JP6445341B2 - 地中空洞の構築方法 - Google Patents

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本発明は、大深度における大断面トンネルの分岐合流部に適用するに好適な地中空洞の構築方法に関する。

大深度、高土圧下において、大断面のトンネル拡幅部を安全に工事するため、特許文献1に地中空洞の施工方法が提案されている。
その地中空洞の施工方法は、例えば図3に示すように行われる。
すなわち、図示のように、形成する地中空洞領域Tの外周に沿ってシールドトンネル1を等間隔で複数施工して地中空洞領域Tを包囲する。次に、隣り合うシールドトンネル1・1の間に跨って凍結管3を設置して、ブラインによって凍結改良体4を形成し、地山を安定させると共に止水を行う。この凍結改良体4内において、隣接するシールドトンネル1・1の間を掘削して作業空間を確保する。次に、この作業空間内において、地中空洞領域Tを包囲する鉄筋コンクリートによる大きな先行覆工9を形成し、この大きな先行覆工9の内部を掘削して大断面の地中空洞を構築する。

また、特許文献2にシールドトンネル用セグメントが提案されている。
そのシールドトンネル用セグメントは、小断面シールドトンネルのコンクリートセグメントの補強筋を、カーボン繊維やガラス繊維に樹脂を含浸したものとして、セグメントをシールド掘進機で切削可能なものとしたもので、複数の小断面シールドトンネルを連結して大断面の地中空洞を構築する。

特開2007−217911号公報 特開平4−213695号公報

しかし、従来工法は、隣接するシールドトンネルの間を掘削するために、地山を露出させて直接掘削する必要がある。そのため、鋼製セグメントが使用され、鋼製セグメントのスキンプレートを剥がして開口を形成し、シールドトンネル間に形成された凍結改良体で支保された地山を露出し掘削する。その凍結改良体は止水のみならず土圧にも対抗するものであるので、凍結範囲は必然的に大きなものとしなければならず、厚いものとなるため、凍結の施工数量が多くなる。
例えば、地中空洞が内径30.3m(内空断面720m)の場合、凍結断面は、トンネルの間の距離が3m程度の場合、凍結改良体の厚さを1.5mとした場合、277mを必要とする。

また、水圧下でシールドトンネル内から削孔し、隣接するシールドトンネルに接するように精度よく凍結管を設置することは、高い精度の削孔技術を必要とする。
そして、シールドトンネルの相互位置を正確に把握しなければならないので、施工の難易度が高く、コストがかかり、工期も長くならざるを得ないものであった。

本発明の課題は、地山を露出させて直接掘削することなくシールドトンネル同士を連結できるようすることによって凍結断面を縮減し、シールドトンネルの間に凍結管を打設することなく止水ができるようにすることによって、コストの削減及び工期の短縮を達成することである。

以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、
構築予定の地中空洞領域の外周を包囲する先行シールドトンネルを所定の間隔を空けて掘進して切削可能な切削セグメントで覆工する先行シールド工程と、
前記先行シールドトンネル間の前記切削セグメントを切削しながら隣接する両側の先行シールドトンネルにオーバーラップさせて後行シールドトンネルを掘進してセグメントで覆工する後行シールド工程と、
前記先行シールドトンネル及び後行シールドトンネルのセグメント内壁面に地山凍結管を設置して周辺地盤を凍結させて凍結改良体を形成して止水する地盤凍結工程と、
前記先行シールドトンネル及び後行シールドトンネル内に鉄筋コンクリートによる大きな先行覆工を構築する先行覆工工程と、
前記大きな先行覆工の内部を掘削して大断面の地中空洞を形成する地中空洞掘削工程と、を備えることを特徴とする。

そして、請求項1に記載の発明は、
前記先行シールド工程の後、該シールドトンネルの内部において、横断方向の前記鉄筋コンクリートによる前記先行覆工の部分構築、該先行覆工に沿った追設凍結管の設置、該シールドトンネルのセグメント内壁面に前記地山凍結管の設置、該シールドトンネルの残る内部空間のコンクリート充填を行うことを特徴とする。

請求項に記載の発明は、
請求項1に記載の地中空洞の構築方法であって、
前記後行シールド工程において、鋼製セグメントを用いることを特徴とする。

請求項に記載の発明は、
請求項1または2に記載の地中空洞の構築方法であって、
前記地盤凍結工程は、
前記コンクリート充填後に、前記地山凍結管及び前記追設凍結管に冷媒を還流させ、前記周辺地盤及び前記先行覆工表面を凍結させて止水する先行地盤凍結工程と、 前記後行シールド工程後に、前記後行シールドトンネルの前記セグメント内壁面に前記地山凍結管を設置して前記周辺地盤を凍結させて前記凍結改良体を形成して止水する後行地盤凍結工程と、からなることを特徴とする。

請求項に記載の発明は、
請求項1から3のいずれか一項に記載の地中空洞の構築方法であって、
前記先行覆工工程において、
前記後行シールドトンネルの内部において、横断方向の前記鉄筋コンクリートによる前記先行覆工の構築を行って、前記先行シールドトンネル内部の前記先行覆工の端部との連結を行うことを特徴とする。

本発明によれば、地山を露出させて直接掘削することなくシールドトンネル同士を連結できるようすることによって凍結断面を縮減できて、シールドトンネルの間に凍結管を打設することなく止水ができるようにすることによって、コストの削減及び工期の短縮を達成することができる。

本発明を適用した地中空洞施工の一実施形態を示す縦断正面図である。 図1の先行シールドトンネルと後行シールドトンネルの連結部分の凍結改良体の詳細を示す拡大図である。 従来の地中大空洞施工例の概要を示す縦断正面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

(概要)
大深度の高土圧下で大断面の地中拡幅部を安全に作ることを目的に、その地中拡幅部周囲に大きな先行覆工を構築する。
先行覆工は多数の小口径シールドトンネルをラップ施工する。すなわち、後行シールドトンネルのシールドマシンで直接切削できる切削セグメントを先行シールドトンネルで使用することで、小口径先行シールドトンネルと小口径後行シールドトンネルをラップ施工する。従来工法と違い、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルを連結し、先行覆工を構築する際は、全体が小口径シールドトンネルのセグメント内での作業となり、地山を露出することなく安全である。
そして、ラップ施工の過程で、その各トンネル内部に鉄筋コンクリートを部分的に現場打ちし、最後に、これら現場打ち鉄筋コンクリートを連結することで、大きな先行覆工が完成される(図1)。
ここで、小口径トンネル同士をラップする際、土圧は後行シールドトンネルの主桁を残して支え、止水目的のみに限定した先行覆工の表面近傍だけの凍結工法を併用する(図2)。
先行覆工の表面近傍だけの凍結工法なので、施工負担の小さい貼付凍結管が利用可能となる。

(実施形態)
図1は本発明を適用した地中空洞施工の一実施形態を示すもので、1は先行シールドトンネル、1Sは切削セグメント、2は後行シールドトンネル、2Sは鋼製セグメント、7は凍結改良体、Tは地中空洞領域である。

「1.先行シールド工程」
図示のように、構築すべき地中空洞領域Tの外周に沿って先行して施工する直径3〜5mの先行シールドトンネル1を、この先行シールドトンネル1の直径より小さな間隔で等間隔に構築する。
この先行シールドトンネル1の間を掘進する後続の後行シールドトンネル2は、先行シールドトンネル1と同じ直径とするのを基本とするが、必要に応じて変更してもよく、先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2がオーバーラップして一体化されて土水圧に耐える強度が得られるように先行シールドトンネル1・1の間隔を決定する。

先行シールドトンネル1の覆工用セグメントは、後行シールドトンネル2がオーバーラップして施工されるものであるため、シールドマシンのカッターで切削可能な切削セグメント1Sを使用する。
この切削セグメント1Sは、コンクリート製である。そのコンクリートの補強筋は、シールドマシンのカッターで容易に切削することができるように、鉄筋に代えて繊維補強樹脂製の補強筋を使用する共に、コンクリートに発生したクラックの伸展防止のためにコンクリート中に長さ0.5〜6cmの樹脂繊維、または、ガラス繊維、炭素繊維を混入させたものであり、混入量は、0.01〜1.0体積%である。コンクリートの骨材は、切削性をよくするために、石灰石、軽量人工骨材、高炉スラグ等が使用される。
また、セグメントを接続するための継手用のボルトも、鋼製のものを使用せずに、FRP製のものを使用する。

具体的には、コンクリートの補強筋は、繊維に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂製のものである。その繊維は、炭素、ガラス等の無機繊維、または、アラミド、ポリエステル、ナイロン、ビニロンの繊維である。また、樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、または、ナイロン、PPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)等の熱可塑性樹脂である。
クラックの伸展防止用の樹脂繊維としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、また、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリプロビレン、PPS、アラミド等の熱可塑性樹脂などの繊維である。
特に、ガラス繊維で補強された樹脂のガラス繊維ロッドを筋材とし、アラミド繊維をクラック伸展防止のためコンクリートに0.25〜0.5vol%含有させたものが、安価であると共に、コンクリートのクラック伸展防止に有効であるので、好ましい。

「2.先行地盤凍結工程」
次に、先行シールドトンネル1の内部には、図2に示すように、横断して将来の先行覆工9となる鉄筋コンクリート(RC)躯体の一部を構築しておき、さらに、内壁面に沿って地山凍結管5を設置するとともに、部分構築した先行覆工9のRC躯体に沿って同様の追設凍結管5を設置する。
その後、先行シールドトンネル1の内部、すなわち、図示のように、先行覆工9のRC躯体で内周側及び外周周に仕切られた内部に、コンクリートCをそれぞれ充填して閉塞する。

そして、先行シールドトンネル1内の地山凍結管5及び追設凍結管5にブライン等の冷媒をそれぞれ循環させて地盤と先行覆工9のRC躯体表面を冷却し、先行シールドトンネル1の外周側及び内周側の外側に凍結改良体7を形成して包囲し、並びに先行覆工9のRC躯体表面に凍結膜8を形成して、それぞれ地下水の浸入経路を閉塞する。

「3.後行シールド工程」
前述したように、地中空洞領域Tの外周に沿って等間隔に掘進させた先行シールドトンネル1が完成したら、それらの間の未掘削部分をシールドマシンで掘進して後行シールドトンネル2を構築する。
後行シールドトンネル2の構築においては、先行シールドトンネル1、1の間隔よりもシールドマシンの掘削直径が大きなものであるので、後行シールドトンネル2のシールドマシンは、両側の先行シールドトンネル1の切削セグメント1Sを切削しながら掘進するので、後行シールドトンネル2は、先行シールドトンネル1とオーバーラップした状態となる。このとき、前記「2.先行地盤凍結工程」で用いる凍結管が、後行シールドトンネルとオーバーラップして後行シールドマシンで損傷されることのないよう、掘削断面及び凍結管の配置を設計する。

後行シールドトンネル2のセグメントは、鋼製セグメント2Sで覆工する。この鋼製セグメント2Sにより、全ての先行シールドトンネル1の間に後行シールドトンネル2を構築し、構築予定の地中空洞領域Tの外周は、交互に設置された先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2で包囲される。

「4.後行地盤凍結工程」
次に、先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2の連結部分の詳細を拡大して示す図2のように、切削セグメント1Sに連結された鋼製セグメント2Sの内壁に沿って地山凍結管6をそれぞれ設置する。
そして、後行シールドトンネル2内の地山凍結管6にブライン等の冷媒をそれぞれ循環させて地盤を冷却し、後行シールドトンネル2の外周側及び内周側の外側に凍結改良体7をそれぞれ形成して、既存の先行シールドトンネル1の外周側及び内周側の外側の凍結改良体7と連結し、一体となって地下水の浸入を阻止する。

ここで、先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2がオーバーラップさせてあり、土水圧は、先行シールドトンネル1及び後行シールドトンネル2のセグメント1S・2Sが負担する。このため、凍結改良体7の厚さは、地下水がトンネル内に浸入するのを阻止する厚さで十分であり、例えば厚さ50cm程度で十分である。従って、従来の工法に比較して半分以下とすることができ、凍結に要するエネルギーを節約できると共に、露出した地山を掘削することがないので、地山の崩落などの恐れがほとんどなく、安全である。

「5.先行覆工工程」
次に、後行シールドトンネル2の内部において、鋼製セグメント2Sのスキンプレートを取り外し、隣接する先行シールドトンネル1内部の先行覆工9となるRC躯体の端部を露出させる。この時、凍結改良体7とRC躯体表面の凍結膜8で止水され、後行シールドトンネル2の主桁で土水圧が支持されている。
そして、後行シールドトンネル2内部を横断して先行覆工9となるRC躯体の一部を構築して、先行シールドトンネル1内部のRC躯体の端部と連結させて、一体として地中空洞領域Tを包囲する大きな先行覆工9を閉合する。
なお、後行シールドトンネル2内部の先行覆工9の背面側となる空洞はコンクリート等で閉塞する。

以上の大きな先行覆工9においては、先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2によって土水圧が負担されており、また、地山凍結管5、追設凍結管5及び地山凍結管6によって地中空洞領域Tの外周には連続した凍結改良体7が形成されているので、地下水の浸水の恐れがなく、安全な空間が確保されており、大きな先行覆工9の内部の掘削を効率よく行うことができる。また、RC躯体表面が凍結膜8で止水されているので、RC躯体表面を伝わって漏水することが防止される。これにより先行覆工9の閉合が先に完了した区間があるとき、そこだけ部分的に凍結改良体7の凍結を解除することが可能となり、より経済的に本工法を適用することが可能となる。

「6.地中空洞掘削工程」
こうして、大きな先行覆工9により包囲された地中空洞領域Tに構築される大深度地下空間は、大深度で施工されるシールドトンネルの分岐や合流部として利用することができ、地下水が存在する大深度においても安全に分岐部や合流部の工事を行うことができる。

(効果)
以上のとおり、連結された先行シールドトンネル1及び後行シールドトンネル2の内部空間で大きな先行覆工9の構築作業を行うので、従来技術のように、地山が露出した状態で作業するものでないので、安全である。
また、先行シールドトンネル1と後行シールドトンネル2がラップさせてあるので、耐土水圧構造が確保されており、補助とする凍結工法、すなわち、セグメント1S・2Sの内壁面に設置した地山凍結管5、追設凍結管5及び地山凍結管6は、止水のみを目的とすることができるので、凍結改良体7の厚みを小さくすることが可能である。
実施例によれば、必要空間が内径30.3m(内空断面720m)のトンネルに対して凍結断面A=91mと大幅に縮減することができる。
また、凍結改良体7の造成において、地山凍結管5、追設凍結管5及び地山凍結管6をセグメント1S・2S内壁面に設置するだけでよいので、トンネル内から隣接するシールドトンネルに向かって凍結管を打設施工する必要がなく、工期を短縮でき、かつ、工費を低減することができる。

以上のように、凍結作業の施工数量の低減と高水圧下での削孔・凍結管設置作業を省略でき、コスト低減と工期短縮を達成した安全確実性の高い施工法である。

以上、実施形態の地中空洞の構築方法によれば、構築予定の地中空洞領域Tの外周を包囲する先行シールドトンネル1を所定の間隔を空けて掘進して切削可能な切削セグメント1Sで覆工し、次に、先行シールドトンネル1間の切削セグメント1Sを切削しながら隣接する両側の先行シールドトンネル1にオーバーラップさせて後行シールドトンネル2を掘進して鋼製セグメント2Sで覆工する。そして、先行シールドトンネル1及び後行シールドトンネル2のセグメント1S・2S内壁面に地山凍結管5・6を設置して周辺地盤を凍結させて凍結改良体7を形成して止水する。また、先行シールドトンネル1及び後行シールドトンネル2内に鉄筋コンクリートによる大きな先行覆工9を構築し、その大きな先行覆工9の内部を掘削して大断面の地中空洞を形成する。
従って、従来のように地山を露出させて直接掘削することなくシールドトンネル1・2同士を連結できるため、凍結断面を縮減できて、従来のようにシールドトンネルの間に凍結管を打設せずに、止水ができるため、コストの削減及び工期の短縮を達成することができる。

(変形例)
以上の実施形態の他、具体的な細部構造や手法等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

1 先行シールドトンネル
1S 切削セグメント
2 後行シールドトンネル
2S 鋼製セグメント
5 地山凍結管(追設凍結管)
6 地山凍結管
7 凍結改良体
8 凍結膜
9 大きな先行覆工
C コンクリート
T 地中空洞領域

Claims (4)

  1. 構築予定の地中空洞領域の外周を包囲する先行シールドトンネルを所定の間隔を空けて掘進して切削可能な切削セグメントで覆工する先行シールド工程と、
    前記先行シールドトンネル間の前記切削セグメントを切削しながら隣接する両側の先行シールドトンネルにオーバーラップさせて後行シールドトンネルを掘進してセグメントで覆工する後行シールド工程と、
    前記先行シールドトンネル及び後行シールドトンネルのセグメント内壁面に地山凍結管を設置して周辺地盤を凍結させて凍結改良体を形成して止水する地盤凍結工程と、
    前記先行シールドトンネル及び後行シールドトンネル内に鉄筋コンクリートによる大きな先行覆工を構築する先行覆工工程と、
    前記大きな先行覆工の内部を掘削して大断面の地中空洞を形成する地中空洞掘削工程と、を備える地中空洞の構築方法であって、
    前記先行シールド工程の後、該シールドトンネルの内部において、横断方向の前記鉄筋コンクリートによる前記先行覆工の部分構築、該先行覆工に沿った追設凍結管の設置、該シールドトンネルのセグメント内壁面に前記地山凍結管の設置、該シールドトンネルの残る内部空間のコンクリート充填を行うことを特徴とする地中空洞の構築方法。
  2. 前記後行シールド工程において、鋼製セグメントを用いることを特徴とする請求項1に記載の地中空洞の構築方法。
  3. 前記地盤凍結工程は、
    前記コンクリート充填後に、前記地山凍結管及び前記追設凍結管に冷媒を還流させ、前記周辺地盤及び前記先行覆工表面を凍結させて止水する先行地盤凍結工程と、 前記後行シールド工程後に、前記後行シールドトンネルの前記セグメント内壁面に前記地山凍結管を設置して前記周辺地盤を凍結させて前記凍結改良体を形成して止水する後行地盤凍結工程と、からなることを特徴とする請求項1または2に記載の地中空洞の構築方法。
  4. 前記先行覆工工程において、
    前記後行シールドトンネルの内部において、横断方向の前記鉄筋コンクリートによる前記先行覆工の構築を行って、前記先行シールドトンネル内部の前記先行覆工の端部との連結を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の地中空洞の構築方法。
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