報 文 短繊維混入吹付けモルタル・連続繊維メッシュ併用工法の 道路トンネル内面補強への適用 Application of Short-Fiber Mixed Shotcrete and FRP Mesh Combination Method to Reinforcing Work for Road Tunnel Lining 栗橋 祐介＊ 田口 史雄＊＊ 岸 徳光＊＊＊ 三上 浩＊＊＊＊ 永澤 克巳＊＊＊＊＊ 小沢 宏行＊＊＊＊＊＊ Yusuke KURIHASHI, Fumio TAGUCHI, Norimitsu KISHI, Hiroshi MIKAMI, Katsumi NAGASAWA and Hiroyuki OZAWA 本研究では、合理的な既設道路トンネルの内面補強工法として、ビニロン短繊維混入吹付けモルタ ルとアラミド繊維メッシュを併用する補強工法を提案するとともに、その実用化のため施工試験を実 施した。施工試験には模擬トンネルを用い、主に細骨材の粒度分布が吹付け性状に及ぼす影響につい て検討した。また、本試験結果に基づいて、本工法による実トンネルの補強工事を行うとともに、本 工法の補強効果を確認するため、裏込め注入時におけるトンネル覆工のひずみ分布を測定した。その 結果、１）吹付けモルタルの吐出性状には、細骨材の粒度分布が密接に関連している、２）シリカフュ ームの混入によって吹付け施工が向上する、３）実施工においても模擬トンネルによる施工試験の場 合と同様に良好な施工が可能である、４）本工法は、既設道路トンネルの実用的かつ合理的な内面補 強工法として適用可能である、ことなどが明らかになった。 ≪キーワード：吹付けモルタル；連続繊維メッシュ；既設道路トンネル；内面補強≫ In this study, as a rational reinforcing method for existing road tunnel, the method combining Aramid FRP mesh (AFRPm) and shotcrete mortar mixed with short-fiber was proposed, and feasibility tests were conducted for practical use. In the feasibility study, the effects of grain size distribution of sand on shotcreting property were mainly discussed using modeled tunnel. Also, based on the test results, reinforcing works for real existing tunnel were conducted applying the proposed method. In order to confirm the reinforcing effects of proposed method, strain distributions of the lining were measured during backfilling works. The results obtained from this study are summarized as follows: 1) shotcreting property of mortar is strongly related to grain size distribution of sand; 2) this property can be improved due to mixing of silica fume; 3) reinforcing work can be conducted in the same way as the feasibility test using modeled tunnel; and 4) the proposed method can be practically and rationally adopted as reinforcing method of existing tunnel lining. ≪ Keywords：shotcrete mortar；FRP mesh；existing road tunnel；reinforcement of lining ≫ 2 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 法等が一般的であるが、補強工法のさらなる工費縮減 １．はじめに および工期短縮が求められているのが現状である。 近年、コンクリート構造物の経年劣化や設計基準の このような状況下、著者らはこれまでコンクリート 改定に伴う補修補強工事が盛んに行われている。トン 構造物の合理的かつ経済的な補強工法として、短繊維 ネル構造物に関しては、1999 年に多発したコンクリ 混入吹付けモルタルと連続繊維メッシュを組み合わせ ート片の剥落事故以来、第３者被害の防止を目的とし る工法（図－１）を提案し、その実用化に向けた種々の た点検調査および補修工事が各地で実施されている。 研究を行ってきた。既往の研究では、各種コンクリー また、従来工法（矢板工法） で施工されたトンネルに関 ト部材の載荷実験を行い、提案工法の補強効果を評価 しては、覆工背面に大きな空洞がある事例も報告され 検討するとともに、吹付けモルタルの各種材料試験を ており、地山応力の分散や落盤による覆工の破損防止 施工性や耐久性に関する検討を行ってきた１）、２）。 実施し、 の観点からモルタル等の充填（以後、裏込め注入） も行 しかしながら、施工性に関しては試験室レベルの限定 われている。 された条件下での検討に留まっており、実トンネルへ ここで、裏込め注入時において、覆工コンクリート の適用を想定した適切な施工方法に関する検討は行わ が所定の厚さを有していない場合や経年変化により劣 れていない。 化している場合には、裏込め材の注入圧力により覆工 このような背景より、本研究では、提案工法の既設 コンクリートが損傷を受けることも考えられる。その トンネルへの実用化を目的に、現地施工を想定した施 場合、裏込め注入工に先立って覆工コンクリートを補 工試験を実施した。施工試験は、模擬トンネルを用い 強する必要がある。 補強工法としては、 連続繊維 （FRP） て行い、産地の異なる３種類の細骨材を用いる場合に シート接着工法やポリマーセメントモルタル吹付け工 ついての施工方法の検討を行った。また、検討結果に 基づき、トンネル背面空洞の裏込め注入時における覆 工コンクリートの損傷防止を目的とした補強工事を実 施するとともに、裏込め注入時における覆工コンクリ ートのひずみを測定し、本工法の補強効果を検証した。 ２．施工性試験の概要 ２．１ 使用材料および吹付けモルタル配合 本研究に用いている吹付けモルタルは、コスト縮減 のため現場地域から調達した細骨材を使用することを 図－１ 補強工法の概要 表－１ 使用材料の一覧 材料 細骨材 記号 種類 S 物性および成分 北檜山産陸砂 密度：1.50 g/cm3 粗粒率：2.52 吸水率：2.14 栗丘産陸砂 密度：1.65 g/cm3 粗粒率：2.94 吸水率：1.20 豊原産海砂 密度：1.68 g/cm3 粗粒率：2.55 吸水率：2.65 セメント C 普通ポルトランドセメント 密度：3.14 g/cm3 比表面積：0.45 m2/g 混和材 SF 中国産シリカフューム 密度：2.20 g/cm3 比表面積：19.1 m2/g 混和剤 SP 高性能減水剤 短繊維 Vf ビニロン短繊維 （外割配合） ポリグリコールエステル誘導体 密度：1.30 g/cm3 直径：0.01 mm 長さ：6 mm 連続繊維 アラミド繊維製 格子間隔：60 mm 引張強度：2.06 GPa メッシュ FRP メッシュ 弾性係数：118 GPa 保証耐力：200 kN/m 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 3 表－２ 短繊維混入吹付けモルタルの配合 Vf (vol.%) W/C (%) 1.5 39 単位量 (kg/m3) W C 255 655 S 1310 高性能 減水剤 (C×%) 適宜 シリカフューム (SF) を混入する場合は，セメ （C） の 5 % 置換とした ント量 表－３ 試験ケースの一覧 細骨材 の産地 シリカフュ ームの混入 AFRP メッシュ の配置 写真－１ 模擬トンネル 北檜山 栗丘 豊原 なし 豊原 (粒度調整*) なし 北檜山 栗丘 あり 豊原 北檜山 栗丘 あり あり 豊原 写真－２ 施工試験状況 : 0.3 mm 以下の微粒分を除去 想定している。その場合、細骨材の粒度分布等の諸特 するため、細骨材の種類に応じて高性能減水剤量を適 性によって、施工性が大きく変化することが想定され 宜微調整している。 る。このことより、本研究では、産地の異なる３種類 の砂を用いた施工試験を実施した。 ２．２ 試験方法 表－１には、使用材料の一覧を示している。細骨材 表－３には、試験ケースの一覧を示している。ここ はいずれも北海道産であり、全て天然骨材である。ま で、豊原産の場合においては、粒径 0.3 ㎜ 以下の微 た、 連 続 繊 維 メ ッ シ ュ に は ア ラ ミ ド 繊 維 製 FRP 粒分を除去したケースについて検討を行った。また、 （AFRP）メッシュを用い、後述の既設トンネルの内面 施工性改善のためシリカフュームを混入するケースに 補強工事への適用を想定して同様の諸元のものを用い ついても検討した。これらの施工試験は、内空断面の ることとした。 半径が 2.5 ｍ 程度の模擬トンネルを用いて実施した。 表－２には、吹付けモルタル配合の一覧を示してい 写真－１、２には、それぞれ模擬トンネルおよび施工 る。本配合は、著者らの既往の研究において、施工性、 試験の状況を示している。なお、目標吹付け厚さは、 耐久性および力学特性の観点から総合的に判断して決 いずれの試験シリーズにおいても 30 ㎜ 程度に設定し 定した配合である。また、RC 梁の曲げ補強効果 １） や ている。 コンクリート片の剥落抑制効果２） に関する研究実績 図－２には、吹付けシステムの概要図を示している。 もあることから、本配合を基本配合として施工性の検 施工試験は、コンプレッサーからの圧縮空気により、 討を行うこととした。なお、吐出性状の改善を目的に ピストン式のポンプから吐出されたコンクリートをマ シリカフュームを混入する場合には、セメント量の５ テリアルホースで 20 ｍ 程度圧送する形で実施してい ％を置換することとした。さらに、各試験ケースにお る。 いて、モルタルフロー値が後述の設定値になるように 表－４には、吹付け条件の一覧を示している。これ 4 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 表－５ 施工試験結果の一覧 細骨材 シリカフュー の産地 ム置換率 (%) ○：若干脈動が見ら 北檜山 栗丘 れるが概ね良好 △：脈動が見られる 0 が施工可能 ×：閉塞し間欠的に 豊原 吐出 図－２ 吹付けシステム 豊原 (粒度調整) 表－４ 吹付け条件 ○：若干脈動が見ら 0 れるが概ね良好 北檜山 吹付け条件 設定値 栗丘 モルタルフロー値 120 ~ 130 豊原 設定吐出量 (m3/h) 1.5 吹付け距離 (m) 1.5 材料ホース径 (㎜) 42 100 材料ホース長 (m) 20 90 吐出性状 ◎：良好 5 ◎：良好 ◎：良好 80 らの設定値は既往の試験結果 ２） により、吐出性状、 付着性状およびノズルマンの作業性が良好なものとな るように決定されたものである。 ３．試験結果 表－５には、各産地の細骨材を用いた吹付け施工試 験結果の一覧を示している。上段３ケースの試験結果 を見ると、北檜山産の細骨材を用いる場合には、概ね 良好な吐出性状を示すものの、豊原産の細骨材を用い 加積通過率(% ) 70 60 50 40 30 北桧山 20 栗丘 豊原 10 0 0.075 0.150 0.300 0.600 1.180 2.360 4.750 9.500 ふるいの寸法（㎜) 図－３ 各細骨材の粒度分布 る場合には、モルタルが閉塞し間欠的な吐出性状を示 していることが分かる。このように、フロー値がほぼ 同等 （設定値：120 ∼ 130）であるにもかかわらず、吐 このため、吐出性状が最も劣った豊原産の細骨材を 出性状が大きく異なる要因の１つとしては、細骨材の 対象に、0.3 ㎜ 程度以下の微粒分を 1/2 程度に減じた 粒度分布の違いが考えられる。 細骨材を作製し、再度施工試験を実施した。図－４に 図－３には、各細骨材の粒度分布の比較図を示して は、粒度調整前後の粒度分布の比較図を示している。 いる。いずれの細骨材の場合においても、JIS A 5005 施工試験の結果、粒度調整により吐出性状が大きく改 に規定されている粒度分布の範囲内に分布しているも 善されることが確認された。このことより、吹付けモ （以後、便宜的に微粒 のの、粒径が 0.3 ㎜ 以下の成分 ルタルの吐出性状には細骨材の微粒分が大きな影響を 分と呼ぶ）は、吐出性状の良好な細骨材ほど少ないこ 及ぼすことが明らかになった。 とが分かる。 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 5 100 90 80 加積通過率(% ) 70 60 50 40 30 粒度調整前 20 粒度調整後 10 0 0.075 0.150 0.300 0.600 1.180 2.360 4.750 9.500 ふるいの寸法（㎜) 図－４ 粒度調整前後の粒度分布（豊原産） 図－５ 補強対象トンネルの断面図 一方、表－５において吐出性状の改善を目的にシリ カフュームを混入した試験ケースの結果を見ると、細 骨材の産地によらず、吐出性状が良好なものとなって いることが分かる。また、吹付け後においても、吹付 けモルタルの剥離剥落は生じず、十分な付着性状を確 保していることを確認している。これは、シリカフュ ームのボールベアリング効果によりモルタルとマテリ アルホースとの摩擦が軽減され、吐出が円滑になった ことによるものと考えられる。このことより、現場に よって細骨材の粒度分布特性が変動する場合には、シ リカフュームを混入することが施工性改善対策の１つ になるものと判断される。 図－６ 解析モデル概要図 なお、本試験では AFRP メッシュを配置した場合 においても、細骨材の種類にかかわらず良好な施工が 可能であることを確認している。 損傷防止の観点から裏込め注入の必要性が指摘されて いた。さらに、覆工厚さが設計厚さの 1/3 以下の部 ４．既設トンネルの内面補強事例 分があることや、閉塞クラックも確認されていること から、覆工コンクリートの損傷防止のため裏込め注入 本章では、本工法の道路トンネルの内面補強工事へ に先立って覆工コンクリートの内面補強を施す計画と の適用例について紹介する。 なった。なお、閉塞クラックは、施工時におけるコー ルドジョイントおよび供用後の経年変化により生じた ４． １ トンネル内面補強の経緯 ものと考えられる。 本工法による補強工事の対象となった T トンネル は、昭和 54 年竣工の矢板工法により施工されたトン ４．２ 補強設計 ネルである。図－５には、T トンネルの断面図を示 内面補強の設計では、覆工自重、裏込め材自重およ している。本トンネルは、平成 14、15 年に実施され び注入圧が作用するケースについて、骨組み解析を実 た点検調査により、覆工背面に最大高さ 51 ㎝ の空洞 施し、AFRP メッシュの補強量を決定した。図－６ が確認されており、地山応力の分散や落盤による覆工 には、解析モデルの概要図を示している。解析は上半 6 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 (a) AFRP メッシュ取付 (b) モルタル吹付け (c) 施工完了状況 写真－３ 現地施工状況 部のみをモデル化して行った。また、裏込め材の自重 および注入圧力は、背面空洞部分に作用させている。 注入圧力は、施工管理値である 0.1 MPa とした。解 析の結果より、AFRP メッシュには、保証耐力が 200 kN/ｍのものを用いることとした。 ４． ３ 現地施工 補強工事は、施工延長 18 ｍ を６スパン （１スパン に分割し、半断面ずつ全 12 ブロックに あたり 3 ｍ） 分けて施工した。現地においても前述の施工試験の場 合と同様、良好な吹付け施工が再現された。なお、施 工終了後には、打音検査および電磁波レーダ法により 吹付けモルタルと覆工コンクリートの界面に浮きや剥 離が無いことを確認した。また、トンネル側面付近を コア抜きした供試体の一軸引張試験３）を実施し、界面 の付着強度が十分に確保されていることを確認した。 図－７ 裏込め注入時におけるひずみの測定結果 ４． ４ 裏込め注入時の覆工コンクリートのひずみ測定 裏込め注入は、背面空洞の端部に可塑性モルタルを グラウトストッパーとして充填した後、エアモルタル く発生した計測点の結果について示している。裏込め を注入する手順で行った。また、裏込め材の注入圧が 注入によって、最大 25 μ 程度の引張ひずみが発生し 0.1 MPa を超えないように圧力管理を行った。 ていることが分かる。なお、引張ひずみが急激に増加 裏込め注入時には、安全管理と本工法の補強効果の している部分が見られるのは、ひずみ計測点付近に裏 検証を目的に、覆工コンクリートに発生するひずみを 込め材が注入されたことによるものである。 測定している。ひずみの測定は、覆工コンクリート表 設計上、覆工コンクリートの設計基準強度（ f'c = 面にあらかじめひずみゲージを貼付した PC 鋼棒を埋 18MPa） と弾性係数 （Ec = 22 GPa） から算出される許容 め込む方法で行った。ひずみ測定位置は、後述の図－ 引張ひずみ εta は、下式４）により 15 μ 程度と算出さ ７に示しているように１断面あたり７点であり、ここ れる。 では２断面について測定を行った。なお、裏込め注入 工は７日間で全工程を終了している。 （1） 図－７には、裏込め注入時におけるひずみの測定結 （2） 果の一例を示している。ここでは、特にひずみが大き 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 7 ここに、σbt は許容曲げ引張応力度、α は施工時の 割増係数 ５） であり 1.5 としている。 従って、本トンネルの覆工コンクリートには、裏込 め材の注入圧 （最大 0.1 MPa）が作用することにより許 容応力度を上回る引張応力が発生しているものと考え らず良好な吹付け施工が可能となる。 （3）実施工においても、模擬トンネルによる施工試験 の場合と同様に、良好な施工が可能であった。 （4）裏込め注入時における覆工コンクリートのひずみ 測定結果より、本補強工法の有効性が確認された。 られる。このことは、無補強の状態で裏込め注入を行 った場合、覆工コンクリートが引張破壊する可能性が 参考文献 あることを意味している。このことより、本トンネル （1）田口史雄、三上浩、岸徳光、栗橋祐介、吉田行： に関しては、本工法による覆工コンクリートの内面補 AFRPメッシュとビニロン短繊維混入吹付けコン 強が有効であったものと判断される。 クリートを併用した補強工法による RC はりの耐 力向上効果、構造工学論文集、Vol.50A、2004、 ５．まとめ pp. 761-770 本研究では、短繊維混入吹付けモルタルと連続繊維 （2）栗橋祐介、田口史雄、三上浩、岸徳光：吹付けモ メッシュを併用した補強工法による既設道路トンネル ルタル・AFRP メッシュ併用工法の剥落抑制効果 の内面補強工事への適用を目的に、実施工を想定した と耐凍害性に及ぼす短繊維混入率の影響、第４回 種々の施工試験を実施した。また、検討結果に基づい コンクリート構造物の補修、補強、アップグレー て、既設トンネルの内面補強工事を行い、本工法の適 ド論文報告集、2004、pp.237-244 用性について検証した。その結果、以下の知見が得ら れた。 （3）栗橋祐介、田口史雄、岸徳光、三上浩：短繊維混 入吹付けコンクリートと連続繊維メッシュを用い （1）吹付けモルタルの吐出性状には、細骨材の粒度分 た既設 RC 桁の補修補強、第４回コンクリート構 布が密接に関連している。特に、粒径が 0.3 ㎜ 造物の補修、補強、アップグレード論文報告集、 以下の微粒分量が多い場合には吐出性状が大きく 2004、pp.377-382 低下する。 （2）シリカフュームを混入することにより、そのボー ルベアリング効果が発揮され、細骨材の種類によ 8 （4）日本道路協会：道路土工 擁壁工指針、1999 （5）日本道路協会：道路橋示方書・同解説 IV 下部構 造編、2002 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 栗橋 祐介＊ 田口 史雄＊＊ 岸 徳光＊＊＊ 三上 浩＊＊＊ 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 研究員 博士 （工学） 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 上席研究員 技術士 （建設） 室蘭工業大学 工学部 建設システム工学科 教授 工学博士 三井住友建設 （株） 技術研究所 土木研究開発部 土木構造研究室 室長 博士 （工学） 技術士 （建設） 永澤 克巳＊＊＊＊＊ 国土交通省 北海道開発局 室蘭開発建設部 有珠復旧事務所 （前 函館開発建設部工務課） 寒地土木研究所月報 №645 2007年2月 小沢 宏行＊＊＊＊＊＊ 国土交通省 北海道開発局 室蘭開発建設部 富川道路維持事業所 （前 函館開発建設部工務課） 9
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