みんなの広場

トンネルの思い出

会員 新枝幹夫

1. まえがき

筆者はかつて建設コンサルタントに在籍し，トンネルや橋梁，高速道路などの地質調査に携わりました。その中でも特徴的な2つのトンネルについて思い出を述べることにします。

トンネルを掘削する場合に最も困難な問題となるのが，断層破砕帯と地下水の湧水です。(環境的な側面からは，渇水問題･･･たとえば井戸水の枯渇や水位低下等がありますが，ここでは触れません)

断層破砕帯は，同じ所が何度も剪断された結果，岩石が粉々になっていて，一部は粘土化していることもあります。この断層粘土は，トンネル掘削により応力が解放されると膨張します。特に地下水を伴うと膨潤し，泥濘化します(ドロドロになる)。土被りが大きい場合，トンネル部分の岩石の強度より，土被り応力が大きくなると，この断層粘土がトンネル内に押し出したり，路盤(トンネルの最下面)が盤膨れしたりします。



※土被り･･･道路面からその上の山の地表面までの高さ

※土被り応力･･･簡易的に表現すると，トンネルより上の山の重さ

※盤膨れ･･･路盤が下側から上に膨れあがること



地下水の湧水は，少ない場合は自然流下やポンプによる汲み出しで対応できますが，大湧水になると大変な苦労を伴います。映画『黒部の太陽』，『海峡(青函トンネル)』などで，この大出水の対応がいかに困難であるか詳細に描かれています。

以下には，大規模な断層破砕帯に遭遇した中国自動車道冠山トンネルと，四国カルストで大出水に遭遇した一般国道440号地芳(じよし)トンネルの例をあげます。

2. 中国自動車道冠山トンネル・冠山断層

中国自動車道の広島県と山口県の県境を跨いで，延長約2.2kmの『冠山トンネル』があります。



図2.1 冠山トンネル位置図(Craft MAP使用)

当地は，地質的には，基盤に花崗岩，地表付近は昔火山だった冠山から流出した玄武岩・玄武岩質火砕泥流などが覆っています。ここには，昔から『冠山断層』という有名な断層が存在することが知られていました(広島の自然，今村外治他，1966)。



図2.2 冠山トンネル付近の地質図(広島の自然，今村外治他，1966)

『冠山トンネル』はこの冠山断層を貫いて掘削されました。下り線の工事は昭和54年(1979)～昭和57年(1982)に行われました。トンネル工法は在来工法(矢板工法)です。(注: 昭和の終盤頃より，トンネル工法はNATM工法-New Austrian Tunneling Method-に替わったため，それより以前の工法を在来工法と呼ぶことがあります)

掘削工法は，西側(山口県側)から側壁導坑先進で308.5m，以降は底設導坑先進工法，東側(広島県側)坑口125mは側壁導坑先進で迎え掘りです。

※側壁導坑先進･･･トンネルの両側に小さいトンネルを先に掘削し，トンネル前方の地質確認を行うとともに，地下水を抜く役目をします。広いトンネル断面を一気に掘削すると，崩落や出水の危険があるときに採用される工法です。導坑の後をトンネルの本体が追いかけて掘削されます。

※底設導坑先進･･･側壁導坑先進より少し地質的に安全ではあるが，トンネル前方の地質確認の必要があるときに採用される工法です。トンネル本体の中央下方に小さいトンネルが先に掘削されます。トンネル全体を掘削する前に，地下水を先進ボーリングで抜くこと，本体掘削時のズリ(掘削された岩石や土砂)出し運搬坑などに利用できます。線路が敷設されてトロッコで運搬されます。

※迎え掘り･･･トンネル坑口付近は土被りが浅いことから，地質的によくないことが多いため(風化が進んでいる，未固結堆積物が分布する等)，トンネル掘削の進行方向とは逆に，外側から掘削する工法です。トンネルの中からは対策がしにくいが，外からであれば対策がし易いためです。



工事前の地質調査では，弾性波探査で見つけた低速度帯を，冠山断層ではないかと推定して，延長126mの斜めボーリング(60度の角度)を実施しました。

※弾性波探査･･･物理探査の一手法。ダイナマイトで人工地震を起こし，その伝播速度・伝播経路を解析することにより，地山の風化程度や断層破砕帯の分布が分かる。

※低速度帯･･･弾性波探査で，弾性波速度が周囲の速度に比べて極端に下がる部分のこと。

その結果，そのボーリングは深度数mからすべて断層破砕帯および断層粘土に遭遇しました。この断層を掘削したボーリングは，掘削時に断層粘土がボーリング孔内に押し出し，掘削しても翌日には孔が閉塞する状態で，非常に難渋しました。結局全深度ケーシングパイプ(保護管)を4段で入れることになり，掘削に4ヶ月を要しました。この斜めボーリングの湧水圧測定(Johnston Formation Test･･･略してJ.F.T.)時には地下水が自噴しました。水圧は深度にして100m以上あるわけです。pHの高い特殊な地下水でした。

トンネル全体の事前の地質調査数量はつぎのとおりです。

〇第1次～第4次地質調査(上下線)･･･弾性波探査7測線5.7㎞，ボーリング20本1,229m

○施工中の坑口の地すべり調査(玄武岩質火砕泥流堆積物あるいは崖錐堆積物，極端な偏圧地形)･･･ボーリング15本107m，伸縮計4基，歪計

このトンネルは湧水が多かったため，施工中に底設導坑の切羽(トンネルの最先端)から先進ボーリング(1本の深度は平均70mくらい)を行い，前方の地質を確認し，同時に掘削前に地下水を抜くことが行われました。そのボーリングの数は18本1,328.7mに及びます。この先進ボーリングでは，冠山断層の主断層以外にも多数の断層破砕帯を確認しました。断層破砕帯や変質帯の最も広いところは，遭遇幅100mにも及ぶという大断層です。

先進ボーリング1本からの最大湧水量は560ﾘｯﾄﾙ/分でした。また，2.2kmのトンネル貫通直後の湧水量は4t/分でした。



劣化した旧いネガをデジタル化したため，写真は不鮮明ですが，以下に工事中の貴重な写真をあげました。冠山断層群を地下100～200mで確認できたのは，ごく少数の人達です。



写真-2.1 山口県側坑口で，側壁導坑先進工法。両端の小さいトンネルを先に掘って，後から上の大きいトンネルが追いかけて行く。導坑は前方の地質確認と地下水を抜く役目を果たす。線路はズリ出し運搬用トロッコが走る。



写真-2.2 トンネル上半から側壁導坑を望む。側壁導坑に設置した鋼製支保工の頭が露出している。この穴から，本体掘削時のトンネルズリが側壁導坑のトロッコに落とされる。



写真-2.3 底設導坑から地下水が出水して掘削できなくなったため，切羽(トンネルの最先端)を崩れないように鋼材や板で補強して，延長70mの先進ボーリングを行い地下水を抜いている状況。切羽の最大湧水量は820ﾘｯﾄﾙ/分。(S54.11.13)



写真-2.4 底設導坑が『冠山断層』に遭遇し，断層粘土の押し出しや盤膨れのために，鋼材が大きく曲がり，ズリ出し用線路が曲がっている。路盤に盤膨れ対策のためにコンクリートを打っているが，これも割れている。



写真-2.5 本坑における『冠山断層』。左側に赤茶色の断層粘土，右側に暗褐色の断層粘土が見える。まさにグシャグシャである。中央に断層粘土，切羽左端に花崗岩質斑状岩(岩脈)の破砕帯(写真-2.9)，右側に黒色の安山岩(岩脈)の破砕帯，最も右端に花崗岩の圧砕岩(写真-2.11)が分布する。(S55.11.13)



写真-2.6 写真中央の白っぽい部分には，花崗岩の圧砕岩の断層角礫を含む。



写真-2.7 左側に赤茶色の断層粘土，右側(写真の中央部)に暗褐色の断層粘土が見える。



写真-2.8 写真中央部左寄りに暗褐色の断層粘土が見える。



写真2.9 切羽左側の花崗岩質斑状岩(岩脈)の破砕帯



写真-2.10 切羽右下の近接写真。黒色部分は安山岩の貫入岩の破砕帯(白い方解石脈を多数伴う)。最も右端の白い部分は花崗岩の圧砕岩。



写真-2.11 切羽の右下部分。左側は黒色の安山岩(岩脈)の破砕帯，右側の白い部分は花崗岩の圧砕岩。



写真-2.12 冠山断層(写真-2.7)の赤茶色を呈する断層粘土(サンプル近接写真)



写真-2.13 冠山断層(写真-2.8)の暗褐色を呈する断層粘土(サンプル近接写真)



写真-2.14断層粘土(写真-2.6)の中の花崗岩質圧砕岩の角礫(サンプル近接写真)



写真-2.15断層切羽右側の黒色の安山岩の岩脈(写真-2.10)。左端の白い脈は方解石(サンプル近接写真)

この冠山トンネルは，ルート検討時に，地形に明瞭に現れているリニアメント(地形的線状模様の意味ですが，ここでは，ほぼ断層を意味します)を避けて設定されたと，当時の地質調査前には聞いていました。したがって，いわゆる昔から指摘されていた冠山断層は避けているはずなので，このような大規模な断層破砕帯に遭遇するとは想定していませんでした。結果的に，このトンネルの調査・施工の実績からすると，冠山断層というのは，地質時代的にかなり旧い時代から動いており，さらには，現在の地形にもリニアメントが明瞭なため，比較的新しい時代まで動いていたと考えられます。また，その断層は，何本も幅広く分布していることが分かりました(前述の『広島の自然』に載っている断層から，トンネル中央付近の南側にまで，何本も存在していると考えられます)。

補足ですが，このトンネル工事中に，ズリ捨て場予定地の冠高原から，後期旧石器時代の石器が多数発見されました。1979年以降発掘調査が実施され，後に『冠遺跡群』と称されて研究が行われ，考古学会では安山岩の石器の一大産地として有名になったようです。ただし，石器の正確な岩石名については，最終報告書にいろいろな名前が現出し，当地の地質分布を含めた地質的な総括がされていないため，疑問の残る余地がありそうです。

(注:『冠遺跡群発掘調査事業最終報告書，広島県教育委員会・広島県埋蔵文化財調査センター，2001』は図書館で見ることができます)

3. 地芳トンネル(国道440号)

一般国道440号の改修に当たって，愛媛県と高知県の県境部に地芳トンネル(延長2.990km)が掘削されました。最大土被りは約390mです。通称『四国カルスト』と呼ばれる石灰岩台地を貫いたものですが，高圧大量湧水帯に遭遇し，難工事となりました。平成12年(2000)に工事が始まりましたが，貫通に10年の歳月を要しました。



図3.1 地芳トンネル位置図(Craft MAP使用)

この地域は地質的に『秩父帯』と呼ばれるところです。海洋プレートが大陸プレートの下に潜り込むときに，堆積岩の泥岩・海底火山の噴出岩・さんご礁の石灰岩などが削り取られて，大陸プレートに付加された『中生代ジュラ紀付加体』と呼ばれる地質帯です。このうち四国カルストと呼ばれる石灰岩地帯は，地芳トンネルの地表部で幅約1kmです。



写真-3.1 四国カルスト位置図

トンネル工法はNATM工法です。在来工法(矢板工法)が鋼製支保工と厚い覆工コンクリートでトンネルを崩れないように支えるのに対し，NATM工法は，掘削後即座に掘削面周囲に薄い吹付コンクリートを施工し，ロックボルトを打って支える工法です。

以下，平成17年度の四国地質調査業協会愛媛支部技術委員会の資料や現場見学会時の説明を引用参考にして記述します。

このトンネルは高知県側と愛媛県側の2工区に分けて施工されました。高知県側工区(地芳トンネル第２工事，L=1.603㎞)では，地表部には石灰岩が幅500mくらい分布していましたが，トンネル部分に石灰岩は全く出現せず，L=1.603㎞で湧水量はわすが100ﾘｯﾄﾙ/分程度しかありませんでした。この湧水量は，山岳トンネルの平均的な湧水量と比較しても，かなり少ない量です。

しかし，愛媛県側工区(地芳トンネル第１工事，L=1.387㎞)では，緑色岩や泥岩の混在層を抜け，坑口から0.7kmのところで石灰岩に突入した途端，突発湧水に見舞われました。(平成13年(2001)4月26日)。

その後も掘削を進行しましたが，異常出水で掘削不能となったため，急遽トンネルズリを掘削部に返して埋め戻し，コンクリートによるバルクヘッドを設けました。こうして，根本的な対策が検討されました。

検討の結果，トンネル本坑の外側に，前方の地質を確認し，本坑に向かってグラウトを行う『調査坑』や，地下水を抜く『水抜き坑』が掘削されました。

最初の突発湧水時の湧水量は測定不可能であったそうですが，平成17年の現場見学時の本坑の湧水量は，16～20t/分と安定した恒常湧水となっていました。トンネル内の湧水圧は土被りと同じ2MPaです。



写真-3.2 大湧水のため設置されたコンクリートバルクヘッドからの湧水状況。

大出水した切羽から89m手前の位置である。青函トンネルと同じ湧水圧と書いてある。



写真-3.3 湧水状況近接写真(前記写真と同一)



写真-3.4 調査坑のグラウト用ボーリング孔から吹き出す地下水



写真-3.5 水抜き坑の状況(本坑の外側に掘削された水抜き坑は，まさにプールのような状態である)

急遽，調査坑切羽から工区境まで，延長474mのオールコアの水平先進調査ボーリングが実施されました。この先進ボーリングからは6t/分の湧水があったそうです。

その結果，石灰岩を主体とするものの，堆積岩の泥岩，砂岩・泥岩の互層，緑色岩(海底火山の塩基性火山岩・火山砕屑岩･･･石灰岩の下盤)などが入り乱れて出現しました。このような，プレート潜り込み時に異質な岩石が混在して付加されているところを『メランジェ』と呼ぶこともあります。

※緑色岩･･･海底火山の枕状溶岩，水冷自破砕溶岩，火山砕屑岩など多様な物がありますが，成因的に区別しにくいときには，色調的に緑色を呈するところから『緑色岩類』と呼ばれています。赤鉄鉱を含むため赤褐色を呈するところもあります。

写真-3.6には調査坑切羽の写真を示します。緑色岩や泥岩が混在しています。写真-3.7～3.11にはオールコア先進ボーリング(L=473m)のコアの一部を示しました。写真-3.12は見学時にトンネル坑内の足下にあったトンネルズリ(緑色岩)です。

なお，石灰岩中に薄く挟まれる泥岩は，石灰岩の割れ目に未固結堆積物の泥が流入して再固結したものであろうと説明がありました。



写真-3.6 調査坑切羽の地質状況(緑色岩主体で，泥岩が混在)



写真-3.7 石灰岩と泥岩が混在(266～270m)



写真-3.8 石灰岩中に緑色岩が混在(284～286m)



写真-3.9 緑色岩(366～371m) (緑色や赤褐色を呈する)



写真-3.10 石灰岩・泥岩・緑色岩が混在(396～401m)



写真-3.11 泥岩と石灰岩の境界(426～431m)



写真-3.12 トンネルのズリ(緑色岩･･･緑泥石が生じて緑色を呈するもの，赤鉄鉱により赤褐色を呈するものなどが入り乱れている)

大湧水があってから見学時点までの約4年間の合計湧水量は，3,500万tで石手川ダム5杯分と言われていました。当初の地質調査時点では，推定湧水範囲は2㎞2，湧水量は1t/㎞程度を予測していましたが，この時点の湧水量から逆算すると，湧水範囲は50㎞2程度必要となり，石灰岩の連続延長上からもたらされている地下水と考えられています。

石灰岩中の地下水位はほぼ地表にあり，降雨により若干上がる(自噴する)もののさほど変化はなく，降雨により湧水量は増加しないそうです。出口の容量により湧水量が制限されているものと考えられていました。(現在のクラックから目一杯湧水しているものと想定される)

トンネル湧水の地下水年代測定によると10年程度前のものだそうです。

調査坑から本坑に向かってグラウトされており，グラウト圧は，湧水圧が2MPaであるため，それ以上の5MPaで実施されていました。



写真-3.13 調査坑から本坑に向かって施工されたグラウト

今後は，調査坑から中に回り込み，両方に向かって掘削する予定と説明がありました。掘削工法は，先に円形中央導坑を掘削し，4D(Dはトンネルの幅)ほどグラウトして遮水してから切羽を切り広げ，トンネル本坑の断面は当初計画の通常のトンネル形状ではなくて，水圧に強い円形に変更されると説明がありました。



写真-3.14 円形中央導坑先進方式

以上，平成17年度の見学時の資料等に基づいて説明しましたが，後に学会誌などに発表された内容によりますと，このトンネルでは大湧水を止水することと，水圧に耐える特殊な山岳トンネルとして，さまざまな工法が実施されています(通常の山岳トンネルでは，掘削により地下水位が下がるため，水圧は考慮していません)。その功績により，発注者と施工者は，平成22年度土木学会技術賞を受賞されています。

なお，このトンネルからの湧水は，平成23年3月から水力発電に使用されていることがネットに載っていました。一日当たりの発電量は，平均的な一般家庭の使用電力に換算すると約100世帯分に相当するそうです。

4. TBM(トンネルボーリングマシン)

長大トンネルの場合は，効率性の観点から，近年TBM(トンネルボーリングマシン)が使用されることがあります。日本のTBMが，ドーバー海峡の英仏海峡トンネルの掘削に参加したことはよく知られています(このトンネルの地質はチョーク(白亜)，海底部の総距離は37.9km で青函トンネルを抜いて世界一，陸上部を含めた全長は50.5kmです。1994年開通)。

TBMの一種として，都市部の地下(軟弱地盤)を走る地下鉄や雨下水幹線ではシールド工法が以前から多用されています。しかし，この機械を見ることができる機会はあまりないと言ってもいいでしょう。

以下には，地上の岩盤(山岳トンネル)を掘削するTBMとして，新東名高速道路TBM発進記念シンポジウム(清水第三トンネル西坑口)と，秋田自動車道湯田第二トンネルの写真を掲載しました。

(1) 新東名高速道路TBM発進記念シンポジウム(清水第三トンネル西坑口) (1996.6.11)



図4.1 清水第三トンネル位置図(Craft MAP使用)



図4.2 トンネルの掘削および支保パターン図(当時のパンフレットより引用)

上図の直径5mの頂設導坑(円形)を掘削するのが下記の写真のTBMです。トンネルの断面積が非常に大きいため，まずTBMで導坑を掘削し，前方の地質を確認してから周囲を切り広げる工法です。

このTBMの大きさは，直径約5m，長さ約11m，重量約300tです。



写真4.1 TBM全景



写真4.2

TBMの先端のカッターヘッドには，超硬合金でできた刃・ローラーカッターが付いています(写真4.3～4.5)。TBMのカッターヘッドが回転(1分間に7～8回)して掘削していきますが，ローラーカッター自身も回転しながら，岩盤を切削していきます。



写真4.3 カッターヘッド



写真4.4 同上



写真4.5 ローラーカッター



写真4.6 TBMを背後から見る



写真4.7 同上

(2) 秋田自動車道湯田第二トンネル(1994.4.8)

湯田第二トンネル(2.413km)では，径3.5mの頂設導坑をTBMにより施工し，その後，補助ベンチ付き全断面掘削工法により切り拡げる試験工事が行われました。



図4.3 湯田第二トンネル位置図(Craft MAP使用)

地質は新生代新第三紀中新世のいわゆるグリーンタフ地域(大石層)で，流紋岩(溶岩)，流紋岩質自破砕溶岩，流紋岩質凝灰岩・火山礫凝灰岩・凝灰角礫岩，玄武岩質火山礫凝灰岩・凝灰角礫岩，玄武岩(溶岩)などからなります。熱水変質作用が著しく，軟質化，粘土化したところが多くあります。TBMの種類には，オープン型・シールド型がありますが，当地の地質は劣悪で不良地山が多いため，フルシールド型が採用されました。



写真4.8 湯田第二トンネル西坑口(TBMの発進坑)



写真4.9 TBM『湯田丸』



写真4.10 頂設導坑



写真4.11 導坑内(地質が特に悪いところでは鋼製セグメント使用)



写真4.12 導坑内(矢板使用)



写真4.13 熱水変質が著しい流紋岩質火山砕屑岩(ボロボロ)



写真4.14 褶曲した流紋岩(部分的に熱水変質して軟質化)

見学時には，軟弱な地山にカッターヘッドが拘束されて，止まった状態でした。下記の写真は，TBMの最先端で，粘土化した地山がローラーカッターにまつわり付いているところを見たものです(写真4.15～4.17)。



写真4.15 TBM先端の窓を開けて切羽をのぞく



写真4.16 TBM先端の窓を開けたところ



写真4.17 TBMの最先端(ローラーカッター)