機能低下した水路トンネルに係る機能保全対策の取り組み~大規模国営

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ストックマネジメント
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事例報告
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機能低下した水路トンネルに係る機能保全対策の取り組み
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∼大規模国営開墾事業「高鍋川南地区」で造成された水路トンネルの対策事例∼
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九州農政局南部九州土地改良調査管理事務所 江藤 和美
河野 康輔
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本地区は,昭和
15 年に川南原大規模国営開墾
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1 はじめに
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本稿では,造成後,長年月の経過に伴い,トン
事業(開田 1, 000 ha,開畑 500 ha)として着手し,
戦争による中断後,高鍋川南開拓建設事業(開田
ネル覆工背面に空洞が進行した水路トンネルにお
810 ha,開畑 1, 065 ha)として再開,昭和 36 年
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ける機能保全計画作成に当たり,機能診断及び,
に事業完了(昭和 28 年幹線水路完成,昭和 34 年
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機能保全対策の策定に向けた構造検討の手法につ
青鹿ダム完成)した。
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いて紹介する。
主要施設は,一般平面図に示すように一級河川
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小丸川上流の川原ダムを水源とし,川原分水工か
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2 地区の概要
ら取水する主要幹線水路,竹浜幹線水路及び通山
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本地区は,宮崎県中部の高鍋町,川南町,木城
幹線水路の 3 幹線水路からなり,それぞれトンネ
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町に広がる川南台地の旧軍用地跡に位置し,西は
ルと開水路で構成されている。
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尾鈴山系より東部海岸に向かいほぼ均等な傾斜を
本地域で生産される作物の県内生産量シェア
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成し,南部地区境に小丸川,北部に名貫川が底流
は,トマトやかぼちゃが約 4 割,キャベツやブド
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し複雑な地形を形成している。地質は第四期の火
ウが約 5 割,茶が約 2 割を占めるなど,県内の食
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山灰質ローム層が大半を占める。
料供給基地として重要な役割を担っている。
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3 現状(問題点)
下水位以下の地層が,玉石混じり砂礫を主体とし
て,その上部に緩い砂質土が存在する構成となっ
本地区の主要施設である幹支線水路は,完成か
ていることなどの条件下にあって,湧水等の水流
ら既に 60 年以上経過し老朽化が顕著となってい
により覆工背面土砂が覆工コンクリート欠損部か
る。水路トンネル(全延長約 11 ㎞)の 8 割を超
らトンネル内へ吸い出され,永い年月を経てトン
えるトンネル区間の上部には最大高さ約 2m の空
ネル背面部の空洞が拡大したものと推定される。
洞が発達しており,地表面の陥没にまで至ってい
また,本地区のトンネルは,昭和 17 年∼ 28 年
る箇所も存在する。また,一部を除いて殆どの区
の間に築造されているが,水路トンネルに係る設
間がいわゆる土砂トンネルであり,かつ,無筋コ
計基準は,土地改良事業計画設計基準「水路工」
ンクリート構造であるとともに,全般的に土被り
の一つの章立てとして昭和 29 年に策定されたの
が小さいため,地山のグランドアーチ効果が発揮
が最初であることから,施工当時は設計基準が策
され難いという構造上の問題点を抱えている。
定されていない中で設計・施工されている。
地表陥没の原因は,トンネル築造時に支保工や
矢板を設置するための余掘り部分がコンクリート
で十分に充填されず,それを補うための裏込注入
も施工されていないため,当初から一定規模の空
洞が生じていたと想定されること,覆工周辺の地
【隧道】
トンネル上部の空洞状況
(表紙の裏にカラーで掲載)
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【暗渠】
標準断面図
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● ストックマネジメント ●
4 連絡調整会議等の設立
5 対策
前述のとおり,本地区は造成後 60 年以上経過
(1)構造検討の方法
し幹線水路等の老朽化が進み,トンネル上部の空
トンネルについては構造的な安定性能を有して
洞の進行による地表陥没が発生すれば,農家だけ
いるか検証を行うため,平成 23 ∼ 24 年度にかけ
ではなく,地域社会への影響が懸念されているこ
て実施した竹浜幹線水路トンネル区間の構造検討
とから,早急な対応が求められている。
に関して以下に示す。
このため,平成 23 年 5 月,本トンネルの計画
トンネル区間を隧道(地中を掘進して築造した
的な対策の実施を図ることを目的として,九州農
もの)と暗渠(地表を掘削し築造したもの)に区
政局と宮崎県の担当者を構成員とする「九州農政
分し,学識者のご指導も得ながら,以下の条件で
局高鍋川南地区施設機能保全対策検討会」(以下
構造計算を実施した。
「検討会」という。
)を設置した。
【隧道の場合】
さらに,平成 24 年 8 月,機能保全対策の実施
土被りが 3De 未満:構造計算を行い,現況ト
に向けた協議調整を図ることを目的として,土地
ンネルの安定性を確認する。
改良区及び関係町を構成員に加えた「高鍋川南地
土被りが 3De 以上:グランドアーチが形成さ
区連絡調整会議」
(以下「連絡調整会議」という。)
れているとして構造計算を行わないことを基本と
を設置した。
するが,空洞が有る場合,空洞充填を行うものと
検討会,連絡調整会議においては,地表陥没に
し,空洞充填中(下表ケース 1 参照)について構
伴う重大事故の未然防止,万一の事態が発生した
造計算を行う。
場合の対処方針などの諸課題について検討を行う
※ 3De:トンネルとしての最小土被り厚さ
とともに,空洞対策の優先順位を判定するため,
= 3 × 2. 37 m = 7. 11 m ≒ 7. 2 m
トンネル上部の土地利用状況やトンネル背面の空
(De:トンネル掘削断面の直径
洞の進行状況から対策の優先順位を3段階に区分
= 2. 37 m)
する「空洞対策優先度判定基準」を作成した。
空洞対策優先度判定基準
土 地 利 用 状 況
農 地
項 目
宅地・道路
農業用施設
(ハウス,
畜舎,倉庫)
農 地
山林・原野
a
b
c
d
空洞状況
空洞大(崩積土含む)
空洞高さ 50 ㎝以上
a
A
A
B
C
空洞小(崩積土含む)
空洞高さ 50 ㎝未満
b
A
B
C
C
空洞未確認
及び帯水層
c
B
C
C
C
※上表における空洞大小の区分は,地表陥没が発生した位置付近の空洞高さ(崩積土+実空洞厚)から地表陥没が発生
する境界値(50 ㎝)として設定した。
また,上表におけるA∼Cの定義は以下のとおりである。
ランク
ランクの定義
A
陥没が発生した場合の社会的影響度が高く,早急な対策施工が必要
B
陥没が発生した場合の社会的影響度が中位
C
陥没が発生した場合の社会的影響度が低い
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【暗渠の場合】
① 解析ケース
盛土の全土圧が作用する状態で構造計算を行
各解析ケースの内容を下表に示す。
い,現況トンネルの安定性を確認する。
(隧道の場合)
ケース
状 態
鉛直土圧
水平土圧
ケース 1
(空洞充填中)
崩積土荷重,充填材の自重及び圧力が
覆工に作用する状態
崩積土荷重+充填材自重
+充填圧力
0. 05 MP
全土被り土圧
×静止土圧係数
ケース 2
(空洞充填後)
空洞が充填されたことで,緩み土圧と
して均等に覆工に作用する状態
緩み土圧
鉛直緩み土圧
×静止土圧係数
ケース 4
(将来)
覆工に一定の土圧が作用する状態
最大 2 De の土被り土圧
最大 2 De の土被り土圧
×静止土圧係数
(暗渠の場合)
ケース
ケース 3
状 態
覆工に全土被り土圧が作用する状態
鉛直土圧
全土被り土圧
水平土圧
全土被り土圧
×静止土圧係数
※上記 1 ∼ 4 ケースについて,それぞれ地下水の有無(有= 1,無= 2)を考慮する。
② 解析手法
態,疲労限界状態)を設定し,それらの状態に対
「トンネル標準示方書」では,覆工及びインバ
する安全性を個々に検討していく設計法である。
ートの構造解析手法は,その簡便性と豊富な実績
三つの限界状態は次に示すとおりであり,本解
から,骨組構造解析手法(フレーム解析)による
析では現況トンネルの安全性の確認を目的とする
ことが多いとされている。
ことから,終局限界状態での安全性能の照査を行
また,近接施工の影響等がある複雑な相互作用
うこととした。
を表現することが必要な場合は,有限要素法によ
【終局限界状態】
る場合もあるとされている。このため,本地区の
終局限界状態は,最大耐荷性能に対応する限界
構造解析では,骨組構造解析手法(フレーム解析)
状態であり,安全性の照査に用いる限界状態であ
を用いることとした。
る。
この手法は,格点(接点)を座標系でプロット
【使用限界状態】
し,格点を結ぶ部材を作成して対象構造物をモデ
使用限界状態は,通常の使用性や機能確保また
ル化するものである。材質,断面積及び断面二次
は耐久性に関連する限界状態であり,使用性ある
モーメント等を設定し,
各部材に荷重を入力して,
いは耐久性の照査に用いる。
発生する応力度を計算するものであり,構造計算
【疲労限界状態】
で一般的に用いられている手法である。
疲労限界状態は,繰り返し荷重により疲労破壊
また,本解析で対象とする構造物は新設ではな
を生じて安全性が損なわれる状態であり,終局限
く,造成後 60 余年が経過し現在でもその機能が
界状態に含める場合もある。
発揮されている水路トンネルであることを評価し
なお,限界状態設計法に用いる安全係数は,コ
て,本解析で適用するコンクリート強度(特性値)
ンクリート標準示方書にその標準的な値が示され
は,従来の許容応力度設計法ではなく,限界状態
ている。
設計法の考え方を用いることとした。
限界状態設計法は,その構造物に生じてはなら
ない三つの限界状態(終局限界状態,使用限界状
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● ストックマネジメント ●
標準的な安全係数の値
材料係数γ m
安全係数
限界状態
終局限界状態
コンクリート
γc
鋼材
γs
1. 3
1. 0
または
1. 05
部材係数
γb
構造解析係数
γa
荷重係数
γf
構造物係数
γi
1. 1
∼
1. 3
1. 0
1. 0
∼
1. 2
1. 0
∼
1. 2
上表から,本解析において適用する安全係数の
値を次のとおりとした。
試験,割裂引張強度試験から算出
上記のうち,構造計算上特に重要なパラメータ
・コンクリート材料係数:γc = 1. 3
となる覆工厚及び土質定数に関しては,解析精度
・鋼材材料係数
を確保するため,次に示す調査を実施した。
:γs(無筋コンクリート覆
工のため対象外)
・部材係数
:γb = 1. 1(圧縮,引張),
1. 3(せん断)
【覆工厚調査】
インバートを除く全周について電磁波レーダ機
器により覆工厚を連続的に計測した。
・構造解析係数
:γa = 1. 0
覆工厚の現状,傾向把握のため,測定はトンネ
・荷重係数
:γf = 1. 0
ル延長方向に 10 m 間隔とした。
・構造物係数
:γi = 1. 0 ∼ 1. 2
地表部の土地利用状況に応じて,
【地質調査】
地層構成,地盤の相対強度を把握し,覆工に作
山林・原野の場合:構造物係数γi = 1. 0
用する土圧(鉛直土圧,水平土圧,緩み土圧)を
農地の場合 :構造物係数γi = 1. 1
算出するため,21 孔のボーリング調査を行った。
宅地・道路の場合:構造物係数γi = 1. 2
また,粘着力や内部摩擦角等の土質定数を求める
① 構造計算区間の設定
ため不撹乱試料の採取を 5 箇所行った。
先に述べた「空洞対策優先度判定基準」に基づ
③ 空洞対策の検討
き,構造計算を行う区間を設定した。
本トンネルでは,機能保全計画を策定するに当
優先度別の区間数及び延長は次のとおり。
たり,空洞充填を行う工法を選定するため,対策
A:15 区間 455. 88 m
については,平成 20 年度からストックマネジメ
B:18 区間 760. 96 m
ント技術高度化事業を活用した試験施工を実施し
C:54 区間 2,958.42 m の計 87 区間 4,175.26 m
てきている。平成 24 年度においては,充填材料
(可
② 適用数値
塑性モルタル)の長距離圧送の可能性及び湧水中
各構造計算区間において適用する値は,対象が
の分離抵抗性に着目した施工を実施(4 区間,Σ
土中構造物であり,
データが点的であることから,
L = 195 m)した。
基本的に条件が厳しくなる方を採用した。
今回の試験施工では,最長でプラントから約
・土被り
:区間中の最大土被り高さ
・上載荷重 :地表部の現況土地利用を踏まえた
区間中の最大載荷重
2 ㎞離れた地点での空洞充填を実施した。施工に
当たっては,トンネル内への多量の湧水や縦断勾
配の中だるみによる湛水区間が生じており,圧送
・覆工厚
:区間中の最小値
用仮設配管が水中施工となるなどの困難が生じた
・空洞厚
:区間中の最大空洞厚
が,特に問題なく施工することができた。
・土質定数 :覆工上部の地層で,区間中の最
も厚い層の物性値
④ 構造計算結果
構造計算の一例を以下に示す。
・圧縮強度,引張強度:覆工コンクリートから
本例の場合,ケース 4 − 2(地下水無し)にお
採取したコアを用いた圧縮強度
いて,トンネル天端付近の部材の引張強度が不足
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する結果となっている。その原因は,水平荷重よ
内側に大きな曲げモーメントが発生したためであ
り鉛直荷重が卓越し,土圧バランスが崩れ,天端
ると推定される。
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構造計算例(解析ケース,部材を一部抜粋して記載)
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● ストックマネジメント ●
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解析ケース
− 2:空洞充填中(地下水無し)
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− 2:空洞充填後の将来(地下水無し)
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解析結果のまとめ
・圧縮強度 :安全率 8.06 以上
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・せん断強度:安全率 13.40 以上
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・引張強度 :ケース 4−2 の部材番号 13 で、安全率
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が 1.00
(0.94)
結果となった。
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フレーム構造図
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(2)対策工法の検討(トンネル補強対策)
構造計算の結果,既設トンネルの安定性が確保
されない場合は,補強対策を行う。
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※上表の検討区間(1
号隧道 A ②)において、本例
で抜粋した以外の解析ケース及び部材番号につい
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ては、すべて所要の安全率を満足している。
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施工し,空洞充填時の安全性を確保した。
6 おわりに
本地区における補強工法は,次の 3 工法が考え
本地区のトンネルは,築造年代が古く,設計
られる。
基準が策定されていない時期に施工されたことか
① 増厚工法:微粒子セメント吹付け工法,FRP
ら,現行基準に基づき施工されたトンネルに比べ,
グリッド+ポリマーセメントモルタル吹付け
覆工に作用する荷重の評価方法や裏込め処理方法
工法等
の違いにより,トンネル背面部に空洞が生じ,一
② 二重巻き工法:SPR 工法
部区間で地表陥没が発生するといった機能低下が
③ 既製管挿入工法:馬蹄形 FRPM 工法
顕著な状況にあった。
また,工法選定時の留意点を以下に示す。
こうしたトンネルの機能保全対策の検討に当た
① 内空断面が小さくならないこと,
っては,鉛直土圧の評価方法や構造検討をどう進
② 経済的であること,
めるべきかなど対応に苦慮したが,学識者のご指
③ 施工性に優れること,
導を仰ぎつつ,関係者と検討会を設置しながら検
④ 曲線区間への対応が容易であること,
討を進めてきた。この紙面をお借りしてご支援,
⑤ 構造解析結果にピンポイントで対応可能な
ご協力を賜った方々にお礼を申し上げたい。
こと,
⑥ 縦断勾配の不陸への対応が容易であるこ
と,
⑦ 施設管理者による補修補強が可能(コンク
リート系)であること
また,本トンネルは,一部に国営要件を満足し
ていない区間があることから,対策の実施方法に
ついては,関係機関と協議・調整する場を設ける
必要があった。現在,一部区間は県営事業により
対策を実施しているところであるが,今後とも,
これらを総合的に勘案した結果,本地区におい
機能保全対策の推進に係る協議・調整を進め,早
ては増厚工法を採用することとした。
期事業化に向けた検討を進めることが重要であ
平成 24 年度においては,空洞対策に併せ,構
る。また,地表陥没による影響がないよう地域住
造計算結果から空洞充填中に安定しない区間
民への注意喚起の方法・時期についても併せて検
(18m)について,覆工補強対策試験施工として
討していくこととしている。
5 ㎝の増厚工(TM モルタルハード)を先行して
JAGREE 85. 2013・5
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