フジタ技術研究報告㻌
第 㻡㻟 号㻌 㻌 㻞㻜㻝㻣 年㻌

時間依存性変状トンネルの地山物性値と坑内環境㻌

丹羽㻌 廣海村山㻌 秀幸新井㻌 智之概要

筆者らは、トンネルの時間依存性変状に対する地質診断技術について、室内実験及び現場実験により検討を行ってきた。既報では、実際に時間依存性変状が発生したトンネルで坑内弾性波探査を実施した結果から、弾性波速度が長期的な地質劣化の進行程度を監視するための有効な指標となる可能性があることを示した。本報では、室内試験および坑内弾性波探査で得られた弾性波速度から、弾性係数等の物性値を求め地山の物性値変化について評価した。また、トンネルの坑内環境を計測した結果から、地質の化学変化による長期的な劣化がトンネルの時間依存性変状に寄与している可能性が示唆される。

Mechanical properties and environmental conditions in aging tunnels
with time-dependent deformation

Abstract
We have been carrying out a study of a diagnostic method for time-dependent deformations such as floor
heaving and damage to the tunnel lining after the completion of construction, using laboratory tests and insitu surveys. The previous report shows that seismic velocity may serve as an effective index to monitor the
long-term deterioration of tunnel ground, based on seismic data obtained in an actual tunnel in which
time-dependent deformation occurred. This report evaluates the changing tendencies of ground mechanicalproperties, such as bulk modulus, estimated by the seismic velocity obtained in laboratory tests and in situ
surveys. It also reviews the mechanism of time-dependent deformation through the environmentalconditions measured in an actual tunnel. These results suggest that changes in the chemical composition ofrock may contribute to time-dependent deformation of tunnels.

キーワード： 時間依存性変状、老朽化トンネル、㻌

弾性係数、坑内環境−1−－㻝－㻌

フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻟 号

§１．はじめに§２．室内実験による岩石の劣化と物性値の変化㻌㻌㻞㻚㻝㻌 乾湿繰り返し実験の概要と弾性波速度の変化㻌

近年、山岳トンネルにおいて、地質の長期的な劣化により路盤の隆起や覆工コンクリートのひびわれなどの変状被害が供用既報3)では、岩石の劣化を促進するため、室内で供試体を乾中に顕在化する事例が多く報告されている 1),2)。筆者らは、施工湿繰り返し条件におき劣化させ、その過程で弾性波速度の変化中に顕在化する変状と区別して、こうしたトンネル供用中に地質を継続的に測定した。乾湿繰り返しは110℃の炉乾燥と20℃の劣化、周辺環境の変化などによる地質性状の変化に起因して発恒温水槽にて水浸を繰り返すことによりおこなった。弾性波速度生する変状を時間依存性変状と称し、国立研究開発法人土木研の測定は炉乾燥後および水浸後におこない、JGS 2110パルス究所寒地土木研究所と共同で現場実験等を実施してきた。実験

透過法による岩石の超音波速度測定方法に準じおこなった。使トンネルは北海道の道路トンネルで、供用から 30 年以上にわた用した試料は熱水変質を受けた安山岩と来待砂岩で、変質安山り長期的に変状が継続していた旧トンネルと、その代替ルートと岩は新トンネルでインバート打設後に盤ぶくれを生じた箇所のして新たに施工された新トンネルから構成される。トンネル地山先進ボーリングコアである。試料は直径約50mm、長さ約を構成する地質は、図 1 に示すように新旧トンネルともに熱水変100mmの円柱形に整形した。変質安山岩の試料No.1、No.2は質を受けた新第三系の安山岩～デイサイト質の溶岩および凝灰約1日おきに乾湿を繰り返し、数サイクルでヘアークラックが生じ、角礫岩を主体とする火砕岩よりなる。旧トンネルでは、完成から最終的に試料は崩壊した。来待砂岩は数日おきに乾湿繰り返し数年後にインバートや側壁の変状が顕在化し、最も変状の大きをしたが劣化は認められなかった。弾性波速度測定時にノギス

い 4 ブロックでは約 30cm の急激な路盤隆起が確認された後にで試料の長さおよび径をあらかじめマーキングした位置で測定

数次にわたる対策工が施工されたが、30 年以上緩慢な変状がするとともに、電子天秤で質量を測定し見かけの密度を求めた。

継続した。新トンネルでは、施工中のインバートコンクリート打設

八木・石井4)は、粘性土の乾燥過程におけるP波速度（Vp）、S後に約10cmの路盤隆起が確認された。既報 3)では、新旧トンネ波速度（Vs）を測定し、試料の含水比と弾性波速度について相ルの坑内弾性波探査結果から、地山弾性波速度が低い範囲は関を報告している。すなわち、疎密波であるP波の速度（Vp）は時間依存性変状が発生した区間に概ね対応すること、地山弾性材料の圧縮性に応じて変化するが、含水比が低くなると土粒子波速度の経時変化が地質劣化の進行程度を監視するための有骨格の圧縮性は小さくなる一方で間隙水の圧縮性は大きくなり、効な指標となる可能性があることを報告した。本報では、室内試両者を合成した圧縮性が最大となる中間の含水比でP波速度は験および坑内弾性波探査で得られた弾性波速度から、弾性係最小の値となり、せん断波であるS波の速度（Vs）はせん断抵抗数等の物性値を求め地山の物性値変化を評価する。また、旧ト力を持たない間隙水の影響は受けずに、含水比が低下し土粒ンネルの坑内環境計測結果から時間依存性変状メカニズムに関子骨格が強くなるにしたがって大きくなることを示した。八木・石して考察する。

井の実験は土質供試体によるものだが、新井ら5)は凝灰岩の大←EL (m)S

N →

旧トンネル (L=1,901m)
坑内弾性波探査（L=1,500m)

400

300

変質安山岩
（変質度強）

200
100

0500

←

安山岩
変質安山岩，デイサイト，火砕岩（変質度中～強）
1,000

時間依存性変状1ブロック～5ブロック

1,500
距離 (m)(a) 旧トンネル地質縦断図

S

3,000

2,500

2,000

N →

新トンネル (L=2,995m)

EL (m)
400

変質安山岩（変質度強）

300

200

坑内弾性波探査（L=450m）

変質安山岩，デイサイト，火砕岩（変質度弱～中）100

安山岩

区間1区間20500

1,000

1,500
距離 (m)

2,000

2,500(b) 新トンネル地質縦断図

図1㻌 新旧トンネルの地質縦断図、変状発生区間および坑内弾性波探査測線㻌

−2−－㻞－㻌

3,000時間依存性変状トンネルの地山物性値と坑内環境
㻌

谷石を用いて含水比を変化させながら弾性波速度を測定し、土3.0

3波速度 試料
6波速度 試料

質供試体と同様にP波速度はある中間の含水比の時に最低値を2.5

弾性波速度 NPV示し、S波速度は含水比が上昇するに従い低下する傾向を岩石においても図2に示すように確認した。以上より、岩石の弾性波速度は含水状態によって有意に変化すると考えられる。

2.01.51.0㻞㻚㻞㻌 乾湿繰り返しによる劣化と物性値の変化㻌
0.5

図3に乾湿繰り返しにともなうP波速度、S波速度および見かけ051015
含水比 の密度の変化を時系列で示す。図より変質安山岩（No.1、No.2）
来待砂岩（No.3）は変化が小さい。変質安山岩は劣化の進行にと4000もない弾性波速度が低下していると考えられるが一様な低下傾Vp (m/s)

3000

向ではなく逆に上昇することがある。図4は試料No.1とNo.2について、P波速度とS波速度の相関をグラフにプロットしたもので、弾性波速度測定した値で飽和度は100%に近い状態にあると考えた。図より、含水比が高いほどP波速度に対しS波速度が小さい傾向が認め

変質安山岩No.1

ρ（g/cm3）

等方均質完全弾性体の場合、弾性波速度と体積弾性係数、せん断弾性係数は式(1)、式(2)の関係にある。

来待砂岩No.3

変質安山岩No.202.50

見かけの密度なる傾向と一致する。

変質安山岩No.2

1000

られ、八木・石井の実験で示された含水比最大でS波速度最小と来待砂岩No.3
2.00

変質安山岩No.1
変質安山岩No.21.50
㻜

(1)

G㻞㻟㻠㻡㻢㻣㻤㻥㻝㻜㻝㻝㻝㻞

図 3㻌 乾湿繰り返し条件における弾性波速度の変化

ここに、Vp：P波速度、Vs：S波速度、ρ：密度、

κ：体積弾性係数、G：せん断弾性係数測定された弾性波速度から、式(1)、(2)によって求めたせん断弾性係数と弾性波速度との相関を時系列（横軸は乾湿繰り返し日

1400

No.1,No.2湿潤 Sr≒100%

1200

No.1,No.2乾燥 Sr≒0%（変質安山岩）

1000

800
600
400200数）にして図5に示す。図より含水状態で区別して見れば、変質安0山岩の試料No.1、No.2では劣化の進行にともないせん断弾性係

㻜㻡㻜㻜

㻝㻜㻜㻜

㻝㻡㻜㻜

㻞㻜㻜㻜

㻞㻡㻜㻜

㻟㻜㻜㻜

㻟㻡㻜㻜

㻠㻜㻜㻜

Vp : P-wave velocity (m/s)

数、体積弾性係数ともに低下していることが明瞭に読み取れる。

図4㻌 含水状態に応じたP波速度とS波速度の相関
30000

No.1 湿潤 Sr≒100%

4000

No.1 乾燥 Sr≒0%3500

No.2 湿潤 Sr≒100%

3000

No.2 乾燥 Sr≒0%2500No.3 湿潤 Sr≒100%

κ : 体積弾性係数 (MN/m2)

G : せん断弾性係数 (MN/m2)

4500

No.3 乾燥 Sr≒0%（Sr：飽和度）

2000
1500
1000

5000㻜

㻞㻠㻢

㻤㻝㻜

㻝㻞

㻝㻟

1600(2)

㻝

経過日数 （日）Vs : S-wave velocity (m/s)

VS 

変質安山岩No.1

02000
Vs (m/s)

度は0%と考えた。また、塗りつぶしたプロット（●）は、水浸直後にVP 

来待砂岩No.3

2000

1000

炉乾燥直後に測定した値は白抜きのプロット（〇）とし試料の飽和4325

図2㻌 大谷石（凝灰岩）の含水比と弾性波速度の相関5)はP波速度、S波速度ともに次第に低下する傾向が認められるが、

 G

20

経過日数 （日）No.1 乾燥 Sr≒0%No.2 湿潤 Sr≒100%

20000

No.2 乾燥 Sr≒0%No.3 湿潤 Sr≒100%

15000

No.3 乾燥 Sr≒0%（Sr：飽和度）

10000
50000㻝㻠

No.1 湿潤 Sr≒100%25000

㻜㻞㻠㻢㻤

経過日数 （日）D せん断弾性係数

E 体積弾性係数

図5㻌 含水状態に応じたせん断弾性係数、体積弾性係数の変化傾向－㻟－㻌
−3−㻝㻜㻝㻞㻝㻠フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻟 号

また、劣化が確認されなかった試料 No.3 ではせん断弾性係数、最も変状が顕著であった4ブロックでは30年以上変状が継続した。

体積弾性係数ともほぼ一定と評価できる。以上より、弾性波速度

屈折法弾性波探査は、延長L=1,500mで、受振点間隔は6m、発は、岩石の含水状態によって有意な影響を受けるが、地山の劣震点間隔はNo.4ブロック、No.5ブロックを含む測線中央の区間化の傾向を正確に把握するためには含水状態に応じて結果を整は3m、その他の区間は6mとした。受振器は3成分MEMS型理することが有効である。

(Micro Electro Mechanical Systems)受振器を使用し、舗装された路盤に3点式のスタンドを使用して固定した。探鉱機はSERCEL428XL DSUを使用した。弾性波の震源には舗装面の§３．トンネル地山の物性値㻌

損傷を避けるため発破震源ではなく、ピストンの打撃をベースプ

レートに伝えることにより弾性波を発震する油圧インパクタを使用

㻟㻚㻝㻌 坑内弾性波探査の概要㻌した。弾性波の発震は、鉛直下向きに打撃するP波発震と、ピスト

既報3)では、屈折法弾性波探査で得られたP波速度構造から、ンの打撃角度を左右に鉛直から35゜傾けて打撃するS波発震を併

時間依存性変状に対する地質の健全性評価を試行したが、本報用し、S/N比を向上させるため1個所あたりそれぞれ3回ずつスタ

ではP波速度およびS波速度から求められる弾性係数についてックした。取得された記録を用いて、屈折波トモグラフィ解析を実検討する。対象とした旧トンネルは、1977年に完成した矢板工法施した。解析メッシュは3m×3mの格子形とし、初期モデルランダのトンネルで、完成後2～4年の間に時間依存性変状が顕在化し、ム化によるモンテカルロ確度解析6)を実施した。

その後1ブロックから5ブロックに対して対策工が施工されたが、
北

南

深度(m)

1ブロック

2ブロック

3ブロック

4ブロック

キロ程KP(m)5ブロック

002020404060

小60

大P波速度縦断図

Vp (m/s )

深度(m)

1ブロック

2ブロック

3ブロック

4ブロック

キロ程KP(m)5ブロック

002020404060

小60

大S波速度縦断図

Vs (m/s )
0100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500m



図6㻌 屈折法弾性波探査結果
深度(m)

南

北
1ブロック

02ブロック

3ブロック

4ブロック

5ブロック

02020404060

60

0600

300

A断面

900

1200 B断面

1500(m)

せん断弾性係数G(MN/m2)

深度(m)

1ブロック

02ブロック

3ブロック

4ブロック

5ブロック

02020404060600300600

A断面

900

1200 B断面体積弾性係数κ(MN/m2)

図7㻌 屈折法弾性波探査により求めたせん断弾性係数および体積弾性係数の縦断分布－㻠－㻌
−4−1500(m)(m)

時間依存性変状トンネルの地山物性値と坑内環境

せん断弾性係数G（MN/m2 ）㻟㻚㻞㻌 坑内弾性波探査による弾性係数㻌

04000

8000

12000

せん断弾性係数G（MN/m2 ）
16000

00

屈折法弾性波探査の結果から得られたP波速度、S波速度を図6に示す。図の深度0mは路盤表面を表している。図10

深度(m)より、1ブロックから5ブロックにかけて表層部の弾性波速度はP波速度、S波速度ともに低く、特に変状の顕著だった44000

8000

12000

16000

020κ

*10

深度(m)

20

ブロックでは弾性波速度の低いゾーンが深部まで至っていることが分かる。また、時間依存性変状が発生していない北側の1,000m～1,500mの範囲では、南側に比べて表層部30304040の弾性波速度が高い。S波速度は、北側の区間と3ブロックと低下する傾向が認められるが、これらの区間の30m以深506060においてはS波の波線密度がまばらな区間に相当し、トモ012000

24000

36000

048000体積弾性係数κ（MN/m2 ）ことから解析結果の信頼性が低い可能性がある。

12000

24000

36000

48000

体積弾性係数κ（MN/m2 ）$断面グラフィ解析の初期モデルを修正するための情報が少ない%断面図8㻌 代表断面のせん断弾性係数と体積弾性係数㻌

図7に式(1)、式(2)により求めたせん断弾性係数および体㻌

§４．坑内環境と考えられる変状メカニズム㻌

積弾性係数の縦断分布を示す。計算に必要な密度ρは、Gardnerら7)の提案した式(3)によりP波速度から推定した。

  0.31VP 0.25κ

*50付近の深度30m付近で最高値を示し、そこから深度を増す㻠㻚㻝㻌 旧トンネル坑内環境測定の概要㻌
旧トンネル坑内には、覆工背面からの湧水が多く確認さ(3)れ、冬季に凍結して氷柱を形成する箇所も確認されている。

図8は、図7に示したA断面およびB断面におけるせん断

よって、周囲の地下水賦存状況や、凍結融解の影響を把握

弾性係数および体積弾性係数を、深度を縦軸として示したすることが、時間依存性変状メカニズムを考察するにあたっグラフである。A断面およびB断面は、それぞれ時間依存性て有効と考え坑内環境測定をおこなった。旧トンネルにお変状が最も顕著だった4ブロックと変状の発生していない健ける計測項目と配置を表1および図9に示す。旧トンネルは全部に相当する。図より体積弾性係数に着目すると、4ブロックでは深度が浅いほど体積弾性係数が小さい傾向にある。

南北方向に伸びるトンネルで、西側は約2kmで海に至り東側には開析の進んだ山地が広がっている。坑内の気温、湿一方で、健全部では体積弾性係数の変化は小さく、ほぼ一度、風速、風向の測定には複合気象観測装置を使用した。

定の値を示す結果となった。なお、せん断弾性係数は、健地山の凍結融解が発生している可能性が考えられたため、全部で深度30m付近を最高値とする深度ごとの変動が見ら

時間依存性変状が最も顕著だった4ブロックで、側壁から山れるが、式(2)のとおりせん断弾性係数はS波速度に依存す側へ向かってほぼ水平に20m掘進したボーリング孔内で、ることからS波速度が高く得られた影響を強く受けているた

表に示す深度に温度計を埋設して地中温度を測定した。

めと考えられる。せん断弾性係数の値としては、4ブロックで別途、山側および海側の側壁からそれぞれ調査ボーリングは2,000～6,000MN/m2 の範囲にあり、健全部では6,000をおこない、地下水賦存状況を確認するとともに湧水圧測～15,000MN/m2の範囲にある。前章の図5に示した室内定孔とした。山側の調査ボーリング孔では、掘進中には湧実験に使用した試料は、新トンネルの先進ボーリングコアで水がほとんど確認されなかったが、掘進が終了しケーシン地質は同様である。室内実験結果では、試料No.1とNo.2グパイプを抜管した後に毎分1リットル程度の湧水が確認さのせん断弾性係数は500～4,000MN/m2の範囲にあり、4れた。そこで、ストレーナ加工を施した保孔管をボーリングブロックにおける現場での測定による値と近く、室内実験と孔に挿入し、孔口において水圧を測定できるよう圧力変換現場での測定結果にある程度整合性があると考えられる。

器を取り付けた。なお、覆工コンクリートと地山の間からの漏以上より、室内実験で劣化にともなうせん断弾性係数の水を防止するために、孔口から4mまでの間は無孔管とし、変化傾向を把握することにより、現場で測定されるせん断弾無孔管と地山の間に吸水膨張性高分子材料の遮水材を設性係数と対比して現状の物性値がどの程度のレベルにある置した。一方、海側に掘進したボーリング孔の掘削は、毎日のかを把握することができ、トンネル周辺地質の長期的なの掘進長を5m程度として、その日掘進した区間の湧水圧健全性を判定するための有効な指標となり得ると考えられ測定を実施し、地下水の賦存状況を詳しく調査した。そのる。

結果、12m以深から湧水量は増加する傾向となり、特に20mから35mの間で地下水圧が高いことが明らかとなった。
−5−－㻡－㻌

フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻟 号

この区間の最大湧水量は毎分約370リットルである。そこで、

表1㻌 旧トンネル坑内環境計測等一覧表

ボーリングコアの状態から亀裂の少ない位置を選んで、そ測定場所の深度に遮水材を設置した保孔管をボーリング孔に挿入し、測定項目

センサー位置計測機器

気温

深度21.35mから35.00mまでの区間の水圧測定を実施で湿度きるように仕上げ、孔口に圧力変換器を取り付けた。

風速

複合気象観測装置
㼃㼀㼄㻡㻝㻜

山側側壁

風向
覆工表面温度 山側側壁

4ブロック

㻠㻚㻞㻌 地質の劣化要因に着目した坑内環境の傾向㻌

山側地中※覆工背面から0m，0.5m，1m，2m，4m，8m，16m
山側側壁※覆工表面から4.00～40.00m

地中温度

坑内環境測定結果を時系列で図10に示す。図は約1年間のデータである。図には、複合気象観測装置で測定され湧水圧

（山側）

圧力変換器
PG-10KU

KT-110A

3m

覆工表面
0m
1m 2m

温度測定孔：20.00m
8m
16m
水圧測定孔：40.00m

0.5m 4m

遮水材地下水圧測定区間：4.00～40.00m
圧力変換器
PG-5KU

約55m

4ブロック

地下水圧測定区間：21.35～35.00m

温度計

トンネルセンター

覆工コンクリート

水圧測定孔：40.00m
遮水材
遮水材

圧力変換器
㻼㻳㻙㻡㻷㼁

海側側壁
圧力変換器※覆工表面から21.35～35.00ｍ 㻼㻳㻙㻝㻜㻷㼁たトンネル坑内の2015年6月から2016年5月の年平均気温
（海側）

温度計
㻷㼀㻙㻝㻝㻜㻭

湧水約10 l/min

複合気象観測装置
WTX510約7m

図9㻌 旧トンネルの坑内環境計測配置図30100

気温，湿度（4ブロック）

25

気温（℃）

20

80

15

坑内気温
年平均気温：8.4℃
坑内湿度

1060

年平均気温：8.4℃

50

40

-5
-10

20
6/1

7/1

7/31

8/30

9/29

10/29

11/28

12/28

1/27

2/26

3/27

4/26

5/26

地中温度（℃）

30

地中温度（4ブロック）25

覆工表面温度20

地中温度0.0m

15

地中温度0.5m

10

年平均気温：8.4℃

地中温度1.0m

5

地中温度2.0m

0地中温度4.0m-5

地中温度8.0m
地中温度16.0m

-10
6/1

7/1

7/31

8/30

9/29

10/29

11/28

12/28

1/27

2/26

3/27

4/26

5/26

100

年平均気温：8.4℃

250

湧水圧（kPa）

90

80
70
60

200

湧水圧（4ブロック）
湧水圧（山側）150

湧水圧（海側）100

積雪深（北坑口）

504030201005006/1

7/1

7/31

8/30

9/29

10/29

11/28

12/28

1/27

図 10㻌 坑内環境計測結果−6−－㻢－㻌

2/26

3/27

4/265/26時間依存性変状トンネルの地山物性値と坑内環境（約8.4℃）を併記した。坑内気温は、11月下旬から3月下旬
2000の間には氷点下に低下することがあり、計測期間中の最低気温は-5℃程度である。また、坑内気温は8月上旬ごろに最も高く、最高気温は22℃程度である。本トンネルの北側
温に比べて変動が大きいが、年平均気温は坑内よりやや低く7.3℃である。また、坑外の年降水量は1,426ｍｍであった。
覆工表面温度は気温と同様の傾向で推移するが、冬季は気温より覆工表面温度が1～2℃程度高く、夏季にはその差

年平均降雨量1000
中程度の機械的風化-10強度の機械的風化

0

凍結作用を伴う中程度の化学的風化

1020ほどその傾向は強い。しかし、深度8mを超えると年間を通(mm)

軽微な機械的風化

年平均気温8.4℃

平均地中温度13.0℃（8.0m～16.0m）

は小さくなる。一方で、地中温度は深度0～4mまでの間では冬季に低く夏季に高い傾向がわずかに認められ、浅所

500

(℃)

年平均気温

坑口近傍の気象観測データより、坑外の気温は坑内の気1500

強度の化学的風化

中程度の化学的風化

非常に軽微な風化

してほとんど変動が無く13℃程度で一定している。観測期30間中における、深度8.0mから16.0mの平均地中温度は13.0℃であった。よって、地中温度が外気温の影響を受け

図11㻌 岩石の風化機構の一般的分類と坑内環境8)に加筆修正なくなる境界の深度は4mから8mの間にあると考えられる。

㻌

坑内の湿度は、夏季に高い傾向が認められ、7月中旬から8月下旬にかけて100％に近い値を示す。一方で冬季には湿度は比較的低い傾向を示す。湧水圧は山側では2014年12月から、海側では2015年6月から測定を開始した。前述のとおり、山側のボーリング孔では掘進中に湧水はほとんど確認されなかったが、12月から8月上旬にかけてゆっくりと上昇した後に、30kPa付近でほぼ一定となった。海側のボーリング孔では、測定開始当初から湧水圧は大きく上昇し、※原岩（熱水変質前）※トンネル掘削前（変状前）の状態

数日で上昇速度はやや遅くなったものの、さらに上昇を続けた後に約1ヶ月程度で収束に向かい、現在のところ80～85kPa程度で推移している。なお、これまでのところ、湧水圧は山側、海側ともに、目立った季節変動は確認されてお化学変化で拘束が解かれることにより膨張が進行しやすくなるらず、年間の変動は5kPa程度以内である。
Peltier8)は、年平均気温および年平均降雨量と、機械的風化の程度および化学的風化の程度の関係を図11のように表した。Peltierは、機械的風化は凍結作用によるものが※トンネル掘削後水と酸素の供給による化学変化が起こる大部分を占めると考えた上で、風化の程度は氷点付近での温度変化、凍結融解の頻度に最も支配され、図のように年※変状発生

図12㻌 山崎らによる時間依存性変状プロセス9)に加筆

平均気温が低くなるにつれて機械的風化度が強くなる傾向にあるが、地盤が一度凍結したら融解しないほどにまで気物組成解析結果から、時間依存性変状の発生の要因として、温が低くなると弱くなるとした。一方化学的風化の程度は、硫化鉱物を含む地質を掘削し酸素と水が供給されることに気温が高くなると化学反応速度は増加する傾向があること

より硫酸性水が発生し、その硫酸性水が岩石組織を拘束しから、年平均気温の上昇にしたがって化学的風化度が強くていた方解石等の炭酸塩鉱物を溶脱することで、硫酸塩鉱なる傾向が示されている。また、溶解や酸化と還元、加水分物の生成と膨張性粘土鉱物の含水膨張が促進され、時間解などほとんどの化学的風化に水が不可欠であるため、年遅れを伴う膨張が発生したと考察している（図12）。計測結

平均降雨量が増加するにつれて化学的風化度が強くなる

果より、旧トンネル坑内の年平均気温は8.4℃で、4ブロック傾向が示されている。すなわち、図11における黄色に着色の深度8ｍ以深の年平均地中温度は13.0℃程度である。図した領域では岩石の劣化因子として化学的作用が卓越し、11における年平均気温8.4℃から13.0℃の領域は、「凍結水色に着色した範囲は凍結融解による機械的作用が卓越作用を伴う中程度の化学的風化」と、「強度の化学的風化」すると考えられる。山崎ら9)は、岩石組織の顕微鏡観察と鉱−7−－㻣－㻌フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻟 号の境界領域付近に相当する。前述のように機械的風化は凍

謝辞：本研究は国立研究開発法人土木研究所寒地土木研

結融解によるものが大部分を占めるが、坑内気温、地中温究所と共同で実施し、伊東佳彦地質研究監、倉橋稔幸上度から岩石の長期的劣化メカニズムを考えると、凍結、融解席研究員、岡﨑健治主任研究員、山崎秀策研究員に多大による機械的な劣化の影響よりも、溶解、酸化・還元、加水なるご尽力をいただきました。また、現場実験にあたっては分解等の化学的な影響が大きいと考えられる。このように、国土交通省北海道開発局の関係各位に多大なるご協力を坑内の環境条件は、山崎らの考察と調和的であると言え賜りました。ここに深謝致します。本研究の一部は、国土交る。

通省建設技術研究開発助成制度の補助金で実施しまし

また、調査ボーリング掘進中の地下水状況および、湧水た。㻌

圧測定結果より、同一断面の山側と海側において湧水量ならびに湧水圧が大きく異なることが明らかとなった。一般的参考文献
には、地下水位標高は山側のほうが海側に比べて高く、湧水圧が大きいと考えられるが、時間依存性変状が発生した



調査断面では逆の傾向となり地形標高に対して調和的ではない。この原因としては、地下水経路の相違や、難透水層の存在によるダムアップなどが考えられるが、現在のとこ

ろ明確になっていない。しかし、旧トンネルの時間依存性変状発生区間周辺の地下水は、一様な帯水層に賦存するも土木学会：トンネルライブラリー第 25 号 山岳トン
ネルのインバート，pp.295-319，2013
佐久間智，菅原徳夫，多田誠，遠藤祐司：供用中に発生した急激な盤ぶくれ変状を復旧する－山形自動
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丹羽廣海，村山秀幸，笹谷輝勝：変状を伴う老朽化
トンネルの地質評価・診断技術の開発，フジタ技術

研究報告第 51 号，pp.9-14，2015.
のではないこと、地下水圧の季節変動は小さいことなどが明らかとなった。

§５．まとめ㻌

新トンネルの先進ボーリングコアを用いた室内試験
および、旧トンネルの坑内弾性波探査で得られたP波速度、S波速度から、せん断弾性係数、体積弾性係数を求
め地山の物性値変化について評価した。また、トンネルの坑内環境計測結果から考えられる変状メカニズムについて検討した。その結果、以下の知見を得た。

・乾湿繰り返しによる室内実験で得られた弾性波速度から求めたせん断弾性係数および体積弾性係数は、劣化に伴い低下してゆく傾向が明瞭に確認できた。

・坑内弾性波探査による弾性波速度から求めた体積弾性係数は、変状部では深度が浅いほど小さい傾向、健全部では浅部でも大きい傾向が確認された。また、せん断弾性係数

八木則男，石井義明：土または岩石における超音波伝播速度とその力学特性，京大防災研究所年報第 12 号 B，pp.77-88，1969.
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ボーリングコア試料を用いた全岩化学組成分析－，第 59 回北海道開発技術研究発表会，2016の値は、室内実験により求めた値とおおむね整合した。
・坑内環境計測結果から、旧トンネルの環境は化学的な風化が卓越する環境にあることが示唆され、既往研究で指摘ひ㻌 と㻌 こ㻌 と㻌される変状メカニズムと調和的である。

少しずつですが時間依存性変状

今後は、地質の化学組成、鉱物組成と物性値の関係おの発生条件などがわかってきたようよび劣化の進行に応じた物性値の変化傾向を把握することに思います。道半ばですが、現在よにより、地質健全性診断技術の確立に向けて検討を重ねてりも合理的なトンネル地質評価に向ゆく計画である。

けて検討してゆきます。
丹羽 廣海−8−－㻤－㻌