JP4970399B2 - トンネル覆工の補強工法 - Google Patents

Description

本発明は、既設老朽トンネルのトンネル覆工の補強工法に係り、特に、トンネル背面空洞が少なく覆工厚も小さいため裏込め注入工法が採用できない場合に好適なトンネル覆工の補強工法に関するものである。

従来行われている既設老朽トンネルの補強工法のうち、背面空洞が少なく覆工厚も小さいため裏込め注入工法が採用できない場合の補強工法としては、〔Ａ〕内面補強工法（繊維シート接着工法、鋼板接着工法）と〔Ｂ〕補強セントル工法がある。以下に、これらの工法について説明する。
〔Ａ〕内面補強工法（下記非特許文献１，ｐｐ．II−２５〜II−２８，IV−２８〜IV−３０参照）
（１）適用条件
内面補強工は、ひび割れや部分的な材料劣化により、比較的狭い範囲で覆工材が落下するおそれのある場合で、漏水がなく、内空に余裕が少ない場合に施工されるものである。
（２）概要
覆工の劣化状態や、地圧等外力の影響の有無・程度、限界余裕量等、現地の状況に応じて適宜選択する。ひび割れや叩き落した後も不安定な状態が残るジャンカ（豆板）、あるいは部分的な材料劣化により、比較的狭い範囲で覆工材が落下する恐れのある場合に適用する。既設覆工との付着を確保するため、漏水処理等、十分な前処理が必要である。なお、補強材の材質によって、繊維シート接着工法、鋼板接着工法の２つがある。従来の内面補強工の施工状況の図面代用写真を図１２に示す。

また、図１３に、従来の繊維シート接着工法の断面図、図１４に従来の鋼板接着工法の断面図を示す。

繊維シート接着工法は、覆工のひび割れ発生部の変状面、もしくは引張応力作用面に、含浸・接着樹脂をシートに含浸させながら積層（現場成形）し、覆工に接着させて一体化する工法であり、内空断面の減少がほとんどないという特徴を持つ。繊維材質には、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維があり、それぞれに特長を有するので、適用に際しては材料特性を良く理解しなければならない。

一方、鋼板接着工法も覆工表面に鋼板を接着する工法ではあるが、図１４に示すように、鋼板をアンカーボルトで固定する必要がある。

（３）設計・施工上の留意点
繊維シート、鋼板がそれぞれの材料特性を発揮するためには、繊維シートあるいは鋼板と覆工との確実な接着が行われるように下地面の整正（下地処理、不陸修正）が必要である。また、プライマー工等の含浸の際には、覆工表面の温度や湿度により施工できない場合もあるので、施工時期、時間等にも注意を要する。
〔Ｂ〕補強セントル工法（下記非特許文献１，ｐｐII−２３〜II−２４，IV−２７参照）
（１）適用条件
補強セントルは、覆工を積極的に補強する必要があり、内空に余裕がある場合に施工される。なお、覆工の劣化対策としては、他の対策工との併用が必要である。

（２）概要
補強セントル工法は、曲げ加工したＨ形鋼等の鋼材を覆工内面に沿って適当な間隔で建て込む工法である。地圧対策を兼ねている場合が多いが、劣化覆工対策としての目的は、剥離・剥落の危険性の高い覆工を抑えることと、劣化により有効巻厚が減少した覆工を補強することである。補強セントル工法により補強されたトンネルを図１５に示す。

（３）設計・施工上の留意点
（ａ）補強セントルの形状・寸法・材質
鋼材には、伸びが大きく曲げや溶接等の加工性がよいものを用いる。一般的には、冷間曲げ加工したＨ形鋼（ＪＩＳ Ｇ ３１０１に規定するＳＳ４００材）が用いられている。また、耐久性の面から防錆処理を行うことが望ましい。

（ｂ）補強セントルの断面・建て込み間隔
補強セントルの断面・建て込み間隔は、トンネル覆工の変状の状況、トンネル内空の断面形状・寸法（特に、建築限界に対する内空余裕）、施工条件等を総合的に勘案して決定する。補強セントルに作用する外力を推定することは困難な場合が多く、一般的に既往対策例を参考にして設計することが多い。その場合、Ｈ形鋼はＨ−１００〜１５０を１．０〜１．５ｍ間隔に設置するのが一般的である。

（ｃ）クサビ、継手、脚部等の設計・施工
（ｉ）クサビは、補強セントルに地山・覆工からの外力を伝達し、緩みによる荷重の増大を防ぐものである。したがって、クサビは、セントルの機能を損なうことのないよう緩みの生じないような構造のものを適切な間隔で設置し、確実な締め付けを行うようにする。

（ii）継手は、構造上の弱点とならないよう、強固に連結でき作業性の良い構造とする。

（iii ）補強セントル脚部の設計・施工にあたっては、荷重による沈下のないよう、補強セントルの下端に底板や、必要に応じて皿板等を設置する。これらのみでは補強セントルの脚部の支持力が不足したり、不等沈下が起こるおそれのある場合は、根固めコンクリートを設置し、支持力の強化と各セントルの一体化を図る必要がある。この根固めコンクリートは、根掘りにより側壁の滑りを誘発することのないよう、必要以上に深くせず、一回当たりの線路方向の根掘り長さを制限するように設計・施工を行う。

（ｄ）施工後の検査等
補強セントルの施工後は、必ず建築限界測定を行うようにする。また、列車振動等によりクサビが緩むことがあるので、竣工後も随時点検し、必要によりその都度締め付けを行うようにする。

（ｅ）その他
補強セントルはトンネル軸方向に作用する力により転倒する恐れがあるため、隣接するセントル相互をつなぎ材により連結する必要がある。通常、つなぎ材は「鋼管内ばり」と呼ばれる方式が多く使用される。材料は、ＪＩＳ Ｇ ３４４４（一般構造用炭素鋼鋼管）ＳＴＫ４００（外径６０．５ｍｍ，厚さ２．３ｍｍ）の鋼管とつなぎボルトφ１９ｍｍが用いられている。
「トンネル補修・補強マニュアル」，平成１９年１月，財団法人 鉄道総合技術研究所，ｐｐ．II−２３〜II−２８，IV−２７〜IV−３０

上記した従来技術としての内面補強工法では、前処理としてひび割れ注入、断面修復、下地処理、不陸修正作業が必要である。

また、鋼板接着工法では重量物の鋼板を人力で運搬する必要がある。

更に、補強セントル工法では、一般的にその主材にＨ形鋼を用い、それを１．０〜１．５ｍ間隔に設置するのがよく行われる。そのためトンネルの内空余裕量として１５０〜２００ｍｍ程度の余裕が必要である。

また、補強セントルでは、上記したように脚部の支持力不足や、不等沈下のおそれがある場合は、根固めコンクリートを設置し、支持力の強化と各セントルの一体化を図る必要がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、設置作業が容易であり、しかも、大幅なコストの低減を図ることができるトンネル覆工の補強工法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕トンネル覆工の補強工法において、トンネル覆工のトンネル内空側にアンカー孔を形成し、このアンカー孔にアンカーボルトを配置し、連結孔及び前記アンカーボルトに固定するための固定孔とを具備する留め金具と、前記連結孔に固定され前記留め金具を相互に連結するネジ部を有する引張材及びこの引張材を前記留め金具に連結する連結用ナットからなる留め金具組立体とを備え、この留め金具組立体を前記連結用ナットで仮組みした状態で前記アンカーボルトに前記留め金具の固定孔を合わせて固定用ナットで前記留め金具を固定した後、前記留め金具組立体の前記連結用ナットにて前記留め金具を相互に固定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具組立体を前記トンネル覆工の天端側に固定し、順次トンネルの側壁側に連結することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、鋼板に複数個のナットを溶着し、このナットの孔を前記留め金具の連結孔としたことを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、鋼板に複数個の厚肉の鋼管を溶着し、この鋼管の孔を前記留め金具の連結孔としたことを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具に金属折板を固定し、この金属折板にネジ部を有する連結ロッドを配置し、この連結ロッドのヘッドは前記金属折板に溶接し、前記連結ロッドのネジ部を連結用ナットで固定するようにしたことを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成された鋳鉄又は鋳鋼からなることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成された繊維補強樹脂からなることを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成されたアルミニウム部材からなることを特徴とする。

〔９〕上記〔３〕から〔８〕の何れか一項記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具の連結孔が３個である３孔形態を有することを特徴とする。

〔１０〕上記〔３〕から〔８〕の何れか一項記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具の連結孔が４個である４孔形態を有することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）上記した従来技術としての内面補強工法では、前処理としてひび割れ注入、断面修復、下地処理、不陸修正作業が必要であるが、本発明ではこれらの作業が必要ではなく省力化が可能である。

（２）繊維シート接着工法、鋼板接着工法では含浸・接着樹脂（エポキシ樹脂等）の塗布時に換気作業が必要であるが、本発明では不要であり、トンネルという閉空間での作業に適している。

（３）鋼板接着工法では重量物の鋼板を人力で運搬する必要があるが、本発明では主材が引張材（全ネジボルト、繊維補強ロッド、ＰＣ鋼棒、ワイヤ＋ネジ金物など）であり材料を軽量化できるため、運搬及び設置作業が容易である。

（４）補強セントル工法では、内空余裕量として１５０〜２００ｍｍ程度の余裕が必要であるが、本発明では７５ｍｍ程度の支障量に抑えることができるため、内空余裕量として１００ｍｍ程度の余裕で十分である。

（５）本発明はトンネル覆工の補強を目的とするため、従来の補強セントルのようにトンネル下半まで設置する必要がなく、かつ根固めも不必要であるため、設置作業が省力化できる。さらに、ナットによる締め付け作業のみであるため溶接作業がなく溶接の資格者の配置が不要となるため、設置作業が簡素化でき、なおかつ有資格者を配置しないためコストダウンにつながる。

本発明のトンネル覆工の補強工法は、トンネル覆工のトンネル内空側にアンカー孔を形成し、このアンカー孔にアンカーボルトを配置し、連結孔及び前記アンカーボルトに固定するための固定孔とを具備する留め金具と、前記連結孔に固定され前記留め金具を相互に連結するネジ部を有する引張材及びこの引張材を前記留め金具に連結する連結用ナットからなる留め金具組立体とを備え、この留め金具組立体を前記連結用ナットで仮組みした状態で前記アンカーボルトに前記留め金具の固定孔を合わせて固定用ナットで前記留め金具を固定した後、前記留め金具組立体の前記連結用ナットにて前記留め金具を相互に固定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明のトンネル覆工の補強工法の概要を示す模式図、図２は本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の組立体の平面図、図３はその留め金具の構成図（その１）であり、図３（ａ）はその留め金具の平面図、図３（ｂ）はその留め金具の側面図、図３（ｃ）はその留め金具の正面図、図４はそのトンネル覆工の補強工法の工程図、図５はそのトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の構成図（その２）、図６はその留め金具の構成図（その３）である。

これらの図において、１はトンネル、Ａはトンネル天端、Ｂはトンネル側壁、２はトンネル覆工、３はトンネルの天端に配置される留め金具組立体、４は留め金具、４Ａは留め金具に形成される連結孔、４Ｂは留め金具４をトンネル覆工２へアンカーボルト５によって固定するための固定孔、６はアンカーボルト５により留め金具４をトンネル覆工２へ固定する固定用ナット、７は引張材としての全ネジボルト、８は全ネジボルト７を連結孔４Ａへ固定する連結用ナット、９はハンマードリル、１０はトンネル覆工２へ形成されるアンカー孔である。

具体的な作業手順は、まず、トンネル天端Ａのトンネル覆工２の表面〔図４（ａ）〕に、ハンマードリル９を用いてアンカー孔１０を設け〔図４（ｂ）〕、そのアンカー孔１０に、アンカーボルト５を設置する〔図４（ｃ）〕。次に、留め金具４に全ネジボルト７を通し、予め全ネジボルト７に通した２つの連結用ナット８で留め金具４と全ネジボルト７を仮組〔図４（ｄ）〕したうえで、アンカーボルト５でトンネル覆工２の表面に仮止めする〔図４（ｅ）〕。そして、順次、トンネル側壁Ｂ側に全ネジボルト７と留め金具４を仮組し〔図４（ｆ）〕、最後に、図４（ｇ）に示すように、アンカーボルト５で留め金具４をトンネル覆工２の表面に固定する。

ここで、留め金具４の構成について説明する。

（１）図３に示すように、鋼板１１にナット又は高ナット（Ｍ１６高ナット）１２を溶接することでそのナット１２の孔を連結孔１４とした形態とする。なお、鋼板１１には、留め金具４をトンネル覆工２の表面にアンカーボルト５によって固定するための固定孔１３を形成する。また、鋼板１１に厚肉の鋼管を溶接した形態とすることもできる。

（２）また、図５及び図６に示すように、鋳鉄または鋳鋼２１，３１により合理的な応力状態の任意形状とした留め金具４とすることもできる。図５は４孔形態、図６は３孔形態の留め金具４をそれぞれ示している。ここで、２２，３２は固定孔、２３〜２６，３３〜３５は連結孔である。なお、鋳鉄または鋳鋼以外にも、繊維補強樹脂やアルミニウム部材を用いるようにしてもよい。

図７は本発明の第２実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具を示す斜視図、図８はその留め金具を相互に連結する引張材を示す図、図９はその留め金具の組立体の一部分を示す図であり、図９（ａ）はその正面図、図９（ｂ）はその側面図、図９（ｃ）はその平面図である。

この実施例では、所定間隔で配置される半円筒形状の隆起部４３により連結溝４２が形成された留め金具４１を用いる。４４は留め金具４１をトンネル覆工４９に固定するための固定孔である。留め金具４１の連結溝４２には、ヘッドにフック４６と、その反対側にネジ部４５を有する引張材としての連結ロッド４７が通される。この連結ロッド４７のネジ部４５を隣接する留め金具４１′の連結溝４２′に対応させ、連結用ナット４８で留め金具４１′に固定して、留め金具４１と４１′を連結する。

図１０は本発明の第３実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具を示す斜視図、図１１はその留め金具の組立体の一部分を示す図であり、図１１（ａ）はその平面図、図１１（ｂ）はその側面図である。

この実施例では、所定間隔で配置される矩形状の隆起部５３により連結溝５２が形成された留め金具５１を用いる。５４は留め金具５１をトンネル覆工６０に固定するための固定孔である。留め金具５１の連結溝５２に金属折板６１を固定し、その金属折板６１の張出部６２に引張材としての連結ロッド５７のヘッド５６を溶接する。連結ロッド５７のヘッド５６の反対側にはネジ部５５が形成されている。隣接する留め金具５１′に固定された金属折板６１′の張出部６２′には鋼管５８が溶接により固定されており、その鋼管５８に連結ロッド５７のネジ部５５を通し、このネジ部５５の先端部に連結用ナット５９を螺合することにより留め金具５１と５１′とを連結する。

上記実施例では、調整可能な引張材として、全ネジボルトや、連結ロッドを用いたが、繊維補強ロッド、ＰＣ鋼棒、ワイヤ＋ネジ金物として構成することができる。

また、留め金具としては、鋳鉄又は鋳鋼に代えて、繊維補強樹脂やアルミニウム部材を用いることができる。

このように、
（１）従来技術としての内面補強工法では、前処理としてひび割れ注入、断面修復、下地処理、不陸修正作業が必要であるが、本発明ではこのような作業が不要であり、省力化が可能である。また、トンネルという閉空間での作業環境に適している。

また、本発明では主材が引張材であり、鋼板接着工法に比べて材料を軽量化できるため運搬や設置作業が容易である。

（２）本発明では支障量を７５ｍｍ程度に抑えることができるためトンネル内空余裕量として１００ｍｍ程度の余裕があれば施工が可能である。

また、本発明ではトンネル覆工の補強を目的とするため、補強セントルのようにトンネル下半までの設置は不要で、かつ根固めも不必要であるため設置作業が省力化でき、さらに、ナットによる締め付け作業のみで溶接作業がなく溶接の資格者の配置が不要となるため、設置作業が簡素化でき、コストダウンにつながる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のトンネル覆工の補強工法は、設置作業が容易であり、しかも、大幅なコストの低減を図ることができるトンネル覆工の補強工法として利用可能である。

本発明のトンネル覆工の補強工法の概要を示す模式図である。 本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の組立体の平面図である。 図３は本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の構成図（その１）である。 本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法の工程図である。 本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の構成図（その２）である。 本発明の第１実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の構成図（その３）である。 本発明の第２実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具を示す斜視図である。 本発明の第２実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具を相互に連結する引張材を示す図である。 本発明の第２実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の組立体の一部分を示す図である。 本発明の第３実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具を示す斜視図である。 本発明の第３実施例を示すトンネル覆工の補強工法で用いる留め金具の組立体の一部分を示す図である。 従来の内面補強工の施工状況を示す図面代用の写真である。 従来の繊維シート接着工法の断面図である。 従来の鋼板接着工法の断面図である。 従来の補強セントル工法により補強されたトンネルを示す図面代用の写真である。

符号の説明

１ トンネル
Ａ トンネル天端
Ｂ トンネル側壁
２，４９，６０ トンネル覆工
３ 留め金具組立体
４，４１，５１ 留め金具
４Ａ，１４，２３〜２６，３３〜３５ 連結孔
４Ｂ，１３，２２，３２，４４，５４ 固定孔
５ アンカーボルト
６ 固定用ナット
７ 引張材（全ネジボルト）
８，４８，５９ 連結用ナット
９ ハンマードリル
１０ アンカー孔
１１ 鋼板
１２ ナット又は高ナット
２１，３１ 鋳鉄または鋳鋼
４１′，５１′ 隣接する留め金具
４２，５２ 連結溝
４３ 半円筒形状の隆起部
４５，５５ ネジ部
４６ フック
４７，５７ 引張材（連結ロッド）
５３ 矩形状の隆起部
５６ ヘッド
５８ 鋼管
６１，６１′ 金属折板
６２，６２′ 張出部

Claims (10)

1. （ａ）トンネル覆工のトンネル内空側にアンカー孔を形成し、
   （ｂ）該アンカー孔にアンカーボルトを配置し、
   （ｃ）連結孔及び前記アンカーボルトに固定するための固定孔とを具備する留め金具と、前記連結孔に固定され前記留め金具を相互に連結するネジ部を有する引張材及び該引張材を前記留め金具に連結する連結用ナットからなる留め金具組立体とを備え、
   （ｄ）該留め金具組立体を前記連結用ナットで仮組みした状態で前記アンカーボルトに前記留め金具の固定孔を合わせて固定用ナットで前記留め金具を固定した後、前記留め金具組立体の前記連結用ナットにて前記留め金具を相互に固定することを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
2. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具組立体を前記トンネル覆工の天端側に固定し、順次トンネルの側壁側に連結することを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
3. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、鋼板に複数個のナットを溶着し、該ナットの孔を前記留め金具の連結孔としたことを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
4. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、鋼板に複数個の厚肉の鋼管を溶着し、該鋼管の孔を前記留め金具の連結孔としたことを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
5. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具に金属折板を固定し、該金属折板にネジ部を有する連結ロッドを配置し、該連結ロッドのヘッドは前記金属折板に溶接し、前記連結ロッドのネジ部を連結用ナットで固定するようにしたことを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
6. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成された鋳鉄又は鋳鋼からなることを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
7. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成された繊維補強樹脂からなることを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
8. 請求項１記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具は、前記留め金具の連結孔が形成されたアルミニウム部材からなることを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
9. 請求項３から８の何れか一項記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具の連結孔が３個である３孔形態を有することを特徴とするトンネル覆工の補強工法。
10. 請求項３から８の何れか一項記載のトンネル覆工の補強工法において、前記留め金具の連結孔が４個である４孔形態を有することを特徴とするトンネル覆工の補強工法。