砂地盤におけるシールド掘進の同期注入が上部既設トンネルに与える影響に関する実験的研究

都市下で起きることが重要な理由

現代の都市は、地下鉄、設備、道路のために層状に重なる地下トンネルにますます依存しています。新しいトンネルを既設トンネルの下に構築する際、地盤の沈下を防ぐため新設構造物の周囲に液状のグラウトを注入します。しかし、締まりのない砂質地盤では、その同じグラウトが意図せず上部のトンネルを押し、長期的な安全性を脅かすような曲げや圧搾を引き起こすことがあります。本研究は、慎重に縮尺した実験モデルを用いて、なぜそのようなことが起きるのか、そしてどれほどのグラウト注入量が過剰なのかを示します。

地下の小さな都市を作る

これらの見えないプロセスを調べるため、研究者たちは実際の地下鉄条件を模した粒径と密度の砂を充填した大型の土槽を構築しました。その中に、鋼製の「既設」円形トンネル模型と、その下にシールド機で新たに掘進されるトンネルを表す第二のトンネルを設置しました。モデルは実物の十分の一の縮尺で作られ、正確な制御を可能にしながら現実的な挙動を再現します。掘進のすべての工程を同時に再現するのではなく、段階を分けて実験を行っています。掘削工程は以前の研究でモデル化されており、本研究はシールド後方で新しいセグメントを据え付ける際に行われる注入グラウトに焦点を当てています。

グラウトの注入と計測方法

実際の現場では、ライニングと地盤の間の狭い隙間（シールド尾部の後方）にグラウトがポンプで注入されます。研究チームは、特注のシールド尾部、シールブラシ、グラウト配管とポンプを用いてこれを再現しました。彼らは二つの主要なパラメータを変化させました：グラウトスラリーの含水比と、厳密に埋めるべき体積に対する注入量、すなわちグラウト注入比です。砂に埋め込まれた小さなセンサーは上部トンネル周辺の土圧の変化を測定しました。上部トンネル内部では、重なり合う鋼製定規やレーザー、カメラが直径や曲げの微小な変化を追跡し、注入が進むにつれて構造がどのようにたわむかを正確に捉えました。

上部トンネルに生じる見えない押しと曲げ

計測は、グラウト注入が均一に作用しないことを明らかにしました。注入された領域が既設トンネルの下を移動するにつれて、特にトンネルの中央直下で砂中の圧力が急激に上昇しました。上部トンネルの底部で圧力上昇が最も大きく、側面はほとんど変化せず、天井はわずかに変わるにとどまりました。グラウト注入比が高い場合、トンネル底面に対する上向きの押しは、より控えめな注入の場合に比べておよそ1.5倍に達しました。この不均等な荷重により、上部トンネルは注入経路に沿って弓状に持ち上がり、底部の持ち上がりが天井より大きくなりました。同時にトンネル断面は形を変え、鉛直方向の直径が縮小し水平方向の直径が拡大して、円形がやや横長の楕円に変化しました。

グラウトが過剰になると何が問題か

これらの変形は重要です。トンネルは円形のリングに荷重を均等に分担するよう設計されているため、底部が膨らんで断面が楕円化すると、ライニングの一部に極端に大きな応力が集中します。本研究は、砂地盤ではグラウト注入比が大きい（厳密な空隙体積の約1.6倍）と、上部トンネルに顕著な上方変位と楕円化を引き起こし得ることを示しています。トンネル下のグラウトが硬化してわずかに収縮すると、持ち上がりは部分的に戻る場合がありますが、その際に生じた余分な曲げは構造に応力を残します。時間の経過とともに、こうした変化は亀裂、継手の開き、ボルト損傷、漏水を促進する可能性があります。

より安全なトンネルのための実践的教訓

専門外の人にとってもメッセージは明快です：砂質地盤で既設のトンネルの下に新しいトンネルを掘る際、支持用グラウトを過剰に注入することは不足と同様に問題になり得ます。実験は、グラウト注入比を概ね1.6以下に抑え、リアルタイム監視に基づいて調整することが、既設トンネルの過度な持ち上がりや歪みを避けるのに役立つことを示唆しています。これらの見えない地下力をよりよく理解することで、設計や施工管理を改善し、既に数百万人の旅客を運ぶトンネルを守りつつ、成長する都市が求める新しいトンネルを追加できます。

引用: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

キーワード: シールド掘進, 同期注入, 地下鉄トンネル, 砂質地盤, トンネル変形