多元場の相互作用を考慮した正断層変動が導水トンネルの破壊機構に与える影響

なぜ地下導水トンネルは地震で損傷するのか

多くの都市や農業地帯は、山間部から生活域へ水を輸送するための長大な地下トンネルに依存しています。これらのライフラインとなるトンネルはしばしば活断層を横断しており、断層は地震時に突然ずれることがあります。断層の下にあるトンネルで地盤がずれると、両側の地盤が異なる向きに動き、構造物に引張や曲げを生じさせます。本研究は、こうした断層変動が大口径の導水トンネルに与えるダメージの実態と、安全性を高めるための設計上の選択肢を検討します。

断層がトンネルを横切ると何が起きるか

研究者たちは、片側の岩盤が他側に対して下方へ相対的に落ちる「正断層」と呼ばれる一般的な断層タイプに着目しました。過去の多くの地震で、トンネルの最も深刻な損傷は断層を横切る箇所で発生しており、周囲の岩盤が一見堅固に見えても同様です。断裂やコンクリートの破壊、さらには崩壊が断層交差部で記録されており、飲料水やかんがい用の導水系では供給停止、漏水や侵食の発生、深部での復旧が非常に困難かつ高コストになる可能性があります。

岩盤、コンクリート、流れる水を含む仮想実験

この問題を探るため、著者らは正断層を横切る高圧導水トンネルの詳細な三次元数値モデルを構築しました。モデルは周囲の岩盤、より脆弱な破砕断層帯、トンネルの鉄筋コンクリート外殻、内部を流れる水を含んでいます。二つの専門的なソフトウェアを連成し、固体（岩盤・コンクリート）の変形・破壊を計算するものと、乱流を含む水の流れをシミュレートするものが相互に情報をやり取りします。連成プラットフォームによって、トンネルの変位と水が与える圧力が受け渡されます。多数のシミュレーション実行前に、研究チームは断層を横切るトンネルの縮尺実験（“サンドボックス”）とモデルを照合しました。数値モデルのトンネルは変形集中箇所や最大ひび割れの発生場所など、物理モデルとほぼ同様に曲がり・割れを生じ、仮想実験が主要な振る舞いを再現していることに自信を与えました。

トンネルはどこでどのように損傷するか

全てのシミュレーションケースにおいて明瞭だったのは、断層変動による損傷が非常に局所的に集中することです。断層帯内のコンクリート巻立てと、その両側数十メートル程度の限られた区間が著しいひずみを受ける一方で、長大なトンネルの残りはほとんど弾性的に振る舞い、永久変形は小さいままでした。最も脆弱な箇所は断層付近のクラウン（上部）とインバート（底部）で、曲げとせん断が組み合わさってコンクリートを引張で破壊します。著者らは、トンネル断面に生じる引張破壊の程度を一つの指標、OLDT（Overall Lining Damage in Tension：引張における総合巻立て損傷）でまとめました。断層すべりが増すほど、この指標は断層帯内で急速に上昇し、ほぼ機能喪失に近い状態に達する一方で、他箇所は低い値に留まりました。

地質と設計の選択が結果をどう変えるか

チームは次に五つの主要因を変数として評価しました：断層すべり量、断層の傾斜角、破砕帯の幅、破砕帯の強度（結合性）、およびトンネル巻立てコンクリートの強度。大きな断層変位は断層帯内の損傷指標を大きく高め、永久的な地盤ずれが破壊の主因であることを確認しました。断層の傾斜が急であることや破砕帯が広いことは、主に変形がトンネルに沿ってどれだけ広がるかに影響を与え、ピーク損傷を劇的に増大させるわけではありませんでした。一方で、破砕帯の結合性を高める（より“強くする”）ことや高強度コンクリートの採用は、重度損傷区間を縮小し損傷指標を低下させました。興味深いことに、トンネル内部の加圧水は巻立ての応力パターンをわずかに変えるものの、トンネルの破壊様式そのものを根本的に変えることはなく、主要な支配因子は岩盤、破砕帯、巻立ての相対的な剛性であり続けました。

導水ライフラインの安全性に向けての示唆

エンジニアにとっての示唆は、設計の労力をトンネル全体ではなく断層を横切る断面に集中すべきだという点です。極めて弱い断層帯を補強・注入（グラウト）したり、断層との交差部でより強い巻立て材料や特殊な詳細設計を採用することにより、大規模な断層すべりが発生しても貫通割れや崩壊のリスクを大きく低減できます。本研究はまた、OLDTのような単一の定量的損傷指標が設計案を比較し性能目標を設定する上で有用であることを示しています。要するに、正断層変動は重大なハザードである一方、断層周辺の地盤処理とトンネル巻立ての慎重な設計により、これら重要な導水トンネルを必要な時に機能させ続けることが可能です。

引用: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

キーワード: 導水トンネル, 正断層, 地震によるトンネル損傷, 流体–構造連成, 地下インフラの安全性