フジタ技術研究報告第 43 号 2007 年

トンネル覆工背面空洞用裏込め材の開発
吉 川 和 行概秩 父 顕 美*1

要

矢板工法で建設されたトンネル覆工背面には，トンネル天端を中心として空隙が存在することが多い。この空洞により地盤反力が均等にならず覆工に局部的な不均等な荷重や曲げが作用し，変状につながる場合もある。このような背景から，最近では空洞に対して可塑性の裏込材を充填することが多くなってきている。筆者らは，既存トンネルの覆工にあまり負担が掛からないような新しい可塑性のある裏込材の開発を行った。
本報は，この新しく開発した裏込め材の基本物性の他，裏込め材の流動性，逸走性，充填性についても報告する。

Development of a New Backfilling Grouting Material Using Expanded Perlite and Fly Ash
Mixed in a Plastic Mortar for Tunnel Maintenance.

Abstract
In older mountain tunnels, voids can develop between the ground and the tunnel concrete linings.
The voids can sometimes cause significant problems with the stability of tunnel lining. Therefore, itis necessary to fill these voids with backfilling grouting materials to improve the stability of thetunnels. However, existing grouting materials have problems including high cost and leakage ofgrouting materials through cracks in the tunnel lining.
We have developed a new grouting material to solve these problems. This grouting material
consists of cement, expanded perlite, fly ash, a viscosity agent and water.
This paper describes the outline of this new grouting material and the results of several
experiments to verify the fundamental properties of this material.

キーワード：

トンネル，背面空洞，裏込材＊１ ㈱高環境エンジニアリング－53－フジタ技術研究報告 第 43 号

§１．はじめに填に困難な点が多々あった。一方,主にベントナイトを用いた可塑性裏込材では，限定注入はできるが単位体積矢板工法で構築されたトンネルには鋼アーチ支保工や重量が 1.3～1.5ｋN/m3程度3)あり，エアミルクやエアモル矢板が支障になって覆工と背面地山との間に空洞が残るタルに比べ覆工に負担が掛かる。

ことが多く，特にアーチ天端部周辺ではかなりの背面空

そこで，裏込め材の開発にあたり必要な条件として以下洞が生じている場合がある。この空洞により地盤反力が均の 4 点を考えておこなった。①限定注入ができるように可等にならず覆工に局部的な不均等な荷重や曲げが作用塑性を有すること。②覆工に負担がかからないように単位し，変状につながる場合もある。このような背景から，最近体積重量の軽い材料（単位体積重量：1.1～1.3ｋN/m3 ）ではこの空洞に対して可塑性の裏込め材の適用が多くなであること。③湧水などの水に対する水中不分離性を有ってきた。そこで，筆者らは，覆工にあまり負担が掛からなすること。④材料コストが安価であることなどである。

いような可塑性の裏込め材を開発した。

これらの点に着目して開発を進めてきた結果，裏込材

本報告では，裏込め材の基本物性の他，流動性・逸走として自立性を有し，さらに適度な流動性を兼ね備え，経性・充填性についても報告する。

済的な可塑性の裏込注入材料を見出すことができた。開発した注入材の主成分は，セメント，フライアッシュとパー§２．裏込材の概要

ライトである。配合例を表 1 に示す。

2.1 トンネル覆工背面空洞

地山

背面空洞

吹付けコンクリートによる支保工（NATM工法）が使わひび割れれる以前の矢板工法で建設されたトンネルの覆工背面に塑性圧

塑性圧

は，空洞が存在していると言われている。これは，建設当トンネル 覆工時の発破技術の未熟さによる掘削断面の粗雑さ1)や旧来のトンネル覆工の施工法である引き抜き管方式では，支保構造である鋼アーチ支保工や矢板が支障となって覆図 1 背面空洞の状況

工コンクリートが充填しづらく，そのため覆工背面に多くの空洞が残っていると考えられている。また,供用後の時間とともに矢板の腐食により覆工背面に空洞が生じること2)も表 1 裏込材の配合単位量（kg/m3）
粉体部（Ｐ）考えられている。そのため，アーチ天端部では相当の空Ｗ/Ｐ(%)

洞が生じていると考えられる。
一方，アーチ構造物であるトンネル覆工は，覆工と背面の地山を密着させて地盤反力が均等に作用するようにし

43

水(W)
390

普通セメント225

ﾌﾗｲｱｯｼｭパーライト（Ⅱ種）
675

10増粘剤
8

覆工全体に軸力が掛かるようにすることが重要である。
よって，図 1 に示すようなトンネル覆工背面と地山の間§３．実験概要に空洞が存在する場合，空洞により地盤反力が均等にならないことから，地山から塑性圧などの外力が作用すると今回開発した可塑性注入材の性能（流動性，強度，比覆工に局部的な荷重や曲げが生じ，トンネル構造安定上重 ，充填性，非漏出性，水中分離抵抗性，非収縮性）を問題となることがある。

確認するために，『矢板工法トンネルの背面空洞注入工

このため，トンネル補強工の基本としては，裏込め注入設計・施工指針，平成 14 年 10 月，日本道路公団，以下を実施することが一般的となっている。 例えば，鉄道トン

旧JH基準』の覆工背面空洞注入材の適用性確認試験方

ネル3)や高速道路トンネル4)では，原則として背面空洞が法（案）5)に準拠して以下の試験を行なった。

明らかな場合は，すべての補強ランクの場合に適用する

3.1 フロー試験

ことになっている。

フロー試験の目的は，裏込材の流動性および可塑性について確認するためである。試験方法は，試料作製直後

2.2 裏込材の要求性能と 60 分後において静置時と 15 回打撃時でフロー値を計

従来品の裏込材であるエアミルクやエアモルタルなど測して行なった。フローコーンは JIS 規格（φ80mm×の材料では，材料自身の流動性が大きいため，地山の亀h80mm），フローテーブルは，JIS R5201 規格を用いた。

裂や覆工背面の予想外の空隙へ流出し，背面空洞の充なお，試料作製時の温度を 20℃である。試験結果を表 2，－54－

トンネル覆工背面空洞用裏込め材の開発

図 2 に示す。これより，旧 JH 基準に満足することを確認す
一軸圧縮強さqu（MPa）るとともに可塑性も有することを確認した。
表 2 裏込材のフロー試験結果
経過時間
直後60分

条件

本裏込材

旧JH基準値

静置10880～155

打撃

179130～205

静置

93

100 以下打撃

165

170 以下図 3 裏込材の強度試験結果
3.4 水中不分離試験
水中不分離試験の目 的は，水中での材料分離特性を確認するためである。試験方法は，シリンダーの下にガラス板を設置しその上から本裏込材を投入したものを水槽に入れ，素早くシリンダーを取りのぞき，投入直後より，5，10，30，60 分後のｐH および濁度を測定することでおこなった。測定深さは，水面から 10cm である。水中不分離試験結果を表 3 に示す。また，試験状況を図 4 に示す。
これより，ｐH 値，濁度の上昇はなく，また目視ではあるが（a）直後 静置(b)直後 15 回打撃後材料分離がないことを確認した。
表 3 水中不分離試験結果（c）60 分後 静置

経過時間（分）

試験項目

投入前
（原水）

05103060

旧ＪＨ
基準pH値

7.75

7.82

7.82

7.83

7.827.83

増減±１０％

濁度0.50.61.61.10.30.5

増減±２％(d)60 分後 15 回打撃後

図 2 裏込材のフロー値
3.2 比重試験
比重試験の目的は，裏込材の比重について,所定の比重を有するか否かについて確認するためである。試験方法は，試料作製直後に本裏込材を計量カップに入れ，重量を測定し容器の容積で除した値を比重として測定した。

図 4 水中不分離試験状況

本裏込材の単位体積重量は，1.2ｋN/m3 と従来の主にベントナイト用いたもの（単位体積重量：1.3～1.5ｋN/m3）

3.5 模擬亀裂流出試験

5)より 1 割程度ではあるが軽量化することができた。

模擬亀裂流出試験の目的は，覆工面のひび割れからの裏込材が漏れ出さないことを確認するためである。試験

3.3 強度試験

方法は，図 5 に示すような試験装置の下部に 5 種類の強度試験の目的は，裏込材の強度について，所的の強模擬亀裂（左側より幅 1，3，5，7，10mm で長さは 350mm）度に達しているか否かを確認するためである。供試体のを設置し，裏込材を流入させ模擬亀裂上端からの逸流長

形状は，φ50×100 の円柱とし，試験方法としては，JISさを測定して行った。試験結果を表 4 に示す。これより，A1132 に準拠して行なった。なお，供試体の製造および間隙幅の拡大に比例して逸流長さは長くなったが，間隙養生温度は 20℃である。強度試験結果を図 3 に示す。こ幅 10mm においても下端まで逸流することはないことを確れより，養生 7 日で 2.16N/mm2 となり十分な強度【旧JH認した。

基準：28 日養生 1.5N/mm2】を得る結果となった。

－55－

フジタ技術研究報告 第 43 号

図 5 模擬亀裂流出試験状況
表 4 模擬亀裂流出試験結果
図 6 非収縮性試験状況

亀裂幅（mm ）135710漏出長（mm)83651871892823.7 充填性試験
充填性試験の目的は，裏込材の充填性能を確認する

3.6 非収縮性試験ためである。試験は，図 7 に示すような試験装置にて行っ

非収縮性試験の目的は，裏込材硬化後の収縮性の有た。試験装置の形状は，高さ 300mm，幅 300mm，長さ無について確認するためである。試験方法は，φ30cm×4000mm で，裏込材の注入口から排出口に向かって所定H100cm の塩ビ管に注入材を充填し，28 日後に収縮量の勾配になるようにモルタルで斜路を製作した。また，背を測定した。基準値としては，旧 JH 基準で 28 日硬化後の面空洞中の鋼アーチ支保工や矢板などの障害物を再現収縮量が 2cm 以下である。試験結果を図 6 に示す。これするため，斜路の途中にコンクリートブロック高さ（100mmより収縮量は，塩ビ管中心において 0ｃｍで収縮率として×幅 120mm）を 4 箇所，試験装置の天端には木製の角材は 0％（=0/100）となりほとんど硬化後収縮しないことを確（高さ 100mm×幅 120mm）を 4 箇所および H 型鋼を 2 箇認した。

所設置固定した。

(a) 全景100×100×300
φ15圧力ゲージ№1
注入口

150

H鋼（100×100）

500

125.5 125.5

9@200=1800500

500

544.5

9@200=1800120150

モルタル

240

注入口

250

500

1000500

コンクリートブロック（高さ100×幅120）

(b)

側面図

図 7 試験装置（充填性試験）

－56－

排出口

240
27030120角材
100×100×300

圧力ゲージ№2
注入口+2ｍ角材

トンネル覆工背面空洞用裏込め材の開発

さらに，上面，側面は裏込材の充填状況等が目視で確

図 9(a)，図 9(b)に注入実験終了後の上端障害物の角認できるように，透明のアクリル板（t=10mm）を設置した。

材周辺の充填状況を示す。これより，角材周辺に密着しなお，装置には注入圧力を計測するめ注入口と注入口よて充填していることを確認した。また，図 9(c)，図 9(d)に上り２ｍの位置に計 2 箇所に圧力ゲージを設置した。

端障害物の H 型鋼周辺の充填状況を示す。これより，H充填性試験では，裏込め材をモルタルミキサーで練混型鋼同士の隙間にも密実に詰まっていることを確認した。

ぜて作製し，モルタルポンプにて圧送し，注入開始時点

図 9(e)，図 9(f)に斜路に固定したコンクリートブロック周辺

から約２時間経過後に，試験装置を解体して試験装置のの充填状況を示す。これより，コンクリートブロック周辺には上端，下端に設置した角材や H 型鋼等の周辺部を目視隙間なく完全に裏込材が詰まっていることを確認した。

観察した。なお，このときのモルタルポンプの吐出量は，平均 22.7 リットル/分であった。
図 8 に試験装置内での裏込め材の注入状況を示す。
これから，本裏込め材は，注入口付近から空洞を残さず徐々に奥に充填される傾向にあることが分かった。

(a)注入口付近の注入状況(b)H 型鋼周辺の注入状況(c)角材周辺の注入状況

図 8 裏込材の注入状況(a)角材周辺の充填状況(d) H 型鋼周辺の充填状況(b) 角材周辺の充填状況(e) ｺﾝｸﾘｰﾄﾌﾞﾛｯｸの充填状況
図 9 裏込材の充填状況－57－(c)H 型鋼周辺の充填状況(f) ｺﾝｸﾘｰﾄﾌﾞﾛｯｸの充填状況ｃ）

フジタ技術研究報告 第 43 号

図 10 に各ゲージの裏込材の注入開始からの注入圧を示す。これより，注入口の注入圧力は，注入開始から排出口よアル，ｐｐ.55～67，1998.10
4)

東・中・西日本高速道路株式会社：設計要領第三集（トンネル編），ｐｐ.84～88，2006.5

り裏込め材が排出されるまでのあいだ単調に増加し，特に排出口に近づくほど圧力が増加する傾向にあり，これは注

5)

日本道路公団：矢板工法トンネルの背面空洞注入工設
計・施工指針，2002.10

入口+2ｍの箇所でも同様な傾向であった。この理由は，裏6)

込め材の到達距離が長くなるにつれ注入空間が狭くなるた

大島健二，伊藤哲男，城間博通，西山達也：トンネルめと考えられる。また，各ゲージの最大圧力は，注入口，注覆工背面空洞に用いる注入材の材料特性について，入口+2ｍで，それぞれ 0.043MPa，0.034MPa となり実施工

第 56 回土木学会年次学術講演会，V-115，2001.107)

で注入管理の目安とされる 0.2MPa には達せず，本裏込め

佐久間孝夫，栖原健太郎，小西真治，佐藤豊：新しい可塑性裏込め材料の性能確認試験結果と考察，トンネ材は安定した注入ができると考えられる。

ル工学研究発表会，pp.239～244，2001.11
8)

小西真治，佐藤豊，吉川和行：鉄道トンネルの新しい補修技術，RRR，pp.22～25，2002.7

9)

吉川和行，秩父顕美，佐伯俊之：トンネル覆工背面への新しい可塑性充填材の開発，第 59 回土木学会
年次学術講演会，6-339，2004.9

10) 吉川和行，秩父顕美：トンネル覆工背面空洞用裏込材の充填性能，第 60 回土木学会年次学術講演会，
6-173，2005.9

図 10 各ゲージの注入開始からの注入圧
ひ と こ と§４．まとめ

本年度は，裏込材の基本性状を確認しました。今後は注入システムを構今回開発した可塑性裏込材について，裏込材が具備築し，現場への普及に努めていきた

すべき要求性能（充填性，非漏出性，水中分離抵抗性，いと思います。

非収縮性など）を確認するため各種試験を行った。その結果，背面空洞の裏込材として要求される性能について

吉川 和行は概ね満足していることを確認した。
よって，従来品の可塑性裏込材より単位体積重量が 1割程度軽量化した可塑性裏込材が製造可能となった。
しかしながら，今回の試験では，実際の注入工事と異なる点（背面空洞の規模，形状，注入速度，湧水など）があるため，今後は，試験施工や実施工を通して，背面空洞の規模に応じた注入速度などの要求される性能の明確化やその管理手法について検討する予定である。

参考文献
1)

小森大育，魚本健人：トンネル背面空洞に対する裏込め注入グラウトの充填方法に関する研究，コンクリート工
学年次論文集，pp.463～468，Vol.23，№1，20012)

土木学会：トンネル・ライブラリー12 山岳トンネル覆工の現状と対策，pp.21～24，2002

3)

鉄道総合技術研究所：変状トンネル対策工設計マニュ－58－