JP2015081425A - 鋼製支保工と覆工コンクリートの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】上半部（アーチ部）の空洞安定性を確実に確保することができるとともに、工期短縮、工費削減を図ることができる鋼製支保工と覆工コンクリートの構造を提供する。
【解決手段】トンネル１１のアーチ部（上半部）１２を先行掘削する際にアーチ部１２に設けられる上側鋼製支保工（鋼製支保工）２と覆工コンクリート３の構造において、上側鋼製支保工２は、トンネル周方向Ａに沿って設置されるアーチ部材２１と、アーチ部材２１の下端部にアーチ部材２１と一体に形成されてウイングリブ６を構成するウイングリブ部材２２とを有し、アーチ部材２１の下端部２１ａとウイングリブ部材２２とは、トンネル１１の下半部１３よりも外方に設けられていて、ウイングリブ部材２２は、覆工コンクリート３と一体化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、地山を掘削してトンネルを構築するための鋼製支保工と覆工コンクリートの構造に関する。

従来、高さが２０ｍを超えるような超大断面の覆工を有するトンネルを構築する場合、地山条件やトンネルの断面形状に応じた施工法が選択されている。例えば、トンネル断面を一度に掘削可能な場合は、全断面掘削工法が選択されることがある。
また、特許文献１に示すような、トンネル断面を上半部と下半部などの部分に分けて掘削する部分断面掘削工法が採用されることがある。この部分断面掘削工法では、上半部（アーチ部）の空洞安定性が確保された状態で、下半部の掘削を行うことができる。

部分断面掘削工法の中には、例えば、上半部となるアーチ部を下半部に先行して掘削するとともにアーチ部の支保工を設置し、上半部の覆工コンクリートを打設する側壁導坑先進工法がある。
このような側壁導坑先進工法では、アーチ部の脚部となる位置に導坑を掘削する工程、掘削された導坑に導坑コンクリートを打設する工程、アーチ部を掘削するとともに支保工を建て込む工程、アーチ部の覆工コンクリートを打設する工程、下半部を掘削するとともに支保工を建て込む工程、下半部の側壁部および底版部の覆工コンクリートを打設する工程が行われている。

特開２００２−０２１４９１号公報

しかしながら、全断面掘削工法では、覆工コンクリートを打設するための型枠などの設備が大規模になるため、工期が長くなるとともに、工費が高くなるという問題がある。
また、上記のような側壁導坑先進工法では、施工方法が複雑なため、工期が長くなるとともに、工費が高くなるという問題がある。
また、部分断面掘削工法では、トンネルの下半部を掘削する際にその上側のアーチ部の空洞安定性を確実に確保する必要がある。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたもので、上半部（アーチ部）の空洞安定性を確実に確保することができるとともに、工期短縮、工費削減を図ることができる鋼製支保工と覆工コンクリートの構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鋼製支保工と覆工コンクリートの構造は、トンネルの上半部を先行掘削する際に該上半部に設けられる鋼製支保工と覆工コンクリートの構造において、前記鋼製支保工は、前記トンネルの周方向に沿って設置されるアーチ部材と、該アーチ部材の下端部に該アーチ部材と一体に形成されてウイングリブを構成するウイングリブ部材とを有し、前記アーチ部材の下端部と前記ウイングリブ部材とは、前記トンネルの下半部よりも外方に設けられていて、該ウイングリブ部材は、前記覆工コンクリートと一体化していることを特徴とする。

本発明では、ウイングリブを構成するウイングリブ部材は、覆工コンクリートと一体化していることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリートの自重によるスラスト力をウイングリブ部材の下方の地山に確実に伝達させることができる。これにより、トンネルの上半部の空洞安定性が確保されるため、トンネルの下部側の掘削をより安全に行うことができる。
ここで、アーチ部支保工とは、トンネルのアーチ部（上半部）の鋼製支保工と覆工コンクリートとを合わせたものを示し、アーチ部支保工の軸力とは、アーチ部支保工が地山を支えることによって発生する軸力を示す。
また、トンネルの上半部を構築する工程は、トンネル上半部の掘削、鋼製支保工の建込、覆工コンクリートの打設とからなり簡便であるため、側壁導坑先進工法と比べて工期を短縮することができるとともに工費を削減することができる。

また、本発明に係る鋼製支保工と覆工コンクリートの構造では、前記ウイングリブの下方には、該ウイングリブ部材と連結されているとともに、支持地盤に達する支持杭が設けられている構成としてもよい。
このようにすることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリートの自重によるスラスト力を支持地盤（地山）に確実に伝達させることができるため、ウイングリブの下側の地山が脆弱な場合でも、トンネルの上半部の空洞安定性を確保することができる。

また、本発明に係る鋼製支保工と覆工コンクリートの構造では、前記支持杭は、前記鋼製支保工と前記覆工コンクリートとを合わせたアーチ部支保工の軸力および前記覆工コンクリートの自重によるスラスト力の方向と平行な方向に延在している構成としてもよい。
このようにすることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリートの自重によるスラスト力による支持杭の杭頭に発生する曲げモーメントを低減させることができる。

本発明によれば、ウイングリブ部材は、覆工コンクリートと一体化していることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリートの自重によるスラスト力をウイングリブ部材の下方の地山に確実に伝達させることができる。これにより、トンネルの上半部の空洞安定性が確保されるため、トンネルの下部側の掘削をより安全に行うことができる。
また、トンネルの上半部を構築する工程は、トンネル上半部の掘削、鋼製支保工の建込、覆工コンクリートの打設とからなり簡便であるため、側壁導坑先進工法と比べて工期を短縮することができるとともに工費を削減することができる。

本発明の第１実施形態によるトンネルの一例を示す図である。 図１の部分拡大図であり、第１実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造のウイングリブを説明する図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、トンネルの施工手順を説明する図である。 第２実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造のウイングリブを説明する図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１に示すトンネル１１は、例えばその高さが２０ｍを超すような大断面のトンネル１１であって、施工の際には、その断面形状の上半部１２を下半部１３に先行して掘削するベンチカット方式で掘削されている。
第１実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ａは、このようなトンネル１１の上半部１２に施工される鋼製支保工２と覆工コンクリート３とを備えている。
トンネル１１の上半部１２は、その断面形状がアーチ状に形成されている。ここで、トンネル１１の上半部１２をアーチ部１２として以下説明する。

アーチ部１２の支保工は、アーチ部１２の内壁に沿って設置された鋼製支保工２と、吹付コンクリート４と、鋼製支保工２および吹付コンクリート４の外側にトンネル軸方向（図１の紙面に直交する方向）に直交する方向に放射状に複数配設されたロックボルト５とを備えている。
アーチ部１２の覆工は、鋼製支保工２および吹付コンクリート４の内側に打設された覆工コンクリート３から構成されている。

鋼製支保工２は、アーチ部１２の内周に沿ってトンネル周方向（図１の矢印Ａの方向）に延びるアーチ部材２１と、アーチ部材２１の下端部２１ａにそれぞれ設けられたウイングリブ部材２２とを有している。
アーチ部材２１は、トンネル周方向Ａに延びるＨ形鋼で構成されている。
また、アーチ部材２１は、両下端部２１ａ，２１ａがそれぞれトンネル１１の外方（地山側）に突き出る形状に形成されていて、下半部１３の掘削面よりもトンネル１１の外方（地山側）に突き出ている。
鋼製支保工２は、トンネル軸方向に所定の間隔をあけて複数配列されていて、本実施形態では、この間隔を１〜１．２ｍとしている。

図２に示すように、ウイングリブ部材２２は、アーチ部材２１の下端部２１ａに連結されて、トンネル１１の内側に向かう略水平方向に延びる水平部２３と、水平部２３およびアーチ部材２１に連結されて、略鉛直に伸びる鉛直部２４と、を備えている。
水平部２３および鉛直部２４は、Ｈ形鋼で形成されている。

水平部２３は、一方の端部２３ａがアーチ部材２１の下端部２１ａに連結され、他方の端部２３ｂが一方の端部２３ａよりもトンネル１１の内側に配されている。水平部２３の下端面２３ｃは地山（岩盤）Ｇと当接している。
アーチ部材２１と水平部２３とは、継手板を介してボルト接合されたり、溶接されたりしている。
ここで、アーチ部材２１の下端部２１ａ近傍と水平部２３とに挟まれた断面形状が略三角形状の空間を三角部２５として以下説明する。

鉛直部２４は、三角部２５の内部に配されていて、下端部２４ａが水平部２３の中間部に連結され、上端部２４ｂがアーチ部材２１に連結されている。
鉛直部２４は、アーチ部材２１および水平部２３と継手板を介してボルト接合されたり、溶接されたりしている。
そして、アーチ部材２１の下端部２１ａ近傍と水平部２３、鉛直部２４は、下半部１３の掘削面よりもトンネル１１の外方に設けられている。

吹付コンクリート４は、アーチ部材２１と、トンネル軸方向に隣り合うアーチ部材２１の間に露出する地山に吹き付けられたコンクリートで構成されている。

覆工コンクリート３は、鉄筋コンクリートで構成されていて、その内部には、トンネル周方向Ａに延びる鉄筋３１ａと、トンネル軸方向に延びる鉄筋３１ｂとが複数配筋されている。本実施形態では、鉄筋３１（３１ａ，３１ｂ）は、地山側とトンネル１１の内部側とに二重に配筋されている。
また、覆工コンクリート３は、鋼製支保工２の三角部２５にも配されていて、三角部２５には、ウイングリブ補強筋３２が配筋されている。

ウイングリブ補強筋３２は、三角部２５の内側においてトンネル軸方向に所定の間隔をあけて複数配されアーチ部材２１の下端部２１ａ近傍および水平部２３に沿う形状に加工された鉄筋３２ａと、トンネル軸方向に延びてトンネル周方向Ａに所定の間隔をあけて複数配された鉄筋３２ｂとから構成されている。
このような覆工コンクリート３は、アーチ部材２１およびウイングリブ部材２２の水平部２３および鉛直部２４と定着し、一体化している。
このように、アーチ部材２１の下部側と、ウイングリブ部材２２と、三角部２５に配された覆工コンクリート３とによって、鋼コンクリート構造のウイングリブ６Ａが形成されている。

続いて、第１実施形態によるトンネルの施工方法について説明する。
トンネル１１の掘削は、ベンチカット工法で行い、本実施形態では、アーチ部１２の断面を上下方向に２つに分割している。なお、ベンチの長さは、地山の性状等を考慮して設定している。

まず、図３（ａ）に示すように、アーチ部１２の断面形状の上部側のアーチ１２Ａの掘削、鋼製支保工２の建込み、吹付コンクリート４の吹き付け、ロックボルト５の打設を行う。
続いて、図３（ｂ）に示すように、アーチ部１２の下部側の１段ベンチ１２Ｂの掘削、鋼製支保工２の建込み、吹付コンクリート４の吹き付け、ロックボルト５の打設を行う。
なお、１段ベンチ１２Ｂの掘削は、まず、側方となる地山側のみを掘削し、鋼製支保工２の建込み、吹付コンクリート４の吹き付け、ロックボルト５の打設を行った後に内部の掘削を行ってもよい。

続いて、図３（ｃ）に示すように、アーチ部１２の覆工コンクリート３の打設を行う。
覆工コンクリート３の打設工程では、覆工コンクリート３の配筋を行う際に、鋼製支保工２の三角部２５のウイングリブ補強筋３２（図２参照）の配筋も行う。そして、覆工コンクリート３を打設して、鋼製支保工２のウイングリブ部材２２と覆工コンクリート３とを定着させて一体化させる。

続いて、図３（ｄ）および（ｅ）に示すように、トンネル１１の下半部１３の掘削、吹付コンクリート４の吹き付け、ロックボルト５の打設を行う。下半部１３の掘削においても、上下方向に複数のベンチに分割して、ベンチカット工法で掘削し、各ベンチにおいて、掘削、吹付コンクリート４の吹き付け、ロックボルト５の打設を行う。
トンネル１１の下半部１３の吹付コンクリート４およびロックボルト５は、アーチ部１２の吹付コンクリート４およびロックボルト５と同等のもので構成されている。なお、トンネル１１の下半部１３の支保工には、鋼製支保工２を設置するパターンや設置しないパターンなど様々なパターンがあり、本実施形態では、鋼製支保工を設置しないパターンとしている。
続いて、下半部１３の覆工コンクリート８の打設を行う。
このようにして、トンネル１１が構築される。

次に、上述した第１実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ａの作用・効果について図面を用いて説明する。
第１実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ａでは、ウイングリブ部材２２は、覆工コンクリート３と一体化していることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリート３の自重によるスラスト力（図２の矢印Ｂの方向の力）をウイングリブ部材２２の下方の地山に確実に伝達させることができる。
これにより、アーチ部１２の空洞安定性が確保されるため、下半部１３の掘削をより安全に行うことができる。
ここで、アーチ部支保工とは、トンネル１１のアーチ部（上半部）１２の鋼製支保工２と覆工コンクリート３とを合わせたものを示し、アーチ部支保工の軸力とは、アーチ部支保工が地山を支えることによって発生する軸力を示す。
また、アーチ部１２を構築する工程は、アーチ部１２の掘削、鋼製支保工２の建込、覆工コンクリート３の打設とからなり簡便であるため、側壁導坑先進工法と比べて工期を短縮することができるとともに工費を削減することができる。

次に、第２実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。

（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ｂは、ウイングリブ６Ｂの下方に支持杭９が設けられている。
支持杭９は、上端部９ａ側が覆工コンクリート３の内部に配されていて、下端部９ｂ側が地山に配されている。支持杭９は、上端部９ａ側が覆工コンクリート３の内部に配されることで、ウイングリブ６Ｂと連結している。
第２実施形態では、ウイングリブ６Ｂの下側の地山の耐力が第１実施形態よりも脆弱な場合を想定している。そして、支持杭９の下端部９ｂは、ウイングリブ６Ｂの下側の地山よりも地耐力のある支持地盤（地山）に達している。
また、支持杭９は、その軸方向がアーチ部材２１および覆工コンクリート３の自重によるスラスト力の方向Ｂとほぼ平行となるように打設されている。

第２実施形態による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ｂでは、地山が脆弱な場合でもアーチ部支保工の軸力および覆工コンクリート３の自重によるスラスト力を支持杭９を介して地耐力のある支持地盤に伝達させることができるため、第１実施形態と同様にアーチ部１２の空洞安定性を確実に確保することができる。
また、支持杭９は、その軸方向がアーチ部支保工の軸力および覆工コンクリート３の自重によるスラスト力の方向Ｂとほぼ平行となるように打設されていることにより、アーチ部支保工の軸力および覆工コンクリート３の自重によるスラスト力による支持杭９の杭頭（上端部９ａ）に発生する曲げモーメントを低減させることができる。

以上、本発明による鋼製支保工と覆工コンクリートの構造１Ａ，１Ｂの実施形態について説明したが、本発明は上記の第１、第２実施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る。
例えば、上記の実施形態では、支保工として、吹付コンクリート４およびロックボルト５が設けられているが、地山の性状やトンネル１１の断面形状に応じてこれらを設けなくてもよい。また、トンネル軸方向に直交する方向に放射状に配設されたロックボルト５に代わって、長尺先受け工法（ＡＧＦ工法）の鋼管としてもよい。

また、上記の実施形態では、ウイングリブ部材２２は、水平部２３と鉛直部２４とを備える構成であるが、これ以外の構成としてもよい。
また、上記の実施形態では、覆工コンクリート３の鉄筋３１は、地山側とトンネル１１の内部側とに二重に配筋されているが、単鉄筋としてもよいし、他の形態としてもよい。また、ウイングリブ補強筋３２についても、上記以外の形態としてもよい。

１Ａ，１Ｂ 鋼製支保工と覆工コンクリートの構造
２ 鋼製支保工
３ 覆工コンクリート
４ 吹付コンクリート
５ ロックボルト
６Ａ，６Ｂ ウイングリブ
９ 支持杭
９ａ 上端部
９ｂ 下端部
１１ トンネル
１２ アーチ部（上半部）
１３ 下半部
２１ アーチ部材
２１ａ 下端部
２２ ウイングリブ部材
Ａ トンネル周方向
Ｂ スラスト力の方向

Claims (3)

1. トンネルの上半部を先行掘削する際に該上半部に設けられる鋼製支保工と覆工コンクリートの構造において、
   前記鋼製支保工は、前記トンネルの周方向に沿って設置されるアーチ部材と、該アーチ部材の下端部に該アーチ部材と一体に形成されてウイングリブを構成するウイングリブ部材とを有し、前記アーチ部材の下端部と前記ウイングリブ部材とは、前記トンネルの下半部よりも外方に設けられていて、
   該ウイングリブ部材は、前記覆工コンクリートと一体化していることを特徴とする鋼製支保工と覆工コンクリートの構造。
2. 前記ウイングリブの下方には、該ウイングリブ部材と連結されているとともに、支持地盤に達する支持杭が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鋼製支保工と覆工コンクリートの構造。
3. 前記支持杭は、前記鋼製支保工と前記覆工コンクリートとを合わせたアーチ部支保工の
   軸力および前記覆工コンクリートの自重によるスラスト力の方向と平行な方向に延在していることを特徴とする請求項２に記載の鋼製支保工と覆工コンクリートの構造。

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