JP3925757B2 - トンネルライナー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと記す）を用いたトンネル掘削に関し、特に山岳トンネル等の掘削に好適に適用できるトンネルライナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＢＭを用いたトンネル掘削工事は、日本における施工実績が少なく、不良地山部における支保方法についても、必ずしも確立された状態ではない。
【０００３】
従来のＴＢＭを用いたトンネル掘削工事で用いられている支保工としては、例えば、Ｈ型鋼及びコンクリート吹付けによるものがある。
しかしＨ型鋼の支保工は、シールドジャッキを用いて進行方向推力を得ている掘削手段（ＴＢＭ等）を用いてトンネル掘削を行っている場合には、シールドジャッキの反力を得ることは出来なかった。
また、コンクリート吹付けを行う場合、コンクリートの養生期間は待機しなければならず、その間はＴＢＭによる掘削を行う事が出来ない。さらに、コンクリート吹付け作業を行うと、作業空間の環境が悪化してしまう。
【０００４】
その他の従来技術として、トンネルライナーを複数のブロック或いはセグメントに分割して、トンネル掘削と並行してブロックを組み立ててトンネルライナーを支保工として設置する技術も提案されている。
しかし、従来のブロックは、それ自体はトンネル掘削以前に現場外で製造されるので、地山に対応してブロックの構造を変化させる事が出来ない。そのため、支保工でジャッキ推力を支持する必要が無い様な良好な地山においてトンネル掘削工事を実施する場合には、従来技術によるブロックは必要以上な或いは過剰な強度を具備する事となり、必要十分な強度を有するブロックに比較して、重量が過大となってしまうという問題を有していた。そして、過大な重量を有するという事は、作業性に悪影響を及ぼす事を意味する。
それに加えて、必要以上な或いは過剰な強度を具備するという事は、必要以上な材料を用いている事となるので、トンネルライナーのコストを高騰させてしまう、という問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、例えば地山状況が掘削位置によってダイナミックに変化する山岳トンネル等において、地山状況に対応して支保工の強度を変化することができ、従来のブロック或いはセグメントから構成されたトンネルライナーに比べて軽量且つ安価なトンネルライナーを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、トンネルの内周に沿って円弧状に曲げられた形鋼で形成された２本の主桁１、１の間にデッキプレート２が固着され、そしてそれらの主桁１、１の間に複数の縦リブ３Ａが着脱可能に設けられているトンネルライナーにおいて、前記縦リブ３Ａは一端に第１のブロック３１が固着されたシャフト３４の他端に第２のブロック３２が摺動可能に設けられ、そのシャフト３４が挿入される溝３３ａを有する第３のブロック３３とで構成され、その第３のブロック３３は溝３３ａを横切るように設けたボルト３５を有し、そのボルト３５を締めることで第３のブロック３３がシャフト３４に係着されるようになっている。
【０００７】
また本発明によれば、前記主桁１、１のそれぞれの端部にはエンドプレート１ａ、１ａが溶接され、その隣接するエンドプレート１ａ、１ａ間はエキスパンションによって広げられて間詰め材７ａ、７が挿入されている。
【０００８】
さらに本発明によれば、前記主桁１、１のそれぞれの端部にはエンドプレート１ａ、１ａが溶接され、その隣接するエンドプレート１ａ、１ａの間はエキスパンションによって広げられ長ボルト７ｂが挿入されている。
【００１３】
かかる構成を具備する本発明によれば、形鋼製の主桁リング、デッキプレート、および縦リブをトンネル掘削工事の現場以外の個所（外部）で作製或いは製造し、これらの構成部材をＴＢＭの進行方向後方（掘削現場）で組み立てる様に構成されたトンネルライナー、いわばプレハブ式のトンネルライナーで施工している。但し、工場で組み立てる事も可能である。そのため、地山状況（ＴＢＭによる掘削現場の地山状況）によって、掘削現場で縦リブを補強部材として必要な本数だけ主桁リング間に挿入し、あるいは省略することができる。
【００１４】
すなわち、ＴＢＭによる掘削現場の地山状況が良好で、ＴＢＭ推進のための反力が地山から確保できる場合、すなわちＴＢＭのグリッパにより地山から十分な反力が得られる場合には、トンネルライナーの主桁間に縦リブを挿入する必要はない。
一方、地山が軟弱でＴＢＭのグリッパが埋没するため、ＴＢＭ推進のための反力が地山から確保出来ない場合においては、トンネルライナーの組立に際して主桁間に縦リブを挿入し、ＴＢＭのシールドジャッキを当該（縦リブが挿入された）トンネルライナーに当接して、当該ジャッキを伸長する。ここで、トンネルライナーの主桁間には縦リブが挿入されているので、シールドジャッキが伸長しても縦リブを通じて反力を得ることが出来るため、トンネルライナーは変形する事無く、シールドジャッキに対する必要な反力を得ることが出来るのである。
設計時に措定した設計圧力以上の土圧がトンネルライナーに付加されて、トンネルライナーが変形してしまう可能性が存在する場合においても、同様に主桁間に縦リブを挿入して組み立てる事により、トンネルライナーの強度を高めて（該トンネルライナーの）変形を防止できる可能性がある。
【００１５】
また、トンネルライナーを組み立てるに際して、後方で支保工として既に設置されているトンネルライナーの縦リブを取り外し、該取り外された縦リブを補強部材として前記主桁間に挿入する様にすれば、構成部材である縦リブの流用、転用が可能となるので、トンネルライナーのコストを低下させる事が出来る。
【００１６】
このように本発明によれば、ＴＢＭによってトンネルを掘削しつつ、（ＴＢＭで掘削されている）現場の地山状況に対応した最適な強度、コストを持つトンネルライナーを用いてトンネル掘削工事を施工することができる。
【００１７】
ここで本発明のトンネルライナーによれば、断面２次モーメントの大きいデッキプレートの曲げ抵抗力によって地山のずり及び／又は地山からの土圧の一部を受ける。そして主桁リングは、そのデッキプレートからの荷重と、地山から直接かかる緩み土圧（或いは地山からの土圧の大部分）とを受けて、支保工としての機能を果たしている。
【００１８】
さらに本発明によれば、トンネルライナーが軽量化できるためにトンネルライナーを構成するセグメントの数或いは分割数を従来よりも減少させる事が出来る。そのため、トンネルライナーの組立に関する労力を従来技術に比較して減少させる事が出来る。
これに加えて、本発明において組立をボルト・ナットではなく冷間リベットやクリップのように締結作業が容易な締結部材を用いるようにすれば、組立に関する労力がさらに減少し、工事全体のコストダウンに役立つ。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１には、工場（本発明が実施されるトンネル掘削工事の作業現場の外部）で構成部品が予め製作或いは製造され、トンネル掘削工事の作業現場で（トンネルライナーとして）組み立てられるプレハブ式のトンネルライナー１０の構成が示されている。トンネルの内周に沿って円弧状に曲げられた形鋼（図示の例では山形鋼）で形成された２本の主桁１、１の間にはデッキプレート２が設けられ、ボルトまたはリベットで締結され、若しくはスポット溶接で固着されている。なお、各構成部品を工場内で所謂「ユニット」として組立てる場合にはデッキプレート２は主桁１、１の間に溶接で固着されることもある。
【００２０】
主桁１、１の端部は、トンネル軸方向にエンドプレート５で互いに連結され、さらに、主桁１、１間には、適宜、複数の山形鋼による間隔保持材４、およびＨ形鋼による縦リブ３が、ボルトＢの締結によって着脱可能に挿設されている。 なお、トンネルライナー１０が工場である程度組み立てられている場合は、間隔保持材４を溶接によって主桁１、１と締結しても良い。
【００２１】
このトンネルライナー１０は、図２に示す実施形態では４個のセグメントによりリング状に組み立てられ、図３の実施形態では６個のセグメントによりリング状に組み立てられて、支保工を構成している。なお、図３の実施形態では、天井部のトンネルライナー（Ｋ型ライナー）１０Ｋは、両側のライナー（Ｂ型ライナー）１０Ｂとの接合端面が垂直面に形成され、両側ライナー１０Ｂ、１０Ｂの組み付け後に下方から挿入可能になっている。
【００２２】
トンネルライナー１０は、上記のように構成され、断面２次モーメントの大きいデッキプレート２の曲げ抵抗力によって地山の崩落土砂及び／又は地山の緩み土圧の一部を受け、そして、主桁リング１が、そのデッキプレート２からの荷重と、地山からの土圧（或いは地山からの土圧の大部分）とを受けて、支保工としての機能を果たしている。
【００２３】
主桁リング１やデッキプレート２等の（トンネルライナー）の構成部は、キットとして現場に搬入されているので、地山の状況に応じて最適な構成として組立てることができる。例えば、デッキプレート２として、平板のスキンプレート、デッキプレート、あるいはメタルラス等を選択する事が出来る。また、縦リブ３を挿入する本数も選択可能である。その様に適宜選択する事により、最適の強度、妥当なコストで支保工を施工することができる。
【００２４】
図４〜図７には、ＴＢＭによるトンネル掘削の態様が示されている。
掘削機械（例えばＴＢＭ）Ｔは、カッターヘッドを有する前胴Ｍ１と、地山に推進反力を伝達する後胴Ｍ３と、前後胴Ｍ１、Ｍ３の連結部を形成する中胴Ｍ２とで構成されている。
【００２５】
まず、図４に示すように、掘削機械Ｔの後方に部品状態またはユニット状態でライナー１０が搬入され、図１−３で示す態様にて掘削壁面に沿って組み立てられる（ライナーの搬入・組立て工程）。
【００２６】
そして、図５に示すように、メイングリッパＧ１を拡張して後胴Ｍ３を地山に固着、あるいは組み立てられたライナー１０から反力を取って、ジャッキＪの推力で前胴Ｍ１が掘削しながら推進される（掘進工程）。
より詳細に述べると、先ず、ＴＢＭによる掘削現場の地山状況が良好で、ＴＢＭ推進用のシールドジャッキ（図示せず）のための十分な反力がメイングリッパＧにより地山から得られる場合には、主桁リング１、１間に縦リブ３を挿入せずに、トンネルライナー１０を組み立てる。
一方、地山が軟弱でメイングリッパＧ１が埋没するため、図示しないスラストジャッキで前胴Ｍ１を推進するための反力が地山から確保出来ない場合には、トンネルライナー１０の組立に際して主桁リング１、１間に縦リブ３を挿入し、シールドジャッキＪを当該（縦リブが挿入された）トンネルライナー１０に当接せしめてシールドジャッキＪを伸長する。主桁リング１、１間には縦リブ３が挿入されているので、シールドジャッキＪが伸長しても縦リブ３により反力を得ることが出来るため、トンネルライナー１０は変形する事無く、ＴＢＭ推進に必要な反力を得ることが出来る。
但し、スラストジャッキにより推進させる場合がある事を付記する。
【００２７】
設計圧力以上の設計時に想定した土圧が付加されて、トンネルライナー１０が変形してしまう可能性が存在する場合においても、同様に主桁リング１、１間に縦リブ３を挿入して組み立てる事により、トンネルライナー１０の強度を高め、その変形を防止できる可能性がある。
【００２８】
ここで、縦リブ３の挿入本数は、シールドジャッキＪを伸長した際にトンネルライナー１０の変形を防止できるのに必要な本数である。換言すれば、縦リブ３を主桁リング１、１間に何本挿入するのかについては、施工状況その他の各種条件に応じて、ケース・バイ・ケースで決定される。
【００２９】
次に、図６に示すように、前胴Ｍ１がフロントグリッパＧ２を拡張して地山に固着され、後胴Ｍ３が引き寄せられる（後胴引寄せ工程）。かくて、図７に示すように掘削機械Ｔの後方には、次々にライナー１０が組み立てられる。
【００３０】
ここで、図７の右方（ＴＢＭの掘削或いは進行方向後方）のライナー１０においては、縦リブ３（図７では図示せず）はシールドジャッキＪの反力を与える機能は既に果たしていない。従って、図７の左方（ＴＢＭの掘削或いは進行方向前方）のトンネルライナー１０において、シールドジャッキＪの反力支持のため縦リブ３の挿入が必要となった場合には、図７の右方のトンネルライナー１０に挿入されている縦リブ、すなわち、既に反力を与える機能を果たしておらず推進部材としては不要になった縦リブ３を、図７の左方のトンネルライナー１０に挿入或いは転用する事が可能である。その結果、縦リブ３の消費量を減少して、トンネルライナー１０に関するコストを低減する事が出来る。
【００３１】
上記のように、トンネル軸方向に並設された主桁リング１、１間にはジャッキＪの推力が作用するので、図１〜図３に示したように縦リブ３が適宜設けられてこの推力に対応している。そして、この縦リブ３の挿着を容易にするために、軸方向長さを調整可能に構成した縦リブの実施形態が、図８〜図１０に示されている。
【００３２】
図8および図９に示す実施形態では、一端に第１のブロック３１が固着されたシャフト３４の他端に第２のブロック３２が摺動可能に設けられ、そのシャフト３４が挿入される溝３３ａを有する第３のブロック３３とで縦リブ３Ａが構成されている。この第２のブロック３２をシャフト３４に沿って摺動させて第１、第２ブロック３１、３２間を広げ、第３のブロック３３をその間に挿入する。その際にシャフト３４は、図９に示すように溝３３ａを横切るように設けたボルト３５を締めることで第３のブロック３３が係着され、第１、第２ブロック３１、３２の両端面間を所定寸法にすることができる。
【００３３】
また、図１０に示す実施形態では、縦リブ３Ｂの両端部３６、３７間にねじ部３８が介装され、そのねじによって両端面間の長さが調整される。
このように構成する事により、掘削方向後方のトンネルライナーから縦リブ３Ｂを外して前方のトンネルライナーに挿入する作業が容易となる。
【００３４】
また、従来のセグメントでは、拡径して地山に密着されるエキスパンション方式のものが知られているが、本プレハブ式のライナーにおいては、図１１〜図１２に示すように、ライナーのエキスパンション（拡径）の後に間詰めを行う方式によって、トンネルライナー１０をトンネル内壁面に密着させるエキスパンション方式を構成している。
【００３５】
図１１において、山形鋼で形成された主桁１、１のそれぞれの端部にはエンドプレート１ａ、１ａが溶接されており、そのエンドプレート１ａ、１ａ間は、エキスパンション方式の施工によって広げられ、主桁１と同様の山形鋼で形成され、両端部にエンドプレートが溶接された間詰め材７が挿入される。
この際に、図１１で示すように長ボルト７ｂを挿入しても良い。
或いは図１２で示す様に、中実な鋼材で形成された間詰め材７ａを使用しても良い。
すなわち、エキスパンション方式によりトンネルライナー１０をトンネル内壁面に密着させる間詰め材７ａを使用するか、或いは長ボルト７ｂを使用することが出来る。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成され、以下の効果を奏する。
（１） 外部で作製し現場で組み立てるプレハブ式のトンネルライナーであるので、掘削現場の地山状況に応じて各種部材を選択し、または補強部材を挿入しあるいは省略して、最適な強度と最小のコストを実現したトンネルライナーを用いて施工できる。例えば、スキンプレートをクラウン等の一部分だけにすることもでき、地山の状況に応じてエキスパンドメタル等の併用も可能になる。
（２） デッキプレートがあるので、崩壊地山で肌落ちがあっても問題がない。また、裏注は、砂、砂利でも可能で、産業廃棄物となるコンクリートで固める必要はない。
（３） トンネル内壁面にトンネルライナーを密着させるエキスパンション方式を採用すれば、裏注が不要である。
（４） 主桁を除く部品の取り回しが可能であるため、施工コストを低く抑える事が出来る。また、主桁を除く部品は径の異なるトンネルライナーにも流用できる。さらに、同一工事でも転用できるので、必要数量が減ってコスト低減ができる。
（５） 縦リブは、ジャッキ推進時に必要な部材であるため、ジャッキの反力を付加する作用をすでに行わなく不要となった縦リブを、転用する事が出来る。また、この縦リブに長さ調整式の縦リブを用いれば、不要時に転用が容易である。
（６） 部品化されたトンネルライナーの場合は、輸送コストが低減できる。また、保管のためのスペースを小さく出来る。
（７） 本トンネルライナーは軽量であるためにトンネルライナーを構成するセグメントの数或いは分割数を従来よりも減少させて、トンネルライナーの組立に関する労力を従来技術に比較して減少させる事が出来る。組立に関する労力の低減という作用効果は、組立をボルト・ナットではなく冷間リベットやクリップのように締結作業が容易な締結部材を用いるようにすれば、さらに顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトンネルライナーの一実施形態の構成を示す斜視図。
【図２】リング状に組立てるトンネルライナーの構成を示す斜視図。
【図３】リング状に組立てるトンネルライナーの構成の別の実施形態を示す斜視図。
【図４】ＴＢＭ掘削におけるライナーの搬入・組立て工程を示す説明図。
【図５】図４の次工程の掘進工程を示す説明図。
【図６】図５の次工程の後胴引寄せ工程を示す説明図。
【図７】ＴＢＭ掘進後のトンネルライナー組付け状態を示す説明図。
【図８】調整式縦リブの実施形態を示す斜視図。
【図９】図８の第３のブロックを示す正面図。
【図１０】調整式縦リブの別の実施形態を示す斜視図。
【図１１】エキスパンション方式の間詰め部分を示す斜視図。
【図１２】間詰め材の別の実施形態を示す斜視図。
【符号の説明】
１・・・主桁
２・・・デッキプレート
３・・・縦リブ
３Ａ、３Ｂ・・・縦リブ（調整式）
４・・・間隔保持材
５・・・エンドプレート
１０・・・トンネルライナー

Claims (3)

1. トンネルの内周に沿って円弧状に曲げられた形鋼で形成された２本の主桁（１、１）の間にデッキプレート（２）が固着され、そしてそれらの主桁（１、１）の間に複数の縦リブ（３Ａ）が着脱可能に設けられているトンネルライナーにおいて、前記縦リブ（３Ａ）は一端に第１のブロック（３１）が固着されたシャフト（３４）の他端に第２のブロック（３２）が摺動可能に設けられ、そのシャフト（３４）が挿入される溝（３３ａ）を有する第３のブロック（３３）とで構成され、その第３のブロック（３３）は溝（３３ａ）を横切るように設けたボルト（３５）を有し、そのボルト（３５）を締めることで第３のブロック（３３）がシャフト（３４）に係着されることを特徴とするトンネルライナー。
2. 前記主桁（１、１）のそれぞれの端部にはエンドプレート（１ａ、１ａ）が溶接され、その隣接するエンドプレート（１ａ、１ａ）間はエキスパンションによって広げられて間詰め材（７ａ、７）が挿入されている請求項１記載のトンネルライナー。
3. 前記主桁（１、１）のそれぞれの端部にはエンドプレート（１ａ、１ａ）が溶接され、その隣接するエンドプレート（１ａ、１ａ）の間はエキスパンションによって広げられ長ボルト（７ｂ）が挿入されている請求項１記載のトンネルライナー。

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