地下構造物の設計・施工・維持管理ガイド：都市で安全に長持ちさせるための技術と実践

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

はじめに — 地下構造物が果たす役割

都市化やインフラ需要の高まりに伴い、道路・鉄道・下水道・地下街・駐車場・貯留槽など、多種多様な地下構造物が増加しています。地下構造物は土地利用の効率化、防災機能の向上、環境配慮（地上景観の保全や地中熱利用等）に寄与しますが、一方で設計・施工・維持管理において地盤や地下水、既存構造物との干渉など固有の課題があります。本稿では、地下構造物の基本的な考え方、代表的な工法、地盤・地下水対策、施工管理、維持管理、安全対策、都市計画的観点を含めて詳述します。

地下構造物の分類と特徴

地下構造物は用途や構造形式、施工法で分類できます。主な例を挙げると以下の通りです。

  • 交通系：地下鉄・道路トンネル・歩行者トンネル・シールドトンネル
  • 公益施設：下水道・給水・ガス・電気ケーブルのトンネルやマンホール
  • 建物系：地下倉庫・駐車場・地下街・機械室
  • 特殊構造：沈埋トンネル、地下貯留槽、凍結工法による坑道

各種地下構造物は、周辺地盤や地下水、周辺既存構造物への影響を最小化しながら安全性と耐久性を確保する必要があります。

設計の基本原則

地下構造物設計で特に重要なポイントは以下です。

  • 地盤特性の精密評価：ボーリング、標準貫入試験（SPT）、室内土試験、地盤反力係数の評価
  • 地下水の評価：地下水位や水質、透水係数、涵養域・排水条件の把握
  • 荷重と変形の評価：地上荷重、地盤反力、地震荷重、地盤沈下や周辺建物への影響予測
  • 耐久性と維持管理：防水・止水、耐食性、点検・更新のしやすさ
  • 施工性と安全性：施工中の土留め、土圧管理、施工スケジュール、仮設計画

これらは相互に関連しており、地盤条件に応じた最適解を設計段階で検討することが不可欠です。

代表的な施工工法とその適用場面

地下構造物の施工工法は多岐にわたります。主要なものと特徴を整理します。

開削（Cut-and-cover）工法

浅い地下構造物に用いられる伝統的工法。地表を掘削して躯体を構築し、埋戻す方式。メリットは施工が比較的単純でコストが低いこと。デメリットは地表の占用や交通制約、周辺建物への影響が大きい点。

シールドトンネル（TBM）工法

長距離・深掘り・都市部の環境を配慮した工法。掘進機（TBM）を使って断面を掘削し、リングセグメントで覆工を形成する。地盤条件に応じて土圧平衡型（EPB）やスラリーシールドが使われる。メリットは地表影響が小さいこと、掘進速度が安定していること。初期投資が大きい点に留意。

NATM（新オーストリアトンネル工法）

地山の自立性を利用しつつ、掘削と支保を段階的に行う工法。地山変形をコントロールしながら最小限の支保工で施工するのが特徴。岩盤や安定した粘性土に向くが、適用には経験とモニタリングが重要。

ディアフラムウォール（地下水位が高い場所の土留め）

連続した地下壁を建設して深い開削に耐える工法。周辺沈下を抑えられるが、施工精度や止水管理が重要。鉄筋コンクリートの連続壁を用いることで高い耐荷力と止水性を確保できる。

セカントパイル・スリーパイル工法

重機による掘削と並行して、既設杭と新設杭を交互に構築し連続壁に近い効果を出す工法。狭隘地や既存建物が近接する場所での土留めに有効です。

氷結工法、凍結止水

地盤凍結により掘削面を安定化・止水する特殊工法。鉱山や特殊なトンネル施工で用いられますが、エネルギーコストと施工管理が難点です。

地下水・止水対策

地下水は地下構造物の設計・施工で最大の挑戦の一つです。代表的な対策は以下の通りです。

  • 仮設：ウェルポイント方式、ディープウェル方式、サブドレンによる低下
  • 恒久：ディアフラムウォールやケーソンの止水、ベントナイトや水ガラスを用いた注入止水、止水シートによる二次防水
  • 設計上の考え方：透水による浮き上がりへの対策（アンカーボルトやプレストレスなど）、浸透力を考慮した逆圧力の評価

地下水管理は周辺環境（既存建物の沈下、地盤の透水経路、地下水生態系）への配慮が必要で、施工前の地下水解析と施工中の監視が必須です。

地盤改良とその手法

地盤改良は支持力・透水性・変形性の改善を目的に行われます。主要手法は以下：

  • 表層改良：砂杭、深層混合処理（DMM）、ジェットグラウト
  • 置換・締固め：石灰やセメントを用いた安定処理、深層混合や締固めによる改良
  • 注入工法：樹脂注入やセメント系注入で空隙や透水路を封鎖
  • 柱状改良・薬液注入：地下水位が高い軟弱地盤での地盤改良方法

改良方法の選定は、目的（耐荷力、沈下抑制、止水）と経済性、施工性をバランスさせることが重要です。

土留め・支保工の設計と施工管理

深い開削では土留めと支保工の設計が安全に直結します。鋼管矢板、鋼製支保工、アンカー、ロックボルト、斜杭などを組合せます。支保工の設計では以下を検討：

  • 土圧・水圧の計算と変化時の安全率
  • 段階的な掘削と支保計画（掘削高さごとの応力管理）
  • 周辺構造物・地下埋設物への影響評価（沈下解析、地盤変形解析）
  • 施工中の監視計画（変位、傾斜、地下水位、応力）

施工中の計測データを基にリアルタイムで工法や計画を見直すことが求められます。

モニタリングと品質管理

地下構造物では施工中および完成後のモニタリングが生命線です。典型的な観測項目は次の通り：

  • 地盤沈下・周辺建物の沈下観測（沈下板、GNSS）
  • 側壁・支保材の変位（変位計、傾斜計）
  • 地下水位・孔内水圧（ピエゾメータ）
  • 空気質・換気（換気スピード、CO・NOxの測定）
  • 漏水量の監視、防水層の健全性

近年はIoTセンサーやBIM/CIM、3D地盤モデルを用いた統合モニタリングが普及しており、異常の早期検出と迅速な対応が可能になっています。

安全対策と防災・維持管理

地下構造物の安全対策は設計・施工だけでなく、運用・維持管理段階も重要です。

  • 換気・空気品質管理：長大トンネルや駐車場では換気計画が必須（非常時の排煙計画含む）
  • 防火・避難計画：材料の耐火性、避難通路、消火設備の整備
  • 排水管理：漏水の早期発見、排水ポンプの冗長化、凍結対策
  • 定期点検：防水層・ジョイント・支保工の点検と修繕計画
  • 更新・補修：劣化部の注入補修、裏込め材の補修、耐震補強

老朽化した地下構造物ではライフサイクルコストを考慮した長期維持管理計画が重要です。

都市環境と社会的配慮

都市部での地下工事は騒音・振動・交通規制・景観・地域社会への影響が避けられません。住民説明、代替交通計画、振動対策、工事時間の制約、夜間工事の是非などステークホルダーとの協調が工事の円滑化には不可欠です。また、地下埋設物（ガス管、通信ケーブル、既存トンネル等）との取り合いは事前の調査・位置確認と工事中の慎重な作業を要求します。

事例と学び

世界や国内での大規模プロジェクトから得られる教訓は多くあります。長大トンネル施工での地盤予測精度、モニタリングの重要性、都市部におけるリスクコミュニケーションなどは共通のテーマです。たとえば都市地下鉄工事や大深度トンネルでは、施工中に予期しない地盤応答や既設構造物の影響が顕在化しやすく、設計時点から冗長性と柔軟な施工計画を持つことが成功要因となっています。

技術動向と将来展望

技術面では次のような動向が注目されています。

  • 高性能TBMと自動化：掘進精度の向上、遠隔監視・制御
  • 3D地盤モデルと数値解析の高度化：不確実性を考慮したリスクベース設計
  • IoT・AIを用いた状態監視：劣化予測、異常検知の自動化
  • 持続可能性：地中熱利用や材料のライフサイクル評価、低炭素コンクリートの採用
  • モジュール化・プレキャスト化：施工スピード短縮と品質安定化

これらの技術は施工の安全性・効率性を高め、維持管理コスト低減にも寄与します。

まとめ

地下構造物は都市インフラの要であり、地盤・地下水・既存構造物との関係性を正確に把握した上で、適切な工法選定、地盤改良、止水、支保工、綿密なモニタリングと維持管理計画が必要です。設計・施工・維持管理の各段階で多職種（地盤、構造、配管、環境、都市計画）の連携と住民とのコミュニケーションがプロジェクトの成功を左右します。最新技術を取り入れつつ、リスク管理と長期的視点に立った計画が求められます。

参考文献

カテゴリー
建築・土木
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