１．はじめに

　シールドトンネル工法とは，都市部の未固結地盤に適用されるトンネル施工方法の1つであり，図1に示すように，シールド機で掘削を行い，トンネル本体は覆工を分割したプレキャストRC部材（以下，セグメント）を組み上げることによって構築するものです．
　その設計では，トンネル延長上の地盤が複雑な箇所等において，縦断方向の検討が必要となる場合があり，トンネル本体を一様な剛性を有する梁（以下，等価剛性置換梁）でモデル化した構造計算方法が用いられています^1）．鉄道総研では，より詳細な挙動を把握するために現在，セグメントをシェル要素，継手をバネ要素でモデル化する3次元FEMモデル（以下，シェル－ばねモデル）を簡易に作成できるプログラムを構築し，その妥当性の検証を行っています．本稿では，等価剛性置換梁とシェル－ばねモデルによる解析を比較した結果についてご報告します．

2．等価剛性置換梁による構造計算方法

　等価剛性置換梁による構造計算では，図2に示すように，トンネル本体は一様な剛性を有する梁要素，地盤は鉛直，水平方向のバネで表現され，この解析モデルに荷重を作用させて応答値を算出し，セグメントに発生する断面力や継手の目開き量の照査を行います．この梁要素の剛性や地盤バネの設定方法は，「鉄道構造物等設計標準・同解説シールドトンネル」を参考にして設定しています．解析モデルが簡単であるため，利便性が高く，縦断方向の挙動解析で多く利用されています．

3．シェル－ばねモデルによる解析方法

　シェル－ばねモデルによる解析方法では，図3に示すように，セグメントはシェル要素，継手，地盤はバネ要素で表現されます．この方法を用いると，等価剛性梁による構造計算方法ではできない，詳細なセグメント本体や継手特性の入力を行いそれらの影響を把握することや，縦断方向の挙動変形が算出することができるという利点があります．ただし,セグメントや継手の寸法や形状はトンネル毎に異なるため，解析モデルの作成に多大な時間を要するという課題がありました．

4．シールドトンネル縦断方向の挙動解析

　図4には，解析対象トンネル，解析条件について示します．土被り14mにシールドトンネルが位置する状況を考え，トンネル延長は400mとしております．解析モデルは前述で記載した2種類の方法を用いてモデル化しております．地盤は，地盤反力係数が3900kN/m³（N値10相当）の地盤Aと地盤反力係数が地盤Aの1/10とした地盤Bの地盤反力係数390kN/m³（N値1相当）で構成されるものとして，トンネルの自重と土水圧を作用させています．図5には，等価剛性置換梁，シェル－ばねモデル解析それぞれから得られたトンネル上端および下端（等価剛性置換梁は下端よりの結果）の鉛直変位量を示します．これより，地盤反力が部分的に小さくなるモデル中央位置付近では，変形量が大きくなっていることが確認できます．両解析手法の比較ですが，シェル－ばねモデルによる解析のトンネル下端の鉛直変位量が，等価剛性置換梁の結果とほぼ一致することから，シェル－ばねモデルの妥当性が確認できます．また，シェル－ばねモデルでは上端，下端それぞれの変位量がでることから，トンネル内空変位量も算出することができます．さらに，シェル－ばねモデルに劣化が進行したセグメント本体の継手特性等を入力することで，トンネル健全性を評価する一手法となりうるものと考えられます．

4.まとめ

　シールドトンネルの縦断方向の鉛直変位量を，等価剛性置換梁による構造計算，シェル－ばねモデルによる解析を用いて算出した結果を示しました．また，等価剛性置換梁による構造計算，シェル－ばねモデルによる解析を比較したところ，トンネル下端では両者の鉛直変位量がほぼ一致することがわかりました．シェル－ばねモデルによる解析は，セグメント本体や継手を詳細にモデル化できるため，今後はセグメント本体や継手の劣化機構を実験的アプローチにより解明し，その結果を用いてシールドトンネルの縦断方向の挙動が，どのように変化していくかについて検討する予定です．

文献

1)（財）鉄道総合技術研究所：鉄道構造物等設計標準・同解説シールドトンネル，平成14年2月

１．はじめに

　H24年7月に鉄道構造物の耐震設計標準（以下，耐震標準）が改訂されました．これに伴いL2地震動の標準地震動が見直されるとともに，この標準地震動の適用範囲が明確化されました．具体的には以下の2つの条件のうち，いずれかに該当する地域では，耐震設計上注意を要する箇所と判定され，基本的には強震動予測手法によってL2地震動を設定する必要があります．
① Mw=7.0 よりも大きな震源域が建設地点近傍に確認される場合
② 耐震設計上の基盤面より深い地盤構造の影響によって地震動の著しい増幅が想定される場合
　そこで今回は，強震動予測手法を用いたL2 地震動の評価事例として，立川断層帯（Mw6.8）による地震を想定した鉄道総研位置の地震動を算定したので，その手順と結果について解説します．

２．サイト増幅特性の評価

　地震動の評価を行う前に，鉄道総研位置で地震観測を5 ヶ月間実施し，サイト増幅特性（地震基盤面～耐震設計上の基盤面までの地震増幅）を評価しました（図1 の青線）．これより，対象地点においては0.5Hz,3Hz辺りに増幅のピークがみられるものの，その絶対値はそれほど大きくないことが分かります．耐震標準では前述の②に該当する地域の判定基準として，図1 に示す橙色の増幅倍率を定めていますが，鉄道総研位置のサイト増幅特性は全周期帯域でこれよりも小さく，深部地盤構造による地震増幅の観点からは詳細な検討が必要な地点には該当しないことが分かります．

３．耐震設計上の基盤面位置での地震動評価

(1) 断層位置，断層パラメータの設定

　防災科学技術研究所によって設定された断層位置を図2の緑線に示しますが，これは実際の断層面の地表トレース（図中の黒線）と比べると，全体的にやや西側に設定されています．一方で鉄道総研は断層の地表トレースの東側に位置するために，これをそのまま用いると実際の距離よりも遠く設定してしまい，危険側の評価となる可能性があります．そこで今回は，図2 の赤線に示すように防災科研によるモデルを東側に2km移動させた断層面を用いて地震動評価を行うこととしました．
　続いて，強震動予測手法を実施する際に必要な断層パラメータは，東京都の被害想定で用いられている結果を基本としますが，震源位置，断層すべりには不確定性があるため，それらを考慮した全1000パターンを設定しました．最終的には，鉄道総研位置の構造物への影響が最も大きくなる図3のモデルを採用しました．

• 
  図2　断層位置の設定
• 
  図3 選定した断層モデル

(2) 耐震設計上の基盤面位置の地震動評価

　以上の条件に基づき，対象地点の耐震設計上の基盤面位置での地震動を評価します．地震動評価手法としては，ハイブリッド合成法（統計的グリーン関数法＋ボクセル有限要素法）としました．これは，短周期成分を統計的グリーン関数法，長周期成分をボクセル有限要素法で計算し，それぞれの結果を合成することで，広い周期帯域で精度の高い地震動を予測可能な手法です（図4）．
　ボクセル有限要素法によって評価された速度分布のスナップショットを図5に示します．東京都の東部は地震基盤が深くなっているために地震が大きく増幅され，震源遠方にもかかわらず振幅が大きくなっていることが分かります．最終的に得られた耐震設計上の基盤面位置での地震動を図6に示します．断層近傍でかつ破壊の進行方向に総研が位置するように震源特性を設定しているため，継続時間が非常に短く，かつ加速度が1000galを上回る非常に大きな値となっています．

４．地表面位置での地震動，所要降伏震度スペクトルの評価

　対象地点における地盤調査結果を用いて地盤応答解析により地表面位置の地震動を評価しました．地盤の非線形構成則は，耐震標準において標準的なモデルとして推奨されているGHE-S モデルを用いました．最終的に得られた地表面地震動を図7に示しますが，地盤の塑性化の影響で最大加速度は基盤位置と比較して3 割程度小さくなっていることが分かります．
　最後に，構造物の応答値を所要降伏震度スペクトルで評価した結果を図8に示します．応答塑性率μ=1 において，0.5秒付近でスペクトルII を上回る場合も存在するものの，概ねスペクトルII と同レベルとなっています．つまりこの地点においては，断層のほぼ直上に位置するものの，スペクトルIIを用いた設計を行うことで，この地震の発生を想定した場合にも安全性を満足した構造物となっていることが分かります．

５．おわりに

以上のように，断層を特定した地震動評価は，十分実用的な方法となってきました．地震動評価を実際に検討される場合には，下記連絡先までお気軽にお問い合わせください．

１．はじめに

　近年頻発している局所的な短時間強雨によって，中小河川や線路沿線水路の氾濫に伴う災害が年々増加する傾向にあります．このような災害事象に対し，流出・氾濫シミュレーションを用いた鉄道施設への影響評価手法の検討を進めています．流出・氾濫シミュレーションの解析条件として，降雨が地盤内にどの程度の割合で浸透するかが重要なパラメータとなります．そこで，本論では，斜面を模擬した模型地盤を用いて散水実験を実施し，散水強度と地盤の浸透能に関する検討を行ったのでご紹介します．

２．実験概要

図1に土槽の概略と計測機器の設置位置を，図2に模型地盤の状況を示します．また，表1に実験条件を示します．模型地盤は，稲城砂と川砂との配合条件により3 種類を作成し，任意の締固め度で構築することで飽和透水係数を変化させています．構築した地盤に対し，斜面の勾配と散水強度をそれぞれ変化させた時の表面からの流出水量，地盤内からのの浸出水量，間隙水圧，飽和度，および地盤底面の圧力水頭の経時変化を計測しています．本稿では，各計測項目のうち，表面水量および地盤内からの浸透水量に着目して整理した結果について述べます．

３．実験結果

図3(a)～(d)は，流入水量と流出水量の経時変化の例として，模型地盤B における傾斜角15°の際の計測結果を散水強度別に示したものです．図中の限界浸透水量とは，飽和透水係数より算出した水量であり，流入水量とは散水強度と土槽の地表面積との積により算出される水量を示しています．図から，散水強度が25，50mm/hと小さい場合には表面からの流出水量よりも地盤内からの浸出水量が多くなっていますが，散水強度が100mm/hを超えると降雨初期における表面からの流出水量の立ち上がりが顕著になるとともに表面からの流出水量が地盤内からの浸出水量を上回ることが分かります．そこで，散水開始直後から表面からの流出水量が一定値に収束するまで立ち上がり部分に着目し，単位時間当たりの流出量であるdQ/dtを整理しました．図4(a)～(c)は，各地盤条件において算出した散水強度別のdQ/dtの値を勾配別にプロットしたものです．また，図中には，限界浸透水量を散水強度に換算したものを同時に示しています．図から，比較的透水性の低い地盤B については，限界浸透水量とほぼ同程度の降雨が発生すると表面流の発生を示すdQ/dtの増加が確認できる一方で，地盤B よりも高い透水性を持つ地盤Aおよび地盤Cについては，限界浸透水量よりも低い散水強度からdQ/dtの増加がみられます．このことは，飽和透水係数から求めた限界浸透水量に相当する降雨量より小規模な降雨量でも表面流出が発生する場合があることを示唆しています．また，その降雨量は地盤種別ごとに異なると考えられます．

４．おわりに

今後は，地盤内の飽和度や間隙水圧の経時変化に着目したデータ整理を実施し，表面流出の発生メカニズムを把握するとともに，実験データを蓄積して表面流出が卓越する降雨強度を斜面勾配や土質条件別に推定する手法を検討する予定です．

１．はじめに

　鉄道車両が曲線を走行する際に発生する車輪とレールの摩耗や騒音の主な原因の一つは，台車前軸で発生する大きな横圧です。横圧を抑制するためには，車両側と軌道側の対策の他に車輪とレール間の摩擦力を低減する潤滑剤の使用も有効です。車輪／レール潤滑システムは，外軌潤滑と内軌潤滑とに分類されます。外軌潤滑は，車輪フランジとレールゲージコーナの接触部に潤滑剤を入れますが，その際に潤滑剤の付着範囲を車輪踏面またはレール頭頂面までに拡大することなく，摩擦係数をより小さくすることが望まれます。内軌潤滑は，レール頭頂面に潤滑剤を塗布するため，空転・滑走を起こし難く，制動距離の延伸の小さい潤滑剤が望まれます。国内で使用されている車輪／レール用潤滑剤は，油系，グリース系，水溶性タイプ，固体系に分類できます。また，潤滑剤の代替品として安価な水が適用される場合もあります。油系やグリース系の潤滑剤は，外軌側に広く使用されてきた実績があるものの，車輪踏面やレール頭頂面にまで付着して滑走した場合に問題となります。近年，鉄道総研ではブレーキ性能への影響が少ない外軌用油系潤滑剤（以後，既存試作品と呼ぶ）や，空転滑走を抑制する内軌用固体潤滑剤も開発しています。また，安価な水に対して，防錆効果があり，かつ環境負荷の少ない水系潤滑剤（以下，新規試作品と呼ぶ）も試作しました。本研究では，潤滑剤の適用性を確認するために各種潤滑剤（代表的な既存および試作品）の基本特性，例えばトラクション挙動，横圧低減効果，ブレーキ性能について調べました。以下に得られた結果を紹介します。

2．室内試験による潤滑剤の基本特性調査（トラクション挙動）

　２円筒転がり接触試験機を用いて調べた各種潤滑剤のトラクション係数とすべり率の関係を図１に示します。空転または滑走を抑制するためには，巨視すべり領域ではすべり率の増大に伴ってトラクション係数が大きくなる潤滑剤が望ましいと一般的に言われています。図から，固体潤滑剤や新規試作品のトラクション係数がすべり率の増大に伴って大きくなることが確認され，大きな空転や滑走が生じにくい潤滑剤と考えられます。一方でグリース系，油系，水溶性潤滑剤は，トラクション係数がすべり率の増大に従って小さくなるため，一旦滑走が起きたら，再粘着し難いと考えられます。水の場合は，微小すべり領域から巨視すべり領域にわたって上記のいずれの潤滑剤よりも高いトラクション係数が示され，また，すべり率の増大に従ってトラクション係数がほぼ一定値を維持することから，空転または滑走を起こしにくいものと考えられます。図中の微小すべり領域（すべり率約0.6％）でのトラクション係数に注目すると，新規試作品はグリース系や油系（既存試作品を除く），水溶性潤滑剤と同程度に低く，かつ巨視すべり領域ではすべり率の増加に従って大きくなる挙動を有するため，横圧低減と空転・滑走抑制の両面から有望であると考えられます。

3. 所内試験線における潤滑剤の基本特性調査

3.1 横圧低減効果

　曲線区間（半径176m，カント105mm，スラック20mm）において，４種類の潤滑剤をそれぞれ内軌頭頂面に塗布した後，試験車両が40km/h で通過する際の横圧を測定しました。固体潤滑剤2の散布には車載噴射装置を用い，固体潤滑剤1，水溶性潤滑剤と新規試作品は横圧測定箇所の前後約20m 区間で手塗り塗布しました。各種潤滑剤条件下の先頭軸の横圧（平均値）の測定結果を図２に示します。無潤滑（乾燥条件）と比べて内軌側横圧と外軌側横圧のいずれも潤滑により大幅に低下しています。内軌側では新規試作品の横圧低減効果が一番大きく，外軌側では水溶性潤滑剤，新規試作品，固体潤滑剤1と固体潤滑剤2の順に横圧低減効果が大きくなりました。

3.2 ブレーキ性能

　直線区間において，４種類の潤滑剤をそれぞれ内軌頭頂面に塗布した後，試験車両に塗布箇所を40km/hで通過させた後，直ちに空気ブレーキの常用最大（B7）ブレーキを掛ける試験を実施しました。固体潤滑剤2については，0.1g/mをブレーキ区間全体に渡って片側の車輪・レールの接触部へ噴射しました。固体潤滑材1はブレーキ開始地点の手前3mの区間に3.5mℓを手塗りしました。水溶性潤滑剤と新規試作品はブレーキ区間の手前から1mℓ/secを片側のレール頭頂面に塗布しました。雨天を模擬した散水条件は4.0ℓ/minをブレーキ区間の手前から左右レールの頭頂面に散水しました。各種潤滑剤塗布時の実平均減速度の測定結果を図３に示します。いずれの条件においても，潤滑剤の使用により実平均減速度が小さくなりました。乾燥条件の場合は，固体潤滑剤2，固体潤滑剤1，新規試作品，水溶性潤滑剤の順に実平均減速度が小さくなり，散水条件の場合は，新規試作品を塗布した場合の実平均減速度はほかの潤滑剤と比べて高い値を確保できていることがわかります。一方で残りの３種類潤滑剤はそれほど大きな差が見られませんでした。

４．まとめ

　本研究で得られた主な知見を以下に示します。
(1)内軌潤滑の場合，横圧低減効果のほかに，空転・滑走が生じ難いことが求められることから，固体潤滑剤や新規試作品の使用が妥当と思われます。但し，潤滑剤を地上から供給する場合は，グリース系や油系，水溶性潤滑剤と比較して延び性が劣るため，塗布装置の設置間隔を短くする必要があります。
(2)外軌潤滑の場合，今回比較したグリース系や油系では顕著な性能の差はありませんでした。そのため，内軌潤滑を実施しても外軌側横圧の低減効果が十分でなく，外軌側のレール側摩耗が激しい場合に外軌潤滑を併せて実施するのが良いと考えられます。