含水未固結地山におけるシールドを用いた 場所打ち支保システムに関する研究
Study on Casting Support Tunnelling System using TBM in Un-consolidated Soil with High Groundwater Level
2008 年 2 月
飯田 廣臣
第 1 章 序 論 ... 1
1-1 は じ め に ... 1
1-2 研 究 の 目 的 と 構 成 ... 2
第 2 章 研 究 の 背 景 ... 7
2-1 は じ め に ... 7
2-2 我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 現 状 と 課 題 ... 7
2-2-1 我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 適 用 ... 7
2-2-2 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 に お け る 現 状 と 課 題 ... 14
2-3 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 と 課 題 お よ び そ の 対 策 ... 17
2-3-1 東 北 新 幹 線 （ 八 戸 ・ 新 青 森 間 ） の 概 要 ... 17
2-3-2 東 北 新 幹 線 （ 八 戸 ・ 七 戸 間 ） の 地 形 お よ び 地 質 の 概 要 ... 19
2-3-3 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 ... 23
(1) 地 形 お よ び 地 質 の 概 要 ... 23
(2) NATM の 施 工 ... 27
2-3-4 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 課 題 と そ の 対 策 ... 38
2-4 ま と め ... 39
第 3 章 ECL 工 法 の 事 例 と 研 究 例 ... 41
3-1 は じ め に ... 41
3-2 ECL 工 法 の 歴 史 と 事 例 ... 42
3-2-1 海 外 で の 実 績 ... 42
3-2-2 国 内 で の 実 績 ... 43
(1) ECL 工 法 の 国 内 へ の 導 入 ... 43
(2) 設 計 施 工 法 の 指 針 の 作 成 ... 45
(3) 高 流 動 コ ン ク リ ー ト の 適 用 ... 47
(4) 場 所 打 ち ラ イ ニ ン グ の 設 計 例 ... 48
a) 信 濃 川 第 ２ 水 路 ト ン ネ ル 工 事 ... 48
b) 北 陸 新 幹 線 秋 間 ト ン ネ ル 東 工 事 ... 48
3-3 既 往 の 研 究 例 ... 49
3-3-1 北 陸 新 幹 線 秋 間 ト ン ネ ル 東 工 事 に お け る 研 究 ... 49
3-3-2 岡 南 シ ー ル ド 工 事 に お け る 研 究 ... 52
3-4 ま と め ... 56
第 4 章 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る SENS の 設 計 と 施 工 お よ び 施 工 結 果 の 概 要 ... 58
4-1 は じ め に ... 58
4-2 工 事 概 要 ... 59
4-3 設 計 ... 60
4-3-1 シ ー ル ド ... 60
4-3-2 内 型 枠 ... 66
4-3-3 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 配 合 ... 68
4-3-4 ラ イ ニ ン グ ... 72
(1) 検 討 項 目 ... 72
(2) 断 面 破 壊 の 検 討 ... 72
(3) 浮 き 上 が り に 対 す る 安 定 性 の 検 討 ... 75
4-4 施 工 ... 76
4-4-1 発 進 部 ... 76
4-4-2 SENS を 用 い る 区 間 ... 78
(1) 全 体 の 施 工 概 要 ... 78
(2) ラ イ ニ ン グ の 施 工 手 順 ... 79
(3) 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 打 設 シ ス テ ム ... 80
4-5 施 工 結 果 の 概 要 ... 83
4-5-1 施 工 速 度 と 工 事 費 ... 83
4-5-2 ラ イ ニ ン グ の 厚 さ お よ び 強 度 ... 84
4-5-3 ひ び 割 れ お よ び 漏 水 ... 86
4-5-4 地 表 面 の 変 位 ... 88
5-2 計 測 計 画 ... 92
5-2-1 計 測 位 置 と 計 測 項 目 ... 92
5-2-2 ラ イ ニ ン グ と 内 型 枠 の 計 測 ... 94
5-2-3 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 計 測 ... 97
5-2-4 計 測 位 置 の 施 工 状 況 ... 97
5-3 ラ イ ニ ン グ 内 部 の ひ ず み の 計 測 方 法 の 開 発 ... 98
5-3-1 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 力 学 特 性 と 開 発 の 経 緯 ... 98
5-3-2 ひ ず み 計 の 選 定 試 験 ... 98
5-3-3 ひ ず み 計 の 押 込 み 装 置 と 設 置 手 順 ... 100
5-4 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 計 測 結 果 ... 101
5-4-1 鉛 直 変 位 ... 101
5-4-2 水 平 変 位 ... 103
5-5 内 型 枠 の ト ン ネ ル 周 方 向 の 計 測 結 果 ... 104
5-5-1 内 型 枠 の 応 力 ... 104
5-5-2 内 型 枠 の ト ン ネ ル 周 方 向 の 断 面 力 ... 105
5-5-3 内 型 枠 に か か る コ ン ク リ ー ト の 圧 力 ... 107
5-6 内 型 枠 の ト ン ネ ル 軸 方 向 の 計 測 結 果 ... 110
5-7 ラ イ ニ ン グ の 計 測 結 果 ... 113
5-7-1 ラ イ ニ ン グ の 計 測 ... 113
5-7-2 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 強 度 の 発 現 ... 113
5-7-3 コ ン ク リ ー ト の 打 設 後 の 残 留 圧 力 ... 114
5-7-4 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 応 力 の 算 出 方 法 ... 115
5-7-5 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の ひ ず み と 応 力 ... 117
5-7-6 ラ イ ニ ン グ の 断 面 力 ... 120
(1) ク リ ー プ を 考 慮 し な い 場 合 ... 120
(2) ク リ ー プ を 考 慮 し た 場 合 ... 120
5-8 応 力 解 放 法 に よ る ラ イ ニ ン グ の 応 力 の 検 証 ... 123
5-9 当 初 設 計 と 計 測 結 果 と の 比 較 ... 126
5-10 ま と め ... 129
5-10-1 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 ... 129
5-10-2 内 型 枠 の ト ン ネ ル 周 方 向 の 挙 動 ... 129
5-10-3 内 型 枠 の ト ン ネ ル 軸 方 向 の 挙 動 ... 130
5-10-4 ラ イ ニ ン グ の 挙 動 ... 131
第 6 章 SENS に お け る ラ イ ニ ン グ の 挙 動 の 解 析 ... 133
6-1 は じ め に ... 133
6-2 SENS の 三 次 元 解 析 モ デ ル ... 133
6-2-1 SENS の 施 工 過 程 の モ デ ル 化 ... 133
6-2-2 地 山 と 構 造 物 の 物 性 値 ... 137
(1) 地 山 の 物 性 値 ... 137
(2) ラ イ ニ ン グ お よ び 内 型 枠 の 物 性 値 ... 138
6-2-3 施 工 時 荷 重 ... 139
6-2-4 解 析 モ デ ル ... 140
6-2-5 解 析 手 順 ... 142
(1) 連 続 施 工 サ イ ク ル の 解 析 手 順 ... 142
(2) 休 日 施 工 サ イ ク ル の 解 析 手 順 ... 143
6-3 三 次 元 解 析 の 結 果 ... 144
6-3-1 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 ... 144
(1) ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 変 位 ... 144
(2) ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 応 力 ... 146
6-3-2 内 型 枠 の 挙 動 ... 148
(1) 内 型 枠 の ト ン ネ ル 周 方 向 の 応 力 ... 148
(2) 内 型 枠 の ト ン ネ ル 周 方 向 の 断 面 力 ... 148
(3) 内 型 枠 お よ び ラ イ ニ ン グ の ト ン ネ ル 軸 方 向 の 軸 力 と 応 力 ... 151
6-3-3 ラ イ ニ ン グ の 挙 動 ... 153
(1) ラ イ ニ ン グ の 応 力 ... 153
(5) コ ン ク リ ー ト の 打 設 圧 な ど が 地 山 お よ び ラ イ ニ ン グ に 与 え る 影 響 160
a) 施 工 サ イ ク ル の 影 響 ... 161
b) 形 状 保 持 装 置 の 影 響 ... 161
c) コ ン ク リ ー ト の 打 設 圧 の 影 響 ... 163
6-4 ま と め ... 166
6-4-1 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 ... 166
6-4-2 内 型 枠 の 挙 動 ... 166
6-4-3 ラ イ ニ ン グ の 挙 動 ... 167
第 7 章 SENS に お け る ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 の 考 察 ... 170
7-1 は じ め に ... 170
7-2 ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 ... 170
7-2-1 掘 削 時 ... 171
7-2-2 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 打 設 時 ... 171
7-2-3 場 所 打 ち コ ン ク リ ー ト の 硬 化 時 ... 172
7-2-4 内 型 枠 の 脱 型 時 ... 173
7-2-5 内 型 枠 の 脱 型 後 ... 173
7-3 ま と め ... 174
第 8 章 結 論 ... 176
8-1 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る SENS の 施 工 の 結 果 ... 176
8-2 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る 計 測 の 結 果 ... 176
8-2-1 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 に つ い て ... 176
8-2-2 内 型 枠 の 挙 動 に つ い て ... 177
8-2-3 ラ イ ニ ン グ の 挙 動 に つ い て ... 177
8-3 三 次 元 解 析 の 結 果 ... 178
8-3-1 ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 に つ い て ... 178
8-3-2 内 型 枠 の 挙 動 に つ い て ... 178
8-3-3 ラ イ ニ ン グ の 挙 動 に つ い て ... 178
8-4 ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 に つ い て ... 179
第 1 章 序 論
1-1 は じ め に
我 が 国 で は ， 均 衡 あ る 国 土 の 発 展 と 豊 か な 生 活 の 実 現 を 目 指 し ， 新 幹 線 ， 都 市 鉄 道 ， 高 速 道 路 な ど の 社 会 資 本 の 整 備 が 進 め ら れ て き て い る ． 鉄 道 や 道 路 な ど の 線 状 の 構 造 物 の 建 設 に お い て は ， 我 が 国 特 有 の 急 峻 な 山 岳 地 形 や ， 住 居 や 都 市 施 設 な ど が 密 集 し て 地 上 空 間 に 制 約 の 多 い 都 市 構 造 な ど か ら ， ト ン ネ ル 建 設 の 機 会 は 多 く ， ま た ， ト ン ネ ル の 工 事 費 が 事 業 費 全 体 に 占 め る 割 合 は 大 き い こ と か ら ， こ れ ま で 我 が 国 で は ト ン ネ ル 技 術 に 関 し て の 多 く の 研 究 や 開 発 が 行 わ れ て き て い る ．
非 開 削 の ト ン ネ ル 構 築 工 法 の 代 表 的 な も の と し て ，NATM（New Austrian Tunnelling Method） と シ ー ル ド 工 法 と が あ る ．NATM は 山 岳 ト ン ネ ル の 標 準 工 法 と し て 位 置 づ け ら れ ，「 ト ン ネ ル 周 辺 地 山 の 支 保 機 能 を 有 効 に 活 用 し ， 掘 削 後 ， 吹 付 け コ ン ク リ ー ト ， ロ ッ ク ボ ル ト ， 鋼 製 支 保 工 な ど に よ り 地 山 の 安 定 を 確 保 し て 掘 進 す る 工 法 」 で ， 周 辺 地 山 の グ ラ ウ ン ド ア ー チ の 形 成 と 掘 削 時 の 切 羽 の 自 立 が 前 提 で あ る 1)． 一 方 ， シ ー ル ド 工 法 は 「 泥 土 圧 あ る い は 泥 水 圧 で 切 羽 の 土 圧 と 水 圧 に 対 抗 し て 切 羽 の 安 定 を 図 り な が ら シ ー ル ド を 掘 進 さ せ ，覆 工（ セ グ メ ン ト ） を 組 み 立 て て 地 山 を 保 持 し ， ト ン ネ ル を 構 築 す る 工 法 」 で あ る 2)．
2 つ の 工 法 の ど ち ら を 選 定 す る か は ， 地 質 や 地 下 水 な ど の 地 山 条 件 や 周 辺 の 環 境 条 件 な ど か ら 決 定 さ れ る ． 一 般 に ， 山 岳 部 は グ ラ ウ ン ド ア ー チ の 形 成 と 切 羽 の 自 立 が 確 保 さ れ る 地 山 で あ り ， ト ン ネ ル の 施 工 に と も な い 周 辺 環 境 に 与 え る 影 響 な ど の 制 約 は 小 さ い こ と か ら ，そ の ほ と ん ど が NATMに よ り 施 工 さ れ て い る ．一 方 ， 都 市 部 で は 地 盤 が 軟 弱 な う え に 住 居 や 都 市 施 設 な ど の 集 中 度 が き わ め て 高 い 環 境 下 で の 施 工 と な る こ と か ら ， 軟 弱 地 盤 に お い て も 切 羽 の 安 定 を 保 つ こ と が で き ， ト ン ネ ル 周 辺 の 構 造 物 や 環 境 に 与 え る 影 響 が 小 さ い 密 閉 型 シ ー ル ド 工 法 が 多 く 適 用 さ れ て い る ．し か し な が ら ，シ ー ル ド 工 法 は NATM に 比 べ て コ ス ト の 割 高 感 が 強 く ， 一 層 の 低 廉 化 が 望 ま れ て い る ． 近 年 ， コ ス ト の 低 減 を 目 指 し て ， 周 辺 環 境 に 与 え る 影 響 の 許 容 範 囲 内 で ， 地 下 水 位 低 下 工 法 ， 地 盤 改 良 工 法 ， 先 受 け 工 法 な ど の 対 策 工 （ 補 助 工 法 ） を 単 独 あ る い は 組 合 せ て 施 工 す る こ と に よ り ， 都 市
部 の 土 砂 地 山 に お い て も NATM（ 都 市 NATM）が 適 用 さ れ る ケ ー ス が 増 え て き て い る ．そ の 結 果 ，NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 で は 両 工 法 が 競 合 し て 施 工 さ れ ， 境 界 は 不 明 瞭 に な っ て き て い る ．
こ れ ま で に ト ン ネ ル 技 術 に 関 し て 多 く の 研 究 や 開 発 が 行 わ れ て き た が ，NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 に お い て は ， 施 工 法 の 選 定 ， ト ン ネ ル 覆 工 体 の 設 計 法 ， ト ン ネ ル に 作 用 す る 荷 重 の 評 価 方 法 な ど が 大 き な 課 題 と な っ て い る 3),4)． NATM と シ ー ル ド 工 法 と で は 施 工 法 が 異 な る こ と の ほ か 設 計 手 法 が 異 な る こ と か ら ， 同 一 条 件 の 地 山 に お い て そ れ ぞ れ の 工 法 で ト ン ネ ル を 施 工 す る と ， 完 成 し た ト ン ネ ル 自 体 の 強 さ が 相 違 す る と い う 不 合 理 が 生 ず る ． ま た ， 場 合 に よ っ て は 工 事 費 に 大 き な 相 違 が 生 じ る こ と も あ る ． し た が っ て ， 両 工 法 の 境 界 領 域 に お け る 合 理 的 な 設 計 法 や 施 工 法 ，例 え ば NATM の 経 済 性 と シ ー ル ド 工 法 の 安 全 性 お よ び 施 工 性 を 兼 ね 備 え た 新 し い ト ン ネ ル 構 築 工 法 の 開 発 が 強 く 望 ま れ て い る ．
1-2 研 究 の 目 的 と 構 成
現 在 ， 東 北 新 幹 線 は 八 戸 駅 と 新 青 森 駅 と の 間 を 建 設 中 で あ る ． こ の 工 事 区 間 内 に あ る 三 本 木 原 ト ン ネ ル （ 延 長 4,280m） で の 掘 削 対 象 の 地 山 は ， 帯 水 し た 洪 積 砂 質 土 層 が 主 体 で ， 細 粒 分 含 有 率 お よ び 均 等 係 数 が 小 さ く 崩 壊 性 が 高 い う え ， 中 間 に 粘 性 土 層 が 複 雑 な 互 層 状 態 で 存 在 し て い る ． こ の よ う な 地 山 条 件 の 中 を 地 下 水 位 対 策 工 と 切 羽 の 安 定 の た め の 対 策 工 と を 併 用 し た NATM に よ る ト ン ネ ル の 掘 削 を 計 画 し ， 施 工 を 開 始 し た が ， 事 前 に 施 工 し た デ ィ ー プ ウ ェ ル 工 法 で は 十 分 な 地 下 水 位 低 下 が 行 え な い 箇 所 が あ り ， ま た ， 先 受 け 工 な ど の 切 羽 の 安 定 対 策 工 を 施 工 し て い た に も か か わ ら ず 切 羽 が 不 安 定 化 し ， 突 発 的 な 切 羽 の 崩 壊 が し ば し ば 発 生 し た ． こ の よ う に ， 対 策 工 の 効 果 が 完 全 に 期 待 で き ず ， 切 羽 を 安 定 さ せ る こ と が 困 難 な 三 本 木 原 ト ン ネ ル の 地 山 に お い て は ，NATM で は 安 全 性 を 十 分 に 確 保 で き な い こ と か ら ， 施 工 法 の 再 検 討 を 余 儀 な く さ れ た ． 本 ト ン ネ ル の 場 合 ， 現 計 画 以 上 に 対 策 工 を 追 加 し て も 切 羽 の 安 定 を 完 全 に 確 保 す る の は 困 難 な う え に ， そ れ に よ る コ ス ト が 増 加 し ，経 済 性 に も 問 題 が 生 ず る ．一 方 ，切 羽 の 安 定 に 優 れ ， 都 市 部 で 多 用 さ れ る 密 閉 型 シ ー ル ド 工 法 を 全 面 的 に 採 用 す る と 経 済 性 が 問 題 と な
追 求 し た ．
含 水 未 固 結 地 山 に お い て 切 羽 の 安 定 を 最 優 先 に 考 え る と ， 掘 進 は 密 閉 型 の シ ー ル ド に よ る 方 法 が 選 択 さ れ る ． し か し ， シ ー ル ド 工 法 は 高 価 な セ グ メ ン ト を 使 用 す る た め ト ー タ ル コ ス ト も 高 価 と な る ． シ ー ル ド を 用 い ， セ グ メ ン ト を 用 い な い 工 法 と し て 場 所 打 ち ラ イ ニ ン グ （Extruded concrete lining） 工 法 （ 以 下 ，ECL 工 法 と い う ） が あ る ．ECL 工 法 は 「 シ ー ル ド テ ー ル 部 で コ ン ク リ ー ト を 打 設 し ， 加 圧 ジ ャ ッ キ に よ り コ ン ク リ ー ト を 加 圧 し て 覆 工 を 構 築 す る も の で あ り ， ト ン ネ ル 覆 工 材 と し て セ グ メ ン ト を 用 い な い 施 工 法 」 で あ る 5)． こ の 工 法 は ， 加 圧 コ ン ク リ ー ト の 施 工 に よ り 地 山 を 緩 め ず に 良 質 な 覆 工 の 形 成 が 期 待 で き る こ と か ら ， 我 が 国 で は 昭 和 60 年 代 か ら 鉄 道 ， 水 路 ， 下 水 道 な ど の 構 築 に 試 験 的 に 施 工 さ れ は じ め ， 平 成 10 年 頃 ま で に 十 数 件 の 施 工 が 実 施 さ れ た ． し か し ， コ ン ク リ ー ト の 打 設 時 の 不 具 合 や 打 設 後 の ひ び 割 れ の 発 生 ， そ れ ら に と も な う 漏 水 な ど の 問 題 が 多 発 し ， と く に ， そ の 当 時 は 場 所 打 ち ラ イ ニ ン グ を 覆 工 の 最 終 形 ， す な わ ち ， 永 久 覆 工 と 考 え て い た た め ， 供 用 上 に 多 く の 課 題 が 生 じ ， そ れ ら が 未 解 決 の ま ま で ， 最 近 で は ほ と ん ど 採 用 さ れ な く な っ て し ま っ た ．
三 本 木 原 ト ン ネ ル の 施 工 法 を 再 検 討 し た 結 果 ，NATM で は 対 策 工 を 併 用 し て も 切 羽 の 安 定 性 を 確 保 す る こ と が 困 難 で あ り ， こ の よ う な 帯 水 す る 洪 積 砂 質 土 層 を 主 体 と す る 地 山 に お い て は ， 切 羽 の 安 定 性 と 経 済 性 に 優 れ た 工 法 と し て ， 従 来 の ECL工 法 を も と に ，ラ イ ニ ン グ に 従 来 と は 異 な る 機 能 を 期 待 す る 新 し い ト ン ネ ル 構 築 工 法 を 考 案 し ， 採 用 す る こ と と し た ． こ の 工 法 は 「 密 閉 型 シ ー ル ド に よ り ト ン ネ ル を 掘 削 し て 同 時 に 切 羽 の 安 定 を 図 る と と も に ， シ ー ル ド の 掘 進 と 併 行 し て シ ー ル ド テ ー ル 部 で コ ン ク リ ー ト を 打 設 し ， 加 圧 し て 施 工 す る 覆 工 （ 以 下 ， ラ イ ニ ン グ と い う ）を NATM の 一 次 支 保 材 と 同 様 に 位 置 づ け て ，地 山 を 保 持 し な が ら ト ン ネ ル を 構 築 す る 工 法 」で あ る ．こ の 工 法 は シ ー ル ド（Shield），場 所 打 ち ラ イ ニ ン グ （ECL），NATM を 組 合 せ た 安 全 性 ， 経 済 性 ， 施 工 性 に 優 れ た ト ン ネ ル 構 築 シ ス テ ム（System）で あ る こ と か ら ，そ れ ぞ れ の 頭 文 字 を と っ て SENS（ セ ン ス ）（ 以 下 ，SENS と い う ） と 命 名 し た ．
本 研 究 は ， ま ず ， 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 か ら SENS の 採 用 ま で の 経 緯 ， そ の 設 計 と 施 工 お よ び 施 工 結 果 を 述 べ ， つ ぎ に ， 掘 削 か ら 覆 工 の 完 成 ま で のSENSの 施 工 過 程 に お け る ラ イ ニ ン グ と ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 挙 動 に つ
い て ，計 測 結 果 と 三 次 元 解 析 結 果 と を 比 較 す る こ と に よ り ，SENS に お け る ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 に 考 察 を 加 え た も の で あ る ．
本 論 文 は 8 章 か ら 構 成 さ れ る ．
第 1 章は 序 論 で あ り ，我 が 国 の ト ン ネ ル 建 設 の 現 状 と ，NATMと シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 に お け る 課 題 に つ い て 述 べ ， 本 研 究 の 目 的 と 構 成 と を 明 ら か に し て い る ．
第 2 章は ，研 究 の 背 景 と し て ，我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 現 状 と 課 題 ，東 北 新 幹 線（ 八 戸・七 戸 間 ）の 概 要 と 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 と 課 題 お よ び そ の 対 策 に つ い て 述 べ た 章 で あ る ．
第 3 章で は ，三 本 木 原 ト ン ネ ル で 開 発 し た SENS の ト ン ネ ル の 支 保 部 材 と し て の 場 所 打 ち ラ イ ニ ン グ に 着 目 し ，SENS と 類 似 す る ECL 工 法 の 事 例 と 研 究 例 に つ い て 述 べ て い る ．
第 4 章は 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る SENSの 設 計 と 施 工 お よ び 施 工 結 果 の 概 要 に つ い て 述 べ た も の で あ る ．
第 5 章で は ， 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お い て 実 施 し た ラ イ ニ ン グ の ひ ず み ， 内 型 枠 の ひ ず み お よ び ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 の 変 位 に つ い て の 経 時 的 な 計 測 結 果 を 分 析 し ， 掘 削 か ら 覆 工 の 完 成 ま で のSENSの 施 工 過 程 に お け る こ れ ら の 挙 動 に つ い て 述 べ る ．
第 6 章は ， 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る 計 測 地 点 の 地 山 条 件 と 施 工 時 の 荷 重 条 件 を 考 慮 し た う え で ，ま ず ， SENSの 施 工 過 程 に お け る ラ イ ニ ン グ の 挙 動 を 三 次 元 解 析 し ， つ ぎ に ， コ ン ク リ ー ト の 打 設 圧 な ど の 施 工 時 荷 重 が ラ イ ニ ン グ の 挙 動 に 与 え る 影 響 に つ い て の パ ラ メ ー タ 解 析 を 行 い ， そ れ ら の 結 果 に つ い て 述 べ た も の で あ る ．
第 7 章は ，第 5 章で 述 べ た 計 測 結 果 お よ び第 6 章で 述 べ た 解 析 結 果 か ら ，SENS に お け る ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 を 考 察 し た も の で あ る ．
第 8 章は 本 研 究 の 結 論 で あ り ， 各 章 で 得 ら れ た 結 果 を 取 り ま と め て い る ． 図 -1.1 は 本 論 文 の 構 成 を 示 し た も の で あ る ．
図 -1.1 本 論 文 の 構 成 第 1 章 序 論
第 2 章 研 究 の 背 景
第 3 章 ECL工 法 の 事 例 と 研 究 例
第 4 章 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る SENS の 設 計 と 施 工 お よ び 施 工 結 果 の 概 要
第 5 章 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る SENS の 計 測
第 6 章 SENS に お け る ラ イ ニ ン グ の 挙 動 の 解 析
第 7章 SENSに お け る ラ イ ニ ン グ の 耐 荷 機 構 の 考 察
第 8 章 結 論
第 1 章 の 参 考 文 献
1) 土 木 学 会 ： ト ン ネ ル 標 準 示 方 書 [山 岳 工 法 ］・ 同 解 説 ，2006.
2) 土 木 学 会 ： ト ン ネ ル 標 準 示 方 書 [シ ー ル ド 工 法 ］・ 同 解 説 ，2006.
3) 土 木 学 会 ： 都 市 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 － 設 計 法 の 現 状 と 課 題 － , 1996.1
4) 土 木 学 会 ： 都 市 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 － 荷 重 評 価 の 現 状 と 課 題
－ ,2003.10
5) 土 木 学 会 ： ト ン ネ ル 標 準 示 方 書 [シ ー ル ド 工 法 編 ］・ 同 解 説 ，1996.
第 2 章 研 究 の 背 景
2-1 は じ め に
我 が 国 に お い て ト ン ネ ル を 構 築 す る 場 合 ，近 年 ま で 山 岳 ト ン ネ ル で は NATMを ， 都 市 ト ン ネ ル で は シ ー ル ド 工 法 や 開 削 工 法 を 適 用 す る の が 一 般 的 で あ っ た が ， 近 年 の 建 設 技 術 の 進 歩 か ら ， 切 羽 を 自 立 と 安 定 さ せ る 適 切 な 対 策 工 を 併 用 す る こ と に よ り ，都 市 部 の 未 固 結 地 山 に お い て も NATM の 適 用 が 可 能 と な り ，そ の 経 済 性 や ト ン ネ ル の 断 面 形 状 を 自 由 に 変 え る こ と が で き る こ と な ど の 理 由 か ら ， 都 市 ト ン ネ ル に お い て も NATM（ 都 市 NATM） の 適 用 事 例 が 増 加 し て き て い る ． 本 章 で は ，ま ず ，研 究 の 背 景 と し て 我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 現 状 と 課 題 を 整 理 し ，つ ぎ に ，東 北 新 幹 線 の 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 状 況 と 課 題 お よ び そ の 対 策 に つ い て 述 べ る ．
2-2 我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 現 状 と 課 題
2-2-1 我 が 国 の 未 固 結 地 山 に お け る NATM の 適 用
我 が 国 で は 1976 年 に 上 越 新 幹 線 の 中 山 ト ン ネ ル で の 膨 張 性 地 山 に お い て 初 め て NATM が 試 験 的 に 施 工 さ れ た ．そ し て 良 好 な 施 工 結 果 が 得 ら れ た こ と か ら ，施 工 対 象 の 地 山 を 軟 岩 や 中 硬 岩 の 地 山 ， さ ら に 未 固 結 地 山 へ と 拡 大 し ， 試 験 施 工 を 経 て 本 格 施 工 が つ ぎ つ ぎ と 行 わ れ て い っ た ．未 固 結 地 山 で は ，1978年 に 東 北 新 幹 線 の 第 一 平 石 ト ン ネ ル お よ び 第 一 粟 須 ト ン ネ ル で ， 土 被 り が 2～15m と 小 さ く ， 花 崗 岩 が 風 化 し ，極 度 に 固 結 度 が 低 下 し た 真 砂 土 に お い て ，ま た ，1979 年 に は 鹿 島 線 の 大 貫 ト ン ネ ル で ， 第 四 紀 洪 積 砂 層 を 対 象 と す る 未 固 結 地 山 に お い て 本 格 的 に NATM が 適 用 さ れ た ．さ ら に 同 年 に は ，土 被 り が 小 さ く ，か つ ，均 等 係 数 の 小 さ い 崩 壊 性 の 含 水 洪 積 砂 層（ 成 田 砂 層 ）を 対 象 と し た 大 断 面 NATM の 本 格 施 工 が ， 一 連 の 成 田 新 幹 線 の ト ン ネ ル 工 事 で 採 用 さ れ た ． そ の 後 ， 地 質 ， 土 被 り ， 地 下 水 位 な ど の 地 山 条 件 ， 環 境 条 件 ， ト ン ネ ル 断 面 な ど が よ り 厳 し い 条 件 下 で の 施 工 例 が 次 第 に 増 加 し て い っ た ．表 -2.1 は 現 在 ま で の NATM の 代 表 的 な 施 工 例 を 示 し た も の で あ る ． ま た ，表 -2.2 は NATM の 導 入 初 期 に お け る 鉄 道 ト ン ネ ル の 施 工
例 を 示 し た も の で あ る ．
未 固 結 地 山 に お い て NATM に よ り ト ン ネ ル を 構 築 す る 場 合 は ，掘 削 時 の 切 羽 の 自 立 性 と 安 定 性 が 重 要 で あ る ． こ の た め ， 事 前 の 調 査 に よ り 地 山 条 件 や 立 地 条 件 を 十 分 に 把 握 し ，設 計 段 階 で は ，地 形 や 地 質 ，土 被 り ，地 下 水 位 ，ト ン ネ ル 断 面 ， 環 境 条 件 な ど に 応 じ て ， 加 背 割 り ， 支 保 の 種 類 と サ イ ズ お よ び ピ ッ チ ， 断 面 の 閉 合 時 期 な ど の 掘 削 工 法 と ， 切 羽 の 安 定 対 策 な ど の 対 策 工 と を 選 択 す る こ と に な る が ， 選 択 次 第 で は 工 事 費 ， 工 期 ， 周 辺 環 境 な ど に 大 き な 影 響 を 与 え る こ と に な る の で ， 掘 削 工 法 と 対 策 工 の 最 適 な 組 合 せ を 選 択 す る こ と が も っ と も 重 要 で あ る ． 図 -2.1は 未 固 結 地 山 に お け る NATMの 設 計 の 手 順 の 概 略 を 示 し た も の で あ る ． ま た ，表 -2.3 は 一 般 に 用 い ら れ て い る 主 な 掘 削 工 法 を ，表 -2.4 は 主 な 対 策 工 を 示 し た も の で あ る ．
表 -2.1 NATM の 代 表 的 な 施 工 例 （ 文 献 1)に 加 筆 ， 修 正 ）
ト ン ネ ル 名 特 徴
○（1976）上越新幹線中山トンネル
○（1978）会津線向山トンネル
■（1978）国道289号駒止トンネル
○（1978）東北新幹線第一平石トンネル，第一粟須トン ネル
○（1979）鹿島線大貫トンネル
○（1979）成田新幹線トンネル群
○（1980）横浜地下鉄三ツ沢上町・下町トンネル
●（1981）横浜地下鉄岸根トンネル（篠原工区）
◆（1981）三沢川分水路トンネル
●（1982）近鉄東大阪線生駒トンネル
■（1983）町田市道・真米トンネル
■（1983）神戸高速道路井吹トンネル
■（1983）本四架橋鷲羽山トンネル
●（1984）北総線栗山トンネル
●（1986）東葉高速線習志野台トンネル
◆（1987）国分川分水路トンネル
○（1987）京葉線京橋（東京駅部）トンネル
■（1988）横浜横須賀道長浜トンネル
■（1989）都道網代トンネル
●（1990）札幌地下鉄月寒トンネル
■（1991）横浜市環状2号線港南トンネル
■（1992）本四公団舞子トンネル
国内初のNATMによる試験施工 国内初の中硬岩でのNATMの本格施工 道路トンネル初のNATMの施工
土被り2～15m，花崗岩が風化し固結度が極度に低下 した真砂土における施工
土被り2.5～12m，未固結地山（第四紀洪積砂層）で の施工
滞水洪積砂層（成田砂層），大断面NATM（145m2）， 初のサイロットNATMの施工
都市NATMの先駆け，初のNATMによる駅部の施工 初の市街地の地下鉄 NATM，複線→単線移行部に採 用
変形大断面，補助工法に垂直縫地ボルトを適用 注入式フォアポーリングを併用
初の中壁式（CD）工法の採用 めがね型NATM
2段双設トンネルの施工
長尺注入式フォアパイリング，切羽砂層に乾燥防止剤 吹付けを併用
初のCRD工法の採用
初のRJFP，ABフォアパイリングの採用
大都市部で初の都市NATM，垂直縫地ボルト，2段サ イロットを採用
マイクロパイル，大規模なRJFP，ロディンチューブ を採用
RJFP，ウレタン注入式フォアポーリングを採用 自穿孔型ウレタン注入式フォアポーリング，補助ロッ クボルトを採用
大断面双設，D.D.NATM，注入式フォアポーリング，
AGFの初めての採用 初のトレビチューブの採用
表 -2.2 NATM の 導 入 初 期 の 施 工 例 （ 鉄 道 ト ン ネ ル ）2)
NATM施 工 時 期 線 名 ト ン ネ ル
名
ト ン ネ ル 断 面
ト ン ネ ル 延 長 (m)
NATM 施 工 延
長 (m) 自 至 地 質 記 事 上 越
新 幹 線 中 山 新 幹 線
複 線 14,830 216 1976.5 1976.8 緑 色 凝 灰 岩 試 験 施 工
〃 〃 〃 〃 800 1977.5 1979.3 〃 〃
外 房 線 新 勝 浦 在 来 線
単 線 250 84 1977.9 1978.9 泥 岩 ・ 砂 岩 互 層
試 験 施 工 篠 ノ 井 線 第 三 白 坂 在 来 線
複 線 4,260 40 1977.12 1978.1 泥 岩 試 験 施 工 中 央 本 線 塩 嶺 在 来 線
複 線 5,994 40 1978.1 1978.1 泥 岩 ， 凝 灰 岩
試 験 施 工
〃 〃 〃 〃 120 1978.6 1978.7 〃 〃
会 津 線 向 山 在 来 線
単 線 1,045 970 1978.2 1979.3
流 紋 岩 ， ホ ル ン フ ェ
ル ス 外 房 線 新 第 一 浜 在 来 線
単 線 215 52.5 1978.4 1978.9 泥 岩 ・ 砂 岩 互 層
試 験 施 工 外 房 線 新 部 原 在 来 線
単 線 400 69 1978.4 1978.11 泥 岩 ・ 砂 岩 互 層
試 験 施 工 東 北
新 幹 線 第 一 平 石 新 幹 線
複 線 255 192.5 1978.5 1979.2 風 化 花 崗 岩
（ マ サ ） 東 北
新 幹 線 第 一 粟 須 新 幹 線
複 線 190 110.5 1978.7 1979.1 風 化 花 崗 岩
（ マ サ ） 智 頭 線 高 倉 山 在 来 線
単 線 2,487 414 1978.7 1979.5 粘 板 岩 日 豊 本 線 大 崎 在 来 線
単 線 470 40 1978.8 1978.11 凝 灰 角 礫 岩 試 験 施 工 会 津 線 大 戸 在 来 線
単 線 2,838 1,700 1978.8 1980.3
ホ ル ン フ ェ ル ス ， 火 山 礫 凝 灰 岩 外 房 線 新 第 二 浜 在 来 線
単 線 635 523 1978.11 1980.3 泥 岩 ・ 砂 岩 互 層 篠 ノ 井 線 第 一 白 坂 在 来 線
複 線 1,295 1,295 1978.12 1981.3 泥 岩 東 北
新 幹 線 第 二 平 石 新 幹 線
複 線 245 135 1979.2 1979.9 風 化 花 崗 岩
（ マ サ ） 室 蘭 本 線 蘭 法 華 在 来 線
複 線 320 245 1979.2 1979.11 火 山 灰 鷹 角 線 十 二 段 在 来 線
単 線 5,667 205 1979.3 1979.5 緑 色 凝 灰 岩 試 験 施 工
図 -2.1 設 計 の 手 順 （ 文 献 3) に 加 筆 ， 修 正 ）
表 -2.3 主 な 掘 削 工 法 3)
工 法 内 容
全 断 面 工 法 ト ン ネ ル 全 断 面 を 一 度 に 掘 削 す る 工 法 ． 地 山 の 自 立 性 が よ い 場 合 に 適 用 が 可 能 で あ る ． 同 一 横 断 面 に お け る 掘 削 の 繰 返 し が な く ， 隅 角 部 の 少 な い 形 状 に で き る た め ， 複 雑 な 土 圧 現 象 を 生 じ る こ と は な い ． ま た ， 掘 削 の 効 率 も よ い ． 山 岳 部 の ト ン ネ ル で は ，近 年 ，3m程 度 の ベ ン チ を 付 け た 補 助 ベ ン チ 付 き や 先 行 支 保 と の 組 合 せ で 全 断 面 工 法 が 多 く 採 用 さ れ る よ う に な っ て い る ． し か し ， 軟 質 な 地 山 を 対 象 と し ， 沈 下 量 に 対 す る 一 定 の 制 約 の あ る 都 市 部 の ト ン ネ ル に つ い て は ， ほ と ん ど 用 い ら れ て い な い ．
ロ ン グ ベ ン チ ベ ン チ 長 が 長 い （100m 以 上 ） ベ ン チ カ ッ ト 工 法 ． 山 岳 部 の ト ン ネ ル に お い て ， 全 断 面 で は 切 羽 が 自 立 し な い が ， イ ン バ ー ト 閉 合 の 必 要 が な い 程 度 に 地 山 が 安 定 し て い る 場 合 や ト ン ネ ル 延 長 が 短 い 場 合 に 用 い ら れ る ．し か し ，土 砂 地 山 が 多 く ， 地 表 面 沈 下 が 問 題 と な る 都 市 部 の ト ン ネ ル で は ほ と ん ど 用 い ら れ て い な い ．
シ ョ ー ト ベ ン チ ベ ン チ 長 が 10～50m程 度 の ベ ン チ カ ッ ト 工 法 ．比 較 的 広 範 囲 の 地 山 条 件 に 適 用 が 可 能 で あ り ， 都 市 部 の ト ン ネ ル で も 多 く 用 い ら れ て い る ． と く に 地 山 条 件 が 変 化 し ， 全 断 面 で は 切 羽 が 安 定 し な い 場 合 に は 有 効 な 掘 削 方 法 で あ る ． 周 囲 の 地 山 を 安 定 さ せ る た め に は ， 早 期 閉 合 が 基 本 で あ り ， 施 工 機 械 や 作 業 足 場 の 合 理 的 な 配 置 に よ り 極 力 ベ ン チ 長 を 短 く す る こ と が 必 要 で あ る ．
ベ ン チ カ ッ ト 工 法
ミ ニ ベ ン チ ベ ン チ 長 が 2m～ ト ン ネ ル 径 以 内 の ベ ン チ カ ッ ト 工 法 ．と く に 塑 性 化 が 懸 念 さ れ る 地 山 や 地 表 面 沈 下 が 問 題 と な る 地 山 で は イ ン バ ー ト の 早 期 閉 合 が 可 能 な こ の 方 法 が 有 利 で あ る ． し か し ， 足 場 面 積 が 少 な い こ と か ら 上 半 部 掘 削 方 法 を 検 討 し て お く 必 要 が あ る ．
CD工 法
（ セ ン タ ー ダ イ ヤ フ ラ ム ）
掘 削 断 面 を 左 右 に 分 割 す る 方 法 ． 断 面 の 中 央 部 に 縦 断 方 向 に 仮 壁 が で き る 点 に 特 徴 が あ る ． 掘 削 に あ た っ て は ， 一 般 に ベ ン チ カ ッ ト と な る た め ，各 断 面 は さ ら に 上 下 に も 分 割 さ れ る ． 中
壁 工 法
CRD工 法
（ ク ロ ス ダ イ ヤ フ ラ ム ）
CD工 法 で ，側 部 の 強 化 か ら 中 壁 と イ ン バ ー ト に よ り 断 面 を 6 分 割 し ， 掘 削 途 中 で 掘 削 断 面 が 縦 長 と な ら な い よ う な 掘 削 順 序 と す る と と も に ，掘 削 断 面 ご と に 断 面 を 閉 合 し て い く 工 法 ． 大 断 面 や 地 表 面 沈 下 の 制 限 が と く に 厳 し い ト ン ネ ル で 用 い ら れ る ．
導 坑 先 進 工 法
（ サ イ ロ ッ ト 工 法 な ど ）
導 坑 を 先 に 掘 進 し ， そ の あ と に 上 半 部 ， 下 半 部 の 掘 削 を 行 う 工 法 ． 大 断 面 ， 地 山 支 持 力 が 不 足 す る 場 合 や 地 表 面 沈 下 の 制 限 が と く に 厳 し い ト ン ネ ル で 用 い ら れ て き た ． 掘 削 ， 支 保 工 設 置 と い っ た 施 工 を 複 雑 に 繰 り 返 す た め ， 各 段 階 に お け る 切 羽 お よ び 支 保 工 の 安 定 ， 全 体 的 な 変 形 挙 動 ， 後 続 し て 施 工 さ れ る 掘 削 の 影 響 ， 支 保 工 に 設 け る 継 手 の 構 造 な ど を 検 討 す る 必 要 が あ る ．
表 -2.4 主 な 対 策 工 （ 文 献 3),4)に 加 筆 ， 修 正 ）(1)
目 的 施 工 の 安 全 確 保
周 辺 環 境 の 保 全
対 象 地 山 切 羽 安 定
対 策
工 法 解 説 天
端 の 安 定
鏡 面 の 安 定
脚 部 の 安 定
地 下 水 対 策
地 表 面 沈 下 対 策
近 接 構 造 物 対 策
硬 岩
軟 岩
土 砂
摘 要
フ ォ ア ポ ー リ ン グ
（ 充 填 式 ，注 入 式 ）
切 羽 面 か ら 上 半 ア ー チ 外 周 に 5m 程 度 以 下 の 長 さ の ボ ル ト ， 鉄 筋 ， パ イ プ な ど を 施 工 す る こ と に よ り ， 天 端 の 見 か け の せ ん 断 強 度 の 増 大 ， 前 方 地 山 の 緩 み 防 止 な ど を 期 待 す る 工 法 で あ る ．
○ ○ ○ ○
長 尺 フ ォ ア パ イ リ ン グ
（ 注 入 式 ）
ト ン ネ ル 外 周 部 に 直 径 50～125mm の 長 尺 鋼 管 を 打 設 し た う え で 鋼 管 内 か ら 注 入 を 行 い ， 鋼 管 の 剛 性 と 地 山 改 良 効 果 に よ り 地 表 面 沈 下 を 抑 制 す る も の で あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ *2
パ イ プ ル ー フ
ト ン ネ ル 掘 削 に 先 立 ち 掘 削 断 面 外 周 に 沿 っ て 鋼 管 を 一 定 間 隔 で 挿 入 設 置 し ， 鋼 管 内 よ り セ メ ン ト ミ ル ク ま た は モ ル タ ル を 注 入 充 填 し パ イ プ 外 囲 の 地 山 の せ ん 断 強 度 を 増 す と と も に パ イ プ と 地 山 を 一 体 化 し て ト ン ネ ル 掘 削 面 の 外 周 に 完 全 な 防 護 を 形 成 す る 工 法 ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
水 平 ジ ェ ッ ト グ ラ ウ ト
（ 噴 射 撹 拌 ）
掘 削 に 先 行 し て 切 羽 前 方 の ト ン ネ ル 外 周 部 に 長 さ10m～15m程 度 の 鋼 管 を ア ー チ 状 に 造 成 す る 工 法 ． 改 良 体 の 造 成 は ， 切 羽 側 よ り 削 孔 と 同 時 に 硬 化 剤 （ セ メ ン ト グ ラ ウ ト ） を 高 圧 噴 射 攪 拌 す る 方 法 と 先 端 ま で 削 孔 後 に 切 羽 に 向 け て 高 圧 噴 射 攪 拌 す る 方 法 が あ る ． ト ン ネ ル 横 断 方 向 に ア ー チ 状 の 連 続 体 を 造 成 す る こ と が 可 能 で あ る が ， 地 山 条 件 に よ っ て は 計 画 ど お り の 大 き さ の 改 良 体 が 造 成 さ れ ず 完 全 な 連 続 体 と は な り に く い 場 合 も あ る ． 補 強 鋼 管 を 挿 入 し ， 縦 断 方 向 の 剛 性 を 高 め る 場 合 も あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ ○ *1
先 受 け 工
ス リ ッ ト コ ン ク リ ー ト
切 羽 前 方 地 山 で 掘 削 予 定 部 分 の 外 周 部 に ， ア ー チ シ ェ ル 状 の 薄 肉 覆 工 を あ ら か じ め 施 工 し て ， 掘 削 時 の 切 羽 安 定 ， 地 表 面 沈 下 抑 制 を 図 る も の ． 地 表 面 沈 下 抑 制 効 果 は 大 き い が ， 専 用 機 が 必 要 で あ る ． 現 時 点 で は ，1 シ フ ト で の 長 さ が 短 い た め ， 施 工 速 度 が 若 干 遅 い ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
核 残 し 切 羽 面 の 安 定 を 図 っ て ， ト ン ネ ル 掘 削 断
面 の 中 央 部 分 を 残 す 方 法 ． ○ ○ ○
鏡 吹 付 け コ ン ク リ ー ト
掘 削 直 後 の 鏡 面 に3～10cm程 度 の 吹 付 け コ ン ク リ ー ト を 行 い ， 切 羽 の 自 立 を 図 る 工 法 ．
○ ○ ○ ○
鏡 ボ ル ト 鏡 の 一 部 ま た は 全 体 に ロ ッ ク ボ ル ト を 打
設 し て ， 鏡 の 安 定 を 得 よ う と す る 工 法 ． ○ ○ ○ ○ 鏡
面 の 補 強
長 尺 鏡 ボ ル ト
鏡 の 一 部 ま た は 全 面 に ボ ル ト（5mよ り 長 い も の ） な ど を 打 設 し て ， 鏡 の 安 定 や 地 表 面 の 沈 下 抑 制 に 用 い ら れ る も の で あ る ．
○ ○ ○ ○ ○
表 -2.4 主 な 対 策 工 （ 文 献 3),4)に 加 筆 ， 修 正 ）(2)
目 的 施 工 の 安 全 確 保
周 辺 環 境 の 保 全
対 象 地 山 切 羽 安 定
対 策
工 法 解 説 天
端 の 安 定
鏡 面 の 安 定
脚 部 の 安 定
地 下 水 対 策
地 表 面 沈 下 対 策
近 接 構 造 物 対 策
硬 岩
軟 岩
土 砂
摘 要
脚 部 補 強 ボ ル ト ，パ イ ル
上 半 盤 支 保 工 接 地 部 の 応 力 集 中 の 緩 和 や ， 下 半 掘 削 時 の 地 山 崩 落 防 止 な ど の 目 的 で ， 支 保 工 脚 部 に 下 向 き に ロ ッ ク ボ ル ト ， 小 口 径 鋼 管 を 施 工 す る 方 法 で あ る ．
○ ○ ○ ○ *2
脚 部 の 補
強 上 半 仮 イ ン バ ー ト
吹 付 け コ ン ク リ ー ト を 用 い て 上 半 盤 を 仮
閉 合 す る も の で あ る ． ○ ○ ○ ○
水 抜 き ボ ー リ ン グ
ボ ー リ ン グ を 行 い ， 水 を 抜 き ， 水 圧 や 地
下 水 位 を 下 げ る 工 法 ． ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ *2
ウ ェ ル ポ イ ン ト
集 水 管 （ ウ ェ ル ポ イ ン ト ） を 地 山 に 設 置 し ， 地 山 に 負 圧 を か け て 地 下 水 を 吸 引 す る 方 法 ．地 下 水 位 低 下 は 5～8mが 限 度 と い わ れ て い る ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
デ ィ ー プ ウ ェ ル
外 径 300mm 程 度 の 深 井 戸 を 掘 り ， 水 中 ポ ン プ に よ っ て 排 水 す る 工 法 で あ る ． デ ィ ー プ ウ ェ ル は ， ほ ぼ 一 定 間 隔 で 設 置 し な け れ ば よ い 効 果 が 得 ら れ な い の で ， 地 表 に 建 物 な ど の 支 障 物 が あ る 場 合 に は ， 配 置 な ど に 特 別 の 配 慮 が 必 要 で あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
排 水
水 抜 き 坑
と く に 湧 水 量 が 多 い 場 合 に ， 小 断 面 導 坑 を 先 進 さ せ て 水 を 抜 く 工 法 で あ り ， 水 抜 き ボ ー リ ン グ と 併 用 さ れ る こ と が 多 い ．
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ *1
注 入
切 羽 前 方 や 周 辺 の 地 山 中 に セ メ ン ト ミ ル ク な ど の 非 薬 液 系 材 料 や 水 ガ ラ ス 系 の 薬 液 な ど を 注 入 し ， 地 山 の 亀 裂 や 空 隙 な ど の 水 み ち を 閉 塞 す る こ と に よ り 地 山 の 透 水 性 を 低 下 さ せ ，止 水 を 図 る も の で あ り ， 湧 水 量 の 低 減 と 地 盤 改 良 効 果 に よ り 切 羽 安 定 対 策 と し て も 確 実 性 の 高 い 工 法 で あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ *1
地 下 水 位 対 策
止 水
遮 断 壁
既 設 構 造 物 と ト ン ネ ル の 間 を 遮 断 す る こ と に よ り 変 位 の 伝 播 や 地 下 水 の 低 下 を 抑 え る 工 法 で ，遮 断 壁 の 種 類 に よ り 鋼 矢 板 ， 柱 列 杭 ， 噴 射 攪 拌 ， 鋼 管 杭 な ど が あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
注 入
地 山 の 強 化 に よ る ア ー チ ア ク シ ョ ン 効 果 を 期 待 し て 地 表 面 沈 下 対 策 と し て 用 い ら れ る 場 合 と ト ン ネ ル 掘 削 時 の 地 下 水 位 低 下 に よ る 粘 性 土 の 圧 密 沈 下 を 防 止 す る 場 合 が あ る ． こ の た め ， 目 的 に 合 っ た 注 入 材 料 ，施 工 法 を 選 定 し な け れ ば な ら な い ．
○ ○ ○ ○ ○ *1
凍 結
帯 水 砂 層 を 一 時 的 に 凍 結 さ せ て 止 水 す る 工 法 ．確 実 で あ る が ，高 価 で あ る ．ま た ， 凍 上 や 膨 張 圧 の 問 題 を 考 慮 す る 必 要 が あ る ．
○ ○ ○ ○ ○ ○ *1
地 山 補 強
垂 直 縫 地
ト ン ネ ル の 掘 削 に 先 立 ち ， あ ら か じ め 地 表 か ら ほ ぼ 鉛 直 に 鉄 筋 な ど を ボ ー リ ン グ に よ り 建 込 み ， モ ル タ ル も し く は セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し て ， 地 山 の せ ん 断 強 度 の 改 良 を 図 る 工 法 ．
○ ○ ○ ○ *1
注 ） ○ ： 比 較 的 よ く 採 用 さ れ る 工 法
*1： 通 常 の ト ン ネ ル 施 工 機 械 設 備 ， 材 料 で 対 処 が 困 難 な 対 策
*2： 適 用 工 法 に よ っ て ， ト ン ネ ル 施 工 機 械 設 備 ， 材 料 で 対 処 が 異 な る 工 法
2-2-2 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 に お け る 現 状 と 課 題
我 が 国 に お け る NATM は 1976年 に 試 験 的 に 導 入 さ れ ，以 後 ，急 速 に そ の 実 施 例 が 増 加 し ， そ れ と と も に 発 展 し ， 普 及 し て ， 現 在 で は 山 岳 ト ン ネ ル の 標 準 工 法 に な る ま で に な っ た ． 一 方 ， シ ー ル ド 工 法 は 1960 年 代 か ら 名 古 屋 地 下 鉄 を は じ め と し て 大 都 市 の 地 下 鉄 ， 上 下 水 道 ， 電 力 通 信 な ど の 都 市 ト ン ネ ル の 施 工 に 本 格 的 に 採 用 さ れ ， 以 後 ， 都 市 ト ン ネ ル の 代 表 的 工 法 と し て 今 日 に 至 っ て い る ．
近 年 ，コ ス ト の 低 減 を 目 指 し ，ま た ，対 策 工 の 進 歩 や 発 展 か ら ，NATM は よ り 軟 弱 な 地 盤 へ と そ の 適 用 範 囲 を 広 げ ，NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 で は 両 工 法 が 競 合 し て 施 工 さ れ ， 両 者 の 境 界 は 不 明 瞭 に な る と と も に ， 施 工 法 の 選 定 ， ト ン ネ ル 覆 工 体 の 設 計 法 ， ト ン ネ ル に 作 用 す る 荷 重 の 評 価 方 法 な ど が 大 き な 課 題 に な っ て き て い る ．5),6)
「 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 ・ 同 解 説 」3)で は ， 鉄 道 ト ン ネ ル に お い て ， 地 山 の 一 軸 圧 縮 強 度 ， 土 被 り と ト ン ネ ル 施 工 法 と の 関 係 を図 -2.2 の よ う に 示 し て い る が ， こ こ で も 両 工 法 の 境 界 が 不 明 瞭 と な っ て い る 現 状 が う か が え る ．
図 -2.2 地 山 の 一 軸 圧 縮 強 度 ， 土 被 り と ト ン ネ ル 施 工 法 と の 関 係 3)
両 工 法 の 境 界 領 域 に お け る 最 適 な 設 計 や 施 工 法 に つ い て は ， 従 来 か ら 大 き な 課 題 と し て あ げ ら れ て き た と こ ろ で あ る が ， 近 年 に な っ て よ う や く 課 題 の 整 理 が 始 ま り ，検 討 の 緒 に つ い た と こ ろ で あ る ．具 体 的 に は ，土 木 学 会「 都 市 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 － 設 計 法 の 現 状 と 課 題 － 」5)で は ，都 市 NATMと シ ー ル ド 工 法 の 施 工 実 績 の 分 析 を 行 う と と も に ，設 計 法 に お け る 課 題 な ど を 示 し て い る ．
題 － 」6)で は ，NATM と シ ー ル ド 工 法 の 両 者 が 適 用 さ れ る 地 盤 ， い わ ゆ る 洪 積 地 盤 や 第 三 紀 の 固 結 度 の 低 い 地 盤 を 主 な 対 象 と し て ， こ れ ら の 地 盤 中 に 構 築 さ れ る ト ン ネ ル の 設 計 法 お よ び 支 保 工 や 覆 工 の 設 計 に 用 い る 荷 重 の 評 価 方 法 に つ い て 検 討 し て い る ．表 -2.5は 両 工 法 の 設 計 モ デ ル の 考 え 方 を ，表 -2.6 は 設 計 法 と 設 計 用 荷 重 に 関 す る 課 題 を そ れ ぞ れ 示 し た も の で あ る ．
表 -2.5 都 市 NATM と シ ー ル ド 工 法 の 設 計 モ デ ル の 比 較 6)
都 市 NATM シ ー ル ド 工 法
支 保 工 ： 一 次 覆 工
構 造 体： 地 山 ＋ 支 保 工 ＋ 加 背 割 ＋ 補 助 工 法
設 計 ・ 解 析 法： 有 限 要 素 解 析 （ 類 似 設 計 参 照 ）
解 析 モ デ ル： 地 盤 （ 加 背 割 ） ＋ 支 保 工 荷 重 モ デ ル： 応 力 解 放 率
本 設 ， 仮 設： 仮 設 （or本 設 ？ ）
力 学 的 機 能： 掘 削 時 の 地 山 の 変 形 制 御 と 地 山 安 定 保 持
（ 泥 水 圧 ・ 泥 土 圧 ＋ シ ー ル ド 機 鋼 殻 ） 構 造 体： 泥 水 圧 ・ 泥 土 圧 ＋ シ ー ル ド
機 鋼 殻 （ ＋ 裏 込 め 注 入 圧 ） 設 計 ・ 解 析 法：（ 有 限 要 素 解 析 ）
解 析 モ デ ル： 地 盤 の み 荷 重 モ デ ル： 掘 削 解 放 率 本 設 ， 仮 設： 仮 設
力 学 的 機 能： 掘 削 時 の 地 山 の 変 形 制 御 と 地 山 安 定 保 持
覆 工 ： 二 次 覆 工 構 造 体： 覆 工
設 計 ・ 解 析 法： 骨 組 構 造 解 析
解 析 モ デ ル：覆 工（ ＋ 支 保 工 ）（ ＋ 地 盤 ば ね ）
荷 重 モ デ ル：自 重 ＋（ 土 荷 重 ）＋（ 水 圧 ）
＋ （ 地 盤 反 力 ）
設 定 土 荷 重 （ 全 土 被 り or ゆ る み 荷 重 or な し ）
載 荷 水 位 ＝ 初 期 水 位 ， 回 復 途 中 水 位 土 水 分 離
本 設 ， 仮 設： 本 設
力 学 的 機 能：（ 土 ）水 圧 支 持 ，付 加 荷 重 支 持
一 次 覆 工 ： セ グ メ ン ト
構 造 体： セ グ メ ン ト （ ＋ 裏 込 め ） 設 計 ・ 解 析 法： 骨 組 構 造 解 析
解 析 モ デ ル： セ グ メ ン ト （ ＋ 地 盤 ば ね ） 荷 重 モ デ ル： 自 重 ＋ 水 圧 ＋ （ 土 荷 重 ） ＋
（ 地 盤 反 力 ）
設 定 土 荷 重 （ 全 土 被 り orゆ る み 荷 重 ） 載 荷 水 位 ＝ 全 水 位
土 水 分 離 or 土 水 一 体 本 設 ， 仮 設： 本 設
力 学 的 機 能： 土 水 圧 支 持 ， 付 加 荷 重 支 持
（ 二 次 覆 工 ）： 省 略 す る 場 合 が 多 い
構 造 体： 覆 工 （ 無 筋 ， 有 筋 ， 網 金 コ ン ク リ ー ト ）
構 造 体 と 見 な す 場 合 or 見 な さ な い 場 合 or 一 部 見 な す 場 合 が あ る ．
設 計 ・ 解 析 法： ― 荷 重 モ デ ル： ― 本 設 ， 仮 設： ―
力 学 的 機 能： 付 加 荷 重 支 持
（ ） 内 は 場 合 に よ る
表 -2.6 都 市 NATM と シ ー ル ド 工 法 と の 境 界 領 域 の 課 題 5),6)
都 市 NATM シ ー ル ド 工 法
設 計 法 設 計 の 対 象 と す る 構 造 部 材 と し て ト ン ネ ル 周 辺 の 地 山 と 支 保 工
（ お よ び 覆 工 ） が あ げ ら れ ， 外 的 作 用 は 切 羽 や 空 洞 表 面 の 解 放 変 位 や 解 放 力 が 考 え ら れ る ．
↓
設 計 の 対 象 と す る 構 造 部 材 と し て 一 次 覆 工 （ セ グ メ ン ト ） が あ げ ら れ ， 外 的 作 用 は 周 辺 地 山 の 状 況 に よ っ て 定 ま る 土 圧 や 水 圧 ， 施 工 時 荷 重 （ 裏 込 め 注 入 圧 ， ジ ャ ッ キ 推 力 な ど ） が 考 え ら れ る ．
↓
単 純 に 両 者 を 統 一 的 に み て 設 計 法 を 定 め る こ と は 難 し い ．さ ら に 工 法 の 違 い に よ っ て 設 計 の 対 象 物 や 外 的 作 用 が 異 な る こ と も さ る こ と な が ら ，工 法 の 違 い に よ り ，支 保 工 や 覆 工 に 作 用 す る 土 圧 は 経 時 的 に も 複 雑 に 変 化 す る ．
設 計 用 荷 重 覆 工 に 作 用 す る 荷 重 が 十 分 な 精 度 で 予 測 が 可 能 な ら ば ， 用 途 と 環 境 条 件 に 応 じ た 安 全 代 を 加 味 し て 設 計 用 荷 重 と し て 設 定 す る こ と は で き る が ， 覆 工 に 作 用 す る 荷 重 の 計 測 デ ー タ は ほ と ん ど な く ， 設 計 荷 重 の 設 定 に 用 い る ほ ど の デ ー タ の 信 頼 性 は 確 保 さ れ て い な い ．
掘 削 時 の 計 測 に 比 べ て 覆 工 に 関 す る 計 測 は 極 端 に 少 な く ， こ れ ら の バ ッ ク デ ー タ と な る 資 料 が ほ と ん ど 存 在 し な い ． 覆 工 に 作 用 す る 土 水 圧 や ， 覆 工 内 応 力 の 計 測 を 積 極 的 に 行 い ， デ ー タ を 蓄 積 し な い 限 り ， 数 値 解 析 や 室 内 実 験 の み で こ れ ら の 課 題 を 明 ら か に す る こ と は 難 し い ．
粘 性 土 は 土 水 一 体 と し て 側 方 土 圧 係 数 を 乗 じ て い る ． 土 水 一 体 型 の 考 え 方 が 開 放 型 シ ー ル ド を 念 頭 に 設 定 さ れ た と す れ ば ， 地 盤 の 硬 軟 に 関 わ り な く ， 密 閉 型 シ ー ル ド が 用 い ら れ る 現 在 で は ， 掘 削 に よ る ト ン ネ ル 周 辺 の 地 下 水 の ト ン ネ ル 内 へ の 移 動 は な い ． 長 期 の 設 計 は 地 盤 に よ ら ず ， 土 水 分 離 の 方 が 合 理 的 で あ る と 考 え ら れ る ．
2-3 三 本 木 原 ト ン ネ ル に お け る NATM の 施 工 と 課 題 お よ び そ の 対 策
2-3-1 東 北 新 幹 線 （ 八 戸 ・ 新 青 森 間 ） の 概 要
東 北 新 幹 線 は ， 国 民 経 済 の 発 展 お よ び 国 民 生 活 の 拡 大 な ら び に 地 域 の 振 興 を 図 る た め ，「 全 国 新 幹 線 鉄 道 整 備 法 」に も と づ い て 建 設 す る 新 幹 線 鉄 道 で あ る ．東 京 都 を 起 点 ，青 森 市 を 終 点 と し ，宇 都 宮 市 ，仙 台 市 ，盛 岡 市 を 通 過 す る 延 長 約 675km の 路 線 で あ る ．
東 北 新 幹 線 の う ち 八 戸 駅 と 新 青 森 駅 と の 間 は ， 平 成 10 年 3 月 に 工 事 実 施 計 画 の 認 可 を 受 け ，現 在 ，建 設 を 進 め て い る ．表 -2.7 は 建 設 の 経 緯 を ，表 -2.8は そ の 概 要 を ，図 -2.3 は 路 線 の 平 面 と 主 な 構 造 物 を そ れ ぞ れ 示 し た も の で あ る ．ト ン ネ ル 構 造 物 の 占 め る 割 合 は ， 全 延 長 81.2 km の う ち 49.9km で 61%と 大 き い ．
表 -2.7 東 北 新 幹 線 （ 八 戸 ・ 新 青 森 間 ） の 建 設 の 経 緯 昭 和 47 年 6 月 29 日 基 本 計 画 の 決 定 お よ び 調 査 の 指 示
昭 和 48 年 11月 13 日 整 備 計 画 の 決 定 お よ び 建 設 の 指 示 昭 和 60 年 12 月 4 日 工 事 実 施 計 画 の 認 可 申 請
平 成 3年 8 月 8 日 暫 定 整 備 計 画 （ 新 幹 線 鉄 道 直 通 線 ） の 決 定 お よ び 建 設 の 指 示
平 成 3年 8 月 9 日 工 事 実 施 計 画 の 認 可 申 請 平 成 3年 8 月 22 日 工 事 実 施 計 画 の 認 可
平 成 7年 4 月 21 日 暫 定 整 備 計 画 （ 新 幹 線 鉄 道 直 通 線 ） の 建 設 の 指 示 の 撤 回
平 成 10 年 2 月 19 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 1） の 追 加 認 可 申 請 平 成 10 年 3 月 12 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 1） の 認 可
平 成 11年 4 月 26 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 2） の 追 加 認 可 申 請 平 成 11年 5 月 12 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 2） の 認 可
平 成 13 年 4 月 25 日 工 事 実 施 計 画 の 変 更 認 可 申 請 平 成 13 年 4 月 25 日 工 事 実 施 計 画 の 変 更 認 可
平 成 17 年 12 月 9 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 2） の 追 加 認 可 申 請 平 成 17 年 12 月 26 日 工 事 実 施 計 画 （ そ の 2） の 認 可
