JP5747516B2 - シールドトンネル - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルに関するものであり、具体的には、各種施工条件に柔軟に対応し、浮き上がり防止を効率的に図ることが可能なシールドトンネルの技術に関する。

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、高い地下水位などによってトンネルに大きな浮力が作用する恐れがある。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、土被りを薄くしたシールドトンネルにおいて作用する浮力に対抗するため、浮力対抗手段として、各セグメントリングに、下方に延長する一以上のアンカーを貫通させて固定する技術（特許文献１）や、或いは、函体周囲のグラウト材との密着性を向上させるべく外側部にコッターを形成した、オープンシールド工法におけるコンクリート函体（特許文献２）等が提案されている。

特開平９−３０３０８２号公報 特開２００２−１８０７９４号公報

しかしながら、例えばトンネル下部のセグメントにアンカーを固定する場合、アンカー長に関する示方基準をまず満たす必要があり、必ずしも経済的設計が行えない懸念がある。また、アンカー支持層が地盤中の深い地層となってしまう状況であれば、コストが更に増大し経済的な施工が難しい。また、コッターをトンネル側部に設ける場合、十分な浮き上がり防止効果をあげる為にコッター自体を大きくする必要があり、それに伴ってセグメント厚も増大せざるを得ず、自ずとコストが増大する。

或いは、地上部に盛土を施したり、トンネルのインバート部にコンクリート等を打設してカウンターウェイトとする技術も存在するが、地上部占有が困難な施工環境では適用できない、インバート部での作業はトンネル施工の妨げとなりやすい、そもそもトンネル内空に余裕が無い場合にインバート部に対する施工が出来ない、などといった課題があり、地上環境や地盤条件、トンネル内空など、各種施工条件に縛られることになる。

そこで本発明は、各種施工条件に柔軟に対応し、浮き上がり防止を効率的に図ることが可能なシールドトンネルの提供を目的とする。

上記課題を解決する本発明のシールドトンネルは、地中に突出する突出部材をセグメントに設けたシールドトンネルにおいて、前記突出部材が、シールドトンネルにおける内空中心の深度より下方のセグメントから斜め上方に向けて突出するよう設けられていることを特徴とする。このような技術によれば、突出部材上の土塊重量が、シールドトンネルの上載荷重に加味されることになる。よって、小土被りで地下水位が高いといった施工条件の為にシールドトンネルに大きな浮力が作用する状況であっても、その浮力に対抗する上載荷重を突出部材上の土塊重量に期待することが可能であり、施工条件に柔軟に対応して浮き上がり防止を図ることができる。

また、前記突出部材が、シールドトンネルにおける内空中心の深度より下方のセグメントに設けられていると、より多くの土塊を突出部材上で引き受けることになり、上述の浮き上がり防止効果を一層高めることができる。また、前記内空中心の深度に対応するシールドトンネルの外周位置から下方に伸ばす垂線と、前記突出部材およびシールドトンネル外周表面との間の領域の土塊も、突出部材上で引き受けることになり、更に浮き上がり防止効果を高めることにもつながる。

さらに、前記突出部材が、セグメントでの設置位置から斜め上方に向けて突出するよう設けられていると、セグメントにおける突出部材の設置位置に対応する地盤が、例えば、非常に堅い岩盤や礫、或いは既存構造物等を含むものであり、突出部材を地中に打ち込む、或いは突出部材を地中に構築することが困難であるといった状況であっても、こうした地盤を避けて突出部材の設置を行うことが可能となる。また、斜め上方に伸びる突出部材とシールドトンネル外周面との間の領域が下方に凸のくさび状となり、シールドトンネルが上方に移動しようとしても、周辺土塊をくさび状の領域に引き込んで締め固めることになり、浮力によるシールドトンネルの挙動を抑制する、いわゆるくさび効果も期待できる。

また、前記突出部材と、当該突出部材が挿通する前記セグメントの挿入口周りの内壁面とを固定するとともに、シールドトンネル内空側に所定長残した前記突出部材の先端部と、当該先端部に対向するセグメントの内壁面とを固定するとしてもよい。このような技術によれば、突出部材とセグメントとの固定がより強固なものとなり、より突出部材を長くして大きな上載荷重を突出部材に負担させることも容易となる。また、突出部材をトンネル内で適宜延伸するなどして、前記二つの固定箇所がセグメントを跨ぐよう配慮すれば、側方土圧に抗する支保機能を発現して断面力（モーメント）の集中を抑制しセグメントの変形あるいは欠損を防止する効果も期待できる。

また、前記シールドトンネルにおいて、前記突出部材が、セグメントでの設置位置から斜め下方に向けて突出するよう設けられているとしてもよい。このような技術によれば、セグメントにおける突出部材の設置位置に対応する地盤が、例えば、非常に堅い岩盤や礫、或いは障害物等を含むものであり、突出部材を地中に打ち込む、或いは突出部材を地中に構築することが困難であるといった状況であっても、こうした地盤を避けて突出部材の設置を行うことが可能となる。

なお、上述した本発明の各シールドトンネルにおいては、当初目的とする浮き上がり防止効果を奏するのは勿論であるが、突出部材上の土塊重量を上載荷重に加えることで結果的に、前記断面力の集中（セグメント底部外側引張モーメントと、その両側部に生じる内側引張モーメントが卓越した状態で、セグメントに変形あるいは欠損等が生じる）に対する抑制効果も奏することができる。すなわち、側方土圧が優越した状態のセグメントにおいて、突出部材上に生じるモーメントが前記両モーメントを低減させる方向に作用し、前記断面力の集中を抑制することとなるのである。

本発明によれば、各種施工条件に柔軟に対応し、浮き上がり防止を効率的に図ることが可能なシールドトンネルを提供できる。

本実施形態におけるシールドトンネルの適用例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適用例２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適用例３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適用例４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適用例５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。

−−−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いので、地盤１での地下水位が高いとなれば、構築するシールドトンネルにかかる浮力は大きくなるため、浮き上がり防止の対策が必要となる。

そこで本実施形態におけるシールドトンネル１０では、そのセグメント１２において、地中に突出する突出部材２０を設けている。図１に示した例では、セグメントリング１つおきで１つのセグメント１２に突出部材２０を設けているが、勿論、こうした形態に限定されない。例えば、全てのセグメントリング１４毎に突出部材２０を設けるとしてもよいし、或いはセグメントリング２つ以上の間隔で突出部材２０を設けるとしてもよい。或いは、１つのセグメントリング１４における、複数のセグメント１２の各々に突出部材２０を設けるとしてもよい。また、シールドトンネル１０の両側に突出部材２０を設ける例を図示しているが、地盤や障害物等の状況や浮き上がり力の偏心などに応じて１つの側面にのみ突出部材２０を設けるとしてもよい。

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）に、突出部材上の土塊５（図１〜図５の、パターンａからパターンｇの各断面図参照）の土塊重量を加えることで、シールドトンネル１０にかかる前記浮力に対抗しうるよう、突出部材２０における地盤１での突出長を設計することになる。突出部材上の土塊重量は、例えば、突出部材２０の突出長さと、地表２から突出部材２０までの深度と、突出部材２０が土塊を負担する範囲幅との乗算値たる土塊体積に、土塊密度を乗算して算定することになる。

ただし実際には、土粒子同士の噛み合いにより、突出部材直上の土塊重量のみが突出部材２０に作用するわけではなく、或る程度広がった範囲の土塊重量が突出部材２０に作用する。これを土のアーチアクション（アーチ作用）と呼ぶ。突出部材２０に作用する土塊重量についてアーチアクションを考慮する場合、各種設計指針等を用い、土の性状に応じてその作用を考慮し土塊重量を割り増せばよい。

また、図１の側面図にて例示するように、トンネル軸方向について、各セグメントの突出部材２０の間にすきまがあいている状態でも、上述のアーチアクションを考慮することにより、それぞれの突出部材２０に作用する土塊として、直上の土塊５に加えて、斜め上方の土塊９も考慮に含まれることになるため、各突出部材２０に作用するそれぞれの土塊群が重なり合い、工学的には突出部材間にすきまがあいていない状態と同様の効果を奏することになる。更にこのことから、土の性状によっては、トンネル軸方向について、突出部材２０を設けるセグメントを１リング飛ばし、或いは２リング飛ばしとするなど、適宜な間隔をもって突出部材２０を設けることも可能である。

上述の突出部材２０は、例えば鋼管、Ｈ型鋼、鋼棒、板状鋼材、或いは鉄筋コンクリート柱、など適宜な剛性を備える様々な部材を採用できる。こうした突出部材２０は、シールドトンネル１０の内空１１に予め搬入されており、セグメント１２に設けられた挿入口１３から地盤１に向けて前記突出長だけ圧入されることになる。この圧入作業は、例えば、突出部材２０を把持しつつ送り動作を行う油圧ジャッキ等を用いて実行する。地盤１への前記突出長の圧入が完了した突出部材２０は、シールドトンネル内空側に所定長の先端部２１が残されている。この先端部２１の根元とセグメント１２の内壁面との間は、適宜な固化剤の打設や、プレート材や鉄筋等を介した溶接、或いはパッキンやシールリング等を介したボルト締結などいった各種既存の固定手段３０により水密に固定される。この固定により、突出部材２０は、セグメント１２を支点とした片持ち梁となる。

このような技術によれば、突出部材上の土塊重量が、シールドトンネル１０の上載荷重に加味されることになる。よって、小土被りで地下水位が高いといった施工条件であっても、地下水位による浮力に対抗する上載荷重を突出部材上の土塊重量に期待することが可能であり、施工条件に柔軟に対応して浮き上がり防止を図ることができる。

なお、上述したシールドトンネル１０においては、当初目的とする浮き上がり防止効果を奏するのは勿論であるが、突出部材上の土塊重量によるモーメントが、側方土圧の優越状態で生じるセグメント底部ならびにその両側部のモーメントを低減させる為、これによりセグメントにおけるモーメントの集中に対し有効な抑制手段ともなる。

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、トンネル底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、また、その両側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、集中的に作用するおそれがある。一方、突出部材上の土塊重量によるモーメントに着目すると、例えば図１の断面図（パターンａ）のトンネル断面に向かって右側の突出部材２０Ｒでは、トンネル右側断面を時計回りに回そうとする方向に、左側の突出部材２０Ｌではトンネル左側断面を反時計回りに回そうとする方向にそれぞれモーメントが作用する。この場合、トンネル底部ではトンネルの外側を閉じようとする力が作用し、一方、その両側部ではトンネルの内側を閉じようとする力が作用することになり、前述のモーメントの集中が低減され、ひいては、浮き上がり防止のための突出部材２０を設けることで前記モーメントの集中に伴うセグメントの変形あるいは欠損等を防止することも可能となる。

また、図１の断面図パターンｂで示すように、突出部材２０をシールドトンネル１０の内空１１を横断するよう配置し、内空１１での突出部材２０とセグメント１２の内壁面との間を固定手段３０により固定した場合、突出部材２０が支保工として作用し、前記モーメントの集中に対する有効な対策となりうる。

−−−適用例２−−−
続いて、前記突出部材２０がシールドトンネル１０の内空中心の深度より下方に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適用例２を示す図である。この場合、シールドトンネル１０において、前記突出部材２０が、シールドトンネル１０における内空中心ｃの深度より下方のセグメント１２に設けられている。このように、内空中心ｃの深度より下方のセグメント１２に突出部材２０を設けることで、上記の適用例１の場合より増えた深度分の土塊６の重量が上載荷重に加わることに加えて、前記内空中心ｃの深度に対応するシールドトンネル１０の外周位置ｄから下方に伸ばす垂線と、前記突出部材２０およびシールドトンネル外周表面との間の領域７の土塊重量も、突出部材２０に加わることになる。

従ってこのような技術によれば、より多くの土塊重量を突出部材上で引き受けることになり、上述の浮き上がり防止効果を、上記適用例１の場合よりも一層高めることができる。突出部材上の土塊重量がより大きくなることで、結果的に上下方向の土圧を増大させることになり、当然ながら上述したモーメントの集中に対する抑制効果も更に高まることになる。図２の断面図（パターンｄ）で示す、突出部材２０がシールドトンネル１０の内空１１を横断する形態であれば、前記モーメントの集中に対する更に有効な対策となりうる。

ここで、本実施形態の技術が発現する浮き上がり防止やモーメントの集中抑制の効果について、無対策の場合と比較して説明しておく。図６は本実施形態における解析結果１を示す図であり、図７は本実施形態における解析結果２、図８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１０７００ｍｍ、桁高３５０ｍｍ、土被り３．５ｍ、地盤反力係数Ｋｖ＝１００００ＫＮ／ｍ^３としている。また、突出部材２０にかかる荷重は全土圧であるが、突出部材２０の下方から作用する揚圧力とこれに対応する水圧についてはキャンセルされる為、本解析にて突出部材２０にかける荷重は有効土圧とした。

図６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、トンネル底部における前記外側引張モーメントの最大値が−８９．８ＫＮ・ｍ、その両側部における前記内側引張モーメントの最大値が７４．４ＫＮ・ｍ、となった。図中における曲げモーメントの正負は、正はトンネルの内側面を開こうとする曲げモーメント、負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。

これに対し、図７にて示すように、断面形状が１００ｍｍ×１００ｍｍで長さ１２５０ｍｍの角パイプ（鋼材厚６ｍｍ）を突出部材２０としてシールドトンネル１０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、トンネル底部における前記外側引張モーメントの最大値が−６２．９ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約３０％低減）、その両側部における前記内側引張モーメントの最大値が５６．７ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約２４％低減）、となった。

また、図８にて示すように、図６の場合と同様の角パイプを突出部材２０としてシールドトンネル１０の内空１１を横断するよう設置した場合、シールドトンネル１０に生じる曲げモーメントは、トンネル底部における前記外側引張モーメントの最大値が−２６．０ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約７１％低減）、その両側部における前記内側引張モーメントの最大値が３０．３ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約５９％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は大きく低減され、浮き上がり防止の効果は勿論のこと、十分なモーメントの集中抑制効果を発現することが期待できる。

−−−適用例３−−−
続いて、突出部材２０を斜め上方に向けて突出するよう設置する例について説明する。図３は、本実施形態におけるシールドトンネルの適用例３を示す図である。この場合、前記シールドトンネル１０において、前記突出部材２０が、セグメント１２での設置位置ｇから斜め上方に向けて突出するよう設けられている。例えば、セグメント１２における突出部材の設置位置ｇに対応する地盤１が、例えば、非常に堅い岩盤や礫、或いは既存構造物等を含むものである時、突出部材２０を地中に打ち込む、或いは突出部材２０を地中に構築することは困難となる。しかしこのような状況であっても、本適用例の技術を採用すれば、岩石や既存構造物等を避けて突出部材２０の設置を行うことが可能となる。

しかも、斜め上方に伸びる突出部材２０とシールドトンネル外周面との間の領域が下方に凸のくさび状となり、シールドトンネル１０が上方に移動しようとしても、周辺土塊をくさび状の領域に引き込んで締め固めることになり、浮力によるシールドトンネル１０の挙動を抑制する、いわゆるくさび効果も期待できる。

また、内空中心ｃの深度より下方のセグメント１２において、上記形態にて突出部材２０を設けることで、前記適用例１の場合より増えた深度分の土塊６の重量が上載荷重に加わることに加えて、前記領域７の土塊重量も、突出部材２０に加わることになる。

このような技術によれば、より多くの土塊を突出部材上で引き受けることになり、上述の浮き上がり防止効果やモーメントの集中抑制効果を、上記適用例１の場合よりも一層高めることができる上に、上記のくさび効果も期待でき、シールドトンネル１０を更に安定した構造とすることができる。

ここで、本実施形態の技術が発現する浮き上がり防止やモーメントの集中抑制の効果について、無対策の場合と比較して説明しておく。図６は本実施形態における解析結果１を示す図であり、図９は本実施形態における解析結果４を示す図である。解析諸元は上述の適用例と同様である。

図９に示すように、断面形状が１００ｍｍ×１００ｍｍで長さ１２５０ｍｍの角パイプ（鋼材厚６ｍｍ）を突出部材２０としてシールドトンネル１０において斜め上方に向けて設置した場合、トンネル底部における前記外側引張モーメントの最大値が−６１．４ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約３２％低減）、その両側部における前記内側引張モーメントの最大値が４７．４ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約３６％低減）、となった。

解析結果から明らかなように、やはり、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は大きく低減され、浮き上がり防止の効果は勿論のこと、十分なモーメントの集中抑制効果を発現することが期待できる。

−−−適用例４−−−
続いて、突出部材２０を斜め下方に向けて設置した例について説明する。図４は本実施形態におけるシールドトンネルの適用例４を示す図である。この場合、シールドトンネル１０において、前記突出部材２０が、セグメント１２での設置位置ｇから斜め下方に向けて突出するよう設けられている。例えば、セグメント１２における突出部材の設置位置ｇに対応する地盤１が、例えば、非常に堅い岩盤や礫、或いは既存構造物等を含むものである時、突出部材２０を地中に打ち込む、或いは突出部材２０を地中に構築することは困難となる。しかしこのような状況であっても、本適用例の技術を採用すれば、岩石や既存構造物等を避けて突出部材２０の設置を行うことが可能となる。

また、内空中心ｃの深度より下方のセグメント１２において、上記形態にて突出部材２０を設けることで、前記適用例１の場合より増えた深度分の土塊６の重量が上載荷重に加わることに加えて、前記領域７の土塊重量も、突出部材２０に加わることになる。つまり、土塊５〜７について、その土塊重量を上載荷重に付加することが出来る為、更に多くの土塊を突出部材上で引き受けることになり、従って、上述の浮き上がり防止効果を上記適用例１、２の場合よりも、更に高めることができる。

ここで、本実施形態の技術が発現する浮き上がり防止やモーメントの集中抑制の効果について、無対策の場合と比較して説明しておく。図６は本実施形態における解析結果１を示す図であり、図１０は本実施形態における解析結果５を示す図である。解析諸元は上述の適用例と同様である。

図１０に示すように、断面形状が１００ｍｍ×１００ｍｍで長さ１２５０ｍｍの角パイプ（鋼材厚６ｍｍ）を突出部材２０としてシールドトンネル１０において斜め下方に向けて設置した場合、トンネル底部における前記外側引張モーメントの最大値が−６７．５ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約２５％低減）、その両側部における前記内側引張モーメントの最大値が５６．６ＫＮ・ｍ（無対策に比べ約２４％低減）、となった。

解析結果から明らかなように、やはり、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は大きく低減され、浮き上がり防止の効果は勿論のこと、十分なモーメントの集中抑制効果を発現することが期待できる。

−−−適用例５−−−
続いて、突出部材２０とセグメント１２との固定形態について説明する。図５は本実施形態におけるシールドトンネルの適用例５を示す図である。この場合、シールドトンネル内空１１における、前記突出部材２０と当該突出部材２０が設置された前記セグメント１２Ａとを固定し、前記突出部材２０の先端部２１と当該先端部２１に対向するセグメント１２Ｂとを固定する。このような固定形態を採用すれば、突出部材２０とセグメントリング１４との固定がより強固なものとなり、したがって、“片持ち梁”である突出部材２０の構造が強化され、より大きな上載荷重を突出部材２０に負担させることも容易となる。

また、図５で例示しているように、突出部材２０を前記内空１１で適宜延伸するなどして、前記二つの固定箇所がセグメント１２Ａ、１２Ｂを跨ぐよう配慮すれば、両セグメント間を固定し側方土圧に抗する支保機能を発現して、モーメントの集中を抑制する効果も更に期待できる。

以上、本実施形態によれば、各種施工条件に柔軟に対応し、浮き上がり防止を効率的に図ることが可能なシールドトンネルを提供できる。

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
５〜７、９ 土塊
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
１３ セグメントに設けられた挿入口
１４ セグメントリング
２０ 突出部材
２１ 突出部材の先端部
３０ 固定手段

Claims (5)

1. 地中に突出する突出部材をセグメントに設けたシールドトンネルにおいて、
   前記突出部材が、シールドトンネルにおける内空中心の深度より下方のセグメントから斜め上方に向けて突出するよう設けられていることを特徴とするシールドトンネル。
2. 前記突出部材と、当該突出部材が挿通する前記セグメントの挿入口周りの内壁面とを固定するとともに、シールドトンネル内空側に所定長残した前記突出部材の先端部と、当該先端部に対向するセグメントの内壁面とを固定したことを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル。
3. 地中に突出する突出部材をセグメントに設けたシールドトンネルにおいて、
   前記突出部材と、当該突出部材が挿通する前記セグメントの挿入口周りの内壁面とを固定するとともに、シールドトンネル内空側に所定長残した前記突出部材の先端部と、当該先端部に対向するセグメントの内壁面とを固定されてなり、
   前記突出部材が、セグメントでの設置位置から斜め上方に向けて突出するよう設けられることを特徴とするシールドトンネル。
4. 地中に突出する突出部材をセグメントに設けたシールドトンネルにおいて、
   前記突出部材と、当該突出部材が挿通する前記セグメントの挿入口周りの内壁面とを固定するとともに、シールドトンネル内空側に所定長残した前記突出部材の先端部と、当該先端部に対向するセグメントの内壁面とを固定されてなり、
   前記突出部材が、セグメントでの設置位置から斜め下方に向けて突出するよう設けられることを特徴とするシールドトンネル。
5. 前記突出部材が、シールドトンネルにおける内空中心の深度より下方のセグメントに設けられていることを特徴とする請求項４に記載のシールドトンネル。

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