JP5712664B2 - シールドトンネルの縦潰れ防止構造、シールドトンネルの縦潰れ防止工法、およびシールドトンネル - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルの縦潰れ防止構造、シールドトンネルの縦潰れ防止工法、およびシールドトンネルに関するものであり、具体的には、施工容易かつ低コストに、シールドトンネルにおける効果的な縦潰れ防止を図る技術に関する。

道路や鉄道線路等を小さい土被り厚でアンダーパスしたり、様々な地盤状況に幅広く対応してトンネル掘削を施工できるシールド工法は、軟弱地盤が多く施工条件に制約が多い都市土木の分野で特に適用範囲を広げている。こうしたシールド工法により小土被りのトンネルを構築する場合、上下方向の土圧より側方土圧が卓越するため、シールドトンネルにおいて、縦に細長くなろうとするいわゆる縦潰れが生じるおそれがある。このため、こうした現象に対処する工法が従来より提案されてきた。

例えば、シールド機で掘削され、鉛直荷重よりも側方荷重が大きく作用するトンネル内に、環状に敷設されたセグメントを補強するための補強方法において、棒状の仮設梁を、その長手方向が前記トンネルの軸方向に直交するように、かつ、略水平に前記セグメントの内方の所定の位置に着脱可能に設置する仮設梁設置工程と、棒状の第一の本設梁を、その長手方向が前記トンネルの軸方向に直交するように、かつ、略水平に前記セグメントの内方のインバート部に設置する第一の本設梁設置工程と、前記仮設梁を撤去する仮設梁撤去工程とを備えることを特徴とするセグメントの補強方法（特許文献１）などが提案されている。

特開２０１０−１０１０２３号公報

しかしながら、従来技術のように水平方向に梁材を設置して、側方土圧に由来する圧縮力に抵抗する場合、梁材の設置、撤去にかかるコストや手間が大きいという問題がある。他方、特殊セグメントの採用や覆工厚増加といった対策を施す場合でも、トンネル掘削外径が大きくなるなど、掘削工事自体の施工コスト増加が生じる恐れがあった。

そこで本発明は、施工容易かつ低コストに、シールドトンネルにおける効果的な縦潰れ防止を図る技術の提供を目的とする。

上記課題を解決するシールドトンネルの縦潰れ防止構造は、シールドトンネルにおける上部および下部の覆工体間に引張材を設置してなるシールドトンネルの縦潰れ防止構造であって、前記覆工体の上部及び下部の一方から他方に向けて引張材を設置して、当該他方において前記引張材を支持し、当該支持位置からトンネル軸方向に前記引張材を延設して支持し、当該支持位置から前記上部及び下部の一方に向けて引張材を設置して、当該一方において前記引張材を支持し、当該支持位置から前記トンネル軸方向に前記引張材を延設して支持する工程を行い、又は、この工程を繰り返すことにより前記引張材が設置されたことを特徴とする。これによれば、上述の側方土圧による縦潰れの断面力がシールドトンネルに作用しても、前記断面力によりトンネル外方に変位しようとする覆工体（トンネル上部および下部の覆工体）の挙動を引張材で抑制し、ひいては縦潰れの防止を図ることが出来る。また例えば、取り扱い容易なワイヤーやチェーンといった索状体を引張材として用いることが可能であり、施工性、施工コストの両面で優れた縦潰れ防止構造の形成が可能となる。前記引張材としては、上述の通り取り扱い容易な索状体などの部材を採用できるから、施工現場への引張材の搬入、設置、および不要時の撤去も非常に簡便となる。
また、シールドトンネルの内空上下方向での引張材の設置から、この引張材のトンネル軸方向への引張材の延伸および設置まで、一本の引張材を用いた連続的な処理が可能となる。従って、所定間隔のトンネル断面毎に引張材の設置を逐一実施するより、効率的に縦潰れ防止構造を形成することが可能となる。なお、トンネル軸方向にも引張材を設置することで、例えば、覆工体がトンネル軸方向に離間しようとする挙動に対して抵抗することも可能となる。

なお、前記シールドトンネルの縦潰れ防止構造において、覆工体上部における１の引張材設置箇所から覆工体下部に対し、トンネル断面方向に離間する２本の引張材を設置してなるとしてもよい。これによれば、例えばトンネル内空の他の構造物や施工装置等を回避するように、２本の引張材を互いに離間させて設置することが可能であり、限られたトンネル内空において施工状況等に応じて柔軟に縦潰れ防止構造を構成することができる。

また、前記シールドトンネルの縦潰れ防止構造において、引張材設置に際し、引張材に引張力を導入してなるとしてもよい。これによれば、引張材が縦潰れの断面力に対してより強く抵抗することが可能となる。

また、本発明におけるシールドトンネルの縦潰れ防止工法は、シールドトンネルにおける覆工体の上部および下部の間に引張材を設置するシールドトンネルの縦潰れ防止工法であって、前記覆工体の上部及び下部の一方から他方に向けて引張材を設置して、当該他方において前記引張材を支持し、当該支持位置からトンネル軸方向に前記引張材を延設して支持し、当該支持位置から前記上部及び下部の一方に向けて引張材を設置して、当該一方において前記引張材を支持し、当該支持位置から前記トンネル軸方向に前記引張材を延設して支持する工程を行い、又は、この工程を繰り返すことにより前記引張材を設置することを特徴とする。これによれば、上述の側方土圧による縦潰れの断面力がシールドトンネルに作用しても、前記断面力によりトンネル外方に変位しようとする覆工体（トンネル上部および下部の覆工体）の挙動を引張材で抑制し、ひいては縦潰れの防止を図ることが出来る。また例えば、取り扱い容易なワイヤーやチェーンといった索状体を引張材として用いることが可能であり、施工性、施工コストの両面で優れた縦潰れ防止構造の形成が可能となる。前記引張材としては、上述の通り取り扱い容易な索状体などの部材を採用できるから、施工現場への引張材の搬入、設置、および不要時の撤去も非常に簡便となる。
また、シールドトンネルの内空上下方向での引張材の設置から、この引張材のトンネル軸方向への引張材の延伸および設置まで、一本の引張材を用いた連続的な処理が可能となる。従って、所定間隔のトンネル断面毎に引張材の設置を逐一実施するより、効率的に縦潰れ防止構造を形成することが可能となる。なお、トンネル軸方向にも引張材を設置することで、例えば、覆工体がトンネル軸方向に離間しようとする挙動に対して抵抗することも可能となる。

また、本発明のシールドトンネルは、上記の縦潰れ防止構造を備えたことを特徴とする。これによれば、上述の側方土圧による縦潰れの断面力がシールドトンネルに作用しても、前記断面力によりトンネル外方に変位しようとする覆工体（トンネル上部および下部の覆工体）の挙動を引張材で抑制し、ひいては縦潰れの防止を図ったシールドトンネルを形成することが出来る。また例えば、取り扱い容易なワイヤーやチェーンといった索状体を引張材として用いることが可能であり、施工性、施工コストの両面で優れた縦潰れ防止構造の形成が可能となる。前記引張材としては、上述の通り取り扱い容易な索状体などの部材を採用できるから、施工現場への引張材の搬入、設置、および不要時の撤去も非常に簡便となる。
また、シールドトンネルの内空上下方向での引張材の設置から、この引張材のトンネル軸方向への引張材の延伸および設置まで、一本の引張材を用いた連続的な処理が可能となる。従って、所定間隔のトンネル断面毎に引張材の設置を逐一実施するより、効率的に縦潰れ防止構造を形成することが可能となる。なお、トンネル軸方向にも引張材を設置することで、例えば、覆工体がトンネル軸方向に離間しようとする挙動に対して抵抗することも可能となる。

本発明によれば、施工容易かつ低コストに、シールドトンネルにおける効果的な縦潰れ防止を図ることができる。

本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例１を示す図である。 本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例２を示す図である。 本実施形態における解析結果１を示す図である。 本実施形態における解析結果２を示す図である。 本実施形態における解析結果３を示す図である。 本実施形態における解析結果４を示す図である。 本実施形態における解析結果５を示す図である。 本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例３を示す図である。

−−−適用例１−−−
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例１を示す図である。図１の斜視図にて示すように、地盤１に形成されるシールドトンネル１０は、その施工中において、セグメント１２がトンネル周方向に配置されたセグメントリング１４（覆工体）を、トンネル進行方向に順次連結させた形態をとる。こうしたセグメント１４の配置や連結の作業は、シールドマシンが具備するエレクター等により実行される。例えば、交通量の非常に多い都市部の道路や鉄道線路が地上２にあって安易に開削工法が採用できず、一方、地下には既に他の地下構造物が存在するといった施工条件の場合、既存地下構造物を避けた浅い深度にシールドトンネルを構築する必要がある。すなわち、小土被りのシールドトンネルの構築が要求される。このような施工条件では土被り部分の上載荷重が小さく、上下方向の土圧より側方土圧が卓越するため、シールドトンネル１０は縦に細長くなろうとする縦潰れの挙動を示す恐れがある。

そこで本実施形態においては、シールドトンネル１０における上部セグメント１２ａおよび下部セグメント１２ｂの一方から他方に向けて引張材２０を設置し、縦潰れ防止構造を形成している。図１に示した例では、１つおきのセグメントリング１４において、上部セグメント１２ａと下部セグメント１２ｂとの間に１本の引張材２０を設けている。セグメントにおける引張材２０の設置に際しては、例えば、セグメントに元々備わっている吊り環１３に引張材端部を締結し支持するなどすればよい。この場合、吊り環１３が引張材２０の設置箇所であり、支持位置となる。

また本実施形態では、前記引張材２０の設置箇所となった吊り環１３を具備する上部セグメント１２ａおよび下部セグメント１２ｂのいずれかと、該当セグメントのセグメントリング１４にトンネル軸方向で並列する他セグメントとの間での前記引張材２０の設置を連続して行っている。つまり、支持位置たる吊り環１３からトンネル軸方向に前記引張材２０を延設して支持している。

図１の例であれば、最も切羽側のセグメントリング１４ａにおいて設置された引張材２０は、下部セグメント１２ｂが具備する吊り環１３を支点にして、１つセグメントリング１４ｂを飛ばした坑口側のセグメントリング１４ｃの下部セグメント１２ｂの吊り環１３から延伸されているものとなる。また、このセグメントリング１４ｃの内空を上下に貫いている引張材２０は、上部セグメント１２ａが具備する吊り環１３を支持点にして、１つセグメントリング１４ｄを飛ばした坑口側のセグメントリング１４ｅの上部セグメント１２ａの吊り環１３から延伸されているものとなる。

こうして、セグメントリング１４の内空１１を上下に貫く形で設置されるだけなく、セグメントリング１４を跨る形でも設置される引張材２０は、坑口側から切羽側に向けたセグメントリング１４の施工に合わせて上記同様の形態で設置が繰り返されることになる。こうした引張材２０の設置形態によれば、セグメントリング１４における内空上下方向での引張材２０の設置から、この引張材２０を設置したセグメントリング１４とトンネル軸方向で並列する他のセグメントリングとを跨った引張材設置まで、一本の引張材２０を用いた連続的な処理が可能となる。従って、例えばセグメントリング毎に引張材２０の設置を逐一実施するより、効率的に縦潰れ防止構造を形成することが可能となる。勿論、こうした引張材の設置を、セグメントリング間で連続して行うとすれば、更に施工効率は高まる。なお、セグメントリング１４の間にも引張材２０を設置することで、例えば、セグメントリング同士が離間する挙動に対して抵抗することも可能となる。

図１に基づいて引張材２０の設置について例示を行ったが、引張材２０の設置形態としては勿論こうした形態に限定されない。例えば、１つおきではなく、全てのセグメントリング１４において、その上部セグメント１２ａと下部セグメント１２ｂとの間に引張材２０を設けるとしてもよい。或いはセグメントリング２つ以上の間隔で引張材２０を設けるとしてもよい。

なお、シールドトンネル１０に元来かかっている上載荷重（シールドトンネル直上の土塊重量に由来）と側方圧（土圧や水圧）をモデル化したシールドトンネルに載荷して断面力を求め、この断面力に対抗しうるよう、引張材２０の部材強度、吊り環１３への締結強度、各セグメントリング１４における引張材設置本数、引張材への導入引張力、セグメントリング間の設置間隔等を設計することになる。

こうした縦潰れ防止構造を採用するとすれば、上述の側方土圧による縦潰れの断面力がシールドトンネルに作用しても、前記断面力によりトンネル外方に変位しようとする上部セグメント１５と下部セグメント１６の挙動を引張材２０で抑制し、ひいては縦潰れの防止を図ることが出来る。より詳細に述べると、小土被りのトンネルでは、上下方向の土圧よりも側方土圧が優越することで、トンネル上下部にトンネルの外側を開こうとするモーメント（外側引張モーメント）が、トンネル左右部にトンネルの内側を開こうとするモーメント（内側引張モーメント）がそれぞれ作用し、これらのモーメントにより、トンネル断面が縦長方向に変形して縦潰れが引き起こされる。一方、引張材２０は、縦長変形に抗する部材として機能するから、前述のモーメントを低減し、ひいてはシールドトンネル１０における縦潰れを防止することが可能となる。

なお、引張材２０としては、例えば、適宜な引張強度を備えた各種鋼材、合成樹脂材などが採用できる。引張材２０の形態としては、棒状材の他、取り扱い容易なワイヤーやチェーンといった索状体を採用できる。この場合、可撓性や取り回しに優れ、入手も容易な索状体故に、施工性、施工コストの両面で優れた縦潰れ防止構造の形成も可能となる。上述の通り取り扱い容易な索状体などの部材を引張材２０として採用すれば、施工現場への引張材２０の搬入、セグメントへの設置、および不要時の撤去も非常に簡便となる。

また、上述の縦潰れ防止構造において、引張材設置に際し、引張材２０に引張力を導入するとしてもよい。これによれば、引張材２０が縦長変形に対してより強く抵抗することが可能となる。

−−−適用例２−−−
続いて、引張材２０がシールドトンネル１０の内空１１において、複数設置される例について説明する。図２は本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例２を示す図である。この場合、図２に例示するように、上部セグメント１２ａにおける１の吊り環１３（引張材設置箇所）から、下部セグメント１２ｂ、１２ｃの吊り環１３に対し、逆Ｖ字型となるようトンネル断面方向に離間する２本の引張材２０を設置して、縦潰れ防止構造を形成している。

シールドトンネル施工時のトンネル内空１１には、シールドマシンや電源設備、ポンプ類等の各種施工装置や、カルバートや軌道などの他構造物も配置されることになり、引張材２０を自在に配置しにくい状況も十分想定される。しかしながら、本適用例の如く、２本の引張材２０を互いに離間させて設置する形態を採用すれば、前記施工装置や他構造物等を回避しつつ縦潰れ防止構造を形成することもできる。従って、限られたトンネル内空１１において施工状況等に応じて柔軟に縦潰れ防止構造を構成することができる。

本適用例で示した引張材２０の設置形態の場合でも、上述の適用例１と同様に、セグメントリング１４間を跨いだ引張材２０の設置、および、引張材設置に際しての引張材２０への引張力の導入を行うとしてもよい。

−−−解析結果について−−−
ここで、本実施形態の技術が発現する縦潰れ防止の効果について、無対策の場合と比較して説明しておく。図３は本実施形態における解析結果１を示す図であり、図４は本実施形態における解析結果２、図５は本実施形態における解析結果３を示す図である。各図にて示すように、前提となる解析諸元は、シールド外径１０８００ｍｍ、桁高４００ｍｍ、土被り３．５ｍ、としている。

図３に示すように、無対策の場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、正曲げモーメントの最大値が３１０．６ＫＮ・ｍ、負曲げモーメントの最大値が３６２．３ＫＮ・ｍとなった。ここで、正の曲げモーメントとは、トンネルの内側面を開こうとする曲げモーメント、負の曲げモーメントとは、トンネルの外側面を開こうとする曲げモーメントを意味する。また、シールドトンネル１０に生じる変形は、縦が１９．９ｍｍ（トンネル頂部付近で生じている上方への凸変位）、横が−２２．９ｍｍ（トンネル側部で生じているトンネル内空中心への凹変位）となった。つまり、シールドトンネル１０の断面が縦長になろうとする、縦潰れの挙動を示している。

これに対し、図４にて示すように、ＰＣ鋼撚り線１本を引張材２０としてシールドトンネル１０の内空１１に設置した場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、正曲げモーメントの最大値が２３７．８ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約２３．４％低減）、負曲げモーメントの最大値が２４１．８ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約３３．３％低減）となった。また、変形の最大値が縦で１７．８ｍｍ（無対策に比べ約１１％低減）、横で−１６．５１ｍｍ（無対策に比べ約２８％低減）となった。

また、図５にて示すように、引張力を導入したＰＣ鋼撚り線１本を引張材２０としてシールドトンネル１０の内空１１に設置した場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、正曲げモーメントの最大値が１３２．９ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約５７．２％低減）、負曲げモーメントの最大値が１０９．３ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約６９．８％低減）となった。また、変形の最大値が縦で３．０３ｍｍ（無対策に比べ約８４．８％低減）、横で−７．０９ｍｍ（無対策に比べ約６９％低減）となった。

また、図６にて示すように、図４、５の場合と同様のＰＣ鋼撚り線を引張材２０とし、シールドトンネル１０の内空１１において逆Ｖ字型に設置した場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、正曲げモーメントの最大値が２１７．１ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約３０．１％低減）、負曲げモーメントの最大値が２６８．２ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約２５．９％低減）となった。また、変形の最大値が縦で１６．６ｍｍ（無対策に比べ約１６．６％低減）、横で−１４．７ｍｍ（無対策に比べ約３５．８％低減）となった。

更に、図７にて示すように、図６の場合と同様のＰＣ鋼撚り線に引張力を導入した上で引張材２０とし、シールドトンネル１０の内空１１において逆Ｖ字型に設置した場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、正曲げモーメントの最大値が１４３．０ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約５４．０％低減）、負曲げモーメントの最大値が１８８．８ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約４７．９％低減）となった。また、変形の最大値が縦で９．６ｍｍ（無対策に比べ約５１．８％低減）、横で−８．１ｍｍ（無対策に比べ約６４．６％低減）となった。

いずれにしても、無対策の場合と比較し、シールドトンネル１０に作用する曲げモーメントおよび変形は効果的に低減され、十分な縦潰れ防止効果を発現することが期待できる。

−−−適用例３−−−
続いて、引張材２０の他の設置形態について説明する。図８は、本実施形態におけるシールドトンネルの縦潰れ防止構造の適用例３を示す図である。本実施形態の縦潰れ防止構造を適用していない無対策時の解析結果については上述した通りである。こうした無対策の場合のモーメント分布において、トンネル外方への引張が生じるのが範囲Ａ、Ｂとなる（図８）。従って、シールドトンネル１０の上部で生じる外方への引張と、下部で生じる外方への引張の両者について負担する形で引張材２０を配置すれば、より効率的に縦潰れ防止を図れることになる。この場合、図８にて例示するように、引張材２０によって、例えば範囲Ｂにある下部セグメント１２ｂ、その上方にある範囲Ａの上部セグメント１２ａ、および他の上部セグメント１２ａ’、この上部セグメント１２ａ’の下方にある範囲Ｂの他の下部セグメント１２ｃ、の各吊り環１３の間に引張材２０を巻回し、当該引張材２０の端部を前記下部セグメント１２ｂ、１２ｃにて固定するといった形態が採用できる。勿論、前記各範囲の間で引張のモーメントが最大の箇所にあたるセグメントを選んでこうした引張材２０の設置を行うと、より効果的にモーメントに対抗することになって好適である。なお、前記下部セグメント１２ｂ、１２ｃに固定予定の前記引張材２０の端部については、他の施工作業の邪魔にならぬよう、セグメントへの固定時以外はトンネル内空上方（上部セグメント１２ａ，１２ａ’らの近傍）まで巻き上げて適宜結束したり、トンネル壁面頂部付近の所定部位（吊り環１３など）にフック等の係止手段を介して仮固定しておけば好適である。

以上、本実施形態によれば、施工容易かつ低コストに、シールドトンネルにおける効果的な縦潰れ防止を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ 地盤
２ 地上
１０ シールドトンネル
１１ シールドトンネルの内空
１２ セグメント
１２ａ 上部セグメント
１２ｂ、１２ｃ 下部セグメント
１３ 吊り環（引張材設置箇所、支持位置）
１４ セグメントリング
２０ 引張材

Claims (5)

1. シールドトンネルにおける覆工体の上部および下部の間に引張材を設置してなるシールドトンネルの縦潰れ防止構造であって、
   前記覆工体の上部及び下部の一方から他方に向けて引張材を設置して、当該他方において前記引張材を支持し、当該支持位置からトンネル軸方向に前記引張材を延設して支持し、当該支持位置から前記上部及び下部の一方に向けて引張材を設置して、当該一方において前記引張材を支持し、当該支持位置から前記トンネル軸方向に前記引張材を延設して支持する工程を行い、又は、この工程を繰り返すことにより前記引張材が設置されたことを特徴とする、シールドトンネルの縦潰れ防止構造。
2. 請求項１において、
   覆工体上部における１の引張材設置箇所から覆工体下部に対し、トンネル断面方向に離間する２本の引張材を設置してなることを特徴とする、シールドトンネルの縦潰れ防止構造。
3. 請求項１又は２において、
   引張材設置に際し、引張材に引張力を導入してなることを特徴とする、シールドトンネルの縦潰れ防止構造。
4. シールドトンネルにおける覆工体の上部および下部の間に引張材を設置するシールドトンネルの縦潰れ防止工法であって、
   前記覆工体の上部及び下部の一方から他方に向けて引張材を設置して、当該他方において前記引張材を支持し、当該支持位置からトンネル軸方向に前記引張材を延設して支持し、当該支持位置から前記上部及び下部の一方に向けて引張材を設置して、当該一方において前記引張材を支持し、当該支持位置から前記トンネル軸方向に前記引張材を延設して支持する工程を行い、又は、この工程を繰り返すことにより前記引張材を設置することを特徴とするシールドトンネルの縦潰れ防止工法。
5. 請求項１に記載の縦潰れ防止構造を備えたことを特徴とするシールドトンネル。