第67回(2023年度)

北海道開発技術研究発表会論文

ＪＲ軌道直下における大沼トンネル本坑（峠下工区）の施工―パイプルーフによる沈下抑制―
函館開発建設部函館道路事務所第 2 工務課 ○中川由輝
函館開発建設部函館道路事務所第 2 工務課
山田剛史
清水・宮坂・森川特定建設工事共同企業体 大久保征一郎
北海道縦貫自動車道七飯～大沼は、高速ネットワークの拡充による道央圏と道南圏の連絡機能の強化を図り、地域間交流の活性化及び重要港湾函館港、拠点空港函館空港等への物流の効率化等の支援を目的とした延長10.0kmの高速自動車国道である。大沼トンネル本坑峠下工区（函館側）は、ＪＲ函館本線の軌道直下を通過するため、沈下抑制対策としてパイプルーフ工法を採用している。現在、試験施工として鋼管２本の打設が完了している。本稿では、パイプルーフの施工計画、および施工状況について報告する。

キーワード：トンネル掘削補助工、JR軌道、パイプルーフ工

1. はじめに
大沼トンネル（仮称）は、北海道縦貫自動車道七飯～大沼間（延長約10 ㎞）に位置する高規格道路トンネル（図-1）で、完成すると道内最長となる延長6,976.6ｍの道路トンネルとなる。また、北海道開発局では初となる避難坑を有する道路トンネルとなる。
写真-1に示すように、本トンネル函館側の峠下工区（施工延長3,560ｍ）の坑口近傍には、ＪＲ函館本線の軌道が近接している。また、このＪＲ軌道の直下（土被り約17ｍ）を通過することになる。
地質や地山条件に応じた対策工を選定することが施工上の留意点として挙げられており、トンネルの掘削に起因する軌道沈下量を極力小さくすることが求められた。
このため掘削に先立ち補助工法として剛性の高いパイプルーフ工法が採用された。パイプルーフの施工延長については、トンネル掘削がＪＲ軌道へ与える影響範囲を包含する形で延長95ｍを対象（図-2）とした。

至 札幌

至 函館

図-1 大沼トンネル（仮称）位置図
JR 軌道坑口

写真-1 峠下工区トンネル坑口

4m 4m
45° 41.89
45°

34.43

DL=90.000

押え盛土(ソイルセメント）

5
1.
1:18.68

凡DL=90.000

FL・Bｋ

例

JR下盛土

aｖｃ･ｓ 火山灰層
Tv-s・c 凝灰岩部（土砂部）

FL・Bｋ

51.
1:

DL=80.000

P=17234.0

P=17139.0

JR影響範囲 L=95m
JR函館本線

DL=80.000

Tｖ-tw3

凝灰岩部（強風化部）

Tｖ-tw2

凝灰岩部（風化部）

aｖｃ･ｓ
i=2.036%

DL=70.000

DL=70.000

Tｖ-s・cTｖ-tw2

Tｖ-tw2

Tｖ-tw3図-2 対象範囲
NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro
-581-

１月３０日

差し替え版

(2) 計測管理
計測項目および数量一覧を表-2に、計器配置図を図-5～6に、管理基準一覧を表-3に示す。なお、管理基準値
は軌道計測および地表面沈下計測（横断2測線）（表-2の赤枠）のみ設け、その他の計測については参考値とし、想定外の変状が生じた際の原因分析に使用するものとした。地表面沈下計で設定した管理基準値は事前に実施した予測計算により得られた、軌道部における想定最大変位の2.5倍を管理レベルⅢ（厳重注意値）とし、その70％を管理レベルⅡ（要注意値）、40％（想定最大変位）を管理レベルⅠ（注意値）としている。各段階における対策については、表-4に示す。

2. 工事概要
本工事の工事概要を表-1に示す。
表-1 工事概要
工事名
工事場所
受 注者
請負金

工事概要

北海道縦貫自動車道七飯町
大沼トンネル峠下工区工事
北海道亀田郡七飯町字仁山
清水・宮坂・森川特定建設工事共同企業体
4,148,925,000円（税込）（第1回設計変更）
工事延長：L=4,285.0m
トンネル延長：L=3,560.0m（幅員：SL=11.0m）（内空断面積：A=77.5m2）
掘削工：L=974.4m（NATM、機械掘削）
インバート工：L=789.5ｍ
パイプルーフ工：一式
残土処理工（整地）：93,400ｍ3

表-2 計測項目および数量一覧
担当区分

計測項目

計測器

本坑

ＪＲ北海道

軌道計測

軌道変位測定器

1測線（90m）

3. 施工条件

地表面沈下計測(1) 地質概要
図-3にトンネル坑口近傍の地質縦断図、図-4に地質横断図を示す。
ＪＲ軌道直下は上層からＪＲ軌道構築時に造成された盛土、火山灰、凝灰岩（土砂部）、凝灰岩（強風化部）で構成されている。また、坑口部と盛土の間の小土被り部には押え盛土として、ソイルセメントによる改良盛土が施工されている。
盛土は礫混じりシルト質砂、礫混じり砂質シルトから構成され、一部に腐植物・腐植土が混じり不均質である。
また、凝灰岩類は当該丘陵部のほぼ全域に分布する基盤岩類であり、火山噴出物により構成され風化の程度により分類されている。

・掘削影響範囲内の軌
計測範囲は、避難坑

横断2測線（83m、83m）

三次元測量

北海道開発局

縦断1測線
（30m）

・トンネル中心線上の地中傾斜計測

多段式傾斜計1本（9m）

・盛土法面の地中傾斜

地中水平傾斜計測

地中水平傾斜計

1本（38m）

・盛土部における地中基

準点86m
11.55m

開発局 設置機器 凡例

3-

1基

準点

地表面沈下杭（横断方向）

1-

146m

地表面沈下杭（縦断方向）
地中傾斜計
地中内水平沈下計
H-

設置機器 凡例
軌道計測器

3-

L9L8H-

S-

S-

S-

H-

L4H-

地中内水平沈下計
T-3

T-5T-4

L5S-

132m

L3S-

112m

H-

L6

L4S-

T-7

L3S-

L2H-

L1

H-

T-697m

線
館本
JR函

L5TB3T-2

L7L6地表面沈下計(横断方向)

T-1

L817200

H-

17115

L9L7H-

地表面沈下計(縦断方向)

17200

CLH-

TB2

R1H-

地中傾斜計

L2S-

L1SCL
SR1S-

R2H-

P=17183

R3H-

地表面沈下計(横断方向)

R2S-

R4

R3S-

H-

R4S-

R5180180

H-

R5S-

R6H-

R6S-

R7

R=30.00
R=30.00
EC=171.70
EC=171.70

H-

R8H-

IP4

準点

62m
10.7
S-

EPEP

基

2H-

JR

R7S-

R9R8S-

R9IP411660 0BC=
R= 15BC2=1
30R=3.522.
.00.00323
0観測孔

図-5 計器配置図（平面図）
図-3 地質縦断図

大沼トンネル(本坑)明り巻
L=14.0m

坑口 パターン
L=121.0m
JR函館本線
P=17181.0

地表面沈下計（横断方向）

地中傾斜計（1側線）
P=17183.0（センター）

8.7m

P=17151.0

P=17139.0

6@5m=30m

地中内水平沈下計（センター）

38m @0.5m

DL=90.000

5盛土FL・Bｋ

8.7m

9m

地表面沈下計(縦断方向)（センター）

押え盛土(ソイルセメント）

2.5m 2.5m 2m

2m

DL=90.000

1.

DL=80.000

DL=80.000
550

1:aｖｃ･ｓ5550
500 16231850

Tｖ-aw1

1:0.
5

Tv-s・c51.
1:DL=70.000

Tｖ-tw2

Tv-s・caｖｃ･ｓ
Tｖ-s・cTｖ-tw3SL

i=2.036%

FH

Tｖ-tw3
DL=70.000
Tｖ-tw2

図-6 計器配置図（縦断図）

図-4 地質横断図
NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro-582-

・掘削影響範囲内の軌
計測範囲は、避難坑

１月３０日

差し替え版

表-3 管理基準一覧（単位：mm）
地盤変位計測
参考値

軌道計測
項目

項目

地表面沈下計（横断）

地中内水平沈下計

軌間

水準

高低通り

平面性

想定最大変位±14.8±33.0

整備目標値+6,-4±7±7±7－

注意値（管理レベルⅠ）

±14.8

±33.0

警戒値

－－

±10±10±12

要注意値（管理レベルⅡ）

±25.9

±57.7

整備基準値

+14

平面性による±15±15±18

厳重注意値（管理レベルⅢ）

±37.0

±82.5

想定最大変位

表-4 対策工一覧
管理体制
通常体制

写真-3 巨礫出現函館開建
・地表面沈下計（横断）の計測管理（1回/4h）

・作業員への注意強化
・地表面地盤の現地確認を行う

注意体制
・変状要因の推定（整備目標値超過）（管理レベルⅠ超過） （地表面沈下計(縦断),地中内水平沈下計の確認）

巨礫・対策工を検討・地盤沈下計測管理体制強化（1回/3h）

・工事一時中断の要否を検討する
・地表面地盤の現地確認を行う

要注意体制
・変状要因の分析（最終変位の予想）(警戒値超過)（管理レベルⅡ超過） ・対策工の実施

・地盤沈下計測管理体制強化（1回/2h）

写真-4 坑口切土完了状況
・工事の一時中止
・地表面地盤の現地確認を行う
厳重注意体制・変状原因の究明(整備基準値超過)（管理レベルⅢ超過） ・施工方法の見直しを行う
・地盤沈下計測管理体制強化（1回/1h）

4. パイプルーフの仕様(3) 坑口切土
トンネル掘削に先立ち、坑口部の切土掘削（1：0.5）を実施したところ、切土中央部から非常に硬質な地山が出現し、バックホウによる掘削が困難な状況となった（写真-2）。このため、大型ブレーカによる掘削に切り替えたが、掘削中に最大寸法2ｍ程度の巨礫（写真-3）が数多く出現した。また、切土掘削完了後の掘削面からも多くの巨礫が確認された（写真-4）。
このことから、パイプルーフ掘進時においても巨礫の出現が懸念され、掘削が困難な状況となることが想定された。

(1) 工法の選定
パイプルーフの施工方法として、オーガ掘削鋼管推進工法（以下、オーガ式）と、泥水式掘進工法（以下、泥水式）があるが、オーガ式は掘削された土砂をスクリュー状になった本体を回転させることで外へ搬出する（図-7）ことから、当該盛土のような不均質かつ固結度の低い地盤の場合、切羽面の保持が難しく地表面へ影響を与えるリスクが考えられる。
これに対し、泥水式は泥水の圧力により切羽の安定を保ちながら掘削するため、先述のリスクが少ない。また、転石や玉石を含む地盤においても適応可能であり、掘進機の引き戻しも可能なため、到達立坑も必要としない。
推進延長も100ｍ以上可能で、方向制御もリアルタイムに対応が可能なため、高い施工精度の確保が可能である。
以上のことから、泥水式を採用することとした。掘進機を写真-5に示す。

図-7 推進工（オーガ式）

写真-2 硬質地山掘削状況

写真-5 泥水式掘進機
NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro
-583-

１月３０日

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(2) 鋼管径の選定
写真-2、写真-3、写真-4に示したように、パイプルー
フを施工するにあたり、地山内部に巨礫を多く含むことが想定される。巨礫の硬さ、大きさによっては掘削が困難となり、掘進不可能に陥る可能性も否定できない。
一般に、礫により掘進が困難な場合には、鋼管内部に作業員が立ち入り、人力によって撤去される。そのため鋼管内部で人が作業できる最小径（Φ800mm）以上とする必要がある。
以上のことから、本工事では鋼管径をΦ812.8mm、厚さｔ=12mmとすることとした。なお、施工範囲は上下半の範囲とし、打設本数は25本とした（図-8）。

5. FEM解析による地表面沈下予測(1) 解析条件
FEM解析に使用する解析モデルを図-9に、地山物性値を表-5に、構造物性値を表-6に、パイプルーフ等価剛性値を表-7に示す。なお、地山物性値は隣接する避難坑掘削時に得られた計測結果をもとに再現解析を行い、地山物性値の同定を行った。また、本坑掘削時は早期閉合を前提とした解析ステップを採用している。

図-9 解析モデル（単位：ｍ）
表-5 地山物性値一覧

図-8 パイプルーフ配置図(3) 設備全体概要
写真-6にパイプルーフ工法の設備全体を示す。掘進機は反力壁との間に配置されたジャッキにより推進力を得て地山を掘削する。掘削された土砂は泥水と共に泥水処理機へ排出され、土粒子と泥水に分離される。土粒子は残土として一時仮置き場へ搬出され、泥水は再度掘進機へ送水される。泥水の濃度は清水により調整され、余剰泥水は余剰泥水槽に貯蔵されたのち、汚泥として産廃処理される。

清水槽

反力壁

ジャッキ

表-6 構造物性値一覧

鋼管ｎ表-7 パイプルーフ等価剛性値一覧

泥水処理機残土余剰泥水槽

写真-6 設備全体写真

NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro
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差し替え版

P=17234.0

P=17139.0(2) 解析結果
FEM解析の結果を図-10に示す。パイプルーフを施工した後、早期閉合を行いながらトンネルを掘削した際に軌道１０ｍ区間当りの高低変位は4.77mmとなり、軌道計測の整備目標値である±７ｍｍに対し、70％以下となる結果を得た。

JR函館本線
線路閉鎖作業区間

4m 4m
45°

DL=90.000

45°

約42ｍ

押え盛土(ソイルセメント）

DL=90.000

JR下盛土
FL・Bｋ

5
1.
1:

DL=80.000

DL=80.000

51.
1:

aｖｃ･ｓ
i=2.036%

DL=70.000

DL=70.000

Tｖ-s・cTｖ-tw2

Tｖ-tw3

Tｖ-tw2

図-11 線路閉鎖時間での作業範囲
至札幌大沼トンネル

図-10 ＦＥＭ解析結果

6. 試験施工(1) 施工条件
現在施工を完了したパイプルーフ２本（図-8，⑫⑬）
は、試験施工の位置づけで次の条件下で施工を行った。
【１本目：図-8，⑬】
 施工位置はＪＲ軌道に対して最小土被りとなる天端部とする。
 軌道中心から４ｍの位置から45度ラインの区間（図-11）については、線路閉鎖時間（23:00～2:00の3時間）に施工を行う。それ以外の区間においては、列車間合い（23:00～6:00の7時間、うち列車8本×通過時間6分=48分は作業不可）の施工を行う。
 列車間合いの作業一時中止命令は、施工場所から最も近い踏切（札幌側と函館側の2か所、図-12）に監視員を配置、警報機が鳴り始めたら無線連絡し、掘進作業を中止させる、という手順で行う。
【２本目：図-8，⑫】
 １本目施工時の変位計測結果等を検証し、ＪＲ軌道への影響が想定範囲内であれば、掘削位置に関係なく列車間合いでの施工とする。
なお、12月～3月の冬季期間は、ＪＲ軌道において不測の事態が生じた場合、バラストが凍結して軌道補修ができないため、パイプルーフの掘進作業は行えない。
今年度施工したパイプルーフ2本の変位計測結果を検証し、問題がなければ、来年度は24時間施工とする予定
である。

至函館

図-12 踏切監視員配置位置図(2) 施工結果a) 施工実績
掘進速度は押え盛土（ソイルセメント）では15～30mm/min程度と時間を要したが、盛土および凝灰岩（土砂部）、凝灰岩（強風化部）では概ね50～70mm/minと倍以上になった。また、施工精度は鋼管先端部において、１本目（No.13）は右10ｍｍ、高さ22ｍｍ（平均：右24ｍｍ、高さ31ｍｍ）、2本目（No.12）は左36ｍｍ、高さ8ｍｍ（平均：左20ｍｍ、高さ8ｍｍ）と精度良く施工することができた。
b) 計測結果
図-13に横断測線の地表面沈下分布図を、図-14にＪ
Ｒ軌道における高低差の計測結果を示す。地表面沈下について札幌側に対し函館側の沈下量が大きくなっているが、札幌側は計測点のターゲットが平面上に設置されているのに対し、函館側は斜面に設置されていることに起因すると推察される。また、1本目に対して2本目の方が変位が大きくなっているが、いずれの測点も管理レベルⅠ（地表面沈下：14.8ｍｍ以下）を下回っている。ＪＲ軌道の高低差計測結果についても、いずれの測点も整備目標値（7ｍｍ/10ｍ）以内の計測値となった。

NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro
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管理レベルⅠ（14.8ｍｍ）

管理レベルⅠ（14.8ｍｍ）〈－2023 年 10 月 27 日：1 本目施工完了、－2023 年 11 月 23 日：2 本目施工完了〉
図-13 地表面沈下

図-14 JR 軌道 高低差計測結果

7. おわりに今年度のパイプルーフ工は25本中2本の施工にとどまったが、巨礫出現による掘進の停止などトラブルに遭遇することなく、高い掘進精度で施工することができた。
また、各計測結果をみても、ＪＲ軌道への影響を最小限としながら施工することができた。しかしながら、パイプルーフの打設位置によって発生する変位は異なるものと考えられたため、今後の施工についても細心の注意を払いつつ実施する所存である。
また、最終的な計測結果をもとにトンネル掘削が与えるＪＲ軌道への影響が事前予測に対して妥当かどうか、更なる検証が必要である。

NAKAGAWA Yoshiki, YAMADA Takeshi, OKUBO Seiichiro
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