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鹿屋分水路上流側開水路の設計施工について
(しらす地盤の開削に伴う地下水遮断工法)

建設省大隅工事事務所長
吉 川 知 弘

基礎地盤コンサルタンツ㈱九州支社
 技術課長代理
調  修 二

1 はじめに
肝属川は,鹿児島県大隅半島西部の高隈山系に源を発して南流し,その中流域,19km付近で鹿屋市街地を貫いて東に向かい,志布志湾に注ぐ幹川流路延長34kmの一級河川である。
鹿屋市は,このように肝属川の屈曲部で発達したことから,古くから破堤災害や氾濫災害を被ってきた。特に,昭和51年6月の集中豪雨では市街地の河岸が欠壊し,家屋流出災害が発生した。洪水処理対策として,現河道改修が計画されたが,市街地中の本川は,計画流量の半分程度の流下能力しかないため,分水路計画等が検討され,図一1に示す分水路によって計画流量の半分200m3/sを分流することとなった。
鹿屋分水路は,肝属川19k750付近から15k900付近までの総延長2,639mを分流堰,上流側開水路分水路トンネル,下流側開水路によって分流する施設である。そのうち,延長1,609mの分水路トンネルは,地下水位下のしらすを掘削したはじめての大断面(断面積105m2)トンネルで,5年の歳月をかけて平成3年3月に完成しており,九州技報においても3回にわたって報告されている(吉田他1).1987,板垣他2).1989,山内3).1990)。

上流側開水路は,図ー2に示すように幅16.8m,深さ6.6m(掘削深度約8m)の掘割水路であるが,地下水位は地表面下約1.0m程度と高く,水に対して弱い地下水位下のしらす層を掘削対象とするとともにトンネル部で問題となった高透水性で豊富な滞水層である降下軽石層(通称ぼら層)が地表面から比較的浅い深度で分布するため,地下水対策等に関して「鹿屋分水路工法検討委員会」(委員長:山内九大名誉教授)の指導のもとに種々の検討がなされた。
本報告は,トンネル完成後に着手された上流側開水路の設計施工,特に,地下水対策工の設計施工について述べるものである。

2 開水路部の地質
開水路部の地質は,図ー3および図ー4に示すように地表面付近にφ200~700mm前後の玉石を多量に混入する高透水性の河床礫層が最大層厚5m前後で堆積し,その下位にしらす層が分布するが,しらす層の下位には高透水性で豊富な滞水層であるぼら層が,掘削底面から20m以内の比較的浅い深度で分布する。更に,ぼら層の下位には難透水性である溶結凝灰岩がほぼ全区間で分布する。

3 地下水対策工の検討
3-1 地下水対策工の選定
トンネル部で問題となったしらす層の内部侵食に対しては,掘削底面からぼら層までの離れを20m以上確保する必要があるが1),上流側開水路では,ほぼ全区間でぼら層までの離れが20m以下である。そこで,地下水対策工は,しらす層の内部侵食に対する安全性を確保する観点から,地下水遮断工法を中心として検討した。
地下水対策工としては,地下連続壁工法,ぼら層の一部改良工法,底面遮水盤工法,開水路周辺地盤の改良工法,ニューマチックケーソン工法等が検討されたが,図ー5,図ー6のように,施工性・経済性・施工実績等の点で有利と考えられる地下連続壁工法を主体とし,底面遮水盤工法・薬液注入工法を併用した地下水対策工を採用した。

3-2 周辺水文環境に対する検討
上流側開水路の周辺には,図ー7に示すように河床礫層を取水対象とした井戸が多数存在するとともに,河床礫層の地下水が開水路左岸側から右岸側へと流下しているため,全区間に地下連続壁を施工した場合の周辺水文環境に与える影響を浸透流解析によって予測した。
その結果,全区間に地下連続壁を施工した場合には,地下水流動の上流側に当たる左岸側で0.1~1.0mの水位上昇が生じ,下流側に当たる右岸側では0.2~0.9mの水位低下が生じることとなり,右岸側にある井戸の枯渇あるいは左岸側宅地の湿潤化が懸念された。そこで,水文環境への対策として,図ー7に示す30m区間に底面遮水盤を採用することとした。これによって,右岸側の地下水低下量は0.3m以下に抑えられると予測された。

4 開水路工事の施工手順
図ー7のように,工事区間を上流・中流・下流の3ブロックに区分した。開水路工事は,図ー8のように,揚水試験等により地下水対策工の止水性を確認しながら進められたが,地下連続壁の止水性に問題が残ったことから,薬液注入工法と揚水試験を繰り返して地下連続壁の止水性を確保した後,開水路掘削を行った。

5 地下連続壁の施工
施工に先立ち,地下連続壁施工箇所の地盤状況を把握するため,10mピッチに地層確認ボーリングが実施され,その結果,地下連続壁は降下軽石層の下位に分布する溶結凝灰岩あるいは大根占砂礫層中の粘性土層に1m根入れすることとした。
地下連続壁を打設する工法としては,玉石を混入していることやこれまでの施工実績,経済性等を考慮して,SMW工法を採用した。ただし,施工深度が40m程度と深くしかも降下軽石層が最大層厚8m前後で分布していることから,試験施工によってセメント懸濁液の配合を決定した後,本施工を実施した。SMW工法の施工概要を図ー9に示す。また,図ー10にその施工手順を示したが,河床礫層の区間については,施工効率を高めるため,上流ブロックおよび下流ブロックにおいては,単軸オーガーにて先行削孔を行った。しかし,地下連続壁施工後の施工性確認ボーリングにおいて,玉石の除去が完全でないことが判明したため,中流ブロックでは,事前に河床礫層をしらすで置換する対策を講じた。

5-1 試験施工
地下連続壁の懸濁液の配合を決定するとともに品質や施工性を確認するため,試験施工が実施された。配合は当初6タイプとしたが,すべての壁体で強度および透水性等で種々の問題があることが判明した。そこで,4タイプを追加した。その結果,表ー1のタイプ8の配合で良好な結果が得られ,これを基本として本施工を行った。

5-2 止水性確認調査
連壁の止水性を確認するため,チェックボーリング,揚水試験,地下水検層およびトレーサー試験が実施され,以下の結果が得られた。
1)透水係数は目標値(k=1×10-5cm/s)以下
2)コア状況は,連壁下部に相当する根入れ付近で礫や玉石が多数確認
3)揚水に伴う連壁内外水位の連動(大量な流入)
4)揚水に伴う下流ブロックと上流ブロックの水位連動
5)揚水に伴う周辺地下水位の低下
6)根入れ層である大根占砂礫層に投入した塩水の連壁内側への流入
7)ぼら層からの揚水に伴う大根占砂礫層の地下水位変動
5-3 地下水流入パターン
このような現象から地下水流入パターンとして
 A.連壁自体からの流入
 B.根入れ部からの廻り込み
 C.遮水層と考えていた降下軽石層下位の地層からの流入
が考えられた。図ー11に地下水流入パターンの概念を示す。
このなかで,パターンAに関しては,コア状況から主要な原因の一つと考えた。パターンBに関しても地下水検層およびトレーサー試験の結果から原因の一部であると考えた。また,パターンCに関しては,地下水検層の結果から難透水層である溶結凝灰岩の一部が薄いかもしくは欠如した区間であると考えた。

6 底面遮水盤の施工
底面遮水盤を打設する工法は,遮水性,施工性,経済性等を考慮して,下流側トランジション区間で施工実績がある高圧噴射工法を採用した。
6-1 試験施工
表ー2の設計条件を満足する壁体を造成するための施工方法,施工仕様を決定することを目的として,CJG工法およびJSG工法で実施された。

CJG工法の試験施工は,当初から①排泥が上がりづらい,②空気ノズルが閉塞する,③3重管が締めつけられて回転できなくなる,といった問題が発生し,施工は難航した。また,造成工の完了した時点で行ったチェックボーリングの結果,CJG工法ではφ1200mmの造成が限度であり,φ1600mmの施工ではほとんど改良体が造成されていないことが確認された。この結果より,角ロッド使用による特殊なJSG工法でφ1600mmの完全な改良体の造成を目指す方針とした。
JSG工法による試験施工は10種類に対して実施され,コア状況から表ー3のタイプにおいて完全な改良体が造成されることが確認された。

6-2 本施工
JSG工法の施工手順を図ー12に示す。施工は順調に行われた。施工後のチェックボーリングにおいてもコアの状態は良好であり,透水係数もk=2.0×10-6cm/sを示しており,良好な改良体の造成を確認した。また,止水性を確認するために実施した揚水試験の結果,地下水位は順調に低下し,重力排水をしながら深さ8mの釜場を掘削したが,掘削中に地下水の湧水やのり面の崩壊はなく,掘削工に必要な止水性が確保されていると判断した。

7 薬液注入工の施工
地下連続壁の止水性確認調査において,全てのブロックで連壁内側への大量な地下水の流入が確認され,掘削工に必要な地下水位低下量を得ることができなかった。そこで,止水性確認調査で実施した揚水試験の状況を浸透流解析によってシミュレーションした。その結果,ぼら層区間の施工面積に対してわずか1%程度の間隙面積すなわち施工不良個所があるだけで水位低下量が極めて小さいものになることが明らかとなった。
地下連続壁の止水性を向上させる手順としては,地下水が流入しているであろうと判断された箇所の止水性を向上させ,より大きな水位低下量を確保し,揚水試験によって地下水流入箇所を特定していく段階的な対策工法が,安全性,経済性等の観点から最も効率的であると判断された。
対策工法としては,トンネル部において実績がある薬液注入工法が,施工性,経済性等の点で適していると考えた。薬液注入工法の種類は,崩壊しやすい地盤に適し,かつ特定区間への限定注入や繰返し注入が可能な工法でトンネル部で施工実績があるストレーナー工法の中の二重管ダブルパッカー工法が採用された。
7-1 試験施工
最初の試験施工は,水ガラス(LW)とシリカライザー(SL)並びにセメント・ベントナイト(CB)とシリカライザー(SL)の2種類について行われた。いずれの場合にも十分な改良効果は見られなかったが,後者の方が相対的に改良効果が大きかった。そこで,後者について,
1)ぼら層未改良部分に対し,CB注入率を増す
2)改良効果が薄い箇所では3次注入を行う
3)改良効果を判断する方法として圧力管理を導入する
の3点を改良して試験施工を継続した。その結果,(CB+SL)でステージ注入した場合に改良効果があることが明らかとなった。そこで,表ー4の施工仕様で本施工を兼ねた試験施工が実施された。
施工管理は,当初注入量による管理を行っていたが,4次注入,5次注入のいわゆる補足注入箇所の決定については,3次注入時の注入圧力を管理し,10kgf/cm2未満の区間について,補足(4,5次)注入する方針とした。なお,補足注入の施工は,連壁先端から2~3m下の根入れ層までとした。その結果,改良区間の透水係数はK=1×10-6~1×10-5cm/sの低い透水性を示し,コア状況でも良好な改良効果が確認された。

7-2 本施工
施工は,地下連続壁の施工確認調査で実施したトレーサー試験の結果から判断された地下水流入箇所を中心として,まず,上流・下流ブロックにおいて実施した。その後,止水性確認のための揚水試験およびチェックボーリングを適宜実施しながら,開水路掘削工の施工に必要な水位低下量が確保できるまで,図ー10のように,4~5段階に分けて薬液注入行が施工された。なお,下流ブロックにおいては,地下連続壁工法による中仕切り壁によって2分割し,各小ブロックで揚水試験を実施する方針とした。
その結果,図ー13~図ー15の範囲で薬液注入した段階で掘削工に必要な水位低下量が確保された。

8 掘削時の計測管理
しらす層の内部侵食に対する安全性および周辺水文環境への影響を確認するため,地下水位の挙動を計測管理しながら開水路掘削を行った。
8-1 管理基準値の設定
管理基準値は,地下連続壁の止水性が最終的に確認された時点における各ブロックの揚水試験結果を基本として以下のように設定した。

1)揚水量は揚水試験結果の定常揚水量以下とする
2)各観測孔における地下水位が揚水後の定常地下水位よりも0.1mの変動を生じた場合を観測強化値と定め,異常を感知した観測孔を中心に周辺の連壁内外の観測孔まで含めた範囲で観測体制を強化する
3)当初の観測値より急激に0.25m以上の変動を観測したか,もしくは観測強化値よりも更に5時間累積値が0.1m(当初の観測値からの変動累積値が0.2m)を越えた場合は異常値と定め,所内に設置した「鹿屋分水路判定会」を開催する。
 更に,地下水コンター,揚水の中のしらす粒子の有無あるいは地盤のぬかるみ等についても観測し,異常と認められた場合には工事中止する方針とした。
8-2 計測管理結果
計測管理の結果,管理基準値を越えた地下水位変動が数回あったが,降雨の影響によるものがほとんどであり,いずれの場合にも揚水量,しらす粒子の吸出し,地盤状況等には異常が認められず,工事は無事に完了した。

9 揚水停止時の地下水挙動
開水路完成後の揚水停止前に,しらす層および降下軽石層内に発生する最大流速,揚水停止後の湧水量,地下水位の回復状況等を数値解析で予測した。その結果,図ー16,表ー6のように揚水停止後に連続地中壁が劣化した場合でもしらす層の内部侵食に対する安全率Fs>10を上回っており,更に,揚圧力に対してもFs>1.0が確保されており,開水路は安全であると判断された。なお,開水路完成後に揚水を停止したが,そのときの開水路からの湧水量は,Q=0.8m3/minであり,表ー7に示す予測値とほぼ一致した。

10 おわりに
鹿屋分水路は,計画当初から難工事が予想され,昭和54年に山内豊聡九大名誉教授を委員長とする「鹿屋分水路工法検討委員会」が組織されて,種々の懸案について検討を重ねてきた。特に,降下軽石層に関係したしらすの内部侵食の問題は,土木工学的にも未解明な部分であり,試行錯誤を繰り返しながら調査・試験・解析・試験工事を行ってきた。その結果,地下水位下のしらすを対象とする工事に関する貴重な資料が得られた。
上流側開水路は,平成3年8月から工事に着手され,地下水対策工に3年以上の年月を要して平成8年6月に完了した。更に,平成8年8月には通水式を迎え,鹿屋分水路工事は,昭和59年度の着手から13年に及ぶ歳月をかけて,ここに無事完了した。

参考文献
1)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(地下水位以下しらすのトンネル掘削),九技報,創刊号,1987,pp,43-48
2)板垣治・橋詰順一・松雪清人:鹿屋分水路トンネルの施工(地下水位以下しらすのトンネル掘削その2),九技報,No.5,1989,pp.47-54
3)山内豊聡:鹿屋分水路トンネルの計画・設計・施工,その総括と評価,九技報,No.8,1990,pp.63-69

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