マンホールの浮上抑制効果の検証に関する
遠心模型実験・数値解析的研究
もり あ つ し

ふ く だ けんたろう

なかむら

な か の まさあき

森篤史1・福田謙太郎1・スレンソッキアン1・中村ゆかり2・中野雅章2
1日本工営（株）中央研究所 試験・実験センター（〒300-1259 茨城県つくば市稲荷原2304）
2日本工営（株）中央研究所 先端研究センター（〒300-1259 茨城県つくば市稲荷原2304）

マンホールを含めた下水道管路施設の耐震化事業は，対象となる施設数が多く，未だ耐震化率も低い状況にあり，耐震化には長期間を要する見込みである．従来，下水道管路施設の耐震化にあたっては，過去の地震被害の特徴を踏まえ，各被害形態に対応する耐震化工法が開発，現場適用されている．本研究では，マンホールの浮上り現象に対し，接続されている下水道管や各耐震化工法を加味した浮上抑制効果を検証し，複合的な耐震性の評価方法の確立を目的に遠心力模型実験及び有限要素法解析を実施した．耐震性の評価手法を構築することで効率的，効果的な耐震化事業促進へ寄与すると考えられる．
Key Words : 液状化，下水道管路施設の耐震化，マンホールの浮上，遠心模型実験，動的有効応力解析

１．研究背景2．研究目的下水道マンホールの浮上り被害は，道路交通を阻害し発災直後の道路啓開や救命救急活動，その後の復旧活動を妨げるとともに，下水道ネットワークを途絶させ，下水道機能を低下させる．また，下水道機能の復旧の遅れは上水道の機能回復にも影響し，地域の生活環境の質や公衆衛生を悪化させる等多方面へ影響を及ぼす要因となる．令和6年能登半島地震においても，マンホールの浮上り被害が確認された一方，事前に耐震化対策が実施されたマンホール
では，浮上り抑制効果も報告されている 1) （図-1）．
下水道管理者は，マンホールを含めた下水道管路施設の耐震化に取り組んでいるが，令和4年末時点の全国の重要幹線延長約9万kmの耐震化率は，56％に留まる2)．地震後に多方面かつ甚大な影響を与える一方で，未耐震化施設の多い下水道管路施設に対して，如何に効率的に耐震化事業を促進するかが課題である．

下水道管路施設の耐震化にあたっては，過去の地震被害と特徴を踏まえ，各被害形態に対応する耐震化工法が開発され，現場適用されている．例えば，マンホールと管接続部への既設人孔耐震化工法 3)（図-2），フロートレス工法4)（図-3），管更生工法
5)が挙げられる．

図-1 令和6年能登半島地震マンホールの被害状況1)

図-3 フロートレス工法概念図4)

図-2 既設人孔耐震化工法概念図3)

0-4-7.06

時間 (s)-8051015202530

図-5 入力地震動
表-1 検討ケース（実験・解析共通）
SRM
FMLP
解析
既設人孔
フロートレス
管更生ケース
耐震化工法工法工法
Case1×××
Case2〇
××
Case3×〇×
Case4××〇
Case5〇
〇
〇
加速度計
間隙水圧計
レーザー変位計
ひずみゲージ

CH4 CH2FM
CH19
舗装部

76.7
液状化層

LP

CH1,CH6CH8CH7 40CH26CH14FMSRMLPCH3 CH5CH20CH9SRM

CH27 CH15400

1/30モデル
単位：mmCH28CH16CH24 CH12CH25CH13CH22CH2120326.65
豊浦砂
Dr=54%

CH23CH11

硅砂3号Dr=90%

基盤層210(1) 実験条件
実験は，日本工営(株)所有の遠心力装置（図-4）にて，30Gの遠心力加速度場で実施した．遠心力場で実験を行うことで，実物の1/30の長さの模型で，構造及び地盤の地震時挙動を表現可能となる6)．
検討（実験及び解析）ケースの一覧を表-1に示す．
Case1は，無対策ケース，Case2～4は，耐震化工法単独ケース，Case5は，3工法を組合わせたケースである．なお，基礎的な検討として，地盤のみ，マンホールのみの検討も行っている．すべてのケースの入力波形は，1995年兵庫県南部地震の神戸海洋気象台記録波形を用いた（図-5）．
実験模式図の例として，Case5の模型配置，寸法，計測位置等を図-6に示す．地盤条件は，液状化を想定した豊浦砂（相対密度54％）とし，その表面を地下水位とした．豊浦砂中に配置した管路は，7か所の継手部を有し，その両端にマンホールを配置している．計測項目は，加速度，過剰間隙水圧，地表変位，管のひずみ等とした．各耐震化工法は，対策概
念や特徴，相似則を考慮の上，要素試験も行い，対策効果を表現可能な模型を作成した（図-7～9）．

兵庫県南部地震 神戸海洋気象台記録波形NS成分を振幅調整

4CH291000

45CH4 CH2653.3
SRM

45CH3 CH5CH1LP

SRM

2503．遠心力模型実験

8

加速度(m/s2)

本研究で着目したマンホールの浮上現象に対しては，直接的に浮上を抑制する フロートレス 工法以外の耐震対策がマンホールの浮上抑制に効果を発揮する可能性も想定される．また，既往研究 4) では，マンホール単独構造での研究事例が多く，マンホールと下水道管が一体化している構造での液状化時の地震時挙動や浮上抑制効果も未解明な状況である．
本研究では，接続されている下水道管や前述の3つの耐震化工法を加味した複合的な耐震性の評価方法を確立し，効率的，効果的な下水道管路施設耐震化事業の促進に資することを目的に，遠心力模型実験及び有限要素法解析により，マンホールの地震時挙動や浮上抑制効果を検証した．
なお，本研究は，東京都下水道サービス株式会社の業務委託により実施したものである．

46.3

4081818181CH6FM

CH35CH33CH31CH36①CH34②CH32④③81818182.5

46.3
FM

CH37⑤⑥CH38⑦

図-6 実験模式図例（Case5）模型スケール

図-7 既設人孔耐震化工法（SRM）の模型状況

図-8 フロートレス工法（FM）の模型状況

図-4 遠心力実験装置全景
図-9 管更生工法（LM）の模型状況

対策人孔(フロートレス工法)(2) 実験結果以降に示す実験結果は，全て実物換算によるものである．また，紙面の都合により，計測結果グラフ類は，次節の数値解析の章で解析結果と合わせて提示した．ここでは，模型の地震時挙動について示す．
実験後の地表鉛直残留変位分布を図-10に示す．
Case1（無対策）では，加振により地盤が液状化し，約15cmのマンホール（人孔）の浮上りが確認された．
一方，Case3（FM）では，地盤はCase1と同様に液状化していたが，マンホールの浮上りは，約5cm程度であった．これらの結果より，マンホールと下水道管の一体化構造時においても，フロートレス工法によるマンホールの浮上抑制効果が発揮されるこが確認された他，下水道管直上の地盤隆起も抑制されていることが確認された．
実験後の模型状況の写真を図-11に示す．同写真
は，下水道管継手の屈曲状況を観察するために，模型の形を維持しながら取り出したものである．
Case1（無対策）の写真を見ると，実験後に下水道管中央付近の継手で屈曲が生じていることが確認された．一方，Case4（LP）では，下水道管内部に設置された更生管により管剛性が高くなり，屈曲が生じておらず，今回の条件では，地震時に下水道管の屈曲が抑制されていることが確認された．

無対策人孔5040302010 Disp.
0-10 (cm)-20-30-4050-5040302010 Disp.
0-10 (cm)-20-30-40-50【参考】管きょ無し

地盤パラメータは，土の繰返し非排水三軸試験
対策人孔
無対策人孔
対策人孔(JGS0541)を行い，供試体の挙動を再現した1要素の無対策人孔(フロートレス工法)(フロートレス工法)
シミュレーションを実施し，液状化強度やせん断ひ【参考】管きょ無し
ずみを再現可能な値とした（図-12中の数値）．
Width of soil container (m)フロートレス工法のモデル化は，既往検討の実験
対策人孔
無対策人孔4)(フロートレス工法)
無対策人孔結果等を参考に，マンホール壁面に対する地盤の無対策人孔Width of soil container (m)せん断抵抗の保持を目的に，マンホールと地層間に50
Width of soil container (m)4030ジョイント要素を配置し，地層構成や対策有無に応Case1
2010 Disp.
8)
じ，摩擦抵抗角を設定した
．
0
無対策人孔
-10 (cm)
無対策人孔
無対策人孔

無対策人孔

Width of soil container (m)

Case1
Case1

Width of soil container (m)

無対策人孔
対策人孔
(フロートレス工法)

無対策人孔

Width of soil container (m)対策人孔(フロートレス工法)-20-30-4050-5040302010 Disp.
0-10 (cm)-20-30-40-50

50403020100 Disp.
-10対策人孔対策人孔-20 (cm)
対策人孔対策人孔(フロートレス工法)(フロートレス工法)-30-40(フロートレス工法)(フロートレス工法)
50-504030
Case2
20
Width of soil container (m)100 Disp.
図-10 実験後地表鉛直変位分布-10-20 (cm)
対策人孔
対策人孔
-30-40(フロートレス工法)(フロートレス工法)
-50

Case2
Case3

Width of soil container (m)4．有限要素法による数値解析(1) 解析条件
解析手法は，地盤の液状化や，過剰間隙水圧の消散を考慮した地盤の変形挙動を一連の流れで表現することが可能な動的有効応力解析を採用し，具体的には，Oka et al. (1991)7)による液状化解析プログ
ラムLIQCAを使用した．
解析モデル図例としてCase5（3工法）の解析モデ
ル図を図-12示す．解析モデルは，実物換算の寸法とし，マンホールと下水道管図心位置を通る二次元断面で作成した．地下水位及び排水境界は，実験に合わせて舗装部と液状化層（豊浦砂Dr=54％）の境界に設定した．境界条件は，実験条件に合わせ，剛土槽を模擬した底面固定，側方鉛直ローラーとした．
外力条件は，土層底面の計測加速度をモデル底面に入力し，解析時間は，地震後の過剰間隙水圧の消散過程も含め888秒間とした．
↓CH2

舗装0.3m豊浦砂6.3m

図-11 実験後の模型状況(2) 解析結果
過剰間隙水圧比の時刻歴と入力加速度を図-13に示す．入力加速度が最大となる8秒付近で実験，解析ともに過剰間隙水圧比は1.0近くとなり，液状化状態となっている．
Case1(無対策)のマンホール左側(CH2)の鉛直変位の時刻歴の比較を図-14に示す．マンホールの残留変 位 は ， 実 験 結 果 が 17.8cm に 対 し ， 解 析 結 果 が19.1cmと良好に再現できていることが確認された．

↓水位←左人孔FM◆◆◆

SRM◆◆↑LP下水道管(L=18.21m)

右人孔FM→◆◆↑継手部
SRM

飽和密度:1.94（g/cm3）,初期せん断係数: 32159(kN/m2)

透水係数: 2.33E-04（m/s） ,内部摩擦角: 34.7（度）OCR*:1.2,Mf*:1.147,Mm*:0.821,B0*:3000,B1*:50
D*:0.5,N:15,Cd:2000,γrefP*:0.006,γrefE*:0.015

2.3m
1.39m

7.2m

●CH24
計測・出力凡例：↓変位計測・出力凡例：●過剰間隙水圧硅砂0.6m30m
図-12 解析モデル図例（Case5）

過剰間隙水圧比Δu/σv'

左マンホール側下水道管のモーメントの時刻歴を
図-15に示す．Case2（SRM）の方が4kNm程度（50s付近）小さい傾向が確認され，下水道管とマンホール間の相互作用が小さくなっている．接続部可とう化により，地震の揺れが吸収され浮上抑制へ繋がったと考えられる．
マンホール浮上り量（実験・解析）の相関図を図-16に示す．図-16より，実験・解析結果共に各対策は，無対策に対し，浮上抑制がみられ，浮上抑制効その傾向は，実験と解析で同様の結果であった．
3工法の組合せケースが，最も浮上抑制効果が高く，各工法の抑制効果が蓄積される結果であった．
各工法の抑制原理は，それぞれ，既設人孔耐震化工法(SRM)は，接続部可とう化による地震の揺れの吸収，フロートレス工法(FM)は，マンホール壁面に対する地盤のせん断抵抗の保持，管更生工法（LP）は，
Case1（実験）Case1（解析）2CH27地盤（中央） GL-2.01m
1.5
更生管による管の屈曲低減であり，各工法のマン1
ホール浮上抑制の原理が異なることで，複合的な浮0.50
上抑制効果が発揮されたと考えられる．
01020304050

時間 (秒)
Case1（実験）

過剰間隙水圧比Δu/σv'

21.5
10.50

Case1（解析）CH24地盤（中央） GL-4.2m

01020304050

鉛直変位（cm）
応答加速度 (gal)

時間 (秒)
800
図-13600

30400
25200020-20015-40010-600-800
500-50

入力地震動
過剰間隙水圧比の時刻歴の比較（Case1）

19.1cm17.8cm
20 時間 (秒)1030

実験_左側人孔

200

400

時間（秒）

4050

800

1000

解析_左側人孔600

5．まとめと今後の課題
実験と解析から以下の４点が明らかになった．
① 既往のマンホール浮上抑制工法（FM）は，下水道管と一体化しても浮上抑制効果を発揮した．
② 接続部可とう化工法（SRM）により，地震エネルギーが減衰され，浮上抑制へ繋がった．
③ 管更生工法（LM）により管の屈曲が減少し，浮上抑制へ繋がった．
④ 3工法の組合せ時の浮上抑制効果が最も高く複合的な浮上抑制効果を確認できた．
今回設定した解析モデルは，浮上量を表現出来ていると考えられ，今後は，模型土槽の制約で実験の実施が難しいマンホールに複数の下水道管が接続する条件や，管径や管種が異なる構造に対して，更なるマンホールの浮上抑制効果を検証する予定である．
将来的には，実験や解析の結果を用いて，従来は構造毎に評価されていた浮上に対する耐震性を，施工済・施工予定の耐震化工法を加味した浮上抑制効果（低減率等）として定量化した上で，下水道ネットワークとして評価可能な方法の構築へ展開する構想である．それにより，例えば，老朽化対策として管更生が計画された下水道管に接続するマンホールへの浮上抑制工法実施の優先度判定といった耐震化の優先箇所の選定，耐震化工法の効果的な組合せの提案，耐震化が必要な施設の絞り込み等が可能となると考えられる．複合的な耐震性の評価を可能とすることで，限られた人的資源・財源を合理的に活用した耐震化事業の促進，地域の防災レジリエンスの向上に寄与するものと考えられる．

図-14 マンホールの鉛直変位の時刻歴の比較（Case1）
100806040200M（kN・m）

参考文献
Case1(無対策)_左側人孔Case2(SRM)_左側人孔01020 時間（秒） 30

4050

図-15 左マンホール側下水道管のモーメント(Case1・2)

浮上り大30
両人孔平均

残留変位 ［解析］（cm）

25

既設人孔耐震化
工法SRM

2015

フロートレス工法FM

1053工法組合せ

無対策

管更生工法LP

Case1(無対策)
Case2(SRM)
Case3(FM)
Case4(LP)
Case5(SRM+FM+LP)

00
浮上り小5
1015
2025
残留変位 ［実験］（cm）

30

図-16 マンホール浮上り量（実験・解析）

1) 国土交通省：第2回上下水道地震対策検討委員会資料31「上下水道施設の被害状況について」，2024.
2) 国土交通省：第１回上下水道地震対策検討委員会資料4「上下水道施設の被害状況について」，2024.
3) 財団法人 下水道新技術推進機構：非開削による既設下水道マンホール耐震化工法「既設人孔耐震化工法」，建設技術審査証明, 2020.
4) 財団法人 下水道新技術推進機構：液状化現象によるマンホールの浮上抑制技術「フロートレス工法」，建設技術審査証明, 2022.
5) 財団法人 下水道新技術推進機構：下水道管きょの更生工法-形成工法・熱形成タイプ-および取付管の修繕工法「オメガライナー工法」，建設技術審査証明, 2020.
6) 武藤真,福田謙太郎,堀口陽子,大沢昌玄：液状化によるマンホールの浮上抑制に対する耐震化工法の実験的研究, 下水道協会誌, 11月号, pp.130-139, 2023.
7) Oka, F., Yashima, A., Shibata, T. and Kato, M.: A
finite element analysis of liquefaction of seabed
due to wave action, Geo-Coast'91,pp.621-626, 1991.
8) 武藤真,森篤史,福田謙太郎,堀口陽子,小林義和,大沢昌
玄：液状化によるマンホールの浮上抑制に対する耐震化工法の数値解析的研究,下水道協会誌,5月号, pp.90108, 2024.