JP4269301B2

JP4269301B2 - 既設トンネルの断面拡大工法

Info

Publication number: JP4269301B2
Application number: JP2000265706A
Authority: JP
Inventors: 憲二郎岡; 健男三木
Original assignee: Toyo Construction Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2002070471A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、既設トンネルの断面を拡大する工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、物流の国際化、多様化に伴って、輸送される貨物（コンテナ）は益々大型化する傾向にある。しかし、完成時期が旧いトンネルでは、このような大型貨物の通過を許容する内空断面を有しない、すなわち建築限界を確保できないものが多く、その断面拡大が必要になってきている。
【０００３】
既設トンネルの内空断面を拡大する工法としては、大型特殊施工機械を利用して全断面を相似的に拡幅する全面拡幅工法があるが、このような工法では、施工が大規模となって工期および工費が著しく増大し、その上、全面的な交通止めも必要となって生活基盤が損なわれることになる。
【０００４】
そこで、例えば図５に示すように、既設トンネル１Ａの左または右側に先進坑２を形成し、この先進坑２の貫通後、中壁３を残しながら既設トンネル１Ａを拡大し、最終的に中壁３を撤去すると共に、覆工コンクリート４をアンカー（またはロックボルト）５により補強しながら打設する中壁工法が、あるいは図６に示すように、既設トンネル１Ｂの覆工コンクリート６の側壁（覆工側壁）６ａを通して周辺地山にロックボルト７を打設して、該ロックボルト７により覆工コンクリート６を補強した後、路盤８を掘り下げて根継ぎコンクリート壁９を覆工側壁６ａに継ぎ足す盤下げ工法が注目され、その利用が図られている。これら中壁工法あるいは盤下げ工法によれば、汎用施工機械による施工が可能になることに加え、先進坑２内（図５）あるいは片側の非施工域路盤８ａ（図６）を交通に利用することができ、上記した全面拡幅工法における問題点がかなり解消されるようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記中壁工法によれば、汎用施工機械の使用が可能になるとはいえ、既設トンネル１Ａとは独立した先進坑２を形成しなければならないため、その施工に多くの時間と費用とを要し、中壁３の撤去などの余分な施工も要して、工期および工費面で益するところはほとんどないという問題があった。
また、上記盤下げ工法によれば、工期並びに工費面での利益は大きいものの、引張材であるロックボルト７による補強のみでは曲げ、せん断に対する耐力が不足するため、盤下げに伴って地山のゆるみや覆工コンクリート６の沈下、変形が生じ易く、盤下げ区間を短く設定して千鳥掘削するなどの面倒な対策が必要となって、期待するほどの工期および工費面での利益は得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、覆工コンクリートの補強を確実にすることにより効率よく路盤を掘り下げできるようにし、もって交通を確保しながら工期および工費面で大きな利益をもたらす既設トンネルの断面拡大工法を提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、既設トンネルの長手方向に沿い、その覆工側壁の脚部を通して斜め下方へ複数のマイクロパイルを打設すると共に、隣接するマイクロパイルの杭頭部同士を補強プレートで連結し、該補強プレートを介して各マイクロパイルの杭頭部を前記覆工側壁に固定し、しかる後、路盤を掘り下げてトンネルの内空断面を下方へ拡大することを特徴とする。
このように行う既設トンネルの断面拡大工法においては、覆工側壁を通して斜め下方へ打設したマイクロパイルが、引張り、曲げ、せん断に対して十分な耐力を発揮することに加え、水平方向および鉛直方向に十分な地盤支持力を発揮するので、その後に路盤を掘り下げても、地山にゆるみが生じたり、あるいは覆工コンクリートが沈下、変形してしまうことはない。また、隣接するマイクロパイルの杭頭部同士を補強プレートで連結し、該補強プレートを介して覆工側壁に固定するようにしているので、隣接するマイクロパイルが協働して大きな支持力を発揮する。しかも、既設トンネル内を片側ずつ施工することで、非施工域となる他側を交通に利用することができる。
【０００８】
本発明は、上記マイクロパイルを打設する際、偏心拡径ビットとダウンザホールハンマーとを併用して削孔を行うようにしてもよく、これらの併用により、覆工コンクリートを含めて効率よく削孔を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る既設トンネルの断面拡大工法の一つの実施の形態を示したものである。図１の右半分は既設トンネル１０を、同図の左半分は本工法の実施により拡大された拡大トンネル１１をそれぞれ表しており、拡大トンネル１１は、既設トンネル１０の路盤１２を所定深さＨだけ盤下げすることにより、すなわち既設トンネル１０の内空断面を下方へ拡大することにより所望の建築限界を確保している。また、この拡大トンネル１１は、既設トンネル１０の覆工コンクリート１３を共用して形成されており、この覆工コンクリート１３は、その側壁（覆工側壁）１３ａの脚部を通して斜め下方へ所定の角度θ（＝１５〜４５度）で打設したマイクロパイル１４により補強されている。マイクロパイル１４は、比較的小口径（１５０〜３００ｍｍ）の鋼管１５とその周りのグラウト固化層１６とからなっており、地盤１７中に強固に定着されている。なお、覆工コンクリート１３の脚部には根継ぎコンクリート壁１８が増設されている。路盤１２は、ここでは薄肉の均しコンクリート層１２ａ上に厚肉の舗装コンクリート層１２ｂを打設した構造となっている。また、この路盤１２には側溝を提供する溝形ブロック１９が付設されている。
【００１２】
本工法の実施に際しては、既設トンネル１０内を仕切板２０によりほぼ中央線Ｃから左右に仕切り、その片側の交通を確保しながら、その他側に施工機械２１を乗り入れ、この施工機械２１を用いて前記覆工側壁１３ａの脚部を通して斜め下方へ、後述する方法で前記マイクロパイル１４を打設する。このマイクロパイル１４の打設は、既設トンネル１０の長手方向に所定の間隔で行い、所要数のマイクロパイル１４の打設を終えた時点で、隣接するマイクロパイル１４の杭頭部（鋼管１５の頭部）同士を、図２および図３に示すように、補強プレートとして機能する連結板２２により連結すると共に、この連結板２２を、覆工側壁１３ａを通して地山に打設したロックボルト２３を用いて該覆工側壁１３ａに固定する。連結板２２は、ここでは、各マイクロパイル１４の杭頭部に固結された第１板部２４とこの第１板部２４同士を連結する第２板部２５とからなっており、第１板部２４はマイクロパイル１４に対して、第２板部２５は第１板部２４に対してそれぞれ溶接部２６により接合されている。なお、図２中、２７はマイクロパイル１４の打設に際して覆工側壁１３ａに開けられた孔で、この孔２７内にはマイクロパイル１４を構成するグラウト固化層１６の一部が充填されている。
【００１３】
そして、適当な区間（長さ）にわたって前記マイクロパイル１４の打設および覆工側壁１３ａに対する連結板２２の固定を終えたら、適宜の施工機構を搬入して路盤１２を掘り下げ、新たに路盤１２を打設し、さらに前記根継ぎコンクリート壁１８を打設する。一方、この路盤１２の掘り下げ（盤下げ）と並行して、施工機械２１によるマイクロパイル１４の打設作業を進める。このようにして、マイクロパイル１４の打設と盤下げとを並行して進めて、既設トンネル１０内の片側の全長にわたって盤下げを終えたら、この片側を交通に供して、他側へ工事を移し、以降、上記施工を繰返して他側の全長にわたって盤下げを行い、これにて拡大トンネル１１は完成する。
【００１４】
ここで、上記マイクロパイル１４の打設には、一例として図４に示す工法を採用することができる。この工法は、先ず、同図(a)に示すように、管壁に複数の逆止弁３０を有する鋼管３１を用意し、この鋼管３１内に、偏心拡径ビット３２とダウンザホールハンマー３３とを連設してなる削孔ツール３４を先端に有する削孔ロッド３５を挿入する。
【００１５】
そして、これら鋼管３１と削孔ロッド３５とを、前記施工機械２１（図１）に一体的に支持させて、鋼管３１をケーシングとして用いて削孔ロッド３５を回転させながら、前記覆工側壁１３ａの脚部から地盤１７中に斜め下方へ削孔を行い、鋼管（ケーシング）３１を地盤１７中に貫入させる。ダウンザホールハンマー３３は空気圧によりハンマー部を作動させて偏心拡径ビット３２に衝撃荷重を加える機能を有するもので、このダウンザホールハンマー３３と偏心拡径ビット３２との併用により地盤１７には、前記覆工側壁１３ａ内の貫通孔２７に連続する孔３６が高能率に削孔される。なお、この削孔の間の掘削ずりは、偏心拡径ビット３２に貫設された流通孔（図示略）からケーシング３１と削孔ロッド３５との間の環状通路３７を経て外部へ排出される。
このようにして、ケーシング３１を継ぎ足しながら予定深度までの削孔を終えたら、上記削孔ロッド３５を削孔ツール３４と一緒にケーシング３１から引抜き、ケーシング３１のみを孔３６内に残す。
【００１６】
次に、図４(b)に示すように、前記ケーシング３１内に注入機４０を挿入する。この注入機４０は、シングルパッカーと呼称されるもので、液圧（不凍液が望ましい）または空気圧により膨出する１つの膨出体４１と吐出ノズル４２とを備えており、膨出体４１には地上の圧縮空気源から延ばしたエアホース４３が、吐出ノズル４２には地上のグラウト供給源から延ばしたグラウト管４４がそれぞれ接続されている。
【００１７】
上記シングルパッカー（注入機）４０は、最初、ケーシング３１の最深位置まで挿入し、その位置でエアホース４３を通じて膨出体４１に液体または圧縮空気を送ってこれを膨出させ、ケーシング３１に対してその位置を固定する。続いて、グラウト管４４を通じて吐出ノズル４２にグラウトセメントミルク、セメントモルタル等の硬化材グラウトを圧送する。すると、この硬化材グラウトは、吐出ノズル４２から吐出してケーシング３１の先端開口から前方の地盤１７内に加圧注入され、その一部はケーシング３１の先端部の外側にも回り、さらにケーシング３１内の、膨出体４１より前方域にフィルアップする。そして、ケーシング３１内へのフィルアップにより内圧が高まると、逆止弁３０が開いて硬化材グラウトがケーシング３１の周辺へ放射状に噴出し、ケーシング３１の周りの地盤１７内に加圧注入される。しかして、吐出ノズル４２からの硬化材グラウトの吐出圧力は、一例として、１〜２MPa（10〜20kgf/cm²）程度とかなりの高圧に設定されており、これにより、硬化材グラウトは地盤１７中に十分に浸透する。
【００１８】
このようにして、ケーシング３１の前方領域および周辺領域には、土砂を含む厚肉のグラウト層４５が形成され、このグラウト層４５は、シングルパッカー４０を、逆止弁３０の配列ピッチに相当するピッチで引上げながら、前記硬化材グラウトの吐出を繰返すことで次第に上方へ拡大する。そして、このグラウト層４５が前記覆工側壁１３ａの位置まで拡大したら、シングルパッカー４０からの硬化材グラウトの吐出を停止し、これと同時に膨出体４１に接続するエアホース４３を大気側に切換えて、膨出体４１を縮径させ、ケーシング３１からシングルパッカー４０を引抜く。
【００１９】
次に、図４(c)に示すようにケーシング３１内に前記マイクロパイル１４を構成する鋼管１５を挿入する。鋼管１５は、ここではその長手方向に等間隔で節５０を有すると共に、貫通孔５１を有する節付き孔明き鋼管となっている。また、この鋼管１５は、前記ケーシング３１内に余裕をもって挿入できる外径と該ケーシング３１よりも十分に厚い肉厚とを有している。鋼管１５は、その先端がケーシング３１の先端開口を挿通して地盤１７に当接するまで挿入し、この挿入の間、鋼管１５内にはケーシング３１内に充填されていた硬化材グラウトが流入する。
そして、この鋼管１５の挿入完了後、ケーシング３１を地盤１７中から引抜く。このケーシング３１の引抜きにより、ケーシング３１の周りに存在していた硬化材グラウトがケーシング３１の抜け跡に流入し、これにより鋼管１５はその内外がグラウト層４５に埋込まれた状態となる。
【００２０】
その後、上記鋼管１５内に前記シングルパッカー５０を挿入し、これに、上記した手順で硬化材グラウトを再び圧送する。すると、この硬化材グラウトは、鋼管１５内に充填されると共に、その貫通孔５１から放射方向に噴出して鋼管１５の周辺に二次注入される。この二次注入はシングルパッカー４０を上方へ所定のピッチで引上げながら繰返し行い、これにより、前記グラウト層４５が次第に上方へ拡大して、削孔により形成された覆工側壁１３ａ内の貫通孔２７にも充填される。本実施の形態においては、この二次注入を、上記ケーシング３１を介しての硬化材グラウトの注入圧力よりも低い圧力で実施し、これにより前記孔３６の口部からのグラウトの噴出が未然に防止される。
【００２１】
この結果、鋼管１５のほぼ全長がグラウト層４５内に埋込まれ、このグラウト層４５は、所定時間経過することで硬化して前記グラウト硬化層１６（図１）に変質し、心材としての鋼管１５とその周りのグラウト硬化層１６とが一体となったマイクロパイル１４が構築される。
このように構築されたマイクロパイル１４は、厚肉のグラウト硬化層１６と強度の大きい鋼管１５とが一体となって、引張り、曲げ、せん断に対して十分な耐力を発揮するものとなり、その上、傾斜方向への打設により水平方向および鉛直方向に十分な地盤支持力を発揮するものとなる。したがって、上記したように各マイクロパイル１４の杭頭部を連結板２２を用いて覆工側壁１３ａに固定した後、路盤１２を所定深さＨだけ一気に掘り下げても、地山にゆるみが生じたり、あるいは覆工コンクリート１３が沈下、変形してしまうことはなく、既設トンネル１０の内空断面を効率よくかつ安定して拡大できるようになる。しかも、既設トンネル１０内を片側ずつ施工することで、非施工域となる片側を交通に利用することができ、生活基盤の確保も可能になる。
【００２２】
本実施の形態においては特に、マイクロパイル１４の打設に際し、マイクロパイル１４の心材として節付き孔明き鋼管１５を用いているので、平滑鋼管を用いる場合に比べて地盤支持力は増大する。また、逆止弁３０を有する鋼管３１をガイド管として用いて、これを繰返し使用するようにしているので、その分、コスト負担は軽減される。
なお、本発明は、このマイクロパイル１４を打設する工法を特定するものでなく、逆止弁３０を有する鋼管３１をそのまま心材として地盤１７中に埋込むようにしてもよいもので、この場合は、当然のこととして上記した節付き孔明き鋼管１５の挿入、グラウトの二次注入等は不要になる。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る既設トンネルの断面拡大工法によれば、覆工側壁を通して斜め下方へ打設したマイクロパイルにより覆工を補強するので、路盤を掘り下げても、地山にゆるみが生じたり、あるいは覆工コンクリートが沈下、変形してしまうことはなく、効率よくかつ安定して内空断面を拡大できる。しかも、既設トンネル内を片側ずつ施工することで、生活基盤の確保も可能になり、本発明の利用価値は著しく大きなものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る既設トンネルの断面拡大工法の一つの実施の形態を示す断面図である。
【図２】本工法において打設したマイクロパイルと覆工側壁との結合構造を示す断面図である。
【図３】本工法において打設したマイクロパイルと覆工側壁との結合構造を示す正面図である。
【図４】本工法において行うマイクロパイルの打設工法を順を追って示す断面図である。
【図５】従来の既設トンネルの断面拡大工法の一つである中壁工法を示す模式図である。
【図６】従来の既設トンネルの断面拡大工法の一つである盤下げ工法を示す模式図である。
【符号の説明】
１０既設トンネル，１１拡大トンネル，１２路盤，１３覆工コンクリート，１３ａ覆工側壁，１４マイクロパイル，１５マイクロパイルの鋼管，１６マイクロパイルのグラウト固化層，２２連結板（補強プレート），２３ロックボルト，３２偏心拡径ビット，３３ダウンザホールハンマー，３５削孔ロッド

Claims

既設トンネルの長手方向に沿い、その覆工側壁の脚部を通して斜め下方へ複数のマイクロパイルを打設すると共に、隣接するマイクロパイルの杭頭部同士を補強プレートで連結し、該補強プレートを介して各マイクロパイルの杭頭部を前記覆工側壁に固定し、しかる後、路盤を掘り下げてトンネルの内空断面を下方へ拡大することを特徴とする既設トンネルの断面拡大工法。
マイクロパイルを打設する際、偏心拡径ビットとダウンザホールハンマーとを併用して削孔を行うことを特徴とする請求項１に記載の既設トンネルの断面拡大工法。