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