JP5677728B2 - トンネルの補強方法、トンネルの補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの脚部沈下や内空変位を抑制するための補強方法及び構造に関する。

従来より、トンネルの沈下や変形を抑制するため、トンネルの内壁面を覆うように吹付コンクリート層を形成し、この吹付コンクリート層を貫通して側部の地山に水平方向に鋼管を貫入させてなるサイドパイルを設けたり、脚部の地山に斜め下向きに鋼管を貫入させてなるフットパイルを設けたりすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７―１６２３６６号公報

上記のサイドパイルやフットパイルは内部に鋼管を配置した削孔孔内にグラウトを注入して定着するが、鋼管とグラウトとの付着力が高いとはいえない。このため、十分な支持力を得るためにはサイドパイルやフットパイルを多数設け、もしくは、長くする必要があり、コスト増の原因となっている。
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、地山に鋼管を貫入することによりトンネルの沈下や変位を抑制するための補強構造において、鋼管とグラウトとの付着力を増加させ、効率良くこれらの補強を行えるようにすることである。

発明のトンネルの補強方法は、前記トンネルの内壁を覆うように吹付コンクリート層を構築し、外周面に沿って螺旋状の凹部が内周面に突出するように形成された鋼管であって、前記凹部以外の部位に、前記鋼管の内部に注入されたグラウトを鋼管の外部に流出させるための連通孔が設けられ、先端に掘削ビットが接続された鋼管を、前記掘削ビットを回転させて、前記吹付コンクリート層を貫通させて前記トンネルの周囲の地盤内まで貫入させ、前記鋼管を貫入させることで地盤に形成された削孔孔内にグラウトを充填することを特徴とする。

上記のトンネルの補強方法において、前記凹部は、前記鋼管の長さ方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。

また、本発明のトンネルの補強構造は、前記トンネルの内壁を覆うように構築された吹付コンクリート層と、当該吹付コンクリート層を貫通させて前記トンネルの周囲の地盤内まで貫入させられた鋼管と、前記鋼管を貫入させることで地盤に形成された削孔孔内に充填されたグラウトを備え、前記鋼管の外周に沿って螺旋状の凹部が前記鋼管の内周面に突出するように形成されると共に、前記凹部以外の部位に、前記鋼管の内部に注入されたグラウトを鋼管の外部に流出させるための連通孔が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、削孔孔内に充填されたグラウトが凹部に入り込んだ状態で硬化するため、鋼管とグラウトとの間の付着力が増大する。また、鋼管の外周に設けた凹部に対応して、鋼管内面には突出部が形成されることとなるが、凹部が螺旋状であるため、突出部も螺旋状となる。これにより、鋼管を地盤に貫入させる際に鋼管内を通る掘削土の流れを妨げることがなく、鋼管の貫入作業をスムーズに行うことができる。

本実施形態のトンネルの支持構造を示す鉛直断面図である。 サイドパイルの吹付コンクリート層側の端部の構成を示す拡大図である。 本実施形態の支持構造を有するトンネルの構築方法を説明するための図（その１）である。 本実施形態の支持構造を有するトンネルの構築方法を説明するための図（その２）である。 本実施形態の支持構造を有するトンネルの構築方法を説明するための図（その３）である。 本実施形態の支持構造を有するトンネルの構築方法を説明するための図（その４）である。 本実施形態の支持構造を有するトンネルの構築方法を説明するための図（その５）である。 鋼管に掘削ビット及び回転ロッドを取り付ける様子を示す図である。

以下、本発明のトンネルの支持構造の一実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。 図１は、本実施形態のトンネルの支持構造１０を示す鉛直断面図である。本実施形態のトンネル１の支持構造１０は、トンネル１の内壁面を覆う吹付けコンクリートにより構成された吹付コンクリート層２０と、吹付コンクリート層２０の側部から側方の地盤２内へ延びるサイドパイル３０と、吹付コンクリート層２０の両脚部から斜め下方に向かって地盤内へ延びるフットパイル４０と、により構成される。図１に示すように、フットパイル４０及びサイドパイル３０は、夫々、同断面内で複数本設けられ、さらに、トンネル１の長さ方向に間隔をあけて複数個所に設けられている。フットパイル４０及びサイドパイル３０は、基端部が吹付コンクリート層２０に定着されている。なお、本実施形態では、先行してトンネル上部１Ａ（破線よりも上部）を掘削した後、トンネル下部１Ｂ（破線よりも下部）を構築するものとする。

図２は、サイドパイル３０の基端部の構成を示す拡大図である。なお、フットパイル４０は、取り付けられる位置がサイドパイル３０と異なるものの、その構成はサイドパイル３０と同様であるので、フットパイル４０についての説明は省略する。図２に示すように、サイドパイル３０は、吹付コンクリート層２０を貫通し、周囲の地盤２内へと延びる削孔孔３内に挿入された鋼管３１と、削孔孔３内の鋼管３１の外側及び鋼管３１内に充填されて硬化したグラウト３２とにより構成される。

鋼管３１には、周囲に複数の螺旋状の凹部３１Ａが形成されている。なお、凹部３１Ａの断面形状は半円形や三角形等、適宜な形状を採用することができる。各凹部３１Ａは、鋼管３１の周囲を一周する程度の長さを有し、鋼管３１の長さ方向に所定の間隔ｐをあけて設けられている。また、鋼管３１の凹部３１Ａの間には、鋼管３１の中心を挟んだ両側の位置に連通孔３３が設けられている。鋼管３１内に注入されたグラウト３２は連通孔３３を通って削孔孔３内に流れ出し、鋼管３１表面の凹部３１Ａ内に入り込んだ状態で周囲の地盤２と一体に硬化している。このため、周囲の地盤２と鋼管３１との間の付着力が向上され、吹付コンクリート層２０が地山から荷重が作用することでサイドパイル３０及びフットパイル４０に引抜荷重や押込荷重が作用しても、これらの荷重に抵抗することができる。これにより、吹付コンクリート層２０が支持され、吹付コンクリート層２０の沈下及び変位を抑制することができる。

鋼管３１に形成される凹部３１Ａの間隔ｐは以下のようにして決定することができる。

まず、サイドパイル３０やフットパイル４０が構築されるべき位置（以下、原位置という）において引抜試験を行い、凹部１個あたりの付着耐力を算出する。全長が所定の長さ（本実施形態では０．５ｍ）であり、凹部３１Ａが１個形成された鋼管３１を、フットパイル４０やサイドパイル３０の鋼管３１と同様に、原位置に形成された削孔孔３内に挿入し、削孔孔３内にグラウト３２を充填して、地盤２に埋入させる。そして、この鋼管３１に対して引抜試験を行う。この時の引抜荷重をＦとすると凹部３１Ａのピッチが０．５ｍの鋼管の単位長さあたりの付着力Ｓ_ｂ５０は、以下の式で算出できる。
Ｓ_ｂ５０＝Ｆ／０．５
また、鋼管３１の付着力Ｓ_ｂｅは凹部３１Ａのピッチｐ´に反比例すると考えられ、以下の式が成立する。
Ｓ_ｂｅ：Ｓ_ｂ５０＝１／ｐ´：１／０．５

また、フットパイル４０又はサイドパイル３０に用いられる鋼管３１の降伏点荷重をＰｙとした場合に、鋼管３１に荷重Ｐｙが作用した場合であっても周囲の地盤と鋼管３１との付着が切れない必要がある。このため、鋼管３１の長さをＬ、周囲の地盤と鋼管３１との付着力をＳ_ｂｅとした場合に、以下の式が成立する。
Ｐｙ＝Ｌ×Ｓ_ｂｅ
したがって、周囲の地盤と鋼管の間に必要とされる付着力Ｓ_ｂｅは、以下の式で算出される。
Ｓ_ｂｅ＝Ｐｙ／Ｌ

よって最適な凹部３１Ａのピッチｐ´は、以下の式で算出できる。
ｐ´＝０．５×Ｓ_ｂ５０／Ｓ_ｂｅ＝０．５Ｌ×Ｓ_ｂ５０／Ｐｙ
本実施形態では、鋼管３１の凹部３１Ａのピッチｐをｐ´となるように設定するものとした。

以下、本実施形態の支持構造１０を有するトンネル１の構築方法を図３Ａ〜図３Ｅを参照しながら説明する。

まず、トンネル１の周囲の地盤２と同等の地盤において、上記の引抜試験を行い、サイドパイル３０及びフットパイル４０に用いる鋼管３１の凹部３１Ａのピッチｐを決定する。
次に、図３Ａに示すように、地盤２のトンネル上部１Ａにあたる部分を掘削する。
次に、図３Ｂに示すように、掘削したトンネル上部１Ａの内周に吹付けコンクリートを吹付けて、吹付コンクリート層２０の上部を構築する。

次に、図４に示すように、凹部３１Ａが上記決定したピッチｐで形成された鋼管３１の先端に掘削ビット５１を取り付けるとともに、鋼管３１内に回転ロッド５０を挿入し、その先端を掘削ビット５１に接続する。そして、回転ロッド５０の先端をドリルジャンボ（不図示）に接続し、回転ロッド５０を介して掘削ビット５１を回転させることでトンネル上部１Ａの下側部から側方に向けて掘削を行う。この際、鋼管３１の外周に凹部３１Ａが形成されているため、鋼管３１内面には凹部３１が突出することとなるが、凹部３１が螺旋状に形成されているため、上記突出部分も螺旋状となる。このため、掘削ビット５１により切削された土砂が鋼管３１の内部を流れる際に、螺旋状の突出部分に沿って流れるので、この流れが阻害されることはない。これにより、排泥効率を低下させることなく、掘削作業を行うことができる。そして、所定の深さまで掘削したら、回転ロッド５０をドリルジャンボから取り外し、掘削ビット５１から回転ロッド５０を取り外し、回転ロッド５０を回収する。

次に、鋼管３１の内部にグラウト３２を注入する。鋼管３１の内部に注入されたグラウト３２は連通孔３３を通って削孔孔３内に流れ出し、鋼管３１の外周に形成された凹部３１Ａの内部まで入りこむ。そして、削孔孔３内に充填したグラウト３２が硬化することで、図３Ｃに示すように、サイドパイル３０が吹付コンクリート層２０の上部と一体に構築される。

次に、図３Ｄに示すように、トンネル上部１Ａを掘削したのと同様に、地盤２のトンネル下部１Ｂに相当する部分を掘削し、トンネル下部１Ｂの内壁に吹付けコンクリートを吹付け、吹付コンクリート層２０の下部を構築する。この際、吹付コンクリート層２０の上部がサイドパイル３０により支持されるため、沈下や変形の発生を抑制できる。

次に、図３Ｅに示すように、サイドパイル３０と同様に吹付コンクリート層２０の下部に地盤２内に斜め下方に延びるようにフットパイル４０を設ける。そして、必要に応じて、トンネル底部にインバートを構築する。
以上の工程により、トンネル１を構築することができる。

本実施形態によれば、サイドパイル３０及びフットパイル４０を構成する鋼管３１の外周に螺旋状の凹部３１Ａを設けることとしたため、地盤２の掘削時に掘削土が凹部３１Ａを通じて円滑に排出されることとなり、排泥効率を向上することができ、スムーズな施工が可能となる。特に、鋼管３１として、凹部３１Ａの形状が後述する削孔孔を形成する際の掘削ビット５１の回転方向に向かって先端側に進出するような螺旋状のものを用いることとすれば、鋼管３１の回転に伴って凹部３１Ａ内の掘削土に基端側に向かう力が作用し、掘削土の排出をより円滑に行える。

また、鋼管３１に凹部３１Ａを設けることで削孔孔３内に充填されたグラウト３２がこの凹部３２に入りこんだ状態で硬化する。これにより、鋼管３１とグラウト３２との付着力が向上され、鋼管３１の引抜抵抗力及び押込抵抗力を向上することができ、より強固にトンネル１を支持し、沈下や変位を抑制することができる。

また、原位置の地盤２において引抜試験を行い、これに基づき、鋼管３１の凹部３１Ａのピッチｐを決定しているため、鋼管３１に作用する引抜力及び押込力に対して確実に抵抗できる。

なお、本実施形態では、サイドパイル３０及びフットパイル４０を設けることとしているが、これに限らず、何れか一方のみを設けることとしてもよい。また、サイドパイル３０及びフットパイル４０の設置本数は、地山２の強度に応じて適宜決定すればよい。
また、本実施形態では、吹付けコンクリートをトンネルの内周に吹付けて吹付コンクリート層２０を構築したが、これに限らず、トンネルの内周に沿って鉄筋コンクリートを打設する方法やセグメントを取り付ける方法により吹付コンクリート層２０を構築してもよい。

また、本実施形態では、鋼管３１の凹部３１Ａのピッチｐを上記の式で算出したｐ´となるように設定しているが、少なくともｐ´以下であれば、鋼管３１に降伏点荷重Ｐｙが作用した場合であっても周囲の地盤と鋼管３１との付着が切れることはない。

さらに、本実施形態では、鋼管３１に凹部３１Ａを間隔をあけて複数設けることとしたが、これに限らず、一の凹部を連続した螺旋状に設けることとしてもよい。

１ トンネル ２ 地盤
３ 削孔孔 １０ 支持構造
２０ 吹付コンクリート層 ３０ サイドパイル
３１ 鋼管 ３１Ａ 凹部
３２ グラウト ４０ フットパイル
５０ 回転ロッド ５１ 掘削ビット

Claims (5)

1. トンネルの補強方法であって、
   前記トンネルの内壁を覆うように吹付コンクリート層を構築し、
   外周面に沿って螺旋状の凹部が内周面に突出するように形成された鋼管であって、前記凹部以外の部位に、前記鋼管の内部に注入されたグラウトを前記鋼管の外部に流出させるための連通孔が設けられ、先端に掘削ビットが接続された前記鋼管を、前記掘削ビットを回転させて、前記吹付コンクリート層を貫通させて前記トンネルの周囲の地盤内まで貫入させ、
   前記鋼管を貫入させることで地盤に形成された削孔孔内にグラウトを充填することを特徴とするトンネルの補強方法。
2. 請求項１記載のトンネルの補強方法であって、
   前記凹部は、前記鋼管の長さ方向に間隔をあけて複数設けられていることを特徴とするトンネルの補強方法。
3. 前記鋼管は、サイドパイル及びフットパイルの少なくとも何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネルの補強方法。
4. トンネルの補強構造であって、
   前記トンネルの内壁を覆うように構築された吹付コンクリート層と、
   当該吹付コンクリート層を貫通させて前記トンネルの周囲の地盤内まで貫入させられた鋼管と、
   前記鋼管を貫入させることで地盤に形成された削孔孔内に充填されたグラウトを備え、
   前記鋼管の外周に沿って螺旋状の凹部が前記鋼管の内周面に突出するように形成されると共に、前記凹部以外の部位に、前記鋼管の内部に注入されたグラウトを前記鋼管の外部に流出させるための連通孔が設けられていることを特徴とするトンネルの補強構造。
5. 前記鋼管は、サイドパイル及びフットパイルの少なくとも何れかであることを特徴とする請求項４に記載のトンネルの補強構造。

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