トン ネル 工 学研 究 論 文 ・ 報 告 集 第13巻2003年11月 報 告 (17)
含水 未 固結 地山 トンネル にお ける切 羽安定方 策
Face Stabilization
Methods
for Excavating
Unconsolidated
Soil Ground
with High Groundwater
Level
蓼 沼 慶 正1)・ 磯 谷 篤 実1)・ 須 澤 浩 之2)・ 芳 賀 宏3)・ 野 々 村 嘉 映3)
Yoshimasa TADENUMA, Atsumi ISOGAI, Hiroyuki SUZAWA, Hiroshi HAGA, Yoshiteru NONOMURA
This paper reports the face stabilization measures used for the tunnel running under the diluvium upland. The
geology comprises sand, volcanic ash silt and cohesive soil. Since the groundwater level is high, deep wells are
dug. On the other hand, as the measures for tunnel excavation in unconsolidated ground, the crowns are
reinforced by forepiling or the AGF (forepiling with injection). These measures had been devised continuously,
in response to the change of the face condition such as the water flow from face and the appearance of a sand
layer with a small coefficient of uniformity in the crown.
Key Words: face stabilization, unconsolidated soil ground, high groundwater, deep well, AGF
1. は じめ に 東 北 新 幹 線 三 本 木 原 トン ネ ル は 、青 森 県 上 北 郡 六 戸 町 か ら十 和 田 市 に 至 る延 長4,280mの 複 線 断 面 の 山 岳 トン ネ ル で あ り、 洪 積 段 丘 構 成 層 を 比 較 的 薄 い 土 被 りで 通 過 す る(図-1)。 NATMの 機 械 掘 削 の シ ョー トベ ン チ カ ッ ト工 法 を 採 用 し、 終 点 方 か ら施 工 して い る。 本 トン ネ ル で は 、地 下 水 位 が 天 端 以 上 に あ る 区 間 が 連 続 し、 か つ 、地 山 が未 固 結 土 砂 で あ る た め 、掘 削 前 に 地 下 水 位 を 低 下 させ るべ く、デ ィー プ ウ ェ ル 工 法 を 実 施 して い る。 ま た 、先 受 工 と し て は 、 当初 、先 受 ボ ル トに よ る 天 端 保 護 を 行 っ て き た 。 終 点 方 坑 口 か ら概 ね300∼650mの 区 間 に つ い て は 、 天 端 付 近 に 均 等 係 数 の 小 さい 砂 層 が あ り、様 々 な 補 助 工 法 を 併 用 して 掘 削 を進 め た 。
図-1
三本木 原 トンネ ルの位 置
本稿 で は、 この 区間 の地質概 要 、掘削 ・補助 工法 の施 工状 況 につい て報告 し、切 羽 の安定 に必 要な 地 山強度 や流
砂現 象 につい て検討 す る。
1) 正会員
日本鉄 道建 設公 団
盛 岡支社
七 戸鉄 道建 設所
2) 正会員
日本 鉄 道建 設公 団
東 京支社
計 画部
調 査課
3)
熊 谷 ・東洋 ・大本 ・井 上 東 北幹 、三本 木原T他 特定建 設 工事共 同企業 体
2. 地 形 ・地 質 の 概 要
トン ネ ル の 位
置 す る三 本 木 原
台 地 周 辺 の 地 形
は、標 高60m程
度 の 比 較 的 平 坦
な洪積 台地 と、河
川 等 に よ っ て 形
成 され た 沖積 低
地 及 び そ の 支 流
表-1
土質試 験結 果
※ 坑 口 か ら概 ね1,500m区 間 の 平 均 値 を示 す 。に よって開析 され た沖 積谷 で構 成 され てい る。 新第 三紀 鮮新 世 か ら第 四紀 更新世 初期 に かけて堆 積 した野 辺地層 を
基盤 とし、 これ を覆 う各段 丘構成 層 が分布 し、最上位 に十和 田 ・八 甲田山 の火 山砕 屑 物が広 く分 布 してい る。 この
うち本 トンネ ル が通過 す る野辺 地層 は、 トンネ ル付 近で は、砂 層 と粘性 土層 が互層 をな してい る。土被 りは平 均で
約23m、 最大 で約45mで
あ る。また 地下水位 はほぼ 全線 にわ たっ て天端 以上 に あ り、場 所 に よって はFL+25m程
度
の区 間が連続 してい る。
今 回 報 告 す る 区 間 は 、 天 端 付 近 に褐 色 細 粒 砂 を 主 体 と し 、 均 等 係 数 が や や 小 さ い 「野 辺 地 上 部 砂 層 」(以 下 、Nos1と 呼 ぶ 。)が 分 布 し、 下 位 に は 粘 性 土 と 小 礫 ∼ 比 較 的 粗 粒 な 砂 が 複 雑 に 分 布 す る 「野 辺 地 粘 性 土 層 」(以 下 、Nocと 呼 ぶ 。)、 イ ン バ ー ト下 方 に は 中 粒 ∼ 粗 粒 砂 主 体 の 「野 辺 地 下 部 砂 層 」 (以 下 、Nos2と 呼 ぶ 。)が 分 布 して い る。 土 被 りは35∼45m で あ る。 当 該 区 間 の 土 質 試 験 結 果 を図-2
地 質縦 断図
表-1に 、地 質 縦 断 図 を 図-2に 示 す 。Nos1層 の サ ン プ ル の 多 く は 、細 粒 分 含 有 率 は10%以 下 、均 等 係 数 は5以 下 、 間 隙 比 は0.7以 上 を示 して お り、非 常 に 流 動 化 を起 こ しや す い と言 え る。透 水 係 数 は10-3∼10-4オ ー ダー で あ る。Noc 層 で は 、 上 位 に は 粗 粒 砂 と粘 性 土 の 薄 層 で 構 成 され る ラ ミナ と灰 色 ∼ 暗 灰 色 の 粘 土 層 が 分 布 す る 。 3. 施 工 状 況 (1) 掘 削 及 び 設 計 断 面 本 トン ネ ル で は 、 地 下 水 位 が 高 く地 下 水 量 も豊 富 で あ り 、 か つ 周 辺 の 砂 質 土 は 流 動 性 が 高 い た め 、 トンネ ル 掘 削 前 に 水 位 を低 下 させ て お く必 要 が あ り、 デ ィ ー プ ウ ェル 工 法 を 施 工 す る こ と と した 。 さ ら にNosl層 は 細 粒 分 が 乏 し く切 羽 や 天 端 の 安 定 性 が 悪 い と判 断 され た た め全 線 に わ た っ て 先 受 ボ ル ト(L=3.0m、 モ ル タ ル 充 填)を 施 工 す る こ と と した 。 ま た 、 トンネ ル 周 囲 が 未 固 結 の 土 砂 地 山 で あ り、 将 来 、 噴 泥 の発 生 や 細 粒 分 の 流 出 に よ る 空 洞 化 で イ ン バ ー トに変 状 が 生 ず る こ と が 懸 念 さ れ る た め 、 図-3(a)に 示 す よ うな 中 央 集 水 管 抱 込 型 の イ ン バ ー トを採 用 す る こ と と し た。 後 に これ は 、 イ ン バ ー ト掘 削 時 の 地 山 の 安 定 性 を確 保 す る た め に 、 中 央 集 水 管 抱 込 型 と 同 じ機 能 を 持 ち つ つ 、 イ ン バ ー ト掘 削 高 さ を 抑 え た 図-3(b)の 形 に 変 更 し て い る 。 (2) 揚 水 状 況 揚 水 井 戸 は 、 井 戸 径 300mmを 基 本 と し、 トンネ ル 中 心 線 か ら左 右10mの 位 置 に20m間 隔 で 千 鳥 に 配 置 して い る 。 事 前 に 行 っ た 揚 水 試 験 の 結 果 か ら、 切 羽 前 方200m以 内 の ポ ン プ を 稼 動 させ て い る。 初 期 揚 水 量 は150∼500リ ッ トル/分 で あ り 、 起 点 方 に 向 か っ て 増 え る 傾 向 に あ る 。 切 羽 が 近 づ く前 に 地 下水 位 は20m程 度 低 下 して い る が 、 終 点 方 坑 口 か ら概 ね300∼650mの 区 間 で は 、上 半 断 面 内 にNoc 層 が 介 在 し て お り 、 粘 土 分 を 挟 む ラ ミ ナ が あ る た め
(a)
抱込 型断 面
(b)
改 良型 断面
図-3
トンネ ル標 準断 面 図
図-4 デ ィー プ ウ ェ ル 稼 動 中 の 地 下 水 位 状 況 図 (上 半 切 羽 位 置619km460mの 時) Nos1層 の水 位 を 十 分 に 下 げ る こ とが で き ず 、層 境 に 地 下 水 が 残 留 し た。 揚 水 及 び 地 下 水 位 の 状 況 を 図-4に 示 す 。 (3) 掘 削 状 況 東 京 起 点619km760m付 近 か らは 天 端 部 にNos1層 が 現 れ 始 め た 。 天 端 付 近 に や や 均 等 係 数 の 小 さいNos1層(東 京 起 点619km761mで は 、 均 等 係 数3.06)が あ る と、 切 羽 の 自立 性 も悪 く、 天 端 の 保 持 も 困 難 で あ る た め に 、 先 受 ボ ル トに 替 え て 長 尺 先 受 工(L=12.0m、 シ リカ レジ ン 注 入)を 標 準 的 に施 工 し、部 分 的 に短 尺 の 先 受 ボ ル ト(L=3.0m、 シ リカ レ ジ ン 注 入)を 併 用 す る こ と と し た。 しか し 、 鏡 で は 流 砂 を 伴 っ て 地 下 水 が 湧 出 す る 現 象 が 、 天 端 で は 先 受 工 の 隙 間 か ら比 較 的 乾 燥 し た砂 が 砂 時 計 の 砂 の よ うに 流 出 す る 現 象 が 見 られ 、 掘 削 の 中 断 を余 儀 な く され た(写 真 -1 、 図-5)。 原 因 を 検 討 した 結 果 、鏡 に つ い て は 、 揚 水 に よ り地 山 全 体 の 水 頭 は確 実 に 下 が っ て い る も の の 、Noc層 上 に は 地 下 水 が 残 留 して お り、 こ の 水 が 細 粒 分 を伴 っ て 切 羽 に 流 出 し、徐 々 に 地 山 を 緩 ま せ て い た こ とが 考 え られ た 。 ま た 、 天 端 に つ い て は 、 流 出 した 砂 が 比 較 的 乾 燥 して い た こ とか ら、 揚 水 に よ り含 水 比 が 下 が っ た 細 粒 分 含 有 率 の 乏 しい 砂 層 が 切 羽 進 行 に よ る緩 み 領 域 の 拡 大 に 伴 っ て 、 乾 燥 流 砂 を 起 こ し た もの と考 え られ た 。 こ の 他 に 、 水 抜 き ボ ー リ写 真-1 崩 落 状 況(2002年3月14日) (東 京 起 点619km729m) (1) 砂質 土 抜 け落 ち る (2) 粘 土 ・砂 の互 層 (ラ ミナ)
図-5
崩落 時の 切羽 の地層
ン グや 先 受 工 の 施 工 の 際 に 、 地 山 の 細 粒 分 が 流 出 して い た こ と も 要 因 の 一 つ で あ る と考 え られ た 。 そ こ で 、(1)細粒 分 が 流 出 す る こ とな く残 留 水 を確 実 に 抜 く こ と、(2)流砂 が 生 じ な い よ う地 山 に粘 性 を付 加 し強 度 を 高 め る こ と、(3) 地 山 の緩 み 領 域 の 拡 大 を抑 え る こ と の3点 に つ い て 対 策 が 必 要 と考 え 、(1)につ い て は 水 抜 工 を 、(2)につ い て は 先 受 ・ 鏡 補 強 工 を 、(3)につ い て は加 背 割 りを 改 善 す る こ と と した 。 4. 改 善 の 方 法 (1) 水 抜 工 前 述 の よ うに 本 トン ネ ル で は デ ィ ー プ ウェ ル 工 法 に よ り掘 削 前 に 地 下 水 位 を 低 下 させ て い る。 し か し、 上 半 断 面 内 に不 透 水 層 の 粘 性 土 層 や 粗 粒 砂 と粘 性 土 の 薄 層 で 構 成 され る ラ ミナ が 存 在 し、Noc層 上 の 水 を 完 全 に 抜 く こ とは 不 可 能 で あ る た め に 、 切 羽 の 安 定 上 、 坑 内 か らの ウ ェル ポ イ ン ト並 び に 水 抜 きボ ー リン グ を 併 用 した 。 初 め は 、 水 抜 き ボ ー リン グ(φ114mm、L=9∼12m)を 施 工 し て い た が 、水 抜 き ボー リン グ孔 か ら細 粒 分 が 流 出 して 地 山 を 緩 め て い た 可 能 性 が 考 え られ る た め 、 ポ リプ ロ ピ レン を 芯 材 と し、 周 囲 を ポ リエ チ レ ン で 被 覆 した 複 合 繊 維 製 の ドレ ー ン を水 抜 き ボ ー リ ン グ 孔 に挿 入 し土 粒 子 の流 出 を 防 止 す る こ と と した 。 ま た 、 層 境 の 高 さ は場 所 に よ り異 な り、 長 尺 の 水 抜 き ボ ー リ ン グ で は 十 分 に 湧 水 を 導 け な い 場 合 が あ っ た た め 、 水 み ち を 捉 え や す くす る べ く、 短 尺 の 水 抜 孔 に 切 り替 え て 掘 削1m毎 に 左 右1本 ず つ 、300程 度 外 側 に 振 っ て 施 工 す る こ と と した 。 (2) 先 受 ・鏡 補 強 工 これ ま で の シ リカ レジ ンや ウ レタ ン を 注 入 材 とす る 先 受 工 で は 、 円 周 方 向 に 連 続 した 改 良 体 の 形 成 は 不 十 分 で あ り、 か な り密 に 打 設 し て も鋼 管 の 間 か ら 流 砂 が 発 生 した こ と も あ っ た 。 こ の 結 果 を 踏 ま え て 、 地 山 強 度 を 高 め る た め に 浸 透 性 の 良 い 溶 液 型 注 入 材 に よ り一 体 固 結 化 を 図 る こ と と し た 。 注 入 材 の 選 定 に あ た っ て は 、(1)改 良 対 象 土 層 に 対 して 十 分 な 浸 図-6 補 助 工 法 パ タ ー ン 図透 性 能 を有 す る こ と、(2)ト ン ネ ル 掘 進 に 必 要 十 分 な 強 度 を 有 す る こ と、(3)状況 に応 じて ゲル タ イ ム の 設 定 が 容 易 で あ る こ と 、(4)地下 水 に 対 し耐 希 釈 性 が 高 い こ と、 さ ら に は環 境 へ の 影 響 や 経 済 性 も考 慮 し、 浸 透 性 が 高 い 水 ガ ラ ス 系 の シ リカ ゾル 系 溶 液 型 注 入 材 を選 択 す る こ と と した 。 特 殊 な 逆 止 弁 付 鋼 管 を 使 用 した ダ ブ ル パ ッ カ ー 注 入 方 式 の 浸 透 型 注 入 式 長 尺 先 受 工 に つ い て 、注 入 率35%と40%の2ケ ー ス の 試 験 施 工 を 行 っ た と こ ろ 、 改 良体 の 強 度 や 改 良 径 に は 特 に 有 意 な 差 は 見 られ ず 、改 良 半 径 は 概 ね60cmと な り、改 良 体 の 強度 は 、山 中 式 土 壌 計 で1N/mm2以 上 で あ っ た 。 以 上 の 試 験 施 工 の 結 果 か ら、 シ リカ ゾル 系 溶 液 型 注 入 材 を 用 い 、 注 入 率35%と した 浸 透 型 注 入 式 長 尺 先 受 工 を 採 用 し て 、掘 削 を 進 め る こ と と した 。鋼 管 の 配 孔 は 比 較 的 安 定 して い るNos1層 に 注 入 管 先 端 で1mピ ッチ と な る よ う に11本 ∼16本 打 設 した 。 こ の と き の 補 助 工 法 の パ ター ン を 図-6に 示 す 。 こ の 方 法 に よ っ て 、 連 続 し た 改 良 ゾ ー ン を 形 成 す る こ とが で き た 。 (3) 加 背 割 り 断 面 内 にNos1層 、Noc層 の い ず れ が 出 現 した と して も切 羽 は 不 安 定 で 、 常 に 剥 落 や 崩 落 の 危 険 性 が 存 在 して い る。 切 羽 安 定 性 を 確 保 す る た め に 鏡 吹 付 コ ン ク リー トや 鏡 補 強 ボル ト等 の 何 ら か の 補 助 工 法 と と も に 、 機 械 稼 動 空 間 を 確 保 した うえ で 、 加 背 を で き る だ け小 さ くす る こ と が 効 果 的 で あ る 。 本 トンネ ル で は 、 途 中 か ら上 半 断 面 を さ らに 上 下 に2分 割 し て 施 工 す る こ と と した 。 そ れ に よ り、 切 羽 の安 定 性 が 相 当確 保 され た 。 具 体 的 に は 、 以 下 の よ うな こ とが あ げ られ る。 ・支 保 ま で の 切 羽 の 開 放 時 間 が 短 くな り、 自 立 性 が 増 した 。 ・浸 透 型 注 入 式 長 尺 先 受 工 の さ っ孔 時 に 地 質 の 確 認 が で き、天 端 にN値20以 上 の 粘 性 土 層 が 厚 さ2m以 上 あ れ ば保 護 層 と な る 。 ・ベ ン チ 上 で 水 抜(ウ ェ ル ポ イ ン ト)な どの 対 策 工 を行 う こ とが で き、 下 部 掘 削 の 湧 水 処 理 が 容 易 と な っ た。
