山岳トンネルにおける新しい技術的取り組みについて
Empirical Results on New Seismic Prospecting and Turbid Water Treatment
in a Mountain Tunnel Construction Site
大作*1

新庄

Daisaku Shinjou

若林宏彰

*2

Hiroaki Wakabayashi

富澤直樹*2

Naoki Tomisawa

長沼諭

*2

Satoru Naganuma

森山祐三*2

Yuzo Moriyama

高馬崇*3

Takashi Kouma

要旨
中部地方整備局発注の新鹿トンネルは最大土被りが約 170m と大きく、調査・設計時に地表から実施される弾性波探査屈折法では、トンネル掘削深度における地質構造を正確に把握することは困難である。そこで、切羽発破を起振源として、その波動を地表で受振する弾性波探査を行い、切羽前方の地質を予測した。また、トンネル工事では、工事に伴う濁水処理が不可欠であるが、処理により生じる脱水ケーキをそのままでは有効活用することができず、産廃処理されることが一般的である。そこで、脱水ケーキの発生量を削減するとともにその含水比を大幅に低減し再利用することで、高効率で環境負荷を低減できる脱水処理システムを考案・運用した。本報告では、これらの新しい技術的取組みである２テーマに関して、工法の概要とその結果について報告する。
キーワード：大土被り 弾性波探査 発破 切羽前方探査 濁水処理 環境負荷低減

１．はじめに①切羽発破を利用した切羽前方探査
山岳トンネルにおける事前の地質調査では、一般に坑口中部地方整備局発注の新鹿トンネル工事は、図 1 に示す部のボーリングと地表からの弾性波探査屈折法が実施されように三重県熊野市に位置し、施工延長 761m、トンネル延る。しかし、弾性波探査屈折法の実用深度は 150m 程度であ2

長 734m、トンネル内空断面積 66.7m の工事である。トンネり、トンネル中央部の土被りの大きい区間では、トンネルルは平成 23 年 4 月に掘削を開始し、平成 24 年 2 月に貫通掘削深度における地質構造を正確に把握することは困難でした。

ある。そこで、トンネル掘削用の発破を起振源として、そ本工事においては次の技術的なテーマを２つ掲げ、発注の波動を地表で受振することで、切羽前方の地質を把握す者の了解の下、工事内で実証した。

ることを試みた。
②高効率なトンネル工事用濁水処理システム
トンネル工事では、工事に伴う濁水処理が不可欠であるが、処理により生じる脱水ケーキは含水比が高いため、そのままでは有効活用することができず、産廃処理されることが一般的である。そこで、脱水ケーキの発生量を削減するとともに、その含水比を大幅に低減して再利用することでできる環境負荷を低減できる脱水処理システムを考案・運用した。
以下に、これらのテーマに関する実証結果を報告する。

尾鷲市
熊野尾鷲道路２．切羽発破を利用した切羽前方探査の試み

新鹿ﾄﾝﾈﾙ 734m

図 2 に本トンネルの地質縦断図を示す。事前の地質調査
では、弾性波探査を図 3 に示す測線上で地表から行い、そ熊野市
図1*1

名古屋支店の結果を一般的なはぎ取り法とトモグラフィー的手法により解析することで、図 4 に示す弾性波速度の分布が得られ新鹿トンネル位置図
土木部*2

土木事業本部

技術部

*3

技術研究所

― 25 ―

土木・環境技術研究部門

鴻池組技術研究報告

2012

施工方向

Gp
Gp

Gpdt
V=1:1000

Gp
Gp

H=1:1000

設計パターン

DⅢa-s

区間長（m）

DⅠ-b

CⅠ

43.0

22.0 29.0

B

CⅠ
31.5

図2

B

CⅠ

CⅡ-a

B

CⅠ

CⅡ-a

DⅠ-a

41.0

93.0

42.0

55.0

95.0

31.0

41.0

DⅢa

地質縦断図ている。しかし、トンネル中央部では土被りが約 170m と大の位置および規模を正確に把握するためには、さらなる地

L=
440m
No.48

No.46

きていない可能性がある。したがって、これらの低速度帯

No.47

探査測線

きいため、トンネル掘削深度の地質情報を十分には把握で起振位置②（No.50)
No.49

質調査が不可欠である。

NoNo.5 1★

精度に把握することを目的に、トンネル掘削時の発破を用★

いた弾性波探査を試みた。
2.1

起振位置①（No.51).5 0

そこで、切羽前方のトンネル深度における地質をより高

事前地質調査結果の概要

本トンネルは R=900m の平面線形をなすため、事前地質調査では、図 3 に示すような２つの測線の配置により、弾性図3

弾性波探査測線とトンネル平面線形波探査が行われている。それぞれの測線で、はぎ取り法およびトモグラフィー的解析により弾性波速度分布を求めている。はぎ取り法の結果では、トンネル中央部に低速度帯が２箇所予想されているが、これらははぎ取り法の理論的限界から垂直に表示されている。トモグラフィー的解析結
低速度帯

果では、図 4(2)A 部分のトンネル中央部峠の前後に速度の低速度帯低速度帯落ちこみが見られる。この A 部については、風化層が厚いことが推定されると、コメントされているが、図 4(2)B 部の速度の落ちこみについては記述がない。

(1)はぎ取り法による弾性波速度分布

そこで、事前調査の走時データを基にトモグラフィー的な再解析を行った。その結果、解析断面図（速度分布図）
は同様な結果が得られたが、図 5 に示すように、土被りの大きいトンネル中央部では波線（解析上、弾性波が通った速度層の凹状の構造が認められ、風化層がやや厚いことが推定され、施工基面付近では堅硬岩盤ではなく、CM 級の岩盤が想定される。

BAA顕著な速度層の凹状の構造が認められ、風化層が厚いことが推定される。と考える伝播ルート）がほとんど通過しておらず、この領域の探査精度が低いことが予想された。
2.2

切羽発破を利用した切羽前方探査

図 6 に切羽を起振源とする切羽前方探査の概念図を示す。

(2)トモグラフィー的解析による弾性波速度分布

地表から行う弾性波探査屈折法の場合、起振源と受振点の配置の関係で土被りが大きいとトンネル深度の情報が得られない可能性がある。これに対して、トンネル切羽での発― 26 ―

図4事前の弾性波探査の結果

山岳トンネルにおける新しい技術的取り組みについて

破を起振源とすることで切羽前方のトンネル深度における地質を把握できる可能性が高い。今回の試みでは、その起振源として、通常のトンネル掘削で用いる発破を利用するものである。その波動を地表で受振することにより、切羽前方の本調査による結果を事前弾性波探査データに足し合わせて再解析することで、地質予測の精度向上が期待でき計画高る。
2.2.1

新鹿トンネルにおける探査方法概要

１）測線配置および測定区間

図5

再解析による波線経路図

図 7 に測線配置を示す。測定位置は、既往の弾性波探査測線（H20-TD2-1 測線）と同一箇所とし、測定区間は 440m

地上からの弾性波探査の波線イメージ区間（弾性波探査測線の 0 ～ 440m(No.51)）とした。また、起振には、No.51 付近および No.50 付近に切羽が到達した際の発破を利用した。また、弾性波探査反射法による切羽前方探査への適用性を確認するため、坑内にも測点を配置トンネルした。
２）測定方法図6

切羽を起振源とする切羽前方探査の概念図

地表の測点は、事前調査時の測点杭が残存していたため、同位置の 10m 間隔に受振センサーを設置した。ショットマ

探査測線L=440m(ケーブルおよびジオフォン)ーク（起振時間の記録波形）は、坑内より有線で測定本部

測定本部(地上予定)

10m ピッチ

ショットマーク
伝送用ケーブルに伝送した。
坑内の測点については、地上の測定システムとは別に坑内測定(L=57.5m)
2.5mピッチ 24ch24ch の観測システムを設置し、ショットマークは共用した。

★

★

測点配置は、切羽からの飛石が届かない切羽後方約 50m か測定本部坑内(予定)
起振位置②（No.50)

ら 2.5m 間隔で 20 測点とし、側壁（路盤からの高さ 1～1.5m

起振位置①（No.51)

程度）の吹付けコンクリートとその背面地山に孔（φ100）
をあけ、受振センサーを設置した。
３）発破方法

図7

測線配置図

本手法で段発で斉発される切羽発破が適用可能かどうか不明であった。そのため、以下の２パターンで発破を実施おける解析結果の信頼性が向上しているものと評価できる。

し、適用性を検討した。

また、図 9 の解析結果より、以下のことがわかった。

①切羽発破の芯抜き発破だけを探査用の発破として使用

・事前調査の距離程 350m 付近で、風化層が厚いことが懸念する。

されたが、切羽発破を使用した解析では、トンネル深度②施工時の段発発破を使用する。には達していないものと判断された。

いずれの場合も、ショットマーク発生用に、巻き線付き・距離程 230m 付近に、高速度（硬質）部の存在が推定され電気雷管（瞬発(1 段)）を同時に発火させた。
2.2.2た。

探査結果

・距離程 200m 付近から起点側について、事前調査よりも低

図 8 に波線経路、図 9 に解析結果（弾性波速度分布）を、速度となる傾向を示している。測線がトンネル線形から事前調査の再解析のものと比較して示す。

外れているが、掘削に際して留意が必要である。

１）1 回目(No.51+00 での起振)の解析結果

２）2 回目(No.49+59 での起振)の解析結果

1 回目の測定では、No.51+00 における切羽発破のデータ

2 回目の測定では、No.49+59 付近での切羽発破のデータを収録し、事前弾性波探査データとあわせて解析を実施しを収録した。解析は、事前調査のデータに、No.51，No.49+59た。の 2 つの切羽発破のデータを加えて行った。

図 8 の波線経路図に示すように、切羽発破を使用した解図 8 の波線経路図に示すように、1 回目よりもトンネル

析では波線がトンネル深度に達しており、トンネル深度に深度における波線がさらに多くなっており、特に、距離程― 27 ―

鴻池組技術研究報告

(m)
250

2012

(m)
250

掘削方向

200

200

150

150

100

100

掘削方向
(km/s)

5.6

計画高50

4.84.0
3.2
2.450

1.6

00050

100

150

200

250 300

350

400

450

500 550600

650(m)

0.8

050(1)事前調査結果再解析

150

200

250 300

350

400

450

500 550600

650(m)(1)事前調査結果再解析(m)
250(m)
250

200

200

掘削方向

150

150

100

100

50

50

0

100(km/s)

掘削方向

5.6
4.8
4.0
3.2
2.4

計画高1.6
0.8

0
0

50

100

150

200

250 300

350

400

450

500 550600

650(m)

050(2)坑内を起振源とした結果（1 回目）

100

150

200

250 300

350

400

450

500 550600

650(m)(2)坑内を起振源とした結果（1 回目）(m)
250(m)
250

200

200

掘削方向

150

150

100

100(km/s)

掘削方向

5.64.84.03.22.45050

計画高1.60.80050100150200250 300350400450500 550

6000650(m)050100150200250 300

350400450500 550

600(3)坑内を起振源とした結果（２回目）(3)坑内を起振源とした結果（２回目）

図8

図9

波線経路図

650(m)

弾性波速度分布図

200～400m 付近では縦方向の波線が増えている。弾性波探

解析結果より想定されるトンネル上方 1.5D 位置における査では、波線の数が十分にあることと同時に様々な方向の弾性波速度、設計・実施支保パターン、および切羽評価点波線があることが解析精度の向上につながる。したがって、の関係をまとめて示す。

2 回の切羽発破のデータを取り入れることで、解析結果の信頼性が、さらに向上しているものと判断できる。

まず、弾性波速度の縦断分布より、以下のことがわかった。

また、図 9 の解析結果より、以下のことがわかった。

・事前調査で懸念されていた、距離程 350m（No.50）付近

・1 回目の解析では一様な速度分布となっていた距離程 250の低速度帯について、その前後区間の速度変化が明確と～400m 付近の、より詳細な速度分布が明らかとなった。

なり、数十 m にわたり速度が低下することを確認できた

・ ただし、距離程 250～400m 付近の速度の変化は大きなもが、地山区分がＤ区分に落ち込むなど施工に影響するよのではなく、後述するように地山区分が変わるなど施工うな低速度区間は存在しないものと推定される。に直接影響するようなものではないと判断される。

・距離程 150m（No.48）付近より起点側では、事前調査よ・ 距離程 200m 付近から起点側について、明確に低速度とりも速度値が低くなる傾向が認められる。この付近は測なる傾向を示している。測線はトンネル線形から外れて線がトンネルルートから外れているため、本結果から単いるが、掘削に際して留意が必要である。

純に判断することはできないが、設計で想定されている2.2.3

地山区分の評価

B あるいは CⅠと比較して 1 ランク低い区分となる可能性

図 10 に今回実施した切羽発破のデータを使用した 2 回の― 28 ―があるため、施工に際しては留意が必要である。

山岳トンネルにおける新しい技術的取り組みについて

次に、設計および実施支保パターンと切羽評価点について、以下のことがわかった。
・距離程 250m 付近と 310m 付近で切羽評価点が低下し、CⅡ-b での施工となった。この

弾性波速度分布図

範囲は、弾性波速度が低下傾向にあった。
当該箇所は、速度分布の急変部境界に位置している。

トンネル上方 1.5D における弾性波速度・距離程 430m 付近でに見られる速度の落ちこ

1 回目のみみは、切羽評価点には表現されていない。
しかし、この範囲では断面内における評価1 回目+2 回目点のバラツキが大きく、最小評価点は低下傾向を示している。

左天端

右100

加重平均値

90

切羽評価点及び支保パターン

・距離程 450m 以降については、測線とトンネ8070ル線形が外れてきている。この範囲では比50まる傾向がある。
2.2.4

4030

切羽発破の起振源としての適用性20

図 11 に、切羽掘削で段発発破を使用した時10に得られた波形データを示す。芯抜きと 2 段0600550目（図中楕円部）との秒差は 0.25 秒であり、500450

図 10400350300250200150

弾性波速度と切羽評価点の関係問題なく初動を確認できることがわかった。
したがって、本手法では、調査のために特別に瞬発発破のみ実施する必要はなく、通常の掘削サイクル内に調査を実施できる。
2.2.5

切羽発破を用いた坑内反射法としての適用性得られたデータは全て測定機器の測定レンジを越える波動が入力されたことを示しており、使用した機器に対して薬量が多いことがわかった。したがって、本手法に合わせて坑内で反射法を行う場合には、測定機器での工夫が必要である。
2.2.6まとめ本トンネルで切羽発破を利用した切羽前方の弾性波探査を試行した結果をまとめると以下のとおりとなる。
①通常のトンネル掘削で使用する段発発破を適用することができる。
②本手法により、切羽前方の弾性波速度のコントラストをより明瞭に把握することができる。また、測定回数を重ねデータ量が増えるほど、解析結果の信頼性が向上する。
③本トンネルは地山内の弾性波速度の差違があまり大きくなかったこと、および掘削切羽断面内での左右の状態（切羽評価点など）の差が大きかったことから、前方探査で得られた弾性波速度の差違と支保パターンの相関性を見いだすには至らなかった。

― 29 ―

図 11

波形データ

100500

切羽評価点60

較的高速な傾向を示すが、切羽評価点も高鴻池組技術研究報告

2012

３．高効率なトンネル工事用濁水処理システム(無機凝集剤処理）

トンネル工事における濁水処理では、凝集剤として一般的に無機凝集剤 PAC(ポリ塩化アルミニウム)と高分子凝集剤が使用されている。処理対象となる原水は坑内で発生すAL3 +廃 水
（スラッジ発生 大）る湧水がずり出し作業などによって濁水となるものや、削孔水および生コンの洗浄水などであり、それぞれの性状（SS,PH）は大きく異なる。一方、原水の性状や量が時間的に変動するため、凝集剤の添加量をきめ細かく管理することは困難であるため、必ずしも最適な凝集効果が得られない場合がある。また、一般に使用されている無機凝集剤は多量(100ppm～200ppm)に使用されるため、残留した腐食性(有機凝結剤処理）イオン(CL －)により水酸化アルミニウムからなる多量のスラッジが発生し、処理水は再利用に適さない(図 12)。さら（スラッジ発生 少）に、この水酸化アルミニウムは、河川等に放流されれば、

図 12

凝集剤のメカニズム魚類に影響を及ぼすことがある。
これに対して、無機凝集剤 PAC に替えて凝結効果がより

表1

凝集剤の比較優れた有機凝結剤を採用すれば、スラッジの発生を抑制でPACき、また万一放流されても魚類への影響がない。このよう

有機Ａ

有機Ｂな有機凝結剤を原水性状の変化に対応して種類、および添主成分 水酸化アルミニ メタクリル酸系 ポリカチオン系
ウム１０％
ポリマー
有機凝結剤

加量を自動で変えることにより最適な凝集効果が得られる

外観

無色～黄色かか 白色顆粒状粉末 白色粉末
った薄い褐色ＰＨ

2.7～2.9(原液)4.3～5.3(1%水溶液)

図 13

処理フローの比較システムを考案し、本トンネルで実証した。
3.1

高効率濁水処理ステムの概要

4.4～5.4(1%水溶液)本システムでは、異なる原水性状に対応するため、高い凝集効果を発揮する複数の有機凝集剤を使用する。また、原水性状の変化をリアルタイムで測定し、その性状に適応した凝集剤の組合せおよび配合で自動添加する。なお、本現場では２種類の凝集剤を使用した。
3.1.1

有機凝結剤の作用機構

図 12 に示すように、一般にコロイド粒子（混濁物質、エマルション粒子）は、マイナスに荷電しており、これが凝集を妨害しているため、マイナス荷電の中和（プラス荷電を持つ凝集剤の添加）が必要となる。
今回使用した有機凝結剤の概要を表 1 に示す。
本現場の対象となる原水のうち生コン洗浄水は、セメント由来のカルシウム、砂、砕石粒子を主成分とする。一方、削孔水は粘土系粒子が主体となる。今回使用した有機系凝集剤はカチオン密度が高く、荷電中和量が強いため、少量の添加量で有効にコロイド粒子の荷電中和作用を発揮する。
特に、有機Ａは粘土系粒子に対して、有機Ｂはカルシウムを含む粒子に対して、それぞれ凝集効果が高い。したがって、原水の性状に応じて選択し、添加することで、安定した処理水質が期待できる。

PAC

有機Ａ
写真 1― 30 ―有機Ｂ

ジャーテストの一例

山岳トンネルにおける新しい技術的取り組みについて

3.1.2

濁水処理フロー

図 13 に従来の濁水処理システムおよび本システムの処

表2配合切替の閾値理フローを比較して示す。本システムでは、原水の pH に応じて薬剤配合を切り替えている。
3.2
3.2.1

実証結果
ジャーテスト有機Ａ有機Ｂ

pH≦11.3

100011.3<pH≦11.5505011.5<pH0100

実機による実証に先だって、実際に現場で排出されている濁水を対象としてジャーテスト（写真 1）を行い、使用薬剤の選定と配合切替え閾値の設定を行った。有機系凝集
600

剤として３種類について試験を行った結果、有機Ａは主に500

果が高いことが確認された。さらに、その配合切り替えは

400

200
100

る pH 閾値で、約１ヶ月間にわたり、自動運転でトンネル濁12/611/1変化に示すように、原水の濁度は大きく変動したが、放流11/290

水の連続処理を行った。図 14 の原水濁度と処理濁度の経時

11/22

実機稼働結果ジャーテスト等で確認した配合比およびそれを切り替え

300

11/15

3.2.2

処理濁度
原水濁度
放流基準（70ppm)

11/8

原水の pH で行い、その閾値は表 2 に示すとおりとした。

濁度（ppm）

坑内排水に、有機Ｂは主に生コンの洗浄水に対して凝集効基準 70ppm に対し、処理濁度は安定して 10ppm 以下を満たした。写真 2 に本システムによる濁水処理水の状況を示す。

図 14

原水及び処理水の濁度

図 15 に有機凝結剤の使用実績を示す。薬剤使用量は日単位での計量結果である。概ね処理流量に合わせて薬剤の使用量が変化しているが、有機Ａ・Ｂの使用比率は細かく変化しているのがわかる。使用比率は pH にり変動しているが、pH を日単位で表現できないため、同図には示していない。
3.2.3

脱水ケーキの含水率

実機で濁水処理した際に発生した脱水ケーキ表面の状態にあまり差違は認められないが、それらの切断面の水分量には明らかな差があった。脱水ケーキの含水率を測定した
結果、図 16 に示すように、無機凝集剤が平均 41.4%であったのに対して本システムでは平均 36.6%であり、含水率にして約 5%、体積にして約 10%低減できることがわかった。

写真 2

本システムによる濁水処理水の状況含水率の低減により圧縮強度やコーン指数等の向上が期待
2.5剤よりも有機凝集剤の方が浸透時間が約 3 割短く、浸透性― 31 ―図 15

有機系凝集剤の使用実績

12/712/412/111/2811/25の濃縮状態の値を測定した。濃度にかかわらず、無機凝集11/22結果である。攪拌時点における希釈状態での値と、沈降後011/19

いほど、脱水性がよいと判断できる。図 18 は、CST 試験の0.511/16に要する時間を測定するものである。測定された時間が短

111/7を濾紙に浸し、スラリー中の水分が一定距離を浸透するの11/4により測定した。本試験は、図 17 に示すように、スラリー

1.511/1

スにおける脱水性の目安となる濾紙への浸透性を CST 試験

2

濁水処理量(m3 )実機で処理した濁水スラリーを用いて、フィルタープレ

500450400350300250200150100500薬剤Ｂ
薬剤Ａ
処理量11/13

処理スラリーの脱水性
薬剤使用量(kg)

3.2.4

11/10

でき、盛土材等へ再利用の可能性が考えられる。

鴻池組技術研究報告

2012が高い。これより、本システムを使用することで脱水時間を大幅に短縮できることが確認できた。
3.2.5

まとめ含水率(%)

本トンネルで高効率のトンネル用濁水処理システムを試用した結果をまとめると、以下のとおりとなる。
①原水の性状にかかわらず、安定して濁度 10ppm 以下の処理を行うことができる。
②脱水ケーキを約 10%減容化できる。その結果、脱水ケーキの廃棄量を低減でき、環境負荷を低減できる。
③脱水ケーキの含水率を約 5%低減できる。その結果、脱水50454035302520151050

平均41.4
平均36.6

本システム

ＰＡＣ

ケーキの強度が向上し、盛土材等への再利用を行うことで、環境負荷を低減できる。

図 16

含水率測定結果④脱水時間を約 3 割短縮でき、効率的に濁水処理を行うことができる。
以上のような特長より、本システムは合理的であること、環境負荷低減に寄与できることおよびコスト縮減が期待で電極

ＣＳＴ表示窓投入汚泥円筒容器きる（②④）ことが確認できた。
ろ紙

４．おわりにＣＳＴ表示
ボックス

新鹿トンネルにおいて、①切羽発破を利用した切羽前方投入汚泥から移動するろ液の方向(同心円方向)探査と②高効率なトンネル工事用濁水処理システムを実証した。
①は、トンネル線形が曲線であるのに対して、事前の弾

図 17

CST 試験装置概要

性波探査測線が直線であったため、必ずしも本手法に最適な現場条件ではなかったが、切羽発破を起振源として地表60で測定した探査データを積み重ねていくことで、切羽前方認された。なお、本実証にあたり、財団法人災害科学研究所トンネル調査研究会（松井保委員長）と応用地質株式会社に技術的な指導をして頂いたことを、深く感謝する。
②は、本システムを使用することで、より効率的に濁水処理を行え、さらに脱水ケーキを再利用できる可能性を確認できた。なお、本技術は、栗田工業株式会社と株式会社
フジテックスとの共同開発成果である。

平均39.950
ＣＳＴ試験値(秒)地山の弾性波速度の推定に関する信頼性が向上する事が確

40

平均27.8
平均24.230

平均15.7

20100
本システム

ＰＡＣ

攪拌時の希釈状態

本システム

今後、トンネル現場でこれらの技術を適用し、現場の生産性を高めると共に、なお一層の高度化を図る予定である。

― 32 ―

図 18

ＰＡＣ

沈降後の濃縮状態

CST 試験結果