JP3263562B2 - トンネル支保工脚部補強方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル支保工脚部補
強方法に係り、特に山岳トンネルの掘削工事において、
上半掘削時に建て込まれたアーチ支保工脚部の支持力増
強を図るようにしたトンネル支保工脚部補強方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】不良地山中を掘削する山岳トンネルで
は、トンネル上半掘削後、上半支保工を建込んでアーチ
支保が完成する前に、急激に地山荷重が支保工に作用す
ることがある。このとき支保工脚部の支持力が不足する
場合には、支保工全体が沈下してしまう。そしてこの沈
下が一因となり、既に施工された吹付コンクリートが破
壊してしまい、支保崩落等にもつながるおそれもある。
また、下半掘削時にも同様に側壁部分の地山の緩みを誘
発するおそれがある。このような崩落現象を防止するた
め、また下半掘削時の側圧低減効果を狙って支保工脚部
に所定長さのＨ形鋼等の補強材を支持杭として打設した
り、根固め吹付けコンクリートを施工するという補強対
策が種々実施されている。

【０００３】また、近年多く設計されてきている大断面
トンネルの施工では、上半アーチに作用する地山荷重が
相当大きくなるため、支保工脚部近傍の地耐力が不足す
るおそれもある。そこで、このような状態を予想して、
掘削当初より支保工脚部の沈下防止するために、支保工
脚部を支持する補強方法も採用されている。たとえば、
従来の支保工脚部補強方法としては、 (1) 専用杭打機により比較的小口径（４インチ程度）
の鋼管を打設し、打設鋼管に固化材を注入して付近の地
山を改良するマイクロパイル工法。 (2) 隣接する支保工脚部間の地山を吹付コンクリート
で置換して連続構造として接地面積を大きくする仮イン
バート工法。 (3) 補助支保工を既設支保工に連結し、支保工脚部と
地山との接地面積と接地抵抗とを大きくするウィングリ
ブ工法。 等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上に述べ
た従来の支保工脚部補強方法では、たとえば、マイクロ
パイル工法の場合には、専用の杭打機を使用し、比較的
小さな径の鋼管杭を打設するため杭打設延長が長くな
り、補強工としての工期が長くなるという問題がある。
また、専用杭打機を使用するため杭打機の運転者に特別
な免許資格や特殊技能が必要となり、人的に制限があ
る。仮インバート工法では、仮インバートを打設する間
に切羽での作業を中止しなければならないため、全体工
程の遅延につながるという問題がある。また、仮インバ
ート施工後は、仮インバートは埋戻し土により埋め戻さ
れ、その上を切羽施工機械が頻繁に通行する。このため
埋戻し土に覆われた仮インバートが破損しやすいという
問題があり、補強効果が低減してしまうというおそれも
ある。さらに、ウィングリブ工法では、ウィングリブ支
保工（補助支保工）を施工する際に、ウィングリブ支保
工の埋設部分まで地山を拡幅して掘削しなければならな
い。このため、相当程度地山の余掘りが必要となり、地
山を乱す原因にもなる。また、ウィングリブ支保工が埋
設された周囲の空隙をさらに吹付コンクリート等で密着
充填しなければ、十分な支保効果が得られない。このた
め、吹付コンクリートに関しての付加的な作業が必要に
なる。このように従来の各技術では、補強工に多くの工
数を要するため、施工性に欠けるという共通の問題点が
ある。

【０００５】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術が有する問題点を解消し、従来の汎用建設機械のアタ
ッチメントとして使用することができ、また切羽位置に
おいても施工性の優れたトンネル支保工脚部補強方法を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はトンネル切羽直後に建て込まれた上半アー
チ鋼製支保工の脚部から下半掘削予定範囲の外側地山に
外方に向けて傾けた鋼管建込み孔を、埋設鋼管を外管ケ
ーシングとして所定傾角に打設可能なダウンザホールハ
ンマによって２重管削孔によって削孔すると同時に、前
記埋設鋼管を挿入し、該建て込まれた埋設鋼管内部及び
地山との間の空隙に固化材を充填して支持杭を形成し、
該支持杭で、該杭の頭部で一体化された前記鋼製支保工
の脚部を支持するようにしたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明によれば、アーチ支保工支持部材として
の支持杭を容易に施工できるとともに、支持杭によりア
ーチ支保工の沈下、変形を確実に防止できるので、支保
工脚部の補強工としての施工性、安全性が高くなる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明によるトンネル支保工脚部補強
方法の一実施例を添付図面を参照して説明する。図１
は、本発明に用いる鋼管打設装置をベースマシンである
バックホウ１のブーム２の先端２ａのフロントアタッチ
メントとして取り付けた例を示した概略全体側面図であ
る。図２は同装置の概略全体正面図である。図示したベ
ースマシンとしてのバックホウ１は、容量０．４ｍ³ク
ラスの小容量クローラタイプの掘削機であり、トンネル
坑内のような狭い空間での運転性能、作業効率に優れて
いるため、他の作業及び作業装置の稼働の邪魔にならず
に切羽近傍での作業が可能である。鋼管打設装置１０
は、バックホウ１のブーム先端２ａ及びブーム２の上側
に装着されたフロントジャッキ３のロッド４先端に取付
フレーム１１を介して取り付けられている。この取付フ
レーム１１は所定寸法の形鋼による組立部材からなり、
バックホウ１のフロントアタッチメントとして取り付け
られている。このため、取付部は他のアタッチメントと
同様の取付孔寸法を有した汎用品として設計されてい
る。この取付フレーム１１には図示しない回動軸を介し
てリーダ１２が取け付けられている。

【０００９】リーダ１２は２本の溝形鋼を対向させて組
み立てたフレーム構造からなる。また、図２に示したよ
うに取付フレーム１１とリーダ１２の支持フレームとの
間には２本のチルト油圧シリンダ１３が伸縮可能に装着
されている。これにより左右のチルト油圧シリンダ１３
のいずれかのロッド１４を伸縮することによりリーダ１
２本体を取付フレーム１１の水平軸に対して左右に９０
°〜６０°の範囲でチルトできるようになっている。こ
のチルト機構により図３に示したように上半の鋼製支保
工５を建て込んだ状態で、支保工脚部５ａ位置で上半盤
８から斜め下、すなわち下半掘削範囲の外側地山の外方
に向けて鋼管Ｐを打設する。なお、同図には鋼管頭部と
支保工脚部とを一体化させる根固めコンクリート５３が
示されている。

【００１０】ここで、図４を参照して鋼管打設装置１０
本体の構成について説明する。図４に示したように、柱
状に構成されたリーダ１２の下端のバックホウ１側に
は、フィードモータ１５が取り付けられている。

【００１１】このフィードモータ１５はリーダ１２を構
成する２本の溝形鋼の間の上下端に組み込まれたスプロ
ケット１６、１７に掛け渡された駆動用無限チェーン１
８を所定方向に回転駆動する油圧モータである。また、
駆動用無限チェーン１８の一端はリーダ１２のフランジ
をガイドレールとして昇降可能に取り付けられたオーガ
減速機支持スライダ１９に固着されている。したがっ
て、本実施例ではフィードモータ１５を所定回転方向に
回転駆動することによりオーガ減速機支持スライダ１９
を上下方向に毎分５ｍ程度の速度で昇降させることがで
きる。このとき、フィードモータ１５の能力は削孔時に
オーガ減速機４０を地山側にフィードさせるときの圧入
力が５ｔ程度となるように設定されている。リーダ１２
部分のスライダ１９の昇降ストロークは本実施例では
２，２００ｍｍに設定されている。なお、この性能、寸
法数値は適宜設定可能なことは言うまでもない。

【００１２】さらに、オーガ減速機４０の下端にはケー
シング鋼管Ｐで覆われた２重管構造をなすダウンザホー
ルハンマ本体２０が接続ロッド（図示せず）を嵌合させ
た状態で止めピン４１により固定接続されている。ダウ
ンザホールハンマ本体２０の下端は、拡径ビット２１に
よる地山削孔をガイドするとともに、後述するケーシン
グ鋼管Ｐの接続作業を容易にする鋼管案内把持装置３０
によって支持されている。この鋼管案内把持装置３０は
リーダ１２の前面下端に固着されており、機械式クラン
プ機構によりケーシング鋼管Ｐ及びダウンザホールドリ
ルの接続用の中間ロッド２８をそれぞれ独立して把持で
きるようになっている。

【００１３】図５は鋼管案内把持装置３０の構成を示し
た部分拡大図である。この鋼管案内把持装置３０は、図
示したように半割り鋼管３０ａ、３０ｂの一端をヒンジ
３２を介して支持し、他端を開閉可能にピン３３でロッ
クさせる構造になっている。また、ケーシング鋼管Ｐ、
中間ロッド２８が中心を保持して支持されるようにスペ
ーサあるいは適当なキャンバーを使用することが好まし
い。

【００１４】次に、図６を参照してダウンザホールハン
マ本体２０の構成を説明する。図６に示したようにダウ
ンザホールハンマ本体２０内のハンマ本体２３下端のチ
ャックスリーブ２４には拡径ビット２１がチャックスリ
ーブ２４と一体的に回転可能に取り付けられている。こ
の拡径ビット２１は回転ロッドの回転方向に伴って削孔
径が変化する公知の掘削用ビットで、本実施例では、ビ
ットヘッド２１ａが拡径寸法がφe＝３７３ｍｍとな
り、縮径時にはφd＝３１８ｍｍとなる拡径ビット２１
が使用されている。さらにハンマ本体２３の外周には圧
力配管用炭素鋼鋼管からなるケーシング鋼管Ｐ（ＪＩＳ
記号：ＳＴＰＧ）が外嵌されている。このケーシング鋼
管Ｐは呼び径３５０Ａ（外径φ＝３５０ｍｍ）のものが
使用されている。ケーシング鋼管Ｐの下端には、図示し
たようにリング状のケーシングトップ２５が溶接により
装着されており、拡径ビット２１とケーシング鋼管Ｐと
の一体性が保持されるようになっている。さらに、ケー
シング鋼管Ｐ内にセットされたダウンザホールハンマの
ハンマ本体２３の上部には接続治具としてのトップサブ
２６が接続されており、さらにスプリング（図示せず）
が弾装されたアダプター２７及びケーシング上端とオー
ガ減速機４０との接続位置の調整を行なうための中間ロ
ッド２８が接続されている。

【００１５】次に、以上のような構成からなる鋼管打設
装置１０を用いた支保工脚部補強方法の施工手順につい
て説明する（図１参照）。まず、切羽掘削との施工サイ
クルから説明すると、トンネル上半切羽６の掘削が完了
した時点で切羽６及び切羽直後の上半アーチ部に一次吹
付コンクリート７を施工する。そして切羽６より１基分
後方位置に鋼製支保工５を建込む。引き続き切羽後方に
待機していた鋼管打設装置１０のベースマシンであるバ
ックホウ１を切羽近傍まで前進させ、ケーシング鋼管Ｐ
打設用の建込み孔９の削孔及びケーシング鋼管Ｐの打設
作業を行なう。なお、ケーシング鋼管Ｐを建て込むに
は、あらかじめケーシング鋼管Ｐをベースマシンである
バックホウ１のフロントアタッチメントのリーダ１２部
分に搭載しておく構造にすることが好ましい。

【００１６】まず、バックホウ１を所定位置まで前進さ
せ、ブーム２を操作してリーダ１２下端を既に建て込ん
だ鋼製支保工５の脚部まで移動させる。そしてリーダ１
２下端を地山に固定した状態で、鋼製支保工５の脚部位
置に拡径ビット２１によりケーシング鋼管Ｐの建込み孔
９の削孔を行なう。この場合、上述したチルト機構を作
動させることにより、鋼管建込み孔９が下半掘削範囲の
外側地山に向くように、所定の角度をなして鋼管建込み
孔９を削孔する。この削孔作業は公知のダウンザホール
ハンマの削孔動作によって容易に達成される。すなわ
ち、ダウンザホールハンマ下端の拡径ビット２１にはエ
アスイベル４２を介してオーガ減速機４０から供給され
る圧縮エアによる打撃、リーダ１２に昇降可能に取り付
けられたオーガ減速機４０の回転駆動による回転、さら
にリーダ１２部分に組み込まれたフィードモータ１５に
よるダウンザホールハンマ全体の押込み動作により、地
山を効率よく掘削することができる。

【００１７】このように本発明による鋼管打設装置１０
では、ケーシング鋼管Ｐを外管とし、拡径ビット２１を
用いた二重管削孔方式を採用することにより、支持力の
弱い不良地山においても孔壁を乱すことなく、確実にケ
ーシング鋼管Ｐの建込み孔９の削孔を行なうことができ
る。建込み孔９の削孔と並行してダウンザホールハンマ
の外管として鋼管打設装置１０に搭載されたケーシング
鋼管Ｐを建込み孔９に圧入する。建込まれるケーシング
鋼管の全長は、本実施例では長さ２ｍに設定されてい
る。このため、地山の不良度が著しい場合には、ケーシ
ング鋼管の長さを変更する必要がある。そのため、２ｍ
より長いケーシング鋼管Ｐを必要とする場合には、鋼管
の接続作業が必要になってくる。まず、１本目のケーシ
ング鋼管Ｐの大半を建込み孔９内に挿入した後に、前述
のリーダ１２下端に備えられている機械式クランプ機構
からなる鋼管案内把持装置３０によって、すでに建込ま
れたケーシング鋼管Ｐ及びロッドの上端を把持固定す
る。この状態でダウンザホールハンマのロッドを切り離
し、新たなロッドをネジ接続するとともに、接続ケーシ
ング鋼管Ｐを建込まれたケーシング鋼管Ｐの上端部に溶
接接合する。

【００１８】その後、機械式クランプによる把持を解放
し、引き続き削孔と２本目のケーシング鋼管Ｐ部分の挿
入を行なう。そして所定の長さだけケーシング鋼管Ｐを
打設したら、拡径ビット２１のロッド回転方向を反転さ
せて、拡径ビット２１の直径を縮小させ、縮径状態とな
った拡径ビット２１及びロッドの引き抜きを行なう。こ
のとき縮径状態の拡径ビット２１は容易に鋼管内を通過
することができる。そして最後に地上部に残っているケ
ーシング鋼管Ｐの建込みを行なう。このケーシング鋼管
Ｐの最終建込みを行うには、ダウンザホールハンマのロ
ッド先端に埋設管を取り付け、ケーシング鋼管Ｐ上端に
埋設管を圧着させ、打撃によりケーシング鋼管Ｐを地山
内に打ち込む。

【００１９】さらに、所定の地山内に建込まれたケーシ
ング鋼管Ｐの内部及びケーシング鋼管Ｐと地山との空隙
に急硬性のグラウト材５１を充填してケーシング鋼管Ｐ
と一体化して支持杭５０として所定強度を発揮させる。
さらに支保工脚部及びケーシング鋼管Ｐの頭部を補強す
るために、二次吹付コンクリート５２及び根固めコンク
リート５３を施工する。以上により、ケーシング鋼管Ｐ
による支持杭５０と鋼製支保工５の脚部との一体化を図
る。これにより支保工脚部に建て込まれた中詰め鋼管か
らなる支持杭５０とが一体構造となりトンネルアーチ上
半支保工に作用する地山荷重を、支持杭５０が支持する
とともに、荷重は支持杭５０を介してトンネル外の地山
に伝達される。なお、使用するケーシング鋼管Ｐの直
径、全長は必要とする支持杭の規模により適宜設定でき
ることは言うまでもなく、鋼管打設装置の各部の寸法、
装置能力も取り扱う鋼管の寸法により適宜設計変更する
ことが好ましい。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、鋼製支保工を建込んだ直後に、支保工脚部に
大口径の鋼管を打設し、この鋼管と支保工脚部とを一体
的に補強し、トンネル外の地山に位置する支持杭で支持
するようにしたことにより、不良地山においてもトンネ
ル支保工の沈下及び地山の変形を最小限に止めることが
でき、トンネル掘削工事の安全及び施工の迅速化を図る
ことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による鋼管打設装置の一実施例を示した
全体概要側面図。

【図２】本発明の鋼管打設装置の一例を示した正面図。

【図３】トンネル上半に建て込まれた鋼製支保工の脚部
への鋼管打設状態を示した施工状態図。

【図４】鋼管打設装置の全体構成を示した側面図。

【図５】鋼管案内把持装置の構成を示した部分拡大図。

【図６】建て込み鋼管及びダウンザホールハンマの位置
関係を示した部分詳細図。

【符号の説明】

１ バックホウ ５ 鋼製支保工 ６ 切羽 １０ 鋼管打設装置 １１ 取付フレーム １２ リーダ １３ チルト油圧ジャッキ １５ フィードモータ １９ スライダ ２０ ダウンザホールハンマ本体 ２１ 拡径ビット ２３ ハンマ本体 ３０ 鋼管案内把持装置 ４０ オーガ減速機 ５０ 支持杭 ５１ グラウト材（固化材） Ｐ ケーシング鋼管

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−6741（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32097（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−118081（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−51925（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−22592（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 15/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネル切羽直後に建て込まれた上半アー
   チ鋼製支保工の脚部から下半掘削予定範囲の外側地山に
   外方に向けて傾けた鋼管建込み孔を、埋設鋼管を外管ケ
   ーシングとして所定傾角に打設可能なダウンザホールハ
   ンマによって２重管削孔によって削孔すると同時に、前
   記埋設鋼管を挿入し、該建て込まれた埋設鋼管内部及び
   地山との間の空隙に固化材を充填した支持杭を形成し、
   該支持杭で、該杭の頭部で一体化された前記鋼製支保工
   の脚部を支持するようにしたことを特徴とするトンネル
   支保工脚部補強方法。