6.1 坑口の位置取り
6.2 坑口の調査
6.3 坑口の地すべり・崩壊地形
6.4 坑口の地すべり対策工
トンネル坑口は一番地表に近い部分に坑門があり,トンネルと地表面との交点から奥にグランドアーチが形成されるまでの区間の坑口部があり,その奥にトンネル一般部がある.トンネル坑口を施工する場合,坑口付け部を作らなければならないが,これはトンネル天端から2−3mの土被りが確保できる箇所から1:0.3−1:0.5程度の切土勾配で切り下がってくる.
図6.1.1 トンネル坑口部の模式図(日本道路公団設計要領第三集,1997 に加筆)
単純に考えれば,地表面とトンネル天端との交点が坑口の位置で,それより外側に坑門が付く.坑口部の区間は,地質状況に応じて土被り1D−2D(Dはトンネル掘削幅)の間で決定する.一般のトンネルでは土被りが20m確保できれば大丈夫と言うことになる.
図6.1.2 トンネル中心軸線と地形との関係(日本道路公団,1997,p126 に加筆)
1:最も安定した坑口である.等高線とトンネル軸がほぼ直行しているために偏圧がかからない.また,等高線が均質であることから,厚い土砂が堆積しているとは予想されないし,坑口上部に岩盤崩落を起こすような不安定岩塊もないと考えられる.
2:斜面に斜交しているために坑口付近で偏圧が作用する.場合によっては,谷側に押え盛土をしてトンネルを安定させる必要がある.
3:斜面に平行に近い形でトンネル坑口を設けている.低土被り区間が長く続き偏圧も作用するので,できれば避けたい坑口位置である.谷側に押え盛土などをして安定させる必要がある.
4:尾根の中心に坑口を付ける.尾根は比較的安定した地質で構成されているが,長い間残っているので風化が深くまで進んでいて地質がもろい場合がある.また,風化岩地すべりあるいは岩盤地すべりが発生している場合があり,踏査で十分微地形を把握し判定する必要がある.
5:沢地形の部分に坑口が設置されている.沢に坑口をつける利点は,一般にトンネル延長が短くなり工費が安くなることである.ただし,沢は地層の弱線である場合が多く,地質の確認が必要である.また,水が集まりので地表水排除工などで処理を検討する必要がある.
設計上は工事用設備の配置,沢や谷との平面交差を避ける等の配慮が必要であるが,地質的には坑口部の切り取り斜面の安定性に十分注意する必要がある.切り取り斜面の勾配はできるだけ急勾配とすることが望ましく1:0.3−1:0.5程度を目安とし,必要な場合には吹付けコンクリートやロックボルトによる「のり面保護工」を計画する.
a) 土被りが小さく適当なグランドアーチが形成されにくい.
b) 地山の持つ強度を有効に利用することが難しい.
c) 全土被り荷重が土圧として支保工や覆工に作用することがあり,作用のベクトルはトンネル軸方向と横断方向に卓越するが,地形・地質条件により一定しない.
d) 地震に対してはトンネルで最も弱い部分であり,まれに震害が生ずることがある.
e) トンネル施工時の坑口付けや本体掘削により地すべり,斜面崩壊,偏土圧による変状・地表変位などを引き起こすことがある.
f) 供用時においても,落石,雪崩,土石流などの自然災害の影響を受けやすい.また,積雪地では吹き溜まりが発生しやすいので,両切土を避けたり卓越する風向を考慮して必要な防護工(スノーシェッドなど)を設ける.
表6.1.1 坑口位置の特徴と問題点(日本道路公団,1997,126-127 にもとづく)
型No | 型 | 特 徴 | 問 題 点 |
1 | 斜面直交 | 最も理想的な坑口 | 斜面中腹に坑口ができる場合,工事用道路の確保や取り付け部の道路構造との関連など施工上の特別な配慮が必要となる. |
2 | 斜面斜交 | 非対称の切取り斜面や坑門となる場合がある. | 流れ盤等の場合には偏土圧が作用するため偏圧に対する検討が必要である. |
3 | 斜面平行 | 長い区間にわたって谷側の土被りが薄くなり一般的には避けるべき坑口位置である. | 偏土圧に対して特別の配慮が必要である. |
4 | 尾根部進入 | 一般には安定した坑口 | ケルンバットの背後に断層があることが多い. やせ尾根では風化が深く地山全体が緩んでいることがある. |
5 | 谷部進入 | トンネル延長は短くでき地山が安定していることが多い. | 崖錐堆積物や未固結層が厚く堆積し地下水位が高い場合が多い. 土石流・雪崩などの自然災害が発生しやすい位置関係である. |
(1)トンネルが山に入る場合
坑口地山斜面の傾斜角がますにつれて,変位線が斜め上方に伸び地表面に達する.坑口地山斜面の傾斜角が増すと各変位ベクトルは斜面に平行に近づき斜面に沿って流れるがごとき動きを示す.
(2)トンネルが山から出る場合
山に入る場合と同様,坑口斜面の傾斜角が増すにつれて変位が大きくなる.
変位の生じる範囲は,切羽前方へは傾斜角の違いによる差は小さく,ほぼ1D以内にとどまっている.これに対し,切羽後方へは傾斜角の増加につれて拡大していく.
変位ベクトルは地表近くではトンネル進行方向にあるが,切羽前方では切羽に向かう方向に変化している.
(3) 両者を比べてみると,山に入る場合の主働土圧は,山から出る場合の3倍となる.トンネルをどちらの坑口から掘削するかは,坑外設備のヤードが確保できることが第1条件となるが,坑口の地形条件や地質条件,トンネル排水等も考慮する必要がある.可能であれば地形・地質条件の厳しい側を出口にするのが得策である.
以下に坑口の調査・設計・施工上の留意点について述べる.
1996年2月10日に発生した豊浜トンネルの岩盤崩落を契機としてトンネル坑口緊急点検が行われ,さらに坑口付近の斜面を中心に安全度の見直しが行われた.その後の第二白糸トンネルの崩落も含めて浮かび上がった問題は,坑口位置はあらゆる危険性について慎重に検討する必要があることを示している.
トンネル坑口付近は落石の危険がある場合には明り巻きを延長したり,覆道を設けたりしているが,予想を上回る巨大落石(岩石崩壊,岩盤崩落)については,事前調査を十分行い長期的な安定性を検討し,必要な場合には計画ルートの変更も含めて検討する必要がある.
表6.2.1 坑口の災害現象と問題点(日本道路公団,1992,p148)
災害現象 | 坑口としての問題点 |
地すべり | 坑口の切土により斜面のバランスが崩れることにより新たな地すべりが発生したり,旧地すべり地が再滑動するなどは坑口計画そのものに重大な障害となる. |
崩壊・落石 | 急傾斜で岩盤が露出するなど施工にとって好条件であっても,急斜面特有の落石や岩盤崩壊の可能性が高いところでは,事前にその規模を推定し十分な対策が必要である. |
土石流 | 土石流の衝撃力やエネルギーは極めて大きく,その防止対策も非常に大がかりなものとなる.このため坑口が荒廃渓流にかかる場合は土石流を十分に考慮した坑口位置の選定が望まれる. |
雪崩 | 雪崩もいわゆる地山との境界部で滑る底雪崩になると極めて大きなエネルギーを有する.したがって,積雪地帯において坑口が沢地形や急斜面に位置する場合は,雪崩対策が大きなウェートを占める. |
その他 | 洪水氾濫,火山噴火,高温地熱,有毒ガス,地震等. |
表6.2.2 構成物質から見た坑口の問題地形(日本道路公団,1992,p146)
地形区分 | 坑口としての問題点 |
地すべり地形 (クリープを含む) | 土塊そのものがルーズである上,すべり面付近は粘土化し地下水も多いため偏圧・地耐力不足・地表面沈下など各種の障害が発生する.また,いったん滑り出した場合には,その防止対策に膨大な費用を要する. |
崖錐地形 | 現状(自然状態)では安定しているが,施工などで一度バランスを崩した場合に,すべり・崩壊などが発生しやすい. 不均質な構成物(小礫−巨礫,シルト,粘土など)からなるため地耐力不足をはじめ施工が困難である. |
段丘地形 (扇状地を含む) | 構成物質がルーズで不均質(亜円礫,砂など)な上に大量の湧水を伴う場合が多く,容易に崩壊が発生するほか,地耐力不足などの問題がある. |
その他 火山山麓の地形 崩壊跡地形 土石流地形等 | 火山山麓には未固結な火山砕屑物からなるルーズな若い地形があったり,溶岩流の末端が大壁面を形成していたり坑口として問題の多い地形が見られる. その他,土石流地形や崩壊跡地などは,再びそれらの現象が再現される可能性が高い地形といえよう. |
(1) 1996年2月10日に発生した北海道古平町の豊浜トンネルの岩盤崩落は,トンネル坑口の長期的安定性について新たな問題を投げかけた.
崩落した岩盤は,2.6トンともいわれており,明り巻き部分は完全に破壊された.この地域は海底火山により形成された中新世のハイアロクラスタイト(水中溶岩)が広く分布している地域で,この地層は亀裂が極めて少なく硬さは軟岩相当である.変質等による二次的な地山の劣化は少なく,最も問題の少ない岩盤の一種である.
このような岩石崩壊(岩盤崩落)は崩壊エネルギーが巨大であるため,通常の落石対策とは異なる対応が必要となる.すなわち,「落石便覧」などで想定されている落石の規模は,落石の大きさとしては径1m程度までであり,これ以上大きな落石ではロックシェッドやトンネル巻出し部がなどが破壊されている.
なお,落石として対応できない規模の大きな崩壊については,用語が多少乱れている.すなわち,道路防災点検では「岩石崩壊」として大規模な崩壊を扱っているが,平成8年度の坑口緊急点検では,「岩盤崩壊」という用語が用いられている((財)道路保全技術センター,1996).また,規模の大きさを強調する意味から「岩盤崩落」という用語も用いられている.
(2)トンネル掘削時に予期しない大きな応力が働きやすい地山として注意しなければならないは,太平洋側に広く分布する付加体堆積物の砂岩・泥岩類である.この地層は多くの場合タービダイトであり,形成されてまもなく圧力を受けているために,地質時代が新しいわりには締まっており,鮮新世の泥岩類でも地山弾性波速度は3.5 km/sec程度を示す.しかし,実際には,圧縮応力を受け弱層としての泥岩は著しい破砕,片状化を受け,一軸圧縮強度が1N/mm2(10kgf/cm2)を下回ることも珍しくない.しかも深部まで破砕され幅が広いのが特徴である.
また,地質構造的応力が蓄積されているために,坑口の切土時に思わぬ崩壊・すべりが発生しやすいのもこの地層の特徴である.この地層は,もともと坑口となる斜面付近では地すべり地形を呈することが多く,明瞭な地すべりでない場合でも尾根は極めて不安定であると考えてよい.
(3) 付加体堆積物の中でも,破断相や混在相(メランジュ)は,地層累重の法則が成り立たないので,地表調査結果から地下構造が外挿できないことがあり,ボーリングを密に実施する必要がある(地質基準案,2001).
トンネル掘削上は,チャートのブロックとその周辺を構成する粘板岩などの場合には,非常に硬質なチャートブロックを掘削することの困難さと破砕された粘板岩による切羽自立の困難さが重なることになる.
坑口の問題点を地質ごとにまとめたものを表6.2.3に示した.
表6.2.3 坑口の地質区分と問題点(日本道路公団,1992,p147)
地 質 | 大区分 | 中区分 | 細区分・実例 | 坑口としての問題点 |
地質構成物 | 土砂 | 一次堆積物 (主として火山放出物) | ローム層 一次シラス (風化土) | 主として火山から噴出し空中を漂ったのち降下したか,斜面を流下したもので,未固結ではあるが比較的自立する.浸食には極めて弱い. |
二次堆積物 (上記以外の未固結物) | 段丘堆積物 扇状地堆積物 崖錐堆積物 二次シラス その他 | 水により運搬されて堆積したり斜面下部に堆積したもので坑口条件としては極めて悪いものである.地下水を大量に含むことがある. | ||
軟岩 | 未固結岩 | 新第三紀末から第四紀の砂岩・泥岩・礫岩・溶結凝灰岩 | 節理や層理などの割れ目は少ないが,堆積物自体が軟質なもの. 比較的自立性はよいが,地耐力等に若干問題ある. | |
風化変質岩 | マサ土・温泉余土・緑色凝灰岩・蛇紋岩 | 母岩自体は堅固であったが風化作用や変質作用を受けた結果極めて軟質になったもの. 粘土鉱物が多く水を含むと膨張する等施工上極めて問題が多い. | ||
破砕岩 | 亀裂の多い泥岩・粘板岩・黒色片岩・千枚岩等 | 岩片自体は硬質であるが亀裂が多く岩盤としては全体的に脆いもの.自立性が悪く偏圧も受けやすい | ||
硬岩 | 中硬岩−硬岩 | 第三紀以前の堆積岩・火山岩・変成岩・深成岩など | 土砂や軟岩以外の堅固な岩盤.地質構造さえ問題がなければ坑口条件としては最適なものである. | |
地質構造 | 大構造 | 断層 | 垂直・水平変位・活断層 | 変位量の大きい断層は周辺部にも派生断層等を生じており断層粘土と地下水等の影響で施工条件が極めて悪いもの. 活断層は最近も活動をしているために破砕が深部まで及んでいる |
破砕帯 | 断層作用 圧砕作用 | さまざまな規模を有するが,大きなものは数10m以上に達し地山全体が破砕質となっている. | ||
小構造 | 節理等 | 流れ盤・受け盤 | 岩盤内では閉じた節理であっても応力が解放されることによって岩石間の粘着力が失われる. |
静岡県の大崩海岸は,崩壊を避けて海に張り出した橋を建設した.同じような事例は,北陸道の親知不である.
層雲峡の岩盤崩落は大雪溶結凝灰岩の柱状節理が崩壊したものである.この溶結凝灰岩の下位には粘板岩が分布しており,脆弱化している.
豊浜トンネルと第二白糸トンネルはいずれも水中溶岩を主とする地質である.
このほかにも,坑口が崩壊した事例は,地すべりのところで述べるJR飯山線高場山トンネル,北海道の国道231号雄冬トンネルなどがある.
表6.2.4 岩石崩壊の事例
年月日 | 場所 | 道路名 | 規 模 | 崩壊土量 | その他 |
1971.7.5 | 静岡県 大崩海岸 | 国道150号 | 幅 :45m 高さ:50−100m | 6,000m3 | 岩すべりにより国道部分の道路が崩落した. |
1989.2 | 同上 | 同上 | 幅:7−8m 高さ:約25m | 2,000m3 | 国道より下が崩壊. |
1987.6.9 | 北海道 上川町層雲峡 | 国道39号 | 厚さ:4−5m 高さ:120m | 約11,000m3 | 溶結凝灰岩の岩石崩壊.石狩川を堰き止め,約100m離れた国道の通行中の車を直撃. |
1989.7.16 | 福井県 越前町玉川越前岬 | 国道 305号 | 幅:約30m 高さ:約25m | 約1,100m3 | 岩石崩壊によりロックシェッドとポケット式落石覆工が破壊した. |
1991.10.18 | 長野県 猿なぎ洞門 | 国道158号 | 幅 :60−65m 高さ:65m | − | 岩石崩壊によりロックシェッドが破壊. |
1996.2.10 | 北海道 古平町豊浜トンネル | 国道229号 | 幅:40m 高さ:60m | 約20,000m3 | 大規模な岩盤の崩落が発生しトンネル坑口の明り巻きが破壊した. |
1997.8.25 | 北海道 島牧村第2白糸トンネル | 国道229号 | 幅:約40m 高さ:約70m 厚さ:約10m | 約20,000m3 | 大規模な岩盤崩落によりトンネル巻き出し部が約100mにわたって破壊. 1993年7月12日の北海道南西沖地震により近傍で崩壊が発生していた. |
2001.10.4 | 北海道 北見市北陽(ルクシ峠) | 国道333号 | 幅:40m 長さ:80m | 約10,000m3 | 岩盤崩落により2車線がふさがれ一部は国道と平行しているルクシニコロ川に達した. |
表6.2.5 掘削の難易による岩および土の分類
名称 | 説明 | 摘要 | 日本統一土質分類法による土の簡易分類との対応 | |
岩または石 | 硬岩 | きれつがまったくないか,少ないもの,密着の良いもの | 弾性波速度 3,000m/sec以上 | − |
中硬岩 | 風化のあまり進んでないもの(亀裂間隔30−50cm程度のもの) | 弾性波速度 2,000−4,000m/sec | − | |
軟岩 | 固結の程度の良い第4紀層,風化の進んだ第3紀層以前のもの,リッパ掘削できるもの | 弾性波速度 700−2,800m/sec | − | |
転石群 | 大小の転石が密集しており,掘削が極めて困難なもの転石群 | − | − | |
岩塊・玉石 | 岩塊・玉石が混入して掘削しにくく,バケットなどに空げきのできやすいもの | 玉石まじり土,岩塊起砕された岩ごろごろした河床 | − | |
土 | 礫まじり土 | 礫の混入があって掘削時の能率が低下するもの | 礫の多い砂,礫の多い砂質土,礫の多い粘性土 | 礫{G} 礫質土{GF} |
砂 | バケットなどに山盛り計上になりにくいもの | 海岸砂丘の砂 まさ土 | 砂{S} | |
普通土 | 掘削が容易で,バケットなどに山盛り形状にし易く空隙の少ないもの | 砂質土,まさ土 粒度分布の良い砂 条件の良いローム | 砂{S} 砂質土{SF} シルト{M} | |
粘性土 | バケットなどに付着し易く空隙の多い状態になり易いもの,トラフィカビリティが問題となり易いもの | ローム 粘性土 | シルト{M} 粘性土{C} | |
(有機質土) | − | − | 高有機質土{Pt} |
一般に,水平ボーリングのトンネル断面での実施位置は,施工上最も危険性が高い(悪い地山が出現する)トンネル天端付近で実施する.この場合,トンネル天端から1?2m程度下げた位置が適当である.ボーリング掘進上はスライム排除がスムースに出来ることが必要であるため,上向き数度(3°程度)で掘削することになる.地山が劣化していたり湧水が多い場合は,掘削後グラウトを行う.
崩壊性地山で,しかも湧水が多いと予想した場合には,トンネル施工上の障害とならないようにスプリングライン付近か踏前(トンネル施行基面)付近で実施する.あるいは,トンネル断面をはずして排水ボーリングを兼ねて実施することも検討する.
なお,道路公団の要領では,水平ボーリングの掘削位置はトンネル断面外のスプリングライン(SL)付近で地山が安定するまでの長さ(通常100−200m)としている(旧日本道路公団,1992,p164).
ただし,最近の経済状況から掘進長は必要な情報が得られる範囲で,できるだけ短くする必要がある.
水平ボーリングでは,区間ごとに孔口からの湧水量を必ず測定する.また,湧水が多い場合には湧水圧試験を実施するか,水頭を測定する.
図6.2.1 トンネル坑口の水平ボーリングの位置
1:上下2本のトンネルを掘る場合は,両トンネルの真ん中に掘って,両方の地質を把握するのが一般的である.
2:一般の2車線トンネルでは,最も地質の悪い天端付近が効果的である.地形条件に合わせて天端から1−2mくらいしたをねらって位置を設定するのが良い.この場合,極端に地山が悪い場合や湧水が多い場合はトン粘ル掘削の時に難渋することがある.
3:湧水が多い場合や切羽が自立しにくい場合は,最低上半の足元付近をねらって位置を設定するのが良い.
なお,水平ボーリングはある深さ以上では孔曲りしてトンネル断面に出てこないこともある.経験的には,30m付近から先で大きく曲がることが多いようである.
図6.2.2 トンネル坑口の水平ボーリングの例
この水平ボーリングは,奥の幅広い低速度帯を抜いて堅岩を確認することを目標として実施したが,堅岩に到達できなかった.
この付近の地質は新第三紀中新世−鮮新世の砂岩・泥岩互層で,成因的には付加体堆積物であり,地山弾性波速度は3.5km/sec程度である.地山中には破砕帯があり膨潤性粘土が含まれているため,一般的には地山分類はD2相当である.反対側坑口は泥岩の挟在しない砂岩で棒状のコアが採取され,悪く見積もっても地山分類はC1相当であった(地山分類一般については後で述べる).
このような地山ではかなり大きい力のあるボーリング機械を用いないと100m以上掘削するのは困難になるので,踏査時に地山状況を見極める必要がある.
上下方向の位置は,地形が厳しいためトンネルスプリングライン付近で実施した.
なお,このトンネルは.径5mのTBM(トンネルボーリングマシン=Tunnel Boring Machine )で頂設導坑を掘削し,天端付近を補強した後拡幅するという工法が取られ,TBMのUターン位置をどこにするかが大きな問題となった.
TBMによる掘削を経済的に行うには1台の機械で2−3kmの掘進が望ましく,少しでも終点側に近い位置でTBMをUターンさせた方がよいのであるが,終点側坑口の地質が悪いので無理をすればTBMがジャーミングを起こし極端に能率が低下する可能性があった.
実際のUターン地点は当初予定地点よりもさらに手前となったが,それでも天端の小崩落が発生しUターンにはかなり苦労を強いられた.
例えば,変質した幅広い粘土化帯中のトンネル坑口のボーリングで,孔口で下向き30°に掘削したところ90m先で地表に出てしまったことがある.
破砕帯の位置を正確につかむなど精度が必要な場合には,孔曲がり測定を実施する.この場合は,孔曲がり測定の頻度をやや密にして少なくとも25m間隔程度に実施し,出来るだけ正確な位置を出す様にするのがよい.
水平ボーリングではそれほど悪い地山でないと判断していたところ,施工してみたら著しい粘土化帯が出現した例がある.このような場合には,ボーリングの掘削精度が問題となる.
旧鉄道建設公団の仕様書では,「水平ボーリング,斜めボーリングにおいては,100m掘進ごとに25m間隔で方位および傾斜を測定すること.」と規定されている.精度は「方位および傾斜角が1°以下まで測定可能なもので測定記録が残るものが望ましい」としている.
孔曲がり測定が必要な深いボーリング掘削では,一般にワイヤーライン工法が用いられるが,地質条件が悪い場合,ワイヤーライン工法でもコアチューブの上げ下げの間にロッドが止まっているだけで締め付けられることがある.また,地質の悪い場合は機械を長時間止めないために昼夜交代で掘削する.このような条件では,掘削に集中するあまり孔曲がり測定がおろそかになることがある.孔曲がり測定をしてみたら回復できないほど孔が曲がってしまっていたという事態も生じかねない.そのために,「100m掘進ごと」という「しばり」が設けられていると解釈できる.
水平ボーリングのコア状況は,そのままトンネルの地山分類に反映させることができる.注意しなければならないのは,水平ボーリングのコア中の亀裂は亀裂面の走向方向と傾斜角とに左右されることである.周囲の岩盤の亀裂の卓越方向と岩石の内部構造からある程度推定できるが,トンネルの切羽面にどの方向の亀裂が卓越するかは正確には判定できない.
したがって,亀裂の方向がトンネル掘削に大きな影響を与えると想定した場合は,水平ボーリングでボアホール・カメラを実施する.この場合でも,ボーリング孔に平行あるいは平行に近い方向の亀裂はまれにしか捉えることは出来ない.地表踏査により補う必要がある.
図6.2.3 孔曲り測定の例
このボーリング孔はやや下向きに掘削する計画で,自然に発生する孔曲り量を想定して孔底位置を想定した.しかし実際には上下方向で約2倍多く孔が曲り,水平方向には右に約50cmずれた.トンネル掘削に伴う先行変位を測定する目的は達成できた.
ちなみに,このときの測定では,先行変位はトンネル掘削の内空変位測定で得られた変位の約35%であった.
図6.2.4 水平ボーリングコアの亀裂面等の走向・傾斜の推定はできないという説明図
上:尾根部で真っ直ぐ西に向かって掘っているボーリング孔の水平断面図
地山での亀裂の傾斜が,例えば90°(鉛直)でも,走向がN70°WあるいはN70°Eであればボーリングコアでは掘削方向に対して20°の亀裂となる.これを緩い傾斜の亀裂と判定することはできない.
下:真西に向かって掘っているボーリングの断面図
この場合は,コアの傾斜角と実際の傾斜角は一致する.