JP6579902B2

JP6579902B2 - トンネル補強構造

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Publication number: JP6579902B2
Application number: JP2015202373A
Authority: JP
Inventors: 克彦高倉; 泰彦猪口; 竹中　計行; 計行竹中
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP2017075459A

Description

本発明は、トンネル補強構造に関する。

近年、地下空間の有効活用により、既設地下構造物に近接して新設地下構造物を施工する場合がある。既設トンネルに隣接して他の地下構造物を構築すると、既設トンネルへの外力作用状況が変化する場合がある。
また、トンネルの施工後に地下水位の低下や地殻変動等が生じると、トンネルへの外力の作用状況が変化する場合もある。
外力の作用状況が変化すると、トンネル覆工の作用応力状態が変化し、トンネル覆工に変形が生じるおそれがある。
また、老朽化に起因するトンネル覆工の変形も懸念されている。

トンネル覆工に変形が生じた既設トンネルの補強方法としては、トンネル覆工の内面に、増し厚コンクリートを打設する方法や鋼板を貼着する方法等が採用されている。
また、本出願人は、特許文献１に示すように、断面コ字状の鋼材を開口面がトンネル覆工側になるように配置するとともに、この鋼材とトンネル覆工とにより形成された空間にゴムチューブを配置しておき、このゴムチューブ内に充填固化材を加圧注入する方法を開発した。
ところが、前記従来の補強方法は、トンネル覆工の内面を全体的に補強するものであるため、インバートを有するトンネルには適用が難しかった。

一方、トンネル覆工を部分的に補強する補強方法として、トンネル覆工の表面に炭素繊維シートを貼着する方法や、トンネル覆工の変形に抵抗させるための支柱や梁等の支保材を既設トンネル内に設置する方法が採用される場合がある。
ところが、炭素繊維シートによる補強構造は、コンクリートの剥落防止としての効果は得られるものの、トンネル覆工の補強効果は小さい。
また、トンネル内へ支柱や梁等の支保材を設置すると、支保材がトンネル内空を横断するため、道路トンネルや鉄道トンネル等には採用することができない。

特許第５６０３２９１号公報

このような観点から、本発明は、トンネルの形状等に限定されることなく、効果的にトンネル覆工の耐久性を向上させることを可能とした、トンネル補強構造を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、トンネル覆工の内面に沿って設けられたアーチ状鋼材と、前記アーチ状鋼材と前記トンネル覆工との間に形成された空間に充填された充填固化材と、前記アーチ状鋼材の一方の端部から他方の端部に至る弦材とを備えるトンネル補強構造であって、前記アーチ状鋼材は、前記トンネル覆工の周方向に対して部分的に設けられているとともに、両端部が前記トンネル覆工に接合されていることを特徴としている。

かかるトンネル補強構造によれば、アーチ状鋼材と充填固化材により外向き（地山方向）に荷重を作用させることで、トンネル覆工に対して内向き（内空方向）に作用する外力に抵抗することができる。
また、トンネル覆工を部分的に補強することで、トンネル内空への影響を最小限に抑えることができる。
また、充填固化材の注入時の反力を弦材で受けることができるため、所望の補強効果を得ることができる。さらに、弦材を使用することで、アーチ状鋼材の大断面化により耐力を確保する場合に比べてトンネル補強構造の軽量化を図ることができる。

前記アーチ状鋼材の端部は、スライド支承またはピンスライド支承を介してトンネル覆工に接合されている。
また、充填固化材は、前記アーチ状鋼材と前記トンネル覆工との間に形成された空間に配設されたチューブ材に加圧注入してもよい。
さらに、前記アーチ状鋼材は、トンネル上部に設けてもよいし、トンネル側部に設けてもよい。

本発明のトンネル補強構造によれば、トンネルの形状等に限定されることなく、効果的にトンネル覆工の耐久性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネル補強構造が設けられたトンネルの横断図である。図１のトンネル補強構造のアーチ状鋼材を示す断面図である。（ａ）は図１のＡ部分を示す拡大図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。（ａ）は図１のＡ部分の他の形態を示す拡大図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。（ａ）はトンネル補強構造設置前のトンネルの曲げモーメント図、（ｂ）はトンネル補強構造設置した場合のトンネルの曲げモーメント図である。（ａ）はアーチ状鋼材を覆工に剛結合した場合の曲げモーメント図、（ｂ）はピン支承を介してアーチ状鋼材を覆工に接合した場合の曲げモーメント図、（ｃ）はスライド支承を介してアーチ状鋼材を覆工に接合した場合の曲げモーメント図である。

本発明の実施形態では、図１に示すように、既設のトンネル１を補強するためにトンネル１の覆工（トンネル覆工）１１の内面に設けられたトンネル補強構造２について説明する。
本実施形態のトンネル補強構造２は、図１に示すように、断面円形のトンネル１の頂部（上部）に設けられており、アーチ状鋼材３と、充填固化材４（図２参照）と、弦材５とを備えている。

アーチ状鋼材３は、覆工１１の内面に沿って設けられた鋼材である。
本実施形態のアーチ状鋼材３は、覆工１１の周方向に対して、トンネル１の頂点から左右に中心角が２５°（計５０°）の範囲に設けられている。また、アーチ状鋼材３は、両端部において覆工１１に接合されている。なお、アーチ状鋼材３を設置する範囲（アーチ状鋼材３の長さ）は限定されるものではない。
本実施形態のアーチ状鋼材３は、図２および図３に示すように、一対の主桁３１，３１と受圧板３２と、取付板３３とにより構成されている。

主桁３１は、覆工１１の内面形状に沿う弧状に形成された鋼板であって、覆工１１の内面に当接した状態で、トンネル周方向に沿って配設されている。図２に示すように、一対の主桁３１，３１は、トンネル１の軸方向に間隔をあけて平行に設けられている。なお、主桁３１同士の間隔や主桁３１の板厚、高さおよび長さ等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
図３（ａ）に示すように、主桁３１の端部には、弦材５を固定するための固定部３１ａが形成されている。本実施形態の固定部３１ａは、主桁３１の端部の面積を広げることで形成されている。なお、固定部３１ａの構成は限定されるものではない。

受圧板３２は、一対の主桁３１，３１に横架された鋼板であって、両端が主桁３１，３１に固定（溶接されている）。受圧板３２は、図２に示すように、主桁３１の覆工１１側の端面から隙間を開けた位置に固定されている。したがって、アーチ状鋼材３を覆工１１の内面に設置した際に、覆工１１と受圧板３２との間に隙間が形成される。なお、本実施形態では、受圧板３２を、主桁３１の中間よりも覆工１１側に固定しているが、受圧板３２の取り付け箇所は限定されるものではなく、例えば、主桁３１の中間に固定してもよい。また、受圧板３２の板厚や幅等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

取付板３３は、図３（ａ）に示すように、アーチ状鋼材３の端部に設けられた鋼板である。取付板３３は、主桁３１，３１および受圧板３２の端面に一体に固定されているとともに、取付部材６に接合されている。なお、取付板３３は、主桁３１，３１および受圧板３２により形成された矩形状の空間に配設してもよい。なお、取付板３３は、必要に応じて配設すればよく、例えば、主桁３１または受圧板３２を取付部材６に直接取り付ける場合には省略してもよい。
また、アーチ状鋼材３の構成は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼等の所定の断面形状を有した鋼材により構成してもよい。

アーチ状鋼材３は、図１に示すように、取付部材６を介して覆工１１に接合されている。
取付部材６は、アーチ状鋼材３の両端部にそれぞれ設けられている。
本実施形態の取付部材６は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、アンカー６１と、ベース部材６２と、摺動部材６３と、回転部材６４と、ピン６５とを備えている。なお、取付部材６の構成は、アーチ状鋼材３の端部を覆工１１に接合可能であれば限定されるものではない。

アンカー６１は、ベース部材６２の内空側の面に係止されているとともに、覆工１１に埋め込まれている。本実施形態では、ベース部材６２の四隅にそれぞれアンカー６１が配設されている。アンカー６１は、ベース部材６２に挿通された状態で覆工１１に埋め込まれているとともに、覆工１１から突出した部分に螺合されたナット６１ａによってベース部材６２に係止されている。
なお、アンカー６１を構成する材料や、アンカー６１の数および配置は限定されるものではない。また、アンカー６１のベース部材６２への固定方法も限定されない。

ベース部材６２は、アンカー６１を介して覆工１１の表面に固定された鋼板である。図３（ｂ）に示すように、ベース部材６２には、断面Ｔ字状の溝６２ａが形成されている。
溝６２ａは、覆工１１側の幅広部分と、幅広部分よりも小さい幅でトンネル内空側に開口している開口部分とを備えている。溝６２ａは、トンネル周方向に沿って形成されており、摺動部材６３のレールとして機能する。
なお、ベース部材６２を構成する材料や、ベース部材６２の形状等は限定されるものではない。

摺動部材６３は、ベース部材６２の内空側に配設された鋼製部材であって、溝６２ａに沿って移動可能に配設されている。図３（ｂ）に示すように、摺動部材６３は、本体部６３ａと、突起６３ｂとを備えている。
本体部６３ａは、図３（ａ）に示すように、回転部材６４の回転を妨げることがないように、トンネル軸方向から望む外形がアーチ状を呈している。また、本体部６３ａの中央部にはピン６５を挿通するための貫通孔６３ｃが形成されている。
突起６３ｂは、本体部６３ａの地山側の面に突設されており、幅広部分と幅広部分よりも小さい幅の幅狭部分とにより断面Ｔ字状を呈している。
突起６３ｂの幅広部分は、溝６２ａの断面積も小さい断面積を有しているとともに、溝６２ｂの開口部分よりも大きな幅を有している。
また、突起６３ｂの幅狭部分は、開口部分よりも小さな幅を有しているとともに、開口部分よりも大きな高さ（トンネル内外方向の長さ）を有している。
突起６３ｂはベース部材６２の溝６２ｂ内に挿入されている。突起６３ｂと溝６２ａとの間には、摩擦低減材が介設されていて、突起６３ｂが溝６２ａ内を移動可能に設けられている。
このように、摺動部材６３は、ベース部材６２に対して摺動可能に設けられているとともに、突起６３ｂの幅広部分により溝６２ａからの抜け出し（ベース部材６２からの落下）が防止されている。

回転部材６４は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、取付板６４ａと、一対の脚板６４ｂ，６４ｂとにより門型に形成されている。
取付板６４ａは、図３（ａ）に示すように、アーチ状鋼材３の取付板３３に、重ね合わせた状態でボルト接合されている。取付板３３のアーチ状鋼材３と反対側の面には、一対の脚板６４ｂが固定されている。
一対の脚板６４ｂは、摺動部材６３の本体部６３ａを挟んで対向している。脚板６４ｂには、本体部６３ａの貫通孔６３ｃに対応して、貫通孔６４ｃが形成されている。

ピン６５は、円柱状を呈しており、摺動部材６３の貫通孔６３ｃと回転部材６４の貫通孔６４ｃ，６４ｃとを貫通している。
回転部材６４は、ピン６５を中心に、摺動部材６３に対して回転する。
すなわち、本実施形態の取付部材６は、摺動部材６３がベース部材６２の溝６２ａに沿ってトンネル周方向にスライドするとともに、回転部材６４がトンネル軸と平行な軸を中心に回転する、ピンスライド支承を構成している。

なお、取付部材６を構成する各部材の形状や部材同士の連結方法等は限定されない。
例えば、摺動部材６３は、必ずしもベース部材６２の溝６２ａに沿ってトンネル周方向にスライドする必要はなく、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ベース部材６２に固定されていてもよい。このとき、摺動部材６３の貫通孔６３ｃが長穴であれば、回転部材６４が貫通孔６３ｃに沿ってトンネル周方向にスライドするとともに、トンネル軸と平行な軸を中心に回転するピンスライド支承となる。

充填固化材４は、図２に示すように、アーチ状鋼材２と覆工１１との間に形成された空間に充填されている。本実施形態では、一対の主桁３１，３１、受圧板３２および覆工１１により形成された矩形状の空間に配設されたチューブ４１内に、充填固化材４が加圧注入されている。
充填固化材４を構成する材料は限定されるものではないが、本実施形態ではセメントミルクを使用する。
また、チューブ４１を構成する材料は、充填固化材４を加圧注入することで圧縮応力を蓄える材料であれば、限定されるものではないが、本実施形態ではゴムチューブを使用する。
また、チューブ４１に代えて、外縁がアーチ状鋼材２に固定されたゴム板に充填固化材４を加圧注入してもよい。また、アーチ状鋼材２と覆工１１との間に形成された空間に充填固化材４を注入した際に、充填固化材４が漏出するおそれがない場合には、チューブ４１等は省略してもよい。

弦材５は、アーチ状鋼材３の一方の端部から他方の端部に至る鋼材である。
弦材５の両端は、アーチ状鋼材３の端部に固定されている。弦材５をアーチ状鋼材３に固定する方法は限定されるものではないが、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ボルトにより主桁３１の固定部３１ａに固定する。
本実施形態では、弦材５をＨ形鋼により構成するが、弦材５を構成する材料は限定されるものではなく、例えば溝形鋼やＬ形鋼等を使用してもよい。

本実施形態のトンネル補強構造２によれば、アーチ状鋼材３と充填固化材４により外向き（地山方向）に荷重を作用させることで、覆工１１に対して内向き（内空方向）に作用する外力に対して抵抗することができる。
図５（ａ）に示すように、老朽化の進行または外荷重の変化によりトンネル頂部において内側引張の曲げモーメントＭ_０が大きくなると、トンネル１に縦方向につぶれが生じる。
一方、トンネル補強構造２によれば、図５（ｂ）に示すように、トンネル頂部で外側引張の曲げモーメントＭ_１を発生させることができるので、トンネル頂部の曲げモーメントを軽減させることができる。

また、トンネル補強構造２によれば、トンネル覆工が部分的に補強されるので、トンネル内空への影響を最小限に抑えることができる。特に、トンネル頂部にトンネル補強構造２を設置した場合には、道路トンネルや鉄道トンネルの建築限界の外側にトンネル補強構造２が配設されるため、トンネルの使用に支障をきたすことがない。
また、弦材５に充填固化材４の加圧注入時の反力を弦材５で受けることができるため、所望の補強効果を得ることができる。すなわち、充填固化材４を加圧注入することによってアーチ状鋼材の端部に作用する内向きの力に対しては、弦材５が対向する。
また、弦材５を使用することで、アーチ状鋼材３の大断面化により耐力を確保する場合に比べてトンネル補強構造の軽量化を図ることができる。
アーチ状鋼材３の覆工１１への接合構造としてピンスライド支承を採用しているため、充填固化材４を加圧注入する際にアーチ状鋼材３と覆工１１との接合部の負担を軽減させることができる。
充填固化材４をチューブ４１に加圧注入することで、充填固化材の漏出を防止し、覆工１１に確実に圧力を作用させることができる。
また、充填固化材４をチューブ４１に加圧注入すると、充填固化材４の圧力によって直ちに効果が得られるため、既設のトンネル１の補強効果を早期に得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、断面円形のトンネル１について説明したが、トンネル１の断面形状は限定されるものではなく、例えば馬蹄形であってもよい。
また、前記実施形態では、トンネル補強構造２をトンネル１の頂部に設置する場合について説明したが、トンネル補強構造２の設置個所は限定されるものではなく、例えば、トンネルの側壁に設置してもよい。
前記実施形態では、アーチ状鋼材の端部を、ピンスライド支承を介して覆工１１に接合する場合について説明したが、アーチ状鋼材の端部の接合構造は限定されるものではない。例えば、アーチ状鋼材の端部を剛結合した場合（図６（ａ）参照）、ピン支承を介して接合した場合（図６（ｂ）参照）、または、スライド支承を介して接合した場合（図６（ｃ）参照）であっても、外側引張の曲げモーメントを発生させることによりトンネル頂部の曲げモーメントを軽減させることができる。

１トンネル
１１覆工（トンネル覆工）
２トンネル補強構造
３アーチ状鋼材
４充填固化材
４１チューブ
５弦材
６取付部材（ピンスライド支承）
６１アンカー
６２ベース部材
６３摺動部材
６４回転部材
６５ピン

Claims

トンネル覆工の内面に沿って設けられたアーチ状鋼材と、
前記アーチ状鋼材と前記トンネル覆工との間に形成された空間に充填された充填固化材と、
前記アーチ状鋼材の一方の端部から他方の端部に至る弦材と、
前記アーチ状鋼材の端部を前記トンネル覆工に接合するスライド支承と、を備えるトンネル補強構造であって、
前記アーチ状鋼材は、前記トンネル覆工の周方向に対して部分的に設けられているとともに、両端部が前記トンネル覆工に接合されていることを特徴とするトンネル補強構造。
トンネル覆工の内面に沿って設けられたアーチ状鋼材と、
前記アーチ状鋼材と前記トンネル覆工との間に形成された空間に充填された充填固化材と、
前記アーチ状鋼材の一方の端部から他方の端部に至る弦材と、
前記アーチ状鋼材の端部を前記トンネル覆工に接合するピンスライド支承と、を備えるトンネル補強構造であって、
前記アーチ状鋼材は、前記トンネル覆工の周方向に対して部分的に設けられているとともに、両端部が前記トンネル覆工に接合されていることを特徴とするトンネル補強構造。