JP5062571B2 - 角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法 - Google Patents

Description

本発明は、推進工法で施工される角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法に関する。

従来、推進工法では、推進管やセグメントを発進立坑に設けた推進ジャッキの前方に順次継ぎ足しながら推進させる方法が一般的となっている。そして、大断面の推進トンネルに用いられているセグメントは、シールドトンネルに用いられるセグメントと同様であり、鋼製セグメント、鉄筋コンクリート製セグメント、コンクリートと鋼材による合成セグメントが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、継手板と主桁で外周を囲まれた鋼殻体の中空にコンクリートを充填させた合成構造セグメントであって、継手板に開設するボルト挿通孔を挟んで継手板と垂直で、かつ主桁相互が並行する配置で、少なくとも一方が開孔鋼板よりなる外主桁と内主桁を構成した構造とすることで、合成一体化を確実にしたセグメントについて記載したものである。
特開平１１−１９００９６号公報

しかしながら、従来の推進工法で使用されるセグメントでは以下のような問題があった。
すなわち、大断面トンネルの場合、１つのセグメントの幅寸法（トンネル軸方向の長さ寸法）が例えば１ｍ〜１．５ｍ程度となり、１リング分の重量が増大することから、発進立坑内において先行するセグメントと推進ジャッキとの間で、セグメントピース毎に吊り下げながら１リング分のセグメントを組み立てる作業を行っている。そのため、セグメントの組み立て作業に多大な時間を要し、推進効率が低下するという問題があった。
また、推進ジャッキは幅寸法の大きなセグメントに対応させるためにジャッキストロークの長いものを使用する必要があることから、設備費が大きくなり、コストが増大することになり、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、大断面トンネルであっても推進効率を低下させることなく施工できるうえ、設備にかかるコストの低減が図れる角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る角型鋼管を用いた合成構造枠体では、トンネル壁面に沿って覆工体として設置される角型鋼管を用いた合成構造枠体であって、内部にコンクリートが充填された角型鋼管をトンネル断面形状に沿って枠状に形成させ、トンネル軸方向の幅寸法が角型鋼管の１本分の幅寸法をなしていることを特徴としている。

また、本発明に係るトンネル築造方法では、トンネル壁面に沿って覆工体として設置されるとともに、内部にコンクリートが充填された角型鋼管をトンネル断面形状に沿って枠状に形成させ、トンネル軸方向の幅寸法が角型鋼管の１本分の幅寸法をなしている合成構造枠体を、トンネル推進機の後方に組み付ける第１工程と、組み付けた合成構造枠体の後方を押圧装置を伸長させて押し込み、合成構造枠体と共にトンネル推進機を前進させる第２工程と、所定距離を推進した後、押圧装置を縮退させ、合成構造枠体と押圧装置との空間に次に組み付ける合成構造枠体を挿入する第３工程とを有し、第１工程から第３工程までの施工以降、第２工程と第３工程とを順次繰り返すことで、合成構造枠体によるトンネルを形成するようにしたことを特徴としている。

本発明では、合成構造枠体が角型鋼管の幅寸法でトンネル断面形状に沿って形成されるとともに、内部に充填されたコンクリートと角型鋼管による合成構造であるので、大断面トンネルの場合でも覆工体として剛性を確保しつつ、従来の大断面トンネル用のセグメントよりトンネル軸方向の幅寸法を小さくすることが可能となり、重量を低減することができる。そのため、推進工法において、枠状に形成した状態の合成構造枠体をクレーン等を使用して吊って、トンネル推進機の後方に先行して組み付けられた合成構造枠体と推進ジャッキ等の押圧装置との空間に組み付け、その組み付けた合成構造枠体の後方より押圧装置を伸長させ、トンネル推進機および合成構造枠体を前進させることができる。

本発明の角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法によれば、合成構造枠体のトンネル軸方向の寸法が角型鋼管の幅寸法となる構成であり、とくに大断面トンネルの場合に、従来のセグメントの幅寸法より小さくすることができ、その重量を低減できるので、推進工法において合成構造枠体を枠状の状態で吊って押圧装置の前方に組み付けることができ、従来のようにセグメントを１ピース毎に吊ってリング状に組み立てるといった手間と時間のかかる作業が不要となることから、推進効率を向上させることができる。しかも、合成構造枠体の幅寸法を小さくすることによって、ストローク長さの短い押圧装置を用いることが可能となり、設備にかかるコストの低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態による角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法について、図１乃至図９に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による合成構造枠体の概略構成を示す斜視図、図２は合成構造枠体を構成する角型鋼管を示す斜視図であって、（ａ）はその横角型鋼管の図、（ｂ）はその縦角型鋼管の図、図３は合成構造枠体の正面図、図４は図３に示すＡ−Ａ線断面図であって、（ａ）はコンクリート充填前の図、（ｂ）はコンクリート充填後の図、図５は接合継手の構造を示す一部破断断面図、図６はトンネル築造工程を示す図であって、合成構造枠体を組み付けた正面図、図７（ａ）、（ｂ）は図６に続くトンネル築造工程を示す図、図８（ａ）、（ｂ）は図７（ｂ）に続くトンネル築造工程を示す図、図９は水膨張シールと非膨張性シールの設置状態を示す図である。

図１乃至図４に示すように、本実施の形態による角型鋼管を用いた合成構造枠体１は、推進工法によって形成される矩形断面トンネルのトンネル壁面に沿って設けられる覆工体として採用したものである。なお、以下の説明では、推進方向の推進側を「前方」とし、その反対側を「後方」として用いる。
この合成構造枠体１は、その内部にコンクリート２（図４（ｂ）参照）が充填された角型鋼管３、４から形成され、トンネル断面形状に沿って矩形枠状に形成され、トンネル軸方向の幅寸法が角型鋼管の１本分の幅寸法をなしている。このように角型鋼管３、４内にコンクリート２を充填することで、角型鋼管３、４とコンクリート２とが一体構造となり、外力による曲げやせん断荷重に対して対応できる強度を確保できる構造となっている。そして、合成構造枠体１は、トンネル軸方向に複数配列され、隣接する合成構造枠体１、１どうしを接合させて推進トンネルが築造されることになる。

また、合成構造枠体１は、周方向（角型鋼管の軸方向）に複数に分割可能な構成となっており、具体的には横方向に配置された一対の縦角型鋼管３（３Ａ、３Ｂ）と、同じく上下方向に配置された一対の横角型鋼管４（４Ａ、４Ｂ）とを矩形の四辺に配置するようにして枠組みされている。なお、本実施の形態の合成構造枠体１は、正面視（図３）で横方向の長さ寸法が縦方向より長い形状であって、例えば、縦寸法６ｍで横寸法１０ｍとなる大断面トンネルの場合に、一辺の長さ寸法が３５０ｍｍの断面正方形状をなす角型鋼管３、４を採用することができる。このとき、合成構造枠体１におけるトンネル軸方向（図３で紙面に垂直な方向）の長さ寸法（合成構造枠体１の幅寸法に相当）は、３５０ｍｍとなる。

縦角型鋼管３および横角型鋼管４は、それぞれの両端部の開口を塞ぐとともに傾斜面を形成する端板を備えたピース間接合面３ａ、４ａを有し、これらピース間接合面３ａ、４ａどうしを当接させて溶接手段によって互いに接合されている。なお、図２では、図３に示す合成構造枠体１の上側に配置される横角型鋼管４Ａと、紙面に向かって左側に配置される縦角型鋼管３Ｂとを図示していないが、それぞれ下側に配置される横角型鋼管４Ｂと、右側に配置される縦角型鋼管３Ａと同様の構成である。
そして、縦角型鋼管３および横角型鋼管４は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、断面視で角部を丸めて面取りされた角曲部１ａが形成されている。

また、合成構造枠体１の四隅の内側角部には、断面視三角形状の補強部材５、５、…が設けられ、これにより合成構造枠体１の角部の剛性が高められる構造となっている。
さらに、図１に示すように、横角型鋼管４Ａ、４Ｂの上面両端部、及び縦角型鋼管３Ａ、３Ｂの外方側面上部には、それぞれコンクリート２を充填するための打設口６が設けられている。
なお、ピース間接合面３ａ、４ａに端板を設けていない場合、或いは端板に開口が空けられている場合には、打設口６は上側の横角型鋼管４Ａにのみ打設口を設ければよい。

図５に示すように、縦角型鋼管３および横角型鋼管４のリング間接合面３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃには、トンネル軸方向に隣接する合成構造枠体１、１どうしを接合するための接合継手１０（１１、１２）が角型鋼管の軸方向に所定間隔をもって複数配置されている（図３参照）。本実施の形態では、接合継手１０としてマルチブレード継手（清水建設社製、特許３５７２５６２号公報の特許文献に記載されているワンタッチ継手）を使用する。
つまり、一方のリング間接合面３ｂ、４ｂ（推進方向前方側の接合面）には雄型継手をなすピン１１が設けられ、他方のリング間接合面３ｃ、４ｃ（推進方向後方側の接合面）には雌型継手をなすピン穴１２が設けられている。

図５に示すように、ピン１１は、例えばボルト用の鋼材からなり、断面視円形で、その基端部１１ａが、角型鋼管３、４内に配置された雄側ハウジング１３にねじ込まれている。また、ピン１１の先端部１１ｂは、その角部が面取りされている。
一方、ピン穴１２は、角型鋼管３、４内に配置された雌側ハウジング１４と、この雌側ハウジング１４内に設けられた嵌合部１５とから概略構成されている。雌側ハウジング１４は、略円筒状で、角型鋼管３、４の端面（接合面３ｃ、４ｃ）に露出した先端部１４ａには内周側に張り出すフランジ１４ｂが形成されている。このフランジ１４ｂは、角型鋼管の端面に露出している側の内周縁部が面取りまたはＲ加工されている。また、雌側ハウジング１４の基部１４ｃ側には蓋体１６が取り付けられており、この蓋体１６によって、雌側ハウジング１４が塞がれている。そして、雄側ハウジング１３と雌側ハウジング１４とは連結部材１７によって連結されている。

嵌合部１５は、外径が雌側ハウジング１４の内径よりも小さな寸法をなす複数枚の嵌合金具を備えたものであり、これによってこれらは雌側ハウジング１４内でその軸線と直交する方向に移動可能となっている。
このようなピン１１とピン穴１２とをそれぞれ備えた合成構造枠体１、１どうしを接合するには、一方の合成構造枠体１側のピン穴１２に、他方の合成構造枠体１側のピン１１を挿入させることで互いに嵌合した状態となり、嵌合部１５の嵌合金具が、ピン１１にくい込むようにしてこれを締め付けることで、引き抜きが防止される構造となっている。

次に、上述した合成構造枠体１を使用したトンネル築造方法について、図面に基づいて詳細に説明する。
本トンネル築造方法では、上述したような大断面トンネルを推進工法によって施工するものであり、図１に示す合成構造枠体１の角型鋼管３、４として一辺が３５０ｍｍの断面形状の部材を使用している。そのため、縦角型鋼管３Ａ、３Ｂと横角型鋼管４Ａ、４Ｂとを枠組みして矩形状の合成構造枠体１とした状態では、一般道路を運搬することができないことから、各角型鋼管３、４と補強部材５とを分割した状態で現場に搬入する。そして、現場で立てかけて或いは寝かせた状態で縦角型鋼管３Ａ、３Ｂ、横角型鋼管４Ａ、４Ｂ、および補強部材５をそれぞれ溶接手段により接合して一体化させ、図６に示すように、矩形状に組み立てた合成構造枠体１を支持台７、７上に立て、合成構造枠体１に設けた複数の打設口６、６（図１参照）から枠体内にコンクリート２を充填する。このときのコンクリート２には、高流動化早強コンクリートが用いられる。そして、コンクリート２が硬化するまで養生し、硬化した合成構造枠体１を例えば現場ヤードなどに仮置きしておく。

ここで、図７（ａ）に示すように、発進基地２０は、平面視で円形や矩形等の形状の立坑であり、内壁における発進坑口と対向する壁面に反力壁２２が設置され、反力壁２２に鋼材からなる反力トラス２３を介して複数台の推進ジャッキ２４、２４、…（押圧装置）がそのシリンダの伸長方向を推進方向（トンネル軸方向）に向けて設けられている。そして、発進基地２０の所定深さに位置する底盤上には、トンネル推進機２１を発進可能な所定高さに載置させるための発進架台２５が設けられている。

図７および図８に示すように、本トンネル築造方法は、推進ジャッキ２４により先行して組み付けた既設の合成構造枠体１（これを符号１Ａで示す）の後部を押すことにより、トンネル推進機２１と合成構造枠体１を地山内に押し進め、１つ分の合成構造枠体１の長さ（トンネル軸方向の長さ寸法）を押し進める毎に、先行する合成構造枠体１Ａに組み付けるべき後続の合成構造枠体１（これを符号１Ｂで示す）を継ぎ足しながら、トンネル軸方向に合成構造枠体１を配列させて地山内に設置する方法となっている。

具体的には、図７（ａ）に示すように、合成構造枠体１Ａを先頭に刃先を取り付けたトンネル推進機２１の後方に組み付け（第１工程）、その後、反力壁２２に反力をとって複数台の推進ジャッキ２４、２４、…を伸長させて合成構造枠体１Ａを前方に押し込むことにより、合成構造枠体１Ａと共にトンネル推進機２１を前進させ、１サイクル分の推進が行われる（第２工程）。このときの、１サイクル分の推進距離、つまり推進ジャッキ２４のストローク長は、１つ分の合成構造枠体１の長さ寸法（幅寸法）となる。

続いて、図７（ｂ）に示すように、１サイクル分を推進した後、伸長させた推進ジャッキ２４を縮退させ、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、予め矩形状に一体形成させておいた次に組み付ける合成構造枠体１Ｂを、その枠状の状態のままクレーン等を使って吊りながら、縮めた推進用ジャッキ２４と既設の合成構造枠体１Ａとの間に形成される空間Ｓに挿入する（第３工程）。

合成構造枠体１Ｂを組み付けるに際しては、組み付けるべき合成構造枠体１Ｂのピン１１（図５参照）を、先に組み付けの完了した合成構造枠体１Ａのピン穴１２（図５参照）に単に挿入するのみで、ピン１１とピン穴１２とが嵌合して、合成構造枠体１Ａ、１Ｂどうしが密に接合されることになる。
ここまでがトンネル推進機２１における１サイクル分の推進工程であり、この工程を順次繰り返すことで、矩形断面をなすトンネルが築造されることになる。

また、図９に示すように、継ぎ足した合成構造枠体１と既設の合成構造枠体１との接合部の外周側には、合成構造枠体１、１の角曲部１ａ、１ａどうしによって形成される断面略三角形状をなす凹部１ｂが形成されており、その凹部１ｂの奥側に水膨張性シール８を配置し、その外側に非膨張性シール９を配置した二層構造を形成する。これにより、水膨張シール８は外側の非膨張性シール９によって拘束されるので、膨張圧が外に逃げず、シール面に圧力がかかりやすくなり、止水性を高めることができる。

このように、合成構造枠体１が角型鋼管３、４の幅寸法でトンネル断面形状に沿って形成されるとともに、内部に充填されたコンクリート２と角型鋼管３、４による合成構造であるので、大断面トンネルの場合でも覆工体として剛性を確保しつつ、従来の大断面トンネル用のセグメントよりトンネル軸方向の幅寸法を小さくすることが可能となり、重量を低減することができる。そのため、推進工法において、枠状に形成した状態の合成構造枠体１をクレーン等を使用で吊って、トンネル推進機の後方に継ぎ足すことができる。

上述した本実施の形態による角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法では、合成構造枠体のトンネル軸方向の寸法が角型鋼管の幅寸法となる構成であり、とくに大断面トンネルの場合に、従来のセグメントの幅寸法より小さくすることができ、その重量を低減できるので、推進工法において合成構造枠体を枠状の状態で吊って押圧装置の前方に組み付けることができ、従来のようにセグメントを１ピース毎に吊ってリング状に組み立てるといった手間と時間のかかる作業が不要となることから、推進効率を向上させることができる。しかも、合成構造枠体の幅寸法を小さくすることによって、ストローク長さの短い押圧装置を用いることが可能となり、設備にかかるコストの低減を図ることができる。

以上、本発明による角型鋼管を用いた合成構造枠体およびトンネル築造方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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、本実施の形態では矩形状の合成構造枠体１における四辺の各辺に相当する縦角型鋼管３Ａ、３Ｂと横角型鋼管４Ａ、４Ｂに分割しているが、この分割形態に限定されることはない。例えば、本実施の形態では大断面トンネルを対象としているが、中小断面トンネルに適用する場合であって、現場への運搬が可能な大きさ、重量となるのであれば、横方向に二分割した形状、或いは分割しない形態であってもかまわない。

また、合成構造枠体１の角型鋼管３、４の断面寸法（合成構造枠体１の幅寸法）、打設孔６の位置、数量、接合継手１０の構造、設置数は、適宜な設計的変更が可能である。
さらに、本実施の形態では合成構造枠体１の四隅の内側角部に補強部材５を設けているが、補強部材５を設けない構造の合成構造枠体１であってもよい。
それから、合成構造枠体１は角型鋼管１本分の幅寸法を有しているが、合成構造枠体１を複数本トンネル軸方向に並べて溶接により一体化した合成構造枠体ユニットとしてもよい。トンネル築造方法においても、角型鋼管１本分の幅寸法を有する合成構造枠体１を１つずつトンネル推進機の後方に組み立ててその都度押圧装置を伸長させてトンネル推進機を前進させるようにしているが、合成構造枠体１をトンネル推進機の後方に複数本組み立ててから押圧装置を伸長させてトンネル推進機を前進させてもよいし、合成構造枠体１を複数本トンネル軸方向に並べて溶接により一体化した合成構造枠体ユニットとして、トンネル推進機の後方に組み立てるようにしてもよい。

本発明の実施の形態による合成構造枠体の概略構成を示す斜視図である。 合成構造枠体を構成する角型鋼管を示す斜視図であって、（ａ）はその横角型鋼管の図、（ｂ）はその縦角型鋼管の図である。 合成構造枠体の正面図である。 図３に示すＡ−Ａ線断面図であって、（ａ）はコンクリート充填前の図、（ｂ）はコンクリート充填後の図である。 接合継手の構造を示す一部破断断面図である。 トンネル築造工程を示す図であって、合成構造枠体を一体形成させた正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図６に続くトンネル築造工程を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は図７（ｂ）に続くトンネル築造工程を示す図である。 水膨張シールと非膨張性シールの設置状態を示す図である。

符号の説明

１ 合成構造枠体
２ コンクリート
３、３Ａ、３Ｂ 縦角型鋼管（角型鋼管）
４、４Ａ、４Ｂ 横角型鋼管（角型鋼管）
５ 補強部材
６ 打設口
８ 水膨張シール
９ 非膨張性シール
１０ 接合継手
２１ トンネル推進機
２４ 推進ジャッキ（押圧装置）

Claims (2)

1. トンネル壁面に沿って覆工体として設置される角型鋼管を用いた合成構造枠体であって、
   内部にコンクリートが充填された角型鋼管をトンネル断面形状に沿って枠状に形成させ、
   トンネル軸方向の幅寸法が前記角型鋼管の１本分の幅寸法をなしていることを特徴とする角型鋼管を用いた合成構造枠体。
2. トンネル壁面に沿って覆工体として設置されるとともに、内部にコンクリートが充填された角型鋼管をトンネル断面形状に沿って枠状に形成させ、トンネル軸方向の幅寸法が前記角型鋼管の１本分の幅寸法をなしている合成構造枠体を、トンネル推進機の後方に組み付ける第１工程と、
   組み付けた前記合成構造枠体の後方を押圧装置を伸長させて押し込み、前記合成構造枠体と共に前記トンネル推進機を前進させる第２工程と、
   所定距離を推進した後、前記押圧装置を縮退させ、前記合成構造枠体と前記押圧装置との空間に次に組み付ける合成構造枠体を挿入する第３工程と、
   を有し、
   前記第１工程から前記第３工程までの施工以降、前記第２工程と第３工程とを順次繰り返すことで、前記合成構造枠体によるトンネルを形成するようにしたことを特徴とするトンネル築造方法。

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