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 ......1. はじめに...
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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・アラミド
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
全体クーリング(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 クーリング)
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。
ブロック
No.
クーリング
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 ブロックの結果例)
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、全体クーリング)