山陽新幹線コンクリート構造物維持管理の20年を振り返って

２、山陽新幹線PC桁の予防維持管理の取り組み
2-1、PC桁の維持管理の考え方

　山陽新幹線コンクリート問題が発生した1999年当時、山陽新幹線のPC桁について、かぶり、中性化深さ、塩化物イオン量などのサンプリング調査を実施した。その結果、中性化深さは平均7.3mm、塩化物イオン量は0.86kg/m3であったことから、PC桁の補修対策はRC構造物の補修対策に比べて優先度が低いと判断し、主桁のグラウト充填不足箇所への再注入や横締めPC鋼棒の突出防止対策を除いて、RC構造物の対策を優先して実施してきた。RC構造物の補修対策が概ね一巡した2008年度に、山陽新幹線コンクリート構造物のそれまでの補修対策全般を振り返るとともに、RC構造物については劣化予測を行い、PC桁については予防維持管理に新たに着手した。
　通常の環境下では、鋼材の腐食は時間の経過とともに徐々に進行することから、一般的なRC構造物においては、鉄筋の腐食に伴うひび割れや錆汁を目視確認できるような状態になってから事後維持管理を実施しても安全性や使用性の点で著しい性能低下を生じることは少ない。そのため、RC構造物の維持管理は、事後維持管理を前提に体系化されているといっても過言ではない。これに対し、PC桁においては、プレストレスが導入されているためにPC鋼材の腐食進行過程が外観的に見えにくく、PC鋼材の破断が全PC鋼材量の6～8割程度進行して初めて主桁下面に曲げひび割れが発生するとの試算結果もあることから、PC鋼材の破断に伴う曲げひび割れを目視確認できた時点ではすでに深刻な状態や手遅れの状態となっている可能性が高いと想定できる。また、万がいち、PC桁の曲げひび割れを確認した場合は、PC鋼材の破断状況の確認や原因究明をはじめ必要な補修補強、場合によっては桁の架け替えなどの措置を実施することが不可避となることから、かなり長期間にわたって新幹線の運行を制限したり見合わせることを余儀なくされ、その社会的影響は極めて大きいと想定できる。そのため、PC構造物においては、グラウト充填不足箇所を非破壊検査や微破壊検査で見つけ、グラウト充填不足が確認できた場合にはグラウト再注入を確実に実施してPC鋼材の腐食を抑制する措置を行うなど、変状が顕在化する前に対策を行う予防維持管理を前提に保守することが重要となる。図-6に鋼材の腐食進行に伴うRC構造物とPC構造物の安全性能低下のイメージを示す。

図-6　鋼材の腐食進行に伴うRC構造物とPC構造物の安全性能低下（イメージ）

　PC桁の予防維持管理を推進するためには、これまで述べてきたように、①グラウト充填状況やPC鋼材の腐食状況を非破壊検査や微破壊検査で効率的に調査できる技術、②グラウト充填不足が確認できた場合には、グラウト再注入を確実に実施できる技術、③グラウト再注入が確実に実施できたことを確認できる技術などが確立されていることが前提となる。しかし、当時はいずれもが技術的に確立されているとは言えない状況であった。
　そのため、JR西日本では、グラウト充填不足箇所をより効率的に調査するために広帯域超音波法の適用拡大、あらかじめPC桁の外側に設置したケーブル（以下、外ケーブルという）の張力変動をモニタリングしつつ健全性の低下が確認された場合には速やかに外ケーブルを再緊張して安全性を回復する維持管理方式（以下、外ケーブル張力モニタリング方式という）などの技術開発を進めるとともに、PC桁ごとに調査記録や補修履歴を取りまとめたPCカルテの作成と活用を進めるなど、PC桁の予防維持管理に関する取り組みを進めることとした。

2-2、広帯域超音波法の適用拡大

　広帯域超音波法は、発信側探触子から、広い周波数帯域（5khz～700khz）を有する超音波を入力し、シースから得られた反射波を受信側探触子で計測することで、この反射波の卓越振動数を用いてグラウトの充填の有無を判定する手法で、測定対象までの距離や遮蔽物等の影響に左右されずに比較的短時間での測定が可能という特徴がある。
　（財）鉄道総合技術研究所は、2007年度に既設 PC 桁シース内のグラウト充填状況を非破壊検査により調査する手法を確立することを目的に、PC 桁を模した試験体（シース径、かぶり、PC線種、グラウト充填率を試験パラメータとした試験体）を製作し、「広帯域超音波」、「X 線」、「インパクトエコー(弾性波)」の3つの非破壊検査手法を用いたブラインドテストを実施し適用可能性を検討していた。試験結果では、広帯域超音波法の正答率が約80％で最も高く、グラウト充填不足箇所を非破壊で精度よく調査できる技術として、当時、注目されるところとなった。
　JR西日本では、広帯域超音波法の有効性を実橋で確認するため、2010年度に山陽新幹線PC桁においてグラウト充填状況調査を実施した。調査対象としたPC桁は、いずれもポストテンションI形複線8主桁で、内ケーブルに沿うひび割れ等の変状が生じていた。広帯域超音波法で充填状況を判定した後、削孔法でグラウト充填状況を目視確認した。調査を実施した3橋のいずれにおいても両者の一致率は75％を上回っており、実橋においてもその有効性が確認できた。しかし、広帯域超音波法を開発した会社（以下、H社という）の専門技術者の経験や感覚に依存して判定される部分があるなど、適用範囲や判定基準については不明な点が多く、判定結果が出るまでに時間がかかるという課題があった。そのためJR西日本では、山陽新幹線PC桁での適用拡大、判定基準の明確化および精度向上などを目的として、主に山陽新幹線PC桁で想定されるパラメータ（シース種類、グラウト充填率、シースかぶり、シース周辺の空隙の有無、シース内のPC鋼材の偏心の有無、軸方向鉄筋やスターラップの配筋条件）を変化させた試験体を製作し（写真-3）、2014～2015年度の2年間にわたって、配筋条件が超音波の伝搬経路に与える影響、グラウト充填判定の閾値となる周波数帯域、測定に適した探触子間隔などについてH社とともに基礎実験を行い、独自に解析的検討を行った。その結果、閾値とする周波数帯域、探触子間隔などの測定条件を適切に設定することで判定基準の明確化を図り、誤判定（充填不足を充填と危険側に判定）や判定不可（充填か充填不足かを判定できない）を減らし正答率を90％程度まで改善させることができた。

写真-3　山陽新幹線PC桁を模した試験体と測定状況

　余談ではあるが、広帯域超音波法の判定基準の明確化と精度向上の取り組みによって、前述2-1に示した3つの課題のうち①と③に係る課題が概ね解決できると考えていたが、コスト面での課題が残っている。近年では、グラウト充填不足箇所を調査する非破壊技術が新しく開発され、その成果が中日本高速道路㈱などから公表されているところであるので、JR西日本においても写真-3の試験体を用いたブラインドテストを行い、安いコストで効率的に調査できる非破壊検査技術の山陽新幹線PC桁への適用拡大について検討を行う予定である。関心を持たれた方は、ご連絡をお願いしたい。
　さらに余談ではあるが、すべてのPC桁を広帯域超音波法などの非破壊技術で調査し、充填不足と判定された箇所を見つけて削孔しグラウト再注入を実施するというのが本来の進め方であると思っているが、非破壊検査に要するコストと時間を考えれば、いずれにしてもグラウト再注入のために削孔するのであれば片っ端からシース削孔を行ったほうが安くて早いという考え方もあった。また、非破壊検査か削孔法かのいずれかでグラウト充填不足箇所を見つけたとしても、上縁定着部付近のグラウト再注入を確実に実施できなければPC鋼材の腐食抑制という課題は完全には解決できていないことになる。前述2-1に示した3つの課題のうち、②に係る確実なグラウト再注入技術の開発については、グラウト充填不足が生じている可能性が高い上縁定着部直下をめがけて、ウェブ上部のハンチ部から斜め上方向に削孔を行い、定着部直下のグラウト充填状況を直接目視確認する方法を構想している。図-1に示したように、ウェブからシースをめがけて水平方向に削孔を行い、シース内部のグラウト充填状況調査を行い充填不足箇所に対してグラウト再注入を行う従来の方法では、削孔は容易であるが上縁定着部付近まで確実にグラウト再注入を実施するのは難しい。それに対して、上縁定着部直下をめがけて削孔する方法は、斜め上方向に向けての削孔であることに加えて定着部補強のスパイラル筋などがあるため技術的ハードルは少し高いが削孔できないほどのものではなく、しかもグラウト充填不足があれば、図ｰ2に示した一般的なグラウト再注入技術で容易に確実に対応できる。削孔の容易さとグラウト再注入の確実性を天秤にかければ、定着部近傍のより確実な再注入技術という課題に対しては後者の方法が望ましいと考えている。　

　そのため廃線となった三江線（1975年に全線開業しており、浜原～口羽駅間（29.6km）の建設時期が山陽新幹線岡山以西の建設時期と同時期）の撤去PC桁を用いて、種々のグラウト再注入技術のコンペを実施する計画であったが、残念ながらコロナ禍のために実施できていない。早ければ2022年度にも実施する予定であるので、関心を持たれた方は、ご連絡をお願いしたい。

2-3、外ケーブル張力モニタリング方式の技術開発

　山陽新幹線PC桁を今後とも健全に供用していくにあたっての最重要課題は、グラウト充填不足に伴うPC鋼材の腐食や破断リスクを未然に防止することである。しかし、すでにPC鋼材の腐食が腐食度Ⅲ程度に進行しているPC桁や、グラウト再注入を実施してもひび割れからの漏水が止まらないPC桁が確認されている。これらのPC桁については、PC鋼材の腐食抑制のためのグラウト再注入などの対策を実施するだけでなく、万がいち、PC鋼材が破断して安全性能が低下するなどの深刻な事態となった場合のことを想定しておく必要がある。そのためJR西日本では、山陽新幹線PC桁の予防維持管理において、2009年度から外ケーブル張力モニタリング方式の技術開発に関わる実験や解析を行い、2012年度に山陽新幹線PC桁において試験施工を実施した。

(1)外ケーブル張力モニタリング方式の概要
　PC鋼材の腐食・破断が進行して、主桁に曲げひび割れが発生すると、主桁の剛性が低下し、たわみが増加する。この時、あらかじめモニタリング用外ケーブルを設置していれば、たわみの増加に伴い外ケーブルの張力が増加する。モニタリングは、列車通過時の外ケーブル張力増分を計測することによって、その経時変化をとらえて、PC桁の剛性の低下を検知するものである。また、内ケーブルの破断が生じて剛性が低下し過大な変位が計測された場合でも、外ケーブルが補強材として予防的に機能し、さらに、外ケーブルを再緊張することにより速やかに健全性を回復することができ、供用停止の回避または供用停止期間の大幅な短縮を図ることができる利点がある。このように、外ケーブル張力モニタリング方式は、健全性のモニタリングと異常事態発生時の安全性の確保、性能低下時の速やかな機能回復の3つの機能を、外ケーブルで兼用するものである。図-7に施工イメージを示す。

図-7　外ケーブル張力モニタリング方式の施工イメージ

(2)対象構造物と外観変状
　試験施工の対象としたPC桁は、1973年に建設されたポストテンションI形複線4主桁（支間長30.2m）のPC桁である。このPC桁においては、主桁下フランジのL/4点から3L/4点（L：支間長）の間に幅0.2mm以上の橋軸方向のひび割れが多く発生していた。また、主桁側面にも内ケーブルに沿うひび割れが認められたが、これらのひび割れからの漏水や錆汁は確認されていない。ひび割れの発生状況から、変状原因はグラウト充填不足とASRの可能性が考えられたため、これらに対する調査を実施した。グラウト充填状況調査は、内ケーブルの曲げ上げ部を対象としてドリル削孔し、充填状況やPC鋼材の腐食状態を目視確認することとした。内ケーブルごとに起点側、終点側それぞれ1箇所ずつ実施し、全48箇所における調査でグラウト充填不足が11箇所発見された。また、この時、PC鋼材の腐食が8箇所で確認されている。なお、グラウト充填不足箇所については、調査後にグラウト再注入を実施した。ASRに関する調査は同一橋りょうの隣接桁において、コアを採取して、偏向顕微鏡観察等による骨材の評価、生成ゲルの電子顕微鏡観察、促進膨張試験を実施しており、ASRにより劣化した可能性が高いことを確認している。

(3)試験施工
　当該PC桁での試験施工に先立ち、ひび割れ部からの劣化因子の浸入を防止するため、0.1mm以下の微細なひび割れが生じている箇所は表面被覆工法を、その他ひび割れ箇所についてはエポキシ樹脂を用いた注入工法にて補修を行った。その後、試験施工（外ケーブルの設置、計測機器の設置）を2012年度に実施しモニタリングを開始した。試験施工完了後の全景を写真-4に示す。

写真-4　外ケーブル張力モニタリング方式の試験施工

(4)計測機器の設置および計測管理システムの構築
　外ケーブル張力の計測には、図-8に示す構造の磁歪式張力センサを用いた。外ケーブル張力の測定方法には、光ファイバーや磁歪式の方法があるが、基礎実験を行い、施工性や工事費、維持管理性、測定精度等の点で優れている磁歪式張力センサに決定した。このセンサは計測対象の強磁性体の応力が増加すると、強磁性体内の磁界が減少するという応力磁気効果を原理としており、永久磁石により一定磁界を発生させ、PC鋼材の応力によって変化する磁界を磁界検出センサにて計測し、張力を算出するものである。このセンサは、列車通過時の動的な張力を計測できる特徴がある。

図-8　磁歪式張力センサの構造概要と使用状況

　列車通過時の外ケーブル張力の計測結果の一例を図-9に示す。モニタリングにおいては、この波形の振幅、すなわち列車通過時の外ケーブル張力増分を管理指標とし、計測値と管理値とを比較することにより健全性の評価を行うこととしている。また管理値は、ファイバー要素を用いた3次元非線形格子解析を用いて、内ケーブル破断時における外ケーブルの張力増分の予測を行い、曲げひび割れ発生時(当該PC桁の場合は、1主桁あたり6本の内ケーブルのうち5本が破断した時に発生する)の解析値に基づいて設定している。また、モニタリングにより、健全性の低下が確認された場合には、早急にその情報を伝達し適切な対策を講じる必要がある。

　そこで、図-10に示す計測管理システムを構築している。計測管理システムにおいて、計測データは即時、無線通信により別の箇所に構築したサーバに送信され、サーバで、計測データの分析および健全性の評価を自動的に行うものである。また、健全性の低下を検知した場合には、関係者へ速やかに通知するシステムとなっている。また、サーバに格納された計測データは、インターネット回線を通じて、関係者がリアルタイムに確認できるものとなっている。現在までのところ、計測値が管理値を超過したケースは発生しておらず、内ケーブル破断に伴うPC桁の健全性の低下は確認されていない。

図-9　外ケーブル張力の計測結果の一例/図-10　計測管理システムの概要

2-4　その他のひび割れ検知技術の適用と開発

　PC桁においては、PC鋼材の腐食や破断を想定して予防維持管理を行い適切に対応していくことが求められる。しかし、PC鋼材の腐食や破断の状態を実橋梁において的確に把握することは困難である。また、グラウト充填不足箇所でのPC鋼材の腐食や破断は、腐食生成物による膨張圧がコンクリートに作用しにくいことから、ひび割れなどの外観変状となって現れにくく、徒歩巡回が基本の通常全般検査でひび割れを目視で見つけるのは非常に難しい。このことから、PC桁全体の健全性の低下を確実に検知でき、山陽新幹線の供用制限を生じさせない対策の開発が必要であると考え、外ケーブル張力モニタリング方式の開発を進めてきた。しかし、外ケーブル張力モニタリング方式の施工を広く実施することには予算面での制約もある。
　そのため、PC桁の主桁下面に曲げひび割れが発生した場合には、通常全般検査時に確実に目視確認できる技術として、クラックセンサといわれるシートを、外ケーブル張力モニタリング方式を試験施工したPC桁下面に接着して耐久性などの性能確認を行っている。クラックセンサは、ひび割れが発生した位置のシートが白く変化するので見落としのリスクが低減し早期の目視確認が容易になる。クラックセンサは、非常に安価で簡単に設置できるというメリットがあるが、定期的に現場に出向いて目視確認しなければ分からないというデメリットがある。そのため、JR西日本では、2018年度から導電塗料を用いて主桁下面の曲げひび割れ発生を電気的に検知する技術の実橋への適用について（公社）鉄道総合技術研究所の指導を得ながら検討を行った。2018年度にはI形単線4主桁（支間長46.77m）の主桁下面と側面に試験施工を行って導電塗料モニタリングの施工性を確認し、2021年度までの4年間で、計測回路の抵抗値の計測や計測ノイズの影響および疑似的にひび割れが発生した状態を再現したうえで回路抵抗値の変化を把握するとともに、PC鋼材の破断の影響を解析で確認した。様々な検討の結果、簡易なモニタリング手法として導電塗料モニタリング方式は、実橋への適用が可能であることを確認している。

2-5　PCカルテの整備

　山陽新幹線PC桁の予防維持管理を効率的に実施するためには、PC桁の劣化状態を適切にグレーディングして、優先度の高いPC桁から順次対策を講じる必要がある。しかし、グラウト充填不足に伴うPC鋼材の腐食は外観変状となって現れ難いというPC桁の特徴のため、RC構造物の外観変状に基づくグレーディングをそのまま適用することはできない。このことから、これまでの削孔目視調査によるPC鋼材の腐食状況やその他の詳細調査、補修履歴なども考慮して評価することが重要と考えられる。そのため、PC桁ごとに詳細調査結果や補修履歴を一元管理するPCカルテの整備を進めているところである。PCカルテの構成を表-2に示す。
　PCカルテは、検査の精度向上や補修検討時の基礎資料として役立てるほか、PCグラウト充填状況やPC鋼材の腐食状況と外観変状との相関性の検討にも用いることを予定しており、2013年度に試行的に約130連のカルテ整備を開始し2021年度末までに約630連の整備を終えている。

表-2　PCカルテの構成