NATMとシールドトンネルの設計と実際 6.トンネルの設計における数値解析の役割

摘要

これまでの講座の内容からも分かるように，現在のトンネルの設計はシールドであれNATMであれ，基本的にはまず土被り压やテルツァーギの緩み土压で鉛直土圧を，それに側方土圧係数をかけることで側方土压を仮定する。次に，地盤バネを使った梁·バネモデルにこの鉛直及び側方土圧を作用させ(水压がある場合には水压も)セグメントやトンネル覆工の内部変位や作用応力を求めている。更に，トンネル掘削時の地表面沈下は内空変位若しくは応力解放率を用いた弾性有限要素解析かボリュームロスと正規曲線を使って予測されてきた。このように，トンネルの設計は木に竹を接ぐような方法で行われている。これはトンネル掘削問題に限らず，地盤に関する他の問題(例えば，山留め掘削問題や基礎の支持力·変形問題などでも)，問題によって独特の設計法が用いられる。しかし，考えてみると，同じ地盤を扱うのに，問題によって設計法の基本的な考え方が異なるというのも奇妙といえる。パーソナルコンピュータの能力の向上とその低価格に伴い有限要素法に代表される数値解析法が身近になっているにも拘わらず，トンネル掘削を含め地盤工学問題の設計に有限要素解析が積極的に使われない最大の理由は，実務に耐えうる信頼性のある地盤材料の構成モデルがないことによる。したがって，地盤材料の諸特性を適切に表現でき実務に使える形の構成モデルがあれば，トンネルの設計においても数値解析の役割は非常に大きなものとなる。さて，実務のトンネル掘削問題でも数値解析が行われるが，多くは弾性解析あるいはドラッカー·プラガー型(若しくはモール·クーロン型)の弾完全塑性解析が大半である。研究レベルではカムクレイ·モデル以来のひずみ硬化型の非線形塑性モデルを使った解析も行われているが，実務では既存の設計法の1つの裏付け程度に使われているのが現状である。