フジタ技術研究報告第 51 号 2015 年

変状を伴う老朽化トンネルの地質評価・診断技術の開発

概丹羽廣海

笹谷輝勝

村山秀幸

要

近年の老朽化トンネルでは、長期的な路盤の隆起や覆工コンクリートのひびわれ等が供用中に顕在化する変状事例が全国的に多く報告されるようになり、維持管理コストの面から問題となっている。これらの時間依存性変状の多くは地質に起因するものと考えられるが、従来の考え方や評価指標では説明の付かない事例がいくつかある。筆者らは国立研究開発法人土木研究所寒地土木研究所と共同で、2013 年度から 2014 年度の 2 ヵ年にわたり国土交通省建設技術研究開発助成制度の補助金交付を受け、「変状を伴う老朽化トンネルの地質評価・診断技術の開発」と題した研究開発を実施した。本研究成果より、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が分かった。よって、弾性波速度低下率の経時変化をモニタリングすることが、時間依存性変状に対する地質健全度の診断のための一つの手法として適用可能と考えられる。

A method for diagnosing geological soundness for aging tunnels
with time-dependent deformation

Abstract
Time-dependent deformations such as floor heaving and damage to the tunnel lining after the completionof construction have become a serious issue in Japan. Although geological features are cited as causes of the
majority of these time-dependent deformations, there are several cases that can’t be explained by any
conventional geological evaluation methods or indexes. Fujita and CERI (Civil Engineering ResearchInstitute for Cold Region) have conducted a joint study titled “Development of a diagnostic method ofgeological soundness for aging tunnel with time-dependent deformation” with a help of grants from MLIT
(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism). The study results suggest that seismic velocity
may be a useful property for estimating the degree of progression in geological degradation. And thesoundness of tunnel ground may be evaluated by a decrease in the ratio of surface seismic velocity to that ofthe deep zone.

キーワード： 時間依存性変状、老朽化トンネル、診断技術、地山弾性波速度低下率－9－フジタ技術研究報告 第 51 号

§１．研究の概要

1.2 弾性波速度を指標とした地質診断技術
岩盤を掘削すると掘削面周辺の岩盤は応力解放による緩みを1.1 背景生じ、強度の低下など物性値の変化が起こることが知られている。

近年、山岳トンネルにおいて、地山の長期的な変状により路盤時間依存性変状を生じるトンネル周辺地山でも同様の物性値変の隆起や覆工コンクリートのひびわれが供用中に顕在化する時化が発生していると考えると、継続的に測定可能な物性値を指間依存性変状の事例は全国的に多く報告されるようになり、維持標としてその経時変化をモニタリングすることによって、地山の管理コストの観点から問題になっている 1)。時間依存性変状とは健全性を診断できると考えられる。このような物性値の経時変化

トンネル施工中に顕在化する変状と区別して、トンネル完成後まに対して、許容可能なレベルを設定することができれば現状のたは供用中に地質劣化の進行、または周辺環境の変化などを地質の健全度を定量的に評価できると考えられる。本研究では、要因とした地質性状の変化に起因して発生する変状を指す。山

施工中から維持管理段階まで継続的に測定が可能な弾性波探

岳トンネルの維持管理における日常点検では、覆工コンクリート査に着目し、地山弾性波速度の経時変化を指標とした時間依存などの構造物や坑内設備の変状を点検することに主眼が置か性変状に対する地山健全性診断技術の開発を目指している。

れており、地質を対象とした点検、診断は特別な場合を除きおこ

1.3 対象トンネルの概要

なわれていない 2)。また、時間依存性変状の多くは地質に起因

研究対象トンネルは北海道の道路トンネルで、供用から 30 年するものであるが、従来の地質評価指標や考え方では説明の付以上にわたり長期的に変状が継続していた旧トンネルと、そのかない事例がいくつかある。そこで、筆者らは国立研究開発法代替ルートとして新たに施工された新トンネルから構成される。

人土木研究所寒地土木研究所と共同で、山岳トンネルの時間依

旧トンネルは矢板工法で施工された延長約 1.9km のトンネル、存性変状に対する地質に起因する変状メカニズムを解明し、地新トンネルは NATM で施工された延長約 3.0km のトンネルで質評価指標および診断技術を新たに確立することを目標としたある。トンネル地山を構成する地質は、図 1 に示すように新旧ト研究に取り組んできた。この一連の活動のなかで、国土交通省

ンネルともに新第三系の熱水変質を受けた安山岩、デイサイト建設技術研究開発助成制度に基づく補助金交付を受け、2013および凝灰角礫岩を主体とする火砕岩よりなる。旧トンネルでは、年度から 2014年度の 2 ヵ年にわたり「変状を伴う老朽化トンネル完成から数年後にインバートや側壁の変状が顕在化し、約の地質評価・診断技術の開発」と題した研究開発を実施した。研30cmの急激な路盤隆起が確認された後に数次にわたる対策工究開発の目的は、将来の時間依存性変状を予測するための新が施工されたが、30 年以上緩慢な変状が継続している。一方で、しい地質評価指標を構築することと、時間依存性変状に対する新トンネルでは施工中、インバートコンクリート打設後に約 10cm地質診断技術を開発することである。の路盤隆起が確認され縫い返しを余儀なくされた区間がある。

N →

← S
新トンネル (L=2,995m)
EL (m)
400300屈折法弾性波探査（L=450m）

熱水変質安山岩， デイサイト，火砕岩(弱～中変質)

自破砕溶岩

200
100

安山岩溶岩

施工中変状区間 1
施工中変状区間 20

1,000

500

3,000

2,500

2,000

1,500
T.D. (m)(a) 新トンネル縦断図
EL (m)← S

N →

旧トンネル (L=1,901m)
屈折法弾性波探査 （L=1,500m）

400
300
200

強変質安山岩100

熱水変質安山岩，デイサイト
火砕岩(中～強変質)
0500

1,000

安山岩溶岩
時間依存性変状: No.1～No.5ブロック (強変質)1,500
T.D. (m)2,000

2,500(b) 旧トンネル縦断図

図1 新旧トンネルの地質縦断図、変状発生区間および屈折法弾性波探査測線

－10－

3,000

変状を伴う老朽化トンネルの地質評価・診断技術の開発§２．時間依存性変状に対する地質評価指標の検討壊した。ここで、P波速度の低下率に着目すると、試料1ではP波速度低下前にVp=2,700(m/s)程度であったものが崩壊直前に2.1 岩石の経年劣化の評価法に関する検討は900(m/s)程度まで低下しているため、66%程度の低下があっ新トンネルで施工中に実施された先進ボーリングのコアを用いたものと試算される。同様に、試料2では3,300(m/s)から1,600て地質の劣化を模擬した室内実験 3)をおこなった。室内実験に(m/s)まで低下しており、低下率は 52%程度と試算される。同様

適用したボーリングコアは、熱水変質作用を被った安山岩、凝灰の方法で、これまでに室内実験での P 波速度低下率は 48%～角礫岩である。本実験は、表 1 に示す 3 ケースで暴露した試料66%の範囲で得られている。また、弾性波速度の低下が開始しに対して、1 日に 1 回の頻度で弾性波速度（P 波速度：Vp およてから測定不能となるまでの測定点数が少ないものの、弾性波び S 波速度：Vs）を繰返し測定する方法でおこなった。弾性波速速度はひとたび低下が始まると急激に進み、測定不能となる直度の測定は、JGS 1220 に準じておこなった。また、試料の膨張前にはその変化は P 波、S 波ともに緩やかになる傾向が認めらを観察するために、弾性波速度測定の都度、ノギスで試料の長れる。以上より、この試料の場合、大気や水に長期間晒されてもさおよび径をそれぞれ 3 箇所で測定するとともに重さを測定し、劣化はそれほど進行せずに弾性波速度の変化も見られないが、試料の体積と湿潤密度を記録した。ノギスでの測定には、毎回乾湿繰返しを受けると弾性波速度の低下をともないながら劣化同じ位置を測定できるようにあらかじめ試料に測定位置をマーが進行しやがて崩壊にいたる傾向が把握できた。よって、岩石キングしておいた。の弾性波速度の経時変化は、地質劣化の進行程度を監視する

2.2 弾性波速度の経時変化ための有効な指標となることが分かった。

図2にそれぞれの暴露ケースにおける経過日数と弾性波速度（P波速度：Vp、S波速度：Vs）の代表的な試験結果を示す。気中
表1 実験ケースおよび水中に暴露した試料は、体積変化、P波速度の低下がともに顕著ではなくほとんど劣化が進んでいないものと考えられる。

暴露ケース

実験条件

一方で乾湿繰返しをおこなった試料では、P波速度およびS波①気中20℃恒温室にて大気中に暴露速度が次第に低下してゆく傾向が確認されるとともに、体積は増②水中20℃恒温水槽にて水中に暴露加する傾向が認められ、劣化および膨張が確認できた。これら③乾湿繰り返し20℃恒温水槽⇔110℃炉乾燥にて暴露の試料は、膨張とともに目視でもヘアークラックの発生が観察さ（1日おきに水浸と炉乾燥を繰返し）れ、やがて弾性波速度が測定できない状態となり最終的には崩

8,000

200
190

6,000
180

5,000
4,000

170

3,000

160

2,000
150

1,000
0140
051015経過日数（日）2025

Vp：試料1（気中）Vs：試料1（気中）Vp：試料1（水中）

Vs：試料1（水中）

Vp：試料1（乾湿繰返し）

Vs：試料1（乾湿繰返し）

Vp：試料2（気中）Vs：試料2（気中）Vp：試料2（水中）

Vs：試料2（水中）

Vp：試料2（乾湿繰返し）

Vs：試料2（乾湿繰返し）

体積：試料1（気中）

体積：試料1（水中）

体積：試料1（乾湿繰返し）

体積：試料2（気中）

体積：試料2（水中）

体積：試料2（乾湿繰返し）

図2 室内暴露実験にともなう弾性波速度の経時変化

－11－

30

体積（cm3)超音波伝播速度 Vp,Vs（m/s）

7,000フジタ技術研究報告 第 51 号

§３.時間依存性変状に対する診断技術の検討

鉛直から 35゜傾けて打撃する S 波発震を併用し、S/N 比を向上させる目的で 1 箇所あたりそれぞれ 3 回ずつスタックし3.1 新旧トンネルにおける弾性波探査

た。探査測線は、図 3 に示すように新トンネルでは延長

時間依存性変状に対する診断技術は、弾性波探査によっ

L=450m、受振点間隔 6m、発震点間隔 3m とし、旧トンネて地山弾性波速度の経時変化を追跡する方法を想定してルでは延長 L=1,500m、受振点間隔 6m、発震点間隔はおり、新旧トンネルにて弾性波屈折法探査を施行した。新トNo.4 ブロック、No.5 ブロックを含む測線中央の区間は 3m、ンネルにおける弾性波屈折法探査は、供用中に継続してその他の区間は 6m とした。なお、旧トンネルにおける受振同一条件にて測定することを考慮して覆工コンクリートおよ

点測線の 1 回あたりの延長は約 500m として 4 回の展開にび路盤の舗装が完了した後に実施した。舗装はコンクリート区分した。受振点測線を展開後、起点から順次発震をおこ舗装である。また、新トンネルでは、供用中における現場でなうが、受振点測線が発震点から残り 150m に達した時点の診断技術の適用性を評価するため、舗装を傷つけることで受振点測線を終点側に展開移動する手順を繰返した。

なく弾性波発震が可能であることの確認、片側交互通行下
油圧インパクタで交通振動ノイズのある条件での探査品質の確認および探査結果の再現性の確認をおこなった 4)。新トンネルにおける探査状況を写真 1 に示す。受振器は 3 成分 MEMS 型(Micro Electro Mechanical Systems)受振器を使用し、探鉱機は SERCEL428XL DSU を使用した。探査測線は、両トンネルとも舗装された路盤に受振点を直線的に展開し、受振点測線と平行に発震点測線を設けた。舗装面上での受振器の設置には 3 点式のスタンドを使用した。弾性波の震源には舗装面の損傷を避けるため発破震源ではなく機械震源である油圧インパクタを使用した。油圧インパクタは小型油圧ショベルをベースマシンとした自走式震源で、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地

写真 1 新トンネルにおける弾性波速度測定状況盤へ発震する。本探査における弾性波の発震は、鉛直下向きに打撃する P 波発震と、ピストンの打撃角度を左右に探査測線 (L=450m)
0m

450m

発震点発震点 @3.0m@3.0m

受振点 @6.0m

受振点@6.0m

施工中の変状区間1，2a) 新トンネル
探査測線 (L=1,500m)
500m
546m

0m
発震点 @6.0m

1,000m

1,500m
1,146m
発震点 @6.0m

発震点 @3.0m
受振点 @6.0m

SP2(3m)

SP150(447m)

展開 1
RP1(0m)

RP199(594m)
SP250(747m)

展開 2
RP101(300m)

RP299(894m)
SP352(1053m)

展開 3
RP203(606m)
展開 4

No.1

No.2

No.3

No.4

時間依存性変状区間 No.1 ～ No.5 ブロック

RP401(1200m)
No.5

SP500(1497m)

RP303(906m)

RP501(1500m)b) 旧トンネル

図 3 新旧トンネルの弾性波屈折法探査測点配置－12－変状を伴う老朽化トンネルの地質評価・診断技術の開発

← S

深度(m)

N →

施工中変状区間 2

施工中変状区間 1

Tunnel floor

P波速度01020300100200300a) 新トンネル
深度(m)

← S

No.1ブロック*トンネル完成後は健全
N →No.4ブロック No.5ブロック

No.2ブロック No.3ブロック

Tunnel floor

0P波速度

450m

400204060Vp

0100200300400500600700b) 旧トンネル

800

90010001200

1300

14001500m*時間依存性変状発生： No.1ブロック～No.5ブロック

図 4 新旧トンネルの P 波速度分布縦断図
取得された記録を用いて、屈折波トモグラフィ解析を実施§４．診断技術の検討した。屈折波トモグラフィ解析の結果に対する信頼性の評価を与える方法として、初期モデルランダム化によるモンテ時間依存性変状あるいは、応力解放にともなう緩みによるカルロ確度解析を実施した。

P 波速度の低下は、トンネル周囲から、すなわち深度0m か3.2 新旧トンネルの P 波速度構造

ら深部に向かって次第に進行すると考えると、深部ほど掘新旧トンネルにおける屈折法弾性波探査で得られた地山削の影響を受けていない地山本来の P 波速度に近い値を弾性波速度のうち、P 波速度の縦断分布を図 4 に示す。図示すと考えることができる。つまり、表層の P 波速度の低いは探査測線直下の P 波速度分布を示しており、深度 0m は領域は、もともとは深部の高い P 波速度を有していたはずトンネル路盤に相当する。新トンネルの施工中に変状が起だが、トンネル掘削にともなって現在の値まで低下したと考こった 2 つの区間、旧トンネルの時間依存性変状が起こっえられる。このように仮定すると、表層部の P 波速度が深部た 5 つの区間を併記した。この結果より、P 波速度は旧トンの P 波速度との比率で何％低下しているかを求めることにネルの時間依存性変状の発生した No.1 ブロックから No.5

よって、現状のトンネル周囲の地質の健全度を評価することブロックの間で比較的低く、旧トンネル北側の健全区間と新ができると考える。P 波速度低下率⊿Vp を深部の P 波速度トンネルで高い傾向が確認できる。特に旧トンネルの No.4に対する表層部の P 波速度との差の比として、新トンネル

ブロックは、時間依存性変状による路盤の隆起や側壁の押の施工中変状区間 1、2 と旧トンネルの No.1 ブロック～し出しが最も顕著であった区間に相当するが、路盤直下のNo.5 ブロックおよび健全部について求め図 5 に示した。こ

表層部を中心に深部まで、周囲に比較して P 波速度が著しこで、グラフの横軸はトンネル掘削開始からの経過時間をく低いゾーンが明瞭に確認され、実際の変状発生状況と整概念的に示している。また、グラフには室内実験で得られた合する結果が得られた。新トンネルでは、施工中の変状区新トンネルのボーリングコアを使用した暴露試験で、試料が間 1 と 2 でインバート打設後に盤ぶくれが確認されたことか崩壊に至る直前の P 波速度の低下率を併記した。図示したらある程度は緩みが生じていると考えられるが、旧トンネル

とおり、健全部では P 波速度低下率が 8%～16%と小さいで時間依存性変状が発生した区間と比べると物性値の低のに対し、時間依存性変状発生箇所では 1 ブロック～4 ブ下は小さいと評価できる。

ロックで 36%～44%、5 ブロックは他のブロックに比べて小さいが 25%と試算される。なお、P 波速度低下率が最も大き－13－フジタ技術研究報告 第 51 号

新トンネル探査時期

旧トンネル探査時期

0

ΔVp=（Vp‐Vp’）/Vp
Vp: 深部のＰ波速度
Vp’: 表層部のＰ波速度

変状区間② : 8%10

健全部 : 13%変状区間① : 16%

Ｐ波速度低下率∆Vp (%)

20
No.5 block: 25%
30
No.2 block: 36%

No.1 block: 38%

No.3 block: 39%

40

No.4 block: 44%50

供試体を用いた室内実験崩壊直前のＶｐ
48% ～ 66%
1.537
凡例
健全部
時間依存性変状発生箇所

供用開始

掘削開始

経過時間 t (年)

図 5 時間軸を考慮して整理した新旧トンネルの P 波速度低下率
い旧トンネルの 4 ブロックでもその値は 44%程度であり、測します。本研究成果の取りまとめにあたっては「トンネルの定方法が異なるため単純に比較できるものではないものの、変状調査計測技術に関する検討委員会」（委員長：北海道

室内試験で崩壊した試料の P 波速度低下率と比べるとやや小さい値となることが確認された。図のように弾性波速度低下率の経時変化を追跡することは、時間依存性変状に対大学大学院児玉淳一准教授）から多くの貴重なご意見を賜りました。現場実験にあたっては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賜りました。ここに深謝致しするひとつの地質健全度診断手法になり得ると考えられる。

ます。

§５．まとめ将来の時間依存性変状を予測するための新しい地質評
価指標と、時間依存性変状に対する診断技術に関する研究を実施し、以下の知見を得た。
・弾性波速度の経時変化は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。
・弾性波速度低下率の経時変化を追跡することは、時間依存性変状に対するひとつの地質健全度診断手法になり得る。
今後は本トンネルの時間依存性変状メカニズムの解明に向けて、地下水状況や鉱物組成等についても分析し検討を重ねてゆく。
謝辞：本研究は、国土交通省建設技術研究開発助成制度

参考文献
1) 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
2) 社団法人日本道路協会：道路トンネル維持管理便
覧、pp.59-74、1993.
3) 丹羽廣海、村山秀幸、岡﨑健治、大日向昭彦、伊東佳彦：地山弾性波速度を指標としたトンネル地質の健全性評価の試行、第 43 回岩盤力学に関するシンポジウム講演集、pp.25-30、2015.
4) 丹羽廣海、村山秀幸、岡﨑健治、大日向昭彦、伊東佳彦：地山の長期的な健全性診断を目的とした弾性波屈折法探査の適用実験、トンネル工学報告
集、Vol.24、2014.
ひ と こ とにおける「変状を伴う老朽化トンネルの地質評価・診断技術

土木構造物の老朽化にともない、の開発」の補助金で実施した。研究にあたり多大なるご尽時間依存性変状の事例は増えてい力をいただいた寒地土木研究所伊東佳彦地質研究監、倉橋稔幸上席研究員、岡﨑健治主任研究員に深い謝意を表－14－

く可能性が高い。合理的な地質健全性診断技術の確立に向けて今後も検討を重ねてゆきたい。