JP2014237984A - 大深度トンネルの上載荷重対策工法 - Google Patents

Abstract

【課題】既設の大深度トンネルにおける建築物の上載荷重を低減する対策を行うことができ、大深度トンネルの設計・施工時にかかるコストの低減を図ることができる。
【解決手段】既設の大深度トンネル１の直上に建築物３が建設される場合において、大深度トンネル１の外周部の地盤Ｇに施され、大深度トンネル１の築造後に、トンネル外周部の一部に上半地盤改良部２Ａ（２）を設けるようにした大深度トンネル１の上載荷重対策工法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大深度トンネルの上載荷重対策工法に関する。

近年、例えば特許文献１に示されるような４０ｍ以深の大深度地下空間を利用した大深度トンネルでは、将来的に超高層ビル等がトンネルの直上に建設されても、その上載荷重によってトンネルの構造に支障が無いように設計され、施工されている。

例えば、シールドトンネルの設計においては、上載荷重を作用させると、図１０（ａ）、（ｂ）に示すようにトンネル天端部での曲げモーメントが増加し、図１１（ａ）、（ｂ）に示すようにトンネル側壁部での軸力が増加することになる。図１０及び図１１は、トンネル断面の直径が１４ｍで深度５０ｍの大深度トンネルを想定して断面力（曲げモーメント、軸力）を計算した結果の一例を示している。図１０（ａ）及び図１１（ａ）が上載荷重の作用前を示し、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）が上載荷重の作用後を示している。そのため、このように計算された断面力に耐え得るように、トンネルを設計している。

特開２０１１−１０９７６３号公報

しかしながら、上述したような４０ｍ以深の大深度地下空間を利用した大深度トンネルでは、将来的に超高層ビルが建設されるか否かに関わらず、その超高層ビルが建設されることを想定したトンネル構造で設計・施工されている。ところが、超高層ビルが建設されない場合には、そのトンネル構造に対して過大に設計・施工したことになるという問題があった。そのため、将来的に建設される超高層ビルの上載荷重を考慮しない設計により施工された既設の大深度トンネルに対して、超高層ビルの建設が決定した後に前記上載荷重を考慮した対策を施すことが可能な工法が求められていた。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、既設の大深度トンネルにおける建築物の上載荷重を低減する対策を行うことができ、大深度トンネルの設計・施工時にかかるコストの低減を図ることができる大深度トンネルの上載荷重対策工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、本発明に係る大深度トンネルの上載荷重対策工法では、既設の大深度トンネルの直上に建築物が建設される場合に、大深度トンネルの外周部の地盤に施される大深度トンネルの上載荷重対策工法であって、大深度トンネルの築造後に、トンネル外周部の一部にトンネル補強部を設けるようにしたことを特徴としている。

本発明では、既設の大深度トンネルの直上に超高層ビル等の建築物が建設される段階のトンネル供用中に、既設の大深度トンネルに対してトンネル補強部を設ける対策を施すことができる。そのため、大深度トンネルの初期建設時には、例えばシールドトンネルの場合に通常のトンネルと同等のセグメントで設計し施工することができるので、コストの増大を抑えることができる。

また、本発明に係る大深度トンネルの上載荷重対策工法では、トンネル補強部は、トンネル上半部分における外周部の地盤に施してなる地盤改良部であることが好ましい。

この場合には、トンネル上半部分における外周部の地盤が地盤改良部によって補強され、トンネル上半部分が受ける建築物の上載荷重を低減することができるので、トンネル上半部分に作用する曲げモーメントを小さくすることが可能となる。

また、本発明に係る大深度トンネルの上載荷重対策工法では、トンネル補強部は、トンネル側壁部分における外周部の地盤に施してなる地盤改良部であることが好ましい。

この場合には、トンネル側壁部分における外周部の地盤が地盤改良部によって補強され、トンネル側壁部分が受ける地盤反力を増加させることができるので、トンネル側壁部分に作用する曲げモーメントを小さくすることが可能となる。

また、本発明に係る大深度トンネルの上載荷重対策工法では、トンネル補強部は、トンネル側壁部分の背面の地盤中に圧力袋を設け、圧力袋内に充填材を流入させて膨張させたものであることが好ましい。

本発明によれば、充填材の流入により膨張した圧力袋が地盤反力を増加させ、トンネル天端部、及びインバート部に作用する過大な曲げモーメントを小さくすることができ、大深度トンネル全体の曲げモーメントを制御することができる。

本発明の大深度トンネルの上載荷重対策工法によれば、既設の大深度トンネルの外周部の一部にトンネル補強部を設けることが可能となるので、建築物の上載荷重を低減する対策を行うことができ、大深度トンネルの設計・施工時にかかるコストの低減を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法を模式的に示した図であって、トンネル上半部分における外周部に地盤改良を施した図である。 別の上載荷重対策工法を模式的に示した図であって、トンネル側壁部分における外周部に地盤改良を施した図である。 別の上載荷重対策工法を模式的に示した図であって、トンネル側壁部分における外周部に壁状の地盤改良を施した図である。 別の上載荷重対策工法を模式的に示した図であって、トンネル側壁部分と天壁部分における外周部に門型壁状の地盤改良を施した図である。 別の上載荷重対策工法を模式的に示した図であって、トンネル側壁部分と天壁部分における外周部にアーチ型壁状の地盤改良を施した図である。 第２の実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｆ）は、実施例による解析モデルを示す図である。 実施例による解析結果であって、トンネル壁面位置と軸力との関係を示す図である。 実施例による解析結果であって、トンネル壁面位置と曲げモーメントとの関係を示す図である。 大深度トンネルが受ける上載荷重によって作用する曲げモーメントを示す図であって、（ａ）は上載荷重作用前の図、（ｂ）は上載荷重作用後の図である。 大深度トンネルが受ける上載荷重によって作用する軸力を示す図であって、（ａ）は上載荷重作用前の図、（ｂ）は上載荷重作用後の図である。

以下、本発明の実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図５に示すように、本実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法は、既設の大深度トンネル１の直上において、その大深度トンネル１の施工後に超高層ビル等の建築物３が建設される場合に、大深度トンネル１の延長方向における建築物３の直下においてトンネル外周部の地盤Ｇの一部に地盤改良部２、２Ａ〜２Ｅ（トンネル補強部）を設けて補強する方法である。

大深度トンネル１は、シールド工法により深度４０ｍ以深の地盤Ｇ内で、地下鉄や道路などの用途として築造されている。大深度トンネル１の形状は、円形断面で、その外径は例えば１４ｍの大断面トンネルが採用されている。

本実施の形態による建築物３は、幅方向（図面における紙面左右方向が建築物３の幅方向を示す）の中心が大深度トンネル１の直上に位置するように設けられている。図１乃至図５に示す矢印Ｆは、建築物３の上載荷重を示しており、ここでは例えば建築物幅が７０ｍの場合において７００ｋＮ／ｍ^２が作用している。

第１の実施の形態では、地盤改良部２（２Ａ、２Ｂ）として、図１においてトンネル上半部分１Ａの外周部の地盤Ｇ内を地盤改良した上半地盤改良部２Ａを設けた事例、図２においてトンネル側壁部分１Ｂの外周部の地盤Ｇ内を地盤改良した側部地盤改良部２Ｂを設けた事例、図３においてトンネル側壁部分１Ｂにおける外周部の地盤Ｇ内に壁状に形成される壁状地盤改良部２Ｃを設けた事例、図４においてトンネル側壁部分１Ｂとトンネル天端部分１Ｃにおける外周部の地盤Ｇ内に門型壁状に形成される門型地盤改良部２Ｄを設けた事例、及び図５においてトンネル側壁部分１Ｂとトンネル天壁部分１Ｃにおける外周部の地盤Ｇ内にアーチ型壁状に形成されるアーチ型地盤改良部２Ｅを設けた事例を示している。

地盤改良部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅは、既設の大深度トンネル１の内側から所定の改良範囲の地盤Ｇに向けて薬液注入ロッドを打ち込み、そのロッドを使用して地盤改良材を注入する周知の地盤改良工法により施工されている。

図１に示す上半地盤改良部２Ａは、トンネル上半部分１Ａにおける外周部の地盤Ｇに、トンネル径方向の外側に向けて放射状に広がるように改良されている。
図２に示す側部地盤改良部２Ｂは、左右両側のトンネル側壁部分１Ｂにおける外周部の地盤Ｇに、トンネル径方向の外側に向けて広がるように改良されている。

図３に示す壁状地盤改良部２Ｃは、左右両側のトンネル側壁部分１Ｂにおける外周部の地盤Ｇに、注入領域が上下方向に沿って延びる壁状となるように改良されている。そして、壁状地盤改良部２Ｃと大深度トンネル１との間には間隔が設けられている。
図４に示す門型地盤改良部２Ｄは、左右一対の壁状地盤改良部２Ｃの上端同士を連結するような門型状となるように改良されている。
図５に示すアーチ型地盤改良部２Ｅは、トンネル上半部分１Ａに沿って配置されるアーチ部分２ａと、そのアーチ部分の下端から略鉛直方向の下方に向けて延びる下方部分２ｂとからなる形状に改良されている。

これら地盤改良部２（２Ａ〜２Ｅ）のトンネル延在方向の範囲は、建築物３の上載荷重Ｆが大深度トンネル１に影響を及ぼす建築物３の直下の適宜な範囲に設定され、平面視で建築物３の投影範囲であることに制限されることはない。

次に、上述した大深度トンネルの上載荷重対策工法の作用について、詳細に説明する。
本実施の形態では、図１乃至図５に示すように、既設の大深度トンネル１の直上に超高層ビル等の建築物３が建設される段階のトンネル供用中に、既設の大深度トンネル１に対して地盤改良部２を設ける対策を施すことができる。そのため、大深度トンネル１の初期建設時には、本実施の形態のようにシールドトンネルの場合に通常のトンネルと同等のセグメントで設計し施工することができるので、コストの増大を抑えることができる。

そして、図１に示すように、トンネル上半部分１Ａにおける外周部の地盤Ｇが上半地盤改良部２Ａによって補強される場合には、トンネル上半部分１Ａが受ける建築物３の上載荷重Ｆを低減することができるので、トンネル上半部分１Ａに作用する曲げモーメントを小さくすることが可能となる。
なお、図４に示す門型地盤改良部２Ｄで補強された場合と、図５に示すアーチ型地盤改良部２Ｅで補強された場合においても、上半地盤改良部２Ａの場合と同様の効果が得られる。

また、図２に示すように、トンネル側壁部分１Ｂにおける外周部の地盤Ｇが側部地盤改良部２Ｂによって補強され、トンネル側壁部分１Ｂが受ける地盤反力を増加させることができるので、トンネル側壁部分１Ｂに作用する曲げモーメントを小さくすることが可能となる。
なお、図３に示す壁状地盤改良部２Ｃで補強された場合においても、側部地盤改良部２Ｂの場合と同様の効果が得られる。

上述のように本実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法では、既設の大深度トンネル１の外周部の一部に地盤改良部２Ａ、２Ｂを設けることが可能となるので、建築物３の上載荷重Ｆを低減したり、地盤反力を増加させたりする対策を行うことができ、大深度トンネル１の設計・施工時にかかるコストの低減を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図６に示す第２の実施の形態による大深度トンネル１の上載荷重対策工法は、既設の大深度トンネル１において、トンネル側壁部分１Ｂの背面の地盤Ｇ中に圧力袋４Ａを設け、この圧力袋４Ａ内にエア４Ｂ（充填材）を流入させて膨張させた圧力膨張体４（トンネル補強部）を設置するようにした方法である。

具体的には、既設の大深度トンネル１の施工時に予めトンネル側壁部分１Ｂのセグメント背面に圧力袋４Ａを装着しておく。そして、大深度トンネル１の直上に建築物３が建設される段階で、その建築物３の上載荷重Ｆが作用した時の断面力（曲げモーメントや軸力）を適宜な監視手段により監視しながら、圧力袋４Ａ内にエア４Ｂを流入させて圧力を作用させる。これにより、膨張した圧力膨張体４によって地盤Ｇからの反力が増加し、トンネル天端部１ａ、及びインバート部１ｂに作用する過大な曲げモーメント（図１０（ｂ）参照）を低減することができ、大深度トンネル１全体の曲げモーメントを制御することができる。

なお、建築物３の上載荷重Ｆは、その建設期間にわたって徐々に上昇することが予想されるため、圧力袋４Ａにはエアや水のような制御が容易な流体（充填材）で断面力を制御し、建築物３の竣工後に裏込め材のような瞬結型の充填材で置換することが好ましい。

次に、上述した実施の形態による大深度トンネルの上載荷重対策工法の効果を裏付けるための実施例について、以下説明する。

（実施例）
本実施例は、上述した第１の実施の形態による地盤改良部を有する大深度トンネルの解析モデルを作成し、ＦＥＭ解析によりトンネルに作用する軸力と曲げモーメントを求めて、地盤改良部の有効性を評価した。

図７（ａ）は無対策の大深度トンネル１の解析モデルであり、図７（ｂ）〜（ｆ）がそれぞれケース１〜５で地盤改良部２を設けた解析モデルである。図７（ｂ）は、大深度トンネル１の外周に沿って全周にわたって円形改良したケース１の解析モデルである。図７（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）は、それぞれ上述の実施の形態による壁状地盤改良部２Ｃ、門型地盤改良部２Ｄ、アーチ型地盤改良部２Ｅに対応したケース２、４、５の解析モデルである。そして、図７（ｄ）は、トンネル天端部分のみに板状に天端改良したケース３の解析モデルである。

本実施例では、上載荷重５５０ｋＮ／ｍ^２（建築物荷重７００ｋＮ／ｍ^２から浮力（水圧）１５０ｋＮ／ｍ^２を差し引いた値）により大深度トンネル１に作用する上載荷重を解析によって求める。ここで、大深度トンネル、地盤、及び地盤改良部の解析条件は、表１に示すとおりである。図７（ａ）に示すように地盤Ｇは上部と下部の２種類からなり、上部地盤Ｇ１が地表面から２５ｍの深さまで、下部地盤Ｇ２が上部地盤Ｇ１より下方とされる。また、上部地盤Ｇ１の中央部分の領域は、幅（図７（ａ）の紙面で左右方向）が７０ｍの建築物３の上載荷重に対応した部分を示している。本解析では、大深度トンネル１は下部地盤Ｇ２の上面から２５ｍ（地表面から５０ｍ）の深さに設けられている。なお、地下水位の位置は、地表面から１０ｍの深さの位置とした。

図８及び図９は、本実施例の解析の結果を示しており、それぞれ横軸は天端を０度としたときの天端からの角度（度）を示している。
解析結果により、大断面トンネル１に地盤改良部２を設けたケース１〜５を無対策の場合の断面力と比較し評価した。これによると、ケース１の円形改良の場合は、無対策の場合に比べて軸力が増大し、曲げモーメントが低減しており、地盤改良部を設けることによる断面力低減効果が小さいことがわかる。ケース２の側壁改良の場合は、無対策の場合に比べて軸力が低減し、曲げモーメントが側壁部分で低減しており、断面力低減効果が得られた。また、ケース３の天端改良の場合には、軸力、曲げモーメント共に無対策の場合と同等であり、断面力低減効果が期待できない。さらに、ケース４の門型改良、ケース５のアーチ型改良の場合には、いずれも無対策の場合に比べて軸力が低減し、曲げモーメントが側壁部分で低減しており、断面力低減効果が得られることが確認できた。

したがって、ケース１、３は、断面力低減効果が無いことが確認できた。また、ケース２のように側壁部分のみの改良形状（ケース４、５のような天端部分を有しない改良形状）であっても、ケース４、５と同等の断面力低減効果が得られることがわかった。
なお、ケース２、４、５の曲げモーメントは、無対策の場合と比較して低減されているものの、その低減割合がやや小さいことから、さらに上述した第２の実施の形態による図６に示す圧力膨張体４（トンネル補強部）を組み合わせることで、トンネル全体の曲げモーメントの低減を図る対策を行うことも可能である。

以上、本発明による大深度トンネルの上載荷重対策工法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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り、また上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
例えば、本第１の実施の形態では、トンネル上半部分１Ａの外周部の地盤Ｇに上半地盤改良部２Ａを設ける例と、トンネル側壁部分１Ｂの外周部の地盤Ｇに側部地盤改良部２Ｂを設ける例と、を別々に示しているが、上半地盤改良部２Ａと側部地盤改良部２Ｂを同じトンネル断面の範囲に施工するようにしても良い。

また、地盤改良部２Ａ、２Ｂや圧縮膨張体４などのトンネル補強部の施工時期としては、必ずしも超高層ビル等の建築物３が計画され、又は施工されている段階であることに制限されることはなく、大深度トンネル１が築造された後であればいずれのタイミングでトンネル補強部を施工しても良い。

１ 大深度トンネル
１Ａ トンネル上半部分
１Ｂ トンネル側壁部分
１Ｃ トンネル天端部分
２ 地盤改良部（トンネル補強部）
２Ａ 上半地盤改良部（トンネル補強部）
２Ｂ 側部地盤改良部（トンネル補強部）
２Ｃ 壁状地盤改良部（トンネル補強部）
２Ｄ 門型地盤改良部（トンネル補強部）
２Ｅ アーチ型地盤改良部（トンネル補強部）
３ 建築物
４ 圧縮膨張体（トンネル補強部）
４Ａ 圧力袋
４Ｂ エア（充填材）
Ｆ 上載荷重
Ｇ 地盤

Claims (4)

1. 既設の大深度トンネルの直上に建築物が建設される場合に、該大深度トンネルの外周部の地盤に施される大深度トンネルの上載荷重対策工法であって、
   該大深度トンネルの築造後に、トンネル外周部の一部にトンネル補強部を設けるようにしたことを特徴とする大深度トンネルの上載荷重対策工法。
2. 前記トンネル補強部は、トンネル上半部分における外周部の地盤に施してなる地盤改良部であることを特徴とする請求項１に記載の大深度トンネルの上載荷重対策工法。
3. 前記トンネル補強部は、トンネル側壁部分における外周部の地盤に施してなる地盤改良部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の大深度トンネルの上載荷重対策工法。
4. 前記トンネル補強部は、トンネル側壁部分の背面の地盤中に圧力袋を設け、該圧力袋内に充填材を流入させて膨張させたものであることを特徴とする請求項１に記載の大深度トンネルの上載荷重対策工法。

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