JP4780473B2

JP4780473B2 - トンネル構築方法

Info

Publication number: JP4780473B2
Application number: JP2007173830A
Authority: JP
Inventors: 太楠本; 絢也高本; 勉木内
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: JP2009013603A

Description

本発明は、発破を用いることなく地山を掘削してトンネルを構築するトンネル構築方法に関する。

従来、山岳トンネルを構築する際には、爆薬を用いる発破掘削や、自由断面掘削機（ロードヘッダを備えた切削機）を用いる機械掘削によって地山を掘削することが多い。しかしながら、発破掘削は、大きな振動や騒音が発生するため、振動や騒音に対して制約を受ける施工環境では採用できない。また、自由断面掘削機による機械掘削においても、例えば地山等級がＢ〜Ｃの硬岩地山である場合には、掘削が困難になるという問題があった。

そして、このように、発破掘削が採用できず、且つ自由断面掘削機による掘削が困難な地山の掘削には、割岩工法が採用されている。この割岩工法においては、ドリルジャンボなどの穿孔機を用いて地山に複数の割岩孔を穿設し、例えば割岩孔内にビッカーを差し込むとともに拡径させ、地山に亀裂を発生させる（一次破砕）。これにより、掘削対象の地山の強度を低下させることができ、発破を用いることなくブレーカーや自由断面掘削機などの砕岩機で地山を掘削（二次破砕）することが可能になる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−９７４０９号公報

しかしながら、上記の割岩工法を用いて地山を掘削する（トンネル本坑を構築する）場合には、ビッカーなどで掘削対象の地山に亀裂を発生させる一次破砕と、亀裂によって強度を低下させた地山を掘削する二次破砕の二工程に分けた破砕作業を要するため、例えばトンネルを１日当たり１．０〜１．４ｍ程度しか掘削することができず、工期の長期化ひいては工費の増大を招くという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、発破掘削が採用できず、且つ自由断面掘削機による掘削が困難な地山を好適に掘削してトンネルを構築することが可能なトンネル構築方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のトンネル構築方法は、トンネル本坑を構築する地山に、前記トンネル本坑の軸線方向に延びる先進導坑を前記トンネル本坑の断面内に位置するように先行掘削し、該先進導坑の周方向に所定の間隔をあけて放射状に、且つ前記トンネル本坑の軸線方向に所定の間隔をあけて、前記先進導坑から前記トンネル本坑掘削の周壁面に向かう方向に延びる複数の放射孔を穿設するとともに、前記先進導坑が開口する切羽面から前記トンネル本坑の軸線方向に延びる複数の砕岩孔を穿設し、前記放射孔と前記砕岩孔を穿設した前記地山を前記切羽面から砕岩機で掘削してゆくことを特徴とする。

この発明においては、先行掘削した先進導坑内からトンネル本坑掘削の周壁面に向けて延びる複数の放射孔と、切羽面からトンネル本坑の軸線方向に延びる複数の砕岩孔を穿設することによって、従来の地山に亀裂を生じさせる割岩作業を要することなく、掘削対象の地山の強度を低下させることができ、油圧ブレーカーなどの砕岩機で確実に地山を掘削することが可能になる。

また、本発明のトンネル構築方法においては、前記放射孔を、前記先進導坑から前記トンネル本坑掘削の周壁面に向かうに従い漸次前記トンネル本坑の軸線方向前方あるいは後方に向かうように斜設することが望ましい。

この発明においては、例えば地山等級がＢ〜Ｃの安定性の高い地山の場合には、先進導坑からトンネル本坑掘削の周壁面に向かうに従い漸次トンネル本坑の掘削方向側（トンネル本坑の軸線方向前方）に向かうように放射孔を穿設する。また、例えば地山等級がＤの割れやすく安定性の低い地山の場合には、先進導坑からトンネル本坑掘削の周壁面に向かうに従い漸次切羽面側（トンネル本坑の軸線方向後方）に向かうように放射孔を穿設する。そして、砕岩機で掘削する際に、放射孔の斜設方向に沿って切羽面を形成できるため、地山の安定性に応じて（地山等級に応じて）、切羽面を確実に自立し崩落することのない角度で容易に形成でき、掘削時の安全性を確保することが可能になるとともに、掘削効率を高めることが可能になる。

本発明のトンネル構築方法によれば、放射孔と砕岩孔を地山に穿設することによって、従来のビッカーなどで地山に亀裂を生じさせる割岩作業を不要にでき、発破掘削が採用できず、且つ自由断面掘削機による掘削が困難な地山を、確実に砕岩機で掘削することが可能になる。これにより、工期短縮及び工費削減を図ることが可能になる。

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係るトンネル構築方法について説明する。本実施形態は、発破掘削が採用できず、且つ自由断面掘削機による掘削が困難な地山を効率的に掘削してトンネルを構築することが可能なトンネル構築方法に関するものである。なお、本実施形態では、地山等級がＣの地山にトンネルを構築するものとして説明を行う。

本実施形態のトンネル構築方法においては、はじめに、図１、図３及び図４に示すように、図示せぬ先進導坑掘削機を用いて、トンネル本坑（トンネル）１を構築する地山Ｇに、トンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に延びる先進導坑２を先行掘削する。このとき、先進導坑２は、トンネル本坑１よりも小径で、且つドリルジャンボなどの穿孔機３が内部で作業できる程度の大きさで形成され、トンネル本坑１の断面内に位置するように形成される。また、本実施形態では、一つの先進導坑２を、トンネル本坑１の断面内の幅方向中央、且つ高さ方向下方側に形成している。

ここで、先進導坑掘削機には、周辺環境への掘削影響が小さく、平均掘削進行が例えば４００ｍ／月以上の高速施工が可能なトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）を適用することが好ましい。また、先進導坑２の施工時に、地山Ｇの岩盤性状の把握や地山等級の判定を行い、これらの情報と先進導坑２の掘削に要する掘削エネルギーとから、後述の放射孔４や砕岩孔５の配置が計画される。

ついで、先進導坑２を施工が完了した段階で、図１に示すように、先進導坑２内にドリルジャンボなどの穿孔機３を設置し、この穿孔機３を用いて先進導坑２の壁面２ａからトンネル本坑１の外周１ａ（踏前１ｂを含む：トンネル本坑掘削の周壁面Ｓ）に向かう方向に延びる放射孔４の穿孔を開始する。そして、図３に示すように、先進導坑２の周方向に所定の間隔Ｔ１をあけて放射状に複数の放射孔４を穿設し、且つ、図１に示すように、トンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に所定の間隔Ｔ２をあけて複数の放射孔４を穿設してゆく。

なお、本実施形態において、放射孔４は、５１〜１０２ｍｍ程度の孔径で形成される。また、先進導坑２の周方向に隣り合う放射孔４の間隔Ｔ１（トンネル本坑掘削の周壁面Ｓにおける間隔）は、０．３〜０．６ｍ程度、トンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に隣り合う放射孔４の間隔Ｔ２は、０．２５〜０．５ｍ程度とされ、これらの間隔（放射孔の配置）Ｔ１、Ｔ２は、地山等級、岩種などに応じて適宜決められる。そして、このように複数の放射孔４を穿設する際には、例えば、１ブーム仕様のドリルジャンボ（穿孔機３）を２セット以上用い、図３に示すトンネル本坑１の中心線Ｏ２を挟んで左右に区分した放射孔４を左右片側ずつ同時施工することが、効率的な施工を行う上で好ましい。

さらに、本実施形態においては、図１に示すように、地山等級がＣの安定性の高い地山Ｇであることに基づいて、各放射孔４を、先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａ（トンネル本坑掘削の周壁面Ｓ）に向かうに従い漸次トンネル本坑１の掘削方向Ｍ側（トンネル本坑１の軸線Ｏ１方向前方）に向かうように周壁面Ｓの直近まで穿設し、例えば、トンネル本坑１の軸線Ｏ１に沿う断面視（図１）で、トンネル本坑１の軸線Ｏ１に直交する鉛直面と放射孔４の交角（穿孔角度θ１）が、日本道路公団の基準による地山等級ＣＩで１０度程度、地山等級ＣＩＩで５度程度となるように斜設する。

一方、先進導坑２から放射孔４を穿設するとともに、図１及び図４に示すように、ドリルジャンボなどの穿孔機３を用い、先進導坑２が開口する切羽面（鏡面）６からトンネル本坑１の軸線Ｏ１方向（トンネル本坑１の掘削方向Ｍ）に延びる砕岩孔５を穿設する。このとき、砕岩孔５は、予め設定した１掘進長Ｌよりも例えば１０ｃｍ程度長く穿孔する。また、砕岩孔５は、切羽面６に所定の間隔をあけて分散配置するように（蜂の巣状に）穿設され、切羽面６の外周（トンネル本坑１の外周１ａ）においては、内側に穿設される砕岩孔５よりも密に配置される。

なお、本実施形態において、砕岩孔５は、５１〜１２５ｍｍ程度の孔径で形成されるが、放射孔４との関係では砕岩孔５の方が穿孔長が短くなると考えられるので、砕岩孔５の孔径は放射孔４の孔径よりも大きい。また、複数の砕岩孔５は、切羽面６の内側で６．２５〜２．７８孔／ｍ^２程度となるように配置され、外周１ａにおいては、この外周１ａに沿って隣り合う砕岩孔５の間隔が０．２〜０．３ｍ程度となるように配置される。さらに、１掘進長Ｌは、地山等級ＣＩで２．０ｍ程度、地山等級ＣＩＩで１．５ｍ程度に設定される。

そして、放射孔４及び砕岩孔５の配置は、前述のように、先進導坑２の施工時に、地山Ｇの岩盤性状の把握や地山等級の判定を行い、これらの情報と先進導坑２の掘削に要する掘削エネルギーとから計画されているが、放射孔４や砕岩孔５の穿設時に得られる地山Ｇの岩盤性状などの情報を基に、配置計画の照査を行い、必要に応じて修正を行う。

上記のように放射孔４及び１掘進長分Ｌの砕岩孔５を穿設した段階で、図２に示すように、例えば４ｔｏｎクラスの大型ブレーカーなどの砕岩機７を用いて、掘削対象の１掘進長分Ｌの地山Ｇを切羽面６から砕岩掘削してゆく。具体的に、本実施形態においては、トンネル本坑１の軸線Ｏ１方向の放射孔４の間隔Ｔ２（０．２５〜０．５ｍ）分を砕岩掘削単位として掘削し、先進導坑２の周辺から放射状に自由面を拡大するように掘削してゆく。このように砕岩掘削をトンネル本坑１の軸線Ｏ１方向の放射孔４の間隔Ｔ２毎（砕岩掘削単位毎）に繰り返して行って１掘進長分Ｌの地山Ｇを掘削する。そして、本実施形態では、１掘進長分Ｌの地山Ｇを掘削する際、複数の放射孔４と複数の砕岩孔５が穿設されて掘削対象の地山Ｇの強度が低下しているため、砕岩機７による地山Ｇの掘削が困難になることがなく、確実に且つ比較的容易に地山Ｇの掘削が行われる。また、このとき、本実施形態では、切羽面６の外周１ａに配置した砕岩孔５が密に配置されているため、トンネル本坑１を所定断面で精度よく掘削形成できる。

一方、本実施形態においては、先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａに向かうに従い漸次トンネル本坑１の掘削方向Ｍ側に向かうように（穿孔角度θ１となるように）、放射孔４が斜設されているため、砕岩掘削単位毎に地山Ｇを掘削する際に、切羽面６が、放射孔４の斜設方向に沿って形成される。そして、このように切羽面６を形成しながら地山Ｇを掘削する場合には、地山Ｇが先進導坑２側よりも外周１ａ側が切り込まれるため、切羽面６が崩落しやすい側に傾斜することになる。すなわち、本実施形態においては、地山Ｇの安定性が高いため、放射孔４を先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａに向かうに従い漸次トンネル本坑１の掘削方向Ｍ側に向かうように斜設しても、切羽面６が崩落することがなく、掘削時の安全性を確保しつつ効率よく掘削が行われることになる。

そして、放射孔４の穿設、砕岩孔５の穿設、砕岩機７による砕岩掘削を繰り返し連続的に行い、順次ズリを搬出することで、トンネル本坑１の掘削作業が完了する。また、掘削作業に併行してトンネル本坑１の掘削面１ｃ（周壁面Ｓ）にコンクリートの吹き付け（吹付けコンクリート工）、ロックボルトの打設（ロックボルト工）を順次施して、トンネル本坑１が構築される。

ここで、掘削断面積が約８０ｍ^２、総延長２０００ｍのトンネル（トンネル本坑１）を構築する場合、ビッカーを用いて地山Ｇに亀裂を発生させる従来の割岩工法では、６３月の工期を要するのに対し、本実施形態のトンネル構築方法を適用した場合には、約３３月の工期でトンネル１が構築される。よって、本実施形態のトンネル構築方法によれば、工期が短縮し、ひいては工費の削減が図られることになる。

したがって、本実施形態のトンネル構築方法においては、先行掘削した先進導坑２内からトンネル本坑１の外周１ａに向けて延びる複数の放射孔４と、切羽面６からトンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に延びる複数の砕岩孔５を穿設することによって、従来のように亀裂を生じさせることなく、掘削対象の地山Ｇの強度を低下させることができ、砕岩機７で確実に地山Ｇを掘削することが可能になる。

また、砕岩機７で掘削する際に、放射孔４の斜設方向に沿って切羽面６を形成できるため、地山等級がＣの安定性の高い地山Ｇに対し、先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａに向かうに従い漸次トンネル本坑１の掘削方向Ｍ側（トンネルの軸線Ｏ１方向前方）に向かうように放射孔４を穿設することによって、掘削効率を高めることが可能になる。

よって、本実施形態のトンネル構築方法によれば、発破掘削が採用できず、且つ自由断面掘削機による掘削が困難な地山Ｇを、放射孔４と砕岩孔５を穿設することによって砕岩機７で掘削できるようになり、従来のビッカーなどで地山に亀裂を生じさせる割岩作業を必要としないため、工期短縮及び工費削減を図ることが可能になる。

以上、本発明に係るトンネル構築方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、地山等級がＣの安定性の高い地山Ｇにトンネル（トンネル本坑１）を構築するものとし、これに基づいて、放射孔４を、先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａ（トンネル本坑掘削の周壁面Ｓ）に向かうに従い漸次トンネル本坑１の掘削方向Ｍ側に向かうように斜設するものとしたが、放射孔４は、トンネル本坑１の軸線Ｏ１に直交するように穿設してもよい。

また、例えば、地山等級がＤの割れやすく安定性の低い地山Ｇの場合には、本実施形態とは逆に、先進導坑２からトンネル本坑１の外周１ａに向かうに従い漸次切羽面６側（トンネルの軸線Ｏ１方向後方）に向かうように（図１に示す穿孔角度θ２となるように）、放射孔４を穿設することが好ましい。そして、この場合には、砕岩掘削単位毎に地山Ｇを掘削する際に、切羽面６が、放射孔４の斜設方向に沿って形成され、崩落しにくい側に傾斜することになる。よって、本発明においては、砕岩機７で掘削する際に、放射孔４の斜設方向に沿って切羽面６を形成できるため、地山Ｇの安定性に応じて（地山等級に応じて）放射孔４の穿孔角度θ１、θ２を適宜変えることで、切羽面６を確実に自立し崩落することのない角度で容易に形成でき、掘削時の安全性を確保することが可能になるとともに、掘削効率を高めることが可能になる。

また、本実施形態では、一つの先進導坑２を先行掘削し、この一つの先進導坑２の周方向に所定の間隔Ｔ１をあけて放射状に、且つトンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に所定の間隔Ｔ２をあけて、放射孔４を穿設するものとしたが、例えば図５に示すように、複数の先進導坑２を先行掘削し、これらの先進導坑２のそれぞれに対し、周方向に所定の間隔をあけて放射状に、且つトンネル本坑１の軸線Ｏ１方向に所定の間隔をあけて放射孔４を穿設するようにしてもよい。ちなみに、この場合、例えば図６に示すように砕岩孔５が配置される。そして、図５及び図６に示すように、２つの先進導坑２を先行掘削して、掘削断面積が約８０ｍ^２、総延長２０００ｍのトンネル（トンネル本坑１）を構築する場合には、本実施形態のトンネル構築方法で要する工期（約３３月）を、さらに約７％短縮することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るトンネル構築方法において、放射孔及び砕岩孔を穿設している状態を示す図である。本発明の一実施形態に係るトンネル構築方法において、砕岩機で地山を掘削している状態を示す図である。図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。図１のＸ２−Ｘ２線矢視図である。２つの先進導坑からトンネル本坑の外周に向けて延びる放射孔の配置例を示す図である。２つの先進導坑が開口する切羽面からトンネル本坑の軸線方向に延びる砕岩孔の配置例を示す図である。

符号の説明

１トンネル本坑（トンネル）
１ａ外周
２先進導坑
３穿孔機
４放射孔
５砕岩孔
６切羽面（鏡面）
７砕岩機
Ｇ地山
Ｌ１掘進長
Ｍ掘削方向
Ｏ１軸線
Ｏ２中心線
Ｓ周壁面（外周）
Ｔ１放射孔の間隔
Ｔ２放射孔の間隔
θ１穿孔角度
θ２穿孔角度

Claims

トンネル本坑を構築する地山に、前記トンネル本坑の軸線方向に延びる先進導坑を前記トンネル本坑の断面内に位置するように先行掘削し、
該先進導坑の周方向に所定の間隔をあけて放射状に、且つ前記トンネル本坑の軸線方向に所定の間隔をあけて、前記先進導坑から前記トンネル本坑掘削の周壁面に向かう方向に延びる複数の放射孔を穿設するとともに、前記先進導坑が開口する切羽面から前記トンネル本坑の軸線方向に延びる複数の砕岩孔を穿設し、
前記放射孔と前記砕岩孔を穿設した前記地山を前記切羽面から砕岩機で掘削してゆくことを特徴とするトンネル構築方法。
請求項１記載のトンネル構築方法において、
前記放射孔を、前記先進導坑から前記トンネル本坑掘削の周壁面に向かうに従い漸次前記トンネル本坑の軸線方向前方あるいは後方に向かうように斜設することを特徴とするトンネル構築方法。