JP5965753B2 - 無拡幅長尺鋼管先受け工法及びその工法に使用する端末管における注入材の注入構造 - Google Patents

Description

この発明は、トンネルや地下空洞等の掘削時に適用される地山先行補強工法の内、特に掘削される地山の地質条件が悪い場所に多用される無拡幅長尺鋼管先受け工法及びその工法に使用する端末管における注入材の注入構造に関するものである。

地山の地質条件が悪い場所にトンネルを構築する際、その地盤補強のため、トンネル掘削エリヤ周り近傍に複数本の注入孔付き鋼管を直列に接続しながら長尺打設し、その長尺鋼管中にモルタルやウレタン樹脂等の注入材を注入し、各鋼管の注入孔から地山に注入材を浸透させて補強した後、その補強部分内において掘削する長尺鋼管先受け工法（ＡＧＦ：Ａｌｌ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆａｓｔｅｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）が多用される。

このＡＧＦ工法は、例えば、図７に示すように、既に掘削を完了したトンネルの切羽１に約１０ｃｍの吹付コンクリートＣが配置され、天端には１ｍ毎に同一形状の鋼製支保工２を配置して吹付コンクリートＣが打設され、その上側には掘削前に打設された長尺先受け鋼管Ｐが仰角θをもって打設される。
その鋼管Ｐの打設は、ドリルジャンボ３のガイドセル３ａに搭載された削岩機４に接続された中空の削孔ロッド５から先端の削孔ビット６に回転と打撃および削孔水を供給しながら地山を削孔するとともに、長尺鋼管Ｐの先端部に設けた先端シュー（図示せず）を打撃しながら牽引するように鋼管Ｐの設置を進める。

このＡＧＦ工法おいて、打設する鋼管Ｐを、天端部の直近の鋼製支保工２に擦り付けるように、掘削方向に対し上向き４〜６度（迎角θ）の斜め上方向にして打設する工法（特許文献１段落０００５、図５参照）と同上向き９〜１１度（迎角θ）の斜め上方向にして打設する工法がある（特許文献１段落００３３〜００５３図１参照）。
前者は、長尺鋼管の端末管を切除せず、支保工２の配置を上下にズラし（変化させ）ながら施工するため、トンネル内空断面に拡幅部が生じることから、拡幅ＡＧＦ工法と称されている（特許文献１図５参照）。
後者は、天端の吹付コンクリート層Ｃ内に長尺鋼管Ｐの例えば、３ｍ程が位置する端末部（端末管：図７の破線部分）を切除しつつ、掘削を行なう（本願図７、特許文献１図１参照）。このため、トンネル内空断面のコンクリート層Ｃは段差が生じないことから、無拡幅ＡＧＦ工法と称されている。近年では後者の工法が主流である。

その無拡幅ＡＧＦ工法用端末管として、市販の薄厚で連続するスパイラルリブを有する鋼製シース管を採用したものがある（特許文献１段落００４５、図３（ｃ）参照）。
その鋼製シース管は、厚さ０．５ｍｍ程度の鋼帯を引き出しながら螺旋状に成形し、両幅端を連続カシメ加工した鋼管であり、理論上はどのような直径の管でも安価に製造でき、軽量で作業性に優れると共に使用する資源量と製造エネルギー量が小さくて環境負荷の小さな商品であるが、スパイラルリブのピッチは通常の鋼管ネジに比べて極めて大きく、この部分でのネジ嵌合は緩みやすい。

また、上記切除された端末管部分は、産業廃棄物として処理される。このとき、注入材がウレタンやシリカレンジ等の樹脂系の場合、その注入材固化部分が鋼管（端末管）内に詰まったままでは、法規制及び公害防止の観点から問題となる。このため、鋼管と注入材固化部分を分離して廃棄する必要がある。
その分離作業をなくすため、切除される端末管部分には、注入材を充填せず、端末管のみを切断除去する技術がある（特許文献２要約、図１、図２参照）。

特許第３８５１５５０号公報 特開２０１１−１３２７０９号公報

上記鋼製シース管を使った端末管は、鋼管Ｐとの接続にシース内側のスパイラル溝にねじ合って嵌る接続部材を用いているが、市販（標準品）の鋼製シース管のスパイラルリブピッチは一般の鋼管Ｐネジのピッチに比べて極めて大きく、削孔作業時の打撃振動でその接続部が緩みやすい難点があった。

一方、上記端末管に注入材を充填しない技術は、端末管の地中側接続部近傍の内径側に袋体と両端に設けられたゴム部材とからなり、前方の打設鋼管内および周辺地山に注入材を圧入する目的で複数の注入ホースが連通し、更に袋体内に圧入するための注入ホースが具備された流入防止構造の特殊パッカーを配置する構造である。
この構造は、特殊パッカーの構成部品数が多く、袋体を膨張させる注入ホースも追加で必要となり、不経済で、更なる簡単で容易な特殊パッカーと同等の機能を有する技術が求められている。

この発明は、以上の実状の下、まず、端末管に注入材を注入（充填）しない構造の簡素化を図ることを第１の課題、つぎに、薄厚の鋼製シース管製端末管と鋼管Ｐとの接続を容易にするとともに接合強度を高めることを第２の課題とする。

まず、上記第１の課題を達成するため、この発明は、切断除去される端末管と注入孔を有する鋼管との接続部内を閉塞する部材（例えば、ゴムコーン）を、端末管の最端末の開口から押し込み材によって前記接続部内に押し込み装填することとしたのである。
つぎに、その押し込み材を端末管の最端末に固定すると共に、注入材用ホースをその閉塞材を水密に貫通させて上記鋼管内に導入させたのである。
このようにすれば、閉塞材は押し込み材によって装填状態が維持されるため、鋼管内への注入材の加圧注入によって端末管側に移動することがない。
なお、上記「閉塞材による閉塞」及び「ホースを水密に貫通」とは、端末管の廃棄に支障がない程度の端末管への注入材の漏れ出しも含む。また、接続部内とは、切断除去される部分以外の端末管内に閉塞材が位置する場合もその接続部内に位置するものとする。切断除去されないのであれば、注入材が充填されていても支障が無いからである。

この発明の構成としては、トンネルの切羽外周の地山内にトンネル掘進方向に対し上向き角度で複数本の注入孔付き鋼管を直列に接続しながら長尺打設し、打設後に鋼管内から前記注入孔を介して地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良する無拡幅長尺鋼管先受け工法に使用される前記鋼管の端末管における前記注入材の注入構造において、前記端末管の最端末の開口から押し込み材を介して前記鋼管との接続部内にゴムコーン等の閉塞材を押込み介在して閉塞し、前記押し込み材を前記端末管の最端末に固定すると共に、注入材用ホースをその閉塞材を水密に貫通させて前記鋼管内に導入させた構成を採用することができる。
上記押し込み材は、上記注入材用ホースが挿通するパイプ等を採用する。

上記第２の課題を達成するため、この発明は、まず、特許文献１と同様に、上記端末管に薄肉の鋼製シース管を採用したのである。
鋼製シース管は、市販品で安価で、軽量であり作業性も良く、その厚みは０．５ｍｍ程度であるが、打設時、牽引によって端末管の約３ｍのみ地盤中に挿入されるため、その強度は十分である。一方、厚み：０．５ｍｍ程度であるためスリットなどを設けない管体構造であっても、掘削機で容易に切断できる。

つぎに、この発明は、鋼製シース管製端末管の一端に上記鋼管との接続部材が設けられ、その接続部材は筒状であって、その筒軸方向一方側が前記鋼製シース管の一端に接続部材外面のスパイラルリブと鋼製シース管内側のスパイラル溝とでネジ合って嵌り、その他方側が前記鋼管にネジ合わされるネジを有しており、かつ、前記接続部材の前記一方側には嵌った前記端末管の外側スパイラルリブがカシメられて接続部材に係合しているものとしたのである。
鋼製シース管の外側スパイラルリブがカシメられて接続部材外周面に係合しておれば、接続部材と鋼製シース管の接続は、スパイラルリブによるネジ結合とそのカシメによる係合の両者で、ネジ緩みが防止されてその強度が担保されるため、その接続強度は高いものとなる。

この発明の構成としては、トンネルの切羽外周の地山内にトンネル掘進方向に対し上向き角度で複数本の注入孔付き鋼管を直列に接続しながら長尺打設し、打設後に鋼管内側から前記注入孔を介して地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良する無拡幅長尺鋼管先受け工法に使用される前記鋼管の端末管であって、鋼製シース管からなり、その鋼製シース管の一端に前記鋼管との接続部材が設けられ、その接続部材は筒状であって、その筒軸方向一方側が前記スパイラル管の一端に接続部材外面のスパイラルリブと鋼製シース管内側のスパイラル溝とでネジ合って嵌り、その他方側が前記鋼管にネジ合わされるネジを有しており、かつ、前記接続部材の前記一方側には嵌った前記端末管の外側スパイラルリブがカシメられて接続部材に係合している構成を採用することができる。
その接続部材は、掘削後の廃材処理を勘案すると鋼製シース管と同じ金属製が好ましい。また、この接続部材は、工場において（出荷前に）端末管に組み付けておくのが好ましい。
この発明は、上記第１の課題を達成する発明に組み合わせることができる。

以上の各端末管における注入材の注入構造は、種々の態様の無拡幅長尺鋼管先受け工法に採用でき、例えば、トンネルの切羽外周の地山内にトンネル掘進方向に対し上向き角度で複数本の注入孔付き鋼管及びその鋼管の端末管を直列に接続しながら長尺打設し、打設後に前記端末管を介して鋼管内側から前記注入孔を通して地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良する無拡幅長尺鋼管先受け工法において、前記端末管の最端末の開口から押し込み材を介して前記鋼管との接続部材内にゴムコーン等の閉塞材を押込み介在して閉塞し、その押し込み材を前記端末管の最端末に固定すると共に、注入材用ホースをその閉塞材を水密に貫通させて前記鋼管内に導入させた後、そのホースでもって鋼管内に前記地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良し、その後、端末管を除去する構成を採用することができる。

この発明は、以上の説明から明らかなように、簡単な構成でもって、注入材が充填されない端末管を得ることができる。このため、端末管とその内部の注入材の分別作業が不要であって、産業廃棄物としての処理が簡単となる。
また、閉塞材とその押込み材によって端末管内への注入材の流入阻止を行なったので、その阻止構造も簡単であって安価である。
さらに、地山に打設される無拡幅の長尺先受け鋼管（ＡＧＦ鋼管）の端末管に鋼製シース管を用いて施工時の打撃振動で鋼管と外れない構造を構築でき、極めて軽くて作業性がよく、経済性にも優れた施工が可能となる。

この発明に係る無拡幅長尺鋼管先受け工法用端末管における注入材の注入構造の一実施形態を示し、（ａ）は要部切断正面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図 図１の右端に位置する口元反力治具を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図 同実施形態のゴムコーン（ゴム部材）を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は切断正面図 同実施形態の端末管の一部切断正面図 同端末管の端部の一部省略部分断面図であり、（ａ）は鋼管との雄ネジ接続構造、（ｂ）は同雌ネジ接続構造 他の実施形態の要部切断正面図 無拡幅長尺鋼管先受け工法の説明用概略断面図

この発明の一実施形態を図１〜図５に示し、図７に示す、無拡幅の長尺鋼管先受け工法の実施において、例えば外径、φ１１４．３ｍｍで厚さ６ｍｍの複数の鋼管Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を直列にネジ接合しながら長尺鋼管を打設したのち、その最後（端末）に図４に示す端末管１０を接続する。
この端末管１０は、全長：約３ｍ（切除される長さ）でリブ山（スパイラルリブ）１１ａの外径φ１１２ｍｍ、内径φ１０５ｍｍ、壁厚０．５ｍｍの標準品の連続スパイラルリブ付き鋼製シース管である。

図４において、端末管１０の鋼管Ｐとの接続側には、鋼製シース内側に雄ネジ（スパイラル突起）２１にて接合される接続部材２０ａもしくは２０ｂ（両者の総称符号：２０）が嵌め込まれ（図５（ａ）、（ｂ）参照）、端末管の最端末（口元）側には、施工打設時のシース口元変形・破損防止を目的としたシースプロテクター１２が嵌め込まれている。
鋼管Ｐとの接続側の接続部材２０は、図５に示すように、その一側にシース内側のスパイラル溝１１ｂに嵌合できる間隔の２本の独立したスパイラル突起からなって極めて大きいネジピッチの２条ネジからなる雄ネジ２１を有しており、このネジ２１の終点部はスパイラル突起のない「かしめ部Ｖ」となっている。また、接続部材２０の内径２５は削孔ビットや削岩ロッドの挿入・回収が可能で削孔時のスライム排除や注入工程での注入管挿入が可能な中空構造となっている。

この接続部材２０は、雄ネジ２２ａを鋼管Ｐ３との接続側の鋼製シース１０の内側にネジ嵌合し、かしめ部Ｖに到達した鋼製シース１０のスパイラルリブ１１ａを小さなハンマーで打撃して塑性変形させて嵌合のゆるみを防止する。このとき、スパイラルネジ１１ａは２条ネジであることから、周方向にズレた２カ所をかしめて接続部材２１の外周面に係止させることができて２重の緩み防止を形成できて安心である（図中、ｃがカシメ）。
また，接続部材２０の他側は通常の鋼管Ｐ接続用の雄ネジ２２ａ（図５（ａ））又は雌ネジ２２ｂ（同図（ｂ））が成形される。

一方、図４の前記端末管の最端末（口元）側シースプロテクター１２は、接続部材２０ａのネジ部２２ｂ所要長さを切除したものなどによる円筒部材であって、上記のように、端末管１０を打設牽引する作業時の口元スパイラルリブ形状の変形や破損を防止する目的で取り付けるものであり、端末管１０の打設が完了したならば取り外し、後工程の口元反力治具３０のねじ込み嵌合を確実とする。図中、１２ａは棒状工具の差し込み孔であり、この孔１２ａに工具を差し込んで、プロテクター１２を回転させて締付け・取外し等を行なう。

この端末管１０は以上の構成であって、図７に示す上記無拡幅施工の長尺鋼管先受け工法においては、既に掘削を完了したトンネル天端に１ｍ毎に同一形状の鋼製支保工２を配置して吹付コンクリートＣが打設され、その上側には掘削前に打設された長尺先受け鋼管Ｐが９〜１１°の仰角θをもって打設されており、この端末管１０は掘削時に既に撤去されて、次の長尺先受け鋼管Ｐを打設している。

トンネル掘削の切羽１には約１０ｃｍの吹付コンクリートＣが配置され、その天端部の直近の鋼製支保工２に擦り付けるように斜め上方向（角度：θ＝９〜１１度）に、例えば、長さ：約１２．５ｍの長尺鋼管Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を打設し、ドリルジャンボ３のガイドセル３ａに搭載された削岩機４に接続された中空の削孔ロッド５から先端の削孔ビット６に回転と打撃および削孔水を供給しながら地山を削孔するとともに長尺鋼管Ｐの先端部に設けた先端シューを打撃しながら牽引するように鋼管Ｐの設置を進める。

鋼管Ｐを３本（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）打設した状態において、鋼管Ｐ３の端部にこの端末管１０をネジ結合によって接続する。このとき、鋼管Ｐの端部が雄ネジであれば、一方の接続部材２０ａでもって、雌ネジであれば、他方の接続部材２０ｂでもって接続する。

端末管１０を接続して、その端末管１０の端末が切羽１に至れば（図７の鎖線端末管１０の打設状態に至れば）、打設は完了し、この端末管１０を用いた長尺先受け鋼管Ｐへの注入材の注入工程に移行する。なお、端末管１０の打設においては、口元側にシースプロテクター１２を配置して作業を進め、打設完了後に取り外す。
注入材はセメント系と樹脂系があるが、ここでは多用される樹脂系の注入で説明する。また、樹脂系注入材は、複数の注入ホースで複数のポンプを用いて圧入するが、ここでは事例が多くなっている同時注入方式で説明する。

図１に示すように、地山に長尺先受け鋼管Ｐが打設され、更に端末管１０が口元の切羽１の吹付面より若干量突出した状態で打設を完了した状態において、その突出部周りをコーキング２５して地山内に注入された注入材が端末管１０と切羽１の界面からリークしないようにする。また、端末管１０の突出側（口元側）の一定区間には一回り大きい標準の鋼製シース１０’が外装され補強されている。

この状態において、端末管１０には口元側から最大径φ１０１ｍｍ、幅６０ｍｍの図３に示す先端部が徐々に縮径する柱状ゴムコーン２７を例えば直径φ１２ｍｍ×３本の注入ホースの所定位置に水密連通セットした状態で挿入し、次に口元反力治具３０をシース管口元側にネジ嵌合する。口元反力治具３０は、図１の如く、接続部材２０ｂのネジ部２２ａを一定長さ切除した部材２０ｂ’をその治具筒部に溶接接合した構造からなり、注入完了後、注入材が固化したらば、掘削スタート前に取り外して再利用する。この点から、接続部材２０ｂ応用部分（接続部材２０ｂ’）における端末管１０へのカシメｃは実施しない。

この口元反力治具３０をねじ込み嵌合後、更に外径φ７６．３ｍｍ、厚さ２．８ｍｍで所定長さの軽量な鋼製又は他金属製等の押込みパイプ３５を端末管１０内に注入ホース４０が連通するように挿入し、パイプ先端の押し板３６でゴムコーン２７を接続部材２０ａ内面突起区間（本事例では内径φ９８.３ｍｍの区間）に当接させる。このとき、注入ホースは、押込みパイプ３５内を通ってゴムコーン２７を水密に貫通して各鋼管Ｐ内に至っている（特許文献２図２参照）。
次に、口元反力治具３０のヒンジボルト３１を押込みパイプ３５のスティフナー付き反力プレート３７にセット（図２の状態）してからナット３２を所定位置まで締め込んでゴムコーン２７を接続部材２０ａ内面突起区間に押込む。このゴムコーン２７の押し込み圧接によって、接続部材２０ａ内が閉塞されて、鋼管Ｐと端末管１０が水密に区画されて、端末管１０側への注入材の流入防止構造を実現している。

このゴムコーン２７による閉塞が完了すれば、長尺、中尺、および短尺の注入ホース４０に注入材圧入用のポンプ（図示せず）をそれぞれ接続し、３台の２液注入用ポンプを用いて口元までＡ液とＢ液を圧送し、口元のミキシングユニットで２液を合流させたあとで吐出孔より同時に吐出させ、長尺先受け鋼管Ｐに複数設けた横穴（注入孔）から周辺地山に圧入し浸透固化させて地山の改良を実現する。

１サイクルに応じた全ての長尺先受け鋼管（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）に注入材の注入が完了すれば、口元反力治具３０のナット３２を緩めてヒンジボルト３１を開放し（図２の矢印のごとく回して孔から外し）、ゴムコーン２７及び内包する注入ホースを端末管１０内に残置する状態で押込みパイプ３５を口元側から抜き取り、更に口元反力治具３０も取り外す。この回収した押込みパイプ３５と口元反力治具３０は以降の工事サイクルでの注入工程で再利用を繰り返す。

その口元反力治具３０等の回収が終われば、掘削機でトンネル掘削を進め、例えば、１ｍ掘進するごとに、内側に注入材が充填されていない端末管１０の一部の切除と３本の注入ホースを切除しながら鋼製支保工２の建込みと１次覆工コンクリート吹付Ｃを実施しつつ作業を進める。このとき、端末管１０は注入用の横孔やスリットを有しない構造であるが、鋼製シース管の肉厚はわずか０．５ｍｍしかないため、掘削機で容易に切除が可能である。端末管１０の切除は最初の約３ｍ区間の掘削で完了する。

上記実施形態の端末管１０は鋼製シース管であったが、図６に示すように、鋼管Ｐと同一の鋼管からなる端末管１０ａによって構成することもできる。このとき、後掘削で端末管１０ａを確実に切除できるように管軸方向に所定間隔で環状溝（スリット）１３を設けておくこともできる。また、押し込み材もパイプ３５に代えて、筒状に配置した棒材で構成することもできる。このとき、棒材の本数、円周間隔は、強度等を考慮して適宜に設定する。
鋼管Ｐ（Ｐ３）と端末管（一般的な鋼管）１０ａとの接続部材２０ｃは、図６に示すように、一方側が鋼管Ｐ３端末にねじ込まれ、その内径は端末管１０ａの内径（ここではφ１０２．３ｍｍ）よりも若干小さいφ９８．３ｍｍの筒体内面突起区間構造とし、最大径φ１０１ｍｍ、幅６０ｍｍのゴムコーン２７がこの位置で水密性を保って圧入されるとともに、前記接続部材２０ｃ他端側には鋼管Ｐと同一サイズの環状溝（スリット）１３付き端末鋼管１０ａを溶接接続することができる。

Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 長尺先受け鋼管
Ｃ 吹付コンクリート
１ 切羽
２ 支保工
１０鋼製シース管製端末管
１０ａ 鋼管製端末管
１１ａ スパイラルリブ
１１ｂ スパイラル溝
１２ シースプロテクター
１３ 環状溝
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 接続部材
２１ 接続部材の外周面のネジ山（スパイラルリブ）
２２ａ 接続部材の雄ネジ
２２ｂ 接続部材の雌ネジ
２７ ゴムコーン
３０ 口元反力治具
３１ ヒンジボルト
３２ ナット
３５ 押込みパイプ（押込み材）
４０ 注入材用ホース

Claims (2)

1. トンネルの切羽（１）外周の地山内にトンネル掘進方向に対し上向き角度（θ）で複数本の注入孔付き鋼管（Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）及び端末管（１０、１０a）を直列に接続しながら長尺打設し、打設後に鋼管（Ｐ）内から前記注入孔を介して地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良し、前記注入材が硬化した後、前記端末管を切除する無拡幅長尺鋼管先受け工法であって、
   上記端末管の最端末の開口からパイプ状押し込み材（３５）を介して前記端末管（１０、１０a）と上記鋼管（Ｐ３）との接続部内に先端部が徐々に縮径する柱状ゴムコーンからなる閉塞材（２７）を押込み介在して閉塞し、前記押し込み材（３５）内を挿通して前記閉塞材（２７）を水密に貫通した注入材用ホース（４０）を前記鋼管内に導入して、前記押し込み材（３５）を前記端末管の最端末に固定し、前記注入材用ホース（４０）から鋼管（Ｐ）内に地山補強用注入材を圧入し、上記注入孔を介して地山補強用注入材を圧入して周辺地山を改良することを特徴とする無拡幅長尺鋼管先受け工法。
2. 上記端末管（１０）をスパイラルリブ付き鋼製シース管としたことを特徴とする請求項１に記載の無拡幅長尺鋼管先受け工法。

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