JP2005344346A - 鋼管打設工法 - Google Patents

Abstract

【課題】 削孔により周囲の地山を乱すことなく、また、従来のように注入材の注入作業に時間を割いたりその硬化を待つ必要がなく短時間でかつ低コストで施工でき、施工完了と同時に地山補強等の効果を得ることのできる鋼管打設工法の提供。
【解決手段】 トンネル外周の地山の所要位置に、基端を打撃および／または押圧することにより鋼管ａ（ａ′，ｈ）を打設して、これを支保部材，支保脚部補強部材，またはインバート部補強部材とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トンネル外周の地山を補強してその崩落を防止し、また、トンネルの沈下や変形を抑制する鋼管打設工法に関する。

従来、トンネル工事において、アーチ支保工の脚部を補強しその沈下を防止する工法として、たとえば特開２０００−７３６９７号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。

この工法では、予めアーチ支保工に支保脚部補強部材たる鋼管（レッグパイル）の頭部を受入する受け金具を固設しておき、そのアーチ支保工を設置した後、上記受け金具の開口を通じ専用機械によりトンネル側方の地山に斜め下方に向けて穿孔する。
そして、その穿孔した孔内に鋼管を配置するとともに、該鋼管よりセメントミルクを注入し、鋼管内および該鋼管外面と孔内壁の隙間に充填し、さらに、鋼管頭部の外面と受け金具の上記開口内面との隙間に高強度モルタルを充填する。

充填された上記セメントミルクおよび高強度モルタルが所要の硬化期間をおいた後に固結することにより、アーチ支保工に加わる地山の荷重を上記鋼管に伝達させ、アーチ支保工の沈下を抑制することができる。

特開２０００−７３６９７号公報

また、支保部材等としてロックボルトを打設する工法においても、一般に、油圧ジャンボ等で穿孔した孔内にロックボルトを配置したのち、その孔内に注入充填したモルタル等を固結させることで、上記ロックボルトを地山に定着し、周辺地山の補強や地山変位の抑制等を図っている。

しかし、上記いずれの工法も、モルタル等の注入材の注入作業に多大な時間を要し、その分だけ工期を長引かせるものであり、しかも注入の後、その注入材が固結するまで所要の硬化期間が必要で、注入材が固結するまでの間に生ずる地山の変位を抑えることができなかった。

この点、急硬性のセメントや樹脂系材料を注入材として用い、より早期に固結させることも考えられるが、そのような注入材は非常に高価であり施工コストが上昇してしまう。

また、孔を穿孔する際にその孔周辺の地山を乱してしまうことが避けられず、乱された地山は後工程の薬液注入によっても十分に補強できないという問題もあった。
この点については、鋼管膨張型などの摩擦定着方式の芯材を用いることも考えられるが、対象地山によっては、穿孔の際に乱される地山の範囲が、芯材を膨張させることができる範囲より大きいことも考えられ、事実、ほとんど効果があがらなかった事例もある。

さらに、対象地山（特に砂層）によっては、注入材の注入を行っても的確な補強ができないことがあり、また湧水の量や圧によって補強が不十分になってしまう場合もある。

その他、特にインバート部に下方に向けてロックボルトを打設する場合には、予め穿孔した孔内の土砂を完全に排出することが困難で、そこに注入した注入材は残留土砂と混在する状態となってしまうため、固結させたときに必ずしも十分な強度が得られなかった。

そこで本発明は、上記の問題点を解決し、周囲の地山を乱すことなく、短時間でかつ低コストで施工でき、また硬化期間をおくことなく施工完了と同時に地山補強等の効果を得ることのできる鋼管打設工法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明鋼管打設工法は、トンネル外周の地山の所要位置に、基端を打撃および／または押圧することにより鋼管ａ（ａ′，ｈ）を打設して、これを支保部材，支保脚部補強部材，またはインバート部補強部材とすることを特徴とする。

請求項２記載の本発明は、上記打設を、先端をトンネル内壁面に対向させた鋼管ａ（ａ′，ｈ）の基端を、汎用機械を用いて打撃および／または押圧することにより行う請求項１記載の鋼管打設工法である。

請求項３記載の本発明は、打設した鋼管ａ（ａ′，ｈ）の基端をトンネル内壁に固定する請求項１または２記載の鋼管打設工法である。

請求項４記載の本発明は、上記鋼管ａ（ｈ）の基端を、固定金具ｂを取り付けることによりトンネル内壁に固定する請求項３記載の鋼管打設工法である。

請求項５記載の本発明は、上記鋼管ａ′の基端を、アーチ支保工ｃ，ｃ間に横架した横架杆ｄに溶接等することによりトンネル内壁に固定する請求項３記載の鋼管打設工法である。

請求項６記載の本発明は、外周面に鋼線１５を螺旋状に巻回した状態で固着している上記鋼管ｈを打設する請求項１，２，３，４または５記載の鋼管打設工法である。

本発明によれば、従来のように削孔を行ったり注入材を用いたりすることなく、トンネル外周の地山の所要位置に、基端を打撃および／または押圧することにより鋼管を打設するので、周囲の地山を乱さず、短時間でかつ低コストで施工でき、また硬化期間をおくことなく施工完了と同時に地山補強等の効果を得ることができる。

トンネル外周の地山の所要位置に、基端を打撃および／または押圧することにより鋼管ａ（ａ′，ｈ）を打設して、これを支保部材，支保脚部補強部材，またはインバート部補強部材とする。

本発明鋼管打設工法は、トンネル外周（上方，側方および下方）の地山の所要位置に、所要本数の鋼管ａ…，ａ′…を打撃および／または押圧することにより打設し、支保部材，支保脚部補強部材，またはインバート部補強部材とするもので（図１）、以下、本工法を砂層主体の地山でのトンネル工事において採用する実施例について詳しく説明する。

上記鋼管ａ…は、所要の剛性を有する外径６５ｍｍ，肉厚４．２ｍｍ，長さ２．７５ｍの細長円筒形のもので、その基端の長さ３０ｍｍの部分の外面にはネジ溝１が切られている（図２）。

ｂ…は、方形の基板２の一側面の中央に椀形部３を突出形成した固定金具で、その他側面の中央には上記鋼管ａのネジ溝１に螺合するネジ溝４を有する凹部５を形成している。したがって、この固定金具ｂ…は、上記鋼管ａ…のネジ溝１にネジ溝４を螺合させることにより、凹部５内に該鋼管ａ…の基端を受入した状態で、該鋼管ａ…に取り付けられるようになっている。

まず、上記鋼管ａ…をトンネル外周の地山に打設してこれを支保部材とする方法について図３〜５を参照しながら説明する。

(1)トンネルを所要距離掘削し、アーチ支保工ｃを設置するとともに、吹付けコンクリートｄを施工した段階において、まず、図３に示したように上記鋼管ａを、坑内に配置した油圧ジャンボのガイドシェル１１上に装着する。

上記ガイドシェル１１は油圧ジャンボのブーム（図示しない）によって移動自在に支持されている。１２はそのガイドシェル１１上に装着された上記鋼管ａを支持するためのセントライザー、１３はその鋼管ａの基端に装着した治具である。

１４は上記治具１３を介して上記鋼管ａに打撃力，回転力を伝達するドリフタである。このドリフタ１４は、上記ガイドシェル１１上を前後に摺動自在に設置されており、これを前進させることで、上記治具１３を介して鋼管ａを押圧することができるようにもなっている。

(2)続いて、上記ブームを駆動して、ガイドシェル１１を打込み予定位置付近に移動し所要の方向（たとえば斜め上方）に向け、これに装着している鋼管ａの先端をトンネル内壁面（吹付けコンクリートｄ）に対向させる（図３(a)）。

(3)次に、ドリフタ１４を駆動し、鋼管の基端を打撃および／または押圧することにより、上記鋼管ａをトンネル外周の地山に打設し（図３(b)）、基端のネジ溝１の部分のみが坑内に突出した状態とする。

(4)そして、その突出した基端部分のネジ溝１に、凹部５のネジ溝４を螺合させて上記固定金具ｂを取り付けることにより、該鋼管ａの基端をトンネル内壁（吹付けコンクリートｄ）に固定する（図４，５）。

上記固定金具ｂはトンネル内壁面に基板２を一致させ、凹部５内に鋼管ａの基端を受入し、坑内側に椀形部３を突出させた状態となっているので、後工程で設置される防水シートに損傷を与えてしまうようなことがない。

上記のようにして打設された支保部材たる鋼管ａ（以下、「支保パイル」という。）は、基端を除くほぼ全長を地山に埋設させるとともに、固定金具ｂにより基端をトンネル内壁に固定した状態となり、支保部材としての内圧効果を発揮しトンネルの変形を防止するものである。また、トンネル外周の地山のせん断補強効果を奏する。

上記と同様の手順で、所要本数の支保パイルを、トンネル外周の地山へ放射状に打設した後、覆工コンクリートｅの打設等が行われる（図１参照）。

なお、図１では支保パイルを、トンネルの左右に３本ずつ斜め上方に向けて打設した状態を示してあるが、その打設する本数および方向は地山の性質等により適宜決定することができるものである。

次に、鋼管をトンネル側方の地山に打設してこれを支保脚部補強部材とする方法について図６，７を参照しながら説明する。

この場合、上記鋼管ａと同じく外径６５ｍｍ，肉厚４．２ｍｍ，長さ２．７５ｍではあるが、それと異なり上記ネジ溝１を有していない鋼管ａ′…を、上記と同様の油圧ジャンボを用いて、たとえば以下のようにして打設する。

(1)トンネルを所要距離掘削し、アーチ支保工ｃを設置した段階において、油圧ジャンボのガイドシェル１１上に上記鋼管ａ′を装着する。

(2)油圧ジャンボのブームを駆動して、上記ガイドシェル１１を打込み予定位置付近に移動して水平にし、鋼管ａ′の先端をトンネルの一側の内壁面１５に対向させる。

(3)ドリフタ１４を駆動し、鋼管ａ′の基端を打撃および／または押圧することにより、上記鋼管ａ′をトンネル側方の地山に水平に打設し（図６(a)）、基端部分所要長さが坑内に突出した状態とする。

(4)次に、油圧ジャンボのガイドシェル１１上に他の鋼管ａ′を装着し、ブームを駆動して、鋼管ａ′を斜め下方に向けるとともに、その鋼管ａ′の先端を、既に水平に打設した鋼管ａ′の坑内に突出している基端部分の至近位置において、トンネル内壁面１５に対向させる。

(5)ドリフタ１４を駆動し、その打撃力および／または押圧力により、上記鋼管ａ′をトンネル側方の地山に、斜め下方に向けて打設し（図6(b)）、上記水平に打設した鋼管ａ′の場合と同じく、基端部分所要長さが坑内に突出した状態とする。これにより、両鋼管ａ′，ａ′の基端部分がトンネル軸方向前後に並んで坑内に突出した状態となる。

(6)続いて、それらの突出した基端部分の上に、アーチ支保工ｃ，ｃの設置間隔と同じ長さの等辺山形鋼等の横架杆ｆを、トンネル内壁面１５に沿わせて、鋼管ａ′，ａ′の基端部分に乗載する。
そして、その横架杆ｆの両端をアーチ支保工ｃ，ｃに溶接するとともに、鋼管ａ′，ａ′の基端部分を該横架杆ｆに溶接する（図７(b)(c)）。

上記水平に打設された支保脚部補強部材たる鋼管ａ′（以下、「サイドパイル」という。）および斜め下方に向けて打設された同じく支保脚部補強部材たる鋼管ａ′（以下、「フットパイル」という。）は、基端を除くほぼ全長を地山に埋設させるとともに、基端をアーチ支保工ｃ，ｃに溶接した横架杆に固定し、アーチ支保工ｃ，ｃと一体化した状態となるので、該アーチ支保工ｃ，ｃの沈下や水平変位を抑制し、また、トンネルの変形を抑制することができるものである。

より詳細には、上記サイドパイルをアーチ支保工ｃ，ｃに固定していることにより、掘削の際に緩んだ地山の側方移動や斜め下方への滑動を抑制し、地山を補強することができる。
また、上記フットパイルは、その打設方向が、斜め下外方を向くアーチ支保工ｃ，ｃからの荷重軸線とほぼ一致するので、該アーチ支保工ｃ，ｃの沈下を抑制する効果が大きい。

上記と同様の手順でトンネルの他側の地山にもサイドパイルおよびフットパイルを打設することができる。

その後、吹き付けコンクリートｄを施工し、これにより上記サイドパイルおよびフットパイルの基端部分および横架杆ｆを埋設状態にするとともに、さらに、覆工コンクリートｅの打設等が行われる（図１参照）。

なお、必ずしもサイドパイルおよびフットパイルを共に打設する必要はなく、たとえばサイドパイルのみを打設しフットパイルは省略することもでき、また、その逆も可能である。さらに、サイドパイルおよびフットパイルそれぞれの本数も適宜変更できる。

続いて、上記鋼管ａ…を、トンネル下方の地山に打設してこれをインバート部補強部材とする方法について説明する。

この場合、支保部材として打設したものと同一の、ネジ溝１を有する上記鋼管ａを、上記と同様の油圧ジャンボにより、たとえば以下のようにして打設する。

(1)トンネルを所要距離掘削し、アーチ支保工ｃを設置した段階で（地山が膨張性地山であるような場合には、必要に応じ、吹付けコンクリート（図示しない）を施工した段階で）、油圧ジャンボのガイドシェル１１上に上記鋼管ａを装着する。

(2)油圧ジャンボのブームを駆動して、上記ガイドシェル１１を打込み予定位置付近に移動し下方または斜め下方に向け、鋼管ａの先端をトンネル内壁面に対向させる。

(3)ドリフタ１４を駆動し、鋼管ａの基端を打撃および／または押圧することにより、上記鋼管ａを地山に打設し、基端のネジ溝１の部分のみが坑内に突出した状態とする。

(4)最後に、その突出しているネジ溝１に、凹部５のネジ溝４を螺合させて上記固定金具ｂを取り付け、該鋼管ａをトンネル内壁に固定する。

トンネル下方の地山に打設された上記インバート補強部材たる鋼管ａ（以下、「インバートパイル」という。）は、基端を除くほぼ全長を地山に埋設させるとともに、基端をトンネル内壁に固定した状態となるので、インバート部の変位を抑制することができるものである。

上記と同様の手順で、所要本数のインバートパイルを、トンネル下方の地山へ放射状に打ち込み、その後インバートコンクリートｇの打設等が行われる（図１参照）。

なお、図１ではインバートパイルを、４本打設した状態を示してあるが、その打設する本数および方向は地山の性質等により適宜決定することができるものである。

以上述べたところから明らかなように、本鋼管打設工法では、注入材を用いないので、従来のように注入作業に時間を割いたり注入材の硬化を待つ必要がなく、工期を短縮することができる。
また、注入材を用いる場合と異なり、施工完了と同時に地山の補強、トンネルの沈下や変形の抑制等の効果が期待できる。

さらに、鋼管ａの打込み前に削孔を行わないので、周囲の地山を乱し、その強度を弱めてしまうようなことがなく、むしろ、鋼管ａ，ａ′の打設時に加えられる打撃の振動により、周辺地山を締め固めることができるものである。
この締め固め効果により、鋼管ａ，ａ′と地山との間には大きな摩擦抵抗力が働くので、上記の地山の補強、トンネルの沈下や変形の抑制等の効果が従来よりも高い。

上記の作業は、専用機械を用いずとも、トンネル施工で汎用される油圧ジャンボを用いて行えるから、低コストで施工できる。

なお、図１には、上記で説明した(i)支保パイル、(ii)サイドパイル・フットパイル、および(iii)インバートパイルの全てを打設した状態を示したが、必ずしも全てを打設する必要はなく、周辺地山の性質に応じ必要なものを適宜打設すればよいものである。

上記各鋼管ａ，ａ′の長さは、上記に示したものに限られず、周辺地山の性質に応じ、たとえばトンネル外周の地山の緩み範囲の外方にまで達する長さにするなど、適宜変更されるもので、２本以上の鋼管を継ぎ足して用いることもできる。
トンネル外周の地山の緩み範囲は、試験施工として、ジャンボの打撃圧メータを確認しながら鋼管ａ，ａ′の打込みを行い、打撃圧が上昇したときに打ち込まれている長さを確認すること、あるいは、事前に数値解析等を行うことによって知ることができるので、その結果により鋼管ａ，ａ′の長さを決定すればよい。
同様に、該鋼管ａ，ａ′の径や肉厚も適宜変更することができ、また、円筒形の鋼管でなく角筒形の鋼管を用いてもよい。

また、対象地山が礫混じり土砂や軟岩等からなる場合には、鋼管ａ，ａ′の打設が困難な場合も考えられる。このようなときには、鋼管ａ，ａ′の先端にビットを装着するようにしてもよい。
また、補助的に、鋼管ａ，ａ′の内径よりも小さい径のビットを、該鋼管ａ，ａ′内に挿通したロッドの先端に取り付け、これで補助穿孔を行いながら打設を行ってもよい。上記ビットの径は鋼管ａ，ａ′の内径よりも小さいので、補助穿孔によって周辺の地山を乱してしまうことはない。

以下、粘性土主体の地山でのトンネル工事において本発明鋼管打設工法を採用する実施例について説明する。

ｈは、所要の剛性を有する外径６５ｍｍ，肉厚４．２ｍｍ，長さ２．７５ｍの細長円筒形の鋼管本体の外周面に、直径９ｍｍの鋼線１６を螺旋状に巻回した状態で固着してなる鋼線付きの鋼管で、その基端の３０ｍｍの部分にはネジ溝１７が切られている（図８）。
なお、上記鋼線１６の直径は適宜変更できるものである。

トンネル外周の地山が粘性土を主体としている場合には、砂層の場合のように振動による締め固め効果が期待できないが、その反面、打設される鋼管との間に所要の粘着力を期待でき、その粘着力が摩擦抵抗力となることから、地山に接する表面積を広くし摩擦抵抗を大きくした上記鋼線付きの鋼管ｈを用いる。

粘性土主体の地山で行われる鋼管打設工法は、上記実施例１で説明した鋼管ａ（ａ′）の代わりに鋼線付きの鋼管ｈを用いる点を異にするだけで、他の点は実施例１で説明したのと同様であるのでその説明を省略する。

上記から明らかなように、本鋼管打設工法は、各種の地質の地山において広く施工することができるものである。

本発明の実施例１に係る鋼管打設工法により、トンネル外周の地山に複数の鋼管が打設された状態を示した縦断背面図である。 上記鋼管および固定金具の平面図である。 (a),(b)は上記鋼管をトンネル外周の地山に斜め上方に向けて打設する工程を示した図である。 (a)は斜め上方に向けて打設された鋼管を固定金具で固定した状態の拡大背面図、(b)はその側面図、(c)その平面図である。 図４(a)の要部拡大図である。 (a)は鋼管を地山に水平に打設する工程を、(b)は斜め下方に向けて打設する工程を示した図である。 (a)は水平に打設された鋼管および斜め下方に向けて打設された鋼管を、横架杆に溶接した状態の拡大背面図、(b)はその側面図、(c)はその平面図である。 本発明の実施例２に係る鋼管打設工法で用いられる、鋼線を巻回した鋼管および固定金具を示した平面図である。

符号の説明

ａ，ａ′ 鋼管
ｂ 固定金具
ｃ アーチ支保工
ｄ 吹付けコンクリート
ｅ 覆工コンクリート
ｆ 横架杆
ｈ 鋼線付き鋼管
１ ネジ溝
２ 基板
３ 椀形部
４ ネジ溝
５ 凹部
１１ ガイドシェル
１２ セントライザー
１３ 治具
１４ ドリフタ
１５ トンネル内壁面
１６ 鋼線
１７ ネジ溝

Claims (6)

1. トンネル外周の地山の所要位置に、基端を打撃および／または押圧することにより鋼管を打設して、これを支保部材，支保脚部補強部材，またはインバート部補強部材とすることを特徴とする鋼管打設工法。
2. 上記打設は、先端をトンネル内壁面に対向させた鋼管の基端を、汎用機械を用いて打撃および／または押圧することにより行うことを特徴とする請求項１記載の鋼管打設工法。
3. 打設した上記鋼管の基端をトンネル内壁に固定することを特徴とする請求項１または２記載の鋼管打設工法。
4. 上記鋼管の基端を、固定金具を取り付けることによりトンネル内壁に固定することを特徴とする請求項３記載の鋼管打設工法。
5. 上記鋼管の基端を、アーチ支保工間に横架した横架杆に溶接等することによりトンネル内壁に固定することを特徴とする請求項３記載の鋼管打設工法。
6. 外周面に鋼線を螺旋状に巻回した状態で固着している上記鋼管を打設することを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載の鋼管打設工法。

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