日本の下水道インフラは、高度経済成長期の急速な整備から半世紀が経過し、今まさに老朽化という深刻な問題に直面しています。全国約50万キロメートルに及ぶ下水道管路のうち、標準耐用年数50年を経過した管路は現在約4万キロメートル（総延長の約7%）に達していますが、この数字は今後急激に増加し、10年後には約10万キロメートル（約20%）、20年後には約21万キロメートル（約42%）に達すると予測されています。
こうした状況の中で、特に深刻な問題となっているのがコンクリート管の腐食による劣化です。下水道管路では、管内で発生する硫化水素が硫酸に変化し、コンクリートを激しく腐食させる現象が全国的に報告されています。実際に、2025年2月には埼玉県八潮市で下水道管の腐食が原因とみられる大規模な道路陥没事故が発生し、改めてこの問題の深刻さが浮き彫りになりました。
本記事では、下水道管路の老朽化の現状を整理し、コンクリートの腐食メカニズムを科学的に解説するとともに、最新の補修・更新技術や予防保全の取り組みについて詳しく紹介します。
下水道管路老朽化の現状と社会的影響
全国規模で進行する老朽化
下水道事業は昭和40年代以降に各地で急ピッチに整備が進められました。当時建設された管路の多くが同時期に耐用年数を迎えることから、「一斉老朽化」と呼ばれる現象が起きています。国土交通省の調査によると、管路施設の老朽化等に起因した道路陥没の発生件数は年間約3,300件に達しており、布設後30年で道路陥没が急増する傾向が明らかになっています。
特に懸念されるのは、2025年にはそのような管路が累計で25万キロメートルにも及ぶとの試算があることです。これは地球を約6周する距離に相当し、日本のインフラ維持管理における最も重要な課題の一つとなっています。
経済的インパクトの深刻化
下水道管路の老朽化は単なる技術的問題にとどまらず、深刻な経済的影響をもたらします。アメリカの事例では、腐食による下水道資産の損失が年間約140億ドル（約2兆円）に達するとの報告があり、日本においても同様の規模での経済損失が懸念されています。
また、老朽化に伴う緊急修理や応急対応は、計画的な更新工事と比較して大幅にコストが高くなる傾向があります。予防保全の概念が注目される背景には、こうした経済性の観点も大きく影響しています。
コンクリート腐食のメカニズム
硫化水素による生物学的腐食プロセス
下水道管内でのコンクリート腐食は、主に硫化水素（H2S）を起点とした複雑な生物学的・化学的プロセスによって引き起こされます。この現象は「微生物誘発コンクリート腐食（MICC：Microbiologically Induced Concrete Corrosion）」と呼ばれ、通常の化学的腐食とは異なる特徴を持っています。
腐食のメカニズムは以下のような段階で進行します。まず、下水道管内の嫌気状態において、汚水中の硫酸塩（SO4²⁻）が硫酸塩還元細菌の働きによって硫化水素（H2S）に還元されます。この硫化水素は、下水の流れの高低差がある箇所や攪拌される箇所で気相中に放散され、管内の結露に溶け込みます。
続いて、管壁上の好気状態において、硫黄酸化細菌や鉄酸化細菌が硫化水素を酸化させ、硫酸（H2SO4）を生成します。生成された硫酸は、コンクリートの主要成分である水酸化カルシウム（Ca(OH)2）と反応し、強度のない石膏状の物質に変化させてしまいます。
腐食の特徴と進行パターン
微生物誘発腐食の特徴的な点は、腐食生成物が強度を持たない点です。研究によると、実際のコンクリート下水道管では、腐食層と健全なコンクリートとの間に厚さ0.5mm未満の半腐食層が形成されることが確認されています。この層は構造的強度をほとんど持たず、継続的な微生物の活動により新たなコンクリート表面が攻撃され続けます。
現場での測定例では、健全なコンクリートのpHが12～13であるのに対し、腐食が進んだ箇所ではpH2程度まで低下することが報告されています。この極端な酸性化により、コンクリートの結合組織が破壊され、管路の構造的健全性が著しく損なわれます。
腐食リスクの高い箇所の特定
国土交通省は2015年の下水道法改正により、腐食の恐れが大きい箇所として以下の条件を定めています。これらは「硫化水素ガス対策区域」と呼ばれ、5年に1回以上の点検が義務付けられています。
対象となる箇所は、コンクリート製で、かつ下水の流路に高低差があったり勾配が大きかったりする区間です。具体的には、特殊マンホール周辺、圧送管の吐出口付近、下水処理場流入部などが該当します。これらの箇所では硫化水素の発生と拡散が起こりやすく、腐食リスクが特に高いことが知られています。
最新の補修・更新技術
非開削工法の技術革新
従来の下水道管更新は開削工法が主流でしたが、都市部での交通渋滞や他のライフラインとの輻輳、工事コストの高騰などを受けて、非開削工法の需要が急速に高まっています。非開削工法は地面を掘り返すことなく管内から補修・更新を行う技術群の総称で、近年大きな技術革新が進んでいます。
主要な非開削工法として、反転工法によるホースライニング、管内に新しいライナーを挿入する管更生工法、破損箇所のみを局所的に補修する部分補修工法などがあります。これらの工法は、交通への影響を最小限に抑えながら、効率的な管路再生を可能としています。
FRP内面補強技術の進歩
FRP（Fiber Reinforced Plastic：繊維強化プラスチック）を用いた内面補強工法は、下水道管の部分補修において特に注目されている技術です。この工法では、至近のマンホールから施工機を投入し、破損箇所まで移送して補修材を管壁面に加圧密着させます。
最新の技術では、熱硬化型と光硬化型の両方が実用化されており、現場の条件に応じて最適な硬化方法を選択できます。熱硬化型では施工機に内蔵されたヒーターを、光硬化型では紫外線ランプを使用し、高強度のFRP管を管内で形成します。
補修材料には、ビニルエステル樹脂と耐酸性ガラス繊維の組み合わせが使用されることが多く、これにより優れた耐食性・耐薬品性・耐ストレインコロージョン性を実現しています。標準タイプから更生管対応一体型まで、破損状況に応じた材料選択が可能となっています。
エンジニアード・セメンティシャス・コンポジット（ECC）の応用
近年の研究では、エンジニアード・セメンティシャス・コンポジット（ECC）という新しい材料を用いた管路補修技術が開発されています。ECCは従来のコンクリートと比較して極めて高い延性（変形能力）を持つ材料で、ひび割れに対する抵抗性が著しく高いことが特徴です。
最新の研究では、遠心スプレー技術を組み合わせたCS-ECC（Centrifugally Sprayed ECC）工法が開発されています。この技術では、流動性制御のためのヒドロキシプロピルメチルセルロース、硬化時間調整のためのクエン酸、繊維分散性向上のためのハイブリッド合成繊維を組み合わせることで、現場施工性を大幅に改善しています。
実験結果によると、25mmのCS-ECCライニングにより、ひび割れた既設コンクリート管の耐荷重性能が2.2倍、変形性能が1.5倍向上することが確認されています。また、自己治癒能力や既設管との一体化性能なども備えており、コンクリート管路の長寿命化技術として大きな期待が寄せられています。
点検・診断技術の高度化
TV カメラ調査の効率化
下水道管路の状態把握において、TVカメラ調査は最も一般的な手法です。しかし、従来の調査方法では管内の清掃が必要で、1日あたり約200メートル程度しか調査できないという課題がありました。また、清掃時に発生する汚泥の処理費用も大きな負担となっていました。
これらの問題を解決するため、管内を清掃せずに調査を行う新しい技術が開発されています。調査ロボットを用いて下水を流したまま管内の状況を撮影し、画像解析技術により自動的に不具合を検出するシステムです。この技術により調査効率が大幅に向上し、コスト削減も実現されています。
機械学習による腐食予測
最新の研究では、機械学習技術を活用したコンクリート腐食の予測システムが開発されています。ガウシアンプロセス回帰（GPR）モデルを用いた手法では、4.5年間の実験室データと現場測定データを組み合わせることで、高精度な腐食予測を実現しています。
この予測システムの特徴は、単なる点予測ではなく、予測の不確実性も同時に提供することです。これにより、補修・更新の意思決定において、リスクを考慮した計画策定が可能となっています。従来の多重線形回帰やニューラルネットワークと比較して、予測精度と信頼性の両面で優れた性能を示しています。
Ground Penetrating Radar（GPR）の活用
地中レーダー技術（GPR）は、地面を掘ることなく埋設管の状態を調査できる革新的技術です。デジタル・スキャニング・エバリュエーション技術（DSET）と組み合わせることで、埋設管路の詳細な状態情報を収集できます。
この技術の応用例として、アリゾナ州フェニックス市での大口径PVCライニングコンクリート管の調査プロジェクトが挙げられます。ロジスティック回帰を用いた予測モデリングと組み合わせることで、劣化の進行度を定量的に評価し、効果的な維持管理計画の策定に成功しています。
予防保全とストックマネジメント
ストックマネジメントの概念と重要性
ストックマネジメントは、長期的な視点で下水道施設全体の老朽化進展状況を考慮し、優先順位付けを行った上で、点検・調査、修繕・改善を実施する統合的な施設管理手法です。従来の「壊れたら直す」事後保全から、「計画的に維持管理する」予防保全への転換を目指しています。
この手法の核心は、施設の現状把握、将来予測、計画策定、実行、評価という5つの基本要素からなるマネジメントサイクルの確立にあります。維持管理情報のデータベース化を進め、これらの情報を活用して効率的な修繕・改築計画を立案することで、ライフサイクルコストの最小化を図っています。
リスクベース管理の導入
現在、多くの自治体でリスクベース管理の考え方が導入されています。これは、全ての施設を一律に管理するのではなく、各施設のリスクレベルに応じて優先度を設定し、限られた予算を効果的に配分する手法です。
リスク評価では、管路の重要度（代替性、影響範囲など）、劣化の可能性（築年数、材質、環境条件など）、被害の程度（修復コスト、社会的影響など）を総合的に考慮します。特に硫化水素腐食のリスクが高い区間については、他の区間よりも高い優先度で点検・補修が実施されています。
防菌コンクリートの開発と応用
予防保全の観点から、腐食に対する耐性を持つ材料の開発も進んでいます。防菌コンクリート「ビックリート」は、硫黄酸化細菌と鉄酸化細菌に対して防菌作用を持つ「ビック剤」を混入したコンクリートで、硫酸による腐食からコンクリートを保護します。
この技術では、コンクリート中に特殊な抗菌剤を練り込むことで、腐食の原因となる細菌の活動を抑制します。既設管への適用は困難ですが、新設管路では標準的な採用が進んでおり、長期的な腐食対策として重要な役割を果たしています。
マンホール更生技術の発展
MLR工法による防食・強度回復
マンホールは下水道システムにおいて重要な構成要素ですが、硫化水素による腐食や経年劣化により強度が低下しやすい箇所でもあります。MLR工法（非開削マンホール更生・防食技術）は、道路を掘り返すことなく、マンホール内部から強度復元と防食を同時に行う技術です。
この工法では、腐食により劣化したマンホールに対して「強度復元」と「耐震性」を付与し、さらに硫化水素等の腐食要因を遮断することで長期間にわたる「防食」を実現します。施工は全て地上からの作業で完了し、交通への影響を最小限に抑えられることが大きな利点です。
止水技術の革新
下水道管路やマンホールでの漏水対策も重要な課題です。最新の止水技術では、専用の注入パッカーを用いてセメント系またはMS-6（非ウレタン系溶液タイプ）の止水材を注入する工法が開発されています。
これらの技術により、管路内部からの浸入水を効果的に遮断できるようになりました。特に、管路とマンホールの接続部分など、構造上弱点となりやすい箇所での止水性能が大幅に向上しています。
国際的な技術動向と日本への適用
トレンチレス技術の国際標準化
トレンチレス技術の発展は国際的な動きでもあり、ISO（国際標準化機構）やASTM（アメリカ材料試験協会）などで技術標準の整備が進んでいます。特に、CIPP（Cured-In-Place Pipe）工法については、品質管理や性能評価の標準化が進み、国際的に統一された技術基準が確立されつつあります。
日本でも、これらの国際標準を参考にしながら、日本下水道協会や日本下水道新技術機構による技術基準の整備が行われています。23の関連技術標準が整備され、適切な工法選択のためのガイドラインが提供されています。
新材料技術の導入
海外では、ジオポリマーやアルカリ活性材料など、従来のセメント系材料とは異なる新しい結合材を用いた補修技術の研究が進んでいます。これらの材料は、セメント製造時のCO2排出量削減や、特殊な環境下での性能向上などの観点から注目されています。
また、ナノテクノロジーを応用した自己治癒材料や、IoT技術を組み込んだスマートマテリアルの開発も進んでおり、将来的には日本の下水道管路補修技術への導入が期待されています。
今後の課題と展望
技術者不足への対応
下水道管路の維持管理において、技術者不足は深刻な問題となっています。熟練技術者の高齢化と若手技術者の確保困難により、技術の継承と品質の維持が課題となっています。この問題への対応として、AIやロボット技術を活用した自動化・省力化技術の開発が進められています。
画像認識技術を用いた自動診断システムや、ドローンを活用したマンホール内点検技術などが実用化段階に入っており、将来的には人的リソースの制約を技術力でカバーできる体制の構築が期待されています。
気候変動への適応
気候変動による集中豪雨の激化は、下水道システムに新たな負荷をもたらしています。既存の管路に対する負荷増大は劣化を加速させる要因となり、これまでの更新計画の見直しも必要となる可能性があります。
適応策として、管路の耐荷重性能向上技術や、雨水流出抑制技術との組み合わせによる負荷軽減などが検討されています。また、豪雨時の緊急対応システムの整備も重要な課題となっています。
デジタルトランスフォーメーション（DX）の推進
下水道事業におけるDXの推進は、効率的な維持管理を実現する上で欠かせない要素となっています。BIM/CIM技術を活用した3次元設計・管理システムの導入や、IoTセンサーによる常時監視システムの構築などが進められています。
これらの技術により、リアルタイムでの管路状態把握や、予測保全の精度向上が期待されています。また、ビッグデータ解析により、これまで経験と勘に頼っていた判断を、データに基づく客観的な判断に転換できる可能性があります。
結論
下水道管路のコンクリート補修技術は、日本の社会インフラを支える重要な技術分野として急速な発展を遂げています。硫化水素による微生物誘発腐食という複雑な現象の解明から、ECCやFRPなどの先進材料を用いた革新的な補修工法の開発まで、学際的なアプローチによる技術革新が続いています。
今後、セメント科学や材料工学の分野で研究を進める皆様にとって、実際の社会課題解決に直結する研究領域として、下水道管路の長寿命化技術は非常に魅力的な分野です。基礎科学の知見を実用技術に結びつける醍醐味を味わえる分野でもあります。
持続可能な社会の実現に向けて、技術者として、研究者として、皆様が将来この分野で活躍されることを期待しています。老朽化というピンチを、技術革新によるチャンスに変えていく取り組みは、まさにエンジニアリングの神髄そのものといえるでしょう。
参考文献
- Zhu, M., et al. (2021). Trenchless rehabilitation for concrete pipelines of water infrastructure: A review from the structural perspective. Tunnelling and Underground Space Technology, 114, 104072. https://doi.org/10.1016/j.tust.2021.104072
- Hojat Jalali, H., & Abuhishmeh, K. (2023). Reliability Assessment of Reinforced Concrete Sewer Pipes under Adverse Environmental Conditions: Case Study for the City of Arlington, Texas. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 14(2). https://doi.org/10.1061/JPSEA2.PSENG-1406
- Jiang, G., et al. (2017). Prediction of concrete corrosion in sewers with hybrid Gaussian processes regression model. RSC Advances, 7(48), 30289-30299. https://doi.org/10.1039/C7RA03959J
- 国土交通省 (2025). 「下水道の維持管理」. https://www.mlit.go.jp/mizukokudo/sewerage/crd_sewerage_tk_000135.html
- 日本下水道新技術機構 (2024). 「更生・修繕技術審査証明」. https://www.jiwet.or.jp/examination/更生技術-3-4