沿岸技術研究センター論文集

No.13(2013)

小名浜港大水深バルクターミナルの構造検討
青田 徹*・白井 博己**・荒川 圭***・吉川 慎一***** （一財）沿岸技術研究センター 調査部 主任研究員**（一財） 沿岸技術研究センター 調査役*** 国土交通省 東北地方整備局 仙台港湾空港技術調査事務所 先任建設管理官**** （株）ニュージェック 港湾・海岸グループ 港湾・空港チーム マネージャー

小名浜港東港地区に計画される大水深バルクターミナルについて，大型荷役機械，耐震強化岸壁，複雑な地盤条件等を考慮して，その構造を検討した．また，既設防波堤ケーソンを背後土留護岸として利用するための改良方策を検討した．
キーワード :ケープサイズ，石炭用アンローダ，桟橋構造，土留護岸，耐震照査

1. はじめに
重要港湾・小名浜港は，周辺に石炭火力発電所が多数立地しており，発電された電気は主に関東・東北地方に送電されている．小名浜港は，これら電力会社が扱う石炭等のエネルギー供給港湾としての機能を担っている．このような背景から，平成 23 年５月に「国際バルク戦略港湾」（石炭）の一つに指定され，将来にわたりますますその役割が重視されている．
平成 23 年３月 11 日東北地方太平洋沖地震により，小名浜港も甚大な地震・津波被害を被った．地域の要請に応え，安定的かつ継続的なエネルギー供給を図り，耐震性に優れ，ケープサイズ石炭バルク船(175,000DWT)に対応可能な係留施設として，東港地区に岸壁(-20m)(耐震)施設が港湾計画に位置づけられた．
図-1 に施設計画位置を示す．
本稿では，小名浜港の同施設を対象として構造検討を実施し，耐震性・経済性・施工性に優れた最適構造形式を選定した業務について，主要な内容を紹介するものである．

2. 構造検討における課題
本業務において主な技術的課題となった事項を以下に示す．これらの課題の解決を図りつつ，当該施設に最適な構造形式を選定する必要があった．
（1）大水深・大型荷役機械への対応と耐震性能の設定
国内でも類似例が少ない計画水深 20m，施設延長 380mのバルク対応岸壁に必要な要求性能と性能規定の設定，荷役機械の設定などが必要であった．
（2）係留施設全体としての耐震性の確保
当該地点の地盤は，工学的基盤である泥岩層の出現深度が岸壁延長 380m の中で標高-15m（中央部）～-25m（延長両端部）と縦断方向に変化していた．

図-1 岸壁の計画位置図
泥岩層から現海底面-10～-15m までは沖積砂層（平均N 値 19）であり，レベル２地震動の作用時に液状化すると予測された．既往の検討より，杭打設時に支障となる既設防波堤捨石マウンドが干渉せず，計画水深が確保できるよう岸壁法線位置が計画された（既設ケーソンから45m 前出し）
．しかしながら，地盤の液状化により土留護岸の変形が桟橋本体へも影響する点が懸念された．
さらに，大型荷役機械が搭載された桟橋は，桟橋構造と荷役機械の固有周期が近い場合，地震時に共振を生じるなど相互に影響を与える．これを適切に評価して施設全体の耐震性を担保する必要があった．
（3）泥岩層への杭の定着方法
大型アンローダの作業時反力，異常波浪時の床版下面に作用する揚圧力に対して，杭の地盤支持力の確保が必要であった．前述のように杭の根入れは泥岩層で確保せざるを得ない条件であり，先行オールケーシング削孔後砂置換では周面摩擦の確保ができない．
（4）劣化の著しい既設ケーソンの転用
築造後 40 年が経過した防波堤ケーソンを土留護岸として転用し，今後 50 年間，耐震強化施設の一部として- 51 -

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No.13(2013)供用する計画である．経年劣化と 2011 年東北地方太平洋沖地震の影響により，ケーソン本体は全長にわたり0.7～2.0m の沈下，先行して一部施工済みの裏込石は全長 40cm 程度の沈下が生じており，設計時想定のケーソン天端高までの裏込石築造が困難で，完成後の土圧軽減効果が不足する．干満帯，飛沫帯における側壁天端のひび割れや錆汁の発生は顕著であったが，ケーソンの水中部材は健全であった．
また，中詰土圧・水圧に対して，ケーソン側壁部材は使用限界状態の曲げひび割れの限界値を満足しないことが判明した．このため，長期耐久性において課題がある．

レベル２地震動は M6.5 直下型地震，福島県沖地震（海洋型）に加え，港湾空港技術研究所より公開された当該地点における 2011 年東北地方太平洋沖地震の事後推定
波 1)を検討対象とした．

3.3 荷役機械・船舶条件について（1）荷役機械の設定
2,000t/hrの荷揚げ能力を有するアンローダを対象とした．荷役機械製造業者へのヒアリングを通じ，「クレーン構造規格」（厚生労働省告示）に準じた概略検討と既往実績をふまえ，基本諸元を決定した．作業時全体質量1,750t，レールスパン25m，ホイルベース20m である．
また，免震装置は従来のコンテナクレーンの適用事例と同等程度を考慮し，固有周期 4.0 秒，減衰率 20%と設定し，耐震設計上のモデル化に反映した．表-2 に桟橋構造の永続・変動状態の照査に使用した輪荷重条件を示す．

3. 要求性能・性能規定の設定と設計条件
3.1 性能規定の設定について

表-2 アンローダ輪荷重

大型バルク船対応かつ耐震強化施設（特定・幹線貨物輸送の岸壁と同等）として，「港湾の施設の技術上の基準・同解説」（以下，「技術基準」という）に則り，要求性能と性能規定値を設定した．
性能規定値を設定するにあたり，施設利用者（船社・荷役業者）や荷役機械製造者にヒアリングを実施し反映した．さらに，耐震性能照査結果をふまえた上で性能規定値の確認を行った．性能規定の設定を表-1 に示す.
表-1 性能規定値の設定結果
性能規定項目船舶の接岸・係留

当初設定規定値
法線の出入り±50cm
最大水平変位 100cm
荷役機械の供用
脚部相対変位 30cm
転倒しないこと
荷捌き地の供用
最大水平変位70cm程度
背後段差 30cm 程度()内はヒアリング結果を示す．

耐震性能照査後
水平変位 4～24cm(接岸・係留可能)
相対変位なし・転倒しない(利用可能)
水平変位 80cm 弱，段差20cm 程度(復旧可能)

耐震性能照査の結果，桟橋構造は残留水平変形量が２～24cm と小さく，法線の蛇行は軽微なため船舶の着岸・係留に大きな問題はない．荷役機械についてもレール調整構造をあらかじめ内蔵しておくことで，地震後直ぐに復旧の対応が可能である．ただし，局所的な損傷が避けられない可能性が高いため，事前に交換用レールをストックしておくべきなどの意見があった．
土留護岸は水平残留変形量 80～40cm と大きいが，ケーソン背後の段差は 20cm 程度であり，敷き砕石・敷き鉄板程度の工事のため被災後３日以内の復旧が可能である．また，桟橋部から土留護岸への渡橋部分は岸壁全長で３箇所（１箇所当たり幅員 11.6m）であり，護岸側渡橋支承部は遊間長を設けて，土留護岸による反力が桟橋に伝達しない構造とした．

3.2 設計対象地震動について

区 分

1 作業時

2 休止時

3 地震時

水平力

アンローダ

備 考

コーナNo.

Ｒ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４

１隅車輪数12121212

垂直力（KN/輪）

505.2343.4

レール直角方向（KN/輪）

29.4

34.3

レール平行報告（KN/レール）

711.2

436.5

垂直力（KN/輪）

725.9

735.8

水平力

レール直角方向（KN/輪）

54.0

225.6

垂直力（KN/輪）

696.5

573.9

水平力

レール直角方向（KN/輪）

14.7

127.5

16m/s相当風荷重
100％負荷55m/s相当風荷重
無負荷
地震係数 k=0.2
海側：作業時陸側：休止時（2）船舶による作用
175,000DWT 級バルク船の船長，吃水等の諸条件は船社へのヒアリングにより具体的な値を用いた．付帯施設の検討の結果，防舷材は接岸反力 2,500kN のものを桟橋１ブロック（奥行き 38m）当たりに２基，係船曲柱は1,000kN 型を１基配置することとした．

4. 耐震性能の照査と各桟橋構造の特性
図-2 に耐震性能照査を実施し，比較検討を行った桟橋構造の代表例として PC 桟橋構造，ジャケット式桟橋構造の標準断面を示す．

4.1 耐震設計上の特徴構造形式の抽出において，桟橋構造毎の特徴を整理した．PC 桟橋は上部工の一部を PC 桁に置き換えて軽量化を図ることで杭本数を減じる構造であり，RC 直杭式桟橋と比べて上下部工の剛性が低く，たわみやすいため固有周期が長い特徴がある．一方，ジャケット式桟橋は下部工と上部工の主桁を鋼製の骨組みとすることで全体の剛性が高く，短周期寄りの構造であり，大水深・耐震岸壁への適用事例が多い．
RC桟橋は杭本数が多いため，両者の中間的な挙動となる．これらの比較により，安定性照査を実施する構造は PC 桟橋，ジャケット式桟橋，- 52 -

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RC 直杭式桟橋とした．
また，桟橋構造と荷役機械との相互作用に配慮し，免震装置付きアンローダをモデル化することとした．さらに，後述する土留護岸の改良方法によっては桟橋の耐震性にも影響を与える．この点を考慮して検討を実施した．

No.13(2013)27cm，残留 5cm と小さくなった．ただし，初期設定断面は，泥岩層と液状化する沖積砂質土層との境界付近で杭土中部に塑性ヒンジが発生した．
砂地盤の液状化対策を行う場合は，既存防波堤の基礎捨石が支障となり，高圧噴射式固化改良など非常に高価なものとなる．このため，繰り返し解析により必要な杭の肉厚を確保することとした．特に液状化層が厚い岸壁延長端部の区間では，最大 38mm の厚肉鋼管が必要となったが，港湾施設に納入実績がある製作可能な範囲内で収まった．

(a)PC 桟橋(液状化層が最も厚い工区の断面)

55000-5-5-5-10-155

標高 D.L.(m)

標高 D.L.(m)

標高 D.L.(m)(a)変形・ひずみ分布図-10-15-10-15-20-20-20-25-25-25-30-30
0M/Mp

0.5
1(M)/(全塑性M)

1.5

Mmax/Mp=1.0-300M/Mp

0.5
11.5(M)/(全塑性M)
Mmax/Mp=1.00M/Mp

0.5
11.5(M)/(全塑性M)
Mmax/Mp=1.0(b)杭の最大断面力分布図
図-3 レベル２地震動の地震応答解析結果(b)ジャケット式桟橋（液状化層厚が平均的な工区）
図-2 岸壁の比較構造断面図

4.2 レベル 2 地震動に対する地震応答解析（1）耐震性能照査の手順と解析結果
前述の設計条件をふまえ，永続状態・変動状態に対する静的な安定性照査を実施し，各構造形式の初期断面を設定した．レベル２地震動に関する偶発状態の照査は，地震応答解析によるものとし，港湾・海岸構造物の設計に豊富な適用事例がある FLIP を用いた．桟橋に搭載されるアンローダは，全体質量及び固有周期を合わせた簡易なラーメンモデルとして反映した．
解析結果の一例として，2011 年東北地方太平洋沖地
震推定波による PC 桟橋の照査結果を図-3 に示す．
沖積砂層の液状化の影響により土留護岸は 80cm 程度
海側に移動し，陸側杭を押し出すような挙動であったが，桟橋本体との離隔があるため岸壁自体の変位は最大

一方，ジャケット式桟橋の場合，下部工の剛性が高く杭本数を最小限としたため泥岩層への根入長が長い．このため，土留の変形を抑止するように作用し，杭のピッチやジャケットの剛性を上げるほどに桟橋に発生する断面力も増加し，不経済な断面となった．
以上の結果から，当該地点の条件では PC 桟橋のように変形しやすい構造が適すると判断した．
（2）荷役機械設計者への申し送り事項の整理
永続・変動状態の安定性照査に用いた輪荷重条件，アンローダの安定性を確保できる免震装置のスペック，アンローダの地震応答解析用入力地震動波形（桟橋天端の応答値）などを，アンローダ製作者への申し送り事項として整理した．これをアンローダ設計段階の初期条件へ反映することで，係留施設と荷役機械相互の耐震性能の整合を図るものとした．

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No.13(2013)

5. 杭の打設工法と設計への配慮
6.2 耐震強化施設としての安定性への対応
5.1 RS プラス工法の適用
近年開発された RS プラス工法 2)は，海上工事における杭の硬質地盤への定着を可能とするもので，既往研究では最大φ1,000 までの鋼管杭に対して先端支持力や周面摩擦の設計上の上限値が確認されていた．港内の臨港道路下部工工事（鋼管矢板井筒基礎）ではこれに類似した工法として，セメントジェット併用バイブロハンマ工法が採用され，杭の鉛直・引抜き載荷試験が実施されていた．これらの情報をふまえ，本施設の先端支持力や周面摩擦の上限値に配慮した．
PC 桟橋は現実的に施工可能な根入長で，設計上限値の範囲内で永続・変動・偶発の各設計状態に対して支持力を満足した．一方，ジャケット式桟橋は必要な根入長が長くなり，現地工程が長期化する傾向にあった．

土留護岸はレベル１地震動に関する照査用震度を算定すると khd=0.24～0.25 と大きい．このため，沈下と相まって永続・変動状態における安定性を満足しない．
このため，滑動の安定性が不足する区間は，上部工置換を高比重コンクリートとした（図中③）．沈下が大きく上部工重量が大きい，あるいは渡橋支承部など，転倒・支持力に課題がある区間は，背面側に上部工を張り出す形状として抵抗モーメントの増加を図った（図中④）．なお，既設ケーソン前面に捨石盛土を実施
すると土留の安定性は向上するが，レベル２地震時に桟橋構造の杭の断面力増加を招くため，採用不可とした（図中青線）．このように，各工区の地盤条件や沈下量を反映して対策断面を複数検討した．

5.2 打ち止め管理値の提案

7. おわりに泥岩層の出現深度に不陸がある場合を想定し，地震応答解析モデルにおいて泥岩層の深度や杭長を1m上下させ，構造安定性への影響を検証した．その結果，あらかじめ杭長に余裕をとり泥岩層への根入れ深度が長くなると，杭下端の拘束が大きくなり，土中域での塑性ヒンジの範囲が大きくなる傾向があった．これをふまえ，打ち止め管理の考え方を整理した．

PC 桟橋構造は，大規模地震発生時に積極的に変位を生じるため，部材耐力に余裕がある反面，構造全体の剛性が低く，接岸時・牽引時・作業時といった変動作用による天端の変位が大きい（ジャケット式桟橋の約２倍程度）．長期的な利用に際してベルトコンベア等が損傷に至らぬよう，細部設計段階に十分な配慮が必要である．

6. 土留護岸改良の検討
6.1 維持管理への対応
図-4 に土留護岸断面を示す．
維持管理方針の設定として，定期的な維持点検の容易さに配慮した．部材劣化が著しい箇所（図中①）は部分的な断面補修を実施する．
さらに側壁は使用限界状態を満足していないため，中詰土圧の軽減効果を図り，干満帯・飛沫帯は上部工置き換えによる対策とした（図中②）．側壁の劣化が進行し，中詰材の流出に至る可能性が懸念される場合も想定し，中詰材の薬液注入による固化工法を検討した．

謝辞
本稿は，国土交通省東北地方整備局仙台港湾空港技術調査事務所発注の小名浜港東港地区岸壁構造検討業
務の成果の一部をまとめたものである．
業務の実施にあたり，東北地方整備局小名浜港湾事務所，独立行政法人港湾空港技術研究所地盤・構造部
地震防災研究領域地震動研究チームリーダー野津様から貴重なご意見，ご指導をいただきました．また，性能規定の設定に関するヒアリングでは船舶関連会社様，荷役機械関連会社様，船舶荷役会社様にご協力いただ
きました．ここに厚く御礼申し上げます．

参考文献
1)港湾空港技術研究所研究ノート公開ページ：
http://www.pari.go.jp/bsh/jbn-kzo/jbn-bsi/taisin/r
esearch_jpn/research_jpn_2011/jr_407.html
2)菊池・山下・西海・石濱・田中・鈴木・横山・高橋：鋼管杭における杭とセメントミルクジェット併用バイブロ
ハンマ工法の開発，港湾空港技術研究所資料，No.1196，2009.6.

図-4 土留護岸改良対策- 54 -