Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

地中深く、岩盤が破砕され、巨大な圧力にさらされている場所において、トンネルを建設することは、人間のエンジニアリングと地質学的な力の間の繊細な交渉である。エンジニアがこのような「スクイージング（押し出し）」が発生する地盤を掘削する場合、岩盤は単に静止しているわけではない。岩盤はゆっくりと内側に変形し、掘削によって生じた空間を閉じようとする。トンネルを維持するために、建設者は、通常、吹き付けコンクリートの層や、岩盤を一体化させるために岩にドリルで打ち込まれた鋼製ボルトを含む、即時的な支持システムに頼ることになる。この作業における根本的な課題はタイミングである。トンネルの切羽（きりは）が露出した瞬間、岩盤は弛緩し、動き始める。もし支持システムが即座に設置されなければ、ボルトやコンクリートが機能する前に岩盤はさらに移動してしまう。この遅延は、支持システムの挙動を、標準的な計算では予測できない方法で変化させることが多い。エンジニアは、単純な短尺ボルトとコンクリートのシステムがいつ失敗するのか、そしていつ、崩落を防ぐためにより強固で深いアンカーシステムへと切り替えなければならないのかを正確に知る必要がある。それと同時に、プロジェクトの経済的な実現可能性も維持しなければならない。

新しい研究において、研究者たちは高速鉄道トンネルのための実用的なフレームワークを開発した。具体的には、設置の遅延がパッシブ・ロックボルトの性能にどのように影響するかを調査した。チームは、地盤の動きを予測するための定評のある解析手法と、支持が即時に適用されなかった場合に何が起こるかをシミュレートするための詳細な経済モデルを組み合わせた。彼らは、ベトナムの構造的に活動的な地域で計画されている新しい南北高速鉄道ラインにおいて一般的な条件である、岩盤の質が悪く、かつ深い位置にあるシナリオに焦点を当てた。研究者たちは、標準的なアプローチ（短尺ボルトと吹付けコンクリートの層の使用）が、建設の遅延による追加の動きに耐えられるのか、あるいは岩盤が激しく動きすぎて、ボルトがその役割を果たす前に地面から引き抜かれてしまうのかどうかを確認したいと考えた。

この研究は、建設のタイミングが材料の強度と同じくらい重要であることを明らかにしている。シミュレーションにおいて、研究者たちは、岩盤の質が悪化するにつれて、トンネル周囲の破壊された不安定な岩盤領域が急速に拡大することを発見した。彼らのベースラインモデルで使用された3.95メートルの短尺ボルトの場合、特定の転換点が存在する。岩盤の品質がある一定の評価を下回ると、破壊領域が大きくなりすぎ、本来安定した岩盤に固定されるべきボルトの全長を飲み込んでしまう。この状態になると、ボルトはグリップを失い、コンクリートのライニングがいかに強固であっても、トンネルを保持することができなくなる。研究者たちは、この危険な遷移帯が、岩盤マス・レーティング（RMR）が48.2から50.1の間にあるときに発生することを特定した。この狭い範囲において、支持の設置遅延により、岩盤が標準的な短尺ボルトを無用にするのに十分なほど移動してしまうため、異なる戦略への切り替えを余儀なくされる。

この機械的な失敗による経済的影響を理解するために、チームは通貨変動やインフレを除去して、異なる支持戦略の真の資源コストを比較できる正規化コストモデルを作成した。彼らは、岩盤の質が非常に低い（評価値35）という過酷なシナリオをテストした。この状況では、標準的な短尺ボルトは、破壊された岩盤領域が深すぎるため完全に失敗した。単に短尺ボルトを増やしたり、コンクリートを厚くしたりしても問題は解決しなかった。なぜなら、これらの措置では安定した岩盤の深部まで到達できず、確実なアンカーを提供できなかったからである。シミュレーションにおいて唯一機能した解決策は、深いプレストレス・ケーブルアンカーへの切り替えであった。この深いアンカリングの数学的な最適値は9.61メートルであった。しかし、建設には実用的な整数が必要であり、材料の廃棄も考慮する必要があるため、研究者たちは標準的な10メートルのケーブルテンドンが現場での即戦力となる解決策であると算出した。この調整により、推定コストはトンネルのメートルあたり3,105.4コスト単位となり、これは、非効率な対策に過剰支出することなく、これらの困難な条件下でトンネルを確保するための最も効率的な方法を表している。

研究者たちは、深刻なスクイージング地盤と質の悪い岩盤で知られるギリシャのドリスコス双子トンネルの実世界のデータと比較することで、彼らの手法の妥当性を検証した。そのトンネルでは、初期の短尺ボルトとコンクリートでは不十分であったため、エンジニアは長い緊張ケーブルを設置しなければならなかった。新しいモデルは、ギリシャで見られた地盤の動きの全体的な傾向を再現することに成功し、最終的なトンネルの変形量を、実際に記録された測定値の8.2パーセント以内の誤差で予測した。この高い一致率は、このフレームワークが、設置の遅延によって支持システムがいつ失敗するかを予測する上で信頼できることを示唆している。本研究は、質の悪い地盤においては、支持の設置をわずかに待つだけで、短尺ボルトが保持できる限界を超えてしまい、より高価ではあるが不可欠な深いアンカリングへの切り替えが必要になることを裏付けている。

結局のところ、この研究は、エンジニアが設計の初期段階でより良い意思決定を行うためのツールを提供するものである。これは、すべての支持システムの構成要素が設置された瞬間から完璧に連動して機能するという仮定を超えたものである。むしろ、現実の世界では遅延が発生し、それらの遅延が問題の物理的性質を完全に変えてしまう可能性があることを認めている。短尺ボルトが失敗する具体的な岩盤品質の閾値を特定することで、本研究はエンジニアが建設開始前に適切な種類の支持を計画するのを助ける。これにより、設計上は適切に見えても、ボルトが機能する前に岩盤が動きすぎてしまい、実際には失敗してしまうという、コストのかかるミスを防ぐことができる。研究結果は、スクイージング地盤におけるトンネルにおいて、安全とコスト効率の鍵は、岩盤が単純な解決策では対応できないほど破壊されていることを認識し、より深く、より能動的なアンカリングシステムを使用する先見の明を持つことにあると示唆している。