JP6594003B2 - シールドトンネル施工の凍結方法、及び凍結装置 - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法における凍結方法と、その方法に用いる凍結装置に関する。

大深度にて複数の小断面シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する過程で、大断面トンネルの壁体を逐次構築していく施工方法がある。
小断面シールドトンネルのオーバーラップ掘削とは、シールドマシンで直接切削可能なセグメントを用いて先行シールドトンネルを構築し、その内部をコンクリートやモルタル等で閉塞（＝後行掘削の安定性のため）した上で、その断面の一部を切削しながら後行シールドトンネルを掘進するものである。
そして、壁体構築に関わらず、先行・後行の両小口径シールドトンネルを接続するには、後行シールドトンネルのスキンプレートなどの止水バリアを一時的に開放する必要があり、そこで、大深度で高水圧環境においても確実な地山内の止水プラグ造成が可能な凍結工法が有効と考えられる。

従来の凍結工法（特許文献１等参照）では、例えば図５に示すように、後行シールドトンネル５２周囲の止水プラグ（凍結改良体６２）造成は、その後行シールドトンネル５２のセグメント内面に設置する貼付凍結管５３によることができる。
しかし、先行シールドトンネル５１周囲は、後行シールドトンネル５２内から先行シールドトンネル５１上下の地山に凍結管６１を地中挿入して行うものであった。

特開２００７‐２１７９１１号公報

しかし、従来の凍結工法では、後行シールドトンネル５２内から先行シールドトンネル５１上下の地山に地中挿入する凍結管６１の挿入自体が漏水リスクであり、難易度の高い技術である欠点があった。

一方、先行シールドトンネル５１内面側に予め貼付凍結管（コンクリートやモルタルで閉塞するので、その中に埋設する凍結管でも可）を配置して行う方法も考えられる。
これは前記欠点を解決するが、図５に示したように、先行シールドトンネル５１内を閉塞する場合、凍結管へのアクセスが簡単でないため、凍結領域（凍結改良体６２）を任意に区切って順次移動させることが容易でない欠点が残る。
また、凍結領域（凍結改良体６２）を任意に区切り順次移動させることができたとしても、シールドトンネル５１・５２内の壁体７１の構築に適用すると、凍結領域（凍結改良体６２）外からの漏水が、矢印で示した想定される水みちのように、壁体７１の部分の表面を経由して漏れてくるので、その止水も必要という課題が発生する。

本発明の課題は、シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法において、後行シールドトンネル内から先行シールドトンネル上下の地山に凍結管を地中挿入することなく、シールドトンネル内に配置する凍結管の凍結領域に対応させた移動を可能にすることである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
先行シールドトンネル間に後行シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法において、
前記先行シールドトンネル内に配置する凍結管を一度の凍結領域の長さに対応させて牽引により移動する、シールドトンネル施工の凍結方法を特徴とする。

さらに、請求項１に記載の発明は、
前記先行シールドトンネルのセグメント内周に沿って前記凍結管を配置することを特徴とする。

そして、請求項１に記載の発明は、
前記先行シールドトンネル内に構築された壁体に沿って前記凍結管を配置することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のシールドトンネル施工の凍結方法であって、
前記凍結管を牽引装置により牽引して移動することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載のシールドトンネル施工の凍結方法であって、
前記先行シールドトンネル内に設置したケーシング内を前記凍結管が移動することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
先行シールドトンネル間に後行シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法に用いる凍結装置であって、
前記先行シールドトンネル内に配置され、一度の凍結領域の長さに対応させて牽引により移動可能な凍結管を備えることを特徴とする。

さらに、請求項４に記載の発明は、
前記凍結管は前記先行シールドトンネルのセグメント内周に沿って配置されることを特徴とする。

そして、請求項４に記載の発明は、
前記凍結管は前記先行シールドトンネル内に構築された壁体に沿って配置されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項６に記載のシールドトンネル施工の凍結装置であって、
前記凍結管を牽引する牽引装置を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項４又は５に記載のシールドトンネル施工の凍結装置であって、
前記先行シールドトンネル内に設置され、前記凍結管が内部を移動するケーシングを備えることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
請求項４から６のいずれか一項に記載のシールドトンネル施工の凍結装置であって、
前記凍結管には、当該凍結管の前進方向に対して後端が閉塞されて、当該凍結管の前進方向に対して前端に冷媒供給口と冷媒排出口が並んで開口するＵ字状冷媒通路が形成されていて、
前記冷媒供給口及び冷媒排出口に接続する冷媒循環配管を備えることを特徴とする。

本発明によれば、先行シールドトンネル間に後行シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法において、後行シールドトンネル内から先行シールドトンネル上下の地山に凍結管を地中挿入することなく、先行シールドトンネルのセグメント内周に沿って配置する凍結管と先行シールドトンネル内に構築された壁体に沿って配置する凍結管を凍結領域に対応させて移動することができる。
従って、小口径シールドトンネル同士を接続する際の補助工法として、施工数量の低減化や作業の効率化による経済性の向上を実現し、かつ高水圧状況の中でも安全で確実に施工することができる。

本発明を適用したシールドトンネル施工の凍結工法の一実施形態の構成を示すもので、要部を破断して概略構成を示した斜視図である。 凍結管の配置例を示す拡大断面図である。 埋込凍結管の概略構成を示す側面図である。 図３の内管部分の拡大図である。 従来の凍結工法例を示すもので、要部を破断して概略構成を示した斜視図である。

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）
大深度にて複数の小断面シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する過程で、大断面トンネルの壁体を逐次構築していく施工方法における、地下水漏水の止水方法に関する。
当該工法では、先行シールドトンネル内に大断面トンネルの壁体の部分を構築しておき、次いで後行シールドトンネルの先行シールドトンネルへのオーバーラップとともに、壁体の部分の側面を後行シールドトンネル内に露出させ、その後行シールドトンネル内で残りの壁体を延長構築し、以上で大断面トンネルの壁体全体を構築していく。
そこでの課題は、壁体の側面を露出させるために、後行シールドトンネルのスキンプレートを切取るなど止水バリアを破るが、このときの漏水を抑制することであった。
具体的には、露出した先行・後行両シールドトンネルの地山境界面、及び構築済みの壁体の部分の表面境界などを経路とする漏水が発生するので、これを止める必要がある。
その方法として、先行・後行シールドトンネル内からの冷却による凍結工法が有力と考えられるところ、本発明により、作業場所がトンネル延長に沿って随時移動する壁体延長工に追従し、凍結させる領域も前進可能とする、経済的で効果的なシステムが提供される。

（実施形態）
図１及び図２は本発明を適用したシールドトンネル施工の凍結工法の一実施形態の構成を示すもので、１は先行シールドトンネル、２は後行シールドトンネル、３は先行覆工、４は埋込凍結管、５は埋込凍結管、６は貼付凍結管、７は凍結改良体である。

構築すべき地中空洞領域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、図示のように、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を使用する。
この切削セグメントは、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。

次に、先行シールドトンネル１の内部には、横断して将来の先行覆工３となる鉄筋コンクリート（ＲＣ）躯体による壁体の一部３ａを構築しておき、さらに、内壁面に沿って埋込凍結管４を設置するとともに、部分構築した先行覆工３の壁体の部分３ａに沿って同様の埋込凍結管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、先行覆工３の壁体の一部３ａで内周側及び外周側に仕切られた内部に、コンクリートまたはモルタル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内の埋込凍結管４・５にブライン等の冷媒をそれぞれ循環させて地盤と壁体の部分３ａ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、並びに壁体の部分３ａ表面に凍結膜を形成して、それぞれ地下水の浸入経路を閉塞する。

前述したように、地中空洞領域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、埋込凍結管４・５が、後行シールドトンネル２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、鋼製セグメントで覆工する。この鋼製セグメントにより、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。

次に、先行シールドトンネル１の切削セグメントに連結された後行シールドトンネル２の鋼製セグメントの内壁に沿って貼付凍結管６をそれぞれ設置する。
そして、後行シールドトンネル２内の貼付凍結管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。

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内部の壁体の部分３ａの端部を露出させる。この時、凍結改良体７と壁体の部分３ａ表面の凍結膜で止水され、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内部を横断して壁体の部分３ａを構築して、先行シールドトンネル１内部の壁体の部分３ａの端部と連結させて、一体として地中空洞領域を包囲する大きな先行覆工３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３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３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、埋設凍結管４・５及び貼付凍結管６によって地中空洞領域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３の内部の掘削を効率よく行うことができる。また、壁体の部分３ａ表面が凍結膜で止水されているので、壁体の部分３ａ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３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。

こうして、大きな先行覆工３により包囲された地中空洞領域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。

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３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、セグメントの内壁面に設置した埋設凍結管４及び貼付凍結管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^２）のトンネルに対して凍結断面Ａ＝９１ｍ^２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、埋設凍結管４及び貼付凍結管６をセグメント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。

以上において、埋込凍結管４・５は、凍結改良体７による凍結領域を任意に区切ることができ、かつ、壁体の部分３ａの表面を経由した漏水を防止できるものである。
以下、二つの特徴がそれを可能とする。

すなわち、一つ目は、先行シールドトンネル１内に対して凍結管を配置する際、コンクリートやモルタル等で埋設できることから、埋込凍結管４を用いるものとして、さらに、その埋込凍結管４を、図３に示すように、ケーシング（外管）１１付きの二重管構造としたことである。
この二重管の内管である埋込凍結管４は、一度の凍結領域の長さに対応して決められる、トンネル延長よりも短い冷却管であり、熱伝導体により形成されて、その内部に、前端の一方の冷媒供給口４１ａより冷媒が供給され、冷媒が後端でＵターンして供給した端に戻って前端の他方の冷媒排出口４１ｂから排出されるＵ字冷媒管４１を内蔵した構造となっている。

また、埋込凍結管４は、図４に示すように、管表面の摩擦を低減する樹脂コーティングまたは塗装が施される摩擦低減コート４２で被覆され、同じく摩擦を低減する仕様が施された外管（ケーシング）１１の内部を滑動可能な構造となっている。

そして、埋込凍結管４の移動は、図３に示したように、ウインチなどの牽引装置２１を用いて、牽引索（鉄製、樹脂製などのワイヤーロープ、チェーン）２２で行うものとし、冷媒の供給端を前部とする前進方向に移動可能となっている。

また、Ｕ字冷媒管４１の冷媒供給口４１ａ及び冷媒排出口４１ｂに、冷凍機３１の冷媒循環配管３２がそれぞれ接続され、図示例では、牽引索２２に冷媒循環配管３２が巻き付けられている。

そして、二つ目の特徴は、図１及び図２に示したように、先行シールドトンネル１内のセグメント内面近くの埋込凍結管４に加えて、大断面トンネルの壁体構築における壁体の部分３ａの表面近く（漏水経路）にも埋込凍結管５を配置することである。

この埋込凍結管５も、埋込凍結管４と同様、ケーシング（外管）１１付きの二重管構造となっている。

先行覆工３の壁体構築の手順は次のとおりである。

１）全区間で先行シールドトンネル１を掘削（始点側→終点側）し、内部に大断面トンネルの壁体の部分３ａを構築する。

２）全区間で先行シールドトンネル１内に埋込凍結管４・５の外管１１をセグメント表面及び壁体の部分３ａの表面近くに設置する。

３）埋込凍結管４・５を終点側の外管１１内にセットし、牽引索２２、冷媒循環配管３２を始点方向に牽引できるようセットする。

４）全区間で先行シールドトンネル１内をコンクリートやモルタル等で閉塞する。

５）全区間で後行シールドトンネル２を先行シールドトンネル１にオーバーラップして掘削（始点側→終点側）する。

６）埋込凍結管４・５を置いた区間だけ先行シールドトンネル１及び後行シールドトンネル２外面と壁体の部分３ａ表面を凍結止水する（区間１の凍結）。

７）区間１の後行シールドトンネル２のスキンプレートを外し、既設壁体の部分３ａの端面を露出させる。

８）区間１の壁体の部分３ａの延長構築と、先行シールドセグメント１及び後行シールドセグメント２同士をシール接続する。
または、区間１をコンクリートやモルタル等で閉塞する。

９）区間１の凍結を解除し、埋込凍結管４・５を始点側に隣接した区間２に牽引前進させる。

以降、始点到達まで、６）〜９）を繰り返す。

以上、実施形態の先行及び後行のシールドトンネル１・２をオーバーラップさせて掘削する施工時における凍結方法によれば、先行シールドトンネル１内に配置する埋込凍結管４を凍結領域（凍結改良体）７に対応させて移動し、すなわち、先行シールドトンネル１のセグメント内周に沿って埋込凍結管４を配置し、先行シールドトンネル１内に構築された壁体の部分３ａに沿って埋込凍結管５を配置して、その埋込凍結管４・５を牽引装置２１により牽引して、先行シールドトンネル１内に設置したケーシング１１内を凍結管４・５が移動する。

従って、先行及び後行のシールドトンネル１・２をオーバーラップさせて掘削する施工法において、後行シールドトンネル２内から先行シールドトンネル１上下の地山に凍結管を地中挿入することなく、先行シールドトンネル１内に配置する埋込凍結管４・５を凍結改良体７による凍結領域に対応させて移動することができる。
その結果、小口径シールドトンネル同士を接続する際の補助工法として、施工数量の低減化や作業の効率化による経済性の向上を実現し、かつ高水圧状況の中でも安全で確実に施工することができる。

（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
２ 後行シールドトンネル
３ 先行覆工
３ａ 壁体の部分
４ 埋込凍結管
５ 埋込凍結管
６ 貼付凍結管
７ 凍結改良体（凍結領域）
１１ ケーシング（外管）
２１ 牽引装置
２２ 牽引索
３１ 冷凍機
３２ 冷媒循環配管
４１ Ｕ字冷媒管（Ｕ字状冷媒通路）
４１ａ 冷媒供給口
４１ｂ 冷媒排出口
４２ 摩擦低減コート

Claims (7)

1. 先行シールドトンネル間に後行シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法において、
   前記先行シールドトンネル内に配置する凍結管を一度の凍結領域の長さに対応させて牽引により移動するシールドトンネル施工の凍結方法であって、
   前記先行シールドトンネルのセグメント内周に沿って前記凍結管を配置するとともに、
   前記先行シールドトンネル内に構築された壁体に沿って前記凍結管を配置することを特徴とするシールドトンネル施工の凍結方法。
2. 前記凍結管を牽引装置により牽引して移動することを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル施工の凍結方法。
3. 前記先行シールドトンネル内に設置したケーシング内を前記凍結管が移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のシールドトンネル施工の凍結方法。
4. 先行シールドトンネル間に後行シールドトンネルをオーバーラップさせて掘削する施工法に用いる凍結装置であって、
   前記先行シールドトンネル内に配置され、一度の凍結領域の長さに対応させて牽引により移動可能な凍結管を備え、
   前記凍結管は、前記先行シールドトンネルのセグメント内周に沿って配置されるとともに、前記先行シールドトンネル内に構築された壁体に沿って配置されていることを特徴とするシールドトンネル施工の凍結装置。
5. 前記凍結管を牽引する牽引装置を備えることを特徴とする請求項４に記載のシールドトンネル施工の凍結装置。
6. 前記先行シールドトンネル内に設置され、前記凍結管が内部を移動するケーシングを備えることを特徴とする請求項４又は５に記載のシールドトンネル施工の凍結装置。
7. 前記凍結管には、当該凍結管の前進方向に対して後端が閉塞されて、当該凍結管の前進方向に対して前端に冷媒供給口と冷媒排出口が並んで開口するＵ字状冷媒通路が形成されていて、
   前記冷媒供給口及び冷媒排出口に接続する冷媒循環配管を備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のシールドトンネル施工の凍結装置。

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