JP2016142102A - トンネル施工方法および変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地山の変位を的確に把握したうえで高品質に施工を行うことを可能としたトンネル施工方法および変位計測装置を提供する。【解決手段】トンネル上半１１を掘削する上半掘削工程と、トンネル上半１１からトンネル１の底部に変位計測装置６を設置する計測装置設置工程と、変位計測装置６により地山変位を確認しつつトンネル下半１２を掘削する下半掘削工程と、変位計測装置６により地山変位を確認しつつインバート部１３を掘削するインバート掘削工程と、インバート部１３にインバートコンクリートを打設するインバート打設工程とを備えているトンネル施工方法。【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル施工方法および変位計測装置に関する。

トンネルの施工時に安全を確保するとともに周辺地山への影響を抑制するためには、地山の変位を適切に把握した上で施工する必要がある。
そのため、トンネルの掘進に伴う地山の緩みが予想される場合には、地山の変位を計測しながら施工を行う必要がある。

インバート施工後に地山変動が生じると、インバート部が浮上（隆起）することがある。
そのため、インバートの施工は、地山の変位を把握したうえで、変位収束の確認や補助工法の要否を判断して行う必要がある。

地山の変位計測に用いる変位計測装置としては、例えば特許文献１に示すように、地山を削孔することにより形成された計測孔に計測管を挿入し、計測孔の手前（孔口部）に変位を電気的に変換する変換部を取り付けたものが使用されている。

特開平１０−３００４６２号公報

トンネル底部における地山の変位計測は、上半掘削後に変位計測装置をトンネル底部に設置し、下半掘削時およびインバート掘削時に実施するのが望ましい。
一方、従来の変位計測装置は、トンネル側壁から側方に向けて削孔された計測孔に設置されるのが一般的であった。

このような観点から、本発明は、地山の変位を的確に把握したうえで高品質に施工を行うことを可能としたトンネル施工方法および変位計測装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のトンネル施工方法は、トンネル上半を掘削する上半掘削工程と、前記トンネル上半からトンネルの底部に変位計測装置を設置する計測装置設置工程と、前記変位計測装置により地山変位を確認しつつトンネル下半を掘削する下半掘削工程と、前記変位計測装置により地山変位を確認しつつインバート部を掘削するインバート掘削工程と、前記インバート部にインバートコンクリートを打設するインバート打設工程とを備えていることを特徴としている。

かかるトンネル施工方法によれば、変位計測装置によりトンネル底部の地山の変位を直接計測するため、より正確な計測結果を得ることができる。
また、下半掘削時およびインバート掘削時に発生する地山の変位を把握することで、変位収束に要する期間や、補助工法の要否判断をより適切に行うことができる。
下半掘削工程およびインバート掘削工程における地山変位の計測は、定期的に複数回行うものとし、少なくとも掘削開始前と掘削完了後には実施するのが望ましい。

また、前記変位計測装置の計測結果に基づき地山の安定を確認してから前記インバート打設工程を実施すれば、インバート施工後のインバートの浮き上がり等を防止することができる。

また、本発明の変位計測装置は、ガイド管と、前記ガイド管の外面に設置された沈下素子と、前記ガイド管内に挿入される検出器とを備えるものであって、前記ガイド管に所定間隔ピッチで弱部が形成されており、前記ガイド管が前記弱部において切断可能であることを特徴としている。

かかる変位計測装置によれば、ガイド管が切断可能であるため、変位計測装置が設置されていることにより掘削作業が妨げられることがない。そのため、地山状況を適切に把握したうえで、作業を進行させることができる。

本発明のトンネル施工方法および変位計測装置によれば、地山の変位を的確に把握したうえで高品質に施工を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネルを示す断面図である。 本実施形態のトンネル施工方法における上半掘削工程を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る変位計測装置を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同トンネル施工方法の下半掘削工程を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 同トンネル施工方法のインバート掘削工程を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 同トンネル施工方法のインバート打設工程を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。

本発明の実施形態では、インバート部１３を有したトンネル１の施工方法について説明する。
図１に示すように、トンネル１は、吹付けコンクリート２、覆工コンクリート３およびインバートコンクリート４を有している。

本実施形態のトンネル施工方法は、いわゆるベンチカット工法により行うものとし、上半掘削工程、計測装置設置工程、下半掘削工程、インバート掘削工程およびインバート打設工程を備えている。

上半掘削工程は、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネル上半１１（スプリングライン（ＳＬ）よりも上の範囲）を掘削する工程である。
トンネル上半１１の掘削方法は限定されるものではなく、例えば、機械掘削方式や発破掘削方式等により行う。なお、トンネル上半１１の掘削は、フォアポーリングやＡＧＦ等の補助工法を併用してもよい。

掘削により露出した地山は、吹付けコンクリート２や支保工（図示せず）によって早期に被覆する。
図２の（ｂ）に示すように、本実施形態では、トンネル１の切羽１４に対してコンクリート５を吹き付ける（鏡吹付け）。なお、鏡吹付けは必要に応じて施工すればよい。また、必要に応じて鏡ボルト等の補助工法を併用してもよい。

計測装置設置工程は、図２の（ａ）に示すように、トンネル上半１１からトンネル１の底部（トンネル１の下方）に変位計測装置６を設置する工程である。
変位計測装置６は、トンネル縦断方向に対して、所定の間隔（２０ｍ〜５０ｍ程度）で設置する。なお、変位計測装置６の配設ピッチは、地山状況等に応じて適宜決定すればよい。

変位計測装置６を設置するには、まず、トンネル上半１１の底面からトンネルの底部（下方）に向けて計測孔６０を削孔する。
本実施形態では、トンネル１の左右の脚部付近を通過するように配設された２本の計測孔６０，６０と、断面中央に配設された１本の計測孔６０とにより、一つの横断面につき３本の計測孔６０，６０，６０を形成するが、計測孔６０の数や配置は限定されない。なお、計測孔６０の深さは限定されるものではなく適宜設定すればよいが、好ましくは４ｍ〜３０ｍの範囲内、より好ましくは４ｍ〜１５ｍの範囲内とすればよい。

変位計測装置６は、図３の（ａ）に示すように、ガイド管６１と、ガイド管６１の外面に設置された沈下素子６２と、ガイド管６１内に挿入される検出器６３と、ケーブル６４と、ケーブルドラム６５とを備えている。

ガイド管６１は、計測孔６０内に挿入される管材である。本実施形態では、アルミニウム製の管材を使用するが、ガイド管６１を構成する材料は限定されない。本実施形態では、ガイド管６１のインバート外縁からの埋め込み長さを８〜１２ｍ程度とするが、ガイド管６１の埋め込み長さは限定されない。

ガイド管６１には、所定の深さ毎（例えば１ｍピッチ）に弱部（溝）６６が形成されている。
弱部６６は、ガイド管６１の肉厚を薄くした部分である。本実施形態では、ガイド管６１の外面にガイド管６１を一周する溝を形成することで、弱部６６を形成している。
ガイド管６１は、弱部６６において切断しやすくなっている。

なお、弱部６６の断面形状は限定されるものではなく、例えば三角形、台形、半円形等であってもよい。
また、弱部６６は、必ずしも外面に形成した溝である必要はなく、内面に形成してあってもよい。また、弱部６６はガイド管６１の周方向に対して部分的（断続的）に形成されていてもよく、必ずしも全周にわたって形成されている必要はない。
さらに、弱部６６は必ずしも溝である必要はなく、例えば、溝ガイド管６１の本体よりも強度の弱い部分を弱部６６としてもよい。

沈下素子６２は、永久磁石を有していて、地盤の沈下とともに移動する部材である。
本実施形態では、１本のガイド管６２に対して４〜８点程度の沈下素子６２を設置する。なお、沈下素子６２の数や設置間隔は限定されない。例えば、ガイド管６１のインバート外縁からの埋め込み長さが１２ｍの場合には、インバート外縁から１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ、６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍの８カ所に沈下素子６２を設置すればよい。

沈下素子６２は、計測孔６０の孔壁面に当接した状態で設置されている。
本実施形態の沈下素子６２は、図３の（ｂ）に示すように、板ばね６２ａと板ばね６２ａの周囲に貼設された永久磁石６２ｂとを備えている。

沈下素子６２は、ガイド管６１の外面に設置された状態で、ガイド管６１とともに計測孔６０に挿入される。このとき、永久磁石６２ｂは、図示せぬ結束バンド等により板ばね６２ａとともにガイド管６１の周囲に巻き付けられている。
ガイド管６１を所定の深さまで挿入したら、締結バンドを取り外して板ばね６２ａを開放する。こうすることで、永久磁石６２ｂが板ばね６２ａの復元力によって計測孔６０の孔壁面に押し当てられた状態となる。

検出器６３は、ケーブル６４により吊り下げられた状態でガイド管６１内に挿入されて、沈下素子６２の磁界を検出して変位量を検出する。
ケーブル６４は、ガイド管６１の上端に設置されたケーブルドラム６５に巻き付けられている。ケーブルドラム６５を操作することによりケーブル６４の長さ（検出器６３の深さ位置）を調節することができる。

変位計測装置６を計測孔６０へ設置する場合には、ガイド管６１を計測孔６０に挿入した後、沈下素子６２を計測孔６０の孔壁に当接させた状態で、ガイド管６１と計測孔６０との隙間にモルタル（図示せず）を注入する。

下半掘削工程は、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、変位計測装置６により地山変位を確認しつつトンネル下半１２（本実施形態では施工基面（ＦＬ）とＳＬとの間の範囲）を掘削する工程である。
掘削時には、ガイド管６１の頂部に蓋をしておき、ガイド管６１内に土砂が入り込むことを防止する。

下半掘削工程中、又は下半掘削工程後の適宜なタイミングでガイド管６１内に検出器６３を挿入し、沈下素子６２の近傍を通過する際の磁気を検知することで沈下素子６２の深度を計測する。
変位計測は定期的に複数回行い、計測時期と変位量を記録しておく。

掘削深度が、ガイド管６１の弱部６６の深さまで到達したら、弱部６６においてガイド管６１の露出部分を切断し、当該弱部６６よりも上側のガイド管６１を撤去する。ガイド管６１の露出部分を撤去したら、残ったガイド管６１の頂部に蓋をし、掘削を再開する。

掘削により露出した地山は、吹付けコンクリート２や支保工（図示せず）によって早期に被覆する。
なお、変位計測装置６により地山の変位の収束が確認されてからトンネル下半１２の掘削を行う場合には、支保工等の設置を省略してもよい。

図４の（ｂ）に示すように、本実施形態では、トンネル下半１２の切羽１５に対してコンクリート５を吹き付ける（鏡吹付け）。なお、コンクリート５による鏡吹付けは必要に応じて施工すればよく、例えばトンネル下半１２の切羽を安定勾配による傾斜面にする場合には省略してもよい。また、必要に応じて鏡吹付けコンクリート５に加えて、鏡ボルト等の補助工法を併用してもよい。

また、変位計測により、地山の緩みが予測される場合には、ロックボルトや地盤改良等の補助工法を併用してトンネル下半１２の掘削を行ってもよい。

インバート掘削工程は、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、変位計測装置６により地山変位を確認しつつインバート部１３（本実施形態ではＦＬ以深の範囲）を掘削する工程である。
まず、トンネル下半１２の掘削時に計測した変位量を基に収束時期を予測する。

予測される地山変位の収束時期が工程上許容される範囲内であれば、変位計測を継続し、地山変位の収束が確認できてからインバート部１３の掘削を開始する。なお、本実施形態では、下半掘削後、２週間程度変位がない場合に、地山変位の収束が確認できたものとして、下半掘削後１．５カ月以内にインバート掘削を開始する。
一方、予測される地山変位の収束時期が工程上許容できない場合には、補助工法（例えばインバートストラットや底面吹付けコンクリート等）の併用しながらのインバート掘削を検討する。

続いて、インバート部１３の掘削とともに、変位計測装置６による計測を実施する。
変位計測は、ガイド管６１内に検出器６３を挿入し、沈下素子６２の近傍を通過する際の磁気を検知することで、深度を計測する。

トンネル下半１２の掘削時の変位量に、インバート部１３の掘削時の変位量を加味し、インバート部１３の掘削に伴う地山変位の収束時期予測の精度を向上させる。
地山変位の収束時期の予測結果に応じて、補助工法の要否を検討する。

地山変位の収束時期の予測方法は限定されるものではないが、例えば、変位計測装置６による計測結果（経過時間と変位量の関係）をプロットし、プロット同士を結ぶ直線の傾斜角の変化により収束時期を予測してもよいし、式１を利用して坑内変位が許容値以内となる時間を算出してもよい。なお、式１は、坑内変位をフォークトの３要素力学モデルに基づきものと仮定した近似式である。
δ_ｔ＝δ_ｅ＋α・（１−ｅ^−β・ｔ） ・・・式１
δ_ｔ：時間ｔ経過後の内空変位量
δ_ｅ：弾性変位量
α：クリープ変位量
β：収束に関する係数
ｔ：時間

インバート部１３の掘削時には、ガイド管６１の頂部に蓋をしておき、ガイド管６１内に土砂が入り込むことを防止する。また、必要に応じてガイド管６１の上端に回転灯等の目印を設置してもよい。
掘削深度が、ガイド管６１の弱部６６の深さまで到達したら、弱部６６においてガイド管６１を折って、ガイド管６１の当該弱部６６よりも上部分撤去する。ガイド管６１の上部分を撤去したら、ガイド管６１の頂部に蓋をし、掘削を再開する。

なお、本実施形態では、インバート部１３の切羽側端部を法面状に形成するが、インバート部１３の切羽側端部の形状は限定されない。

インバート打設工程は、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、インバート部１３にインバートコンクリート４を打設する工程である。
インバート打設工程は、インバート部１３の掘削後、変位計測装置６を利用した変位計測により地山の安定が確認されてから実施する。

本実施形態のトンネル施工方法によれば、変位計測装置６により地山の変位を直接計測するため、より正確な計測結果を得ることができる。
また、トンネル下半１２の掘削時およびインバート部１３の掘削時に発生する地山の変位を把握することで、変位収束に要する期間や、補助工法の要否判断をより適切に行うことができる。

トンネル下半１２の掘削時およびインバート部１３の掘削時に地山変位を計測するため、掘削による変位量と変位速度から地山の特性を正確に把握することができる。
また、インバートの施工時期と補助工法の要否を複数回にわたって判断することができるため、インバートコンクリート施工後の変状リスク（インバートの浮き上がり等）をより確実に低減することができる。
変位計測装置６の計測結果により地山の安定が確認されてからコンクリート４を打設するため、インバート施工後のインバートの浮き上がり等を防止することができる。

また、切断可能なガイド管６１を使用しているため、トンネル下半部１２やインバート部１３の掘削作業が妨げられることがない。そのため、地山状況を適切に把握したうえで、掘削作業を進行させることができる。

本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、ガイド管を弱部において切断する場合について説明したが、ガイド管が複数の管部材により連結されている場合には、下半部やインバート部の掘進に応じて管部材を取り外してもよい。
トンネル施工方法において使用する変位計測装置の構成は、前記実施形態で使用したものに限定されない。

１ トンネル
１１ トンネル上半
１２ トンネル下半
１３ インバート
２ 吹付けコンクリート
３ 覆工コンクリート
４ インバートコンクリート
５ 鏡吹付けコンクリート
６ 変位計測装置
６１ ガイド管
６２ 沈下素子
６３ 検出器

Claims (3)

1. トンネル上半を掘削する上半掘削工程と、
   前記トンネル上半からトンネルの底部に変位計測装置を設置する計測装置設置工程と、
   前記変位計測装置により地山変位を確認しつつトンネル下半を掘削する下半掘削工程と、
   前記変位計測装置により地山変位を確認しつつインバート部を掘削するインバート掘削工程と、
   前記インバート部にインバートコンクリートを打設するインバート打設工程と、を備えていることを特徴とするトンネル施工方法。
2. 前記変位計測装置の計測結果に基づき地山の安定を確認してから前記インバート打設工程を実施することを特徴とする、請求項１に記載のトンネル施工方法。
3. ガイド管と、前記ガイド管の外面に設置された沈下素子と、前記ガイド管内に挿入される検出器と、を備える変位計測装置であって、
   前記ガイド管に所定間隔ピッチで弱部が形成されており、前記ガイド管が前記弱部において切断可能であることを特徴とする、変位計測装置。

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