覆工コンクリートにおける部分パイプクーリング工法のひび割れ抑制効果について

安藤ハザマ 土木事業本部 ○白岩誠史

川中政美

東北支店 菅原一智

山根 丈

高橋拓真

1. はじめに

本報告は、インバートコンクリート施工区間の覆工コンクリートの温度ひび割れ抑

制対策として、パイプクーリングの範囲を限定して実施する新たな概念を取り入れた

新工法“部分パイプクーリング工法（Localized Pipe Cooling：以下、LP クーリン

グ）”を「国道 115 号線馬舘山トンネル工事」にて適用した効果について述べる。

2. 業務の目的

インバートを施工する区間の覆工コンクリートは、セメントの水和熱および外気温

の変動による温度収縮ひずみがインバートに拘束され、ブロック中央に温度ひび割れ

の発生が懸念される。鉄筋を有する区間の覆工コンクリートは、ひび割れからの劣化

因子の侵入により鉄筋が腐食し、ひび割れの拡大や剥落により耐久性が低下する。

LP クーリングは、ひび割れの発生が懸念される範囲を限定して短期間冷却するこ

とでひび割れを抑制し、作業量および対策費用を低減してトンネルの長期耐久性を向

上させることを目的としている。

3. LPクーリングの選定理由

LPクーリングを含めた様々なひび割れ対策の効果および評価の比較を表－1に示す。

その結果、従来のひび割れ対策であるパイプクーリングや膨張コンクリート等による

対策と比較して、同等のひび割れ抑制効果を確保しながら、経済性の面で向上が図ら

れる LPクーリングを選定した。

4. 3次元 FEM 温度応力解析による LP クーリングの事前検討

LP クーリングを計画するため、図-1 に示すモデルにおいて、3 次元 FEM 温度応力

解析を実施し、冷却範囲およびクーリングパイプへの通水停止時期を検討した 1)。図

-2 中の①に示すように、無対策の場合の部材中心の最高温度およびひび割れ指数（以

下、指数）は、44.1℃および 0.95 となり、ひび割れ発生確率（以下、発生確率）が

58％となるため、ひび割れが発生する可能性が大きい結果となった。また、LP クー

リングの冷却範囲は、図-3 に示すように解析により指数が 1.0 以下の範囲（延長方

向 6ｍ×高さ方向 1.0ｍ）とした。通水停止時期は、部材中心が最高温度に達し、通

水停止による再上昇が発生せず、冷却部以外の発熱が継続している時（2 日間）とし

た。解析結果を図-2中の②に示す。最高温度が 37.2℃、指数が 1.29（発生確率 21％）

となり、ひび割れが発生する確率が 37％低減した。

表-1 ひび割れ対策の効果および評価の比較

対策種類

効果の比較 評

価

特徴

ひび

割れ

抑制

経

済

性

工程

確保

施工

性 長所 短所

膨張材・収縮低

減剤の適用 ○ × ○ ○ △

・施工手間の増加なし

・実績多数

・材料費大

低発熱系ｾﾒﾝﾄ

の適用 ○ × × × ×

・施工手間の増加なし

・温度ひび割れ抑制効果大

・型枠脱枠が遅

延

・材料費大、納

入先

プレクーリン

グの実施 △ × ○ × ×

・コンクリート打込み温度を直

接低減できる。

・特別な設備必

要

打設長の低減 ○ ○ × ○ △ ・打設方法変更なし ・打設回数増

繊維ｺﾝ・ｱﾗﾐﾄﾞ

繊維ｼｰﾄの設置 △ △ ○ △ △

・ひび割れ幅を抑制 ・ひび割れ自体

の抑制効果小

全体ｸｰﾘﾝｸﾞ(全

体を冷却)の実

施

○ △ △ × △

・温度ひび割れ抑制効果大 ・肩や天端部等

への適用困難

LPクーリング

の実施 ○ ○ ○ △ ○

・対策費用小

・脱型時期に影響なし

・施工手間微増

図-1 解析モデル（1/4 モデル） 図-3 冷却範囲の検討（指数分布図）

0.8m

0.9

1.0

1.1

1.2

1.1m

0.5m

1.7m 3.0m

3.7m

図-2 計画時の最高温度・指数分布図（無対策、LP ｸｰﾘﾝｸﾞ）

指数

44.1℃ 0.95

最高温度 最高温度 指数

37.2℃ 1.29

1.30

1.35

43.4℃

43.1℃

①無対策 ②LPクーリング

5. 実構造物への LPクーリング適用結果

LP クーリングのシステム概要図を

図-4に示す。覆工コンクリート左右の

側壁内部に、クーリングパイプ（内空

直径 25mm、延長 5.5m の鋼製の亜鉛メ

ッキパイプ）を 400mmピッチで 3段設

置した。打設開始直後から、セントル

に設置したサプライタンクから 20℃

以下の冷水をクーリングパイプに毎

分 4L で送水した。また、躯体内部の

コンクリートの水和熱を吸収して温

度上昇した水をリターンタンクに戻

し冷却装置にて 20℃以下の温度に冷

却したのちに、再びサプライタンクに

戻し、循環させた。

また、実施工時には、ブロック No.2

～4 において温度およびひずみを測

定し、測定データを取り込んだ事後

解析を実施した 2),3)。その結果を表-2

および図-5に示す。表-2 に示すよう

に、LPクーリングを実施することで、

指数が 0.2 程度、発生確率が 20％以

上改善できたことが確認できた。

2015 年 11 月時のひび割れ調査では、

幅 0.2ｍｍ以上の有害なひび割れの

発生はなかった。

ﾌﾞﾛｯｸ

No.

ｸｰﾘﾝｸﾞ

実施の

有無

最高温度（℃） 最小

ひび割れ

指数

ひび割

れ発生

確率

（％） No.3 No.7

2 実施 32.9 39.1 1.10 37

未実施 38.8 39.8 0.89 68

3 実施 29.2 34.9 1.26 23

未実施 34.7 35.7 1.00 50

4 実施 28.3 33.5 1.23 25

未実施 33.2 34.1 1.01 48

延長10ｍ 延長９，７，５ｍ 延長5.5ｍ

２段 ３段 ４段

400

400

200

600

200

300

300

300

200

図-4 LPクーリング概要図

表-2 事後解析の結果

＊部材中心の着目位置

No.3：インバート天端から 0.4ｍの高さ

No.7：インバート天端から 1.6ｍの高さ

図-5 事後解析時の最高温度・指数分布図（2 ﾌﾞﾛｯｸの結果例）

最高温度 ひび割れ指数

1.23

1.10 1.32

32.9℃

39.1℃

40.1℃

最高温度 指数

0.89 38.8℃

39.8℃

最高温度 指数

①無対策 ②LPクーリング

6. 従来対策との比較

ひび割れ抑制効果を比較するため、3 次元 FEM温度応力解析により、事後解析の条

件にて、従来の対策技術である膨張コンクリートおよび覆工コンクリート全体をクー

リング（以下、全体クーリング）したときの解析を実施した。その結果を図-6 に示

す。“①膨張コンクリート”の場合では指数が 1.15（発生確率 32％）となり、“②全

体クーリング”の場合では指数が 1.02（発生確率 47％）となった。図-5中の“②LP

クーリング”の場合は、指数が 1.10（発生確率 37％）であるため、LP クーリングの

ひび割れ抑制効果は、従来技術と同程度であることが確認できた。

また、LP クーリングは部分的な対策であることから、躯体全体へ対策を実施する

膨張コンクリートや全体クーリングに対し、対策費用を 40％程度低減できた。

7.まとめ

（1）LPクーリングを実施することで、指数が 0.2程度、発生確率が 20％以上改善で

き、幅 0.2ｍｍ以上の有害なひび割れの発生を防止できた。また、ひび割れ抑制効果

は膨張コンクリートおよび全体クーリングと同程度であることが確認できた。

（2）一般的に覆工コンクリートのひび割れ対策として用いられる従来技術（膨張コ

ンクリート）と比較して、対策費用は 40％程度低減できる。

8.参考論文

(1) 新居秀一・荒井匠・白岩誠史・表康弘：部分パイプクーリングによる覆工コンクリートの温度ひ

び割れの解析的検討，土木学会第70回年次学術講演会，VI-652, pp.1303-1304, 平成27

年 9月

(2) 川中政美・高橋拓真・白岩誠史・表康弘：覆工コンクリートの温度ひび割れに対する部分パイ

プクーリングの適用，土木学会第 70回年次学術講演会，VI-651, pp.1301-1302, 平成 27

年 9月

(3) 白岩誠史・高橋拓真・川中政美・佐藤正：覆工コンクリートへの部分パイプクーリングの適用と

その効果確認，コンクリート工学会年次論文集投稿済み，2016年 7月

最高温度

1.02 33.8℃

指数

1.15 40.3℃

最高温度 指数

①膨張コンクリート ②全体クーリング（通水 3日間）

図-6 従来技術のひび割れ抑制効果の解析結果（膨張ｺﾝｸﾘｰﾄ、全体ｸｰﾘﾝｸﾞ）