JP5715542B2 - トンネルの連結方法および連結用リング - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの連結方法および連結用リングに関する。

トンネル同士を接合させることで、分岐合流トンネルを構築する場合がある。
従来、トンネル同士を接合させる場合には、二本のトンネルを同一の立坑に到達させて、立坑内において接合させるのが一般的である。

ところが、トンネルの深度が深い場合や、用地を確保することが困難な場合には、立坑を構築することができなかった。

そのため、本出願人は、特許文献１に示すように、非開削によりトンネル同士を接合させる方法として、内部にエアモルタル等が充填された先行トンネルの曲線部に向って後行トンネルを掘進し、後行トンネルの掘削機が備える外筒により先行トンネルを被覆した状態で連結するトンネルの連結方法を開発している。

特開２０００−２１３２７８号公報

前記従来のトンネルの連結方法は、先行トンネルと外筒との間の止水性を確保するために、凍結工法等、別途止水処理を施す必要があり、その作業に手間を要する。
先行トンネルと後行トンネルとの接続は、先行トンネル内部のエアモルタルや隔壁、後行トンネルの掘削機を撤去した後、人力により行う必要があり、作業に手間を要する。

本発明は、前記の問題点を解決するものであり、簡易にトンネル同士を接合して、非開削により分岐合流トンネルを構築することを可能とした、トンネルの連結方法および連結用リングを提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のトンネルの連結方法は、曲線区間を有する先行トンネルを構築する第一工程と、前記曲線区間に向けて後行トンネルを構築する第二工程とを備えており、前記第一工程は、切削用リングを前記曲線区間に配置することにより切削部を形成する手順と、シール材が周設された連結用リングを配置することにより連結部を形成する手順とを備え、前記第二工程は、後行トンネル用の掘削機で前記切削部を切削し、前記掘削機を前記連結部の後方に配置する手順と、前記掘削機から前記連結部に向けて外筒を押し出して前記連結用リングを前記外筒により覆い、前記外筒の内面と前記シール材とを密着させる手順と、を備え、前記シール材の前後に堰止め材が周設されており、前記第一工程において、前記連結用リングを組み立てた後、固化しない充填材を前記堰止め材の間に充填することを特徴としている。

かかるトンネルの連結方法によれば、先行トンネルと外筒との間で止水性が確保されるため、薬液注入や凍結工法等の地盤改良工事を省略または低減することができる。
また、地中におけるトンネル同士の連結を機械的に行うことができ、作業性および安全性に優れている。

また、前記シール材を中空の膨張性部材により構成した場合には、前記第二工程において、前記シール材内への液体注入または気体注入により前記シール材を膨張させることで、前記外筒の内面と前記シール材とを密着させるとよい。

かかるトンネルの連結方法によれば、セグメントの組立時や、外筒の押し出し時におけるシール材の損傷を防止できる。

また、前記第一工程において、前記連結用リングを組み立てた後、固化しない充填材を前記堰止め材の間に充填しているため、固化しない充填材により地山の崩落を防止することができ、さらには、シール材の周囲で裏込め材が固まることを防止することができる。また、外筒の押し出しが裏込め材により阻害されることもない。

本発明の連結用リングは、先行トンネルに配設されるものであって、後行トンネルの外筒により被覆されるリング本体と、前記リング本体の一方の端部の外周面に形成された溝と、前記溝に配設されたシール材と、前記シール材を固定する固定部材と、前記溝の他方側において前記リング本体に周設された堰止め材とを備える特徴としている。

かかる連結用リングによれば、外筒との間の隙間がシール材により遮蔽されるので、連結部における止水性を確保することができる。また、堰止め材が配設されているため、シール材の周囲で裏込め材が固まることを防止することができる。

前記シール材は、中空部を備えた膨張性の部材からなり、前記中空部に液体または気体を注入することで外側に膨張するものであってもよい。

かかる連結用リングによれば、シール材の膨張前においては、溝からのシール材の突出長を小さく抑え、あるいは、無くすことができるので、セグメントの組立時や、外筒により覆われる際に、シール材が損傷することを抑制することが可能となる。

本発明のトンネルの連結方法および連結用リングによれば、簡易にトンネル同士を接合して、非開削により分岐合流トンネルを構築することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るトンネルの連結方法の概要を示す斜視図である。 連結用リングの設置状況を示す断面図である。 （ａ）は第一の実施の形態に係る連結用リングを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部を示す断面図である。 シール材の他の形態であって、（ａ）は取り付け時、（ｂ）は取り付け後を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は後行トンネルの施工状況の各段階を示す概略図である。 （ａ）および（ｂ）は図５に続く後行トンネルの施工状況の各段階を示す概略図である。 外筒の押し出し状況を示す断面図である。 第二の実施の形態に係るシール材であって、（ａ）は収縮時、（ｂ）は膨張時の状況を示す断面図である。 図８のシール材の他の形態を示す断面図である。

本実施の形態のトンネルの連結方法は、図１に示すように、曲線区間Ｃ_Ｓを有する先行トンネルＴ１を構築する第一工程と、先行トンネルＴ１に接続する後行トンネルＴ２を構築する第二工程とを備えている。

先行トンネルＴ１は、切削用リングを配置することにより形成された切削部１０と、連結用リングを配置することにより形成された連結部２０と、通常リングを配置することにより形成された一般部３０とを備えている。

切削用リング１１（図２参照）は、掘削機にて切削が可能な材料で構成されたセグメントリングである。本実施形態では、複数の樹脂製のＦＦＵセグメントピース（Fiber reinforced Foamed Urethane）を組み合わせることで切削用リング１１を形成する。なお、切削用リング１１としては、樹脂製のものに限定されるものではなく、例えば、鉄筋の代わりに炭素繊維を配置したコンクリート部材により構成されたセグメントピースで切削用リング１１を形成してもよい。

切削部１０の範囲は、後行トンネルＴ２の進入角度や断面寸法等に応じて設定する。
本実施形態では、曲線区間Ｃ_Ｓの後半部分に対して、切削用リング１１を配設し、切削部１０とする。
また、曲線区間Ｃ_Ｓから第二直線区間Ｓ_Ｓ２に切り替わった後も、数リング分を切削用リング１１により構築し、切削部１０としている。

切削部１０では、図２に示すように、切削用リング１１の外周囲と地山Ｇとの隙間に裏込め材１２が充填されている。

連結用リング２１は、図３の（ａ）に示すように、リング本体２２と、溝２３と、シール材２４と、堰止め材２５とを備えて構成されている。

リング本体２２は、複数のセグメントピース（図示省略）を組み合わせることによりリング状に形成されたものであって、図３の（ｂ）に示すように、継手板２２ａと、主桁２２ｂと、スキンプレート２２ｃと、縦リブ（図示省略）を備えて構成されている。

継手板２２ａは、鋼材により構成されていて、連結用リング２１の両端に配設されている。継手板２２ａが、隣接する他の連結用リング２１の継手板２２ａと突き合わせた状態で接合されることで、連結用リング２１同士が接合される。
なお、継手板２２ａを構成する材料や断面形状は、連結用リング２１に作用する外力（土圧や水圧）に対して、十分な耐力を備えたものであれば、限定されるものではない。

切羽側に配設された継手板２２ａには、図３の（ｂ）に示すように、ボルトＢを利用して固定部材２６が固定される。継手板２２ａには、ボルトＢの螺着が可能なネジ穴２２ｄが形成されている。
なお、ネジ穴２２ｄは必要に応じて形成されるものであり、シール材２４の固定方法（固定部材２６の構成）によっては、省略してもよい。

主桁２２ｂは、両端に配設された継手板２２ａ，２２ａの間において、所定の間隔をあけて配設されている。
主桁２２ｂは、環状を呈しており、形鋼により構成されている。
なお、主桁２２ｂを構成する材料や断面形状および主桁２１ｂの設置間隔等は、連結用リング２１に作用する外力（土圧や水圧）に応じて、適宜設定すればよい。

スキンプレート２２ｃは、リング本体２２の外周面を覆うように筒状に形成されてなる。スキンプレート２２ｃの板厚等は、適宜設定すればよい。

縦リブ（図示省略）は、主桁２２ｂ同士の間および、継手板２２ａと主桁２２ｂとの間に横架された形鋼である。
縦リブは、リング本体２２の周方向に対して所定の間隔により複数配設されている。なお、縦リブの断面形状や配設ピッチ等は、適宜設定すればよい。

溝２３は、リング本体２２の切羽側の外周面に形成されている。
本実施形態では、リング本体２２の切羽側端部に、断面視Ｌ字状の溝用鋼材２３ａを配設することにより、溝２３を形成している。

溝用鋼材２３ａは、一端がスキンプレート２２ｃの切羽側端部の内面に溶接されていて、他端が継手板２２ａの坑口側の面に溶接されている。
なお、溝２３の形成方法は限定されるものではない。例えば、溝用鋼材２３ａとして、溝形鋼を配設してもよい。

溝２３の底面は、スキンプレート２２ｃと平行になっている。溝２３の底面は、スキンプレート２２ｃよりも径の小さい円筒面をなしている。なお、溝２３は、図４に示すように、坑口側に向うに従い、拡径するように底面が傾斜していてもよい。すなわち、図４の溝２３の底面は、坑口側に向うに従って、拡径するテーパ面をなしている。
溝２３の底面を傾斜させておけば、シール材２４を溝２３に坑口側から押し込むことで、シール材２４を押し広げながら（拡径しながら）配置することができる。

図３に示すように、シール材２４は、リング本体２２の切羽側端部の溝２３に配設されて、後記する外筒４０（図７参照）の内面と密着する部材である。
シール材２４は樹脂製またはゴム製品等のリング状部材からなり、溝２３に挿入された状態で、リング本体２２に固定されている。

シール材２４は、溝２３の内部に配置される基部２４ａと溝２３から突出する羽根部２４ｂとを備えている。
基部２４ａは、断面視矩形状を呈しており、溝２３内に隙間なく配設される。なお、基部２４ａの断面形状は、溝２３の断面形状に応じて設定すればよい。
羽根部２４ｂは、切羽側に向うに従って基部２４ａから離れるように傾斜した状態で、基部２４ａの外面から突出している。
シール材２４は、基部２４ａと羽根部２４ｂとによりＶ字状を呈している。

固定部材２６は、断面視Ｌ字状の部材であって、継手板２２ａに固定されている。固定部材２６の一片はシール材２４の切羽側端面を覆い、他片はシール材２４の外周面を覆う。
本実施形態の固定部材２６は、ボルト孔２６ａを備えている。ボルト孔２６ａには、ボルトＢが挿通される。固定部材２６は、ボルトＢを継手板２２ａのネジ穴２２ｄに螺着することで継手板２２ａに固定される。

なお、本実施形態では、ボルトＢにより固定する固定部材２６を適用したが、固定部材２６の構成はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示す固定部材のように、固定部材２６として、ワンタッチ式（ワンパスタイプ）のものを採用してもよい。
この固定部材２６によれば、固定部材２６を溝２３に配置させた状態で、掘削機Ｍ１のスプレッダーＭ_Ｊを連結用リング２１に押し当てることで、固定部材２６およびシール材２４の固定が完了するため、施工性が向上する。

堰止め材２５は、図３に示すように、溝２３の坑口側においてリング本体２２の外面に周設されている。
堰止め材２５は、ウレタンや樹脂等からなるスポンジ状の部材であって、スキンプレート２２ｃの外面に接着されている。

堰止め材２５は、図２に示すように、連結用リング２１と地山との隙間を遮蔽し、切削部１０または一般部３０において注入された裏込め材が、シール材２４の周囲に回り込むことを防止する。
また、連結部２０において連結用リング２１の周囲に注入された特殊充填材２７が流出することも防止している。

特殊充填材２７は、固化しない充填材であって、例えば、滑材やベントナイト等を主成分とした材料により構成されている。

シール材２４の切羽側の面には、スポンジ状部材２８が添設されている。本実施形態では、基部２４ａと羽根部２４ｂとの間の空間にスポンジ状部材２８を配設することで、一般部３０において注入される裏込め材が、基部２４ａと羽根部２４ｂとの間に入り込むことを防止している。

次に、本実施形態に係るトンネルの連結方法の第一工程と第二工程を、より詳細に説明する。

先行トンネルＴ１を構築する第一工程は、第一直線区間Ｓ_Ｓ１と、第一直線区間Ｓ_Ｓ１に連続して形成された曲線区間Ｃ_Ｓと、曲線区間Ｃ_Ｓに連続して形成された第二直線区間Ｓ_Ｓ２とを形成する工程である。先行トンネルＴ１は、図１に示すように、矢印１から矢印２方向に掘進する。

すなわち、第一工程は、一般部３０を形成する第一手順と、一般部３０に連続して切削部１０を形成する第二手順と、切削部１０に連続して連結部２０を形成する第三手順と、連結部２０に連続して一般部３０を形成する第四手順とを備えている。

第一手順では、掘削機Ｍ１により掘進するとともに、通常リング３１（図２参照）を組み立てることにより、第一直線区間Ｓ_Ｓ１と曲線区間Ｃ_Ｓの一部（第一曲線区間Ｃ_Ｓ１）を構築する。

第二手順では、曲線区間Ｃ_Ｓの残りの部分（第二曲線区間Ｃ_Ｓ２）と第二直線区間Ｓ_Ｓ２の一部について、掘削機Ｍ１により掘進するとともに、掘削機Ｍ１のマシンテールＭ_Ｔ内において切削用リング１１，１１，…組み立てることにより、切削部１０形成する。

第三手順では、掘削機Ｍ１により掘進するとともに、掘削機Ｍ１のマシンテールＭ_Ｔ内において連結用リング２１，２１，…（図３参照）を組み立てることにより、連結部２０を第二直線区間Ｓ_Ｓ２に形成する。シール材２４は、マシンテールＭ_Ｔ内において連結用リング２１に取り付ける。

本実施形態では、連結用リング２１を４リング組み立てることで連結部２０を構築する（図２参照）。なお、連結部２０の区間長（リング数）は限定されるものではない。連結用リング２１のリング数は、地中接合の条件（水圧、深度、土圧、土質等）に応じて決定する。同様に、シール材２４の段数および高さも、地中接合の条件や外筒４０の内径等よって決定する。

図２に示すように、連結用リング２１が掘削機Ｍ１のマシンテールＭ_Ｔを抜けた時点で、グラウトホール２２ｅ（図３の（ｂ）参照）から特殊充填材２７を注入し、前後に隣合う堰止め材２５，２５同士の間を特殊充填材２７で充填する。

第四手順では、掘削機Ｍ１により掘進するとともに、掘削機Ｍ１のマシンテールＭ_Ｔ内において通常リング３１（図５の（ａ）参照）を組み立てることにより、連結部２０に連続する一般部３０を第二直線区間Ｓ_Ｓ２に形成する（図１）。

第二工程では、図１に示すように、先行トンネルＴ１の曲線区間Ｃ_Ｓに向けて（矢印３から矢印２方向に向けて）後行トンネルＴ２を構築し、後行トンネルＴ２を先行トンネルＴ１に接続する。

第二工程の施工を開始するタイミングは、先行トンネルの切削部１０および連結部２０の構築後であれば限定されるものではなく、先行トンネルＴ１の施工後（立坑への到達後）であってもよいし、先行トンネルＴ１の施工中であってもよい。

第二工程は、後行トンネルＴ２用の掘削機Ｍ２で切削部１０を切削し、掘削機Ｍ２を連結部２０の後方に配置させる第五手順（図６の（ａ）参照）と、掘削機Ｍ２から連結部２０に向けて外筒４０を押し出して連結用リング２１を外筒４０により覆い（図６の（ｂ）参照）、外筒４０の内面とシール材２４とを密着させる第六手順とを備えている。

後行トンネルＴ２の施工は、掘進機Ｍ２の掘進に伴い、掘進機Ｍ２の後方の坑内に通常リングを配置することにより行う。

第五手順では、先ず、切削部１０の坑口側端部および連結部２０の切羽側端部に、トンネル内空を遮蔽する隔壁（図示省略）を設ける。次に、隔壁により密閉された切削部１０および連結部２０の内空部に、流動化処理土等を充填する。なお、切削部１０の内空部に充填される材料は限定されるものではなく、発泡ウレタンや土砂等であってもよい。

続いて、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、掘削機Ｍ２により切削部１０の切削用リング１１，１１，…を切削し、掘削機Ｍ２が、連結部２０に近接するまで掘進する。
本実施形態では、先行トンネルＴ１と後行トンネルＴ２との連結部において、先行トンネルＴ１および後行トンネルＴ２のトンネル軸が一致するように後行トンネルＴ２を掘進する。

図６の（ａ）に示すように、掘削機Ｍ２が連結部２０に到達したら、掘削機Ｍ２による掘進を停止する。掘進を停止したら、掘削外径を確保するための最外周カッタＭ_ＣをスポークＭ_Ｓ内に収納する。

第六手順では、図７に示すように、掘削機Ｍ２から外筒４０を押し出し、連結部２０の連結用リング２１，２１，…およびスポークＭ_Ｓを被覆する。

外筒４０は、掘削機Ｍ２のスキンプレート（内筒４１）の外周に予め設けられている。そのため、第五手順における後行トンネルＴ２の掘進は、最外周カッタＭ_Ｃにより、外筒４０の外径を確保した状態で行う。外筒４０と内筒４１との間はシールされている。
なお、掘削機Ｍ２のスキンプレートの先端側を段落ち（縮径）させ、この段落ち部分に外筒４０を設置してもよい。こうすると、外筒４０の外径が小さくなるので、掘削断面形状を小さくすることが可能であるとともに、連結用リング２１のとのクリアランスを最小限に抑えることができる。

図６の（ｂ）に示すように、外筒４０により連結部２０を被覆したら、連結部２０の端部に設けられた隔壁を解体し、内部の流動化処理土を掘削する。
連結部２０と外筒４０との間は、シール材２４によってシールされているが、より確実な止水を行う場合には、外筒４０と連結用リング２１の坑口側端部との隙間を鋼板等により密閉するとともに溶接する。

そして、外筒４０と内筒４１とを残した状態で、掘削機Ｍを解体撤去し、先行トンネルＴ１と後行トンネルＴ２との連結を完了させる。

本実施形態のトンネルの連結方法によれば、後行トンネルＴ２の掘進機Ｍの先端で薬液注入や凍結工法等の地盤改良を要することなく、先行トンネルＴ１と後行トンネルＴ２との連結を行うことができる。

先行トンネルＴ１と後行トンネルＴ２との連結する際に、地山の開放面における人力での作業を要しないため、安全性に優れている。

シール材２４と外筒４０とが密着しており、さらに、連結部２０と外筒との隙間が遮蔽されているため、止水性に優れている。

シール材２４の周囲には、固化しない特殊充填材２７が充填されているため、裏込め材が回り込むことがない。そのため、シール材２４の柔軟性が保持され、シール材２４を外筒４０と密着させることが可能である。

第二の実施の形態に係るトンネルの連結方法は、図８に示すように、連結用リング２１が備えるシール材２４が、中空部２４ｃを備えた膨張性の部材により構成されている点で、第一の実施の形態と異なっている。

シール材２４は、中空部２４ｃに液体または気体を注入することで、外側に膨張する。
本実施形態のシール材２４の中空部２４ｃは、図８の（ｂ）に示すように、膨張させた状態で、断面視略矩形状を呈している。

本実施形態では、溝２３に、予め注入口２３ｂを形成しておき、この注入口２３ｂから液体または気体を中空部２４ｃに注入する。

なお、注入口２３ｂの構成は限定されるものではないが、本実施形態では、溝用鋼材２３ａを貫通する管部材により構成する。

シール材２４は、連結用リング２１の組立時には、図８の（ａ）に示すように、収縮させておき、図８の（ｂ）に示すように、第二工程において、外筒４０により連結用リング２１を被覆した後に、シール材２４を膨張させて、外筒４０に密着させる。

この他の第二の実施の形態に係る各施工手順および各構成は、第一の実施の形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

外筒４０のスライド時まではシール材２４は収縮した状態で収納されているので、シール材２４の破損を防止できる。
また、シール材２４を膨張させた後は、外筒４０と密着する。

なお、シール材２４の断面形状は限定されるものではない。例えば、図９に示すように、断面リップ型のものを使用してもよい。
このシール材２４によれば、連結用リング２１を組み立てた段階で、シール材２４を膨張させておくことが可能である。

なお、シール材２４は、必ずしも膨張性である必要はなく、中空部２４ｃを有していることで、外筒４０を押込んだ際に変形し、破損しないように構成されたものであってもよい。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

前記各実施形態では、シールドトンネルに本発明のトンネルの連結方法を適用する場合について説明したが、本発明のトンネルの連結方法が適用可能なトンネル形式はシールドトンネルに限定されるものではなく、例えば、推進トンネルやセグメントを利用するＴＢＭ工法に採用してもよい。

前記各実施形態では、直線区間において、後行トンネルＴ２を先行トンネルＴ１に接続させる場合について説明したが、先行トンネルＴ１への後行トンネルＴ２の接続は、曲線区間において行ってもよい。

前記各実施形態では、断面円形のセグメントを使用する場合について説明したが、セグメントの断面形状は限定されるものではなく、例えば断面矩形のセグメントであってもよい。

連結部２０では、リップシール（第一の実施の形態）を有した連結用リング２１と中空部を備えるシール材（第二の実施の形態）を有した連結用リング２１とを組み合わせて使用してもよい。

前記実施形態では、一つ（１リング）の連結用リング２１に対して１段のシール材２４が配設されている場合について説明したが、シール材２４の段数はこれに限定されるものではなく、一つの連結用リング２１に対して複数段のシール材２４が配設されていてもよい。

１０ 切削部
１１ 切削用リング
２０ 連結部
２１ 連結用リング
２２ リング本体
２３ 溝
２４ シール材
２５ 堰止め部材
２６ 固定部材
２７ 特殊充填材（固化しない充填材）
Ｍ２ 後行トンネル用の掘削機
Ｔ１ 先行トンネル
Ｔ２ 後行トンネル

Claims (4)

1. 曲線区間を有する先行トンネルを構築する第一工程と、
   前記曲線区間に向けて後行トンネルを構築する第二工程と、を備えるトンネルの連結方法であって、
   前記第一工程は、切削用リングを前記曲線区間に配置することにより切削部を形成する手順と、シール材が周設された連結用リングを配置することにより連結部を形成する手順と、を備え、
   前記第二工程は、後行トンネル用の掘削機で前記切削部を切削し、前記掘削機を前記連結部の後方に配置する手順と、前記掘削機から前記連結部に向けて外筒を押し出して前記連結用リングを前記外筒により覆い、前記外筒の内面と前記シール材とを密着させる手順と、を備え、
   前記シール材の前後に堰止め材が周設されており、前記第一工程において、前記連結用リングを組み立てた後、固化しない充填材を前記堰止め材の間に充填することを特徴とする、トンネルの連結方法。
2. 前記シール材が、中空の膨張性部材により構成されており、
   前記第二工程では、前記シール材内への液体注入または気体注入により前記シール材を膨張させることで、前記外筒の内面と前記シール材とを密着させることを特徴とする、請求項１に記載のトンネルの連結方法。
3. 先行トンネルに配設される連結用リングであって、
   後行トンネルの外筒により被覆されるリング本体と、
   前記リング本体の一方の端部の外周面に形成された溝と、
   前記溝に配設されたシール材と、
   前記シール材を固定する固定部材と、
   前記溝の他方側において前記リング本体に周設された堰止め材と、を備えることを特徴とした連結用リング。
4. 前記シール材は、中空部を備えた膨張性の部材からなり、前記中空部に液体または気体を注入することで外側に膨張することを特徴とする、請求項３に記載の連結用リング。

Images