11.9.6　付加体堆積物中のトンネル

　海洋プレートの玄武岩やはんれい岩，遠洋性・半遠洋性の海洋底堆積物，陸域から供給された砂岩・泥岩などの海溝充填堆積物が，大陸プレートの下に潜り込む海溝付近で付加作用によって海溝陸側斜面にくさび形の地質体としてたまったものを付加体と呼ぶ．この付加体を構成する堆積物を付加体堆積物と呼ぶ．

付加体堆積物の特徴

　付加体堆積物の特徴は，次のようにまとめられる．

1. 大陸縁辺における海洋プレートの沈み込みに伴う付加作用によって形成された地質体である．
2. この地質体の構成物は，
   　1) 海洋プレートを構成する海洋底玄武岩，海山玄武岩
   　2) 海山を覆う礁性石灰岩
   　3) 海洋底に堆積した層状チャート，珪質粘土岩などの遠洋性堆積物および珪質泥岩などの半遠洋性堆積物
   　4) 海溝を充填する陸源の砂岩・泥岩・礫岩とこれらの互層
   　5) 海溝陸側斜面上に形成される前弧海盆や凹地に堆積する陸源あるいは半遠洋性正常堆積物である．
3. 海溝陸側斜面下に付加される際に，破砕，混合された混在岩や衝上断層によって切断された岩体が複雑に累重する．
4. 付加される時，くさび形をした地質体は，その直前に付加された地質体の下位に，陸側に傾斜した衝上断層によって区切られながら付加する．このため，陸側ほど古い地質体となり地質的に層序が逆転する．
5. 沈み込みに伴って，地下深所にもたらされ変成作用を被ることがある．

　以上のような特徴から，トンネル工事などで付加体堆積物を扱う上での留意点は，次のようにまとめられる．

1. 地層累重の法則が成立しないため，地質図学による岩相の三次元的把握が困難である．したがって，一つの岩相を尾根も含めて丹念に追跡する必要がある．
2. 起源を異にする岩石が複雑に破断，接合しているので，構成岩石の起源を明らかにする必要がある．この場合，基質を構成する泥質岩類とブロックとして含まれるチャートや石灰岩などの両者の年代が得られると起源解明に有効である．
3. 付加過程時の破断，接合状態を明らかにすると同時に，付加過程以後の構造変形も明らかにする必要がある．沈み込みを始めた海洋プレート上の堆積物は，デコルマと呼ばれる低角の衝上断層により海洋プレートから切り離され，覆瓦構造を形成する．さらに付加過程が進行すると，もともとの層理面を切断する衝上断層（アウトオブシークエンススラスト）が発達し，時代の全く異なる岩相が接することになる．このような変形過程を明らかにする．

　さらに，付加体堆積物が形成されるプレート沈み込み帯では，大陸から運搬されてくる土砂（タービダイトなど）と海洋地殻である玄武岩類，その上に堆積した石灰岩やチャートなどが寄せ集められている．
　これらの岩石により大陸が再生産されると同時に，沈み込むプレートが上盤（大陸地殻など）を削りマントル深く持ち去ってしまう（造構性侵食作用）．
　付加体堆積物が形成される沈み込み帯は活発な物質循環の場である（木村，2002，90−91）．

　付加体堆積物に特有の混在岩については，中江（2000）を参照のこと．

土木工事での付加体堆積物の問題点

　建設工事で付加体堆積物が出現した場合の問題点，は次のようにまとめられる．

1. 密度が大きく間隙率が小さいため，弾性波速度が大きく出る．
   　例えば，ジュラ紀付加体である丹波帯の砂岩主体層であれば，地山弾性波速度は5km/sec以上の値を示す．四万十帯の頁岩層でも4km/sec以上の値となる．この値をそのままトンネル地山分類の適用すると，少なくとも“ＣI”となる．しかし，実際に施工してみると２ランク下の地山（Ｄランク）挙動を示す．
2. 付加過程で構造変形を受けているために層理面に鏡肌が発達することが多く，この鏡肌から分離しやすい．したがって，一見，硬質な岩でも強度は層理面に支配されており，切土やトンネルなどで開放面が形成された場合，破壊しやすい．
3. 破断，変形が進行し混在相（メランジュ）となった岩盤では，泥質の基質の中に石灰岩やチャート，玄武岩などの様々な大きさ岩塊が挟み込まれていて、全体に上均質となる．
   　したがって，工事の規模によって地山評価が大きく異なってくる．また，局部的に脆弱な部分が出現し，思わぬ応力（偏圧など）が発生する．
4. 付加体堆積物は，沈み込んだ時の埋没深度によっては膨潤性粘土鉱物が形成される．このような粘土鉱物は，頁岩などに全体的に形成される場合もあるが，亀裂沿いに濃集し亀裂面の分離しやすさを助長する．
5. 一見均質に見える岩盤でも，付加過程で形成された様々な上連続面（層理，葉理，節理，亀裂など）が形成されており，脆弱となっていることが多い．したがって，上連続面の分類を行い，面の性質（走向・傾斜，面の状態，挟在物の有無など）を詳細に記載する必要がある．

紀伊半島の四万十帯

　付加体堆積物として最もよく研究されているのは四万十帯である．紀伊半島の西海岸では，北は和歌山県由良町付近で仏像構造線により秩父帯に接し，串本町多並付近まで四万十帯が分布している．
　また，四国沖から南海トラフ（海溝ほど深くない深海底の凹地）での地震探査により付加体の構造が明らかにされている（氏家ほか，2001）．

付加体堆積物の見られる上連続面

　付加体堆積物の特徴の一つは，数ミリオーダーの“圧力溶解劈開”から層理面・節理面などの数センチ〜数10センチオーダーの上連続面が変形・強度特性を支配していることである．
　粘土化を伴う幅数10mオーダーの破砕帯もトンネル周辺の地山挙動を支配しているが，小規模から中規模の上連続面が地山の大変位のきっかけとなっている可能性がある（表11.13参照）．
　この小規模上連続面と中規模上連続面は“入れ子構造”となっており，その走向・傾斜が一致していることが多い．

• ① 全体に著しいせん断変形作用を受けており，黒色に見えるより泥質な部分に圧力溶解劈開（最大幅0.5mm）が発達している．頁岩自体は孔隙率は小さく続成作用が進んでいる．せん断面に鋭角で斜交している劈開は，リーデルせん断面である．引張クラックはT面と呼ばれるものである．
• ② 圧力溶解により吐き出されたシリカや炭酸塩鉱物が引張クラックを充填する．
• ③ より深部に沈み込んだときにせん断面に沿って変質が進行し，粘土鉱物が形成された．また，カタクラサイト化作用を受けた．

  ---

  ---

  図11.24　上連続面の分類
  （地盤工学会，1995　による） 　一般的には，土木工事で問題となるのは，中規模から大規模な上連続面である．しかし，泥質な付加体堆積物では地山の変形・強度特性を支配しているのは，小規模な割れ目，主に堆積岩に発達した劈開である．

  ---

  付加体堆積物の変位発生機構の例

  　付加体堆積物中にトンネルを掘削した場合の変位発生機構は次のように考えられる．

  ＜ステップ１＞　掘削により劈開の直交方向には引張応力が，劈開方向にはスリップ（せん断応力）が生じる．初期には両者の変位はほぼ同等で時間の経過とともにスリップが卓越するようになる．

  ＜ステップ２＞　時間の進行に伴い割れ目の開口・せん断領域は拡大し，トンネル近傍では新たな割れ目が発生する．

  　

  　以上が割れ目の開口に伴う変位発生機構であるが，非常に微少な脆弱部分（劈開）に沿って剥離するようにして割れ目が進行したものと推察される．この割れ目の拡大・変形は，硬質な岩片あるいはブロック間のせん断，開口，閉合であり，上連続的な変位挙動を示すのが特徴である．

  　なお，上のような機構をもたらす要因として次の現象に注意が必要である．

  1. 20〜30cm間隔で分布する，やや規模の大きい劈開には緑泥石が生成していることから，室内試験のスケールを越えたオーダーの弱線となっている可能性がある．
  2. 岩片は劈開と平行な方向には割れにくい．しかし，応力解放により一度形成された矢じり状の鋭角扁平な小岩片は，劈開に直交方向の力に対しては脆く，剥離するように砕ける．

  付加体堆積物を扱う上での留意点

  　日本列島はプレートの沈み込み帯に位置しており，付加体堆積物の分布は広い．付加体堆積物を扱う上での留意点を述べる．

  • (1)　精密地質踏査が必須である．
    　付加体の特徴の一つは，「付加体堆積物では一般に地層累重の法則が成立しないため，地質図学による岩相の側方追跡は困難で，地下の岩相分布を地表の岩相分布から推定することができず，他の地質体についての調査よりも詳細な地表調査およびボーリング調査が必要である．《（地質基準，2001，ｐ9-10）ということである．
    　例えば，四万十帯の中にもチャートや緑色岩を含むメランジュ相が分布している．このような地域では，大まかな出現地質の予測は可能であるが，精度よく岩相分布を捉えることはかなり難しい．既存試料分析や概査によりその地域が付加体堆積物の分布域かどうかの判定を行い，付加体堆積物である場合は，どの岩相（整然相〜メランジュ相）に相当するのかを判断する．その上で，必要な調な調査計画を立案する．
    　具体的には次のようなことが考えられる．
    1) 堆積構造，上連続面の方向，間隔，挟在物，面の性質（鏡肌の有無など），ラフネスなどを記載する．
    2) 露頭規模での応力状態の検討と定方位サンプリングによる顕微鏡での応力状態の検討． 今回問題となった高田山トンネルは，頁岩主体の非常に硬質な整然相である．
    　したがって，露頭を見ている限りでは，強大な押し出しと変位が発生する地山には見えない．しかし，節理と堆積構造の区別も困難なほど亀裂が発達しており，風化した切土表面は，手で崩せるほど亀裂が開口している．このような点に着目して，地山評価を低減する必要がある．

  • (2)　付加体堆積物の場合，弾性波速度による地山分類は1〜２ランク落とす．
    　現在採用されている地山弾性波速度によるトンネルの地山分類では，1〜２ランク剛な支保構造となるよう地山分類を低減するのが妥当と考える．これまでの事前調査では，ＢランクをＣⅠランクにすることは，地山全体の評価から行ってきた．しかし，それでも施工に際して地山状況が事前評価より悪い場合が多い．精密地質踏査が前提であるが，付加体堆積物では，最も良くてCII，主体はDIの地山評価にすることが望ましい．
    　つまり，付加体堆積物では，地山は良くて弾性変形ぎりぎりの挙動を示し，分離面や粘土が挟在している場合には，蓄積されている応力が解放され塑性変形を示す地山であると考える．
    　なお，NEXCO設計要領第三集では，次のような注意をしている．
    「頁岩，粘板岩，片岩などで褶曲などによる初期地圧が潜在する場合，あるいは微細な亀裂が多く施工時にゆるみやすい場合には，実際の地山等級よりも事前の弾性波速度によるものが過大に評価されることがある．《
    （NEXCO　設計要領第三集，2009，p78）．

  • (3)　頁岩主体層に注意する． 　広域的に見た場合，頁岩主体層あるいは頁岩優勢層で工事が難航する場合が多いようである．インコンピテント層となっている頁岩は流動しやすく，せん断帯，褶曲構造が集中的に発生するためと考えられる．
    　インコンピテント層というのは，変形を受けた時に相対的に変形を受けやすい地層のことで，堆積岩類では泥岩類がインコンピテント層となりやすい．インコンピテント（incompetent）というのは，『役に立たない』という意味である．

  • (4)　圧力溶解劈開の分布密度などを目安とする．
    　データ数はきわめて少ないが，圧力溶解劈開の分布密度，幅がトンネル掘削で大変位が発生するかどうかを見分ける一つの目安となる可能性がある．今後，データの収集が必要である．
    　また，一般的に行える試験での指標作りの基礎データを収集する．候補としては「ロサンゼルス試験器によるすり減り試験《による「すり減り減量（％）《や水銀圧入式ポロシメーターによるマイクロクラック幅測定などが考えられる．

    　日本列島の付加体堆積物の分布は，『地質基準』の表紙カバーに示されている．このような付加体分布域では，大規模な切土，構造物のための掘削，トンネルなどを計画する場合は，上に示した留意点を念頭に置いて調査する必要がある．

    参考文献

    • 氏家恒太郞・久光敏夫・平野　聡・村上由紀，平　朝彦，ODP Leg 190 乗船研究者一同，2001，南海トラフ付加体の物性．月刊地球　号外，No.32，152−159．
    • 木村　学（きむら　がく），2002，プレート収束帯のテクトニクス学．東京大学出版会．
    • ジェオフロンテ研究会，2005，付加体地質とトンネル施工．
    • 地盤工学会，　岩の力学委員会，1995，上連続性岩盤と構造物に関する報告書．
    • 中江　訓（なかえ　さとし），2000，付加複合体の区分法と付加体地質学における構造層序概念の有効性．地質学論集，第55号，1−15．
    • 日本地質学会地質基準委員会 編著，2003，地質学調査の基準−地質基準．共立出版．
    • 吉松敏隆，1999，2　地域区分と境界斷層．アーバンクボタ，No.38，8−9．
      （ http://www.kubota.co.jp/siryou/pr/urban/pdf/38/ ）

    ---

    ←“貯蔵庫”へ戻る

    ---