JP5688479B2 - トンネル施工方法 - Google Patents

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本発明は、特に大断面のトンネルの施工中に、施工方式を変更可能なトンネルの施工方法に関するものである。
従来、トンネルを構築する際には、例えば、シールド機の後方で場所打ちコンクリートを施工しながら掘進するSENS(Shield machine Extruded concrete lining NATM System)工法のシールド機が用いられる場合がある。場所打ちコンクリート(ECL(Extruded Concrete Lining)用のシールド機を用いることで、シールド機後方に内型枠および妻型枠を用いてコンクリートを打設しながら掘進し、トンネルを施工することができる(以後、場所打ちコンクリート方式によるトンネルの施工方法と称する)。
一方、シールド機の後方にセグメントを構築しながら掘進し、トンネルを施工する方法がある(以後、セグメント方式によるトンネルの施工方法と称する)。セグメント方式によりトンネルを施工するためには、セグメント方式用のシールド機を用いる必要がある。場所打ちコンクリート方式およびセグメント方式は、通常、施工するトンネルの場所や態様、コスト、工期等を勘案して使い分けられる。したがって、トンネルの施工に際しては、どのような施工方式を採用するかを事前に決定し、使用するシールド機を選定する必要がある。
しかし、トンネルによっては、掘進中の地山の強度や施工部位によって、これらの方式を使い分けたい場合がある。したがって、両方式に対応可能な施工方法が望まれる。
このような方法として、例えば、トンネル等を構築する際に、1台のシールド機を用い、場所打ちコンクリートおよびセグメントで覆工する方法がある(特許文献1、特許文献2)。
特公平7−86317 特開2004−52467
しかし、特許文献1、特許文献2いずれの方法においても、セグメント方式と場所打ちコンクリート方式との切り替えにおける具体的な部材の設置方法や止水等の方法については記載されていない。このため、方式の切り替え部における切り替え作業時のシールド機後方からの漏水の問題や、狭い位置におけるセグメントや内型枠の組み立て・設置作業が困難であるという問題がある。また、方式切り替え部における、シールド機の反力伝達部分の強度が十分でないと、施工したコンクリート部またはセグメント部の破損の恐れがある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、トンネル施工時に、一台のシールド機で場所打ちコンクリート方式およびセグメント方式を切り替え可能であり、切り替え時に置ける漏水の問題がなく、切り替え作業が容易なトンネル施工方法を提供することを目的とする。
前述した目的を達成するため、の発明は、掘進途中においてセグメント方式から場所打ちコンクリートによる方式に切り替るトンネル施工方法であって、スキンプレート内に設けられる推進用ジャッキと、シールド機の後方での場所打ちコンクリートの型枠として用いられる妻型枠と、前記妻型枠を前後進可能な妻型枠用ジャッキと、前記妻型枠の内面に対し着脱可能な第1のシール部と、前記スキンプレートの内面に対し着脱可能な第2のシール部と、を具備するシールド機を用い、第2のセグメントを設置しつつ、前記第2のセグメントの外方に第2の充填材を充填し、セグメント方式でトンネルを施工する工程(p)と、前記スキンプレートの後端近傍の止水を行う工程(q)と、前記第2のセグメントに、内型枠反力リングを接合し、前記第2のシール部を前記スキンプレートより撤去する工程(r)と、前記内型枠反力リングの前方に内型枠を設置するとともに、前記妻型枠の内面に第1のシール部を設置し、前記内型枠と前記妻型枠を型枠として場所打ちコンクリートによる方式でトンネルを施工する工程(t)と、を具備することを特徴とするトンネル施工方法である。
前記工程(r)において、前記妻型枠用ジャッキにより、前記第2のシール部をシールド機の前方に移動させることが望ましい。
前記工程(r)では、さらに、前記スキンプレートの後端近傍の止水を行うことが望ましい。
の発明によれば、セグメント方式から場所打ちコンクリート方式に変更することもできる。この場合、方式変更境界部におけるセグメントの内周に、内型枠反力リングを設けることで、推進用ジャッキからの押圧力を境界部において確実に伝達させることができる。
本発明によれば、トンネル施工時に、一台のシールド機で場所打ちコンクリート方式およびセグメント方式を切り替え可能であり、切り替え時に置ける漏水の問題がなく、切り替え作業が容易なトンネル施工方法を提供することができる。
シールド機1を示す図で、(a)は概略側面断面図、(b)は(a)のA部拡大図。 場所打ちコンクリート方式からセグメント方式へ切り替える工程を示す図で、テールシール27の設置工程を示す図。 場所打ちコンクリート方式からセグメント方式へ切り替える工程を示す図で、テーパセグメント29の設置工程を示す図。 場所打ちコンクリート方式からセグメント方式へ切り替える工程を示す図で、セグメント35の組み立て工程を示す図。 セグメント方式から場所打ちコンクリート方式へ切り替える工程を示す図で、内型枠反力リング41の設置工程を示す図。 セグメント方式から場所打ちコンクリート方式へ切り替える工程を示す図で、妻型枠内周シール18の設置工程を示す図。 セグメント方式から場所打ちコンクリート方式へ切り替える工程を示す図で、モルタル37の充填工程を示す図。 セグメント方式から場所打ちコンクリート方式へ切り替える工程を示す図で、内型枠15の組み立て工程を示す図。 推進用ジャッキ7のスライド状態を示す図で、(a)は内周方向に位置した状態を示す図、(b)は外周方向に移動させた状態を示す図。
以下、本発明の実施の形態にかかるトンネルの施工方法について説明する。図1は、本発明に用いられるシールド機1を示す図であり、図1(a)はシールド機1の概略側方断面図、図1(b)は図1(a)のA部拡大図である。なお、図1(b)(および以後の図面)においては、簡単のため、妻型枠用ジャッキ11と合わせて推進用ジャッキ7を同一図面上に図示する。図1は、シールド機1が場所打ちコンクリート方式によりトンネルを構築する状態を示す図である。シールド機1は、主に、スキンプレート3、カッタヘッド5、推進用ジャッキ7、妻型枠9、妻型枠用ジャッキ11およびスクリューコンベア13等により構成される。
スキンプレート3は円筒状部材であり、前方にカッタヘッド5が設けられる。カッタヘッド5はシールド機1の前方の地山を掘削するものであり、図示を省略したモータ等により回転可能である。スキンプレート3の内面には、推進用ジャッキ7がスキンプレート3の周方向に所定間隔で複数設けられる。推進用ジャッキ7は、後方のセグメントや内型枠等を押圧し、その反力でシールド機1を推進させるものである。
スキンプレート3の内周には、推進用ジャッキ7と同様に円周方向に複数の妻型枠用ジャッキ11が設けられる。妻型枠用ジャッキ11の先端にはリング状の妻型枠9が設けられる。すなわち、妻型枠9は妻型枠用ジャッキ11によってシールド機1の前後方向に移動可能である。なお、妻型枠用ジャッキ11と推進用ジャッキ7は干渉しないように周方向の位置をずらして配置され、推進用ジャッキ7同士の間であって、推進用ジャッキ7よりやや外方に妻型枠用ジャッキ11が配置される。
図1(b)に示すように、推進用ジャッキ7の先端には内型枠用スプレッダ19が設けられる。内型枠用スプレッダ19は、推進用ジャッキ7により内型枠15に押し付けられて、内型枠15に対して押圧力を付与する部位である。すなわち、内型枠用スプレッダ19の押圧面の中心位置(シールド機1の径方向の位置)が、シールド機1における内型枠15の径方向の位置と一致するように配置される。なお、以下の説明において、リング状のスプレッダにおける押圧面の中心(シールド機1の径方向の位置)をスプレッダの軸芯と称する。
妻型枠9の内周面には、妻型枠内周シール18が設けられる。第1のシール部である妻型枠内周シール18は、ブラシ状の部材であり、コンクリートを打設する際のシール部材として機能し、妻型枠9の内周面にボルト等で着脱可能に設置される。
スキンプレート3の後端部近傍には、全周にわたって凍結管21が埋め込まれている。凍結管21には冷媒が流されて周囲の地山等を冷却することができる。すなわち、スキンプレート3の後端部近傍の地山やコンクリート等を凍結止水することができる。なお、スキンプレート3は、凍結管21が埋設可能な程度の厚みを有する。
シールド機1は、シールド機1の前方の地山をカッタヘッド5で掘削して、掘削土砂をスクリューコンベア13でシールド機1後方に運搬しながら、推進用ジャッキ7(内型枠用スプレッダ19)を内型枠15に押し付け、反発力により前方に推進する。この際、妻型枠9はスキンプレート3の後端近傍に配置し、内型枠15および妻型枠9および周囲を地山とで囲まれた空間にコンクリート17を打設する。コンクリート17は、図示を省略したミキサおよびポンプ等により、妻型枠9後方に打設される。なお、内型枠15の設置及び撤去は、図示を省略した内型枠組み立て装置および内型枠撤去装置を用いて行われる。
妻型枠用ジャッキ11は、コンクリート17の打設量や圧力等に応じて妻型枠9をシールド機1の前後方向に移動させる。所定量のコンクリート17が打設されると、推進用ジャッキ7を縮めて、図示を省略した内型枠組み立て装置によって、既設の内型枠15の前方にさらに内型枠15を組立、推進用ジャッキ7を押しつけてさらに前進する。以上を繰り返しながら、場所打ちコンクリート方式により、トンネルを施工することができる。
次に、トンネル施工中において、場所打ちコンクリート方式からセグメント方式への切り替え方法について説明する。図2〜図4は、方式切り替えの工程を示す図である。
まず、前述のように、場所打ちコンクリート方式によりトンネルを施工する。打設したコンクリート17が固結した後、図2(a)に示すように、凍結管21により、スキンプレート3後端部近傍の地山等を凍結止水し、止水部23を形成する。次に、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9をシールド機1の前方へ引き戻す(図中矢印B方向)。この際、スキンプレート3後方近傍が凍結止水されるので、ここからの漏水の恐れがない。なお、非常に狭い部位においても、埋め込み凍結管21であれば、確実に漏水危険部位の止水を行うことができる。
次に、図2(b)に示すように、妻型枠内周シール18を妻型枠9より取り外す。また、妻型枠9の後方にリング部材25を設置し、妻型枠9と接合する。リング部材25は、スキンプレート3の内周に沿って軸方向にスライド移動可能なリング状の部材である。リング部材25は、妻型枠用ジャッキ11のストロークと、後述するテールシール27等の移動量に応じて設置される。リング部材25の後方には、テールシール27が設置される。第2のシール部であるテールシール27は、リング状の部材の内周にブラシ状部材が設けられた部材であり、スキンプレート3の内周に沿って軸方向にスライド移動可能である。なお、必要に応じて、テールシール27のリング状部材には、リング部材25との接合用のフランジ部が設けられ、リング部材25のフランジ部と接合される。
次に、図2(c)に示すように、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9を後方に移動させる(図中矢印C方向)。すなわち、妻型枠9によってリング部材25およびテールシール27が後方にスライド移動する。
次に、図2(d)に示すように、テールシール27をスキンプレート3の後端部近傍に配置して、テールシール27をスキンプレート3の内面に接合する。この状態で、テールシール27のフランジ部を取り外す。さらに、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9および妻型枠9と接合されたリング部材25をシールド機1の前方に引き戻す(図中矢印D方向)。
次に、図3(a)に示すように、リング部材25の後方に仮セグメント31およびテーパセグメント29を接合する。第1のセグメントであるテーパセグメント29は、セグメント方式への切り替え境界部における推進用ジャッキからの押圧力を受ける部位である。仮セグメント31は、テーパセグメント29を内型枠15の所定位置に設置するための部材であり、テーパセグメント29の前面(押圧面)と略同じ大きさのセグメントである。
図3(b)に示すように、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9をシールド機1の後方に移動させる(図中矢印E方向)。すなわち、妻型枠9およびこれと接合される仮セグメント31およびテーパセグメント29を後方に移動させる。内型枠15の端面とテーパセグメント29の端面(仮セグメント31との接合面)とが略一致する位置で、テーパセグメント29を内型枠15の外面に接合する。テーパセグメント29は、前方が肉厚となるテーパ形状であるため、前方からの押圧力を確実に受けることができる。
次に、図3(c)に示すように、仮セグメント31とテーパセグメント29との仮止めを外す。さらに、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9および妻型枠9と接合された仮セグメント31をシールド機1の前方に引き戻す(図中矢印F方向)。
次に、図4(a)に示すように、リング部材25および仮セグメント31をばらして撤去する。さらに、内型枠用スプレッダ19をセグメント用スプレッダ33と交換する。セグメント用スプレッダ33は、内型枠用スプレッダ19よりも外周側に軸芯が位置する部材である。なお、セグメント用スプレッダ33の軸芯が、シールド機1における設置するセグメント35の径方向の位置と一致するように配置される。
この状態で、内型枠15およびテーパセグメント29の前方に第2のセグメントであるセグメント35を設置する。セグメント35は例えば鋼製セグメントである。
さらに、図4(b)に示すように、推進用ジャッキ7(セグメント用スプレッダ33)によってセグメント35を押圧し、セグメント35の設置を繰り返しながら推進する。なお、この際、テーパセグメント29の外方(およびテーパセグメント29と接触するセグメント35の外方)に、スキンプレート3の後方からモルタル37を充填する。第1の充填材であるモルタル37は、コンクリート17と略同強度であることが望ましい。たとえば、コンクリート17に対して骨材のみを省いた材料である。なお、モルタル37の充填を行った後は、凍結管21による止水を停止してもよい。
図4(c)に示すように、内型枠15およびセグメント35の境界近傍には、モルタル37を充填するが、それ以降(前方側)に対しては、セグメント35の外方には裏込め材39を充填しながら掘進する。裏込め材39は、モルタルにベントナイト等を混合したもので、特に強度は不要である。すなわち、モルタル37に対して、裏込め材39は強度が低い。以上、セグメント35の設置等を繰り返し、セグメント方式によりトンネルを施工することができる。すなわち、場所打ちコンクリート方式からセグメント方式への切り替えを行うことができる。
次に、トンネル施工中において、セグメント方式から場所打ちコンクリート方式への切り替え方法について説明する。図5〜図8は、方式切り替えの工程を示す図である。なお、以下の説明においては、図2〜図4に示した構成と同様の構成については重複した説明は省略する。
まず、図5(a)に示すようなセグメント方式によるトンネルの施工状態に対し、図5(b)に示すように、スキンプレート3の後端部近傍を凍結管21によって凍結止水する。これにより、裏込め材39および地山側からの漏水を防止できる。
また、切り替え前に最後に設置されたセグメント35(最も前方側に位置するセグメント35)の内周面に内型枠反力リング41が接合される。内型枠反力リング41は前方側の厚さが厚いテーパ断面形状の部材である。なお、内型枠反力リング41はリング状の部材であり、外周面がセグメント35の内周面と接合される。この際、内型枠反力リング41の端面とセグメント35の端面とが略一致するように設置される。なお、内型枠反力リング41は、複数のセグメント35にまたがるように接合されてもよい。
次に、図5(c)に示すように、セグメント用スプレッダ33を内型枠用スプレッダ19に交換する。内型枠用スプレッダ19は、内型枠反力リング41およびセグメント35を押圧することができる。さらに、妻型枠9の後方にリング部材25を設置し接合する。
次に、図6(a)に示すように、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9およびリング部材25を後方に移動させる(図中矢印G方向)。リング部材25がテールシール27の位置まで移動したら、フランジ等を接合して、リング部材25とテールシール27とを接合する。さらに、テールシール27とスキンプレート3との接合を取り外す。
次に、図6(b)に示すように、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9およびこれと接合されたリング部材25、テールシール27をシールド機1の前方に引き戻す(図中矢印H方向)。
次に、図6(c)に示すように、リング部材25およびテールシール27を撤去する。さらに、妻型枠9の内周面に妻型枠内周シール18を取り付ける。
次に、図7(a)に示すように、内型枠15を内型枠反力リング41の前方に接合して、推進用ジャッキ7(内型枠用スプレッダ19)により押圧する。これと前後して、妻型枠用ジャッキ11を駆動し、妻型枠9を後方に移動させる(図中矢印I方向)。
さらに、図7(b)に示すように、内型枠反力リング41が取り付けられたセグメント35の外周部にモルタル37を充填する。なお、モルタル37の充填を行う際には、凍結管21による止水を停止してもよい。
以上の状態から、図8(a)に示すように、妻型枠9と内型枠15とを型枠として、内型枠15の外方にコンクリート17を打設する。コンクリート17を打設しながら内型枠15を押圧してシールド機を推進させる。図8(b)に示すように、順次内型枠15を組み立てながら、トンネルを場所打ちコンクリート方式で施工する(図中矢印J方向)。
本実施の形態にかかるトンネルの施工方法によれば、トンネルの施工途中において、セグメント方式および場所打ちコンクリート方式を任意の場所で、何回でも、容易に切り替えることができる。
また、テールシール27や方式切り替え時に用いられるテーパセグメント29、内型枠反力リング41等を必要に応じてシールド機1の後方に設置または撤去する際には、妻型枠用ジャッキ11およびリング部材25が用いられる。このため、組み立て、設置作業は比較的広い部位で行い、容易に部材を後方に移動させることができるため作業性に優れる。
また、スキンプレート3の後端部には、凍結管21が埋め込まれているため、方式切り替え時における作業中に、方式変更境界部近傍の地山等からの漏水を確実に防止することができるとともに、凍結管21はスキンプレート3から露出しないため、トンネルの施工時等において、作業の妨げになったり他の部材と干渉したりすることもない。
セグメント方式への切り替え時に用いられ、内型枠15に接合されるテーパセグメント29は、前方が肉厚のテーパ断面形状であるため、前方からの押圧力を確実に受け止め、内型枠15等へ押圧力を伝達することができる。また、仮セグメント31を用いるため、テーパセグメント29の固定位置を内型枠15の端面に合わせることが容易である。
また、方式切り替え境界部近傍の外方には、強度の高いモルタル37が充填されるため、境界部のひび割れや漏水等を防止することができるとともに、通常のセグメントの外方には、必要最低限の裏込め材39を充填するため、過剰な強度となることがない。
また、方式切り替え境界部近傍には、テーパセグメント29や内型枠反力リング41が用いられるため、内型枠15のみ、セグメント35のみの場合と比較して強度が高く、推進用ジャッキ7からの押圧力に対して、破損等の恐れがない。
また、内型枠15の押圧時とセグメント35の押圧時とで、推進用ジャッキ7に取り付けられるスプレッダを交換するため、内型枠15および内型枠15よりも外側に設置されるセグメント35のそれぞれの端面の中心を確実に押圧することができる。
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、内型枠15およびセグメント35それぞれの押圧時に用いられるスプレッダを交換したが、これに限られない。図9は、推進用ジャッキ7および妻型枠用ジャッキ11をシールド機1の後方から見た配置図である。図9(a)に示すように、推進用ジャッキ7および妻型枠用ジャッキ11は、スキンプレート3の内面にシールド機1の軸方向に略垂直に形成されるジャッキ保持フランジ45により保持される。
ジャッキ保持フランジ45にはスライド孔43が形成される。スライド孔43は、略楕円形の長穴であり、シールド機1の中心方向側の端部(以下単に中心方向端部と称する)にやや張り出したような形状である。推進用ジャッキ7は、推進用ジャッキ7のロッドがスライド孔43を貫通するように設置される。推進用ジャッキ7により内型枠15を押圧する場合には(推進用ジャッキ7による押圧対象部が、スキンプレート3から離れた部位である場合には)推進用ジャッキ7をスライド孔43の中心方向端部側に移動させて、ジャッキ保持フランジ45に固定する。この際、推進用ジャッキ7のロッドは、スライド孔43の中心方向端部方向にずれた位置に配置される。なお、推進用ジャッキ7をスライド孔43の中心方向端部側に設置した状態でも、推進用ジャッキ7の端部には、スライド孔43の中心方向端部が露出している。すなわち、推進用ジャッキ7をシールド機1の中心方向に移動させても、スライド孔43の中心方向端部が塞がれないため、配管や配線等をスライド孔43に挿通することができる。
同様に、推進用ジャッキ7によりセグメント35を押圧する場合には(推進用ジャッキ7による押圧対象部が、スキンプレート3に近い部位である場合には)推進用ジャッキ7をシールド機1の外方側に移動させて(図中矢印K方向)、ジャッキ保持フランジ45に固定する。この際、推進用ジャッキ7のロッドは、スライド孔43の外方側端部(シールド機1の外方側の端部)方向にずれた位置に配置される。なお、この状態でも、スライド孔43の中心方向端部が塞がれないため、配管や配線等をジャッキ保持フランジ45に挿通することができる。
以上により、推進用ジャッキ7をシールド機1の中心方向および外方にスライド移動させることができるため、推進用ジャッキ7の先端に設置されるスプレッダの軸芯をシールド機1の外周方向または中心方向に偏心(移動)させることができる。
なお、推進用ジャッキ7のスライド移動によるスプレッダの軸芯の偏心移動と、スプレッダの交換によるスプレッダの軸芯の偏心量の変更とは、組み合わせて使用することもできる。たとえば、内型枠とセグメントの押圧部位が大きく異なる場合(偏心量が大きい場合)には、スプレッダの変更のみでは対応しきれず、また、推進用ジャッキ7の移動量にも制限があるため、このような場合には、これらを組み合わせることで、大きな偏心量に対しても対応することができる。
1………シールド機
3………スキンプレート
5………カッタヘッド
7………推進用ジャッキ
9………妻型枠
11………妻型枠用ジャッキ
13………スクリューコンベア
15………内型枠
17………コンクリート
18………妻型枠内周シール
19………内型枠用スプレッダ
21………凍結管
23………止水部
25………リング部材
27………テールシール
29………テーパセグメント
31………仮セグメント
33………セグメント用スプレッダ
35………セグメント
37………モルタル
39………裏込め材
41………内型枠反力リング
43………スライド孔
45………ジャッキ保持フランジ

Claims (3)

  1. 掘進途中においてセグメント方式から場所打ちコンクリートによる方式に切り替るトンネル施工方法であって、
    スキンプレート内に設けられる推進用ジャッキと、
    シールド機の後方での場所打ちコンクリートの型枠として用いられる妻型枠と、
    前記妻型枠を前後進可能な妻型枠用ジャッキと、
    前記妻型枠の内面に対し着脱可能な第1のシール部と、
    前記スキンプレートの内面に対し着脱可能な第2のシール部と、
    を具備するシールド機を用い、
    第2のセグメントを設置しつつ、前記第2のセグメントの外方に第2の充填材を充填し、セグメント方式でトンネルを施工する工程(p)と、
    前記スキンプレートの後端近傍の止水を行う工程(q)と、
    前記第2のセグメントに、内型枠反力リングを接合し、前記第2のシール部を前記スキンプレートより撤去する工程(r)と、
    前記内型枠反力リングの前方に内型枠を設置するとともに、前記妻型枠の内面に第1のシール部を設置し、前記内型枠と前記妻型枠を型枠として場所打ちコンクリートによる方式でトンネルを施工する工程(t)と、
    を具備することを特徴とするトンネル施工方法。
  2. 前記工程(r)において、前記妻型枠用ジャッキにより、前記第2のシール部をシールド機の前方に移動させることを特徴とする請求項に記載のトンネル施工方法。
  3. 前記工程(r)では、さらに、前記スキンプレートの後端近傍の止水を行うことを特徴とする請求項または請求項記載のトンネル施工方法。
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