JP2016199974A - トンネル施工方法およびトンネル支保構造 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネルの変形量の低減化を図ることを可能とした、トンネル施工方法およびトンネル支保構造を提案する。
【解決手段】切羽近傍において第一支保構造２を構築する第一支保工程と、切羽の後方において第二支保構造３を構築する第二支保工程とを備えるトンネル施工方法であって、第一支保工程は、掘削によって露出した地山Ｇに沿って第一鋼製支保工２１を建て込む作業と、地山Ｇに対して第一吹付けコンクリート２２を吹き付ける作業と、地山Ｇに対してロックボルト２３を打設する作業とを含み、第二支保工程は第一吹付けコンクリート２２の表面に沿って第二鋼製支保工３１を建て込む作業と、第一吹付けコンクリート２２に対して第二吹付けコンクリート３２を吹き付ける作業とを含んでおり、第二鋼製支保工３１は、第一鋼製支保工２１同士の間に建て込む。
【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル施工方法およびトンネル支保構造に関する。

ＮＡＴＭトンネル等の山岳トンネルでは、トンネル掘削によって露出した地山を一次支保により早期に閉塞して、地山の安定化を図っている。
一般的なトンネルの一次支保には、吹付けコンクリートと鋼製支保工とロックボルトが使用されている。
地圧（岩盤や土の圧力）が高い地山では、一次支保の剛性を高める必要がある。

一次支保の剛性を高める方法として、鋼製支保工の断面を大きくすることが考えられるが、この場合、鋼製支保工の重量が大きくなることで取扱い難くなり、施工に手間がかかる。また、断面が大きな鋼製支保工は、アーチ状に加工し難く、製造コストが高くなる。
そのため、一次支保の剛性を高めることを目的として、地山面に沿って建て込まれた鋼製支保工の内側に、鋼製支保工をさらに建て込む多重支保工が採用される場合がある（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。

特開平１１−３０３５９２号公報

北川修三他２名、「施工時差を考慮した多重支保工法の膨張性地山トンネルに対する適用」、２００２年、土木学会論文集、Ｎｏ．７２１／ＶＩ−５７、第２７頁から第３９頁

前記従来の多重支保工は、鋼製支保工同士の間においてトンネル（吹付けコンクリート）の剛性が小さく変形量が大きくなってしまう。そのため、鋼製支保工同士間の剛性を高める必要がある。また、鋼製支保工間の吹付けコンクリートに大きな荷重が作用するため、吹付けコンクリートの強度を高める必要がある。

このような観点から、本発明は、トンネルの変形量の低減化を図ることを可能とした、トンネル施工方法およびトンネル支保構造を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、切羽近傍において第一支保構造を構築する第一支保工程と、前記切羽の後方において、前記第一支保構造の内側に第二支保構造を構築する第二支保工程とを備えるトンネル施工方法であって、前記第一支保工程は、掘削によって露出した地山に沿って第一鋼製支保工を建て込む作業と、前記地山に対して第一吹付けコンクリートを吹き付ける作業とを含み、前記第二支保工程は、前記第一吹付けコンクリートの表面に沿って第二鋼製支保工を建て込む作業と、前記第一吹付けコンクリートに対して第二吹付けコンクリートを吹き付ける作業とを含んでおり、前記第二鋼製支保工は前記第一鋼製支保工同士の間に建て込む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、トンネル軸方向に対する第一鋼製支保工と第二鋼製支保工との位置をずらしているため、トンネルに作用する力を分散させることができる。そのため、トンネルの変形を抑制し、ひいては、従来の多重支保工に比べて吹付けコンクリートに作用する荷重が小さくなるため、吹付けコンクリートの強度を低減させることができる。
なお、前記第二支保工程の前に、インバート吹付けを行う仮インバート工程を含んでいれば、掘削により露出した地山を早期に閉合することができ、地山の安定性を確保することができる。

また、本発明のトンネル支保構造は、トンネル軸方向に沿って間隔をあけて建て込まれた複数の第一鋼製支保工と、地山に対して吹き付けられた第一吹付けコンクリートと、前記第一吹付けコンクリートの内側において前記第一鋼製支保工同士の間に建て込まれた第二鋼製支保工と、前記第一吹付けコンクリートの内面に吹き付けられた第二吹付けコンクリートとを備えることを特徴としている。
かかるトンネル支保構造によれば、千鳥状に配設された鋼製支保工によって、トンネルに作用する力を分散し、ひいては、トンネルの変形を抑制することができる。

本発明のトンネル施工方法およびトンネル支保構造によれば、トンネルの変形量の低減化を図ることが可能となる。

本発明の実施形態のトンネル支保構造を示す横断面図である。 図１に示すトンネル支保構造の一部を示す縦断面図である。 （ａ）トンネル支保構造の効果について実施した数値解析の支保パターンを示す縦断図であって、（ｂ）は比較例の縦断図である。 トンネル支保構造の効果について実施した数値解析結果であって、天端沈下量を示すグラフである。 トンネル支保構造の効果について実施した数値解析結果であって、（ａ）は第一吹付けコンクリートの応力度、（ｂ）は第二吹付けコンクリートの応力度を示すグラフである。

本発明の実施形態では、トンネルＴを掘削することにより露出した地山を早期に閉塞するために形成するトンネル支保構造１について説明する（図１参照）。
本実施形態のトンネル支保構造１は、第一支保構造２と第二支保構造３とを備えている。

図２に示すように、第一支保構造２は、第一鋼製支保工２１と、第一吹付けコンクリート２２と、ロックボルト２３とを備えている。
第一鋼製支保工２１は、トンネル軸方向に沿って間隔をあけて複数並設されている。本実施形態では、第一鋼製支保工２１としてＨ形鋼を使用する。第一鋼製支保工２１を構成する材料および断面形状は限定されるものではなく、地山状況（地山等級）に応じて適宜設定すればよいが、トンネル坑内での取扱い性や製造コストの観点から、Ｈ２００〜Ｈ２５０の範囲内が望ましい。
また、本実施形態では、トンネル軸方向に隣り合う第一鋼製支保工２１同士の間隔を１ｍとするが、第一鋼製支保工２１同士の間隔は限定されるものではない。

第一吹付けコンクリート２２は、掘削に伴い露出し地山Ｇに対して吹き付けられている。
第一吹付けコンクリート２２の吹き付け厚は限定されるものではなく、地山状況（地山等級）に応じて適宜設定すればよい。

ロックボルト２３は、トンネル周方向に間隔をあけて複数並設されている。なお、ロックボルト２３は、地山状況（地山等級）に応じて設ければよく、省略してもよい。また、ロックボルト２３の設置間隔は、地山状況（地山等級）に応じて適宜設定すればよい。
本実施形態では、第一鋼製支保工２１同士の中間位置において複数のロックボルト２３を放射状に打設するものとし、トンネル軸方向に隣り合うロックボルト２３同士の間隔を１ｍとしている。なお、ロックボルト２３のトンネル軸方向の間隔は限定されるものではなく、第一鋼製支保工２１の間隔や地山状況に応じて適宜設定すればよい。
また、本実施形態では、ロックボルト２３の挿入長を４〜６ｍの範囲内とするが、ロックボルトの挿入長は限定されるものではない。

第二支保構造３は、第二鋼製支保工３１と、第二吹付けコンクリート３２とを備えている。
第二鋼製支保工３１は、第一吹付けコンクリート２２の内側において第一鋼製支保工２１同士の中間位置に建て込むものとし、第二鋼製支保工３１同士の間隔を第一鋼製支保工２１と同様に１ｍとしている。
本実施形態では、第二鋼製支保工３１として、Ｈ形鋼を使用する。なお、第二鋼製支保工３１を構成する材料および断面形状は限定されるものではないが、第一鋼製支保工２１の断面形状以下の断面形状（例えば、Ｈ１２５〜Ｈ１５０の範囲内）とするのが望ましい。

第二吹付けコンクリート３２は、第一吹付けコンクリート２２の内面に吹き付けられている。
第二吹付けコンクリート３２の吹き付け厚は限定されるものではなく、地山状況（地山等級）に応じて適宜設定すればよい。

次にトンネル支保構造１を利用したトンネル施工方法について説明する。
本実施形態のトンネル施工方法は、掘削工程と、第一支保工程と、仮インバート工程と、第二支保工程と、本設インバート工程とを備えている。

掘削工程は、地山を掘削する工程である。
本実施形態では、機械掘削方式により地山Ｇを掘削するが、地山Ｇの掘削方法は限定されるものではなく、例えば、発破掘削方式により地山Ｇを掘削してもよい。

第一支保工程は、切羽近傍において第一支保構造２を構築することで、地山Ｇの掘削により露出した地山Ｇを閉合する工程である。
第一支保工程では、まず、掘削により露出した地山面に第一吹付けコンクリート２２を吹き付ける（一次吹付け２４）。なお、一次吹付け２４における第一吹付けコンクリートの厚さは限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

次に、地山面（一次吹付け２４の表面）に沿って第一鋼製支保工２１を建て込む。
第一鋼製支保工２１を建て込んだら、新設した第一鋼製支保工２１と、前の施工サイクルにおいて建て込まれた既設の第一鋼製支保工２１との間に吹付けコンクリート２２を吹き付ける（二次吹付け２５）。なお、本実施形態では、第一吹付けコンクリート２２を１回で吹き付けるものとしたが、第一吹付けコンクリート２２は２回に分けて吹き付けてもよい。

第一吹付けコンクリート２２の施工が終了したら、地山Ｇを削孔して複数のボルト孔を形成する。ボルト孔は、トンネル周方向に間隔をあけて削孔する。
続いて、ボルト孔内に固化材を注入するとともに、ロックボルト２３を挿入（打設）する。上半と下半を同時掘削（全断面掘削工法）するものとしたが、上半と下半を分けて掘削（ベンチカット掘削工法等）してもよい。

仮インバート工程は、トンネルの底部の地山面にコンクリート（インバート吹付け）を吹き付けて、仮インバート４１を形成する工程である。仮インバート４１は、本実施形態では、第一吹付けコンクリートと連続するように吹き付けるものとしたが、第二吹付けコンクリートとも連続するようにしても良い。なお、仮インバート４１の厚さは限定されるものではなく、地山状況に応じて適宜設定すればよい。
本実施形態では、第一鋼製支保工２１から３ｍ程度後方において、仮インバート４１を吹き付けるものとしたが、限定されるものではなく、適宜設定すれば良い。また、仮インバート工程は、必要（地山状況）に応じて実施すればよく、省略してもよい。

第二支保工程は、切羽の後方において、第一支保構造２の内側に第二支保構造３を構築する工程である。
本実施形態では、第一鋼製支保工２１の施工箇所から２．５ｍ程度後方において、第二支保構造３を構築する。なお、第二支保構造３を構築するタイミングは限定されるものではない。
第二支保構造３の構築は、まず、第一吹付けコンクリート２２の表面に沿って第二鋼製支保工３１を建て込む。
第二鋼製支保工３１を建て込んだら、第二吹付けコンクリート３２を第一吹付けコンクリート２２の表面に対して吹き付ける。

本設インバート工程は、トンネルの底面に本設インバート４２（インバート４）を形成する工程である。
本設インバート４２は、トンネルの底面（仮インバート４１の上面）に鉄筋を配筋した後、コンクリートを打設することにより形成する。なお、鉄筋は必要に応じて配筋すればよい。
本設インバート４２の施工後、覆工コンクリート５を打設する。

本実施形態のトンネル支保構造１およびトンネル施工方法によれば、トンネル軸方向に対する第一鋼製支保工２１と第二鋼製支保工３１との位置をずらしているため、地山からトンネルＴに作用する力を分散させることができる。そのため、トンネルＴの変形を抑制し、ひいては、トンネル軸方向に対する第一鋼製支保工と第二鋼製支保工との位置を同一とした従来の多重支保工に比べて吹付けコンクリートに作用する荷重を減らせ、吹付けコンクリートの強度を低減させることができる。
また、第一支保構造２と仮インバート４１により早期に地山を閉合するため、早期の安定化を図ることができる。

次に、本実施形態のトンネル支保構造１の効果について数値解析を行った結果について説明する。
本検証では、有限差分法による３次元掘削解析を実施した。
なお、地山はソリッド要素で弾塑性モデルとし、吹付けコンクリートはシェル要素で弾性モデルとし、鋼製支保工はビーム要素で弾性モデルとした。
また、１掘進長は１ｍで、全断面掘削とした。

図３（ａ）に示すように、第一鋼製支保工２１は切羽後方１ｍの位置、第二鋼製支保工３１は切羽後方３．５ｍの位置でそれぞれ組み立てるものとする。
初期応力として、土被り２００ｍ分に相当する土圧（γＨ）を等方等圧に作用させた。
なお、地山物性値を表１に示し、吹付けコンクリート物性値を表２に示し、鋼製支保工物性値を表３に示す。
また、本検証では、比較例１００として、図３（ｂ）に示すように、第一鋼製支保工１２１と第二鋼製支保工１３１との位置を同一とした場合についても検証を行った。このとき、第一鋼製支保工１２１は切羽後方１ｍの位置、第二鋼製支保工１３１は切羽後方４ｍの位置で組み立てるものとした。

図４に、トンネル支保構造１のトンネル天端沈下量（壁面変位量）の計算結果を示す。沈下量は、切羽から十分に離れた位置における結果を整理したものである。
図４に示すように、トンネル支保構造１では、鋼製支保工を千鳥配置（第一鋼製支保工２１と第二鋼製支保工３１との位置をずらした配置）にしたことで、トンネル軸方向における変形量（ｄ_１，ｄ_Ａ１）のバラツキが比較例のトンネル支保構造１００の変形量（ｄ_１００，ｄ_Ａ１００）に比べて低減されている。また、変形量（ｄ_１）の最大値も比較例のトンネル支保構造１００の変形量（ｄ_１００）に比べて小さい。
よって、本実施形態のトンネル支保構造１によれば、従来の多重支保工（トンネル支保構造１００）に比べて、変位抑制効果を得ることができる。

図５（ａ）に第一吹付けコンクリートの応力度を算出した結果、図５（ｂ）に第二吹付けコンクリートの応力度を算出した結果を示す。
図５（ａ）に示すように、第一吹付けコンクリートの応力度は、本実施形態のトンネル支保構造１の応力度（σ_１）の方が、比較例のトンネル支保構造１００の応力度（σ_１００）に比べて小さくなった。これは、第二鋼製支保工が第一吹付けコンクリートの直下に配置されることで、第二鋼製支保工により荷重を受け持つ結果によるものである。
一方、図５（ｂ）に示すように、第二吹付けコンクリートについては、本実施形態のトンネル支保構造１と比較例のトンネル支保構造１００との間に大きな違いは見られなかった。
よって、鋼製支保工を千鳥配置にすることで、第二吹き付けコンクリートの負担を増大させることなく、第一吹付けコンクリートに生じる応力を低減させることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、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、トンネルＴの断面形状は限定されるものではない。
また、前記実施形態では全断面掘削工法によりトンネルを掘削する場合について説明したが、例えばベンチカット工法により掘削してもよく、トンネルの掘削工法は限定されない。
また、インバートは必要（地山状況）に応じて施工すればよい。
前記実施形態では、第二鋼製支保工を、第一鋼製支保工同士の中間位置に配置する場合について説明したが、第二鋼製支保工を設置する位置は第一鋼製支保工同士の間であれば限定されるものではない。すなわち、切羽側に隣接する第一鋼製支保工から第二鋼製支保工までの距離と、坑口側に隣接する第一鋼製支保工から第二鋼製支保工までの距離は、必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。

１ トンネル支保構造
２ 第一支保構造
２１ 第一鋼製支保工
２２ 第一吹付けコンクリート
２３ ロックボルト
３ 第二支保構造
３１ 第二鋼製支保工
３２ 第二吹付けコンクリート
４ インバート
４１ 仮インバート
４２ 本設インバート
５ 覆工コンクリート

Claims (3)

1. 切羽近傍において第一支保構造を構築する第一支保工程と、
   前記切羽の後方において、前記第一支保構造の内側に第二支保構造を構築する第二支保工程と、を備えるトンネル施工方法であって、
   前記第一支保工程は、掘削によって露出した地山に沿って第一鋼製支保工を建て込む作業と、
   前記地山に対して第一吹付けコンクリートを吹き付ける作業と、を含み、
   前記第二支保工程は、前記第一吹付けコンクリートの表面に沿って第二鋼製支保工を建て込む作業と、
   前記第一吹付けコンクリートに対して第二吹付けコンクリートを吹き付ける作業と、を含んでおり、
   前記第二鋼製支保工は、前記第一鋼製支保工同士の間に建て込むことを特徴とする、トンネル施工方法。
2. 前記第二支保工程の前に、インバート吹付けを行う仮インバート工程を含んでい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. トンネル軸方向に沿って間隔をあけて建て込まれた複数の第一鋼製支保工と、
   地山に対して吹き付けられた第一吹付けコンクリートと、
   前記第一吹付けコンクリートの内側において前記第一鋼製支保工同士の間に建て込まれた第二鋼製支保工と、
   前記第一吹付けコンクリートの内面に吹き付けられた第二吹付けコンクリートと、を備えることを特徴とする、トンネル支保構造。

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