JP4958040B2 - トンネル構造およびトンネル工法 - Google Patents

Description

本発明は、横方向に間隔をおいて並べて設けた複数のトンネルの間を掘削して拡幅部を構築することを基本とするトンネルの構造およびその工法に関する。

道路トンネルにおいて本線トンネルに対して分岐合流部トンネルを分岐合流させる場合、その構築は図３に示すような工法によることが最も一般的である。
すなわち、まず図３（ａ）に示すように本線トンネルとなるシールドトンネル１と、ランプトンネルのように本線トンネルに対して分岐合流する分岐合流部トンネルとなるシールドトンネル２とを横方向に間隔をおいて設けた後、（ｂ）に示すようにそれらシールドトンネル１，２の間を掘削してその上下に上部床版３と下部床版４とを施工して分岐合流部となる拡幅部５を設けることによって、最終的には断面形状が横長の道路トンネルを構築するのである。
しかし、上記のような従来一般的な工法では、拡幅部５の施工に際して大がかりな支保工が不可欠であるばかりでなく、特に上部床版３は大きな土被り荷重を受けて過大な断面力が作用することからその所要強度および版厚は大きなものとならざるを得ず、必然的に所要鉄筋量も膨大になって太径の鉄筋を過密に配筋する必要がある。したがって、特に上部床版３の施工は多大な手間とコストを要するものとなるばかりでなく、その作業は限られた狭隘なスペースで行うことになるので効率的な施工は困難である場合が多い。

そのため、このような形態のトンネルをより合理的に構築可能な工法として、たとえば特許文献１や特許文献２に示される工法も提案されている。
特許文献１に示される工法は、２本のシールドトンネルを先行構築する際にその側面のセグメントを切削可能なものとしておいて、後段において矩形シールドによってそのセグメントを切削しながら２本のシールドトンネル間を掘削して拡幅するというものである。
特許文献２に示される工法は、２本のシールドトンネルを構築することに代えて、１本のシールドトンネルの側方に地中壁を設け、それらシールドトンネルと地中壁との間を拡幅することによってほぼ同様の形態のトンネルを構築するものである。この工法においては、シールドトンネルの覆工を鋼製セグメントによるものとして、拡幅部の上下に設ける鉄筋コンクリート造の床版をその鋼製セグメントに対して接合することにより、それらを構造的に確実に一体化させ得るとともに施工性を改善できるという利点もある。
特開２００３−１４８０８６号公報 特開２００６−９７３１６号公報

特許文献１や特許文献２に示される工法では、図３に示したようにシールドトンネル間を単に拡幅する場合に比較すれば施工の合理化を図ることができると考えられるが、いずれにしても上部床版の施工については在来工法による場合と同様の問題を残しているし、前者は特殊な矩形シールドを使用する極めて特殊な工法であり、後者は大規模な地中壁を構築するものであるから開削工法の場合と同様に地表部での用地確保とそこでの作業が必要であり、いずれも広く一般に採用できるものではない。

上記事情に鑑み、本発明は上記のような形態のトンネルを合理的に施工し得る有効適切なトンネル構造とトンネル工法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、複数のトンネルが横方向に間隔をおいて並べられて設けられ、それらトンネルの間が掘削されてその上下に上部床版および下部床版が設けられることによって拡幅部が構築されてなるトンネル構造であって、前記上部床版は上方に湾曲するアーチ形状に形成されているとともに、該上部床版は少なくともその一部が、鋼殻としての鋼板と、該鋼板を型枠として充填されたコンクリートと、前記鋼板に対して連結されかつ前記コンクリートに対して定着された鉄筋により構成された鋼殻コンクリート造とされていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明のトンネル構造において、アーチ形状に形成される上部床版の両端部間に鋼材からなる繋ぎ材が架設されてなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、複数のトンネルを横方向に間隔をおいて並べて設けて、それらトンネルの間を掘削してその上下に上部床版および下部床版を設けることによって拡幅部を構築するトンネル工法であって、前記上部床版を上方に湾曲するアーチ形状に形成するとともに、該上部床版の少なくとも一部を、鋼殻としての鋼板と、該鋼板を型枠として充填したコンクリートと、前記鋼板に対して連結しかつ前記コンクリートに対して定着した鉄筋により構成する鋼殻コンクリート造とすることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明のトンネル工法において、アーチ形状に形成する上部床版の両端部間に鋼材からなる繋ぎ材を架設することを特徴とする。

本発明のトンネル構造によれば、拡幅部の上部に設けられる上部床版が少なくともその一部が鋼殻コンクリート造のアーチ形状とされているので、自ずと優れた強度と変形性能を確保し得てその所要版厚を削減でき、また鋼殻が鉄筋に代わる構造材として機能することから通常の単なる鉄筋コンクリート造の床版とする場合に比べて所要鉄筋量を大幅に削減することができて過密配筋を回避でき、したがってその施工の手間とコストを軽減することが可能である。
特に、アーチ形状の上部床版の両端部間に繋ぎ材を架設すれば上部床版がいわゆるタイドアーチ構造となり、上部床版の下方に撓むような変形を繋ぎ材によってより効果的に抑制することができる。

本発明のトンネル工法によれば、アーチ形状の上部床版の施工に際しては鋼殻となる鋼板を底型枠として利用することができるし、その鋼殻が鉄筋に代わる構造材として機能するので、通常の鉄筋コンクリート造の床版を施工する場合に比べて型枠工事および鉄筋工事の双方を軽減でき、施工性を大きく改善し得て工事削減と工期短縮に寄与し得る。
特に、上部床版に繋ぎ材を架設してタイドアーチ構造とすることにより、施工時においては底型枠として機能する鋼板の変形を繋ぎ材により抑制してそのための支保工を軽減でき、完成後においてはその繋ぎ材によって上部床版全体が下方に撓むように変形することを有効に抑制することができる。

本発明のトンネル構造およびトンネル工法の一実施形態を図１を参照して説明する。
本実施形態のトンネル構造およびトンネル工法においては、基本的には図３に示した在来工法と同様に、本線トンネルおよび分岐合流部トンネルとなる２本のシールドトンネル１，２を横方向に間隔をおいて先行構築した後、それらの間を掘削してその上下に上部床版と下部床版を構築して分岐合流部となる拡幅部５を設けることを基本とするものであるが、在来工法における上部床版３は鉄筋コンクリート造による平板状の床版として形成されるものであるのに対し、本実施形態においてはそれに代えて鋼殻コンクリート造によるアーチ形状の上部床版１０を形成し、かつそのようなアーチ形状の上部床版１０の両端部間に繋ぎ材（タイバー）１１を架設することを主眼としている。

本実施形態における上部床版１０の構造とその施工手法を図１を参照して詳細に説明する。
双方のシールドトンネル１，２を構築した後、それら間の上部を掘削して上部床版１０を形成するべき位置に上方に湾曲するアーチ形状の空洞１２を確保し、その空洞の下部および双方のシールドトンネル１，２内の上部に一連の鋼板１３を中央部が上方に膨出している台形状をなすように設置する。
その鋼板１３はアーチ状の上部床版１０を形成するための底型枠として機能するとともに、最終的にはそのまま上部床版１０の鋼殻となって通常の鉄筋コンクリートにおける主筋および剪断補強筋に代わる構造材として機能するものであり、したがって鋼板１３はそのような構造的な強度と性能を有するものとして材質や板厚が設計されたものである。
なお、鋼板１３としては、図示例のように平板状のものと所望の屈曲板状に加工したものを適宜組み合わせ、それらを適宜位置において継ぎ手１４を介して接合することにより全体として台形状に組み立てれば良く、その両端部を双方のシールドトンネル１，２の覆工体により支持して設置し、必要に応じて要所を適宜の支保工により支持すれば良い。

そして、上記のように組み立てた鋼板１３の両端部間には上記の繋ぎ材１１を架設する。繋ぎ材１１は施工時における底型枠としての鋼板１３の開き止めとして、また完成後においては上部床版１０全体の開き止めとして機能するものであって、それに必要な引張強度を有する適宜の鋼材たとえば鉄筋や帯鋼を所望の間隔で配置して鋼板１３に対して溶接あるいは適宜締結して架設すれば良い。

また、鋼板１３の上面側には予め鉄筋継ぎ手１５を取り付けておき、上部床版１０内に配筋するべき必要最小限の鉄筋１６の基端部をその鉄筋継ぎ手１５に機械的に連結して配筋する。なお、それら鉄筋１６の先端部にはコンクリートに対する定着力を増強するための定着頭部１６ａを予め一体に形成しておくことが好ましい。

しかる後に、鋼板１３を底型枠としてその上部にコンクリートを打設してアーチ形状の空洞全体にコンクリートを充填し、それが硬化すれば鋼殻コンクリート造のアーチ形状の上部床版１０が形成される。なお、それと同時に、あるいは相前後して、シールドトンネル１，２内に側壁その他の躯体１７を必要に応じて上部床版１０と一体化した状態で施工すれば良い。

上記構造の上部床版１０は、アーチに対してその開き止めとして機能する繋ぎ材１１を架設したいわゆるタイドアーチ構造となっており、したがって単なる平板状に形成される場合に比べて自ずと優れた強度と変形性能を確保でき、その所要版厚を軽減できるものである。
また、鋼板１３内にコンクリートを充填した鋼殻コンクリート造としていることから、鋼殻としての鋼板１３が通常の鉄筋に代わる構造材として機能して通常の単なる鉄筋コンクリート造の床版に比べて所要鉄筋量を大幅に削減することができ、過密配筋を回避することができる。しかも、鋼板１３は施工時には底型枠として機能し、当然に型枠解体も不要であるから、鉄筋工事のみならず型枠工事も軽減できるものである。
以上のことから、上記構造の上部床版１０を上記工法で施工することにより、通常の鉄筋コンクリート造の床版を施工する場合に比べて施工性を大きく改善し得て工事削減と工期短縮に寄与し得るし、上部床版１０の版厚やその施工のための作業スペースを節約できることから、トンネル内の有効空間の拡大にも寄与し得る。

なお、下部床版も同様の構造と形態で施工すれば、つまり下部床版を上部床版と対称をなすように下方に湾曲するアーチ形状の鋼殻コンクリート造のものとして施工すれば同様の効果が得られるが、下部床版についてはそれが受ける荷重その他の諸条件を考慮して上部床版とは独立に設計して差し支えなく、場合によっては他の構造、形状で施工することでも良い。

図２は他の実施形態を示す。上記実施形態は上部床版１０全体を鋼殻コンクリート造としたが、図２に示すものは上部床版１０の一部のみを鋼殻コンクリート造として他は通常の鉄筋コンクリート造としたもの、換言すれば鋼殻コンクリート造と鉄筋コンクリート造の混合構造としたものである。
すなわち、図２に示す上部床版１０は同じくアーチ形状とされているものの、鋼殻コンクリート造とされているのはアーチ頂部を含めて本線トンネルとなるシールドトンネル１側のみ（図２において右半部）とされ、分岐合流部トンネルとなるシールドトンネル２側は通常の鉄筋コンクリート造とされ、したがってそこでは鋼板１３を使用せずに在来の型枠２０を使用して施工後にはそれを解体するものとしている。
また、鉄筋コンクリート造の部分では鋼板１３が省略されていることからそこでの鉄筋１６は鋼板１３に接合されることなく独立に配筋され（したがってその鉄筋１６には両端部にそれぞれ定着頭部１６ａを設けることが好ましい）、また省略された鋼板１３に代わる鉄筋２１が型枠２０の内側に配筋され、双方の境界部にはジョイント筋２２が配筋されている。ジョイント筋２２はその一端が鋼板１３の内側に溶接したプレート２３を介して鋼板１３に対して接合され、他端は鉄筋コンクリート中にそのまま定着されるようになっている。
さらに、上記実施形態と同様にアーチの開き止めとしての繋ぎ材１１が架設され、その一端は同様に鋼板１３に対して接合されているが、他端は型枠２０を貫通させてその内側に挿入して鉄筋コンクリート中にアンカーするものとしている。
このように上部床版１０の一部のみを鋼殻コンクリート造とすることでも上記実施形態と同様に鋼殻コンクリート造とすることによる効果と、タイドアーチ構造とすることによる効果は同様に得られるし、上部床版１０全体の断面力を考慮して各部に適切な構造を組み合わせて採用することにより全体として最も合理的な構造とすることが可能である。

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、本発明は上記実施形態に限らず適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態では上部床版１０に繋ぎ材１１を設けてタイドアーチ構造としたが、繋ぎ材１１を省略した単なるアーチ構造によることでも単なる鉄筋コンクリート造の平板状の床版に比べれば充分な効果が得られるので、繋ぎ材１１は必ずしも設けることはなく省略しても良い。
また、上記実施形態ではアーチ形状の上部床版を形成するための底型枠となる鋼板は台形状に組み立て、したがって上部床版の下面の形状は台形状となっているが、その鋼板も台形状ではなく上方に滑らかに湾曲するアーチ形状に組み立てることにより、下面形状も含めて上部床版全体をアーチ形状とすることでも勿論良い。
また、上記実施形態は２本のシールドトンネル１，２の間を拡幅してそこに分岐合流部としての拡幅部５を設ける場合の例であるが、本発明は３本以上の多数のトンネルの間をそれぞれ拡幅する場合にも同様に適用できることはいうまでもないし、各トンネルの構造や断面形状、規模は任意であって必ずしもシールド工法によるシールドトンネルに限るものではなく他の工法によるトンネルであっても良い。
また、本発明は道路トンネルに限らず鉄道トンネルをはじめとする各種用途のトンネルや、さらには同様の形態のトンネル状の地下構造物の施工に際しても適用できることは当然であり、上部床版の少なくとも一部をアーチ形状の鋼殻コンクリート造とするという本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、具体的な施工手順や補助工法その他細部の具体的な要件については，トンネル全体の形態や規模等を考慮して最適設計すれば良い。

本発明の一実施形態であるトンネル構造およびトンネル工法を示す図であって、アーチ形状の上部床版の施工状況を示す図である。 本発明の他の実施形態であるトンネル構造およびトンネル工法を示す図であって、アーチ形状の上部床版の施工状況を示す図である。 従来一般の拡幅部の施工手法を示す概要図である。

符号の説明

１，２ シールドトンネル（トンネル）
５ 拡幅部（分岐合流部）
１０ 上部床版
１１ 繋ぎ材
１２ 空洞
１３ 鋼板（鋼殻）
１４ 継ぎ手
１５ 鉄筋継ぎ手
１６ 鉄筋
１６ａ 頭部
１７ 躯体
２０ 型枠
２１ 鉄筋
２２ ジョイント筋
２３ プレート

Claims (4)

1. 複数のトンネルが横方向に間隔をおいて並べられて設けられ、それらトンネルの間が掘削されてその上下に上部床版および下部床版が設けられることによって拡幅部が構築されてなるトンネル構造であって、
   前記上部床版は上方に湾曲するアーチ形状に形成されているとともに、該上部床版は少なくともその一部が、鋼殻としての鋼板と、該鋼板を型枠として充填されたコンクリートと、前記鋼板に対して連結されかつ前記コンクリートに対して定着された鉄筋により構成された鋼殻コンクリート造とされていることを特徴とするトンネル構造。
2. 請求項１記載のトンネル構造であって、
   アーチ形状に形成される上部床版の両端部間に鋼材からなる繋ぎ材が架設されてなることを特徴とするトンネル構造。
3. 複数のトンネルを横方向に間隔をおいて並べて設けて、それらトンネルの間を掘削してその上下に上部床版および下部床版を設けることによって拡幅部を構築するトンネル工法であって、
   前記上部床版を上方に湾曲するアーチ形状に形成するとともに、該上部床版の少なくとも一部を、鋼殻としての鋼板と、該鋼板を型枠として充填したコンクリートと、前記鋼板に対して連結しかつ前記コンクリートに対して定着した鉄筋により構成する鋼殻コンクリート造とすることを特徴とするトンネル工法。
4. 請求項３記載のトンネル工法であって、
   アーチ形状に形成する上部床版の両端部間に鋼材からなる繋ぎ材を架設することを特徴とするトンネル工法。

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