JP4730595B2

JP4730595B2 - 地中空洞の施工方法

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Publication number: JP4730595B2
Application number: JP2005320562A
Authority: JP
Inventors: 幸男矢部; 幸一浜口
Original assignee: 清水建設株式会社
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: JP2007126878A

Description

本発明は地中に空洞やトンネルを施工するための工法に係わり、特にたとえば大深度・大断面の道路トンネルの構築に際してその分岐合流部を施工するために適用して好適な地中空洞の施工方法に関する。

周知のように、大深度・大断面のトンネルを構築するためのトンネル工法としてはＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）あるいはシールド工法が代表的であるが、都市圏における道路トンネルの施工に際しては、地表および地中の既存構造物に対する悪影響を回避するべく地山に対する高度の支保性能が要求され、また施工中および完成後の止水性能と地下水保全性能が高度に要求されることから、シールド工法の採用が最も一般的である。
また、近年においては様々な新工法も提案され、たとえば特許文献１には本坑掘削に先立って導坑から人工地山アーチを先行施工するという鯨骨工法（ＷＢＲ工法）が提案されている。
特開平１１−１５９２７５号公報

ところで、道路トンネルをシールド工法により施工するに際しては本線トンネルの他にランプトンネルを設け、それら双方のトンネルを要所にて接合して分岐合流部を施工する必要があるが、そのような分岐合流部の施工は必ずしも容易ではない。
すなわち、本線トンネルおよびランプトンネルはそれぞれ在来のシールド工法により地山を安定に支保し、また止水性を確保しつつ支障なく施工できるが、分岐合流部では断面を漸次変化させつつ双方のシールドトンネルどうしを接合する必要があることから、分岐合流部の施工に際しては在来のシールド工法をそのまま適用できるものではなく、何らかの補助工法の採用が不可欠である。

そのため、分岐合流部の施工に際してたとえば特許文献１に示される鯨骨工法を適用することも考えられるが、その鯨骨工法のようにセメント系注入材による人工地山アーチを単に分岐合流部の施工予定位置の上方に造成することのみでは、必ずしも万全の支保効果が得られないことも想定される。

上記事情に鑑み、本発明はシールド工法によるトンネル施工に際してその分岐合流部を効率的に施工することが可能であることはもとより、そのような分岐合流部のみならず各種用途の大規模な地中空洞を施工する場合一般に広く適用することが可能な有効適切な工法を提供することを目的とする。

請求項１の発明の地中空洞の施工方法は、地中を掘削して地中空洞を施工するに際し、掘削予定位置の外側に複数のルーフシールドトンネルを所定間隔で配列した状態で施工して、掘削予定位置を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、各ルーフシールドトンネルの内側からその周囲地山を改良して改良ゾーンを形成し、該改良ゾーンを補強しかつルーフシールドトンネルに対して一体化させるための補強定着手段として、基端に支圧板を備えたＰＣ鋼棒を各ルーフシールドトンネル内から少なくともその内側の改良ゾーンに対して設置し、しかる後に、前記改良ゾーンの内側を掘削し、前記ＰＣ鋼棒の先端部に支圧板を取り付けて該ＰＣ鋼棒に緊張力を与えることにより、前記ルーフシールドトンネルの内側の前記改良ゾーンを支持して地中空洞を施工することを特徴とする。

請求項１の発明の地中空洞の施工方法によれば、空洞の掘削に先だってその掘削予定位置をシールドルーフ先受工と改良ゾーンとにより取り囲んでしまうので、地山に対する充分な支保性能や止水性能を確保しつつ空洞を安全かつ効率的に掘削し施工することが可能であり、地表あるいは地中の既存構造物に対する万全な沈下防止と周辺の地下水保全を図ることができる。
特に、シールドルーフ先受工は複数のルーフシールドトンネルを所定間隔で配列した構造であるので、大規模な先受工としての所望剛性を充分に確保できることはもとより、その施工は在来のシールド工法により容易にかつ精度良く施工できるものであるし、施工するべき地中空洞の形態や規模に応じてルーフシールドトンネルの本数やその配列を設定することによって、最適な形態、構造のシールドルーフ先受工を自由に構築することができる。
しかも、各ルーフシールドトンネル内からその周囲地山を改良して改良ゾーンを形成した後、その改良ゾーンを補強定着手段によってさらに補強するとともにルーフシールドトンネルに対して確実に一体化させるので、改良ゾーンの耐力を充分に増強できてクリープも有効に低減でき、シールドルーフ先受工全体と改良ゾーン全体とによる万全の支保効果が得られる。

本発明のトンネル工法を都市圏における大深度・大断面の道路トンネルの施工に適用する場合の一実施形態を図１〜図８を参照して説明する。本実施形態では、図１にその概要を示すように、本線シールドトンネル１とランプシールドトンネル２とをいずれも在来のシールド工法により施工するとともに、それらの分岐合流部には予めシールドルーフ先受工３を施工し、その内側において本線シールドトンネル１を側方に拡幅することで分岐合流部となる地中空洞を掘削することを主眼とするものである。
その拡幅のための工法としては、例えば本線シールドトンネル１の拡幅側の側壁の一部を撤去し、そこからバックホー等の掘削機械を本線シールドトンネル１外に搬出し、その掘削機械によって分岐合流部の拡幅部分を上方から下方に向かって掘削するとともに、本線シールドトンネル１の側壁の不要部分を撤去していき、最終的に分岐合流部の覆工壁４を築造するという工法を採用すれば良い。
なお、本実施形態では本線シールドトンネル１の直径がたとえば１７ｍ程度、ランプシールドトンネル２の直径がたとえば１１ｍ程度であることを想定している。また、本実施形態では、図２に示すように分岐合流部において本線シールドトンネル１を側方に３段階にわたって拡幅し、最終的には図３に示すように分岐合流部の各部の断面形状が前方に向かって漸次縮小するような横長楕円形状の覆工壁４を形成するものとしている。

具体的には、本実施形態においては本線シールドトンネル１よりもランプシールドトンネル２を先行掘進し、図２に示すようにランプシールドトンネル２が分岐合流部の施工予定位置に達した時点で（あるいは分岐合流部に所定距離進入した時点で）掘進を停止させる。そして、ランプシールドトンネル２の先端部付近の側壁部からルーフシールド機５（図１参照）を発進させ、分岐合流部の施工予定位置の外側に複数（図示例では２０本）のルーフシールドトンネル６を分岐合流部の輪郭に沿って所定間隔で配列した状態で施工し、それら複数のルーフシールドトンネル６の全体によって上記のシールドルーフ先受工３を構成するものである。
なお、ルーフシールドトンネル６の間隔とその配列は、後工程により形成する凍結ゾーン８（あるいは薬液による改良ゾーン）が、隣接するルーフシールドトンネル６間で支保機能および止水機能を有効に発揮し得るように、地盤条件等を勘案して設定するものであり、本実施形態では図３に示すように多数のルーフシールドトンネル６を分岐合流部の輪郭に沿って比較的密に配列している。

各ルーフシールドトンネル６は、小径（たとえば直径３ｍ程度）のルーフシールド機５を図２に示すようにランプシールドトンネル２の先端部付近のトンネル側壁部から発進させた後に前方に向けて急旋回させて分岐合流部の延長方向（トンネル軸方向）に沿うように施工されるものであるが、本実施形態では上述のように分岐合流部は前方に向かって漸次断面形状が縮小されていくことから、図２〜図３に示すように分岐合流部の断面形状に対応して各ルーフシールドトンネル６の相互間隔も前方にいくほど狭めて、シールドルーフ先受工３の全体形状を全体として先細り形状としている。

なお、各ルーフシールドトンネル６の施工に際してはルーフシールド機５を１台ないし数台程度用意し、それをランプシールドトンネル２から順次発進させていき、分岐合流部の先端部に達したらスキンプレートおよびカッター装置等の外殻装置を残置して内部装置のみを回収し、回収した内部装置をランプシールドトンネル２内において新たな外殻装置に組み込むことで新たなルーフシールド機５を組み立て、それを再び発進させれば良い。
勿論、可能であれば全てのルーフシールドトンネル６をそれぞれ独立のルーフシールド機５により同時に施工することでも良いし、あるいは、分岐合流部の先端部に達したルーフシールド機５をそこからＵターンさせて他のルーフシールドトンネル６を逆方向に連続的に施工することも考えられる。
また、ランプシールドトンネル２の側壁部からルーフシールド機５を発進させるための手法としては、在来のシールドトンネルの側壁部からのシールド機の発進手法、および在来のシールドトンネルどうしのＴ字接合技術をそのまま採用可能である。

上記のようなシールドルーフ先受工３の施工と並行して本線シールドトンネル１を掘進し、本線シールドトンネル１をシールドルーフ先受工３の内側を通過させる。また、図５に示すようにルーフシールドトンネル６内に設置した凍結管（改良手段）７により周囲地山を凍結（改良）することにより、図６および図７に示すように隣接するルーフシールドトンネル６どうしを連結し、かつシールドルーフ先受工３の内外の全体を覆うような凍結ゾーン（改良ゾーン）８を形成する。

上記の凍結ゾーン８を形成した後、ルーフシールドトンネル６内からの作業によりその周囲の凍結ゾーン８を補強しかつルーフシールドトンネル６に対して一体化するための補強定着工程を実施する。
この種の補強定着工程としては、図７に参考例を示すように、各ルーフシールドトンネル６内から凍結ゾーン８に対して補強定着手段２０を打ち込む等して設置することが考えられる。その補強定着手段２０は、後段の掘削の際に凍結ゾーン８がルーフシールドトンネル６から剥離してしまうことを防止し、かつ凍結ゾーン８自体を補強してクリープの発生を低減するためのものであって、その補強定着手段２０としては厚鋼板あるいは適宜の補剛材を有する鋼板や鋼棒を用いることが一般的であり、その補強定着手段２０を設置した後、ルーフシールドトンネル６内全体を充填材により埋め戻すことが考えられる。

但し、本発明では、補強定着手段２０としては、凍結ゾーン８に対してプレストレスを与えることによって、ルーフシールドトンネル６からの剥離防止と、３軸圧縮応力状態によるクリープの低減を図る。すなわち、図８（ａ）に示すように、補強定着手段２０として基端に支圧板２１を備えたＰＣ鋼棒２２を使用してそれを凍結ゾーン８に打込んだ後、（ｂ）に示すようにルーフシールドトンネル６内全体を充填材２３により埋め戻す。そして、凍結ゾーン８の内側を掘削した後にＰＣ鋼棒２２の先端部に支圧板２４を取り付け、ＰＣ鋼棒２２に緊張力を与えた状態で掘削面を支圧板２４により支持すれば良い。その際、ＰＣ鋼棒２２が待ち受けアンカーとして機能するように緊張力を設定すれば良く、必要であれば段階的に緊張力を高めていけば良い。

一方、本線シールドトンネル１がシールドルーフ先受工３の内側を通過した後には、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにルーフシールドトンネル６の両端部からその内側地山にボーリングを行って凍結管（改良手段）９を挿入し、シールドルーフ先受工３の両端部にも凍結ゾーン（改良ゾーン）１０（図２参照）を形成する。

以上により、分岐合流部の施工予定位置は、その周囲がシールドルーフ先受工３とそれに一体に形成された凍結ゾーン８により周囲が取り囲まれ、施工予定位置の前後も凍結ゾーン１０により閉塞されてしまい、外側の地山とは完全に隔絶される。そこで、上述したようにその内側を掘削して分岐合流部となる地中空洞を施工する。すなわち、たとえば前述したような拡幅工法によって本線シールドトンネル１を側方に拡幅し、その拡幅部に対してランプシールドトンネル２の先端部を接合するとともに、分岐合流部の覆工壁４を施工する。

本実施形態の工法によれば、分岐合流部の施工予定位置の周囲にシールドルーフ先受工３を構築するとともにそれに一体化させた凍結ゾーン８を形成し，かつその前後にも凍結ゾーン１０を形成し、その内側において本線シールドトンネル１を拡幅することで分岐合流部を施工するので、分岐合流部の施工に際して地山に対する充分な支保性能と止水性能を確保でき、地表あるいは地中の既存構造物に対する万全な沈下防止と、万全な地下水保全を図ることができる。

特に、シールドルーフ先受工３を複数のルーフシールドトンネル６を密に配列することで構築するので、それを充分に高剛性とできるばかりでなく、分岐合流部の形状に対応する最適な断面形状のシールドルーフ先受工３を自由にかつ高精度で施工することができる。また、本実施形態ではルーフシールドトンネル６をアーチ状に配列し、各ルーフシールドトンネル６に一体に凍結ゾーン８を形成してルーフシールドトンネル６どうしを凍結ゾーン８により一体に連結し、かつシールドルーフ先受工３の内外を凍結ゾーン８により覆う構造としているので、シールドルーフ先受工３と凍結ゾーン８の全体とが特に高剛性で極めて安定な筒型の地中構造物として機能し、したがって特に優れた支保効果が得られる。

しかも、掘削に先立って各ルーフシールドトンネル６内から補強定着手段２０を凍結ゾーン８に設置するので、凍結ゾーン８の耐力を増強できてクリープを有効に低減でき、かつ凍結ゾーン８をルーフシールドトンネル６に対して確実強固に一体化させ得て凍着切れを防止でき、その結果、シールドルーフ先受工３全体と凍結ゾーン８全体とによる万全の支保効果が得られる。特に、補強定着手段２０としてＰＣ鋼棒２２を用いて凍結ゾーン８にプレストレスを与えることにより、掘削面に対して垂直方向に圧縮応力が導入されるため凍結ゾーン８は３軸圧縮状態となって安全率が大きくなり、クリープも確実に低減させることができるので、耐力は向上する。

なお、トンネル完成後には凍結ゾーン８はいずれは消失してしまうが、ルーフシールドトンネル６からなる高剛性のシールドルーフ先受工３は当然にそのまま残置されるものであるので、場合によっては分岐合流部における本設の覆工体としての機能の一部をこれに負担させることも考えられる。その際、凍結ゾーン８に代えて薬液注入による改良ゾーンを形成した場合には、その改良ゾーンもそのまま残るので本設の覆工体としての機能を期待することができる。

また、本実施形態のようにランプシールドトンネル２を本線シールドトンネル１に先行させることにより、そのランプシールドトンネル２が分岐合流部の施工予定位置に達した時点でシールドルーフ先受工３の施工に早期着手できるとともに、それとの並行作業により本線シールドトンネル１の掘進が可能であるので、最も効率的な施工が可能であり、全体工期の短縮を充分に図ることができる。さらに、本実施形態のトンネル工法は、基本的にはいずれも多くの実績のある在来のシールド工法や凍結工法、掘削工法を有機的に組み合わせるものであるから、安全性や信頼性に優れるばかりでなく、比較的低コストでの施工が可能であり、特に都市圏における大深度・大断面の道路トンネルを施工する際に適用して最適な工法であるといえる。

以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例に過ぎず、本発明の地中空洞の施工方法は上記実施形態に限定されるものでは勿論ない。
たとえば上記実施形態は都市圏における大深度・大断面の道路トンネルへの適用例であるが、本発明は様々な規模、用途、形態の地中空洞（トンネルを含む）を施工する場合全般に広く適用できるものであるし、施工対象の地中空洞の規模や形態に応じて、また周辺環境等の諸条件を考慮して様々な設計的変更が可能である。
すなわち、ルーフシールドトンネル６の本数やそれによるシールドルーフ先受工３全体の規模や形態は、所望の先受効果を確保できる範囲で適宜変更して良いし、シールドルーフ先受工３に一体に形成する凍結ゾーン８，１０の範囲、覆工壁４の形態やその施工方法、その他の各工程の細部についても、本発明の要旨を逸脱しない範囲で最適設計すれば良く、必要に応じて適宜の補助工法を採用しても勿論良い。

また、上記実施形態では、ルーフシールドトンネル６に一体に形成する改良ゾーンや、シールドルーフ先受工３の端部内側に施工される改良ゾーンを、凍結工法による凍結ゾーン８，１０として形成したが、地下水圧があまりかからない場合等では、この改良ゾーンを薬液注入によって改良しても良く、この工法の選択は地盤条件等によって適宜採用されるものである。シールドルーフ先受工の端部内側に施工される改良ゾーンにしても、上記実施形態では施工予定位置の両端を閉じるように施工したが、最大拡幅区間側の端部のみ改良を施して、最小拡幅区間の端部側は、拡幅断面が小さいことからルーフシールドトンネル間に形成する改良ゾーンのみでその端部改良が兼用できれば、別途に端部改良を施さなくても良い。

さらに、上記実施形態では、ランプシールドトンネル２からルーフシールド機５を発進するようにしたが、それに代えてルーフシールド機５を本線シールドトンネル１から発進させるようにしても良い。この場合は、本線シールドトンネル１が分岐合流部の拡幅区間付近に達したら、その後方において本線シールドトンネル１の側壁部からルーフシールド機５を発進させるとともに、それに並行して本線シールドトンネル１をそのまま掘進を進めれば良い。そして、シールドルーフ先受工３を構築し、ルーフシールドトンネル６の周囲やシールドルーフ先受工３の端部内側に改良ゾーンを形成し、ランプシールドトンネル２のシールド機が到達してから、前述の分岐合流部を拡幅施工するようにする。勿論、工期的に早急に分岐合流部を施工する必要が生じた場合は、本線シールドトンネル１とランプシールドトンネル２の双方からルーフシールド機５を発進させるようにしても良い。

さらになお、上記実施形態はトンネル施工に際してその分岐合流部としての地中空洞を施工する場合の適用例であるが、本発明の地中空洞の施工方法はトンネルの分岐合流部の施工のみならず、たとえば大規模な地中タンクをはじめとする各種の地中構造物の施工に際して所望の形態、規模の地中空洞を施工する場合全般に広く適用できるものである。その場合、シールドルーフ先受工や改良ゾーン（凍結ゾーン）については施工するべき地中空洞の規模や形態に応じて最適に設計すれば良いことは言うまでもないが、いずれにしてもルーフシールドトンネル内からその周囲（少なくとも内側）の改良ゾーンに対しては補強定着手段の設置により改良ゾーン（凍結ゾーン）の増強とクリープの低減を図り、かつ補強定着手段としてのＰＣ鋼棒を緊張してプレストレスを与えることによりシールドルーフ先受工との確実な一体化を図る必要はある。

本発明の実施形態である地中空洞の施工方法（トンネルにおける分岐合流部を施工する場合の適用例）の概要を示す図である。同、分岐合流部の平面図である。同、分岐合流部の各部の断面図であり、（ａ）は図２におけるＡ−Ａ線視図、（ｂ）はＢ−Ｂ線視図、（ｃ）はＣ−Ｃ線視図、（ｄ）はＤ−Ｄ線視図、（ｅ）はＥ−Ｅ線視図、（ｆ）はＦ−Ｆ線視図である。同、シールドルーフ先受工を施工した状態を示す図であり、（ａ）は分岐合流部の手前側の断面図、（ｂ）は前方側の断面図である。同、凍結管を設置した状態を示す図であり、（ａ）は分岐合流部の手前側の断面図、（ｂ）は前方側の断面図である。同、凍結ゾーンを形成した状態を示す図であり、（ａ）は分岐合流部の手前側の断面図、（ｂ）は前方側の断面図である。同、補強定着手段の一般的な構成例（参考例）を示す図である。同、補強定着手段の具体例を示す図である。

符号の説明

１本線シールドトンネル
２ランプシールドトンネル
３シールドルーフ先受工
４覆工壁
５ルーフシールド機
６ルーフシールドトンネル
７凍結管（改良手段）
８凍結ゾーン（改良ゾーン）
９凍結管（改良手段）
１０凍結ゾーン（改良ゾーン）
２０補強定着手段
２１，２４支圧板
２２ＰＣ鋼棒
２３充填材

Claims

地中を掘削して地中空洞を施工するに際し、
掘削予定位置の外側に複数のルーフシールドトンネルを所定間隔で配列した状態で施工して、掘削予定位置を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、
各ルーフシールドトンネルの内側からその周囲地山を改良して改良ゾーンを形成し、
該改良ゾーンを補強しかつルーフシールドトンネルに対して一体化させるための補強定着手段として、基端に支圧板を備えたＰＣ鋼棒を各ルーフシールドトンネル内から少なくともその内側の改良ゾーンに対して設置し、
しかる後に、前記改良ゾーンの内側を掘削し、前記ＰＣ鋼棒の先端部に支圧板を取り付けて該ＰＣ鋼棒に緊張力を与えることにより、前記ルーフシールドトンネルの内側の前記改良ゾーンを支持して地中空洞を施工することを特徴とする地中空洞の施工方法。