JP2018059323A - 立坑および立坑の地震時設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成で耐震設計の省力化を図ることが可能な、線状地下構造物との接続部を有する立坑、および立坑の耐震設計方法を提供する。【解決手段】地盤中に構築され、線状地下構造物との接続部を備える立坑であって、 側壁に孔状の欠損部を有する筒体よりなる立坑本体と、前記欠損部の近傍を補剛する補剛部材とを備え、該補剛部材は、中空部を前記欠損部と連通させる姿勢で、基端を前記側壁に剛接合された管状材よりなり、その先端が前記側壁から突出し、前記線状地下構造物との接続部をなす。【選択図】図８

Description

本発明は、トンネル等線状地下構造物との接続部を有する立坑および立坑の地震時設計方法に関する。

従来より、線状地下構造物と接続する立坑を地盤中に構築するにあたっては、例えば特許文献１に開示されているトンネルと立坑坑口部との接合構造のように、立坑の側壁に開口を設けるとともに当該開口にトンネルの端部を挿入した状態で、両者の間に可撓性部材を介装させることにより、立坑およびトンネルの安全性と止水性能を確保している。

このような地盤中に構築される立坑には、常時土圧および水圧が作用するだけでなく、地震発生時には、構造物周辺地盤の地盤変位に起因する地震力等の荷重が作用することが知られている。このため、立坑を設計する際には、例えば特許文献２で示すように、立坑に設計条件を与えてこれをモデル化し、構造解析を行って断面力や変位を測定したのち、耐震性能の照査を行う、という一連の作業に則った耐震設計を行っている。

特開２０１１−２４１６３９号公報 特開２００８−１３３５９５号公報

しかし、側壁に開口が存在する立坑において開口は側壁の欠損部であり、側壁の開口を含まない高さ範囲と比較して開口を含む高さ範囲は、せん断抵抗部材として考慮できる範囲が小さくなるため、立坑における開口を含む高さ範囲は、開口を含まない高さ範囲と比較して過大な設計となりやすい。

また、水平方向の耐震設計を行う場合、立坑における開口を含まない高さ範囲では、解析モデルにリングモデルを採用できるが、開口を含む高さ範囲では、リング効果が期待できない。このため、開口を含む高さ範囲と含まない高さ範囲のそれぞれの断面に対して別途、耐震性能照査を実施する必要があり、設計に係る手間も膨大なものとなっていた。そして、立坑を、地震等の外力が作用しても損傷を生じることなく、設備としての機能を保持できる健全な構造体として設計するには、側壁の欠損部を含む周辺領域の部材厚を大きくする、または、側壁の内周面であって欠損部の上下にリング梁補強を設ける等の補剛対策を講じることとなる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、簡略な構成で耐震設計の合理化を図ることが可能な、線状地下構造物との接続部を有する立坑、および立坑の地震時設計方法を提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の立坑は、地盤中に構築され、線状地下構造物との接続部を備える立坑であって、側壁に孔状の欠損部を有する筒体よりなる立坑本体と、前記欠損部の近傍を補剛する補剛部材とを備え、該補剛部材は、中空部を前記欠損部と連通させる姿勢で、基端が前記側壁に剛接合された管状材よりなり、先端が前記側壁から突出し、前記線状地下構造物との接続部をなすことを特徴とする。

上記の立坑によれば、立坑本体における欠損部の近傍に補剛部材が立坑本体と一体をなすよう剛結合される。これにより、地盤変位に起因する水平方向の荷重が立坑に作用した際に、側壁における欠損部周囲だけでなく補剛部材をもせん断抵抗部材として考慮することができる。これにより、従来の側壁に欠損部を有する立坑のように、側壁の内周面であって欠損部の上下に補剛リングを構築したり、欠損部周辺における側壁の部材厚を厚くするといった、立坑の中空断面を狭小化するような過大な補剛対策を回避でき、立坑を経済的で合理化された構造とすることが可能となる。

上記の立坑は、前記補剛部材の先端に、前記線状地下構造物と接続する可撓性継ぎ手が設置されることを特徴とする。

上記の立坑によれば、地震発生時に立坑とトンネル各々が異なる挙動を示すことに起因して両者の間に相対変位が生じた場合にも、線状地下構造物が可撓性継ぎ手を介して補剛部材の先端に接続されるため、応力の集中しやすい補剛部材の基端と立坑本体の側壁との接合部において、発生応力の大幅な緩和を図ることが可能となる。

上記の立坑は、前記補剛部材の配置される地盤が、岩盤であることを特徴とする。

上記の立坑によれば、地震発生時に立坑に対して、例えば地盤変位による水平方向の外力もしくは地下水位の上昇による鉛直方向の外力が作用し、立坑に転倒や浮き上がりを生じるような挙動が生じた場合、補剛部材が岩盤に当接して立坑の挙動を抑制できる。これにより、地震発生時に立坑に対していずれの外力が作用しても、その姿勢を安定した状態に保持し、立坑としての機能を安全に維持することが可能となる。

上記の立坑の地震時設計方法は、前記立坑本体の鉛直方向について、該立坑本体をモデル化した２次元解析モデルを作成し、該立坑本体の側壁において前記欠損部の周囲に発生する応力が前記補剛部材に分散することを考慮して該立坑本体の構造解析を行うとともに耐震性能照査を行った後、前記立坑の水平方向について、前記立坑をモデル化した２次元または３次元解析モデル作成し、該立坑の構造解析を行うとともに耐震性能照査を行うことを特徴とする。

上記の立坑の地震時設計方法によれば、鉛直方向の検討時には、立坑本体に対して欠損部近傍に生じる応力を前記補剛部材に分散させる処理を行い、水平方向の検討時には、立坑本体に補剛部材を剛接合した状態の立坑の２次元または３次元解析モデルによるＦＥＭ解析を行う。これにより、立坑本体における欠損部を含む高さ範囲の設計を合理化することが可能になるとともに、欠損部が存在しない高さ範囲と欠損部を含む高さ範囲とを分けることなく、立坑全体で耐震性能照査を実施でき、設計に係る手間を大幅に削減し、耐震設計の合理化を図ることが可能となる。

上記の立坑の地震時設計方法は、前記立坑の水平方向の耐震性能照査では、前記補剛部材の設計条件を変更することにより、前記立坑本体の部材耐力を増減させることを特徴とする。

上記の立坑の地震時設計方法によれば、立坑本体の水平方向の耐震性能照査において安全性を満足できない場合に、補剛部材の設計条件を適宜変更して検討を繰り返すことができるため、必ずしも立坑本体の鉛直方向の検討にまで戻って、立坑本体の設計条件から検討をやり直す必要がなく、耐震設計に係る手間を大幅に削減し、合理化を図ることができる。

また、立坑本体を過大な構造としなくても、補剛部材の設計条件の変更により立坑本体の部材耐力を増加させることができ、立坑本体を必要とされる機能に見合った合理的な構造に設計することが可能となる。

本発明によれば、立坑本体を補剛する機能と線状地下構造物との接続部としての機能とを有する補剛部材を、立坑本体の側壁に形成された欠損部の周囲に剛接合し、立坑を立坑本体と補剛部材の一体化構造とすることにより、立坑全体の構造が合理化でき、設計の手間を大幅に削減し、耐震設計の合理化を図ることが可能となる。

本発明の立坑の概略を示す図である。 本発明の立坑と補剛部材を備えない立坑本体のみの各々に静的荷重を作用させてＦＥＭ解析を行った際の緒元を示す図である。 本発明の立坑と補剛部材を備えない立坑本体のみの各々についてＦＥＭ解析を行った際の静的荷重を示す図である。 本発明の立坑と補剛部材を備えない立坑本体のみの各々に静的荷重を作用させてＦＥＭ解析を行った場合の変形図である。 本発明の立坑と補剛部材を備えない立坑本体のみの各々に静的荷重を作用させたＦＥＭ解析を行った場合のモーメント図である。 本発明の立坑の地震時設計方法の手順を示すフロー図である。 本発明の立坑本体の２次元の解析モデルを示す図である。 本発明の立坑の３次元の解析モデルを示す図である。

本発明の立坑および立坑の地震時設計方法は、立坑本体の側壁に形成された欠損部を補剛する補剛部材を側壁の外周面に剛接合するとともに、補剛部材の先端を線状地下構造物との接続部とすることにより、立坑を経済的で合理化された構造とするものである。以下に、トンネルに接続する立坑を事例に挙げ、本発明の立坑と立坑の地震時設計方法を、図１〜図８を用いて説明する。

なお、線状地下構造物は、トンネル、下水管、電力線や通信線の洞道等、地盤中で横方向に延在する地下構造物であればいずれでもよく、また、立坑も、シールドトンネルの発進もしくは到達立坑、地下駅舎の躯体、洞道に連絡する立坑等、鉛直方向に構築される円筒状や角筒状の地下構造物であればいずれでもよい。さらに立坑本体の躯体も、ケーソンや地中連続壁等、鉄筋コンクリート造であればなんら限定されるものではない。

図１（ａ）（ｂ）で示すように、全長が地盤９中に構築されている立坑１は、立坑本体２と補剛部材６とを備えている。立坑本体２は、床版３にて底部を閉塞された筒状の側壁４を備え、軸心が鉛直状となる姿勢で立設されている。側壁４には、内外を連通する孔状の欠損部５が設けられるとともに、欠損部５を囲うように補剛部材６が接合されている。

補剛部材６は管状材よりなり、中空が欠損部５と連通する態様でその基端が立坑本体２の側壁４に剛接合されている。本実施の形態では、補剛部材６の基端を側壁４のの外周面に剛接合しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、立坑本体２に対して一体に接合されていれば、例えば欠損部５の内周面に接合されるものであってもよい。

このような立坑本体２の欠損部５を、補剛部材６にて補剛することにより生じる効果を把握するべく、立坑本体２のみの解析モデルおよび立坑本体２に補剛部材６を剛接合した立坑１の解析モデルを作成し、３次元ＦＥＭ解析を行った。

３次元ＦＥＭ解析を実施するにあたって、立坑本体２および補剛部材６は、それぞれ図心位置における線状シェル要素でモデル化した。なお、本実施の形態では、図１（ｂ）で示すように、欠損部５は、立坑本体２の側壁４に対して対向する位置に１対設けられており、これらを補剛する補剛部材６は、各々の軸心を同一直線状に位置するようにして配置されているものとした。

また、立坑本体２、欠損部５および補剛部材６の寸法は図２（ａ）に、立坑本体２および補剛部材６の物性値は図２（ｂ）に、立坑本体２および補剛部材６の線状シェル要素の壁厚は図２（ｃ）に、それぞれ示すとおりである。そして、荷重条件は、図３で示すように、立坑本体２の軸線と補剛部材６の軸線を含む平面に対して直交する方向に作用する１００ｋＮ/ｍ²の等分布荷重とした。

図４（ａ）（ｂ）の変形図をみると、立坑本体２に補剛部材６が設置されていない図４（ａ）では、側壁４における一対の欠損部５の間に位置する領域において、大きい変形が生じていることを示す濃色部分が広い範囲に広がっている。これに対し、立坑本体２に補剛部材６が設置されている図４（ｂ）では、濃色部分の範囲が小さくなっており、欠損部５周辺の変形が小さくなっている様子がわかる。

同様に、図５（ａ）（ｂ）の曲げモーメント図をみると、立坑本体２に補剛部材６が設置されていない図５（ａ）では、側壁４における一対の欠損部５の間に位置する領域および床板３近傍において、応力が発生していることを示す濃色部分が広い範囲に広がっている。これに対し、立坑本体２に補剛部材６が設置されている図５（ｂ）では、上記の位置における濃色部分の範囲が小さくなる一方で、側壁４の欠損部周辺および側壁４と剛接合している補剛部材６の基端近傍に濃色部分が存在し、応力が分散している様子がわかる。

このように、欠損部５の近傍に補剛部材６を立坑本体２と一体をなすよう剛結合することで、立坑本体２の軸線と補剛部材６の軸線を含む平面に対して直交する方向に作用する等分布荷重が立坑１に作用した際に、図１（ｂ）示すような、側壁４の欠損部周辺Ｓと補剛部材６の両者をせん断抵抗部材として扱うことができる。このため、立坑本体４に対して、側壁４の内周面であって欠損部５の上下に補剛リングを構築したり、欠損部５周辺における側壁４の部材厚を厚くするといった、中空断面を狭小化するような過大な補剛対策を回避でき、立坑１を経済的で合理化された構造とすることが可能となる。

また、補剛部材６は、上述する側壁４を補剛する機能に加えて、立坑１と線状地下構造物７とを接続する機能を有するとともに、接続後は線状地下構造物７の一部分として機能する。具体的には、図１（ｂ）で示すように、補剛部材６の中空断面の形状および大きさを立坑１と接続しようとする線状地下構造物７の内空断面と同様の形状に形成しておくとともに、補剛部材６の軸線を線状地下構造物７の軸線の延在方向に位置合わせしておく。こうすると、補剛部材６を利用して立坑１と線状地下構造物７とを容易に接続することが可能となる。

このとき、補剛部材６の先端に可撓性継ぎ手８を設置し、可撓性継ぎ手８を介して線状地下構造物７を接続するとよい。こうすると、地震発生時に立坑１と線状地下構造物７各々が異なる挙動を示すことに起因して両者の間に相対変位が生じた場合にも、応力の集中しやすい補剛部材６の基端と立坑本体２の側壁との接合部において、発生応力の大幅な緩和を図ることが可能となる。

なお、可撓性継ぎ手８を介することにより補剛部材６と線状構造物７とは絶縁されるため、補剛部材６が線状構造物７の一部として機能する場合であっても、両者の躯体は必ずしも同一の構造を備えていなくてもよい。したがって、線状地下構造物７は、山岳工法やシールド工法等いずれの施工方法により構築されるものであってもよいし、補剛部材６も、立坑本体２の側壁４に剛に接合できる構造を有していれば、場所打ちコンクリート造、プレキャストコンクリート造、もしくは合成構造等、いずれの態様にて構築するものであってもよい。

さらに、補剛部材６は立坑本体２の側壁４を補剛する機能および立坑１と線状地下構造物７とを接続する機能に加えて、立坑１の地震時の安定性を確保する機能を付与することも可能である。

具体的には、図１で示すように、立坑１のうち少なくとも補剛部材６を岩盤１０に構築するとともに、補剛部材６の突出長さを適宜調整する。こうすると、立坑１に対して地震等により水平方向の外力が作用するもしくは地下水位の上昇等により鉛直方向の外力が作用して、立坑１に転倒や浮き上がりを生じるような挙動が生じても、立坑本体２の外周面から突出する補剛部材６が岩盤１０に当接する。これにより立坑１の挙動が抑制されるため、立坑１はいずれの外力が作用しても、その姿勢を安定した状態で保持し、立坑１としての機能を維持することが可能となる。

上述する補剛部材６を立坑本体２に備えた立坑１について耐震設計を実施する際には、立坑１が地盤９内にあることを考慮した耐震性能照査を行う。一般に、地盤９中に構築される地中構造物は、地震発生時に自身が変形するのではなく、先に周辺地盤が変形し、その影響が地中構造物に作用して地中構造物に変形および断面力が生じることが知られている。このため、地中構造物の構造解析には、応答変位法、応答震度法、動的解析法のいずれかが採用される。そこで、本実施の形態では、立坑１の耐震解析に動的解析法を採用することとし、動的解析法により算定された結果に対して耐震性能照査を実施する、補剛部材６を備えた立坑１の地震時設計方法を、図６のフロー図で示す手順に従って詳述する。

まず、立坑本体２の鉛直方向について耐震設計を行う（ＳＴＥＰ１）。具体的には、立坑本体２の設計条件（例えば、側壁４の壁圧、配筋、コンクリート強度等）を設定する。次に、図７で示すように、立坑本体２を側壁４を梁要素、床版３や地盤９および立坑本体２内部を平面ひずみ連続体要素でモデル化した２次元解析モデルを作成し、ＦＥＭ動的解析法により地震時の変位および断面力（曲げモーメント、せん断）を算出する。

なお、本実施の形態では、地震時の変位および断面力を、前記立坑本体２の側壁４における欠損部５の周囲に発生する応力が前記補剛部材６に分散することを考慮し、算出している。具体的には、欠損部における剛性を欠損部のない状態としてモデル化し、断面力を算出する。そして、算出した断面力に相当する荷重を、後述する立坑１の水平方向の耐震設計（ＳＴＥＰ２）を行う際に、補剛部材６に作用させることにより、２次元解析モデル上で欠損部５の周囲に発生する応力を前記補剛部材６に分散させている。

この後、耐震性能照査として、ＦＥＭ動的解析法により算出した水平変位に基づいて、立坑本体２の安定照査を実施するとともに、同じくＦＥＭ動的解析法により算出した断面力に基づいて、立坑本体２の耐力照査を行う。耐力照査は、従来より実施されている手法である許容応力度設計法もしくは限界状態設計法のいずれを使用してもよい。

上記の耐震性能照査にて、地震後に立坑本体２としての安全性および機能が維持でないと判定した場合には、立坑本体２の設計条件を変更する工程に戻り、上記の検討を繰り返す。一方、立坑本体２としての安全性および機能が維持できると判定した場合には、立坑１の水平方向の耐震設計を行う（ＳＴＥＰ２）。

立坑１の水平方向の耐震設計では、補剛部材６の設計条件を設定したうえで、立坑本体２に補剛部材６を剛接合した立坑１をモデル化した３次元解析モデルを作成し、立坑本体２の鉛直方向の耐震設計において算出される最大地盤ばね反力度を地盤反力として採用し、この荷重を作用させることにより、ＦＥＭ動的解析法にて地震時の断面力（曲げモーメント、せん断）を算出する。このとき、立坑本体２の設計条件（例えば、側壁４の壁厚、配筋、コンクリート強度等）は、立坑本体２の鉛直方向の耐震設計において安全性および機能が維持できると判定した時の数値を採用する。

また、３次元の解析モデルを作成する際の要素はいずれでもよいが、例えば、図８で示すように、立坑本体２の側壁４と補剛部材６とを線形シェル要素、立坑本体２の床版３をソリッド要素（図示せず）でモデル化するとよい。さらに、荷重条件は、静水圧と静止土圧を足し合わせた等分布荷重と、先に述べた立坑本体２の鉛直方向の耐震設計において算出される最大地盤ばね反力度を採用した地盤反力と、補剛部材６に作用させる、立坑本体２の鉛直方向の耐震設計において算出した断面力に相当する荷重である。なお、地盤反力は、立坑周辺の地盤応力から計算してもよい。

この後、ＦＥＭ動的解析法により算出した断面力に基づいて、立坑本体１の耐力照査を行う。耐力照査は、立坑本体２の鉛直方向の耐震設計と同様に、許容応力度設計法もしくは限界状態設定法のいずれを採用してもよい。耐力照査にて、地震後に立坑１としての安全性および機能が維持でないと判定した場合、立坑本体２の鉛直断面の耐震設計（ＳＴＥＰ１）まで戻って、立坑本体２の設計条件を適宜変更し、再計算を行ってもよいし、立坑本体２の設計条件は変更せず、補剛部材６の設計条件を変更し、立坑１の水平方向の耐震設計に係る再計算を行ってもよい。

このように、本実施の形態では、立坑１の水平方向の耐震性能照査において安全性を満足できない場合に、補剛部材６の設計条件を適宜変更して検討を繰り返すことができるため、必ずしも立坑本体２の鉛直方向の検討に戻って立坑本体２の設計条件から検討をやり直す必要がなく、耐震設計に係る手間を大幅に省力化することが可能となる。

また、補剛部材６の設計条件を変更することで、立坑本体２について鉛直方向の検討で得た設計条件を変えることなく部材耐力を増減できるため、立坑本体２を過大な構造とせず、必要とされる機能に見合った合理的な構造に設計できる。

一方、立坑１に接続する線状構造物７は、上記のような立坑１の耐震設計に影響を受けることなく、応答変位法等従来の手法に基づいて耐震設計を行えばよい（ＳＴＥＰ３）。なお、線状地下構造物７は、可撓性継ぎ手８を介して補剛部材６に接続するされるため、一般部についてのみ設計すればよい。

本発明の立坑１および立坑１の地震時設計方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、側壁４に２つの欠損部５が設けられ、欠損部５の形状が円形の孔であることから、補剛部材６も側壁４に２体設置され、その形状は中空断面が円形の管状材となっている。しかし、補剛部材６の数量および中空断面形状は、欠損部５に対応していればいずれでもよい。

また、本実施の形態では、欠損部５を円形孔としたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、線状構造物７の中空断面形状と同様の形状を有していれば、馬蹄形等いずれの形状であってもよく、欠損部５の数量やその配置位置についても、なんら限定されるものではない。

さらに、本実施の形態では、立坑１の水平方向の耐震設計において、３次元解析モデルを採用したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、２次元解析モデルを採用してもよい。

１ 立坑
２ 立坑本体
３ 床版
４ 側壁
５ 欠損部
６ 補剛部材
７ 線状地下構造物
８ 接合部材
９ 地盤
１０ 岩盤

Claims (5)

1. 地盤中に構築され、線状地下構造物との接続部を備える立坑であって、
   側壁に孔状の欠損部を有する筒体よりなる立坑本体と、前記欠損部の近傍を補剛する補剛部材とを備え、
   該補剛部材は、中空部を前記欠損部と連通させる姿勢で、基端が前記側壁に剛接合された管状材よりなり、先端が前記側壁から突出し、前記線状地下構造物との接続部をなすことを特徴とする立坑。
2. 請求項１に記載の立坑において、
   前記補剛部材の先端に、前記線状地下構造物と接続する可撓性継ぎ手が設置されることを特徴とする立坑。
3. 請求項１または２に記載の立坑において、
   前記補剛部材の配置される地盤が、岩盤であることを特徴とする立坑。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の立坑の地震時設計方法であって、
   前記立坑本体の鉛直方向について、該立坑本体をモデル化した２次元解析モデルを作成し、該立坑本体の側壁において前記欠損部の周囲に発生する応力が前記補剛部材に分散することを考慮して該立坑本体の構造解析を行うとともに耐震性能照査を行った後、
   前記立坑の水平方向について、前記立坑をモデル化した２次元または３次元解析モデル作成し、該立坑の構造解析を行うとともに耐震性能照査を行うことを特徴とする立坑の地震時設計方法。
5. 請求項５に記載の立坑の地震時設計方法において、
   前記立坑の水平方向の耐震性能照査では、前記補剛部材の設計条件を変更することにより、前記立坑本体の部材耐力を増減させることを特徴とする立坑の地震時設計方法。