JP5994583B2 - トンネルの支保工補強構造及びトンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの支保工補強構造及び当該トンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法に関する。

上部半断面先進工法によるトンネル掘削工事においては、トンネルの上半部に設置された支保工が沈下することを防止するため、支保工の脚部近傍の地中にパイル（鋼管）を打設し、この打設したパイルの内部に固化材を注入する補強工法が行われている。例えば、特許文献１には、地山に貫入させたパイルにより、トンネルの支保工の沈下を抑制する支保工沈下抑制構造が提案されている。

具体的には、特許文献１に記載の支保工沈下抑制構造は、地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出され且つ地山に水平方向に貫入される水平パイルと、トンネル内壁面から基端が露出され且つ地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルと、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平パイルの基端と下向きパイルの基端を結合する結合金物とを備えている。

特開２００７−１６２３６６号公報

しかしながら、上述した従来技術の支保工沈下抑制構造は、以下に示す課題を有している。具体的には、この支保工沈下抑制構造は、地山に貫入した水平パイルの基端及び下向きパイルの基端を結合金物に固定して、水平パイル及び下向きパイルの曲げ耐力により、支保工を補強するように構成されている。しかし、この支保工沈下抑制構造は、地山荷重が大きい現場に設置された場合、水平パイル及び下向きパイルにかかる荷重（曲げ）が大きくなり、その荷重（曲げ）に耐えられないことがあるという課題を有している。特に、水平パイル及び下向きパイルを固定する結合金物には、大きな荷重がかかり、結合金物がその荷重に耐えられなくなる。そのため、上記の支保工沈下抑制構造は、地山荷重が大きい現場に設置された場合、その構造を維持することができず、支保工沈下の抑制効果が得られないことがあった。尚、上述した従来技術は、水平パイル及び下向きパイルを固定するために、特別な形状で且つ所定以上の剛性を有する結合金具を製作する必要があり、コストがかかるという課題も有している。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、トンネルの支保工の沈下を効果的に抑制できるトンネルの支保工補強構造及び当該トンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、地山掘削面に沿って、覆工層と共に設置されたアーチ状の支保工を補強するトンネルの支保工補強構造であって、前記支保工下端部の前記覆工層の内面側から地山に下向きに打設される複数の脚部パイルと、複数の前記支保工を水平方向に連結する水平材と、前記脚部パイルの先端と前記水平材との間を、固化することにより連結する経時固化材と、前記水平材と前記支保工との間に渡設された筋交い材とを備え、前記筋交い材は、その下端側が水平材に固設され、その上端側が前記支保工の上方側に固設されていることを特徴とする。また、前記脚部パイルは、前記地山に所定の傾斜角度で垂直下向きに打設されていることが望ましい。

このように、本発明の構成によれば、トンネルの地山荷重を、主に、「支保工→筋交い材→水平材→経時固化材」を介して脚部パイルへ軸力として伝えることができるため、上述した従来技術のような「曲げ耐力」を利用したものと比べて、強い耐力が得られる。その結果、本発明のトンネルの支保工補強構造は、地山荷重が大きい現場に設置された場合であっても、所望の支保工沈下抑制効果が得られる。また、本発明は、上述した従来技術のように特別な形状の結合金具を必要としないため、従来技術と比べてコストが削減される。また、複数の支保工を連結する構成にすることで、複数の支保工補強構造を一体化させ、地山荷重に対して、一体化した構造により抵抗することができる（地山荷重を分散して支持することができる）。

また、前記筋交い材は、トンネルの軸方向から見て、前記地山に打設された脚部パイルと同一軸線上に位置するように前記水平材と前記支保工との間に渡設されていることが望ましい。

このように構成することにより、地山荷重を効果的に軸力として脚部パイルに伝えることができる。その結果、本発明によれば、トンネルの支保工の沈下をより効果的に抑制できる。

また、本発明は、地山掘削面に沿って設置されたアーチ状の支保工を補強するトンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法であって、トンネルの上半部を先行して掘削するトンネル上部半断面掘削工程と、前記掘削により形成された地山掘削面に沿って、覆工層と共にアーチ状の支保工を設置する上部支保工設置工程と、前記設置された支保工を補強する前記支保工補強構造を設置する工程と、前記支保工補強構造にトンネル上半部の地山の荷重を伝達させた状態で、トンネル下部を施工する工程とを備え、前記支保工補強構造を設置する工程は、前記支保工下端部の前記覆工層の内面側から地山に下向きに脚部パイルを打設する工程と、前記脚部パイルの内部に固化材を充填する工程と、前記脚部パイルを打設することにより形成された前記覆工層の開口と前記地山に打設された脚部パイルの上端部との間に形成された空隙部に経時固化材を充填して該脚部パイルの上端部を塞ぐ工程と、水平材をトンネルの軸方向に延設されるように配置すると共に、該水平材を前記経時固化材に当接させた状態にして前記支保工に固設する工程と、前記支保工と前記水平材との固設部近傍に、筋交い材の下端部を固設すると共に、前記支保工の上方側に前記筋交い材の上端部を固設し、前記水平材と前記支保工との間に前記筋交い材を渡設する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、トンネルの支保工の沈下を効果的に抑制できるトンネルの支保工補強構造及び当該トンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法を提供することができる。

本実施形態のトンネルの支保工補強構造の概略構成を示した模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造を正面から見た模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造の要部断面を示した模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造の施工手順を説明するための模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造の施工手順を説明するための模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造の設置後に施工されるトンネルの下半部の構成を説明するための模式図である。 本実施形態のトンネルの支保工補強構造の変形例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態のトンネルの支保工補強構造及びこの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法について図面を用いて説明する。

本実施形態のトンネルの支保工補強構造は、上部半断面先進工法により、トンネルの上半部の掘削後設置されるものであり、地山掘削面に沿って覆工層と共に設置されたアーチ状の鋼製支保工１の沈下を抑制する。また、本実施形態のトンネル施工方法では、この支保工補強構造にトンネル上半部の地山の荷重を伝達させた状態で、トンネルの下半部の掘削を行う。

具体的には、図１〜３に示すように、トンネルの支保工補強構造は、アーチ状の鋼製支保工（以下単に「支保工」という）１の両側から地中（地山）に斜め下向き（所定傾斜角度で垂直下向き）に打設された１対の脚部パイル３と、地中に打設された脚部パイル３の上端部を塞ぐ経時固化材５と、経時固化材５に当接した状態で支保工１に固設されている水平材７と、水平材７と支保工３との間に渡設された筋交い材９とを備えている。

また、経時固化材５は、脚部パイル３を打設するために形成したトンネルの覆工層の開口と、地中に打設された脚部パイル３の上端部との間に形成された空隙部Ｓ（図４（ａ）参照）に充填され、脚部パイル３の上端部を塞いでいる。また、経時固化材５は、その上面が、前記覆工層（後述する二次吹き付け層の形成面）と面一になるように空隙部Ｓに充填されている。また、筋交い材９は、その下端部が支保工１と水平材７との固設部近傍に固設（溶接等により固設）され、当該固設部近傍から支保工１に向け上方に延び、その上端部が支保工１に固設（溶接等により固設）されている。

このように、トンネルの支保工補強構造を構成することにより、トンネル上半部の地山荷重を、主に、「支保工１→筋交い材９→水平材７→経時固化材５」を介して脚部パイル３へ軸力として伝えることができる。そのため、本実施形態によれば、上述した従来技術のような「曲げ耐力」を利用した構造のものと比べ、強い耐力が得られる。また、本実施形態は、上述した従来技術のように特別な形状の結合金具を必要としていないため、従来技術と比べてコストが削減される。以下、本実施形態の支保工補強構造の各部の構成を説明する。

支保工１は、Ｈ鋼により形成されており、掘削したトンネルの軸方向（図２に示すＺ方向））に所定間隔を開けて複数設置される（図２参照）。」

また、脚部パイル３は、例えば、両端が貫通した中空鋼管により形成されており、その周壁に吐出孔が穿設されている。また、脚部パイル３は、複数設置された各支保工１のそれぞれに対し、少なくとも一対設置される（図１に示すように、左右両側の支保工１にそれぞれ一対設置される）。また、脚部パイル３は、支保工１の下端部近傍から地中に打設されると、その後、脚部パイル３の上端部開口から管内にセメントモルタル等の経時固化材１１が充填される（図３参照）。この経時固化材１１は、脚部パイル３の管内に充填され固化する。また、経時固化材１１は、脚部パイル３の周壁に形成した吐出孔から脚部パイル３の外周囲に吐出し、地山内に経時固化材１１が浸透固化される。

また、図示する例では、脚部パイル３は、支保工１の下端部近傍の地中に斜め下向きに打設されているが、特にこれに限定されるものではない。より望ましくは、脚部パイル３が、図中の水平面ＧＬを基準に垂直方向（図中のＹ方向）に打設するとよい。この場合、脚部パイル３は、「支保工１→筋交い材９→水平材７→経時固化材５」を介し、トンネル上半部の地山荷重の全てを軸力として受け、水平方向成分による曲げの発生が小さくなるため、斜め下向きに打設する場合よりもさらに強い耐力が得られる。

また、経時固化材５の具体的に構成について特に限定されるものではないが、例えば、急結モルタルを用いることができる。また、経時固化材５を用いることには、以下の利点がある。具体的には、打設される脚部パイル３毎に、その上方に形成される空隙部Ｓの大きさが異なっている（寸法誤差がある）。そのため、前記空隙部に急結モルタルのような経時固化材５を充填することにより、手間をかけずに寸法誤差を調節することができる。

また、水平材７には、例えば、断面視Ｌ字状の水平山形鋼を用いることができる。また、水平材７は、トンネルの軸方向（図２に示すＺ方向）に延びる連続部材になっており、複数の支保工１同士を連結している。尚、水平材７と支保工１との固設は、例えば溶接により行う。このように水平材７を連続部材として複数の支保工１を連結する構成にすることで、複数の支保工補強構造を一体化させ、地山荷重に対して、一体化した構造により抵抗することができる（地山荷重を分散して支持することができる）。

また、筋交い材９は、例えば、Ｈ鋼材により形成されている。また、筋交い材９は、トンネルの軸方向から見て、地山に打設された脚部パイル３と同一軸線上に位置するように水平材７と支保工１の上端側との間に渡設される（筋交い材９は、トンネル断面視において、脚部パイル３とおよそ直線になるように、設置される）。このように構成することにより、地山荷重を効果的に軸力として脚部パイル３に伝えることができる。

次に、本実施形態のトンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法について図１、２、４〜６を用いて説明する。尚、図４、５は、本実施形態のトンネルの支保工補強構造の施工手順を説明するための模式図である。また、図６は、本実施形態のトンネルの支保工補強構造の設置後に施工されるトンネルの下半部の構成を説明するための模式図である。

本実施形態のトンネル施工方法は、トンネル上部半断面掘削工程と、上部支保工設置工程と、支保工補強構造の設置工程と、トンネル下部半断面掘削工程と、下部支保工設置工程と、盤下げ掘削工程と、インバート埋戻し工程とを順次繰り返すことによりトンネルを形成するようになされている。尚、本実施形態において、「支保工補強構造の設置工程」以外は、従来技術と同じであるため、「支保工補強構造を設置する工程」以外についての説明を簡略化する。

具体的には、先ず、トンネル上部半断面掘削工程を行い、トンネルの上半部を掘削する。次に、上部支保工設置工程を行い、トンネルの上半部の掘削により形成された地山掘削面に一次吹き付け施工を行い、トンネル内壁面に一次吹き付け層（図示せず）を形成する。そして、トンネル内壁面の一次吹き付け層（図示せず）を介し、支保工１をトンネル掘削面に設置する。尚、支保工１は、トンネルの軸方向（図２に示すＺ方向）に所定間隔を開けて複数設置される。そして、支保工１が設置されると、支保工１のアーチ形状に沿って、支保工１の内側フランジの位置まで、二次吹き付けが施工されて地山掘削面には二次吹き付け層（覆工層（図示せず））が形成される。

次に、支保工補強構造の設置工程を行う。この工程では、脚部パイル３を打設する工程と、脚部パイル３の管内に経時固化材１１を充填する工程と、脚部パイル３の頭部（上端部）を経時固化材５で塞ぐ工程と、水平材７を設置する工程と、筋交い材９を設置する工程とを備えている。尚、本工程は、「脚部パイル３を打設する工程→脚部パイル３の管内に経時固化材１１を充填する工程→脚部パイル３の頭部を経時固化材５で塞ぐ工程→水平材７を設置する工程→筋交い材９を設置する工程」の順に行うようになっている。

また、脚部パイル３を打設する工程では、例えば、２重管工法により、地山に脚部パイル３を打設するとよい。具体的には、中空の脚部パイル３の管内に拡張可能な掘削ビットを収納し、この掘削ビットにより覆工層（二次吹き付け層の形成面）から地山下向きに穴を穿設して、地山を掘削しながら脚部パイル３を打設していく。このように、地中に脚部パイル３を打設すると、脚部パイル３を打設するために形成した覆工層（二次吹き付け層の形成面）の開口と、地中に打設された脚部パイル３の上端部との間に空隙部Ｓが形成される（図４（ａ）参照）。

脚部パイル３の管内に経時固化材を充填する工程では、地中に打設された脚部パイル３の上端部開口から、脚部パイル３の管内にセメントモルタル等の経時固化材１１を充填する。この経時固化材１１は、脚部パイル３の管内に充填され固化すると共に、脚部パイル３の周壁に形成した吐出孔から脚部パイル３の外周囲に吐出し、地山内に経時固化材１１が浸透固化される（図４（ｂ）参照）。

脚部パイル３の頭部を経時固化材５で塞ぐ工程では、地中に打設された脚部パイル３の上方に形成された空隙部Ｓに、経時固化材５を充填する（図４（ｃ）参照）。尚、経時固化材５は、その上面が、トンネルの覆工層（二次吹き付け層の形成面）と面一になるように空隙部Ｓに充填される。

水平材７を設置する工程では、水平材７の長手方向がトンネルの軸方向と平行になるように水平材７を配置して、水平材７の一方面を、充填した経時固化材５の上面と当接させた状態にした上で、水平材７の一方面を各支保工１に固設（溶接等により固設）していく。これにより、水平材７により、複数の支保工１同士が連結される。また、水平材７は、経時固化材５を介して、脚部パイル３に連結される（図５（ａ）、図２参照）。

筋交い材９を設置する工程では、水平材７の下方側（支保工１と水平材７との各固設部近傍）に、筋交い材９の一端部（下端部）を固設（溶接等により固設）すると共に、支保工１の上方側に筋交い材９の他端部（上端部）を固設（溶接等により固設）し、筋交い材９を水平材７と支保工１との間に渡設する（図５（ｂ）、図１参照）。これにより、本実施形態の支保工補強構造が設置される。

そして、支保工補強構造が設置されると、その後、支保工補強構造にトンネル上半部の地山の荷重を伝達させた状態で、トンネル下部半断面掘削工程と、下部支保工設置工程と、盤下げ掘削工程と、インバート埋戻し工程とが行われ、図６の破線で示す構造（下部支保工１３、インバート１５）が形成される。

以上、説明したように、本実施形態によれば、トンネル上半部の地山荷重を、主に、「支保工１→筋交い材９→水平材７→経時固化材５」を介して脚部パイル３へ軸力として伝えることができるため、上述した従来技術のような「曲げ耐力」を利用した構造のものと比べて、強い耐力が得られる。また、本実施形態は、上述した従来技術のように特別な形状の結合金具を必要としていないため、従来技術と比べコストが削減される。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変更が可能である。

例えば、図７に示すように、水平材７に、経時固化材５を充填するための穴７ａを設けるようにしてもよい。この場合、支保工補強構造の設置工程では、「水平材７を設置する工程」を行ってから、「脚部パイル３の頭部を経時固化材５で塞ぐ工程」が行われる。尚、図７は、本実施形態のトンネルの支保工補強構造の変形例を示す模式図である。

具体的には、図７（ａ）に示すように、地中に打設した脚部パイル３の上方の空隙部Ｓに経時固化材５を充填しない状態のままで、支保工１に水平材７を固設する。この場合、水平材７の穴７ａが、空隙部Ｓと連通するように、水平材７を配置して支保工１に固設する。その後、支保工１に固設された水平材７の穴７ａから空隙部Ｓに経時固化材５を充填して、図７（ｂ）に示すように、空隙部Ｓを経時固化材５で塞ぐ。この変形例においても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

１…鋼製支保工（支保工）、３…脚部パイル、５…経時固化材、７…水平材、７ａ…穴、９…筋交い材、１１…経時固化材、１３…下部支保工、１５…インバート、Ｓ…空隙部

Claims (4)

1. 地山掘削面に沿って、覆工層と共に設置されたアーチ状の支保工を補強するトンネルの支保工補強構造であって、
   前記支保工下端部の前記覆工層の内面側から地山に下向きに打設される複数の脚部パイルと、
   複数の前記支保工を水平方向に連結する水平材と、
   前記脚部パイルの先端と前記水平材との間を、固化することにより連結する経時固化材と、
   前記水平材と前記支保工との間に渡設された筋交い材とを備え、
   前記筋交い材は、その下端側が水平材に固設され、その上端側が前記支保工の上方側に固設されていることを特徴とするトンネルの支保工補強構造。
2. 前記脚部パイルは、前記地山に所定の傾斜角度で垂直下向きに打設されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネルの支保工補強構造。
3. 前記筋交い材は、トンネルの軸方向から見て、前記地山に打設された脚部パイルと同一軸線上に位置するように前記水平材と前記支保工との間に渡設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネルの支保工補強構造。
4. 地山掘削面に沿って設置されたアーチ状の支保工を補強するトンネルの支保工補強構造を用いたトンネル施工方法であって、
   トンネルの上半部を先行して掘削するトンネル上部半断面掘削工程と、
   前記掘削により形成された地山掘削面に沿って、覆工層と共にアーチ状の支保工を設置する上部支保工設置工程と、
   前記設置された支保工を補強する前記支保工補強構造を設置する工程と、
   前記支保工補強構造にトンネル上半部の地山の荷重を伝達させた状態で、トンネル下部を施工する工程とを備え、
   前記支保工補強構造を設置する工程は、
   前記支保工下端部の前記覆工層の内面側から地山に下向きに脚部パイルを打設する工程と、
   前記脚部パイルの内部に固化材を充填する工程と、
   前記脚部パイルを打設することにより形成された前記覆工層の開口と前記地山に打設された脚部パイルの上端部との間に形成された空隙部に経時固化材を充填して該脚部パイルの上端部を塞ぐ工程と、
   水平材をトンネルの軸方向に延設されるように配置すると共に、該水平材を前記経時固化材に当接させた状態にして前記支保工に固設する工程と、
   前記支保工と前記水平材との固設部近傍に、筋交い材の下端部を固設すると共に、前記支保工の上方側に前記筋交い材の上端部を固設し、前記水平材と前記支保工との間に前記筋交い材を渡設する工程とを有することを特徴とするトンネル施工方法。
   
   

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