JP6337375B2 - 空洞充填によるトンネルの補修方法 - Google Patents

Description

本発明は空洞充填によるトンネルの補修方法に関し、トンネル天端背面の空洞を硬質発泡ウレタンで埋めるだけでなく、硬質発泡ウレタンの発泡圧で空洞により生じた側壁の引張応力を減少させあるいは除去して設計時に想定された応力状態を実現できるようにしたものであり、特に農業用水路トンネルの補修に好適なものである。

トンネルの補修を必要とする場合の一つにトンネル天端背面の空洞の発生があり、建設時の余堀や供用後の湧水の影響など様々な理由によって空洞が発生する。
トンネルの形状は背面の全周から荷重を受けると覆工材料に圧縮応力のみが生じるように設計されており，圧縮に強く引張に弱いコンクリートの材料特性を活かすように配慮されている。しかしトンネル天端背面の空洞は荷重状態を乱して引張応力を発生させるため、これを放置するとトンネルの機能低下を招き、トンネルの内面の剥落やクラックの発生などの変状が生じ、大きな問題となる。

一方、補修が必要なトンネルとして、農業用水を安定的に供給するための農業用水路トンネルがあり、国内総延長が２０００ｋｍにも及んでおり、国営造成施設調査による「農業水利施設ストックデータベース」によれば、多くの農業用水路トンネルには、側壁のある一定高さにひび割れが発生するという大きな変状の問題があり、その補修・補強が喫緊の課題となっている。
このような水路トンネルについては、農業用開水路のフルームのような補修・補強のための手引き書が未整備であるため、現在参考にされているのが、「土地改良事業計画設計基準・設計「水路トンネル」基準書・技術書」（農林水産省構造改善局 平成８年１０月）であり、この基準書では、補強工法として例えば、鋼板内張工法や既製管挿入工法が例示されている。

また、トンネル側壁のひび割れとトンネル天端背面の空洞とに関連性があるとされ、トンネル天端背面の空洞を、充填材を用いて裏込め補修する方法が種々提案されており、セメント系の充填材を用いる方法や非セメント系の充填材を用いる方法があるが、大掛かりな設備を必要としない非セメント系の硬質ウレタンフォームを用いて現場発泡させることで空洞に充填する方法が注目されている（例えば特許文献１，２など参照）。

例えば、特許文献１に開示されたトンネル等の空隙充填方法では、硬質ポリウレタンフォームで空隙を完全に充填することで止水効果などを高めるようにしている。
また、特許文献２に開示されたトンネルなどの地中構造物の上方に発生した空隙に発泡ウレタンを充填する際の施工管理方法では、発泡ウレタンの充填状態を感知するため、熱電対を空隙上部に位置させておき、充填材の発泡時の発熱を感知することで、空隙の上部まで発泡ウレタンが充填されたことを確認するようにしている。
そして、これらの工法では、いずれも空隙を完全に発泡ウレタンで満たすことで、補修が完了したとしている。

特開平６−３３６９７号公報 特開２０１２−４１６９７号公報

ところが、「水路トンネル」基準書に例示されている鋼板内張工法や既製管挿入工法は大掛かりな工法であり、これらをそのまま農業用水路トンネルに採用することは、総延長が長く、比較的通水断面が小さい農業用水路トンネルでは、必ずしも合理的でなく、不経済となる場合が多いという問題がある。
また、トンネル天端背面の空洞を、充填材を用いて裏込め補修する方法では、裏込め注入における注入圧の標準は０．２ＭＰａとされ、この注入圧によって空洞を完全に埋めることが可能としているが、側壁にひび割れが生じるなどの変状の程度によってはこの注入圧が過大となりさらなるひび割れの発生を助長するなどトンネルの安定性を取り戻すことができないという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、硬質発泡ウレタンでトンネル天端背面の空洞を埋めるだけでなく、硬質発泡ウレタンの発泡圧で空洞により生じた側壁の引張応力を減少させあるいは除去して構築時に近い状態まで回復させトンネルの安定性を取り戻すことができる空洞充填によるトンネルの補修方法を提供しようとするものである。

上記の問題点を解決するため鋭意実験・研究を重ねた結果、トンネルに生じる変状の一つである側壁のひび割れ発生の要因は、覆工天端背面に存在する地盤の空洞に起因することが分かった。
すなわち、トンネルの設計理論では、覆工に外周から均一な垂直荷重（全周等分布荷重）が作用することを前提とし、覆工内に引張応力が発生しない状態であるとしているのに対し、図１に示すように、トンネル１の天端背面の空洞２によって、覆工の側壁３，３に両側から側圧Ｐが加わる状態となり、側壁３，３の内面に引張応力が作用して側壁３，３のある一定高さにひび割れ４，４が発生することが分かり、室内模型実験でも確認された。
また、空洞を充填材で裏込めするだけでは、覆工の両側から側壁に加わる圧力（側圧）がそのまま残った状態となる一方、空洞を充填し、トンネル覆工に作用する圧力を全周等分布荷重状態にすることで、トンネル覆工が設計時に想定された応力状態に近づき、トンネルの安定性を取り戻すことができることが分かり、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の請求項１記載の空洞充填によるトンネルの補修方法は、トンネル天端背面の空洞に硬質ウレタンフォームを充填して補修するに際し、前記空洞を満たす空洞充填用発泡ウレタン液を当該空洞内に注入して発泡硬化させて空洞充填用発泡ウレタンとしたのち、この空洞充填用発泡ウレタンで埋められた空洞上部と地山との隙間に、前記空洞充填用発泡ウレタンを介してトンネル覆工に発泡圧を作用させトンネル覆工の側壁に生じた引張応力を減少させあるいは除去する加圧用発泡ウレタン液を注入して発泡硬化させて加圧用発泡ウレタンとするようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２記載の空洞充填によるトンネルの補修方法は、請求項１記載の構成に加え、前記空洞充填用発泡ウレタンは前記加圧用発泡ウレタンよりゲルタイムを長くする一方、フォーム密度を略同一とするようにしたことを特徴とするものである。

さらに、本発明の請求項３記載の空洞充填によるトンネルの補修方法は、請求項１または２記載の構成に加え、前記空洞充填用発泡ウレタンのゲルタイムを５０〜７０秒とし、前記加圧用発泡ウレタンのゲルタイムを５〜２５秒とする一方、前記空洞充填用発泡ウレタンと前記加圧用発泡ウレタンのフォーム密度は３０ｋｇ／ｍ³以上とするようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４記載の空洞充填によるトンネルの補修方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、トンネル覆工の側壁の引張応力を減少させあるいは除去するための限界加圧力を、予めトンネルの設計条件と空洞の発生状態および側壁のひび割れの発生状態の実測結果とから有限要素法による数値解析で求めておき、得られた限界加圧力から前記加圧用発泡ウレタンにより加える発泡圧を設定して注入するようにしたことを特徴とするものである。

さらに、本発明の請求項５記載の空洞充填によるトンネルの補修方法は、請求項４記載の構成に加え、限界加圧力より低い発泡圧で前記加圧用発泡ウレタンを、トンネル覆工の側壁のひび割れが減少するまで注入充填するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の請求項１記載の空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、トンネル天端背面の空洞に硬質ウレタンフォームを充填して補修するに際し、前記空洞を満たす空洞充填用発泡ウレタン液を当該空洞内に注入して発泡硬化させて空洞充填用発泡ウレタンとしたのち、この空洞充填用発泡ウレタンで埋められた空洞上部と地山との隙間に、前記空洞充填用発泡ウレタンを介してトンネル覆工に発泡圧を作用させトンネル覆工の側壁に生じた引張応力を減少させあるいは除去する加圧用発泡ウレタン液を注入して発泡硬化させて加圧用発泡ウレタンとするようにしたので、空洞を空洞充填用発泡ウレタンで満たし、この空洞充填用ウレタンを介して加圧用発泡ウレタンを発泡硬化させてトンネル覆工に発泡圧を作用させることで、トンネル覆工の側壁にひび割れを生じさせた引張応力を減少させ、あるいは除去することができる。
これにより、トンネル覆工を全周等分布荷重状態に近づけたり戻すことができ、設計時に想定された荷重状態に近づけトンネルの安定性を取り戻すことができる。

また、本発明の請求項２記載の空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、前記空洞充填用発泡ウレタンは前記加圧用発泡ウレタンよりゲルタイムを長くする一方、フォーム密度を略同一とするようにしたので、ゲルタイムの長い空洞充填用発泡ウレタンで流動性を確保して空洞を完全に埋めて充填することができ、ゲルタイムの短い加圧用発泡ウレタンで注入後直ちに発泡圧をトンネル覆工に作用させることができ、略同一のフォーム密度とすることで、空洞充填用発泡ウレタンに加圧用発泡ウレタンが入り込むことなくトンネル覆工に発泡圧を作用させることができる。

さらに、本発明の請求項３記載の空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、前記空洞充填用発泡ウレタンのゲルタイムを５０〜７０秒とし、前記加圧用発泡ウレタンのゲルタイムを５〜２５秒とする一方、前記空洞充填用発泡ウレタンと前記加圧用発泡ウレタンのフォーム密度は３０ｋｇ／ｍ³以上とするようにしたので、これらのゲルタイムおよびフォーム密度とすることで、空洞を発泡ウレタンで完全に充填することができるとともに、充填した発泡ウレタンを介して発泡圧を作用させることができ、トンネル覆工を全周等分布荷重状態に近づけたり戻すことができ、設計時に想定された荷重状態に近づけトンネルの安定性を取り戻すことができる。

また、本発明の請求項４記載の空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、トンネル覆工の側壁の引張応力を減少させあるいは除去するための限界加圧力を、予めトンネルの設計条件と空洞の発生状態および側壁のひび割れの発生状態の実測結果とから有限要素法による数値解析で求めておき、得られた限界加圧力から前記加圧用発泡ウレタンにより加える発泡圧を設定して注入するようにしたので、トンネルの断面形状、断面寸法、覆工厚、コンクリートの圧縮強度、引張強度、ヤング係数などその他の物性値などの設計条件と、空洞の広さやひび割れの進行程度などトンネルの空洞の発生状態およびひび割れの発生状態の実測結果を用いて有限要素法で数値解析することで、トンネルを破壊する限界加圧力を求めることができ、この限界加圧力に基づいて発泡圧を設定して加圧用発泡ウレタンを注入することで、ひび割れ発生箇所の引張応力を消滅させ、圧縮応力状態となるようにすることができる。
これにより、発泡圧のかけすぎによる新たなひび割れが発生することもなく、構築時に近い状態まで回復させトンネルの安定性を取り戻すことができる。

また、本発明の請求項５記載の空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、限界加圧力より低い発泡圧で前記加圧用発泡ウレタンを、トンネル覆工の側壁のひび割れが減少するまで注入充填するようにしたので、発泡圧のかけすぎによる新たなひび割れの発生やトンネルの損傷を招くことなく、ひび割れの変位の監視などで簡単に管理して構築時に近い状態までトンネルを回復させ安定性を取り戻すことができる。

空洞によるトンネルの側壁にひび割れが発生するメカニズムの説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる模型水路トンネルの説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかり、（ａ）は発泡ウレタンの充填位置の説明図であり、（ｂ），（ｃ）は参考実験例の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかり、（ａ）は充填位置による発泡圧力の作用の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ），（ｃ）は参考実験例の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる工程説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる現地調査による縦断面方向の空洞状況結果の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる現地調査による横断面方向の空洞状況結果の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる内空断面の調査結果の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる現地調査によるひび割れ状況の説明図である。 本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法の一実施の形態にかかる発泡ウレタン注入中のひび割れ幅の変動およびトンネル躯体の変位の測定結果の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の空洞充填によるトンネルの補修方法は、トンネル天端背面の空洞に硬質ウレタンフォームを充填して補修する際に、空洞を空洞充填用発泡ウレタンで満たして発泡硬化させ、この空洞充填用ウレタンを介して加圧用発泡ウレタンを注入してトンネル覆工に発泡圧を作用させることで、トンネル覆工の側壁にひび割れを生じさせた引張応力を減少させ、あるいは除去し、これにより、トンネル覆工を全周等分布荷重状態に近づけたり戻すようにして、設計時に想定された荷重状態に近づけトンネルの安定性を取り戻すようにするものである。

すなわち、これまでのトンネル天端背面に空洞が生じている場合の補修方法では、空洞をセメント系や非セメント系の充填材を用いて埋めるようにすることが行われ、空洞が充填材で完全に埋まったことを温度センサや充填圧力を監視することで管理するようにしていたが、圧力を作用させようとするものではなかった。そのため、トンネル覆工の側壁に発生しているひび割れそのものの原因となっている引張応力への対策はなされていなかった。

そこで、この空洞充填によるトンネルの補修方法では、空洞を埋めるだけでなく、さらに圧力を加えることによって覆工に生じる引張応力を減少させ、あるいは除去するものであり、まず、トンネル天端背面の空洞に空洞充填用発泡ウレタンＡを注入して発泡硬化させて空洞を埋めるようにする。

この空洞充填用発泡ウレタンＡとしては、表１（ａ）〜（ｃ）に示すように、トンネル背面の空洞に隙間なく充填する必要があることから、ゲルタイム（発泡硬化するまでの時間）が長いものが良く、例えば５０〜７０秒のものが用いられる。この範囲よりゲルタイムが短い場合には、空洞への注入口から空洞の端部まで充填することができなくなる場合があり、ゲルタイムが長い場合には、発泡硬化までに時間がかかり施工全体の効率が低下する場合がある。
また、空洞充填用発泡ウレタンＡとしては、フォーム密度が３０ｋｇ／ｍ³以上のものが良く、次工程で注入する加圧用発泡ウレタンＢによる発泡圧を有効に覆工に作用させることができるようにする。フォーム密度が３０ｋｇ／ｍ³より小さい場合には、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの間に加圧用発泡ウレタンＢが入り込んで発泡圧を作用させることができなくなる場合がある。
このような空洞充填用発泡ウレタンＡとしては、上記のゲルタイムやフォーム密度のほか、例えばイソシアネート液Ｉとポリオール液Ｒとの混合比が重量比で、１００：７４±３、クリームタイムが９〜１９秒の範囲のものが用いられる。

このような空洞充填用発泡ウレタンＡの空洞への充填性の確認と発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡを介してトンネル覆工に加圧用発泡ウレタンＢによって発泡圧を作用させることができるかどうかの確認のため、次のような模型実験を行った。
この模型実験では、図２に示すように、鋼材を用いてトンネル１の上部の空洞２を模擬した内径が半径１２５０ｍｍの地山壁５と半径１０００ｍｍの覆工壁６とを備えた２重構造のライナープレートによる側壁を備えた模型水路トンネル７を用意した。なお、トンネルの軸方向の長さ（延長）は１５００ｍｍである。

空洞充填用発泡ウレタンＡの空洞充填性を確認するため、注入中は熱電対を用いた温度計測で行い、施工後では、解体し目視により行った。
また、加圧用発泡ウレタンＢにより加わる圧力を模型水路トンネルの内側の表面に圧力センサを設置して圧力を計測することで行った。なお、圧力センサを発泡熱から保護するため油粘土で表面を覆うようにした。

実験では、空洞充填用発泡ウレタンＡを２重構造のライナープレートの空洞部全体に注入した。
加圧用発泡ウレタンＢの注入は、図３に示すように、模型水路トンネル７の空洞２に対し充填位置の異なる３つのケースで実験を行い、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に注入するケース１（図３（ａ）参照）、両脇に注入し発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの中央部に注入するケース２（図３（ｂ）参照）、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの下側に注入するケース３（図３（ｃ）参照）について実験を行った。
なお、空洞充填用発泡ウレタンＡを天端両脇に注入後、中央部に加圧用発泡ウレタンＢを注入するケース２の場合には、空洞充填用発泡ウレタンＡを空洞部全体に注入後、解体により中央部の空洞充填用発泡ウレタンＡを取り除いた後、加圧用発泡ウレタンＢを注入した。

実験結果
ケース１〜３のいずれも空洞充填用発泡ウレタンＡは、トンネルの延長方向中心部の注入口から注入することで、トンネル天端の空洞部に十分充填できることが熱電対による温度計測および解体後の目視で確認できた。
これにより、１つの注入口から注入範囲は、半径１５００ｍｍとすることが可能であると考えられる。
次に、ケース１〜３の加圧用発泡ウレタンＢの注入結果から空洞充填用発泡ウレタンＡの発泡硬化後に加圧用発泡ウレタンＢを注入充填できることが分かった。
さらに、加圧用発泡ウレタンＢの充填位置によってトンネル覆工に相当する内側のライナープレートに及ぼす圧力が異なり、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ケース１の空洞充填用発泡ウレタンＡの上側またはケース３の下側に注入充填することが有効であり、最も発泡圧を有効に作用させることができるのは、ケース１の空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に注入充填する場合であることが分かった。
なお、ケース２の中央部に加圧用発泡ウレタンＢを注入充填する場合には、トンネル覆工に相当する内側のライナープレートへの圧力の作用はわずかであり、これは両側の空洞充填用発泡ウレタンＡに発泡圧が作用したものと考えられる。

このような模型水路トンネルの実験には、加圧用発泡ウレタンＢとして、表１（ｄ）に示すように、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡを介してトンネル背面に発泡圧を直ちに作用させる必要から、ゲルタイム（発泡硬化するまで時間）が空洞充填用発泡ウレタンＡに比べて短いものが良く、例えば５〜２５秒のものが用いられる。この範囲よりゲルタイムが短い場合には、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に充填することができなくなる場合があり、ゲルタイムが長い場合には、発泡圧を作用させるまでに時間がかかり施工全体の効率が低下する場合がある。
また、加圧用発泡ウレタンＢとしては、フォーム密度が空洞充填用発泡ウレタンＡと略同一のものであれば良く、フォーム密度が３０ｋｇ／ｍ³以上のものが用いられる。これにより、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡの間に加圧用発泡ウレタンＢが入り込んで発泡圧を作用させることができなくなることもなく、発泡圧を有効に作用させることができる。
このような加圧用発泡ウレタンＢとしては、上記のゲルタイムやフォーム密度のほか、例えばイソシアネート液Ｉとポリオール液Ｒとの混合比が重量比で、１００：１００±３、クリームタイムが９〜１９秒の範囲のものが用いられる。
以上の模型水路トンネルを用いた実験により空洞充填用発泡ウレタンＡを注入して空洞を埋めた後、発泡硬化した空洞充填用発泡ウレタンＡを介して加圧用発泡ウレタンＢを注入して発泡圧をトンネル覆工に作用させることができることが確認できた。

そこで、実際にひび割れが生じている水路トンネルの補修に適用しようとすると、図５に施工工程のフローを示すように、トンネルの天端背面の空洞量、トンネル覆工に作用させる圧力値を設定し、発泡圧によりトンネル覆工に破損や破壊などの重大なダメージを生じさせないようにする必要がある。

１）．そのため、まず、水路トンネルの現地調査を行う。
この現地調査では、１）−１．トンネルと地山との空洞量、１）−２．トンネル躯体の断面形状（巻厚や内空断面）、１）−３，４．躯体コンクリートの状態（強度やひび割れ）などの調査のほか、必要に応じて測量などを行う。
空洞量についての調査は、例えばレーダー探査を行うことで、連続的かつ迅速に把握することが可能である。計測は、例えば天端位置に加え、中心角度左右３０度よび６０度に設定した軸方向の５測線に対して行い、躯体コンクリートの巻厚をコア抜きなどにより確認し、キャリブレーションを行うことで、計測精度の向上を図る。巻厚の調査では，軸方向の調査に加えて横断面方向のレーダー探査を行うことが有効である。
また、空洞および巻厚に対する追加調査としてＣＣＤカメラを用いることができる。躯体コンクリートに直径２０ｍｍ程度の孔を削孔し、ＣＣＤカメラによる目視をあわせて行う。
レーダー探査による空洞の調査結果の一例を図６，７に示した。図６は縦断面方向の空洞の３測線における調査結果であり、図７は横断面方向の空洞の２箇所における調査結果である。

内空断面の計測は、レーザー式内空断面計測器を用い、全周を等間隔で１００点計測する。この内空断面の計測は、空洞の位置や空洞の大きさに応じて複数箇所で計測する。
このレーザー式内空断面計測器による計測結果の一例を標準断面とともに、図８に示した。
さらに、側面クラックについても調査し、その位置やクラック幅について計測する。側面クラック計測の結果の一例を左側面および右側面について図９に示した。

躯体コンクリートの状態は、穿孔機を用いてトンネル躯体の健全部およびスプリングラインのひび割れ部から供試体を得て、圧縮試験による強度確認、ひび割れの発達の程度を把握する。
なお、現地調査にともなうコア抜き部分、ＣＣＤカメラ用の削孔部分、圧縮試験などの供試体の穿孔部分は無収縮モルタルなどの充填で補修する。

２）．次に、スプリングラインにひび割れのあるトンネル躯体の断面調査結果などに基づき、有限要素法による数値解析を行い現況のコンクリート覆工の背面圧力の推定を行う。
次いで、現況背面圧力の推定値を基に、有限要素法による数値解析による加圧用発泡ウレタンＢの限界注入圧力の設定を行う。

２）−１．スプリングラインにひび割れのある躯体の断面調査結果の利用
（１）躯体条件 ：覆工巻厚、躯体コンクリートの圧縮強度
（２）地山条件 ：躯体天端の空洞の位置と大きさ
（３）底版支持条件：計算上の仮定で代替（調査極めて困難）

２）−２．有限要素法による現況背面圧力の推定
（１）空洞を背面圧力が作用しない領域として表現する。
（２）躯体底版の支持条件をＰ１：完全固定（基礎が実際より強固）
Ｐ２：単純支承（基礎が実際より弱い）と仮定
（３）現場の躯体と同様のひび割れが生じる背面圧力Ｌ１と、現場の状況を超えるひび割れにいたる背面圧力Ｌ２を、それぞれの底版支持条件に対し計算し、４つの値、Ｌ１（Ｐ１），Ｌ２（Ｐ１），Ｌ１（Ｐ２），Ｌ２（Ｐ２）を求める。

２）−３．有限要素法による加圧用発泡ウレタンＢの限界注入圧力の設定
（１）上記の支持条件および荷重条件の４つの組合せに基づいて、躯体に新たなひび割れを生じさせてしまう４つの充填圧力ＵＰを有限要素法による数値解析で求める。
（２）得られた４つの充填圧力ＵＰ１（Ｌ１Ｐ１），ＵＰ２（Ｌ２Ｐ１），ＵＰ３（Ｌ１Ｐ２），ＵＰ４（Ｌ２Ｐ２）のうち、最小のものを限界注入圧力ＵＰとする。
なお、想定荷重は等方等圧（塑性圧に近い岩圧）とし、破壊の定義として解析が収束しなくなった荷重を破壊荷重とした。
また、解析プログラムとしてコンクリート構造物の破壊解析が可能なＡＴＥＮＡを使用した。

このような有限要素法による数値解析の結果の一例として次のような解析結果を得た。
底版固定（Ｐ１）での解析結果
スプリングライン内側にひび割れ：０．６３MPa（Ｌ１（Ｐ１））
天端内側の圧壊 ：１．１６MPa（Ｌ２（Ｐ１））
覆工破壊 ：１．３０MPa（破壊モード：アーチと側壁の曲げ破壊）
よって、スプリングライン内側にひび割れが生じており、かつ天端内側に圧壊がみられない現状から判断して．岩圧は０．６３MPaから１．１６MPaの間にあると推定される。
単純支承での解析結果（Ｐ２）
スプリングライン内側にひび割れ：０．１２８MPa（Ｌ１（Ｐ２））
覆工破壊 ：０．１２９MPa（破壊モード：インバートの曲げ破壊）
よって、岩圧は０．１２８MPa程度であると推定される。

破壊充填圧の解析結果
想定岩圧０．６３MPaの破壊充填圧 ：２．００MPa以上（Ｕ１（Ｌ１Ｐ１））
想定岩圧１．１６MPaの破壊充填圧 ：０．６０MPa（Ｕ２（Ｌ２Ｐ１））
想定岩圧０．１２８MPaの破壊充填圧：０．６２MPa（Ｕ３（Ｌ１Ｐ２））

３）．発泡ウレタンの充填圧力の設定
よって、最小の破壊充填圧から限界注入圧力を０．６０MPaと設定することができる。
なお、以上の有限要素法による数値解析では、全ての解析条件において、充填圧力０．２０MPaでは、破壊に至らないとの結果が得られた。

実際の施工では、覆工の変位変形やひび割れ幅を計測しながらの慎重な施工を行うことが重要であるが、以上の解析結果から加圧用発泡ウレタンＢを０．２０MPa程度の充填圧力で充填しても調査補修対象としたトンネル覆工に重大なダメージが生じる危険はないと判断できる。

このような数値解析で設定した充填圧で加圧用発泡ウレタンＢを、空洞を埋めた空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に充填することで、トンネル覆工に発泡圧を作用させ、引張応力を減少させあるいは除去するようにしてトンネル躯体の応力状態を設計時に回復させる施工を行う。

４）．現場施工の準備
この加圧用発泡ウレタンＢの充填施工の管理と、施工中の安全性の確保のため、トンネルの挙動を、例えば、次の３つの方法で計測する。
（１）レーザー変位計を施工対象トンネルのバレルの上流端から７．５ｍの位置に設置し、天端、左右スプリングラインの３測点で躯体変位を計測。
（２）パイ型変位計をバレルの上流端から４ｍと６ｍの位置に設置し、左右側壁のひび割れ幅の変動を計測。
（３）コンタクトゲージにより、施工前後のひび割れ幅の計測（右側壁８測点、左側壁７測点、合計１５測点）。

５）．こうして空洞充填用発泡ウレタンＡおよび加圧用発泡ウレタンＢの充填のための施工の管理と、施工中の安全性の確保のための計測の準備が完了し、あるいは準備と並行して、空洞充填用発泡ウレタンＡの充填の準備および施工を行う。
５）−１．トンネル覆工の天端背面の空洞の調査結果に基づき、注入孔を削孔し、注入管を設置する。
５）−２，３．空洞充填用発泡ウレタンＡを発砲注入するため発泡設備を用意し、イソシアネート液Ｉ、ポリオール液Ｒ、触媒、発泡剤、整泡剤、難燃剤を所定のフォーム密度やゲルタイムなどの特性となるように混合し、予備発泡を行いキャリブレーションにより２液の配合比率と流量計の精度の確認を行なうとともに、発泡状態の確認を行なう。
５）−４．発泡設備のミキシングヘッドと注入管を注入ホースで接続し、空洞充填用発泡ウレタンＡを空洞に注入する。空洞への注入は、注入量と注入圧力を管理する。
なお、空洞内に設けた温度センサや圧力センサによる圧力測定で隙間なく充填されたことを確認するようにすることもできる。

６）．こうして空洞内を発泡硬化させた空洞充填用発泡ウレタンＡで満たした後、加圧用発泡ウレタンＢの注入を行う。
６）−１．このため、発泡硬化させた空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に注入するための注入孔を削孔し、注入ノズルを取り付ける。
６）−２．加圧用発泡ウレタンＢを発砲注入するため発泡設備を用意し、イソシアネート液Ｉ、ポリオール液Ｒ、触媒、発泡剤、整泡剤、難燃剤を所定のフォーム密度やゲルタイムなどの特性となるように混合し、予備発泡を行いキャリブレーションにより２液の配合比率と流量計の精度の確認を行なうとともに、発泡状態の確認を行なう。
６）−３．発泡設備のミキシングヘッドと注入ノズルを接続し、加圧用発泡ウレタンＢを注入する。この加圧用発泡ウレタンＢの注入は、注入圧力を０．２MPaとし、目視によりコンクリート覆工の変形、ひび割れの監視を行うとともに、トンネルの挙動を監理する３つの計測器で計測する。
６）−４．そして、例えば、目視によりトンネル覆工の側壁のひび割れが減少するまで注入充填する。また、３つの計測による計測値から側壁のひび割れが減少し、あるいはひび割れが密着したことを確認するようにしても良い。

このような加圧用発泡ウレタンＢの注入中におけるトンネル躯体の変位を図１０（ａ）に示すとともに、注入中におけるひび割れ幅の変動を図１０（ｂ）に示す。また、右側壁におけるひび割れ幅の変化量を表２に示す。同表中、注入前後のひび割れ幅の変化量で負の値はひび割れが閉じていることを示す。
注入中のトンネル躯体の変位の計測結果から加圧用発泡ウレタンＢの充填にともない、天端は覆工内面方向へ変位し、左右スプリングラインは覆工外面方向に変位した。
注入中における最大圧力は０．７８MPaとなり、注入終了時におけるトンネル躯体の変位量は、天端で０．０６８ｍｍ、左スプリングラインで０．０１２ｍｍ、右スプリングラインで０．０１６ｍｍとなった。
注入中のひび割れ幅の変動の計測結果から加圧用発泡ウレタンＢの充填にともないひび割れ幅が減少した。施工終了時のひび割れ幅は、右側壁で０．０１２ｍｍ、左側壁で０．００３ｍｍ減少が見られた。
このようなトンネル躯体の変位およびひび割れ幅の減少は、加圧用発泡ウレタンＢを注入充填したことによって、発泡圧が作用したためだと考えられる。
また、トンネル躯体の変位およびひび割れ幅の変位開始は、圧力の上昇より遅れているが、これは加圧用発泡ウレタンＢを注入してから発泡するまでに時間を要するためであると考えられる。
さらに、右側壁におけるひび割れ幅の変位量は、施工後におけるひび割れ幅が施工前と比較して減少した。ひび割れ幅は最大で０．０４８ｍｍ減少しており、平均して０．０１６ｍｍの現象が見られた。これは、左側壁においても同じ傾向が見られた。
施工終了後にレーダーを用いた調査を行ったところ、覆工天端背面に空洞は確認されず、空洞は十分に発泡ウレタンＡ，Ｂで充填されていた。

このような空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、空洞に空洞充填用発泡ウレタンＡを注入し、発泡硬化させた後、空洞充填用発泡ウレタンＡの上側に加圧用発泡ウレタンＢを注入して発泡圧を作用させることで、空洞を埋めることができるだけでなく、トンネル躯体に作用する荷重を設計で想定された状態に近づけ、ひび割れの幅を小さくすることができるとともに、側壁に生じる引張応力を減少させ、あるいは除去することができる。

また、この空洞充填によるトンネルの補修方法によれば、加圧用発泡ウレタンＢの発泡圧を、トンネルの調査結果と設計条件などに基づく有限要素法による数値解析で求めた限界加圧力から設定するようにしたので、加圧用発泡ウレタンＢの発泡圧でトンネルの損傷や破壊を招くことなく安全性を確保して補修することができる。
さらに、空洞充填用発泡ウレタンＡのゲルタイムを長くし、加圧用発泡ウレタンＢのゲルタイムを短くしたので、空洞全体に隙間なく発泡ウレタンＡを充填することができるとともに、加圧用発泡ウレタンＢで効率よく短時間に発泡圧を作用させることができ、効率的にひび割れたトンネル覆工を補修することができる。

１ トンネル（水路トンネル）
２ 空洞
３ 側壁
４ ひび割れ
５ 地山壁
６ 覆工壁
７ 模型水路トンネル
Ａ 空洞充填用発泡ウレタン
Ｂ 加圧用発泡ウレタン
Ｐ 側圧

Claims (5)

1. トンネル天端背面の空洞に硬質ウレタンフォームを充填して補修するに際し、
   前記空洞を満たす空洞充填用発泡ウレタン液を当該空洞内に注入して発泡硬化させて空洞充填用発泡ウレタンとしたのち、
   この空洞充填用発泡ウレタンで埋められた空洞上部と地山との隙間に、前記空洞充填用発泡ウレタンを介してトンネル覆工に発泡圧を作用させトンネル覆工の側壁に生じた引張応力を減少させあるいは除去する加圧用発泡ウレタン液を注入して発泡硬化させて加圧用発泡ウレタンとするようにしたことを特徴とする空洞充填によるトンネルの補修方法。
2. 前記空洞充填用発泡ウレタンは前記加圧用発泡ウレタンよりゲルタイムを長くする一方、フォーム密度を略同一とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の空洞充填によるトンネルの補修方法。
3. 前記空洞充填用発泡ウレタンのゲルタイムを５０〜７０秒とし、前記加圧用発泡ウレタンのゲルタイムを５〜２５秒とする一方、前記空洞充填用発泡ウレタンと前記加圧用発泡ウレタンのフォーム密度は３０ｋｇ／ｍ³以上とするようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の空洞充填によるトンネルの補修方法。
4. トンネル覆工の側壁の引張応力を減少させあるいは除去するための限界加圧力を、予めトンネルの設計条件と空洞の発生状態および側壁のひび割れの発生状態の実測結果とから有限要素法による数値解析で求めておき、得られた限界加圧力から前記加圧用発泡ウレタンにより加える発泡圧を設定して注入するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空洞充填によるトンネルの補修方法。
5. 限界加圧力より低い発泡圧で前記加圧用発泡ウレタンを、トンネル覆工の側壁のひび割れが減少するまで注入充填するようにしたことを特徴とする請求項４記載の空洞充填によるトンネルの補修方法。

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