JP3977843B2 - 坑内掘削で形成される中空空間を安定化させる方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１ないし１０の上位概念に記載の、坑内掘削の際に生じた中空空間を安定化させる方法および装置に関するものである。この方法およびこの装置は、好ましくは、強度が低い、劣悪な、圧力を有する地盤において使用される。

坑内掘削（トンネル、横坑、縦坑、洞窟など）において、生じた中空空間をライニングにより、すなわち、たとえばスチールアーチ、吹付けコンクリート、アンカー、プレハブのコンクリート部材（タビング）のような、支持手段によって、安全確保することが、知られている。劣悪な、強度が低く、圧力が掛かりやすい地盤においては、掘削された中空空間の断面は小さくなろうとする傾向を有している。それによってライニングに、支持手段内に圧縮応力をもたらす力が作用する。従って既知の支持手段は、この種の状況の下で、過負荷を回避することができるように設計されている。この回避によって、通常、地盤圧力が減少する。

最も近い従来技術を形成する技術（たとえば、特許文献１を参照）には、トンネル内装が示され、かつ説明されており、そのトンネル内装は支持部品として用いられる、少なくとも２つの内装セグメントを有しており、それら内装セグメントはトンネル長手方向に延びる収縮継目によって互いに分離されている。この収縮継目内へ圧縮管が挿入されており、これら圧縮管の各々が外側の支持管と内側の支持管の間に配置されて、端面側を２つの圧力伝達プレート間に挟持されている。この圧力プレートを介して、内装セグメントから圧力がそれぞれの圧縮管へ伝達される。圧縮管の膨らみ抵抗を上回る所定の軸負荷において、圧縮管は漸進的に膨らんで、短縮される。内装セグメントは、抵抗を克服しながらトンネルの周方向に互いに対して移動し、同時に地盤に対してライニング抵抗をもたらす。

この既知のトンネル内装は、ある程度の実際的な欠点を有している。圧縮管の端面の領域において、内装セグメント内に局所的な応力集中が発生する。従って圧力伝達プレートの組込みの他に、他の措置を講じて、それによって内装セグメントがこの応力集中を受けても損傷されないようにしなければならない。このことがまた、コストにマイナスに作用する。内装が吹付けコンクリートからなる場合には、それを形成する場合にさらに、収縮継目を吹付けコンクリートの侵入に対して保護しなければならない。さらに、内装セグメントが互いに対して横移動することによる、圧縮管の可能な傾き位置が、問題をもたらすことがある。
欧州特許明細書ＥＰ−Ｂ−１０３４０９５

本発明の課題は、簡単かつ安価な方法で、支持手段に作用する圧力に、変形を許容しながら所定の抵抗を作用させることを可能にする、冒頭で挙げた種類の方法と装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する方法ないし請求項１０の特徴を有する装置によって解決される。この装置と共に使用することのできる圧縮体が、請求項１９から２５に定められるように、形成されている。

工事の際に必要に応じて、持ち込まれ、変形する地盤によりもたらされる力の流れへそう入れる、圧縮体の空間は、所定の圧縮負荷を上回った場合に、漸進的に縮小する。空間のこの縮小は、金属ベースの圧縮体においては、圧縮体の漸進的な圧縮によって、セメントベースの圧縮体の場合には空間の漸進的な崩壊によって行われる。圧縮体の基礎材料の変形と結びついた、空間のこの縮小は、支持手段内部の著しい相対運動を許す。圧縮体の横変形は行われず、あるいは打ちつぶしに比較して極めてわずかな横変形しか行われず、それが所定の利用において効果的に作用する。圧縮体の全体積に比較した空間割合は、圧縮体の最大の圧縮可能性と打ちつぶし抵抗の決定に関与する。

圧縮体の寸法および機械的特性は、それぞれの要求に極めて容易に適合される。すなわち圧縮体を、作用する圧縮力に対して横の方向に長く延びる形成物として形成することができるので、支持手段内の応力集中の危険が回避される。

本発明に基づく方法、本発明に基づく装置および本発明に基づく圧縮体の好ましい展開が、従属請求項の対象を形成している。

以下、図面を用いて本発明対象の実施例を詳細に説明する。

図１と２に部分的に示すトンネルライニング１は、支持手段として用いられる２つのトンネルライニング部材２と３からなる。矢印Ｃは、最後の組込み段階を示している。吹付けコンクリート、現場打ちコンクリートまたはプレハブのコンクリート部材から形成された、トンネルライニング部材２、３は、トンネル中空空間４を包囲する地盤５の変形によってもたらされる圧力を吸収する。トンネルライニング部材２、３は、トンネル長手方向に延びる間隙６（収縮継目）によって互いに分離されている。この間隙６内に、細長い圧縮体７が配置されており、その圧縮体７が間隙６を実際に完全に満たしている。好ましくは、圧縮体７は、組込み段階Ｃの長さに相当する長さを有している。

各圧縮体７は、圧縮体７全体に分配された、所定の体積割合の空間を有する材料からなる。空間は、圧縮体７を形成する時に、所望に形成される。圧縮体７は、特に、少なくとも１ＭＰａの耐圧強度とその全体積の１０から９０％の空間割合を有している。しかし好ましくは、圧縮体７は、少なくとも３ＭＰａの耐圧強度と２０から７０％の空間割合を有している。圧縮体７は、所定の圧力負荷に耐えることができるが、所定の圧力負荷を上回った場合には比較的激しく変形する。この変形は大部分が、空間が漸進的に崩れ、あるいは漸進的に圧縮されることによって、生じる。

圧縮体７の空間は、閉鎖され、あるいは開放され、かつ部分的または全部が互いに接続されていてもよい。この空間は、細長くてもよく、円筒状またはプリズムの形状を有し、かつ、その長手軸が互いに対して平行、かつ、好ましくは圧力負荷の軸線に対して直角に延びるように、配置することができる。このようにして、蜂の巣の構造を有する圧縮体７が得られる。

圧縮体７は、第１の実施形態においては、多孔性の金属製発泡材料から、好ましくはスチール製発泡材料からなり、たとえばＤＥ−Ｃ−１９７１６５１４に記載されている方法に従って形成することができる。金属製発泡材料からなるボディとその形成は、ＷＯ−Ａ−００／５５５６７にも記載されている。

他の実施形態においては、圧縮体７はセメント、発泡ガラス粒子、たとえば発泡ガラス細粒および、スチール、プラスチックまたはガラスからなる強化部材を有している。強化部材は、繊維、格子、ネット、バーまたは開口部有り、あるいは、開口部無しのプレートの形状で使用することができる。発泡ガラス粒子は、基礎材料（マトリクス）内に空間を固定させる。本発明に基づく使用に特に適している圧縮体７は、それぞれ１立方メートル当たり以下の成分を有する混合物から形成される：

セメント：１０００−１３００ｋｇ
水：３９０−４１０ｋｇ
ガラス製発泡材料：１４０−１８０ｋｇ
液化剤：１０ｌ
スチール繊維：９０−１２０ｋｇ

この混合物の成分として、次の製品が適している：
セメント：ポルトランドケイ酸塩塵セメント”Ｐｏｒｔｉｃｏ ５Ｒ”；納入者”Ｈｏｌｃｉｍ（スイス）ＡＧ、チューリッヒ
ガラス製発泡材料：２−４ｍｍの粒子径と約０．３ｇ／ｃｍ³の粒子密度を有する”Ｌｉａｖｅｒ”；納入者：Ｌｉｅｖｅｒ Ｉｌｍｅｎａｕ、ドイツ
液化剤：”Ｇｌｅｎｉｕｍ ＡＣ２０”；納入者：Ｄｅｇｕｓｓａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＡＧ、チューリッヒ
スチール繊維：”ＤＲＡＭＩＸ ＲＣ−６５／３５−ＢＮ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｒｅ”；納入者：Ｄｒａｍｉｘ、ベルギー

空間を形成するために、発泡ガラス粒子の代わりに、他の適切な材料、たとえばプラスチックまたはスチール製発泡材料からなる粒子を使用することもできる。これらの材料の個々のもの、または複数のものの組合わせも可能である。すなわち、たとえばスチロポール（Ｓｔｙｒｏｐｏｒ）粒を使用することができる。空間は、圧縮体７を形成する際に気泡の発生をもたらす、発射薬を使用することによっても、形成することができる。発泡ガラス粒子は、圧縮体７の圧縮に所定の抵抗をもたらすが、スチロポール粒の場合には、そうはならない。

さらに、基礎材料として、セメントの代わりに、プラスチック、たとえば合成樹脂を使用することもできる。

図３から５を用いて、以下で、図１と２に示すトンネルライニング１の作用方法を説明する。

図３と４には、圧縮体７を有するトンネルライニングの領域が、負荷のない状態ないし負荷のかかった状態で示されており、圧縮体７に作用する圧縮力はＮで、その横断面はＦで、負荷のない状態における圧縮体７の高さはｄで、そして負荷のかかった状態における高さはｄ’で示されている。図５においては、水平の軸上に圧縮体７の圧縮ε（ε＝（ｄ−ｄ’）／ｄ）、垂直の軸上には圧縮体７内の圧縮応力σ（σ＝Ｎ／Ｆ）が記載されている。

地盤５内の変形が、トンネルライニング４のプロフィールの狭窄化をもたらし、それによってトンネルライニング２、３が圧縮力にさらされて、互いに近づく方向へ摺動し始める。圧縮体７内に圧縮応力が発生して、その圧縮応力が結果として圧縮体７の圧縮をもたらす。圧縮体７の負荷の開始時には、その圧縮εは、圧縮応力σが増大するにつれてほぼ線形に延びている（図５の領域Ｉ）。所定の圧縮応力σに達した場合に、圧縮体７内の亀裂形成および圧縮体７の空間の漸進的な崩壊ないし弾性変形が開始される（図５の領域II）。トンネルライニング部材２、３は、増大する負荷に屈し、間隙６を減少させながら互いに近づくように移動する。圧縮部材７は、ますます激しく圧縮される。図５に示すように、領域II内の圧縮応力は平均的な高さの水準に留まる。次に、空間体積が減少した場合に圧力伝達が改良されることにより、強さが増大する相が続く（図５の領域III）。

図１から４に示す実施例においては、圧縮体７はトンネルライニング部材２、３の間に配置されており、付加的にさらにトンネルライニング部材２、３と結合されることはない。圧縮部材７の、それぞれ隣接するトンネルライニング部材２、３と接触している、圧縮負荷を受ける面７ａ、７ｂは、互いに対して平行に延びている。圧縮負荷がかかった場合に圧縮部材７が間隙６から押し出されることを防止するために、これらの面７ａ、７ｂを互いに対して斜めに、すなわち互いに角度を形成するように、配置することもできる。圧縮部材７は、くさび形状を有する。圧縮部材７は、間隙６内に、面７ａ、７ｂが地盤５の方向に発散するように、組み込まれる。

図６から８には、圧縮体７をそれぞれ隣接するライニング部材２、３と付加的に結合する種々の可能性が示されている。

図６は、溝−ばね−結合を示しており、同結合において圧縮体７には突出するレール８が設けられており、そのレールがライニング部材２ないし３の切欠き９内へ嵌入する。また、切欠きを圧縮体７に、そしてレールをトンネルライニング部材２、３に設けることも可能である。

図７に示す実施形態においては、圧縮体７とライニング部材２、３との間の結合は、ボルト１０によって行われ、そのボルトは間隙６の長手方向に、すなわちトンネル長手方向に変位して配置されている。

図８に示す変形例においては、同様にトンネル長手方向に分配された押えボルト１１が、圧縮体７とトンネルライニング部材２、３との間の結合を形成する。

図９と１０に示す、トンネルライニング１の第２の実施形態においては、支持手段としてトンネルライニング部材２、３の代わりに、スチール支持体１２と１３が使用され、それらスチール支持体はトンネル長手方向にそれぞれ所定の間隔で組み込まれる（図９を参照）。協働するスチール支持体１２、１３は、図１と２に示す実施例の場合と同様に、間隙６によって互いに分離されており、その間隙内にそれぞれ圧縮体７が挿入されている。これらの圧縮体７は、構造および作用方法において、図１から５を用いて説明した圧縮体７に相当し、単にその形状だけが、少し異なる形状比に適合されている。

図１１は、圧縮体７を隣接するスチール支持体１２、１３と結合するための可能性を示している。この結合は、トンネル長手方向に変位して配置されている押えボルト１４によって保証される。

図１２を用いてトンネルライニング１の第３の実施形態が説明され、その実施形態においては地盤５内に固定されたアンカー１５が使用される。図１２において、これらのアンカー１５のうち１つのみが示されている。アンカー１５は、そのアンカーバー１６によって地盤６内に、たとえば機械的に、あるいはモルタルを用いて、しっかりと係止されている。トンネル中空空間４内へ突出する、アンカーバー１６と固定的に結合されているアンカーヘッド１７内に圧縮体７が組み込まれており、その圧縮体は図１から５に関連して説明した圧縮体に相当する。圧縮体７は、２つのスチールディスク１８と１９の間に配置されている。

トンネル中空空間４を画成する壁領域２０が、地盤５内へ深く突入するアンカーバー１６に対して移動した場合に、圧縮体７はそれに作用する圧縮力によって変形され、すなわち圧縮される。図３から５を用いて説明したように、アンカーバー１６と壁領域２０との間で所定の相対移動が可能であって、アンカー１５が、それを破壊する大きい機械的負荷にさらされることはない。

負荷がかかった場合に、圧縮体７の内部の空間の漸進的な崩壊ないし圧縮が、まったく所定の制御された方法で行われることが、望ましい。圧縮負荷を受けた場合の圧縮体７のこのように制御された行動は、圧縮体７内に圧縮体７の適切な形状付与によって、あるいはそれを形成する場合の適切な措置によって、たとえば弱くした箇所を設けることによって、不均質の応力状態を発生させることにより、達成することができる。

圧縮体７に、少なくとも１つのプレート状または格子状の補強材を設けることができ、その補強材は負荷方向（図３と４において押圧力Ｎの作用方向）に対して横方向かつ好ましくは直角に延びている。高い機械的強度を有する、この補強材は、圧縮体７の基礎材料内へ埋め込むことができる。しかし好ましくは圧縮体７は多層の複合体として形成されており、その複合体においては、それぞれ空間を有する材料から形成された部分ボディからなる層が、プレート状または格子状の補強材と交互になっている。補強材によって、圧縮負荷を受けた場合の圧縮体７の圧縮行動を効果的に調節することができる。

なお、上述した支持手段ないしライニング１は、トンネル建設においてだけでなく、坑内掘削において極めて一般的に使用することができる。

トンネルライニングの第１の実施形態の領域を、図２の矢印Ａの方向に示している。 図１のII−II線に沿った断面を示している。 図２に相当する表示において、圧縮体を有するトンネルライニングの領域を、負荷のない状態において示している。 図２に相当する表示において、圧縮体を有するトンネルライニングの領域を、負荷のかかった状態において示している。 圧縮体の可能な圧縮行動を示すグラフである。 図２に相当する表示において、圧縮体と隣接するトンネルライニング部材との間の結合を示している。 図２に相当する表示において、圧縮体と隣接するトンネルライニング部材との間の結合を示している。 図２に相当する表示において、圧縮体と隣接するトンネルライニング部材との間の結合を示している。 トンネルライニングの第２の実施形態の領域を、図１０の矢印Ｂの方向に示している。 図９のＸ−Ｘ線に沿った断面を示している。 図１０に相当する表示において、圧縮体と隣接するスチール支持体との間の結合を示している。 図２と１０に相当する断面において、トンネルライニングの第３の実施形態の領域を示している。

符号の説明

１ トンネルライニング
２、３ トンネルライニング部材
４ トンネル中空空間
５ 地盤
６ 間隙
７ 圧縮体；７ａ、７ｂ 圧縮負荷を受ける面
８ レール
９ 切欠き
１０ ボルト
１１ ヘッドボルト
１２、１３ スチール支持体
１４ ヘッドボルト
１５ アンカー
１６ アンカーバー
１７ アンカーヘッド
１８、１９ スチールディスク
２０ 壁領域

Claims (28)

1. 坑内掘削で形成される中空空間（４）を安定化させる方法であって、
   中空空間（４）が支持手段（２、３；１２、１３；１５）によって安全確保され、かつ地盤（５）から支持手段（２、３；１２、１３；１５）へ加えられる圧力が、所定の圧縮負荷を上回った場合に変形する少なくとも１つの圧縮部材（７）を介して案内される、ものにおいて、
   圧縮部材として、所定の体積割合の空隙を含む材料からなる圧縮体（７）が使用され、 該圧縮体が粒子と補強材を含み、粒子は空隙を形成しており、かつ、結合剤で結合されている、
   ことを特徴とする方法。
2. 少なくとも１ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の１０から９０％の空間割合と、を有する圧縮体（７）が使用される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも３ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の２０から７０％の空間割合とを有する圧縮体（７）が使用される、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記粒子が発泡ガラス粒子またはプラスチック粒子から成る、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記結合剤がセメントまたはプラスチックから成る、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記補強材がスチール、プラスチックまたはガラスから成る、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 補強材として、スチール繊維が使用される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも１つの組み込まれたプレート状または格子状の補強材を有する、好ましくは多層の複合体として形成された圧縮体（７）が使用される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 中空空間（４）が、地盤（５）から加えられる圧力を受けて互いに近づくように摺動可能な、少なくとも２つの支持部分（２、３；１２、１３）によって安全確保され、前記支持部分が、中空空間（４）の長手方向に延びる少なくとも１つの間隙（６）によって互いに分離されている、前記方法において、
   この間隙（６）内に少なくとも１つの圧縮体（７）が挿入され、前記圧縮体が、支持部分（２、３；１２、１３）が相対移動した場合に圧縮され、ないしは押潰される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 中空空間（４）が、地盤（５）内に固定された少なくとも１つのアンカー（１５）によって安全確保される、前記方法において、
    アンカー（１５）の頭部（１７）内に少なくとも１つの圧縮体（７）が挿入され、前記圧縮体は、中空空間（４）の壁領域（２０）がアンカー（１５）のバー（１６）に対して移動する場合に、圧縮され、あるいは押潰される、
    ことを特徴とする方法。
11. 坑内掘削で形成される中空空間（４）を安定化させる装置であって、
    中空空間（４）を安全確保するための支持手段（２、３；１２、１３；１５）と、所定の圧縮負荷を上回った場合に地盤（５）から支持手段（２、３；１２、１３；１５）へ及ぼされる圧縮負荷によって変形する、少なくとも１つの圧縮部材（７）とを有し、
    少なくとも１つの圧縮部材として、所定の体積割合の空隙を含む材料からなる圧縮体（７）が使用され、該圧縮体が粒子と補強材を含み、粒子は空隙を形成しており、かつ、結合剤で結合されている、
    ことを特徴とする装置。
12. 圧縮体（７）が、少なくとも１ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の１０から９０％の空間割合とを有している、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 圧縮体（７）が、少なくとも３ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の２０から７０％の空間割合を有している、ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記粒子が発泡ガラス粒子またはプラスチック粒子から成る、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 前記結合剤がセメントまたはプラスチックから成る、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 前記補強材がスチール、プラスチックまたはガラスから成る、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
17. 補強材として、スチール繊維が使用されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
18. 好ましくは多層の複合体として形成されている圧縮体（７）に、少なくとも１つの組み込まれた、プレート状または格子状の補強材が設けられていることを特徴とする請求項１１から１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 請求項１１から１８のいずれか１項に記載の装置であって、中空空間（４）を安全確保するように定められた、地盤（５）から及ぼされる圧力を受けて互いに近づくように摺動可能な、少なくとも２つの支持手段（２、３；１２、１３）を有し、前記支持手段が、安全確保すべき中空空間（４）の長手方向に延びる少なくとも１つの間隙（６）によって互いに分離されている、前記装置において、
    前記間隙内へ少なくとも１つの圧縮体（７）が挿入されており、前記圧縮体は支持部分（２、３；１２、１３）が相対移動する場合に圧縮され、あるいは押潰される、
    ことを特徴とする装置。
20. 請求項１１から１９のいずれか１項に記載の装置であって、中空空間（４）を安全確保するように定められた、地盤（５）内へ固定可能な少なくとも１つのアンカー（１５）を有している、前記装置において、
    アンカー（１５）の頭部（１７）内に少なくとも１つの圧縮体（７）が挿入されており、前記圧縮体は中空空間（４）の壁領域（２０）がアンカー（１５）のバー（１６）に対して移動する場合に圧縮され、あるいは押潰されることを特徴とする、装置。
21. 請求項１１から２０のいずれか１項に記載の装置のための圧縮体（７）であって、
    圧縮体が、所定の体積割合の空隙を含む材料から成り、該圧縮体が粒子と補強材を含み、粒子は空隙を形成しており、かつ、結合剤で結合されている、
    ことを特徴とする圧縮体（７）。
22. 圧縮体が、少なくとも１ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の１０から９０％の空間割合を有していることを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
23. 圧縮体が、少なくとも３ＭＰａの耐圧強度と、その全体積の２０から７０％の空間割合を有していることを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
24. 前記空間を形成する粒子が発泡ガラス粒子またはプラスチック粒子から成る、ことを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
25. 前記結合剤がセメントまたはプラスチックから成る、ことを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
26. 前記補強材がスチール、プラスチックまたはガラスから成る、ことを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
27. 補強材として、スチール繊維が使用されていることを特徴とする請求項２１に記載の圧縮体（７）。
28. 圧縮体が、少なくとも１つの組み込まれた、プレート状または格子状の補強材を有しており、かつ好ましくは多層の複合体として形成されていることを特徴とする請求項２１から２７のいずれか１項に記載の圧縮体（７）。

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