第64回(2020年度)

北海道開発技術研究発表会論文

強大地圧想定区間における中央導坑先進工法の施工について―一般国道40号音威子府村音中トンネルの施工報告―
北海道開発局旭川開発建設部士別道路事務所 ○髙橋 民雄
北海道開発局旭川開発建設部士別道路事務所
小川 修
清水・伊藤・岩倉特定建設工事共同企業体
大久保 征一郎

現在建設中の音中トンネル中央部に分布する断層破砕帯区間では強大な地圧が想定されたため，当該箇所の真円三重支保の構築過程における支保及び切羽の安定化を目的とした中央導坑先進工法を採用した．導坑掘削により，破砕帯の分布域や影響範囲の検証，掘削データの収集などを実施し，本坑支保構築となる拡幅掘削の施工に反映出来た．本報告は，強大な地圧想定区間における導坑掘削及び拡幅掘削の施工事例を報告するものである．
キーワード：中央導坑，特殊地山

1. はじめに(1) 音中トンネルについて
一般国道40号は，旭川市を起点に稚内市に至る延長約250kmの幹線道路である.このうち「音威子府バイパス」
は，現道の雪崩による特殊通行規制区間を解消及び道路交通の定時性，安全性向上や交通事故低減を目的とした総延長約19kmのバイパス事業である.
「音威子府バイパス」では，4本のトンネルを建設しており，音中トンネルは，事業区間のほぼ中央に位置する延長4,686mの道路トンネルである（図-1）.

図-1 音威子府バイパス全体図(2) 音中トンネルの地質概要
音中トンネルの地質縦断図を図-2 に示す.掘削対象となる地層は起点側（音威子府側）から蝦夷層群の泥岩，貫入岩の蛇紋岩，空知層群の玄武岩類および蝦夷層群の砂岩・泥岩である.このうち蛇紋岩分布区間は延長約460ｍで，この区間の最大土被りは320ｍである（図-2）.

図-2 音中トンネル 地質縦断図(3) 蛇紋岩区間における施工状況
蛇紋岩区間は起点側から掘削しており，玄武岩との地層境界近傍であるSP8591まで掘削を進めていたが，平成26年1月に切羽近傍において鏡面の押し出し及び盤膨れが確認され，その後変状は坑口方向へ波及し，最終的には蛇紋岩分布区間の全域の再施工を余儀なくされた．変状の発端となった蛇紋岩と玄武岩との地質境界部では，調査ボーリングや近傍の切羽観察の結果から，玄武岩から変質した緑色岩起源の断層破砕帯（図-3）が切羽に対して低角（見かけ傾斜30°程度）で分布していることが確認されており，強大な地圧による変状発生要因の１つであることが推定された．また，断層破砕帯区間の原位置試験による地山物性値は，蛇紋岩区間での支保設計で採用している変形係数E=150MPa に対して約80％程度の値であり，極めて脆弱であることが確認された．以上より，本坑断面から断層破砕帯の離隔（土被り）が本坑１Ｄ程度となる区間を断層破砕帯影響範囲「蛇紋岩境界部」と位置づけて掘削方法の検討を実施した結果，既報
1）の通り中央導坑先進工法を採用することとした．

TAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 811 －←起点側
SP8591

終点側→蛇紋岩

掘削方向

3. 蛇紋岩境界部の地質調査

本坑1D=15m

導坑

導坑掘削に先立ち，下記の項目について事前に地質調査を実施した。
・ 当初掘削時の切羽崩壊（SP8591）による天端・切羽のゆるみ状況確認
・ 蛇紋岩－玄武岩が混合する破砕帯の分布形態・物性値の把握
・ 玄武岩（緑色岩）硬質部の出現位置・形態の把握
・ 玄武岩（緑色岩）硬質部の分布規模の確認

緑色岩（玄武岩質ハイアロクラスタイト）
破砕帯影響想定（L=50m)

SP8591変状発生区間（蛇紋岩）

新規掘削区間（蛇紋岩境界部）

真円三重支保工

中央導坑先進（真円三重支保工）

L=50m

SP8641図-3 蛇紋岩境界部周辺の想定地質分布図

2. 中央導坑の支保構造および開始位置(1) 中央導坑の支保構造蛇紋岩区間の本坑支保構造の設計については，時間依存性の発生応力増加分を考慮した真円三重支保構造としているが，中央導坑の支保構造については，短期間で拡幅掘削へ移行することを考慮し，時間依存性の応力増加分を加味しない本坑二重支保相当の最大支保内圧を確保するものとして検討を実施した．結果，中央導坑の円坑
半径及び支保構造は，掘削半径R=3.7ｍ，吹付けコンク
リートt=400mm（σc=36N/㎜2），鋼製支保工HH-154を採用した（図-4）.
吹付けコンクリート(36N/mm2)：1次側 t=40cm
吹付けコンクリート(36N/mm2)：2次側 t=40cm
吹付けコンクリート(36N/mm2)：3次側 t=35cm
覆 工
t=50cm
吹付けコンクリート(36N/mm2)：t=40cm
鋼製支保工 HH-154×151×8×12

S.L（導坑）7550

FH(2) 破砕帯の分布形態・物性値の把握
切羽前方への調査ボーリングをトンネル法線方向から角度を変えて複数本実施（図-7）したところ，蛇紋岩から破砕帯（ガウジ）への変化は切羽前方左側から比較的明瞭な分布での遷移が確認された．また，破砕帯（ガウジ）周辺の蛇紋岩の変形係数は概ね150 MN/m2以上を確認できたが，破砕帯は150 MN/m2以下と相対的に低いことが確認された．

3700

R33007400

S.L(3) 玄武岩（緑色岩）硬質部の出現位置・形態の把握
SP8603以降，比較的硬質な玄武岩（緑色岩）を確認した（図-7，8）．ただし，破砕帯から玄武岩への遷移は，場所によって変化が激しく不均質な状況であることを確認した．

3700

15100

7550

400R7600(1) 天端・切羽のゆるみ状況確認
SP8582の位置から当初到達切羽（SP8591）上方へ斜めボーリング（BD-19）を実施（図-6）したところ，逸水等，地山の空隙は認められず，地山改良の必要性はない
ものの，当初到達切羽上方の蛇紋岩で若干の物性値低下を確認した．（変形係数： 90～110MN/m2）

中央導坑φ7400図-4 中央導坑 支保構造図(2) 中央導坑の開始位置変状が発生した平成26年1月時点における上下半掘削はSP8591まで完了していたが，インバート閉合は切羽後方6ｍの位置（SP8585）まで完了していたことから，中央導坑の開始位置をSP8585とした（図-5）．

(4) 玄武岩（緑色岩）硬質部の分布規模の確認
SP8603以降，終点側掘削完了位置（SP8738）まで玄武岩（緑色岩）の分布を確認した．硬質部の分布は認められるが，局所的に破砕質な部分も狭在し，必ずしも均質に硬くなるわけではないことを確認した．
110MN/m2
97MN/m2
BD-19 90MN/m2
2244MN/m
SP8568SP8582

BH-6

ハイアロクラスタイト
49MN/m2 101MN/m2 （短柱状コア）
2 18006MN/m2
288MN/m 2038MN/m
2
断層ガウジ 15024MN/m2 15024MN/m 2KB-27
1803MN/m▼SL

BH-5
48MN/m2 粘土状～葉片状蛇紋岩
91MN/m2
104MN/m2
BI-5
断層ガウジ

図-5 中央導坑の開始位置

粘土状
蛇紋岩

SP8591

断層ガウジ

粘土状
蛇紋岩

ハイアロクラスタイト（礫状～砂状～粘土状）

ハイアロクラスタイト（砂状～岩片状）

図-6 蛇紋岩境界部の地質調査（縦断図）

TAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 812 －

（2）計測管理
導坑掘削時の安全管理及び本坑施工時へのフィードバックを目的とした計測管理を以下のように計画した（図-9）.
a) Ａ計測A計測については5mピッチに計測点を設けて細かく挙動を計測することとし，計測頻度も２回/日を基準として挙動の変化に即時対応できる体制とした．また，A計
測結果の変遷から破砕帯による影響範囲を特定し，導坑掘削が必要となる位置の検討に活用することとした．
b) Ｂ計測B計測については①破砕帯区間，②緑色岩区間，③破砕帯との離隔が本坑１Ｄとなる箇所（支保パターン変更想定箇所）の3断面にて支保工応力および吹付け応力を計測する計画とした．なお，計測管理の手法としては本坑三重支保区間と同様に，吹付けコンクリートの軸力と曲げモーメントの釣り合いを把握するためMN曲線を用いることとした．

図-7 蛇紋岩境界部の地質調査（平面図）
SP8585

SP8603図-9 計測位置模式図

5. 中央導坑施工実積

図-8 ボーリングコア写真（BH-6）

4. 中央導坑施工管理計画（1）掘削工法
蛇紋岩境界部の地質性状は極めて脆弱であることが地質調査により把握されていることから，可能な限り切羽直近での断面閉合を実施し，導坑の支保の健全性を確保する必要があった．そのため，掘削工法は全断面掘削により上下半を先行させ，4ｍ以内にインバートの閉合させることを基本とした．
また，切羽近傍での早期閉合を実現するにあたり，トンネル天端部の安定対策，および鏡面の安定対策も合わせて実施する必要があり，補助工法として長尺フォアパイリング（AGF），長尺鏡ボルトを採用した．

(1) 地質分布状況およびＡ計測結果（掘削初期）
導坑掘削初期時点における切羽観察より得られた地質
分布状況と代表的な切羽写真，Ａ計測結果を図-10に示す．SP8591以降は新規地山の掘削となったが，切羽全体に蛇紋岩と破砕帯が切羽全体に混在していた．SP8600付
近より底盤部から緑色岩が確認され，徐々に切羽に占める緑色岩の割合が増加し，SP8612以降においては切羽全体に緑色岩の分布を確認した．このことから，当初想定した通り，切羽に対して低角（見かけ傾斜30°程度）で分布していることを再確認することが出来，SP8641付近にて本坑１Ｄの離隔が確保されているものと推定された．
また，Ａ計測結果では切羽全体に破砕帯が出現していたSP8600で最大40mmの内空変位を測定したが，その後掘進が進み緑色岩が主体となるにつれ内空変位は減少し，SP8620以降は概ね20mm程度となることを確認した．
SP8620では想定される破砕帯の分布域との離隔が導坑１D程度であることから，破砕帯がトンネル構築に影響をTAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 813 －及ぼす範囲はトンネル径１D程度であることを確認した．
また，経時変化（図-11）を見ると，切羽離れが導坑２D（約15m）に到達すると内空変位は収束傾向を示すことから，周辺地山の応力再配分に必要な切羽との離隔は導坑２D程度であることも確認した．

SP8604
SP8604
SP8620SP8641

地質縦断図
本坑１Ｄ(3) 新たな蛇紋岩の出現と導坑掘削終了位置の見直し
切羽位置SP8648より，調査ボーリングを実施したところ，当初導坑掘削終了位置としていたSP8671以奥に新たな蛇紋岩の分布を確認した（図-12）．調査ボーリング（KB-29）によると，蛇紋岩はSP8668～8678の10mと限定された区間に分布し性状は葉片状～粘土状を呈していた．
当該区間において，真円三重支保構造の必要性の有無を検討する．導坑掘削から得られる切羽観察および変位・応力挙動を把握するため，蛇紋岩区間から概ね導坑２D（15ｍ）前方となるSP8695までを導坑掘削の延長とした（図-13）．

導坑１Ｄ
導坑１Ｄ

(2) 導坑掘削終了位置に関する検討
前項で述べた掘削実績を基に，導坑掘削終了位置を下記の通り検討した．
a) 蛇紋岩から破砕帯が流れ目で分布し，SP8641付近で本坑1Dの離隔が確保されることを確認したことから，
SP8641までを断層破砕帯影響区間と設定
b) 破砕帯がトンネル構築に影響を及ぼす範囲はトンネ
ル径１D程度であることを確認したことから，破砕帯影響範囲前方においても将来的に拡幅掘削される本坑１D（15m）相当の導坑を設定し，この位置までの応力再配分を完了させることとする．
c) 導坑の周辺地山の応力再配分に必要な切羽との離隔は導坑２D（15ｍ）である．
以上のことから，導坑掘削完了位置は，SP8641+本坑１D（15m）+導坑２D（15m）よりSP8671とした．

本坑１Ｄ

掘進方向 ⇒緑色岩

図-10 地質分布状況，切羽写真，Ａ計測結果

10.0

蛇紋岩
0.0

-10.0

-20.0

-30.0

図-12 ボーリングコア写真（KB-29）-40.0

切羽離れ 15m（導坑 2D）

-50.0

-60.0

●-70.0■▲◆-80.0-90.0[2019/10/18][2019/10/28][2019/11/07][2019/11/17][2019/11/27][2019/12/07][2019/12/17][2019/12/27][2020/01/06][2020/01/16]

図-11 Ａ計測経時変化グラフ（SP8600）

図-13 導坑掘削終了位置

TAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 814 －(4) 地質分布状況および計測結果（最終）
導坑掘削完了時点における切羽観察より得られた地質
分布状況と蛇紋岩部の切羽写真，計測結果（A計測，B計測）を図-14に示す．SP8665の切羽左側より出現した
蛇紋岩は切羽進行につれ右肩部へと変遷し，SP8680の切羽を最後に確認されなかった。これらの切羽観察や近傍から実施した探り削孔の結果から，緑色岩中にブロック状に取り込まれた岩塊であると推定された．
また，蛇紋岩塊の最終観測切羽（SP8680）より導坑２Ｄ（15m）となるSP8695まで導坑掘削を先行させたが，Ａ計測結果は最大で25～30mmと緑色岩区間と比べ極端な変位の増加は確認されなかった．

SP8668

B計測においては，破砕帯区間（SP8595）のＧ測点（インバート中央部）にて吹付け応力の最大値13（Ｎ/㎜2）を測定したが，そのほかの計測点においては概ね10（Ｎ/㎜2）程度といずれも耐力の1/3程度に収まっており，外観上もクラック等の変状は見受けられなかった。
また，鋼製支保工のひずみについても3000μ以下に収まっており，破砕帯区間の一部に曲げモーメントが大きい箇所も見受けられるが，支保に発生する軸力が小さいことから局所的な座屈等も確認されなかった。以上のことから，中央導坑は支保の安定性を確保しながら掘削を完了することが出来たものと考えられる。

SP8674

SP8680
蛇紋岩
蛇紋岩

緑色岩
蛇紋岩

緑色岩
緑色岩

蛇紋岩

B 計測:SP8595

B 計測:SP8620

B 計測:SP8640

図-14 地質分布状況および計測結果

TAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 815 －

B 計測:SP8673

6. 拡幅掘削施工実積(1) 地質分布状況およびA計測結果
拡幅掘削における切羽観察より得られた地質分布状況と計測結果（Ａ計測）を図-15に示す．
破砕帯区間の拡幅掘削（SP8590）において，閉合前の内空変位の増大（約120ｍｍ）が確認されたため，閉合前の変位抑制対策（仮閉合）が必要となった．今までの仮閉合は作業の安全上，切羽直近での人力作業を回避するため，吹付けコンクリートのみで実施してきたが，中央導坑を施工することによって切羽の安定性が向上していることから，鋼製支保工+吹付けコンクリートの仮閉合を実施した（図-16）．結果，内空変位は概ね60ｍｍ程度と約半分まで低減する事ができ，破砕帯区間を含む三重支保区間の安定した支保構築を実施することが出来た．

Ｂ計測から得られた支保の発生応力を支保にかかる作用土圧（土被り）に換算し，支保耐力（土被り）と比較した（図-17）．結果，二重支保パターン（Ｈ-200×2，吹付け厚一次側40cm，二次側25cm，高強度吹付けコンクリート使用）にて耐力内に収まる事を確認した．

ＤⅡ-11：Ｈ-200×2，吹付け厚一次側 40cm，二次側 25cm吹付けｺﾝｸﾘｰﾄ(36N/mm ) t=40cm

ＤⅡ-10：Ｈ-200×2，吹付け厚一次側 25cm，二次側 25cm

鋼製支保工 Ｈ-200（いずれも高強度吹付けコンクリート(36N/mm2)を使用）

2

図-17 支保に発生する応力と耐力との比較

7. おわりに
本報告は，音中トンネルの蛇紋岩境界部における中央導坑先進工法及び拡幅掘削の施工報告であったが，強大な地圧想定区間となる蛇紋岩境界部の掘削を無事完了することが出来た。
最後に本報告に際してご協力いただきました関係者の方々に深く感謝の意を表します.

図-16 鋼製支保工入り仮閉合(2) B計測結果と二重支保区間への移行
拡幅掘削時の切羽観察により，緑色岩および破砕帯の参考文献分布が導坑掘削時の想定と同傾向であり，破砕帯はSP8641で天端＋１Ｄの離隔を確保できることを確認した． 1) 第 63 回(2019 年度) 北海道開発技術研究発表会論文：
音中トンネルにおける蛇紋岩境界部の掘削工法検討について，
ここで，緑色岩区間（SP8639）で発生している応力挙動
小川修，島田武，高橋民雄
が二重支保パターンの耐力内である事の検証として，

図-15 地質分布状況およびＡ計測結果（拡幅掘削）
TAKAHASHI Tamio, OGAWA Osamu, OKUBO Seiichiro－ 816 －