JP2017122307A - トンネル施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ安価にコンクリートを搬入することができ、かつ、切羽へコンクリートを常時供給することが可能なトンネル施工方法を提案する。【解決手段】地山を掘削する掘削工程Ｓ１と、地山の掘削により露出した地山面に吹付けコンクリートを吹き付ける支保工程Ｓ２とを繰り返すトンネル施工方法であって、支保工程Ｓ２では、圧送管を介してポンプ圧送されたコンクリートを吹き付け、掘削工程Ｓ１では、圧送管内にコンクリートを残留させておく。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル施工方法に関する。

ＮＡＴＭトンネル等の山岳トンネルの施工は、機械掘削工法や発破掘削工法によって地山を掘削し、地山の掘削によって露出した地山面を支保工により閉合することにより行うのが一般的である。
地山面の閉合に使用する支保工は、地山面に沿って建て込まれた鋼製支保工と、地山面に吹き付けられた吹付けコンクリートと、必要に応じて施工された補助工（例えば先受けフォアポーリング等）とを備えている。
吹付けコンクリートは、ミキサー車等により坑内に搬入したベースコンクリートに対して、急結剤を添加して吹き付けられている（例えば、特許文献１参照）。
ところが、小断面トンネルでは、ミキサー車によるコンクリートの坑内運搬は困難であった。
そのため、小断面トンネルでは、トンネル内にレールを敷設し、このレールを走行するトロッコ等により運搬する場合がある。
また、トンネルの断面形状を大きくすることで、必要な機材を設置する場所と、ミキサー車等の運搬車両が走行する走行路を確保する場合があった。

特開２００１−１４０５９４号公報

ところが、トロッコ等によるコンクリートの運搬は、コンクリートの積み替え等に手間がかかるとともに、トロッコの運転手や積み替え作業等を行う作業員等、多くの人員が必要となる。また、縦断勾配が大きいトンネルではトロッコによる運搬を採用することができなかった。
また、コンクリート運搬機械類の大きさに合わせてトンネルを大断面化することは、施工に手間と時間がかかるとともに、不経済である。
さらに、コンクリートは、吹付けコンクリートの施工に合わせて坑内に搬入するため、タイミングの見極めが難しいとともに、予想外に軟弱地盤が露出することによって急遽吹付けコンクリートを施工する必要が生じた場合には、間に合わないおそれがある。
このような観点から、本発明は、簡易かつ安価にコンクリートを搬入することができ、かつ、切羽へコンクリートを常時供給することが可能なトンネル施工方法を提案することを課題とする。

請求項１に記載のトンネル施工方法は、地山を掘削する掘削工程と、地山の掘削により露出した地山面にセメント系材料を吹き付ける支保工程とを繰り返すトンネル施工方法であって、前記支保工程では圧送管を介してポンプ圧送されたセメント系材料を吹き付け、前記掘削工程では前記圧送管内にセメント系材料を残留させておくことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、前記圧送管内に残留させるセメント系材料が硬化することがないように、前記支保工程の終了前から、遅延剤が混合されたセメント系材料をポンプ圧送することを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記支保工程は、地山面にセメント系材料を吹き付ける一次吹付け作業と、前記セメント系材料の表面に沿って鋼製支保工を建て込む鋼製支保工設置作業と、前記鋼製支保工同士の間にセメント系材料を吹き付ける二次吹付け作業と、を備えており、前記鋼製支保工設置作業では、前記圧送管内にセメント系材料を残留させておくことを特徴としている。
ここで、本明細書において、「セメント系材料」とは、固化材としてセメントが混合された材料であって、コンクリートやモルタル等をいう。
請求項４に記載の発明は、前記圧送管内にセメント系材料を残留させる時間に応じて、前記遅延剤の添加量を調整することを特徴としている。

請求項１に記載のトンネル施工方法によれば、小断面のトンネルであってもセメント系材料（例えば、コンクリートやモルタル等）の輸送が可能である。また、立坑外から切羽まで、移し替えることなくセメント系材料を輸送することができる。さらに、圧送管内に残留させたセメント系材料を必要に応じて切羽に供給することができる。
請求項２に記載のトンネル施工方法によれば、支保工程の終了前に遅延剤が混合されたセメント材料をポンプ圧送しておくため、支保工程後の掘削工程を実施している間、圧送管内に残留させたセメント系材料が硬化することを防止することができる。
また、コンクリートをポンプ圧送することで、ミキサー車等の運搬車両等を利用する場合に比べて、作業員の手間や人数を削減することができる。また、トンネル坑内で運搬車両や施工機械等が行き違うことによる事故の危険性がない。さらに、運搬車両の排気ガスによって坑内環境が悪化することもない。
ここで、「遅延剤」とは、セメント系材料の凝結を遅延させる混和剤であって、いわゆる凝結遅延剤（硬化遅延剤）の他、ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤（遅延型）等も含むものとする。
請求項３に記載のトンネル施工方法によれば、鋼製支保工設置作業中に、圧送管内にセメント系材料を残留させておくため、二次吹付け作業における吹付け作業を効率的に実施できる。
請求項４に記載の発明によれば、必要な分だけ遅延剤を添加するため、経済的に圧送管内にセメント系材料のフレッシュ性状を保持できる。

本発明の実施形態に係るトンネル施工方法を示すフローチャートである。 本実施形態のトンネルの支保構造を示す横断図である。 同トンネルの拡大縦断図である。 本実施形態のトンネルの施工方法を示す模式図である。

本実施形態では、ＮＡＴＭ工法の施工サイクルを考慮した吹付けコンクリート用のベースコンクリート（セメント系材料）の輸送方法を採用したトンネル施工方法について説明する。
本実施形態では、立坑の底部に設けられた坑口から横方向に掘進することによりトンネルを構築する。なお、トンネルは必ずしも立坑を利用して構築する必要はなく、例えば、斜面に形成された坑口から掘進してもよい。
本実施形態のトンネル施工方法は、図１に示すように、掘削工程Ｓ１と、支保工程Ｓ２とを備えている。

掘削工程Ｓ１は、地山を切削して、地中に掘削坑を形成する工程である。トンネルの掘削方式は限定されるものではなく、地山状況や周辺環境等に応じて、発破掘削方式や機械掘削方式等から選定する。
また、本実施形態では、全断面掘削工法を採用する。トンネルの掘削工法は限定されるものではない。トンネル掘削工法には、例えば、ベンチカット工法や導坑先進工法等がある。

支保工程Ｓ２は、地山の掘削によって露出した地山面を支保工により閉合する工程である。
本実施形態のトンネル１の支保工２は、図２および図３に示すように、地山面に吹き付けられた吹付けコンクリート３、トンネル軸方向に対して所定のピッチで設けられた鋼製支保工４、鋼製支保工同士の間においてトンネル周方向に間隔をあけて打設された複数本のロックボルト５，５，…により構成されている。なお、支保工２の構成は限定されるものではなく、地山等級に応じて適宜設定すればよい。また、必要に応じて先受け工等の補助工法を併用してもよい。

本実施形態の支保工程Ｓ２は、一次吹付け作業Ｓ２１、鋼製支保工設置作業Ｓ２２、二次吹付け作業Ｓ２３およびロックボルト打設作業Ｓ２４を備えている。
一次吹付け作業Ｓ２１では、露出した地山面に吹付けコンクリート３（一次吹付け３１）を吹き付ける。
吹付けコンクリート３は、図４に示すように、圧送管７を介して坑外から切羽Ｋ近傍までポンプ圧送されたコンクリート（ベースコンクリート）Ｃに、急結剤Ｔを添加した上で吹き付ける。本実施形態では、地上部に配設されたポンプ８を利用して、地上部から切羽Ｋ近傍までコンクリートＣを圧送する。コンクリートＣには、現場内または現場外のコンクリートプラントＰにおいて製造されたものを使用する。なお、コンクリートＣの圧送に使用するポンプ８には、立坑Ｓの底部に設けられた吸引ポンプを使用することもできる。コンクリートポンプ８の設置個所および構成は限定されるものではない。
所定の厚さの吹付けコンクリート３（一次吹付け３１）を地山面に吹付けたら、コンクリートＣのポンプ圧送を停止して、鋼製支保工設置作業Ｓ２２を開始する。

なお、一次吹付け作業Ｓ２１では、一次吹付け３１の吹付け終了前から、遅延剤が混合されたコンクリートＣをポンプ圧送する。圧送する遅延剤入りのコンクリートＣの量は、圧送管の容積と同等する。こうすることで、鋼製支保工設置作業Ｓ２２中の圧送管７内は、遅延剤が混合されたコンクリートＣのみが残留した状態となる。すなわち、一次吹付け作業Ｓ２１では、遅延剤を含まないコンクリートＣをベースコンクリートとして圧送した後、遅延剤を含むコンクリートＣを圧送する。そのため、鋼製支保工設置作業Ｓ２２の作業中に圧送管７内に残留されたコンクリートが圧送管７内で硬化することを防止することができる。遅延剤は、プラントＰにて添加する。なお、遅延剤は、プラントＰから搬入したコンクリートＣを圧送する直前に現場にて添加することもできる。
本実施形態では、混和剤（遅延剤）を使用して、コンクリートのフレッシュ性状保持性を高める。なお、コンクリートのフレッシュ性状保持性を高める方法は遅延剤の添加に限定されない。例えば、セメント量を減らしたり、高炉スラグ、石灰石微粉末、低熱ポルトランドセメント、フライアッシュ等の混和材を用いることでコンクリートのフレッシュ性状保持性を高めることができる。また、圧送管を冷やすことで、セメントの凝結の遅延化を図ることができる。
圧送管内７に残留させる遅延剤入りのコンクリートＣは、鋼製支保工設置作業Ｓ２２の作業時間（１〜２時間）以上、フレッシュ性状を保持できる配合とする。本実施形態では、コンクリートＣに投入する遅延剤の添加量を、鋼製支保工設置作業Ｓ２２の作業時間に応じて調整する。
本実施形態では、遅延剤として、いわゆる凝結遅延剤を採用するが、遅延剤として使用する混和剤はこれに限定されるものではない。例えば、ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤（遅延型）をがある。
本実施形態では、遅延剤を含まないコンクリートから遅延剤入りのコンクリートへの切り換えを、切羽Ｋからの指示により行う。切羽Ｋでは、吹付けに必要なコンクリート量と、圧送管７内のコンクリート量とを把握して、遅延剤入りのコンクリートへの切り換えのタイミングを指示する。切羽Ｋからの指示方法は限定されるものではなく、例えば、電話、無線、口頭等により連絡を行う。また、切羽Ｋに配合切り換え手段に接続されたスイッチを設けて置くことで、配合の変更を機械的に制御する手段がある。なお、遅延剤を含まないコンクリートから遅延剤入りのコンクリートへの切り換え方法は、これらの方法に限定するものではない。
また、切羽Ｋでは、圧送管７から排出されたコンクリートＣを、目視により確認することで、圧送管７内が遅延剤入りのコンクリートＣにより充填されたか否かを確認する。また、遅延剤入りコンクリートＣによる圧送管７内の充填の確認方法は、例えば、圧送管７から排出されたコンクリートを確認、あるいは、圧送管７の内容積と投入量との比較により確認、ポンプストロークや圧送時間によって管理してもよい。

鋼製支保工設置作業Ｓ２２では、一次吹付け３１（吹付けコンクリート３）の表面に沿って鋼製支保工４を建て込む。本実施形態の鋼製支保工４は馬蹄形状を呈しているが、鋼製支保工４の形状は、トンネル断面形状に応じて適宜設定される。また、鋼製支保工４の断面寸法は多様であって、地山等級やトンネル断面形状に応じて適宜設定される。
鋼製支保工４の建て込みは、圧送管７内に遅延剤入りのコンクリートＣを残留させた状態で実施する。

二次吹付け作業Ｓ２３では、鋼製支保工４同士の間に吹付けコンクリート３（二次吹付け３２）を吹き付ける。
二次吹付け３２に使用するコンクリート（吹付けコンクリート３）は、一次吹付け作業Ｓ２１で使用したものと同様に、圧送管７を介して坑外から切羽Ｋ近傍までポンプ圧送されたベースコンクリートＣに、急結剤を添加した上で吹き付ける。このとき、コンクリートポンプ８から圧送管７に供給されるコンクリートＣは、遅延剤を含まないコンクリートである。
二次吹付け作業Ｓ２３では、まず、圧送管７内に残留している遅延剤を含むコンクリート（ベースコンクリート）Ｃで二次吹付け３２の施工を行う。続いて、コンプリートポンプから圧送された遅延剤を含まないコンクリート（ベースコンクリート）Ｃで二次吹付けを行う。そして、二次吹付け３２の吹付け終了前から、再び遅延剤が混合されたコンクリートＣをポンプ圧送する。圧送する遅延剤入りのコンクリートの量は、圧送管７の容積と同等する。そのため、ロックボルト打設作業Ｓ２４中および掘削工程Ｓ１中の圧送管７内は、遅延剤が混合されたコンクリートＣのみが残留した状態となる。こうすることで、圧送管内に残留されたコンクリートが圧送管７内で硬化することを防止する。
なお、圧送管７内に残留させる遅延剤入りのコンクリートＣは、ロックボルト打設作業Ｓ２４の作業時間に掘削工程Ｓ１の作業時間を加えた時間（例えば、４〜９時間）以上の間、フレッシュ性状を保持できる配合とする。本実施形態では、コンクリートＣに投入する遅延剤の添加量を、ロックボルト打設作業Ｓ２４の作業時間に掘削工程Ｓ１の作業時間を加えた時間に応じて調整する。また、時間の設定には余裕時間を追加して、作業遅延等があった場合にコンクリートが硬化してしまわないように、リスク管理とすることなど、他の要因も含めることができる。
所定の厚さの吹付けコンクリート３を吹付けたら、ベースコンクリートＣのポンプ圧送を停止して、ロックボルト打設作業Ｓ２４を開始する。

ロックボルト打設作業Ｓ２４では、切羽Ｋ側（図３において左側）に配設された新設の鋼製支保工４と、当該鋼製支保工４の一基前（図３において右側）の鋼製支保工４との中間付近に、ロックボルト５を打設する。ロックボルト５は、吹付けコンクリート３を貫通させて地山Ｇに埋め込むとともに、吹付けコンクリート３の表面に設置された支圧板６に頭部を固定する。
ロックボルト５は、トンネル周方向に対して、所定の間隔をあけて複数本打設する。なお、ロックボルト５の長さ、ボルト径、打設ピッチ等は限定されるものではなく、地山等級に応じて適宜設定すればよい。

支保工程Ｓ２が終了したら、掘削工程Ｓ１を再開する。このとき、圧送管７内にコンクリートＣを残留させた状態で施工を行う。
同様に、掘削工程Ｓ１および支保工程Ｓ２を繰り返すことにより所定延長のトンネル１を構築する。

本実施形態のトンネル施工方法によれば、圧送管７を介してコンクリートＣを圧送するため、立坑Ｓの底部に坑口が設けられたトンネル１の施工であっても、立坑Ｓ外から切羽Ｋまで移し替えることなくコンクリートＣを輸送することができる。
また、圧送管７を介してコンクリートＣを輸送するため、運搬車両により輸送が困難な小断面トンネルや、急勾配を有するトンネル等であっても、ミキサー車等のいわゆるコンクリート運搬機械を使用することなく、切羽ＫまでコンクリートＣを輸送することができる。すなわち、トンネル１の断面形状、縦断勾配、平面線形等に限定されることなく、効率的にコンクリートを切羽Ｋまで輸送することができる。
また、コンクリートをポンプ圧送することで、ミキサー車等の運搬車両等を利用する場合に比べて、作業員の手間や人数を削減することができる。また、トンネル坑内で運搬車両や施工機械等が行き違うことによる事故の危険性がない。さらに、運搬車両の排気ガスによって坑内環境が悪化することもない。
また、ポンプ圧送するコンクリートは、配管距離や骨材等の材料に応じた適切な配合を選定することで、材料分離等が生じることがなく、所望の品質を保持したまま切羽に輸送できる。

また、圧送管内に残留されるコンクリートには、予め遅延剤が混合されているため、圧送管内においてコンクリートが硬化することがなく、フレッシュ性状が保持されている。そのため、掘削工程（例えば４〜９時間）や鋼製支保工設置作業（例えば、１〜２時間）の間、圧送管内にコンクリートを残留させたまま作業を進行させることができる。
コンクリートは、配合を変更することなく、遅延剤の有無および添加量のみで、圧送管内での滞留時間を調整しているため、コンクリート製造時の手間が増えることがない。なお、遅延剤の添加量等は、施工サイクルに応じて適宜設定すればよい。
遅延剤を使用することで、コンクリートの初期強度の低下が懸念される場合には、急結剤の添加量を増やすことによって対応すればよい。

圧送管内にコンクリートを残留させておけば、何らかの原因により急遽吹付けコンクリートを吹き付ける必要が生じた場合（例えば、切羽が不安定な場合）等に、瞬時にコンクリートを切羽に供給することができる。
また、掘削工程から支保工程への切り替えを早期に行うことができるため、連続的な施工が可能となり、工期短縮化が可能である。
また、段取り替え毎に圧送管内を清掃する必要がないため、清掃に要する手間や時間を省略することができる。また、段取り替え毎に圧送管内に残留するコンクリートを処分する必要がないため、経済的である。

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。
前記実施形態では、吹付けコンクリートを一次吹付けと二次吹付けとの２回に分けて吹付けるものとしたが、吹付けコンクリートの施工回数は限定されるものではなく、例えば１回のみの場合もある。
また、前記実施形態では、鋼製支保工を設置する場合について説明したが、鋼製支保工は必要が無ければ設けない。
また、前記実施形態では、ロックボルトを施工する場合について説明したが、例えば、ＡＧＦ工法等の補助工法を採用する場合には、ロックボルトを省略する場合があり、ロックボルトは必須ではない。
前記実施形態では、遅延剤が混合されていないコンクリートと、遅延剤が混合されたコンクリートとを交互に圧送する場合について説明したが、遅延剤が混合されたコンクリートのみを圧送する場合もある。

１ トンネル
２ 支保工
３ 吹付けコンクリート（セメント系材料）
３１ 一次吹付け
３２ 二次吹付け
４ 鋼製支保工
５ ロックボルト
６ 支圧板
７ 圧送管
８ コンクリートポンプ
Ｓ１ 掘削工程
Ｓ２ 支保工程
Ｓ２１ 一次吹付け作業
Ｓ２２ 鋼製支保工設置作業
Ｓ２３ 二次吹付け作業

Claims (4)

1. 地山を掘削する掘削工程と、
   地山の掘削により露出した地山面にセメント系材料を吹き付ける支保工程と、を繰り返すトンネル施工方法であって、
   前記支保工程では、圧送管を介してポンプ圧送されたセメント系材料を吹き付け、
   前記掘削工程では、前記圧送管内にセメント系材料を残留させておくことを特徴とする、トンネル施工方法。
2. 前記圧送管内に残留させるセメント系材料が硬化することがないように、前記支保工程の終了前から、遅延剤が混合されたセメント系材料をポンプ圧送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. 前記支保工程は、
   地山面にセメント系材料を吹き付ける一次吹付け作業と、
   前記セメント系材料の表面に沿って鋼製支保工を建て込む鋼製支保工設置作業と、
   前記鋼製支保工同士の間にセメント系材料を吹き付ける二次吹付け作業と、を備えており、
   前記鋼製支保工設置作業では、前記圧送管内にセメント系材料を残留させておくことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のトンネル施工方法。
4. 前記圧送管内にセメント系材料を残留させる時間に応じて、前記遅延剤の添加量を調整することを特徴とする、請求項２に記載のトンネル施工方法。

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