JP2017172302A - トンネル補強方法およびトンネル補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ安価に既設のトンネル覆工の耐久性を向上させることを可能としたトンネル補強方法トおよびンネル補強構造を提案する。
【解決手段】トンネル覆工１１の内面に沿って補強部材３を設置する補強部材設置工程と、トンネル覆工１１と補強部材３との間に充填材５１を加圧注入する充填工程とを備えるトンネル補強方法であって、充填工程の前にトンネル覆工１１の内面または補強部材３の外面に弾性板６を貼設する弾性板貼設工程を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル補強方法およびトンネル補強構造に関する。

近年、地下空間の有効活用により、既設地下構造物に近接して新設地下構造物を施工する場合がある。既設トンネルに隣接して他の地下構造物を構築すると、既設トンネルへの外力作用状況が変化する場合がある。
また、トンネルの施工後に地下水位の変化や地殻変動等が生じると、トンネルへの外力の作用状況が変化する場合もある。
このように、トンネルへの外力の作用状況が変化すると、トンネル覆工の作用応力状態が変化し、トンネル覆工に変形が生じるおそれがある。
また、既設トンネルは、老朽化に起因するトンネル覆工の変形も懸念されている。

トンネル覆工に変形が生じた既設トンネルの補強方法としては、トンネル覆工の内面に、増し厚コンクリートを打設する方法や鋼板を貼着する方法等が採用されている。
ところが、増し厚コンクリートや鋼板は、既設のトンネル覆工を積極的に押し広げて補強するものではないため、トンネル覆工に生じている断面力を軽減することはできない。
本出願人は、外荷重によってトンネル覆工に作用している断面力を軽減することができるトンネル覆工補強方法として、特許文献１に示すように、断面コ字状の鋼材を開口面がトンネル覆工側になるように配置するとともに、この鋼材とトンネル覆工とにより形成された空間にゴムチューブを配置しておき、このゴムチューブ内に膨張性の充填材を加圧注入する方法を開発した。

特許第５６０３２９１号公報

特許文献１のトンネル覆工補強方法は、膨張性の充填材を使用するため、通常の充填材（モルタルやグラウト等）と比較して費用がかかるとともに、材料の管理に手間がかかる。
一方、膨張性ではない充填材（例えば、モルタルやグラウト等）を使用すると、既設覆工に作用する外荷重を低減するように外向きに荷重を作用させることができない。これは、充填材の注入時に加圧注入を行い、トンネル覆工に対して内側から外向きの圧力を作用させたとしても、充填材の硬化時に収縮が発生することで加圧注入圧が消失してしまうことにある。
また、補強範囲が広い場合等には、幅の広いゴムチューブや、複数本のゴムチューブを使用する必要があるが、幅の広いゴムチューブは、製造が大掛かりになり、高価である。また、ゴムチューブ損傷防止の養生が必要になることや、取扱い難いことにより、ゴムチューブの設置に手間がかかってしまう。また、ゴムチューブを複数本配置する場合も、設置および膨張材の注入に手間がかかってしまう。
このような観点から、本発明は、簡易かつ安価に既設のトンネル覆工の耐久性を向上させることを可能としたトンネル補強方法およびトンネル補強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、本発明の第一のトンネル補強方法は、トンネル覆工から隙間をあけて補強部材を配置するとともに、前記隙間内の前記トンネル覆工側または前記補強部材側に弾性体を配置した後、前記隙間の残空間に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴としている。
なお、前記隙間の残空間に袋状あるいは筒状の型枠（例えば、耐圧性の袋、布製ホースや耐圧チューブ）を配設しておき、当該型枠内に前記充填材を加圧注入してもよいし、トンネル覆工と補強部材との隙間の端部を型枠で遮蔽した状態で前記充填材を加圧注入してもよい。
また、本発明の第二のトンネル補強方法は、トンネル覆工から隙間をあけて補強部材を配置するとともに、前記隙間に弾性体が内挿された袋状または筒状の型枠を配置した後、前記型枠内に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴としている。
また、本発明の第三のトンネル補強方法は、トンネル覆工の内面に弾性体を貼設するとともに前記弾性体を覆うように型枠を設置し、前記型枠内に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴としている。
本発明のトンネル補強方法によれば、加圧注入された充填材が硬化時に収縮した場合であっても、弾性体の復元力によって外向きの荷重（外荷重に抵抗する圧力）を保持することができる。そのため、膨張材を制限あるいは不要にすることができ、簡易かつ安価に、トンネル覆工に対して内向き（内空方向）に作用する外力に抵抗することができる。

また、本発明のトンネル補強構造は、トンネル覆工から隙間をあけて配置された補強部材と、前記隙間のトンネル覆工側または補強部材側に設置された弾性体と、前記隙間の残空間に充填された充填材とを備えており、前記弾性体が圧縮変形された状態で、前記充填材が硬化していることを特徴としている。
かかるトンネル補強構造によれば、弾性体を圧縮変形された状態で充填材が硬化しているため、弾性板の復元力を利用して外向きの荷重（外荷重に抵抗する圧力）をトンネル覆工に作用させることができる。

本発明のトンネル補強方法およびトンネル補強構造によれば、簡易かつ安価に既設のトンネル覆工の耐久性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネル補強構造が設けられたトンネルの横断図である。 図１のＡ−Ａ断面図であって、（ａ）は第一の実施形態のトンネル補強構造、（ｂ）および（ｃ）は他の形態に係るトンネル補強構造である。 本実施形態のトンネル補強方法の各工程を模式的に示す断面図であって、（ａ）は補強部材設置工程、（ｂ）は充填工程、（ｃ）は施工後をそれぞれ示している。 図１のＡ−Ａ断面図であって、（ａ）は第二の実施形態のトンネル補強構造、（ｂ）は他の形態に係るトンネル補強構造である。 第三の実施形態のトンネル補強構造を示す図１のＡ−Ａ断面図である。

本発明の実施形態では、図１に示すように、既設のトンネル１を補強するためにトンネル１の覆工（トンネル覆工）１１の内面に設けられたトンネル補強構造２について説明する。
本実施形態では、断面円形のトンネル１を補強する場合について説明する。なお、トンネル１の断面形状は円形に限定されるものではなく、例えば、馬蹄形であってもよい。

＜第一の実施形態＞
第一の実施形態のトンネル補強構造２は、図２（ａ）に示すように、補強部材３、型枠４、硬化体５（充填材）および弾性板（弾性体）６を備えている。
補強部材３は、トンネル覆工１１の内面に沿って設けられた部材である。本実施形態の補強部材３は、複数のＨ形鋼を連結することにより円形に形成されている。なお、補強部材３を構成する材料は、Ｈ形鋼に限定されるものではなく、例えば溝形鋼や山型鋼であってもよい。また、補強部材３は、必ずしも円形である必要はなく、トンネル１の断面形状に応じて適宜形成すればよい。本実施形態では、隣り合う補強部材３同士をつなぎ材３１により連結している。なお、つなぎ材３１は必要に応じて設ければよい。

型枠４は、トンネル覆工１１と補強部材３との間に介設されている。本実施形態の型枠４は、袋状または筒状に形成されている。型枠４の内部には、硬化体５（充填材）が充填されている。なお、型枠４を構成する材料は、充填材（硬化体５）を注入する際に充填材が浸出しない材料であれば限定されない。例えば、耐圧性の袋、布製ホースや耐圧チューブ等を使用すればよい。

硬化体５は、トンネル覆工１１と補強部材３との間に介設されている。本実施形態の硬化体５は、モルタル、コンクリート、セメントミルク等のセメント系材料により構成された充填材が固化してなる。なお、硬化体５を構成する材料は、施工時には流動性を有し、施工後に硬化することで所定の強度を発現する材料であれば限定されない。

弾性板６は、トンネル覆工１１に貼設されたゴム板である。弾性板６は、トンネル覆工１１の全周にわたって配設されている。なお、弾性板６は、トンネル覆工１１と型枠４（硬化体５）との間に介設されていればよく、必ずしもトンネル覆工１１に貼設されている必要はない。本実施形態の弾性板６は、補強部材３のフランジ幅と同等の幅を有している。なお、弾性板６の寸法は限定されるものではない。また、弾性板６を構成する材料は、所定のバネ係数（復元力）を有した板材であれば、ゴム板に限定されるものではない。また、弾性板６は、図２（ｂ）に示すように、補強部材３と型枠４（硬化体５）との間に介設されていてもよい。このとき、弾性板６は、補強部材３の全周にわたって配設する。また、弾性板６は、図２（ｃ）に示すように、型枠４内に設けられていてもよい。このとき、弾性板６は、型枠４の全周にわたって配設するのが望ましい。また、本実施形態では、弾性板６をトンネルの全周にわたって切れ目なく配設するが、弾性板６は断続的に配設してもよい。

本実施形態のトンネル補強方法は、補強部材設置工程と、弾性板貼設工程と、型枠設置工程と、充填工程とを備えている。
補強部材設置工程では、図３（ａ）に示すように、トンネル覆工１１の内面に沿って補強部材３を設置する。補強部材３は、トンネル覆工１１との間に隙間をあけて状態で配設する。なお、図３では、補強部材３の上フランジのみを表示している。
弾性板貼設工程では、トンネル覆工１１の内面に弾性板６を貼設する。なお、弾性板６は、補強部材３の設置前に貼設してもよいし、補強部材３の設置後に貼設してもよい。本実施形態では、弾性板６を、接着剤によってトンネル覆工１１の内面に接着する。
型枠設置工程では、トンネル覆工１１と補強部材３との間（隙間の残空間）に、型枠４を配設する。なお、型枠４は、トンネル覆工１１（弾性板６）または補強部材３に貼設してもよい。
充填工程では、図３（ｂ）に示すように、型枠４内に充填材５１を加圧注入する。なお、図３では、型枠４を省略している。

トンネル覆工１１と補強部材３との間（型枠４内）に充填材５１を加圧注入すると、充填材５１の加圧注入圧により弾性板６が収縮（圧縮変形）する（押し潰される）。
ここで、充填材の加圧注入圧をＰａ、弾性板６の弾性係数をＥｇ、弾性板６の厚さをｔｇ、弾性板６の単位面積当たりのバネ値ｋをＥｇ／ｔｇとすると、弾性板６の収縮量（収縮厚）ΔＬａは、式１に示す通りである。
ΔＬａ＝Ｐａ／ｋ＝Ｐａ・ｔｇ／Ｅｇ （式１）

充填材５１が、硬化時に収縮すると、図３（ｃ）に示すように、弾性板６の収縮量ΔＬａは、充填材５１の硬化とともに小さくなる。充填材５１の収縮量をΔｆとすると、弾性板６の有効な収縮量ΔＬｅは、式２に示すようになる。
ΔＬｅ＝ΔＬａ−Δｆ （式２）
充填材５１（硬化体５）の硬化後、トンネル補強構造２は、弾性板６の復元力によりトンネル覆工１１に圧力を付与する。すなわち、トンネル補強構造２は、弾性板６の復元力によって、トンネル覆工１１の耐久性の向上を図るものである。そのため、トンネル覆工１１の補強に期待する圧力をＰｅとすると、弾性板６のバネ値ｋは、ｋ・ΔＬｅ＝Ｐｅを満足する必要がある。

ここで、ｋ＝Ｅｇ／ｔｇ、ΔＬｅ＝ΔＬａ−Δｆ、ΔＬａ＝Ｐａ／ｋであるから、これらをｋ・ΔＬｅ＝Ｐｅに代入すると、弾性板６の特性（弾性係数Ｅｇや厚さｔｇ等）は、式３に示すように、充填材５１の加圧注入圧Ｐａや収縮量Δｆ等により設定することができる。
Ｅｇ／ｔｇ＝（Ｐａ−Ｐｅ）／Δｆ （式３）
ここで、「Ｐａ−Ｐｅ」は、圧力のロス分と考えられる。そのため、収縮量Δｆが一定の場合に圧力のロス分を小さくするためには、弾性係数Ｅｇを小さく、厚さｔｇを大きくすればよい。なお、収縮量Δｆは、充填材５１の自己収縮量や充填材５１の厚さにより算出する。

本実施形態のトンネル補強方法およびトンネル補強構造２によれば、加圧注入された充填材５１が硬化時に収縮した場合であっても、弾性板６の復元力によって外向きの荷重（外荷重に抵抗する圧力）を保持することができる。そのため、膨張材を必要とせず、簡易かつ安価に、トンネル覆工に対して内向き（内空方向）に作用する外力に抵抗することができる。
充填材５１を型枠４内に加圧注入するため、充填材５１の漏出を防止し、トンネル覆工１１に確実に圧力を作用させることができる。また、充填材５１を加圧注入することで、充填材５１の圧力によって直ちに補強効果が得られる。また、充填材５１の硬化後も弾性板の復元力により直ちに補強効果が低下することがない。そのため、トンネル覆工１１の外荷重に対する耐荷力を簡易に増加させることができる。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態のトンネル補強構造２は、図４（ａ）に示すように、補強部材３、硬化体５（充填材）および弾性板（弾性体）６を備えている。
補強部材３は、トンネル覆工１１の内面に沿って設けられた部材である。本実施形態の補強部材３は、トンネル軸方向に対して所定の間隔をあけて並設された複数の主桁３２，３２，…と、主桁３２同士の間に配設された縦リブ３３，３３，…と、主桁３２および縦リブ３３のトンネル覆工１１側を覆うスキンプレート３４とにより構成されている。すなわち、補強部材３は、主桁３２と縦リブ３３とを組み合わせることにより形成された格子状の部材とスキンプレート３４とにより構成されている。なお、補強部材３の構成は限定されるものではない。

硬化体５は、トンネル覆工１１と補強部材３との間に介設されている。本実施形態の硬化体５は、モルタル、コンクリート、セメントミルク等のセメント系材料により構成されている。なお、硬化体５を構成する材料は、施工時には流動性を有し、施工後に硬化することで所定の強度を発現する材料であれば限定されない。

弾性板６は、トンネル覆工１１に貼設されたゴム板である。
本実施形態の弾性板６は、補強部材３の幅と同等の幅を有している。なお、複数の弾性板６，６，…を並設（弾性板６を断続的に配設）することにより、補強部材３の幅と同等の範囲を覆うようにしてもよい（図４（ｂ）参照）。
また、弾性板６は、図４（ｂ）に示すように、補強部材３と硬化体５との間に介設されていてもよい。図４（ｂ）の弾性板６は、接着剤または加硫接着により補強部材３の外面に貼設されている。

本実施形態のトンネル補強方法は、弾性板貼設工程と、補強部材設置工程と、型枠設置工程と、充填工程とを備えている。
弾性板貼設工程では、トンネル覆工１１の内面に弾性板６を貼設する（図３（ａ）参照）。
補強部材設置工程では、トンネル覆工１１の内面に沿って補強部材３を設置する。補強部材３は、トンネル覆工１１（弾性板６）との間に隙間をあけた状態で配設する（図３（ａ）参照）。
型枠設置工程では、トンネル覆工１１と補強部材３との隙間を遮蔽するように、補強部材３の端部に型枠４（褄型枠）を設置する。なお、型枠４とトンネル覆工１１との接合部には、漏液防止材（隙間テープ等）４１を設置する。
充填工程では、トンネル覆工１１（弾性板６）、補強部材３および型枠４により囲まれた空間に充填材５１を加圧注入する。

トンネル覆工１１と補強部材３との間に充填材５１を加圧注入すると、充填材の加圧注入圧により弾性板６が一時的に収縮（圧縮変形）する（図３（ｂ）参照）。その後、充填材５１（硬化体５）の硬化時に収縮した際には、弾性板６の復元力によりトンネル覆工１１に対して外向きの荷重が保持される（図３（ｃ）参照）。
第二の実施形態のトンネル補強方法およびトンネル補強構造２によれば、第一の実施形態のトンネル補強方法およびトンネル補強構造２と同様の作用効果を得ることができる。

＜第三の実施形態＞
第三の実施形態のトンネル補強構造２は、図５に示すように、硬化体５（充填材）および弾性板（弾性体）６を備えている。
硬化体５は、トンネル覆工１１の内面に沿って配設されている。本実施形態の硬化体５は、モルタル、コンクリート、セメントミルク等のセメント系材料により構成されている。本実施形態では、硬化体５内に、鉄筋７が配筋されている。なお、硬化体５を構成する材料は、施工時には流動性を有し、施工後に硬化することで所定の強度を発現する材料であれば限定されない。
弾性板６は、トンネル覆工１１に貼設されたゴム板である。

本実施形態のトンネル補強方法は、弾性板貼設工程と、型枠設置工程と、充填工程とを備えている。
弾性板貼設工程では、トンネル覆工１１の内面に弾性板６を貼設する。
型枠設置工程では、弾性板６を覆うように型枠４を設置する。型枠４は、型枠本体４２と褄型枠４３とを備えている。型枠本体４２は、弾性板６から隙間をあけた状態で配設する。褄型枠４３は、型枠本体４２と弾性板６との隙間を遮蔽するように、型枠本体４２および弾性板６の端部に設置する。なお、褄型枠４３とトンネル覆工１１（弾性板６）との接合部には、漏液防止材（隙間テープ等）４１を設置する。
充填工程では、トンネル覆工１１（弾性板６）と型枠４により囲まれた空間に充填材５１を加圧注入する。

型枠４内に充填材５１を加圧注入すると、充填材５１の加圧注入圧により弾性板６が一時的に収縮（圧縮変形）する。その後、充填材５１（硬化体５）の硬化時に収縮した際には、弾性板６の復元力によりトンネル覆工１１に対して外向きの荷重（外荷重に抵抗する圧力）が保持される。
第三の実施形態のトンネル補強方法およびトンネル補強構造２によれば、第一の実施形態のトンネル補強方法およびトンネル補強構造２と同様の作用効果を得ることができる

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。
前記各実施形態では、トンネル１の全周にわたってトンネル補強構造２を形成する場合について説明したが、トンネル補強構造２は、トンネル覆工１１に対して部分的に配設してもよい。例えば、道路トンネルや鉄道トンネルの建築限界の外側となるように、トンネル頂部のみにトンネル補強構造２を設置することで、トンネルの使用に支障をきたすことがないようにしてもよい。

１ トンネル
１１ 覆工（トンネル覆工）
２ トンネル補強構造
３ 補強部材
３１ つなぎ材
３２ 主桁
３３ 縦リブ
３４ スキンプレート
４ 型枠
４１ 漏液防止材
４２ 型枠本体
４３ 褄型枠
５ 硬化体
５１ 充填材
６ 弾性板（弾性体）
７ 鉄筋

Claims (5)

1. トンネル覆工から隙間をあけて補強部材を配置するとともに、前記隙間内の前記トンネル覆工側または前記補強部材側に弾性体を配置した後、前記隙間の残空間に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴とする、トンネル補強方法。
2. 前記隙間の残空間に袋状あるいは筒状の型枠を配設しておき、前記充填材を前記型枠内に加圧注入することを特徴とする、請求項１に記載のトンネル補強方法。
3. トンネル覆工から隙間をあけて補強部材を配置するとともに、前記隙間に弾性体が内挿された袋状または筒状の型枠を配置した後、前記型枠内に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴とする、トンネル補強方法。
4. トンネル覆工の内面に弾性体を貼設するとともに前記弾性体を覆うように型枠を設置し、前記型枠内に前記弾性体が変形する程度に充填材を加圧注入することを特徴とする、トンネル補強方法。
5. トンネル覆工から隙間をあけて配置された補強部材と、
   前記隙間のトンネル覆工側または補強部材側に設置された弾性体と、
   前記隙間の残空間に充填された充填材と、を備えるトンネル補強構造であって、
   前記弾性体が圧縮変形された状態で、前記充填材が硬化していることを特徴とするトンネル補強構造。

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