非一様な地震動下で逆断層を横切るトンネルの機械的応答解析

なぜ地震で地下ルートが重要なのか

都市や国が道路や鉄道のために山脈内により長いトンネルを掘るにつれて、埋設されたこれらのルートの多くが活断層を横切る必要が出てきます。地震で地盤がずれたとき、トンネル周辺の岩盤は不均一に変位し、通路を保つコンクリートの殻が押し潰されたり、引き裂かれたりします。本研究は、地震時に逆断層が動く場合の断層横断トンネルの挙動と、それらを利用する人々の安全性を高めるための設計選択について検討します。

実在する山岳トンネルを試験対象に

本研究は中国・天山山脈の大規模プロジェクトに基づいています：天山勝利トンネルは双坑の高速道路トンネルで全長22キロメートル超、強い揺れと高い現地応力がある地域で複数の活動断層を横切ります。中国や日本での過去の地震は、断層を横切るトンネルが頂部の崩壊、床の隆起、幅広い亀裂、舗装の破壊などを被ることを示しています。こうした破壊を理解し防止するために、著者らは健全部分の岩盤、より脆弱な断層帯、コンクリート覆工を含む詳細な三次元数値モデルを構築し、このトンネル線形と交差する主要断層の一つに対応させました。

地盤を不均一に揺らすこと

これまでの多くの研究は、地震がトンネル下の地盤を全域で同じように揺らすと仮定してきました。現実には、上方に移動する側（懸垂側）は下側（足場側）と異なる運動や永久変位を受けることがあります。本研究では、研究者らはカリフォルニアの大地震の記録に基づいて合成地震波を2種類作成しました。1つは断層による地盤の引きずりを模擬する永久オフセットを含み、もう1つはそれを含まない単純な波です。永久変位を含む運動を懸垂側に、より単純な運動を足場側に入力することで、断層面自体の大きく緩やかな滑りと、両側で異なる入力がどのように組み合わさるかをモデルがとらえられるようにしました。

トンネルはどこでどう傷むか

シミュレーションは、損傷が断層コア（断層帯の最も破砕した狭い部分）付近に集中し、特にトンネルの壁が屋根に移行する曲面部分であるハンチに顕著であることを示します。断層の滑りが大きくなると、覆工コンクリートの損傷指標は広い貫通亀裂や破砕に相当するレベルに急速に接近します。これらの高損傷領域は断層コアから周辺岩盤へ広がり、逆断層では懸垂側がより強く圧縮やせん断を受けるため常に懸垂側で悪化します。ひずみのパターンは、特にハンチ付近でトンネル断面周辺が引き伸ばされ圧縮されることを示し、一方でトンネル軸方向の長手変形は典型的条件下では比較的控えめにとどまります。

断層幅と断層角の役割

研究チームはまた、断層帯の厚さと断層面の傾斜角が損傷に与える影響を調べました。断層帯が広い、すなわち断層岩の相対剛性比が高い場合、変形がより穏やかに分散し、岩盤塊と覆工の協調変位が改善されます。これにより、覆工のピーク損傷は最大で約45％低減されますが、断層コア内の覆工は依然として深刻な亀裂を被ります。断層の傾斜角を変えると閾値効果が現れます：断層が中程度の傾斜（およそ60度まで）の場合は全体的な損傷パターンはあまり変わりません。しかしより急傾斜になると、断層コア内の損傷は軽減される一方で断層と懸垂壁の界面での損傷が増し、軸方向ひずみ（トンネルを長さ方向に引き伸ばしたり圧縮したりするもの）は断面のいくつかの重要部位で増大します。

より安全なトンネルのための設計上の教訓

技術者への主要メッセージは、損傷を支配する要因は断層滑りの量であり、断層幅や傾斜角よりも重要であるということです。ハンチ領域が最も脆弱であり、したがって補強の最重要対象となります。著者らは、掘削前の小口径パイプ挿入や深層グラウトによる岩盤の前倒し補強、ハンチ部での覆工の局所的な肉厚化や鋼材増強といった対策を提案しています。モデルは一部の施工詳細を簡略化していますが、最近断層運動を受けた中国のトンネルでの実際の被害と照合した結果は、断層横断トンネルを将来の地震に対してより生き残りやすく、重要な輸送路を必要なときに開いておくための実践的指針を提供します。

引用: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

キーワード: トンネルの地震被害, 逆断層のトンネル施工, トンネルの耐震設計, 断層横断インフラ, 地下の地震応答