下水機能の維持と災害復旧の障害をなくす「フロートレス工法」

大きな地震によって発生する液状化現象。これにより地中のマンホールが地上に浮き出てくる副次的な災害が発生しています。この問題に対して、マンホールに消散弁という特殊な弁を設けて浮上を抑える「フロートレス工法」が編み出されました。日本工営中央研究所は、工法の要となる消散弁の設置個数・深度と浮上量の関係式を導き出し、本工法の実用化に貢献しました。

「フロートレス工法」について具体的にお話をする前に、液状化によるマンホールの浮上現象についてご説明しましょう。

マンホールは、地下に敷設された下水道や電力・通信用ケーブルなどの管路に入るために設けられた縦型の出入り口で、日本語では「人孔（じんこう）」といいます。そのマンホールが、地震による液状化現象で浮上してしまい、地上に突き出ている写真を新聞などでご覧になったことがあるのではないでしょうか。マンホールの浮上現象は、下水道を寸断して流下機能を損なうばかりでなく、緊急車両の通行を阻害するなど被災地の救援活動にも大きな影響を与えます。

2004年10月に発生した新潟県中越地震では、3,473カ所のマンホールが被害を受けましたが、そのうち42%にあたる1,453カ所がマンホール浮上でした。

液状化によるマンホールの浮上現象は、水を大量に含んだ砂地盤で発生します。地震の強い揺れが続くと、地中の砂粒子が揺れ動いて水の中に浮き、泥水のようになった土砂がマンホールを押し上げます。角砂糖ほどの大きさで水の重さはふつう1グラムですが、液状化した泥水ではその倍の約2グラムにもなり、上昇した泥水圧でマンホールが押し上げられるのです。

開発を始めるにあたってはまず、浮上現象が発生しても復旧支援の車両が通れるくらいの浮上に抑えようという工法開発の着地点を決めました。その上で、遠心力載荷装置と呼ばれる特殊な回転装置を使って実験的に液状化を発生させ、マンホールにかかる水圧や浮上量を測定します。現物のマンホールは、内径が90センチメートルから2.5メートル、高さが3～5メートルありますが、そのミニチュアモデルを土砂の入った箱の中に埋め込み、実験装置ごと遠心力載荷装置で高速回転させます。10センチメートル程度の大きさのものを回転させて100Gの遠心力をかけると、地下10メートルで起きていることと同じ現象が起きます。つまり、模型でありながら実際の現象を再現できるのです。

実験とコンピュータ数値解析シミュレーションを繰り返し、私たちはマンホールが浮上する条件と、浮上する量を算出できる公式を導き出しました。それに基づき、マンホールに設置できる消散弁の設置個数や深度が導き出されます。例えば、内径が150センチメートルのマンホールの場合、浮上防止のために同一円周上に設置する消散弁の最大必要個数は6 個であると判明しました。実際の施工現場のために、マンホールの材質や大きさ、地質などから設置個数や設置位置がひと目でわかる表もつくりました。