JP2022500579A - 逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造及びその施工方法 - Google Patents

逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造及びその施工方法 Download PDF

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Abstract

本発明は逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造を提供し、この支持構造は、外から内に向って、第一層の一次ライニング(1)、第二層の一次ライニング(2)、防水層、二次ライニング(3)を備えており、第一層の一次ライニングは、第一層の上部ステップ一次ライニング及第一層の下部ステップ一次ライニングを備えている。第一層の上部ステップ一次ライニングは第一の上部ステップ鋼製アーチを備え、第一層下部ステップ一次ライニングは第一の下部ステップ鋼製アーチを備え、第一の上部ステップ鋼製アーチと第一の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する。第二層の一次ライニングは、第二の上部ステップ一次ライニング及び第二の下部ステップ一次ライニングを備え、第二層の上部ステップ一次ライニングは第二の上部ステップ鋼製アーチを備え、第二層下部ステップ一次ライニングは第二の下部ステップ鋼製アーチを備え、第二の上部ステップ鋼製アーチと第二の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する。

Description

本発明は、トンネル施工の技術分野に関し、特に、逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造及びその施工方法に関する。
トンネルは、地下に建設された建造物であり、交通、鉱山、水利及び国防などの分野に広く応用されている。現在のトンネルは、新オーストリアトンネル工法を使用するのが一般的であり、支持構造は、複合ライニング構造であり、トンネルの周方向に沿ってボールト、逆アーチ及び側壁を備え、トンネルの径方向に沿って外側の一次ライニング、内側の二次ライニング及び一次ライニングと二次ライニングの間に位置する防水層を備えている。
中国の南西地域のトンネルと地下工学の急速な発展に伴い、山岳鉄道や超長トンネルが次第に増加し、高い地盤応力や軟弱な周囲の岩石などを通り抜けるトンネル施工区間もそれに応じて増加している。地盤応力が高く、岩石が軟弱で、トンネルの変形が大ききため、施工中の制御が困難である。施工中少しでも不注意があれば、変形や土砂災害が発生しやすくなる。しかも、トンネルの構造設計及びその後のメンテナンスなどの面においても同じく解決しにくい問題が発生する押出型軟弱岩の沈埋地帯にトンネル建設するためには、「剛よく剛を制す」と「柔よく剛を制す」の二つの方法がある。「剛よく剛を制す」とは、掘削を開始した後すぐに頑丈な剛性のあるサポートを設置することにより、地層の強大な圧搾力に抵抗することである。「柔よく剛を制す」とは、掘削を開始して、先に柔軟なサポートを設置することにより、地層のある程度の変形を許容して、地面の応力を解放してから剛性のあるサポートを再設置することである。このような二つの支持理念に対し、対応する主な技術手段として、周囲の岩石の事前補強、重い鋼製フレームの初期サポート、二次ライニングを早期に施工するなどの対応する「剛性のあるサポート」、及び、可撓性の鋼材フレームを使用して、ロックボルト、先進導坑の応力解放などの対応する「柔軟なサポート」がある。明らかに、後者が新オーストリアトンネル工法の原理に適合する。ここで言う「剛」及び「柔」は、2つの相対的な概念であり、「剛」の意味は、掘削および荷下ろし後の地層圧力に最大限に抵抗することであり、「柔」の意味は、周囲の岩石の変形を合理的に解放して、支持構造に作用する力を低減することである。ただし、「柔」は、支持構造が効力を失わないことを保証することを前題とし、一旦効力を失うと変形や土砂災害が発生する。従来技術における支持構造は、トンネル通路の表面に直接緊密に接合して剛性の一次ライニングを行う方式であるが、これによれば、トンネル通路を取り巻く岩石層による高い応力のため、常に一次ライニングのコンクリートの破裂や剥離、鋼製アーチの歪み変形などが発生する。鋼製アーチが変形してしまうと、次工程の二次ライニングのスペースに侵入してしまうので、二次ライニングを施工することができなくなる。そのため、施工済みの剛性の一次ライニングを解体しなければならず、改めて新たに剛性の一次ライニングを施工しなければならない。これにより、工程コスト及び施工リスクを大幅に増加するだけではなく、工事期間も大幅に延長されてしまう。
本発明の一つの目的は、逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法を提供することである。
本発明の目的を達成するために、本発明による逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造は、トンネルの周方向に沿って、頂部のボールト、底部の逆アーチ及び両側の側壁を備え、トンネルの径方向に沿って、外層における第一層の一次ライニング、内層における二次ライニング及び前記第一層の一次ライニングと前記二次ライニングの間に設けられた防水層を備え、前記防水層は、ジオテキスタイル及び防水パネルを備えており、前記第一層の一次ライニングは、第一層の上部ステップ一次ライニングと第一層の下部ステップ一次ライニングを備えており、前記第一層の上部ステップ一次ライニングは第一の上部ステップ鋼製アーチを備え、前記第一層の下部ステップ一次ライニングは第一の下部ステップ鋼製アーチを備え、前記第一の上部ステップ鋼製アーチと前記第一の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成し、前記支持構造は、前記第一層の一次ライニングと前記防水層の間に設けられた第二層の一次ライニングを備え、前記第二層の一次ライニングはトンネルの径方向に沿って設けられており、前記第二層の一次ライニングは、第二層の上部ステップ一次ライニングと第二層の下部ステップ一次ライニングを備え、前記第二層の上部ステップ一次ライニングは、第二の上部ステップ鋼製アーチを備え、前記第二層の下部ステップ一次ライニングは、第二の下部ステップ鋼製アーチを備え、前記第二の上部ステップ鋼製アーチと前記第二の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する。
好ましくは、前記第一の上部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第一の側壁鋼製アーチ、第一の頂部鋼製アーチ、第二の側壁鋼製アーチを備え、前記第一の下部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第三の側壁鋼製アーチ、第四の側壁鋼製アーチ、第一の底部鋼製アーチ、第五の側壁鋼製アーチ、第六の側壁鋼製アーチを備え、前記第三の側壁鋼製アーチの第一端の端部と前記第一の側壁鋼製アーチは接続され、前記第三の側壁鋼製アーチの第二端は下向きに延在し、前記第四の側壁鋼製アーチは前記第三の側壁鋼製アーチの前記第一端の側辺に接続され、前記第六の側壁鋼製アーチの第一端の端部と前記第二の側壁鋼製アーチは接続され、前記第六の側壁鋼製アーチの第二端は下向きに延在し、前記第五の側壁鋼製アーチは前記第六の側壁鋼製アーチの前記第一端の側辺に接続される。
好ましくは、前記第二の上部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第一の側壁鋼材サポート、第一の頂部鋼材サポート、第二の側壁鋼材サポートを備え、前記第二の下部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第三の側壁鋼材サポート、第一の底部鋼材サポート、第四の側壁鋼材サポートを備え、前記第一の側壁鋼材サポートは前記第三の側壁鋼材サポートと接続し、前記第二の側壁鋼材サポートは前記第四の側壁鋼材サポートと接続する。
好ましくは、前記第一層の一次ライニングと前記第二層の一次ライニングの間には第一層の一次ライニングの予備変形スペースが設けられ、前記第二層の一次ライニングと前記防水層の間には第二層の一次ライニングの予備変形スペースが設けられ、前記第一層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量は、前記第二層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量より大きい。
好ましくは、前記第一層の上部ステップ一次ライニングは、アーチ部ロックボルトユニットを更に備え、前記アーチ部ロックボルトユニットは、複数の排気装置付きの結合中空ロックボルトを備え、複数の前記結合中空ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿って前記ボールトに配置される。
好ましくは、前記支持構造は、補強ロックボルトユニットを更に備え、前記補強ロックボルトユニットは、複数のアーチ部の長尺ロックボルト、複数の上部ステップ側壁の長尺ロックボルト、複数の下部ステップ側壁の長尺ロックボルト、複数のトンネル底部の長尺ロックボルトを備え、複数の前記アーチ部の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿って前記ボールトに配置され、複数の前記上部ステップ側壁の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの前記上部ステップ両側の側壁に配置され、複数の前記下部ステップ側壁の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの前記下部ステップ両側の側壁に配置され、複数の前記のトンネル底部の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの底部に配置される。
本発明の他の目的を達成するために、本発明による逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法は、上部ステップの先受けサポート及び上部ステップの先受け補強用ロックボルトを設ける工程、トンネルの上部ステップ胴部を掘削する工程、第一層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、トンネルの下部ステップ胴部を掘削する工程、第一層の下部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、下部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びトンネル底部の長尺ロックボルトを設ける工程、第二層の下部ステップ一次ライニングを設け、コンクリートを吹き付けて、トンネル底部の埋め戻しをする工程、上部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びボールトの長尺ロックボルトを設ける工程、第二層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、逆アーチの打設及び逆アーチの充填打設を行う工程、二次ライニングを打設する工程、を含む。
好ましくは、前記施工方法において、トンネルを掘削したか否かを判断し、貫通していない場合、前記上部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びボールトの長尺ロックボルトを打ち込むとともに、トンネルの縦方向に沿って次々と、前記上部ステップの先受けサポート及び上部ステップの先受け補強用ロックボルトを設ける工程、前記トンネルの上部ステップ胴部を掘削する工程、前記第一層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、前記トンネルの下部ステップ胴部を掘削する工程、前記第一層の下部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、前記下部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びトンネル底部の長尺ロックボルトを設ける工程、前記第二層の下部ステップ一次ライニングを設け、コンクリートを吹き付けて、トンネル底部の埋め戻しをする工程を順次行って、短いステップを形成して環状構造に速やかに閉じて施工を循環的に前進させる。
好ましくは、前記上部ステップの先受けサポートは、複数の先受け注入小管を備え、複数の前記先受け注入小管は、トンネルの周方向及び縦方向に沿って配置される。
好ましくは、前記上部ステップ先受け補強用ロックボルトは複数の縦方向のロックボルトを有し、複数の前記縦方向のロックボルトは、トンネルの縦方向に沿ってトンネル上部ステップのトンネル切羽面に配置される。
本発明の逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造によれば、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの組み合わせにより、トンネルの内周における応力分布を有効に改善し、周囲の岩石の破壊範囲の進展を低減することができ、高い地盤応力、軟岩の大変形など不利な地質条件のトンネル機械化施工方法に対する限界を有効に解決することができ、トンネル施工中の安全リスクを大幅に低減して、安全、高速、経済的かつ合理的な施工を行うことができる。逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造において、第一の上部ステップ鋼製アーチ、第一の下部ステップ鋼製アーチ、第二の上部ステップ鋼製アーチ及び第二の下部ステップ鋼製アーチをいずれも複数の鋼製アーチに分割することができ、機械化施工の運送及び保管に便利になる。逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造において、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの間に一つの変形スペースが予め設けられ、第二層の一次ライニングと防水層の間に第二層の一次ライニングの予備変形スペースが設けられているため、周囲の岩石の変形のために許容スペースを提供して、空間上、周囲の岩石の許容最大変形量を保証することができる。逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造において、トンネルの周方向に複数の異なる規格のロックボルトを設置できるので、トンネルの周方向での周囲の岩石の変形を制限及び拘束することができ、ロック部分の周囲の岩石の強度を高めて、トンネルの崩壊を防止することができる。
逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法によれば、二重層支持及び長短ロックボルトの組み合わせ方法を使用しているので、トンネル機械化施工設備の長所と相まって、逆アーチを備えた2段階高速施工方法を採用し、大変形するトンネルの変形量を各々の施工ステップに分解することができる。そして、段階的な制御と高速閉合方法を採用することで、周囲の岩石の合計変形量を有効に制御することができ、トンネル施工中の安全リスクを大幅に低減し、安全、高速、経済的かつ合理的なトンネル施工の目的を実現することができる。
本発明の実施形態による支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のフローチャートである。 本発明の実施形態による施工方法のステップ1、ステップ2及びステップ3を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ4、ステップ5及びステップ6を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ7を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ8を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ9を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ10を実施するときの支持構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態による施工方法のステップ11を実施するときの支持構造の断面を示す図である。
以下、図面及び実施形態に基づいて本発明をより詳しく説明する。
〈逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の実施形態〉
図1〜2を参照されたい。図1は、本発明の実施形態による支持構造の断面を示す図であり、図2は、本発明の実施形態による第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの断面を示す図である。本実施形態の支持構造は、トンネルの周方向に沿って、頂部のボールト、底部の逆アーチ及び両側の側壁を備えている。また、トンネルの径方向に沿って、外層における第一層の一次ライニング1、内層における二次ライニング3、及び第一層の一次ライニング1と二次ライニング3の間に設けられた防水層を備えており、防水層は、ジオテキスタイル及び防水パネルを備えている。第一層の一次ライニング1は、第一層の上部ステップ一次ライニングと第一層の下部ステップ一次ライニングを備えている。第一層の上部ステップ一次ライニングと第一層の下部ステップ一次ライニングは、トンネルのステップ境界線で上下に分割されている。第一層の上部ステップ一次ライニングは、ステップ境界線の上部に設置された第一の上部ステップ鋼製アーチを備えている。第一層の下部ステップ一次ライニングは、ステップ境界線の下部に設置された第一の下部ステップ鋼製アーチを備えている。第一の上部ステップ鋼製アーチと前記第一の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する。
支持構造は、第一層の一次ライニング1と防水層の間に設けられた第二層の一次ライニングを備え、第二層の一次ライニングはトンネルの径方向に沿って設けられている。第二層の一次ライニングは、第二層の上部ステップ一次ライニングと第二層の下部ステップ一次ライニングを備え、第二層の上部ステップ一次ライニングは、ステップ境界線の上部に設置された第二の上部ステップ鋼製アーチを備え、第二層の下部ステップ一次ライニングは、ステップ境界線の下部に設置された第二の下部ステップ鋼製アーチを備え、第二の上部ステップ鋼製アーチと前記第二の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する。
第一の上部ステップ鋼製アーチは、鋼製フレームにより接続された第一の側壁鋼製アーチ11、第一の頂部鋼製アーチ12、第二の側壁鋼製アーチ13を順に備え、第一の側壁鋼製アーチ11と第二の側壁鋼製アーチ13は、第一の頂部鋼製アーチ12の左右両側に対称に設置されている。第一の下部ステップ鋼製アーチは、鋼製フレームにより接続された第三の側壁鋼製アーチ14、第四の側壁鋼製アーチ15、第一の底部鋼製アーチ16、第五の側壁鋼製アーチ17、第六の側壁鋼製アーチ18を順に備えている。第四の側壁鋼製アーチ15と第五の側壁鋼製アーチ17は、第一の底部鋼製アーチ16の左右両側に対称に設置されている。第三の側壁鋼製アーチ14の第一端の端部は第一の側壁鋼製アーチ11に接続され、第三の側壁鋼製アーチ14の第二端は下向きに延在し、第三の側壁鋼製アーチ14の第一端の側辺は、第四の側壁鋼製アーチ15における第一の底部鋼製アーチ16から離れた一端に接続されている。第六の側壁鋼製アーチ18の第一端の端部は、第二の側壁鋼製アーチ13に接続され、第六の側壁鋼製アーチ18の第二端は下向きに延在し、第六の側壁鋼製アーチ18の第一端の側辺は、第五の側壁鋼製アーチ17における第一の底部鋼製アーチ16から離れた一端に接続されている。
第二の上部ステップ鋼製アーチは、鋼製フレームにより順に接続された第一の側壁鋼材サポート、第一の頂部鋼材サポート、第二の側壁鋼材サポートを備え、第一の側壁鋼材サポートと第二の側壁鋼材サポートは、第一の頂部鋼材サポートの左右両側に対称に設置されている。第二の下部ステップ鋼製アーチは、鋼製フレームにより順に接続された第三の側壁鋼材サポート24、第一の底部鋼材サポート25、第四の側壁鋼材サポート26を備え、第三の側壁鋼材サポート24と第四の側壁鋼材サポート26は、第一の底部鋼材サポート25の左右両側に対称に設置されている。第一の側壁鋼材サポートは、接続鋼製フレームを通じて第三の側壁鋼材サポートと接続し、第二の側壁鋼材サポートは、接続鋼製フレームを通じて第四の側壁鋼材サポート26と接続する。
第一層の一次ライニング1と第二層の一次ライニングの間には第一層の一次ライニングの予備変形スペース4が設けられ、第二層の一次ライニングと防水層の間には第二層の一次ライニングの予備変形スペース25が設けられている。ここで、第一層の一次ライニングの予備変形スペース4の予備変形量は、第二層の一次ライニングの予備変形スペース25の予備変形量より大きい。本実施形態において、第一層の一次ライニングの予備変形スペース4の予備変形量は30cmであることが好ましく、第二層の一次ライニングの予備変形スペース25の予備変形量は15cmであることが好ましい。
第一層の上部ステップ一次ライニングは、アーチ部ロックボルトユニットを更に備え、アーチ部ロックボルトユニットは、複数の排気装置付きの結合中空ロックボルト6を備え、複数の結合中空ロックボルト6は、トンネルの周方向と縦方向に沿ってボールトに配置されている。結合中空ロックボルト6は長さが3mであり、周方向に1.2mの間隔で1本の結合中空ロックボルト6を打設し、縦方向に1.0mの間隔で1本の結合中空ロックボルト6を打設している。
本実施形態による支持構造は、補強ロックボルトユニット更に備え、補強ロックボルトユニットは、複数のアーチ部の長尺ロックボルト7、複数の側壁の長尺ロックボルト8、複数のトンネル底部の長尺ロックボルト9を備えている。複数のアーチ部の長尺ロックボルト7は、トンネルの周方向と縦方向に沿ってボールトに配置されている。複数の側壁の長尺ロックボルト8は、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの両側の側壁に配置され、両側の側壁は、ステップ境界線の上下両側に分離して設置された上部ステップ側壁と下部ステップ側壁を備え、これに対応して、側壁の長尺ロックボルト8は、上部ステップの側壁の長尺ロックボルトと下部ステップの側壁の長尺ロックボルトを備え、上部ステップの側壁の長尺ロックボルトは上部ステップ側壁に配置され、下部ステップの側壁の長尺ロックボルトは下部ステップ側壁に配置されている。複数のトンネル底部の長尺ロックボルト9は、トンネルの周方向及び縦方向に沿って、トンネル底部に配置されている。アーチ部の長尺ロックボルト7は、直径が25mmで、長さ6mの樹脂製ロックボルトであり、周方向に間隔1.2mごとに1本の樹脂製ロックボルトを打設し、縦方向に間隔1.2mごとに1本の樹脂製ロックボルトを打設している。側壁の長尺ロックボルト8とトンネル底部の長尺ロックボルト9は、いずれも直径32mmで、長さ8mの自走式ロックボルトを使用し、周方向に1.2mの間隔で1本の自走式ロックボルトを打設し、縦方向に1.0mの間隔で1本の自走式ロックボルトを打設している。
第一層の一次ライニング1は、第一の上部ステップ鋼製アーチ、第一の下部ステップ鋼製アーチ、金網、縦方向の接続鋼筋、接続鋼筋、上下部ステップのパイプ式ロックボルト10を有する吹き付けコンクリート構造により構成されている。第二層の一次ライニングは、第二の上部ステップ鋼製アーチ、第二の下部ステップ鋼製アーチ、金網、縦方向の接続鋼筋、接続鋼筋を有する吹き付けコンクリート構造により構成されている。
〈逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法の実施形態〉
図3乃至図10を参照すると、本発明による逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法は、以下ステップを含む。
ステップS1では、上部ステップの先受けサポート及び上部ステップの先受け補強用ロックボルトを打設する。まず、削岩機を使用して、ボールトの掘削外周輪郭線に沿って、前方に一定の角度で直径42mm、長さ4.5mの先受けトレミー管20を打ち込む。先受け小鋼管20は縦方向上3mを一つのサイクルとして接続して施工し、両サイクルは縦方向に1.5m重なっており、先受けトレミー管20の周方向での配置間隔は40cmである。次に、所定の圧力で先受けトレミー管20内にグラウト注入して補強し、先受けトレミー管20のグラウト注入は充満させる必要がある。次に、削岩機を使用して上部ステップの切羽面に先受け補強ロックボルト30を設置する。ここで、先受け補強ロックボルト30は、ガラス繊維製のロックボルトであり、ガラス繊維製ロックボルトは、直径が22mm、長さが6mである。複数のガラス繊維製ロックボルトは、複数の水平列と複数の垂直列に分けられており、各水平列は1.5mの間隔を有し、各垂直列は1.5mの間隔を有する。操作の便宜上、上部ステップの切羽面に、水平方向の間隔1.5m、垂直方向の間隔1.5mの規格で水平方向補助線及び垂直方向補助線を描き、水平方向補助線と垂直方向補助線を交差して設置する。次に、水平方向補助線と縦方向補助線のすべての交点から、複数の交点を選んでガラス繊維製ロックボルトを設けて、隣接する二つのガラス繊維製ロックボルトの水平方向上の間隔が3.0mになり、隣接する二つのガラス繊維製ロックボルトの垂直方向上の間隔が3.0mになるようにする。ガラス繊維製ロックボルトは、縦方向上6.0mを一つのサイクルとして、接続して施工する。
次に、ステップS2では、トンネルの上部ステップ胴部を掘削する。詳しくは、削岩機を使用して削孔作業を行い、弱い発破により上部ステップ胴部を掘削する。掘削作業中はボールトを先に掘削し、次に側壁を掘削する。各サイクルの掘削長が2つの構造体の鋼製フレーム間隔を超えないように、すなわち1.2mを超えないようにして、5回の掘削を通じて合計6mまで掘削する。側壁を掘削する前に、ボールトの両側において、それぞれ岩壁に直径42mmで、長さ4.5mのパイプ式ロックボルト10を2本打設し、そのパイプ式ロックボルト10内にグラウト注入して、ボールトの収縮やアーチの脱落を防止する。
次に、ステップS3では、上部ステップの切羽面に続いて、第一層の上部ステップ一次ライニングを設ける。トンネルの上部ステップ胴部を掘削した後、時間内に上部ステップの岩石面に対し、厚み4cmのコンクリートを最初に吹き付ける。次に、再度削岩機又はアンカー掘削機を使用して、トンネルのアーチ部に直径22mmで長さ3mの排気装置付きの結合中空ロックボルト6を設置して、グラウト注入して充満させる。隣接する2つの結合中空ロックボルト6は、周方向に1.2mの間隔を有し、縦方向に1.0mの間隔を有する。次に、第一層の一次上部ステップ鋼製アーチを設置する。第一層の一次上部ステップ鋼製アーチを設置する前に、まず、第一の側壁鋼製アーチ11、第一の頂部鋼製アーチ12、第二の側壁鋼製アーチ13を順に接続する。第一の側壁鋼製アーチ11と第一の頂部鋼製アーチ12の間は接続鋼製フレームにより接続し、第一の頂部鋼製アーチ12と第二の側壁鋼製アーチ13の間は接続鋼製フレームにより接続する。次に、鋼製アーチ組立機を使用して第一層の上部ステップ鋼製アーチを装着する。次に、金網を設置し、金網、パイプ式ロックボルト10などをそれぞれ第一層の一次上部ステップ鋼製アーチに溶接して固定してから、再度コンクリートを吹き付けることで、第一層の上部ステップ一次ライニングの最初に吹き付けたコンクリートと再度吹き付けたコンクリートの合計厚さが27cmになるようにして、全体が均一で、緻密で、背後に空洞がないことを保証する。
次に、ステップS4では、トンネルの下部ステップ胴部を掘削する。まず、削岩機を使用して削孔作業を行ってから、弱い発破により下部ステップを掘削する。各サイクルの掘削長が5つの構造体の鋼製フレーム間隔を超えないように、すなわち3mを超えないようにして、2回の掘削を通じて合計6mまで掘削する。下部ステップ胴部を掘削する際、逆アーチの両側から岩壁に、直径42mmで長さ4.5mのパイプ式ロックボルト10を2本打設して、パイプ式ロックボルト10内にグラウト注入する。
次に、ステップS5では、下部ステップの切羽面に続いて、第一層の下部ステップ一次ライニングを設ける。トンネルの下部ステップ胴部を掘削した後、時間内に下部ステップの岩石面に対し、厚み4cmのコンクリートを最初に吹き付ける。次に、削岩機又はアンカー掘削機を使用して、トンネルの底部に長尺ロックボルト9を設置して、M20セメントペーストを注入する。トンネルの長尺ロックボルト9は直径32mmで長さ8mの自走式ロックボルトが好ましく、周方向に、間隔1.2mごとに1本の自走式ロックボルトを設置し、縦方向に、間隔1.0mごとに1本の自走式ロックボルトを設置する。次に、削岩機又はアンカー掘削機を使用して、トンネルの底に案内孔を穿設して、その案内孔に挿入したグラウト注入管40を介してグラウト注入を行う。案内孔の深さは3mであり、周方向に、間隔1.5mごとに一つの案内孔を穿設し、縦方向に、間隔2.5mごとに一つの案内孔を穿設する。次に、鋼製アーチ組立機を使用して第一層の下部ステップ一次ライニングを設置して、第一層の下部ステップ一次ライニングと第一層の上部ステップ一次ライニングにより閉ループが形成されるようにする。第一層の上部ステップ一次ライニングを設置する前に、まず接続鋼製フレームにより、第三の側壁鋼製アーチ14、第四の側壁鋼製アーチ15、第一の底部鋼製アーチ16、第五の側壁鋼製アーチ17、第六の側壁鋼製アーチ18を順に接続する。次に、金網を設置してから、金網、パイプ式ロックボルト10などをそれぞれ第一層の一次上部ステップ鋼製アーチに溶接して固定し、再度コンクリートを吹き付ける。これにより、第一層の下部ステップ一次ライニングの最初に吹き付けたコンクリートと再度吹き付けたコンクリートの合計厚さが27cmになるようにして、全体が均一で、緻密で、背後に空洞がないことを保証する。
次に、ステップS6では、下部ステップにおける側壁の長尺ロックボルト8とトンネル底部の長尺ロックボルト9を設置する。トンネルの周方向と縦方向に沿って、下部ステップの両側の側壁に複数の側壁の長尺ロックボルト8を打設し、トンネルの周方向と縦方向に沿って、トンネルの底部に複数のトンネル底部の長尺ロックボルト9を打設する。下部ステップの側壁の長尺ロックボルト8とトンネル底部の長尺ロックボルト9は、いずれも直径32mmで長さ8mの自走式ロックボルトであり、周方向に間隔1.2mごとに1本の自走式ロックボルトを設置し、縦方向に間隔1.0mごとに1本の自走式ロックボルトを設置する。
次に、ステップS7では、第二層の下部ステップ一次ライニングを設置してコンクリートを吹き付けて、トンネル底部の埋め戻しをする。ここで、第二層の下部ステップ一次ライニングを設置する前に、接続鋼製フレームにより、第三の側壁鋼材サポート24、第一の底部鋼材サポート25、第四の側壁鋼材サポート26を接続する。第一層の一次ライニングが最初に安定した後、鋼製アーチ組立機を使用して、第二層の下部ステップ一次ライニングを設置する。次に、金網を設置して、金網と第二層の一次下部ステップ鋼製アーチを溶接して固定し、コンクリートを吹き付ける。これにより、第二層の下部ステップ一次ライニングのコンクリート吹き付け後の厚さが25cmになるようにして、全体が均一で、緻密で、背後に空洞がないことを保証する。すなわち、第二層の下部ステップ一次ライニングと第一層の下部ステップ一次ライニングとの隙間にコンクリートを完全に充填すべきである。ここで、コンクリートの吹き付け施工の前、第二層の一次サポートの下部ステップ鋼製アーチを設置した後に、両側の外部露出部に継手を予め残し保護措置を講じてからコンクリートを吹き付ける。すなわち、第三の側壁鋼製アーチ14と第六の側壁鋼製アーチ18の方に継手を残し、それに対し保護措置を講じてからコンクリートを吹き付ける。第二層の一次サポートの設置が完了後、洞穴中のスラグによりトンネル底部の埋め戻しをして締め固める。
次に、ステップS8では、トンネルを掘削して貫通したか否かを判断する。貫通している場合、以下のステップS9〜S12のみを実行し、貫通していない場合、前の施工区域に対しステップS9〜S12を実行するとともに、後の施工区域に対しステップS1〜S7を実行して、縦方向上6mを一つのサイクルとして短いステップを形成し、環状構造に速やかに閉じて施工を進める。前の施工区域と後の施工区域は隣接する二つの施工区域であり、説明を簡便にするために、前の施工区域を第一の施工区域と呼び、後の施工区域を第二の施工区域と呼ぶ。
ステップS9では、上部ステップの側壁の長尺ロックボルト8及びアーチ部の長尺ロックボルト7を設置する。トンネルの周方向と縦方向に沿って、上部ステップの両側の側壁に複数の側壁の長尺ロックボルト8を設置し、トンネルの周方向と縦方向に沿って、ボールトに複数のアーチ部の長尺ロックボルト7を設置する。上部ステップの側壁の長尺ロックボルトは、直径32mmで長さ8mの自走式ロックボルトを使用し、周方向に1.2mの間隔で1本の自走式ロックボルトを設置し、縦方向に1.0mの間隔で1本の自走式ロックボルトを設置する。アーチ部の長尺ロックボルトは、直径25mmで長さ6mの樹脂製ロックボルトを使用し、周方向に1.2mの間隔で1本の樹脂製ロックボルトを設置し、縦方向に1.2mの間隔で1本の樹脂製ロックボルトを設置する。
破壊された周辺の岩石の完全性を更に改善するために、削岩機又はアンカー掘削機を使用して、トンネル全体に対し、アーチ部と側壁の周囲の岩石に案内孔を穿設して、その案内孔に挿入したグラウト注入管40を介してグラウト注入を行う。ここで、案内孔の深さは3mであり、掘削輪郭線の3mの範囲までグラウト注入による補強が行われている。案内孔は、周方向の間隔が1.5mであり、縦方向の間隔が2.5mである。
次に、ステップS10では、第一の施工区域に第二層の上部ステップ一次ライニングを設置して、コンクリートの吹き付けを行う。第二の施工区域において、上部ステップの切羽面を15〜20m掘削してから、且つ第一層の一次ライニングの変形が予備変形量の1/2に収束した後、又は変形が予備変形量の1/2には達してなくてもすでに安定したときに、第二の上部ステップ一次ライニングを設置する。第二層の上部ステップ一次ライニングと第一層の上部ステップ一次ライニングの間に第一層の一次ライニングの予備変形スペースを形成しておき、この予備変形スペースの予備変形量は30cmであることが好ましい。第二層の一次ライニングはトンネルの径方向に沿って設置されており、第二層の一次ライニングは第二の上部ステップ鋼製アーチを備えている。第二の上部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第一の側壁鋼材サポート21、第一の頂部鋼材サポート22、第二の側壁鋼材サポート23を備えている。第二層の一次ライニングの前に、先ず、第一の側壁鋼材サポート21、第一の頂部鋼材サポート22、第二の側壁鋼材サポート23を順に接続しておき、次に、鋼製アーチ組立機を使用して第二の上部ステップ鋼製アーチを設置して、第二の上部ステップ鋼製アーチと第二の下部ステップ鋼製アーチで閉じたリングが形成されるようにする。次に、金網を設置して、金網と第二層の一次下部ステップ鋼製アーチを溶接して固定してから、コンクリートの吹き付けを行う。これにより、第二層の上部ステップ一次ライニング同士のコンクリート吹き付け後の厚さが25cmになるようにして、全体が均一で、緻密で、背後に空洞がないことを保証する。すなわち、第二層の上部ステップ一次ライニングと第一層の上部ステップ一次ライニングとの隙間にコンクリートを完全に充填すべきである。
次に、ステップS11では、逆アーチの打設及び逆アーチの充填打設を行う。第一の施工区域の第二層の一次ライニングにより一定の距離で支持され、且つ第二層の一次ライニングが環状に閉じられた区域の収束変形データが安定していると評価された後、逆アーチの充填打設を行う。まず、逆アーチの型板を設置して、二重層の鋼筋を入れ、C35コンクリートを使用して逆アーチの打設を行う。基本的に逆アーチが固化した後、逆アーチの充填型板を設置して、C20コンクリートを使用して充填打設を行う。
次に、ステップS12では、二次ライニングの打設を行う。二次ライニングの打設を行う前に、第二層の上部ステップ一次ライニングに防水層を敷設する。この防水層は、ジオテキスタイル及び防水パネルを備えている。防水層と第二層の一次ライニングの間に第二層の一次ライニングの予備変形スペースを形成し、又は二次ライニングと第二層の一次ライニングの間に第二層の一次ライニングの予備変形スペースを形成する。防水層はこの第二層の一次ライニングの予備変形スペースの中に含まれる。この第二層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量は、第一層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量より小さく、本実施形態では、第二層の一次ライニングの予備変形量は15cmである。次に、二次ライニングの型板を設置して、二重層の鋼筋を入れ、C35コンクリートを使用して二次ライニングの打設を行うことで、二次ライニングの合計厚さが60cmになるようにする。二次ライニングの打設を一定距離完了した後、二次ライニングの変形が安定した後、両側溝の線渠型板を設置して線渠の注入施工を行う。
以上、好ましい実施形態により本発明を詳細に説明したが、その目的は、当業者が、本発明の内容を理解した上で実施できるようにするためである。もちろん、本発明の保護範囲は、上記実施形態、実施例に限定されず、本発明の趣旨に基づいて変更又は改善することができ、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。
産業上の利用性
本発明は、高い地盤応力や軟弱岩のトンネル施工に応用される。本発明によれば、第一層の一次ライニングと防水層の間に、第二層の一次ライニングを設置して、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの間に第一層の一次ライニングの予備変形スペースを形成し、第二層の一次ライニングと防水層の間に第二層の一次ライニングの予備変形スペースを形成することで、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングにより掘削および荷下ろし後の地層圧力に最大限に抵抗することができ、トンネル内周で発生する変形を防止し、第一層の一次ライニングの予備変形スペースと第二層の一次ライニングの予備変形スペースにより周囲の岩石の変形を効果的に解放することができ、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングに加える力を減少させることができる。したがって、第一層の一次ライニングと第二層の一次ライニングの構造の障害を防止して、高い地盤応力、軟岩の大変形など不利な地質条件のトンネル機械化施工方法に対する限界を有効に解決することができ、トンネル施工中の安全リスクを大幅に低減して、安全、高速、経済的かつ合理的な施工を行うことができる。

Claims (10)

  1. 逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造であって、
    トンネルの周方向に沿って、頂部のボールト、底部の逆アーチ及び両側の側壁を備え、トンネルの径方向に沿って、外層における第一層の一次ライニング、内層における二次ライニング及び前記第一層の一次ライニングと前記二次ライニングの間に設けられた防水層を備え、前記防水層は、ジオテキスタイル及び防水パネルを備えており、
    前記第一層の一次ライニングは、第一層の上部ステップ一次ライニングと第一層の下部ステップ一次ライニングを含み、前記第一層の上部ステップ一次ライニングは第一の上部ステップ鋼製アーチを備え、前記第一層の下部ステップ一次ライニングは第一の下部ステップ鋼製アーチを備え、前記第一の上部ステップ鋼製アーチと前記第一の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成し、
    前記支持構造は、前記第一層の一次ライニングと前記防水層の間に設けられた第二層の一次ライニングを備え、前記第二層の一次ライニングはトンネルの径方向に沿って設けられ、前記第二層の一次ライニングは、第二層の上部ステップ一次ライニングと第二層の下部ステップ一次ライニングを備え、前記第二層の上部ステップ一次ライニングは、第二の上部ステップ鋼製アーチを備え、前記第二層の下部ステップ一次ライニングは、第二の下部ステップ鋼製アーチを備え、前記第二の上部ステップ鋼製アーチと前記第二の下部ステップ鋼製アーチは、頭尾結合して閉じたリングを形成する
    ことを特徴とする逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造。
  2. 前記第一の上部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第一の側壁鋼製アーチ、第一の頂部鋼製アーチ、第二の側壁鋼製アーチを備え、前記第一の下部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第三の側壁鋼製アーチ、第四の側壁鋼製アーチ、第一の底部鋼製アーチ、第五の側壁鋼製アーチ、第六の側壁鋼製アーチを備え、前記第三の側壁鋼製アーチの第一端の端部と前記第一の側壁鋼製アーチは接続され、前記第三の側壁鋼製アーチの第二端は下向きに延在し、前記第四の側壁鋼製アーチは前記第三の側壁鋼製アーチの前記第一端の側辺に接続され、前記第六の側壁鋼製アーチの第一端の端部と前記第二の側壁鋼製アーチは接続され、前記第六の側壁鋼製アーチの第二端は下向きに延在し、前記第五の側壁鋼製アーチは前記第六の側壁鋼製アーチの前記第一端の側辺に接続される
    ことを特徴とする請求項1に記載の支持構造。
  3. 前記第二の上部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第一の側壁鋼材サポート、第一の頂部鋼材サポート、第二の側壁鋼材サポートを備え、前記第二の下部ステップ鋼製アーチは、順に接続された第三の側壁鋼材サポート、第一の底部鋼材サポート、第四の側壁鋼材サポートを備え、前記第一の側壁鋼材サポートは前記第三の側壁鋼材サポートと接続し、前記第二の側壁鋼材サポートは前記第四の側壁鋼材サポートと接続する
    ことを特徴する請求項1に記載の支持構造。
  4. 前記第一層の一次ライニングと前記第二層の一次ライニングの間には第一層の一次ライニングの予備変形スペースが設けられ、前記第二層の一次ライニングと前記防水層の間には第二層の一次ライニングの予備変形スペースが設けられ、
    前記第一層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量は、前記第二層の一次ライニングの予備変形スペースの予備変形量より大きい
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の支持構造。
  5. 前記第一層の上部ステップ一次ライニングは、アーチ部ロックボルトユニットを更に備え、
    前記アーチ部ロックボルトユニットは、複数の排気装置付きの結合中空ロックボルトを備え、複数の前記結合中空ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿って前記ボールトに配置される
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の支持構造。
  6. 前記支持構造は、補強ロックボルトユニットを更に備え、
    前記補強ロックボルトユニットは、複数のアーチ部の長尺ロックボルト、複数の上部ステップ側壁の長尺ロックボルト、複数の下部ステップ側壁の長尺ロックボルト、複数のトンネル底部の長尺ロックボルトを備え、
    複数の前記アーチ部の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿って前記ボールトに配置され、
    複数の前記上部ステップ側壁の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの前記上部ステップ両側の側壁に配置され、
    複数の前記下部ステップ側壁の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの前記下部ステップ両側の側壁に配置され、
    複数の前記のトンネル底部の長尺ロックボルトは、トンネルの周方向と縦方向に沿ってトンネルの底部に配置される
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の支持構造。
  7. 逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法であって、
    上部ステップの先受けサポート及び上部ステップの先受け補強用ロックボルトを設ける工程、
    トンネルの上部ステップ胴部を掘削する工程、
    第一層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、
    トンネルの下部ステップ胴部を掘削する工程、
    第一層の下部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、
    下部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びトンネル底部の長尺ロックボルトを設ける工程、
    第二層の下部ステップ一次ライニングを設け、コンクリートを吹き付けて、トンネル底部の埋め戻しをする工程、
    上部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びボールトの長尺ロックボルトを設ける工程、
    第二層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、
    逆アーチの打設及び逆アーチの充填打設を行う工程、
    二次ライニングを打設する工程、を含む
    ことを特徴とする逆アーチを備えた2段階高速閉鎖トンネルの支持構造の施工方法。
  8. 前記施工方法において、
    トンネルを掘削して貫通したか否かを判断し、貫通していない場合、前記上部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びボールトの長尺ロックボルトを打ち込むとともに、トンネルの縦方向に沿って次々と、前記上部ステップの先受けサポート及び上部ステップの先受け補強用ロックボルトを設ける工程、前記トンネルの上部ステップ胴部を掘削する工程、前記第一層の上部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、前記トンネルの下部ステップ胴部を掘削する工程、前記第一層の下部ステップ一次ライニングを設けて、コンクリートを吹き付ける工程、前記下部ステップ側壁の長尺ロックボルト及びトンネル底部の長尺ロックボルトを設ける工程、前記第二層の下部ステップ一次ライニングを設け、コンクリートを吹き付けて、トンネル底部の埋め戻しをする工程を順次行って、短いステップを形成して環状構造に速やかに閉じて施工を循環的に前進させる
    ことを特徴とする請求項7に記載の施工方法。
  9. 前記上部ステップの先受けサポートは、複数の先受け注入小管を備え、
    複数の前記先受け注入小管は、トンネルの周方向及び縦方向に沿って配置される
    ことを特徴とする請求項7又は8に記載の施工方法。
  10. 前記上部ステップ先受け補強用ロックボルトは複数の縦方向のロックボルトを有し、複数の前記縦方向のロックボルトは、トンネルの縦方向に沿ってトンネル上部ステップのトンネル切羽面に配置される
    ことを特徴とする請求項7乃至8のいずれか一項に記載の施工方法。
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