JP2011190643A - 軟弱地山のトンネル施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工期の短縮化を図りつつトンネル掘削時の沈下を効果的に防止する上で有利な軟弱地山のトンネル施工方法を提供する。
【解決手段】トンネル１０の全断面に対応する切羽１２の周囲を除く部分にトンネル１０の延在方向に沿って複数の第１の鏡ボルト１４を専用の施工装置を用いて打設すると共に、切羽１２の周囲にトンネル１０の内部から離間する方向に沿って複数の第２の鏡ボルト１６を専用の施工装置を用いて打設することにより切羽１２を補強する補強工程を行う。次に、補強された切羽１２を、不図示の掘削機を用いて第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を破壊しつつ掘削し、トンネル１０の全断面をトンネル１０の延在方向に沿って掘削する掘削工程を行う。これにより、地山２にトンネル空洞部１８が掘削され、これによりトンネル空洞部１８の周面１８０２が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は軟弱地山のトンネル施工方法に関する。

従来、軟弱地山におけるトンネル掘削では、多くの場合、トンネル断面を上半と下半に分け、上半を先進させて掘削する上半先進ベンチカット工法が採用されている（特許文献１、２参照）。

特開平８−１７０４８６号公報 特開平１０−１１５１８７号公報

しかしながら、従来のベンチカット工法は、トンネル断面の上半を掘削後、下半を掘削するため、大型の施工機械が使用できず、工期の短縮化を図る上で不利がある。
また、トンネル断面の上半を掘削後、下半を掘削するため、下半を掘削時に上半全体が下向きに沈下する不都合が生じやすい不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、工期の短縮化を図りつつトンネル掘削時の沈下を効果的に防止する上で有利な軟弱地山のトンネル施工方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、軟弱な地山にトンネルを施工する軟弱地山のトンネル施工方法であって、前記トンネルの全断面に対応する切羽の周囲を除く部分に前記トンネルの延在方向に沿って複数の第１の鏡ボルトを打設すると共に、前記切羽の周囲に前記トンネルの内部から離間する方向に沿って複数の第２の鏡ボルトを打設することにより前記切羽を補強する補強工程と、前記補強された切羽を、前記第１の鏡ボルトおよび前記第２の鏡ボルトを破壊しつつ掘削し、前記トンネルの全断面を前記トンネルの延在方向に沿って掘削する掘削工程とを備え、前記補強工程は、前記地山の掘削が進行し前記第１の鏡ボルトの地山に打ち込まれた部分の長さが短くなって所定の長さとなる毎に、前記第１の鏡ボルトおよび前記第２の鏡ボルトが前記切羽から新たに打設されることを特徴とする。

本発明によれば、第１、第２の鏡ボルトを切羽に打設することにより軟弱な地山の切羽を補強し、これにより切羽をあたかも壁として扱い、切羽に支保効果を発揮させる。
そのため、軟弱な地山であってもトンネルの全断面を掘削することが可能となる。
したがって、従来のベンチカット工法に比較して大型の施工機械が使用でき、工期の短縮化を図りつつトンネルの沈下を効果的に防止する上で有利となる。

本実施の形態の施工方法を説明するトンネル１０の正面図である。 （Ａ）は第１、第２の鏡ボルト１４、１６が地山２に打設された状態を示すトンネル１０の側面断面図、（Ｂ）はトンネル１０の平面断面図である。 （Ａ）は地山２が掘削された状態を示すトンネル１０の側面断面図、（Ｂ）はトンネル１０の平面断面図である。 （Ａ）は新たな第１、第２の鏡ボルト１４、１６が地山２に打設された状態を示すトンネル１０の側面断面図、（Ｂ）はトンネル１０の平面断面図である。 （Ａ）はインバート２２が施工された状態を示すトンネル１０の側面断面図、（Ｂ）はトンネル１０の平面断面図である。 （Ａ）はさらに地山２が掘削されインバート２２が施工された状態を示すトンネル１０の側面断面図、（Ｂ）はトンネル１０の平面断面図である。 支保工２０の施工を説明するトンネル１０の正面図である。 支保工２０の施工を説明するトンネル１０の側面断面図である。 工程を説明するフローチャートである。

次に本発明の実施の形態について図１乃至図９を参照して説明する。
本実施の形態においては、図１、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、トンネル１０を掘削しようとする地山２は切羽１２が自立できない軟弱地山であるものとして説明する。

予め、第１、第２の鏡ボルト１４、１６を用意しておく。
第１、第２の鏡ボルト１４、１６は、直線状に延在する断面が円筒形の管体と、管体に設けられ該管体の内周と外周とを連通する複数の孔とを備え、専用の施工装置を用いて切羽１２に打設されるものである。
本実施の形態では、管体は鋼製であり、管体の周方向および長手方向に間隔をおいて管体破壊用の複数の切れ目（スリット）が設けられている。
管体の長さＬは例えば１２ｍ乃至２４ｍであり、管体の直径Ｄは例えば６０ｍｍである。
このような第１、第２の鏡ボルト１４、１６として従来公知のさまざまな鏡ボルトが使用可能である。

まず、切羽１２に打設する第１、第２の鏡ボルト１４、１６の本数を決定する（図９：ステップＳ１０）。言い換えると、１本の鏡ボルトが担当する切羽１２の面積の大きさを決定する。
第１、第２の鏡ボルト１４、１６の本数は、地山２の性状や地山２の変位状況に基づいて適宜決定すればよい。
地山２の性状としては、地山２の土質、ヤング率、ポアソン比など従来公知のさまざまな計測項目を適宜採用することができる。
地山２の変位状況は切羽前方変位計を用いて計測することができる。
切羽前方変位計は、切羽に設けた孔内に設置することで切羽前方の変位を計測するものであり、このような切羽前方変位計として、スイス国のＳＯＬＥＸＰＥＲＴＳ社製の製品名Ｔｒｉｖｅｃなど従来公知のさまざまな計測機器が使用可能である。

図１、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、トンネル１０の全断面に対応する切羽１２の周囲を除く部分にトンネル１０の延在方向に沿って複数の第１の鏡ボルト１４を専用の施工装置を用いて打設すると共に、切羽１２の周囲にトンネル１０の内部から離間する方向に沿って複数の第２の鏡ボルト１６を専用の施工装置を用いて打設することにより切羽１２を補強する補強工程を行う（図９：ステップＳ１２）。
第１、第２の鏡ボルト１４、１６の打設は、管体が切羽１２から地山２に打ち込まれると共に、管体が地山２に打ち込まれた状態で管体にモルタルが注入されることでモルタルが内周に充填されると共に、モルタルが内周から孔を介して外周と地山２との間に充填されることでなされる。
本実施の形態では、軟弱な地山２の地盤を改良し切羽１２を補強するために、モルタルの管体への注入圧力が２〜３ＭＰａとされる。
注入圧力が２〜３ＭＰａであると、モルタルの地山２への充填が必要十分なものとなり地盤改良を適切に行う上で有利となる。
注入圧力が２ＭＰａを下回ると、モルタルの地山２への充填が不足し地盤改良を適切に行う上で不利があり、３ＭＰａを超過すると、モルタルの地山２への充填が過剰となり工事費、労力、時間が無駄になる点で不利となる。

次に、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、補強された切羽１２を、不図示の掘削機を用いて第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を破壊しつつ掘削し、トンネル１０の全断面をトンネル１０の延在方向に沿って掘削する掘削工程を行う（図９：ステップＳ１４）。これにより、地山２にトンネル空洞部１８が掘削され、これによりトンネル空洞部１８の周面１８０２が形成される。
したがって、第１の鏡ボルト１４は掘削の進行に伴い全長にわたって破壊されるが、第２の鏡ボルト１６は、周面１８０２からトンネル空洞部１８の内側に位置する部分のみが破壊され、周面１８０２から地山２に打設された部分は残存することになる。
なお、必要に応じて掘削工程に先立って水抜きを実施しておく。
このような掘削機として、自由断面掘削機、バックホー、ブレーカなど従来公知のさまざまな掘削機が使用可能である。
この場合、切羽１２が、トンネル空洞部１８側に凹状の曲面切羽となるように掘削すると、切羽１２の安定性をより確保する上で有利となる。

次に、掘削機によって切羽１２から掘削されたズリ（土砂）を搬出するズリ出し工程を行う（図９：ステップＳ１６）。ズリ出し工程は、例えば、トンネル１０内を自走するトラックによって行ってもよく、あるいは、コンベアベルトによって行ってもよく、従来公知のさまざまな装置、方法が採用可能である。

次に、切羽１２の掘削を停止し、支保工の設置作業を行うための準備として、切羽１２と、トンネル空洞部１８の周面１８０２に対してコンクリートを薄く吹き付ける１次吹き付け工程を行う（図９：ステップＳ１８）。
１次吹き付け工程により切羽１２や周面１８０２から土砂が落下することが防止され支保工の設置作業の円滑化が図られる。

次に、図８に示すように、掘削工程によって掘削されたトンネル空洞部１８の下部を除く部分でトンネル空洞部１８の延在方向に間隔をおいた複数箇所に、それぞれトンネル空洞部１８の周面１８０２に沿って型鋼からなる支保工２０を設置する支保工設置工程を行う（図９：ステップＳ２０）。
支保工２０を構成する型鋼としてはＨ型鋼など従来公知のさまざまな型鋼が使用可能である。

図７に示すように、支保工２０は、周面１８０２のうち上部を支える第１の支保工２００２と、第１の支保工２００２の両端に接続され周面１８０２のうち左右の側部を支える第２、第３の支保工２００４、２００６とを有し、第１の支保工２００２と第２、第３の支保工２００４、２００６はヒンジで接続されている。
トンネル空洞部１８を支保工２０で補強する場合、トンネル空洞部１８の周面１８０２の上部に最も力が加わる。特に本発明では軟弱な地山２を対象としているのでこの力は大きくなる。
しかしながら、上記のような支保工２０を用いると、周面１８０２の上部を支持する第１の支保工２００２は、その延在方向の中間部に継ぎ目を有することなく単一の部材となっており、その延在方向の両端が第２、第３の支保工２００４、２００６で支持されているため、支保工２０の強度を確保し支保効果を効果的に発揮させることができ、トンネル空洞部１８の補強を確実に行う上で有利となる。

なお、従来のベンチカット工法では、トンネル空洞部を支保工で補強する場合、４つの型鋼で支保工を構成している。
すなわち、上半の掘削後に、接続された２つの型鋼を設置して周面を支持させ、したがって、接続された２つの型鋼で周面の上部を支持する。
そして、下半の掘削後に上記の２つ型鋼のそれぞれに１つずつ型鋼を接続することにより、合計４つの型鋼で周面を支持する。
そのため、周面の上部を支持する２つの型鋼の接続部分に、周面の上部から大きな力が加わるため、支保工の強度を確保する上で不利となり、本発明のような軟弱な地山を対象とし、トンネルの全断面を掘削していく場合に不適となる。

次に、支保工２０と支保工２０との間に位置する周面１８０２に対してコンリートを吹き付ける２次吹き付け工程を行う（図９：ステップＳ２２）。
２次吹き付け工程で吹き付けるコンクリートの厚さは、支保工２０を構成する型鋼の高さと同じ程度である。
２次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートは、１次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートの上に吹き付けられることから、第２の鏡ボルト１６が周面１８０２から露出する部分は、１次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートを介して２次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートと接合される。
なお、１次吹き付け工程、支保工設置工程、２次吹き付け工程は、トンネル空洞部１８を所定長掘削する毎に、例えば１ｍ掘削する毎に行う。

次に、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、地山２の掘削が所定の距離進行される毎に、掘削されたトンネル空洞部１８の底部にインバート設置用の凹部１８１０をトンネル空洞部１８に沿って掘削するインバート掘削工程を行う（図９：ステップＳ２４）。
そして、凹部１８１０にコンクリートを打設するインバート打設工程を行い、これによりインバート２２を施工する（図９：ステップＳ２６）。これによりインバート２２はその幅方向の両端が、２次吹き付け工程で周面１８０２に形成されたコンクリートの部分に結合され一体化される。
インバート２２は、掘削機による切羽１２の掘削工程に支障がない範囲で切羽１２に近接した箇所まで施工することができる。
具体的には、インバート２２と切羽１２との距離は、例えば８ｍ〜１６ｍ程度確保すればよく、インバート２２は切羽１２に近接した箇所まで施工することができる。
したがって、インバート２２を、周面１８０２に形成されたコンクリートの部分に早期に結合させることができ、トンネル空洞部１８の安定性を早期に確保する上で有利となる。
なお、インバート２２は、鉄筋コンクリートで構成しても、無筋コンクリートで構成してもよい。あるいは、インバート２２は、凹部１８１０に型鋼を設置したのち凹部１８１０にコンクリートを吹き付けることで構成してもよい。

地山の掘削が進行し第１の鏡ボルト１４の地山２に打ち込まれた部分の長さが短くなり、所定の長さになったならば、第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を切羽１２から新たに打設する補強工程を行う（図９：ステップＳ１２）。
すなわち、本実施の形態では、既に打設されている第１の鏡ボルト１４の長さＬがＬ／２になった時点で、第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を切羽１２から新たに打設する。
言い換えると、地山２の掘削が進行し第１の鏡ボルト１４の地山２に打ち込まれた部分の長さが短くなって所定の長さとなる毎に、第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を切羽１２から新たに打設していく。
このようにすることで、切羽１２の前方に常に一定の長さ以上の第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６が位置することになり、軟弱な地山の切羽１２の補強を確実に行い、これにより切羽をあたかも壁として扱い、切羽に支保効果を発揮させることができる。

なお、本実施の形態では、２次吹き付け工程の後、インバート２２を施工したのち補強工程を行う場合について説明したが、２次吹き付け工程の後、補強工程を先行して行ったのち、インバート２２を施工するようにしてもよい。

以上の工程（ステップＳ１０乃至Ｓ２６）を繰り返して実行することにより、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トンネル１０が施工される。

本実施の形態によれば、第１、第２の鏡ボルト１４、１６によって切羽１２を補強し、補強された切羽１２を第１、第２の鏡ボルト１４、１６を破壊しつつトンネル１０の延在方向に沿って掘削し、掘削により第１の鏡ボルト１４の地山２に打ち込まれた部分の長さが短くなって所定の長さとなる毎に、第１の鏡ボルト１４および第２の鏡ボルト１６を切羽１２から新たに打設するようにした。
したがって、軟弱な地山２の切羽１２を確実に補強することができ、言い換えると軟弱な地山２の切羽１２を定量的に補強しているため、切羽１２を壁として扱うことができ支保効果を効果的に発揮させることができるため、軟弱な地山２に対してトンネル１０の全断面を掘削することができる。
そのため、従来のベンチカット工法に比較して大型の施工機械が使用でき工期の短縮化を図る上で有利となり、しかも、トンネル１０の沈下を効果的に防止する上で有利となる。

また、本実施の形態によれば、第２の鏡ボルト１６は、周面１８０２からトンネル空洞部１８の内側に位置する部分のみが破壊され、周面１８０２から地山２に打設された部分は残存するため、この残存する第２の鏡ボルト１６が周面１８０２に形成されたコンクリートの部分と結合される。
そのため、フォアポーリングやロックボルトを施工する工程を省くことができるので、工期の短縮化を図る上でより有利となることは無論のこと、材料コストの低減化を図る上でも有利となる。

２……地山
１０……トンネル
１２……切羽
１４……第１の鏡ボルト
１６……第２の鏡ボルト
１８……トンネル空洞部
１８０２……周面
１８１０……インバート設置用の凹部
２０……支保工
２００２……第１の支保工
２００４……第２の支保工
２００６……第３の支保工
２２……インバート

Claims (5)

1. 軟弱な地山にトンネルを施工する軟弱地山のトンネル施工方法であって、
   前記トンネルの全断面に対応する切羽の周囲を除く部分に前記トンネルの延在方向に沿って複数の第１の鏡ボルトを打設すると共に、前記切羽の周囲に前記トンネルの内部から離間する方向に沿って複数の第２の鏡ボルトを打設することにより前記切羽を補強する補強工程と、
   前記補強された切羽を、前記第１の鏡ボルトおよび前記第２の鏡ボルトを破壊しつつ掘削し、前記トンネルの全断面を前記トンネルの延在方向に沿って掘削する掘削工程とを備え、
   前記補強工程は、前記地山の掘削が進行し前記第１の鏡ボルトの地山に打ち込まれた部分の長さが短くなって所定の長さとなる毎に、前記第１の鏡ボルトおよび前記第２の鏡ボルトが前記切羽から新たに打設される、
   ことを特徴とする軟弱地山のトンネル施工方法。
2. 前記第１、第２の鏡ボルトは、管体と、前記管体に設けられ該管体の内周と外周とを連通する複数の孔と、前記管体の周方向および長手方向に間隔をおいて設けられた前記管体破壊用の複数の切れ目とを備え、
   前記第１、第２の鏡ボルトの打設は、前記管体が前記地山に打ち込まれた状態で前記管体にモルタルが注入されることで前記モルタルが前記内周に充填されると共に、前記モルタルが前記内周から前記孔を介して前記外周と前記地山との間に充填されることでなされ、
   前記モルタルの前記管体への注入圧力が２〜３ＭＰａである、
   ことを特徴とする請求項１記載の軟弱地山のトンネル施工方法。
3. 前記掘削工程が所定の距離進行する毎に、前記トンネル空洞部の周面に対してコンクリートを薄く吹き付ける１次吹き付け工程、前記トンネル空洞部の延在方向に間隔をおいた複数箇所に、それぞれ前記トンネル空洞部の周面に沿って型鋼からなる支保工を設置する支保工設置工程、前記設置された支保工と支保工との間に位置する前記トンネル空洞部の周面に対してコンリートを吹き付ける２次吹き付け工程を行い、
   前記第２の鏡ボルトが前記トンネル空洞部の周面から露出する部分は、前記１次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートを介して前記２次吹き付け工程で吹き付けられたコンクリートと接合される、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の軟弱地山のトンネル施工方法。
4. 前記支保工の設置は、前記トンネル空洞部の下部を除く部分で前記トンネル空洞部の周面に沿ってなされ、
   前記支保工は、前記周面のうち上部を支える第１の支保工と、前記第１の支保工の両端に接続され前記周面のうち左右の側部を支える第２、第３の支保工とを有し、
   前記第１の支保工と前記第２、第３の支保工はヒンジで接続されている、
   ことを特徴とする請求項３記載の軟弱地山のトンネル施工方法。
5. 前記地山の掘削が所定の距離進行される毎に、掘削されたトンネル空洞部の底部にインバート設置用の凹部が前記トンネル空洞部に沿って掘削され、
   前記凹部にインバートが施工される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４に何れか１項記載の軟弱地山のトンネル施工方法。

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