2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of face stability theory considering progressive failure due to tunnel excavation

Research Project

Project/Area Number	21K14238
Research Institution	Saitama University
Principal Investigator	富樫陽太埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (90753294)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	トンネル / 土圧 / 切羽 / 安定 / アーチ効果 / アーチ作用
Outline of Annual Research Achievements	研究代表者らは，曲線状のすべり線を用い，緩み土圧を考慮した切羽土圧の推定方法を提案している。本研究では，トンネル掘削よる切羽崩壊の進行性の特徴を実験的に取得し，実用的な切羽安定性理論を構築を目指す。2022年度は，(a)大きい土被りを想定したトンネル模型を作製し，トンネル引き抜き実験を行いアーチ作用の影響を把握するとともに，(b)アーチ作用をモデル化可能な微分方程式を別途提案した。 (a)土被り比H/D=10までの模型地盤を作製可能な土槽を用い，二次元トンネル引き抜き実験を行った。材料の摩擦抵抗によって異なるが，結果，H/D=5-7で地表面の変位が生じずに部分的に地山が崩壊する様子（すなわちアーチ作用）が観察できた。土圧の傾向は昨年度に実施した，小さい土被りの実験と同様で，トンネル模型の引抜き量が大きくなるほど，地山の摩擦抵抗によって土圧は小さくなる。なお，既往の現場の知見よりもアーチ作用が生じる土被り比が大きいのは二次元の土槽だからである。次年度は，三次元の半トンネル断面の模型で実験ができる土槽を作製する予定である。 (b)切羽安定問題のアーチ作用は，H/Dが大きくなるほど崩壊高さが変化することがわかった。これは従属変数の導関数が従属変数の変化に応じて定まる1階微分方程式そのものの性質である。そこで，既往のロジスティック方程式を改良してアーチ作用の生じる土被り比を推定する微分方程式を考案した。トンネル引抜き実験の結果と比較した結果，概ね現象を捉えられることがわかった。一方，H/Dが大きい領域ではやや現象と乖離する解が得られたため，2023年度には提案式を改良していく予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2021年度に，切羽安定性を検証可能な新しい微分方程式を提案している。2021年-2022年にかけて，土被りをあえてかなり変化させたトンネル引抜き実験を実施して，崩土の領域を正確に捉えることに成功している。また，アーチ作用について土被りとの関係を，せん断抵抗角の異なる複数の土質試料を用いて実験的に観察するとともに，アーチ作用を定量的に把握可能な微分方程式を考案している。研究としては，順調な進展である。
Strategy for Future Research Activity	2023年度（最終年度）は，これまでの実験結果の取りまとめを行うとともに，検討しきれていない実験ケースや三次元的な影響についても検討していく。提案する複数の微分方程式を改良していく予定である。特にアーチ作用に関しては，最初に提案した切羽安定性理論に組み込まれていなかったので，アーチ作用を考慮する方法を試行錯誤する予定でいる。