JP2005290810A

JP2005290810A - トンネルの補強方法

Info

Publication number: JP2005290810A
Application number: JP2004106518A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Iwai; 孝幸岩井; Yasuo Mori; 康雄森; Koichi Sato; 孝一佐藤; Seiji Kanamori; 誠治金森; Suguru Nonaka; 英野中; Shinji Tsuchida; 伸治土田; Hisayuki Matsuo; 久幸松尾; Shiyuuji Kuraki; 修二倉木; Tatsuro Hirayama; 達郎平山; Makoto Katagiri; 誠片桐
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; Nippon Concrete Industries Co Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; Nippon Concrete Industries Co Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】部材厚の薄い部材を用いながら必要な強度を確保することができるとともに、曲線形状や不規則な断面にも対応することのできるトンネルの補強方法を提供する。
【解決手段】既設トンネル覆工１０の覆工面に支保工１１を立込み、この支保工１１のトンネル内部側のフランジ部に板状の型枠１４を配置して、この型枠１４と既設トンネルの覆工面１０との隙間にコンクリートを打設して上記トンネルを補強する際に、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上である高強度コンクリート板から成る型枠１４を用いるとともに、上記型枠１４の上記フランジ部側の端部に肉厚の薄い段差部１４ｎを設けて、この段差部１４ｎにて、上記型枠１４を上記支保工１１に、隣接する型枠１４，１４を離隔させて固定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、新設トンネルや既設トンネルの壁面にコンクリート等を打設してトンネルを補強するトンネルの補強方法に関するものである。

従来、既設トンネルの壁面（覆工面）を補強する方法としては、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維などのシートを有機系の接着剤で老朽化した既設トンネルの覆工面に接着し、コンクリートの剥落を防止するＦＲＰシート接着工法や、既設トンネルの覆工面に厚さが４．５ｍｍ程度の鋼板をアンカーで固定し、この鋼板と上記覆工面との間の隙間に有機系の樹脂を注入する鋼板接着工法、あるいは、既設トンネルの覆工表面に沿って鋼性の覆工板を組み立て、この覆工板と上記覆工面との間の隙間にモルタルを注入する鋼板補強法などが知られている。

しかしながら、上記ＦＲＰシート接着工法は、施工が容易であり、補強層の厚さも薄くトンネルの空間断面を侵すことがないという利点はあるものの、剥落防止の効果しかないので、覆工全体の強度効果は期待できない。
また、上記鋼板接着法や鋼板補強法では材料の腐食が問題となるため、防錆塗装が必須であり、定期的なメンテナンス（表面塗装）が必要である。
また、上記鋼板に代えて、鉄筋コンクリート製のパネルを既設トンネルの覆工の内側に設置し、上記覆工面との間の隙間にモルタルを充填するコンクリートパネル工法（ＰＣＬ工法）も知られているが、部材厚が大きくなり、トンネルの空間断面を侵す上、耐摩耗性に対する抵抗力が小さく、適応制限が多いといった問題点がある。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、部材厚の薄い部材を用いながら必要な強度を確保することができるとともに、曲線形状や不規則な断面にも対応することのできるトンネルの補強方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、既設トンネルの覆工面に支保工を立て込み、この支保工のトンネル内部側のフランジ部に板状の型枠を配置して、この型枠と既設トンネルの覆工面との隙間にコンクリートを打設して上記トンネルを補強するトンネルの補強方法において、上記型枠を、セメント，最大粒径２ｍｍ以下の細骨材，平均粒径１μｍ以下のポゾラン系反応粒子，金属繊維，平均粒径３〜２０μｍの石英粉末，平均粒径１ｍｍ以下の繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体であって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上である繊維入り高強度コンクリート板から構成したことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のトンネルの補強方法において、上記型枠の上記フランジ部側の端部に肉厚の薄い段差部を設けて、この段差部に挿入孔を形成し、この挿入孔に挿入される固定部材を用いて、上記型枠を上記支保工に固定するようにしたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のトンネルの補強方法において、隣接する型枠を離隔させて上記フランジ部に取付けるようにしたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のトンネルの補強方法において、上記支保工間を同型の型枠を用いて連結するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、トンネルを補強する際に、既設トンネルの覆工面に立て込まれた支保工のフランジ部に、セメント，細骨材，ポゾラン系反応粒子，金属繊維，石英粉末，繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体であって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上の、繊維入り高強度コンクリート板から成る型枠を配置して、この型枠と既設トンネルの覆工面との隙間にコンクリートを打設して上記トンネルを補強するようにしたので、必要な強度を確保しつつ、型枠を薄肉・軽量化できるだけでなく、曲線形状部分や不規則な断面のような、隣接する型枠同士が角度を有する場合でも、上記型枠を隙間なく配置することができる。また、上記型枠を、フランジ部側の端部に肉厚の薄い段差部を有するとともに、この段差部に、上記型枠を上記支保工に固定するための固定部材を挿入するための挿入孔が形成された型枠を用いるようにすれば、支保工のフランジ部から突出する部分の厚さを更に薄くすることができ、隣接する型枠同士の角度が大きくなった場合でも、上記型枠を隙間なく配置することができる。
また、隣接する型枠を所定の間隔を隔てて上記フランジ部に取付けるようにしたので、隣接する型枠同士の角度が変化した場合でもが大きくなった場合でも、上記型枠を隙間なく配置することができる。
また、上記支保工間を同型の型枠を用いて連結するようにしたので、定型の型枠を用いて施工することができる。したがって、型枠の生産コストが安することができ、工費を大幅に低減することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１〜図４は、本最良の形態に係るトンネルの補強方法を示す図で、図５は本発明の補強方法において用いられ型枠１４を示す斜視図及び断面図である。
本例では、まず、既設トンネルの覆工１０の表面に支保工１１を上記既設トンネルの覆工１０に立て込み、上記支保工１１の下端部をトンネル底盤１２に図示しないアンカーで固定する。上記支保工１１は、詳細には、２本のＣ型鋼１１ａ，１１ｂをＨ型に配置したもので、これをトンネル軸方向に一定の間隔で立て込むとともに、上記支保工１１をトンネル断面形状に沿ったアーチ状に配設し、隣接する支保工１１同士を連結する。このとき、トンネル軸方向に隣接する支保工１１の間隔を、トンネルの直線部分では、後工程において上記支保工１１に固定される型枠１４の寸法と略等しい間隔に設定する。また、トンネルの曲線部分及び断面のアーチ部では、隣接する型枠１４，１４間に隙間ができるように、上記型枠１４の寸法より所定間隔だけ広めに設定する。
次に、上記既設トンネルの覆工１０表面に沿って鉄筋１３を縦横に配設した後、トンネル軸方向に隣接する支保工１１，１１の対向するＣ型鋼１１ａ，１１ｂに、板状の型枠１４を固定用ボルト１５（１５ａ，１５ｂ）を用いて取付ける。

本例では、上記型枠１４を、セメント，細骨材，ポゾラン系反応粒子，金属繊維，石英粉末，繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体から成る繊維入り高強度コンクリートから構成した。上記繊維入り高強度コンクリートは、その圧縮強度が約２００Ｎ／ｍｍ²、曲げ強度が約４５Ｎ／ｍｍ²の高靭性を有する高強度材料であり、高緻密で高い摩耗性有し、かつ、防錆性にも優れている。また、強度が高く、肉厚が薄くても必要な強度を確保できることから、軽量化が図れ、運搬や施工も容易になるため、現在、橋梁建設用などに広く用いられている。
上記硬化体において、上記セメント及び細骨材については、それらの種類を特定するものではなく、汎用のものを用いることができる。このとき、細骨材としては、最大粒径が２ｍｍを超えると強度発現性を低下させるので、その最大粒径を２ｍｍ以下に抑えることが望ましい。また、この細骨材の添加量は、得られる強度を考慮して、セメント１００重量部に対して５０〜２５０重量部とするのが望ましい。

上記ポゾラン系反応粒子としては、シリカヒューム、シリカダスト、フライアッシュ、高炉スラグ、火山灰、シリカゲル、沈降シリカ等が挙げられる。これらの中では、シリカヒューム及びシリカダストは、平均粒径が１μｍ以下であり、粉砕等を必要としないのでコスト的に有利である。このポゾラン系反応粒子の添加量は、混合物の流動性や強度発現性を考慮して、セメント１００重量部に対して５〜５０重量部とするのが望ましい。

上記金属繊維としては、鋼繊維、アモルファス繊維等が挙げられるが、強度的に優れ、かつ入手し易くコスト的に有利であることから鋼繊維を用いることが望ましい。金属繊維の大きさは、長さが２ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１０〜３０ｍｍである。また、長さ／直径の比は２０〜２００とするのが好ましい。これは、直径が小さいと繊維自体の強度が不足して、張力を受けた際にきれ易くなり、直径が大きいと、同一配合量での本数が少なくなるため、曲げ強度を向上させる効果が低下する。また、長さが長くなると、混練の際のファイバーボールが生じ易くなり、長さが２ｍｍ未満では曲げ強度を向上させる効果が低下するためである。この金属繊維の添加量は、硬化体の体積の０．１〜４％、好ましくは、０．５〜３．５％の体積を占める量とするのが好ましい。これは、金属繊維の含有量が少ないと曲げ強度が低下し、金属繊維の含有量が多すぎると混練時の作業性を確保するための単位水量を増加させなければならず、強度低下を招くためである。

上記石英粉末としては、石英や非晶質石英、オパール質やクリストバライト質のシリカ含有粉末が挙げられる。石英粉末の平均粒径は３〜２０μｍであり、好ましくは４〜１０μｍである。石英粉末の平均粒径が上記範囲外では、混合物の流動性や強度発現性が低下する。石英粉末の配合量は、混合物の流動性や強度発現性から、セメント１００重量部に対して５〜５０重量部が望ましい。
上記繊維状の補強粒子としては、ウォラストナイト繊維、ボーキサイト繊維、ムライト繊維、チタン酸カルシウム繊維、炭化ケイ素繊維、炭素繊維等があり、また、上記薄片状の補強粒子としては、マイカフレーク、タルクフレーク、バーミキュライトフレーク、アルミナフレーク等がある。これらの繊維状または薄片状の補強粒子の平均粒径（繊維状の場合には長さ）は１ｍｍを超えると所望の強度及び靭性を確保することが困難となるので、１ｍｍ以下とする。また、これらの繊維状または薄片状の補強粒子の添加量は、所望の強度及び靭性を確保する上で、セメント１００重量部に対して５〜３５重量部とするのが適当である。

上記減水剤（分散剤）としては、リグニン系、ナフタリンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の減水剤はもとより、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤を用いることができるが、減水効果の特に大きい高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤を用いることが望ましい。この減水剤の添加量は、少なすぎる場合には混練が困難となり、多すぎる場合には強度低下を招くので、セメント１００重量部に対して固形分換算で０．５〜２．５重量部とするのが望ましい。なお、本発明において、混合物は、上記減水剤を上記の範囲で含有することにより、高流動性（「ＪＩＳＲ５２０１（セメントの物性試験方法）１１．フロー試験」に記載される方法において、１５回の落下運動を行わないで測定したフロー値が２３０ｍｍ以上）を有するので、型枠の製造を容易に行うことができる。
また、水の量は、セメント１００重量部に対して１０〜３０重量部、好ましくは、１５〜２５重量部とするのがよい。水量が１０重量部未満では、混練が困難となるとともに混合物の流動性が低下して型枠の製造性を低下させ、一方、水量が３０重量部を超えると強度低下を招くようになる。

上記型枠１４は、例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、幅方向（トンネル軸方向）の両端部中央に、一方が上記端部に開口する挿入孔１４ａ，１４ｂが設けられた取付部１４Ａと、この取付部１４Ａよりも幅が狭い内枠部１４Ｂとが一体に作製されたもので、これにより、上記型枠１４に、幅方向の両端部に肉厚の薄い段差部１４ｎ，１４ｎを形成することができる。この型枠１４を上記Ｃ型鋼１１ａ，１１ｂに取付ける際には、上記挿入孔１４ａ，１４ｂに固定用ボルト１５（１５ａ，１５ｂ）を挿入し、上記型枠１４を上記Ｃ型鋼１１ａ，１１ｂの上側（トンネル内面側）のフランジ部にそれぞれ取付ける。
なお、同図において、１４ｃはコンクリートが打設される側に突出する付着ボルト、１４ｄは、上記取付部１４Ａ及び内枠部１４Ｂを貫通する、コンクリートを充填するためのグラウト孔、１４ｓ，１４ｓは、上記型枠１４と後述する充填コンクリートとの接合を強固にするとともに、型枠１４を更に軽量化するために設けられた凹部である。

型枠１４の取付後には、上記型枠１４の外側に型枠補強部材である角型鋼管１６を配設し、この角型鋼管１６を上記支保工１１に固定する。詳細には、隣接する角型鋼管１６，１６同士を、それぞれボルト１７にて連結用の平板１８に取付けて連結するとともに、上記平板１８を仮設用ボルト１９にて上記支保工１１に連結することにより、角型鋼管１６を上記支保工１１に固定する。なお、角型鋼管としては、長尺の１本の鋼管を用いてもよい。この場合には、上記連結用の平板１８及び上記平板１８への取付作業を省略できる。
そして、上記型枠１４のグラウト孔１４ｄから、既設トンネルの覆工１０の表面と上記型枠１４との隙間にコンクリートを充填し、後打ちコンクリート層を形成する。上記コンクリートの養生後には、上記角型鋼管１６及び平板１８を取り外すことにより、上記繊維入り高強度コンクリート板から成る型枠１４から成る、耐摩耗性及び耐食性に優れたトンネル内周面を構築することができる。

上記型枠１４は肉厚が薄くても強度を十分確保できるので軽量であることから、運搬や支保工１１への取付が容易なだけでなく、補強厚を、例えば、１０ｃｍ以下にすることが可能となる。また、厚さが薄いので、曲線部分や不規則な断面にも対応することが可能である。すなわち、従来のＰＣＬ工法で用いられるような、肉厚が厚い鉄筋コンクリート製のパネル５０をトンネル断面形状に沿ったアーチ状に配設する場合には、図６（ａ）に示すように、隣接するパネル５０，５０同士が角度を有するので、上記パネル５０，５０の端部同士が接触してしまう。そのため、従来のパネル５０では、その断面形状を、上記アーチ形状に対応する台形状にするなどの工夫が必要であるが、本例の型枠１４を使用した場合には、肉厚が薄く、長さが１．５ｍと短いだけでなく、隣接する支保工１１の間隔を上記型枠１４の寸法より所定間隔だけ広めに設定し、隣接する型枠１４，１４間に隙間の大きさのある程の自由度を持たせて上記支保工１１に取付けることができるようにしているので、図６（ｂ）に示すように、隣接する型枠１４，１４同士が接触することがない。また、上記型枠１４は、段差部１４ｎを有するので、支保工１１のフランジ部から突出する部分の厚さが更に薄いことから、隣接する型枠１４，１４同士の角度が大きくなっても型枠１４，１４同士が接触することがない。
これにより、全ての型枠に定型の型枠１４を用いてアーチ部を形成することができるので、型枠１４の生産コストが安することができ、工費を大幅に低減することができる。但し、アーチの天蓋部には、上記型枠１４とは幅の異なる天端用型枠１４ｚを使用して、アーチ部を形成する型枠の合計の長さを調整することが望ましい。

このように、本最良の形態では、既設トンネルの覆工１０の覆工面に支保工１１を立て込み、この支保工１１のトンネル内部側のフランジ部に板状の型枠１４を配置して、この型枠１４と既設トンネル覆工１０の覆工面との隙間にコンクリートを打設して上記トンネルを補強する際に、セメント，最大粒径２ｍｍ以下の細骨材，平均粒径１μｍ以下のポゾラン系反応粒子，金属繊維，平均粒径３〜２０μｍの石英粉末，平均粒径１ｍｍ以下の繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体であって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上である高強度コンクリート板から成る型枠１４を用いるとともに、上記型枠１４の上記フランジ部側の端部に肉厚の薄い段差部１４ｎを設けて、この段差部１４ｎにて、上記型枠１４を上記支保工１１に、隣接する型枠１４，１４を離隔させて固定するようにしたので、補強厚を薄くすることができるとともに、耐摩耗性及び耐食性に優れたトンネル内周面を構築することができる。また、定型の型枠１４でトンネルの曲線部分や不規則な断面にも対応することができるので、工費を大幅に低減することができる。

なお、上記最良の形態では、型枠１４をトンネルの曲線部分や不規則な断面に適用する例として、上記型枠１４をアーチ部に沿って配置する場合について説明したが、これに限るものではなく、本発明は、トンネルが進行方向に曲線部を有する場合にも適用可能であることはいうまでもない。なお、この場合には、型枠１４は、図７に示すように、隣接する型枠１４，１４の間隔は、曲線部の曲率の大きい側（外側）で大きくなり、曲率の小さい側（内側）で小さくなるように上記支保工１１に取付ける。
また、上記例では、支保工１１として、２本のＣ型鋼１１ａ，１１ｂをＨ型に配置して構成したが、Ｈ型鋼を用いてもよいし、Ｉ型鋼やＬ字型鋼などの鋼材を複数組合わせて構成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、型枠を、セメント，最大粒径２ｍｍ以下の細骨材，平均粒径１μｍ以下のポゾラン系反応粒子，金属繊維，平均粒径３〜２０μｍの石英粉末，平均粒径１ｍｍ以下の繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体であって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上である繊維入り高強度コンクリート板から構成することにより、必要な強度を確保しつつ、型枠を薄肉・軽量化できるだけでなく、曲形形状や不規則な断面のような、隣接する型枠同士が角度を有する場合でも、型枠を隙間なく配置することができるので、コンクリートの打設が容易となるとともに、トンネル補強を確実に行うことができる。
また、上記型枠は曲線形状や不規則な断面にも適用可能なので、定型の型枠が使用することができ、工費を低減することができる。
また、本発明では、上記特定の材料を含有する混合物を用いて型枠を製造するので、型枠の製造を容易に行うことができる。

本発明の最良の形態に係るトンネルの補強方法を適用したトンネルの全体図である。本最良の形態に係るトンネル壁の平面図である。本最良の形態に係るトンネル壁の正面図である。本最良の形態に係るトンネル壁の側面図である。本最良の形態に係る型枠の構成を示す図である。本最良の形態に係る型枠の接続状態を示す図である。本発明に係る進行方向に曲線部を有するトンネル壁の平面図である。

符号の説明

１０既設トンネルの覆工、１１支保工、１１ａ，１１ｂＣ型鋼、
１２トンネル底盤、１３鉄筋、１４型枠、１４Ａ取付部、１４Ｂ内枠部、
１４ａ，１４ｂ挿入孔、１４ｃ付着用ボルト、１４ｄグラウト孔、
１４ｎ段差部、１４ｓ凹部、１４ｚ天端用型枠、
１５，１５ａ，１５ｂ固定用ボルト、１６角型鋼管、１７ボルト、
１８平板、１９仮設用ボルト。

Claims

既設トンネルの覆工面に支保工を立込み、この支保工のトンネル内部側のフランジ部に板状の型枠を配置し、この型枠と既設トンネルの覆工面との隙間にコンクリートを打設して上記トンネルを補強する際に、上記型枠を、セメント，最大粒径２ｍｍ以下の細骨材，平均粒径１μｍ以下のポゾラン系反応粒子，金属繊維，平均粒径３〜２０μｍの石英粉末，平均粒径１ｍｍ以下の繊維状または薄片状の補強粒子，減水剤及び水を含む混合物の硬化体であって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上、曲げ強度が２０Ｎ／ｍｍ²以上である繊維入り高強度コンクリート板から構成したことを特徴とするトンネルの補強方法。
上記型枠の上記フランジ部側の端部に肉厚の薄い段差部を設けて、この段差部に挿入孔を形成し、この挿入孔に挿入される固定部材を用いて、上記型枠を上記支保工に固定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のトンネルの補強方法。
隣接する型枠を離隔させて上記フランジ部に取付けるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネルの補強方法。
上記支保工間を同型の型枠を用いて連結するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のトンネルの補強方法。