東京湾横断道路は川崎市浮島地先と木更津市金田地先を結ぶ延長15.1kmの自動車専用道路である。路線の最大水深は約30m、海底地盤は中央部で約20m〜30mの沖積層(有楽町層)とその下部の砂・シルト・粘土層より成る洪積層(七号地層)から構成され、工学的な基盤と考えられる地層(上総層群)は海面下約80m以深にしか存在しない。また、東京湾周辺は地震活動が極めて盛んな地帯である。

　このような自然条件のもと、陸上部と海底シールドトンネルを連結する斜路部が浮島取付部と木更津人工島に計画された。そこで直径13.9mの大口径のシールドトンネルを安定的に掘進でき、かつ、完成後の沈下の少ない基礎地盤処理工法と盛土工法の開発が必要となった。

　そのため、山砂・セメント・海水・分離防止材をスラリー状に混合し盛土する混合処理盛土工法と軟弱地盤をセメントで固化処理する低強度深層混合処理工法が採用された。固化改良土に要求された基本物性は、切羽地盤の安定とビットの摩耗から一軸圧縮強さ6〜30kgf/cm²、トンネルの浮上がり防止から単位体積重量_t≧1.8tf/m³、シールド掘進時の泥水の逸水防止から透水係数k≦10^-2cm/secである。また、混合処理盛土では、施工性から流動性と分離抵抗性も要求された。本論文で「低強度」という言葉を用いたのは、目標強度が既往の深層混合処理工法の一軸圧縮強さ40〜60kgf/cm²に較べ小さいことによる。

　混合処理盛土は、東京湾横断道路で初めて大規模に適用された工法である。したがって、その配合や施工法、力学特性などに多くの課題があった。一方、深層混合処理工法は既に実用化された工法であり、その課題は低強度改良体の施工可能性とその力学特性の把握にあった。それらの検討のため、混合処理盛土は「室内配合試験」、「中型水槽打設試験」、「大型水槽打設試験」の3つの試験を、低強度深層混合処理工法は実際の機械を使用しての「現場施工試験」を実施した。以下に今回の開発で得られた主な結果を述べる。

　混合処理盛土は海中に施工される盛土であることから、施工時の分離防止が配合上の主な課題であった。そのため、いくつかの分離防止材を検討した。その結果、分離防止効果のある材料は、解こう泥岩・粘土・ベントナイト・粘結剤であることが解ったが、経済性と大量供給性から解こう泥岩を選定した。解こう泥岩を用いた場合、所要の物性を有する配合は、盛土1m³あたり、表乾状態の山砂1,217kgf・解こう泥岩110kgf・セメント80kgf・海水480kgfとなった。なお、盛土中の水は自由水と山砂粒子への吸着水で構成されるが、前記の水量は自由水量で、これが盛土の流動性を支配することも判明した。流動性は、ポンプ圧送性と打設後のセルフレベリング性からテーブルフローで180mm程度を目標とした。

　セメント固化改良土の三軸圧縮特性を検討し、その設計法として、安定問題を残留強度に基づくせん断強さ、変形問題を微小ひずみレベルでの変形係数で検討することとした。設計の基本を三軸圧縮試験としたのは、構造物が大規模であるので、拘束効果を評価できる三軸圧縮試験の方が一軸圧縮試験より物性を正確に表現できると考えたことによる。また、せん断強さを残留強度で評価したのは、固化土を土として扱い、深層混合処理工法でよく問題とされる引張り破壊の検討を省略し、設計の簡略化を図るためである。

　固化改良土の三軸圧縮特性に関しては、その応力ひずみ関係に降伏・ピーク・残留状態があり、降伏強さは一軸圧縮強さにほぼ等しいこと、および、固化土も一般の土と同じく有効応力の原理が成り立つことを示した。すなわち、残留状態においては、内部摩擦角40〜45°程度の原点を通る破壊線が存在し、残留せん断強さは残留時の有効拘束圧’_3rを起点とし破壊線に接するモールの応力円で規定されることが解った。したがって、排水条件では’_3r＝’_c0なので、せん断強さは’_c0に応じた値となる。一方、非排水条件ではせん断中に負の過剰間隙水圧(-u)が発生するため、’_3r＝’_c0+|-u|となり、せん断強さはこれに応じた値となる。ここで、(-u)の発生量は、初期水圧uと材料特性に支配される。すなわち、u言い替えると_coが十分に大きいときは、’_3rは材料に応じた値’_3r.maxとなり、残留強さは初期応力状態に拘らず一定となる。混合処理盛土では、’_3r.maxは2.5kgf/cm²でそれに応じた_r1.maxは4.2kgf/cm²、深層混合処理A_c1改良土では同じく1.0と1.8kgf/cm²となった。これに対し、_co<’_3r.max、理論的には(_co+大気圧)<’_3r.maxの場合には、キャビテーションのため負の過剰間隙水圧が十分発揮されず、’_3rは’_3r.maxに達しない。したがってこの場合には、残留強さは_coに応じた値となる。図-1に_coを変化させて行なった混合処理盛土の試験結果を示した。図中、_coが0.7、1.0kgf/cm²のケースは_co<’_3r.maxに相当し、4.2kgf/cm²は_coが十分に大きいときに相当する。このような残留せん断強さの性質と、さらに、打継ぎ面での強度低下・寸法効果・強度異方性などについても検討し、残留強さに基づく設計せん断強さの設定を行なった。

図-1 初期全応力を変化させたとき三軸CU試験の応力ひずみ関係

　固化改良土の変形係数を正確に求めるには、全体変位計(EXT)ではなく、局所変成測定装置(LDT)による必要のあることが解った。これは、全体変位計がベディングエラーを含むため、小さい変形係数を与えることによる。ひずみ依存性を考慮すると、LDTによる静的圧縮試験や繰返し三軸試験の変形係数は弾性波探査試験や孔内載荷試験による値と一致した。初期変形係数は、砂を母材とした混合処理盛土の方が粘土を母材とした深層混合処理改良土より大きく、前者G₀は約10,000kgf/cm²、後者は3,500kgf/cm²となった。また、それらは拘束圧に影響されなかった。なお、LDTによる軸ひずみ測定での初期変形係数は弾性波探査から求めたそれに等しいことから、LDTによる室内試験から初期変形係数と一軸圧縮強さの関係を前もって求めておけば、現場でのPS検層から現場固化土の一軸圧縮強さを評価しうると考え、これを、実際の工事での品質管理試験で検討した。

　混合処理盛土の施工は、混練・アジテート・ポンプ圧送・打設の手順で行なわれる。水槽打設試験から施工に関し、混合処理盛土は細骨材(山砂)量が多くその取扱いに時間を要するため通常のコンクリートに比べ混練に約2倍の時間を要すること、圧送はコンクリートと同じ通常の装備で問題の無いこと、品質確保のためには混練後のアジテート時間2時間以内に打設すること、材料分離を生じさせないため打設管を盛土中に常に挿入した状態で打設することおよび流動距離を12m以内とする必要のあることが解った。また、施工時の海域汚染にはssの他にpHも問題とされたが、pHにおいても水酸イオン[OH^-]を原単位として捉えればssと同様に移流拡散方程式を用いて予測できることを示した。

　東京湾横断道路の建設にあたり、シールドトンネルの安定掘進および地盤と盛土の長期安定を保持する目的から、低強度深層混合処理工法と混合処理盛土を実施する必要が生じ、約3年間に亘り、各種の試験を行い検討した。その結果、その施工可能性や設計の考え方が確立され、実際の工事の配合決定や施工法検討および設計に生かされた。実際の工事で実施した深層混合処理工法は約1,840,000m³、混合処理盛土は1,500,000m³で、既に工事は完了し、現在、混合処理盛土中のシールドトンネルの掘進が順調に行われている。今回の研究で、安定した地盤や海中盛土を固化改良土により大量にかつ急速に造成できることを実証した。入手し易い材料を使用して広範な安定した地盤を急速に築造できる本工法は、我国のような軟弱な地質に囲まれた都市圏近傍において有効な手法であり、今後広く活用されることを望む次第である。