JP2008280842A - アーチ型先行支保工の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アーチ部の形状が扁平な場合でも、強固なアーチ型先行支保工を容易に構築することのできるアーチ型先行支保工の構築方法を提供する。
【解決手段】トンネルのアーチ部となる地山２内へ複数の継手付き筒体１０を連結させながら、上記アーチ部に沿って挿入・埋設するとともに、上記継手付き筒体１０の両端側を先進導坑１Ａ，１Ｂに設けられた反力板５Ａ，５Ｂに固定し、更に、上記アーチ部４に沿って、上記複数の継手付き筒体１０を貫通する鋼線束２０を配置してから、上記継手付き筒体１０内にコンクリートを充填してアーチ型地中構造体である先行支保工１０Ｒを構築し、その後、上記反力板５Ａ，５Ｂで反力をとりながら、上記鋼線束２０に緊張力を作用させた状態で上記鋼線束２０の固定端２０ａ，２０ｂを反力板５Ａ，５Ｂに固定して上記先行支保工１０Ｒに予め圧縮力を作用させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、トンネルの掘削に先立って地中に構築される支保工である先行支保工に関するもので、特に、複数の筒体をその断面が所定のアーチ形状に沿うように互いに連結させながら地中に挿入・埋設して構築されるアーチ型の先行支保工に関する。

一般に、軟弱な地盤にトンネルを掘進する際には、掘削作業を行う前に、切羽からトンネル周辺の地山に掘進方向に向けてボーリングを行い、この削孔内に注入管を挿入して地盤固化剤を注入して上記地山を補強した後、上記補強した部分を掘削して支保工を構築する方法が行われている。しかし、この方法では、地山の補強と支保工の構築とを交互に繰り返して行わなければならないため、作業効率が悪く、工期が長期化するといった問題点があった。そこで、予め、トンネルの掘進方向に先進導坑を構築した後、上記先進導坑の側壁より、本坑のトンネル断面のアーチ部となる地山内へ所定の曲率を有する曲がり鋼管を挿入・埋設してこれを先行支保工とし、しかる後に地山を掘削する方法が提案されている。

具体的には、図７（ａ），（ｂ）に示すような、地山２に挿入する鋼管を、その側面に注入孔５１ｈを有する曲がり鋼管（以下、外管という）５１と、この外管５１内に設けられた内管５２との二重管構造とするとともに、上記内管５２の先端部に、モータ５３ａにより回転する先端ビット５３ｂを備えた先端装置５３を取付けて地山２を掘削しながら上記二重管を推進する曲線ボーリング装置５０を用いて上記外管５１を上記地山２内に挿入して埋設する。この曲線ボーリング装置５０では、外管５１と内管５２とを、先進導坑１内において、スイベル５４にて結合し、外管５１の外周面を推進装置５５のホルダ５５Ｈにて把持して推進させ、上記先端装置５３で地山２を掘削しながら、上記外管５１と内管５２とを同時に地山２内に挿入させる。

そして、上記地山２を掘削して外管５１と内管５２とを推進する工程と、内管５２と外管５１のそれぞれを繋ぎ合わせて二重管を延長する工程とを繰り返し行いながら、外管５１を所定の長さまで挿入した後、上記先端装置５３と内管５２とを回収し、上記外管５１内に、図８（ａ）に示すような、吐出口５６ｈの前，後にパッカー５６ｐを備えた注入管５６を挿入し、上記注入管５６の後端部に接続された注入液移送管５７を介して圧送された地盤固化剤を上記外管５１内に吐出させ、上記外管５１の側面に設けられた注入孔５１ｈからトンネル周辺の地山２に上記地盤固化剤を注入して上記地山２を補強する。これにより、図８（ｂ）に示すような、上記地盤固化剤で補強された地山部２Ｍに埋設された複数本の外管５１，５１，‥‥から成る先行支保工５８を構築することができる（例えば、特許文献１，２参照）。

しかし、上記先行支保工５８は、トンネルの横断面方向には連続しているが、トンネル軸方向には連結されていないため、設置個所によっては強度的に十分とはいえない場合があった。
そこで、図９（ａ）に示すように、アーチ部となる地山２内に、上記アーチ部に沿って、トンネルの軸方向に延長する多数の継手付き鋼管６１を互いに隣接させて推進・埋設してこれを先行支保工６０とし、その後、上記先行支保工６０内部を掘削してトンネルを構築する方法が提案されている。上記継手付き鋼管６１は、詳細には、図９（ｂ）に示すように、断面が台形状の鋼製の本体６１ｍとこの本体６１ｍの両側面の上端部及び下端部から隣接する継手付き鋼管６１の本体６１ｍの側面の上端部及び下端部側にそれぞれ突出する継手６１ａ，６１ｂ及び継手６１ｃ，６１ｄを備えた第１の継手付き鋼管６１Ａと、上記継手６１ａ〜６１ｄに係合する継手６１ｐ〜６１ｓを備えた第２の継手付き鋼管６１Ｂの２種類があり、上記第１の継手付き鋼管６１Ａの継手６１ａ，６１ｂに、上記第１の継手付き鋼管６１Ａに隣接する第２の継手付き鋼管６１Ｂの継手６１ｐ，６１ｑをそれぞれ嵌合させるなどして、継手付き鋼管６１，６１同士をトンネルの円周方向に沿って連結した後、上記継手付き鋼管６１内にコンクリートを充填して先行支保工６０を構築する（例えば、非特許文献１参照）。
特開２０００−１６０９８０号公報（第２，３頁、第１，３図） 特開２００２−２４２５８１号公報（第２，３頁、第１−３図） ＪＲ東日本パンフレット；「東北本線王子駅構内、首都高速道路新設他工事」

ところで、近年は、トンネル内の不要な上部空間を少なくするために、扁平なアーチ部を有する断面形状を有するトンネルの構築が盛んに行われている。また、トンネル坑口部や土被りが薄い場合にも、半円状のアーチ形成が見込めないことから、アーチ部の形状を扁平にする必要があった。
しかしながら、先行支保工を構成するアーチ部の形状が扁平な場合には、元々上記アーチに沿った軸力が小さいため、上記先行支保工内部を掘削すると、図１０に示すように、上記アーチ部に作用する引張力Ｆが大きくなってしまう。そのため、構造体として弱体化してしまい、先行支保工として十分に機能しないといった問題点があった。このような問題は、特に、トンネルの断面が大きいほど著しいことから、先行支保工の強度を更に高める必要があった。
具体的には、上記継手付き鋼管６１内のコンクリートは、上記引張力に対しては寄与しないので、上記引張力は上記継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓに作用するため、上記継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓには高い強度が要求されている。このため、上記従来の方法では、図９（ｂ）に示すように、上記継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓの形状を結合強度が高い構造とするとともに、上記継手６１ａと継手６１ｐの連結部、及び、継手６１ｂと継手６１ｑとの連結部にグラウト６２を注入し、外側をグラウト鋼板６３やコーキング材６４で覆って更に連結を強固にするようにしている。
しかしながら、上記従来の先行支保工の構築方法では、複雑な形状の継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓを有する継手付き鋼管６１を、少なくとも２種類用いる必要があるだけでなく、継手６１ａ〜６１ｓ及び継手６１ｐ〜６１ｓを更に補強してやる必要があった。
また、継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓの形状が複雑なことから、継手付き鋼管６１，６１同士を連結させながらスムーズに推進させることが難しいといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、アーチ部の形状が扁平な場合でも、強固なアーチ型先行支保工を容易に構築することのできるアーチ型先行支保工の構築方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、先行支保工などのアーチ型地中構造体に、そのアーチ部に沿った圧縮力が作用した状態となるように予めプレストレスを与えるようにすることにより、上記アーチ部に引張力が作用した場合でも、上記アーチ型地中構造体を構成するコンクリート等の硬化性の材料が圧縮領域内で変形するので、上記アーチ型地中構造体の上記引張力に対する強度を向上させることができることを見いだし、本発明に到ったものである。
すなわち、本発明の請求項１に記載の発明は、トンネルの掘削に先立って設置される、トンネルの軸方向に延長する複数の筒体をその断面が所定のアーチ形状に沿うように互いに連結させながら地中に挿入・埋設して形成されるアーチ型先行支保工の構築方法において、隣接する筒体同士を所定の空隙部を介して配置してから上記アーチ部の両端側をそれぞれ反力板に固定し、上記空隙部、または、上記空隙部と上記筒体内部に硬化性の材料を充填するとともに、上記アーチ部の内側の地山の掘削に先行して、上記反力板の間に固定された状態で地中に埋設されている上記先行支保工に上記アーチ部に沿った圧縮力を予め与えるように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に記載のアーチ型先行支保工の構築方法において、上記アーチ部に沿って、上記複数の筒体を貫通する線材を配置し、この線材に緊張力を作用させた状態で上記線材の両端側を上記反力板にそれぞれ固定して、上記先行支保工に上記圧縮力を与えるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、トンネルの軸方向に延長する複数の筒体を、その断面が所定のアーチ形状に沿うように互いに連結させながら地中に挿入・埋設してアーチ部を形成しアーチ型の先行支保工を構築する際に、隣接する筒体同士を所定の空隙部を介して配置してから上記アーチ部の両端側をそれぞれ反力板に固定し、上記空隙部、または、上記空隙部と上記筒体内部に硬化性の材料を充填するとともに、上記アーチ部の内側の地山の掘削に先行して、上記反力板の間に固定された状態で地中に埋設されている上記先行支保工に上記アーチ部に沿った圧縮力を予め与えておき、しかる後に、上記アーチ部の内側を掘削することにより、上記アーチ部に引張力が作用した場合でも、上記アーチ型先行支保工を構成する硬化性の材料が圧縮領域内で変形することができるようにしたので、上記アーチ型先行支保工の上記引張力に対する強度を向上させることができる。したがって、アーチ部の形状が扁平な場合でも、強固なアーチ型先行支保工を構築することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態を示す図で、同図において、１Ａ，１Ｂは地山２に構築される大断面トンネル３の横断面のアーチ部４の両端となる部分に設けられた先進導坑、１０は上記トンネル３のアーチ部４に沿って挿入・埋設された、トンネル軸方向に延長する継手付き筒体、２０は上記アーチ部４に沿って配置され、上記複数の互いに連結された継手付き筒体１０を貫通する複数の鋼線２０ｚを束ねて成る鋼線束で、上記連結された継手付き筒体１０の両端部は、上記先進導坑１Ａ，１Ｂ内に設けられた反力板５Ａ，５Ｂにそれぞれ当接または固定されている。
本例では、図１（ｂ）に示すように、上記鋼線束２０の両端部をそれぞれ固定した固定端２０ａ，２０ｂに、反力板５Ａ，５Ｂで反力をとりながら緊張力ｐを作用させ、上記固定端２０ａ，２０ｂと上記反力板５Ａ，５Ｂとの間にできた隙間に楔６を打ち込んで固定するなどして、上記鋼線束２０の固定端２０ａ，２０ｂを上記反力板５Ａ，５Ｂに固定することにより、上記反力板５Ａと反力板５Ｂとの間に配置された互いに連結された継手付き筒体１０から成る先行支保工１０Ｒに圧縮力Ｐを作用させるようにしている。
なお、鋼線束２０の固定端２０ａ（または、固定端２０ｂ）は、上記反力板５Ａ（または、反力板５Ｂ）に固定し、他方の固定端２０ｂ（または、固定端２０ａ）のみを反力板５Ｂ（または、反力板５Ａ）で反力をとりながら緊張力ｐを作用させるようにしてもよい。

次に、本発明によるアーチ型先行支保工の構築方法を用いたトンネルの施工方法について説明する。
まず、上記継手付き筒体１０の本体である、断面が角型の鋼管（以下、角型管という）１１内に削孔推進機を設置し、地山を掘削しながら、上記継手付き筒体１０を、その断面が所定のアーチ形状に沿うように互いに連結させながら地中に挿入・埋設する。次に、図２に示すように、上記継手付き筒体１０に隣接する継手付き筒体１０Ａを上記地山内に推進する。このとき、次に埋設する継手付き筒体１０Ａの継手１２Ａを、先に挿入・埋設した継手付き筒体１０の継手１２に係合させるようにして、上記継手付き筒体１０Ａを地山２内に挿入する。これにより、上記継手付き筒体１０Ａを、上記継手付き筒体１０に連結しながら、上記継手付き筒体１０に沿ってトンネル軸方向に埋設することが可能となる。なお、本例では、後述するように、上記継手１２，１２Ａには大きな引張力が作用しないので、挿入する側の継手１２の形状、及び、上記継手１２を把持する把持する側の継手１２Ａの形状は、上記従来の継手６１ａ〜６１ｄ及び継手６１ｐ〜６１ｓのような複雑な形状にする必要もなく、単に、相手側の継手をガイドすることのできるような形状であればよい。また、継手１２，１２Ａの接続部についても特に補強する必要もない。

その後、トンネルの横断面の上記アーチ部に沿って、上記複数の継手付き筒体１０を貫通する複数の鋼線２０ｚを束ねた鋼線束２０を配置する。具体的には、図３に示すように、継手付き筒体１０の本体である角型管１１の側面１１ａ，１１ｂに、それぞれ複数の貫通孔１１ｓを形成し、上記鋼線束２０を上記貫通孔１１ｓを通して配置する。上記貫通孔１１ｓは、角型管１１を埋設する前に予め設けておき、継手付き筒体１０の埋設時には上記貫通孔１１ｓを蓋部材で塞いでおき、継手付き筒体１０の埋設後に上記蓋部材を取り外すようにしたり、継手付き筒体１０の埋設後に、角型管１１の内側からガス溶断等でくり抜いて形成する。

次に、上記鋼線束２０を、一方の先進導坑１Ａ（または、先進導坑１Ｂ）の内側から角型管１１の上記貫通孔１１ｓに導入し、これを他方の先進導坑１Ｂ（または、先進導坑１Ａ）まで送る。そして、上記継手付き筒体１０内にコンクリートを充填させて先行支保工１０Ｒを構築した後、図１（ａ），（ｂ）に示すように、反力板５Ａ，５Ｂで反力をとりながら、上記鋼線束２０の両端部をそれぞれ固定した固定端２０ａ，２０ｂをジャッキ等により上記アーチ部４の延長線上に緊張力ｐを作用させる。そして、上記緊張力ｐにより上記固定端２０ａ，２０ｂと上記反力板５Ａ，５Ｂとの間にできた隙間に楔６を打ち込んで固定するなどして、上記鋼線束２０の固定端２０ａ，２０ｂを固定することにより、上記反力板５Ａと反力板５Ｂとの間に配置された先行支保工１０Ｒに、トンネルの横断面の上記アーチ部に沿った圧縮力を与えることができる。なお、上記鋼線束２０に緊張力ｐを作用させるのは、継手付き筒体１０内のコンクリートが固まった後であるので、上記鋼線束２０は保護管等で予め覆っておき、コンクリートと一体化しないようにしておく必要があることはいうまでもない。
最後に、上記先進導坑１Ａ，１Ｂ及び上記先行支保工１０Ｒで囲まれた地山２を掘削して、大断面を有するトンネルを構築する。
本例では、上記先行支保工１０Ｒのコンクリートには予め圧縮力が加えられているので、地山２の掘削後に、上記アーチ型の先行支保工１０Ｒに引張力が作用した場合でも、上記コンクリートは圧縮領域内で変形して上記引張力を受けることができる。したがって、上記先行支保工１０Ｒは、継手を補強しなくても、上記引張力に十分に対応することができる。

このように、本実施の形態では、トンネルのアーチ部となる地山２内へ、トンネル軸方向に延長する複数の継手付き筒体１０を、その継手１２を互いに係合させて連結させながら、上記アーチ部に沿って挿入・埋設するとともに、上記継手付き筒体１０の両端側をトンネルのアーチ部４の両端側に構築された先進導坑１Ａ，１Ｂに設けられた反力板５Ａ，５Ｂに当接または固定し、更に、上記アーチ部４に沿って、上記複数の継手付き筒体１０を貫通する鋼線束２０を配置してから、上記継手付き筒体１０内にコンクリートを充填して先行支保工１０Ｒを構築し、その後、上記反力板５Ａ，５Ｂで反力をとりながら、上記鋼線束２０に緊張力を作用させた状態で上記鋼線束２０の固定端２０ａ，２０ｂを反力板５Ａ，５Ｂに固定して、上記反力板５Ａと反力板５Ｂとの間に配置された先行支保工１０Ｒに予め圧縮力を作用させるようにし、しかる後に上記先行支保工１０Ｒと先進導坑１Ａ，１Ｂとで囲まれた部分の地山２を掘削するようにしたので、上記アーチ部に引張力が作用した場合でも、上記先行支保工１０Ｒの上記引張力に対する強度を向上させることができる。したがって、簡単な継手構造でかつ継手を補強することなく、強固な大断面トンネル用の先行支保工を構築することができる。

なお、上記実施の形態では、継手付き筒体１０の角型管１１として鋼管を用いたが、コンクリート製、あるいはプラスチック製のものを用いても良い。また、鋼線２０ｚについても、上記地中支保工に緊張力を与えることのできるだけの強度を有するものであれば、強化繊維あるいはガラス繊維などの他の線材を用いてもよい。
また、上記例では、上記鋼線束２０の固定端２０ａ，２０ｂと上記反力板５Ａ，５Ｂとの間に楔６を打ち込んで上記固定端２０ａ，２０ｂを上記反力板５Ａ，５Ｂに固定したが、図４に示すように、上記反力板５Ａ，５Ｂに調整ネジ７Ｍを固定し、上記鋼線束２０に緊張力ｐを作用させてできた隙間の大きさを、上記調整ネジ７Ｍに螺入するナット７Ｎの固定位置により調整するなどして、上記先行支保工１０Ｒに予め圧縮力を作用させるようにしてもよい。
また、上記反力板５Ａ，５Ｂとして、先進導坑１Ａ，１Ｂの側壁、あるいは、上記側壁を補強したものを利用するようにしてもよい。

また、上記例では、先行支保工１０Ｒにプレストレスを与える際に、上記継手付き筒体１０，１０，‥‥を貫通する鋼線束２０を用いたが、図５（ａ）に示すように、隣接する角型管１１，１１の間隙、すなわち、継手１２，１２Ａ及び継手の腕部１２ｍ，１２ｍで囲まれた空間に、膨張モルタル等の膨張性を有する硬化性の材料２０Ｍを充填して上記プレストレスを与えるようにしてもよい。このとき、隣接する角型管１１，１１の間に、膨張性を有する硬化性の材料２０Ｍを注入するための空隙を設ける必要があるので、上記継手の腕部１２ｍ長さを、上記充填された硬化性の材料２０Ｍの膨張による圧縮力が所定の値となるように設定する。また、この場合には、上記継手１２，１２Ａの接続部はアーチ部に沿って広げられるので、継手１２，１２Ａは互いに移動できるような形状とすることが望ましい。なお、上記硬化性の材料２０Ｍの膨張により、継手１２，１２Ａには、アーチ部の径方向にも引張力が作用するが、この引張力は、先行支保工１０Ｒが地中にあり圧縮力を受けているので、特に問題にはならない。

また、上記角型管１１の側面１１ａ，１１ｂに、それぞれ複数の貫通孔１１ｓを形成し、図５（ｂ）に示すように、上記角型管１１内から膨張性を有する硬化性の材料２０Ｍを上記角型管１１内と隣接する角型管１１，１１の間隙との両方に充填するようにしてもよい。これにより、少ない充填回数で膨張性を有する硬化性の材料２０Ｍを充填することができる。
あるいは、上記角型管１１内から硬化性の材料を所定の圧力で上記隣接する角型管１１，１１の間隙、または、上記角型管１１内と隣接する角型管１１，１１の間隙との両方に封入するようにしてもよい。
また、上記のように、膨張性を有する硬化性の材料２０Ｍを充填したり、硬化性の材料を所定圧で封入して先行支保工１０Ｒに圧縮力を与える場合には、継手付き筒体１０の両端部は、単に、反力板５Ａ，５Ｂに当接または固定するだけでよいので、先進導坑１Ａ，１Ｂの構築は必ずしも必要ではない。

また、上記実施の形態では、大断面トンネルの先行支保工１０Ｒの構築方法について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、図６に示すように、既製のトンネル３０の上部の地山２を補強するために、上記トンネル３０の上部の地山２に構築される地中防護工４０Ｒなどの、複数の筒体を地中に挿入・埋設して構築されるアーチ型の地中構造体に適応することができる。

以上説明したように、本発明によれば、アーチ部の形状が扁平な場合でも、強固なアーチ型先行支保工を容易に構築することができる。

本発明の一実施の形態を示す図である。 本実施の形態に係る継手付き筒体の連結方法を示す図である。 本実施の形態に係る鋼線束の配置方法を示す図である。 本発明による鋼線束の他の固定方法を示す図である。 本発明に係る圧縮力の他の付加方法を示す図である。 本発明による地中防護工を示す図である。 従来の曲がり鋼管を用いた支保工の構築方法を示す図である。 従来の曲がり鋼管を用いた支保工の構築方法を示す図である。 扁平なアーチ形状を有する地中支保工に作用する引張力を説明するための図である。 従来の継手付き鋼管の構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 先進導坑、２ 地山、３ 大断面トンネル、４ アーチ部、
５Ａ，５Ｂ 反力板、１０，１０Ａ 継手付き筒体、１０Ｒ 先行支保工、
１１ 角型管、１１ｓ 貫通孔、１２，１２Ａ 継手、１２ｍ 継手の腕部、
２０ 鋼線束、２０ａ，２０ｂ 鋼線束の固定端、２０ｚ 鋼線。

Claims (2)

1. トンネルの掘削に先立って設置される、トンネルの軸方向に延長する複数の筒体をその断面が所定のアーチ形状に沿うように互いに連結させながら地中に挿入・埋設して形成されるアーチ型先行支保工の構築方法において、隣接する筒体同士を所定の空隙部を介して配置してから上記アーチ部の両端側をそれぞれ反力板に固定し、上記空隙部、または、上記空隙部と上記筒体内部に硬化性の材料を充填するとともに、上記アーチ部の内側の地山の掘削に先行して、上記反力板の間に固定された状態で地中に埋設されている上記先行支保工に上記アーチ部に沿った圧縮力を予め与えるようにしたことを特徴とするアーチ型先行支保工の構築方法。
2. 上記アーチ部に沿って、上記複数の筒体を貫通する線材を配置し、この線材に緊張力を作用させた状態で上記線材の両端側を上記反力板にそれぞれ固定して、上記先行支保工に上記圧縮力を与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のアーチ型先行支保工の構築方法。

Images