JP4439948B2 - 先行支保工とその構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、トンネルの掘削に先立って設置する支保工である先行支保工の構築方法に関するもので、特に、トンネル軸方向に延長する複数の筒体を互いに連結させながら地山に挿入・埋設して構築される先行支保工とその構築方法に関する。

一般に、トンネル坑口部や土被りが薄い場合における掘削・支保では、地山に扁平なアーチを構成する必要があることから、例えば、図６に示すように、地山５０のトンネルの軸方向に、上記扁平なアーチ部に沿って、断面が台形状の鋼製の本体５１とこの本体５１の両側面の上端部及び下端部からそれぞれ突出する継手５２を備えた継手付き鋼管５３を互いに隣接させて推進・埋設して、先行支保工５４を構築する方法が行われている。なお、アーチ部の構築後には、上記本体５１内にコンクリートを充填して上記先行支保工５４の強度を高めるようにしている（例えば、非特許文献１参照）。
ＪＲ東日本パンフレット；「東北本線王子駅構内、首都高速道路新設他工事」

ところで、上記アーチ部が扁平な場合には、上記先行支保工５４に作用する鉛直方向の力が大きくなり、水平方向の力が小さくなるため、大きな鉛直土圧が作用する。この鉛直土圧に対して上記先行支保工５４の強度を確保するためには、上記鉛直土圧により発生する曲げモーメントによる変形を小さくする必要があることから、上記継手付き鋼管５３としては、断面係数の大きな、すなわち、断面積の大きな本体５１を有する継手付き鋼管５３を用いる必要がある。
しかしながら、本体５１の断面積を大きくすると容量も大きくなり、また、重量も重くなってしまうことから、上記継手付き鋼管５３の作製や運搬が大変であるだけでなく、上記継手付き鋼管５３，５３同士を連結させながらスムーズに推進させるために大型の推進機を必要とするなど、施工性がよくないといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、十分な強度を確保できるとともに、施工性に優れた先行支保工の構築方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、地中構造体を曲率半径方向に離反した２つのアーチ部から構成した場合、上記地中構造体では、上記アーチ部間の地山は上下から上記地中構造体の延長方向に延長する複数の筒体に挟まれた状態にあり、上記２つのアーチ部の全長に亘って上記上下のアーチ部に拘束されているので、外側のアーチ部と中間の地山、及び、内側のアーチ部とが、近似的に一つの構造体として機能するので、各アーチ部を構成する筒体の断面積を小さくしても、上記地中構造体の断面係数を大きくすることができること、更には、上記地中構造体が先行支保工である場合には、地中構造体の内側を掘削すると、上記アーチ部に挟まれた地山が圧密されて上記地中構造体が更に一つの構造体に近づき、上記地中構造体の断面係数が更に大きくなるので、大きな断面を有する筒体で構築した一重のアーチ構造の支保工に近い強度を確保することができることを見出し本発明に至ったものである。
すなわち、本発明の請求項１に記載の発明は、トンネルの掘削に先立って設置される先行支保工の構築方法であって、トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を、上記先行支保工の横断面の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成るアーチ部を、地山により上記先行支保工の曲率半径方向に互いに離隔されるように、少なくとも二つ構築し、上記先行支保工を、外側のアーチ部と内側のアーチ部との間の地山が上記アーチ部の全長に亘って上記外側のアーチ部と内側のアーチ部とにより拘束された多重アーチ構造とするとともに、上記先行支保工の複数箇所において、外側のアーチ部を構成する筒体と内側のアーチ部を構成する筒体とを、上記先行支保工の延長方向に延長する筒体から成る連結部材により連結したことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、トンネルの掘削に先立って設置される先行支保工であって、トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を、上記先行支保工の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成る第１のアーチ部と、上記第１のアーチ部の内周側に構築される、トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を上記先行支保工の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成る第２のアーチ部とを備え、上記第１のアーチ部と上記第２のアーチ部とは、地山により、上記先行支保工の曲率半径方向に互いに離隔され、かつ、複数箇所において、上記第１のアーチ部を構成する筒体と上記第２のアーチ部を構成する筒体とが、上記先行支保工の延長方向に延長する筒体から成る連結部材により連結されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の筒体を先行支保工の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して構築される先行支保工を、地山により上記先行支保工の曲率半径方向に互いに離隔して構築された、少なくとも二つのアーチ部を有する多重アーチ構造とするとともに、上記先行支保工の複数箇所において、外側のアーチ部を構成する筒体と内側のアーチ部を構成する筒体とを上記先行支保工の延長方向に延長する筒体から成る連結部材により連結することにより、断面積の小さな筒体を用いた場合でも先行支保工全体の断面係数を大きくすることができるようにしたので、先行支保工の強度を十分に確保することができるとともに、筒体を地山のアーチ部に沿って容易に挿入・埋設することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本最良の形態に係る地中構造体の概略構成を示す図で、本例では、先行支保工の横断面のアーチ部を構成する地中構造体１０について説明する。この地中構造体１０は地中構造体１０の延長方向に延長する断面が略台形の鋼管から成る複数の角型管１１を上記アーチ部に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して構築される第１のアーチ部１１Ａと、この第１のアーチ部１１Ａの内周側に設けられた、上記角型管１１と同様の角型管１２を複数個連結して成る第２のアーチ部１２Ａと、上記第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとに挟まれた中間地盤１３とから成る二重アーチ構造となっている。なお、上記角型管１１，１１同士及び角型管１２，１２同士は、継手などの図示しない連結部材により結合されているものとする。

ところで、一般の一重アーチ構造では、アーチ部に作用する土圧に対して強度を確保するためには、上述したように、断面積の大きな角型管を用いる必要があったが、本例の地中構造体１０は二重アーチ構造であるので、角型管１１，１２の断面積が小さくても断面積の大きな角型管を用いた場合と同等の断面性能を確保することができる。
すなわち、断面積の大きな角型管で構成した地中構造体を、図２（ａ）に示すような正方形断面を有する構造体モデル２０で表わした場合、上記構造体モデル２０では、断面係数は上記正方形の断面積の（３／２）乗に比例するので、同じ垂直方向の土圧に対する変形は断面積が大きな程小さくなる。一方、本例の地中構造体１０では、第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとの間の地山（中間地盤１３）は上下から上記地中構造体の延長方向に延長する複数の角型管１１，１２に囲まれているので、上記第１及び第２のアーチ部１１Ａ，１２Ａとはほぼ一つの構造体であるかのように一体に変形する。
また、地中構造体１０の内側（トンネル部）が掘削された段階では、上記中間地盤１３が圧密されるので、上記地中構造体１０を一つの構造体とみなすことができる。したがって、上記地中構造体１０は、図２（ｂ）に示すような、上部の構造体３１と下部の構造体３２とが連結されたＨ鋼タイプの構造体モデル３０で表わせる。一般に、上記構造体モデル３０の単位面積当たりの断面係数は上記構造体モデル２０の単位面積当たりの断面係数の約２倍である。したがって、角型管１１，１２の断面積を小さくしても、上記地中構造体１０を上記構造体モデル３０で表わせる構造、すなわち、二重アーチ構造とすれば、地中構造体１０の断面性能を十分にかつ効率よく確保することができる。
また、断面積の小さな角型管１１，１２を用いた場合には、断面積の大きな角型管を用いた場合よりも使用する本数は増えるものの、作製や運搬が容易であるだけでなく、角型管１１，１１同士（あるいは、角型管１２，１２同士）を連結させながらスムーズに推進させることも容易であるので、施工性を大幅に改善することができる。

このように、本最良の形態では、複数の筒体を地中構造体１０の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設する際に、上記地中構造体１０を、第１のアーチ部１１Ａと、この第１のアーチ部１１Ａの内周側に、中間地盤１３を挟んで構築される第２のアーチ部１２Ａとから成る二重アーチ構造とし、アーチ部間の地山である中間地盤１３を、構築した地中構造体１０の全長に亘って上下から拘束して、外側のアーチ部である第１のアーチ部１１Ａと中間の地山である中間地盤１３、及び、内側のアーチ部である第２のアーチ部１２Ａとを、作用する曲げモーメントに対して一体に変形させるようにしたので、断面積の小さな角型管１１，１２用いても、上記地中構造体１０の断面係数を大きくすることができ、地中構造体１０の強度を十分に確保することができる。
また、断面積の小さな角型管１１，１２は軽量なので、運搬が容易であるだけでなく、地山への推進・埋設も容易なので、施工性を大幅に改善することができる。

なお、上記最良の形態では、地中構造体１０を二重アーチ構造としたが、これに限るものではなく、三重構造などの多重構造としてもよい。
また、上記例では、中間地盤１３を、アーチ部の全長に亘って、第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとで上下から拘束することにより、第１のアーチ部１１Ａと中間地盤１３、及び第２のアーチ部１２Ａとを一体に変形するようにしたが、図３（ａ），（ｂ）に示すように、上記地中構造体１０の複数箇所において、第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとを、鋼棒１４や鋼板１５などの連結部材により連結すれば、第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとが、上記構築されたアーチ部の延長方向に亘ってＨ型に連結されるので、第１のアーチ部１１Ａと中間地盤１３、及び第２のアーチ部１２Ａとをより一層一体に変形させることができ、地中構造体１０の強度を更に向上させることができる。
あるいは、図４に示すように、第１のアーチ部１１Ａの角型管１１と第２のアーチ部１２Ａの角型管１２とを、例えば、上面または下面、あるいは、上面と下面の両方に連結用の突起１６ｋを設けた、上記角型管１１，１２と同様の連結用角型管１６を用いて連結するようにしてもよい。

また、上記中間地盤１３を地盤改良しても、第１のアーチ部１１Ａと中間地盤１３、及び第２のアーチ部１２Ａとをより一層一体に変形させることができるので、地中構造体１０の強度を更に向上させることができる。
具体的には、図５（ａ）に示すように、第１のアーチ部１１Ａの角型管１１の下面側と、第２のアーチ部１２Ａの角型管１２の上面側とから、上記中間地盤１３に地盤改良剤を注入・固化して地盤改良すれば、上記中間地盤１３を上記第１及び第２のアーチ部１１Ａ，１２Ａにより更に拘束することができるので、第１のアーチ部１１Ａと中間地盤１３、及び第２のアーチ部１２Ａとはより一層一体に変形する。
あるいは、図５（ｂ）に示すように、上記中間地盤１３に注入管１７を挿入して中間地盤１３内に地盤改良剤を注入・固化して地盤改良してもよい。この場合には、中間地盤１３の中心近傍から地盤改良剤を注入できるので、第１のアーチ部１１Ａと第２のアーチ部１２Ａとの間隔が広い場合には特に有効である。

本発明によれば、断面の小さな筒体を用いても強度を十分に確保することができるとともに、筒体を地山のアーチ部に沿って容易に挿入・埋設することができるので、地山に挿入・埋設する先行支保工を容易に構築することができる。

本最良の形態に係る地中構造体の概略構成を示す図である。 本最良の形態に係る地中構造体のモデルを示す図である。 本発明による地中構造体の他の構成を示す図である。 本発明による地中構造体の他の構成を示す図である。 本発明による地中構造体の他の構成を示す図である。 従来の先行支保工の構築方法を示す図である。

符号の説明

１０ 地中構造体、１１，１２ 角型管、１１Ａ 第１のアーチ部、
１２Ａ 第２のアーチ部、１３ 中間地盤、１４ 鋼棒、１５ 鋼板、
１６ 連結用角型管、１７ 注入管。

Claims (2)

1. トンネルの掘削に先立って設置される先行支保工の構築方法であって、トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を、上記先行支保工の横断面の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成るアーチ部を、地山により上記先行支保工の曲率半径方向に互いに離隔されるように、少なくとも二つ構築し、上記先行支保工を、外側のアーチ部と内側のアーチ部との間の地山が上記アーチ部の全長に亘って上記外側のアーチ部と内側のアーチ部とにより拘束された多重アーチ構造とするとともに、
   上記先行支保工の複数箇所において、外側のアーチ部を構成する筒体と内側のアーチ部を構成する筒体とを、上記先行支保工の延長方向に延長する筒体から成る連結部材により連結したことを特徴とする先行支保工の構築方法。
2. トンネルの掘削に先立って設置される先行支保工であって、
   トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を、上記先行支保工の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成る第１のアーチ部と、
   上記第１のアーチ部の内周側に構築される、トンネルの延長方向に延長する鋼管から成る複数の筒体を上記先行支保工の断面形状に沿うように互いに連結させながら地山に挿入・埋設して成る第２のアーチ部とを備え、
   上記第１のアーチ部と上記第２のアーチ部とは、地山により、上記先行支保工の曲率半径方向に互いに離隔され、かつ、複数箇所において、上記第１のアーチ部を構成する筒体と上記第２のアーチ部を構成する筒体とが、上記先行支保工の延長方向に延長する筒体から成る連結部材により連結されていることを特徴とする先行支保工。

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