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トンネル工法の概要と 山岳トンネルの地質調査・地山評価
- 先進ボーリング調査・試験を活用するために -
北電総合設計株式会社 森藤 勉
平成26年7月5日
⑥ 施工中の地質調査(切羽前方探査)
⑦ 水文調査
⑧ 立地条件の調査(トンネル周辺の環境調査)
(4) 先進ボーリングに関する調査・試験
① 先進ボーリング調査・試験の目的とおもな項目
② ボーリングコア観察・RQD
③ 原位置試験(孔内水平載荷試験・速度検層)
④ 室内試験-1(一軸、超音波速度、密度)
⑤ 室内試験-2(スレーキング・浸水崩壊度)
⑥ 室内試験-3(吸水膨張、粉末X線回折)
⑦ 化学分析(重金属等の含有量・溶出量)
(5) トンネルの地山評価
① 調査結果の整理(事実と解釈、設計・施工へ)
② 地山評価の方法
③ 地山分類による地山評価
④ 地山分類表(地山等級区分)
⑤ 経験的な指標(特殊な地山条件)
(6) 設計・施工 の参考資料
① NATM工法の一般的な流れ
② 掘削工法、掘削方式
③ 坑口部の区間
④ 補助工法
(1) トンネルとは? 1)一般に ・2地点間の交通と物資の輸送 あるいは貯留などを目的とし、 建設される地下の空間 ・断面の高さあるいは幅に比べて 軸方向に細長い地下空間 ・立坑、斜坑、地下発電所なども含む 2)1970年のOECDトンネル会議 ・計画された位置に所定の断面寸法 をもって設けられた地下構造物 ・仕上がり断面積が2m2以上のもの 3)トンネル技術協会 ・2)に加え、 ・地中の管路については、仕上がり 断面の直径が0.8m以上 ・鉱山における坑道等は含まない 出典:一般社団法人トンネル技術協会 HPより
表 トンネルのいろいろな呼び名
軸方向の長さ 高さ
幅
注)道路トンネル では異なる
(2) トンネル工法 ①おもな3種類の工法(山岳、シールド、開削) ★山岳工法 ・矢板工法(木製支保工)(1950年頃まで) ・矢板工法(鋼製支保工)(1970年代前半まで) ・NATM工法 (1970年代後半以降)
★シールド工法 ・シールドマシンの前方部で地山の崩壊を 防ぎながら掘削・推進し、その後方部で セグメントをはめ込む覆工する
★開削工法 ・地面を掘り返してトンネルを構築し埋め戻す
☆沈埋工法 ☆ケーソン工法
★トンネル工法 の比較
★ シールド工法の例(1)
泥水式シールド機
土圧式シールド機
おもなシールド工法 の分類
泥土加圧シールド工法のイメージ図
セグメント
面板(回転部)
★ シールド工法の例(2)
泥水式シールド工法の全容
断面図 覆工(セグメント) 鋼製セグメント
RCセグメント
★ 開削工法の例
② 山岳工法の概要 1)山岳工法とは ・文字どおり、山岳部にトンネルを掘るための工法 ・横方向にトンネルを掘り進めながら、その後方に 支保工を設けて掘削面を支える ・最後に覆工を巻いて仕上げる
2)これまでの支保工(矢板工法≒在来工法) ・木製支保工(1950年頃まで) ・鋼製支保工(1970年代前半まで)
★ 矢板工法(鋼製支保工)の手順 ・掘削後、地山崩落防止のため鋼製支保工を立て込む ・地山と鋼製支保工の間に矢板を挿入し、鋼製支保工 間の地山を固定(矢板を地山に当てた後、次の鋼製 支保工を立て込む場合あり)
★ 矢板工法の短所 ・地山と支保工の間に空隙が残るのが通例 ・周辺地山を緩め、支保工への荷重が増加しやすい ・支保工に応力集中、アーチ構造としての耐荷力低下 ・裏込め注入しても空隙を完全に充填するのが困難 ・中~大断面では、施工性が悪く、長い工期を要する ★ 矢板工法の長所 ・掘削断面が小さく、機械施工の選定制約がある場合 ・高圧多量の湧水かつ排水工の効果が不十分な場合 ・吹付けコンクリートの施工が困難な場合
矢板工法の構成部材 支保工図の例
★ NATM工法(New Austrian Tunneling Method) ・トンネル周辺の地山の支保機能を有効に活用する ・掘削後、吹付けコンクリート、ロックボルト、鋼製 支保工により地山の安定を確保して掘進する
★ NATM工法の適用条件(地山条件) ・掘削時の切羽が自立することが前提 ・周辺地山の支保機能よりグランドアーチが形成され ることが基本である。
★ NATM工法の適用範囲の拡大 ・切羽の安定性を向上される補助工法の技術的な進歩 ・都市部の未固結地山、土被りの小さな場所で施工事 例が増加(従来はシールド・開削工法が通例)
★ NATM工法のおもな原理(在来工法との比較)
トンネル構造物の考え方
1.トンネルを支保するのは基本的には周囲の岩盤
2.岩盤がもともと有している強度できるだけ損なわない
トンネル周辺の緩み
3.岩盤の緩みは、極力、防がなければならない
緩みによる覆工規模
岩盤中に生成される支持リング
5.岩盤の変形は抑えるようにしなければならない
4.岩盤は三軸状態で安定、一軸・二軸応力状態を避ける
★ NATM工法の支保工・標準支保パターン <1>
道路トンネル(中断面の標準的な支保パターンの例)
★ NATM工法の支保工・標準支保パターン <2>
新幹線トンネル(中断面の標準的な支保パターンの例)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <1>
支保パターン:CⅠ (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <2>
支保パターン:CⅡ-b (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <3>
支保パターン:CⅡ-b-i (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <4>
支保パターン:DⅠ-b (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <5>
支保パターン:DⅡ (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <6>
支保パターン:E (断熱材なし)
★ NATM工法・道路トンネルの標準断面の例 <7>
支保パターン:DⅢ (断熱材あり)
(坑口)
(フォアポーリング)
(3) 山岳トンネルの地質調査 ★ 地山条件の調査 ・地形、地質、地質構造、水文など ・トンネル周辺や工事に影響及ぼす条件 ★ 立地条件の調査 ・自然環境、社会環境、生活環境
① 地山条件の調査の流れ <1> ★ 調査の目的と精度
① 地山条件の調査 の流れ <2> ★ 地山条件調査の流れ
② トンネル周辺や工事に影響を及ぼす条件 ★ 特殊な地山条件
<1>
② トンネル周辺や工事に影響を及ぼす条件 ★ 留意すべき設計・施工条件
<2>
③ 地質調査の項目、利用法、問題点、適用段階 <1>
③ 地質調査の項目、利用法、問題点、適用段階 <2>
③ 地質調査の 項目、 利用法、 適用段階
<3>
★地山条件、 調査項目と 調査法の 関係
④ 路線選定のための地形と地質の調査 ★ おもな目的 ・トンネル周辺の地山条件の概要を把握 ・複数の計画路線から選定 ・問題点の整理とその後の調査計画立案 ★ おもな調査方法 ・資料調査 ・空中写真判読 ・地表地質踏査 ・物理探査(弾性波探査・・) ・ボーリング調査 ・標準貫入試験
⑤ 設計・施工計画のための地質調査 ★ おもな目的 ・トンネル地山条件の全容を把握 ・設計施工に必要な基礎資料を得る ・段階的に実施し、精度を高める ★ おもな調査方法 ・地表地質踏査 ・物理探査(弾性波探査、電気探査・・) ・ボーリング調査 ・原位置試験(速度検層、電気検層・・・) ・室内試験(物理、力学、劣化、膨張性・・) ・化学分析(重金属等、水質・・)
⑥ 施工中の地質調査(切羽前方探査) ★ おもな目的 ・施工事前に不可能だった調査を実施 ・施工事前に予想されなかった問題に 対して調査する ・トンネルを安全かつ経済的に施工する ★ おもな調査方法 ・物理探査(弾性波速度、比抵抗・・・) ◎先進ボーリング調査(地質、地下水・) ・原位置試験(強度、変形係数、緩み・・) ・室内試験(物理、力学、劣化、膨張性・・) ・化学分析(重金属等、水質・・)
★切羽前方探査技術 の現状と評価 (施工中の坑内から 実施する調査技術)
⑦ 水文調査 ★ おもな目的 ・坑内湧水量の予測 ・設計、施工上の問題点を把握 ・周辺環境への影響を把握 ★ おもな調査方法 ・資料調査 ・事例調査 ・水文地質調査 ・水収支 ・水文環境(水源、水利用) ★ 実施段階 ・路線選定~設計・施工~維持管理
★水文調査の概要
⑧ 立地条件の調査(トンネル周辺の環境調査) ★ おもな目的 ・トンネルルートの施工に関わる範囲に ついて、自然環境、社会環境、生活環境 および工事を規制する法規の情報取得 ★ おもな調査方法 ◎生活環境調査 ・騒音、振動 ・渇水 ・地盤沈下 ・汚濁水 ・交通障害 ・鉱染、重金属 ◎環境影響評価(環境アセスメント) ★ 実施段階 ・路線選定~設計・施工~維持管理
★トンネル周辺の 環境調査項目
(4) 先進ボーリングに関する調査・試験
① おもな目的と項目 <目的> ・施工事前に不可能だった調査を実施 ・施工事前に予想されなかった問題に 対して調査する ・トンネルを安全かつ経済的に施工する <調査・試験項目> ・先進ボーリング調査 ・原位置試験 ・室内試験 ・化学分析
② ボーリングコア観察・RQD
★ ボーリングコア観察のおもな着目点 ・岩種区分 ・塊状岩盤か層状岩盤か ・硬軟 ・コア形状(割れ目間隔、頻度) ・割れ目の状態(風化、劣化、粘土化) ・風化の状態(岩盤のサビ方) ・変質の状態(岩盤劣化の一要因) ・色調(新鮮色、風化・変質色) ・RQD「(5)と(10)」(割れ目頻度) ・断層、破砕部、脈、鉱物などの存在
RQDの定義 → 岩盤の不連続性 割れ目の頻度 ・RQD(10) コア長10cm以上のものを扱う ・RQD(5) コア長 5cm以上のものを扱う 北海道開発局の道路トンネルを調査対象と する場合、地山を評価する際の1指標
★ RQD<1>
RQDは万能か? 注意点 すべて → RQD(10)=0 ↓割れ目とボーリングの方向
★ RQD<2>
③ -1原位置試験 ★孔内水平載荷試験<1>
★求まる物性値 ★結果の利用 ○岩盤の強度 ・降伏応力(Py) ≒準岩盤圧縮強度 σc* ○岩盤の変形性 ・変形係数(E*)
★孔内水平載荷試験<2>
★ボーリング区間のどの位置で試験をするか?
③ -2原位置試験 ★孔内速度検層<1>
★求まる物性値 ○地山弾性波速度 (P波速度 Vp*) ↓ ★結果の利用(解釈) ○岩盤等級の1指標 ○亀裂係数K ○岩石の一軸圧縮強度 →準岩盤圧縮強度 ○岩石の変形係数 →岩盤の変形係数
★孔内速度検層<2> ○施工事前に弾性波探査を実施しているけれど? ・起振点も受振点も地表である ・受振点間隔5~10mを反映した精度 ・地表から深いと精度が落ちる ・右図の条件 では× ○孔内速度検層 ・受振点が 孔内 ・測定間隔が 1~2mと密
④ 室内試験-1(一軸、超音波速度、密度)
★求まる物性値 ○一軸圧縮試験 → 岩石の一軸圧縮強度 岩石の変形係数 ○超音波伝播速度試験 → 岩石のP波速度Vp 岩石のS波速度Vs ○密度試験 → 岩石の密度 ★結果の利用(解釈) ○岩石の一軸圧縮強度 → 準岩盤圧縮強度 ○岩石の変形係数 → 岩盤の変形係数 ○岩石のVpと地山のVp* → 亀裂係数K ○強度・土被り・密度 → 地山強度比α
④ 室内試験-2(スレーキング・浸水崩壊度)
★求まる物性値 ○スレーキング試験 → スレーキング指数 (地盤工学会ほか) (0,1,2,3,4の5段階) ○浸水崩壊度試験 → 浸水崩壊度 (旧鉄建公団) (A,B,C,Dの4段階) ★結果の利用(解釈) ○岩盤の劣化のしやすさ(細粒化) ○岩石の水に対する影響(水による劣化) ○地山の膨張性(押し出し性・吸水膨張) ★設計・施工(短期的・長期的) ○インバートの設置検討 ○地山の膨張性を考慮
④ 室内試験-3 (吸水膨張・粉末X線回折)
★求まる物性値 ○吸水膨張試験 → 吸水膨張率(%) ○粉末X線回折試験 → 鉱物の種類と相対量 膨潤性粘土鉱物の有無 (スメクタイト≠モンモリロナイト) ★結果の利用(解釈) ○地山の膨張性(吸水膨張) ○岩石の水に対する影響(水による劣化) ★設計・施工(短期的・長期的) ○インバートの設置検討 ○地山の膨張性を考慮
⑤化学分析 (重金属等の含有量・溶出量)
★ 土壌汚染の環境リスクと特定有害物質
★ 土木工事と土壌汚染対策法の関係
環境省 ★土壌汚染対策法(平成15年度) ・自然由来の重金属等については対象外 ・土壌を対象 ★土壌汚染対策法の改正・施行(平成22年度) ・自然由来の重金属等についても対象 ・相変わらず土壌を対象(岩は対象外) 土木研究所(国交省、平成22年) ★建設工事における自然由来重金属等含有 岩石・土壌への対応マニュアル(暫定版) ・固結した岩石や海成堆積物も対象
(5) トンネルの地山評価
① 調査結果の整理(事実と解釈、設計・施工へ)
② 地山評価の方法
③ 地山分類による地山評価
④ 地山分類表(地山等級区分)
⑤ 経験的な指標(特殊な地山条件)
(6) 設計・施工 の参考資料
① NATM工法の一般的な流れ
② 掘削工法、掘削方式
③ 坑口部の区間 ④ 補助工法