ケーブル防護機能を考慮した通信管路の耐震対策 利用統計を見る

ケーブル防護機能を考慮した

通信管路の耐震対策

山梨大学大学院 医学工学総合教育部

博士課程学位論文

2013年9月

田中 宏司

論文要旨

通信管路設備は，地下に布設するケーブルを効率的に運用・保守するだけでなく，地 震時には管内に収容されたケーブルを防護する性能が求められる．通信管路に求められ る耐震性能は，これまでレベル1地震時は損傷しないが，レベル2地震時の損傷は止むを 得ないとの考えに基づいて設定されてきた．このため，中継ケーブルは原則として2ルー ト化され，非常時の復旧回線を確保するための緊急オペレーション方法が複数構築され ている．しかし，近年発生した大地震では，設備の損傷により冗長化されたルートが全 て切断され，山間部等で広範囲にわたり情報孤立エリアが生じ，救急活動をはじめ様々 な復旧活動の障害となったことから，通信設備の信頼性向上は社会的な要請となってい る． 既往の通信土木設備の耐震対策は，1964年の新潟地震以降，地盤の液状化に対する耐 震対策を重要視して対策工法の開発が進められた．特に阪神・淡路大震災以降，レベル2 地震動が土木学会で定義されたことから，新たな基準により通信土木設備の耐震性能評 価および対策工法の開発が進められた．しかし，これら耐震設備の適用は，道路を掘削 して新たな耐震設備に取り替える必要があることから新設時の適用に止まり，耐震補強 を目的とした既存設備の更改までは行われていないのが実情である．一方，高度成長期 に大量建設した管路設備の老朽化が顕在化しており，古い設備を効率的に維持管理して いく必要がある．したがって，既存の旧仕様設備のメンテナンスに合わせ耐震補強を行 うことで，効率的に通信サービス全体の信頼性向上を図る必要がある． これまでの通信管路の耐震技術は，地震時の外力に対し伸縮性や可とう性を具備する ことで管路自体の損傷を防止し，収容するケーブルには布設時以外は外力を作用させな いことを性能目標として開発を行ってきた．しかしながら大地震のように稀に発生する 外力に対しては，ある程度の管路損傷は許容するが，収容されたケーブルの変形を限界 範囲内に制限し通信サービスを確保することを性能目標とすることで，過度な耐震対策 が不要となる． したがって本論文では，レベル2地震時の既設管路の損傷に対する修復限界を長期信頼 性は保てないが短期的にサービスを維持できるレベルと定義することで，合理的に耐震 補強を行う方法を提案することを目的とする． 第1章では，序論として通信管路の既往の耐震対策技術について概要や問題点等の背景 をまとめ，上記で述べた本論文の目的・構成について整理した． 第 2 章では，通信管路の地震時の修復限界を定義した．まず，新潟県中越地震の管路 被災事例を実験により再現することにより，光ファイバケーブルに伝送障害が生じるメ カニズムを把握した．次に，光ファイバケーブルに作用する引張および曲げに対する伝 送損失量を実験で確認することにより，地震時に光ファイバケーブルに作用する外力の 限界状態を把握した． 第3章では，第2章で定義した通信管路の修復限界を確保することで，効果的に地下管 路の耐震対策を行う方法について具体例を示した．新潟県中越沖地震において被災した 地下管路の損傷事例について，現場検証および数値解析による被害再現を行い，地震時

の地盤ひずみによる継手の損傷および盛土の崩壊に伴う継手の損傷について，離脱量や 屈曲角の定量把握を行った．また，管内面に自立型ライニング管を形成する二重管構造 でケーブルを防護する工法について，通信管路の修復限界の考え方に基づいて耐震性能 評価を行った．二重管構造の解析は，1)損傷した地下管路（外管）とライニング管（内 管）の拘束力特性を実験により把握し，2)地震による外管の変形を応答変位法解析によ り求め，3)その外管の変形を内管へ作用する外力と捉え内管の応答解析を行うことによ り，内管の挙動および収容されたケーブルに作用する外力の把握を可能とした．二重管 構造の解析手法を用いて，老朽化した金属管路の地震動による継手離脱量および屈曲角 の最大値をシミュレーションにより推定し，ライニング管に収容された光ファイバケー ブルに作用する外力は修復限界範囲内に抑制できることが確認できた．以上により，通 信管路の老朽化対策に適用されている自立型ライニング工法を用いることにより，既設 管路を効率的に耐震補強できることが確認できた． 第4章では，橋梁に添架された管路の耐震対策について，修復限界を確保するための工 法を検討した．橋梁添架管路の中でも，特に大変形や屈曲が懸念される免震橋梁に添架 されたケースの検討を行った．まず，通信管路が添架された既設免震橋梁の調査を行い， 地震時変位量の最大値が見込まれる橋梁について，地震応答解析によりレベル2地震時に 作用する水平変位量を解析し，耐震対策工法の目標値とした．次に，既存の橋梁添架管 路設備が免震橋に添架された場合，どの程度の変位まで追随することが可能であるかを 確認し，既存橋梁添架管路の適用領域について整理した．また，既存仕様の管路では通 信サービスが確保できない領域について，可とう管などの市販の管材を利用した経済的 な添架管耐震対策案について検討を行い，繰り返し変形試験や実地震波による振動実験 を実施して，対策案の性能評価を行った．対策案は，2章で提案した管路の修復限界を満 足しており，大掛かりな耐震対策がなくとも合理的に通信途絶を回避できることが確認 できた． 第5章では，本研究の結論として，修復限界確保を目標とする耐震対策を推進すること により，通信途絶被害や地震直後の混乱期での応急復旧を最小限に抑え，安定期になっ てから損傷した管路を計画的に現行規格管に更新する合理的な耐震補強が可能であるこ とを取りまとめた．

Communications Conduits Earthquake-proofing with

Cable-protection Features

Abstract

Communications conduits contribute to more-efficient operation and maintenance of underground cables, but must also provide protection for the cables within the conduit when earthquakes occur. Conventional communications conduits were installed based on the understanding that they would not be damaged in level 1 earthquakes, but damage from level 2 earthquakes was unavoidable. Thus, transit networks were generally installed over two routes and emergency operations to ensure line recovery during emergencies involved duplicate construction. However, in a recent large earthquake, all redundant routes were cut due to conduit damage. This created wide areas in the mountains and other regions, that were isolated in terms of information, and this was an obstacle for rescue work and various recovery activities. Accordingly, there is now societal demand to improve the reliability of communications conduits.

Conventional conduit earthquake-proofing involved construction techniques developed after the 1964 Niigata earthquake, focusing on measures to handle ground liquefaction. After the Great Hanshin-Awaji (Kobe) earthquake in particular, the Society of Civil Engineers defined level 2 earthquake motion, evaluated conduit earthquake-proofing performance and developed preventative construction methods based on new standards. However, the new earthquake-proof construction methods require excavation of roadways to replace conduits with earthquake-proof conduits, so the cost is prohibitive. As a result, use of the new earthquake-proofing methods to repair existing conduits and enhance earthquake resistance has been limited.

On the other hand, deterioration of the large amount of conduit facilities built during the period of rapid economic expansion (1950’s, 1960’s) is becoming an issue. Maintenance of this aging conduit must be managed effectively. Thus, the reliability of overall communications services can be increased effectively by planning to reinforce this existing conduit at the same time as other necessary maintenance is done.

Conventional earthquake-proofing techniques for communications conduits involved increasing their elasticity and flexibility to prevent damage to the conduit itself. A performance objective was to ensure that cables within the conduit would not be subject to external forces except when being installed. However, for external forces caused by rare events such as large earthquakes, communication services can be preserved while avoiding excessive earthquake proofing by permitting some damage to the conduit and setting a performance targets that limit it to within the range of deformation permissible for the cable in the conduit.

The objective of this paper is to define a level of earthquake damage to conduit such that communications services are not affected, as the limit for repair work such that services can be maintained in the short term even if long-term reliability is not preserved. A rational method of earthquake-proofing is proposed, with a level of protection that aims to allow conduit repair to be done relatively easily after an earthquake.

Chapter 1, the introduction, gives an overview of conventional communication conduit earthquake proofing techniques, giving background and summarizing issues with them, and describing the objectives and structure of this paper.

Chapter 2 defines the limits for repair of communications conduits when earthquakes occur. The mechanisms obstructing transmission in optical fiber cables are clarified by experimentally reproducing cases of the conduit damage that occurred during the Chuetsu Earthquake in Niigata Prefecture. Transmission losses due to stretching and bending acting on optical fiber cable are checked, quantifying the limits for external forces acting on optical fiber cables during an earthquake. The limits for repair of communications conduits can be summarized as follows: 1) If there is a connection point in a manhole and the optical fiber cable has not been placed under tension, 2) If there is no connection point in a manhole, the optical fiber cable has not been subject to tension exceeding frictional tension, and has not been subject to bending exceeding 60°, 3) For locations where there were separations underground, where there has not been sudden lateral pressure on the optical fiber cable, and the inner surface of the conduit remains smooth.

A procedure for studying techniques that will reduce deformation of conduits during an earthquake to a level that will not affect communications services, based on the idea of repair limits is proposed: 1) First, analyze examples of communications conduit damage due to disaster to understand circumstances of the damage, then 2) reproduce the behavior of the conduit using numerical analysis of the conditions and experimental reproduction of the disaster and quantify the maximum values for relative displacement and displacement angle for the damage, 3) decide on techniques to reduce the external forces acting on the cable and check their effectiveness through analysis and reproduction experiments, and 4) set performance design standards for reinforcing conduits so that damage will not exceed the repair limits.

Chapter 3 summarizes a procedure for studying underground conduit earthquake-proofing measures that guarantee the repair limits for optical fiber cable, giving concrete examples. The damage for cases of underground conduit damage occurring in the Chuetsu Earthquake in Niigata Prefecture are reproduced through on-site verification and numerical analysis. Then, the performance of a process that reinforces the lining on the inner surface of the conduit is evaluated, based on the idea of repair limits for optical fiber cable. Experiments are conducted to

understand the binding characteristics between the damaged underground conduit (outer conduit) and the lining (inner conduit). The external forces acting on the inner conduit due to deformation of the outer conduit during an earthquake are analyzed numerically. A procedure is devised for understanding the external forces acting on the optical fiber cable by the inner conduit housing it, through numerical analysis. This numerical analysis of the lining is used to understand the amount of deformation due to an earthquake, in deteriorated, ordinary metal conduit couplings. This confirms that our method of reinforcing the lining will be effective as an earthquake-proofing measure for conduit.

Chapter 4 studies earthquake-proofing measures for conduit crossing bridges. Base-isolated bridges that can deform greatly during an earthquake are analyzed. The maximum displacements for communications conduits attached to members of existing base-isolated bridges are surveyed. Objectives for earthquake-proofing measures are set from the results, which allow for deformation of 60 cm in the bridge axial direction, and 40 cm in the direction perpendicular to the bridge axis.

The level of displacement conventional conduit attached to bridge members can bear is first checked. Then, rational earthquake proofing measures are developed, using flexible conduit and other materials that are on the market, for areas that cannot guarantee communications services using conventional conduit. The performance of these methods is evaluated using vibration tests with actual seismic waves. The earthquake-proofing method is able to maintain communications services for a short period of time after the earthquake, confirming that although it is not a countermeasure for a large-scale earthquake, it can provide a reasonable guarantee for communications.

Chapter 5, the conclusion, summarizes the approach of designing earthquake-proofing using limits of repair. Such design methods can minimize communication-interrupting damage and emergency restoration during the time of confusion immediately after an earthquake. Systematic repair of damaged conduit can then be done once the situation has stabilized.

第１章　序論

1.1　はじめに 1 1.2　研究の背景 1 (1) 通信管路設備の概要と老朽化 3 (2) 既往の耐震対策技術 4 1.3　論文の目的 6 1.4　論文の構成 7 1.5　参考文献 9

第２章　光ファイバケーブルの地震時限界状態の把握

2.1　はじめに 10 2.2　通信サービスに影響する管路の変形モード 10 (1) 管路被害の分析 10 (2) 管路変形解析の現状 12 (3) 地震時に懸念される管路の変形モード 13 2.3　光ファイバケーブルの概要 15 2.4　光ファイバケーブルの被害再現実験 17 (1) 接続点がある場合の被害再現実験 19 (2) 接続点がない場合の被害再現実験 21 (3) 継手損傷箇所の被害再現実験 22 2.5　光ファイバケーブル限界状態把握試験 24 (1) 光ファイバケーブル引張実験 24 (2) 光ファイバケーブル曲げ実験 27 2.6　既設管路の修復限界を考慮した耐震対策検討手順 31 2.7　マンホール内でのケーブル被害対策例 32 2.8　まとめ 33 2.9　参考文献 34

目　次

第３章　地下管路の耐震対策

3.1　はじめに 36 3.2　通信管路のライニング補強管の耐震性評価技術 37 (1) 通信管路のライニング補強技術の概要 37 (2) ライニング補強管の耐震性評価手法 37 (3) 応答変位解析に使用したSA管及びライニング管の特性値 39 3.3　管軸方向の地盤ひずみによるケーブル被害の対策 43 (1) 被害事例の分析 43 (2) 管路損傷状況の定量化 45 a) 被災事例のSA管解析 45 b) 一般的なSA管モデルによる解析 46 c) SA管継手の被災再現実験 48 (3) ケーブル防護対策の評価 50 a) 被災事例のライニング管解析 50 b) 一般的なSA管モデルによるライニング管の解析 51 c) ライニング補強管の被災再現実験 52 (4) 管路耐震対策の策定 54 3.4　管軸直角方向の地盤変位によるケーブル被害の対策 56 (1) 被害事例の分析 56 (2) 管路損傷状況の定量化 56 a) 被災事例のSA管解析 56 b) 一般的なSA管モデルによる解析 58 c) SA管継手の被災再現実験 59 (3) ケーブル防護対策の評価 61 a) 被災事例のライニング管解析 61 b) 一般的なSA管モデルによるライニング管の解析 62 c) ライニング補強管の被災再現実験 64 (4) 管路耐震対策の策定 66 3.5　ま対策工法の効果と新技術への活用について 66 3.6　まとめ 68 3.7　参考文献 70

第４章　橋梁添架管路の耐震対策

4.1　はじめに 71 4.2　通信管路橋梁添架設備の概要 71 4.3　免震橋梁添架管路の被害状況の分析 73 (1) 免震橋梁の実態調査 73 (2) 実地震での被害事例 74 4.4　橋梁添架管路の地震時損傷状況の定量化 77 (1) 免震橋梁の動的解析 77 a) 検討対象の橋梁諸元 77 b) モデル化の基本方針 77 c) 入力地震波 80 d) 解析結果 81 (2) 既存の橋梁添架管路の管軸方向変形試験 82 (3) 既存の橋梁添架管路の管軸直角方向変形試験 85 (4) 既存の橋梁添架管路の変形解析 87 4.5　対策案の検討と光ファイバケーブル防護対策の評価 90 (1) 対策案の検討 90 (2) 繰返し変形試験による耐力確認試験 92 (3) 実地震動による性能評価試験 96 4.6　管路耐震対策の策定 100 4.7　まとめ 102 4.8　参考文献 103

第５章　結論

105

第１章 序論

1.1 はじめに

電気通信システムは国内あるいは国境を越えて張り巡らされた通信ケーブルによって 構成され，さまざまなサービスが提供されている．電話のみならずコンピュータ通信も 通信ケーブルで送られる信号が基本となっており，携帯電話においても基地局から先は ケーブル通信となっている．日本では通信ケーブルは管路設備に収容することが基本と され，電気通信事業者の敷設する管路あるいは電線共同溝などの基盤設備が整備されて いる．これらの管路設備には平常時のみならず地震などの災害時にも収容ケーブルを防 護する機能が望まれている．最近では高速大容量の通信が可能な光ファイバケーブルが 主流になっている．作業性や経済性の点からケーブルの多芯化・軽量化が進んでおり， 管路の果たす防護機能の確実性が求められるようになってきている． 日本における管路設備は日本電信電話公社により整備されてきた．欧米諸国よりも遅 れていた日本に電話網を早急に建設するために建設投資が行われ，特に 1970 年代から 80 年代にかけて大量の管路設備が建設された 1)．電線共同溝の整備はやや遅れて 1995 年の電線共同法制定後推進され，現在では，道路整備にあわせて計画的に工事が進めら れている 2) ．これらの管路設備は所定の耐震機能を見込んで設計されているが，過去の 大地震を教訓に耐震規定の見直しが行われてきたことにより，旧仕様の管路は耐震性能 が低くなっており，さらに，材料の老朽劣化の影響により機能低下が懸念される状態に ある3)_． 通信管路に求められる耐震性能は，これまでレベル1地震時は使用限界を確保するが， レベル2地震時の損傷は止むを得ないとの考えに基づいて設定されてきた4)_{．このため，} 中継ケーブルは原則として2ルート化され，非常時の復旧回線を確保するための緊急オペ レーション方法が複数構築されている．しかし，近年発生した大地震では，設備の損傷 により冗長化されたルートが全て切断され，山間部等で広範囲にわたり情報孤立エリア が生じ，救急活動をはじめ様々な復旧活動の障害となったことから，通信設備の信頼性 向上は社会的な要請となっている5)_{．本研究では，既存の通信管路を有効に活用しなが} ら，大地震時に通信サービスが途絶しないよう合理的な耐震対策を施す方法について提 案を行う．

1.2 研究の背景

図-1.1に示すとおり，屋外の通信基盤設備には，架空ケーブルや電柱などの線路設備 と通信ケーブルを支持，防護する土木設備がある．通信地下ケーブルは，管路設備ある いは通信用トンネル設備（以下とう道設備）に収容され，平常時には自重以外の外力が 作用しないように防護されている．また架空ケーブルは，電柱によって支持され，地震 力や風力のほか，地震などによって倒壊した家屋の影響や，火災の影響を受ける構造と

図-1.1 屋外通信設備の構成 表-1.1 これまでの通信設備の耐震要求性能 表-1.2 今後求められる通信設備の耐震要求性能 なっている．とりわけ地下通信ケーブルは大容量の通信サービスを支えている設備であ り，地震時にも安定して通信できることが望まれる． 通信土木設備は，地下に敷設するケーブルを効率的に運用・保守するだけでなく，地 震時にはケーブルに作用する外力を低減する性能が求められる．これまでの地震の教訓 によれば，管路設備の一部には被害があり，収容ケーブルの損傷あるいは過度の変形が 生じることが分かっている．また，大都市では，ケーブル収容のための通信用トンネル 設備が構築され，信頼性向上が図られている．しかしながら，大半の地下ケーブルは67 万kmに及ぶ既存の管路設備に収容されており，既存の管路設備の耐震性能を効率よく向 上させることで通信の信頼性を確保する必要がある． これまでの，通信設備の耐震要求性能は，表-1.1に示すとおり震度階別に通信確保の

図-1.2 通信管路設備の概要 指針と耐震対策レベルが設定されており，震度5では全く損傷はしないが，震度6を超え ると軽微な損傷を許容し，震度7を超えると随所で損傷が生じることを許容することが性 能目標とされてきた．しかしながら最近の，通信の信頼性に対する要求は，レベル2地震 に対しても，通信途絶は回避することが求められていることから，性能規定を使用限界 と修復限界の2段階とし，特に，修復限界についてはレベル2地震動に対して，通信管路 設備は多少損傷しても，重要ケーブルは防護することと規定することで，合理的な耐震 対策の策定を可能とすることとしている．

(1) 通信管路設備の概要と老朽化の現状

図-1.2に通信管路設備の概要6)を示している．管路設備は矩形のマンホールで接続され ており，管路とマンホールの接合部は1981年以降にダクトスリーブを導入したことで伸 縮性および可とう性の向上を図り，地震時の振動や地盤変位を吸収する構造としている． それ以前の設備についてはモルタルによる固定方式を採用していたことから，地震時に は突き出しや引き抜きなどの被災事例が報告されている．管路自体の材質は主に鋼管お よび硬質ビニル管を使用している．管路の内径はφ80mmを基本としており，収容され る地下ケーブルも，管路設備に敷設することを前提として設計が行われている．継手構 造は，1985年に地震時の震動や地盤変位に対して柔軟性のある差込継手を導入している が，全管路67万kmの内，差込継手の割合は15%程度であり，それ以前のネジ継手を中心 とする耐震性の乏しい旧仕様設備が大半を占めているのが現状である1)_． また，建設年度別の管路建設量を図-1.3に示すが，1960年代中盤から1980年代中盤に かけて管路が急速な勢いで建設された．現状のまま推移すると，20年後には管路の約8 割が建設後50年以上となり，急激な高齢化の域に達する．管路の約半数を占める金属管 は錆や腐食が進行し，ケーブル敷設に支障をきたすだけではなく，管材の老朽劣化によ る強度低下による通信への影響や地盤沈下等の2次災害も懸念される．老朽化に対処する には，設備を計画的に更改することが理想であるが，地下に埋設されている大量の管路 設備を更改することは，多大なコストと時間がかかり現実的ではない．また，道路を掘 り返すことは周辺環境への影響や道路渋滞の発生など地域への迷惑となることから極力

図-1.3 管路の建設年と設備量 避ける必要がある．このため，管路設備を新たなものに更改せずに古い設備を更生する ことで，永続的に既存設備を有効活用しながら，耐震性などの必要強度を確保し，合理 的に維持管理していくことが緊急の課題である．

(2) 既往の耐震対策技術

東日本大震災では，通信設備もかつて経験したことのない大規模な被害を受け，広域 にわたるサービスの中断を余儀なくされた．津波により通信建物や屋外の伝送路は甚大 な被害を受けたことから，本格復旧に向け，津波被災エリアの通信ビルは高台への移設 や水防対策の強化により信頼性を向上し，中継伝送路も内陸ルートの新設およびループ 網の細分化により，更なるバックアップ体制の強化を図ることとしている．その中，地 下に埋設された通信土木設備は，これまでの既往地震による被害を教訓として，継手構 造の耐震化などに取り組んできたことにより，電柱などの地上設備と比較して被害が少 なく，早期復旧にも貢献したことから，その信頼性が改めて見直されている．本格復旧 に向けて既設管路を有効に活用しながら伝送路の地下化を推進することにより，更なる 信頼性向上を図る計画である1)_． 図-1.4に既往の通信土木設備の耐震対策を示す7)_{．1964年の新潟地震以降，地盤の液状} 化による耐震対策を重要視して耐震対策の開発が進められた．管路設備の耐震対策は， 管路とマンホールの接続部や継手部を差込み構造とすることで，伸縮性および可とう性 を持つ構造に改良された．さらに液状化が懸念される地域では，金属管と離脱防止継手 を使用することで耐震性の向上を図り，その後の大地震に対しても効果を発揮してきた （図-1.4①～③）．また阪神・淡路大震災以降，レベル2地震動が土木学会で定義された ことから，新たな基準により通信土木設備の耐震性能評価および対策を行った．とう道 設備やお客様ビルの接続部は，フレキシブルジョイントを設置することで，レベル2地震 時にも甚大な被害が生じない構造とした（図-1.4④～⑥）． しかし，これら耐震設備の適用は，道路を掘削して新たな耐震設備に取り替える必要

図-1.4 既往の通信土木設備の耐震対策 があることから新設時の適用に止まり，耐震補強を目的とした既存設備の更改までは行 われていないのが実情である． 耐震性能を具備した現行規格の管路設備は，その後の大地震においても，その機能が 有効に発揮され，大地震時に通信サービスを保護することが検証されてきた．しかし， 設備の大半を占める旧仕様管路設備の耐震性能が十分に保障できない現状から，中継網 の冗長化と震災後の早期復旧を中心として防災対策は構成されており，老朽化が進む既 存設備を効率的に耐震化することで，通信サービス全体の信頼性向上を図る必要性が求 められている． なお，上下水道等の流体を搬送する管路の耐震補強に関する研究は，国内をはじめ海 外でも研究が進められているが，通信のケーブルなどの管路内収容物を防護することを

目的とした耐震補強に関する研究は，これまであまり検討されてこなかった．過去の地 震の経験では，管路が被害を受けても地盤に大きな変形が生じなければケーブル被害に は至らないと認識されていることから，本研究では，ケーブル防護機能の観点から効率 的な管路の耐震対策について検討を行うこととした．

1.3 本論文の目的

最近の地震被害の調査結果によると，壊滅的な管路設備の被害はないものの，設置環 境の良くない条件下にある旧仕様の管路において，収容ケーブルが被害を受けるケース が報告されている．新潟県中越地震 8)_{，新潟県中越沖地震} 9)_{，東日本大震災} 10)_の調査結 果では，大規模な道路崩壊箇所や津波被害を除くと，被害の殆どは，盛土の沈下や軟弱 地盤・液状化による地盤変状に旧仕様管路の継手が追随できずに折損や離脱を生じたケ ース，橋梁に添架された旧仕様の管路が地震時の橋梁の振動に追従できずに損傷するケ ースである．このように，地震によるケーブル障害は，特定の設置環境・設備環境で起 こりやすいことが分かってきており，管路の損傷で通信ケーブルにどの程度の外力が作 用し，通信サービスにどの程度の影響がでるかを明確にすることで，対策工法の選択肢 が増えることになる． 管路のこれまでの耐震対策は，地震時の外力に対し伸縮性や可とう性を具備すること で管路自体の損傷を防止し，収容するケーブルには敷設時以外は外力を作用させないこ とを目的に開発を行ってきた．しかしながら，大地震のように稀に発生する外力に対し ては，ある程度のケーブルの変形を許容し，通信サービスに直接影響はしない範囲で， 災害後に比較的容易に修復可能なレベルの確保を管路設備の耐震目標とすることで，合 理的な耐震対策の検討が可能となる． 筆者らはこれまで，地震時の地下管路損傷に伴う通信サービスへの影響について，被 災再現実験やケーブル変形試験により光ファイバケーブルの変形限界を把握し，光ファ イバケーブルに作用する外力を限界範囲内に低減することを目的とする耐震対策を提案 してきた． 光ファイバケーブルの限界状態の把握では，既往の地震において通信管路設備に収容 されたケーブルが被災した状況の再現実験などにより，光ファイバケーブルの被災メカ ニズムの把握を行った．メタルケーブルが中心であった阪神淡路大震災と光ファイバケ ーブルに主体が移行した新潟県中越地震や東日本大震災での被害の特徴の違いから，光 ファイバケーブルに特有の張力が作用することで，通信サービスに障害が生じる損傷に ついて検討を行った．まず，新潟県中越地震の損傷事例を実験により再現することで， 光ファイバケーブルに張力が作用し，ケーブル断線や伝送障害が生じるメカニズムを把 握した11)_． 次に，様々な形態で地下に敷設されている光ファイバケーブルの限界状態について定 量化を行った．光ファイバケーブルに作用する引張および曲げに対する伝送損失量を実 験で確認することで，地震時に光ファイバケーブルに作用する外力の限界状態を把握し た12)_{．以上の結果から，地震時の光ファイバケーブルに作用する外力を，通信サービス}

に影響を与えないレベル，あるいは，長期信頼性は保てないが短期的にサービスを維持 できるレベルを修復限界と定義し，修復限界を確保するための，通信管路設備の耐震対 策の検討手順を整理した． これらより定義した既設管路の修復限界の考え方に基づく耐震対策の検討手順を活用 し，具体的に開発を行った事例として，地下管路の耐震対策と橋梁添架管路の耐震対策 について整理した． 地下管路の耐震対策は，新潟県中越沖地震において被災した地下管路の損傷事例につ いて，現場検証および解析による被害再現を行い，地震動に伴う地盤ひずみによる継手 の損傷および盛土の崩壊による継手の損傷について，離脱量や屈曲角を定量的に把握し た．また，管内面に自立タイプのライニングを施すことでケーブルを防護する方法につ いて，管とライニング管の摩擦特性実験および数値解析により耐震性評価を行った．さ らに，老朽化した一般的な金属管路について，地震動による継手離脱量および屈曲角を 数値解析により定量評価し，ライニングを施した場合のケーブル防護効果が有効に機能 することを確認した13)～15)_． 橋梁添架管路の耐震対策については，橋梁添架管路の中でも，特に大変形や屈曲が懸 念される免震橋梁に添架されたケースについて耐震対策の検討を実施した．通信管路設 備が添架された既設免震橋梁の中で，地震時変位の最も大きな新荒川大橋をモデルとし て，地震応答解析によりレベル 2 地震時の添架管路に作用する水平変位量を解析した結 果，橋軸方向に 60cm，橋軸直角方向に 40cm 程度の変位が添架管に生じることから，対 策検討の目標値とした．まず，既存の橋梁添架管路設備が免震橋に添架された場合，ど の程度の変位まで追随することが可能であるかを確認し，既存橋梁添架管路の適用領域 について整理した．次に，既存仕様の橋梁添架管路では地震時に損傷してしまい，通信 サービスが確保できなくなる領域について，可とう管などの市販の管材を利用した合理 的な添架管耐震対策案の検討を行い，繰り返し変形試験や実地震波による振動実験を実 施して，対策案の性能評価を行った．対策案は，長期信頼性は保てないが，震災後の短 期間は通信サービスを維持することが可能であり，大掛かりな耐震対策がなくとも，合 理的に通信の信頼性が確保できることが確認できた16)，17)_． 本論文の目的は，上記で述べたように筆者がこれまでに検討を行った光ファイバケー ブル防護機能を考慮した既存の通信管路設備の耐震対策について，性能設計の観点から 整理を行い，「通信サービスに影響を与えないレベル，あるいは，長期信頼性は保てない が短期的にサービスを維持できるレベル」を修復限界と定義して，既存管路の耐震対策 の検討を行うことで，効率的な耐震補強を行うことが可能であることを提案するもので ある．

1.4 本論文の構成

第 1 章では，序論として通信土木設備および通信管路設備の概要と規格の変遷と老朽 化の進展について整理した．また，通信管路設備の既往の耐震対策技術や阪神淡路大震 災以降に導入した技術について記述するとともに，それら耐震対策の問題点と対策の適

用が進まない状況について整理し，本論文の目的を記述した． 第 2 章では，既往の地震において通信管路設備に収容されたケーブルが被災した状況 の再現等により，既設管路の修復限界について定義した．さらに，修復限界の考え方に 基づいて，地震時の管路の変形を通信サービスに影響を与えないレベルに低減すること で合理的な対策技術として規格化する手順を提案した． 第 3 章では，第 2 章で定義した既設管路の修復限界を確保するための地下管路の耐震 対策について，具体例を示し検討手順を整理した．まず，実地震による被害状況につい て，現地調査および数値解析により再現を行い，損傷箇所の離脱量や屈曲角について定 量化を行った．また，管内面にライニング管を形成することでケーブルを防護する工法 について，管とライニング管の拘束力特性実験や数値解析により地震時の挙動把握を行 った．以上より，老朽化した一般的な金属管路に，ライニング工法を適用することで， 収容された光ファイバケーブルが有効に防護できることを確認した． 第 4 章では，橋梁に添架された管路の耐震対策を検討した．橋梁添架管路の中でも， 特に大変形や屈曲が懸念される免震橋梁に添架されたケースについて，まず，既存の橋 梁添架管路設備が免震橋に添架された場合の適用領域について整理した．次に，既存仕 様の橋梁添架管路では地震時に損傷してしまい通信サービスが確保できなくなる領域に ついて，可とう管などの市販の管材を利用した合理的な添架管耐震対策案について性能 評価を行った．対策案は，長期信頼性は保てないが，震災後の短期間は通信サービスを 維持することが可能であり，大掛かりな耐震対策がなくとも，合理的に通信の信頼性が 確保できることが確認できた． 第5章では，結論として，1)管路設備が地震外力により損傷した状態を想定して，収容 した地下ケーブルに外力を与え，ケーブルの変形と通信サービスへの影響を計測して， ケーブルの限界状態を明確にしたこと，2)その結果から通信管路に求める耐震性能の目 標値として，使用限界は「レベル1地震時において，管路は損傷せずに収容ケーブルへ外 力が作用しない状態が維持されること」，また，修復限界は「レベル2地震時において， 管路設備が地震外力により破損した場合でも，ある程度のケーブルの変形を許容し，通 信サービスに影響を与えない水準あるいは長期信頼性は保てないが短期的にサービスを 維持できる水準に損傷部の相対変位や相対角度を抑えること」と定義することで合理的 な耐震対策の検討が可能であること，3)地下管路の耐震対策として，管内自立するタイ プのライニングを施すことで修復限界を確保することが可能であること，4)免震橋梁に 添架された管路の耐震対策として，市販の管材を利用し可とう管および伸縮性を向上さ せることで既設管路の修復限界を確保できること，の4点について取りまとめたことを記 述する． 本研究で提案した対策方針で修復限界を確保することにより，通信途絶被害や地震直 後の混乱期での応急復旧を最小限に抑え，安定期になってから損傷した管路を計画的に 現行規格管に更新することが可能となり，効率的な耐震補強が可能となる．

1.5 参考文献

1) 杉野文秀：安全・安心なアクセスネットワークを支える基盤備技術のR&D動向，NTT 技術ジャーナル，No-2，pp46-50，2013. 2) 土木学会：都市ライフラインハンドブック，第Ⅰ編ライフラインサービスの概要7章 共同溝，pp217-241，2010 3) 山崎泰司，馬場進，田中宏司，岡澤毅，岸本敏明：地下通信設備の耐震性評価技術， NTT技術ジャーナル，No-10，pp52-55，2007. 4) 藤橋一彦，奥津大，小松宏至：レベル2地震動に対する地下基盤設備の耐震性評価と その対策技術，NTT技術ジャーナル，No.10，pp.58-61，2002. 5) 東日本電信電話株式会社：東日本大震災における復旧活動の奇跡，pp.7-30，2011. 6) 土木学会：都市ライフラインハンドブック，第Ⅱ編ライフライン施設の建設技術6章 情報通信，pp323-353，2010. 7) 上原秀幹，馬場進，田中宏司，出口大志：安全・安心なネットワークに寄与する防 災セキュリティ技術，NTT技術ジャーナル，No-3，pp55-59，2006. 8) 田中宏司，鈴木崇伸：新潟県中越地震の電話施設の被害分析，第12回地震工学会シ ンポジウム，0351，2006. 9) 土木学会：都市ライフラインハンドブック，第Ⅳ編ライフラインの防災技術6章情報 通信，pp759-786，2010. 10) 山崎泰司，瀬川信博，石田直之，鈴木崇伸：東日本大震災における電気通信土木設 備の被害状況に関する考察，日本地震工学会論文集，第12巻第5号(特集号)，pp55-68， 2012.

11) Tanaka K., Suzuki T., Yamazaki Y., Kishimoto T. and Iwata K. : Experiment on Seismic Disaster Characteristics of Underground Cable, 14thWCEE, 06-0069, 2008.

12) 田中宏司，鈴木崇伸，山崎泰司：通信用地下ケーブルの耐震性能に関する実験的研 究，土木学会論文集A1（構造・地震工学）Vol.65，No.1，pp.727-736，2009.

13) 岡澤毅，田中宏司，岸本敏明，西野龍太郎：通信用管路のライニング補修による耐 震機能の検討，ISTT NO-DIG Moscow，2008.

14) 岡澤毅，田中宏司，岸本敏明：通信用鋳鉄管路の耐震性能検証，土木学会年次学術 講演会，1-334，pp.665-666，2008. 15) 田中宏司，奥津大，山崎泰司，片桐信，鈴木崇伸，杉山俊幸：ライニング補強した通 信管路の地震時ケーブル防護効果評価方法，土木学会論文集A1（構造・地震工学） Vol.68，No.4，pp.959-968，2012. 16) 馬場進，鈴木崇伸，森敦，田中宏司，通信専用橋の耐震性能評価方法，土木学会構造 工学論文集Vol.54A，pp.305-314，2008. 17) 田中宏司，鈴木崇伸，岩田克司，山崎泰司：通信管路の免震橋梁への添架方法に関 する研究，土木学会論文集A1（構造・地震工学）Vol.65，No.1，pp.737-747，2009.

第２章 光ファイバケーブルの地震時限界状態の把握

2.1 はじめに

通信管路に求められる耐震性能は，これまでレベル1地震時は使用限界を確保するが， レベル2地震時の損傷は止むを得ないとの考えに基づいて設定されてきた1)_{．このため，} 中継ケーブルは原則として2ルート化され，非常時の復旧回線を確保するための緊急オペ レーション方法が複数構築されている．しかし，近年発生した大地震では，設備の損傷 により冗長化されたルートが全て切断され，山間部等で広範囲にわたり情報孤立エリア が生じ，救急活動をはじめ様々な復旧活動の障害となったことから，通信設備の信頼性 向上は社会的な要請となっている2)_． したがって，本章では通信管路に求める耐震性能目標を，レベル2地震時において管路 の被害は防止できない場合でも収容ケーブルの変形性能や強度を利用して通信サービス が途絶しない限界領域内に留める状態（修復限界）を確保することとし，光ファイバケ ーブルの変形に関する限界状態の把握を行った．まず，既往の地震による管路の損傷状 況の分析および通信サービスに影響が生じる光ファイバケーブルの変形モードの整理を 実施した．つぎに，既往地震による光ファイバケーブル被害の再現を実験的に再現する ことで，光ファイバケーブル特有の通信障害について，原因把握を行った．最後に，管 路設備が地震外力により損傷した状態を想定して，管内に収容した光ファイバケーブル に外力を与え，ケーブルの変形と通信サービスへの影響を計測して，光ファイバケーブ ルの限界変形状態の明確化を行った．光ファイバケーブル自体も剛性や強度を持つが， 管路に比べるとはるかに小さいため，管路の損傷が防止できない場合には，光ファイバ ケーブルの変形を修復限界内に抑え，光ファイバケーブルの変形性能や強度を利用して 通信サービスを継続する耐震対策が考えられる．光ファイバケーブルの特性を考慮した 使用限界，修復限界を明確にすることにより，合理的な耐震対策の検討が可能となる．

2.2 通信サービスに影響する管路の変形モード

(1) 管路被害の分析

阪神淡路大震災以前の通信地下ケーブルの地震による被災は，地震動による地盤のひ ずみによりマンホール内に管路が突き出すことでケーブルに屈曲が生じたり，離脱した 管端部にケーブルがぶつかることでケーブル外被が損傷を受けるケース（図-2.1(a)），地 盤急変部や他企業埋設物と交差する区間での地盤沈下などにより管路継手部が損傷し， ケーブルに急激な側圧やせん断力が作用することにより生じるケースが多く報告されて いる（図-2.1(b)）3)_{．このような被災を防止するため，管路の継手部及びマンホールとの} 接続部を可動構造とすることで，耐震性能の向上を図ってきた4)_．

(a) 地震動による地盤のひずみによる管路被害

(b) 地盤の不等沈下による管路被害

(c) 盛土崩壊による管路被害

写真-2.1 盛土崩壊による管路被害（新潟県中越沖地震） これに対し，通信ケーブルの光化が進んだ2004年の新潟県中越地震や2007年の新潟県 中越沖地震では，管路の折損離脱箇所だけではなく，盛土の崩壊や地盤沈下等によりマ ンホール内ダクトへケーブルが引き込まれ，ケーブルに引張力が生じることでマンホー ル内のケーブル固定位置で伝送損失増加やケーブルの切断が生じる被災事例が報告され た5)_{（図-2.1(c)）．また，過去の地震被災では，橋梁に添架した管路の被災率が高いこと} が報告されている6)_{．旧仕様の管路や継手が橋梁自体の移動量に追随できなかったこと} が被災要因であり，現行規格では，伸縮性・可とう性を具備した伸縮継手を設置するこ とで被災はほぼ生じていない．東日本大震災の橋梁被害では，広域で道路橋の橋台背面 における盛土沈下による段差部でのケーブル被災が目立ったため対策検討を継続中であ る7),8)_．

(2) 管路変形解析の現状

管路の耐震性能評価解析は，弾性床上の梁理論に基づく地中管路の地震応答変位法に より被災状況が分析されてきた．高田らの研究により，通信や電力のようにケーブルを 収容することを目的に多条多段敷設する管路の耐震性評価方法 9)_{や地盤の不等沈下時の} 管路の挙動が検討されており10)_{，実際の被害分析や実規模に近いモデル実験を通じて数} 値解析の結果が検証され，高い精度で地下管路の耐震性評価が可能となっている． 通信管路の被災分析も，航空測量による既往地震前後の地盤ひずみと管路被害の関係 の分析11)_{，モデル実験による地盤ばね特性と管路挙動の把握}12)_{，実地震による被災状況} と解析シミュレーションとの照査等により分析されており13)_{，土質・管路種別・管路線} 形・地盤変位に影響する周辺埋設環境等が把握できれば，継手部の相対変位や相対角と いった被災状況が概ね把握可能となりつつある．そこで，管路の被災状況をシミュレー ションすることでケーブルに作用する外力を推定し，通信サービスへの影響を修復限界 領域内に留めることで合理的な耐震対策を策定する方法を検討した．

表-2.1 阪神淡路大震災，新潟県中越地震，東日本大震災の被害状況比較

(3) 地震時に懸念される光ファイバケーブル変形モード

これまで地震時のケーブル被害は，図-2.1(a),(b)に示すようにケーブルに急激なせん断 や側圧が作用することで，ケーブル断面の偏平や心線自体の断線が生じるケースが多く 報告されてきた．これに加え近年の光ケーブルの被災例では，図-2.1(c)に示すように 管路のたわみや継手の離脱によりケーブルに張力や曲げが作用することで，ケーブル外 被の損傷等外観上何も問題がなくとも長区間にわたり伝送障害が生じた例が多く報告さ れている14),15)_． 一方，写真-2.1の事例は，盛土法面の崩壊により，継手が側方に2m程度離脱し，収容 ケーブルに張力や曲げが作用したが，伝送障害は生じなかった．このように，継手離脱 等でケーブルに張力が作用しても通信サービスへの影響が生じない事例も多く報告され ている．このことから，通信管路の耐震対策を検討するにあたっては，地下ケーブル自 体の限界状態を明確にし，収容物であるケーブルに作用する張力や曲げが限界状態を超 えない領域に保護できれば，レベル2地震時に，管路や継手は多少損傷しても，通信サー ビス断にならない状態を維持することが可能となる． 表-2.1に阪神淡路大震災16)_{，新潟県中越地震}5)_{，東日本大震災}2),7)_{の所外電話施設の被} 害状況の比較を示す．阪神淡路大震災以降に光ケーブルへの置き換えが進んでおり，単 純な比較はできないが，メタルと光をあわせて地下ケーブルの被害状況を比較すると， 阪神淡路大震災に比べ，新潟県中越地震や東日本大震災の被害延長は増加する傾向とな っている．被害率でみると阪神淡路大震災に比べ，新潟県中越地震や東日本大震災の被 災率は1桁高い率となっている．ケーブルの防護物である管路・マンホールについても同 表中に数値を示しているが，被害率でみると，管路・マンホールは，新潟県中越地震や 東日本大震災では阪神淡路大震災よりも小さくなっている．光ケーブルへの置き換えが

地盤変状をともなう地震被害を大きくしている可能性も考えられるため，本研究による 光ケーブルの限界状況を把握した上で被害状況の詳細分析を行い，光ケーブル時代に合 致した合理的な耐震対策の検討を行う必要性がある．なお，東日本大震災の地下設備の 被災数及び被災率については，震度階6弱以上かつ計測震度増分0.8以上の通信ビルと液 状化エリアの調査データに基づいている．また，地下ケーブル・架空ケーブル・電柱の 被災数及び被災率は，津波エリアにおける被災状況を示す7)．

図-2.2 光ファイバ心線およびテープ心線の構造 図-2.3 光ファイバケーブルの断面構造

2.3 光ファイバケーブルの概要

地下に敷設される光ケーブルは一般的にスロット構造を採用している．図-2.2に示す ように光ファイバ心線は4心もしくは8心が束ねられたテープ心線に成形された状態で光 ファイバに収容される．光ファイバケーブルは図-2.3に断面構造を示すとおり，テンシ ョンメンバを中心に配置し，その外周をポリエチレン材質で外周に矩形の空隙のあるス ロットと呼ばれる部材を設け，スロットの空隙内にテープ心線を収容する．スロットの 外周をポリエチレン外被で被覆する構造をとっており，写真-2.2に示すとおりテープ心 線は断面内で完全に浮いた状態となっている17)_{．ケーブル敷設時の張力やマンホール内}

写真-2.2 光ファイバケーブルの断面構造写真 表-2.2 光ファイバケーブル仕様一覧 項目 単位 SM100 SM200 SM400 SM1000 標準外径 mm 13.5 17.0 20.0 30.0 スロット数 個 5 10 5 13 テープ数 ﾃｰﾌﾟ 25 50 50 125 単位重量 kg/m 0.17 0.26 0.35 0.77 250m スパン摩擦張力 N 276 423 569 1251 150m スパン摩擦張力 N 166 254 341 751 75m スパン摩擦張力 N 83 127 171 375 図-2.4 接続点のケーブル把持構造イメージ テンションメンバ把持金具 ケーブル把持金具

の接続作業等の通常作業時にケーブルに作用する外力は，テンションメンバおよび被覆 材に作用し，光ファイバ心線自体には作用しにくい構造になっている．テンションメン バは鋼線や鋼撚線で構成され，4kN(100心ケーブル)から8kN（1000心ケーブル）程度の 破断強度を有している．表-2.2に代表的な光ファイバケーブルの仕様一覧を示す．また， 光ファイバ相互の接続は，図-2.4に示すように接続点内のテンションメンバ把持金具に よりテンションメンバを固定し，ケーブル把持金具によりケーブル外被を固定すること で，光心線自体へは直接張力が作用しない構成をとっている． ケーブル敷設時の安全基準は，ケーブルに作用する張力をケーブル毎に規定されてい る基準値以下とし，最小曲率半径を60cm以上に保つように敷設する．また，ケーブル固 定に際しては，マンホール内でケーブル余長を設け，最小曲率半径を30cm以上に保つよ うに固定することとしている．こうした条件は敷設作業時の短期的な加力に対して設定 されている．地震後に速やかに修復する前提で，ケーブルに作用する張力や曲率を短期 的な限界値内に抑えられるならばケーブルの健全性は保てることになる．そこで通信ケ ーブルの使用限界を長期的に通信の信頼性が確保できるレベル，修復限界を短期的に通 信伝送を確保できるレベルと定義して，管路の変形と対応付け，ケーブルの安全性を保 障できる設計体系の検討を行うこととした．

2.4 光ファイバケーブルの被害再現実験

光ファイバ心線は石英ガラスが主材料であり，温度変化・電磁誘導・材料劣化などの 影響を受けにくく，経年劣化に対して安定していることが特徴である．ケーブル敷設後 の故障の主な原因として，地震や道路工事による管路被害・接続点への浸水・コネクタ の接続不良による経年的なゆるみなどがあげられる．本研究では，実験的に地震による 管路被害にともなう張力や曲げなどの外力に対する光ファイバケーブルの損失特性を評 価する． 本項の被災再現実験では，近年の地震被害による光ファイバケーブル被災の特徴であ る，マンホール内ダクトへ光ファイバケーブルが引き込まれ，張力が生じることで伝送 損失増加やケーブルの切断が生じる被災発生のプロセスを実験的に確認した．図-2.5に 示す実験モデルを用いて検証実験を実施した．図左側のケーブル固定位置および管路の ダクト設置位置は標準的なサイズのマンホールを再現しており，通常のケーブル敷設形 態と同様にケーブルもしくは接続点を受金物上へ縛り紐にて固定した．図右側の載荷部 分は，地中の管路折損離脱部を再現し，管路の離脱により地下ケーブルがダクトに引き 込まれる．荷重条件は，管路折損離脱部で管軸方向変位量(G)および管軸直角方向変位量 (D)をそれぞれ個別にジャッキを用いて変位制御することにより，静的荷重(F1)および (F2)を載荷した． 伝送障害の計測方法は，管路折損離脱部で管軸方向に続いて管軸直角方向へ強制変位 を与え，光ファイバケーブルに生じる張力の測定，OTDRによる光ファイバケーブルの 伝送損失測定，BOTDRによる光ファイバ心線自体のひずみ測定を行った．実験に使用し たケーブルはSM100心ケーブルを使用した．

図-2.5 光ファイバケーブルの被災再現実験モデル

図-2.6 OTDR による伝送損失計測イメージ

図-2.8 接続点がある場合のマンホール内ケーブル被災状況 OTDRは，光ファイバ心線に光パルスを入射した時に発生する後方レーリー散乱光の 強度から，光信号の伝送損失を測定するものである18)_{．図-2.6にOTDRによる光ファイバ} に作用する外力や接続品質による伝送損失の計測イメージを示すとおり，光の反射レベ ルの波形から曲がりによる伝送損失の把握が可能となる． BOTDRは，光ファイバに光パルスを入射した時に発生するブリルアン散乱光のピーク 周波数スペクトルがひずみに比例してシフトする現象を利用し，光ファイバ自体のひず みを測定することが可能である19) ．図-2.7にBOTDRによる光ファイバ心線自体のひずみ 計測イメージを示すとおり，光ファイバに作用する張力や曲げ等の外力に対するひずみ を連続的に計測することが可能である．地震時の被災判定の目安について，光ファイバ 心線に生じるひずみの限界値は，光ファイバケーブル敷設張力設計基準の規定を参考と した，すなわち，長期信頼性および光ファイバケーブルの故障率に影響のでる0.2%の引 張ひずみとした．光伝送損失は，光ファイバの接続基準で規定されている，コネクタ接 続点の伝送損失限界値1.6dBを目安として被災判定を行った．本論文では，本章以降の実 験においても光ファイバ心線に生じるひずみの被災判定値を0.2%，光伝送損失の被災判 定値を1.6dBとして検討を行った．

(1) 接続点がある場合の被害再現実験

図-2.5の実験モデルを用いて，マンホール内に光ファイバ接続点がある場合の被害再 現実験を行う．実験は管路離脱部で，管軸方向変位(G)を作用させた．管路の離脱により， マンホール内のケーブルが引き込まれ，ケーブル全体に張力が生じると，急激にSM100 心ケーブルの破断強度である4kNに近い値にまで張力が増加し，光ファイバケーブル全 体に亘り心線ひずみの発生と伝送損失が増大する. さらに変位を加えることで，ひずみ と伝送損失発生の直後に光ファイバケーブルが破断する．光ファイバケーブルの破断状 況を確認すると，接続点内のテンションメンバ把持金物が損傷しテンションメンバの引 き抜きが発生することで，張力が外被，スロット，光ファイバ心線に急激に作用し，ケ ーブル切断が生じることが確認できた．図-2.8に接続点がある場合の被災状況図および ケーブルの切断状況写真を示す．マンホール内のケーブル受け金物上で光ファイバケー ブルが切断した状況は，図-2.1(c)の新潟県中越地震と同様の被災結果となった．

(a) 管路離脱量と張力の関係 (b) 管路離脱量と伝送損失・心線ひずみの関係 図-2.9 接続点がある場合の離脱量と張力・伝送損失・心線ひずみの関係 図-2.10 接続点がない場合のマンホール内ケーブル被災状況 図-2.9(a)は管路の離脱量(G)とケーブルに作用した張力の関係を示している．グラフ内 の×は，光ファイバに生じる伝送損失とひずみが規定値を超過するポイントを示してい る．図-2.9(b)に管路離脱量と伝送損失・心線ひずみの関係を示す．測定値のばらつきが 大きいため，伝送損失・心線ひずみそれぞれの最大値を示した． ケーブル固定点が縛り紐によるため，張力にばらつきがあるが，管路の離脱量が，10cm を超えるあたりで被災となる．マンホール内での標準的な光ファイバケーブル固定位置 の場合，ケーブル余長は 8cm 程度であるため，接続点があるスパンでは張力が作用した 場合は即座にケーブル破断につながることが想定される． したがって，接続点があるスパンでは，光ファイバケーブルに張力が作用しないよう に，十分な余長をとる対策が必要となることが確認できた．

(a) 管路離脱量と張力の関係 (b) 管路離脱量と伝送損失・心線ひずみの関係 図-2.11 接続点がない場合の離脱量と張力・伝送損失・心線ひずみの関係

(2) 接続点がない場合の被害再現実験

接続点がある場合と同様に図-2.5の実験モデルを用いて，マンホール内に光ファイバ 接続点がない場合の被害再現実験を行う．実験は管路離脱部で，管軸方向変位(G)を作用 させた．接続点がある場合と同様に管路の離脱により，マンホール内へケーブルが引き 込まれる被害の再現を行った．管路の離脱によりマンホール内に光ファイバケーブルが 引き込まれ，ケーブル全体に張力が発生し，ダクトに近い側の受け金物からケーブルが 脱落，遠い側の受け金物に張力が作用する．張力が2kNを超えるあたりから光ファイバ 全体に亘り心線に歪みが発生し，伝送損失が増大する. 図-2.10に接続点がない場合の被 災状況図および光ファイバケーブルの損傷状況写真を示す．光ファイバケーブルに張力 が作用することで，マンホール内の受け金物上にケーブルが押し付けられるように屈曲 し，光ファイバケーブルの破断張力に達する前に伝送障害が生じることが確認できた． 図-2.11(a)に管路離脱量と張力の関係を示すように，接続点がない場合は縛り紐のゆる み度合により張力にバラツキが生じるが，管路離脱が概ね20cmを越えるあたりで被災と なる結果が得られた．さらに変位を加えると，ケーブルは切断することなく受け金物か ら落下する結果となった．図-2.11(b)に管路離脱量と伝送損失・心線ひずみの関係を示す． 伝送損失・心線ひずみともに管路離脱量20cmを超えるあたりで急激に大きな値を示し， 通信ができない状態になった． したがって，接続点がないスパンでは，光ファイバケーブルに張力が作用しないよ うに十分な余長をとることと，光ファイバケーブルに屈曲角を作用させない位置に光フ ァイバケーブルを固定する等の対策が必要となることが確認できた．

図-2.12 管路継手折損部の光ファイバケーブル被災状況

(3) 継手損傷箇所の被害再現実験

管路の折損により，地中部で光ファイバケーブルが被災となるケースについて，再現 実験を行った．(1)，(2)項と同様に管路の離脱によりマンホール内へケーブルが引き込ま れ，ケーブル全体に張力が作用した状態で，管路離脱量が10cmと20cmの場合に管軸直角 方向の段差変位(D)を作用させることで，地中部で生じる光ファイバケーブルの損傷状況 を確認した．図-2.12に継手折損箇所の被災状況図および光ファイバケーブルの損傷状況 写真を示す．光ファイバケーブルに張力が作用しながら，管軸直角方向に継手段差が生 じた際に，管路折損部の管端と光ファイバケーブルの外被がこすれることで，ケーブル 外被が損傷を受けることが確認できた．引き続き段差量を増加させることでケーブルス ロットの断面形状がひしゃげ，光ファイバ心線自体の圧迫や断線により通信障害が発生 することが確認できた．光ファイバケーブルの外被の損傷・伝送損失の超過はほぼ同時 に生じることも確認できた． 図-2.13に管路の軸直角方向段差量と張力・伝送損失・心線ひずみの関係を示すように， ケーブル縛り紐のゆるみにより張力が下がるケースが生じたが，継手の離脱量10cm,およ び20cmの双方とも，段差量が20cmを超えるあたりで伝送障害が生じることが確認できた． 図-2.13(d)のBOTDR計測による光ファイバ心線ひずみのみ段差量20cm・管路離脱量10cm で許容値を超えることも確認できた したがって，地中部の継手折損箇所に対する耐震対策は，光ファイバケーブルに張力 が作用することを防止することと，折損部を滑らかにするなど，ケーブル外被の損傷を 防止することが必要であると推定できる． 光ファイバケーブルの被害再現実験により，新潟県中越地震や新潟県中越沖地震で視 られた被害のメカニズムを確認することができた．接続点がある場合と接続点がない場 合で被災特性に違いがあるが，道路崩壊に伴う大規模な地盤変位による甚大な張力が作 用した場合だけではなく，地盤沈下や地震動に伴う地盤ひずみによるケーブルのダクト 引き込みにより，光ファイバケーブルに張力が作用し固定点で屈曲が起きることで，光 ファイバ心線にひずみや伝送損失が発生し，通信障害となることが確認できた．また， 地中部の継手の折損箇所における被害については，ケーブル外被が破損することで，即 座に通信障害が生じることが確認できた．

(a)管路離脱量10cmの段差量と張力の関係 (b) 管路離脱量10cmの伝送損失・ 心線ひずみの関係

(c)管路離脱量20cmの段差量と張力の関係 (d) 管路離脱量20cmの伝送損失・ 心線ひずみの関係

図-2.14 光ケーブル引張実験概要図 表-2.3 光ファイバ引張試験測定条件 光ファイバ種別 測定項目 ・SM40 心 ・SM100 心 ・SM200 心 ・SM300 心 ・SM400 心 ・SM1000 心 ・荷重 ・変位 ・光ファイバケーブル伸びひずみ（テンションメンバ間の実測値） ・光ファイバ心線ひずみ ・光伝送損失

2.5 光ファイバケーブル限界状態把握試験

光ファイバケーブル被害再現実験では，標準的なマンホール形状での地下ケーブル敷 設線形を再現し被災状況を確認したが，地下に敷設されたケーブルに張力や曲げが作用 するケースは標準マンホールだけではない．様々な形態で使用されている光ファイバケ ーブル自体の限界状態を把握することで，収容物である地下ケーブルの限界状態に応じ た管路設備の性能設計が可能となることから，光ファイバケーブルの基本特性を把握す る実験を行った．

(1) 光ファイバケーブル引張実験

光ファイバケーブルに対して図-2.14に試験概要を示すように，油圧ジャッキを用いて 引張試験を実施し，引張力と光伝送損失の関係を明確にする．荷重条件は静的荷重を油 圧ジャッキにより載荷した．光ファイバ心線の伝送損失を計測しながら引張力を載荷す るため，光ファイバケーブルのテンションメンバを固定金具を用いて固定した．試験を 実施した光ファイバケーブルは表-2.3に示すとおり6種類とし，測定項目は荷重・変位・ 光ファイバケーブルの伸びひずみ・OTDRによる光ケーブルの伝送損失測定値・BOTDR による光心線自体のひずみ計測値とした．

写真-2.3 光ファイバケーブル引張試験状況 図-2.15 ケーブル張力と光伝送損失の関係 写真-2.3に光ファイバケーブル引張試験の実施状況を示す．引張試験の結果について， 図-2.15に光ファイバケーブルに作用させたケーブル張力と伝送損失量の関係を示すと おり，心線数によりばらつきはあるものの，通信ケーブルの引張荷重に対して伝送損失 は初期値からほとんど変化せず，一定値を示すことが確認できた．引張力のみ作用する 場合は，ケーブルの破断張力まで伝送損失は発生しないことが判明した．図-2.16にケー ブル張力とケーブルひずみ，心線ひずみの関係について測定結果を示す．ケーブルひず みは，図-2.14で示すテンションメンバの固定点の間隔を実測した値である．心線ひずみ は，BOTDR測定器による光ファイバ心線自体のひずみ値である．細径のSM40心ケーブ ルを除くと，心線自体に生じるひずみはテンションメンバが破断するまで，初期ひずみ からほとんど変化がないことから，光ケーブルのスロット構造が機能しケーブルに働く 外力から，心線を保護していることが確認できた．なお，張力0の場合のファイバ心線ひ ずみは，ケーブル製造時に生じた残留ひずみを示している．測定は各ケーブルとも3本ず つ行った結果，バラツキが少なく再現性が高い結果が得られた．

(a)SM40心ケーブル (b)SM100心ケーブル (c)SM200心ケーブル (d)SM300心ケーブル (e)SM400心ケーブル (f)SM1000心ケーブル 図-2.16 光ファイバケーブルの引張ひずみとファイバー心線のひずみ