第66回(2022年度)

北海道開発技術研究発表会論文

破砕質な砂岩泥岩互層の強度と異方性に関する調査事例―一般国道452号芦別市鏡トンネル工事における先進ボーリングコアの分析―
国立研究開発法人土木研究所 寒地土木研究所 防災地質チーム
国立研究開発法人土木研究所 寒地土木研究所 防災地質チーム
北海道開発局 札幌開発建設部 岩見沢道路事務所○川又 基人岡﨑 健治
山田 慶太

褶曲-衝上断層帯に位置し亀裂の卓越する破砕質な地山のトンネルでは、ボーリングコアを利用した力学試験による強度の適切な評価が難しい場合がある。本調査では、破砕質な砂岩泥岩互層のコアを対象に、非破壊計測の可能なエコーチップ硬さ試験機を用いた反発値の計測を行い、砂岩、泥岩およびそれらの含有状況の違いに伴う強度の比較と、強度の異方性について解析した。その結果、エコーチップ硬さ試験機は簡易計測でありながらコアの岩相の変化による強度の変化や強度の異方性を数値的に敏感に捉えることができており、コアの物理的性質の把握に有用であることが分かった。
キーワード：トンネル、砂岩泥岩互層、岩石強度

1. はじめに破砕質地山における地山分類の評価法については、針貫入試験機等の非破壊試験機を用いた物性値測定の検討が行われている例がある3）。破砕質地山に対する今後のトンネル施工を見据えた上でも、さまざまな地質における破砕質地山の特徴の把握や知見の体系的な集積と、それに基づく新たな指標の構築は重要と言える。
そこで本調査では、現在掘削中の一般国道452号芦別市鏡トンネルにおける破砕質な砂岩泥岩互層の先進ボーリングコアを対象にエコーチップ硬さ試験機を用いた非破壊物性測定を実施した。また砂岩泥岩互層の岩相区分や、RQDとの対応関係など詳細に分析した。本稿では破砕質な砂岩泥岩互層におけるエコーチップ硬さ試験機の反発強度L値、また強度異方性についての結果を報告し、一般的な地山評価における評価項目であるRQDとの関連性について考察した。

山岳トンネルの建設では、設計段階で地山状況を調査し、その条件に応じてあらかじめ支保パターンを決めておくが、実際の掘削後には設計と異なる地山が出てくることがある。特に断層等の地質構造運動により岩盤が破砕された脆弱地山では、トンネル掘削に伴う初期変位量が大きく、切羽が崩落するなど安全性を損なう場合がある。国土交通省北海道開発局の道路設計要領における地山分類では岩種ごとの地山弾性波速度Vp*、RQD（RockQuality Designation）、亀裂係数K、準岩盤圧縮強度σc*、地山強度比などが指標として用いられている1）。これらのパラメータの測定の一部には調査ボーリングによるコア試料が用いられるが、脆弱地山の岩盤は、岩石試験用の供試体の整形が難しい。物理試験に用いるコアは供試体が作成できる比較的健全部から採取・整形される。その物理試験結果から得られる結果は、高強度側の見積とならざるをえず、本来の地山強度の適切な評価は難しい。
2. 事業および現場周辺の地質概説
以上のように、脆弱地山であるD～E級は現在の地山
一般国道452号は、夕張市を起点に旭川市に至る延長
分類表の適用範囲の下限から外れている1）。適切な地山評価の困難性は、施工時の安全面におけるリスクの増加、 約110 kmの幹線道路である。盤の沢道路は、通行不能区
当初予定していなかったインバートの掘削、コンクリー間の解消、地域間交流の活性化、および物流効率化等のト打設の必要性に伴う工程の遅延や支保パターンの修正支援を目的とした、芦別市黄金町から上川郡美瑛町字ルといった大幅な段取り替えによるコストの増加にもつなベシベに至る延長18.5 km の区間のうち 6.8 km の事業であがる2）。そのため、破砕質な岩盤の地山における安全かる。鏡トンネルは事業区間の中間に位置する L=2,102 m
つ効率的なトンネル施工のためにも、新たな指標を用いのトンネルで現在施工中である4）。
図-1に鏡トンネルの地質断面図を示す。トンネル周辺た地山分類手法の構築が必要である。
KAWAMATA Moto, OKAZAKI Kenji, YAMADA Keita-992-

図-1 鏡トンネル地質断面図（山田ほか、20214）の地質断面図を一部改変し作成）の地質は、先白亜系神居古潭変成岩類の蛇紋岩が、 新第三紀中新世川端層（砂岩泥岩互層）に衝上性の断層として分布する。起点側の一部では細粒の礫層、砂層、および凝灰質粘土層などの互層からなる新第三紀鮮新世の滝川層が分布するほか、 第四系の斜面堆積物、地すべり堆積物等が分布する5）。
トンネル地山の地質である川端層は主に暗灰色の砂岩とシルト岩とからなる砂岩泥岩互層である。一方で、各層理は連続性が悪くメランジュとなっている。また多数の南北方向の断層が発達し，著しい褶曲構造を示す4）。
泥岩は中硬岩であるがヘアクラックが発達しており細片化しやすい地質構造となっている4）。

図-2 エコーチップ計測点と岩相区分の例

3. 手法(1) エコーチップ硬さ試験機による計測
物性値を得るための手法として、エコーチップ硬さ試験機（以下、エコーチップ)を用いた。エコーチップは、タングステンカーバイト製の球状テストチップが先端についたインパクトボディを、バネの力で材料の表面に打ち付けることでその反発値（L値）を得る。今回用いたD型エコーチップの打撃エネルギーは11 Nmmであり、コンクリート強度の簡易推定等に用いられているシュミッ
図-3 砂岩泥岩相における堆積構造別コア岩相と打撃方向、トハンマーの打撃エネルギー2.2 Nm（N型の場合）の200およびコアの打撃部の状況分の1程度である。そのため、エコーチップは、岩石供試体において非破壊で硬さの指標となる反発値を計測でに打撃した同一地点を避けた。これは、同じ箇所を連打きる特徴がある。L値と岩石の一軸圧縮強さ等の力学特することで形成される微小な窪みによるL値の変動を避性との関連や、試験条件がL値に与える影響等が調べらけるためである8）。また、岩相ごとの強度異方性についれており、岩石に対する簡易な物性試験機としてのエコて検討するため、礫岩相（G）、砂岩相（S）、泥岩相ーチップの有用性が示されている6）7）8）。
（M）および、砂岩泥岩相（SM）の鉛直・水平層構造
今回の計測では先進ボーリングコアにおいて、明らかにおいて、方向を90˚変えて50回ずつ打撃を行なった
な割れや欠損した部分を除き50 cmおきにエコーチップ（図-3）。
を用いたL値の測定を行なった（図-2）。計測について
はB-1孔からB-6孔まで（全長377 m）実施し、895点のデ(2) 岩相区分ータを取得した。計測では、1地点において3回打撃を行
今回は砂岩泥岩互層について、大きく5つの岩相（礫い、その平均値を採用した。3回の打撃の際には、すでKAWAMATA Moto, OKAZAKI Kenji, YAMADA Keita-993-図-4 本報告における砂岩泥岩互層の岩相区分

岩相：G、砂岩相：S、砂岩優勢砂岩泥岩相：SM、泥岩優勢砂岩泥岩相：MS、泥岩相：M）に区分した（図4）。岩相区分においては、エコーチップ測定地点895点（B1〜B6）および、B-5区間（70 m）において5 cmごとに岩相区分を行い、その産出割合を整理した（図-2）。
(3) RQD（Rock Quality Designation）RQDは計測寸法を5 cmとしたRQD(5)とした。すなわち、ボーリングコア長1 m中に含まれる5 cm以上の棒状コアの長さの合計を割合で示したものであり、RQDは岩盤の割れ目の多さの指標となる。ただしRQDは採取後から時間が経過すると岩石の風化の影響等で変化するため
9）、今回はボーリングコア採取直後に現地計測された
RQD(5)をデータとして取りまとめた。

図-5 岩相別の L 値の箱ひげ図

4. 結果(1) エコーチップ物性a) 岩相ごとのL値
図-5に各岩相ごとのL値を示す。礫岩相（G）では最大値、最小値、平均値、中央値それぞれ、814、215、546、600であった。砂岩相（S）では718、245、523、555であった。砂岩優勢砂岩泥岩相（SM）では653、36、369、378であった。泥岩優勢砂岩泥岩相（MS）では600、
図-6 各岩相の強度異方性の検証
33、322、311であった。泥岩相（M）では559、25、333、2 面（0˚方向：L0 および 90˚方向：L90）で 50 回打撃した346であった。最大値に関しては礫岩相から泥岩相にか平均値をプロットし、エラーバーはその標準偏差を示す。
けて粒径が小さくなるにつれ値は低くなる傾向がある。
また中央値に関しては礫岩では600および、砂岩では555でその差は45であった。砂岩優勢砂岩泥岩相、泥岩優勢確認されず、礫岩相および砂岩相には強度異方性は確認
砂岩泥岩相、および泥岩相の中央値はそれぞれ378、311、 できなかった。砂岩泥岩互層では472、536、および514、346であり、礫岩相および砂岩相と比較して200以上低く533であった。砂岩泥岩相においてはボーリング掘削方同程度の値をとった。
向と鉛直な堆積構造を有するものではL0/ L90=0.96である
一方、水平な堆積構造を有するものではL0/ L90=0.88となb) 岩相別の強度異方性
り強度異方性が確認された。
図-6に各岩相におけるボーリングコアで、ある一面（0˚方向：L0）と、それから90度方向を変えた面（L90）(2) 岩相とRQDおよびL値との関連性
それぞれで50回打撃を行なった平均値を示す。L0、 L90
図-7にB-5区間（70 m）における柱状図、1 m区間におは礫岩相ではそれぞれ694および、698であった。砂岩相
ける各種岩相割合、RQD(5)、およびL値を示す。0〜29 m
ではそれぞれ567および567であった。両者に大きな差はまでは明瞭な泥岩を一部狭在しつつも比較的砂岩が優勢
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20

RQD (5)
岩相割合 (%)
406080である。それ以降50 m付近までは比較的泥岩優勢砂岩泥900
岩相の割合が増加する。およそ50 m付近以降はブロック
800状の砂岩が確認できるようになり、砂岩割合が増加する。
700
RQDおよびL値は、それぞれ0〜88および70〜718の間600で変化し、その傾向は概ね砂岩優勢で相対的に高い値、500
泥岩優勢で相対的に低い値を示した（図-7）。
400
一方、18〜19 300m区間のように、L値は600を超える高い200値を示すものの、RQDは14と低い値となる地点も確認さ100れた。また逆に、31〜32m区間ではL値が234と335と相0GSSMMS M
対的に低い値を示すものの、RQDは77と高い値を示して岩相おり、一部の地点や区間でL値とRQDが相反する結果が見受けられた。
最大値

100

75% 値
平均値
中央値
25% 値
最小値

L値

コア長(m)
00123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869700
柱状図dt

標高（m） ld500

礫質土

df

転石混り礫質土

Gs

緑色片岩

転石混り砂質土
風化岩

Kw

砂岩泥岩互層Sp

蛇紋岩450400350
300

lddfdt

5. 考察
B-2 孔

B-1 孔

B-4 孔

B-3 孔

Gs

Sp
Kw

B-6 孔

B-5 孔

推定断層 推定断層

推定断層

推定断層

至 旭川

至 芦別市街(1) 岩相とL値および強度異方性
今回の結果から、泥岩を含有するとL値は下がる傾向にあることが確認された（図-5）。事前の地山評価の一環で実施されたB-5区間の岩石の一軸圧縮試験後の供試体を観察すると、試験後に泥岩部の破砕、および砂岩と泥岩境界における破断が観察された（写真-1）。この結果は、本地山の砂岩泥岩互層において泥岩が弱面となっていることを支持する。
また強度異方性については、砂岩泥岩相の水平の堆積構造の場合がL0と L90の値が最も異なり（L0/ L90=0.88）、強度異方性が確認された。堆積岩の堆積方向が強度的に強く、層理面に沿う方向の強度は相対的に弱い傾向にあると言える。L値は一軸圧縮強さとの相関関係が確認さ掘削方向に対し掘削方向に対し
6）、今回確認された異方性の特徴は、地山評価れており鉛直な堆積構造
水平な堆積構造時の事前物性試験で行う一軸圧縮強さの測定にも同様に砂岩
90 度
泥岩反映される可能性がある。すなわち、岩石の一軸圧縮強さを指標として地山区分を行う場合、地山によっては強打撃方向0度

200

400

L値

600

800

0度

0度

90 度

90 度

1000

L値
岩相 G S SM MS M RQD

図-7 B-5 区間（70 m）における柱状図、1 m 区間における各種岩相割合（積み上げ棒グラフ）、RQD (5)（灰色折線）、および L 値（黒色折線）。
写真-1 B-5 区間における圧縮強度試験前後の供試体

L 値の色別丸記号は計測地点の岩相を示す。

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度の異方性の考慮が必要となる場合も考えられる。
以上のように、エコーチップによる測定は、岩相ごとの物理的性質を数値的に把握することにおいて非常に有用であったと言える。

①(2) 岩相とL値およびRQDの関係性
岩相とL値、および岩相とRQDには、砂岩相（礫岩相）でその値が高く、泥岩が含有することで低下する傾向が示唆された（図-7）。
図-8にL値とRQDを岩相別に散布図としてプロットし②た。なお、RQDは1 m区間で測定しているため、図中のRQDとL値との回帰直線に用いたL値に関しては、1 m区間で測定した2点のL値の平均とした。1 m区間の2点の平均L値とRQDの回帰直線については相関係数0.38で正の相関が見受けられた。そこで問題になるのは、正の相関から外れる傾向にある①L値が高く、RQDが低い領域、図-8 L 値、RQD (5)の岩相別の散布図および②L値が低く、RQDが高い領域にプロットされる場合である。に加え、地質構造の解釈を加えることで地山分類の新たL値が高く、RQDが低い岩相（L値550以上、RQD40以下）に対応するのは砂岩相と砂岩優勢砂岩泥岩相のみでな指標作成につながる可能性がある。
エコーチップによるコア計測は、少なくとも岩相の違あった。この原因として、エコーチップは点での反発強いを数値的に判断するのに有効であり、コアの良好度等度のため、1 m区間ごとに測定しているRQDよりも岩相に敏感に反映するためと考えられる。特に24〜26 m区間の数値的な岩盤評価手法として、RQDと同様に用いることが可能であろう。
は砂岩相が卓越するが、亀裂は縦方向（ボーリング掘削方向と水平方向）が卓越していた。RQD(5）はボーリン
グコア長1 m中に含まれる5 cm以上の棒状コアの長さの合計の割合のため、縦方向の亀裂が卓越すると棒状コア
5. まとめと今後の課題としてカウントされず、RQDは低く計測される。
破砕質な砂岩泥岩互層の先進ボーリングコアを対象に、以上の理由でRQDが低くなった一方で、点のデータ非破壊計測の可能なエコーチップ硬さ試験機を用いた反であるエコーチップは硬質な砂岩相に対応して高いL値発値（L値）の計測を行なった。また岩相ごとに強度をが計測されたと示唆される。
比較し、RQDとの相関を分析した。本報告の結果を以L値が低く、RQDが高い場合（L値250以下、RQD60以上）に対応するのは、主に以下2つのパターンであった。 下にまとめる。
l エコーチップのL値は礫岩相、砂岩相で相対的に大1つ目は、1 m区間中に礫岩相や砂岩相といった比較的硬きい結果だったが、泥岩を含有することで反発値
くRQDが高くなる岩相が含まれる一方で、エコーチッは大きく下がる傾向にあった。
プ計測地点の岩相が反発強度の弱い泥岩優勢砂岩泥岩相
l エコーチップは簡易計測でありながらコアの岩相であったというパターンである。今回は基本的に50 cmの変化による強度の変化や強度の異方性を数値的等間隔で測定を実施していたため、岩相の出現状況によに敏感に捉えることができており、コアの物理的り以上のようなパターンがあったと考えられる。
性質の把握に有用である。
2つ目は、砂岩優勢ではあるが、砂岩ブロックが岩片l 今回確認された岩相ごとの強度の相対的な違いや、化しているものである。岩片間は軟質ではあるが基質で砂岩泥岩互層の異方性といった先進ボーリングコ埋まり柱状コアの連続性は良い。このため、RQDは良アで確認された特徴が、切羽断面においてどのよく計測される一方、L値では細かい亀裂や軟質な基質部うな変位・変状として確認できるのかといった実の影響を受け、砂岩や砂岩優勢砂岩泥岩相においてもL務的な議論は今後の課題である。
値が低く計測されたと考えられる。
以上のように、点で計測するエコーチップのL値と、謝辞：国土交通省北海道開発局札幌開発建設部岩見沢道1 m区間で算出するRQDの計測方法の違いにより、結果路事務所ならびに鏡トンネル作業所の熊谷組・宮坂建設が相反する地点・区間が出てきたと示唆される。亀裂の工業ＪＶから資料の提供、および計測において様々なご入り方等RQDに影響を及ぼすのはコアで確認される地協力を頂いた。ここに記して深く御礼申し上げる。
質構造の影響が大きいと示唆される。今後、岩相の把握
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トンネル、p. 4-2-13～4-2-37, 2022.
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果に関する分析事例，寒地土木研究所月報，第 807 号，pp. 16−22, 2020.
3) 山本拓治，佐藤秀史，齋藤宏樹，鹿嶋辰紀，伊達健介，横田泰宏，成田 望：断層活動により破砕した新第三紀泥岩のトンネル掘削における評価法．応用地質，第 56 巻，pp.325−335, 2016．
4) 山田慶太，須田典一，林 貴博：一般国道 452 号芦別市鏡トンネルの施工状況報告について，第 65 回(2021 年度)北海道開発技術研究発表会論文，pp. 872−876, 2021.
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験による岩質材料の特性評価手法の開発:試験条件の影響と基本 特性に関する調査，応用地質，第41巻，pp.230−241, 2000.
8) 中家 渉 ，青木 久，早川 裕弌，松倉公憲：連打法によるエコーチップ硬さ試験機の反発値と微小窪みとの関係，筑波大学陸域環境研究センター報告，第 10 号，pp. 29−36，2009.
9) 岡﨑健治，丹羽廣海，村山秀幸，伊東佳彦，笹谷輝勝，倉橋稔幸：岩石の時間依存性劣化過程の室内試験による分析，
第 44 回岩盤力学に関するシンポジウム講演集, 土木学会，
pp.246-250, 2016.

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