高頻度検測データを活用したMTT運用計画支援システムの開発

１．はじめに

　現在，軌道における保守作業の多くは機械化が進んでいます．その中で，バラスト軌道で軌道の歪み（軌道変位）を整正する中心的な役割を果たしているのが，マルチプルタイタンパー（ＭＴＴ）という大型保守用車です．このＭＴＴを用いて，効果的かつ効率的に軌道を保守することが鉄道の安全安定輸送には欠かすことができません．そこで，定期的に測定した軌道の検査結果を用いて，軌道状態の将来推移を予測し，ＭＴＴの運用計画を策定するＭＴＴ運用計画支援システム（ＭＴＳ）をこれまでに開発しました．このＭＴＳを用いた運用計画の策定フローを図１に示します．このシステムは現在，一部の鉄道事業者において活用されています．

　一方，近年では，鉄道総研で開発した慣性正矢法を用いた軌道検測装置が営業車両に搭載され，従来よりも高頻度の軌道検測データが日々蓄積されています．そこで，高頻度検測データ（高頻度データ）を活用できるようにＭＴＳを改良しましたので紹介します．

  • 図1　MTT 運用計画作成フロー
    図1　MTT 運用計画作成フロー

２．高頻度データ対応版ＭＴＳの開発

　今回，従来版のＭＴＳを高頻度データに対応できるように，以下の機能等を新たに追加しました．

■ 高頻度データへの対応：１日に複数回取得されたデータを読み込み，各日の代表データを作成する機能や異常値を排除する機能を追加しました．これにより，従来頻度で取得されたデータと高頻度データの両方のデータを活用できます．

■ 軌道変位進みの予測パラメータのロット別最適化：従来版では，軌道変位の予測に用いるパラメータ（軌道変位進み，保守効果）を全ロットで共通にしていましたが，履歴データを活用してロット別に予測誤差が最小になるようにパラメータを算出して用いるようにしました．これにより，予測値の精度が向上し，計画の品質が高まると考えられます．

■ 軌道変位推移の確率的予測：ロットごとに軌道変位の予測誤差を算出し，予測値と共に出力できるようにしました．これにより，各ロットにおける予測値の信頼性を評価，比較できます．

　図２は開発したＭＴＳの主操作画面であり，本画面上で必要なデータの読み込みや処理を行います．

  • 図2　MTT運用計画支援システムの主操作画面
    図2　MTT運用計画支援システムの主操作画面

３．システムによるＭＴＴ運用計画の作成と評価

　高頻度データを用いた場合と従来頻度データを用いた場合にシステムで策定したＭＴＴ運用計画にどのような違いが生じるのかを分析しました．データは約１年半の間に取得された10m 弦高低変位の標準偏差を用いました．ロット延長は約100m とし，これらのデータを基に６か月先のＭＴＴの運用計画を策定しました．

　使用したデータ別の施工計画対象箇所を比較した結果を図３に示します．両データで共通する施工計画箇所は，施工計画対象となった48 ロット中43 ロットである一方，施工計画対象の約10％にあたる５ロットで施工箇所が異なりました．

　ＭＴＳは軌道変位の予測値に基づいて計画を策定するため，計画が異なったロットについて，計画期以前の軌道変位の推移を分析しました．ここでは例として，施工計画箇所に高頻度データを使用した場合にのみ選択されたＡと従来頻度データを使用した場合にのみ選択されたＢの軌道変位推移を図４に示します．Ａでは軌道変位進みは高頻度データを使用した方が大きく算出されるため，施工計画箇所に選択されたと考えられます．一方，Ｂでは，ＭＴＴ保守後，高頻度データでは軌道変位進みが徐々に鈍化する傾向を把握できるのに対して，従来頻度データでは保守後のデータ数が２点しかないため，このような傾向の変化を把握できません．このため，従来頻度データを用いた方が軌道変位は大きく予測され，施工計画箇所に選択されたと考えられます．このように，従来頻度データでは把握できない軌道変位進みの変化を高頻度データでは捉えることができ，精度の高い予測ができるため，高頻度データを用いた方が質の高い運用計画を策定できると考えられます．

  • 図3　施工計画対象箇所の比較
    図3　施工計画対象箇所の比較
  • 図4　箇所A，Bの軌道変位推移
    図4　箇所A，Bの軌道変位推移

４．まとめ

　これまでに開発したＭＴＳによるＭＴＴ運用計画の作成フローと高頻度データ対応版に追加された機能について紹介しました．また，高頻度データと従来頻度データを使用した場合の軌道変位の推移を比較することで，従来頻度データでは捉えることができない軌道変位進みの変化を高頻度データでは捉えられることを確認しました．今後は策定された計画による軌道状態の改善効果について検討する予定です．

（記事：山口剛志）

防音壁の簡易地震応答評価法

１．はじめに

　高速鉄道における環境性能確保や寒冷地における積雪対策のために，背の高い防音壁の採用や既存防音壁の扛上の事例が増加しています（通常1.5～2.5m程度のものを3.5m に扛上）．鉄道の防音壁の設計は，従来，強風時（風速50m）の静的簡易照査 （設計風荷重3.0kN/m2，震度kh=2.0相当）を基本としてきましたが，背の高い防音壁においては，剛性低下に伴う地震時の共振の発生等，未解明の現象の発現が懸念されました．このため，設計地震動の大規模化に則した応答メカニズムの解明や実用的な設計法の整備を行いました1)， 2)．

２．防音壁の共振メカニズムの解明

(1) 現地測定

　対象とした半雪覆型防音壁はH鋼支柱にPC板を落とし込んだ形式で，H鋼支柱基部はRC地覆に埋め込まれ固定されます（図１）．高さの異なる複数の防音壁のインパルスハンマ試験および列車走行試験により，当該構造形式の固有振動モード特性を明らかにしました（図２）．

  • 図1　半雪覆型防音壁
    図1　半雪覆型防音壁
  • 図2　防音壁の固有振動数
    図2　防音壁の固有振動数

(2) 防音壁の詳細な有限要素解析

　対象とした半雪覆型防音壁の破壊形態および耐震性能を把握するために，鉄筋までを詳細にモデル化した有限要素解析を行いました（図３）．当該防音壁は水平震度2.2程度で構造部材であるH鋼が降伏し，水平震度3.2 程度で変形が大きく進行し終局状態となることが明らかとなりました．

  • 図3　防音壁の破壊形態
    図3　防音壁の破壊形態

(3) 防音壁/構造物との動的相互作用シミュレーション解析

　実在する鉄道構造物と防音壁の組み合わせは膨大です．このため，防音壁の共振現象の支配要因を考慮した構造物／防音壁の動的相互作用解析モデルにより，防音壁の地震時水平振動評価モデルを新たに構築することとしました（図４）．これらの数値モデルを用いて，大規模パラメータ解析を行った結果，背の高い防音壁の地震時の応答は，下部構造物との連成により，等価固有周期Teq(=1/feq)，弾性固有周期，降伏震度khy，防音壁との重量比αnbr等のパラメータに依存して大きく変化すること，構造物の天端の回転入力により，10～35％程度増加すること等が明らかとなりました（図５）．

  • 図4　防音壁の地震時応答解析モデル
    図4　防音壁の地震時応答解析モデル
  • 図5　構造物天端の回転入力が防音壁応答に及ぼす影響
    図5　構造物天端の回転入力が防音壁応答に及ぼす影響

３．防音壁の共振現象の一般化

　上記の解析結果を概ね包絡するように，相関の高い防音壁の固有振動数fnbrと構造物の降伏振動数feqの比fnbr/feqを基本パラメータとして，地震動毎に防音壁の最大応答震度の一般化を図りました（図６）．図中のYa，Ybは構造物の降伏震度，構造物と防音壁の重量比をパラメータとした関数です．

　更に，実務における簡便化を図るため，構造物重心からの防音壁の高さH'，回転振動による補正係数kθ6)およびkhr0，nbrに基づいた防音壁の設計応答震度khrd，nbrとして式(1)を提案しました．

  • 式１　　　(1)

　図７は，H'=5m，kθ=0.10，αnbr=20という一般的な条件を基に算出した防音壁の設計応答震度です．本図を用いて防音壁の耐震設計で用いる設計震度を簡易に設定することができます．例えば，構造物が降伏振動数1Hz，降伏震度0.7で，防音壁が固有振動数4Hzの場合，設計震度がL1地震動時には0.93，L2地震時には1.59 となります．壁式高架橋のように降伏震度，降伏振動数が共に高い構造物の場合，防音壁の地震時応答が大きくなりますので注意が必要です．

  • 図6　防音壁の最大応答震度の解析結果と一般化
    図6　防音壁の最大応答震度の解析結果と一般化
  • 図7　防音壁の設計応答震度
    図7　防音壁の設計応答震度

４．おわりに

　本研究では背の高い防音壁の地震時の応答メカニズムの解明や実用的な設計法の整備を行いました．本研究の成果が一助となれば幸いです．

参考文献

1) 徳永宗正，曽我部正道，後藤恵一，山東徹生，玉井真一，小野潔：列車通過時の鉄道構造物上防音壁の動的設計法，土木学会論文集A1（構造・地震工学），Vol.69，No.2，pp.392-409，2013．

2) 徳永宗正，曽我部正道，渡辺勉，山東徹生：鉄道高架橋との連成を考慮した防音壁の地震時応答評価，第20回鉄道技術連合シンポジウム（J-RAIL2013），講演論文集，pp.165-168，2013．

（記事：徳永宗正）

地形を考慮した土石流の発生危険性評価

１．はじめに

　自然斜面や切土・盛土のり面の崩壊，あるいは土石流など降雨による様々な斜面崩壊から列車の安全を確保するためには，斜面崩壊の危険性を適切に評価し，崩壊危険性の高い箇所をあらかじめ把握しておくことが重要です．そこで，自然・切土斜面表層の崩壊を対象として，斜面表層の地下水位を求めた上で安定性を計算する解析モデルについて検討してきました1)2)．ここでは，この解析モデルを利用して土石流の発生危険性を評価する方法3)について紹介します．

２．解析モデルの概要

　解析モデルにおける斜面表層の雨水流動に関する概念図を図1に示します．解析モデルでは地形図等をもとに対象斜面の地形を格子状に分割（図1(a)）した要素ごとに，斜面表層（厚さ，土質条件など）を設定（図1(b)）します．また，地形的に凹地となる箇所に沢（渓流，以下渓流と表します）を設定します．そして，地形に支配される要素間の雨水流動を考慮して要素ごとの地下水位や渓流の流量を計算します．

　解析モデルの計算フローを図2に示します．解析では初期条件を入力した上で，①地形条件から各要素の勾配を求めて水が流れる向きと渓流を設定します．次に，②設定した降雨を入力することで，要素ごとの水の流入量，流出量から要素の平均化した飽和度（要素内の空隙に対する水の量の割合）を求め，③これから地下水位を計算します．そして，④求めた地下水位から要素ごとの崩壊に対する安定性を，簡便法として斜面表層の安定解析によく利用されている無限長斜面の安定解析手法を用いて安全率（安定性の指標：値が小さいほど安定性が低い）として算出します．上記②～④をある時間間隔Δtで設定計算時間まで繰り返し行うことで，対象斜面全域における自然斜面と切土斜面表層の崩壊危険性を経時的に計算します．なお，計算方法の詳細は参考文献1)，2)を参照して下さい．

　土石流の発生危険性には，図3に示すとおり，1)渓流の流域における斜面の崩壊危険性と，2)渓流の水量が大きな影響を及ぼします．そこで，図2に示したとおり，解析モデルによる水の流れ計算から求められる渓流の水量と，安全率計算から求められる渓流の流域斜面表層の崩壊危険性から，土石流発生の危険性を評価します．

  • 図1　解析モデルにおける斜面表層の雨水流動に関する概念図3）
    図1　解析モデルにおける斜面表層の
    雨水流動に関する概念図3）
  • 図2　解析モデルの計算フロー
    図2　解析モデルの計算フロー
  • 図3　土石流の発生危険性
    図3　土石流の発生危険性

３．事例解析

　実際に土石流が発生した箇所を対象とした事例解析の結果として，渓流流域斜面の安定性の空間分布に関する計算結果例を図4に示します．降雨量の増加に伴って流域斜面において安定性が低下する要素数（面積）が増加しています．そこで，渓流の流域斜面の全要素に対して流域斜面の安定性が一定値以下となる要素の割合を崩壊面積率と定義し，この値を渓流の流域斜面の崩壊危険性の指標としました．

　崩壊面積率と渓流水量の経時変化の計算結果例を図5に示します．降雨量の増加に伴って，崩壊面積率，渓流の水量とも増加しています．したがって，土石流の発生時に想定される渓流の流域斜面の不安定化と渓流水量の増大という2つの現象が解析モデルによる計算で再現できることがわかります．

  • 図4　渓流流域斜面の安定性の空間分布結果例3）（10m格子間隔の数値標高モデルに図化）
    図4　渓流流域斜面の安定性の空間分布結果例3）（10m格子間隔の数値標高モデルに図化）
  • 図5　崩壊面積率と渓流水量の経時変化の計算結果例3）
    図5　崩壊面積率と渓流水量の経時変化の計算結果例3）

４．おわりに

　本稿では，土石流の発生危険性を評価する解析モデルの概要と事例解析の結果について紹介しました．今後，土石流発生箇所を対象とした事例解析を数多く実施することで，解析モデルの妥当性や適用性について検討する予定です．

【参考文献】

1)布川修，杉山友康，太田直之：地形を考慮した斜面表層部の地下水変動予測モデル，鉄道総研報告，Vol.22，No.1，pp.23-28，2008

2)布川修，杉山友康，太田直之：地形を考慮した斜面表層部の地下水変動と安定性評価，鉄道総研報告，Vol.24，No.5，pp.17-22，2010

3)布川修，太田直之，石川智史：地形を考慮した土石流の発生危険性評価，鉄道総研報告，Vol.27，No.11，pp.35-40，2013

（記事：布川修）