JP2014224421A - シールドトンネルの補強構造及び補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル断面における内空面積の減少を抑制可能なシールドトンネルの補強構造及び補強方法を提供する。【解決手段】シールドトンネルの補強構造は、シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するようにシールドトンネルの軸方向に延設され、シールドトンネルの内面の一部を略平面にする１つ以上の平面座面部１と、複数の固定部材２により平面座面部１のうち少なくとも１つに当接して固定される１つ以上の平板補強部材６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、シールドトンネルの経年劣化や外周からの荷重の変化に対してシールドトンネルの覆工を補強する構造及び方法に関する。

従来、セグメントで組み立てた既設のシールドトンネルにおいて、近接工事等の影響でその躯体に大きな外力を受けることが想定される場合、シールドトンネルの断面変形を抑制するための補強が行われている。補強方法としては、図７に示すように一次覆工７及び二次覆工８を備える既設シールドトンネルの内側に三次覆工９としてコンクリートを打設して補強する方法（三次覆工補強）や、非特許文献１に記載されるようにＨ型鋼等の鋼材を断面方向に巻き立てて補強する方法（鋼材補強）、非特許文献２に記載されるようにシールドトンネルの曲率に合わせて曲げ加工を施した鋼板を一枚ずつボルトでアーチ状に組み立てて補強する方法（鋼板補強）等が採用されている。

"ＩＴ時代の大動脈「通信とう道」を守る"、[online]、ＮＴＴインフラネット株式会社、外5社、[平成25年1月21日検索]、インターネット<URL：http://www.civilnet.or.jp/secretaries/general/gijutsu/2005/s1/files/frame.htm> "薄肉鋼板によるトンネル補強工法"、[online]、熊谷組、[平成25年1月21日検索]、インターネット<URL：http://www.kumagaigumi.co.jp/tech/tech_s/doboku/d_rw_2.html>

従来、通信用とう道等、比較的小断面のシールドトンネル補強においては、断面空間の殆どを補強工事のために使用することになり、実質的に通信ケーブル等を保守するための空間が確保できなかった。例えば、上述の三次覆工補強において型枠支保工を組む際、あるいは鋼材補強では補強期間を通して、シールドトンネル断面空間の殆どを補強工事のために使用していた。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、シールドトンネル断面における内空面積の減少を抑制しつつ、トンネルの変形を抑制可能なシールドトンネルの補強構造及び補強方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るシールドトンネルの補強構造は、
シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するように前記シールドトンネルの軸方向に延設され、前記シールドトンネルの内面の一部を略平面にする１つ以上の平面座面部と、
複数の固定部材により前記平面座面部のうち少なくとも１つに当接して固定される１つ以上の平板補強部材と、を備える。

また、本発明に係るシールドトンネルの補強方法は、
シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するように前記シールドトンネルの軸方向に延設され、前記シールドトンネルの内面の一部を略平面にする１つ以上の平面座面部に対し、複数の固定部材により前記平面座面部のうち少なくとも１つに、１つ以上の平板補強部材を当接して固定する。

本発明によるシールドトンネルの補強構造及び補強方法によれば、シールドトンネル断面における内空面積の減少を抑制しつつ、シールドトンネルの変形を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るシールドトンネルの補強構造を示す図である。 外力によりシールドトンネル断面に発生する引張応力の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る平板補強部材の正面図及び要部断面図である。 本発明の実施の形態２に係る固定部材及び平板補強部材の構造を示す図である。 図４の構造に係る詳細の説明図である。 本発明の実施の形態２に係るシールドトンネルの補強方法を示すフローチャート図である。 従来の三次覆工補強の構造を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るシールドトンネルの補強構造を示す図である。本実施形態による補強構造は、一次覆工７（鋼製）及び二次覆工８（コンクリート）を含む既設シールドトンネルの内空側に平面座面部１と、固定部材２と、平板補強部材６とを備える。なお以下の説明において、シールドトンネル断面は略円形であるものとして説明するが、これに限られるものではない。

平面座面部１は、シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するようにシールドトンネルの内空側にコンクリートを打設したものであり、シールドトンネル軸方向に延設される。また平面座面部１は、外力によるシールドトンネル変形によってシールドトンネル内周断面の引張応力が発生する箇所のうち少なくとも１つに設けられる。引張応力が発生する箇所においては、引張応力によって覆工にひび割れ等が発生するおそれがあるため、後述する平板補強部材６に引張応力を受けもたせてひび割れ等の発生を抑制する。

ここで図２を参照して、シールドトンネル内周断面の引張応力が発生する箇所について説明する。図２は、載荷・除荷等の外力の変化によりシールドトンネル内周断面に発生する引張応力の説明図である。図２ａに示すように、載荷点７１に加わる外力が増加する場合（載荷される場合）、引張応力が発生する箇所とは、シールドトンネル断面視においてシールドトンネル外周上の載荷点７１とシールドトンネル中心点とを通過する直線がシールドトンネル内周と交わる点８１ａである。一方図２ｂに示すように、載荷点７１に加わる外力が減少する場合（除荷される場合）、引張応力が発生する箇所とは、シールドトンネル断面視においてシールドトンネル外周上の載荷点７１とシールドトンネル中心点とを通過する直線とシールドトンネル中心点上で直交する直線がシールドトンネル内周と交わる点８１ｂである。図２では、シールドトンネル頂点に載荷点７１を記載しているが、シールドトンネル外周上の任意の位置に載荷点７１を想定してもよい。また図２の矢印は、発生する引張応力の方向を示す。

図１では、図２ａに示すように外力が増加する場合であってシールドトンネル頂上に載荷点７１を想定した様子（又は外力が減少する場合であってシールドトンネルの左右いずれかに載荷点７１を想定した様子）を示しており、引張応力が発生する箇所であるトンネル内空側の上下に平面座面部１が対向して設けられている。なお、例えばトンネル内において電灯を設置する目的でトンネル内空側の上方を平面にするようにコンクリートが予め打設されている場合等には、既存のコンクリートを平面座面部１として利用することも可能である。

図１の説明に戻る。固定部材２は、アンカーボルト３と、座金４と、ナット５とを備える。固定部材２は、ナット５の締結力により平面座面部１と平板補強部材６とを当接させて固定する。アンカーボルト３は、平面座面部１の略平面上であってシールドトンネルが外力を受けた際にそれぞれ逆方向に変位する箇所に、すなわち平板補強部材６に引張応力を伝達可能な箇所に、それぞれ少なくとも１つずつ打設される。例えば図１では、平面座面部１の左右端付近にアンカーボルト３がそれぞれ４つずつ打設されている。平面座面部１の左右中央に打設されているアンカーボルト３は、平板補強部材６を平面座面部１に固定する際の仮留め等に用いられる。好適にはアンカーボルト３は、トンネルの微小な変形による抜け等を防止するため、一次覆工７の中立軸より径方向外側の圧縮領域まで埋め込まれる。

平板補強部材６は、固定部材２によって平面座面部１の略平面に当接して固定される平板形状の鋼材である。また平板補強部材６は略長方形であって、長辺の中央及び両端付近にアンカーボルト３が挿入される複数のアンカーボルト挿入孔６１を有する。トンネル頂上に載荷される場合、トンネル内周断面において平面座面部１の幅中央に左右方向の引張応力が発生する。このとき平板補強部材６は、長辺の両端付近に位置するアンカーボルト３を介して、発生した引張応力を受けもつことによりトンネル全体の変形を抑制する。なお平板補強部材６は、平面座面部１が複数ある場合、少なくとも１つの平面座面部１について設けられる。

このように、実施の形態１によれば、トンネル内周断面で引張応力が発生する１つ以上の箇所にのみ平面座面部１を打設することにより、トンネル断面における内空面積の減少を抑制しつつ、シールドトンネルの変形を抑制することができる。また、引張応力を受けもつ平板補強部材６は、平面座面部１と平面を介して当接して固定されるため、鋼板に高精度の曲げ加工を要する従来の鋼板補強構造と比較して覆工と補強鋼板とを容易かつ確実に一体化することができる。更に、トンネル内空側の一部を補強すればよいためトンネルを供用しながら補強を行うことが可能であり、従来の補強構造に比べて費用の低減及び工事期間の短縮を図ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るシールドトンネルの補強構造について説明する。一般に、アンカーボルト３が挿入される平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１の孔径及び座金４の孔径は、アンカーボルト３の径よりも大きくなる。このため、アンカーボルト３と平板補強部材６との引張応力の方向における密着性が保たれず、シールドトンネルの微小な変形を抑制できないことが考えられる。

本実施形態は、アンカーボルト３と平板補強部材６との引張応力の方向における密着性を向上することによってシールドトンネルの変形抑制効果を向上するものである。実施の形態１と比較して座金４及び平板補強部材６は、テーパ形状４１，６２をそれぞれ有する。

図３は、本実施形態に係る平板補強部材６の正面図（図３ａ）及び要部断面図（図３ｂ）である。平板補強部材６は、アンカーボルト３が挿入される複数のアンカーボルト挿入孔６１に座金４を呼び込むテーパ形状６２を有する。

図４及び図５を参照して、本実施形態に係る補強構造について説明する。図４は、本実施形態に係る固定部材２（アンカーボルト３、座金４、ナット５）及び平板補強部材６の構造を示す図である。座金４は、平板補強部材６のテーパ形状６２と対応するテーパ形状４１を有している。ナット５の締結力により、座金４を介してアンカーボルト３と平板補強部材６とが引張応力の方向において密着して固定される。

図５は、図４の構造に係る詳細の説明図であり、アンカーボルト挿入孔６１の径を大きく示している。図５は、アンカーボルト３に座金４を取り付けた後、ナット５による締結前の状態を示す。また図５は、平面座面部１の略平面上であって平板補強部材６に引張応力を伝達可能な位置に打設されている２つのアンカーボルト３を示す。図中の矢印は、引張応力の方向を示す。シールドトンネルの微小な変形を抑制するためには、アンカーボルト３が座金４を介して平板補強部材６と引張応力の方向（図５において左右外側方向）に密着していることが望ましい。

実際にアンカーボルト３を打設した場合、平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１に対してアンカーボルト３が偏心していることが想定される。具体的には、平板補強部材６に対するアンカーボルト挿入孔６１の穴あけ加工時の位置ずれ、又はアンカーボルト３を打設する際の位置ずれ等により、アンカーボルト挿入孔６１に対してアンカーボルト３が偏心する。図５ａ及び図５ｂを参照して、アンカーボルト３の偏心状況と座金４との関係について説明する。

図５ａは、２つのアンカーボルト３が平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１に対してそれぞれ引張応力の方向に予め偏心している様子を示す。このとき座金４ａは、引張応力の方向においてアンカーボルト３及び平板補強部材６と接している。一方座金４ａは、引張応力の方向と逆方向においてアンカーボルト３又は平板補強部材６のいずれとも接していない。

ここでナット５を取り付けて締結すると、座金４ａは引張応力の方向においてアンカーボルト３及び平板補強部材６に押し付けられる。従って、アンカーボルト３は、座金４ａを介して平板補強部材６と引張応力の方向に密着する。

図５ｂは、２つのアンカーボルト３が平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１に対してそれぞれ引張応力の方向と逆方向に予め偏心している様子を示す。ここで座金４ｂは、アンカーボルト３の偏心量に対応して孔の位置を移動したものである。

座金４ｂを用いることにより、２つのアンカーボルト３が引張応力の方向と逆方向に偏心している場合においても、上述の図５ａの場合と同様の効果を得られる。すなわち、ナット５を取り付けて締結すると、座金４ｂは引張応力の方向においてアンカーボルト３及び平板補強部材６に押し付けられる。従って、アンカーボルト３は、座金４ｂを介して平板補強部材６と引張応力の方向に密着する。

このように、テーパ形状４１を備える座金４を用いることによって、アンカーボルト挿入孔６１に対してアンカーボルト３が偏心している場合であっても、アンカーボルト３を平板補強部材６と引張応力の方向に密着することができる。

図６は、本実施形態に係るシールドトンネルの補強方法を示すフローチャート図である。はじめに一次覆工７及び二次覆工８を含む既設シールドトンネルの内空側であってシールドトンネル内周断面で引張応力が発生する箇所に平面座面部１（コンクリート）を打設する（ステップＳ１００）。引張応力が発生する箇所は、周辺の地盤や工事状況等に基づいてシールドトンネルに加わる外力を推測して決定する。例えば、地下に埋没されるシールドトンネル直上の地上において地盤補強工事が行われる場合、シールドトンネル頂上の載荷点において外力が増加することが推測されるため、図２ａに示すようにシールドトンネル内空側の上下に平面座面部１を対向して打設することが考えられる。なお、トンネル内空側の一部を平面にするようにコンクリートが予め打設されている場合等には、既存のコンクリートを平面座面部１として利用することも可能である。

続いてドリルを用いて平面座面部１にアンカーボルト打設孔を削孔する（ステップＳ１０１）。削孔時の振動によりコンクリートにひび割れが発生する可能性があるため、好適には小径コアボーリング削孔とする。また平面座面部１と垂直な孔を切削するための治具を用いて削孔を行ってもよい。また平面座面部１に削孔したアンカーボルト打設孔と平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１との位置ずれを調査し、アンカーボルト３の挿入が困難な場合、アンカーボルト挿入孔６１を切削研磨して調整をしてもよい。

続いて平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１を貫通してアンカーボルト３の打設を行う（ステップＳ１０２）。一般的にはオールインアンカーを用いるが、打撃による振動によりコンクリートにひび割れが発生する可能性があるため、好適にはケミカルアンカーを用いてもよい。

続いて平板補強部材６のアンカーボルト挿入孔６１に対するアンカーボルト３の偏心状況を調査する（ステップＳ１０３）。アンカーボルト位置が偏心している場合、座金４のテーパ形状４１と平板補強部材６のテーパ形状６２との間の接触面積が小さく引張応力の伝達が不十分となり、あるいは引張応力の方向にテーパ形状４１，６２が密着しない等、シールドトンネルの変形抑止効果を十分に発揮できないことが考えられる。好適には、偏心しているアンカーボルト３についてその偏心量に対応した座金４ｂを製作してもよい。具体的には、偏心量に応じて座金４の孔の位置を移動した座金４ｂを製作してもよい。

続いて平板補強部材６の仮固定を行い、平面座面部１と平板補強部材６との密着性を向上させるために石膏キャッピングを行う（ステップＳ１０４）。この際、アンカーボルト３と平板補強部材６との隙間や平板補強部材６の周囲から石膏が漏れ出す場合には、事前に止水用粘土等を用いてシール作業を行ってもよい。

続いて各アンカーボルト３に座金４を取り付ける（ステップＳ１０５）。好適には、ステップＳ１０３の調査に基づいて製作した各アンカーボルト３の偏心量に対応した座金４ｂを取り付ける。また座面が傾いている場合には、更にテーパ座金を用いて補正を行ってもよい。

続いてナット５により平板補強部材６を締結する（ステップＳ１０６）。好適には、ナット５は、トルク管理を行って締め付けてもよく、また緩み防止のためにダブルナットとしてもよい。

このように、実施の形態２によれば、ナット５により平板補強部材６を締結して固定する際、テーパ形状４１を有する座金４を介してアンカーボルト３と平板補強部材６との引張応力の方向における密着性が向上する。このため、シールドトンネルに生じる微小な変形でも平板補強部材６に引張応力を受けもたせることができ、シールドトンネル変形の抑制効果を向上することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、シールドトンネル及び補強構造に係る各構成要素の材質は、本明細書中の記載に限られるものではなく、当業者が適宜に選択し得る設計的事項である。

また平板補強部材６は、例えばシールドトンネル軸方向に長辺を有する略長方形等の他の形状であってもよい。

１ 平面座面部
２ 固定部材
３ アンカーボルト
４ 座金
５ ナット
６ 平板補強部材
７ 一次覆工
８ 二次覆工
９ 三次覆工
４１ テーパ形状
６１ アンカーボルト挿入孔
６２ テーパ形状
７１ 載荷点
８１ 引張応力が発生する箇所

Claims (8)

1. シールドトンネルの補強構造であって、
   シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するように前記シールドトンネルの軸方向に延設され、前記シールドトンネルの内面の一部を略平面にする１つ以上の平面座面部と、
   複数の固定部材により前記平面座面部のうち少なくとも１つに当接して固定される１つ以上の平板補強部材と、
   を備える補強構造。
2. 前記平面座面部は、前記シールドトンネル内周断面の引張応力が発生する箇所のうち少なくとも１つに設けられる、請求項１に記載の補強構造。
3. 前記固定部材は、アンカーボルトと、ナットと、座金とを備え、
   前記平板補強部材は、前記アンカーボルトが挿入される複数のアンカーボルト挿入孔に前記座金を呼び込むテーパ形状を有し、
   前記座金は、外周下部において前記平板補強部材の前記テーパ形状に対応するテーパ形状を有し、
   前記平板補強部材と複数の前記アンカーボルトとが、前記座金を介して密着して固定される、請求項１又は２に記載の補強構造。
4. 前記座金には、前記平板補強部材の前記アンカーボルト挿入孔に対する前記アンカーボルト位置の偏心量に応じて、孔の位置を偏心させた座金が含まれる、請求項３に記載の補強構造。
5. シールドトンネルの補強方法であって、
   シールドトンネルの断面視で一定長さの弦による切片を充填するように前記シールドトンネルの軸方向に延設され、前記シールドトンネルの内面の一部を略平面にする１つ以上の平面座面部に対し、複数の固定部材により前記平面座面部のうち少なくとも１つに、１つ以上の平板補強部材を当接して固定する、シールドトンネルの補強方法。
6. 前記平面座面部は、前記シールドトンネル内周断面の引張応力が発生する箇所のうちすくなくとも１つに設けられる、請求項５に記載の補強方法。
7. 前記固定部材は、アンカーボルトと、ナットと、座金とを備え、
   前記平板補強部材は、前記アンカーボルトが挿入される複数のアンカーボルト挿入孔に前記座金を呼び込むテーパ形状を有し、
   前記座金は、外周下部において前記平板補強部材の前記テーパ形状に対応するテーパ形状を有し、
   前記平板補強部材と複数の前記アンカーボルトとが、前記座金を介して密着して固定される、請求項５又は６に記載の補強方法。
8. 前記座金には、前記平板補強部材の前記アンカーボルト挿入孔に対する前記アンカーボルト位置の偏心量に応じて、孔の位置を偏心させた座金が含まれる、請求項７に記載の補強方法。

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