JP6232743B2 - トンネルの構築方法及びトンネル - Google Patents

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本発明は、トンネルの構築方法及び当該トンネル構築方法により構築されたトンネルに関し、例えば、上部半断面先進工法によるトンネルの構築方法及び当該トンネル構築方法により構築されたトンネルに関する。
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、トンネルの上半部を形成する工程において、支保工の沈下が懸念される場合には、支保工脚部近傍の地中に鋼製パイル(鋼管)を打設し、この打設した鋼製パイルの内部に固化材を注入し形成した脚部補強工を設けている。
また、上部半断面先進工法で脚部補強工を設ける場合、トンネル上半部の形成は、例えば、図10に示す施工手順で行われている。具体的には、先ず、トンネルの上半部を掘削する(S101)。次に、トンネルの上半部掘削で形成された地山掘削面に、一次吹付けコンクリート施工を行い、トンネル内壁面に一次吹き付け層を形成する(S102)。次に、設置予定の鋼製支保工の脚部近傍の位置から地中に脚部補強パイルを打設し、この打設した脚部補強パイルの内部に固化材を注入して脚部補強工を設ける(S103)。次に、鋼製支保工建込み施工を行い、鋼製支保工を設置する(S104)。鋼製支保工が設置されると、鋼製支保工のアーチ形状に沿って、鋼製支保工の内側フランジの位置まで、二次吹付けコンクリート施工を行い(S105)、地山掘削面に二次吹き付け層を形成し、その後、二次吹き付け層にロックボルトを打設する(S106)。
また、特許文献1には、上部半断面先進工法において、トンネル上半部を施工する際、トンネルの切羽から前方に、斜め下向きに曲がり削孔を設け、この曲がり削孔に鋼管を挿入して脚部補強工を設けることが提案されている。
具体的には、特許文献1に記載のトンネル構築方法では、図11に示すように、トンネル上半部を施工する際、切羽125まで地山123を掘削すると、「曲がりボーリングマシン」により、切羽125から前方の地山123(未掘削部分の地山123)に、下方に向かって湾曲した曲がり削孔128−(n+1)を設ける。この曲がり削孔128−(n+1)に、曲がり削孔128−(n+1)と同様の曲率で曲げた鋼管を挿入し、セメントミルク系やウレタン系の注入材を注入して杭体である脚部補強工129−(n+1)を設ける。
次に、切羽125の前方の地山123を距離lだけ掘削し、既に構築されている脚部補強工129−(n+1)の上部に支保工127−(n+1)を設ける。脚部補強工129−(n+1)は、支保工127−(n+1)の建て込み前に構築されているため、支保工127−(n+1)の建て込み時から支保工127−(n+1)の脚部が補強され、支保工127−(n+1)の脚部沈下が効果的に抑制される。
特開2002−147164号公報
しかしながら、上述した従来技術は、以下に示す技術的課題を有している。
具体的には、図10に示した従来技術の施工方法では、支保工が完全に構築されていない状態(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付けコンクリートだけが吹付けられた状態)で、脚部補強工が施工されている。そのため、上記の従来技術の施工方法は、脚部補強工施工中に、地山の緩みが拡大し易く、トンネルの変位増大や切羽崩壊を招く虞があるという課題を有している。また、この施工方法では、吹付けコンクリートの強度が十分発現されるまで地山荷重が脚部補強工に伝達されないため、支保工の脚部沈下が進行する虞があった。
また、特許文献1に記載のトンネル構築方法(図11参照)は、他の工程に利用できない専用装置(曲がりボーリングマシン)を準備して施工する必要があると共に、曲がり削孔と同様の曲率に曲げた鋼管を製作する必要があり、施工コストを増大させるという課題を有している。
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、トンネル施工中に、トンネルの変位増大や切羽崩壊を招くことを防止できると共に、施工コストの増加を抑制したトンネルの構築方法及び当該トンネルの構築方法により構築されたトンネル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、上部半断面先進工法によるトンネル構築方法であって、トンネル掘削断面の上半部の下方両側部だけを、トンネルの軸方向に所定長さ先行掘削して先行掘削部を形成する工程と、前記先行掘削部の底面部から地山に斜め下向きに、中空管状に形成された脚部補強パイルを打設する工程と、前記先行掘削部を拡幅掘削してトンネルの上半部を前記所定長さ形成する上半拡幅掘削工程とを有することを特徴とする。
また、前記脚部補強パイルを打設する工程の前に、前記先行掘削部の地山掘削面に一次吹き付けコンクリート施工を行い、該地山掘削面にコンクリート層を形成する工程を有し、
前記上半拡幅掘削工程では、前記先行掘削部の地山掘削面に形成されたコンクリート層を取り除いて、前記トンネルの上半部を前記所定長さ形成するようになっていることが望ましい。
このように、本発明のトンネル構築方法によれば、トンネル掘削断面の上半部より加背割が小さい先行掘削部を先行掘削した状態で、脚部補強パイルを打設して脚部補強工を施工するため、図10に示した従来技術と比べ、脚部補強工施工中の地山の緩みが防止される。その結果、本発明によれば、脚部補強工施工中におけるトンネルの変位増大や切羽崩壊が防止される。
また、本発明のトンネル構築方法では、図11に示す従来技術のように、曲線状の曲がり削孔を設け、この曲がり削孔と同様の曲率をもつように曲げた鋼管を挿入する方法ではなく、脚部補強工を施工できる必要な大きさの先行掘削部を形成した上で、脚部補強工を設けている。そのため、本発明では、複数種の工程で利用できる汎用装置(例えば、ドリルジャンボ)により、発破のための削孔や脚部補強パイルの打設を行うことができる。また、本発明では、曲がり削孔と同様の曲率に曲げた鋼管を製作する必要が無い。その結果、本発明は、上述した図11に示す従来技術のトンネル構築方法と比べ、施工コストが抑制される。
また、前記脚部補強パイルを打設する工程では、複数の脚部補強パイルを地山に打設すると共に、複数の脚部パイルの上端部を支持鋼板により連結し、鋼製支保工を建込む工程で、鋼製支保工の脚部を、脚部補強パイルを連結した支持鋼板の上に設置することが望ましい。
このように、本発明では、地山に打設された複数の脚部補強パイルを支持鋼板により連結して、その支持鋼板上に鋼製支保工を設置している。その結果、本発明によれば、上半先進掘削工程において、鋼製支保工の建込み直後から地山荷重が脚部補強工に伝達されて、脚部補強工による支持力が発揮されるため、鋼製支保工の脚部沈下の抑制効果を高めることができる。
また、複数の前記脚部補強パイルは、それぞれ異なる打設角度で地中に打設され、前記脚部補強パイルを打設する工程では、前記打設された脚部補強パイルの各々の上端部に球面座金を取り付け、複数の前記脚部補強パイルの上端部を、該球面座金を介して支持鋼板により連結することが望ましい。
このように、複数の脚部補強パイルの上端部を、球面座金を介して支持鋼板により連結することにより、異なる打設角度で地中に打設された脚部補強パイルを、支持鋼板で連結することができる。
本発明によれば、トンネル施工中に、トンネルの変位増大や切羽崩壊を招くことを防止できると共に、施工コストの増加を抑制したトンネルの構築方法及び当該トンネルの構築方法により構築されたトンネルを提供することができる。
本実施形態のトンネル構築方法の施工手順を示したフローチャートであり、トンネル上半部掘削の施工手順を示している。 本実施形態のトンネル構築方法の施工手順を示したフローチャートであり、トンネル下半部掘削の施工手順を示している。 本実施形態のトンネル構築方法に用いられるドリルジャンボを示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法におけるトンネル上半部の先行掘削工程を説明するためのトンネル上半部の横断面を示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法におけるトンネル上半部の先行掘削工程を説明するためのトンネル縦断面を示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法におけるトンネル上半部の先行掘削工程を説明するためのトンネル縦断面を示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法において、地中に打設した複数の脚部パイルの連結構造を示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法におけるトンネル上半部の先行掘削工程を説明するためのトンネル横断面を示した模式図であり、掘削したトンネル上半部に支保工が設置されている状態を示した模式図である。 本実施形態のトンネル構築方法におけるトンネル下半部の掘削工程を説明するためのトンネル横断面を示した模式図であり、先行掘削したトンネル上半部に対応するトンネル下半部を掘削した状態を示した模式図である。 従来技術のトンネル構築方法におけるトンネル上半部を構築するための施工手順を示したフローチャートである。 従来技術のトンネル構築方法におけるトンネル上半部の施工手順を説明するためのトンネル縦断面を示した模式図である。
以下、本発明の実施形態のトンネル構築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構築方法は、上部半断面先進工法によるトンネル構築方法であり、「図1に示す上半先進掘削工程」及び「図2に示す下半掘削工程」を順次繰り返すことにより、所望長さのトンネルを構築するものである。また、本実施形態では、図3に示すドリルジャンボDにより、発破のための削孔及び脚部補強パイル21の打設を行うようになっており、上述した図11に示す従来技術のトンネル構築方法のように、専用装置(曲がりボーリングマシン)を用いる必要がない施工方法を採用している。
また、本実施形態のトンネル構築方法は、図1に示す上半先進掘削工程(特に、S11〜S14)に特徴があり、上半先進掘削工程以外は、周知技術と同じである。そのため、以下では、本実施形態の特徴的な工程を詳細に説明し、周知技術と同じ工程の説明を簡略化する。
先ず、図1に示す上半先進掘削工程を説明する。
図示するように、本実施形態のトンネル構築方法では、上半先進掘削工程において、掘削予定となっているトンネル掘削断面の上半部(トンネル上半部)全体の掘削に先立って、上半部の下方両側部を先行掘削し(S11)、トンネル上半部の下方両側にそれぞれ先行部(先行掘削部)10を形成する。
具体的には、S11では、図4(a)及び図5に示すように、掘削予定のトンネル上半部のうち、その下方両側部を、トンネルの軸方向(図示するZ方向)に所定長さ寸法(t1)、先行掘削して先行部10を形成する。この所定長さ寸法(t1)は、トンネル上半部の軸方向に所定間隔を開けて複数設置される鋼製支保工31の建込み間隔(t2)と同じ長さになっている(図5(b)参照)。なお、鋼製支保工31は、例えば、「t1=t2=1000mm」の間隔で設置される。
すなわち、S11では、掘削予定のトンネル上半部のうち、その下方両側部を、トンネル上半部に設置する鋼製支保工31の建込み間隔(t2)と同じ長さ寸法(t1)分だけ、切羽11からトンネルの軸方向(Z方向)に向けて先行掘削する。先行部10の掘削はブレーカー及びバックホウで行う。尚、図5(a)は、上半先進掘削工程において、脚部補強工20及び鋼製支保工31が設けられる前に、地山1に先行掘削部10を形成した状態を示している。また、図5(b)は、切羽11まで脚部補強工20及び鋼製支保工31が設けられた状態において、切羽11から先行部10を掘削した状態を示している。
また、S11において形成する先行部(先行掘削部)10の高さ寸法(h1)及び幅寸法(W1)は、特に限定されるものではないが(図4(a)参照)、例えば、「h1=2000mm」程度とし、「W1=2000mm」程度とするとよい。このように、先行部(先行掘削部)10の高さ寸法(h1)及び幅寸法(W1)を設定すると、ドリルジャンボD(図3参照)により脚部補強パイル21を打設する際の作業領域が確保できる(脚部補強工20を設置するために必要な最小限の作業領域が確保できる)。
そして、S11の先行掘削により先行部10を形成すると、次に、先行部10に一次吹付けコンクリート施工を行う(S12)。具体的には、S11の先行掘削により形成された先行部10の地山掘削面に一次吹き付けコンクリート施工を行い、先行部10の内壁面に、一次吹き付けコンクリート層(説明の便宜上、「先行部コンクリート層」という)を形成する。なお、先行掘削部分の地山1に崩壊の虞がない場合には、先行部10に吹付けコンクリート施工を行う本工程(S12)を省略することができる。
S12により先行部10に先行部コンクリート層が形成されると、次に、先行部10の底面部10aに脚部補強パイル21を打設すると共に、この打設した脚部補強パイル21の管内に経時固化材を注入して脚部補強工20を設ける(S13)。
具体的には、S13では、図6(a)に示すように、先行掘削して形成された先行部(先行掘削部)10の底面部10aから地山1(地中)に斜め下向きに、複数の脚部補強パイル21を打設する。図示する例では、3本の脚部補強パイル21を、それぞれ、異なる打設角度で地中に打設している。
この脚部補強パイル21は、例えば、両端が貫通した中空管状に形成されており(中空円筒状の鋼管などで形成されており)、その周壁に吐出孔が複数穿設されている。尚、脚部補強パイル21の打設は、例えば、2重管工法により行われる。
また、S13では、地中に脚部補強パイル21を打設すると、この打設された脚部補強パイル21の上端部開口から、脚部補強パイル21の管内にセメントモルタル等の経時固化材を充填する。この経時固化材は、脚部補強パイル21の管内に充填され固化すると共に、脚部補強パイル21の周壁に形成した吐出孔から脚部補強パイル21の外周囲に吐出し、地山1内に固化材が浸透固化される。これにより図4(b)に示すように、脚部補強工20が構築される。
また、S13では、地中に打設した複数本の脚部補強パイル21の頭部を、矩形板状の支持鋼板40(例えば、厚さ寸法が20mm程度の支持鋼板40)により連結する作業が行われる。具体的には、図7に示すように、地中に打設した各脚部補強パイル21の頭部に(頭部の筒内に)、球面座金50を設置し、設置した球面座金50の一方面に支持鋼板40を取り付ける(溶接等により取り付ける)。これにより、打設角度の異なる複数の脚部補強パイル21が、矩形板状の支持鋼板40により連結される。すなわち、各先行部10の底面部10aから地山1に打設された3本の脚部補強パイル21が、1枚の支持鋼板により連結される。
また、支持鋼板40の上面には、下記に示す上半拡幅掘削後に、鋼製支保工(上半鋼製支保工)31が建込まれる。なお、図7の符号61は、上半先進掘削工程の後に行われるトンネル下半部掘削工程において建込まれる鋼製支保工(下半鋼製支保工)を示している。
S13により脚部補強工20が設けられると、次に、上半拡幅掘削工程を行い、先行部10の幅及び高さが広げられ、図4(c)に示すように、切羽11から所定長さ寸法t1だけ掘削されたトンネルの上半部が形成(掘削)される(S14)。これにより、図6(a)に示す切羽11は、トンネル軸方向(Z方向)に、所定長さ寸法(t1=t2)分だけ前進して、図6(b)に示す状態になる。
尚、S14の上半拡幅掘削工程において、先行部10に形成された先行部コンクリート層は取り除かれる。
そして、S14によりトンネル上半部が掘削されると、S15〜S18の各工程が行われる。
具体的には、S15では、S14により掘削されたトンネル上半部の地山掘削面に一次吹き付けコンクリート施工を行い、地山掘削面に一次吹き付けコンクリート層(図示せず)を薄く形成する。
また、S16では、一次吹き付け層の内面側に、トンネル上半部の内壁面(地山掘削面)に沿った形状に湾曲したアーチ状の鋼製支保工31を密着するように設置する。
尚、アーチ状の鋼製支保工31は、H鋼により形成されており、その下端両側には、脚部31a(図7参照)が設けられている。そして、鋼製支保工31の脚部31aが、地中に打設された脚部補強パイル21に連結された支持鋼板40の上面に建込まれる。
また、S17では、二次吹き付けコンクリート施工が行われ、トンネル上半部の内壁面に所定厚みの二次吹き付けコンクリート層35が形成される(図8参照)。このとき鋼製支保工31は、その表面が二次吹き付けコンクリート層35の表面と略一致するように埋設される(鋼製支保工31のアーチ形状に沿って、鋼製支保工31の内側フランジの位置まで、二次吹き付け層35が形成される)。
S18では、二次吹き付けコンクリート層35を貫通するようにしてロックボルト45が打設され、その内端に締着板(図示せず)を装着して、ロックボルト45を固定する(図8参照)。尚、図8(後述する図9も同様)では、図面を見易くするために、トンネル上半部の左右両側に、ロックボルト45が各1本打設されているが、実際には複数本のロックボルト45が打設される(ロックボルト45は、トンネル上半部の掘削周面から外方に地山1に放射状に打設して、地山1に縫着される)。
そして、S15〜S18の各工程が行われた結果、トンネル上半部が所定距離L(例えば、30m〜50m)の長さになると、図2のトンネル下半部掘削工程に移行し、S21のトンネルの下部掘削が行われる(図9参照)。その後、掘削されたトンネル下半部の地山掘削面にコンクリートを吹付ける一次吹き付けコンクリート工程(S22)と、S22により形成された一次吹き付け層に、鋼製支保工(下半鋼製支保工)を建込む工程(S23)と、下半鋼製支保工の内側フランジの位置まで、コンクリートを吹付ける二次吹付けコンクリート工程(S24)と、二次吹付け層にロックボルトを打設する工程(S25)とが順番に行われる。
尚、図2の下部掘削工程は、トンネル下半部が所定距離Lの長さまで形成されるまで行われ、トンネル下半部が所定距離Lの長さまで形成されると図1の上半先進掘削工程に戻る。
このように、本実施形態では、上半先進掘削工程において、上半部全体の掘削に先立って、トンネル上半部より加背割が小さい先行部10を掘削する。また、トンネル上半部より加背割が小さい先行部10を掘削した状態で、脚部補強工20を施工するため、図10に示した従来技術と比べ、脚部補強工20施工中の地山の緩みが防止される。その結果、本実施形態によれば、脚部補強工20施工中におけるトンネルの変位増大や切羽崩壊が防止される。
また、本実施形態のトンネル構築方法によれば、上半先進掘削工程において、鋼製支保工21の建込み直後から地山荷重が脚部補強工20に伝達されて、脚部補強工20による支持力が発揮されるため、鋼製支保工21の脚部沈下の抑制効果を高めることができる。
また、本実施形態のトンネル構築方法は、図11に示す従来技術のように「曲線状の曲がり削孔を設け、この曲がり削孔に、曲がり削孔と同じ曲率で曲げた鋼管を挿入する工程」を採用したものではないため、図11に示す従来技術のトンネル構築方法と比べ、施工コストが抑制される。
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、本実施形態では、上半先進掘削工程において、先行掘削する所定長さ寸法(t1)が、トンネル上半部の軸方向(図4に示すZ方向)に所定間隔を開けて複数設置される鋼製支保工31の建込み間隔(t2)と同じ長さになされているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、先行掘削する所定長さ寸法(t1)が、前記鋼製支保工31の建込み間隔(t2)の2倍や3倍程度の長さ寸法であってもよい。
また、先行部10の高さ寸法(h1)及び幅寸法(W1)は、脚部補強工20を設置するために必要な最小限の作業領域が確保できる大きさであればよい。
1・・・地山
10・・・先行部(先行掘削部)
10a・・・底面部
11・・・切羽
20・・・脚部補強工
21・・・脚部補強パイル
31・・・鋼製支保工
31a・・・脚部
35・・・二次吹き付けコンクリート層
40・・・支持鋼板
45・・・ロックボルト

Claims (5)

  1. 上部半断面先進工法によるトンネル構築方法であって、
    トンネル掘削断面の上半部の下方両側部だけを、トンネルの軸方向に所定長さ先行掘削して先行掘削部を形成する工程と、
    前記先行掘削部の底面部から地山に斜め下向きに、中空管状に形成された脚部補強パイルを打設する工程と、
    前記先行掘削部を拡幅掘削してトンネルの上半部を前記所定長さ形成する上半拡幅掘削工程とを有することを特徴とするトンネル構築方法。
  2. 前記脚部補強パイルを打設する工程の前に、前記先行掘削部の地山掘削面に一次吹き付けコンクリート施工を行い、該地山掘削面にコンクリート層を形成する工程を有し、
    前記上半拡幅掘削工程では、前記先行掘削部の地山掘削面に形成されたコンクリート層を取り除いて、前記トンネルの上半部を前記所定長さ形成するようになっていることを特徴とする請求項1に記載のトンネル構築方法。
  3. 前記脚部補強パイルを打設する工程では、複数の脚部補強パイルを地山に打設すると共に、複数の脚部パイルの上端部を支持鋼板により連結し、
    鋼製支保工を建込む工程で、鋼製支保工の脚部を、脚部補強パイルを連結した支持鋼板の上に設置することを特徴とする請求項1又は2に記載のトンネル構築方法。
  4. 複数の前記脚部補強パイルは、それぞれ異なる打設角度で地中に打設され、
    前記脚部補強パイルを打設する工程では、前記打設された脚部補強パイルの各々の上端部に球面座金を取り付け、複数の前記脚部補強パイルの上端部を、該球面座金を介して支持鋼板により連結することを特徴とする請求項記載のトンネル構築方法。
  5. 請求項1〜のいずれかに記載のトンネル構築方法により構築されたトンネル。
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