JP6534209B2 - 鋼管膨張パック、鋼管膨張体及びトンネルの構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばトンネル掘削面とアーチ状の支保工との間に形成される隙間を埋める際に用いられる鋼管膨張パック、鋼管膨張体、及びトンネルの構築方法に関する。

一般的な山岳トンネルを構築する際、Ｈ形鋼をトンネル断面形状に対応したアーチ状に加工した鋼製支保工を掘削断面内に建込んで地山を支えた状態にしておき、吹付コンクリートを施して一次支保を行い、その後、ロックボルトや防水シートを施工してから、二次覆工コンクリートを打設することが行われている。この際、地山のトンネル掘削面と鋼製支保工との間には必ず隙間が生ずることから、その隙間を埋めて、地山の緩みを可及的に無くそうとすることが試みられている。

例えば特許文献１の手法では、トンネル掘削面と支保工との間に繊維性袋体を設け、繊維性袋体内にモルタル、コンクリート、ウレタン等の時間経過に伴って硬化する硬化性注入材を注入して膨張させ、硬化性注入材が硬化して膨張した状態の袋体でトンネル掘削面と支保工との間の隙間を埋めるようにしている。また、トンネル掘削面ではないが、特許文献２には、トンネル地盤と支保工の脚部との間に袋体を介在させ、袋体内にモルタル、コンクリート、ウレタン等の時間経過に伴って硬化する硬化性注入材を注入して膨張させ、硬化性注入材が硬化して膨張した状態の袋体で脚部を支え、支保工の沈下を防止する手法が開示されている。

特開２００１−２９５５９８号公報 特許第２９１５２５７号公報

しかしながら、特許文献１、２のように袋体にモルタル等の硬化性注入材を注入する方法では、注入材を練って好ましい流動状態にして注入する手間を要し、硬化性注入材が硬化するまでに時間がかかることから、多くの作業労力を要すると共に、作業効率に劣り、長い作業時間が必要になるという問題がある。また、切羽近傍に硬化性注入材や、その混練・打設機械を置く必要があり、その設置作業にも労力を要すると共に、作業スペースが狭小化する不具合も生ずる。また、硬化性注入材が硬化するまでに時間がかかることから、即座に安定した支保工の状態を得ることが難しいという問題もある。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであって、即座に安定した支保工の状態を得ることを可能にすると共に、トンネル構築作業における作業労力の省力化、作業効率の向上、広い作業スペースの確保を図ることができる鋼管膨張パック、鋼管膨張体及びトンネルの構築方法を提供することを目的とする。

本発明の鋼管膨張パックは、支保工とトンネル内周面との間に設けられる鋼管膨張パックであって、扁平状の鋼管本体と、前記鋼管本体の両端の開口を閉塞するように前記両端に外嵌されて固定される端部補強キャップと、一方の端部近傍に設けられる、常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体の注入孔とを備え、前記鋼管本体が前記非硬化性流体の加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能になっていることを特徴とする。
これによれば、非硬化性流体で鋼管膨張パックを膨張させることで、即座に鋼管膨張パックを膨張状態で安定化することが可能となり、例えば硬化性注入材の硬化時間の間に地山の緩みが生じて支保工に局所的な応力が生ずること等が無くなる。即ち、即座に安定した支保工の状態を得ることが可能となる。また、鋼管膨張パックでは硬化性注入材を用いないことから、硬化性注入材の混練、切羽近傍への硬化性注入材や混練・打設機械の設置、硬化時間待ちの必要が無くなり、トンネル構築作業における作業労力の省力化、作業効率の向上、広い作業スペースの確保を図ることができる。

本発明の鋼管膨張体は、本発明の鋼管膨張パックの複数が、管の延びる方向に線状に並べて設けられ、少なくとも、前記非硬化性流体の注入側の基端の前記鋼管膨張パックと、前記基端と先端の間に位置する前記鋼管膨張パックとに、前記非硬化性流体の流出孔が他方の端部近傍に設けられ、隣りに位置する前記流出孔と前記注入孔が接続管を介して接続され、前記基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入される非硬化性流体を前記先端に位置する前記鋼管膨張パックまで流通可能になっていることを特徴とする。
これによれば、例えば多様なトンネル周長に合わせ、同一規格・サイズの鋼管膨張パックを所要個数連結して鋼管膨張体を構成し、トンネル掘削面と支保工との間の隙間を埋めることができる等、汎用性を高めることができる。

本発明の鋼管膨張体は、前記複数の鋼管膨張パックのそれぞれが両端に同一形状のねじ部を有し、そのねじ部の一方が前記注入孔に、他方が前記流出孔に設けられていて、前記接続管が該ねじ部に対して着脱自在な管であることを特徴とする。
これによれば、同一形状の鋼管膨張パックを多数用意し、その両端にねじ継手を介して接続管を取り付けて鋼管膨張体の形に組み立てることが現場で容易にできる。この組み立て時に、注入孔と流出孔のねじ部が同一であるため、鋼管膨張パックの向きを気にする必要がない。また、鋼管膨張パックを個々独立して収納、運搬することが可能となり、収納、運搬の便宜性向上、コスト低減の効果を一層高めることができる。

本発明のトンネルの構築方法は、トンネル掘削面に近接してアーチ状に支保工を建て込むと共に、本発明の鋼管膨張体を前記支保工の背面側に設置する第１工程と、前記鋼管膨張体の基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記トンネル掘削面と前記支保工との隙間を埋めていくように前記鋼管膨張パックの各々を厚さ方向に膨張させる第２工程と、少なくとも、前記基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入した前記非硬化性流体を排水する第３工程とを備えることを特徴とする。
これによれば、水等の非硬化性流体を加圧注入することで鋼管膨張パックがすぐに塑性変形して膨張し、安定した膨張状態の鋼管膨張パックで支保工背面とトンネル掘削面との隙間を埋めることができ、掘削後の地山の緩みを素早く抑えることができる。従って、モルタル等の硬化性注入材を練って注入してこれが硬化するのを待つ手間、時間が不要であり、又、この混連や硬化に要する時間内に生ずる地山の緩みを防止できる。そして、地山が緩まない結果として、地山の内部応力の維持、漏水発生の防止、支保工の局所的な応力の発生防止の効果を得ることができる。また、硬化性注入材を袋内で硬化させる構成では、地山が局所的に押し出してきて充填材が負けたときに硬化した注入材が壊れて意味のないものとなるが、本発明の構築方法では、鋼管膨張パックがクッションのように機能して、部分的にへたれる箇所があっても地山の押し出しによる応力を分散することができ、トンネル空間周囲の地山の応力再配分に寄与する。更に、本発明の鋼管膨張体と同様の効果も奏する。

本発明のトンネルの構築方法は、先端の前記鋼管膨張パックの他方の端部近傍に前記非硬化性流体の流出孔が設けられている前記鋼管膨張体を用い、前記第２工程において、前記鋼管膨張体の前記先端の鋼管膨張パックの流出孔に管端バルブを取り付け、前記管端バルブを開状態にして前記非硬化性流体を加圧注入し、前記管端バルブからの前記非硬化性流体の流出の確認後に前記管端バルブを閉状態にして前記鋼管膨張パックの各々を厚さ方向に膨張させることを特徴とする。
これによれば、鋼管膨張体の全体への非硬化性流体の流通、行き渡りを確認し、鋼管膨張体を構成する全ての鋼管膨張パックを確実に膨張させ、支保工とトンネル掘削面との間に局所的に大きな隙間が残ることを確実に防止することができる。

本発明のトンネルの構築方法は、トンネル掘削面に近接してアーチ状に支保工を建て込むと共に、長尺弧状の本発明の鋼管膨張パックを前記支保工の背面側に設置する第１工程と、前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記トンネル掘削面と前記支保工との隙間を埋めていくように前記鋼管膨張パックを厚さ方向に膨張させる第２工程と、少なくとも、前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入した前記非硬化性流体を排水する第３工程とを備えることを特徴とする。
これによれば、水等の非硬化性流体を加圧注入することで鋼管膨張パックがすぐに塑性変形して膨張し、安定した膨張状態の鋼管膨張パックで支保工背面とトンネル掘削面との隙間を埋めることができ、掘削後の地山の緩みを素早く抑えることができる。従って、モルタル等の硬化性注入材を練って注入してこれが硬化するのを待つ手間、時間が不要であり、又、この混連や硬化に要する時間内に生ずる地山の緩みを防止できる。そして、地山が緩まない結果として、地山の内部応力の維持、漏水発生の防止、支保工の局所的な応力の発生防止の効果を得ることができる。また、硬化性注入材を袋内で硬化させる構成では、地山が局所的に押し出してきて充填材が負けたときに硬化した注入材が壊れて意味のないものとなるが、本発明の構築方法では、鋼管膨張パックがクッションのように機能して、部分的にへたれる箇所があっても地山の押し出しによる応力を分散することができ、トンネル空間周囲の地山の応力再配分に寄与する。
また、接続されていない長尺の鋼管膨張パックを用いることにより、支保工とトンネル掘削面との隙間を埋める部材にかかる製造コストを低減することができる。更に、本発明の鋼管膨張パックと同様の効果も奏する。

本発明のトンネルの構築方法は、トンネル掘削面に近接してアーチ状に建て込む支保工の脚部と地盤との間に、本発明の鋼管膨張パックを設置する第１工程と、前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記支保工を持ち上げるように前記鋼管膨張パックを厚さ方向に膨張させる第２工程とを備えることを特徴とする。
これによれば、鋼管膨張パックを塑性変形させて膨張させることで、即座に支保工をトンネル掘削面に近づけて所望の位置に定置させることができる。更に、本発明の鋼管膨張パックと同様の効果も奏する。

本発明によれば、即座に安定した支保工の状態を得ることができると共に、トンネル構築作業における作業労力の省力化、作業効率の向上、広い作業スペースの確保を図ることができる。

（ａ）は本発明による第１実施形態の鋼管膨張パックによる鋼管膨張体の正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその底面図、（ｄ）は同図（ａ）のＡ部拡大図、（ｅ）は基端に位置する鋼管膨張パックの一部を示す拡大正面図、（ｆ）は先端に位置する鋼管膨張パックの一部を示す拡大正面図。 （ａ）は図１の鋼管膨張体の鋼管膨張パックの膨張後の状態を示す正面図、（ｂ）はその平面図。 （ａ）〜（ｄ）は図１の鋼管膨張体の鋼管膨張パックの製造工程を説明する斜視説明図。 本発明による第１実施形態のトンネルの構築方法で構築中のトンネルを示す縦断説明図。 第１実施形態のトンネルの構築方法による鋼管膨張パックの膨張前のトンネルの状態を示す横断説明図。 第１実施形態のトンネルの構築方法による鋼管膨張パックの膨張後のトンネルの状態を示す横断説明図。 （ａ）は本発明による第１実施形態の第１変形例の鋼管膨張パックによる鋼管膨張体の正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ部拡大図、（ｄ）は同図（ｂ）のＣ−Ｃ矢視図。 （ａ）は図７の鋼管膨張体の鋼管膨張パックの膨張後の状態を示す正面図、（ｂ）はその平面図。 （ａ）は本発明による第１実施形態の第２変形例の鋼管膨張パックの正面図、（ｂ）は同図（ａ）の鋼管膨張パックによる鋼管膨張体の正面図。 （ａ）は図９の鋼管膨張パックへの接続管の接続を説明する部分断面説明図、（ｂ）は図９の鋼管膨張パックに接続管が接続された状態を示す部分断面図。 （ａ）は本発明による第２実施形態の鋼管膨張パックの正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は鋼管膨張パックの一部を示す拡大正面図。 （ａ）は図１１の鋼管膨張パックの膨張後の状態を示す正面図、（ｂ）はその平面図。 第２実施形態のトンネルの構築方法による鋼管膨張パックの膨張前のトンネルの状態を示す横断説明図。 第２実施形態のトンネルの構築方法による鋼管膨張パックの膨張後のトンネルの状態を示す横断説明図。 （ａ）、（ｂ）は本発明の鋼管膨張パックをキャンバーとして使用する例を説明する横断説明図。

〔第１実施形態の鋼管膨張パック、鋼管膨張体及びトンネルの構築方法〕
本発明による第１実施形態の鋼管膨張パック１１は、支保工５１とトンネル内周面との間に設けられるものであり、図１及び図２に示すように、複数の鋼管膨張パック１１を非硬化性流体Ｆを流通可能に接続して構成される鋼管膨張体１０の一部をなしている。

鋼管膨張パック１１は、非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能な扁平状の鋼管本体１２と、鋼管本体１２の両端の開口を閉塞するように両端に外嵌されて溶接等で固定される端部補強キャップ１３・１３と、鋼管膨張パック１１の長手方向の一方の端部近傍に設けられ、扁平状の鋼管本体１２の片面に形成されている注入孔１５と、他方の端部近傍に設けられ、扁平状の鋼管本体１２の片面に形成されている流出孔１６を備える。鋼管本体１２の内部には扁平状の中空部１４が設けられ、注入孔１５と流出孔１６が中空部１４に連通するように形成されている。注入孔１５は例えば水等の常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体Ｆの注入孔１５、流出孔１６はこの非硬化性流体Ｆの流出孔１６である。

流出孔１６が開放されている場合には、注入孔１５から加圧注入された非硬化性流体Ｆが中空部１４を通って流出孔１６から流出するようになっており、又、流出孔１６が閉塞されているか、流出孔１６の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかっている場合には、鋼管本体１２が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張するようになっている。

第１実施形態における鋼管膨張体１０は、複数の鋼管膨張パック１１を管の延びる方向に線状に並べて設けられており、隣りに位置する一の鋼管膨張パック１１の流出孔１６と他の鋼管膨張パック１１の注入孔１５とが接続管１７を介して接続されている。接続管１７は屈曲可能な管とすると好適であり、例えば波形金属管を用いたフレキシブル管や耐圧ホースを、流出孔１６の周縁近傍と注入孔１５の周縁近傍とにフレキシブル管の両端部を溶接等で固定したり管継手を介して耐圧ホースを接続する構成とすると良好である。

第１実施形態の鋼管膨張体１０では、非硬化性流体Ｆの注入側の基端の鋼管膨張パック１１から先端の鋼管膨張パック１１まで全ての鋼管膨張パック１１に、一方の端部近傍に注入孔１５、他方の端部近傍に流出孔１６が設けられ、基端に位置する鋼管膨張パック１１の注入孔１５から注入される非硬化性流体Ｆが先端に位置する鋼管膨張パック１１まで流通可能になっており、水等の非硬化性流体Ｆの加圧注入時に、先端の鋼管膨張パック１１の流出孔１６が閉塞されるか、流出孔１６の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかる場合には、基端の鋼管膨張パック１１から先端の鋼管膨張パック１１まで全ての鋼管膨張パック１１が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張するようになっている。

尚、鋼管膨張体１０における非硬化性流体Ｆの流出孔１６は、少なくとも、基端の鋼管膨張パック１１の他方の端部近傍と、基端と先端の間に位置する各々の鋼管膨張パック１１の他方の端部近傍とに設ければよい。例えば先端の鋼管膨張パック１１の他方の端部近傍には流出孔１６を設けない構成とすることも可能であり、この場合にも、基端に位置する鋼管膨張パック１１の注入孔１５から加圧注入される非硬化性流体Ｆが先端に位置する鋼管膨張パック１１まで流通し、基端の鋼管膨張パック１１から先端の鋼管膨張パック１１まで全ての鋼管膨張パック１１が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張する。但し、製造コスト低減の観点からは、鋼管膨張体１０を構成する全ての鋼管膨張パック１１は流出孔１６を有する同一構成のものとすることが好ましく、これは後述する第１変形例、第２変形例についても同様である。

この鋼管膨張パック１１及び鋼管膨張体１０を製造する際には、例えば図３に示すように、円筒状の鋼管本体１２ｐをプレス加工等で押し潰して扁平状の鋼管本体１２を成形した後、鋼管本体１２の両端の開口を閉塞するようにして、凹形の端部補強キャップ１３・１３を鋼管本体１２の両端に外嵌し、端部補強キャップ１３の周縁と鋼管本体１２の外周面を溶接する等により端部補強キャップ１３を鋼管本体１２に固定して鋼管本体１２の両端の開口を封止する。

その後、鋼管本体１２の片面の一方の端部近傍に注入孔１５を形成すると共に、同じ側の面である鋼管本体１２の片面において他方の端部近傍に流出孔１６を形成し、鋼管膨張パック１１を得る。この鋼管膨張パック１１を複数個形成した後、例えばフレキシブル管や耐圧ホースで構成される接続管１７の一端を一の鋼管膨張パック１１の流出孔１６に接続して封止するように固定すると共に、接続管１７の他端を一の鋼管膨張パック１１の隣りに位置する他の鋼管膨張パック１１の注入孔１５に接続して液密に封止するように固定する。そして、線状に並べた複数の鋼管膨張パック１１について、隣りに位置する鋼管膨張パック１１・１１の全てについて接続管１７による固定、接続を行うことにより、鋼管膨張体１０を得る。

次に、鋼管膨張パック１１で構成される鋼管膨張体１０を用いて行うトンネルの構築方法について説明する。図４〜図６において、１０１は地山、１０２は切羽、１０３はトンネル内部空間、１０４はトンネル掘削面であり、又、５１はトンネル掘削面１０４に近接してアーチ状に建て込まれた支保工、５２は支保工５１の沈下を防止するように支持するキャンバー、５３は吹付コンクリート、５４は二次覆工ラインである。

鋼管膨張体１０を用いてトンネルを構築する際には、図４及び図５に示すように、例えば切羽１０２に近い位置でトンネル掘削面１０４に近接してアーチ状に支保工５１を建て込むと共に、鋼管膨張体１０をこのアーチ状に建て込んだ支保工５１の背面側に設置する。図示例では、鋼管膨張体１０の略中央をトンネルの天端付近に配置し、基端の鋼管膨張パック１１が左端、先端の鋼管膨張パック１１が右端になるようにして、鋼管膨張体１０を左右対称の弧状になるように配置している。更に、鋼管膨張体１０における基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５に、加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付けると共に、先端に位置する鋼管膨張パック１１の流出孔１６にホースを介して管端バルブ６３を取り付けている。

その後、管端バルブ６３を開状態にして加圧注入装置６２を駆動し、基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５から水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入する。非硬化性流体Ｆを加圧注入された鋼管膨張体１０では、接続管１７を介して各鋼管膨張パック１１に非硬化性流体Ｆが流通し、開状態の管端バルブ６３からの非硬化性流体Ｆの流出により、鋼管膨張体１０を構成する全ての鋼管膨張パック１１に非硬化性流体Ｆが流通したことを確認する。開状態の管端バルブ６３からの非硬化性流体Ｆの流出後に管端バルブ６３を閉状態にして非硬化性流体Ｆを加圧注入すると、管端バルブ６３の閉鎖で先端の鋼管膨張パック１１の流出孔１６に外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかり、接続された各鋼管膨張パック１１の全体が閉じられた状態となって、トンネル掘削面１０４と支保工５１との隙間を埋めていくように各鋼管膨張パック１１が厚さ方向に膨張する（図２参照）。これにより、支保工５１背面と地山１０１が応力的に接続される。

その後、基端に位置する鋼管膨張パック１１の注入孔１５から加圧注入用ホース６１を取り外して開放させ、基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５から非硬化性流体Ｆを排水すると共に、先端に位置する鋼管膨張パック１１の流出孔１６にホースを介して接続されている管端バルブ６３を開放させ、先端の鋼管膨張パック１１の流出孔１６から管端バルブ６３を介して非硬化性流体Ｆを排水する。この際、天端より左側に位置する各鋼管膨張パック１１では、流出孔１６から注入孔１５に逆流するように注入された非硬化性流体Ｆが流れ、天端より右側に位置する各鋼管膨張パック１１では、注入孔１５から流出孔１６に向かって注入された非硬化性流体Ｆが流れ、それぞれ排水されていく。

尚、例えば先端の鋼管膨張パック１１の流出孔１６が形成されていない鋼管膨張体１０を２個用いて、それぞれ基端の鋼管膨張パック１１を下側、先端の鋼管膨張パック１１を天端付近に配置するようにして支保工５１の背面側に設置し、それぞれの鋼管膨張体１０について、基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５に加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付け、基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５から水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入し、各鋼管膨張パック１１の膨張後に注入孔１５から加圧注入用ホース６１を取り外して開放させ、基端の鋼管膨張パック１１の注入孔１５だけから非硬化性流体Ｆを排水する構成等とすることも可能である。

〔第１実施形態の第１変形例の鋼管膨張パック及び鋼管膨張体〕
ここで、第１実施形態の第１変形例の鋼管膨張パック２１及び鋼管膨張体２０について説明する。図７及び図８に示すように、第１変形例の鋼管膨張パック２１も、複数の鋼管膨張パック２１を非硬化性流体Ｆを流通可能に接続して構成される鋼管膨張体２０の一部をなしている。

鋼管膨張パック２１は、非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能な扁平状の鋼管本体２２と、鋼管本体２２の両端の開口を閉塞するように両端に外嵌されて溶接等で固定される端部補強キャップ２３・２３を備える。端部補強キャップ２３は、鋼管本体２２の両端の開口を閉塞するように配置される側板２３１と、鋼管本体２２の両端の周囲を被覆するカラー２３２とから構成されている。側板２３１、カラー２３２の固定は、例えば側板２３１を鋼管本体２２の開口端縁と溶接し、カラー２３２を側板２３１や鋼管本体２２の外周面に溶接して固定すると好適である。

鋼管膨張パック２１には、一方の端部の側板２３１に形成されて長手方向の一方の端部近傍に注入孔２５が設けられ、他方の端部の側板２３１に形成されて他方の端部近傍に流出孔２６が設けられている。注入孔２５と流出孔１６は側板２３１の略対応する位置に形成されている。鋼管本体２２の内部には扁平状の中空部２４が設けられ、注入孔２５と流出孔２６が中空部２４に連通するように形成されている。注入孔２５は例えば水等の常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体Ｆの注入孔２５、流出孔２６はこの非硬化性流体の流出孔２６である。

第１変形例においても、流出孔２６が開放されている場合には、注入孔２５から加圧注入された非硬化性流体Ｆが中空部１４を通って流出孔１６から流出し、又、流出孔２６が閉塞されているか、流出孔２６の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかっている場合には、鋼管本体２２が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張する。

第１変形例の鋼管膨張体２０は、複数の鋼管膨張パック２１を管の延びる方向に線状に並べて設けられており、隣りに位置する一の鋼管膨張パック２１の流出孔２６と他の鋼管膨張パック２１の注入孔２５とが接続管２７を介して接続されている。接続管２７も屈曲可能なフレキシブル管とすると好適であり、例えばフレキシブル管や耐圧ホースを用い、流出孔２６の周縁近傍と注入孔２５の周縁近傍とに波形金属管の両端部を溶接等で固定したり管継手を用いて耐圧ホースを接続する構成とすると良好である。

第１変形例の鋼管膨張体２０も、非硬化性流体Ｆの注入側の基端の鋼管膨張パック２１から先端の鋼管膨張パック２１まで全ての鋼管膨張パック２１に、一方の端部近傍に注入孔２５、他方の端部近傍に流出孔２６が設けられ、基端に位置する鋼管膨張パック２１の注入孔２５から注入される非硬化性流体Ｆが先端に位置する鋼管膨張パック２１まで流通可能になっている。

そして、水等の非硬化性流体Ｆの加圧注入時に、先端の鋼管膨張パック２１の流出孔２６が閉塞されるか、流出孔２６の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかる場合には、基端の鋼管膨張パック２１から先端の鋼管膨張パック２１まで全ての鋼管膨張パック２１が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張する。尚、第１変形例の鋼管膨張体２０に対しても、上記鋼管膨張体１０と同様に先端の鋼管膨張パック２１に流出孔２６を設けない変形をすることも可能であり、又、第１変形例の鋼管膨張パック２１、鋼管膨張体２０も、上記鋼管膨張パック１１、鋼管膨張体１０を用いるトンネル構築方法と同様の施工手順を有するトンネル構築方法に適用することが可能である。

〔第１実施形態の第２変形例の鋼管膨張パック及び鋼管膨張体〕
次に、第１実施形態の第２変形例の鋼管膨張パック３１及び鋼管膨張体３０について説明する。図９及び図１０に示すように、第２変形例の鋼管膨張パック３１も、複数の鋼管膨張パック３１を非硬化性流体Ｆを流通可能に接続して構成される鋼管膨張体３０の一部をなすものであるが、後述する接続管３６が着脱自在であり、例えば工場では鋼管膨張パック３１を接続されていない個々の状態で出荷し、施工現場にて鋼管膨張パック３１を接続管３６を介して相互に接続することが可能になっている。

鋼管膨張パック３１は、非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能な扁平状の鋼管本体３２と、鋼管本体３２の両端の開口を閉塞するように両端に外嵌されて溶接等で固定される端部補強キャップ３３・３３を備える。端部補強キャップ３３は、鋼管本体３２の両端の開口を閉塞するように配置される側板３３１と、鋼管本体３２の両端の周囲を被覆するカラー３３２とから構成され、側板３３１には雌ねじ孔３３３が鋼管本体３２内の扁平状の中空部３４と貫通するように形成されている。換言すると、鋼管膨張パック３１は、両端に同一形状のねじ部である雌ねじ孔３３３、３３３をそれぞれ有し、その一方の雌ねじ孔３３３が注入孔として機能し、他方の雌ねじ孔３３３が流出孔として機能する。側板３３１、カラー３３２の鋼管本体３２への固定は第１変形例と同様に行うと好適である。

更に、鋼管膨張パック３１の両端には、異径管継手である管継手３５が設けられている。管継手３５は、内部を貫通する貫通孔３５１と、少なくとも側板３３１への取付側である内端寄りの外周面に形成されている雄ねじ部３５２を有し、雄ねじ部３５２を雌ねじ孔３３３に螺合することで、管継手３５が側板３３１に固定されている。側板３３１に固定された管継手３５は中空部３４と連通し、一方の端部に設けられた管継手３５の貫通孔３５１が例えば水等の常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体Ｆの注入孔、他方の端部に設けられた管継手３５の貫通孔３５１がこの非硬化性流体の流出孔となる。

第２変形例においても、流出孔に相当する貫通孔３５１が開放されている場合には、注入孔に相当する貫通孔３５１から加圧注入された非硬化性流体Ｆが中空部３４を通って流出孔側から流出し、又、流出孔に相当する貫通孔３５１の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかっている場合には、鋼管本体３２が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張する。

そして、第２変形例の鋼管膨張体２０は、複数の鋼管膨張パック３１を管の延びる方向に線状に並べて設けられており、一の鋼管膨張パック３１の管継手３５の外端寄りの外周面に接続管３６の一端を外嵌し、その隣りに位置する他の鋼管膨張パック２１の管継手３５の外端寄りの外周面に接続管３６の他端を外嵌し、接続管３６を介して接続することで構成される。本例では、管継手３５の外端寄りの外周面が側板３３１より外側に突出し、この突出している部分に接続管３６を外嵌することから、接続作業が非常に容易である。

接続管３６は屈曲可能な管とすると好適であり、例えば樹脂製の耐圧ホースとすると良好である。また、管継手３５の外端寄りの外周面にはシール材を設け、接続管３６との水密な連通性を保つことが好ましい。

第２変形例の鋼管膨張体３０は、非硬化性流体Ｆの注入側の基端の鋼管膨張パック３１から先端の鋼管膨張パック３１まで全ての鋼管膨張パック３１に、一方の端部近傍に注入孔に相当する貫通孔３５１、他方の端部近傍に流出孔に相当する貫通孔３５１が設けられ、基端に位置する鋼管膨張パック３１の注入孔に相当する貫通孔３５１から注入される非硬化性流体Ｆが先端に位置する鋼管膨張パック３１まで流通可能になっている。

そして、水等の非硬化性流体Ｆの加圧注入時に、先端の鋼管膨張パック３１の流出孔に相当する貫通孔３５１の外側から内側に向かって加圧注入圧に抗する圧力がかかっている場合には、基端の鋼管膨張パック３１から先端の鋼管膨張パック３１まで全ての鋼管膨張パック３１が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張する。

尚、第２変形例の鋼管膨張体３０に対しても、上記鋼管膨張体１０と同様に先端の鋼管膨張パック３１に流出孔に相当する貫通孔３５１を設けない変形をすることも可能である。また、第２変形例の鋼管膨張パック３１、鋼管膨張体３０も、例えば鋼管膨張体３０における基端の鋼管膨張パック３１の注入孔に相当する貫通孔３５１に、加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付けると共に、先端に位置する鋼管膨張パック１１の流出孔に相当する貫通孔３５１にホースを介して管端バルブ６３を取り付ける等により、上記鋼管膨張パック１１、鋼管膨張体１０を用いるトンネル構築方法と同様の施工手順を有するトンネル構築方法に適用することが可能である。更に、第２変形例によるトンネル構築方法では、工場では鋼管膨張パック３１を接続されていない個々の状態で出荷し、施工現場にて鋼管膨張パック３１を接続管３６を介して相互接続して鋼管膨張体３０とし、この鋼管膨張体３０をアーチ状に建て込む支保工５１の背面側に設置する工程とすると好適である。

〔第１実施形態の効果〕
第１実施形態によれば、非硬化性流体Ｆで鋼管膨張パック１１、２１、３１を塑性変形させて膨張させることで、即座に鋼管膨張パック１１、２１、３１を膨張状態にして、地山１０１と支保工５１を即座に応力的に接続することができる。これによって、掘削断面の不陸によって支保工５１と地山１０１坑壁との間に隙間がある場合にも、吹付コンクリートの施工までの間にその隙間分だけ地山１０１が変形してしまうことが防止される。また、地山１０１の緩みが生じて支保工５１に局所的な応力が生ずることが無くなる。即ち、即座に安定した地山１０１の変形のない状態を得ることが可能となる。また、鋼管膨張パック１１、２１、３１では硬化性注入材を用いないことから、硬化性注入材の混練、切羽近傍への硬化性注入材や混練・打設機械の設置、硬化時間待ちの必要が無くなり、トンネル構築作業における作業労力の省力化、作業効率の向上、広い作業スペースの確保を図ることができる。

また、鋼管膨張体１０、２０、３０を用いることにより、例えば多様なトンネル周長に合わせ、同一規格・サイズの鋼管膨張パック１１、２１、３１を所要個数連結して鋼管膨張体を構成し、トンネル掘削面１０４と支保工５１との間の隙間を埋めることができる等、汎用性を高めることができる。

また、鋼管膨張体１０、２０、３０を、複数の鋼管膨張パック１１、２１、３１のそれぞれが両端に同一形状のねじ部を有し、そのねじ部の一方が注入孔で、他方が流出孔であり、接続管１７、２６、３７が該ねじ部に対して着脱自在な管である場合には、同一形状の鋼管膨張パック１１、２１、３１を多数用意し、その両端にねじ継手を介して接続管１７、２６、３７を取り付けて鋼管膨張体１０、２０、３０の形に組み立てることが現場で容易にできる。この組み立て時に、注入孔と流出孔のねじ部が同一であるため、鋼管膨張パックの向きを気にする必要がない。また、鋼管膨張パックを個々独立して収納、運搬することが可能となり、収納、運搬の便宜性向上、コスト低減の効果を一層高めることができる。

また、鋼管膨張体１０、２０、３０によるトンネルの構築方法によれば、水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入することで鋼管膨張パック１１、２１がすぐに膨張し、安定した膨張状態の鋼管膨張パック１１、２１で支保工背面とトンネル掘削面１０４との隙間を埋めることができ、掘削後の地山１０１の緩みを素早く抑えることができる。従って、モルタル等の硬化性注入材を練って注入してこれが硬化するのを待つ手間、時間が不要であり、又、この混連や硬化に要する時間内に生ずる地山１０１の緩みを防止できる。そして、地山１０１が緩まない結果として、地山１０１の内部応力の維持、漏水発生の防止、支保工５１の局所的な応力の発生防止の効果を得ることができる。また、硬化性注入材を袋内で硬化させる構成では、地山１０１が局所的に押し出してきて充填材が負けたときに硬化した注入材が壊れて意味のないものとなるが、この構築方法では、鋼管膨張パック１１、２１、３１がクッションのように機能して、部分的にへたれる箇所があっても地山１０１の押し出しによる応力を分散することができ、トンネル空間周囲の地山の応力再配分に寄与する。

また、管端バルブ６３を一旦開状態にして非硬化性流体Ｆの流出を確認し、その後に管端バルブ６３を閉状態にして非硬化性流体Ｆを加圧注入することにより、鋼管膨張体１０、２０、３０を構成する鋼管膨張パック１１、２１、３１を膨張させることで、鋼管膨張体１０、２０、３０の全体への非硬化性流体Ｆの流通、行き渡りを確認することができるため、全ての鋼管膨張パック１１、２１、３１を確実に膨張させ、支保工５１とトンネル掘削面１０４との間に局所的に大きな隙間が残ることを確実に防止することができる。

〔第２実施形態の鋼管膨張パック及びトンネルの構築方法〕
本発明による第２実施形態の鋼管膨張パック４１は、支保工５１とトンネル内周面との間に設けられるものであるが、第１実施形態と異なり複数接続されて鋼管膨張体を構成せずに、単独の鋼管膨張パック４１として用いられる。鋼管膨張パック４１は、図１１及び図１２に示すように、長尺弧状の形状を有する。

鋼管膨張パック４１は、非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能な扁平状の鋼管本体４２を有し、鋼管本体４２は扁平している方向に湾曲した形状になっている。鋼管本体４２には、その両端の開口を閉塞するように両端に端部補強キャップ４３・４３が外嵌され、溶接等で固定されている。

鋼管膨張パック４１の長手方向の一方の端部近傍には注入孔４５が補強キャップ４３と鋼管本体４２を貫通するように設けられており、注入孔４５は扁平状の扁平状の鋼管本体４２の片面に形成されている。注入孔４５は例えば水等の常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体Ｆの注入孔４５である。尚、第２実施形態の鋼管膨張パック４１には流出孔は設けられていない。鋼管本体４２の内部には扁平状の中空部４４が設けられ、注入孔４５が中空部４４に連通するように形成されている。他方の端部近傍に流出孔がなく閉塞されている鋼管膨張パック４１は、注入孔４５から非硬化性流体Ｆが加圧注入された場合には、鋼管本体４２が非硬化性流体Ｆの加圧注入圧で厚さ方向に膨張するようになっている。

次に、鋼管膨張パック４１を用いて行うトンネルの構築方法について説明する。図１３及び図１４において、１０１は地山、１０４はトンネル掘削面、５１はトンネル掘削面１０４に近接してアーチ状に建て込まれた支保工、５４は二次覆工ラインである。

鋼管膨張パック４１を用いてトンネルを構築する際には、図１３及び図１４に示すように、トンネル掘削面１０４に近接してアーチ状に支保工５１を建て込むと共に、長尺弧状の鋼管膨張パック４１をこのアーチ状に建て込んだ支保工５１の背面側に設置する。図示例では、鋼管膨張パック４１の非硬化性流体Ｆの注入側である基端を下側に配置し、先端を上側でトンネル天端付近に位置するように配置して、２個の鋼管膨張パック４１を左右一対で配置している。

その後、一方の鋼管膨張パック４１の基端の注入孔４５に、加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付け、加圧注入装置６２を駆動し、基端の鋼管膨張パック４１の注入孔４５から水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入する。非硬化性流体Ｆを加圧注入された鋼管膨張パック４１は、流出孔がなく閉じられた状態であることから、トンネル掘削面１０４と支保工５１との隙間を埋めていくように一方の鋼管膨張パック４１が厚さ方向に膨張する。そして、下側に位置する鋼管膨張パック４１の注入孔４５から加圧注入用ホース６１を取り外して注入孔４５を開放させ、基端の鋼管膨張パック４１の注入孔４５から一方の鋼管膨張パック４１内に注入した非硬化性流体Ｆを排水する。

また、他方の鋼管膨張パック４１についても同様に、他方の鋼管膨張パック４１の基端の注入孔４５に、加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付ける。更に、加圧注入装置６２を駆動し、基端の鋼管膨張パック４１の注入孔４５から水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入し、トンネル掘削面１０４と支保工５１との隙間を埋めていくように他方の鋼管膨張パック４１を厚さ方向に膨張させる。そして、下側に位置する鋼管膨張パック４１の注入孔４５から加圧注入用ホース６１を取り外して注入孔４５を開放させ、基端の鋼管膨張パック４１の注入孔４５から他方の鋼管膨張パック４１内に注入した非硬化性流体Ｆを排水する。

第２実施形態によれば、第１実施形態と対応する構成から対応する効果を得ることができる。また、接続されていない長尺の鋼管膨張パック４１を用いることにより、支保工５１とトンネル掘削面１０４との隙間を埋める部材にかかる製造コストを低減することができる。

〔実施形態の変形例等〕
本明細書開示の発明は、各発明、各実施形態の他に、適用可能な範囲で、これらの部分的な構成を本明細書開示の他の構成に変更して特定したもの、或いはこれらの構成に本明細書開示の他の構成を付加して特定したもの、或いはこれらの部分的な構成を部分的な作用効果が得られる限度で削除して特定した上位概念化したものを含むものであり、例えば、常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体として、圧縮空気（エア）を用いても良い。

図１５は本発明に加えて、鋼管膨張パックをキャンバーとしても追加的に使用する例を示すものであり、１０１は地山、１０４はトンネル掘削面、１０５は支保工建込時の地盤、５１は支保工、５４は二次覆工ラインである。この使用例では、トンネル掘削面１０４に近接してアーチ状に建て込む支保工５１の脚部と地盤１０５との間に、第１実施形態の第２変形例の鋼管膨張パック３１を設置する。図１５（ａ）の状態で設置した鋼管膨張パック３１には、一方の端部近傍の注入孔に相当する貫通孔３５１に、加圧注入装置６２に接続されている加圧注入用ホース６１の一端を取り付け、他方の端部近傍の流出孔に相当する貫通孔３５１に、ホースを介して管端バルブ６３を取り付ける（図示省略）。

その後、加圧注入装置６２を駆動し、鋼管膨張パック３１の注入孔に相当する貫通孔３５１から水等の非硬化性流体Ｆを加圧注入する。管端バルブ６３を閉状態にして非硬化性流体Ｆを加圧注入すると、支保工５１を持ち上げるように鋼管膨張パック３１が厚さ方向に膨張する。この加圧注入の際には、一旦管端バルブ６３を開状態にして加圧注入装置６２を駆動し、流出孔に相当する貫通孔３５１から注入した非硬化性流体Ｆの流出後に、管端バルブ６３を閉状態にして非硬化性流体Ｆを加圧注入するようにしてもよい。この使用例によれば、鋼管膨張パック３１を膨張させることで、即座に支保工５１をトンネル掘削面１０４に近づけて所望の位置に定置させることができる。

また、本発明において、支保工５１とトンネル掘削面１０４との間の隙間を埋めることには、応力分散で地山１０１の緩みを早期に抑えられるように、支保工５１とトンネル掘削面１０４とを線的又は面的に繋ぐように鋼管膨張パック１１、２１、３１、４１を膨張させて隙間を減らす適宜の場合が含まれる。

本発明は、例えばトンネル掘削面とアーチ状の支保工との間に形成される隙間を埋める場合や、これに加えて支保工の脚部とトンネル地盤との間にキャンバーとして設置して支保工の沈下を防止する場合に利用することができる。

１０、２０、３０…鋼管膨張体 １１、２１、３１、４１、７１…鋼管膨張パック １２、１２ｐ、２２、３２、４２…鋼管本体 １３、２３、３３、４３…端部補強キャップ ２３１、３３１…側板 ２３２、３３２…カラー ３３３…雌ねじ孔 １４、２４、３４、４４…中空部 １５、２５、４５…注入孔 １６、２６…流出孔 ３５…管継手 ３５１…貫通孔 ３５２…雄ねじ部 １７、２７、３６…接続管 Ｆ…非硬化性流体 ５１…支保工 ５２…キャンバー ５３…吹付コンクリート ５４…二次覆工ライン ６１…加圧注入用ホース ６２…加圧注入装置 ６３…管端バルブ １０１…地山 １０２…切羽 １０３…トンネル内部空間 １０４…トンネル掘削面 １０５…地盤

Claims (7)

1. 支保工とトンネル内周面との間に設けられる鋼管膨張パックであって、
   扁平状の鋼管本体と、
   前記鋼管本体の両端の開口を閉塞するように前記両端に外嵌されて固定される端部補強キャップと、
   一方の端部近傍に設けられる、常温で非硬化状態を維持する非硬化性流体の注入孔とを備え、
   前記鋼管本体が前記非硬化性流体の加圧注入圧で厚さ方向に膨張可能になっている
   ことを特徴とする鋼管膨張パック。
2. 請求項１記載の鋼管膨張パックの複数が、管の延びる方向に線状に並べて設けられ、
   少なくとも、前記非硬化性流体の注入側の基端の前記鋼管膨張パックと、前記基端と先端の間に位置する前記鋼管膨張パックとに、前記非硬化性流体の流出孔が他方の端部近傍に設けられ、
   隣りに位置する前記流出孔と前記注入孔が接続管を介して接続され、
   前記基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入される非硬化性流体を前記先端に位置する前記鋼管膨張パックまで流通可能になっている
   ことを特徴とする鋼管膨張体。
3. 前記複数の鋼管膨張パックのそれぞれが両端に同一形状のねじ部を有し、そのねじ部の一方が前記注入孔に、他方が前記流出孔に設けられていて、前記接続管が該ねじ部に対して着脱自在な管であることを特徴とする請求項２記載の鋼管膨張体。
4. トンネル掘削面に近接してアーチ状に支保工を建て込むと共に、請求項２又は３記載の鋼管膨張体を前記支保工の背面側に設置する第１工程と、
   前記鋼管膨張体の基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記トンネル掘削面と前記支保工との隙間を埋めていくように前記鋼管膨張パックの各々を厚さ方向に膨張させる第２工程と、
   少なくとも、前記基端に位置する前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入した前記非硬化性流体を排水する第３工程と
   を備えることを特徴とするトンネルの構築方法。
5. 先端の前記鋼管膨張パックの他方の端部近傍に前記非硬化性流体の流出孔が設けられている前記鋼管膨張体を用い、
   前記第２工程において、前記鋼管膨張体の前記先端の鋼管膨張パックの流出孔に管端バルブを取り付け、前記管端バルブを開状態にして前記非硬化性流体を加圧注入し、前記管端バルブからの前記非硬化性流体の流出の確認後に前記管端バルブを閉状態にして前記鋼管膨張パックの各々を厚さ方向に膨張させる
   ことを特徴とする請求項４記載のトンネルの構築方法。
6. トンネル掘削面に近接してアーチ状に支保工を建て込むと共に、長尺弧状の請求項１記載の鋼管膨張パックを前記支保工の背面側に設置する第１工程と、
   前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記トンネル掘削面と前記支保工との隙間を埋めていくように前記鋼管膨張パックを厚さ方向に膨張させる第２工程と、
   少なくとも、前記鋼管膨張パックの前記注入孔から加圧注入した前記非硬化性流体を排水する第３工程と
   を備えることを特徴とするトンネルの構築方法。
7. トンネル掘削面に近接してアーチ状に建て込む支保工の脚部と地盤との間に、請求項１記載の鋼管膨張パックを設置する第１工程と、
   前記鋼管膨張パックの前記注入孔から前記非硬化性流体を加圧注入し、前記支保工を持ち上げるように前記鋼管膨張パックを厚さ方向に膨張させる第２工程と、
   を備えることを特徴とするトンネルの構築方法。
   

Images