elongation at the lower end of the tunnel can be rephrased as the amount of elongation at the end portion of the linear structure in the deformation direction.

次に、拘束されるひずみ量を算定する(ステップS106)。
拘束されるひずみ量は、次の式で算定することができる。

(拘束されるひずみ量)=(dl’-dl)/L
Next, the restrained strain amount is calculated (step S106).
The constrained strain amount can be calculated by the following formula.

(constrained strain amount) = (dl'-dl)/L

最後に、見かけの軸力を算定する(ステップS107)。
見かけの軸力は、例えば、次の方法で算定する。
Finally, the apparent axial force is calculated (step S107).
Apparent axial force is calculated, for example, by the following method.

まず、ひび割れ後のひずみ分布及び拘束されるひずみ量から、例えば以下のように、拘束後のひずみ量を算定する。

(拘束後のひずみ量)=(ひび割れ後のひずみの最大値)-(拘束されるひずみ量)

つまり、例えば、地下鉄トンネルの伸びが拘束されることから、沈下が最大となる箇所のトンネル下端のひずみ(2836μ)は、拘束されるひずみ量である677μ程度小さくなり、2160μとなるとする。なお、上記ひずみの値は、後述の実施例における値である。
First, from the strain distribution after cracking and the strain amount to be restrained, the strain amount after restraint is calculated, for example, as follows.

(strain amount after constraint) = (maximum strain after cracking) - (constrained strain amount)

That is, for example, since the extension of the subway tunnel is restricted, the strain at the bottom of the tunnel (2836μ) where the subsidence is maximum is reduced by about 677μ, which is the amount of strain to be restricted, to 2160μ. The above strain values are values in Examples described later.

次に、沈下最大地点付近の曲げ曲率(例えば5~20m範囲の平均)と、拘束後のひずみ量とから、中立軸位置を算定する。
例えば、トンネル中央付近の曲げ曲率4.52×10-7(1/mm)(中央付近の長さ10mの平均)とトンネル下端のひずみを2160μとすると、中立軸位置は1623mmとなる。
Next, the position of the neutral axis is calculated from the bending curvature near the maximum subsidence point (for example, average over a range of 5 to 20 m) and the amount of strain after restraint.
For example, if the bending curvature near the center of the tunnel is 4.52×10 −7 (1/mm) (average of the length of 10 m near the center) and the strain at the bottom end of the tunnel is 2160 μ, the neutral axis position is 1623 mm.

最後に、公知の終局曲げ耐力の算定方法により、中立軸位置(1623mm)、曲率(4.52×10-7(1/mm))となる軸力(35.7MN)を試算する。この軸力を「ひび割れによる見かけの軸力」とする。 Finally, the axial force (35.7 MN) at which the neutral axis position is (1623 mm) and the curvature is (4.52×10 −7 (1/mm)) is calculated by a known ultimate bending strength calculation method. This axial force is defined as "apparent axial force due to cracks".

<結果取得ステップ>
次に、(2)結果取得ステップについて説明する。
<Result acquisition step>
Next, the (2) result acquisition step will be described.

結果取得ステップは、以下のステップ1と2を含む。なお、構造モデル(有限要素モデル)は、図2に示すように、沈下地点Xを中心とする一部の範囲(例えば100m~300m)で作成する。
ステップ1:構造モデル両端から見かけの軸力相当の強制変位を与え、構造モデル全体に軸力を発生させる。
ステップ2:沈下による変位を強制変位として与える。
The result acquisition step includes steps 1 and 2 below. Note that the structural model (finite element model) is created in a partial range (for example, 100 m to 300 m) around the subsidence point X, as shown in FIG.
Step 1: Forced displacement corresponding to apparent axial force is applied from both ends of the structural model to generate axial force in the entire structural model.
Step 2: Give displacement due to subsidence as forced displacement.

沈下に相当する強制変位は、例えば、構造モデル下端(変状方向側端部)の各節点に与える。トンネル下端を鉛直固定、水平自由とする。また、ステップ2における強制変位は、分割(例えば30~70分割)して与えることが好ましい。 Forced displacement corresponding to subsidence is given to each node at the lower end of the structural model (end in the direction of deformation), for example. The bottom end of the tunnel is vertically fixed and horizontally free. Also, the forced displacement in step 2 is preferably divided (for example, divided into 30 to 70).

結果取得ステップにより、計算結果(例えば、ひずみ分布、コンター図、応力分布)を得る。 Calculation results (for example, strain distribution, contour map, stress distribution) are obtained by the result obtaining step.

本実施形態の構造計算方法によれば、地下鉄トンネルについて、精度の高い構造計算結果を得ることができる。つまり、図7に示すように、地下鉄トンネルに軸方向の外力が作用していないとして構造計算をする場合と比較して、精度のよい結果が得られる可能性が高い。 According to the structural calculation method of the present embodiment, highly accurate structural calculation results can be obtained for subway tunnels. In other words, as shown in FIG. 7, there is a high possibility that a more accurate result can be obtained than when structural calculation is performed assuming that no axial external force is acting on the subway tunnel.

〔補足説明〕
なお、上記実施形態は本発明の一実施形態であり、以下で説明するとおり、本発明は上記実施形態に限定されない。
〔supplementary explanation〕
In addition, the above-described embodiment is one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment as described below.

(線状構造物)
上記実施形態では、計算対象である「線状構造物」が、その軸方向に一定程度の連続性を有する構造の地下鉄トンネルである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、線状構造物は、軸方向に多数配列されたセグメントリングからなるトンネル(シールドトンネル)であってもよい。各セグメントリングの軸方向の長さは、例えば0.5~3メートル(より具体的には1~2メートル)である。なお、シールドトンネルでは、セグメントリング同士が継手ボルトで連結されている。
(linear structure)
In the above embodiment, an example was described in which the "linear structure" to be calculated is a subway tunnel having a certain degree of continuity in its axial direction, but the present invention is not limited to this. For example, the linear structure may be a tunnel (shield tunnel) composed of a large number of segment rings arranged in the axial direction. The axial length of each segment ring is, for example, 0.5 to 3 meters (more specifically 1 to 2 meters). In the shield tunnel, segment rings are connected to each other by joint bolts.

また、線状構造物は、変状により中立軸位置が変動する構造物、又は、変状により中立軸位置が変動するとみなせる構造物であればよい。シールドトンネルでは、リングが開くことにより中立軸位置が変動するとみなすことができる(図24参照)。 Further, the linear structure may be a structure whose neutral axis position changes due to deformation, or a structure whose neutral axis position can be considered to change due to deformation. In the shield tunnel, it can be considered that the neutral axis position fluctuates due to the opening of the ring (see FIG. 24).

図24に示すように、シールドトンネルは、沈下等の変状によりセグメントリングが開く。セグメントリングが開くことで、シールドトンネルの中立軸位置が変動すると考えることができる。つまり、線状構造物がシールドトンネルの場合、セグメントリングの開きが「中立軸位置変動要因」に相当する。なお、図24に示すように、シールドトンネルの沈下により、セグメントリングの上端付近は軸方向に若干圧縮され(矢印A)、セグメントリングの下部は開くことで軸方向に大きく伸長すると考えることができる(矢印B)。すなわち、セグメントリングの開きにより、1つのセグメントリング当たりの軸方向の長さが伸び、シールドトンネルが軸方向に伸長するといえる。したがって、セグメントリングとセグメントリングとの継手部分がひび割れ位置であり、継手ボルトが鉄筋とすれば、上記実施形態と同様に考えることができる。なお、図示のセグメントリングは断面円形のセグメントリングであるが、上記メカニズムの発生は、セグメントリングの断面形状が円形である場合に限定されない。 As shown in FIG. 24, the segment ring of the shield tunnel opens due to deformation such as subsidence. It can be considered that the neutral axis position of the shield tunnel changes due to the opening of the segment ring. That is, when the linear structure is a shield tunnel, the opening of the segment ring corresponds to the "neutral axis position fluctuation factor". As shown in FIG. 24, it can be considered that the vicinity of the upper end of the segment ring is slightly compressed in the axial direction (arrow A) due to the subsidence of the shield tunnel, and the lower part of the segment ring expands greatly in the axial direction by opening. (Arrow B). That is, it can be said that the opening of the segment rings extends the axial length of each segment ring, and the shield tunnel extends in the axial direction. Therefore, if the joint portion between the segment ring and the segment ring is the crack position and the joint bolt is a reinforcing bar, it can be considered in the same way as the above embodiment. Although the illustrated segment ring has a circular cross-section, the occurrence of the above mechanism is not limited to the case where the segment ring has a circular cross-section.

また、構造計算の対象となる線状構造物は、一例として、上記実施形態のような地中の線状構造物である。地中の線状構造物の場合、線状構造物が地中に埋まっていることにより、変状による中立軸位置変動が生じている範囲の伸長が軸方向の両側から拘束される。但し、線状構造物は、地中の構造物に限定されず、例えば橋梁であってもよい。橋梁の場合も、その構造によっては、橋梁の軸方向の両側が拘束されていると考えることができる。 Further, the linear structure to be subjected to the structural calculation is, for example, an underground linear structure as in the above embodiment. In the case of an underground linear structure, since the linear structure is buried in the ground, the extension of the range in which the position of the neutral axis is changed due to deformation is restrained from both sides in the axial direction. However, the linear structure is not limited to an underground structure, and may be, for example, a bridge. In the case of a bridge as well, depending on its structure, it can be considered that both axial sides of the bridge are constrained.

また、上記実施形態では、変状が沈下(つまり下方向の変状)である例を説明したが、本発明の「変状」は、沈下に限定されない。例えば、水平方向の変状であってもよい。水平方向の変状とは、線状構造物の軸方向の一部が水平方向に変位することを意味し、この場合、当該水平方向が変状方向に相当する。 Further, in the above embodiment, an example in which the deformation is subsidence (that is, deformation in the downward direction) has been described, but the "deformation" in the present invention is not limited to subsidence. For example, it may be a horizontal deformation. The horizontal deformation means that a part of the linear structure in the axial direction is displaced in the horizontal direction, and in this case, the horizontal direction corresponds to the deformation direction.

また、構造情報とは、線状構造物の構造を表す情報である。構造情報は、例えば、中立軸位置変動要因が生じる前と後との中立軸位置を得ることができる情報である。 Structural information is information representing the structure of a linear structure. Structural information is, for example, information that can obtain the neutral axis position before and after the neutral axis position fluctuation factor occurs.

また、変状情報とは、沈下等の変状を表す情報である。例えば、線状構造物の変状箇所を実際に調査することで変状情報を得ることができる。変状が地下鉄トンネルの沈下の場合、変状情報は、例えば、トンネル下端の沈下変位である。この場合、変状情報は、線状構造物の変状方向側端部の変位量と言い換えることができる。 Further, the deformation information is information representing deformation such as subsidence. For example, deformation information can be obtained by actually investigating the deformation locations of the linear structure. If the deformation is subsidence of a subway tunnel, the deformation information is, for example, the subsidence displacement of the bottom end of the tunnel. In this case, the deformation information can be rephrased as the displacement amount of the end portion of the linear structure on the deformation direction side.

また、上記実施形態では、結果取得ステップで用いる構造情報が有限要素モデルである例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、はり部材による構造モデルであってもよい。 In the above embodiment, the structural information used in the result acquisition step is a finite element model, but the present invention is not limited to this, and may be a structural model using beams, for example.

また、上記実施形態では、ステップ1において、構造モデル両端から見かけの軸力相当の強制変位を与えることで、構造モデル全体に軸力を発生させていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、見かけの軸力相当の変位を初期値として与えてもよい。また例えば、見かけの軸力に相当する荷重を与えることで、構造モデル全体に軸力を発生させてもよい。 Further, in the above embodiment, in step 1, an axial force is generated in the entire structural model by applying forced displacement corresponding to the apparent axial force from both ends of the structural model, but the present invention is not limited to this. For example, the displacement corresponding to the apparent axial force may be given as the initial value. Further, for example, an axial force may be generated in the entire structural model by applying a load corresponding to the apparent axial force.

また、上記実施形態では、ステップ2において、沈下による変位を強制変位として与えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ステップ2は、沈下による変位を荷重で与える方法(応答変位)によって行ってもよい。 Further, in the above-described embodiment, in step 2, displacement due to subsidence is given as forced displacement, but the present invention is not limited to this. For example, step 2 may be performed by a method of applying a displacement due to subsidence with a load (response displacement).

〔構造計算プログラム〕
本発明の構造計算方法を用いた構造計算は、プログラムを用いて自動的に行わせることもできる。
[Structural calculation program]
Structural calculation using the structural calculation method of the present invention can also be automatically performed using a program.

すなわち、本開示により、軸力算出ステップを行うための軸力算出手段と、結果取得ステップを行うための結果取得手段と、を備える情報処理装置(構造計算装置100)としてコンピュータを機能させるための構造計算プログラムが提供される。この構造計算プログラムは、軸力算出ステップと、結果取得ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムと言い換えることもできる。 That is, according to the present disclosure, an information processing device (structural calculation device 100) including axial force calculation means for performing the axial force calculation step and result acquisition means for performing the result acquisition step for causing a computer to function A structural calculation program is provided. This structural calculation program can also be rephrased as a program for causing a computer to execute an axial force calculation step and a result acquisition step.

また、この構造計算プログラムをコンピュータにインストールすることで、図23に示すように、軸力算出ステップを行うための軸力算出手段20と、結果取得ステップを行うための結果取得手段30と、を備える構造計算装置100を得ることができる。構造計算装置100は、CPUと、RAMと、前述の構造計算プログラムや各種データを記憶したROMと、を含むコンピュータで構成することが出来る。 Also, by installing this structural calculation program in a computer, as shown in FIG. A structure calculation device 100 can be obtained comprising: The structural calculation device 100 can be configured by a computer including a CPU, a RAM, and a ROM that stores the aforementioned structural calculation program and various data.

以下、本発明者が行った検討を実施例として開示する。
但し、本発明は、以下の実施例に限定されない。例えば、本実施例では擬似3次元モデルにより実構造を精度よく再現できたことを確認しているが、本発明の課題を解決するために、擬似3次元モデルを用いることは必須ではない。既に説明した「見かけの軸力」を算定し、構造計算において考慮することで本発明の課題は解決する。
The studies conducted by the present inventors will be disclosed as examples below.
However, the present invention is not limited to the following examples. For example, in this embodiment, it was confirmed that the real structure could be reproduced with high accuracy using the pseudo three-dimensional model. The problem of the present invention is solved by calculating the already explained "apparent axial force" and considering it in the structural calculation.

(要約)
地下鉄開削トンネルの軸方向の一部に沈下が生じている構造に対して、合理的な耐荷性能の評価方法の研究を行った。
トンネルの変状状況を分析した結果、トンネル軸方向に軸力が作用している傾向が得られた。トンネル軸方向の軸力が発生するメカニズムは、ひび割れ発生により中立軸位置やひずみ分布の変化がトンネル軸方向に拘束されるためであり、本研究でひび割れによる見かけの軸力の算定方法を定式化した。算定したひび割れによる見かけの軸力、トンネル構造を擬似3次元でモデル化することで、既設構造で計測されたひび割れ状況やひずみの傾向を良好に再現することができた。また、トンネルの耐荷性能の照査として性能照査型設計法の考え方を導入し、本研究の構造計算手法に対応した合理的な耐荷性能の評価を実施した。
(wrap up)
A rational evaluation method for the load-bearing performance of a subway cut-and-cut tunnel with partial subsidence in the axial direction was studied.
As a result of analyzing the deformation of the tunnel, it was found that the axial force acts in the direction of the tunnel axis. The mechanism by which the axial force is generated in the tunnel axial direction is that the changes in the neutral axis position and strain distribution are constrained in the tunnel axial direction by the occurrence of cracks. did. By modeling the calculated apparent axial force due to cracks and the tunnel structure in pseudo 3D, we were able to reproduce the cracks and strain tendencies measured in the existing structure. In addition, we introduced the concept of the performance check type design method to check the load-bearing performance of the tunnel, and evaluated the rational load-bearing performance corresponding to the structural calculation method of this research.

1.研究目的
近年、変状要因は様々であるが、適切な維持管理を必要とする構造物が年々増加する傾向にある。地下鉄の軌道内における通常の維持管理や工事などの作業は、鉄道の運行が終了している夜間が主となり、最長でも1日3時間程度に限定され、施工などの対策費用も高額となる傾向にある。これより、補強工事などの対策は、作業性が良好な軽構造であることが望まれる。
地下鉄トンネルなどの線状の地中構造物は、近接施工や地盤沈下などの影響により、一部に沈下などの変状が生じることがある。このような場合、通常、建設時の設計法である「許容応力度設計法」により、耐荷性能や補強などの対策が行われることが多い。
ここで、「許容応力度法」は、構造物の種類や状況などにかかわらず、安全性などを材料特性に一定の余裕を考慮した「許容応力度」により評価する方法となっている。また、設計時に予期していない変状が生じることで、許容応力度を超過する事例も報告されている。
既設構造の変状の対策を、許容応力度設計法により実施すると、重構造となる傾向にあり、トンネル内の建築限界の制限などからも採用可能な構造や工法が限定されることが多い。
一方、構造物の変状状況などによっては、許容応力度を超過しても、構造物の使用性に支障がない場合も考えられる。今後、維持管理が必要な構造物が増加することが想定されることから、構造物の状況に応じた合理的な評価や対策が必要となっている。
1. Purpose of Research In recent years, although there are various causes of deformation, the number of structures that require proper maintenance has been increasing year by year. Regular work such as maintenance and construction work on the subway tracks is mainly done at night when the railway service is finished, and is limited to about 3 hours a day at maximum, and the cost of countermeasures such as construction tends to be high. It is in. For this reason, measures such as reinforcement work are desired to have a light structure with good workability.
Line-shaped underground structures such as subway tunnels may partially undergo deformation such as subsidence due to the effects of adjacent construction or ground subsidence. In such cases, countermeasures such as load-bearing performance and reinforcement are often taken according to the "allowable stress design method", which is a design method at the time of construction.
Here, the "allowable stress method" is a method of evaluating safety, etc., based on the "allowable stress", which considers a certain margin in the material properties, regardless of the type or condition of the structure. There have also been reports of cases in which the allowable stress level is exceeded due to unexpected deformation during design.
If the allowable stress design method is used to deal with the deformation of existing structures, it tends to become a multi-layered structure.
On the other hand, depending on the state of deformation of the structure, even if the allowable stress level is exceeded, there may be cases where the usability of the structure is not hindered. Since it is expected that the number of structures requiring maintenance will increase in the future, rational evaluation and countermeasures according to the situation of structures will be required.

そこで、本研究は、トンネル軸方向の一部に沈下による変状が生じている地下鉄トンネルの耐荷性能の合理的な評価を目的とし、既設トンネルを事例とし、以下の検討を行った。 Therefore, in this study, the following investigations were carried out, taking an existing tunnel as an example, for the purpose of rationally evaluating the load-bearing performance of a subway tunnel, which is partially deformed due to subsidence in the tunnel axial direction.

・トンネル軸方向の変状のメカニズムの解明
トンネルの耐荷性能を合理的に評価するためには、トンネルの変状状況を精度良く再現することが必要となる。そこで、トンネル軸方向の変状や応力状態に関する調査結果などから、変状のメカニズムの解明を行い、設計への導入方法について検討する。
・Elucidation of the mechanism of deformation in the axial direction of the tunnel In order to rationally evaluate the load-bearing performance of a tunnel, it is necessary to accurately reproduce the deformation of the tunnel. Therefore, we will clarify the mechanism of deformation from the results of investigation on deformation in the tunnel axial direction and stress state, and examine how to introduce it to the design.

・トンネル軸方向の耐荷性能の合理的な評価方法の検討
耐荷性能の照査を行うため、トンネル構造の特性を考慮し、トンネルに発生している変状状況を精度よく再現できる構造計算手法やモデルについて検討した。
また、近年、各種構造の設計法として「性能照査型設計法」の導入が行われており、維持管理でも性能照査型設計法の考え方により検討されている事例が見られる。そこで、耐荷性能を合理的に評価するため、「性能照査型設計法」の考え方による耐荷性能の評価方法について検討した。
・Examination of rational evaluation methods for load-bearing performance in the axial direction of tunnels In order to verify load-bearing performance, structural calculation methods and models that can accurately reproduce deformation conditions occurring in tunnels, taking into consideration the characteristics of the tunnel structure was considered.
In recent years, the "performance-based design method" has been introduced as a design method for various structures. Therefore, in order to rationally evaluate the load-bearing performance, we investigated the evaluation method of the load-bearing performance based on the concept of "performance check type design method".

2.検討事例のトンネルの概要
(1) 検討事例のトンネル構造の概要
検討事例としたトンネルの概要を図8に示す。トンネルは、経年50年程度で、開削工法により施工されている1層2径間の鉄筋コンクリート構造である。トンネル横断面方向の寸法は、幅8.8m、高さ6.5m、側壁および下床版の厚さ470mm、上床版の厚さ410mm、中壁の厚さ450mmとなっている。中壁には、待避や信号設備設置のため、部分的に開口部が設けられている。
対象トンネルの亘長は約1kmで、大部分のトンネルは軟弱な粘性土地盤(下部有楽町層)に位置し、軟弱粘性土はトンネル下方にも厚く堆積している。軟弱粘性土地盤の下方は、シルト層(七号地層)、砂レキ層(埋没段丘)、江戸川層などから構成されている。
2. Overview of the tunnel in the study case
(1) Overview of the tunnel structure of the study case Fig. 8 shows the outline of the tunnel used as the study case. The tunnel is about 50 years old and is a reinforced concrete structure with one layer and two spans constructed by the open-cut method. The dimensions in the cross-sectional direction of the tunnel are 8.8 m in width, 6.5 m in height, 470 mm in thickness of the side walls and lower floor slab, 410 mm in thickness of the upper floor slab, and 450 mm in thickness of the middle wall. The middle wall has a partial opening for evacuation and signal equipment installation.
The length of the target tunnel is about 1 km, and most of the tunnel is located on soft cohesive soil (lower Yurakucho layer), and soft cohesive soil is also deposited thickly below the tunnel. Below the soft and viscous ground, there are silt layer (Nana No. 7 stratum), sand gravel layer (buried terrace), Edogawa layer, etc.

(2) 検討事例のトンネル変状状況の概要
検討事例としたトンネルでは、図8に示すように地点Aと地点Bの2箇所で大きな沈下が発生していた。計測された沈下量の最大は、地点Bで177mmとなっていた。さらに、沈下が大きい箇所のトンネル内面には図9に示すように、多数のひび割れが確認されている。側壁のひび割れはトンネル横断面方向が多く、トンネル沈下の曲げによると見られる。中壁のひび割れは、斜め方向ひび割れが多く見られ、せん断によるものと考えられる。
(2) Overview of the Tunnel Deformation Situation in the Case Study In the tunnel that was the case study, as shown in Figure 8, two points, point A and point B, were experiencing significant subsidence. The maximum amount of subsidence measured was 177 mm at Point B. Furthermore, as shown in FIG. 9, many cracks were confirmed on the inner surface of the tunnel where the subsidence was large. Most of the cracks in the side walls are in the cross-sectional direction of the tunnel, which is considered to be due to the bending of the tunnel subsidence. Most of the cracks in the inner walls are oblique cracks, which are thought to be caused by shearing.

これらの変状に対して、トンネルの沈下量の継続的な計測など、様々な調査、監視を行い、軌道レールの厳格な管理や対策を実施し、電車の走行安全性などを十分確保していた。また、調査や計測の結果から、以下の結果が得られていた。
・変状の要因は、検討事例のトンネル下方で施工されたシールド工事の影響と想定される。
・変状は、シールド工事終了後も10年以上継続している傾向が見られる。これは、トンネル下方の軟弱粘性土地盤の二次圧密によるものと考えられ、変状の進行の程度は減少するが、今後も継続することが想定される。
・トンネル軸方向の耐荷性能を、はり部材とした構造モデルにより照査を行ったところ、鉄筋の応力度が許容応力度を大幅に超過し、降伏応力度も超過する結果となった。
・トンネル軸方向の耐荷性能の評価に「性能照査型設計」の考えを導入し、トンネルは地盤で支持されていることを考慮して再評価したところ、曲げに対しては安全性を満足しているが、せん断は耐荷性能の評価方法などに課題があり、合理的な評価ができていない。せん断は、脆性的な破壊となるため、変状メカニズムの解明や耐荷性能の再評価などが課題となっていた。
In response to these deformations, various investigations and monitoring, such as continuous measurement of the amount of subsidence in tunnels, are being carried out, strict management and countermeasures are being implemented for track rails, and the safety of trains is being sufficiently ensured. rice field. In addition, the following results were obtained from the results of surveys and measurements.
・The cause of the deformation is assumed to be the effect of the shield construction constructed below the tunnel in the case study.
・Deformation tended to continue for more than 10 years after completion of shield construction. This is thought to be due to the secondary consolidation of the soft, viscous soil under the tunnel, and although the degree of progress of deformation will decrease, it is expected to continue in the future.
・When the load-bearing performance in the axial direction of the tunnel was examined using a structural model using beam members, the stress level of the rebar greatly exceeded the allowable stress level, and the yield stress level also exceeded.
・Introduced the concept of "performance check type design" into the evaluation of the load bearing performance in the axial direction of the tunnel. However, shear cannot be evaluated rationally due to issues such as evaluation methods for load-bearing performance. Shear causes brittle fracture, so elucidation of the deformation mechanism and re-evaluation of load-bearing performance have been issues.

3.トンネル軸方向の変状メカニズムの検討
(1) トンネル軸方向のひずみの調査
a) 調査の方法
検討事例のトンネルは、2箇所で大きな沈下が生じ、多くのひび割れが発生していた。トンネル軸方向の沈下の形状から、沈下の中心付近のトンネルには、曲げによる大きな応力やひずみが発生していると考えられた。
そこで、構造計算のモデル化や再現性などを検討するため、トンネル軸方向のひずみをトンネル高さ方向の位置を変えて調査を実施した。ひずみの調査は、鉄筋にひずみゲージを設置して切断し、変動したひずみ量から発生していたひずみ量を計測する「応力解放法」により実施した。調査はトンネル軸方向で沈下が最も大きい地点Bで実施した。調査にあたり、トンネル横断面を鉄筋コンクリート断面とし、沈下による鉄筋のひずみを試算したところ、トンネル下部は降伏応力度を超過し塑性化していることが想定されたため、トンネル上部を調査箇所として実施した。
3. Investigation of deformation mechanism in tunnel axial direction
(1) Investigation of strain in the axial direction of the tunnel a) Investigation method The tunnel in the case study had large subsidence at two locations and many cracks. From the shape of the subsidence in the tunnel axial direction, it was thought that large stress and strain due to bending occurred in the tunnel near the center of the subsidence.
Therefore, in order to examine modeling and reproducibility of structural calculation, the strain in the tunnel axis direction was investigated by changing the position in the tunnel height direction. Investigation of the strain was carried out by the "stress release method", in which a strain gauge was installed on the reinforcing bar, the strain was cut, and the amount of strain generated from the fluctuating strain amount was measured. The survey was conducted at point B where the subsidence is the largest in the direction of the tunnel axis. In conducting the survey, the cross section of the tunnel was assumed to be a reinforced concrete cross section, and the distortion of the reinforcing bars due to subsidence was estimated.

b) 調査の結果
鉄筋のひずみの調査結果をトンネル高さ方向の調査位置との関係として整理したのが図10である。
ひずみの分布から、トンネル軸方向にはトンネル上部が圧縮となる曲げ発生した状態と考えられる。この結果を一次近似すると、中立軸位置がトンネル外縁から2423mmの位置となり、トンネル下部付近は鉄筋の設計降伏ひずみ程度となった。
b) Investigation results Fig. 10 shows the relationship between the investigation results of reinforcing bar strain and the investigation position in the height direction of the tunnel.
From the distribution of strain, it is considered that the upper part of the tunnel is compressed in the direction of the tunnel axis. A first-order approximation of this result indicates that the neutral axis position is 2423 mm from the outer edge of the tunnel, and the vicinity of the bottom of the tunnel is about the design yield strain of the reinforcing steel.

(2) トンネル高さ方向のひずみ分布の分析
トンネル横断面方向に対して、トンネル軸方向の軸力を0とした場合のひび割れ曲げ耐力および鉄筋の降伏曲げ耐力時のひずみ分布を図10に追記した。ここで、ひび割れ曲げ耐力は、コンクリートを全断面有効として算定した。鉄筋の降伏曲げ耐力は、図11に示すように軸方向鉄筋を主鉄筋とし、コンクリートの引張りを無視した鉄筋コンクリート断面として算定した。
この結果、ひび割れ曲げ耐力および降伏曲げ耐力時のひずみ分布の計算結果は、調査結果と大きく異なる傾向となっていた。
調査結果のひずみ分布の勾配は曲げ曲率に相当する。そこで、沈下の形状から得られる調査箇所付近の曲げ曲率(2.1×10-7~4.9×10-71/mm)と調査結果のひずみの勾配(2.9×10-71/mm)は、同程度となっていた。
これより、調査結果と計算結果のひずみ分布の傾向が大きく異なるのは、中立軸位置が大きく異なるためと考えられた。
(2) Analysis of strain distribution in the tunnel height direction Fig. 10 shows the strain distribution at the time of the crack bending strength and the yield bending strength of the reinforcing bars when the axial force in the tunnel axial direction is 0 with respect to the tunnel cross-sectional direction. did. Here, the crack bending strength was calculated assuming that the entire section of concrete is effective. As shown in Fig. 11, the bending yield strength of the reinforcement was calculated as a cross section of reinforced concrete with the axial reinforcement as the main reinforcement and ignoring the tensile strength of the concrete.
As a result, the calculation results of strain distribution at crack bending strength and yield bending strength tended to differ greatly from the investigation results.
The slope of the strain distribution in the investigation results corresponds to the bending curvature. Therefore, the bending curvature (2.1 × 10 -7 to 4.9 × 10 -7 1/mm) near the investigation location obtained from the subsidence shape and the strain gradient (2.9 × 10 -7 1 /mm) were about the same.
From this, it is considered that the difference in the tendency of the strain distribution between the survey results and the calculation results is due to the large difference in the position of the neutral axis.

中立軸位置に着目すると、調査結果は、計算値に対して下方に位置する傾向となっている。この要因として考えられるのは、トンネル軸方向に圧縮軸力が作用している状態があげられる。しかし、中立軸位置が調査結果と同等となるようなトンネル軸方向に圧縮力を作用させるような近接施工などの要因は見当たらなかった。
このため、中立軸位置は、トンネルの沈下に伴い、トンネル構造内の力の釣り合いなどの影響により変動していることが考えられた。
そこで、中立軸位置が変動するメカニズムについて、仮説による試算を行い、計測結果との対比による検証を実施した。
Focusing on the position of the neutral axis, the survey results tend to be positioned below the calculated values. A possible reason for this is the state in which a compressive axial force is acting in the axial direction of the tunnel. However, we could not find any factors such as close construction that exerted compressive force in the direction of the tunnel axis so that the neutral axis position would be the same as the survey results.
Therefore, it is thought that the position of the neutral axis fluctuates due to the effects of the balance of forces within the tunnel structure as the tunnel subsides.
Therefore, we performed trial calculations based on hypotheses regarding the mechanism by which the neutral axis position fluctuates, and conducted verification by comparing with measurement results.

(3) 中立軸位置が変動するメカニズムの検討
中立軸位置が変動するメカニズムとして、鉄筋コンクリート断面は、ひび割れが発生すると、中立軸位置が変動し、トンネル高さ方向のひずみ分布も変化することに着目した。
検討対象のトンネルの高さは6400mmとなっている。曲げが発生した場合、ひび割れが発生しない程度の曲率では、コンクリートの引張りも剛性に寄与し、中立軸位置は断面上端からトンネル高さの約1/2となる3339mmと計算される。一方、ひび割れ発生後の中立軸位置は、コンクリートの引張りを無視した鉄筋コンクリート断面で計算すると637mmとなる。これらはいずれも軸力を0とした場合の計算値である。
これより、トンネル軸方向位置のひび割れの有無による中立軸位置やひずみ分布の差異のイメージを示したのが図12である。
(3) Investigation of the mechanism by which the neutral axis position fluctuates As a mechanism by which the neutral axis position fluctuates, we focused on the fact that when a crack occurs in a reinforced concrete cross section, the neutral axis position fluctuates and the strain distribution in the tunnel height direction also changes. did.
The height of the considered tunnel is 6400 mm. When bending occurs, the tension of the concrete also contributes to the rigidity at a curvature that does not cause cracking, and the neutral axis position is calculated to be 3339 mm, which is about 1/2 of the tunnel height from the top of the cross section. On the other hand, the position of the neutral axis after the occurrence of cracks is 637 mm when calculated with a cross section of reinforced concrete ignoring the tension of the concrete. All of these are calculated values when the axial force is set to 0.
From this, FIG. 12 shows an image of the difference in the neutral axis position and strain distribution depending on the presence or absence of cracks in the tunnel axis direction position.

トンネルの沈下が小さく、ひび割れが発生していない場合、中立軸位置はトンネル高さ方向の中心付近にあり、トンネル軸方向で差異はない。この時、トンネル高さ方向の引張り応力度と圧縮応力度は釣り合った状態であり、トンネル軸方向の外力も作用していないため、軸力は0の状態となっている。
これに対し、沈下が大きくなり、沈下中心付近でひび割れが発生する状態となると、中立軸位置は上端付近に変動する。曲げ曲率は変化しないため、中立軸位置が変動することで、トンネル高さ方向のひずみ分布は、全体的に引張り側に変動し、ひび割れ箇所はトンネル軸方向に伸びる挙動を示すことになる。しかし、トンネルは、軸方向に連続した構造であり、沈下がなくひび割れが生じていない箇所では、トンネル軸方向に伸縮などの挙動を生じない。このため、沈下箇所でひび割れに伴うトンネル軸方向の伸張は、沈下が生じていないトンネル軸方向の両端から拘束され、トンネル沈下箇所が伸張することができない状態となる。これがトンネル軸方向の軸力のように作用し、中立軸位置が変動し、計算値に対して計測値の中立軸位置が下方に位置する結果が得られたと想定した。
When the tunnel subsidence is small and cracks do not occur, the neutral axis position is near the center in the tunnel height direction, and there is no difference in the tunnel axis direction. At this time, the tensile stress degree and the compressive stress degree in the tunnel height direction are in a balanced state, and since no external force is acting in the tunnel axial direction, the axial force is zero.
On the other hand, when the subsidence becomes large and cracks occur near the subsidence center, the neutral axis position fluctuates near the upper end. Since the bending curvature does not change, the strain distribution in the tunnel height direction fluctuates in the tension direction as a whole due to the change in the neutral axis position, and the cracks show behavior that extends in the tunnel axis direction. However, the tunnel is a continuous structure in the axial direction, and in places where there is no subsidence and no cracks, behavior such as expansion and contraction does not occur in the axial direction of the tunnel. Therefore, expansion in the axial direction of the tunnel due to cracking at the subsidence point is restrained from both axial ends of the tunnel where subsidence does not occur, and the subsidence point of the tunnel cannot be expanded. It was assumed that this acted like an axial force in the direction of the tunnel axis, the neutral axis position fluctuated, and the neutral axis position of the measured value was positioned lower than the calculated value.

本研究で想定した軸力は、トンネル外部から作用しているものではない。このため、本研究では、「ひび割れによる見かけの軸力」と呼ぶこととした。 The axial force assumed in this study does not act from outside the tunnel. Therefore, in this research, we decided to call it "apparent axial force due to cracks".

(4) ひび割れによる見かけの軸力の試算
ひび割れによる見かけの軸力は、先のメカニズムから、次のように算定した。なお、試算は沈下が大きい地点Bを対象とし、調査時の沈下量184mmに対する曲げ曲率を用いた。
(4) Trial calculation of apparent axial force due to cracks The apparent axial force due to cracks was calculated as follows from the above mechanism. Note that the trial calculation was made for point B, where the subsidence is large, and the bending curvature for the subsidence amount of 184 mm at the time of the survey was used.

・曲げの範囲の設定
見かけの軸力は、トンネル下端が引張りとなる範囲を対象として算定する。試算対象とした地点Bで、トンネル下端が引張りとなる範囲は、曲率が正となる範囲と同等となり、40mとなった。
・Bending range setting Apparent axial force is calculated for the range in which the bottom end of the tunnel is in tension. At point B, which was the target of the trial calculation, the range in which the lower end of the tunnel is in tension is equivalent to the range in which the curvature is positive, which is 40 m.

・中立軸位置およびひずみ分布の算定
トンネル高さ方向のひずみ分布は、中立軸位置を0とし、トンネル沈下形状から算定される曲率に比例するとして次式により算定する。

ε=φ・z (2)

ここで、ε:算定位置でのひずみ量、φ:曲率、z:中立軸位置からのひずみの算定位置
・Calculation of neutral axis position and strain distribution The strain distribution in the tunnel height direction is calculated by the following formula, assuming that the neutral axis position is 0 and that it is proportional to the curvature calculated from the tunnel subsidence shape.

ε=φ・z (2)

where, ε: strain amount at the calculated position, φ: curvature, z: calculated position of strain from the neutral axis position

ひび割れがない場合は、全断面有効として計算する。このとき、中立軸位置は、トンネル上端から3339mmとなる。先のトンネル下端が引張りとなる範囲内について、トンネル沈下形状から計算されるトンネル軸方向位置の各曲率よりトンネル下端のひずみを算定すると、-58μ~-1506μ(圧縮を正)となった。 If there are no cracks, calculate assuming that the entire section is valid. At this time, the neutral axis position is 3339 mm from the top end of the tunnel. In the range where the lower end of the tunnel is in tension, the strain at the lower end of the tunnel was calculated from the curvature of the tunnel axial position calculated from the tunnel subsidence shape, and it was -58μ to -1506μ (compression is positive).

次にひび割れ箇所は、図11に示した鉄筋コンクリート断面として計算する。これより、中立軸位置は、トンネル上端から637mmと算定される。中立軸位置とトンネル沈下による曲率から、トンネル下端にひび割れが発生する範囲のトンネル下端のひずみを算定すると-517μ~-2836μとなった。
これらをトンネル軸方向位置との関係として整理したのが図13である。
Next, the crack location is calculated as the cross section of the reinforced concrete shown in FIG. From this, the neutral axis position is calculated to be 637 mm from the top of the tunnel. From the neutral axis position and the curvature due to tunnel subsidence, the strain at the bottom of the tunnel in the range where cracks occur at the bottom of the tunnel was calculated to be -517μ to -2836μ.
FIG. 13 summarizes these as a relationship with the axial position of the tunnel.

・拘束されるひずみ量の算定
先に算定したトンネル下端のひずみと構造計算の要素の長さから、トンネル下端の伸び量は次式で算定される。

dl=Σεi・li (3)

ここで、dl:トンネル下端の伸び量、ε:トンネル下端のひずみ量の計算値、l:ひずみ量を算定した要素の長さ
・Calculation of constrained strain amount From the previously calculated strain at the bottom of the tunnel and the length of the structural calculation element, the amount of elongation at the bottom of the tunnel is calculated by the following formula.

dl = Σε i · l i (3)

where, dl: elongation amount at the bottom end of the tunnel, ε i : calculated value of the strain amount at the bottom end of the tunnel, l i : length of the element for which the strain amount was calculated

トンネル下端の伸び量をトンネル下端が引張りとなる範囲の40mについて算定すると、ひび割れ発生前のひずみの計算値を用いた場合が30.7mm、ひび割れ発生後のひずみの計算値を用いた場合が57.8mmとなる。
この差が、ひび割れ発生後に拘束される伸び量となり、トンネル全体が拘束されるひずみは次式で算定される。

拘束されるひずみ量=(57.8mm-30.7mm)/40m=677μ (4)
When the amount of elongation at the bottom of the tunnel is calculated for 40 m, which is the range where the bottom of the tunnel is in tension, it is 30.7 mm when using the calculated strain value before cracking, and 57 mm when using the calculated strain value after cracking. .8 mm.
This difference is the amount of elongation that is constrained after cracking occurs, and the strain that constrains the entire tunnel is calculated by the following equation.

Constrained strain amount = (57.8mm-30.7mm) / 40m = 677μ (4)

・見かけの軸力の算定
トンネルの伸びが拘束されることから、沈下が最大となる箇所のトンネル下端のひずみ(2836μ)は、677μ程度小さくなり、2160μとなる。トンネル中央付近の曲げ曲率4.52×10-7(1/mm)(中央付近の長さ10mの平均)とトンネル下端のひずみを2160μとすると、中立軸位置は1623mmとなる。
ひずみの分布から、トンネル下端付近の鉄筋は降伏応力以上となる。そこで、終局曲げ耐力の算定方法(土木学会:2016年制定 トンネル標準示方・同解説 開削工法編、P.55、2016)により、中立軸位置を1623mm、曲率を4.52×10-7(1/mm)となる軸力を試算すると35.7MN程度となった。これがひび割れによる見かけの軸力の計算値となる。
・Calculation of apparent axial force Since the elongation of the tunnel is constrained, the strain at the bottom of the tunnel (2836μ) where the subsidence is maximum is reduced by about 677μ to 2160μ. Assuming that the bending curvature near the center of the tunnel is 4.52×10 −7 (1/mm) (average of the length of 10 m near the center) and the strain at the bottom end of the tunnel is 2160 μm, the neutral axis position is 1623 mm.
From the distribution of strain, the reinforcing bars near the bottom of the tunnel are above the yield stress. Therefore, according to the calculation method of the ultimate bending strength (Japan Society of Civil Engineers: Tunnel Standard Designation and Commentary, Open Cut Construction Method, P.55, 2016, established in 2016), the neutral axis position is 1623 mm and the curvature is 4.52 × 10 -7 (1 /mm) was estimated to be about 35.7 MN. This is the calculated value of the apparent axial force due to cracking.

(5) ひび割れによる見かけの軸力の試算結果と調査結果との比較
算出されたひび割れによる見かけの軸力を考慮して算定したトンネル高さ方向のひずみ分布とひずみの調査結果を比較したのが図14である。
これより、軸力を考慮しない従来の算定方法では、計算と調査結果が整合しない結果となっている。一方、見かけの軸力を考慮すると、計算値は、計測値に近くなる傾向を示す。これより、本研究で想定したメカニズムは妥当であると考えられる。
なお、本検討で想定した見かけの軸力は、部材の厚さが小さくなると、軸力も小さくなり、部材厚さによっては無視できる値になると考えられる。また、軸方向の耐荷性能に軸力を考慮することは、引張り側のひずみを小さく評価することになる。このため、ひび割れによる見かけの軸力の考慮は、危険側の評価となる可能性があることに注意が必要となる。
(5) Comparison between trial calculation results of apparent axial force due to cracks and survey results The strain distribution in the tunnel height direction, which was calculated taking into account the calculated apparent axial force due to cracks, was compared with the strain survey results. FIG. 14 .
As a result, the conventional calculation method that does not consider the axial force gives a result of inconsistency between the calculation and the survey results. On the other hand, considering the apparent axial force, the calculated values tend to be closer to the measured values. From this, it is considered that the mechanism assumed in this study is appropriate.
It should be noted that the apparent axial force assumed in this study decreases as the thickness of the member becomes smaller, and is considered to be a negligible value depending on the thickness of the member. Also, considering the axial force in the load bearing performance in the axial direction results in underestimating the strain on the tension side. Therefore, it should be noted that consideration of the apparent axial force due to cracks may result in a risky evaluation.

4. トンネルの耐荷性能の評価
(1) トンネル軸方向の構造計算モデルの検討
既往の検討では、トンネル軸方向の構造を簡易なはり部材によりモデル化し検討していた。しかし、はり部材でのモデル化は、ひび割れ状況を再現できないなど、課題が見られた。
このため、トンネルの変状を精度良く再現できる構造計算モデルの検討を行った。
検討対象のトンネル構造やひび割れ状況などから、構造計算を3次元でモデル化することも想定される。しかし、近年、3次元計算の適用事例は増えているが、2次元に比べ、取り扱いが煩雑で、設計費などが高くなる傾向にある。さらに、耐荷性能を満足しない結果が得られた場合、補強などの設計を行う必要があり、耐荷性能評価と同様の手法で設計できることが望ましい。
これらを考慮し、本研究では、2次元の鉄筋コンクリート構造計算コードのWCOMDを用いた擬似3次元モデルを採用し、耐荷性能の評価を行うこととした。
構造計算は、以下のようにモデル化した(図15参照)。
4. Evaluation of tunnel load-bearing performance
(1) Investigation of a structural calculation model for the tunnel axis direction In previous studies, the structure in the tunnel axis direction was modeled using simple beam members. However, modeling with beam members had problems such as the inability to reproduce cracks.
Therefore, we investigated a structural calculation model that can accurately reproduce the deformation of the tunnel.
Based on the tunnel structure and crack conditions to be examined, it is also assumed that structural calculations will be modeled in three dimensions. In recent years, however, three-dimensional calculations are being applied more and more, but compared to two-dimensional calculations, they tend to be more complicated to handle and more expensive to design. Furthermore, if a result that does not satisfy the load-bearing performance is obtained, it is necessary to carry out a design such as reinforcement, and it is desirable that the design can be carried out by the same method as the load-bearing performance evaluation.
Taking these into consideration, in this study, we adopted a pseudo-three-dimensional model using WCOMD, a two-dimensional reinforced concrete structure calculation code, to evaluate load-bearing performance.
Structural calculations were modeled as follows (see Figure 15).

・鉄筋コンクリート構造のモデル化
鉄筋コンクリート構造は、WCOMDの分散ひび割れモデルによる構成則を用いた。
・形状のモデル化
トンネル軸方向を横からみた状態に対して、側壁と中壁をそれぞれ平面要素でモデル化する。中壁には、待避口の形状を再現する。側壁と中壁は、同一平面上にそれぞれ独立させた要素(オーバーラッピング要素)でモデル化し、それぞれの壁厚や鉄筋量に応じた剛性を与える。
頂版と底版は、トンネル幅方向に対して同一要素とし、トンネル幅を考慮した部材厚および鉄筋量による剛性としてモデル化する。
・側壁と中壁の相互作用のモデル化
側壁と中壁は、頂版および底版で結合された構造となる。そこで、頂版要素の下端と側壁および中壁要素の上端の節点を共有させる。同様に底版要素の上端と側壁および中壁要素の下端の節点も共有させる。
これより、トンネル軸方向の変状に対して、頂版、底版、側壁、中壁が、それぞれの剛性や形状に応じた変状や相互作用を考慮した結果が得られることを期待した。
・Modeling of Reinforced Concrete Structure For the reinforced concrete structure, the constitutive law based on the distributed crack model of WCOMD was used.
・Modeling of the shape Side walls and inner walls are modeled with plane elements when viewed from the side in the direction of the tunnel axis. The middle wall reproduces the shape of the exit. The side wall and the inner wall are modeled with independent elements (overlapping elements) on the same plane, and the rigidity is given according to the wall thickness and the amount of reinforcing bars.
The top slab and the bottom slab are modeled as the same element in the tunnel width direction, and the stiffness is modeled by the member thickness and the amount of reinforcing bars considering the tunnel width.
・Modeling of the interaction between the side wall and the middle wall The side wall and the middle wall are connected by the top plate and the bottom plate. Therefore, the nodes of the lower end of the top plate element and the upper ends of the side walls and inner wall elements are shared. Similarly, the nodes of the upper end of the bottom plate element and the lower ends of the side walls and inner wall elements are shared.
From this, it was expected that the deformation and interaction of the top slab, bottom slab, side wall, and middle wall with respect to the deformation in the axial direction of the tunnel would be considered according to their rigidity and shape.

(2) 照査項目および限界値の検討
a) 照査項目
照査は、トンネルの変状状況や地下鉄トンネルに必要な性能などから、「曲げ」と「せん断」に着目して設定した。
現在のトンネル変状は、周辺地盤の二次圧密により沈下している。このため、トンネル材料が降伏応力度を超過しても、トンネルが地盤に支持されていることから、急激に沈下が進行することはない。しかし、終局曲げ耐力に近づくと、コンクリート圧縮ひずみが増大し、コンクリートのはく落などが生じる可能性が高くなる。そこで、曲げに対しては、コンクリートの圧縮ひずみの照査を行う。
一方、せん断破壊は、脆性的な破壊となり、安全性を確保できない。また、せん断破壊に至らない状態でも、せん断ひずみが増大すると、せん断ひび割れが発生し、コンクリートのはく落が生じることも考えられる。そこで、せん断の状態を照査するため、せん断ひずみの照査を行うこととした。
(2) Examination of verification items and limit values a) Verification items Verification was set with a focus on "bending" and "shearing" from the deformation conditions of tunnels and the performance required for subway tunnels.
The current tunnel deformation is subsidence due to secondary consolidation of the surrounding ground. Therefore, even if the yield stress of the tunnel material is exceeded, the tunnel is supported by the ground, so that the subsidence does not progress rapidly. However, when the ultimate bending strength is approached, the compressive strain of concrete increases and the possibility of concrete spalling increases. Therefore, for bending, the compressive strain of concrete is checked.
On the other hand, shear fracture is brittle fracture and safety cannot be ensured. In addition, even in a state where shear failure does not occur, if the shear strain increases, shear cracking may occur and the concrete may flake off. Therefore, in order to check the state of shear, we decided to check the shear strain.

b) 限界値の設定
終局曲げ耐力算定時のコンクリートの応力とひずみの関係は図16としてモデル化されている。コンクリートの圧縮ひずみが2000μを超えると、応力が増加せずひずみのみが増加する状態となり、3500μで圧壊する。これより、圧縮ひずみの限界値は、2000μとした。
せん断ひずみに対する照査は、一般的には行われていない。そこで、せん断ひずみの限界値は、せん断破壊に関して、本検討と同様にWCOMによる解析と実験により検討されている文献などを参考とした。解析によるせん断破壊は、荷重などの増加の程度に対して、せん断ひずみが急激に増加する状態として判定することが考えられる。試験や解析の結果などの実績から、せん断ひずみがおおむね5000μ程度を超過するとせん断ひずみが急激に進展する傾向が見られることがある。しかし、一般化された指標でなく、せん断が脆性的な破壊となることも考慮し、せん断ひずみの限界値は5000μを目安として、せん断ひずみが大きくなる箇所や範囲なども含め、総合的に評価する方針とした。
b) Setting of limit values The relationship between concrete stress and strain when calculating the ultimate bending capacity is modeled as shown in Figure 16. When the compressive strain of concrete exceeds 2000μ, stress does not increase and only strain increases, and the concrete collapses at 3500μ. From this, the limit value of compressive strain was set to 2000μ.
A check for shear strain is not generally done. Therefore, for the limit value of shear strain, reference was made to the literature, etc., in which the shear failure is examined by analysis and experiment by WCOM as in this study. It is conceivable that shear failure by analysis is determined as a state in which shear strain increases sharply with respect to the degree of increase in load and the like. From the results of tests and analyses, it can be seen that when the shear strain exceeds approximately 5000μ, the shear strain tends to develop rapidly. However, considering that shearing causes brittle fracture rather than a generalized index, the limit value of shearing strain is set at 5000 μ as a guideline, and comprehensively evaluates including places and ranges where shearing strain becomes large. The policy was to

(3) 構造計算モデル
a) トンネルの構造計算モデル
トンネル軸方向のモデルは、図17に示すように作成した。モデル化の範囲は、沈下の分布形状などから、最も沈下している地点Bを中心とし、前後約100mの合計200mの範囲とした。前述のとおり、頂版および底版は奥行き方向に1層、中壁と側壁は奥行き方向に2層とし、それぞれの上端や下端で節点を共有させ、中壁には待避口などの開口部の形状をトンネル軸方向の各位置に再現した。トンネル幅方向は、トンネル幅方向の中心に対して左右対称であるため、半断面に相当する厚さでモデル化した。
(3) Structural calculation model a) Tunnel structural calculation model A model for the axial direction of the tunnel was created as shown in Fig. 17. Based on the subsidence distribution shape, etc., the modeling range was set to a total of 200 m, centering on the point B where the subsidence was the most, and about 100 m forward and backward. As mentioned above, the top plate and bottom plate are one layer in the depth direction, the middle wall and side wall are two layers in the depth direction, and the nodes are shared at the top and bottom ends of each. was reproduced at each position along the tunnel axis. Since the tunnel width direction is bilaterally symmetrical with respect to the center of the tunnel width direction, the model is modeled with a thickness corresponding to a half section.

トンネルの軸方向の沈下は、強制変位としてモデル下端の各節点に与えた。また、先のひび割れによる見かけの軸力は、モデルの両端からモデル中心方向に強制変位を与えて作用させた。
構造モデルの境界条件は、トンネル構造下端を鉛直固定、水平自由とした。土かぶり荷重の影響は小さいとして、計算では考慮していない。
Axial subsidence of the tunnel is given to each node at the bottom of the model as forced displacement. In addition, the apparent axial force due to the above cracks was applied by forcibly displacing from both ends of the model toward the center of the model.
The boundary conditions of the structural model are that the lower end of the tunnel structure is vertically fixed and horizontally free. The influence of soil cover load is considered small and is not considered in the calculation.

b) 物性値の設定
構造計算に用いた材料特性は、設計書などを参考に表1として設定した。要素鉄筋比は、各部材を水平軸および鉛直軸に沿って切断したときの各要素の断面積に対する鉄筋断面積の比を構造配筋図から設定した。
検討対象とする構造は、鉄筋に丸鋼が使用されていた。丸鋼は、異形鉄筋に対して付着が期待できない。そこで、ひび割れ後の引張り側コンクリートの応力負担を表す引張り軟化係数を2.0(異形鉄筋の場合は一般的に0.4程度)として設定した。
b) Setting of physical property values The material properties used for structural calculation are set as Table 1 with reference to design documents. The element reinforcing bar ratio was set from the structural bar arrangement diagram as the ratio of the reinforcing bar cross-sectional area to the cross-sectional area of each element when each member is cut along the horizontal and vertical axes.
The structure under consideration used round bars for the reinforcing bars. Round steel cannot be expected to adhere to deformed reinforcing bars. Therefore, the tensile softening coefficient, which represents the stress load on the tension-side concrete after cracking, was set at 2.0 (generally about 0.4 in the case of deformed reinforcing bars).

Figure 0007170992000001
Figure 0007170992000001

c) 構造計算の方法
構造計算は、2ステップとして実施した。ステップ1では、モデル両端からひび割れによる見かけの軸力相当の強制変位を与え、モデル全体に軸力を発生させる。ステップ2では、トンネル沈下を強制変位として与えた。強制変位は、50分割として、計算を実施した。
トンネルの沈下量は、計算結果と比較を行う調査時に相当する値とし、モデルの節点位置はスプライン関数で補間して与えた。
c) Structural calculation method Structural calculation was performed in two steps. In step 1, forced displacement corresponding to the apparent axial force due to cracking is applied from both ends of the model to generate axial force in the entire model. In step 2, tunnel subsidence was given as forced displacement. The forced displacement was calculated as 50 divisions.
The amount of subsidence of the tunnel was set to the value corresponding to the calculation result and the comparison at the time of investigation, and the node position of the model was given by interpolating with the spline function.

d) 構造計算のケース
構造計算では、側壁と中壁のひび割れ状況の差異などを評価するため採用した擬似3次元モデルの再現性を確認することとした。また、トンネル軸方向の見かけの軸力についても構造計算への考慮の有無や程度による差異についても確認した。
d) Structural calculation case In the structural calculation, we confirmed the reproducibility of the pseudo-three-dimensional model adopted to evaluate the difference in cracks between the side wall and the inner wall. In addition, we also confirmed the difference depending on whether or not the structural calculation was considered for the apparent axial force in the tunnel axial direction and the degree of consideration.

これより、次のケースの組合せによる計算を行い、計算結果と調査結果との比較を行い、構造計算の妥当性について検証した。 Based on this, calculations were performed by combining the following cases, and the calculation results and survey results were compared to verify the validity of the structural calculations.

・擬似3次元モデルの確認
ケース1:擬似3次元モデル
ケース2:側壁と中壁を別にモデル化
・Confirmation of the pseudo 3D model Case 1: Pseudo 3D model Case 2: Model the side wall and the inner wall separately

・ひび割れによる見かけの軸力の検証
ひび割れによる見かけの軸力の影響を比較するため、トンネル軸方向の軸力のケースを以下として設定した。
軸力のケース:0kN、40MN、63MN
ここで、軸力40MNのケースは先に検討した見かけの軸力に相当する値として設定した。0kNは、トンネル軸方向の変状の検討で軸力を考慮しないため、従来の方法として設定した63MNは、先に検討した見かけの軸力より大きな値の場合として設定した。
・Verification of apparent axial force due to cracks In order to compare the effect of apparent axial force due to cracks, the case of axial force in the axial direction of the tunnel was set as follows.
Axial force case: 0kN, 40MN, 63MN
Here, the case of the axial force of 40 MN is set as a value corresponding to the apparent axial force discussed above. 0 kN does not consider the axial force in the examination of deformation in the axial direction of the tunnel, so 63 MN, which was set in the conventional method, was set as a case of a value larger than the apparent axial force examined above.

(4) 構造計算結果の評価
a) ひび割れ状況の計算結果
計算結果から作成されるひび割れ図とトンネル内で確認されているひび割れのスケッチ図を併記したのが図18である。
この結果、中壁のひび割れは、軸力0MNの場合、擬似3次元モデルでは斜め方向ひび割れがほとんど見られず、中壁単独モデルの場合わずかに見られるものの、実構造に発生している状況と異なる。軸力40MNの場合、中壁単独モデルの場合、斜め方向ひび割れが、広範囲に多数発生し、実構造と傾向が異なる。擬似3次元モデルの場合では、斜め方向ひび割れの発生範囲が、調査結果に類似した傾向を示している。
側壁は、軸力の有無により、ひび割れの発生方向が多少異なる。実構造のひび割れが側壁の下端付近に多く、上端にまで至らないものがいくつも見られる。
これより、ひび割れ状況は、疑似3次元モデルに対して見かけの軸力を40MNとした場合が調査結果と整合していると見られる。
(4) Evaluation of Structural Calculation Results a) Calculation Results of Crack Conditions Figure 18 shows both a crack diagram created from the calculation results and a sketch diagram of cracks confirmed in the tunnel.
As a result, when the axial force is 0 MN, almost no oblique direction cracks are observed in the pseudo 3D model, and only a few cracks are observed in the independent model of the inner wall. different. In the case of an axial force of 40 MN, in the case of the single inner wall model, many diagonal cracks occur over a wide range, and the tendency is different from the actual structure. In the case of the pseudo three-dimensional model, the range of occurrence of oblique cracks shows a tendency similar to the survey results.
The direction in which cracks are generated on the side wall is slightly different depending on whether or not there is an axial force. Many cracks in the actual structure are found near the bottom edge of the side wall, and there are many cracks that do not reach the top edge.
From this, it is considered that the crack condition is consistent with the survey results when the apparent axial force is set to 40 MN for the pseudo three-dimensional model.

この結果、本研究のモデル化は、検討対象トンネルの以下のような特性を再現したモデルであると考えられる。
・中壁は待避口の開口の影響により、側壁に比べ剛性が低下し、斜め方向ひび割れが発生しやすい構造。
・側壁は開口部がないため、せん断ひび割れが発生せず、沈下中心付近で鉛直方向の曲げひび割れが発生する。
・沈下に対して、中壁の開口による構造特性と側壁の構造特性が相互に影響を与える構造。
・沈下に伴よりひび割れが発生することで、見かけの軸力が発生。
As a result, the modeling of this research is considered to be a model that reproduces the following characteristics of the tunnel under study.
・Due to the opening of the escape door, the middle wall has lower rigidity than the side wall and is prone to diagonal cracks.
・Because there are no openings in the side walls, shear cracks do not occur, and vertical bending cracks occur near the center of subsidence.
・A structure in which the structural characteristics of the openings in the middle wall and the structural characteristics of the side walls mutually affect subsidence.
・Apparent axial force is generated due to the occurrence of cracks due to subsidence.

b) ひずみの計算結果
計算結果による最大主ひずみのコンター図が図19、せん断ひずみのコンター図が図20である。図は、変状が大きい沈下中心付近について、ひび割れによる見かけの軸力が0MNと40MNのケースを示した。また、地点B付近を対象として、疑似3次元モデルのトンネル軸方向ひずみと鉄筋ひずみの調査結果をトンネル高さ方向位置との関係として整理したのが図21である。
この結果、軸力が0MNの場合、沈下の中心付近で側壁と中壁に下端から上端付近までひび割れが多数生じる。中壁には、せん断ひずみがほとんど発生せず、実構造物で見られるような斜めひび割れが再現できていない。
軸力が63MNの場合、側壁のトンネル横断面方向ひび割れがほとんど発生しない。中壁は発生するせん断ひずみが5000μを超え、せん断破壊しているような状況となるが、実構造物でせん断破壊しているような状況は認められない。
軸力が40MNの場合、側壁にはある程度の横断面方向ひび割れが見られる。中壁に3000~4000μ程度のせん断ひずみが発生しており、実構造にせん断ひび割れが生じている状況が再現できていると考えられる。また、地点B付近のひずみの分布もひび割れによる見かけの軸力が40MNの場合が最も調査結果に整合していると見られる。
この結果から、見かけの軸力を40MNとして考慮することで、実構造の状況を良好に再現していると考えられる。
b) Calculation result of strain Fig. 19 is the contour diagram of the maximum principal strain, and Fig. 20 is the contour diagram of the shear strain. The figure shows cases where the apparent axial force due to cracking is 0 MN and 40 MN near the center of subsidence where deformation is large. FIG. 21 shows the relationship between the strain in the tunnel axial direction and the reinforcement strain in the pseudo three-dimensional model and the position in the height direction of the tunnel.
As a result, when the axial force is 0 MN, many cracks are generated in the side wall and the middle wall near the center of the subsidence from the bottom end to near the top end. Almost no shear strain occurs in the middle wall, and diagonal cracks seen in actual structures cannot be reproduced.
When the axial force is 63 MN, almost no transverse cracks in the sidewall occur. The generated shear strain exceeds 5000 μm in the middle wall, and it is in the state of shear failure, but the situation of shear failure in the actual structure is not observed.
At an axial force of 40 MN, the side walls exhibit some degree of transverse cracking. A shear strain of about 3000 to 4000μ is generated in the middle wall, and it is considered that the situation in which shear cracks are generated in the actual structure can be reproduced. Also, the distribution of strain near point B is considered to be most consistent with the survey results when the apparent axial force due to cracking is 40 MN.
From this result, it is considered that the situation of the actual structure is well reproduced by considering the apparent axial force of 40 MN.

c) 構造計算モデルの評価
実構造物の調査結果と構造計算結果を比較した結果、精度の高い構造計算を実施するためには、以下の事項を採用することが好ましいといえる。
・中壁と側壁の形状の違いを再現した擬似3次元モデルを適用すること。
・沈下に伴い発生するひび割れによる見かけの軸力を考慮すること。
c) Evaluation of Structural Calculation Model As a result of comparing the results of surveys of actual structures and the results of structural calculations, it can be said that the following items should be adopted in order to carry out highly accurate structural calculations.
・Apply a pseudo three-dimensional model that reproduces the difference in shape between the inner wall and the side wall.
・Consider the apparent axial force due to cracks that occur with subsidence.

(5) トンネルの耐荷性能の評価
a) 曲げに対する照査
最大主ひずみのコンター図(図19の疑似3次元モデル、見かけの軸力40MNのケース)を参照すると、引張りひずみは、ひび割れが見られる位置で2000μを超過する状況が見られるが、圧縮ひずみは、1000μにも達していない。このため、圧縮ひずみは、曲げに対する限界値(2000μ)に対して十分に余裕がある結果となった。
(5) Evaluation of tunnel load-bearing performance a) Verification of bending Referring to the contour diagram of the maximum principal strain (pseudo three-dimensional model in Fig. 19, case of apparent axial force of 40 MN), the tensile strain is the position where cracks are observed. However, the compressive strain does not reach 1000μ. As a result, the compressive strain has a sufficient margin with respect to the limit value (2000μ) for bending.

b) せん断に対する照査
せん断ひずみのコンター図(図20の疑似3次元モデル、見かけの軸力40MNのケース)を参照すると、中壁の斜めひび割れが見られる箇所で、3000μを超える大きなひずみが発生する箇所が多く見られる。そこで、せん断ひずみが大きくなる中壁の待避口付近の要素に着目し、地点Bの沈下量とせん断ひずみの関係として整理したのが図22である。この結果、現状の沈下量におけるせん断ひずみの最大値は3000μ前後であるが、今後も沈下が継続することで、3500μ付近まで大きくなる。
せん断ひずみは。せん断破壊の目安となる5000μには達していない。しかし、3000μを超えるひずみが発生していることから、せん断ひび割れが進展し、ひび割れに伴う剥落などが生じることも考えられる。
b) Verification of shearing When referring to the contour diagram of shearing strain (pseudo three-dimensional model in Fig. 20, case of apparent axial force of 40MN), a large strain exceeding 3000μ is generated at the place where the diagonal crack of the inner wall can be seen. You can see many places. FIG. 22 shows the relationship between the amount of subsidence at point B and the shear strain, focusing on the elements near the shunting opening of the inner wall where the shear strain increases. As a result, the maximum value of the shear strain at the current subsidence amount is around 3000μ, but it will increase to around 3500μ as the subsidence continues in the future.
is the shear strain. It does not reach 5000μ, which is a standard for shear fracture. However, since the strain exceeding 3000 μm is generated, shear cracking may progress and spalling may occur due to the cracking.

c) 耐荷性能の評価
耐荷性能を照査した結果、曲げに対しては余裕のある結果となった。せん断に対しては、せん断ひずみが大きくなっているが、せん断破壊の目安としたひずみには達しない。しかし、せん断ひび割れが進展し、剥落などが生じることが考えられる。
このため、構造の安全性は満足するが、剥落の可能性があり使用性を満足しない状態と評価した。
c) Evaluation of load-bearing performance As a result of checking the load-bearing performance, it was found that there was a margin for bending. With respect to shearing, the shear strain is large, but it does not reach the strain that is the standard for shear fracture. However, it is conceivable that shear cracks may develop and spalling may occur.
Therefore, the safety of the structure is satisfied, but the usability is not satisfied due to the possibility of peeling.

5. 結論
本研究では、地下鉄の開削トンネルに発生していた変状を事例とし、トンネル軸方向の挙動や耐荷性能の評価として、以下のような結果が得られた。
5. Conclusion In this study, the following results were obtained as an evaluation of the behavior in the axial direction of the tunnel and the load-bearing performance, using the deformation that occurred in an open-cut tunnel of a subway as an example.

・トンネル軸方向に沈下などの変状によりひび割れが発生することで、トンネル軸方向に見かけの軸力が発生することが明らかとなった。ひび割れによる見かけの軸力が発生するメカニズムは、ひび割れ前後の中立軸位置およびひずみ分布の変化によるものであった。本研究で明らかになったメカニズムによりひび割れによる見かけの軸力の算定方法について示した。実構造を精度よく再現するためには、算定したひび割れによる見かけの軸力を、構造計算において考慮することが必要となる。 ・It was clarified that an apparent axial force is generated in the axial direction of the tunnel due to the occurrence of cracks due to deformation such as subsidence in the axial direction of the tunnel. The mechanism of apparent axial stress caused by cracking was the change of neutral axis position and strain distribution before and after cracking. Based on the mechanism clarified in this study, a method for calculating the apparent axial force due to cracking was presented. In order to accurately reproduce the actual structure, it is necessary to consider the calculated apparent axial force due to cracks in the structural calculation.

・トンネル軸方向の変状は、擬似3次元モデルによる構造計算を行うことで、待避口の開口などの構造特性を精度良く再現でき、耐荷性能を適切に評価することができる。 ・For deformation in the axial direction of the tunnel, structural calculations using a pseudo 3D model can accurately reproduce structural characteristics such as the opening of the shelter opening, enabling appropriate evaluation of load-bearing performance.

・性能照査型設計にもとづき、既設構造の用途や材料特性、変状状況から照査項目や限界値を設定することで、耐荷性能を適切に評価することができる。 ・Based on performance verification type design, it is possible to appropriately evaluate load-bearing performance by setting verification items and limit values based on the use, material properties, and deformation conditions of the existing structure.

今後、本研究の成果により耐荷性能を適切に評価することで、合理的な耐荷性能の評価が可能になると考えられる。また、近接施工などによる既設構造の挙動についても、精度良く再現できることが期待される。
本研究の成果から、検討事例としたトンネルでは、剥落防止、せん断耐力の補強を目的とした補強構造を擬似3次元モデルで設計し、対策工事を実施済みである。また、今後も、変状状況を注視し、計測などの管理を継続する方針としている。
In the future, it is believed that the results of this research will enable rational evaluation of load-bearing performance by appropriately evaluating load-bearing performance. In addition, it is expected that the behavior of existing structures due to adjacent construction can be reproduced with high accuracy.
Based on the results of this research, in the tunnel considered as an example, a reinforcement structure was designed using a pseudo three-dimensional model to prevent spalling and reinforce shear strength, and countermeasure construction has already been carried out. In addition, we will continue to monitor the deformation situation and continue management such as measurement.

10 地下鉄トンネル(線状構造物)
100 構造計算装置
20 軸力算出手段
30 結果取得手段
10 subway tunnel (linear structure)
100 Structural calculation device 20 Axial force calculation means 30 Result acquisition means

Claims (6)

線状構造物の構造計算を前記線状構造物の軸方向の一部に生じた変状を考慮して行う構造計算方法であって、
前記線状構造物の構造情報及び前記変状の変状情報に基づいて、前記変状により中立軸位置変動要因が発生して中立軸位置が変動することによる前記線状構造物の伸びが、前記線状構造物の変状発生地点の軸方向両側から拘束されていると仮定した場合の軸力を見かけの軸力として算定する軸力算定ステップと、
前記線状構造物の構造情報、前記変状の変状情報及び前記見かけの軸力に基づいて、前記線状構造物の構造計算をすることで構造計算結果を得る結果取得ステップと、
を含む構造計算方法。
A structural calculation method for performing structural calculation of a linear structure in consideration of deformation occurring in a part of the linear structure in the axial direction,
Based on the structural information of the linear structure and the deformation information of the deformation, the extension of the linear structure due to the neutral axis position fluctuation caused by the neutral axis position fluctuation due to the deformation is an axial force calculation step of calculating the axial force as an apparent axial force when it is assumed that the linear structure is constrained from both sides in the axial direction of the deformation occurrence point;
a result acquisition step of obtaining a structural calculation result by performing structural calculation of the linear structure based on the structural information of the linear structure, the deformation information of the deformation, and the apparent axial force;
Structural calculation methods, including
前記中立軸位置変動要因は、コンクリートのひび割れである、
請求項1に記載の構造計算方法。
The neutral axis position variation factor is cracks in concrete,
The structure calculation method according to claim 1.
前記線状構造物は、軸方向に多数配列されたセグメントリングからなるトンネルであり、
前記中立軸位置変動要因は、前記セグメントリングの開きである、
請求項1に記載の構造計算方法。
The linear structure is a tunnel consisting of a large number of segmented rings arranged in the axial direction,
The neutral axis position variation factor is the opening of the segment ring,
The structure calculation method according to claim 1.
前記軸力算定ステップでは、
前記変状の変状情報に基づいて、前記変状の発生地点における変状方向側端部が引張りとなっている範囲を軸力算定範囲として設定し、
前記線状構造物の構造情報及び前記変状の変状情報に基づいて、前記軸力算定範囲における前記変状方向側端部の中立軸位置変動前後の伸びの差を拘束される伸び量として算定し、
前記拘束されるされる伸び量及び前記軸力算定範囲に基づいて、前記変状方向側端部の拘束されるひずみ量を算定し、
前記拘束されるひずみ量に基づいて、前記見かけの軸力を算定する、
請求項1~請求項3の何れか一項に記載の構造計算方法。
In the axial force calculation step,
Based on the deformation information of the deformation, a range in which the deformation direction side end at the deformation occurrence point is in tension is set as an axial force calculation range,
Based on the structural information of the linear structure and the deformation information of the deformation, the difference in elongation before and after the neutral axis position change of the end on the deformation direction side in the axial force calculation range is regarded as the amount of elongation to be restrained. calculated,
Based on the constrained elongation amount and the axial force calculation range, calculate the constrained strain amount of the deformation direction side end,
calculating the apparent axial force based on the constrained strain amount;
The structural calculation method according to any one of claims 1 to 3.
前記結果取得ステップでは、
前記線状構造物の構造モデルの軸方向両端に、前記見かけの軸力に相当する強制変位を与え、
その後、前記変状に相当する強制変位を与える、
請求項1~請求項4の何れか一項に記載の線状構造物の構造計算方法。
In the result obtaining step,
Giving forced displacement corresponding to the apparent axial force to both axial ends of the structural model of the linear structure,
After that, give a forced displacement corresponding to the deformation,
The structural calculation method for a linear structure according to any one of claims 1 to 4.
コンピュータに、請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の構造計算方法の各ステップを実行させるための構造計算プログラム。 A structural calculation program for causing a computer to execute each step of the structural calculation method according to any one of claims 1 to 5.
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