JP2006037471A - Ｆｒｐパネルによるトンネル構造物の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル構造物の補強構造に用いられるＦＲＰパネルを比較的薄肉の１種類のパネルを積層構造として用いてトンネル覆工の補強部材としたもので、コスト的に安価で、しかも変状対策や大規模な崩落への対応が可能となったものである。
【解決手段】トンネル構造物の周方向に渡って、方形で好ましくは格子状のＦＲＰパネルを順次添設してパネル集積体となし、当該パネル集積体の周方向の最下位に位置するパネルをトンネル構造物に固定してなる補強構造において、前記ＦＲＰパネルを複数枚積層してパネル集積体とし、この積層されたＦＲＰパネルのトンネル周方向に対応する縁辺が少なくとも重なり合わないように配置した。Ｐ１ ‥第１層パネル、Ｐ２ ‥第２層パネル、Ｐ３ ‥第３層パネル、Ｐ０ ‥パネル集積体、Ｐ００‥最下部のパネル、Ｔ‥トンネル。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンクリート補強構造に関し、具体的にはＦＲＰパネルによるトンネルを構成するコンクリート構造物の補強構造に係るものである。

一般に、コンクリ−ト構造物については、経年劣化やコールドジョイント、コンクリートの中性化、アルカリ骨材反応等に起因する劣化などが問題とされており、外力などによる変状や有害なひび割れが生じたり、コンクリートの剥落のおそれがあったりする場合にはその対策が必要となる。剥落対策工は、剥落に至る原因を的確に把握し、その対象面積や想定される剥落規模等を考慮して、対処し得る有効かつ経済的な対策を選定する必要がある。対策工の種類には、各種の方法が提案されているが、この中で、対象面積が比較的広く、想定される剥落規模が大きな場合には、補強セメント工法、繊維シ−ト接着工法、鋼板接着工法、塗布、吹付け、場所打ちなどの内巻き工法が採用されている。

補強セントル工は、トンネルの内側に支保工（Ｈ型鋼）を、１．０〜１．５ｍ程度の間隔で建込むことで補強する工法である。また、鋼板接着工法は、覆工表面に鋼板を接着する工法である。一般的には鋼材である支保工（Ｈ型鋼）や鋼板の重量は重く、重機や大型機械による施工ができず、人力での施工では施工可能な部材の大きさが限定されてしまうばかりか、作業が上向き作業となり苦渋作業を強いられる。繊維シート接着工法は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維を含浸・接着樹脂をシートに含浸させながら積層（現場形成）する工法である。プライマー工等の含浸の際には、覆工表面の温度や湿度（湧水箇所）により施工できない場合があり、工程が多く作業能率が悪い等の問題もある。

そして、内巻き工法では、コンクリ−トの場所打ちでは、補強材や鉄筋の配置、型枠の組立て、コンクリートの打設、型枠の撤去といった大がかりな工事となり、コンクリートの養生も必要となる。また、吹き付けや塗布においても、硬化に時間を有すなど、この種の工事が短時間で終了したいという要請に応えられないのが現状である。

また、繊維シート接着工法や鋼板接着工法、内巻き工法では、コンクリートの補強と剥落防止を期待できるが、既設コンクリートの表面を覆ってしまう対策であり、対策後に既設コンクリートの変状箇所を目視することができず、新たなひび割れの発生や劣化の進行を追尾調査できないので、それらの進行状況を調査できなくなるといった問題もある。

さらに、通常の生活に欠かせない場所におけるこれらの保護工法は、その作業の迅速性が必要とされている。特に自動車が行き交うトンネル内の作業はこれが長引けば交通の渋滞を引き起こし、鉄道などのトンネルにあっては、列車が通らない夜間の極く短い時間内で作業が完了しなくてはならないという制約もあり、養生が必要な対策上の選定は避けなければならない。

上述のような背景のもとに提案された技術として、特許文献１及び特許文献２に開示された保護工法がある。かかるコンクリート構造物の保護工法は、基本的にはパネル面内方向に網目状に配置される所定高さの多数の桁状部間に、パネル厚さ方向に延びる多数の中空部を形成してなる多数の補強パネルを、補強を必要とするコンクリート構造物の表面に固定し、補強面が前記中空部より透視できるようにしたものである。

特開２００１−２６２８４１号

特開２００２−２５６７０８号

かかる技術は、比較的短時間に工事が完成し、維持管理が容易に行なえるコンクリート構造物の保護工法であり、従来の保護工法と比較して優れた工法となっている。しかるに、この保護工法にあっても改良が要請される面もあり、主としてパッチワ−ク式のものであるため、比較的小さな剥落を対象とするものである。

以上の欠点を解消するために、ア−チ状を構成するコンクリート構造物の保護工法及びそのパネルを提案した（特許文献３）。

特願２００３−１９０５７４号

係る提案の内容は、方形の平板面と、その四周に同一面側に立設した周囲リブと、該周囲リブには取り付け用ボルト穴が穿孔されたことを特徴とするトンネル構造物の補強・補修工法用のプラスチック製の保護パネル及びこれを用いた補強工法である。

さらに詳しく言えば、ＦＲＰパネルを１セグメントとし、トンネルのコンクリート内壁面にアンカーボルトにて取り付け、トンネル周方向の隣接パネル相互をボルトなどにて連結し、アーチの両下端部は定着する。これにより、上円部分内面全体に渡り完全なアーチ構造が形成され、荷重に対する応力は、部材全体で軸力卓越型のアーチアクション効果が期待でき、比較的大規模な荷重に対しても耐え得る補強部材としての役割をもたせることが可能となる。

そして、トンネルのアーチ形状に追随させるため、リブに角度を設けるか、リブが垂直な場合にはパネルの接合部分に三角断面部材を設置したり、隙間に注入処理等を行うなどし、パネル相互間で軸圧縮力が確実に伝達されるようにする。

場合によってはＦＲＰパネルを格子形状とすることで、パネル施工後でも設置部分のコンクリートの劣化状況を目視観察ができるようにする。ＦＲＰパネルを格子形状とすることで、本パネル設置後にも、増しボルト、空洞注入工等の対策が容易にできる。

ＦＲＰパネルはＳＭＣにより工場生産ができる。これにより、品質の安定、コストの縮減が期待できるという特徴もある。

しかるに、上記既提案のＦＲＰパネルは通常はＳＭＣによって生産されるが、その製作には型枠を必要とし、基本的には１形状１型粋が必要となる。このため対象とする荷重条件やトンネルの空間余裕などの関係より、特にパネルの厚みが想定以外のものとなった場合には、新たな型枠を必要とする。

また、トンネルのアーチ形状に追随させるため、周囲のリブに角度を設けるか、リブが垂直な場合にはパネルの接合部に三角断面部材を挿入したり、隙間に注入処理等を行ったりなどし、パネル相互間で軸圧縮力が確実に伝達されるようにしなければならない。しかし、トンネルは様々なアーチ形状で造られており、特定のトンネルを対象に製作されたＦＲＰパネルは汎用性がない。

さらに、三角断面部材を挿入する方法でも、土木構造物であるトンネル内面のアーチ形状の精度は必ずしも理想的なものではないため、数パターンの角度の部材を用意したとしても、確実に隙間を埋められることができるとは限らない。また、隙間に注入処理などを行う方法は、シーリングなどに施工手間がかかるし、接着硬化処理は、その後容易に取替えができなくなる。

そして、接合部牲曲げモーメントを伝達する必要があることから、リブ面においてボルトを上下２段で配置する必要があるため、ボルト締め付けなどの施工性を考慮すると、リブの高さが少なくとも１００ｍｍ程度も必要となってしまうが、このリブの高さが１００ｍｍもあるパネルをＳＭＣで作製することは容易ではない。さらに、補修のための内空余裕が１００ｍ以上のトンネルも稀である。

本発明は、トンネルのアーチ形状を構成するコンクリート構造物の劣化部位の剥落防止を兼ねた補修、補強時などに用いられる補強構造を提供するものであり、できるだけ少ない部品点数にて補強を行おうとするものである。

本発明の第１は、トンネル構造物の周方向に渡って、方形のＦＲＰパネルを順次添設してパネル集積体となし、少なくとも当該パネル集積体の周方向の最下位に位置するパネルをトンネル構造物に固定してなる補強構造において、前記ＦＲＰパネルを複数枚積層してパネル集積体とし、この積層されたＦＲＰパネルのトンネル周方向に対応する縁辺が少なくとも重なり合わないように配置したことを特徴とするものである。

本発明の第２は、トンネル構造物の周方向に渡って、方形のＦＲＰパネルを順次添設してパネル集積体となし、少なくとも当該パネル集積体の周方向の最下位に位置するパネルをトンネル構造物に固定してなる補強構造において、前記ＦＲＰパネルを複数枚積層してパネル集積体とし、この積層されたＦＲＰパネルのトンネル周方向に対応する縁辺を一致させ、当該縁辺を受け具をもって連接したことを特徴とするものである。

本発明のトンネル構造物の補強構造に用いられるＦＲＰパネルは、比較的薄肉のパネルである。したがって、それ単独では比較的小規模な剥落防止を目的とした補修部材としての使用であるが、これを２層以上の積層構造として、アーチ構造を形成することにより、トンネル覆工の補強部材として変状対策や大規模な崩落への対応が可能となったものである。すなわち、補修から補強までの数段階のステージを、１つの形状のパネルで対応できるものであり、上円部分内面全体に渡り完全なアーチ構造が形成され、軸力卓越型応力分布状態により、覆工の補強部材としての役割をもたせることが可能となる。しかも、パネルが工場生産による大量生産が可能であり、このため、低コスト化が図れることともなった。

本発明のトンネル構造物の補強構造に用いられるＦＲＰパネルは、上記したように比較的薄肉パネルを用いるものであり、基本的には１つの形状をもつパネルを重ね合わせて補強構造を構成するものである。ＦＲＰ製のパネルは比較的剛性が高く、パネルが厚い場合には変形（曲げ）は殆どできない。このため、トンネルの内部の曲面に比較的厚いパネルを用いた場合にはその曲面に基本的に追従できない。しかるに薄いパネルであれば、曲面に対して比較的追従が可能となるものであり、本発明はパネルのこのような動きを利用したものである。

ＦＲＰパネルは単なるプレートであってもよいが、好ましくは、各リブ間にパネルの表裏に貫通する多数の窓部を構成した格子状パネルであるのがよい。窓部を形成する際には、平面視で正方形、長方形、亀甲形、円形などが代表的なものである。格子状パネルの場合には、かかる窓部からコンクリート構造物の表面状態を目視・観察できるというメリットがあり、かつ、この窓部を介してコンクリート構造物の劣化や剥落に対する対策もそれなりに対応できるものである。このようなことから、窓部の大きさは任意に決められるが、通常は２０〜１００ｍｍ程度とすることが好ましい。この窓部はまた当該パネルをコンクリート構造物に固定する際に用いられることは勿論である。

ＦＲＰパネルについてさらに言えば、ガラス、アラミド、炭素等の繊維補強のプラスチック製で、正方形又は長方形の外形を有するものである。基本的にはコンクリートの補修面、あるいは補強面に添設されるものであり、作業者が容易に取り扱えるよう幅が５０〜２００ｃｍ程度のものが好ましい。長方形のパネルを採用する場合には、トンネルの長手方向に添って長辺側とし、トンネルの断面側は短辺側として添設して行くのが効果的である。

ＦＲＰパネルの厚さは、トンネルの大きさや予想される外力の大きさにもよるが、所定の厚さ以上のものである必要があり、通常は１０〜２５ｍｍである。この程度の厚さのパネルにあっては、トンネルのアーチ形状に対して追従可能であり、このパネルを複数層積層することによって１枚のパネルの場合にはなし得ないトンネルの内周面に対してほぼ均一に補強ができたものである。

そして、通常は一つの型枠より得られた一形状のパネルを使用するものであり、第１の発明にあっては、少なくともトンネルの周方向におけるパネルの縁辺は重なり合わないように配置するもので、こうすることによってパネルに加わる外力が集中することなく、軸力、曲げモ−メント、剪断力が隣接パネルに伝えられ、強度上大きな特徴がある。

第２の発明にあっては、一つの型枠より得られた一形状のパネルを用いることは同じであるが、トンネルの周方向におけるパネルの縁辺を一致させて重なり合わせるものであり、この縁辺を受け具をもってトンネルの周方向に連接することによってパネルに加わる外力が集中することなく、軸力、曲げモ−メント、剪断力が周方向の左右に伝えられるという特徴がある。

トンネル構造物はアーチ状を構成するが、このアーチ面に平板のプラスチック製のパネルを略アーチ状のパネル集積体としたものである。そして、トンネル構造物の剥落などの外力に対し、パネル集積体にかかる軸力をパネル集積体全体に伝達・分散し、当該外力に耐え得る構造としたものである。

パネル集積体は、ほぼトンネルの断面形状に合わせた形状とするのがよいが、本発明にあっては、パネルが薄いためにアーチ形状に合わせて変形可能となり、ほぼパネル集積体全体がトンネルの内周面に接することになり、パネル集積体はパネルに加わる外力をパネル集積体全体で受けることになる。したがって、コンクリート構造物の一部に剥落があってもバネルの破壊には至らないものとなる。すなわち、パネル集積体がアーチ形状をなし、外力をトンネル周方向に軸力の形で伝達するとともに、パネル全体の剛性を高めることができることとしたものである。

パネル集積体を構成する夫々のパネルは組み立て時にコンクリート構造物に仮止めされるのがよく、仮止めは、パネルの平板面に穴を開けてアンカーを打ち込む方法、格子状パネルの場合には、窓部を利用してアンカーを打ち込む方法、逆に、窓部を塞ぎ、ここに穴を開けてアンカーを打ち込む方法、窓部に係止部材を埋め込み、これにアンカーを打ち込む方法などがある。

パネル集積体の周方向の左右の端部パネルがトンネル側壁の、通常は脚部に支持されるが、これは側壁にアンカー止めにて固定されても、あるいは、これに固定された支持部材上に載置されてもよく、いずれにしても、トンネルを構成するコンクリート構造物の剥落などによる外力に起因する剪断力に対して耐力が十分であればよい。支持部材の形状は特に限定されるものではない。アンカー止めについては、前記したパネルの仮止め方法がそのまま採用できる。

以下、図面をもって本発明を更に説明する。
図１は本発明に用いられるＦＲＰ製パネル（ガラス繊維補強されたポリエステル樹脂製）Ｐの正面図である。そして、その外形は５００×１５００×２５ｍｍの長方形をなしている。好ましくは、パネルＰには窓部Ｗが形成されるのがよく、例えば、窓部Ｗは８×２４個の正方形の表裏に貰通する穴である。なお、既に述べたように格子のないパネルＰであってもよいことは勿論である。

図２は第１発明を示すトンネルＴの斜視図であり、図３はそのトンネル内から見た展開図である。トンネルＴの内周面はコンクリート製Ｃであり、この内周面に３層のパネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ によってパネル集積体Ｐ０ が構成されている。

そして、パネルＰ１ はトンネルＴの軸方向にその周方向縁辺Ｐ１１、Ｐ１２を突き合わせて並べたものであり、パネル集積体Ｐ０ の第１層を形成している。次いで、第２層であるパネルＰ２ は同様に並べられるが、パネルＰ１ の周方向の縁辺Ｐ１１とパネルＰ２ の周方向の縁辺Ｐ２１は合致しないでずらされて積層するものである。第３層のパネルＰ３ も同様に並べられ、パネル集積体Ｐ０ が構成される。なお、各パネルの縁辺Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１の突き合わせ部は単に突き合わせるだけでなく、図示はしないが、各層のパネルの緑部Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１の突き合わせは、ほぞ継ぎ手、切り欠き継ぎ手、ボルト継ぎ手などにより結合するのもよい方法である。さらに、トンネルＴの軸方向の縁辺も重なり合わないことが好ましい。

これらのパネルはトンネルＴの内周面に任意の方法で仮止めされ、パネル集積体Ｐ０ の周方向の左右の最下部に位置する部位Ｐ００をトンネルＴに例えば図示しないアンカーボルトなどによって固定される。勿論、軸方向に伸びる支持具をもってＰ００を支持固定してもよい。

さて、このようなパネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ は比較的薄く構成されたため、比較的曲げやすく、このため、トンネルＴのアーチ形状に追従してパネルはほぼその全面がトンネルのアーチ形状面に接触するような構造となる。このようなことは従来の例えば厚さが１００ｍｍであるパネルでは発現できない現象であり、ここに本発明の特徴がある。

このように、本発明の特徴は同一の形状のパネルＰ１P、Ｐ２l、Ｐ３ をもってパネル集積体Ｐ０ が構成させるものであり、一つの型枠からこれらのパネルが製造されることは言うまでもない。

図４は第２発明を示すトンネルＴの斜視図であり、図５は図４のトンネルＴの内部から見た展開部分図である。パネル集積体Ｐ０ は３層のパネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ によってパネル積層体Ｐ０ が構成され、周方向のパネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ の縁辺Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１は全て合致させたものであり、この縁辺縁辺Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１はこの例では受け具Ｇ（断面Ｈ形の長尺部材）で支持されたものである。受け具Ｑのうち、少なくとも左右の最下部の受け具Ｑ００がトンネルＴに固定される。なお、受け具Ｑは特に限定されるものではなく、図５で示すようにトンネルの軸方向で複数のパネル積層体Ｐ０ を受けるものであってもよいことは勿論である。

この例にあっても、パネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ が比較的薄いため、トンネルＴの内周面にほぼ添うことができ、パネル集積体Ｐ０ の全面にて外力を受けることが可能となったものである。

この例でも、本発明の特徴は同一の形状のパネルＰ１ 、Ｐ２ 、Ｐ３ をもってパネル集積体Ｐ０ が構成させるものであり、一つの型枠からこれらのパネルＰが製造されることは言うまでもない。

トンネルの断面の曲面は一定のものではないことから、従来の方法では多数の形状のパネルを必要としていたが、本発明によれば基本的に一形状のパネルでよく、施工作業時における取扱いも容易で、トンネル内周面の補強構造として広い目的で使用可能である。

さらに、パネルが格子状である場合には、コンクリート構造物の表面を直接目視することができ、早期に対策を施すことが可能となる。そして、作業が容易で特別な技術の必要もなく、作業時間が短時間で終了し、交通渋滞を避けて作業が行われ、列車の走行にも影響が出ないという大きな特徴も兼ね備えている。

図１は本発明のＦＲＰパネルの平面図である。 図２は第１発明を示すトンネルＴの斜視図である。 図３図２のトンネル内から見た展開部分図である。 図４は第２発明を示すトンネルＴの斜視図である。 図５図４のトンネル内から見た展開部分図である。

符号の説明

Ｐ‥パネル、
Ｐ１ ‥第１層パネル、
Ｐ２ ‥第２層パネル、
Ｐ３ ‥第３層パネル、
Ｐ０ ‥パネル集積体、
Ｐ１１‥第１層パネルの縁辺、
Ｐ２１‥第２層パネルの縁辺、
Ｐ３１‥第３層パネルの縁辺、
Ｐ００‥最下部のパネル、
Ｑ‥受け具、
Ｑ００‥最下部の受け具、
Ｔ‥トンネル、
Ｗ‥窓。

Claims (8)

1. トンネル構造物の周方向に渡って、方形のＦＲＰパネルを順次添設してパネル集積体となし、当該パネル集積体の周方向の最下位に位置するパネルをトンネル構造物に固定してなる補強構造において、前記ＦＲＰパネルを複数枚積層してパネル集積体とし、この積層されたＦＲＰパネルのトンネル周方向に対応する縁辺が少なくとも重なり合わないように配置したことを特徴とするトンネル構造物の補強構造。
2. 積層されたＦＲＰパネルは接着或いはボルト結合にて一体化した請求項１記載のトンネル構造物の補強構造。
3. 各層のＦＲＰパネルの縁部は、ほぞ継ぎ手、切り欠き継ぎ手、ボルト継ぎ手などにより結合した請求項１記載のトンネル構造物の補強構造。
4. ＦＲＰパネルが格子状である請求項１記載のトンネル構造物の補強構造。
5. ＦＲＰパネルが積層された状態で、格子状空間部よりコンクリ−ト表面が目視観察可能とした請求項４記載のトンネル構造物の補強構造。
6. トンネル構造物の周方向に渡って、方形のＦＲＰパネルを順次添設してパネル集積体となし、当該パネル集積体の周方向の最下位に位置するパネルをトンネル構造物に固定してなる補強構造において、前記ＦＲＰパネルを複数枚積層してパネル集積体とし、この積層されたＦＲＰパネルのトンネル周方向に対応する縁辺を一致させ、当該縁辺を受け具をもつて連接したことを特徴とするトンネル構造物の補強構造。
7. ＦＲＰパネルが格子状である請求項６記載のトンネル構造物の補強構造。
8. ＦＲＰパネルが積層された状態で、格子状空間部よりコンクリート表面が目視観察可能とした請求項７記載のトンネル構造物の補強構造。

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