JP2015206217A - 地下空間構造 - Google Patents

Abstract

【目的】セグメントを一部撤去せずとも、あるいはそれを最小限にとどめつつ、本設構造体としての外殻をルーフシールドを用いて構築する。【構成】本発明に係る地下空間構造は、シールドトンネルの分岐合流部を地下空間とし、該地下空間が形成される大断面領域を取り囲むように小径シールドトンネル６を本線トンネルのトンネル軸線７の回りに螺旋状に延設してある。小径シールドトンネル６は、螺旋径がトンネル軸線７に沿って大きくなるように延設してあり、地下空間のうち、螺旋径が小さい側に本線トンネルを、螺旋径が大きい側に本線トンネル及びランプトンネルをそれぞれ連通接続してある。小径シールドトンネル６は、小径シールドトンネル本体２１とその内部に構築された鉄筋コンクリート体２２とで構成してあるとともに、小径シールドトンネル６のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する外周面２４，２４の間に連結用鋼材２３を配置してある。【選択図】 図２

Description

本発明は、主としてシールドトンネルの断面を拡幅する際に適用される地下空間構造に関する。

シールド工法で道路トンネルを構築するにあたっては、トンネルの分岐合流部、典型的には本線トンネルとランプトンネルとの接合箇所における分岐合流部でトンネル断面を拡幅する必要がある。

道路トンネルの分岐合流部は、幅が２０ｍを上回る大断面となることも多く、直径が１５ｍを超えるシールドマシンも製作されるようになってきたとはいえ、分岐合流部という限られた区間をシールドマシンで全断面掘削することは現実的ではない。

このような状況下、シールドトンネルの断面を拡幅可能な技術として、ルーフシールドと呼ばれる小径のシールドトンネルを、本体のシールドトンネルにおける分岐合流部を取り囲むようにそのトンネル軸線方向に沿って複数本配置し、それらを周方向に相互連結する形で拡幅部の外殻を構築した後、その内側領域を掘削する構築工法が開発されている（特許文献１）。

特開２００７−２１７９１１号公報 特許第４６６０８２２号公報 特許第５１６２３１６号公報 特開平３−９６６００号公報

しかしながら、上述した外殻（特許文献１では本設覆工壁４）は、周方向に連続形成される必要があることから、各ルーフシールドのセグメントを一部撤去した上、該各ルーフシールドを貫通するように構築しなければならず、工期あるいはコスト面で分岐合流部を構築する際の大きな負担になっていた。

一方、トンネル軸線方向ではなく、トンネル軸線回りにシールドマシンを周回させることにより、ルーフシールドを螺旋状に構築する工法が提案されているが（特許文献２，３）、かかる文献記載のルーフシールドは、隣り合う周回部分を裏込め材を介して連続させたことからもわかる通り、該ルーフシールドで囲まれた領域を掘削するための支保工として機能するにとどまるものであって、強固に連結されたものではなく、それゆえ、本設構造体である外殻を別途構築する必要があるとともに、その際には、特許文献４に、「相互に貫通する孔１３を掘り、該孔１３の中に補強材としての鉄筋や鉄骨を入れ、コンクリートを充填する等の方法で強固に緊結して一体化と剛性の確保が行われる」（第３頁右下欄、第２図、第３図）と記載されていることからもわかる通り、特許文献１記載の工法と同様、セグメントの切り開きが必要不可欠となる。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、セグメントを一部撤去せずとも、あるいはそれを最小限にとどめつつ、本設構造体としての外殻をルーフシールドを用いて構築可能な地下空間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、本発明に係る地下空間構造は請求項１に記載したように、小径シールドトンネルを所定軸線回りに螺旋状に延設するとともに、該小径シールドトンネルで囲まれた大断面領域に地下空間を形成した地下空間構造において、
前記小径シールドトンネルを小径シールドトンネル本体とその内部に構築された鉄筋コンクリート体とで構成するとともに、前記小径シールドトンネルのうち、前記所定軸線に沿って互いに対向する外周面の間に、該各外周面にそれぞれ溶接される形で連結用鋼材を配置したものである。

また、本発明に係る地下空間構造は、前記大断面領域のうち、上方に前記地下空間を形成するとともに、下方を非掘削領域とし、前記小径シールドトンネルのうち、前記地下空間に面する周方向範囲には前記連結用鋼材を配置し、前記非掘削領域に埋設される周方向範囲には、前記所定軸線に沿って互いに対向する部位にそれぞれ開口を設けるとともに、該開口を介して前記鉄筋コンクリート体を一体化したものである。

また、本発明に係る地下空間構造は、前記小径シールドトンネルを、螺旋径が前記所定軸線に沿って大きくなるように延設するとともに、前記地下空間のうち、螺旋径が小さい側に本線トンネルを、螺旋径が大きい側に該本線トンネル及びそれから分岐するランプトンネルをそれぞれ連通接続したものである。

また、本発明に係る地下空間構造は、前記連結用鋼材の大断面領域側であって前記各外周面に挟まれた領域に吹付けコンクリートを配置したものである。

また、本発明に係る地下空間構造は、前記連結用鋼材を、前記各外周面の離間距離が最小となる位置よりも地山側に配置したものである。

本発明に係る地下空間構造においては、小径シールドトンネルを螺旋状に延設し該小径シールドトンネルで囲まれた大断面領域に地下空間を形成してなるが、かかる小径シールドトンネルを、小径シールドトンネル本体とその内部に構築された鉄筋コンクリート体とで構成してあるため、該小径シールドトンネルを構成する一つ一つの周回部分が、周辺地盤から作用する土圧や水圧を支持するほぼ環状の構造体として機能する。

また、小径シールドトンネルのうち、上述した所定軸線に沿って互いに対向する外周面の間には、該各外周面にそれぞれ溶接される形で連結用鋼材を配置してあるので、各周回部分は、連結用鋼材を介して互いに連結されるとともに、隣り合う周回部分の隙間における止水性も十分に確保される。

そのため、螺旋状の小径シールドトンネルは、全体として円筒状あるいは円錐台状の外殻構造を構成することとなり、かくして、セグメントを一部撤去することなく、本設構造体としての外殻を構築することが可能となる。

小径シールドトンネルは、一条で構成する、すなわち１台のシールドマシンを螺旋状に周回させて構築してもよいし、二条以上で構成する、例えば二条であれば、２台のシールドマシンを１８０゜ずらした状態で螺旋状に周回させて構築してもかまわない。

また、小径シールドトンネルの周回形状は、地下空間の用途や特性に応じて適宜定めればよく、円形のほか、楕円形を採用することができる。

連結用鋼材は、小径シールドトンネルのうち、所定軸線に沿って互いに対向する外周面の間に、該各外周面にそれぞれ溶接される形で配置される限り、その具体的構成は任意であって、例えば断面がコの字状の鋼材であって、小径シールドトンネルを構成する各周回部分の離間距離を幅とし、該周回部分のカーブに合わせて湾曲加工されたもので構成することが可能である。

連結用鋼材は、各周回部分の全周に配置してもよいが、小径シールドトンネルで囲まれた側、すなわち大断面領域側からの施工となる関係上、大断面領域を全断面掘削する場合には、各周回部分の全周に沿って連結用鋼材を容易に配置することができる反面、非掘削領域が残る場合には、例えばその領域を仮掘削して小径シールドトンネルを露出させた後、連結用鋼材の施工を行い、しかる後、仮掘削した領域を埋め戻すといった手順をとる必要があり、仮掘削及び埋め戻しがセグメントの一部撤去よりも工期やコスト面で不利になることが懸念される。

この場合、大断面領域のうち、上方に地下空間を形成するとともに、下方を非掘削領域とし、小径シールドトンネルのうち、地下空間に面する周方向範囲には連結用鋼材を配置し、非掘削領域に埋設される周方向範囲には、所定軸線に沿って互いに対向する部位にそれぞれ開口を設けるとともに、該開口を介して上述の鉄筋コンクリート体を一体化させた構成とすることができる。

かかる構成によれば、セグメントの一部撤去を最小限にとどめつつ、本設構造体としての外殻を小径シールドトンネルを用いて構築することが可能となる。

地下空間は、さまざまな用途に用いることが可能であって、例えば地下放水路として用いることができるが、上述の小径シールドトンネルを、螺旋径が所定軸線に沿って大きくなるように延設するとともに、地下空間のうち、螺旋径が小さい側に本線トンネルを、螺旋径が大きい側に該本線トンネル及びそれから分岐するランプトンネルをそれぞれ連通接続した構成とすることにより、道路トンネルの分岐合流部として用いることが可能となる。

連結用鋼材は、十分な強度と止水性をもって小径シールドトンネルの外周面に溶接することが可能であるが、連結用鋼材の大断面領域側であって上述した各外周面に挟まれた領域に吹付けコンクリートを配置した構成とすれば、小径シールドトンネルにおける各外周面の間の止水性を、連結用鋼材のみで確保するのではなく、吹付けコンクリートとの協働作用によって確保することとなり、かくして上述の止水性を合理的なコストで実現することが可能となる。

また、連結用鋼材は、小径シールドトンネルのうち、所定軸線に沿って互いに対向する外周面の間に配置される限り、その具体的な配置構成は任意であって、例えば各外周面の離間距離が最小となる位置に配置することで、連結用鋼材の鋼材量を最小限に抑えることができるが、該連結用鋼材を、上述した各外周面の離間距離が最小となる位置よりも地山側に配置したならば、周辺地盤からの土圧や水圧が連結用鋼材に作用したとき、該荷重は、圧縮力として小径シールドトンネルの外周面に伝達されるため、溶接の品質をそれほど高くせずとも、上述した荷重を確実に支持することが可能となる。

本実施形態に係る地下空間構造１の図であり、(a)は全体斜視図、(b)はＡ−Ａ線に沿う水平断面図。 小径シールドトンネル６を一部が切除された状態で示した図であり、(a)は詳細水平断面図、(b)は詳細斜視図。 地下空間構造１の構築手順を示した横断面図。 引き続き地下空間構造１の構築手順を示した横断面図。 地下空間構造１の構築手順を示した図であり、(a)はＢ−Ｂ線に沿う詳細断面図、(b)はＣ−Ｃ線に沿う詳細断面図、(c)はＤ−Ｄ線に沿う詳細断面図。 変形例に係る詳細断面図。 別の変形例に係る図であり、(a)は横断面図、(b)はＥ−Ｅ線に沿う詳細断面図、(b)はＦ−Ｆ線に沿う詳細断面図。

以下、本発明に係る地下空間構造の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る地下空間構造を示した全体斜視図及び水平断面図である。本実施形態に係る地下空間構造１は、道路トンネルをシールドトンネルで構築する際、そのシールドトンネルの断面を拡幅する場合に本発明を適用したものであって、同図でわかるように、本線トンネル２からランプトンネル３が分岐する分岐合流部を地下空間４とし、該地下空間が形成される大断面領域５を取り囲むように小径シールドトンネル６を本線トンネル２のトンネル軸線７の回りに螺旋状に延設してある。

小径シールドトンネル６は、周回形状が円形となるように延設してあるとともに、螺旋径がトンネル軸線７に沿って、図１では右から左に向かう方向に大きくなるように延設してあり、地下空間４のうち、螺旋径が小さい側（以下、始点側）に本線トンネル２を、螺旋径が大きい側（以下、終点側）に本線トンネル２及びランプトンネル３をそれぞれ連通接続してある。

図２は、小径シールドトンネル６を一部が切除された状態で示した詳細水平断面図及び詳細斜視図である。これらの図でわかるように、小径シールドトンネル６は、小径シールドトンネル本体２１とその内部に構築された鉄筋コンクリート体２２とで構成してあるとともに、小径シールドトンネル６のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する外周面２４，２４の間に連結用鋼材２３を配置してある。

連結用鋼材２３は、小径シールドトンネル６を構成する各周回部分の離間距離ｄ（図２(a)参照）を幅とし、該周回部分のカーブに合わせて湾曲加工された鋼材を周方向に継ぎ足して構成してあり、全体としては、小径シールドトンネル６と同様、螺旋状をなす。

連結用鋼材２３は、断面がコの字状となるようにウェブの各縁部から同一の側にフランジをそれぞれ延設してなる溝形鋼で構成してあり、各フランジを外周面２４，２４に当接させた上、該外周面にそれぞれ溶接してある。

本実施形態に係る地下空間構造１においては、小径シールドトンネル６を、小径シールドトンネル本体２１とその内部に構築された鉄筋コンクリート体２２とで構成してあるため、該小径シールドトンネルを構成する一つ一つの周回部分は、周辺地盤から作用する土圧や水圧を支持するほぼ環状の構造体として機能する。

また、小径シールドトンネル６のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する外周面２４，２４の間には、該各外周面にそれぞれ溶接される形で連結用鋼材２３を配置してあるので、各周回部分は、連結用鋼材２３を介して互いに連結されるとともに、隣り合う周回部分の隙間における止水性も十分に確保される。

本実施形態に係る地下空間構造１を構築するには、まず、図３(a)に示すように本線トンネル２のセグメントを、地下空間４の始点側となる位置で一部撤去して開口３１を設けるとともに、該開口近傍に拡がる地山を掘削除去することにより、シールドマシン３３を発進させる発進部３２を設ける。

本線トンネル２は、小径シールドトンネル６の構築を開始する時点で、地下空間４の始点側となる位置まで到達していれば足りるものであり、地下空間４の起点側から終点側の範囲が構築されている必要はない。

シールドマシン３３は、地盤内に螺旋状のシールドトンネルを構築可能なものを適宜選択する。

次に、シールドマシン３３を発進部３２から発進させるとともに、螺旋状でかつその螺旋径が徐々に大きくなるように、終点側に到達するまで（図３(b)）、トンネル軸線７の回りを周回させる。

シールドマシン３３で地盤内を掘進する際には、テール側で鋼製のセグメントを組み立てては該セグメントから反力をとる形でシールドマシン３３を前進させて前方地山を掘削するとともに、組み立てられた鋼製のセグメントの外周面と地山との隙間に裏込め材を充填していくことで、小径シールドトンネル本体２１を構築する。

図４(a)は、地下空間４の始点側から若干距離だけ離隔した位置における小径シールドトンネル本体２１の構築状況を示したものである。

一方、小径シールドトンネル本体２１の構築が完了した箇所から順次、例えば図４(a)の位置において、図５(a)に示すようにトンネル軸線７に沿って互いに対向する小径シールドトンネル本体２１の裏込め領域面５１，５１の間にあらたな裏込め材５２を小径シールドトンネル本体２１内から注入し、裏込め領域面５１，５１間の止水性を確保する。

次に、図４(b)及び図５(b)に示すように小径シールドトンネル本体２１の内部空間に鉄筋４１を配置し、次いで、該小径シールドトンネル本体内にコンクリート５３を打設することにより、小径シールドトンネル本体２１の内部に鉄筋コンクリート体２２を構築して小径シールドトンネル６とする。

次に、小径シールドトンネル６で囲まれた大断面領域５を、図４(c)に示すように本線トンネル２を解体除去しながら全断面掘削し、同図(d)に示すように地下空間４を形成するとともに、図５(c)に示すように、地下空間４を利用して、小径シールドトンネル６のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する外周面２４，２４の間に、該外周面に連結用鋼材２３のフランジをそれぞれ当接し溶接する形で、該連結用鋼材を配置する。

連結用鋼材２３の設置は、大断面領域５の掘下げに合わせて、小径シールドトンネル６を構成する各周回部分の頂部からインバートに向けて順次行うようにすればよい。

地下空間４の形成及び連結用鋼材２３の設置が完了したならば、地下空間４に適宜道路設備（図示せず）を構築する。

以上説明したように、本実施形態に係る地下空間構造１によれば、小径シールドトンネル６を、小径シールドトンネル本体２１とその内部に構築された鉄筋コンクリート体２２とで構成したので、該小径シールドトンネルを構成する一つ一つの周回部分が、周辺地盤から作用する土圧や水圧を支持するほぼ環状の構造体として機能する。

また、小径シールドトンネル６のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する外周面２４，２４の間に、該各外周面にそれぞれ溶接される形で連結用鋼材２３を配置したので、各周回部分は、連結用鋼材２３を介して互いに連結されるとともに、隣り合う周回部分の隙間における止水性も十分に確保される。

そのため、螺旋状の小径シールドトンネル６は、全体として円錐台状の外殻構造を構成することとなり、かくして、小径シールドトンネル本体２１のセグメントを一部撤去することなく、本設構造体としての外殻を構築することが可能となる。

本実施形態では特に言及しなかったが、図６(a)に示すように連結用鋼材２３の地下空間４の側であって各外周面２４，２４に挟まれた領域に吹付けコンクリート６１を配置するようにしてもよい。

かかる構成によれば、小径シールドトンネル６における各外周面２４，２４の間の止水性を、連結用鋼材２３のみで確保するのではなく、吹付けコンクリート６１との協働作用によって確保することとなり、かくして上述の止水性を合理的なコストで実現することが可能となる。

また、本実施形態では特に言及しなかったが、本発明の連結用鋼材を、図６(b)に示すように各外周面２４，２４の離間距離が最小となる位置よりも地山側に配置されてなる連結用鋼材６２で構成するようにしてもよい。

かかる構成によれば、周辺地盤からの土圧や水圧が連結用鋼材６２に作用したとき、該荷重は、圧縮力として小径シールドトンネル６の外周面２４，２４に伝達されるため、溶接の品質をそれほど高くせずとも、上述した荷重を確実に支持することが可能となる。

また、本実施形態では、大断面領域５を全断面掘削して地下空間４を形成することを前提としたが、図７(a)に示すように、大断面領域５のうち、上方に地下空間４ａを形成するとともに、下方を非掘削領域７１とする場合においては、小径シールドトンネル６のうち、地下空間４ａに面する周方向範囲には、本実施形態と同様、図７(b)に示すように地下空間４ａを利用して連結用鋼材２３を配置し、非掘削領域７１に埋設される周方向範囲には、図７(c)に示すように、小径シールドトンネル本体２１のうち、トンネル軸線７に沿って互いに対向する部位にそれぞれ開口７２，７２を設け、該開口を貫通する鉄筋７３を配置するとともに、該小径シールドトンネル本体の内部空間に上述の実施形態と同様の鉄筋４１を配置した上、小径シールドトンネル本体２１内及び開口７２，７２による連通空間７４にコンクリートを打設することにより、該開口を介して鉄筋コンクリート体を一体化させた構成とすればよい。

かかる構成によれば、小径シールドトンネル本体２１を構成するセグメントの一部撤去を最小限にとどめつつ、本設構造体としての外殻を小径シールドトンネル６を用いて構築することが可能となる。

１ 地下空間構造
２ 本線トンネル
３ ランプトンネル
４，４ａ 地下空間
５ 大断面領域
６ 小径シールドトンネル
７ トンネル軸線（所定軸線）
２１ 小径シールドトンネル本体
２２ 鉄筋コンクリート体
２３，６２ 連結用鋼材
２４，２４ 対向外周面
４１，７３ 鉄筋（鉄筋コンクリート体）
５３ コンクリート（鉄筋コンクリート体）
６１ 吹付けコンクリート
７１ 非掘削領域
７２ 開口

Claims (5)

1. 小径シールドトンネルを所定軸線回りに螺旋状に延設するとともに、該小径シールドトンネルで囲まれた大断面領域に地下空間を形成した地下空間構造において、
   前記小径シールドトンネルを小径シールドトンネル本体とその内部に構築された鉄筋コンクリート体とで構成するとともに、前記小径シールドトンネルのうち、前記所定軸線に沿って互いに対向する外周面の間に、該各外周面にそれぞれ溶接される形で連結用鋼材を配置したことを特徴とする地下空間構造。
2. 前記大断面領域のうち、上方に前記地下空間を形成するとともに、下方を非掘削領域とし、前記小径シールドトンネルのうち、前記地下空間に面する周方向範囲には前記連結用鋼材を配置し、前記非掘削領域に埋設される周方向範囲には、前記所定軸線に沿って互いに対向する部位にそれぞれ開口を設けるとともに、該開口を介して前記鉄筋コンクリート体を一体化した請求項１記載の地下空間構造。
3. 前記小径シールドトンネルを、螺旋径が前記所定軸線に沿って大きくなるように延設するとともに、前記地下空間のうち、螺旋径が小さい側に本線トンネルを、螺旋径が大きい側に該本線トンネル及びそれから分岐するランプトンネルをそれぞれ連通接続した請求項１又は請求項２記載の地下空間構造。
4. 前記連結用鋼材の大断面領域側であって前記各外周面に挟まれた領域に吹付けコンクリートを配置した請求項１乃至請求項３のいずれか一記載の地下空間構造。
5. 前記連結用鋼材を、前記各外周面の離間距離が最小となる位置よりも地山側に配置した請求項１乃至請求項３のいずれか一記載の地下空間構造。

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