JP4803428B2

JP4803428B2 - トンネル工法

Info

Publication number: JP4803428B2
Application number: JP2006037918A
Authority: JP
Inventors: 幸男矢部; 幸一浜口
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: JP2007217910A

Description

本発明は地中に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工法に関する。

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の発明のトンネル工法は、シールド工法により施工する本線シールドトンネルとランプシールドトンネルどうしの分岐合流部を施工するに際し、本線シールドトンネルよりもランプシールドトンネルを先行掘進し、ランプシールドトンネルが分岐合流部の施工予定位置に少なくとも達するまで掘進して停止し、その先端部付近からルーフシールド機を発進させることにより、分岐合流部の延長方向に沿う多数のルーフシールドトンネルを分岐合流部の外側にその輪郭に沿って密に配列した状態で施工することにより、分岐合流部を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲地山を凍結して凍結ゾーンを形成した後、前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲の凍結ゾーンを掘削し、隣接するルーフシールドトンネルとの間に覆工コンクリートを打設形成して前記ルーフシールドトンネルどうしを連結することによって、分岐合流部の施工予定位置の上部にコンクリート造の先行覆工壁を施工し、前記ルーフシールドトンネルの施工と並行して本線シールドトンネルを掘進してシールドルーフ先受工の内側を通過させた後、ルーフシールドトンネルの両端部からその内側地山に凍結管を挿入してシールドルーフ先受工の両端部内側に凍結ゾーンを形成し、しかる後に、前記凍結ゾーンの内側において本線シールドトンネルを拡幅してその拡幅部にランプシールドトンネルの先端部を接合するとともに、拡幅部の底部に前記先行覆工壁に連なる後行覆工壁を施工して分岐合流部における覆工壁を完成させることを特徴とする。
請求項２の発明のトンネル工法は、シールド工法により施工する本線シールドトンネルとランプシールドトンネルどうしの分岐合流部を施工するに際し、本線シールドトンネルよりもランプシールドトンネルを先行掘進し、ランプシールドトンネルが分岐合流部の施工予定位置に少なくとも達するまで掘進して停止し、その先端部付近からルーフシールド機を発進させることにより、分岐合流部の延長方向に沿う多数のルーフシールドトンネルを分岐合流部の外側にその輪郭に沿って密に配列した状態で施工することにより、分岐合流部を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、前記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た後、前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲の改良ゾーンを掘削し、隣接するルーフシールドトンネルとの間に覆工コンクリートを打設形成して前記ルーフシールドトンネルどうしを連結することによって、分岐合流部の施工予定位置の上部にコンクリート造の先行覆工壁を施工し、前記ルーフシールドトンネルの施工と並行して本線シールドトンネルを掘進してシールドルーフ先受工の内側を通過させた後、ルーフシールドトンネルの端部からその内側地山を改良してシールドルーフ先受工の端部内側に改良ゾーンを形成し、しかる後に、前記改良ゾーンの内側において本線シールドトンネルを拡幅してその拡幅部にランプシールドトンネルの先端部を接合するとともに、拡幅部の底部に前記先行覆工壁に連なる後行覆工壁を施工して分岐合流部における覆工壁を完成させることを特徴とする。

請求項１および請求項２の発明のトンネル工法によれば、トンネルの分岐合流部の施工に際して、その分岐合流部の予定位置を取り囲むようにシールドルーフ先受工および凍結ゾーンまたは改良ゾーンを形成するとともに少なくともその上部に先行覆工壁を形成し、さらにシールドルーフ先受工の両端部に凍結ゾーンを形成するかまたは少なくとも一端部に改良ゾーンを形成して、それらの全体により分岐合流部の周囲を取り囲むので、その内側においてシールドトンネルを拡幅して分岐合流部を施工する際には万全の支保性能や止水性能を確保でき、分岐合流部を安全かつ効率的に施工することが可能である。

また、請求項１および請求項２の発明のトンネル工法によれば、ランプシールドトンネルを本線シールドトンネルに先行させ、ランプシールドトンネルが分岐合流部の施工予定位置に達した時点でそこからシールドルーフ先受工の施工に着手することにより、それとの並行作業により本線シールドトンネルの掘進を行うことができて最も効率的な施工が可能であるし、また分岐合流部の掘削に先立ってその上部に先行覆工壁を先行施工して掘削後にはその底部に後行覆工壁のみを施工すれば良いので、拡幅部の上部全体工期の短縮と工費軽減を図ることができ、都市圏における大深度・大断面トンネルの施工に適用して最適である。

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９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最終的に覆工壁４を完成させることで行えば良い。
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１６ｍ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が、本実施形態ではその覆工壁４の上半部を先行覆工壁４Ａとして内部掘削に先だって先行施工し、覆工壁４の底部を後行覆工壁４Ｂとして掘削後に後行施工することとしている。

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（図示せず）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１７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充分に密に配列している。

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４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５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を掘削して、隣接するルーフシールドトンネルどうしを連結する一連の覆工コンクリートを打設形成することにより、図６〜図７に示すように分岐合流部の施工予定位置の上部にコンクリート造の先行覆工壁４Ａを施工する。
その施工は、各ルーフシールドトンネル６のセグメントの一部を解体撤去し、隣接しているルーフシールドトンネル６間の凍結ゾーン８をたとえばワイヤーソーにより所定厚さ分だけ切断撤去してコンクリートを打設充填するための空隙を確保し、そこに覆工コンクリートを打設充填すれば良い。
その際、図７に示しているように、必要に応じてルーフシールドトンネル６内に適宜の補剛材２０を設置してセグメントの解体撤去に伴う変形を拘束すれば良い。また、空隙へのコンクリートの打設に際しては、その内側に断熱材２１および型枠２２を設置し、外側には断熱材２１および防水シート２３を設置すると良い。勿論、その先行覆工壁４Ａには所望の配筋を行い、必要であれば先行覆工壁４Ａを鋼繊維補強コンクリート（ＳＦＲＣ）造とすることも考えられる。図７（ｂ）に示すように先行覆工壁４Ａを形成した後には、その外側のルーフシールドトンネル６内を充填材２４により埋め戻す。

一方、上記の凍結ゾーン８の形成や先行覆工壁４Ａの施工と相前後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がシールドルーフ先受工３の内側を通過した後には、図８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。しかも、施工予定位置の上部には先行覆工壁４Ａが先行施工されて万全の支保がなされているから、この段階で上述したようにその内側、すなわち先行覆工壁４Ａの下方の地山を掘削して分岐合流部となる地中空洞を施工する。つまり、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、図９に示すように分岐合流部の底部に後行覆工壁４Ｂを形成して先行覆工壁４Ａと一体化せしめることにより、覆工壁４を全周にわたって完成させる。

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の全体とが高剛性の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、ルーフシールドトンネル６間の凍結ゾーン８の厚さの範囲内にさらにコンクリート造の先行覆工壁４Ａを先行施工するので、凍結ゾーン８の信頼性が充分に確保できないような場合であってもその先行覆工壁４Ａによる万全の支保効果が得られる。

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によ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壁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壁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、本発明のトンネル工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、本発明のトンネル工法は分岐合流部を有するものであれば様々な規模、用途、形態のトンネルを施工する場合全般に広く適用できるものであるし、施工対象のトンネルにおける分岐合流部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、先行覆工壁４Ａ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。

なお、上記実施形態のようにランプシールドトンネル２からルーフシールド機を発進することを基本とするが、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を発進させるようにしても良い。

また、上記実施形態では先行覆工壁を上半部にのみ設けるものとしたが、先行覆工壁は上半部のみならず全周にわたって形成することでも勿論良く、その場合は上記実施形態における後行覆工壁４Ｂも先行覆工壁４Ａと同時に各ルーフシールドトンネル６内からの作業によって改良ゾーン８の範囲内に形成すれば良い。また、上記実施形態では先行覆工壁を本設として設けたが、あるいは先行覆工壁を仮設として設けてその内側にさらに本設の覆工壁を設けることも考えられる。

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、本発明はトンネルの分岐合流部の施工のみならず各種のトンネルの施工に際して所望の形態、規模のトンネルを施工する場合全般に広く適用できるものであるし、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）、先行覆工壁については施工するべきトンネルの規模や形態、地山状況、その他の状況に応じて最適に設計すれば良いことは言うまでもない。

本発明の実施形態であるトンネル工法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、先行覆工壁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、先行覆工壁の具体例を示す図である。同、シールドルーフ先受工の端部に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、分岐合流部の完成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。

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
４Ａ先行覆工壁
４Ｂ後行覆工壁
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補剛材
２１断熱材
２２型枠
２３防水シート
２４充填材

Claims

シールド工法により施工する本線シールドトンネルとランプシールドトンネルどうしの分岐合流部を施工するに際し、
本線シールドトンネルよりもランプシールドトンネルを先行掘進し、ランプシールドトンネルが分岐合流部の施工予定位置に少なくとも達するまで掘進して停止し、その先端部付近からルーフシールド機を発進させることにより、分岐合流部の延長方向に沿う多数のルーフシールドトンネルを分岐合流部の外側にその輪郭に沿って密に配列した状態で施工することにより、分岐合流部を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、
前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲地山を凍結して凍結ゾーンを形成した後、
前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲の凍結ゾーンを掘削し、隣接するルーフシールドトンネルとの間に覆工コンクリートを打設形成して前記ルーフシールドトンネルどうしを連結することによって、分岐合流部の施工予定位置の上部にコンクリート造の先行覆工壁を施工し、
前記ルーフシールドトンネルの施工と並行して本線シールドトンネルを掘進してシールドルーフ先受工の内側を通過させた後、
ルーフシールドトンネルの両端部からその内側地山に凍結管を挿入してシールドルーフ先受工の両端部内側に凍結ゾーンを形成し、
しかる後に、前記凍結ゾーンの内側において本線シールドトンネルを拡幅してその拡幅部にランプシールドトンネルの先端部を接合するとともに、拡幅部の底部に前記先行覆工壁に連なる後行覆工壁を施工して分岐合流部における覆工壁を完成させることを特徴とするトンネル工法。
シールド工法により施工する本線シールドトンネルとランプシールドトンネルどうしの分岐合流部を施工するに際し、
本線シールドトンネルよりもランプシールドトンネルを先行掘進し、ランプシールドトンネルが分岐合流部の施工予定位置に少なくとも達するまで掘進して停止し、その先端部付近からルーフシールド機を発進させることにより、分岐合流部の延長方向に沿う多数のルーフシールドトンネルを分岐合流部の外側にその輪郭に沿って密に配列した状態で施工することにより、分岐合流部を取り囲むシールドルーフ先受工を構築し、
前記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た後、
前記ルーフシールドトンネルの内側からその周囲の改良ゾーンを掘削し、隣接するルーフシールドトンネルとの間に覆工コンクリートを打設形成して前記ルーフシールドトンネルどうしを連結することによって、分岐合流部の施工予定位置の上部にコンクリート造の先行覆工壁を施工し、
前記ルーフシールドトンネルの施工と並行して本線シールドトンネルを掘進してシールドルーフ先受工の内側を通過させた後、
ルーフシールドトンネルの端部からその内側地山を改良してシールドルーフ先受工の端部内側に改良ゾーンを形成し、
しかる後に、前記改良ゾーンの内側において本線シールドトンネルを拡幅してその拡幅部にランプシールドトンネルの先端部を接合するとともに、拡幅部の底部に前記先行覆工壁に連なる後行覆工壁を施工して分岐合流部における覆工壁を完成させることを特徴とするトンネル工法。