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超大断面トンネルの設計・施工に関する検証
田口敬二
松井匡宏

キーワード:超大断面トンネル、三次元FEM解析、温度応力解析、温度ひび割れ対策

1.はじめに
三光本耶馬渓道路は、中津日田道路の一部を構成する延長12.8㎞の自動車専用道路で、このうち6.3㎞はトンネル構造である。本道路は完成二車線で剛性中央分離帯としており、幅員が12.0m であるため、本道路に計画されたトンネル内空断面積は、約92㎡の大断面トンネルとなる。さらに、山間部のIC 付近においては、トンネル内にランプの幅員を確保することになるため、内空断面積約140㎡の超大断面となる。このような超大断面トンネルの施工実績は少ないため、設計・施工に際しては十分な配慮が必要である。ここでは、現在施工中の「(仮称)三光第1号トンネル」の施工事例を踏まえて報告する。

2.超大断面トンネルの断面形状
三光第1 号トンネルの幅員構成と建築限界の関係を図- 2 に示す。また、建築限界から決定したトンネル内空断面積の重ね合わせ比較を図-3 に示す。通常の二車線道路トンネルは内空断面積60㎡程度であるが、三光第1 号トンネルの内空断面積は標準部[ 大断面]91.6㎡、拡幅部[ 超大断面]138.7㎡となる。

3.超大断面トンネルの課題
トンネル掘削においては、掘削により地山のバランスが変化し緩み領域が発生し、トンネル上部の土被り荷重を周辺地山に配分することでグラウンドアーチが形成されると言われている。
特に今回のような超大断面トンネルの施工実績は少ないため、トンネル上部の土被り荷重を考慮した支保構造、掘削時の切羽・天端の安定の確保が課題となる。
また、「道路トンネルにおける長期保証について(試行)(H29.8)」が示されており、覆工コンクリートについても長期的な品質を確保し耐久性の向上を図ることが求められている。
しかしながら、本トンネルにおいては、覆工コンクリート厚さが60㎝の鉄筋コンクリート構造であり、下端がインバートに拘束されることで、水和熱に起因する温度ひび割れの発生が懸念されることからその対策検討が必要となる。

4.設計・施工時における安定性の検証
超大断面トンネルの設計・施工において、トンネル上部の地山荷重を考慮した支保構造、掘削に伴う切羽・天端の安定性を確保する補助工法及び地山状況に適合した掘削工法の妥当性について検証した。なお、今回は「第二東名・名神道路 大断面トンネル(H18.7)NEXCO」の考え方を準拠し検討を実施した。

検証手法としては、設計時は超大断面の掘削が可能であるかについて、二次元FEM 解析を用い、施工時は地山の地質・地形等の情報から三次元FEM 解析を行い、設計時の支保構造、補助工法、掘削工法の妥当性を検証した。

1)設計時における切羽・天端の安定性の検証
二次元FEM 解析に用いた地山物性値と解析変位図を図- 4 に示す。解析の結果、拡幅部[ 超大断面] は、NEXCO 要領による支保構造及び上半掘削工法で掘削可能であることを確認した。

2)施工時における切羽・天端の安定性の検証
三次元FEM 解析に用いる地山物性値は、既に掘削されている一般部の計測結果から再現解析(二次元FEM 解析による逆解析)により求めた。図- 6 に結果を示す。

トンネルの安定性は『直接ひずみ制御法』を用い、今回の解析対象断面においては角礫岩(CL級)の単一層であることから図- 7 のグラフより、同層の天端壁面ひずみを読み取りトンネル上半の掘削高さから基準の天端沈下量に換算し評価した。なお各レベルに対応する評価基準値を図-7 の表にまとめた。本検討では安定性評価基準値として、不安定領域下限のレベルⅡ値を採用した。

再現解析結果の地山物性値を使用した超大断面部の三次元解析における鉛直変位(天端沈下)、水平変位(水平内空変位)、支保部材応力の各解析結果を図- 8 に示す。変位量・支保部材の最大応力ともに許容値内に納まっており、設計の支保構造、補助工法、掘削工法の妥当性を確認した。
また、図- 9 のトンネル周辺地山のゆるみ安全率分布よると、トンネル壁面から約4m の範囲に破壊領域が分布しているが、ロックボルト長以下の領域内であるため、トンネル周辺地山は安定していると判断した。

3)施工実績における評価
超大断面区間の切羽は全体に礫が密集し、最大φ 2m 程度の巨礫が点在する箇所も見られた。
計測工の天端沈下・内空変位ともに4㎜程度以下で大きな変位は確認されなかったことから、超大断面部の掘削工法(上半工法)、支保構造、補助工法は妥当なものであったと評価できた。

5.覆工コンクリートの耐久性確保の検証
超大断面部の覆工厚はアーチ部60㎝でRC 構造である。これは、下端が拘束された壁では厚さ50㎝以上がマスコンクリートとして扱われる(コンクリート標準示方書[ 施工編])ことから、本覆工はセメントの水和熱に起因する温度ひび割れの発生が懸念される。そのため、覆工の長期耐久性確保の検証を目的に三次元FEM による温度応力解析を行った。超大断面覆工部の配筋状況を写真- 2 に示す。また、温度ひび割れのメカニズムを図- 10 に、温度ひび割れ照査のフローを図- 11 に示す。

1)三次元FEMによる温度応力解析モデル
解析に使用するモデルは、トンネル断面を左右2 分割、覆工1 スパンL=6.0m をスパン中央で2 分割した4 分割モデルとした(図- 12 参照)。また、表- 2 及び図- 13 に温度応力解析における温度境界条件、図- 14 に応力解析における応力境界条件を示す。

2)コンクリートの配合
コンクリートの配合を表- 3 に示す。

3)コンクリートおよび地盤の熱的・力学的特性
コンクリートおよび地盤の熱的・力学的特性を表- 4 に示す。

4)打設スケジュールと外気温
打設スケジュールは、以下のとおり設定した。
外気温は大分県中津市の2011 年から2016 年における月毎平均気温から設定し、コンクリート温度は日平均気温+ 5℃に設定した。

5)三次元FEMによる温度応力解析結果
インバート付近の側壁部に軸方向の引張応力が生じ、ひび割れ指数が0.91 となり、最小ひび割れ指数1.0 を下回る結果となった。また、最小ひび割れ指数が1.0 を下回る箇所については、解析上の4 分割モデルでトンネル縦断方向に約2m(実モデルで約4m)であり、解析結果を図- 16 に示す。

6)温度ひび割れ対策の検討
無対策で施工した場合、インバートの外部拘束により、覆工側壁部に軸方向の引張応力が生じ、最小ひび割れ指数は0.91 となり、側壁部にトンネル輪切り方向の温度ひび割れの発生が懸念される。
温度ひび割れ対策として、①温度ひび割れ発生方向と直交する鉄筋量の増加、②膨張材の混入③部分的にパイプクーリングを実施する工法(以下、部分パイプクーリング)を比較検討した結果、ひび割れ抑制効果が期待でき、経済性に優れる③パイプクーリングを選定した。温度応力解析によると部分パイプクーリングを実施した場合、最小ひび割れ指数は1.27 となる(図- 17)

7)部分パイプクーリングの施工
本覆工で用いられる部分パイプクーリングの施工方法について以下に示す。
 ①図- 18、写真- 3 に示すように、インバート天端から1m の範囲に外径φ 34㎜、延長4.0m の亜鉛メッキ鋼管(SGP 管)を 50㎝ピッチで3 段、側壁中央部に水平に配置する。
 ②クーリング水は井戸水を使用し、冷却装置により設定温度を15 ~ 20℃程度にし、バルブの開閉を調整して、流量15L /分程度で通水する。
 ③通水開始から2 日程度で、通水をストップする。
 ④通水停止後、配管内にモルタルを注入する。

8)部分パイプクーリングの効果検証
部分パイプクーリングの効果を無対策及びひび割れ補強鉄筋による対策と比較することを目的として計測を実施する。今後の計測計画としては、部分パイプクーリングと無対策区間の比較に2 スパン、さらにひび割れ補強鉄筋との比較に2スパンを抽出し、効果検証を行っていくこととしており、計測項目を表- 6 に示す。

6. おわりに
三光第1 号トンネルは、到達口側の超大断面部の掘削の安全性を三次元FEM 解析等により事前に検討・検証していたこともあり、平成29 年8 月に無事貫通し、一般部の覆工コンクリートの打設が完了している。現在は、この報文で紹介した超大断面区間の覆工打設を温度ひび割れ対策工である部分パイプクーリングを行いながら慎重に施工しているところである。温度ひび割れ対策効果の検証のための計測をこれから実施することとしている。
今回実施した三次元FEM による温度応力解析と部分パイプクーリングによる温度ひび割れ対策及び計測による効果の検証は、今後の覆工品質の向上のために貴重な試行データになるものと考えている。

謝辞
今回の執筆に当たり、貴重な資料や情報の提供を頂いた、施工者である株式会社安藤・間の工事関係者や株式会社千代田コンサルタントの皆様に感謝の意を表します。また、覆工コンクリートの温度ひびわれ対策について、ご指導を頂きました大分工業高等専門学校一宮一夫教授に御礼申し上げます。

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