JP2006029021A

JP2006029021A - 大断面トンネルの構築方法

Info

Publication number: JP2006029021A
Application number: JP2004213454A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Kusumoto; 太楠本; Hisashi Kageyama; 久司影山; Kentaro Miyamoto; 健太郎宮本; Katsuya Kusuki; 勝也楠木
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】未固結帯水層中に任意扁平な大断面トンネルを安価に構築する方法を提供する。
【解決手段】大断面トンネルの掘削領域内に先行トンネル２を構築し、先行トンネル２より大断面トンネルを囲繞する遮水域４と難透水域５を形成し、次いで、先行トンネル２内を所定の高さまで埋め戻し、上半部を第一区画７ａと第二区画７ｂに分けて、第一区画７ａを先行して掘削した後、引き続き第二区画７ｂを掘削し、その後、下半部８とインバート部８’を掘削する。
【選択図】図３

Description

本発明は、大断面トンネルの構築方法に関し、特に、未固結帯水層中に大断面トンネルを構築する方法に関する。

堆積物が未だ固結せず地下水が蓄えられている未固結帯水層中に、シールド掘削では困難な大断面トンネルを構築するには、トンネル掘削時の掘削面が自立する程度の地山強度の確保とトンネルに向かう浸透水の遮断が必要となるため、薬液注入による止水処理が一般に実施されている。しかし、薬液注入量規定による現行薬液注入方法では、透水係数が１０^−４ｃｍ／ｓ以下の低透水層に対する強度改良を兼ねた薬液注入は困難である。また、掘削面周辺の地層では、トンネル掘削の影響により止水性能が低下し、土粒子間結合力が弱い場合には、土粒子流動による遮水構造の崩壊やトンネル支保構造系の破壊が生じる。そのため、地盤に凍結管を所定間隔で打ち込み、冷却したブラインを凍結管内で循環させたり、液体窒素ガスを凍結管内へ放出するなどして地盤の凍結固化を図る凍結工法が用いられることがある（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２６７６０１３号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、凍結工法を実施した場合、仮設工事費は倍加し、工期が大幅に延長するうえ、工事終了後に凍結領域が解凍すると、トンネルに作用する土圧が増大するため、覆工コンクリートを耐水圧構造にしなければならないといった問題がある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、未固結帯水層中に任意扁平な大断面トンネルを安価に構築する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る大断面トンネルの構築方法では、大断面トンネルの掘削領域内に先行トンネルを構築し、前記大断面トンネルの掘削領域を囲繞する所定領域を前記先行トンネルより地盤改良する第一工程と、前記先行トンネル内を所定の高さまで埋め戻し、前記先行トンネルから前記大断面トンネルの上半部を切り拡げつつ上半支保工を構築した後、前記大断面トンネルの下半部とインバート部を掘削する第二工程とを備えることを特徴とする。
本発明では、大断面トンネルの掘削領域内に先行トンネルを構築し、先行トンネルより大断面トンネルを囲繞する地盤改良域を形成し、次いで、先行トンネル内を所定の高さまで埋め戻して、先行トンネルから大断面トンネルの上半部を切り拡げつつ上半支保工を構築した後、大断面トンネルの下半部とインバート部を掘削することにより、未固結帯水層中に、地下水の排水無しに任意扁平な大断面トンネルを安価に構築することができる。

また、本発明に係る大断面トンネルの構築方法では、前記大断面トンネルの上半部の掘削において、前記上半部をトンネル軸方向から見て左右二つの区画に分け、前記先行トンネル側の第一区画を先行してトンネル軸方向に掘削した後、残る第二区画をトンネル軸方向に掘削してもよい。
本発明では、上半部を二つの区画に分けて掘削することにより、安全且つ安価に大断面トンネルを構築することができる。

また、本発明に係る大断面トンネルの構築方法では、前記第二区画の掘削に際し、前記第一区画から前記第二区画に向けて掘削断面を漸次切り拡げながらトンネル軸方向に掘削し、その後、反転して前記第二区画の未掘削部を掘削してもよい。以下、この方式を漸拡方式と呼ぶ。
あるいは、本発明に係る大断面トンネルの構築方法では、前記第二区画の掘削に際し、前記第一区画から前記第二区画に向けてトンネル軸直交方向に先進坑を構築し、当該先進坑を起点としてトンネル軸方向に前記第二区画を掘削してもよい。以下、この方式を先進坑方式と呼ぶ。
軽微な支保構造を有する小断面トンネルの力学的安定が三軸応力下で確保できないような自立度の低い地層のトンネル掘削には、漸拡方式が有効であり、逆に、小断面トンネルの力学的安定が三軸応力下で確保できる自立度の高い地層のトンネル掘削には、先進坑方式が有効である。
本発明では、上半部の掘削方法として、地層の力学特性に応じて漸拡方式または先進坑方式のいずれか適切な拡幅掘削方法を選択することができる。

本発明によれば、大断面トンネルの掘削領域内に先行トンネルを構築し、先行トンネルより大断面トンネルを囲繞する地盤改良域を形成し、次いで、先行トンネル内を所定の高さまで埋め戻して、先行トンネルから大断面トンネルの上半部を切り拡げつつ上半支保工を構築した後、大断面トンネルの下半部とインバート部を掘削することにより、未固結帯水層中に、地下水の排水無しに任意扁平な大断面トンネルを安価に構築することができる。
また、本発明では、上半部の掘削方法として、地層の力学特性に応じた適切な拡幅掘削方法を選択することができる。

以下、本発明に係る大断面トンネルの構築方法の実施形態について図面に基いて説明する。
最初に、漸拡方式による大断面トンネルの構築方法について説明する。
図１は、本発明に係る大断面トンネルの構築方法（漸拡方式）を示すトンネル平面図であり、図３はそのトンネル断面図である。また、図２は、大断面トンネルを囲繞する遮水域と難透水域を形成する方法を示すトンネル断面図である。

掘削径の異なるトンネルが地中で分岐・合流するトンネル交差部では、トンネル断面形状がトンネル軸方向に変化し、両トンネルを包含した扁平大断面トンネルとなる。そこで、本実施形態では、未固結帯水層中に、トンネル断面形状がトンネル軸方向に３段階に変化する扁平大断面トンネルを、地下水の排水無しに構築するものとし、断面変化位置における妻部１ａの処理が確実にでき、施工性が良く、トンネルの力学的安定上も有利なトンネル断面形状が縮小する方向に施工する。

先ず、大断面トンネル１の掘削領域内に先行トンネル２をシールド工法により構築する（図２参照）。
次いで、先行トンネル２の周壁３からトンネル周方向に０．５〜１．５ｍ間隔で地盤Ｇに向けて放射状に、且つトンネル軸方向にも０．５〜１．５ｍ間隔で地盤Ｇに向けて間隙水圧制御の直線ボーリング孔５ａを削孔する。そして、直線ボーリング孔５ａからセメント系注入材を地盤Ｇに高圧脱水注入し、大断面トンネル１の掘削領域を囲繞する楕円筒構造の難透水域５を形成する。
その後、直線ボーリング孔５ａから薬液を地盤Ｇに低圧浸透注入して難透水域５の外周部に、間隙の無い厚さ約２〜３ｍの楕円筒構造の遮水域４を形成する。

地下水の流れを遮断する止水性の高い楕円筒構造の遮水域４と、トンネル掘削外力を負担する透水性の低い楕円筒構造の難透水域５とからなる多重防水構造を、大断面トンネル１の掘削領域を囲繞するように形成することにより、覆工コンクリートを耐水圧構造とする必要がなくなり、シールド掘削では困難であった任意扁平な大断面トンネル１の掘削が可能となる。しかも、難透水域５は、薄肉のトンネル支保構造とともにトンネル支保構造系を形成するので、シールド工法の高耐力・高剛性の高価なセグメントに比べて、安価で合理的な防水トンネルを構築することができる。

大断面トンネル１を囲繞する遮水域４と難透水域５とからなる多重防水構造が完成すると、大断面トンネル１の上半部７を掘削するために、上半部７の下端位置まで先行トンネル２内の埋め戻し６を行う（図３（ａ）参照）。次いで、先行トンネル２上部の周壁３を撤去し、先行トンネル２側の第一区画７ａに属する図１（ア）の区間について、掘削断面を上方に漸次切り拡げながら上半支保工９を構築する（図３（ｂ）参照）。引き続き、第一区画７ａの図１（イ）の区間について、トンネル軸方向に正規断面を掘削して上半支保工９を構築した後（図３（ｃ）参照）、反転し、第一区画７ａの図１（ア）の区間において一部未掘削であった大断面トンネル１のアーチ部を掘削し、正規断面を形成する。
次に、第二区画７ｂの図１（ウ）の区間について、第一区画７ａから第二区画７ｂに向けて掘削断面を漸次切り拡げながらトンネル軸方向に掘削し、上半支保工９を構築した後（図３（ｄ）参照）、第二区画７ｂの図１（エ）の区間について、トンネル軸方向に正規断面を掘削して上半支保工９を構築する（図３（ｅ）参照）。その後、反転し、未掘削であった第二区画７ｂの図１（オ）の区間を掘削し、正規断面を形成する。
次いで、トンネル断面形状が縮小する図１（カ）および図１（キ）の区間について、トンネル軸方向に上半部７の掘削を行い、上半支保工９を構築する（図３（ｆ）、（ｇ）参照）。
その後、全ての区間について、トンネル軸方向に下半部８の掘削（図３（ｈ）、（ｉ）参照）とインバート部８’の掘削（図３（ｊ）参照）を行う。

なお、上記各掘削ステップにおいてグランドアーチが形成できるように、上半支保工９は、仮閉合部材９ａを用いて断面閉合を行い、内圧力を確保する。

本実施形態による大断面トンネルの構築方法（漸拡方式）では、大断面トンネル１の掘削領域内に先行トンネル２を構築し、先行トンネル２より大断面トンネル１を囲繞する遮水域４と難透水域５を形成し、次いで、先行トンネル２内を所定の高さまで埋め戻し、上半部７を掘削した後、下半部８とインバート部８’を掘削する。これにより、未固結帯水層中に、地下水の排水無しに任意扁平な大断面トンネル１を安価に構築することができる。
また、上半部７を第一区画７ａと第二区画７ｂに分け、第一区画７ａを先行して掘削し、第二区画７ｂを掘削する際は、第一区画７ａから第二区画７ｂに向けて掘削断面を漸次切り拡げながらトンネル軸方向に掘削した後、反転して第二区画７ｂの未掘削部図１（オ）を掘削する。この方式により、軽微な支保構造を有する小断面トンネルの力学的安定が三軸応力下で確保できないような自立度の低い地層に、大断面トンネル１を構築することができる。

次に、先進坑方式による大断面トンネルの構築方法について説明する。
図４は、本発明に係る大断面トンネルの構築方法（先進坑方式）を示すトンネル平面図であり、図５はそのトンネル断面図である。

本実施形態においても、漸拡方式と同様に、大断面トンネル１の掘削領域内に先行トンネル２をシールド工法により構築し、先行トンネル２を利用して、大断面トンネル１の掘削領域を囲繞する楕円筒構造の遮水域４および難透水域５を形成する。

次いで、上半部７の下端まで先行トンネル２内の埋め戻し６を行った後（図５（ａ）参照）、先行トンネル２上部の周壁３を撤去し、先行トンネル２側の第一区画７ａに属する図４（ク）の区間について、掘削断面を上方に漸次切り拡げながら上半支保工９を構築する（図５（ｂ）参照）。そして、第一区画７ａの図４（ケ）の区間について、トンネル軸方向に正規断面を掘削して上半支保工９を構築した後（図５（ｃ）参照）、反転し、第一区画７ａの図４（ク）の区間において一部未掘削であった大断面トンネル１のアーチ部を掘削し、正規断面を形成する。
次に、第二区画７ｂの図４（コ）の区間について、第一区画７ａから第二区画７ｂに向け、大断面トンネル１のアーチにほぼ沿うように曲がり長尺鋼管１０ａをトンネル軸直交方向に打設する（図５（ｄ）参照）。そして、曲がり長尺鋼管１０ａの下方を第一区画７ａから第二区画７ｂに向けてトンネル軸直交方向に掘削して（図５（ｅ）参照）、先進坑１０を構築し、その中に正規断面の上半支保工９を早期に完成させる。次いで、先進坑１０を基点として、第二区画７ｂの図４（サ）の区間について、トンネル軸方向に正規断面を掘削して上半支保工９を構築し（図５（ｆ）参照）、第二区画７ｂの図４（シ）の区間についても、同様に正規断面を掘削して上半支保工９を構築する。
その後、全ての区間について、トンネル軸方向に下半部８とインバート部８’の掘削を行う（図３（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）参照）。

図６は、先進坑１０の断面図である。
先進坑１０の幅は５ｍ程度であり、内周面は厚さ２５ｃｍ程度の吹付コンクリート１０ｃによって被覆され、側壁には長さ４ｍ程度の複数のロックボルト１０ｂ…が地盤に向けて打設されている。

本実施形態による大断面トンネルの構築方法（先進坑方式）では、第二区画７ｂの掘削方法が漸拡方式と異なり、第一区画７ａから第二区画７ｂに向けてトンネル軸直交方向に先進坑１０を構築し、先進坑１０を起点としてトンネル軸方向に第二区画７ｂを掘削する。この方式により、軽微な支保構造を有する小断面トンネルの力学的安定が三軸応力下で確保できる自立度の高い地層に、大断面トンネル１を構築することができる。

なお、上記実施形態では、トンネル断面形状は一定であったが、トンネル断面形状がトンネル軸方向に変化する場合にも、漸拡方式と同様に、先進坑方式を適用することができる。

以上、本発明に係る大断面トンネルの構築方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、地盤改良工法として薬液注入工法を用いているが、これに限られるものではなく、他の地盤改良工法でもよい。

本発明に係る大断面トンネルの構築方法（漸拡方式）を示すトンネル平面図である。大断面トンネルを囲繞する遮水域と難透水域を形成する方法を示すトンネル断面図である。本発明に係る大断面トンネルの構築方法（漸拡方式）を示すトンネル断面図である。本発明に係る大断面トンネルの構築方法（先進坑方式）を示すトンネル平面図である。本発明に係る大断面トンネルの構築方法（先進坑方式）を示すトンネル断面図である。先進坑の断面図である。

符号の説明

１大断面トンネル
２先行トンネル
３周壁
４遮水域
５難透水域
６埋め戻し土
７上半部
８下半部
８’ インバート部
９上半支保工
１０先進坑
Ｇ地盤

Claims

大断面トンネルの掘削領域内に先行トンネルを構築し、前記大断面トンネルの掘削領域を囲繞する所定領域を前記先行トンネルより地盤改良する第一工程と、
前記先行トンネル内を所定の高さまで埋め戻し、前記先行トンネルから前記大断面トンネルの上半部を切り拡げつつ上半支保工を構築した後、前記大断面トンネルの下半部とインバート部を掘削する第二工程とを備えることを特徴とする大断面トンネルの構築方法。
前記大断面トンネルの上半部の掘削において、
前記上半部をトンネル軸方向から見て左右二つの区画に分け、前記先行トンネル側の第一区画を先行してトンネル軸方向に掘削した後、残る第二区画をトンネル軸方向に掘削することを特徴とする請求項１に記載の大断面トンネルの構築方法。
前記第二区画の掘削に際し、前記第一区画から前記第二区画に向けて掘削断面を漸次切り拡げながらトンネル軸方向に掘削し、その後、反転して前記第二区画の未掘削部を掘削することを特徴とする請求項２に記載の大断面トンネルの構築方法。
前記第二区画の掘削に際し、前記第一区画から前記第二区画に向けてトンネル軸直交方向に先進坑を構築し、当該先進坑を起点としてトンネル軸方向に前記第二区画を掘削することを特徴とする請求項２に記載の大断面トンネルの構築方法。