JP5282541B2

JP5282541B2 - 覆工体の浮き上がり防止方法

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Publication number: JP5282541B2
Application number: JP2008303009A
Authority: JP
Inventors: 昌佳井澤; 慶造三木; 文行横溝; 勉木村; 公宏吉田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010126996A

Description

本発明は、シールド機を推進させるにあたり、当該シールド機の後方に敷設される覆工体の浮き上がりを防止する覆工体の浮き上がり防止方法に関するものである。

シールド機で掘削されたトンネル内に覆工体を敷設した際、土被りが小さい場合等には、地下水の浮力により、覆工体が浮き上がって地表面が盛り上がってしまうことがあった。そこで、例えば、特許文献１には、グラウンドアンカーを地盤に打設し、このグランウンドアンカーに覆工体を固定して浮き上がりを防止する方法が開示されている。
特開平８−１０５０５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のグラウンドアンカーを打設する方法では、グランウンドアンカーを地中深くまで打設しなければならないので、打設に時間がかかるという問題点があった。さらに、軟弱な地盤では、グランウンドアンカーを地中に固定できない場合もあるという問題点があった。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、掘削部分が地上に開放される半地中部及び土被り厚さが所定の厚さよりも小さい低土被り部を掘進する際に、地下水の浮力による覆工体の浮き上がりを確実に防止することが可能な覆工体の浮き上がり防止方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、本発明の覆工体の浮き上がり防止方法は、シールド機を推進させるにあたり、当該シールド機の後方に敷設される覆工体の浮き上がりを防止するための浮き上がり防止方法において、前記覆工体の内外を貫通するように設けられているグラウトホールを介して、前記覆工体の外周面と前記シールド機による掘削面との間のテールボイド部に裏込材を充填し、前記グラウトホール内及びテールボイド部内の裏込材を削孔して地盤まで到達する貫通孔を形成し、前記グラウトホール内に設けられた逆止弁を通して前記貫通孔に通水管を挿入し、前記通水管から地下水をトンネル内に通水することにより、周囲の地下水の水位を低下させることを特徴とする。

本発明による覆工体の浮き上がり防止方法によれば、覆工体の周囲の地下水をトンネル内に通水するので、周囲の地下水の水位を低下させることができる。したがって、覆工体に作用する浮力を低下させて、覆工体の浮き上がりを防止することができる。

本発明の覆工体の浮き上がり防止方法を用いることにより、シールド機を推進させて、掘削部分が地上に開放される半地中部及び土被り厚さが所定の厚さよりも小さい低土被り部を掘進する際に、覆工体の浮き上がりを防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係る改良体１及び防護壁２を地盤Ｅ内に設置した状態を示す側断面図及び平面図である。
図１及び図２に示すように、地上発進及び地上到達するシールド機３によって掘削予定のトンネル４は、地上発進部５から所定の深度に到達するための下り勾配を有する下りアプローチ部７と、所定の深度に構築されたトンネル部８と、このトンネル部８の終端から地上到達部６に到達するための上り勾配を有する上りアプローチ部９とからなる。

両アプローチ部７、９のシールド機３によって掘削される掘進予定領域１０の下部及びその周囲には、地盤改良された改良体１（＝１ａ、１ｂ）がそれぞれ設けられている。また、両アプローチ部７、９の掘進予定領域１０のトンネル軸方向両側には、周囲の地盤Ｅの変状を防止するための防護壁２が設けられている。
両アプローチ部７、９は、上方が地上に開放した半地下状態の半地中区間７ａ、９ａと、上方に土被りが存在するもののその土被り厚の小さい低土被り区間７ｂ、９ｂとからなる。

図３及び図４は、各アプローチ部７、９にそれぞれ改良体１ａ、１ｂを設置した状態を示す側面図である。また、図５は、図３のＡ矢視図である。
図３〜図５に示すように、各改良体１ａ、１ｂは、各アプローチ部７、９の掘進予定領域１０の下部及びその周囲の地盤Ｅ内に設けられている。

各改良体１ａ、１ｂは、地中側の先端１ｃが所定の土被りの厚さを確保できる深さに位置し、後端１ｄが地表の地上発進部５付近又は地上到達部６付近に位置して、掘進予定領域１０の下部と重なるように設けられる。そして、この範囲内の全体にセメントミルクやセメントスラリー等を含む硬化材が注入され、硬化することにより、略円柱状の補強された改良体１ａ、１ｂがそれぞれ構築される。

シールド機３は、前胴部の重量が大きいため、前胴部側が沈下し易いが、各アプローチ部７、９の掘進予定領域１０を掘進する場合は、各改良体１ａ、１ｂの上部を掘削しながら推進するので、シールド機３は常に各改良体１ａ、１ｂに支持され、前胴部が沈下することはない。
各改良体１ａ、１ｂが設けられる範囲は、トンネル４の径、シールド機３の重量、地盤Ｅの強度、地質等により各現場によって異なり、設計等により適宜決定される。

次に、改良体１ａ、１ｂの構築方法を施工手順にしたがって説明する。なお、本実施形態においては、下りアプローチ部７に改良体１ａを構築する場合について説明するが、上りアプローチ部９の改良体１ｂも同様の方法で構築することができる。

図６〜図９及び図１１は、改良体１ａの構築手順を示す図である。図６に示すように、地上に設置されるボ−リング装置１１は、地盤Ｅを掘削するためのビット１２と、先端にビット１２が取り付けられ、地盤Ｅの掘削とともに順次継ぎ足して延設されるロッド１３と、ビット１２とロッド１３の間に取り付けられ、硬化材を地盤Ｅ内に注入するためのノズル１４と、ロッド１３を回転させるための駆動手段１５とを備えている。

ボーリング装置１１を地上発進位置付近に設置し、ロッド１３を掘進予定領域１０の下り勾配と同じ勾配となるように傾斜させる。そして、駆動手段１５を駆動してビット１２を回転させて、地盤Ｅの掘削を開始する。

図７に示すように、掘進予定領域１０の下端面に沿って、下りアプローチ部７の領域内を全長にわたって掘削する。
掘削が終了したら、図８に示すように、硬化材をロッド１３内に圧入し、ノズル１４を介して地盤Ｅ内に注入する。硬化材を地盤Ｅ内に注入しながらロッド１３、ノズル１４及びビット１２を少しずつ地上に引き抜くと、硬化材はノズル１４から放射方向に噴出して孔１６周辺の地盤Ｅに拡散し、かつ、該地盤Ｅを撹拌しつつ硬化して、孔１６を中心に大径の柱状の改良体１ａが構築される。

硬化材としては、例えば、セメントミルクやセメントモルタル等の主材と、フライアッシュやスラグベントナイト等の添加材と、水ガラスや塩化カルシウム等の補助材とを組み合せたものを使用することができる。

そして、図９に示すように、下りアプローチ部７の掘進予定領域１０の下部及びその周囲を地盤Ｅ改良したら、硬化材の注入を停止し、ロッド１３、ノズル１４及びビット１２を地上に引き上げる。

なお、本実施形態においては、斜めボーリングを実施して硬化材を注入する方法について説明したが、これに限定されるものではなく、図１０に示すように、一般的な鉛直ボーリングを実施して硬化材を注入してもよい。

この後、図１１に示すように、ボーリング装置１１を水平方向に移動させて、上記改良体１ａに隣接する新たな改良体１ａを構築する。すなわち、孔１６を掘削して硬化材を注入する作業を改良体１ａが所定の幅になるまで複数回繰り返す。

なお、本実施形態においては、地盤改良方法として高圧噴射撹拌工法について説明したが、これに限定されるものではなく、薬液注入工法等の一般的な方法を用いてもよい。

次に、改良体１ａのトンネル軸方向両側に設置された防護壁２について説明する。
図１２及び図１３は、下りアプローチ部７のトンネル軸方向両側に防護壁２を設置した状態を示す側面図及び平面図である。
図１２及び図１３に示すように、防護壁２は、下りアプローチ部７のトンネル軸方向両側に、掘進予定領域１０から所定の距離を隔てて設けられている。この防護壁２は、掘進予定領域１０と周囲の既設構造物２１との間に設けられ、シールド機３の地盤Ｅ掘削にともなう既設構造物２１の周囲の地盤変状を防止する。

本実施形態においては、防護壁２として、例えば、鋼矢板２２を用いた。鋼矢板２２は、矢板本体２２ａと、その一方の側面に矢板本体２２ａの縦方向、つまり矢板本体２２ａを打設する方向に沿って一体に固定され、スリットＳを有する丸形管状の雌継手部２２ｂと、他方の側面に矢板本体２２ａの縦方向に沿って一体に固定され、断面Ｃ字形状（＝凸状部）の雄継手部２２ｃとを備える。
第１の鋼矢板２２の雌継手部２２ｂ内に、第２の鋼矢板２２の雄継手部２２ｃが挿入され、一直線状に配置される。

図１４は、図１２のＢ矢視図である。図１４に示すように、防護壁２は、トンネル軸方向と直交する鉛直断面において、トンネル最下端４ａの水平接線に対して所定の角度（例えば、４５°）の仮想線２３よりも深くまで設置される。

軟弱な地盤Ｅをシールド機３で掘削すると、シールド機３の周りの土砂はシールド機３に引き込まれて消失する。特に、この仮想線２３よりも上側の土砂の消失が著しく、防護壁２がこの仮想線２３よりも浅く設置されている場合には、防護壁２を支持する土砂が無くなり、防護壁２がシールド機３側に倒れるおそれがある。そこで、シールド機３の掘削にともなってシールド機３の周りの土砂がシールド機３に引き込まれて消失しても、防護壁２が倒れないように、防護壁２の下端を仮想線２３よりも深い位置に設置する。すなわち、掘進予定領域１０の深度が深くになるにつれて、防護壁２も深くまで設置する。

なお、防護壁２を設置する深さ、トンネル軸方向長さ等は、シールド機３の径、地盤Ｅの強度、地質等により各現場によって異なり、設計等により適宜決定される。

次に、防護壁２の構築方法を施工手順にしたがって説明する。
図１５及び図１６は、防護壁２の設置手順を示す図である。図１５に示すように、第１の鋼矢板２２をサイレントパイラー（図示せず）にて地盤Ｅ内に打設する。

次に、図１６に示すように、第１の鋼矢板２２の雌継手部２２ｂの上方から、第２の鋼矢板２２にも第１の鋼矢板２２と同様に、振動を与えて、第２の鋼矢板２２の矢板本体２２ａの下縁がスリットＳを通過するように雄継手部２２ｃを雌継手部２２ｂ内に挿入して、雄継手部２２ｃと雌継手部２２ｂとが係合するように設置する。

なお、本実施形態においては、防護壁２として鋼矢板２２を複数本係合して構築する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、防護壁２としてソイルセメント柱列壁や土留め壁を構築してもよい。

以下に、地上発進及び地上到達させるシールド機３にて、例えば、道路をアンダーパスするトンネル４を構築する工法のうち、特に、下りアプローチ部７及び上りアプローチ部９の構築方法について説明する。

図１７〜図２４は、下りアプローチ部７の掘削作業手順を示す図である。
図１７に示すように、地上発進部５の地盤Ｅ上にシールド機３の地上発進時の反力をとるための反力手段３２を設置する。

反力手段３２は、複数の鋼材を組み合せて構成した架台からなり、この架台でシールド機３のシールドジャッキを支持することにより、シールド機３の発進時の反力をとることができ、シールド機３を地上発進させることが可能となる。反力手段３２の上面３２ａの地盤Ｅに対する角度は、下りアプローチ部７の下り勾配と同じ勾配となるように形成されているので、シールド機３を地上から地盤Ｅ内へ所定の下り勾配で進入させることが可能となる。

また、反力手段３２は、シールド機３の地上発進の際にシールド機３の自重を支持し、シールド機３が沈下するのを防止している。したがって、地盤Ｅの状態に影響されることなく、シールド機３を地上から所定の下り勾配にて発進させることができる。

シールド機３が地盤Ｅ内に進入する際は、シールド機３を反力手段３２の上面３２ａに設置し、シールドジャッキの後端部を反力受台３２ｂに当接させ、シールドジャッキを伸張させて反力受台３２ｂによって反力をとる。

図１８に示すように、シールド機３本体の前面に設けられているカッターヘッド３３により地盤Ｅを掘削するとともに、シールドジャッキを伸張させて地上発進部５から所定の下り勾配で下りアプローチ部７に進入する。

シールド機３で下りアプローチ部７を掘削するとともに、シールド機３のテール部内には、順次セグメント３４が組み立てられ、セグメント３４によるＵ型覆工体３５又は環状覆工体３６が構築される。シールド機３が地盤Ｅ内に進入してしばらくは、上方が地上に開放した半地下状態の半地中区間７ａにセグメント３４をＵ字型に配設してＵ型覆工体３５を構築する。その後、シールド機３の頂部が地盤Ｅ内に進入してから所定の土被り厚になるまでの低土被り区間７ｂにセグメント３４を環状に配設して環状覆工体３６を構築する。

なお、本実施形態においては、半地中区間７ａにＵ字型にセグメント３４を構築する方法について説明したが、これに限定されるものではなく、環状覆工体３６を構築し、後で頂部のセグメント３４を撤去する方法を用いてもよい。

次に、図１９に示すように、シールド機３のテール部内でＵ型覆工体３５又は環状覆工体３６を組み立てた後に、シールド機３の推進とともに、Ｕ型覆工体３５又は環状覆工体３６の外周面とシールド機３による掘削面との間のテールボイド部１７に裏込材３７を充填する。裏込材３７の充填は、セグメント３４に設けられているグラウトホール３８を介して行うので、裏込材３７はグラウトホール３８の逆止弁３９の位置まで充填される。

次に、図２０に示すように、Ｕ型覆工体３５又は環状覆工体３６のインバート部のグラウトホール３８の口元にトンネル４の周囲に存在する地下水をトンネル４内に通水するための排水装置４０を取り付ける。

排水装置４０は、グラウトホール３８に接続される第一の開閉バルブ４１と、第一の開閉バルブ４１に接続され、流路を３方に分岐可能なクロス継手４２と、このクロス継手４２にそれぞれ接続されているプリペンダー４３、水抜き用ホース４４及び裏込材注入用ホース４５とを備えている。

水抜き用ホース４４は、第二の開閉バルブ４６を介して接続されている。また、裏込材注入用ホース４５は、第三の開閉バルブ４７を介して接続されている。

図２１に示すように、まず、第一の開閉バルブ４１を開放し、削孔機４８のロッド４９をプリペンダー４３内及びグラウトホール３８内に挿通し、グラウトホール３８内及びテールボイド部１７内の裏込材３７を削孔して地盤Ｅまで到達する貫通孔５１を設ける。プリペンダー４３は、内部に止水手段を備えているので、プリペンダー４３内に削孔機４８のロッド４９を挿通させても地下水は漏水しない。また、プリペンダー４３は、回転可能なスイベルジョイント５０を介して接続されているので、地下水の湧水を防止しつつ、削孔機４８のロッド４９を握持し、ロッド４９の回転と共に回転することができる。

貫通孔５１を削孔したら、ロッド４９を引き抜く。すると、逆止弁３９は閉止し、地下水は排水装置４０内に流入しなくなる。そこで、グラウトホール３８内の逆止弁３９を開放した状態で保持するために、図２２に示すように、その逆止弁３９及び貫通孔５１に通水管５２を挿入し、常に、地下水が排水装置４０に流入可能な状態にする。

次に、水抜き用ホース４４の他方側を貯水槽等（図示しない）に接続し、第二の開閉バルブ４６を開放する。逆止弁３９、第一の開閉バルブ４１及び第二の開閉バルブ４６が開放されることにより、トンネル４の周囲の地下水がこれらを通過して、トンネル４内に通水され、さらに、水抜き用ホース４４内を通過して貯水槽に貯留される。貯水槽に貯留された地下水は、所定の方法で処理される。

上述した、Ｕ型覆工体３５又は環状覆工体３６を組み立てるとともに、テールボイド部１７に裏込材３７を充填し、シールドジャッキを伸長しつつ掘削を再開させ、セグメント３４に排水装置４０を設置した後に第二の開閉バルブ４６を開放して地下水を排水するまでの一連の作業を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことにより、下りアプローチ部７周囲の地下水の水位を低下させる。周囲の地下水の水位が予め設計等により決定された所定の水位よりも低くなるまで排水を継続する。

このようにして、下りアプローチ部７の全長を掘削するとともに、下りアプローチ部７周囲の地下水を排水する。そして、下りアプローチ部７の掘削終了後、トンネル４内の内装作業が始まって、耐火パネル、照明設備等を設置して、平常時の地下水の浮力がＵ型覆工体３５又は環状覆工体３６に作用しても浮き上がらない程度にＵ型覆工体３５及び環状覆工体３６の重量が重くなったら、図２３に示すように、第二の開閉バルブ４６を閉止して地下水の排水を停止する。次に、第三の開閉バルブ４７を開放して、テールボイド部１７、グラウトホール３８内に裏込材３７を充填し、貫通孔５１を止水する。
最後に、図２４に示すように、貫通孔５１内が完全に止水されていることを確認し、排水装置４０を取り外す。

次に、上りアプローチ部９の掘削方法について説明する。
図２５は、上りアプローチ部９を掘削している状態を示す図である。図２５に示すように、下りアプローチ部７から連続しているトンネル部８を一般的な掘削方法で掘削した後に、連続して上りアプローチ部９を掘削する。

上述した下りアプローチ部７の掘削方法と同様に、Ｕ型覆工体３５又は環状覆工体３６を組み立てるとともにテールボイド部１７に裏込材３７を充填し、シールドジャッキを伸長しつつ掘削を再開させ、セグメント３４に排水装置４０を設置した後に第二の開閉バルブ４６を開放して地下水を排水するまでの一連の作業を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことにより、上りアプローチ部９周囲の地下水の水位を低下させる。

このようにして、上りアプローチ部９の全長を掘削するとともに、上りアプローチ部９周囲の地下水を排水する。そして、上りアプローチ部９の掘削終了後、トンネル４内の内装作業が始まって、耐火パネル、照明設備等を設置して、平常時の地下水の浮力がＵ型覆工体３５又は環状覆工体３６に作用しても浮き上がらない程度にＵ型覆工体３５及び環状覆工体３６の重量が重くなったら、第二の開閉バルブ４６を閉止して地下水の排水を停止する。次に、第三の開閉バルブ４７を開放して、テールボイド部１７、グラウトホール３８内に裏込材３７を充填し、貫通孔５１を止水する。その後、貫通孔５１内が完全に止水されていることを確認し、排水装置４０を取り外す。

なお、本実施形態においては、下りアプローチ部７の掘削終了後に、下りアプローチ部７内の内装作業を開始した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、上りアプローチ部９の掘削終了後に、下りアプローチ部７と上りアプローチ部９との内装作業を同時に施工してもよい。

以上説明した本実施形態によれば、Ｕ型覆工体３５及び環状覆工体３６のインバート部に、地下水をトンネル４内に通水するための排水装置４０を取り付けて、周囲の地下水をトンネル４内に通水するので、周囲の地下水の水位を低下させることができる。これにより、シールド機３を推進させて、半地中区間７ａ、９ａ及び低土被り区間７ｂ、９ｂを掘進する際のＵ型覆工体３５及び環状覆工体３６に作用する浮力を低下させて、Ｕ型覆工体３５及び環状覆工体３６の浮き上がりを防止することができる。

また、シールド機３の掘進予定領域１０の下部及びその周囲に地盤改良された改良体１ａ、１ｂを備えるので、この改良体１ａ、１ｂの上部を掘削しつつ、この改良体１ａ、１ｂ上を推進することにより、半地中区間７ａ、９ａ部及び低土被り区間７ｂ、９ｂを掘進する際のシールド機３の沈下を防止することができる。

さらに、下りアプローチ部７及び上りアプローチ部９の掘進予定領域１０の両側に防護壁２を設けるので、シールド機３を推進させて、半地中区間７ａ、９ａ部及び低土被り区間７ｂ、９ｂを掘進しても防護壁２の外側の周囲の地盤Ｅは変状しない。また、防護壁２は、下りアプローチ部７では徐々に深くまで設置され、上りアプローチ部９では徐々に浅くなるように設置されているので、地盤変状を効率良く防止することができる。

なお、上述した本実施形態において、板状の鋼矢板２２を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、管状の鋼管矢板を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る改良体及び防護壁を地盤内に設置した状態を示す側断面図である。本発明の実施形態に係る改良体及び防護壁を地盤内に設置した状態を示す平面図である。各アプローチ部にそれぞれ改良体を設置した状態を示す側面図である。各アプローチ部にそれぞれ改良体を設置した状態を示す側面図である。図３のＡ矢視図である。改良体の構築手順を示す図である。改良体の構築手順を示す図である。改良体の構築手順を示す図である。改良体の構築手順を示す図である。硬化材の他の充填例を示す図である。改良体の構築手順を示す図である。下りアプローチ部のトンネル軸方向両側に防護壁を設置した状態を示す側面図である。下りアプローチ部のトンネル軸方向両側に防護壁を設置した状態を示す平面図である。図１２のＢ矢視図である。防護壁の設置手順を示す図である。防護壁の設置手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。下りアプローチ部の掘削作業手順を示す図である。上りアプローチ部を掘削している状態を示す図である。

符号の説明

１改良体１ａ下りアプローチ部の改良体
１ｂ上りアプローチ部の改良体１ｃ先端
１ｄ後端２防護壁
３シールド機４トンネル
４ａ最下端５地上発進部
６地上到達部７下りアプローチ部
７ａ半地中区間７ｂ低土被り区間
８トンネル部９上りアプローチ部
９ａ半地中区間９ｂ低土被り区間
１０掘進予定領域１１ボーリング装置
１２ビット１３ロッド
１４ノズル１５駆動手段
１６孔１７テールボイド部
２１既設構造物２２鋼矢板
２２ａ矢板本体２２ｂ雌継手部
２２ｃ雄継手部２３仮想線
３２反力手段３２ａ上面
３２ｂ反力受台３３カッターヘッド
３４セグメント３５Ｕ型覆工体
３６環状覆工体３７裏込材
３８グラウトホール３９逆止弁
４０排水装置４１第一の開閉バルブ
４２クロス継手４３プリペンダー
４４水抜き用ホース４５裏込材注入用ホース
４６第二の開閉バルブ４７第三の開閉バルブ
４８削孔機４９ロッド
５０スイベルジョイント５１貫通孔
５２通水管Ｅ地盤

Claims

シールド機を推進させるにあたり、当該シールド機の後方に敷設される覆工体の浮き上がりを防止するための浮き上がり防止方法において、
前記覆工体の内外を貫通するように設けられているグラウトホールを介して、前記覆工体の外周面と前記シールド機による掘削面との間のテールボイド部に裏込材を充填し、前記グラウトホール内及びテールボイド部内の裏込材を削孔して地盤まで到達する貫通孔を形成し、前記グラウトホール内に設けられた逆止弁を通して前記貫通孔に通水管を挿入し、前記通水管から地下水をトンネル内に通水することにより、周囲の地下水の水位を低下させることを特徴とする覆工体の浮き上がり防止方法。
前記トンネル内での内装作業によって前記覆工体の重量が平常時の地下水の浮力により浮き上がらない程度に重くなったら、前記通水管からの地下水の通水を停止し、前記貫通孔に裏込材を充填して止水することを特徴とする請求項１に記載の覆工体の浮き上がり防止方法。