鉄筋コンクリート製地下構造物における鋼材腐食の将来予測法

鉄筋コンクリート製地下構造物における鋼材腐食の

将来予測法

著者

牛田 貴士

学位授与機関

Tohoku University

学位授与番号

11301甲第19298号

URL

http://hdl.handle.net/10097/00130575

博 士

学 位 論 文

論 文 題 目

鉄 筋 コンクリート製 地 下 構 造 物 における

鋼 材 腐 食 の将 来 予 測 法

Doctoral Thesis Title

Prediction Method of Steel Corrosion

in Underground RC Structures

提 出 者

東 北 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科

土 木 工 学

専 攻

学 籍 番 号

B9TD6001

氏 名 牛 田 貴 士

i Abstract

Prediction Method of Steel Corrosion in Underground RC Structures

Takashi USHIDA

In Japan, against the background in which population ageing is expected to develop

and cause the labor force to shrink, it is considered that the importance of railway as a system for public mass transportation will further increase. The subway system that

transports 17 million passengers per day per line is one of important mean of transport.

In 1950s to 60s, the subway systems were inaugurated mainly in the three largest cities in Japan, i.e. Tokyo, Nagoya, and Osaka. The sections inaugurated during the period

have become 50 or more years old. The other sections will also age further from now on and it is expected that the maintenance and management of the subway structures will

be much more important.

Most of the subway structures consist of the cut and cover tunnel and the shield tunnel

which are structured with reinforced concrete (RC). For maintenance and management of such structures, the “Maintenance Standards for Railway Structures (Tunnel)”

(Notification from Railway Bureau of Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism) stipulates that it is required to inspect not only the integrity of whole the

structure but also the soundness against concrete spalling.

A cause of concrete spalling is progressive cracking in concrete and it is considered

ii

of the concrete. Particularly corrosion in the reinforcing bar caused by chloride ions is significantly progressive, therefore in some cases it is required to conduct repair work

repeatedly. It has become an important issue for maintenance and management of underground RC structures.

This phenomenon also develops in RC structures on the ground, therefore a lot of examination data have been collected and it is found that the environmental conditions of

the structure affect the development of the phenomenon. For underground RC structures, the environmental conditions significantly vary between the inside of the structure that

contacts with air and the back side. Even for the inside of the structure, it is considered that its environmental conditions such as wind and rainfall, sunlight, and change in the

temperature and humidity differ from those for RC structures on the ground.

However, the analysis of the examination data for underground RC structures and discussion on the prediction method based on the analysis have not been advanced

comparing with the case of the structures on the ground. For structures on the ground for which windborne salt is the main target of discussion, the area in which the structure

is located and the distance from the coastline govern the influence of chloride ion. On the other hand, for underground RC structures that are affected by groundwater that

contains salt, the tidal river (a river which sea water affects) and the other factor are to be mainly discussed. Therefore, the area in which chloride ions affects must be examined

in a different way than that for structures on the ground.

In this research, to contribute for rationalization of maintenance and management of

underground RC structures for railway, we established 1) estimation method for the area influenced by chloride ion in underground RC structures; 2) prediction method for

iii

ion and carbonization of the concrete; and 3) prediction method for steel corrosion in the concrete due to influence of chloride ion. The overview of this report is as follows.

Chapter 1 describes the background of this research and existing research.

Chapter 2 describes the method for estimating the area in which chloride ions affect in the underground RC structure. In this method, the analysis on the groundwater

density flow is applied for the estimation of the behavior of ground water that penetrates from a tidal river. Analysis on groundwater density flow is a method for examining the

containment of salt water wedge and pollutant. We considered to apply this method to estimate the area that is affected by chloride ions and demonstrated that the method is

applicable by comparing the estimation results with the concentration of chloride ion in

the leaked water collected in a cut and cover tunnel.

Chapter 3 describes the prediction method for required repair amount for the

macroscopic management. In this research, for the macroscopic management of underground RC structure, we established a prediction method for required repair amount

for corrosion in the reinforcing bar caused by the influence of chloride ions and the carbonization of the concrete. This method calculates the repair rate based on the

average value and standard deviation of such as the depth of carbonization. In addition, we determined the prediction conditions for demonstrating the actual condition of a cut

and cover tunnel based on such as the analysis of investigation data for the tunnel and the pull-out strength test for round steel bar.

Chapter 4 describes the prediction method for steel corrosion in the concrete caused by the influence of chloride ions. The prediction method was established by using the

iv

equilibrium theory, and the reaction kinetics. This method predicts the movement of oxygen, water, and chloride ions which are assumed to be corrosive substances in the

concrete to determine the steel corrosion rate at each time. This method is implemented in the program for the three-dimensional finite element analysis. Using the program, it

is demonstrated that the steel corrosion can be predicted while taking difference of environmental conditions between the inside and the back side of underground RC

structures into consideration. In this chapter also describes example cases of the established method. At first, we describe the example of a numerical simulation on the

accelerated corrosion test for the joint part of shield tunnel. The example demonstrates the applicability of the method for prediction corrosion of steel members complicatedly

arranged in the concrete. Second, we describe the example of a numerical simulation

for the effect of cross section repair and electrolytic protection. The example demonstrates that the method can be used for examining the effect of the repair.

v

概 要

日本では高齢化とそれに伴う働き手の減少が進むと考えられており，大量輸 送の公共交通機関である鉄道がより重要性を増すものと考えられる．地下鉄の 路線別輸送人員は平均1 700 万人／日であり，都市部の主要な交通機関のひとつ であると言える．ここで，地下鉄は1950 年代から 60 年代には東京，名古屋，大 阪の三大都市を中心に開業しており，当時開業した区間はすでに経年50 年を超 えている．その他の区間も今後経年が進むこととなり，地下鉄構造物の維持管理 の重要性がますます高まるものと推測される． 地下鉄構造物の多くは，鉄筋コンクリート（以下，RC）構造物の開削トンネ ル，シールドトンネルである．それらの維持管理では，構造物全体系の健全度の ほか，はく落に対する健全度を検査することが『鉄道構造物等維持管理標準 ト ンネル』（国土交通省鉄道局通達）で定められている． ここで，はく落を誘発する要因のひとつは進行性のひび割れであり，地下RC 構造物の場合，その原因として塩化物イオンの影響，コンクリートの中性化に起 因する鉄筋腐食が考えられる．とくに，塩化物イオンに起因する鉄筋腐食は進行 性が強く，繰返し補修が必要になる場合もあり，地下RC 構造物の維持管理にお いて重要な課題となっている． これらは地上RC 構造物でも生じる現象で，調査データの収集・分析によって 構造物が曝される環境条件の影響を受けることも明らかになっている．ここで， 地下RC 構造物は，空気に接する内空側と地盤に接する背面側では環境条件が大 きく異なっている．また，内空側は空気に接するという点では地上RC 構造物に 近いが，風雨や日光，温湿度変化等の環境条件が異なるものと考えられる． しかし，地下RC 構造物の調査データの分析や，それに基づく予測法の検討は

vi 地上RC 構造物ほど取り組まれていないのが現状である．また，塩化物イオンの 影響は，地上RC 構造物では飛来塩分が主な検討対象であるため，地域や海岸線 からの距離等が影響する．地下RC 構造物ではそれに加えて，塩分混じりの地下 水が地盤中を移動してトンネル内に漏水する供給メカニズムも考えられる． また，地下RC 構造物の経年が進行するにつれて，中長期的な維持管理計画の 重要性が高まるものと考えられる．ここで，中長期的な維持管理計画の策定は， 実務上，維持管理費用の検討と切り分けることは困難である．その検討では，対 象とする構造物群において変状が顕在化する箇所よりも，変状発生割合の推移 が重要となる．その予測のためには，地下RC 構造物における中性化や塩化物イ オンの影響の実態把握，その実態を考慮できる予測法が重要となる． そこで本研究では，鉄道地下RC 構造物の維持管理の合理化に資することを目 的として，1) 地下 RC 構造物における感潮河川の影響範囲の推定法，2) 塩化物 イオンの影響，コンクリートの中性化に起因する鉄筋腐食に対する補修量の予 測法，3) 塩化物イオンの影響に起因するコンクリート中の鋼材腐食の予測法を 構築した．以下に本論文の概要を示す． 『第1 章』では，本研究の背景，既往研究および本研究で構築した手法の特徴 を示した． 『第2 章』では，地下 RC 構造物における感潮河川の影響範囲の推定法を構築 した．地下密度流解析は塩水くさびや汚染物質の封じ込めの検討に用いられる 手法である．本研究では，これを感潮河川の影響範囲の推定に適用することを検 討した．感潮河川の影響範囲は，調査結果によると感潮河川直下および河川境界 から50 m 程度が影響範囲と考えられたのに対して，解析では直下および河川境 界から50～100 m の範囲であることを示し，地下密度流解析の適用性を示した．

vii 『第3 章』では，マクロマネジメントのための補修量予測法を構築した．ここ では，地下 RC 構造物のマクロマネジメントを目的として，塩化物イオンの影 響，コンクリートの中性化に起因する鉄筋腐食に対する補修量の予測法を構築 した．これは中性化深さ等の平均値や標準偏差を入力データとして補修割合を 算出する手法である．また，開削トンネルの調査データ分析，丸鋼の引抜き強度 試験等から開削トンネルの実態を表現するための予測条件を示した．さらに，補 修量を計画する指標となることを期待して，全国規模の将来予測シミュレーシ ョンを実施し，変状原因ごとに経年とひび割れ発生割合の関係をまとめた． 『第 4 章』では，塩化物イオンの影響に起因するコンクリート中の鋼材腐食 の予測法を構築した．ここでは，反応拡散方程式と平衡論・速度論に基づく鋼材 腐食速度の算定式を用いた予測法を構築した．これは，酸素，水，塩化物イオン の 3 つを腐食原因物質と仮定してコンクリート中の移動を予測し，時々刻々の 鋼材腐食速度を算出する予測法である．これを三次元有限要素解析プログラム に実装した．構築した手法を用いて，鉄筋コンクリート部材を対象とした予測解 析を行い，環境条件に応じた鋼材の腐食状況を把握した．また，鋼材が複雑に配 置されたシールドトンネルのセグメント継手部を対象に塩害環境を再現した促 進試験と，その数値シミュレーションを行い，複雑に鋼材が配置された部材の腐 食状況を把握した．さらに，鉄筋コンクリート部材の補修に関する数値シミュレ ーションを行い，断面修復や電気防食の効果を定性的に把握した． 『第5 章』では，本論文のまとめを示した． なお，本研究の一部は，平成23 年度，平成 24 年度国土交通省の鉄道技術開発 費補助金を受けて行われたものである．

viii

謝 辞

本論文をまとめるにあたりご指導・ご協力を賜った方々への感謝の意をここ に記します． 指導教官である寺田賢二郎教授には，卒業研究から10 年以上にわたり継続的 に多くのご指導をいただきました．本論文で構築した鋼材腐食予測法は，寺田教 授にご指導いただいた修士研究に着想を得たものです．当時と現在の研究対象 は全く異なりますが，ご指導いただいた計算力学，応用力学が研究者としての礎 になっています．また，私の鉄道事業者への出向や総務部への異動等の事情にも ご理解いただき，心より感謝申し上げます． 副査をお引き受けいただいた京谷孝史教授には，研究の各論については私の 考えを尊重してくださりながら，それを活かした研究全体の進め方についても ご指導いただきました．さらに本論文をとりまとめた後の研究方針についても ご指導いただき，厚く御礼申し上げます． 寺田教授，京谷教授と 3 人でお話をさせていただく時間には，在学当時の材 料力学研究室に戻ってきたような懐かしさを感じておりました．御二方のご指 導のもとで卒業研究，修士研究，博士研究をまとめることができ，大変嬉しく思 っております． 運上茂樹教授，皆川浩准教授には副査をお引き受けいただき，コンクリート工 学と地盤工学にまたがる本研究に対して，ご専門とされている分野を中心にご 指導いただき，心より御礼申し上げます．また，八戸工業大学の高瀬慎介准教授 には，東北大学に在籍されていた当時，プログラミングで多くのご指導をいただ きました．先生からご提供いただいたプログラムなしに本論文をまとめること はできませんでした．深く感謝しております．

ix 本論文は，私が2010 年に公益財団法人鉄道総合技術研究所（当時は財団法人） に入社して以来実施してきた研究をとりまとめたものです． 構造物技術研究部 部長の神田政幸博士には，兼務中にも関わらず私の博士取 得を後押ししていただき，研究テーマ設定でも格段のご配慮をいただきました． また，様々な面から私の研究環境にご配慮いただき，心より感謝申し上げます． トンネル研究室の方々には，学生時代と全く異なる専門分野に取り組む私を 手厚くご指導いただきました．とくに主任研究員の津野究博士，仲山貴司博士に は，地下構造物に関する実務から数値解析，実験計画やデータ分析，論文執筆に 至るまで，本研究に関してあらゆる面からご指導をいただきました．また，私の 配属前から学生時代の経験が活きる研究テーマを準備していただき，それらを 元に本論文を取りまとめることができました．深く感謝しております． 東京地下鉄株式会社の小西真治博士，新井泰博士には，元鉄道総研の研究者と して，鉄道事業者の実務者として多くのご指導をいただきました．また貴重な現 場データをご提供いただき心より御礼を申し上げます．また，株式会社安藤・間 の福留和人博士（現・石川工業高等専門学校），粥川幸司氏，齋藤淳博士，榎原彩野氏には， 本研究で行った全ての実験に多大なるご尽力をいただきました．実験経験がな かった私の漠然としたイメージを様々なアイディアで実現していただき，深く 御礼申し上げます． 基礎・土構造研究室の方々には，出向戻りを契機に研究室を異動して新しい分 野に取り組む私を，ときに温かく，ときに厳しくご指導していただきました．と くに元室長である渡邉健治博士（現・東京大学），前室長である西岡英俊博士（現・中央大学）， 主任研究員の中島進博士には技術的なご指導にとどまらず，鉄道総研の研究者 としてどうあるべきかを常にご指導いただきました．心より感謝申し上げます． 採用・育成課の小金井玲子博士は後輩や学生に真摯に向き合う方で，私自身も

x 入社当時から頼りにさせていただき，本論文をまとめるにあたっての業務調整 にも快く応じていただきました．心から感謝を申し上げるとともに，その姿勢を 手本として後輩たちに向き合っていきたいと思います． ここにお名前を挙げさせていただいた方々以外にも，多くの先輩方に様々な 形でお世話になり，ご指導をいただきました．また，多くの後輩や出向者の方々 にも助けていただきました．皆様に心より感謝申し上げます． 最後に，自身も研究者でありながら，私の博士研究，出向，兼務の間，家事育 児を一手に引き受けてくれていた妻の智子に深く感謝しています． 令和2 年 1 月 東北大学大学院工学研究科土木工学専攻 計算安全工学研究分野 牛田 貴士

xi

目次

1. 序論 ... 1 1.1. 研究の背景 ... 1 1.2. 既往研究 ... 8 1.2.1. 地下RC 構造物における感潮河川の影響範囲 ... 8 1.2.2. 地下RC 構造物のマクロマネジメント手法 ... 9 1.2.3. コンクリート中の物質拡散 ... 10 1.2.4. コンクリート中の鋼材腐食 ... 12 1.3. 提案手法の特徴と本論文の構成 ... 14 2. 地下構造物における感潮河川の影響範囲の推定法 ... 25 2.1. 概要 ... 25 2.2. 既往の調査結果 ... 26 2.3. 支配方程式 ... 28 2.4. 地下密度流解析を用いた数値シミュレーション ... 32 2.4.1. 解析条件 ... 32 2.4.2. 解析結果 ... 36 2.5. 現場調査データとの比較検討 ... 39 2.6. まとめ ... 43 3. マクロマネジメントのための補修量予測法 ... 45 3.1. 概要 ... 45 3.2. 鉄道地下RC 構造物の現状分析 ... 47 3.2.1. 中性化の現状調査 ... 48

xii 3.2.2. 塩化物イオン濃度の現状調査 ... 51 3.2.3. かぶりの現状調査 ... 57 3.2.4. まとめ ... 58 3.3. 丸鋼のひび割れ発生時の腐食量と付着強度低下に関する室内試験 ... 60 3.3.1. 概要 ... 60 3.3.2. 試験方法 ... 61 3.3.3. 試験結果 ... 63 3.3.4. 腐食生成物の種類を考慮したひび割れ発生時の腐食量の算定手法 ... 66 3.3.5. まとめ ... 72 3.4. ばらつきを考慮した補修量予測法 ... 73 3.4.1. 予測手法 ... 73 3.4.2. 中性化に起因する腐食ひび割れ発生割合の将来予測 ... 77 3.4.3. 塩化物イオンの影響に起因する腐食ひび割れ発生割合の将来予測 ... 80 3.4.4. 変状原因ごとの経年と腐食ひび割れ発生割合の将来予測 ... 82 3.5. 将来予測法の使用例 ... 84 3.6. まとめ ... 87 4. 塩化物イオンに起因する鋼材腐食の予測法 ... 91 4.1. 概要 ... 91 4.2. コンクリート中の鋼材腐食予測法 ... 93 4.2.1. 鋼材腐食予測法の概要 ... 93 4.2.2. 支配方程式 ... 94 4.2.3. 反応境界Qにおける腐食反応のモデル化 ... 96 4.3. RC 部材の鉄筋腐食の予測解析 ... 101 4.3.1. 解析条件 ... 101

xiii 4.3.2. 解析結果 ... 105 4.4. シールドトンネル継手部付近の数値シミュレーション... 111 4.4.1. 塩水噴霧による劣化促進試験 ... 111 4.4.2. 数値シミュレーションの条件 ... 118 4.4.3. 数値シミュレーションの結果 ... 120 4.5. RC 部材の補修の数値シミュレーション ... 125 4.5.1. 数値シュレーションの条件 ... 125 4.5.2. 数値シミュレーションの結果 ... 128 4.6. まとめ ... 133 5. 結論 ... 136

xiv

図目次

図 1-1 開削トンネルの施工概要... 4 図 1-2 シールドトンネルの施工概要 ... 4 図 1-3 鉄道地下構造物の拡幅の規模 ... 5 図 1-4 大規模拡幅・維持管理における課題と本研究の目的 ... 5 図 1-5 感潮河川から地下 RC 構造物への塩化物イオンの影響 ... 7 図 1-6 構築した手法の特徴と鉄道地下 RC 構造物の維持管理との関連 .. 14 図 1-7 本研究で構築する手法の関連性（マクロマネジメント） ... 15 図 1-8 本研究で構築する手法の関連性（詳細検討） ... 16 図 1-9 本論文の構成 ... 18 図 2-1 漏水中の塩化物イオン濃度調査概要 ... 27 図 2-2 漏水中の塩化物イオン濃度分布1) _{... 27} 図 2-3 地下密度流解析のフロー2) _{... 31} 図 2-4 解析条件の模式図 ... 33 図 2-5 地盤中の塩化物イオン濃度分布（Case3） ... 37 図 2-6 地下水の流向分布（Case3） ... 38 図 2-7 深度 3 m の塩化物イオン濃度分布の経時変化（Case1） ... 40 図 2-8 深度 3 m の塩化物イオン濃度分布の経時変化（Case2） ... 40 図 2-9 深度 3 m の塩化物イオン濃度分布の経時変化（Case3） ... 41 図 2-10 深度 3 m の塩化物イオン濃度分布の経時変化（Case4） ... 41 図 2-11 解析結果と調査結果の比較（Case3） ... 42 図 2-12 解析結果と調査結果の比較（Case4） ... 42

xv 図 3-1 調査対象トンネルの経年分布 ... 47 図 3-2 中性化深さの調査データ... 48 図 3-3 中性化速度係数の頻度分布 ... 50 図 3-4 調査データと中性化深さの予測値の関係 ... 51 図 3-5 塩化物イオン濃度の調査データ ... 52 図 3-6 塩化物イオン拡散係数 Dcの頻度分布 ... 55 図 3-7 塩化物イオン表面濃度 C1の頻度分布 ... 55 図 3-8 調査データと鉄筋位置塩化物イオン濃度の予測値の関係 ... 57 図 3-9 かぶりの頻度分布 ... 58 図 3-10 試験体寸法 ... 61 図 3-11 腐食鉄筋の引抜き試験手順 ... 63 図 3-12 電食後のひび割れ発生状況 ... 64 図 3-13 腐食量とひび割れ幅の関係 ... 65 図 3-14 腐食量と付着強度の関係 ... 66 図 3-15 ひび割れ発生時の腐食量の算定モデル ... 69 図 3-16 提案した手法による算定値と試験値の関係 ... 71 図 3-17 提案した手法によるひび割れ発生時の腐食量の範囲... 71 図 3-18 ばらつきを考慮した将来予測法の手順 ... 74 図 3-19 中性化によるひび割れ発生割合の算出手順 ... 75 図 3-20 中性化による発錆限界超過割合の算出方法 ... 76 図 3-21 腐食開始からの経年と腐食量の関係 ... 76 図 3-22 中性化によるひび割れ発生割合の算出手順（図 3-19 再掲） ... 78 図 3-23 中性化による発錆限界超過割合の算出方法（図 3-20 再掲） ... 78 図 3-24 中性化による発錆限界超過割合の算出結果（漏水あり） ... 79

xvi 図 3-25 中性化による発錆限界超過割合の算出結果（漏水なし） ... 79 図 3-26 塩化物イオンの影響によるひび割れ発生割合の算出手順 ... 81 図 3-27 塩化物イオンの影響による発錆限界超過割合の算出方法 ... 81 図 3-28 塩化物イオンの影響によるひび割れ発生割合の算出結果 ... 82 図 3-29 路線全体のひび割れ発生面積の算出手順 ... 84 図 3-30 モデル路線の概要 ... 85 図 3-31 ひび割れ発生面積 Acrackの推移 ... 86 図 4-1 鋼材の腐食反応の模式図... 93 図 4-2 鋼材腐食予測法の概要 ... 94 図 4-3 Evans 図を用いた腐食電流密度 icorrの算出 ... 99 図 4-4 有限要素モデル ... 102 図 4-5 境界条件の模式図 ... 102 図 4-6 解析結果（Case0 および Case1）... 106

図 4-7 解析結果（鉄筋付近の H2O 量，Case0 および Case1-1） ... 108

図 4-8 解析結果（Case2） ... 109 図 4-9 解析結果（Case3） ... 110 図 4-10 塩水噴霧試験の試験体緒元 ... 113 図 4-11 塩水噴霧試験の試験体緒元（継手金物） ... 113 図 4-12 塩水噴霧試験装置 ... 114 図 4-13 装置内湿度 ... 114 図 4-14 塩水噴霧後の試験体外観（全体） ... 116 図 4-15 塩水噴霧後の試験体外観（継手部付近） ... 116 図 4-16 塩水噴霧後の試験体外観（鉄筋・継手金物はつり出し後） ... 117 図 4-17 塩水噴霧後のコンクリート中の塩化物イオン濃度分布 ... 118

xvii 図 4-18 有限要素モデル ... 119 図 4-19 解析結果... 122 図 4-20 塩水噴霧試験と解析の比較 ... 124 図 4-21 有限要素モデル ... 125 図 4-22 Case1 の境界条件等の設定方法 ... 127 図 4-23 解析結果... 130 図 4-24 腐食深さの推移 ... 132

xviii

表目次

表 1-1 地下鉄事業者の営業キロ（2019 年 4 月時点） ... 3 表 2-1 解析ケースの概要 ... 34 表 2-2 解析に用いる地盤物性値... 35 表 3-1 開削トンネルにおける中性化の特徴 ... 59 表 3-2 開削トンネルにおける塩化物イオンの拡散の特徴 ... 59 表 3-3 開削トンネルにおけるかぶりの特徴 ... 59 表 3-4 室内試験結果の算定条件... 70 表 3-5 変状原因ごとのひび割れ発生割合と経年の関係 ... 83 表 4-1 境界条件 ... 103 表 4-2 解析に用いた定数 ... 104 表 4-3 塩水噴霧試験ケース ... 112 表 4-4 解析ケース ... 126

1

1. 序論

1.1. 研究の背景

日本では高齢化とそれに伴う働き手の減少が進むと考えられており，大量輸 送の公共交通機関である鉄道がより重要性を増すものと考えられる．地下鉄の 路線別輸送人員は平均1700 万人／日であり，都市部の主要な交通機関のひとつ であると言える． 日本の地下鉄は1927 年に銀座線上野～浅草間が開業して以降，大都市圏を中 心に地下鉄の建設が進められており，1950 年代から 60 年代には東京，名古屋， 大阪の三大都市を中心に開業した．その後，地方中枢都市でも整備が進められ， 全国12 都市で営業キロ 800km 以上の地下鉄が営業されている（表 1-1）．既設 地下鉄構造物の経年が50 年を超える割合が高くなる一方で，2019 年 4 月時点で 建設中の地下鉄は福岡市地下鉄の七隈線延伸（天神南～博多）のみである．今後 は，地下鉄の土木構造物においても維持管理の重要性がますます高まるものと 推測される． ここで，都市部の鉄道地下構造物は鉄筋コンクリート（以下，RC）製の開削 トンネルまたはシールドトンネルが主である．それぞれの施工法の概要は以下 のとおりである． ■開削トンネル 開削トンネルとは土留めを支保として地上から掘削を行い，所定の深度 に場所打ちでRC 製のく体を構築した後に埋め戻す方法（以下，開削工法）

2 で建設される構造物である（図 1-1）．地下鉄の建設が始まった当初から 1970 年頃までは，駅部・駅間部ともに開削工法が用いられることが一般的 であった． ■シールドトンネル シールドトンネルとは，シールドと呼ばれる掘削機を用いて非開削で掘 削を行い，シールド後方でセグメント（RC 製や鋼製のプレキャスト部材） を組み立てることでトンネルを構築する方法（以下，シールド工法）で建設 される構造物である（図 1-2）．これは 1960 年代に鉄道地下構造物ではじ めて採用されており，その後，地下鉄の建設深度が大きくなるに伴って用い られることが増えている．当初は手掘り式のシールドが用いられていたが， 現在では，土圧式，泥水式といった密閉型のシールドが一般的である．

3 表 1-1 地下鉄事業者の営業キロ（2019 年 4 月時点） 都市名・事業者名 路線数 営業キロ (km) 建設中の路線 （建設キロ(km)） 公 営 地 下 鉄 札幌市 3 48.0 ---- 仙台市 2 28.7 ---- 東京都 4 109.0 ---- 横浜市 2 53.4 ---- 名古屋市 6 93.3 ---- 京都市 2 31.2 ---- 神戸市 2 30.6 ---- 福岡市 3 29.8 七隈線延伸 天神南～博多（1.4） 民 営 ・ 第 三 セ ク タ ー 東京メトロ 9 195.1 ---- Osaka Metro 8 129.9 ---- 北総鉄道 1 32.7 ---- 埼玉高速鉄道 1 14.6 ---- 東葉高速鉄道 1 16.1 ---- 広島高速鉄道 1 18.4 ---- 横浜高速鉄道 1 4.1 ---- 合計 47 835.0

4 図 1-1 開削トンネルの施工概要 図 1-2 シールドトンネルの施工概要 近年では，利便性向上を目的とした線増や鉄道利用者増加への対応を目的と した通路拡幅等，鉄道地下RC 構造物の大規模拡幅工事が増えている（図 1-3）． 地下構造物の全取換えは困難であるため，既設構造物に新設構造物を合築して 活用する手法が一般に採用される． ここで，大規模拡幅工事の対象となる既設構造物には，鉄筋腐食や，それに伴 うひび割れ，はく落等の変状が生じている場合もある．その場合，拡幅後の構造 物の性能を詳細に評価するためには，劣化した既設構造物の性能を評価する必 要がある．そのためには，図 1-4 に示すように材料，部材，構造レベルで解決 すべき課題がある． 仮土留め く体 埋戻し ①仮土留めを施工して地表面から掘削 ②場所打ちRCでく体を構築 ③場所打ちRCでく体を構築 ※トンネル横断方向の図 発進用仮設設備 セグメント 立坑 シールド ①立坑にシールドを据え付け ②シールド発進・非開削で掘削 ③プレキャスト部材のセグメントで トンネルを構築 ※トンネル縦断方向の図

5 図 1-3 鉄道地下構造物の拡幅の規模 図 1-4 大規模拡幅・維持管理における課題と本研究の目的 このうち材料レベルの課題である鋼材腐食は，地下環境等の地下構造物特有 の条件の影響が大きい．また，鋼材腐食やそれに起因するはく落は，鉄道地下RC 構造物の維持管理においても重要な課題のひとつである．鉄道地下構造物の維 背 景 要 求 拡幅の規模 相互乗入れ 鉄道利用者増加 駅ナカビジネス発展 線 増 通路拡幅 店舗スペース拡大 大規模 バリアフリー化 エレベーター設置 小規模 従 前 近 年

構造物

部材

材料

●鋼材腐食の予測 ●劣化部材の耐力評価 ●新設＋既設の挙動 ・温湿度等の地下環境 ・漏水範囲 ・塩化物イオンの供給メカ ニズム ・付着強度の低下 ・鋼材の断面減少 ・腐食ひび割れ ・新設既設の接続構造 ・施工ステップの影響 維持管理における課題 中性化や塩化物イオンの影響による鋼材腐食，はく落 本研究の目的 鋼材腐食予測法の構築

6 持管理では，構造物全体系の健全度のほか，はく落に対する健全度を検査するこ とが『鉄道構造物等維持管理標準 トンネル』（国土交通省鉄道局通達．以下， トンネル維持管理標準）で定められている． ここで，はく落を誘発する要因のひとつは進行性のひび割れであり，その原因 として塩化物イオンの影響，コンクリートの中性化に起因する鉄筋腐食が考え られる．とくに塩化物イオンに起因する鉄筋腐食は進行性が強く，繰返し補修が 必要になる場合もあるため，鉄道地下RC 構造物の維持管理において重要な課題 となっている． 中性化や塩化物イオンの影響による鉄筋腐食やはく落は地上 RC 構造物でも 生じる現象であり，多くの調査データの収集・分析により構造物が曝される環境 条件の影響を受けることも明らかになっている．ここで，地下RC 構造物は，空 気に接する内空側と地盤に接する背面側では環境条件が大きく異なっている． また，内空側は空気に接するという点では地上 RC 構造物に近いが，風雨や日 光，温湿度変化等の環境条件が異なるものと考えられる． しかし，地下RC 構造物の調査データの分析や，それに基づく予測法の検討は 地上RC 構造物ほど取り組まれていないのが現状である．また，塩化物イオンの 影響について，地上RC 構造物では飛来塩分が主な検討対象であるため，地域や 海岸線からの距離等が影響する．地下RC 構造物ではそれに加えて，塩分混じり の地下水が地盤中を移動してトンネル内に漏水する供給メカニズムも考えられ る（図 1-5）． また，地下RC 構造物の経年が進行するにつれて，中長期的な維持管理計画の 重要性が高まるものと考えられる．ここで，中長期的な維持管理計画の策定には， 実務上，維持管理費用の検討と切り分けることは困難である．その検討において は変状が顕在化する箇所は重要でなく，対象とする構造物群全体での発生割合

7 の推移予測が重要となる．この考え方はマクロマネジメント1)_{と呼ばれるもので} あり，その予測のためには地下RC 構造物における中性化や塩化物イオンの影響 の実態を把握すること，その実態を考慮できる予測法が重要となる． 図 1-5 感潮河川から地下 RC 構造物への塩化物イオンの影響 海 海 感潮河川※ 飛来塩分 塩分混じりの地下水 漏水 地下RC構造物 ※潮の干満の影響を受ける河川

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1.2. 既往研究

1.2.1. 地下

RC 構造物における感潮河川の影響範囲

地下 RC 構造物における感潮河川の影響範囲に関する研究事例は限られてい る．武藤らは地下RC 構造物の漏水中の塩化物イオン濃度が，感潮河川から離れ るほど低くなる傾向を示しており，感潮河川が塩化物イオンの供給源となるこ とを示している2), 3)_{．そのため，感潮河川を供給源とした塩化物イオンの地盤中} の挙動を評価することで，地下RC 構造物における感潮河川の影響範囲を推定す ることが可能と考えられる．地盤中の塩水挙動は，密度依存を考慮した移流分散 解析である地下密度流解析でモデル化される．この手法は圧力水頭と物質濃度 の2 変数を解く手法であり，主に２つの観点から行われている． 第一は，沿岸部において海水が地下水に流入する現象（以下，塩水くさび）の 評価である．日本では1960 年頃から地下水の塩水化が社会的に注目されるよう になり，村下4)_{は全国6 地区の現地調査結果を分析し，主な原因は海岸地帯にお} ける被圧地下水の汲上げであると考察している．解析的手法については，杉尾・ 森 5)_{が残差流手法を用いた定常解析により矢板等の遮水壁の塩水排除効果を明} らかにしている．また，川谷6)_{が鉛直浸透の影響を，福尾ら}7)_{が淡水揚水の影響} を，出井8)_{が塩水揚水の影響をそれぞれ評価している．さらに，地下密度流解析} を用いた地盤汚染物質の移動を予測対象とした小橋らの研究9)_{では，予測パラメ} ータのひとつである分散長のスケール効果を示している． 第二は，水源が限られた小規模な島等において，降水による涵養と周囲の海水 によって淡水の地下水がレンズ状の形状で腑存する現象（以下，淡水レンズ）の

9 評価である．たとえば，立石ら10)_{は淡水レンズから取水時に発生する塩水錘（塩} 分濃度が高い円錐状の領域）の評価，集水ボーリング管の配置や取水量の最適配 置の評価に対する地下密度流解析の適用性を示している． 上記のように地下密度流解析を用いた研究は多く行われているものの，地下 構造物において塩化物イオンの影響で鉄筋腐食が生じる可能性がある範囲の推 定法を検討し，現場調査データと比較検証した事例は見当たらない．

1.2.2. 地下

RC 構造物のマクロマネジメント手法

ライフサイクルコスト縮減の観点から，トンネルの健全度推移を統計分析に 基づく手法で予測する研究はいくつか行われている．たとえば，小西ら 11)_は環 境条件等に基づいてトンネルをグルーピングして予測する遷移マトリックス法 を提案しており，加藤ら 12)_{はマルコフ遷移確率を用いて山岳トンネルの健全度} 推移予測法を提案している．また，安田ら 13)_{は幾何学的ブラウン運動を用いた} 適切な点検間隔の検討手法を提案しており，宇野・木村 14)_{は様々なシナリオを} 想定し，ライフサイクルコストに影響が大きい要因を明らかにしている．これら はいずれも山岳トンネルを対象とした研究である． また，地上RC 構造物を対象として，松島ら15)_{の塩害劣化を対象とした検討，} 田中ら 16)_{の中性化を対象とした検討が行われた事例もあるものの，地下 RC 構} 造物を対象に，その材料劣化の現状を踏まえて統計的な将来予測を行った事例 はないのが現状である．

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1.2.3. コンクリート中の物質拡散

ここでは，コンクリートの中性化と塩化物イオンの影響に関する既往研究を まとめる． まず，中性化は大気中の二酸化炭素がコンクリート中に拡散し，水酸化カルシ ウム等のセメント水和物と炭酸化反応を起こすことによって細孔溶液の pH を 低下させる現象である．コンクリートの中性化によって鉄筋の不動態皮膜が破 壊されて鉄筋腐食が生じ，コンクリート片のはく落等を誘発する可能性が考え られる． ここで，中性化の予測には中性化深さが時間の平方根に比例するという考え 方（以下，√t 則）に基づく予測式17)_{が，構造物の設計等の実務で一般に用いら} れている 18)_{．また，時間の平方根と中性化深さとの比例定数である中性化速度} 係数は，同一環境下では水結合材比との間に高い相関があることが明らかにな っている19)_{．その一方で，実構造物を対象とした調査では，構造物によって，あ} るいは同一構造物，同一部材でも中性化深さのばらつきが大きいことが報告さ れているたとえば20) ~ 22)_{．その要因としてブリーディング等のコンクリートの品質} のばらつき 23)_{の他，日照条件や雨水の影響等の環境条件が影響すると報告され} ている22), 23)_． 次に，塩化物イオンの影響は，コンクリート表面から塩化物イオンが拡散する ことで鉄筋の不動態皮膜が破壊されて鉄筋腐食が生じ，コンクリート片のはく 落等を誘発することが知られている．なお，塩化物イオンの影響には，コンクリ ート中の初期塩化物イオンに起因する内的塩害と，コンクリート表面から侵入 する塩化物イオンに起因する外的塩害があるが，ここでは外的塩害について述 べる．

11 ここで，塩化物イオンの拡散予測には，Fick の第 2 法則に基づく拡散方程式 が一般に用いられる．この方程式を用いた外的塩害の予測では，コンクリート表 面における塩化物イオン濃度（以下，表面濃度）と見かけの塩化物イオン拡散係 数（以下，見かけの拡散係数）が主な予測パラメータである．また，海からの飛 来塩分の影響が大きい場合は，時間の平方根と表面濃度との比例定数である表 面塩化物イオン濃度係数（以下，表面濃度係数）と見かけの拡散係数が予測パラ メータとなる 23), 25)_{．これまで，地上RC 構造物においては，これらの予測パラ} メータについて多くの調査・分析が行われてきた． まず，主に環境条件を表現する予測パラメータである表面濃度や表面濃度係 数に関する研究は多く行われておりたとえば26) ~ 29)_，川村ら 26)_{は全国の鉄道コンク} リート構造物の調査に基づいて，全国を 3 つの地域に区分して鉄道構造物の耐 久性照査に用いる表面濃度係数の値を提案している．また，コンクリート表面を 雨水が流れる箇所は，流れない箇所に比べてコンクリート中の塩化物イオン濃 度が小さい傾向を示している．佐伯ら 27)_{は風速 10m/sec 以上の風の頻度と飛来} 塩分量との相関を示しており，飛来塩分が主として冬期の日本海側からの季節 風に起因することを示している．また，飛来塩分量は季節変動があるものの年間 総量の違いは大きくないこと，周辺地形や構造物形状等の影響で飛来塩分量は 局所的にも変化することを報告している． 次に，主に材料条件を表現する予測パラメータである見かけの拡散係数は，実 務上，一般に水セメント比（以下，W/C）との関係式が用いられる 18), 30)_．その 一方で，見かけの拡散係数が環境条件の影響を受けることも多く報告されてい るたとえば31) ~ 33)_{．また，ひび割れの影響を考慮した見かけの拡散係数に関する研究} も数値解析的，実験的アプローチ，また現地調査と多様な切り口で取り組まれて おりたとえば34) ~ 37)_，塚原ら 34)_{はひび割れ面を開放面と同様に扱って質量保存則を}

12 考慮することにより，試験体の塩化物イオン濃度分布を評価可能な予測モデル を提案している． 上記のように，中性化，塩化物イオンの影響ともに，構造物が曝される環境が 予測結果に影響を及ぼすことは，既往研究で多く報告されている．しかし，これ らの研究は，いずれも地上RC 構造物を対象としたものである．それとは環境条 件が異なる地下RC 構造物について，特定の地域で得られた調査データの分析を 行った事例はあるもののたとえば38), 39)_{全国的な分析事例は見当たらない．}

1.2.4. コンクリート中の鋼材腐食

ここでは，本研究で対象とする塩化物イオンの影響に起因する鉄筋腐食に関 する既往研究をまとめる． 鉄筋腐食がコンクリートのひび割れや耐力に及ぼす影響については数多くの 研究たとえば_{40), 41)} が行われている．たとえば，宮里・大即40)_{は塩化物イオンに起因} する腐食で生じやすい局所的な腐食は，全面腐食よりも耐力に及ぼす影響が大 きく，脆性的な破壊となることをモルタル梁供試体の試験結果から示している． ここで，コンクリート中の鋼材腐食は電気化学反応と考えられている 42)_．具 体的には，塩化物イオンの供給により活性態 43)_{となった鋼材が，水と酸素と反} 応して鉄の酸化反応が進行する 44)_{と考えられている．なお，塩化物イオンが二} 酸化鉄イオンと反応することで不動態被膜を形成できなくなるために鋼材腐食 が進行するとする説44)_{もあるが，本研究では前者の考えによるものとする．} コンクリート中における鋼材の腐食を，腐食反応式に基づいて予測する手法 はいくつか提案されている46) ~ 50)_．鈴木ら46)_{は三次元FEMでひび割れを考慮した}

13 コンクリート中における塩化物イオンの拡散と鋼材腐食との連成解析手法を構 築している．また，長谷川ら47)_{は曲げひび割れ等の欠陥を有する部材を対象に，} 分極曲線等を入力パラメータとしてマクロセル腐食速度を解析するモデルを構 築している． 塩化物イオン，水，酸素の3物質のコンクリート中における移動をモデル化し た先行研究には，小林・下村48)_{の細孔構造に立脚した物質移動モデルに基づいた} 鋼材腐食予測法がある．この予測法は，腐食反応による水や酸素の消費を考慮し ていないことから，これらが腐食反応の進行に十分な量が存在する環境を想定 していると考えられる．ここで，地下構造物においては，地山側や漏水量が多い 箇所で酸素量が少ない状況も想定されるが，Carino NJ and Clifton JR49)_はコンク リート中に十分な量の酸素が存在しない場合に分極が生じて，腐食電流が減少 することを示している．

以上から，地下構造物の環境を考慮してコンクリート中の鋼材腐食を予測す るためには，腐食反応式に基づく既往の手法をベースとしながら，水や酸素の腐

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1.3. 提案手法の特徴と本論文の構成

本研究では，鉄道地下RC 構造物の維持管理の合理化に資するため，技術的に 独立した3 つの手法を構築した． 1) 地下 RC 構造物における感潮河川の影響範囲の推定法 2) マクロマネジメントのための補修量予測法 3) 塩化物イオンの影響に起因するコンクリート中の鋼材腐食の予測法 これらを組み合わせることで，地下RC 構造物のマクロマネジメント，補修や 予防保全等の詳細検討に資する一連の手法を構築する．構築した手法の特徴と 鉄道地下RC 構造物の維持管理との関連を図 1-6 に示す． 図 1-6 構築した手法の特徴と鉄道地下 RC 構造物の維持管理との関連 全般検査 調査 健全度の判定 個別検査 調査 変状原因の推定 変状の予測 措置 監視 補修・補強 使用制限 改築・取替 記録 維持管理計画の策定・更新 記録 記録 記録 ・・・ ・・・ 1 i i+1 n 【手法①】 感潮河川の影響範囲推定法 【手法③】 地下環境における鋼材腐食予測法 【手法②】 補修量の予測法 【特徴】Cl-_{の調査が必要な範囲推定} 【目的】調査計画の立案 【特徴】地盤側，内空側の環境評価 【目的】塩害の変状予測 対策工の仕様検討 【特徴】劣化速度等のばらつき考慮 【目的】マクロマネジメント，予算計画 構造物No.： 個別検査 調査 変状原因の推定 変状の予測 措置 監視 補修・補強 使用制限 改築・取替 ・・・ ・・・

15 第一に，地下RC 構造物のマクロマネジメントにおける提案手法の活用法を図 1-7 に示す．マクロマネジメントは，維持管理の対象である構造物群の変状発生 割合を算出することを目的とする．そのため変状発生原因や箇所には着目しな い．本研究では中性化と塩化物イオンの影響に着目して鋼材腐食の将来予測を 行うが，塩化物イオンに起因する鋼材腐食の速度の方が速いことが知られてい る．そのため，それが生じる可能性がある範囲と，その他の範囲を区別して変状 発生割合，補修量を予測することで，精度が向上すると考えられる．すなわち， 感潮河川の影響範囲推定法と組み合わせることで，補修量予測の精度向上を図 る． 図 1-7 本研究で構築する手法の関連性（マクロマネジメント） Cl -中性化 中性化 各箇所の主な劣化要因 変状発生割合 現場データ 分析 劣化速度，ばらつき 0 10 20 30 40 ～ 20 20 ～ 30 30 ～ 40 40 ～ 50 50 ～ 60 60 ～ 70 70 ～ 80 80 ～ 90 90 ～ 100 100 ～ 110 110 ～ 120 120 ～ 130 130 ～ 140 140 ～ 150 150 ～ 160 160 ～ 170 170 ～ 180 180 ～ 頻度 かぶり[mm] 手法① 感潮河川の影響範囲推定法 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 20 40 60 80 100 発生割合 経年[年] 経年[年] 0 20 40 60 80 100 発生割合 [% ] 0 20 40 60 80 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 20 40 60 80 100 発生割合 経年[年]_経年[年] 0 20 40 60 80 100 発生割合 [% ] 0 20 40 60 80 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 20 40 60 80 100 発生割合 経年[年]_経年[年] 0 20 40 60 80 100 発生割合 [% ] 0 20 40 60 80 100 0 4,000 8,000 12,000 16,000 0 20 40 60 80 100 ひび割れ発生面積 [m 2] 経年[年] 175,000 12,000 8,000 4,000 0 ひ び 割れ 発生 面積 [m 2] 経年[年] 0 20 40 60 80 100 予測 手法② 補修量予測法

16 第二に，補修や予防保全等の詳細検討における提案手法の活用法を図 1-8 に 示す．本研究では，鋼材腐食速度が速い塩化物イオンの影響を詳細検討の対象と した．まず，感潮河川の影響範囲推定法を用いて路線各箇所の劣化環境を予測す る．次に，それを予測条件として鋼材腐食の予測を行う．この活用法は，維持管 理において調査データの補間や，補修工法の仕様検討や効果予測に用いること を想定したものである．さらに，新設構造物の計画や設計時に用いることで，予 防保全への転換に資するものである． 図 1-8 本研究で構築する手法の関連性（詳細検討） 本論文の構成を以下および図 1-9 に示す． 『第1 章』では，本研究の背景，既往研究および本研究で構築した手法の特徴 を示した． 着目箇所の劣化進行 対策工の検討 感潮河川 手法③ 鋼材腐食予測法 予測条件 各箇所の劣化環境 手法① 感潮河川の影響範囲推定法

17 『第2 章』では，地下 RC 構造物における感潮河川の影響範囲の推定法を構築 した．地下密度流解析は塩水くさびや汚染物質の封じ込めの検討に用いられる 手法である．本研究では，これを感潮河川の影響範囲の推定に適用することを検 討した．感潮河川の影響範囲は，調査結果によると感潮河川直下および河川境界 から 50m 程度の範囲が影響範囲と考えられたのに対して，解析では直下および 河川境界から50～100m の範囲であることを示し，地下密度流解析の適用性を示 した． 『第3 章』では，マクロマネジメントのための補修量予測法を構築した．ここ では地下 RC 構造物のマクロマネジメントを目的として，塩化物イオンの影響， コンクリートの中性化に起因する鉄筋腐食に対する補修量の予測法を構築した． これは，中性化深さ等の平均値や標準偏差を入力データとして補修割合を算出 する手法である．また，開削トンネルの調査データ分析，丸鋼の引抜き強度試験 等から，開削トンネルの実態を表現するための予測条件を示した．さらに，補修 量を計画する指標となることを期待して，全国規模の将来予測シミュレーショ ンを実施し，変状原因ごとに，経年とひび割れ発生割合の関係をまとめた． 『第 4 章』では，塩化物イオンの影響に起因するコンクリート中の鋼材腐食 の予測法を構築した．ここでは反応拡散方程式と平衡論・速度論に基づく鋼材腐 食速度の算定式を用いた予測法を構築した．これは，酸素，水，塩化物イオンの 3 つを腐食原因物質と仮定してコンクリート中の移動を予測し，時々刻々の鋼材 腐食速度を算出する予測法である．これを三次元有限要素解析プログラムに実 装した．構築した手法を用いて，鉄筋コンクリート部材を対象とした予測解析を 行い，環境条件に応じた鋼材の腐食状況を把握した．また，鋼材が複雑に配置さ れたシールドトンネルのセグメント継手部を対象に塩害環境を再現した促進試 験と，その数値シミュレーションを行い，複雑に鋼材が配置された部材の腐食状

18 況を把握した．さらに，鉄筋コンクリート部材の補修に関する数値シミュレーシ ョンを行い，断面修復や電気防食の効果を定性的に把握した． 『第5 章』では，本論文のまとめを示した． 図 1-9 本論文の構成 ５章 結論 ◎まとめ １章 序論 ◎研究背景 ◎既往研究 ４章 塩化物イオンの影響に起因するコンクリート中の鋼材腐食の予測法 ◎外的塩害に起因するコンクリート中の鋼材腐食の予測法の構築 ◎適用例：シールドトンネルのセグメント継手部，補修効果 ２章 地下RC構造物における塩化物イオンの影響範囲の推定法 ◎感潮河川由来の塩分が地下水に含まれる範囲の予測法の構築 ３章 マクロマネジメントのための補修量予測法 ◎塩化物イオン濃度分布等のばらつきを考慮した予測法 ◎現場データ分析，室内試験に基づく予測条件の例示 マクロマネジメント 詳細検討

19 【第1 章 参考文献】 1) 厚生労働省健康局：水道事業におけるアセットマネジメント（資産管理） に関する手引き～中長期的な視点に立った水道施設の更新と資金確保～， 2009. 2) 武藤義彦，小西真治，諸橋由治，仲山貴司，牛田貴士：地下鉄箱型トンネル の塩害範囲に関する研究，土木学会論文集 F1，Vol.70，No.3，pp.I_75-I_82， 2014.

3) S. Konishi, T. Kawabata and K. Kamei: Study on Potential Area of Chloride Ion Attack in Subway Tunnel from View Point of Chloride Ion Penetration Route in Ground and Concrete of Tunnel Lining, International Symposium on Geotechnical

Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Vol.9, pp.261-269, 2018.

4) 村下敏夫：本邦における地下水の塩水化，地質調査所月報，Vol.33，No.10， pp.479-530，1982. 5) 杉尾哲，森耕司：浸透層条件が不圧浸透地盤内の塩水侵入に及ぼす影響につ いて，土木学会論文集，Vol.411/II-12，pp.73-80，1989. 6) 川谷健：鉛直浸透による塩水くさびの変形について，災害科学総合シンポジ ウム講演論文，Vol.10，pp.251-254，1973. 7) 福尾義昭：被圧地下水の塩水化について，日本地下水学会会誌，Vol.14，No.2， pp.33-44，1972. 8) 出井紘：海岸地下水の塩水化について，日本地下水学会会誌，Vol.17，No.1， pp.30-46，1975. 9) 小橋秀俊，三木博史，平山光信，菱谷智幸，山本博之，大北康治：地盤汚染 の影響予測に用いる分散長の決定方法について，土木学会論文集 No.764/III-67，pp.53-67，2004.

20 10) 立石卓彦，大村仁，高砂直幸：数値解析を活用した淡水レンズにおける集水 井構造の検討，農業農村工学会論文集，No.302，pp.I_131-I_144，2016. 11) 小西真治，佐藤豊，仲山貴司：トンネル維持管理計画へのリスクマネジメン トの適用方法，鉄道総研報告，Vol.19，pp.51-56，2005. 12) 加藤隆，上田孝行，森地茂：山岳トンネルの維持管理段階におけるリスクの 定量化についての研究，トンネル工学報告集，Vol.18，pp.1-8，2008. 13) 安田亨，大津宏康，大西有三：道路トンネルの維持・補修問題へのリスク工 学理論の適用に関する研究，土と基礎，Vol. 51, No. 10, pp. 18-20, 2003. 14) 宇野洋志城，木村定雄：道路トンネルにおけるはく落リスク変動モデルの特 性評価，土木学会論文集F4，Vol.68，No.2，pp.92-108，2012. 15) 松島学，田中秀周，横田優，中川裕之：塩害劣化を受けるコンクリート構造 物の ライ フサ イク ルコ ストを考慮 し た最適補 修時期 ，構造工学 論文集 Vol.53A，pp.156-164，2007. 16) 田中尚，藤森裕二，貝戸清之，小林潔司，安野貴人：加速劣化ハザードモデ ル：コンクリート中性化への適用，土木学会論文集 D，Vol.66，No.3，pp.329-341，2010. 17) 岸谷孝一：鉄筋コンクリートの耐久性：鹿島建設研究所出版部，1963. 18) 土木学会：2017 年制定コンクリート標準示方書[設計編]，2018. 19) 土木学会：フライアッシュを混和したコンクリートの中性化と鉄筋の発錆に 関する長期的研究（最終報告），コンクリートライブラリー，No.64，1988. 20) 谷内田昌煕，石橋忠良，佐藤勉：鉄筋コンクリート橋梁のひびわれと鉄筋腐 食に関する調査・研究，土木学会論文集，No.378/V-6，pp.195-202，1987. 21) 谷村幸裕，長谷川雅志，曽我部正道，佐藤勉：鉄道 RC ラーメン高架橋の中 性化に関する耐久性照査法の適用に関する研究，土木学会論文集，

No.760/V-21 63，pp.147-157，2004. 22) 今井富士夫，中沢隆雄，赤木正見，枝元宏彰：鉄筋コンクリート橋の部位の 違いによる材料劣化に関する考察，コンクリート工学年次論文報告集，Vol.15， No.1，1993. 23) 石橋忠良，古谷時春，浜崎直行，鈴木博人：高架橋等からのコンクリート片 剥落に関する調査研究，No.711/V-56，pp.125-134，2002. 24) 丸屋剛，宇治公隆：コンクリートヘの塩分の拡散浸透に関する表面塩分量の 定式化，コンクリート工学年次論文報告集，Vol.11，No.1，pp.597-602，1989. 25) 前田聡，武若耕司，山口明伸，好本健一：コンクリート中への塩化物浸透過 程に関する既往調査の整理と分析，コンクリート工学年次論文集，Vol.24， No.1，pp.795-800，2002. 26) 川村力，谷村幸裕，曽我部正道，鳥取誠一，長谷川雅志，東川孝治：鉄道構 造物の調査に基づくコンクリート中への塩化物イオン浸透に関する研究，土 木学会論文集，No.781/V-66，pp.193-204，2005. 27) 佐伯竜彦，竹田光明，佐々木謙二，嶋毅：飛来塩分環境の定量評価に関する 研究，土木学会論文集E，Vol.66，No.1，pp.1-20，2010.

28) Seung-Woo Pack, Min-Sun Jung, Ha-Won Song, Sang-Hyo Kim, Ki Yong Ann: Prediction of time dependent chloride transport in concrete structures exposed to a marine environment, Cement and Concrete Research, Vol.40, pp.302-312, 2010.

29) Rungrawee Wattanapornprom and Tetsuya Ishida: Comprehensive Numerical System for Predicting Airborne Chloride Generation and Its Ingress in Concrete under Actual

Environmental Conditions, Journal of Advanced Concrete Technology, Vol.16, pp.18-35, 2018.

22 解説 コンクリート構造物，2004. 31) 竹田宣典，十河茂幸，迫田恵三，出光隆：種々の海洋環境条件におけるコン クリ ート の塩 分浸 透と 鉄筋腐食に 関 する実験 的研究 ，土木学会 論文集 No.599/V-40，pp.91-104，1998. 32) 佐伯竜彦，嶋毅，長瀧重義：等価拡散係数を用いたコンクリートの塩分浸透 予測手法の検討，コンクリート工学年次論文報告集，Vol.20，No.2，pp.859-864，1998. 33) 青山實伸，松田哲夫，鳥居和之：海岸部コンクリート構造物の塩化物イオン の表面濃度と拡散係数，コンクリート工学年次論文集， Vol.25，No.1，pp.683-688，2003.

34) Santiago Guzmán, Jaime C. Gálvez, José M. Sancho: Cover cracking of reinforced concrete due to rebar corrosion induced by chloride penetration, Cement and Concrete

Research, Vol.41, pp.893-902, 2011. 35) 田中良樹，河野広隆，渡辺博志：実構造物コンクリートのひび割れ部におけ る塩分浸透，土木学会論文集E，Vol.62，No.1，pp.38-51，2006. 36) 車谷麻緒，小林賢司，安藏尚，岡崎慎一郎，廣瀬壮一：損傷モデルによる内 部ひび割れを有する鉄筋コンクリート中の塩化物イオン濃度の定量的評価， 土木学会論文集A2，Vol.72，No.2，pp. I_313-I_322，2016. 37) 塚原絵万，加藤佳孝，魚本健人：ひび割れを有するコンクリート中の塩化物 イオン移動評価手法の提案，土木学会論文集，No.732/V-59，pp.109-120，2003. 38) 岩波基，新井泰，沢木大介：地下鉄トンネルコンクリートの中性化速度補正 係数に関する一考察，コンクリート工学年次論文集，Vol.40，No.2，2018. 39) 山本努，武藤義彦，小椋紀彦，葛目和宏，大即信明：地下鉄トンネルにおけ る塩害発生条件の検討，コンクリート構造物の補修，補強，アップグレード

23 論文報告集，Vol.11，pp.147-154，2011. 40) 宮里心一，大即信明：既存鉄筋コンクリート中のマクロセル腐食速度の推定， コンクリート工学論文集，Vol.12，No.2，pp.93-103，2001. 41) 松田耕作，横田優，米澤和宏，松島学：塩害劣化を受ける鉄筋コンクリート 梁の耐荷性能に関する実験的研究，構造工学論文集A，Vol.58A，pp.834-843， 2012. 42) 腐食防食協会：腐食・防食ハンドブック，2000.

43) Jiang JY, Wang D, Chu HY, Ma H, Liu Y: The Passive Film Growth Mechanism of New Corrosion-Resistant Steel Rebar in Simulated Concrete Pore Solution: Nanometer Structure and Electrochemical Study, Materials, Vol.10, Issue 4, 412,

2017.

44) Suvash Chandra Paul and Adewumi John Babafemi: A Review on Reinforcement Corrosion Mechanism and Measurement Methods in Concrete, Civil Engineering

Research Journal, Vol5, Issue.3, 2018.

45) Hansson CM, Poursace A, Jaffer SJ : Corrosion of reinforcing bars in concrete. R&D

serial No. 3013a, Portland Cement Association, p. 33. 2007.

46) 鈴木三馨，福浦尚之，丸屋剛：塩害による腐食劣化予測に対する構造・鋼材 腐食連成解析手法の構築，土木学会論文集 E2，Vol.70，No.3，pp.301-319， 2014. 47) 長谷川裕介，宮里心一，親本俊憲，横関康祐：ひび割れを有する鉄筋コンク リートの腐食速度解析モデルの提案，コンクリート工学論文集，Vol.17，No.1， pp.31-40，2006. 48) 小林悟志，下村匠：コンクリート中の物質移動と鉄筋の腐食に関する数値解 析，コンクリート工学年次論文集，Vol.24，No.1，2002.

24

49) Carino NJ and Clifton JR: Prediction of cracking in reinforced concrete structures,

Building and Fire Research Laboratory National Institute of Standards and

Technology (NISTIR 5634). US Department of Commerce, Gaithersburg, MD 20899,

1995.

50) S. Laurens, P. Hénocq, N. Rouleau, F. Deby, E. Samson, J.Marchand, B. Bissonnette: Steady-state polarization response of chloride-induced macro cell corrosion systems

in steel reinforced concrete - numerical and experimental investigations, Cement and

25

2. 地下構造物における感潮河川の影響範囲の推定法

2.1. 概要

開削トンネル等の地下RC 構造物では，塩分混じりの地下水が漏水することで 塩化物イオンに起因する鉄筋腐食が生じる可能性が指摘されている1)_{．首都圏に} 位置する既設開削トンネルで行われた既往調査1)_{において，感潮河川の河岸（以} 下，河川境界）からの距離が50 m 程度の範囲で漏水中に塩化物イオンが含まれ ているという結果が得られている．これが感潮河川が地下水の塩化物イオン濃 度に影響を及ぼす範囲と考えられた．しかし，この影響範囲は，地盤条件等によ って異なるものと考えられる． そこで，本章では感潮河川の影響範囲推定法を構築し，既往調査との比較を通 じてその適用性を検証した．なお，本検討では解析プログラムとして『 Dtransu-2D』（共同開発：岡山大学 西垣誠教授、三菱マテリアル株式会社、株式会社ダ イヤコンサルタント）を用いた．

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2.2. 既往の調査結果

本節では，地下RC 構造物の塩化物イオンの影響範囲について，感潮河川から の距離と漏水中の塩化物イオン濃度との関係を調査した既往調査 1)_{の概要を示} す． 既往調査データは感潮河川と交差する首都圏の既設開削トンネル（4 区間）で， 主に打継目から採取された漏水中の塩化物イオン濃度のデータである．漏水採 取の模式図を図 2-1 に示す．調査範囲は，感潮河川の河川直下と河川境界から 200 m 程度の範囲である．なお，区間ごとに漏水状況や感潮河川幅が異なるため， データ採取位置や範囲が異なっている． まず，調査結果のうち感潮河川の河川境界からの距離と漏水中の塩化物イオ ン濃度の関係を図 2-2 に示す．漏水中の塩化物イオン濃度が感潮河川の直下や 付近で高い場合でも，河川境界から50 m 以上離れると塩化物イオンがほとんど 検出されない傾向が見られた．

27 図 2-1 漏水中の塩化物イオン濃度調査概要 図 2-2 漏水中の塩化物イオン濃度分布1) 河川 直下 河川範囲外 （200m程度） 河川範囲外 (200m程度) 河川 境界 河川 境界 感潮河川 漏水採取位置 開削トンネル 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 塩化 物イ オ ン 濃度 (m g/ L) 銀座線 神田-末広町(神田川) 東西線 茅場町-門前仲町（亀島川） 有楽町線 護国寺-江戸川橋(神田川) 半蔵門線 九段下-神保町(日本橋川) 河川境界からの距離(m) 河川境界

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2.3. 支配方程式

地下密度流解析は密度依存を考慮した移流分散解析であり，圧力水頭と物質 濃度の2 変数を解く必要がある．本研究で使用した『Dtransu-2D』は 2 変数をそ れぞれの支配方程式により2 段階に分けて求め，繰返し計算により連成させる 2 段階解析法による解析プログラムである2)_． まず，密度依存を考慮した飽和・不飽和浸透流の支配方程式は，次式で表され る． 𝜌𝜃𝜕𝑐 𝜕𝑡+ 𝜌{𝛽𝑆𝑆+ 𝐶𝑠(𝜃)} 𝜕𝜑 𝜕𝑡 = 𝜕 𝜕𝑥𝑖{𝜌𝐾𝑖𝑗 𝑠_𝐾 𝑟(𝜃) 𝜕𝜑 𝜕𝑥𝑗+ 𝜌𝐾𝑖3 𝑠_𝐾 𝑟(𝜃)𝜌𝑟} (2.1) ここに，：圧力水頭 ：体積含水率 Ss：比貯留係数 Cs()：比水分容量 𝐾_𝑖𝑗𝑠_{：飽和透水テンソル} Kr()：比透水係数 c：物質濃度（0≦c≦1，飽和濃度で正規化） t：時間 ：溶質の密度比（一般に海水で 0.025） r：溶媒の密度fに対する流体の密度比（/f， = f (1+ c)） ：飽和領域で 1，不飽和領域で 0

29 次に，移流分散の支配方程式は次式で表される． 𝑅𝜃𝜌𝜕𝑐 𝜕𝑡 = 𝜕 𝜕𝑥𝑖(𝜃𝜌𝐷𝑖𝑗 𝜕𝑐 𝜕𝑥𝑗) − 𝜕 𝜕𝑥𝑖(𝜃𝜌𝑉𝑖𝑐) − 𝜃𝜌𝜆𝑅𝑐 − 𝑄𝑐 (2.2) ここに，R：遅延係数（R = 1+Kds /） 𝐷_𝑖𝑗：分散テンソル Vi：実流速 Qc：源泉項 ：減衰定数 s：土粒子の単位体積重量 Kd：飽和度に対する吸着係数 また，分散テンソル𝐷_𝑖𝑗はBear が示した分散係数も含めた流速に依存する次式3) を用いた． 𝐷𝑖𝑗 = 𝛼𝑇‖𝑉‖𝛿𝑖𝑗+ (𝛼𝐿+ 𝛼𝑇) 𝑉𝑖𝑉𝑗 ‖𝑉‖ + 𝛼𝑚𝜏𝛿𝑖𝑗 (2.3) T：横分散長 L：縦分散長 Vi：実流速 ‖𝑉‖：実流速のノルム m：分子分散係数 ：屈曲率

30 ij：クロネッカーのデルタ 地下密度流解析のフローを図 2-3 に示す．まず，濃度を既知として飽和・不 飽和浸透流解析を行い，要素重心におけるダルシー流速から，節点の実流速を求 める．次に，流れ場既知として移流分散解析を行い，濃度分布を求める．この求 められた濃度分布を既知条件として浸透流解析に戻り，濃度誤差に対する反復 計算を行い，各時間ステップにおける収束解を得る．