第64回(2020年度)

北海道開発技術研究発表会論文

緑色岩区間におけるトンネル支保構造の検討について―一般国道40号音威子府村音中トンネルにおける施工報告―
北海道開発局旭川開発建設部士別道路事務所 ○小川 修
北海道開発局旭川開発建設部士別道路事務所
髙橋 民雄
清水・伊藤・岩倉特定建設工事共同企業体
松尾 勝司

現在建設中の音中トンネルでは，トンネル中央部に分布する玄武岩区間において，強く変質を受けた緑色岩を先進ボーリングにより確認した．当該区間の掘削に先立ち支保構造の検討を行った上で掘削を進めたところ，想定以上の強大な地圧による内空変位の増大及び変状等が発生したため，更なる支保構造の重層化が必要となった．本報告は，緑色岩区間における支保構造の検討経緯及び二重支保構造の採用に至った事例を報告するものである．
キーワード：緑色岩，支保構造

1. はじめに玄武岩・ﾊｲｱﾛｸﾗｽﾀｲﾄ(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.このうち玄武岩分布区間は延長約1040ｍで，この区間の最大土被りは420ｍである（図-2）.

最大土被り
H=420m

蛇紋岩泥岩

約 1040ｍ

泥岩・砂岩互層

緑色岩区間

図-2 音中トンネル 地質縦断図(3) 玄武岩区間における地質概要
玄武岩区間には火山岩類（玄武岩質溶岩および玄武岩質ハイアロクラスタイト（水冷破砕岩））が分布しており，火山岩類の状態（水冷破砕の程度・割れ目の分布・硬軟など）は不均質で，特に終点側から掘削してきた切羽において玄武岩が出現して間もない位置（SP9600付
近）では変質した玄武岩が出現し，内空変位の増大や切羽の不安定化が認められた．当初ＣⅡと設計されていた支保パターンもＤⅠ～ＤⅡへランクアップして施工を進めていた．
終点側切羽SP8981から実施した調査ボーリング（SB30）において，SP8918付近から緑色岩化した玄武岩質ハ
イアロクラスタイトが主体となる岩盤を確認した（図3）．当該地山ではボーリングの孔壁が非常に崩壊しやすく、ケーシング（鋼管）による孔壁保護を行いながら調査を実施したが、1回あたりの調査延長は最大でも30ｍ程度と短かった．全体的に緑の変色が強く，ボーリン
グコアは粘土混じり礫状が主体であり，網状に分布する割れ目面は鏡肌で条線が明瞭な箇所が多い状態であった．

OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 817 －さらに，RQD(5)の平均値は9%程度で，0%となる箇所が過半数を占める状況であり，コア単独での評価は地山等級「E」と判定されていた．
以上のことから，標準的な支保パターンでは大きな変位の発生が想定されたため，解析的手法を用いた支保設計を実施した．なお，支保パターンの変更は緑色岩の出現する5ｍ手前（SP8923）からとした．
深度m

終点側第30回 先進ボーリング調査 孔番：SB-30
ボーリングコア写真 （深度20.00～50.00m）
ボーリングコア写真 （TD=2,560.50～2,590.50m、SP8,928.00～8,898.00）

TD

表-1 再現解析条件（地盤物性値の推定）

SP

図-4にSP9599で実測したA計測結果，図-5に再現解析結果を示す．目標値（上半内空変位）48.4mm に対して再現解析の変位は48.5mm と概ね一致した．この時の同定結果として変形係数は950Mpa，側圧係数は1.1が得られた。

m

20

2,560.50 8,928.00

212,561.50 8,927.00

222,562.50 8,926.00

232,563.50 8,925.00

242,564.50 8,924.00

252,565.50 8,923.00

25.5
26

2,566.00 8,922.50
2,566.50 8,922.00

27

2,567.50 8,921.00

28

2,568.50 8,920.00

29

2,569.50 8,919.00

30
30.2

2,570.50 8,918.00
2,570.70 8,917.80

312,571.50 8,917.00

32

2,572.50 8,916.00

33

2,573.50 8,915.00

34

2,574.50 8,914.00

35

2,575.50 8,913.00

36

2,576.50 8,912.00

37

2,577.50 8,911.00-48.4mm×38

2,578.50 8,910.00

392,579.50 8,909.00

402,580.50 8,908.00

412,581.50 8,907.00

422,582.50 8,906.00

432,583.50 8,905.00

442,584.50 8,904.00

45

2,585.50 8,903.00

462,586.50 8,902.00

47

2,587.50 8,901.00

48

2,588.50 8,900.00

492,589.50 8,899.00

50

2,590.50 8,898.00

深度 ＜地質状況による地山分類（北海道開発局） 凡例＞
m

図-4 A計測結果（SP9599）＜その他 凡例＞

孔内水平載荷試験結果（地山等級）

ＥＤⅡ

ＤⅠ

ＣⅡＣⅠ

室内岩石試験結果

TDSP

上半内空変位：-48.5mmm※ この区間とその前方の地山性状については、次回の先進ボーリングなどで詳細に調査して評価する。

図-3 調査ボーリング（SB-30）

2. 解析的手法を用いた支保設計(1) 地盤物性値の推定
SP8918付近から出現する緑色に変色した玄武岩質ハイアロクラスタイト（以下，緑色岩）はSP9600 に出現した変質玄武岩とコア性状について特徴が類似していることから，SP8923 とSP9600 の地山物性値を同程度であると仮定し，SP9600 近傍のA 計測データを用いて再現解析を行うことにより，数値解析的に再現し得る地盤物性値の推定を行った．解析条件を表-1に示す．

図-5 再現解析結果（変形）(2) 緑色岩地山における予測解析
前節の再現解析により推定されたSP9600付近の地盤物性値を用いて緑色岩地山における予測解析を行い，支保パターンの安定性についての評価を実施した．なお，
SP8923では土被りが340ｍとSP9600と比べ大きいため，増加した土被りに相当する初期地圧条件下では支保部材OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 818 －表-4 予測解析結果（DⅡ-8）のランクアップが必要と考えられた．そこで，インバートストラット有りを基本とし，鋼製支保工および吹付け厚の異なる2通りの支保パターンで検証を行った．なお，吹付けコンクリートには高強度吹付コンクリート(設計基準強度36N/mm2)を採用した．検討に用いた支保パター
ンの諸元を表-2に，解析ステップを表-3に示す．

V：天端沈下，H1：上半内空変位
σc.max：吹付けコンクリートの最大発生応力表-2 検討支保パターンCL

表-3 解析ステップ

SL

図-6 支保パターン図（DⅡ-8）

3. 緑色岩区間の施工(1) DⅡ-8による施工と変状の発生
SP8923以降，支保パターンをDⅡ-8に変更し，閉合距離を6ｍとした全断面掘削工法にて施工を行った．掘削を進めるにつれ，玄武岩質ハイアロクラスタイトの中に占める緑色岩の割合は増加した．緑色岩は全体に破砕されて多くのせん断面・割れ目・密着亀裂が交差・並行して網状に分布する非常に不良な状態であり，天端崩落や切羽崩落が予想されたため，AGFおよび長尺鏡ボルトを併用した．また，一部ロックボルトプレートの変形も確認されたため，増しロックボルトも実施した．
図-7にDⅡ-8施工箇所におけるA計測結果を示す．多く
表-4に予測解析結果を示す．なお，吹付けコンクリー
計測断面では，数値解析から予測された変位 （上半内トに発生する最大応力が設計基準強度36 N/mm2を超えな空数値解析から予測された変位 （上半内空数値解-46.3mm））に収まり，DⅡ-8パターンの安定性は確認さいか否かで支保の安定性を評価することとした．
れていたが，一部の計測断面で数値解析結果から予測さ予測解析より，Case1の支保スペックでは安定性が確保することが出来ず，Case2では確保される結果を得た． れた変位を超過する値が計測された．また，支保部材に以上の結果からCase2に基づく支保パターン（DⅡ-8，図は，変位の大きな箇所を中心として下半とインバート接6参照）を採用することとなった．ただし，解析上，上続部の一部に支保工フランジの変形や吹付けコンクリー
トの浮きなどの変状が発生していることが確認された
下半設置からインバート閉合までの応力解放率を小さくすることを想定しているため，極力，切羽近傍で早期に（図-8）．
断面閉合を実施することが必要となる．

OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 819 －△-46.3ｍｍ

図-9 再現解析による吹付け応力分布図（SP8881）：数値解析値超過測点

図-7 上半内空変位経距変化グラフ（DⅡ-8）
CLコンクリートの浮き

支保工フランジの変形
SL

図-8 変状発生個所（SP8881付近）(2) DⅡ-8パターンの検証とDⅡ-9パターンの検討
DⅡ-8パターンは標準断面に準じてインバート形状を3Ｒ（通常断面の上半半径の3倍）としていたことから，下半とインバート部が隅角部となり，接続部に応力集中が発生したものと考えられた．今後も同様の地質分布が想定されていたことから，この区間で計測された最大の変位量（SP8881，土被り330ｍ）を用いて再現解析を行い，地山物性値の見直しを実施した．そして，インバー
ト半径の違いによる断面形状の変化が吹付けコンクリー
トの応力集中に与える影響に着目して予測解析を行い，支保パターンの設計を実施した．
再現解析を実施した結果，変形係数は650Mpa，側圧係数は1.1となった．この時の吹付けコンクリート応力の分布図を図-9に示す．発生応力は天端部およびインバート隅角部に集中しており，特にインバート隅角部では55.3N/mm2と高強度吹付けコンクリートの設計基準強度（36N/mm2）を超過する結果が得られた．
上記より再現解析結果を踏まえ、予測解析ではインバートの形状を1.5Ｒとした支保パターン（DⅡ-9，図-10）を設定した．なお，支保の部材厚についてはDⅡ-8と同じ諸元とした．予測解析で得られた結果を表-5に，吹付け応力分布図を図-11に示す．インバートの形状を変更したことで隅角部の発生応力は緩和され，最大応力発生箇所は天端の27.7N/mm2と許容値内に収まる結果が得られた．その際の変位量は天端沈下で42ｍｍ，上半内空変位は80ｍｍ程度であった．

図-10 支保パターン図（DⅡ-9）
表-5 予測解析結果一覧（DⅡ-9）

図-11 予測解析による吹付け応力分布図（DⅡ-9）(3) DⅡ-9パターンの検証とDⅡ-10パターンの検討
支保パターンをDⅡ-9パターンに変更して掘削を進め

OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 820 －表-6 地山物性値比較ていたが，SP8864以降では緑色岩化による変質が顕著な脆弱部が分布し，その範囲は徐々に拡大していったことから，DⅡ-9設計時に想定した地山物性値より，さらなる地山状況の悪化が予想された．また，断面閉合後の内空変位の収束性が悪く，一部で吹付けコンクリートの浮きやロックボルトの破断が確認されたことから，支保部材の初期剛性および部材耐力を高めた支保パターン（DⅡ-10）の再設計が必要となった．
DⅡ-9 設計時の地山物性値では，上半内空変位で80mm 程度を想定していたことに対し， A計測結果（図12）を見ると，上半内空変位は複数の断面で80ｍｍを超え，最大120mm 以上を示すことから，同等の上半内空変位発生に相当する地山物性値を再現解析により推定した．再現解析結果を図-13に，そこから得られた地山物性値の諸元を表-6に示す．なお，本再現解析では変形係数と側圧係数のみでは同定することが出来なかったため，粘着力および内部摩擦角についても同定対象とした．
DⅡ-10パターンでは初期剛性の向上が求められていることから，耐力発生まで時間が必要な吹付けコンクリー
トのスペックアップのみでは限界があると判断し，設置後すぐに高い剛性が期待できる鋼製支保工のスペックアップ（2重支保工）が必要であると考えた．また，併せて最終的な部材耐力の向上も必要であったため，吹付けコンクリートは1次側25cm，2次側25cmの合計50cmにスペックアップした（図-14）．
予測解析で得られた結果を表-7に，吹付け応力分布図を図-15に示す．最大応力発生個所は天端の27.3N/mm2と許容値内に収まる結果が得られた．

CLSL

ロックボルト破断

図-14 支保パターン図（DⅡ-10）
表-7 予測解析結果一覧（DⅡ-10）

125.7mm

図-12

DⅡ-9 A計測結果

図-15 予測解析による吹付け応力分布図（DⅡ-10）(4) DⅡ-10による施工
DⅡ-10パターンによる掘削を進めていたが，切羽は継続して自立性が悪く，掘削時にはブレーカのノミ先で触れるだけで細粉して崩れ，一部では切羽の小崩落も発生する状況であった．しかし，AGFおよび長尺鏡ボルトの配置やシフト長などを工夫することで鏡面の安定を図り，0.５D（7m）以内での早期閉合を実施し，変位発生量の抑制が実現できた．
図-16に緑色岩区間のA計測結果を示す． DⅡ-10パターンにて掘削した区間の上半内空変位は概ね70mm～90mm程度で収束し，予測解析値（107mm）以下となっ122mm

図-13 DⅡ-9 再現解析結果

OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 821 －

た．また，支保部材に変状等は確認されず，安定した支保構造を構築することができた．

4. おわりに
本報告は，音中トンネルの玄武岩区間のうち，強く変質を受けて段階的に地山状況が悪化し，想定以上の強大な地圧が発生した緑色岩を対象として，解析的手法によって支保パターンの見直しの段階的実施による対応事例を報告した．当該工事では，初めに，過去の類次地山の計測結果を用いて対象地山の物性値を想定したが，段階的に地山条件が悪化する場合に，不良地山の物性値を事前に精度よく把握することは困難であるため，計測結果を常に評価して物性値を見直しながら情報化施工を進めることが重要であった．本検討事例が今後の山岳トンネルの発展に寄与できれば幸いである．
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 緑色岩区間A計測結果

OGAWA Osamu, TAKAHASHI Tamio, MATSUO Katsushi－ 822 －