JP2005090176A - トンネル掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各工程間の移行の効率化を図って掘削効率を向上する。
【解決手段】トンネルの加背を幅方向で複数の分割区画（左半部Ａおよび右半部Ｂ）にし当該分割区画をさらに上半部ｂと下半部ａとに分け、それぞれの分割区画において下半部ａから上半部ｂへと機械掘削する工程と、掘削で生じた掘削土砂をズリ出しする工程とを含むトンネル掘削方法であって、所望の分割区画を機械掘削する工程のときには隣接する他の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程とし、所望の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程のときには隣接する他の分割区画を機械掘削する工程とする。これにより、各分割区画で掘削工程とズリ出し工程とを切り分けつつ、各工程作業を実質的に併行している。この結果、掘削工程とズリ出し工程と間の移行の効率化が図られ掘削効率を向上できる。また、各工程に移行するときに施工機械が錯綜することがないので安全性や作業効率を向上できる。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、自由断面掘削機を用いたトンネル掘削方法に関するものである。

一般的なＮＡＴＭ(New Austrian Tunneling Method)工法は、１つの切羽に対して「掘削工程→ズリ出し工程→支保工建て込み工程→コンクリート吹き付け工程→ロックボルト工程」を１掘削サイクルとしている。掘削工程は、自由断面掘削機および油圧ブレーカなどの施工機械で切羽の方向に掘削を行う。ズリ出し工程は、ホイールローダ、油圧ショベルおよびダンプトラックなどの施工機械で掘削土砂の搬出を行う。支保工建て込み工程は、エレクターなどの施工機械で支保工の建て込みを行う。コンクリート吹き付け工程は、吹き付け機およびミキサー車などの施工機械で掘削後のトンネル地山にコンクリートの吹き付けを行う。ロックボルト工程は、ホイールジャンボなどの施工機械でトンネル地山にボーリングをしてロックボルトの埋設を行う。

上記ＮＡＴＭ工法において自由断面掘削機でのトンネル掘削は、シールド工法やＴＢＭ(Tunnel Bowling Machine)工法と比較して経済性には優るが、掘進速度が遅いことが挙げられている。

そこで、従来では、トンネル掘削断面を上部半断面と下部半断面とに分割して掘削するベンチカット工法あるいは全断面工法で、カッターブームの中間で屈曲自在とされるヒンジ型カッターブームとされた自由断面掘削機を採用して掘削効率に優れたものにしようとするトンネル掘削方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、別の従来では、トンネル掘削断面を上半部と下半部とに分割し、かつ下半部においてトンネル中心を境に一方側を上半部との一括施工を可能とし得るベンチ長さのミニベンチ部とするとともに、他方側を施工機械を設置可能とし得るベンチ長さのショートベンチ部とし、上半部切羽およびミニベンチ部大背切羽を切り崩した後、下半盤を走行するズリ出し機でズリ出しを行うとともに、併行してショートベンチ部の上半盤に設置した吹き付け機で吹き付けを行うことで、掘削効率を向上しようとするトンネル掘削方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１１５１８７号公報 特開２００２−２１４６７号公報

しかしながら、特許文献１に参照するトンネル掘削方法では、ヒンジ型カッターブームとされた自由断面掘削機の採用によって掘削作業自体の効率が優るが、掘削作業からズリ出し作業に至る過程での効率化を図ることができない。特に、掘削箇所が明確に２箇所に分かれるロングベンチカット工法またはショートベンチカット工法では、上部半断面の底盤上でのズリ出しに際してズリ出し施工機械と自由断面掘削機とが錯綜することになるために安全性や作業効率の低下を招くことになる。また、ミニベンチカット工法またはマイクロベンチカット工法では、全断面の掘削後にズリ出しを行うので、掘削サイクルが一般的なトンネル掘削方法と変わらず、下部半断面の底盤上で掘削後のズリ出しに際してズリ出し施工機械と自由断面掘削機とが錯綜することになるために安全性や作業効率の低下を招くことになる。

また、特許文献２に参照するトンネル掘削方法でも、掘削作業からズリ出し作業に至る過程での効率化を図ることができない。特に、下半盤でズリ出し作業を行っているが、上半盤のズリを下半盤に落とし込む必要があるので、上半盤にホイールローダなどの施工機械を載せる手間や、下半盤に落としたズリを再び施工機械でズリ出しする手間がかかるため一般的なズリ出し工程よりも効率が悪くなる。一方、ショートベンチ部の上半盤での吹き付けは、上半盤のズリを下半盤に落とし込むまでは行えないので結果的に上半盤のズリ出し完了を待つのと同様である。さらに、ミニベンチ部大背切羽を切り崩した部分（片側壁部および片側アーチ部）の吹き付けは、下半盤でのズリ出し完了を待つことになる。すなわち、吹き付けとズリ出しとを併行して行っているものの、結果的にズリ出し作業を待ってから吹き付け作業を行うので、上半盤側と下半盤側とで作業を行う分一般的な吹き付け工程よりも効率が悪くなる。

本発明は、上記実情に鑑みて、各工程間の移行の効率化を図って掘削効率を向上することができるトンネル掘削方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係るトンネル掘削方法は、トンネルの加背を幅方向で複数の分割区画にするとともに当該分割区画をさらに上半部と下半部とに分け、前記それぞれの分割区画において下半部から上半部へと機械掘削する工程と、前記掘削で生じた掘削土砂をズリ出しする工程とを含むトンネル掘削方法であって、所望の分割区画を機械掘削する工程のときには隣接する他の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程とし、所望の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程のときには隣接する他の分割区画を機械掘削する工程とすることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るトンネル掘削方法は、上記請求項１において、前記ズリ出しする工程でのズリ出しは、前方で掘削土砂を掻込みするバケットと、当該バケットで掻込みした掘削土砂を後方に搬出するコンベアとを備えたズリ積機で行うことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削方法は、トンネルの加背を幅方向で複数の分割区画にするとともに当該分割区画をさらに上半部と下半部とに分け、分割区画ごとに掘削やズリ出しを行うことで、各分割区画で掘削工程とズリ出し工程とを切り分けつつ、互いの工程作業を実質的に併行する。この結果、各工程間の移行の効率化が図られ掘削効率を向上することができる。また、掘削工程からズリ出し工程に移行するときに、自由断面掘削機とズリ積機とが錯綜することがないので安全性や作業効率を向上することができる。

ズリ出し工程では、前方で掘削土砂を掻込みするバケットと、バケットで掻込みした掘削土砂を後方に搬出するコンベアとを備えたズリ積機を採用しているので、自由断面掘削機に並設してズリ出しをすることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るトンネル掘削方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面正面図、図２は本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面平面図、図３は本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面側面図、図４はトンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図、図５はトンネル掘削手順を示すトンネル断面側面図、図６はトンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図、図７はトンネル掘削手順を示すトンネル断面側面図、図８はトンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図、図９はトンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図、図１０はトンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図、図１１はトンネル掘削手順を示すトンネル断面正面図である。

本実施例では、以下の条件のもとで高速掘進を行う。（１）建設地の地質状況がある程度把握できている。（２）切羽Ｋが安定している。（３）切羽Ｋの圧縮強度の平均が１０ＭＰａ程度である。（４）切羽Ｋに水分が付着していない。

図１〜図３に示すように本実施例におけるトンネル掘削方法は、トンネルの加背を幅方向で複数の切羽Ｋとした分割区画にする。本実施例では、トンネルの中心線Ｓを境に加背を左半部Ａと右半部Ｂとの２つの分割区画にしている。

さらに、本実施例では、前記分割区画においてトンネルの上下方向に切羽Ｋを下半部ａと上半部ｂとに２分割する。すなわち、本掘削方法は、ベンチカット工法を採用しており、特にベンチ長Ｌを略４ｍにして下半部ａの地盤Ｇに設置した施工機械によって掘削施工を行うミニベンチカット工法を採用している。

トンネル掘削手順は、まず、図４および図５に示すように左下半部Ａａの切羽Ｋを機械掘削する。この機械掘削に用いる施工機械は、自由断面掘削機１（掘削能力１５０ｍ³／ｈ）であって、掘削部１ａとして上下左右方向に揺動可能な中折れ型のブームを備えている。また、切削ドラム部１ｂは、ブームの長手方向に伸縮可能に設けてある。これにより、自由断面掘削機１は、広範囲を短時間で掘削することが可能である。なお、左下半部Ａａを掘削する１掘削サイクルでの掘削長Ｌ１は、略１．２ｍが好ましい。

次いで、図５および図６に示すように左上半部Ａｂの切羽Ｋを上記自由断面掘削機１によって機械掘削する。なお、左上半部Ａｂを掘削する１掘削サイクルでの掘削長Ｌ２は、略１．２ｍが好ましい。

次いで、図８に示すように分割区画の左半部Ａの掘削で生じた掘削土砂をズリ出しする。このズリ出しに用いる施工機械は、ズリ積機２であって、上下左右方向に揺動可能なブーム２ａに対して掘削土砂を掻込みするバケット２ｂを有し、また当該バケット２ｂで掻込みした前方での掘削土砂を後方であるトンネルの長さ方向に搬出するコンベア２ｃを有している。さらに、図８に示すように隣接する分割区画である右半部Ｂでは、右下半部Ｂａの切羽Ｋの機械掘削を、左半部Ａでのズリ出しに併行して行う。すなわち、左半部Ａでの機械掘削を完了した自由断面掘削機１を右半部Ｂに移動し、空いた左半部Ａにズリ積機２を搬入して、左半部Ａのズリ出しと右下半部Ｂａの機械掘削を併行して行う。なお、右下半部Ｂａを掘削する１掘削サイクルでの掘削長Ｌ３は、略１．２ｍが好ましい。

次いで、図９に示すように右上半部Ｂｂの切羽Ｋを上記自由断面掘削機１によって機械掘削する。この際、上記左半部Ａのズリ出しが完了していない場合には、右上半部Ｂｂの機械掘削に併行して引き続き左半部Ａのズリ出しを行う。なお、右上半部Ｂｂを掘削する１掘削サイクルでの掘削長Ｌ４は、略１．２ｍが好ましい。

次いで、図１０に示すように右半部Ｂの掘削で生じた掘削土砂を上記ズリ積機２によってズリ出しする。すなわち、右半部Ｂでの機械掘削を完了した自由断面掘削機１を退け、空いた右半部Ｂにズリ積機２を搬入して、右半部Ｂのズリ出しを行う。

続いて、図９あるいは図１０に示すように左半部Ａの掘削およびズリ出しが完了した後、当該左半部Ａの切羽Ｋに対応する地山Ｍに吹き付けする。この吹き付けに用いる施工機械は、図には明示しないが、コンプレッサー搭載型吹き付け機（吹き付け能力２０ｍ³／ｈ）であり、図１１に示すように地山Ｍに平均１０ｃｍの内壁材として初期強度発現（１０分３Ｎ）の覆工コンクリート３を施工する。すなわち、右半部Ｂの掘削あるいはズリ出しに併行して左半部Ａで吹き付けを行うことになる。

続いて、左半部Ａの吹き付けが完了した後、当該左半部Ａの切羽Ｋに対応する地山Ｍにロックボルト４を埋設する。このロックボルト４の埋設に用いる施工機械は、図には明示しないが、ホイールジャンボ（１５０ｋｇ級）であり、図１１に示すように地山Ｍに対してロックボルト４を埋設する。

なお、左半部Ａの吹き付けが完了する頃には、右半部Ｂの掘削およびズリ出しが完了する。そこで、右半部Ｂの掘削およびズリ出しが完了した後、当該右半部Ｂの切羽Ｋに対応する地山Ｍに上記吹き付け機によって吹き付けする。すなわち、左半部Ａでのロックボルト４の埋設に併行して右半部Ｂで吹き付けを行うことになる。

そして、右半部Ｂの吹き付けが完了した後、当該右半部Ｂの切羽Ｋに対応する地山Ｍに上記ホイールジャンボによってロックボルト４を埋設する。これにより、図１１に示すように全断面の切羽Ｋに対応する地山Ｍに対して覆工コンクリート３の吹き付けおよびロックボルト４の埋設の施工が完了して１掘削サイクルが終了する。

さらに、１掘削サイクルを引き続き行う。この場合、左半部Ａのロックボルト４の埋設の施工が完了した後、左半部Ａ（左下半部Ａａ）の切羽Ｋの機械掘削をすることになる。すなわち、右半部Ｂでのロックボルト４の埋設に併行して左半部Ａで機械掘削を行うことになる。

したがって、上述したトンネル掘削方法では、トンネルの加背を幅方向で複数の切羽Ｋとした分割区画にし、この分割区画した切羽Ｋごとに掘削やズリ出しを行うことで、各切羽Ｋで掘削工程とズリ出し工程とを切り分けつつ、互いの工程作業を実質的に併行している。この結果、各工程間の移行の効率化が図られ掘削効率を向上することができる。また、掘削工程からズリ出し工程に移行するときに、自由断面掘削機とズリ積機とが錯綜することがないので安全性や作業効率を向上することができる。

また、掘削およびズリ出しが完了した切羽Ｋに対応する地山Ｍに覆工コンクリート３を吹き付けし、吹き付けが完了した地山Ｍにロックボルト４を埋設する工程をさらに含むことで、各切羽Ｋで掘削工程とズリ出し工程と吹き付け工程と埋設工程とを切り分けつつ、次工程作業を実質的に併行している。この結果、各工程間の移行の効率化が図られ掘削効率を向上することができる。また、各工程に移行するときに、施工機械が錯綜することがないので安全性や作業効率を向上することができる。

また、掘削工程では、切羽Ｋを下半部ａと上半部ｂとに分けて、かつ、下半部ａの地盤Ｇに設置した施工機械によって掘削を行うミニベンチカット工法を採用しているので、上記効果とともに掘削サイクルタイムの短縮化が図られるので、さらに掘削効率を向上することができる。

また、ズリ出し工程では、前方で掘削土砂を掻込みするバケット２ｂと、バケット２ｂで掻込みした掘削土砂を後方に搬出するコンベア２ｃとを備えたズリ積機２を採用しているので、自由断面掘削機１に並設してズリ出しをすることができる。

また、吹き付け工程では、地山Ｍに平均１０ｃｍの内壁材として初期強度発現（１０分３Ｎ）の覆工コンクリート３を施工するので、吹き付けコンクリートによってトンネル構造を支えることが可能なため、鋼製支保工を省略することができる。また、吹き付けた覆工コンクリート３とロックボルト４とで鋼製支保工を要さない強度の支保を得ることができる。

なお、上述した実施例では、トンネルの加背を幅方向に２分割した切羽Ｋを設けた場合の掘削手順を説明したが、トンネルの加背を幅方向に複数に分割した切羽Ｋを設けた場合では、例えば左側から右側に切羽Ｋを順次機械掘削し、掘削が完了した切羽Ｋの順に掘削土砂をズリ出し、掘削およびズリ出しが完了した切羽Ｋに対応する地山Ｍの順に覆工コンクリート３を吹き付け、吹き付けが完了した地山Ｍの順にロックボルト４を埋設すればよく、上述の効果を得ることができる。

また、上述した実施例では、掘削が完了してからズリ出しを行っているが、機械掘削のときに自由断面掘削機１とズリ積機２とを並設して１つの切羽Ｋの掘削とズリ出しを同時に行うことが可能である。

以上のように、本発明に係るトンネル掘削方法は、自由断面掘削機を用いたトンネル掘削方法に有用であり、特に、各工程間の移行の効率化を図って併行作業による掘削効率を向上することができる。

本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面正面図である。 本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面平面図である。 本発明に係るトンネル掘削方法のトンネル断面側面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面側面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面側面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面平面図である。 トンネル掘削手順を示すトンネル断面正面図である。

符号の説明

１ 自由断面掘削機
１ａ 掘削部
１ｂ 切削ドラム部
２ ズリ積機
２ａ ブーム
２ｂ バケット
２ｃ コンベア
３ 覆工コンクリート
４ ロックボルト
Ａ 左半部
Ａａ 左下半部
Ａｂ 左上半部
Ｂ 右半部
Ｂａ 右下半部
Ｂｂ 右上半部
Ｇ 地盤
Ｋ 切羽
Ｌ ベンチ長
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 掘削長
Ｍ 地山
Ｓ 中心線

Claims (2)

1. トンネルの加背を幅方向で複数の分割区画にするとともに当該分割区画をさらに上半部と下半部とに分け、前記それぞれの分割区画において下半部から上半部へと機械掘削する工程と、前記掘削で生じた掘削土砂をズリ出しする工程とを含むトンネル掘削方法であって、
   所望の分割区画を機械掘削する工程のときには隣接する他の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程とし、所望の分割区画で掘削土砂をズリ出しする工程のときには隣接する他の分割区画を機械掘削する工程とすることを特徴とするトンネル掘削方法。
2. 前記ズリ出しする工程でのズリ出しは、前方で掘削土砂を掻込みするバケットと、当該バケットで掻込みした掘削土砂を後方に搬出するコンベアとを備えたズリ積機で行うことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削方法。

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