JP3863320B2

JP3863320B2 - トンネル先受け工法

Info

Publication number: JP3863320B2
Application number: JP20292699A
Authority: JP
Inventors: 信行高橋; 清二蛭子; 英樹中村
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP2001032671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネルを掘削する際に、切羽前方の地山に存在する緩み地盤の安定化を図るためのトンネル先受け工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルを能率よく掘進することは、工期の短縮と共にコストダウンにつながり、そのため、山岳トンネルにおいては大型で高性能な掘削機械や運搬装置が導入される傾向にあるが、大型機械を効率的に作動させると掘削断面積が必然的に大きくなる。一般的に切羽が小さい程、トンネルの安定性に悪影響を及ぼす地質的弱面の影響度合が小さく、同時に、全断面掘削の場合に比較して支保工の耐荷力が見掛け上、早期に発揮されるので、トンネルの安定性が向上するが、掘削断面が大きくなると、従来断面の掘削方法に比較して切羽は相対的に不安定な状態となり、従って、このデメリットを上回る効果を発揮し得る切羽安定化補助工法が必要となる。
【０００３】
このような補助工法としては、大型機械を導入しての工期短縮を図る必要上、施工サイクルを大きく乱すことのない工法による切羽安定化対策が要求され、このような工法としてトンネル先受け工法の一種である鋼管注入式フォアパイリングが採用されている。そして、このトンネル先受け工法によれば、特殊な施工機械や熟練を要することなく、通常の掘削機械を用いてトンネル施工が行える利点を有するが、従来のトンネル先受け工法は、図10に示すように、所定長のトンネルＡを掘削したのち、その掘削壁面にリング支保工Ｂを施工し、次いで、コンクリートを吹付けて所定厚みのコンクリート覆工層Ｃを形成し、しかるのち、長さが12.5ｍの鋼管Ｄをトンネル軸方向に対する角度が５°となるように切羽前方地盤に向かって複数本、放射状に打設する、所謂、長尺先受け方式を広く採用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この工法によれば、トンネル軸方向に対する鋼管Ｄの打設角度が５°と極めて小さいため、打設された鋼管Ｄはその両端部分を支持点とする梁として作用して緩み地盤の荷重を該鋼管Ｄの曲げ剛性によって支持することになる。鋼管Ｄはその材料特性として軸方向に作用する圧縮力や引張力に対しては強いが曲げに対しては弱い特性を有しており、そのため、上記緩み地盤による曲げ荷重に耐え得るためには直径並びに肉厚の大きい鋼管を使用しなければならず、材料費が高くつくと共に鋼管Ｄの打設孔の断面も大きくなるので、その穿孔作業にも多大な時間と労力を要して作業能率が低下するという問題点がある。さらに、鋼管Ｄの基端部はコンクリート覆工層Ｃからトンネル内に突出した状態となるので、その切除作業を必要とするものである。
【０００５】
また、鋼管Ｄを上述したように切羽前方地山に対して５°という低角度でもって打設しようとすると、打設するための穿孔機の上端面がトンネル掘削壁面に当接してこのような低角度でもっての穿孔が行えなく、そのため、トンネル掘削壁面に穿孔機の上端部を受け入れて該穿孔機の上端の接触をなくするための拡幅部を掘削しておかねばならず、該拡幅部の掘削作業と共に鋼管打設後の補修作業が必要となって急速施工の妨げとなる。その上、相対的に不安定になる切羽周囲を拡幅することは、先に打設した鋼管Ｄによって緩み地盤の崩壊が防止されているとはいえ、切羽安定化を目的とする工法にはそぐわず、さらに、土被りが小さい時にはトンネル中心の直上で大きな地表面沈下が生じる虞れがある。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、切羽近傍部における緩み地盤の荷重を打設管体の軸方向の剛性でもって安定的に且つ均一に支持させることができると共に作業性に優れ、経済的に施工し得るトンネル先受け工法を提供するにある。
【０００７】
【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のトンネル先受け工法は、請求項１に記載したように、トンネルを所定長、掘削したのち、掘削したトンネル周壁面に一次吹付けコンクリートによる一次覆工層を施し、しかるのち、切羽近傍部におけるトンネル周壁面から計画トンネル断面より外側の前方地山に向かって複数本の管体を、その基端部が一次覆工層からトンネル内に突出するように、且つ、これらの管体の軸方向の剛性で地山の緩み荷重を支持し得る角度でもって打設し、次いで、該管体内を通じて管体周辺地山に硬化性材料を注入したのち、上記一次覆工層から突出する各管体の基端部を切断することなく二次吹付けコンクリートによる二次覆工層内に埋設して二次覆工層と一体化させることを特徴とするものである。
【０００８】
さらに、上記トンネル先受け工法において、請求項２に係る発明は、管体をトンネル軸方向に対して20〜25°の角度で放射状に打設して管体に曲げ方向の荷重よりも軸方向に大きな圧縮荷重を作用させるようにしたことを特徴とするものであり、請求項３に係る発明は、管体内を通じて地山に注入する硬化性材料としてウレタン樹脂液を用いることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、打設した管体の基端前方の一次及び二次覆工層内には鋼製リング支保工が配設され、これらの一次及び二次覆工層と鋼製リング支保工とにより管体の基端部を受止させていることを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
掘削機によってトンネルを所定長、掘削したのち、掘削壁面にリング支保工を設置して掘削壁面を支持し、引き続いて該掘削壁面にコンクリートによる一次吹付けを行って掘削壁面の肌落ちを防止する。しかるのち、穿孔機によって切羽近傍部におけるトンネル周壁面から前方地山に向かって管体を、トンネル軸方向に対して所定の角度（以下、さし角度という）、即ち、打設した際における管体に作用する緩み地盤の荷重が該管体の曲げ方向よりも軸方向に大きくかかるさし角度でもって打設する。このように、管体の軸方向の剛性で地山の緩み地盤の荷重を支持し得るさし角度としては請求項２に記載したように20〜25°となるように設定することが望ましい。
【００１１】
この管体の打設は、トンネル周方向に所定間隔毎に複数本、放射状に打ち込まれ、打設後、これらの管体内を通じて該管体の周辺の緩み地盤中に硬化性材料、好ましくはウレタン樹脂液を注入して硬化させ、地盤の安定化を図ると共に全ての管体によって上方の緩み地盤の荷重を均等に支持させるようにする。なお、管体の先端は緩み地盤の領域外に貫入させることなく緩み地盤の領域内に位置させておくことが望ましい。しかるのち、コンクリートによる二次吹付けを行って上記一次吹付けによるコンクリート覆工層から突出している管体の基端を切除することなく該二次吹付けによるコンクリート覆工層内に埋設してこのコンクリート覆工層と一体化させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面について説明すると、図１、図２はトンネルＴを所定長、掘進し且つ緩み地盤が存在する毎に、切羽１の近傍部におけるトンネル周壁面２から計画トンネル断面より外側上周部の前方地山に向かって順次、鋼管よりなる複数本の管体３を放射状に打設してなる地盤先受け構造を示すもので、トンネル周壁面２は所定長のトンネルＴを掘削してする毎に順次施工された鋼製リング支保工４によって支持されていると共にトンネル周壁面２にはコンクリートの吹付けによる一次覆工層５と、この一次覆工層５に層着したコンクリートの吹付けによる二次覆工層６とが設けられている。
【００１３】
さらに、トンネル周辺地盤に打設された管体３のトンネル軸方向に対するさし角度は20〜25°であり、その先端はトンネル周辺に存在する砂礫やシルト層などの緩み地盤７内における該緩み地盤７の領域と緩みが生じていない上層地盤８との境界近傍部に達している一方、基端部は図３に示すように、上記鋼製リング支保工５の外周面で受止されていると共に一次覆工層５を貫通して二次覆工層６内に没入し、該二次覆工層６に固定されている。そして、管体３をトンネル軸方向に対して20〜25°のさし角度で打設したことにより、後述するように上方の緩み地盤７からの緩み荷重がこれらの管体３に曲げ方向よりも管軸の圧縮方向に大きく作用させ、管体３の軸方向の剛性でもって緩み荷重を支持するように構成している。
【００１４】
また、各管体３の周囲の緩み地盤７は、管体４を通じて注入したウレタン樹脂よりなる硬化性材料９の硬化によって塊状の地盤7'に改良されていると共に前後並びに周方向に隣接する管体３の周辺の改良地盤7'が互いに一体化して上方地盤の荷重を均等に受止した構造としている。
【００１５】
このような構造を得るためのトンネル先受け工法を図４〜図９に基づいて説明すると、図５に示すように、ロードヘッダー等の掘削機10を用いて切羽１を掘削し、トンネルＴを所定長掘削すると、図６に示すように掘削した切羽１に近接又は接して鋼製リング支保工４を設置し、該鋼製リング支保工４の外周面を掘削された切羽近傍部のトンネル周壁面２に当接させてトンネル周壁面２を支持させる。しかるのち、コンクリート吹付機11を用いて上記鋼製リング支保工４と先に施工した鋼製リング支保工４との間のトンネル周壁面２にコンクリートの一次吹付けを行って所定厚みを有する一次覆工層５を形成する。この際、切羽１の岩質が緩み地盤の場合には、必要に応じて該切羽１に対してもコンクリートの吹付けを行う。
【００１６】
次いで、管体３による切羽前方地盤の先受けが必要かどうかを判定し、地盤が比較的安定していて先受けが必要でなければ、切羽１を再び所定長、掘削し、切羽周辺地盤が緩み地盤７の場合には図７に示すように、穿孔機兼用の管体打設機12を用いて、まず、切羽１の近傍部に施工した鋼製リング支保工４の後方部におけるトンネル周壁面２から計画トンネル断面より外側の前方地山に向かってトンネル軸方向に対し20〜25°のさし角度でもって所定深さまで直状の孔13を穿設する。このような孔13はトンネル周壁面２の上周部において周方向に所定間隔毎に放射状に穿設されるものである。
【００１７】
なお、穿孔機兼用の管体打設機12の構造は公知であるが、簡単に説明しておくと、移動台車14の前面側に上下左右並びに屈折が可能なブーム15を設け、このブーム15に上下方向に角度調整可能に支持されたガイド台16を取付けて該ガイド台16上に上記穿孔機兼用の管体打設機12が配設されているもので、ガイド台16上を前後方向に移動可能なドリフター12a によって穿孔用ロッド体（図示せず）や管体３のチャック部を回転並びに打撃するように構成されている。
【００１８】
そして、穿孔時にはドリフター12a を後退させた状態にして先端にビットを装着している穿孔用ロッド体をガイド台16の長さ方向に向けてガイド台16上に前後動可能に支持させると共にその基端をドリフター12a のチャック部に掴持させ、走行台車１を切羽１の近傍部にまで移動させて、穿孔用ロッド体の長さ方向を穿孔方向に向けると共に所定のさし角度に設定したのち、穿孔用ロッド体を回転並びにその後端面を打撃しながらドリフター12a を前進させることによって管体３が挿入可能な所定深さの孔13を穿設するものである。
【００１９】
孔13の穿設後、穿孔用ロッド体を取り外し、次いで各孔13内に対する管体３の挿入作業を行う。管体３は図８に示すように、その管壁に周方向及び長さ方向に多数の注入孔17を小間隔毎に穿設していると共に内部には基端側から先端近傍部にまで塩化ビニル製の樹脂管18が挿入されてあり、この樹脂管18内には先端にスパイラルミキサー19を内装している小径の硬化性材料注入ホース20が挿入されていて該注入ホース20をその先端部を樹脂管18の先端から突出させた状態で樹脂管18にキャップ体21を介して固定されている。さらに、樹脂管18の基端部外周面にゴム製のパッカー22が装着されている共にこのパッカー22を挟むようにして管体３の内周面に圧接した樹脂管固定用パッキン23、23が装着されてあり、また、パッカー22内に硬化性材料充填ホース24の先端を連通させている。
【００２０】
孔13に対する管体３の挿入作業は、まず、管体３をガイド台16上に配設して該管体３の基端部をドリフター12a のチャック部に掴持させると共に管体３内に挿入した樹脂管18内から外部に引き出している注入ホース20と充填ホース24をウレタン樹脂液からなる硬化性材料供給源に連結、連通させておく。しかるのち、ドリフター12a を前進させることによって図７に示すように、管体３を孔13内に所定深さまで挿入、打設すると共に基端部を鋼製リング支保工４の外周面に支持させた状態とし、次いで、充填ホース24にウレタン樹脂液からなる硬化性材料９を供給してパッカー22を膨張させることにより管体３の内周面に圧着させ、樹脂管18を管体３内に強固に固定させる。
【００２１】
さらに、注入ホース20にウレタン樹脂液からなる硬化性材料９を供給すると、該注入ホース20に供給した硬化性材料９はスパイラルミキサー19によって攪拌されながら樹脂管18の先端から管体３内に送り出されて管体３内に充満すると共に管体３に穿設している多数の注入孔17から管体３と孔13との隙間及び管体３周囲の緩み地盤７中に注入、浸透させ、所定量の硬化性材料９を注入したのち、管体３を穿孔機兼用管体打設機12のドリフター12a 側から離して１本の管体３の打設を完了し、以下、同様にして切羽１の近傍部におけるトンネル周壁面２の上周部に放射状に穿設された全ての孔13に対する管体３の挿入、打設作業と、硬化性材料の注入作業とを行い、周方向に隣接する管体３、３の周辺の緩み地盤７に浸透した硬化性材料９の硬化によって互いに周方向に連続した塊状の改良地盤7'を形成し、この改良地盤7'を介して放射状に打設している全ての管体３により均等に受止させた先受け構造を得るものである。
【００２２】
なお、緩み地盤７に対する管体３の打設作業は、穿孔機兼用管体打設機12を用いてまず、管体３よりも大径の孔13を所定深さまで穿設したのち、該孔13内に管体３を挿入することにより行っているが、孔13を予め穿設しておくことなく、穿孔しながら管体３を緩み地盤７に打設してもよい。いずれにしても、管体３の打設角度、即ち、さし角度を上述したように20〜25°の範囲内に設定することが必要である。
【００２３】
管体３のさし角度が20°より低い角度であると、管体３の直角方向に作用する荷重、即ち、曲げ応力が大きくなるので、管体の径を大きくし且つ肉厚も厚くしなければならず、その結果、管体のコストが高くつくと共に打設作業に長時間を要することになる。
【００２４】
一方、管体３のさし角度が25°以上になると、該管体３の直角方向に作用する荷重は減少するものゝ、その減少量は僅かであって管体３の径や肉厚を変える程ではなく、かえって、実質的に上方の地盤を支持し得るトンネル軸方向の管長が短くなって所望の先受け範囲を得るのに必要な打設長が長くなるので、不経済であると共に打設に長時間を要して施工性が低下することになる。また、打設した管体３の先端のトンネルＴの外周面に対する高さと掘削予定天端位置の高さとの差が大きくなり、その間で発生する地盤の緩みを抑えることができない。
【００２５】
従って、上述したように管体３のさし角度が20〜25°の範囲に設定するのが望ましく、実際に、緩み地盤７が存在するトンネル掘削時において、長さが６ｍの鋼製の管体３をさし角度20〜25°でもって切羽１の近傍部におけるトンネル周壁面２から複数本、放射状に打設すると共に、該管体３内を通じて管体３の周辺地盤にウレタン樹脂液よりなる硬化性材料を注入、浸透させて硬化させたところ、管体３の直角方向に作用する荷重が0.722kN であったのに対し、管体３の軸方向に作用する圧縮荷重は32.401kNであり、先受け効果が管体３の軸方向の剛性によって発揮されることが判明した。
【００２６】
このように、切羽１の近傍部におけるトンネル周壁面２の上周部に管体３を放射状に打設すると共に各管体３内を通じて緩み地盤７に硬化性材料の注入作業を行ったのち、一次覆工層５からトンネルＴ内に僅かに突出している基端部を切削することなく、図９に示すようにコンクリート吹付機11を用いて上記鋼製リング支保工４と先に施工した鋼製リング支保工４との間のトンネル周壁面２にコンクリートの二次吹付けを行って所定厚みを有する二次覆工層６を形成することにより、この二次覆工層６内に埋設させて二次覆工層６と一体化させるものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に記載したトンネル先受け工法によれば、トンネルを所定長、掘削したのち、切羽近傍部におけるトンネル周壁面から計画トンネル断面より外側の前方地山に向かって複数本の管体を、これらの管体の軸方向の剛性で地山の緩み荷重を支持し得る角度でもって打設し、次いで、該管体内を通じて管体周辺地山に硬化性材料を注入し、しかるのち、トンネル周壁面に突出している各管体の基端をトンネル周壁面に固着することを特徴とするものであるから、切羽前方の緩み地盤の荷重を管体の曲げ方向よりも軸心方向に大きく作用させて軸方向の剛性により支持させることができ、従って、小径で且つ薄肉の管体の使用によって確実に緩み地盤を支持することができるので、経済的であると共に管体の打設作業が能率よく行えてトンネルの施工性を向上させることができる。
【００２８】
さらに、打設した管体内を通じて管体周辺の地山に硬化性材料を注入するものであるから、地山に浸透して硬化した硬化性材料によって管体周辺の地山を緩みの生じない地盤に改良することができると共に隣接する管体間の改良地盤が一体化して該改良地盤を介して全ての管体に上方地盤の荷重を均等に負担させることができ、地山の崩壊を確実に防止することができるものであり、その上、トンネル周壁面からトンネル内に突出している管体の基端を切除することなく固着するものであるから、トンネルの施工作業が一層能率よく行える。
【００２９】
また、請求項２に係る発明によれば、管体をトンネル軸方向に対して20〜25°の角度で放射状に打設することを特徴とするものであるから、管体の打設時にトンネル周壁面を段切り状に掘削することなく、小径で且つ薄肉の管体とこの管体の打設機を使用して円滑且つ能率よく管体の打設作業が行えると共に、管体の軸方向の剛性によって緩み地盤の荷重を支持する効果と所望の先受け範囲を得ることができる効果とを最大限に発揮させることができる。
【００３０】
その上、上記緩み地盤に注入、浸透させる硬化性材料として、請求項３に記載したようにウレタン樹脂液を用いているので、地山への浸透性が良好で且つ速硬性に優れ、地山の安定化が迅速に行える。
【００３１】
請求項４に係る発明は、管体をその基端が計画トンネル断面の外側近傍部に位置し且つ先端が切羽前方における計画トンネル断面より外側の予想される緩み地盤領域内に位置するように打設するので、管体基端部の切除作業を不要にすることができるばかりでなく、上方地盤を管体の引張ではなく圧縮方向の剛性によって支持させることができ、従って、管体周囲に注入、硬化された引っ張りに対して弱いウレタン樹脂からなる改良地盤層に対し、その破壊等の悪影響を及ぼすことなく、長期間に亘り安定且つ管体と一体化した支持地盤層を形成することができる。
【００３２】
さらに、本発明によれば、掘削したトンネル周壁面に一次吹付けコンクリートによる一次覆工層を施したのち管体を打設し、該管体内を通じて管体周辺地山に硬化性材料を注入したのち、この一次覆工層から突出する管体の基端を切断することなく二次吹付けコンクリートによる二次覆工層によって埋設、固定することを特徴とするものであるから、一次吹付けコンクリートによる一次覆工を施して肌落ちが防止され且つ表面の平滑なトンネル周壁面に管体の打設作業を行うので、その打設作業が安全に且つ円滑に行うことができると共に、二次覆工層によって管体の基端を埋設、固定しているので、管体の基端切除作業を不要にし得るばかりでなく、管体に作用する荷重を断面アーチ形状の二次覆工層に分散させることができて安定した先受け構造を形成し得るものである。
【００３３】
また、請求項４に係る発明は、打設した管体の基端前方の一次及び二次覆工層内には鋼製リング支保工が配設され、これらの一次及び二次覆工層と鋼製リング支保工とにより管体の基端部を受止させているので、この鋼製リング支保工によって上記一次及び二次覆工層に周方向に作用する荷重を強固に且つ均一に支持させてトンネルの安定性を一層向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】トンネル先受け構造を示す簡略縦断側面図、
【図２】その簡略縦断正面図、
【図３】切羽部分の拡大縦断側面図、
【図４】トンネル先受け工法のフロー図、
【図５】掘削している状態の縦断側面図、
【図６】一次覆工を施している状態の縦断側面図、
【図７】管体を打設している状態の縦断側面図、
【図８】管体内部の拡大縦断側面図、
【図９】二次覆工を施している状態の縦断側面図、
【図１０】従来例を示す簡略縦断側面図。
【符号の説明】
Ｔトンネル
１切羽
２トンネル周壁面
３管体
４鋼製リング支保工
５一次覆工層
６二次覆工層
７緩み地盤
９硬化性材料

Claims

トンネルを所定長、掘削したのち、掘削したトンネル周壁面に一次吹付けコンクリートによる一次覆工層を施し、しかるのち、切羽近傍部におけるトンネル周壁面から計画トンネル断面より外側の前方地山に向かって複数本の管体を、その基端部が一次覆工層からトンネル内に突出するように、且つ、これらの管体の軸方向の剛性で地山の緩み荷重を支持し得る角度でもって打設し、次いで、該管体内を通じて管体周辺地山に硬化性材料を注入したのち、上記一次覆工層から突出する各管体の基端部を切断することなく二次吹付けコンクリートによる二次覆工層内に埋設して二次覆工層と一体化させることを特徴とするトンネル先受け工法。
管体をトンネル軸方向に対して20〜25°の角度で放射状に打設することを特徴とする請求項１に記載のトンネル先受け工法。
管体内を通じて地山に注入する硬化性材料はウレタン樹脂液であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル先受け工法。
打設した管体の基端前方の一次及び二次覆工層内には鋼製リング支保工が配設され、これらの一次及び二次覆工層と鋼製リング支保工とにより管体の基端部を受止させていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル先受け工法。