JP6338106B2

JP6338106B2 - トンネル構造およびその改築方法

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Publication number: JP6338106B2
Application number: JP2014191959A
Authority: JP
Inventors: 熊坂　博夫; 博夫熊坂
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: JP2016061119A

Description

本発明は、トンネル構造およびその改築方法に関し、特に、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができるトンネル構造およびその改築方法に関するものである。

従来の道路、鉄道の山岳トンネルの総延長はそれぞれ３０００ｋｍを越えており、その５０％以上は建設、供用後３０年以上を経過している。このためトンネルの老朽化が進み、その対策が社会的な課題となってきている。トンネルの二次覆工は、トンネル構造物における主要な維持管理の対象物であり、老朽化に伴うトンネルの健全度の低下に大きな影響を及ぼす。

図４に示すように、従来の山岳トンネルの標準工法では、トンネルの覆工は、一次支保工２と二次覆工４とに分類されている。なお、符号８は、掘削したトンネルの底部に敷設したインバートコンクリートである。一次支保工２は、トンネル掘削時の周辺地山の安定性を確保することを主目的に掘削面６に施工される構造体であり、通常、吹付けコンクリート、鋼製支保工およびロックボルトで構成される。また、二次覆工４は、一次支保工２の内面側に施工される構造体であり、掘削に伴う安定性の確保以外の機能を分担することが期待されているが、掘削後の変形が継続して生じるような地山条件の場合等、一次支保工２と同様にトンネルの安定性を確保するための力学的な機能も担う場合がある。このため、二次覆工４については、ひび割れ、変形、崩壊等を生じにくく、また、漏水等による浸食や強度の減少等の少ない耐久性が要求される。

この二次覆工４は通常、図５に示すように、トンネルの延長方向１０ｍ程度の長さを一スパンとする無筋のコンクリート構造物として作製される。山岳トンネルにおける二次覆工は、トンネル周辺地山と支保構造が作るトンネル構造体としての安定性の向上、内空断面の保持などの供用性の確保、第三者影響の防止、美観性・耐久性の保持など様々な機能が求められている。このため、供用後の維持管理では、点検を行いトンネルに生じる変状を把握するとともにトンネルの健全度を評価し、補修・補強等の対策を実施している。

覆工の改築・取り替えは対策の中で最も大掛かりな措置（対策工）であり、覆工の変形や材料劣化等の変状が著しく、トンネルの機能や性能が著しく低下した状態で、これを補修・補強による対策工では対処できない場合に実施される。しかしながら、トンネルの供用後に大規模な改築や取り替えを行うことは難しい作業といわれている。その理由としては以下の（１）、（２）が考えられる。

（１）作業がトンネル内からとなり、作業空間が制約されるため、大型機械の利用や並行作業が制限される。

（２）従来の山岳トンネル標準工法では、二次覆工には特別な場合を除き、地圧等の荷重は作用しないとされているが、何らかの原因で一次支保工を介して周辺地山から地圧が作用する場合や矢板工法（在来工法）の二次覆工においては、横断面における覆工に周方向の大きな軸力・軸方向応力（圧縮応力）が生じる。この軸力・圧縮応力により、カッターなどで覆工を分割、解体する工法を用いる場合には、大きな覆工コンクリートブロックとして分離し解体することが難しい。

このため、既存のトンネルの改築や取り替えを容易化する技術の開発とともに、新規に建設される山岳トンネルの二次覆工においても、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した場合を予め想定し、改築や、部分的な取り替えを容易に行える工夫が求められている。

上述したように、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行える工夫が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができるトンネル構造およびその改築方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るトンネル構造は、トンネル掘削面の頂部および側部を周方向に被覆するように設けられる一次支保工と、この一次支保工の内側に設けられる二次覆工と、この二次覆工の周方向の端部と接続し、トンネル掘削面の底部に設けられるインバート工とを備えるトンネル構造であって、二次覆工の端部とインバート工の端部との間に、二次覆工に作用する周方向の軸力を通常時に支持し、二次覆工の改築時に前記軸力により圧縮変形して前記軸力を低減可能な軸力低減部材を設け、この軸力低減部材を介して二次覆工とインバート工とを接続したことを特徴とする。

また、本発明に係る他のトンネル構造は、上述した発明において、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他のトンネル構造は、上述した発明において、箱型の中空容器を鋼材で構成し、流動体を砂状物で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル構造の改築方法は、上述したトンネル構造を改築する方法であって、前記軸力に対する軸力低減部材の圧縮強度を低下させることにより軸力低減部材を圧縮変形させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築することを特徴とする。

また、本発明に係る他のトンネル構造の改築方法は、上述した発明において、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成し、軸力低減部材をトンネル内空側より切開して、この軸力低減部材の内部に充填された流動体を外部に流し出すことにより軸力低減部材を圧潰させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築することを特徴とする。

本発明に係るトンネル構造によれば、トンネル掘削面の頂部および側部を周方向に被覆するように設けられる一次支保工と、この一次支保工の内側に設けられる二次覆工と、この二次覆工の周方向の端部と接続し、トンネル掘削面の底部に設けられるインバート工とを備えるトンネル構造であって、二次覆工の端部とインバート工の端部との間に、二次覆工に作用する周方向の軸力を通常時に支持し、二次覆工の改築時に前記軸力により圧縮変形して前記軸力を低減可能な軸力低減部材を設け、この軸力低減部材を介して二次覆工とインバート工とを接続している。このため、老朽化や地圧などによる外力等によって変状が発生した二次覆工を改築する際には、軸力により軸力低減部材を圧縮変形させることで二次覆工は沈下し、二次覆工の上半部には地山と一次支保工との間にすき間が生じて地圧などによる外力の作用が低減することから、二次覆工に作用する軸力を低減することができる。二次覆工に作用する軸力が低減することから、特に、カッターなどで二次覆工を分割、解体する改築工法を用いる場合には、大きな二次覆工コンクリートブロックとして分離し解体することが可能となる。したがって、本発明によれば、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際にカッターなどで覆工を分割、解体する工法を用いる場合には、大きな覆工コンクリートブロックとして分離し解体することができるようになることなどより、改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のトンネル構造によれば、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成したので、変状が発生した二次覆工を改築する際には、箱型の中空容器を切開し、内部に充填された流動体を外部に流し出せば、軸力低減部材の圧縮強度を容易に低下させることができ、軸力による軸力低減部材の圧縮変形を誘発することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のトンネル構造によれば、箱型の中空容器を鋼材で構成し、流動体を砂状物で構成したので、通常時の軸力低減部材による軸力の支持を効果的に行えるとともに、二次覆工の改築時の軸力低減部材に対する切開作業および二次覆工に作用する軸力の低減を簡便に行えるという効果を奏する。また、軸力低減部材の低コスト化を図ることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル構造の改築方法によれば、上述したトンネル構造を改築する方法であって、前記軸力に対する軸力低減部材の圧縮強度を低下させることにより軸力低減部材を圧縮変形させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築するので、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のトンネル構造の改築方法によれば、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成し、軸力低減部材をトンネル内空側より切開して、この軸力低減部材の内部に充填された流動体を外部に流し出すことにより軸力低減部材を圧潰させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築するので、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えをより容易に行うことができるという効果を奏する。

図１−１は、本発明に係るトンネル構造およびその改築方法の実施の形態を示す斜視図である。図１−２は、図１−１のＡ部分の側面図である。図２−１は、本発明に係る軸力低減部材の概略斜視図である。図２−２は、図２−１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３は、本発明に係る軸力低減部材のカッターによる切断状況の一例を示す斜視図である。図４は、従来のトンネル構造の一例を示す断面図である。図５は、従来のトンネル構造の二次覆工コンクリートのスパン割りの一例を示す概略斜視図である。

以下に、本発明に係るトンネル構造およびその改築方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（トンネル構造）
まず、本発明に係るトンネル構造の実施の形態について説明する。

図１−１および図１−２に示すように、本発明に係るトンネル構造１０は、トンネル掘削面の頂部１２および側部１４を周方向Ｓに被覆するように設けられる吹付けコンクリートからなる一次支保工１６と、この一次支保工１６の内面を周方向Ｓに被覆するように設けられる無筋コンクリートからなる二次覆工１８と、この二次覆工１８の周方向Ｓの端部１８ａと接続し、トンネル掘削面の底部２０に設けられるコンクリートからなるインバート工２２とを備える。

二次覆工１８の端部１８ａとインバート工２２の端部２２ａとの間には、軸力低減部材２４が設けてあり、この軸力低減部材２４を介して二次覆工１８とインバート工２２とは接続されている。

軸力低減部材２４は、トンネルの軸方向Ｚに棒状に延在する直方体箱状の部材である。この軸力低減部材２４は、二次覆工１８に作用する周方向Ｓの軸力・軸方向応力（圧縮）を通常時に支持または伝達し、二次覆工の改築時に軸力により上下方向に圧縮変形して軸力を低減可能である。

図２−１および図２−２に示すように、軸力低減部材２４は、箱型の中空容器の筐体を構成する薄肉鋼板２６（鋼材）と、この中空容器の内部に密に充填された砂状物（流動体）としての砂２８とからなる。砂２８を密に充填しておくことにより、トンネル構造１０の建設後の長期にわたり、二次覆工１８に軸力が生じた場合にも、軸力低減部材２４を二次覆工１８とインバート工２２との間で軸力を伝達する軸力伝達部材として機能させる。

一方、長期の供用により二次覆工１８に変状が発生し、改築や部分的な取り替えが必要となった場合には、図３に示すように、トンネル内空側に表出した軸力低減部材２４の薄肉鋼板２６をカッターあるいはウォータージェットなどの切開手段３０で切開し、軸力低減部材２４の内部に充填されている砂２８を外部に流し出す。この結果、中空容器の内部は空または空に近い状態となり、軸力低減部材２４の上下方向の圧縮強度を容易に低下させることができる。このようにすれば、二次覆工１８の軸力による軸力低減部材２４の上下方向の圧縮変形を誘発することができる。

砂２８が外部に流出した軸力低減部材２４は、二次覆工１８の軸力を支持できずに圧潰する。これにより二次覆工１８は鉛直に沈下し、二次覆工１８の上半部には、地山と一次支保工１６との間にすき間が生じることから、地山などによる外力が低減することで、二次覆工１８に生じている軸力も低減する。

このように、軸力低減部材２４を、箱型の中空容器の筐体をなす薄肉鋼板２６と砂２８とで構成したので、通常時の軸力低減部材２４による軸力の支持を効果的に行える。また、二次覆工１８の改築時の軸力低減部材２４に対する切開作業と、二次覆工１８に作用する軸力の低減を簡便に行える。さらに、軸力低減部材２４の低コスト化を図ることができる。

また、二次覆工１８に作用する軸力が低減することから、カッターなどで二次覆工１８を分割、解体する改築工法を用いる場合には、大きな二次覆工コンクリートブロックとして分離し解体することが可能となる。したがって、本発明によれば、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができる。

また、本発明によれば、二次覆工１８の解体作業の速度向上を図ることが可能である。

また、軸力低減部材２４が圧潰して二次覆工１８が沈下することで、二次覆工１８の肩から天端（頂部１２）にかけては地山との間にすき間が生じる。このため、カッターなどにより二次覆工１８を分割・解体する際において、二次覆工１８の外面側などに配置される防水シートにカッターが当たらないように作業することが可能となり、防水シートの損傷を未然に防止することができる。

（トンネル構造の改築方法）
次に、本発明に係るトンネル構造の改築方法の実施の形態について説明する。

図１−１および図１−２に示すように、本発明に係るトンネル構造の改築方法は、上述したトンネル構造１０を改築する方法であって、二次覆工１８に作用する周方向Ｓの軸力・軸方向応力（圧縮）に対する軸力低減部材２４の圧縮強度を低下させることにより軸力低減部材２４を圧縮変形させ、軸力を低減させた後、二次覆工１８を改築するものである。

本発明によれば、従来の山岳トンネル標準工法で構築したトンネル構造１０において、何らかの原因で一次支保工１６を介して周辺地山から地圧が作用するときに、軸力低減部材２４を用いて二次覆工１８に作用する大きな周方向の軸力・軸方向応力（圧縮）を低減させる。ここで、カッターなどで二次覆工１８を分割、解体する改築工法を用いる場合には、大きな二次覆工コンクリートブロックとして分離し解体することが可能となる。したがって、本発明によれば、新設するトンネルの二次覆工１８において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができる。

ここで、図２−１および図２−２に示すように、軸力低減部材２４を、箱型の中空容器の筐体をなす薄肉鋼板２６と、中空容器の内部に充填された砂２８とから構成することができる。このようにすれば、図３に示すように、軸力低減部材２４をトンネル内空側より切開手段３０を用いて切開して、この軸力低減部材２４の内部に充填された砂２８を外部に流し出すことにより軸力低減部材２４を容易に圧潰させることができる。これにより、二次覆工１８に作用する軸力を低減させた後、二次覆工１８を改築することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係るトンネル構造によれば、トンネル掘削面の頂部および側部を周方向に被覆するように設けられる一次支保工と、この一次支保工の内側に設けられる二次覆工と、この二次覆工の周方向の端部と接続し、トンネル掘削面の底部に設けられるインバート工とを備えるトンネル構造であって、二次覆工の端部とインバート工の端部との間に、二次覆工に作用する周方向の軸力を通常時に支持し、二次覆工の改築時に前記軸力により圧縮変形して前記軸力を低減可能な軸力低減部材を設け、この軸力低減部材を介して二次覆工とインバート工とを接続している。このため、老朽化や地圧などによる外力等によって変状が発生した二次覆工を改築する際には、軸力により軸力低減部材を圧縮変形させることで二次覆工は沈下し、二次覆工の上半部には地山と一次支保工との間にすき間が生じて地圧などによる外力の作用が低減することから、二次覆工に作用する軸力を低減することができる。二次覆工に作用する軸力が低減することから、特に、カッターなどで二次覆工を分割、解体する改築工法を用いる場合には、大きな二次覆工コンクリートブロックとして分離し解体することが可能となる。したがって、本発明によれば、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができる。

また、本発明に係る他のトンネル構造によれば、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成したので、変状が発生した二次覆工を改築する際には、箱型の中空容器を切開し、内部に充填された流動体を外部に流し出せば、軸力低減部材の圧縮強度を容易に低下させることができ、軸力による軸力低減部材の圧縮変形を誘発することができる。

また、本発明に係る他のトンネル構造によれば、箱型の中空容器を鋼材で構成し、流動体を砂状物で構成したので、通常時の軸力低減部材による軸力の支持を効果的に行えるとともに、二次覆工の改築時の軸力低減部材に対する切開作業および二次覆工に作用する軸力の低減を簡便に行える。また、軸力低減部材の低コスト化を図ることができる。

また、本発明に係るトンネル構造の改築方法によれば、上述したトンネル構造を改築する方法であって、前記軸力に対する軸力低減部材の圧縮強度を低下させることにより軸力低減部材を圧縮変形させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築するので、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うことができる。

また、本発明に係る他のトンネル構造の改築方法によれば、軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成し、軸力低減部材をトンネル内空側より切開して、この軸力低減部材の内部に充填された流動体を外部に流し出すことにより軸力低減部材を圧潰させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築するので、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えをより容易に行うことができる。

以上のように、本発明に係るトンネル構造およびその改築方法は、トンネル掘削面の頂部および側部を周方向に被覆するように設けられる一次支保工と、この一次支保工の内面を周方向に被覆するように設けられる二次覆工と、この二次覆工の周方向の端部と接続し、トンネル掘削面の底部に設けられるインバート工とを備えるトンネル構造に有用であり、特に、新設するトンネルの二次覆工において、将来の材料劣化等による老朽化や地圧などの外力による変状が発生した際の改築や、部分的な取り替えを容易に行うのに適している。

１０トンネル構造
１２頂部
１４側部
１６一次支保工
１８二次覆工
１８ａ，２２ａ端部
２０底部
２２インバート工
２４軸力低減部材
２６薄肉鋼板（鋼材）
２８砂（流動体、砂状物）
３０切開手段
Ｓ周方向
Ｚ軸方向

Claims

トンネル掘削面の頂部および側部を周方向に被覆するように設けられる一次支保工と、この一次支保工の内側に設けられる二次覆工と、この二次覆工の周方向の端部と接続し、トンネル掘削面の底部に設けられるインバート工とを備えるトンネル構造であって、
二次覆工の端部とインバート工の端部との間に、二次覆工に作用する周方向の軸力を通常時に支持し、二次覆工の改築時に前記軸力により圧縮変形して前記軸力を低減可能な軸力低減部材を設け、この軸力低減部材を介して二次覆工とインバート工とを接続したことを特徴とするトンネル構造。
軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成したことを特徴とする請求項１に記載のトンネル構造。
箱型の中空容器を鋼材で構成し、流動体を砂状物で構成したことを特徴とする請求項２に記載のトンネル構造。
請求項１〜３のいずれか一つに記載のトンネル構造を改築する方法であって、
前記軸力に対する軸力低減部材の圧縮強度を低下させることにより軸力低減部材を圧縮変形させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築することを特徴とするトンネル構造の改築方法。
軸力低減部材を、箱型の中空容器と、この中空容器の内部に充填された流動体とから構成し、
軸力低減部材をトンネル内空側より切開して、この軸力低減部材の内部に充填された流動体を外部に流し出すことにより軸力低減部材を圧潰させ、前記軸力を低減させた後、二次覆工を改築することを特徴とする請求項４に記載のトンネル構造の改築方法。