Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

CONSTRUCTION OF LARGE UNDERGROUND CAVERN
Takao Akoshima
Kajima Corporation
6-5-11, Akasaka, Minato-ku, Tokyo, 107-8348
Abstract
There are various kinds of underground large caverns such as oil/LPG storage rock caverns, pumped storage
underground power stations, underground concert halls and underground research facilities, etc. Particularly, notable
one is pumped storage underground power stations because their sectional area and volume is more than 1000 m 2 andtens of thousands of cubic metres respectively.
Pumped storage underground power stations have been constructed in many places in Japan since 1970s. Due totechnical progress in the underground excavation field, sedimentary rocks have been adopted as well as hard rocks likegranite. Besides, the depth of the stations became deeper than a hundred metres for having high water head differences.
In addition, the sectional dimensions were expanded as water turbine generators became larger, and the sectional shape
has changed from mushroom shape to egg shape and bullet shape.
This paper reports the site investigations, design, construction and measurements of Kannagawa pumped storage
underground powerstation operated by Tokyo Electric Power Company.

地下大空洞の建設について
１．はじめに地 下 構 造 物 と し ての地下大空洞は、原油やLPG（液化石油ガス）のエネルギー分野の貯蔵施設、地下発電所、地下倉庫、下水処理場、文化施設（コンサートホール）、スポーツ施設（スケート場やプール）、研究施設（スーパーカミオカンデ）など用途により種々上げられる。
人により大空洞のイメージは色々であり明確な定義は無いが、単一空洞で断面積が300㎡以上の空洞を地下大空洞ということにすれば、代表的な地下大空洞は揚水式地下発電所である。

２．地下構造物の特徴
構造物が地下に立地される利点としては、堅牢性（岩盤強度、耐震性）、恒温性、遮蔽性、遮音性、隔離性、景観保全、立地性（地表の有効利用）などがあり、利用目的によりこれらの特性が生かされる。

地下発電所の場合、水車や発電機の組み立てのための断面積と設置する断面積が必要であり、発電機の大型化により地下大空洞となった。

３．揚水地下発電所の変遷
揚水式地下発電所の建設時期は、1960年代後半から1980年代が最盛期であり、発電機の大型化に伴い空洞規模も大きくなった。また高落差化に伴い地下深く建設されるようになった。
空洞形状は、重要機器を納める地下空洞の天井部は安全確保のためアーチコンクリートにより覆工するという思想があり、当時の技術面からきのこ形が定着していたが、岩盤力学の進歩、設計技術の進展、NATM工法の導入、計測技術の進歩によりたまご形や弾頭形が採用されるようになった。

図1：地下発電所の変遷#______________________

akoshima@kajima.com-279-

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・概略設計段階の第一次調査：地表地質踏査、物理探査、ボーリング調査、水文調査
・詳細設計段階の第二次調査：調査坑による地質調査、坑内ボーリング調査、原位置試験
・施工段階の調査：切羽の観察、計測、ボーリング調査が行われるが、地下発電所の場合、空洞位置が地中深く設置されるため地表からのボーリング調査は限定的となり、調査坑からのボーリング調査、原位置試験が主である。

４．神流川発電所の建設
4.1 工事概要

神流川発電所は、信濃川水系南相木川の最上流部に上部ダム（中央土質遮水壁型フィルダム）、利根川水系神流川の最上流部に下部ダム（重力式コンクリートダム）を構築して、その間約6ｋｍを水路で結び、有効落差653ｍ、最大使用水量510㎥/ｓにて発電を行う最大出力270万ｋW（45万ｋW×6基）の純揚水式発電所である。
この内、Ⅰ期工事において180万ｋW（45万ｋW×4基）の発変電所空洞及び周辺トンネル他を建設する。
この空洞は、発電電動機4台と変圧器2台を収納す
4.2.2設計
る、長さ216ｍ、幅33ｍ、高さ52ｍの最大断面積約
設計は、工事の段階的に基本設計、事前設計（詳1400㎡、掘削量220,000㎥の規模である。
細設計）、施工中設計に分けられる。
(1) 工 事 名 ： 神 流 川 発 電 所 新 設 工 事 （ Ⅰ 期 ）基本設計では、予備調査～第二次調査のデータにのうち土木工事（発電所工区）より、空洞位置（レイアウト）、断面寸法、形状、(2)企業者： 東京電力株式会社
支保などが決められる。
(3) 工 期 ： 平 成 9 年 3 月 18 日 ～ 平 成 17 年 6 月 30 日
事前設計では、空洞の安定性の把握のため岩盤の(1997/3/18～2005/6/30)
力学的特性を考慮した数値解析と、緩み領域を設定(4)工事場所：群馬県多野郡上野村
し支保量を決めるための安定解析（円弧すべり解析、(5)地 質： 秩父南帯に位置し、後期古生代～中キーブロック解析、スリップライン解析など）が行
生代前期の泥岩を主体とする基質に砂岩・チャーわれた。
ト・玄武岩・石灰岩の礫が混入する混在岩
施工中の設計は、計測結果に基づき逆解析による変位予測が行われ、事前設計の妥当性の確認が行わ
表1：主要工事数量れた。
工事名
仕様
掘削量
4.3施工
高さ52.1 ｍ
発変電所
幅33.0 ｍ250,000 ㎥
たまご形空洞の掘削で空洞の安定を図るために、長さ215.9 ｍ・周辺岩盤の緩みを極力尐なくすること
断面積 24～50 ㎡
・滑らかな掘削面を確保し、応力集中を緩和する
周辺トンネル
220,000 ㎥
総延長 5,700 ｍ
こと を掘削方針とした。
空洞の掘削はアーチ部と本体部に分けて発破工法
掘削径2.6 ｍ
排水トンネルーで行った。アーチ部は頂設導坑先進アーチ切拡げ掘
延 長 4,491 ｍ
削工法、本体部はベンチ高さ3ｍのベンチカット工法で施工した。

図2：発変電所鳥瞰図
4.2調査・設計
4.2.1調査
調査は、基本計画段階、概略設計段階、詳細設計段階、施工段階の各段階で行われた。
・基本計画段階の予備調査：文献調査、地形調査、現地踏査-280-

図3：加背割り図

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4.3.1アーチ部の施工
アーチ部の加背割りは、図4の通り、A１→A１´→A２→A２´→A３の順に掘削した。
まず発電所長軸方向に頂設導坑（A1）を両妻側から先進し貫通させた。アーチ切拡げ（A２）は切拡げの基地（L=8ｍ）を発電所長軸と直角方向に掘削し、その基地の支保（PS工）を完了後、基地から長軸と同じ方向にブロック毎（L=6ｍ）に掘削を行ない、ブロック毎の支保（PS工）を完成後、次のブロックの掘削に移った。基地は工程確保のため両側10ヵ所設け、地山の緩みを押さえるため同一断面を避け、左右に位置をずらした。（図6）
アーチ切拡げ（A３）もアーチ切拡げ（A２）と同様に行った。（図5）
周辺地山の緩みを低減するため、発破法はEDD雷管とSB爆薬を使用したスムースブラスティングを行なった。平滑な掘削面の確保のため、トータルステーションとポケコンで設計掘削線からのずれ量を切羽にマーキングし、削孔角度記憶装置を搭載した油圧ジャンボを用いて削孔角度を制御した。

図4：アーチ部加背割り図
4.3.2本体部の施工
本体部の掘削は、中央ベンチ、サイドベンチ、側壁に分け、中央ベンチとサイドベンチはベンチカットで行なったが、側壁については発破の影響を岩盤に与えないように緩め発破と大型油圧ブレーカーを用いて掘削した。
掘削順序は、発電所長軸方向に中央ベンチ掘削し、サイドベンチと側壁は緩みを尐なくするため、ブロック分割工法とした。
ブロック分割工法は、サイドベンチと側壁を先行ブロックと後行ブロックに分け、先行ブロックの支保が完了しなければ、後行ブロックの掘削を行なわない方法により、壁面の未支保区間を尐なくする。
また、側壁を残す幅を自由に変化できるので、変位に柔軟に対処できる利点がある。（図8）
従来は、中央ベンチ（神流川の場合、中央ベンチとサイドベンチとを合わせた幅）を掘削し、これを追いかけるように側壁の仕上げ掘削と支保（PS工）を行なっていた。そのため、掘削箇所と支保完了箇所とが離れ、未支保区間が長くなり、地山が緩む恐れがあった。（図7）

図7：従来の掘削方法

図5： アーチ部掘削（A2,A3）

図6：アーチ部掘削順序（A2,A3）-281-

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図8：ベンチのブロック分割工法
4.4計測工５．おわりに大空洞掘削において地山の挙動を把握することは、発変電所の掘削は、1998年10月にアーチ部頂設導空洞の安定性および支保の健全性を判断するのに重坑の掘削に着手し、2000年10月に25ヵ月にわたる大要な事である。そのために計測結果をフィードバッ
空洞の掘削を完了した。
クして予測値と比較検討し、次の施工法や支保を決空洞周辺の緩みを極力抑制するためのブロック分める情報化施工を実施した。
割工法やPSアンカー早期緊張などの新工法の採用を
計測は、日々の掘削毎に地山の挙動を監視して支図り、情報化施工を実施することで大きな変位（側保の妥当性を判断する日常計測と掘削区切りとなる壁最大変位20.2ｍｍ）も無く掘削が終了できた。
ステップ毎に次施工箇所の支保設計を検討するス
この経験を今後計画されている各種の大空洞掘削にテップ計測で行った。
生かしたい。
計測機器は想定地質図を元に配置され、地質状況に応じて追加、見直しされた。

図10：掘削完了状況
図9：計測器配置図

参考文献
[1]

日本電力建設業協会編,“施工から見た地下発電所の変遷と事例集”,2004年12月
日常計測では、岩盤変位測定（内空変位）、PSア
ンカー張力測定、AE測定、岩盤内応力測定を実施し、 [2] 前島俊雄・森岡宏之・伊東敏彦, “ゆるみ領域に着眼した大規模地下空洞の情報化設計施工”,トンネルと地壁面変位、緩み領域の進展状況を把握した。
下,2001年5月
管理基準値を超えた場合、掘削ブロックの細分化[3] 前島俊雄・森岡宏之・平井秀幸, “神流川発電所地や火薬量の制限する対策を実施し、周辺岩盤の緩み
下 発 電 所 空 洞 掘 削 に お け る 情 報 化 設 計 施 工 ”, 電 力 土を抑制した。
木,2001年1月
ステップ計測では、弾性波速度測定、岩盤内絶対応力測定（円錐孔底歪測定）、小区間岩盤変位測定、岩盤内亀裂変化測定（ボアホールテレビ）などの計測を行い地山緩み領域の把握を行った。

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