JP2020029686A

JP2020029686A - 可縮部材の製造方法、可縮部材およびトンネル

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Publication number: JP2020029686A
Application number: JP2018155272A
Authority: JP
Inventors: 史隆水野; Fumitaka Mizuno; 一雄坂井; Kazuo Sakai
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: JP7304141B2

Abstract

【課題】トンネル内空の安定を確保することが可能とした可縮部材とその製造方法、および、大土被りトンネル等で大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することが可能としたトンネルを提案する。【解決手段】対向する二面を被加圧面とする円柱状の可縮部材３と、この可縮部材３の製造方法と、この可縮部材３をトンネル支保工を横断するように配設したトンネル。可縮部材３は、多孔質軽量骨材を含むセメント系材料の硬化体からなる本体部４と、本体部４の被加圧面以外の面を覆う円筒体５とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、可縮部材の製造方法、可縮部材およびトンネルに関する。

山岳工法のトンネル施工では、トンネル側面に吹き付けられた吹付けコンクリート、地山面に沿って建て込まれた鋼製支保工および地山に打設されたロックボルト等のトンネル支保工によりトンネルの安定性を確保している。
大土被りトンネルの地質不良地山では、地山の変形量が増大し、トンネル支保工に対して大きな地圧が作用する場合がある。大きな応力が発生することが予想されるトンネルでは、トンネルの安全性を確保するために、トンネル支保工の剛性や強度を増加させる場合がある。ところが、鋼製支保工の断面性能の向上や高剛性化、吹付けコンクリートの高強度化や吹付け厚の増加等によりトンネル支保工の剛性や強度を増加させると、材料費および施工の手間が増加するとともに、トンネルの断面寸法にも影響が及ぶ。
そのため、トンネル支保工を横断するように可縮部材を介設し、地山の変形を可縮部材により吸収することで、トンネル支保工に作用する応力を低減するトンネルの安定化方法が検討されている。
このようなトンネルの安定化方法に使用する可縮部材として、本出願人は、特許文献１や特許文献２において、トンネル支保工の圧縮強度よりも低い圧縮強度の本体部と、この本体部に周設されたポリプロピレン繊維からなる補強体とを備える可縮部材を開示している。この可縮部材によれば、補強体によって、本体部への適切な拘束力を与えることで、脆性的な破壊を抑制し、じん性を確保できる。

特開２０１８−００３３６１号公報特開２０１８−０４０１４７号公報

本発明は、特許文献１および特許文献２に記載の可縮部材について、研究開発を進めて更に改良した可縮部材の製造方法および可縮部材を提案するとともに、この可縮部材を利用したトンネル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、可縮部材の製造方法は、セメント、多孔質軽量骨材および水を含むセメント系材料を生成する工程と、円筒体の内部に前記セメント系材料を打設する工程とを備えている。
また、本発明の可縮部材は、対向する二面を被加圧面とする円柱状の部材であって、多孔質軽量骨材を含むセメント系材料の硬化体からなる本体部と、前記本体部の前記被加圧面以外の面を覆う円筒体とを備えている。
さらに、本発明のトンネルは、アーチ状あるいはリング状のトンネル支保工と、前記トンネル支保工を横断するように配設された前記可縮部材とを備えている。

かかる可縮部材の製造方法、可縮部材およびトンネルによれば、円筒体の拘束力よりじん性が確保されているため、支保工の脆性的な破壊が抑制される。したがって、トンネル支保工を横断するように当該可縮部材を配設した場合には、トンネル支保工に対して大きな地圧が作用した場合であっても、トンネルの支保構造の耐力が急激に低下することが防止される。また、円筒体を採用しているので、可縮部材の製造時の手間を省略することができる。すなわち、円筒体を残存型枠とするため、型枠の脱型を要する従来の製造方法に比べて、手間を低減することができる。
円筒体を、スパイラル管により形成すれば、円筒体が座屈し難く、可縮部材の応力が急激に低下することを抑制することができる。
また、可縮部材の本体部は、多孔質軽量骨材を使用することによりトンネル支保工よりも低強度に形成される。一般的にコンクリートは強度と剛性に正の相関があり、本体部の強度が周辺のトンネル支保工の強度よりも低ければ、本体部の剛性も同様に周辺のトンネル支保工の剛性よりも小さくなる。したがって、地山に変形が生じた場合であっても、変形が可縮部材に集中するので、トンネルの支保構造を維持することを可能としている。
さらに、本体部は、セメント系固化材と多孔質軽量骨材とにより構成されているため、練り混ぜやすく、製造しやすい。

本発明によれば、スパイラル管等の円筒体を型枠としているため、可縮部材の成形が容易である。また、円筒体としてスパイラル管を利用した場合は、スパイラル管を任意の長さに切断することで、トンネル支保工の形状に応じた長さに成形することができる。このように、本発明の可縮部材によれば、トンネル内空の安定を確保することが可能となる。また、当該可縮部材を利用すれば、大土被りトンネル等で大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することが可能となる。

（ａ）は本実施形態に係るトンネルを示す断面図、（ｂ）はトンネルの支保構造を示す縦断図である。（ａ）は可縮部材の設置状況を示す斜視図、（ｂ）は他の形態に係る可縮部材の設置状況を示す斜視図である。可縮部材を示す斜視図である。他の形態に係る可縮部材を示す断面図である。可縮部材の実験に使用した供試体の斜視図であって、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例である。可縮部材の実験結果を示すグラフである。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように、山岳工法により施工されるトンネル１において、トンネル支保工２の一部に可縮部材３が介設された支保構造について説明する。
本実施形態のトンネル支保工２は、図１（ｂ）に示すように、吹付けコンクリート２１、鋼製支保工２２およびロックボルト２３を備えている。吹付けコンクリート２１および鋼製支保工２２は、アーチ状（馬蹄形状）に形成されている。なお、吹付けコンクリート２１および鋼製支保工２２の形状は限定されるものではなく、例えばリング状であってもよい。

トンネル支保工２は、地山Ｇの掘削により露出した地山Ｇ（トンネル側面）に対して一次吹付け２１ａ（吹付けコンクリート２１の一部）を行った後、鋼製支保工２２を建て込み、さら二次吹付け２１ｂ（吹付けコンクリート２１の残り部分）およびロックボルト２３の打設を行うことにより形成する。鋼製支保工２２は、前回の施工サイクルで建て込まれた鋼製支保工２２から所定の間隔をあけて建て込む。ロックボルト２３の打設は、トンネル１の周囲の地山Ｇに対してロックボルト孔を穿孔し、このロックボルト孔にロックボルト２３を挿入することにより行う。
なお、トンネル支保工２の構成は、地山状況に応じて適宜変更することが可能である。例えば、吹付けコンクリート２１の吹付け厚さや、鋼製支保工２２やロックボルト２３の設置の有無、配設ピッチ、寸法等を適宜変更してもよい。また、上半のロックボルト２３に代えてフォアポーリング工法やＡＧＦ工法等を採用してもよい。さらに、必要に応じて補助工法を組み合わせてもよい。また、吹付けコンクリート２１は、必ずしも複数の層（一次吹付け２１ａおよび二次吹付け２１ｂ）に分ける必要はない。また、ロックボルト２３は、一次吹付け２１ａの施工後に、鋼製支保工２２の建て込みとともに打設してもよい。

可縮部材３は、図１（ａ）に示すように、アーチ状に形成された吹付けコンクリート２１（トンネル支保工２）を横断（分断）するように配設されている。本実施形態では、予め所定の位置に可縮部材３を配置した状態で地山Ｇに対して吹付けコンクリート２１を吹き付けることで、可縮部材３を配置する。なお、可縮部材３の設置方法は限定されるものではなく、例えば、吹付けコンクリート２１の施工後に可縮部材３を設置するための凹部を形成してもよい。または、吹付けコンクリート２１の施工時に、箱抜き等により予め吹付けコンクリート２１にトンネル軸方向に沿った間隙を形成しておき、この間隙に可縮部材３を配設してもよい。また、一次吹付け２１ａの施工後に、二次吹付け２１ｂを横断（分断）するように可縮部材３を配置し、二次吹付け２１ｂの施工を行ってもよい。可縮部材３は、トンネル１の１つの横断面に対して４カ所に配設されている。また、可縮部材３は、図２（ａ）に示すように、トンネル１の軸方向に対して連続的に配設されている。隣り合う可縮部材３同士の間および可縮部材３の背面（地山Ｇの面）には、隙間が形成されているのが望ましい。なお、可縮部材３の数および配置は限定されるものではない。また、可縮部材３は、図２（ｂ）に示すように、鋼製支保工２２を構成する鋼材２２ａ同士の間に介設してもよい。
可縮部材３は、図３に示すように、対向する二面を被加圧面とする円柱状の本体部４と、本体部４の対向する二面（被加圧面）以外の面を覆う円筒体５と、円筒体５の外面に周設（被覆）された帯状の繊維シート（シート材６）とからなる。

本体部４は、セメントと、多孔質軽量骨材と、水とを含むセメント系材料の硬化体により形成されている。本実施形態では、多孔質軽量骨材として、パーライトを使用する。ここで、本明細書における「パーライト」とは、岩石材料（例えば黒曜石等の火山岩）を高温で急速に加熱発泡させてできる多孔質軽量骨材である。なお、多孔質軽量骨材は、空隙を多く含む粒状体であればパーライトに限定されるものではなく、例えば、いわゆる人工軽量骨材、発泡煉石、ガラス発泡体または発泡スチロール粒を使用してもよい。また、多孔質軽量骨材には、市販されている材料を使用してもよいし、可縮部材３用に製造した材料を使用してもよい。また、本体部４を構成するセメント系材料は、モルタルであってもよいし、コンクリートであってもよい。本体部４の配合は限定されるものではないが、本体部４の圧縮強度が吹付けコンクリート２１の圧縮強度よりも低くなる配合とする。なお、本体部４の圧縮強度は、多孔質軽量骨材の強度に依存することが予想されるため、所望の圧縮強度が確保できる多孔質軽量骨材を選定あるいは製造するのが望ましい。

円筒体５は、スパイラル管からなる。スパイラル管は、帯状の鋼板を螺旋状に巻きながら、鋼板の側縁同士を接合することにより円管状に形成されている。本実施形態では、市販のスパイラル管を所定の長さに切断して使用する。なお、円筒体５は、必ずしもスパイラル管である必要はなく、例えば、鋼管であってもよいし、鋼板を筒状に加工することにより形成されたものであってもよい。また、円筒体５は、必ずしも金属製である必要はない。

シート材６は、図３に示すように、その縁同士が重ねられた状態で、円筒体５にらせん状に巻き付けられている。本実施形態では、シート材６として、ポリプロピレン繊維を縦横に織ることにより形成された織布を使用する。この織布は、いわゆる土木シートとして一般的に使用されている。シート材６は、上記織布を５ｃｍ巾の帯状に裁断して形成する。なお、シート材６の幅は５ｃｍに限定されるものではない。また、シート材６を構成する繊維はポリプロピレンに限定されるものではなく、例えば、アラミド繊維やポリエチレン繊維等であってもよい。

可縮部材３の製造方法は、次のとおりである。まず、セメント、多孔質軽量骨材、水等を混練してセメント系材料を生成する。なお、スパイラル管を所定の高さで切断することにより円筒体５を形成しておく。次に、当該セメント系材料を円筒体５の内部に打設し、養生することで本体部４を形成する。本体部４のトンネル周方向の端面（被加圧面）は、露出させておく。本体部４に所定の強度が発現したら、円筒体５の外周面にシート材６を巻き付ける。すなわち、シート材６は、トンネル周方向に対して交差する方向で円筒体５に巻き付ける。このとき、シート材６を巻き付ける際の重ね合わせ代を１ｃｍとする。なお、シート材６は、セメント系材料の打設前に、予め円筒体５に巻き付けておいてもよい。また、シート材６の幅および重ね合わせ代は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。また、シート材６は、円筒体５に対して、多重に巻き付けてもよい。本実施形態では、円筒体５に接着剤としてエポキシ樹脂を適量塗布した後、シート材６を巻き付け、さらに可縮部材３（シート材６）の外周囲にエポキシ樹脂を塗布してシート材６に浸み込ませる。なお、接着剤はエポキシ樹脂に限定されるものではない。また、接着剤を塗布するタイミングおよび回数は限定されるものではない。

本実施形態の可縮部材３によれば円筒体５の拘束力によりじん性が確保されているため、トンネル支保工２の脆性的な破壊が抑制される。本体部４は、円柱状で、かつ、円筒体５によって覆われているため、圧縮力が作用すると同時に円筒体５によって拘束される。なお、可縮部材３は、本体部４が圧縮力によって径方向に膨張することによって外部拘束部材（円筒体５およびシート材６）の拘束効果が発揮される。また、本体部４の断面形状を円形にすることで、小ひずみ（数％程度）レベルにおいても円筒体５による拘束効果が発揮される。なお、本体部４が矩形断面の場合は、外部拘束部材に引張力が加わるまで時間を要する。そのため、降伏後に応力（耐力）が急激に大きく低下することがない。また、円筒体５およびシート材６の拘束力によって、脆性的に破壊しない可縮部材３が形成される。したがって、可縮部材３が、例えば、ひずみ５０％まで圧縮された場合であっても、トンネル支保工２としての機能が維持される。その結果、トンネル１の内空が安定するまで可縮部材３がひずみ続けることで、支保構造の安定性が保持される。

また、可縮部材３の本体部４は、多孔質軽量骨材を使用することによりトンネル支保工２よりも低強度に形成されている。コンクリートは、一般的に強度と剛性に正の相関がある。したがって、本体部４の強度が周辺のトンネル支保工２の強度よりも低ければ、本体部４の剛性も同様に周辺のトンネル支保工２の剛性よりも小さくなる。そのため、本実施形態のトンネル１では、地山Ｇに変形が生じた場合であっても、変形が可縮部材３に集中するので、トンネル１の支保構造を維持することが可能である。また、本体部４は、セメント系固化材と多孔質軽量骨材との混合体により構成されているため、鋼繊維を多量に含むコンクリートと比較して容易に練り混ぜることができ、製造時の手間の低減を可能としている。

円筒体５としてスパイラル管を使用しているため、拘束効果が高く、小ひずみレベルにおける応力低下を抑制することができる。そのため、可縮部材３の急激な耐力低下が抑制される。円筒体５は、本体部４が変形した際に、帯状の板材が本体部４の軸方向（トンネル周方向）にスライドして重なり合うので、本体部４に対する拘束効果が高くなる。したがって、本体部４が変形した場合であっても、トンネル１の支保構造としての耐力が急激に低下することが防止されている。また、スパイラル管により構成された円筒体５が残存型枠として機能するため、本体部４の成形が容易である。すなわち、本体部４を個別に成形する場合に比べて、型枠の組立、脱型を要する手間を低減することができる。また、円筒体５は、スパイラル管を任意の長さに切断することで、トンネル支保工２の規模等に応じた長さに成形することができる。

また、円筒体５の周囲にシート材６を巻き付けることで、降伏後の応力状態の調整が可能である。また、帯状のシート材６は、円筒体５にらせん状に巻き付けられているため、本体部４がトンネル周方向に圧縮（軸圧縮）された場合であっても、シート材６はスライドして、たわむことなく円筒体５（本体部４）の拘束効果を維持することができる。また、本体部４が軸圧縮した際にシート材６がスライドすることで、シート材６が積層された状態となるため、側方の拘束効果が向上する。
可縮部材３を構成する各材料（本体部４、円筒体５およびシート材６）は、比較的入手しやすい材料により構成されているため、可縮部材３を容易に製造することができる。

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。
例えば、シート材６を省略してもよい。すなわち、可縮部材３は、図４に示すように、多孔質軽量骨材を含むセメント系材料の硬化体からなる本体部４と、本体部４の被加圧面以外の面を覆う円筒体５とにより構成されたものであってもよい。
また、シート材６は、本体部４の側面を拘束することができれば、必ずしもその縁同士を重ねた状態で巻き付ける必要はない。また、シート材６は、帯状であればよく、必ずしも繊維シートである必要はない。

次に、本実施形態の可縮部材３について一軸圧縮試験を行い、軸ひずみが５０％に到達するまで、脆性破壊しないことを確認した。
本実験では、実施例として、図５（ａ）に示すように、スパイラル管からなる円筒体５と、円筒体５の内部にパーライトを骨材としたモルタルを充填してなる円柱状の本体部４と、円筒体５の外面に螺旋状に撒き付けられたポリプロピレン製のシート材６とからなる可縮部材３について、一軸圧縮試験を行った。可縮部材３は、直径φ２００ｍｍ、高さＨ４００ｍｍの本体部４に、肉厚０．６ｍｍの円筒体５が外装されており、円筒体５の外面に５０ｍｍ巾のシート材６を重ね代１０ｍｍで二重に巻き付けた。
また、比較例として、図５（ｂ）に示すように、パーライトを骨材としたモルタルからなる幅Ｗ８００×奥行きＤ３００×高さＨ４００の本体部４の外面に５ｃｍ巾のシート材６を重ね代１ｃｍで二重に巻き付けた供試体３０についても一軸圧縮試験を行った。

一軸圧縮試験結果を図６に示す。
図６に示すように、比較例（Ｌ_０）は、圧縮力により本体部４が降伏すると、応力が大きく（５Ｎ／ｍｍ^２以下まで）低下する。一方、実施例（Ｌ_１）の可縮部材３は、剛性が大きい円筒体５が小ひずみレベルで拘束効果を発揮し、応力がほとんど低下しない。
また、実施例（Ｌ_１）では、本体部４が円柱状に形成されているため、圧縮力が作用した際に周方向に膨張するため、外部拘束部材（円筒体５およびシート材６）に引張力が作用し、小ひずみレベルにおいても拘束効果が付与される。
本実施形態の可縮部材３によれば、本体部４の拘束効果が向上し、降伏後大きな応力低下がなく、かつ、軸ひずみ５０％まで脆性的に破壊しないことが実証された。

１トンネル
２トンネル支保工
２１吹付けコンクリート
２２鋼製支保工
３可縮部材
４本体部
５円筒体
６シート材

Claims

セメントと、多孔質軽量骨材と、水とを含むセメント系材料を生成する工程と、
円筒体の内部に前記セメント系材料を打設する工程と、を備えていることを特徴とする、可縮部材の製造方法。
対向する二面を被加圧面とする円柱状の可縮部材であって、
多孔質軽量骨材を含むセメント系材料の硬化体からなる本体部と、
前記本体部の前記被加圧面以外の面を覆う円筒体と、を備えていることを特徴とする、可縮部材。
前記円筒体は、スパイラル管であることを特徴とする、請求項２に記載の可縮部材。
アーチ状あるいはリング状のトンネル支保工と、
前記トンネル支保工を横断するように配設された請求項２または請求項３に記載の可縮部材と、を備えていることを特徴とする、トンネル。