断層破砕帯を貫通するTBMトンネルの周辺岩盤変形特性と支保工最適化対策に関する研究

山岳トンネルが突然問題を起こす理由

長大な高速道路や鉄道トンネルは、現在では世界の高く険しい山岳地帯を貫いています。これらの路線は通常、固い岩盤を着実に掘削する巨大なトンネル掘削機（TBM）によって切り開かれます。しかしTBMが、古い地震により粉砕・弱化した隠れた断層帯に入ると、トンネルが変形したり崩落したり、場合によっては機械を閉じ込めてしまうことがあります。本研究は中国の山岳トンネルでのそのような高リスク事例を調査し、注意深く設計した支保工が危険を大幅に低減できることを示します。

深い山岳トンネルの問題区間

研究対象は四川省の大涼山1号トンネルで、延長10キロメートルを超える区間が急峻なV字峡谷の下を通っています。大部分は比較的強固な岩盤を通るものの、ある区間ではF1断層破砕帯を横切ります。ここではかつて固かった玄武岩や凝灰岩が粉砕され、風化してもろい破片群になっています。この帯では天井や側壁から岩塊が落ち、大きな空洞が発生し、地下水が浸入し、TBMが岩盤に支持を取る接触点の耐力が低下します。掘削初期には、こうした状況が大規模な落石、鋼製支保材の変形、トンネル壁の収束、さらには停止後にTBMが閉塞した事象を引き起こしました。

地盤の動きを計測する

何が起きているのか、またどう制御するかを理解するために、研究チームは三つの手法を組み合わせました。実験室では破砕帯から採取した粉末状のコア試料を試験し、変質した岩石の強度特性を明らかにしました。計算ではABAQUSの有限要素プログラムを用い、幅8メートルのトンネルが傾斜40度、幅40メートルの断層帯を横切る状況をシミュレーションしました。現地では複数の横断面に計器を設置し、掘削の進行に伴うトンネル天井（アーチ）、側壁、地表面の変位を監視しました。この試験・解析・現地計測の組合せにより、地下で観察される現象と周辺山体内の見えない応力再配分を結び付けることができました。

機械が断層に突入すると何が起きるか

シミュレーションと計測は明確なパターンを示しました：変形は「中央で大きく、両端で小さい」です。TBMがF1の最も弱いコア部に入ると、トンネル天井が著しく沈下し最大約92ミリメートルに達し、上部地表も最大約42ミリメートル沈下しました。天井の沈下は機械が監視区間に到達する約10メートル前から始まり、約10メートル先まで継続しました。側壁の応答は遅く小さく、最大変位は約15ミリメートル程度でした。断層から離れた比較的良好な岩盤では沈下量の増分は5ミリメートル未満に落ち込み、トンネル挙動はより安定化しました。しかし介入がなければ、断層コア部の大きな変位は作業員の安全とTBMの連続掘進能力を脅かしました。

トンネルを包む強い外殻の構築

これらの知見と他プロジェクトでの経験に基づき、技術者らは断層化した地盤に合わせた補強支保工を設計しました。鋼製リブと基本的な吹付けコンクリートだけに頼るのではなく、トンネル周囲の円周に密な配置の鋼製補強条を追加し、吹付けコンクリートを高強度配合に改良し、TBMのグリッパーシューが押し付けられる部位に型枠と注入で確実な受け座を作りました。非常に緩いまたは崩落しやすい箇所には自己掘進ロックボルトやガラス繊維アンカーを打設し、空洞やカルスト孔隙をコンクリートで充填しました。これらの対策を組み込んだ数値モデルは変位が大幅に小さくなると予測し、現地監視も改善を確認しました。

トンネルはどれだけ安全になったか

補強後、監視した全断面での最大天井沈下は約17ミリメートル、地表沈下は約7ミリメートルに低下し、無補強時と比べて約80％の低減が得られました。側壁やアーチ足の移動は数ミリメートルに留まり、全体の変形パターンは滑らかで予測しやすくなりました。岩の剥落や崩落空洞は大幅に減少し、TBMのシューの受載能力は向上し、機械は再び迷走することなく連続掘進できました。実務的には、補強により非常に不安定だった区間が管理可能な工学的課題へと変わりました。

この研究が将来のトンネルに示すこと

専門外の読者に向けた要点は、断層帯の「悪い地盤」が深いトンネルプロジェクトを頓挫させる必要はないということです。まず岩盤の挙動を計測し、次にトンネルと山体の相互作用をシミュレーションし、最後に得られた条件に合わせて補強を設計すれば、地表から1キロメートル下の粉砕・風化した岩盤でもトンネルの変形を大幅に抑制できます。大涼山1号トンネルで用いられた手法は、類似した風化岩や古今の断層を横切る必要がある他の山岳トンネルに対する設計指針を示し、安全性を高め、TBMの停止に伴う高コストリスクを低減します。

引用: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

キーワード: トンネル掘削機, 断層破砕帯, トンネル支保工, 地表沈下, 山岳トンネル