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鹿屋分水路トンネルの計画・設計・施工,
その総括と評価

九州産業大学工学部教授,
九州大学名誉教授
山 内 豊 聡

1 はじめに
建設省九州地方建設局による鹿屋分水路トンネルの設計・施工については,本九技報においても,すでに2回にわたって報告されているが(吉田他,1987,板垣他,1989),その後,幸いに工事は進捗し,本年(1990年)2月にめでたく貫通式を挙行するに至ったので,本文は補足を行いながら,計画・設計・施工にわたって総括するとともに,それらの評価を行なおうとするものである(Yamanouchi et al.,1991)。
日本における分水路トンネルの例としては,伊豆半島の狩野川(ー級河川)のトンネル放水路があるが,補助河川としての河川トンネルは全国各地にあり,最近では東京都の神田川のシールドトンネルが知られている。

2 鹿屋分水路トンネル計画の回顧
肝属川は鹿児島県下大隅半島の高隈山に発して南下し,19k付近で鹿屋市街地を貫いて東に向い,志布志湾に注ぐー級河川である。
鹿屋市は,このようにほぼ肝属川の屈曲部の始点付近で発達したため,古くからしばしば氾濫災害をこうむってきたが,昭和30年以降だけでも6回の被害を受けている。近くは,昭和51年6月に集中豪雨に伴なって起きた,市街地北岸の流出災害が記憶に新しい。
こうした破堤災害や氾濫災害を防ぐ手段として,河道の拡張が考えられるが,問題の箇所が市街地に当るため,実行は至難である。そのため左岸の笠野原台地の一部を成すしらす台地を貫く分水路トンネルが構想にのぼったのであるが,道路トンネルと違って,トンネル底部の標高を現河道のそれに合わさねばならず,必然的にしらす台地の地下水位以深でのトンネル掘削を余儀なくされている。
しかし,大断面のトンネルを,地山とはいえ,すでに竣工しているいくつかの地下水位より上のトンネル(山内,1988)と違って,極めて侵食を受けやすい地下水位以深で掘削した例は過去に全くなく,昭和56年3月に立案された計画は,もともと設計・施工について,かなりの困難が予想されていた。
その対策として,昭和54年2月に第一次鹿屋分水路工法検討会が組織され,昭和58年に第二次同委員会が組織されるまで,6回にわたる委員会を開いている。第二次の委員会は平成2年2月まで,何と18回の委員会を開くとともに,そのワーキンググループの会合は7回に及んでいる。このプロジェクトが,いかに難問題をかかえたものであったか理解されるであろう。
鹿屋市の当該しらす台地は,ルート選定のための初期のボーリング調査から,2~3m厚さの“ぼら”と呼ぶ降下軽石層(pumice fall deposit)(以下,簡単のためぼらの用語を用いる)を各所に含んでいることがわかっていたが,さらに調査が進むに従って,このぼら層は,たんに間隙比がしらすより大きいというだけでなく,まさに“滞水層”として存在していたため,たとえ地下水位以深でトンネル掘削が可能になったとしても,このぼら層からの浸透流によって,しらす層が大きく崩壊する危険があることが深刻に懸念された。
他の一つの問題は,土被りの浅い上下流両坑口付近と中途部分の施工法についてであった。第一次委員会の時期に,試掘坑工事が行われ,昭和61年3月からトンネル部分の本工事が始まったが,分水路トンネルにかかわる主要なデータを示すと次のとおりである。
 鹿屋市街地での現在流量  120m3/s
 同計画流量        400m3/s
 計画分水流量       200m3/s
 分水路総延長(肝属川19k750付近より15k900付近まで) 2,639m
 同トンネル部延長     1,609m
 同トンネル勾配      1/450
 分水条件         30m3/sになったとき
               (約90m3 標準85m2 径10m 最大110m2
 台地の標高        50~60m
 最も薄い土被り厚(中途部) 約35m

3 トンネル工事に至るまでの調査研究など
3-1 昭和51年破堤災害
昭和51年6月に,連続降雨量394mmの集中豪雨に伴う肝属川の水位上昇の際,越水していないにもかかわらず,鹿屋市街地左岸破堤と人家流失を起こしている。(写真)。

この被災個所が直線河道部であったのに破堤したことなどのため,特に原因調査委員会(岩佐京大教授,平野九大助教授,河原田鹿大教授,委員長は山内)が組織され,室内モデル実験や破堤個所発掘調査が行われたが,その結果,かつて護岸工事のため基礎として埋設された丸太と埋め戻したしらすとの間が空洞化し,その個所から護岸石垣壁を流出したものと判断されたが,この災害を新たな契機として,鹿屋分水路トンネルの工事促進が地元から,なおいっそう求められることになった。
3-2 沖積しらす地盤での洞道工事
鹿児島市の中心部に位置する荒田付近で,日本電々公社(現NTT)によって施工されたシールド洞道(とうどう)工事は,沖積しらす地盤であったとはいえ,地下水位以深のトンネル工事として,いくつもの貴重な経験を残している。筆者はその技術委員会の委員であった(山内他,1980)。
この洞道工事は発進立坑(深さ15m)から到達立坑(深さ13m)までの距離が491mであり,立坑はジェットグラウト工法とCCP工法によって,坑壁を造成する柱列式鋼管土留工法で行われたが,壁のすき間から約70m3もの帯水しらすの流入が起きたため,薬液注入(CW-3,CW-2A号)を施こして克服された。水平掘進(土圧式シールド工法)の際も,薬液注入の助けが必要であった。(志村他,1978)。
鹿屋分水路トンネルのために役立ったデータとして,ウェルポイントシステムが800ℓ/minの揚水量で,57日間揚水を続け,地下水位は2.7m程度低下したが,ディープウェルによる揚水は200ℓ/min程度にすぎなかったことがある。またディープウェル揚水では,揚水孔の周縁部のみの地下水位低下しか見られなかったことも,貴重な経験であったが,昭和51年に着工されたこの工事が,昭和54年9月に貫通した。当初計画の約2倍の年月を費やしている。
3-3 九大等における実験と解析
受託研究として,昭和57年度に,九州大学工学部水工土木学教室山内研究室は,林重徳助教授の協力を受けて,鹿屋分水路トンネルのための実験と解析を行ったが,その成果の要点は次のとおりである(Yamanouchi et al.,1981,Yamanouchi et al.,1987,林他1990)。
表ー1に示すように,ぼらはしらすと比べて非常に大きな透水係数をもっているので,均質な地盤と違って,トンネル工事において地下水低下を行った場合を考えて,ぼらとトンネルの相対的位置を変えた数値解析と模型実験を行った。数値解析は浸透流を考慮した弾塑性解析であり,表ー2に示す7つの条件で行っている。

図ー1は,トンネル周辺に発生する地中応力としらすのせん断抵抗から求めた点安全率を,コンター図として示すものであり,図に示すように,トンネル側壁部での安全率が低いことは,一般的な煩向であるものの,特徴的なこととして,ぼらとしらすの層の境界部において安全率が大きく低下している。このことは,トンネル施工のため行われる地下水位低下は,ぼら層周辺に早い浸透流を生じさせ,安全率を低下させることを意味する。
室内模型試験装置は図ー2に示すとおりであり,解析条件と同じにしてある。実験では,地下水位の各段階ごとに,浸透流量と浸潤線の位置を測定するとともに,トンネル部の崩壊する状況を観察した。
この結果,浸透水によるトンネルの崩壊には,トンネルとぼらの相対的位置が大きな影響を与え,接近すると,ぼらに接したしらす層は浸透崩壊することが明らかとなった。このことは解析結果をよく実証するものであった。
3-4 試掘坑工事
トンネル工法としては,当然NATMを基本にして考えられたが,地下水低下法としてウェルポイントシステムが取りあげられた。ウェルポイントシステムによる試験坑工事に先き立ち,地下水低下後のしらす壁面の観察が,現場で行われたが,
(1)湧水がパイピングをもたらすことや,(2)下位にあったぼらの水位を低下させても,しらす層の水位はきわめて低下しにくいことなどが分かった(山内他,1980)。
次いで試掘坑工事が,昭和53年7月の着工で開始された。高さ3m,幅3mの馬蹄形断面として,10%勾配で下がり,地下水位以深まで突っ込み,さらに下位のぼら層まで到達させたが,延長は約200mであった。
この工事において,ウェルポイントシステムに工夫が加えられ,揚水開始後1~2時間で水位が低下し始め,10時間程度で掘削可能となった。
薬液注入もこの工事で応用され,ボイリング防止のため,ぼらとしらすの境界部分に施こされたが,セメント系懸濁液型と溶液型との2種の水ガラス系のグラウトが,それぞれ地盤均一化および微間隙浸透を目的として試みられたものである(山内他,1980)。
3-5 下流側坑口付近の工事における陥没事故
下流側坑口付近の新川4号橋の工事において,鋼矢板がぼら層を突き抜いて引き起こした近傍の家屋の陥没事故は,トンネル工事の前途を憂慮させたが,結果的には貴重な教訓となった。
この陥没事故の原因は本報でも報告されたが(吉田他,1987,Yamanouchi et al.,1987),その事後処理には多大の時間と費用を要した。JSG深層混合による底板打設によるぼら層からの浸透防止が,その対策の主な方法であった。

4 特色あるトンネル施工技術
4-1 原理的に合致するNATMの採用
トンネルの施工は,基本的には鋼製アーチ支保工とその施工を行ったのちに直ちにライニングを行う,コンクリートを支保構造物とする側壁導坑先進上部半断面工法が採用された。しらす地盤とトンネルの間にすき間をつくらないためである。それにより地盤の変化を防止することと,トンネル完成後,長年月ののちにライニングとしらす地盤との間が水みちとなり,周辺部の侵食を生じることを防ぐためである。補助工法としては,ウェルポイントシステムによる地下水低下工法を採用している。
このトンネル工事では,標準的なNATMにおいて施こすロックボルトは一切採用していないが,これはトンネル完成後に懸念される,トンネル方向の浸透流によるしらすとの間のすき間発生を避けるためであった。しかし,支保構造物の一つとしてコンクリートによるサポートを採用し,掘削後の素早いライニングを行っているため,NATMの重要な原理とは合致しているトンネル工法となっている。
4-2 連続地中壁
このプロジェクトでは,前述のような数値解析と模型実験とから,トンネルとぼら層との距離は20mを下回らないことを原則としていたが,下流側の坑口位置は,それに従がえなかったため,トンネル周辺を連続地中壁によって囲み,ぼら層からの浸透水を遮断する対策工法とした。この地中壁は,ぼら層の下に分布する難透水層まで施こされた(Yamanouchi,1987,林 他,1990)。
連続地中壁は,トンネル坑からJSG工法と呼ばれる一種の深層混合工法であったが,そのための施工機械のコンパクトさが,イスラエルの技術者によって興味をもたれたことがある。京都国際会議においてのことである。連続地中壁打設の範囲は図ー3に示すとおりである。

4-3 観測施工
トンネル施工に当っては,施工中の地下水の動きとトンネル周辺の地盤の挙動を計測し,安全を確認しながら施工を進める観測施工が採用された。計測項目は次のとおりであった。
 ・地中変位計による地中変位
 ・トンネル内空変位
 ・トンネルの天端沈下量
 ・地表面沈下量
 ・連続壁の内外の地下水位の流向・流速
地下水位の観測は,図ー3に示す位置に設置された間隙水圧計によって行われ,5分間毎に測定されたデータは,一個所の計測管理室に集められ,パーソナルコンピュータによって,データの図化を行うとともに,水位の変化速度も自動的に計算された。地下水の流向・流速は,ほう酸アンモニウム(2.5%)の水溶液をトレーサとして用い,地下水の流れに伴なって溶液が希釈される程度を,中性子水分計によって測って測定された。
上記コンピュータは,警報装置と結びついており,急激な水位の上昇が認められるとき,警報が危険を知らせるシステムになっていたが,装置のミス以外にその必要がなかったのは,結果的に幸わいなことであった。

5 工事中追加された試験と工事
5-1 連続地中壁の品質試験(遮水効果試験)
連続地中壁は,高い透水性のぼら層に対しては施工実例がなかったので,その品質試験を行う必要があった。そのため打設された地中壁から採取したサンプルについて,一軸圧縮強度を調べるとともに,観察によっても品質を調べた。その結果,50~340kPa(0.5~3.5kgf/cm2)の範囲で大きくばらついた。このことで,地中壁に局部的な不良部分が含まれることが示唆された。

5-2 水位低下試験
このことを考慮のうえ,トンネルの導坑掘削を開始する前に,打設された地中壁の内側の水位低下試験を行ったが,揚水は,地中壁に囲まれた内側の箇所に設置されたディープウェルによって行った。
図ー4は,揚水による連続壁内側の地下水位の低下を示している。第1回目は,水位は揚水量を28ℓ/s(1.7t/min)としても,揚水前の水位より1.2~2.5mしか低下せずに,殆ど定常状態に近い状態となった。

計算によると,連続地中壁の遮水が完全であるとすれば,壁の内側の地下水を揚水するとき,14時間程度で10mの水位の低下が期待され,施工の安全が確保できることと大きく異なっている。
この揚水実験によって観測された水位分布を詳しく示す図ー5(a)によると,点A付近の水位が周辺より高く,またそこでの地下水の流れの方向が一般的なものとは異なり,壁の方向に向かっている。これは,壁の遮水効果が十分でないことを示すものである。

5-3 薬液注入の効果
第2回および第3回の揚水試験が行われたが,その結果は図ー5(b)および(c)に示すとおりである。
点Aにおいて薬液注入による補修を行ったのちに,揚水量を45ℓ/sまで上げた結果である。図が示すように,点B,点Cの部分において,周辺部と異なった地下水位の高まりが認められ,またどちらの点も地下水は連続壁の方向に向かっており,揚水前の方向と流れが逆転している。これは新たな地中壁の遮水の不完全を指摘するものである。そのため,再び点B,点Cに対して薬液注入を施されて遮水効果が現れた。図ー6は薬液注入がなされた場所を示すものである。

6 観測施工の結果
地水壁の施工を終ったのち,トンネルの側壁導坑の掘削が開始されたが,周知のしらすの特性として,揚水によって壁体との接触部において水みちを生じ,それが後の急激なトンネル破壊に導びく懸念があり,それだけ導坑掘削開始後の地下水の変動を観側することは特に重要なことであった。
図ー7は,側壁掘削中の地下水位の変動を示しているが,期待したように,ぼら層からの地中壁の中への地下水の流入は,トンネルの施工面の下まで低下している。

図ー8は,トンネル掘削中に行われた地盤の変位計測のうち,上部半断面掘削通過時の地中変位計測結果を示しているが,トンネルの上部半断面部分が観測点に接近する直後から,切羽が50m程度先行するまでの間に,トンネルのクラウン部に変位が生じる。しかし,その最大量も3.65mmであり,普通の地盤におけるそれよりかなり小さい。これは地下水位より上でのしらす台地掘削のトンネルで,これまでよく経験していることと異なるものではない(山内他,1980)。
トンネル周辺のいわゆる“ゆるみ領域”については,変位量が小さいため明確には特定できないが,トンネル直上部で3~4m,その他の周辺部で1m程度と,図ー8から判断される。

7 評価の取りまとめ
未知への挑戦ともいえる鹿屋分水路トンネルは,ついに待望の貫通式を迎えることができたが,反省すべきこととして,トンネル工事に先立って発生した,下流側坑口付近の付帯工事での陥没事故の他,トンネルルート選定がしばしば変更される原因となった,当初のボーリング調査の不足があげられる。
一方,高く評価されてよい事としては,次のとおりである。

(1)官産学から成る委員会とワーキンググループ
4代にわたる大隅工事事務所長が,昭和54年2月の第1回技術検討委員会以来,官産学三者をメンバーとして開かれ,そのため検討の経緯と結論がただちに施工業者にも熟知された。ワーキンググループの会合についても同様であった。
(2)論拠を与えた実験と解析
プロジェクトの当初から,大学やコンサルタントによって,実験と解析が行われたので,全部の問題をカバーしたものでないにせよ,委員会とワーキンググループでの討議に,重要な力学的論拠を提供することができた。その成果はまた,実際の現場経験と矛盾するところがなかった。
(3)柔軟な技術対応
未知のことが多かったため,トンネル工事の中途で難問題に遭遇することが多かったのは当然であったが,柔軟な姿勢で技術対策を,衆知を徴して樹てられた。
(4)一貫して遂行した観測施工
観測施工は,工事現場のさまたげになるところがあるが,学側の要請を受け入れて,産側が協力をされた。もっとも観測施工の必要と効用は,産側にもよく理解されたケースであったともいえる。

8 終わりに
しらすは,南九州だけでなく全国のカルデラ周辺に分布しているが,外国ではニュージーランド,北中米のいくつかの国,アイスランド,ギリシャ,シシリー,西ドイツ,インドネシアにも分布している。英語では,しらすはpumice soilである。
鹿屋分水路トンネル工事のように,しらす台地の地下水位以深において,大断面でしかも1,600mもの長い延長を掘削して成功した例はなく,世界に先がけた成功である。
まして本工事は,洪水防災対策としてのトンネル掘削であったことも,その成功の意義をいっそう深くしている。貫通式において,筆者は祝辞の終りに,次の七言絶句を朗読披露したので,ここに付記させて頂くことにしたい。

参考文献(発表順)
1)志村博正・高森彬文・山内豊聡:チュウ積シラス地盤のトンネル工法.土と基礎,26-8, 1978,pp.29-34
2)山内豊聡・歳田正夫・長野実・高森彬文:しらす地盤のトンネル工法.土木学会誌,Annual ’80,1980,pp.28-35
3)Yamanouchi,T.,Hayashi,S. & Toshida,M.:Influence of underground water seepage on the tunnel excavation in a pumice flow plateau.Proc.Int.Symp.Weak Rock,Tokyo,Vol.2,1981,pp.1051-1056
4)Yamanouchi,T.,Saito,Y. & Matsuyuki,K,:Tunneling in water bearing “Shirasu” plateau.Proc.Asian Reg.Conf.SM & FE,Kyoto,Vol.1,1987,pp.258-261
5)Yamanouchi,T.:The problem of piping between “Shirasu” and pumice fall deposit in a tunneling.Ditto,Vol.2,1987,p.292
6)吉田三郎・橋詰順一・松雪清人:鹿屋分水路トンネルの設計と問題点(地下水位下しらすのトンネル掘削),九技報,創刊号,1987,pp.43-48
7)山内豊聡:しらす地帯における最近の土質工学的諸問題,土と基礎,36-10,1988,pp.13-19
8)板垣治,橋詰順ー・松雪清人:鹿屋分水路トンネルの施工(地下水位下しらすのトンネル掘削その2),九技報,No.5,1989,pp.47-54
9)林重徳・山内豊聡・亀江幸二・松雪清人:しらす台地の地下水下に貫通した「鹿屋分水路トンネル,土と基礎,38-8,1990,pp.13-18
10)Yamanouchi,T.,Hayashi,S.,Kamee,K.& Koreeda,K.:Characteristic tunneling in internally erosive plateau,1991,投稿中

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