JP2016008377A - 矩形断面推進工法 - Google Patents

Abstract

【課題】土留め工施工時の大きな施工ヤードを必要とせず、他の様々な工法と比較してコンパクトな設備で短期間且つ経済的に施工でき、施工後の地盤沈下や土壌汚染が少ない大断面の矩形函路の構築方法を提供する。【解決手段】左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂ及び下部の矩形掘進機１を矩形断面の包括胴管３で一体化し、上部掘進機２Ａ，２Ｂは内部のジャッキで包括胴管３内とその前方とを前後移動できる機能を備える。上部掘進機２Ａ，２Ｂをジャッキで１体ずつ前進させて地盤の上部を掘削し、前進した上部掘進機２Ａ，２Ｂで土被り上の土荷重を先受け状態にした後に、元押装置で包括胴管３を前進させて地盤の下部を矩形掘進機１で掘削するとともに、ジャッキを収縮させて上部掘進機２Ａ，２Ｂを定位置のまま包括胴管３内へ収納し、上下の掘削を交互に繰り返して包括胴管３に後続させた函体コンクリート４を地中に埋入する。【選択図】図２

Description

本発明は、矩形断面のトンネルを構築する工法に関する。

現状の矩形での地下空間構築工法としては、（１）円形鋼管でのパイプルーフ工法による外郭の土留め壁を最初に構築し、外壁の土留め工が出来た後で内部掘削を行う方法（例えば特許文献１参照）や、（２）角型鋼管を使用したＲ＆Ｃ工法（箱型ルーフ先進掘削後コンクリート躯体を現場打コンクリートもしくはコンクリート二次製品で再配置する）（例えば特許文献２参照）、ハーモニカ工法（外郭角型鋼管を外型枠として内部に現場打ちコンクリート打設する）（例えば特許文献３参照）及びＨＥＰ＆ＪＥＳ工法（外郭に角型鋼管を配列して継ぎ手で連結して本体構造物の一部とする）（例えば特許文献４参照）がある。その他、（３）自由断面掘進機等を掘進機後方に矩形セグメントを組立てるシールド工法（例えば特許文献５参照）等がある。しかし、どの施工法も長期間の工程を必要とし、シールド工法を除いた外郭先行の施工法は、２工程式が中心で、地山の応力解放が２回にわたり発生する可能性がある。また、シールド工法は掘進機の製作に時間を要し、莫大な掘進機製作費用がかかり、掘進延長が短い場合は経済性では非常なデメリットとなる。

＜開削トンネル工法＞
開削を行うため、先行して両側に土留め工を施工する必要がある。土留め工の種類としては、地表面から地中連続壁や、柱列式連続杭のような削孔式がある。その他は、鋼矢板土留め工法のように、左右に鋼矢板の打ち込みを行う工法で、その後、掘削機で掘削を行い、函体埋設後埋め戻しを行ってトンネルを構築する。
・周辺環境に対して、直接・間接的な影響（振動・騒音・近接構造物・地下埋設物等）が大きく、交通環境阻害が発生して地域住民に対して問題が多く、又、大規模な施工ヤードが確保されていることが採用の条件となる。
・工費は一番優位性がある。
・最掘削深部分は地盤が開放され、後に、構造物自体の沈下、埋め戻しによる地表面沈下、構造物不等沈下、コンクリート打ち継目や函体コンクリート目地部の漏水が発生する可能性が高い。

＜自由断面シールド工法＞
シールド掘進機の形状には様々な構造がある。ロードヘッダ方式や円形・ドラム組合せ方式、スイングドラムカッター方式、偏心多軸方式（ＤＰＬＥＸ工法）、未掘削隅部のオーガ掘削機能の付加方式等が考えられる。基本的にはシールド機械は全損扱いで工事費を計上されるために、施工費が高騰する。
・シールド掘削機械は非常に高価であるため、経済性は大きな問題となる。
・施工ヤードが非常に大きく求められる。
・一次覆工で終了するために、施工開始から終了までは短期間施工が可能となるが、掘進機の製作には最低１０ヶ月以上必要となる。
・短距離での施工には経済性からは不向きであり、工事規模としては一般的には施工延長５００ｍ以上が、矩形シールド工法採用の条件となる。

＜パイプルーフ工法＞
都市部における地下再開発には、埋設支障物件の多さにより事前の細部に渡っての計画が立てにくい（地下埋設調査の後の断面決定等）ために途中の断面変化の必要性が生じ、地下空間の構築にはパイプルーフ工法が多用される。一般的には円形での鋼管を用い（角型鋼管を採用する場合もある）、推進工法で事前に先受けして、鋼管同士は縦断方向には溶接継ぎ手、断面的にはＴＨ継ぎ手やＡＨ継ぎ手等の鋼管継ぎ手を用いて連結させる。工事の手順は、事前に発進立坑や到達立坑を構築し、その後、パイプルーフ工法で水平に鋼管先受けを行い、水平土留め工を終了した後に、内部の掘削と鋼製支保工の同時施工を行う。掘削や内部支保工が完了した段階で、内部に鉄筋配置や型枠工を施し、コンクリートで巻立てを行う。基本的には以下の特徴がある。
・鋼管１スパン毎の施工であるから、一気に大断面を掘削しない点ではパイプルーフ施工中は地盤への影響が少ない点は優位である。
・１本ずつの施工を行うために、施工期間は長くかかる。
・水平土留め先受け鋼管は地中に残置され、内部は充填されるので、将来的には内部の構造物の安定性には非常に優位となる。
・経済的には鋼管等が残置となり、工事費が高い。
・任意断面（長方形や一部の拡幅断面）の施工や途中の断面変化には最適な工法である。
・一般的な施工延長は１００ｍ以内と考えられる。
・最大の問題は、パイプルーフ工が終了した後に、内部掘削や内部支保工の設置を行うが、その段階で縦列方向での鋼管のたわみが生じ、地盤沈下が発生しやすくなる。

＜全断面地盤改良工法（開放型又は刃口推進型）＞
地盤強度を向上させ、地盤の自立や止水性を確保した上で掘削を行う施工法で、掘削途上での地下水の浸入を防止するために、薬液注入工法や高圧噴射工法で地盤改良を行う。
・地表面からの施工が中心となり、道路等の占用が問題となりやすい。
・施工中の削孔水の処理、攪拌された汚泥が地表面に噴出するため、それらの処理が必要となる。
・施工後の地下水汚染の問題が発生する。
・地表面からの施工が原則であるが水平注入や水平攪拌施工の対策も必要となる。
・事前の既設埋設物の十分な調査が必要である。
・注入中に既設地下埋設物への影響が発生する可能性が高い。
・注入圧が高いと地盤隆起が発生し、空隙率の大きな地盤では薬液やセメント系の逸走が生じ、広範囲に影響を与える危険性がある。

＜箱型ルーフ工法、ＨＥＰ＆ＪＥＳ工法、Ｒ＆Ｃ工法等＞
外郭を先行して土留めを行い、矩体コンクリートを引き込む施工法、押込む施工法、外郭を外側型枠に利用して内部を構築する施工法、先行して埋設した外郭の角型部材を本体構造物の一部に活用した施工法がある。

特開２００５−１６１４１号公報 特開２００１−７３６７０号公報 特開２００４−２５０９５７号公報 特開２０００−１２０３７２号公報 特開２０００−８７８１号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来型のアンダーパスの工法では土留め工施工時に大きな施工ヤードを必要となることから、これらの問題点を解消し、前記の様々な工法と比較してコンパクトな設備及び短期間で経済性評価が高い施工が可能となり、しかも施工後の地盤沈下や土壌汚染が少ない大断面の矩形函路の構築方法を提供することにある。

かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 地中に構築しようとする矩形函路の断面上部の掘削に対しては円形又は矩形の密閉型の上部掘進機を複数用い、前記矩形函路の断面下部の掘削に対しては矩形掘進機を用い、これらの掘進機を隔壁付きの矩形断面の包括胴管で一体化し且つ上部掘進機は内部に設置されたジャッキで包括胴管内とその前方とを前後移動できる機能を備え、各掘進機にて掘削土砂を取り込んで後方へ排出する独立した排土装置を設け、包括胴管の先端に貫入抵抗を軽減するカッティングビットを設け、複数の上部掘進機をジャッキで１体ずつ前進させながら地盤の上部を掘削し、前進した全ての上部掘進機で土被り上の土荷重を先受け状態にした後に、矩形掘進機と一体の包括胴管を発進立坑内に設置した元押装置で前進させながら地盤の下部を矩形掘進機で掘削するとともに、前記ジャッキを収縮させながら上部掘進機を定位置のまま包括胴管内へ収納し、この上下の掘削を交互に繰り返しながら包括胴管に後続させた函体コンクリートを地中に埋入して矩形函路を構築することを特徴とする、矩形断面推進工法
２） 矩形掘進機の両側の隔壁に両側の地盤を切削するサイドカッティング部を設けた、前記１）記載の矩形断面推進工法
３） 隔壁が、地盤の掘削部分に高圧の泥水を噴射する泥水噴射孔を備えているものである、前記１）又は２）記載の矩形断面推進工法
４） 一体では運搬不可能な函体コンクリートが、２分割又は３分割に複数に分割された各ピースを現場で連結して一体化組立を行って推進工法で施工可能にしたものである、前記１）〜３）いずれか記載の矩形断面推進工法
５） 左右の上部掘進機の中間位置の未掘削部に地山を攪拌混合する攪拌混合カッターを設けた、前記１）〜４）いずれか記載の矩形断面推進工法
にある。

本発明によれば、上部と下部の掘進機を組み合わせて推進工法で施工するから、矩形断面の分割掘削が可能となり、地山安定に優れ、外郭の土留め工等の補助工法が不要となり、施工ヤードも他の工法と比較して小規模なもので済み、短期間で大断面の矩形函路を施工できる。しかも開削や埋め戻し作業がなく、薬液注入等の地盤改良も坑口付近のみで基本的に全断面は不要となるから、地盤沈下や土壌汚染が少ないものとなる。

実施例の上部掘進機と矩形掘進機の正面図である。 実施例の上部掘進機と矩形掘進機の断面図である。 実施例の回転カッターの掘削範囲を示す説明図である。 実施例の矩形断面推進工法の工程を示す説明図である。 実施例の矩形断面推進工法の工程を示す説明図である。 実施例の他の例の上部掘進機と矩形掘進機の正面図である。

以下、本発明を実施するための形態を代表的な実施例と図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、様々な組み合わせや変形が可能である。例えば、矩形掘進機を左右２連とし、上部掘進機を左右３連又は４連などとすることで、より大断面の矩形函路を構築できるようにすることも可能である。

本実施例を図１〜５に示す。図中、１は矩形掘進機、２Ａ，２Ｂは上部掘進機、３は包括胴管、４は函体コンクリート、Ｇは地盤、Ｓは削孔である。

矩形掘進機１は、掘削土砂を取り込む排土口１１と、排土口１１から取り込まれた掘削土砂を後方へ搬送して排出する排土装置１２と、排土口１１の周囲に回転可能に設けた回転体１３と、回転体１３に軸支して回転体１３の回転で自転公転する３体の回転カッター１４と、回転体１３の回転と回転カッター１４の自転を駆動する駆動部１５とで構成されている。

排土装置１２は、掘削土砂の流路となる排土管１２ａと、排土管１２ａ内の掘削土砂を後方へ搬送するスクリューコンベヤ１２ｂと、スクリューコンベヤ１２ｂを駆動するモーター１２ｃと、搬送中の掘削土砂の排土量を調節する膨縮可能な排土バルブ１２ｄと、搬送された掘削土砂を外部へ排出する開閉可能な排土ゲート１２ｅとで構成されている。

回転カッター１４は偏心型で、その回転軸が中心部から偏心した位置に設けられており、駆動部１５によって、図３に示すように、上下左右位置を公転するときは短手が外側に来るように自転し、四隅位置を公転するときは長手が外側に来るように自転する。これによって、地盤Ｇを矩形断面に掘削できるようになっている。回転カッター１４が届かない左右部分は、後述のサイドカッティング部３６で切削される。

上部掘進機２Ａ，２Ｂは、外装２１と、掘削土砂を取り込む排土口２２ａを備えた隔壁２２と、排土口２２ａから取り込まれた掘削土砂を後方へ搬送して排出する排土装置２３と、隔壁２２の中心部に軸支して回転する回転カッター２４と、回転カッター２４を駆動する駆動部２５と、後述の上部掘進機押込ジャッキ３８の推進力を受ける押輪２６とで構成されている。

外装２１は、長さが約４ｍの円筒状で、上部掘進機２Ａ，２Ｂのスライド量を規制するバッキング止治具２１ａ及びスライド止治具２１ｂと、掘削土砂の流入を防止するブラシ付きダブルパッキン２１ｃとを備えている。排土装置２３は、掘削土砂の流路となる排土管２３ａと、搬送中の掘削土砂の排土量を調節する膨縮可能な排土バルブ２３ｂとで構成されている。

包括胴管３は、例えば高さが約６．２ｍ、幅が約５ｍの断面矩形状で、高圧の泥水を噴射する泥水噴射孔３１ａ，３２ａを備えた隔壁３１，３２と、上部掘進機２Ａ，２Ｂをスライド可能に支持する２体のガイド円筒スリーブ管３３と、掘進方向を修正する方向修正ジャッキ及び中押しジャッキ３４と、地盤Ｇを矩形断面に切削するカッティングビット３５及びサイドカッティング部３６とで構成されている。ガイド円筒スリーブ管３３の前後端には上部掘進機２Ａ，２Ｂのバッキング止治具２１ａとスライド止治具２１ｂが接触して上部掘進機２Ａ，２Ｂのスライド量が１．８ｍに規制されるようになっている。また、ガイド円筒スリーブ管３３の内周面には上部掘進機２Ａ，２Ｂのブラシ付きダブルパッキン２１ｃが密接して包括胴管３内への掘削土砂及び泥水の流入が防止されるようになっている。サイドカッティング部３６は、矩形掘進機１で掘削されなかった左右部分を元押しの推進力で切削するものである。

この包括胴管３内の下部に矩形掘進機１を設置し、その後方位置に掘削土砂を貯泥する貯泥槽３７を設置し、その貯泥槽３７に掘削土砂を送り出す土砂送出装置３７ａを排土装置１２の直下位置に設置する。２体のガイド円筒スリーブ管３３内には上部掘進機２Ａ，２Ｂをそれぞれ挿入し、包括胴管３内の後部に左右の押輪２６を押す２体の上部掘進機押込ジャッキ３８をそれぞれ取り付け、左右の排土管２３ａと貯泥槽３７とを伸縮可能な排土ホース３７ｂでそれぞれ接続する。左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂの中間位置（未掘削部）には、地山を攪拌混合する攪拌混合カッター３９を装備する。以上の各機材は、それぞれが道路運搬可能な大きさで、現場で組み立てられるものである。

函体コンクリート４は、例えば高さが６．１ｍ、幅が４．９ｍの断面矩形状で、道路運搬可能な大きさの各ピースに分割された状態に製作して現場に搬入し、施工直前に止水性を確保して組み立てられるものである。

本実施例では、図４（ａ）に示すように、包括胴管３の後端に複数の函体コンクリート４が接続されており、最後尾の函体コンクリート４は発進立坑の元押装置（図示は省略）で支えられている。この状態で、泥水噴射孔３２ａから泥水を噴射させるとともに左右いずれか一方の上部掘進機２Ａ，２Ｂ（本実施例では左側の上部掘進機２Ａ）を作動させ、図４（ｂ）に示すように、上部掘進機押込ジャッキ３８で矩形掘進機１に対して前進させながら地盤Ｇの上部を円形断面に掘削する。上部掘進機押込ジャッキ３８は、そのロッド３８ａが包括胴管３の後端に当接して反力を得て、押輪２６を前方へ押して掘進させる。掘削土砂は泥水で流動化されて排土口２２ａから取り込まれ、土圧で排土管２３ａと排土ホース３７ｂを通じて貯泥槽３７へ送り込まれる。この間、包括胴管３と函体コンクリート４は静止している。

左側の上部掘進機２Ａのスライド止治具２１ｂがガイド円筒スリーブ管３３の後端に接触すると停止させ、図５（ａ）に示すように、今度は右側の上部掘進機２Ｂを作動させ、上部掘進機押込ジャッキ３８で矩形掘進機１に対して前進させながら地盤Ｇの上部を円形断面に掘削する。掘削土砂は左側と同じように泥水で流動化されて貯泥槽３７へ送り込まれ、スライド止治具２１ｂがガイド円筒スリーブ管３３の後端に接触すると停止させる。これによって、地盤Ｇの上部が先行して掘削され、前進した左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂで土被り上の全土圧（土荷重）を先受けした状態となる。この先行掘削により、一度に全断面を掘削する場合と比較して地盤Ｇの緩みを最小限に防止できる。

次に、泥水噴射孔３１ａから泥水を噴射させるとともに矩形掘進機１を作動させ、図５（ｂ）に示すように、最後尾の函体コンクリート４を元押しして包括胴管３を前進させながら地盤Ｇの下部を矩形断面に掘削する。左右の上部掘進機押込ジャッキ３８は並行して収縮させ、左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂは地盤Ｇとの接触で定位置のままガイド円筒スリーブ管３３内へ戻る。このとき、上部の掘削が既に終了しているから、一度に全断面を掘削する場合と比較して前面抵抗や上載荷重の負荷が少なくなり、泥水の噴射で包括胴管３の貫入抵抗も減少する。掘削土砂は排土口１１に取り込まれてスクリューコンベヤ１２ｂで後方へ搬送され、排土ゲート１２ｅから落下して土砂送出装置３７ａで貯泥槽３７へ送り出される。矩形掘進機１と上部掘進機２Ａ，２Ｂで掘削されなかった未掘削部分は、カッティングビット３５とサイドカッティング部３６で切削される。左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂのバッキング止治具２１ａがガイド円筒スリーブ管３３の前端に接触してガイド円筒スリーブ管３３内に収納されると、矩形掘進機１と元押しを停止させる。

以上のようにして、左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂによる上部の掘削と矩形掘進機１による下部の掘削を図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），（ｂ）に示すように交互に繰り返すことで、地盤Ｇが矩形断面に掘進されて地中に矩形函路が構築される。

図６に示すのは、本実施例の他の例である。この例は、円形の上部掘進機２Ａ，２Ｂに代えて矩形の上部掘進機２Ａ，２Ｂを用いている。これによって、先行掘削した際、角型によって左右の上部掘進機２Ａ，２Ｂの間の間隙が減少し、円形と比較して未掘削部が少なくなり、より確実に頂部の土砂を先受けして緩みを防止することができる。また、地盤Ｇの上部も矩形断面に掘削されるから、包括胴管３の貫入抵抗がより軽減される。その他、符号、構成、作用効果は実施例と同じである。

本発明の技術は、内空断面が３．０ｍを越える地下通路や雨水渠、共同溝等の構築に有用である。

１ 矩形掘進機
１１ 排土口
１２ 排土装置
１２ａ 排土管
１２ｂ スクリューコンベヤ
１２ｃ モーター
１２ｄ 排土バルブ
１２ｅ 排土ゲート
１３ 回転体
１４ 回転カッター
１５ 駆動部
２Ａ 上部掘進機
２Ｂ 上部掘進機
２１ 外装
２１ａ バッキング止治具
２１ｂ スライド止治具
２１ｃ ブラシ付きダブルパッキン
２２ 隔壁
２２ａ 排土口
２３ 排土装置
２３ａ 排土管
２３ｂ 排土バルブ
２４ 回転カッター
２５ 駆動部
２６ 押輪
３ 包括胴管
３１ 隔壁
３１ａ 泥水噴射孔
３２ 隔壁
３２ａ 泥水噴射孔
３３ ガイド円筒スリーブ管
３４ 方向修正ジャッキ及び中押しジャッキ
３５ カッティングビット
３６ サイドカッティング部
３７ 貯泥槽
３７ａ 土砂送出装置
３７ｂ 排土ホース
３８ 上部掘進機押込ジャッキ
３８ａ ロッド
３９ 攪拌混合カッター
４ 函体コンクリート
Ｇ 地盤
Ｓ 削孔

Claims (5)

1. 地中に構築しようとする矩形函路の断面上部の掘削に対しては円形又は矩形の密閉型の上部掘進機を複数用い、前記矩形函路の断面下部の掘削に対しては矩形掘進機を用い、これらの掘進機を隔壁付きの矩形断面の包括胴管で一体化し且つ上部掘進機は内部に設置されたジャッキで包括胴管内とその前方とを前後移動できる機能を備え、各掘進機にて掘削土砂を取り込んで後方へ排出する独立した排土装置を設け、包括胴管の先端に貫入抵抗を軽減するカッティングビットを設け、複数の上部掘進機をジャッキで１体ずつ前進させながら地盤の上部を掘削し、前進した全ての上部掘進機で土被り上の土荷重を先受け状態にした後に、矩形掘進機と一体の包括胴管を発進立坑内に設置した元押装置で前進させながら地盤の下部を矩形掘進機で掘削するとともに、前記ジャッキを収縮させながら上部掘進機を定位置のまま包括胴管内へ収納し、この上下の掘削を交互に繰り返しながら包括胴管に後続させた函体コンクリートを地中に埋入して矩形函路を構築することを特徴とする、矩形断面推進工法。
2. 矩形掘進機の両側の隔壁に両側の地盤を切削するサイドカッティング部を設けた、請求項１記載の矩形断面推進工法。
3. 隔壁が、地盤の掘削部分に高圧の泥水を噴射する泥水噴射孔を備えているものである、請求項１又は２記載の矩形断面推進工法。
4. 一体では運搬不可能な函体コンクリートが、２分割又は３分割に複数に分割された各ピースを現場で連結して一体化組立を行って推進工法で施工可能にしたものである、請求項１〜３いずれか記載の矩形断面推進工法。
5. 左右の上部掘進機の中間位置の未掘削部に地山を攪拌混合する攪拌混合カッターを設けた、請求項１〜４いずれか記載の矩形断面推進工法。

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