JP6514018B2 - トンネルの補強構造及び補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの補強構造及び補強方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の補強構造が知られている。この補強構造は、地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出されて、地山に水平方向に貫入される水平鋼管パイルと、トンネル内壁面から基端が露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向き鋼管パイルと、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、これら水平鋼管パイルの基端と下向き鋼管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

この種のトンネルの補強構造及び補強方法においては、更に支保工の沈下や変位を効果的に抑制することが求められている。すなわち、支保工の沈下や変位を抑制すべく、切羽の掘削後の早い時期に支保工の鉛直荷重や水平荷重を受け得る鋼管パイルを設置することが考えられる。しかしながら、引用文献１では、支保工に対して結合金物を固定するなどの煩雑な処理が必要であるので、安全性の観点から切羽が近い状態では作業が困難であった。本発明は、支保工の沈下や水平変位を効果的に抑制するトンネルの補強構造及び補強方法を提供することを目的とする。

本発明のトンネルの補強構造は、掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強構造であって、トンネルの軸方向に配列されトンネル内壁面に沿って設置される鋼製支保工と、軸方向に隣接する鋼製支保工同士を連結するように鋼製支保工に取り付けられた支保工連結材と、トンネル内壁面から地山に挿入されると共に支保工連結材に接続された鋼管と、を備える。

また、本発明のトンネルの補強構造は、トンネル内壁面上で鋼製支保工同士の間に吹付けにより形成される吹付けコンクリート層を備え、吹付けコンクリート層は、支保工連結材と、鋼管と支保工連結材との接続部と、を埋没させることとしてもよい。

また、支保工連結材と鋼管との接続部では、支保工連結材に形成されトンネルの径方向に貫通する貫通穴に鋼管が挿通されていることとしてもよい。

また、支保工連結材と鋼管との接続部では、支保工連結材の下部に形成された切欠部に鋼管の上部が挿通されていることとしてもよい。

また、鋼製支保工の地山側のフランジには支保工連結材を取り付けるための連結材取付部が形成され、支保工連結材は、トンネル内壁面に沿って延在しボルト孔が形成された平板部を有し、支保工連結材は、連結材取付部に対してボルト止めで取り付けられていることとしてもよい。

また、支保工連結材と鋼管との接続部では、支保工連結材と鋼管の頭部とが接続されており、頭部が吹付けコンクリート層に埋没されていることとしてもよい。

本発明のトンネルの補強方法は、掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強方法であって、既設の第１の鋼製支保工のトンネル切羽側に第２の鋼製支保工を設置する支保工設置工程と、第１及び第２の鋼製支保工を連結するように第１及び第２の鋼製支保工に支保工連結材を取り付ける連結材取付工程と、トンネルのトンネル内壁面から鋼管を地山に挿入し、鋼管の一部が支保工連結材の近傍に位置する状態とする鋼管挿入工程と、トンネル内壁面上で第１及び第２の鋼製支保工の間に吹付けにより形成され、支保工連結材と鋼管の一部とを埋没させる吹付けコンクリート層を形成する吹付け工程と、を備える。

また、吹付け工程は、鋼管挿入工程の前に、鋼管を設置する鋼管設置予定位置を避けながらトンネル内壁面上で鋼製支保工同士の間にコンクリートを吹付ける第１吹付け工程と、鋼管挿入工程の後に、鋼管設置予定位置にコンクリートを吹付けて支保工連結材と鋼管の一部とを埋没させる第２吹付け工程と、を有することとしてもよい。

また、上記の鋼管の一部は鋼管の頭部であることとしてもよい。

本発明によれば、支保工の沈下や水平変位を効果的に抑制するトンネルの補強構造及び補強方法を提供することができる。

実施形態の補強構造及び補強方法が適用されるトンネルの軸を通る鉛直断面を取った断面図である。 （ａ），（ｂ）は、トンネル壁面の補強方法に係る部分を拡大して示す図である。 （ａ）は支保工連結材の斜視図であり、（ｂ）はその変形例を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、トンネル壁面の補強方法に係る部分を拡大して示す図である。 トンネル壁面の補強方法に係る部分を拡大して示す図である。 （ａ）は、補強構造をトンネル壁面に直交する方向から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるVI-VI断面図である。 （ａ），（ｂ）は、支保工連結材の変形例を示す図である。 本発明者らによる試験の結果を示すグラフである。 本発明者らによる他の試験の結果を示すグラフである。 本発明者らによる更に他の試験の結果を示すグラフである。 本発明者らによる更に他の試験の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るトンネルの補強構造及び補強方法の実施形態について詳細に説明する。本実施形態における補強方法は、トンネル１の切羽３の掘削後に切羽３の近傍で実行され、トンネルの内壁面から水平に近い方向にトンネル外側に向かって延びるサイドパイルが設置される。

図１は、本実施形態の補強構造及び補強方法が適用されるトンネル１について、トンネルの軸を通る鉛直断面を取った断面図である。図２（ａ），（ｂ）は、トンネル壁面の補強方法に係る部分を拡大して示す図である。以下説明中で「内側」、「外側」の語を用いる場合には、それぞれ、トンネル径方向の内側、外側を意味するものとする。

図１及び図２（ａ）に示されるように、掘削によってトンネル１の側面に地山面が露出した後、この地山面に対して一次吹付けが実行され、一次吹付けコンクリート層５が形成される。この一次吹付けは省略される場合もある。その後、一次吹付けコンクリート層５の内側に鋼製支保工９が設置され（支保工設置工程）、金網７が張られる。この鋼製支保工９は、トンネル１の坑口側に位置する既設の鋼製支保工９のトンネル切羽側に隣接し、トンネル軸方向に所定の間隔をあけて設置される（配列される）。以下、上記既設の鋼製支保工９（第１の鋼製支保工）と、ここで設置する新設の鋼製支保工９（第２の鋼製支保工）と、を区別する場合には、前者を既設支保工９ａ、後者を新設支保工９ｂと称する場合がある。鋼製支保工９としては、トンネル周方向にアーチ状に延在するＨ鋼が用いられる。鋼製支保工９はトンネル軸方向に所定の間隔（例えば、０．７５ｍ〜１．５ｍ）で配列される。

続いて、図２（ｂ）に示されるように、既設支保工９ａと新設支保工９ｂとに支保工連結材１１を取り付け、既設支保工９ａと新設支保工９ｂとを支保工連結材１１で連結する（連結材取付工程）。図３（ａ）にも示されるように、支保工連結材１１は、トンネル軸方向に水平に延在する鋼製部材であり、トンネル内壁面２に沿って延在する平板部５３を有している。平板部５３の両端部にはボルト孔５１が形成されており、平板部５３の中央部には、トンネルの径方向に貫通すると共にトンネル軸方向に延びる長穴５５が形成されている。

これに対して、各々の鋼製支保工９の地山側フランジ９ｓ（図６（ｂ）参照）の内側の面には、ボルト孔が形成されたブラケット５７が溶接されている。なお、ブラケット５７は、前述の支保工設置工程の前に予め溶接されている。既設支保工９ａ及び新設支保工９ｂの各ブラケット５７に対して支保工連結材１１の両端部がボルト止めされる。なお、図３（ｂ）に示されるように、支保工連結材１１は、平板部５３を有するチャネル材であってもよい。図３（ｂ）において、図３（ａ）と同一又は同等の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図４（ａ）に示されるように、連結材取付工程の後、支保工連結材１１の長穴５５の近傍の位置（鋼管設置予定位置）を避けながら、トンネル内壁面２上で既設支保工９ａと新設支保工９ｂとの間のスペースにコンクリートを吹付ける（二次吹付け工程）。これにより、支保工連結材１１の中央部を除く部分に吹付けコンクリート１５が充填される。ここでは吹付けコンクリート１５が、鋼製支保工９の内空側フランジ９ｔ（図６（ｂ）参照）に達する厚さまで充填される。このコンクリート吹付け工程は、後述の鋼管挿入工程の前に、鋼管１３を挿入する鋼管設置予定位置を避けながらトンネル内壁面２上で鋼製支保工９同士の間にコンクリートを吹付ける第１吹付け工程に対応する。

その後、図４（ｂ）に示されるように、支保工連結材１１の長穴５５を通してトンネル内壁面２から鋼管１３が地山に打設される（鋼管挿入工程）。鋼管１３は、トンネル内壁面２からトンネル径方向に所定長さ（例えば６〜１０ｍ程度）挿入される。例えば、φ１００ｍｍの鋼管が鋼管１３として採用される。鋼管１３は、斜め前方に向けて（トンネル切羽３側に向けて）打設されてもよい。長穴５５がトンネル軸方向に延びる長穴であるので、鋼管１３が斜め前方に向けて打設される場合にも、円滑に長穴５５を挿通させて鋼管１３を打設することができる。

打設後の鋼管１３の頭部１３ａはトンネル内壁面２から内側に露出して更に長穴５５を挿通し、平板部５３よりも内側に突出した状態となる。なお、鋼管１３の頭部１３ａは、鋼製支保工９の内空側フランジ９ｔよりもトンネル径方向外側に位置する。また、長穴５５の上下方向の寸法は、鋼管１３の外径よりもやや大きいので、長穴５５の内縁部と鋼管１３の頭部１３ａの外側面との間には上下方向にわずかな隙間があいた状態となる。すなわち、鋼管１３の頭部１３ａが支保工連結材１１の長穴５５の縁部に対して近傍に位置する状態となる。具体的には、鋼管１３の頭部１３ａの外側面と長穴５５の内縁部との距離は５ｍｍ程度（例えば、２〜８ｍｍ）であることが好ましい。すなわち、例えば、鋼管１３と長穴５５とのクリアランスが上下に５ｍｍ程度存在することが好ましい。鋼管１３の頭部１３ａと支保工連結材１１とを溶接等で接続する処理は行われずに、この後の工程に進む。なおここでは、鋼管１３の頭部１３ａが支保工連結材１１の長穴５５の縁部に対して接触してもよい。また、鋼管１３と鋼製支保工９とを溶接により接続する処理を行ってもよい。

その後、頭部１３ａの開口を通じて注入ポンプで注入材を鋼管１３内に注入する。鋼管１３の管壁には、例えば１ｍ程度のピッチで連通孔が形成されている。この連通孔を通じて注入材が鋼管１３外に流出し地山に浸透することで、鋼管１３が地山に定着されると共に地山の改良が図られる。注入材としては、地山の拘束性を高め改良効果を高めるために、早期に高い拘束性を持ちショートゲルタイムで逸走しにくい、発泡形態の注入材であるシリカレジンを好適に用いることができる。このような注入材（シリカレジン）の性状及び仕様の一例を下表１に示す。注入材の注入後は、鋼管１３の注入材の注入管等を切断し開口にキャップを取付けるなどの頭部１３ａの処理を行う。なお、注入材にはウレタン系やセメント系の注入材を用いることも可能である。

その後、図５に示されるように、支保工連結材１１の長穴５５の近傍にコンクリートを吹付けて、支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとを吹付けコンクリートに埋没させる（二次吹付け工程）。これにより、支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとを埋没させる吹付けコンクリート層５６が完成する。このコンクリート吹付け工程は、鋼管挿入工程の後に、鋼管設置予定位置にコンクリートを吹付けて支保工連結材１１と鋼管１３との接続部を埋没させる第２吹付け工程に対応する。このように、吹付けコンクリート層５６は、前述の第１吹付け工程で形成された吹付けコンクリート１５と、第２吹付け工程で形成されるコンクリート層とによって構成される。なお、前述の金網７は、吹付けコンクリート層５６に埋め込まれることで、吹付けコンクリート層５６の剥落を抑制する。吹付けコンクリート層５６の表面は、鋼製支保工９の内空側フランジ９ｔ（図６（ｂ）参照）と面一になる。

この第２吹付け工程では、長穴５５の内縁部と鋼管１３の頭部１３ａの外側面との間にも吹付けコンクリートが入り込んで充填される。これにより、支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとが吹付けコンクリートを介して接続され接続部１２が形成される。その結果、鋼管１３は、支保工連結材１１を介して鋼製支保工９に接続され、鋼製支保工９に作用する鉛直荷重や水平荷重を支持するサイドパイルを構成する。なお、支保工連結材１１と鋼管１３とが吹付けコンクリートを介して接続されることから、吹付け材料には高強度コンクリートや瞬結コンクリート材料を用いることが望ましい。

以上説明したサイドパイルが、トンネル１の一断面において左右１本ずつ（合計２本）又は左右２本ずつ（合計４本）設置される。なお、トンネル１の一断面のサイドパイルの数はこれに限られず、適宜本数を決めて設置すればよい。また、トンネル１を上半、下半に分割して掘削する場合には、トンネルの上半掘削時にサイドパイルを設置するだけでなく、下半掘削時にサイドパイルを設置してもよい。

以上の方法で形成されるトンネルの補強構造３０について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、補強構造３０をトンネル壁面に直交する方向から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるVI-VI断面図である。図６（ａ），（ｂ）ともに、吹付けコンクリート層５６を一部破断して補強構造３０を示している。

図に示されるように、補強構造３０は、トンネル１の軸方向に配列されトンネル内壁面２に沿って設置される鋼製支保工９と、トンネル軸方向に隣接する鋼製支保工９，９同士を連結するように鋼製支保工９，９に取り付けられた支保工連結材１１と、支保工連結材１１に頭部１３ａが接続されると共にトンネル内壁面２から地山に挿入された鋼管１３と、トンネル内壁面２上で鋼製支保工９，９同士の間に形成され、支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとを埋没させる吹付けコンクリート層５６と、を備えている。なお、ここでは、トンネル内壁面２とは、鋼製支保工９の地山側フランジ９ｓ側の内壁面を指している。

各鋼製支保工９の地山側フランジ９ｓの内側の面には支保工連結材１１を取り付けるためのブラケット５７（連結材取付部）が溶接されている。支保工連結材１１は、トンネル内壁面２に沿って延在しボルト孔が形成された平板部５３を有しており、支保工連結材１１の両端は、ブラケット５７に対してボルト止めで取り付けられている。

支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとの接続部１２では、支保工連結材１１に形成されトンネルの径方向に貫通する長穴５５に鋼管１３が挿通されている。そして、長穴５５の内縁部と鋼管１３の頭部１３ａの外側面との間にも吹付けコンクリート層５６のコンクリートが入り込んで充填されている。これにより、支保工連結材１１と鋼管１３の頭部１３ａとが吹付けコンクリートを介して接続された接続部１２が形成されている。鋼管１３と支保工連結材１１との間隙が吹付けコンクリートにより充填されることで鋼管１３と支保工連結材１１とが接続されるので、接続部１２は強固な接続構造となる。その結果、鋼管１３は、支保工連結材１１を介して鋼製支保工９に接続され、鋼製支保工９に作用する鉛直荷重と水平荷重を支持するサイドパイルとして機能する。なお、前述のとおり、支保工連結材１１と鋼管１３とが溶接で接続されてもよく、接続部１２が支保工連結材１１と鋼管１３との溶接部で構成されてもよい。

また、頭部１３ａの内側端部のトンネル径方向での位置は、支保工連結材１１よりも内側であるので、鋼製支保工９の鉛直荷重や水平荷重が作用した際に、頭部１３ａと支保工連結材１１との間に介在する吹付けコンクリートには圧縮力やせん断力が作用することになる。よって、この吹付けコンクリートは圧縮力やせん断力に対する強度を発揮することとなり、支保工連結材１１と鋼管１３とが、吹付けコンクリートを介して強固に接続されている。また、頭部１３ａの内側端部のトンネル径方向での位置は、内空側フランジ９ｔよりも外側であり、鋼管１３の頭部１３ａは完全に吹付けコンクリート層５６に埋め込まれる。

なお、補強構造３０の完成後には、吹付けコンクリート層５６及び鋼製支保工９の内側に防水シート５８が張られ、当該防水シート５８の更に内側に覆工コンクリート５９が打設される。

以上説明した補強方法及び補強構造３０による作用効果について説明する。

この補強方法及び補強構造３０では、鋼管１３の頭部１３ａが支保工連結材１１の平板部５３の近傍に位置し、平板部５３よりも内側に突出した状態とされるので、支保工連結材１１と鋼管１３とが吹付けコンクリートを介して接続される。従って、支保工連結材１１と鋼管１３とを複雑な手法で接続するよりも素早く実行することができ、トンネル切羽３の近傍であっても安全に施工することができる。また更に、鋼製支保工９に予めブラケット５７を取り付けておき、そのブラケット５７に支保工連結材１１をボルト止めする方式であれば、掘削直後のトンネル切羽３の近傍において素早く支保工連結材１１の取付けを行うことができる。

従って、掘削後の早期のうちにトンネル切羽３に近い位置でサイドパイルを構築し高い補強効果を得ることができる。その結果、掘削初期における支保工の沈下や水平変位を効果的に抑制し、地山の変状を抑制することができる。ひいては、他の支保工が負担する荷重も軽減されるので、将来に亘ってトンネルの健全性や品質を確保することができる。

また、鋼管１３の頭部１３ａの端部が完全に吹付けコンクリート層５６に埋め込まれる位置まで鋼管を地山に挿入した場合や、挿入後に鋼管１３を吹付けコンクリート層５６に埋め込まれる位置で切断した場合には、鋼管１３がトンネルの内空断面を侵すことが避けられる。またこの場合、鋼管１３の頭部１３ａが完全に吹付けコンクリート層５６に埋め込まれるので、防水シート５８が鋼管１３の頭部１３ａに干渉して破損するといったことも避けられる。吹付けコンクリート層５６に埋め込まれる位置とは、例えば、鋼製支保工９の内空側フランジ９ｔよりも外側の位置である。

なお、鋼管１３の頭部１３ａの端部が吹付けコンクリート層５６に埋め込まれる位置にあることは必須ではない。前述の第２吹付け工程の完了時に吹付けコンクリート層５６から鋼管１３が突出していても、例えば、防水シート５８を張る前に鋼管１３の頭部処理として、余剰部分の鋼管１３を切断してもよい。

また、鋼管１３の頭部１３ａが支保工連結材１１の長穴５５に挿通される構成は必須ではない。図７（ａ），（ｂ）は、接続部１２の変形例に係る支保工連結材７３，７５と、鋼管１３の頭部１３ａとの位置関係を示す図である。例えば、図７（ａ）に示されるように、下部に切欠部７１が形成された支保工連結材７３を採用してもよい。この場合、支保工連結材７３と鋼管１３の頭部１３ａとの接続部では、切欠部７１に鋼管１３の頭部１３ａの上部が挿通される。切欠部７１と鋼管１３の外側面との間に吹付けコンクリートが充填されることにより、鋼管１３と支保工連結材７３とが接続される。同様に、例えば、図７（ｂ）に示されるように、切欠部７１を省略し矩形の支保工連結材７５を採用し、支保工連結材７５の下縁近傍に鋼管１３の頭部１３ａが位置するようにしてもよい。具体的には、鋼管１３の頭部１３ａの外側面と支保工連結材７３，７５の縁部との距離が５ｍｍ程度（例えば、２〜８ｍｍ）であることが好ましい。

鋼製支保工９の沈下を抑制する目的であれば、支保工連結材の下方向の移動により生じる荷重を鋼管１３が支持できる接続部の構造であればよいので、図７（ａ），（ｂ）の構造を採用してもよい。鋼管１３の支保工連結材７３，７５との接続部は吹付けコンクリートにより充填されるので、強固な接続構造となる。なお、図７（ａ），（ｂ）の構造においても、支保工連結材７３，７５と鋼管１３とが接触してもよく、また、溶接等で接続されてもよい。また、支保工連結材１１を取り付けるためのブラケット５７は、鋼製支保工９の地山側フランジ９ｓではなく、鋼製支保工９のウエブに設けられてもよい。なおここでは、鋼管１３の頭部１３ａが、支保工連結材７３の切欠部７１の縁部や支保工連結材７５の下縁部に対して接触してもよい。

続いて、図８〜図１０を参照しながら、本発明者らが行った試験について説明する。トンネル径Ｄが１２ｍのトンネル１において、鋼管１３を打設した後（鋼管挿入工程の後）、鋼管１３の中にひずみゲージを取り付けた計測用鋼管を挿入した。ここでは、１本の鋼管１３に対して１６個のひずみゲージを設置した。具体的には、計測用鋼管の上下面に１つずつ、８ｍの深さまで１ｍピッチで設置し鋼管１３内に計測用鋼管を挿入した。その後、計測用鋼管は前述の注入材によって鋼管１３内に埋め込まれる。各ひずみゲージが取得したデータに基づいて、鋼管１３に作用する軸力と曲げモーメントとを算出した。

トンネル切羽３（上半切羽）が鋼管１３設置位置から３ｍ（０．２５Ｄ、Ｄ＝トンネル径），６ｍ（０．５Ｄ），１２ｍ（１．０Ｄ）、２４ｍ（２．０Ｄ）まで掘削された各状態において、鋼管１３に作用する各位置での軸力を図８（ａ）にグラフとして示し、同じ状態において、鋼管１３に作用する各位置での曲げモーメントを図８（ｂ）に示す。図８（ａ）において、横軸は鋼管１３の各位置の頭部１３ａからの距離であり、縦軸は各位置に作用する軸力を引張軸力をプラスとして示している。図８（ｂ）において、横軸は鋼管１３の各位置の頭部１３ａからの距離であり、縦軸は各位置に作用する曲げモーメントを、鋼管１３を上側に凸の形状に曲げる方向のモーメントをプラスとして示している。

図８（ａ）に示されるように、鋼管１３に作用する軸力は、切羽３が鋼管１３設置位置から３ｍ進んだ段階で、深度３〜４ｍの位置付近に大きな引張軸力（プラスの軸力）が生じていることが分かる。このような深度３〜４ｍの引張軸力が鋼管１３に作用することにより、鋼管１３が、トンネル掘削による周辺への影響（掘削の緩み）を顕著に抑制することが判った。

また、図８（ｂ）に示されるように、鋼管１３に作用する各位置での曲げモーメントは、基本的には鋼管１３を上側に凸の形状に曲げる方向（プラスのモーメント）に作用していることが判る。従って、鋼管１３の頭部１３ａが鋼製支保工９と確実に連結されており、トンネルが沈下する方向の荷重を鋼管１３が受け持っていることが判った。

続いて、トンネル１の周囲（天端、左右の３箇所）でトンネル径方向に長さ１２ｍの計測孔をあけ、長さ方向に２ｍピッチの位置で変位を計測することができる岩盤変位計を上記の計測孔に設置した。各変位計が取得してデータに基づいて、トンネル１の周囲の地山４の各位置の変位（緩み）を算出した。

トンネル切羽３（上半切羽）が鋼管１３設置位置から３ｍ（０．２５Ｄ），６ｍ（０．５Ｄ），１２ｍ（１．０Ｄ）、２４ｍ（２．０Ｄ）まで掘削された各状態において、計測孔内の各位置での変位を図９（ａ），（ｂ）に示す。なお、図９（ａ）は、鋼管１３を設置しなかった場合の試験結果を示し、図９（ｂ）は、鋼管１３を設置した場合の試験結果を示す。ここでは、変位が所定値（例えば５ｍｍ）以上である領域を「緩み領域」とする。図９（ａ）に示されるように、鋼管１３を設置しなかった場合には、地山４の緩み領域はトンネル１の内壁面から８〜１０ｍまで広がっていると考えられる。これに対し、図９（ｂ）に示されるように、鋼管１３を設置した場合には、地山４の緩み領域はトンネル１の内壁面から６〜７ｍまでに抑えられていると考えられる。従って、鋼管１３の存在により、地山４の緩みが抑えられることが判った。

続いて、鋼製支保工９の天端部やアーチ部、側壁部、インバート部の各位置に応力計（ひずみ計）を設置し、各応力計から取得されたデータに基づいて鋼製支保工９が負担する軸力を算出した。トンネル切羽３（上半切羽）が鋼管１３設置位置から３ｍ（０．２５Ｄ），６ｍ（０．５Ｄ），１２ｍ（１．０Ｄ）、２４ｍ（２．０Ｄ）まで掘削された各状態において、鋼製支保工９が負担する軸力を図１０（ａ），（ｂ）に示す。なお、図１０（ａ）は、鋼管１３を設置しなかった場合の試験結果を示し、図１０（ｂ）は、鋼管１３を設置した場合の試験結果を示す。図１０（ａ）に示されるように、鋼管１３を設置しなかった場合に鋼製支保工９が負担する軸力は、最大２２００ｋＮであるのに対し、図１０（ｂ）に示されるように、鋼管１３を設置した場合に鋼製支保工９が負担する軸力は、最大１２００ｋＮであった。よって、鋼管１３の存在により、鋼製支保工９が負担する軸力も抑えられることが判った。

続いて、トンネル１の一断面に鋼管１３（サイドパイル）を４本設置した場合、２本設置した場合、設置しなかった場合のそれぞれについて、トンネル１の天端沈下と上半盤の内空変位を計測した。計測は、三次元測定システムによって実行した。三次元測定システムは、測定器を測点の視準しやすい任意の位置に据え付け、座標が既知の基準点と光波反射ターゲットを設置した測点を視準することにより、測点の座標を求めるものである。測定位置は、上半盤の天端部と左右の側壁部および下半盤の左右の側壁部の５点とした。天端沈下は、トンネル中心線上の上半天端部の鉛直方向の変位であり、内空変位は上半盤側壁部および下半盤側壁部の測点の水平方向の変位で表示される。天端沈下は測点の絶対的な変位量で表示されるのに対して、内空変位は２点間の相対的な変位量として表示される。

図１１（ａ）は天端沈下の測定結果であり、横軸は鋼管１３設置位置から切羽３（上半切羽）が進行した長さを示し、縦軸は沈下を示す。同様に、図１１（ｂ）は内空変位の測定結果であり、横軸は鋼管１３設置位置から切羽３（上半切羽）が進行した長さを示し、縦軸は変位を示す。図１１に示されるように、一断面に設置される鋼管１３の数が多いほど天端沈下と内空変位とが抑制されることが判った。

以上より、鋼管１３がサイドパイルとして機能を発揮していることが確認された。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１…トンネル、２…内壁面、９…鋼製支保工、９ａ…既設支保工（第１の鋼製支保工）、９ｂ…新設支保工（第２の鋼製支保工）、９ｓ…地山側フランジ、１１，７３，７５…支保工連結材、１３…鋼管、１３ａ…頭部、３０…補強構造、５１…ボルト孔、５３…平板部、５５…長穴（貫通穴）、５６…吹付けコンクリート層、５７…ブラケット（連結材取付部）、７１…切欠部。

Claims (8)

1. 掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強構造であって、
   前記トンネルの軸方向に配列されトンネル内壁面に沿って設置される鋼製支保工と、
   前記軸方向に隣接する前記鋼製支保工同士を連結するように前記鋼製支保工に取り付けられた支保工連結材と、
   前記トンネル内壁面から地山に挿入されると共に前記支保工連結材に接続された鋼管と、
   前記支保工連結材と前記鋼管との接続部を埋没させる吹き付けコンクリート層と、
   を備え、
   前記接続部では、
   前記支保工連結材に形成され前記トンネルの径方向に貫通する貫通穴に前記鋼管が挿通されており、
   前記貫通穴の内縁部と前記鋼管の外側面との間に入り込んだ、前記吹き付けコンクリート層の吹き付けコンクリートを介して前記支保工連結材と前記鋼管とが接続されている、
   トンネルの補強構造。
2. 前記吹き付けコンクリート層は、
   前記トンネル内壁面上で前記鋼製支保工同士の間に形成されており、前記支保工連結材と前記接続部とを埋没させる、請求項１に記載のトンネルの補強構造。
3. 掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強構造であって、
   前記トンネルの軸方向に配列されトンネル内壁面に沿って設置される鋼製支保工と、
   前記軸方向に隣接する前記鋼製支保工同士を連結するように前記鋼製支保工に取り付けられた支保工連結材と、
   前記トンネル内壁面から地山に挿入されると共に前記支保工連結材に接続された鋼管と、を備え、
   前記支保工連結材と前記鋼管との接続部では、
   前記支保工連結材の下部に形成された切欠部に前記鋼管の上部が挿通されている、トンネルの補強構造。
4. 掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強構造であって、
   前記トンネルの軸方向に配列されトンネル内壁面に沿って設置される鋼製支保工と、
   前記軸方向に隣接する前記鋼製支保工同士を連結するように前記鋼製支保工に取り付けられた支保工連結材と、
   前記トンネル内壁面から地山に挿入されると共に前記支保工連結材に接続された鋼管と、を備え、
   前記鋼製支保工の地山側のフランジには前記支保工連結材を取り付けるための連結材取付部が形成され、
   前記支保工連結材は、前記トンネル内壁面に沿って延在しボルト孔が形成された平板部を有し、
   前記支保工連結材は、前記連結材取付部に対してボルト止めで取り付けられている、トンネルの補強構造。
5. 前記接続部では、前記支保工連結材と前記鋼管の頭部とが接続されており、前記頭部が前記吹き付けコンクリート層に埋没されている、請求項１又は２に記載のトンネルの補強構造。
6. 掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強方法であって、
   既設の第１の鋼製支保工のトンネル切羽側に第２の鋼製支保工を設置する支保工設置工程と、
   前記第１及び第２の鋼製支保工を連結するように前記第１及び第２の鋼製支保工に支保工連結材を取り付ける連結材取付工程と、
   前記トンネルのトンネル内壁面から鋼管を地山に挿入し、前記鋼管の一部が前記支保工連結材の近傍に位置する状態とする鋼管挿入工程と、
   前記トンネル内壁面上で前記第１及び第２の鋼製支保工の間に吹付けにより形成され、前記支保工連結材と前記鋼管の前記一部とを埋没させる吹付けコンクリート層を形成する吹付け工程と、を備え、
   前記吹付け工程では、
   前記支保工連結材に形成され前記トンネルの径方向に貫通する貫通穴に前記鋼管が挿通された状態で、前記貫通穴の内縁部と前記鋼管の外側面との間に入り込んだ吹き付けコンクリートを介して前記支保工連結材と前記鋼管とが接続される、
   トンネルの補強方法。
7. 掘削後のトンネルを補強するトンネルの補強方法であって、
   既設の第１の鋼製支保工のトンネル切羽側に第２の鋼製支保工を設置する支保工設置工程と、
   前記第１及び第２の鋼製支保工を連結するように前記第１及び第２の鋼製支保工に支保工連結材を取り付ける連結材取付工程と、
   前記トンネルのトンネル内壁面から鋼管を地山に挿入し、前記鋼管の一部が前記支保工連結材の近傍に位置する状態とする鋼管挿入工程と、
   前記トンネル内壁面上で前記第１及び第２の鋼製支保工の間に吹付けにより形成され、前記支保工連結材と前記鋼管の前記一部とを埋没させる吹付けコンクリート層を形成する吹付け工程と、を備え、
   前記吹付け工程は、
   前記鋼管挿入工程の前に、前記鋼管を設置する鋼管設置予定位置を避けながら前記トンネル内壁面上で前記鋼製支保工同士の間にコンクリートを吹付ける第１吹付け工程と、
   前記鋼管挿入工程の後に、前記鋼管設置予定位置にコンクリートを吹付けて前記支保工連結材と前記鋼管の前記一部とを埋没させる第２吹付け工程と、を有する、トンネルの補強方法。
8. 前記鋼管の前記一部は前記鋼管の頭部である、請求項６又は７に記載のトンネルの補強方法。

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