(研究成果)开发利用碳纤维片材进行水路隧道加固的施工方法

-为延长老化水路隧道的使用寿命做出贡献-信息公开日期: 2022年10月5日(星期三)

农研机构国立大学法人岛根大学日铁化学与材料股份有限公司东方白石股份有限公司

重点

农研机构与岛根大学、日铁化学与材料(株)、东方白石(株)共同开发了通过将轻量且高拉伸的碳纤维片材粘接在水路隧道内侧的衬砌混凝土上，来加固老化的水路隧道的施工方法该施工方法作为位于山区的小规模断面水路隧道的新的长寿化对策是有效的，因为建设材料的搬入很费工夫，难以进行大规模的对策工程。

概要

在山区建设的运送农业用水的农业用水路隧道(以下简称水路隧道1 )中，如果因崩塌事故等导致送水停止，下游地区就会停水，因此会给农业生产带来巨大的损害。为了防止这种情况于未然，在劣化轻微的阶段进行加固等措施是很重要的。但是，水路隧道的加固工程需要用于将使用的材料搬入水路隧道内部的临时道路和设备，因此经常成为大规模的工程，难以迅速实施。

农研机构与岛根大学、日铁化学与材料(株)、东方白石(株)共同实施了官民联合新技术研究开发事业(农林水产省，H29-R1 )，通过人力将预先在工厂加工的细的、帘状的碳纤维2 )片材铺在水路里碳纤维片材的密度约为铁的1/5，重量轻，可以用人力容易地搬运，所以不需要用于搬入材料的临时道路和设备，可以大幅度减轻所需的费用。另外，由于可以只对需要加固的范围进行部分加固，所以作为隧道的抢修也是有效的。

本施工方法为【农业水利设施维修、加固工程相关手册《水路隧道篇》】 ( https://www.maff.go.jp/j/nous in/mizu/suto mane/210617.html)中记载了设计方法的事例。

详细信息

开发的社会背景

【农业水渠隧道现状】在将生产食物所需的水输送到农田的农业水路中，水路隧道的总长度约为2,000km。这是相当于道路5，097公里、铁路2，240公里的社会基础设施。但是，长期使用的水路隧道中，也有衬砌混凝土出现裂缝等变形的情况(图1 )。如果水路隧道崩塌，会长期停水，给水路隧道下游侧的农业生产带来巨大的损失。因此，在水路隧道的维护管理中，在劣化轻微的时候进行治疗是很重要的。

【以往水路隧道的维修加固对策】

因为重新挖掘水路隧道非常困难，所以一般的水路隧道的修补加固都是利用现有的水路隧道，在内面侧构筑新的水路隧道。该方法的课题是:①通水断面缩小；②需要用于将材料带入水路隧道内的设备，为此需要费用。例如，关于①，为了尽量不缩小通水截面，需要在内面构筑更薄的材料，同时使与水的接触面平滑，保持较高的通水性能。另外，关于②，由于利用大型重型机械搬入水路隧道加固时所需的钢板和现成的管道，所以需要临时的道路和设备，存在需要高额费用的问题。

研究的经过

【新加固施工方法的开发理念】水路隧道内面的衬砌混凝土是以确保透水性和防止水路隧道背面的山地风化为目的的构件，不期待其作为支撑水路隧道的结构的功能。因此，衬砌混凝土使用的是未配置钢筋的“无筋混凝土”。因此，由于某些因素，来自周边山地的压力会发生变化，如果拉力作用于衬砌混凝土，就会出现裂缝。因此，为了赋予衬砌混凝土结构强度，研究了附着钢筋等材料的方法。此时，着眼于比钢筋更轻、抗拉强度为铁10倍的碳纤维片材。【讨论的经过】为了确认碳纤维加固的有效性，进行了无筋混凝土底面粘结碳纤维的梁试件3 )的试验。结果确认了如果碳纤维确实粘接在无筋混凝土上的话，对弯曲的抵抗性和对变形的追随性会大幅改善。为了实现加强施工方法的实用化，农研机构、国立大学法人岛根大学、日铁化学&材料(株)、东方白石(株)在农林水产省官民联合新技术研究开发事业中，通过材料的改良、施工方法的探讨、促进试验的耐久性评价、直径1.8m的实际规模供试体3 )进行了性能确认等，确立了可以在现场施工的技术。研究的内容和意义开发的加固施工方法的示意图如图2所示。这是在水路隧道的既有衬砌混凝土上，用环氧树脂砂浆4 )粘接预先在工厂加工的细的、帘状的碳纤维片材的内面加强施工方法。环氧树脂砂浆混合有陶瓷粉体，与普通砂浆(水泥:水=2:1，水泥:砂=1:3)相比，耐磨性提高了1.4倍。碳纤维片材和环氧树脂砂浆的厚度合计最大可以控制在10mm左右。因此，水路隧道的截面缩小为20mm左右。而且，表示通水性能的粗糙度系数5 )为比混凝土的粗糙度系数0.0150小的0.0104，透水性也无损。施工的顺序如图3所示。首先，清洗已有衬砌混凝土(①)，进行止水导水处理(②)。然后，在衬砌混凝土上钻孔，安装通水锚杆(③)。然后，在原有混凝土上涂刷底漆(④)后，底涂环氧树脂砂浆(⑤)，在将碳纤维片材固定在通水锚杆上的同时进行粘贴(⑥)。最后，在上面涂上环氧树脂砂浆(⑦)，对表面进行精加工后完成。碳纤维片材的固定利用里面是空洞的、可以透水的通水锚。施工后也可以将渗入衬砌混凝土的山地地下水安全地导水到水路隧道内，避免了加强材料因背面水而膨胀等不良情况发生的风险。在室内试验中，制作了直径1.8m的水路隧道模型，确认了根据有无加强的性能差异(图4 )。另外，首先在没有加强的状态下发生了裂纹，在该状态下进行了正式加强对策后，通过继续载荷的试验确认了性能。结果表明，水路隧道衬砌混凝土的破坏荷载，①一开始就加固的，②一度出现宽约0.2mm的裂缝后加固的，两者(①及②)都是无加固衬砌混凝土的2倍以上。而且，对变形的追随性能也提高了2~4倍。 2018年11月在当地进行了试验性施工，并持续进行监测。 2021年10月的现场确认中，没有发现特别的问题。已验证通水锚是否工作正常(图5 )。与衬砌混凝土的粘接力也保持在施工标准1.5N/mm2以上。

今后的计划

本施工方法对小规模的水路隧道的加固很有效。本施工方法已作为农林水产省【农业水利设施维修、加固工程相关手册《水路隧道篇》】的第9章“粘接施工方法”的“纤维板粘接施工方法”记载了设计方法的事例。计划继续对试验施工的水路隧道进行监测，长期监测是否发生变形，性能是否降低。

术语解说

水路隧道隧道根据施工方法分为4种(山岳施工方法、屏蔽施工方法、开凿施工方法、下沉施工方法)，作为本加固施工方法对象的隧道是用山岳施工方法建造的隧道。山地施工方法是用建筑机械或炸药挖掘山地后，用钢制或木制的支架支撑山地，在内侧浇筑衬砌混凝土后，用砂浆填充山地和衬砌混凝土之间。但是，在没有适合填充砂浆的材料、施工技术不充分的时代建设的隧道，衬砌背面有时砂浆不能充分填充，在顶端部分无论如何都会留下空洞。据推测，如果天端背面有空洞，来自山地的压力(气压)就会作用于压坏隧道的方向，衬砌混凝土变形时，会在侧壁部分作用拉伸力，从而产生裂缝。碳纤维

由聚丙烯腈、人造丝、石油或煤沥青、酚醛树脂等原材料纺丝而成，在惰性气体中在2，000~3，000℃的高温下烧成、碳化而制造的具有轻量、高强度、高弹性、高耐腐蚀性等优良特性的高性能无机纤维

。

梁供试体实规模供试体梁是指为了在结构中支撑垂直载荷而沿水平方向配置的构件。在事前研究中，用下图所示的样品从上方施加载荷，验证了碳纤维(不是片状而是网格状)的效果。图梁供试体中的预验证实际规模供试体是指再现了实际使用的水路隧道的截面形状和规模的供试体，此次如图4所示，制作了水路隧道内面的直径为1.8m、截面方向的厚度为0.3m的水路隧道，并进行了实验。在水路隧道的施工中，即使在流量较少的情况下，从施工的容易性出发，最小也能确保隧道直径在1.8m以上。环氧树脂砂浆普通砂浆以水泥、细骨料和水为材料，而环氧树脂砂浆则采用陶瓷骨料和环氧树脂。也叫树脂砂浆。粗糙度系数是水路水容易流动的指标。值越大，表面越粗糙，平均流速越低。

图梁供试体中的预验证

实际规模供试体是指再现了实际使用的水路隧道的截面形状和规模的供试体，此次如图4所示，制作了水路隧道内面的直径为1.8m、截面方向的厚度为0.3m的水路隧道，并进行了实验。在水路隧道的施工中，即使在流量较少的情况下，从施工的容易性出发，最小也能确保隧道直径在1.8m以上。

粗糙度系数

是水路水容易流动的指标。值越大，表面越粗糙，平均流速越低。

参考図

图1水路隧道出现典型裂缝的事例。地点见于水路隧道左右侧壁的肩部，有时在纵断面方向上连续。

图2工法示意图。将预先在工厂制作的碳纤维片材用环氧树脂砂浆粘接在现有的混凝土衬砌上。为了确保原有混凝土和环氧树脂砂浆的粘接性，涂了底漆。

图3施工步骤

图4实际规模水路模型(直径1.8m，高度0.3m )的破坏实验的例子

初期裂缝后加固供试体设想为实际现场，在无筋混凝土衬砌中进行载荷试验(为了使4个液压千斤顶的载荷均匀而对衬砌施加载荷的试验)，在产生裂缝的状态下停止载荷，在该状态下进行了本方法的加固。养护一周后，继续进行载重。破坏载荷:即使试图提高液压千斤顶的载荷，也会发生变形，导致载荷不再上升时的载荷视为破坏载荷。位移量以向内侧的变形量为正，以向外侧的变形量为负。因此，在这次载荷试验中，侧壁部分向内侧变形，没有反作用力的顶端部分以伸长的方式向外侧变形。

图5进行试验施工的水路隧道(东北地区)的监测在发生纵向裂缝的水路隧道中，2018年实施了本加固对策。每年进行一次目视调查及粘接力试验，确认是否发生浮起或剥离，通水锚是否发挥作用。还利用光纤传感器进行了应变测量，目前无法确认问题。

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