JP6769754B2

JP6769754B2 - 可縮部材

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Publication number: JP6769754B2
Application number: JP2016129146A
Authority: JP
Inventors: 一雄坂井; 卓也谷; 金子　哲也; 哲也金子
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018003361A

Description

本発明は、トンネル内空の安定化に寄与する可縮部材に関する。

ＮＡＴＭ等の山岳トンネル工法では、掘削により露出した地山面に吹き付けられた吹付けコンクリート、地山面に沿って組み立てられた鋼製支保工および地山に打設されたロックボルト等のトンネル支保工により安全性を確保している。
大土被りのトンネルでは、トンネル周辺の地山の変形量が増大し、トンネル支保工に対して大きな応力が発生する場合がある。断層破砕帯や膨張性地山を掘進することにより形成されたトンネル等でも同様である。
大きな応力が作用することが予想されるトンネルでは、トンネル支保工の剛性や強度を増加させる場合がある。
また、特許文献１には、トンネル支保工の一部に形成された隙間に、体積比１．０％近い鋼繊維と中空粒子とを含有する繊維補強セメント系材料からなる可縮部材を介設し、地山の変形をこの可縮部材により吸収するトンネルの安定化方法が開示されている。

特開２００５−２３２９５８号公報

鋼製支保工の断面性能の向上や高剛性化や、吹付けコンクリートの増強や吹付け厚の増加等によりトンネル支保工の剛性や強度を増加させると、材料費および施工の手間が増加するとともに、トンネルの断面寸法にも影響がおよぶ。
また、特許文献１の可縮部材は、材料が高価であるとともに、鋼繊維と中空粒子とを特殊な配合で混合するため、製造に手間がかかる。
そのため、本発明は、簡易かつ安価に製造することができ、なおかつ、トンネル内空の安定を確保することを可能とした可縮部材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、本発明の可縮部材は、吹付けコンクリートや鋼製支保工等のアーチ状あるいはリング状のトンネル支保工を横断するように当該トンネル支保工に介設された可縮部材であって、セメント、多孔質材および水を含むセメント系材料の硬化体からなる本体部と、前記本体部に巻き付けられた補強体とを備えており、前記本体部の圧縮強度が前記トンネル支保工の圧縮強度よりも低いことを特徴としている。
なお、前記補強体は、トンネル周方向に対して交差する方向で前記本体部に周設されているのが望ましい。また、前記補強体には、ポリプロピレン繊維からなる織布を使用すればよい。

かかる可縮部材では、多孔質材を使用することによりトンネル支保工よりも低強度の本体部が形成されている。一般的にコンクリートは強度と剛性が正の相関があり、本体部の強度が周辺のトンネル支保工の強度よりも低ければ、本体部の剛性も同様に周辺のトンネル支保工の剛性よりも小さい。したがって、地山に変形が生じた場合であっても、変形が可縮部材に集中するので、トンネルの支保構造を維持することを可能としている。また、補強体によって脆性的な破壊を抑制し、本体部に適切な拘束力を与えることで、靭性を確保している。したがって、本体部が変形した場合であっても、トンネル支保工としての耐力が急激に低下することが防止されている。また、本体部は、セメント系固化材と多孔質材との混合体により構成されているため、鋼繊維を多量に含むコンクリートと比較して容易に練り混ぜることができ、製造時の手間の低減化を可能としている。

本発明の可縮部材によれば、大土被りトンネルで大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、簡易かつ安価にトンネル内空の安定を確保することが可能となる。

（ａ）は本実施形態に係るトンネルを示す断面図、（ｂ）はトンネルの支保構造を示す縦断図である。（ａ）は可縮部材の設置状況を示す断面図、（ｂ）は他の形態に係る可縮部材の設置状況を示す斜視図である。可縮部材を示す斜視図である。繊維シートの部分拡大図である。繊維シートの効果を確認するために行った実験結果を示すグラフである。本実施形態の可縮部材の実験結果を示すグラフである。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように、ＮＡＴＭ工法により構築するトンネル１において、トンネル支保工２の一部に介設する可縮部材３について説明する。
本実施形態のトンネル支保工２は、図１（ｂ）に示すように、吹付けコンクリート２１、鋼製支保工２２およびロックボルト２３を備えている。
吹付けコンクリート２１および鋼製支保工２２は、アーチ状（馬蹄形状）に形成されている。なお、吹付けコンクリート２１および鋼製支保工２２の形状は限定されるものではなく、リング状であってもよい。

トンネル支保工２は、地山Ｇの掘削により露出した地山Ｇ（トンネル周囲３）に対して一次吹付け２１ａ（吹付けコンクリート２１の一部）を行った後、鋼製支保工２２を建て込み、さら二次吹付け２１ｂ（吹付けコンクリート２１の残り部分）およびロックボルト２３の打設を行うことにより形成する。鋼製支保工２２は、前回の施工サイクルで建て込まれた鋼製支保工２２から所定の間隔をあけて建て込む。ロックボルト２３の打設は、トンネル１の周囲の地山に対してロックボルト孔を穿孔し、このロックボルト孔にロックボルト２３を挿入することにより行う。
なお、トンネル支保工２の構成は、地山状況に応じて適宜変更することが可能である。例えば、吹付けコンクリート２１の吹付け厚さや、鋼製支保工の配設ピッチや鋼材寸法等を適宜変更してもよい。また、ロックボルト２３に代えてフォアポーリング工法やＡＧＦ工法等を採用してもよい。さらに、必要に応じて補助工法を組み合わせてもよい。また、吹付けコンクリート２１は、必ずしも複数の層（一次吹付け２１ａおよび二次吹付け２１ｂ）に分ける必要はない。また、ロックボルト２３は、一次吹付け２１ａの施工後に、鋼製支保工２２の建て込みとともに打設してもよい。

可縮部材３は、図１（ａ）に示すようにアーチ状に形成された吹付けコンクリート２１を横断するように配設されている。本実施形態では、予め所定の位置に可縮部材３を配置した状態で地山Ｇに対して吹付けコンクリート２１を吹き付けることで、可縮部材３を配置する。なお、可縮部材３の吹付けコンクリート２１への設置方法は限定されるものではなく、例えば、吹付けコンクリート２１の施工後に可縮部材を設置するための凹部を形成してもよい。または、吹付けコンクリート２１の施工時に、箱抜き等により予め吹付けコンクリート２１にトンネル軸方向に沿った間隙を形成しておき、この間隙に可縮部材３を配設してもよい。また、一次吹付け２１ａの施工後に、二次吹付け２１ｂを横断するように可縮部材３を配置し、二次吹付け２１ｂの施工を行ってもよい。

本実施形態では、トンネル１の１つの横断面に対して可縮部材３が４カ所に配設されている。なお、可縮部材３の数および配置は限定されるものではない。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、トンネル１の軸方向に対して、複数の可縮部材３が連続的に配設されている。隣り合う可縮部材３同士の間および可縮部材３の背面（地山Ｇの面）には、隙間が形成されているのが望ましい。また、可縮部材３は、間欠的に配設してもよい。また、可縮部材３は、図２（ｂ）に示すように、鋼製支保工２２を構成する鋼材２２ａ同士の間に介設してもよい。
図３に示すように、可縮部材３は、四角柱状に形成された本体部４と、本体部４に周設された繊維シート（補強体）５とを備えている。なお、可縮部材３の形状は限定されるものではなく、例えば、円柱状であってもよい。

本体部４は、モルタルの硬化体により形成されている。モルタルは、セメントと、多孔質材と、水とを含んでいる。本実施形態では、多孔質材として、パーライトを使用する。ここで、本明細書における「パーライト」とは、岩石材料（例えば黒曜石等の火山岩）を高温で急速に加熱発泡させてできる多孔質軽量骨材である。なお、多孔質材は、空隙を多く含む粒状体であればパーライトに限定されるものではなく、例えば、いわゆる人工軽量骨材、発泡煉石、ガラス発泡体または発泡スチロール粒を使用してもよい。また、多孔質材には、市販されている材料を使用してもよいし、可縮部材３用に製造した材料を使用してもよい。また、本体部４は、モルタルに限定されるものではなく、例えば、コンクリートであってもよい。本体部４の配合は限定されるものではないが、本体部４の圧縮強度が、吹付けコンクリート２１の圧縮強度よりも低くなる配合とする。なお、本体部４の圧縮強度は、多孔質材の強度に依存することが予想されるため、所望の圧縮強度が確保できる多孔質材を選定あるいは製造するのが望ましい。

本実施形態では、繊維シート５として、ポリプロピレン繊維を縦横に織ることにより形成された、いわゆる土木シートとして一般的に使用されている織布を使用する（図４参照）。なお、繊維シート５を構成する繊維はポリプロピレンに限定されるものではなく、例えば、アラミド繊維やポリエチレン繊維等であってもよい。繊維シート５は、トンネル周方向に対して交差する方向で本体部４に巻きつける。すなわち、本体部４のトンネル周方向の端面は、繊維シート５で被覆されることなく露出している。本実施形態では、本体部４の高さと同一の幅を有する繊維シート５を、本体部４に対して１周（一重）させた後、繊維シート５の一方の端部を他方の端部に重ねた状態で接着する。なお、繊維シート５は、本体部４に対して、複数回（多重）巻き付けてもよい。また、補強体（繊維シート５）は、本体部４の全方向を覆っていてもよい。
本実施形態では、本体部４に繊維シート５を巻き付けた後、可縮部材３（繊維シート５）の外周囲にプライマーを塗布して繊維シート５に浸み込ませる。なお、プライマーは必要に応じて塗布すればよい。また、プライマーは吹付けてもよい。

本実施形態の可縮部材３によれば、吹付けコンクリート２１よりも低強度の本体部４を備えているため、外力によるトンネル支保工２の変形を可縮部材３に集中させることができる。そのため、トンネル支保工２の変形が生じることがなく、トンネル１の覆工（支保工）としての安全性を維持することができる。
また、骨材として、多孔質材（パーライト）を使用しているため、吹付けコンクリート２１よりも低強度の本体部４を容易に形成することができる。

本体部４は、繊維シート５により外周囲が拘束されているため、本体部４の圧縮時に生じる側方への変形が抑制される。そのため、本体部４は三軸状態となり、降伏後も可縮部材３全体として応力が急激に低下することがない。すなわち、繊維シート５が周設されていることにより可縮部材３の靭性が確保されているため、本体部４が変形した場合であっても、トンネル支保工としての耐力が急激に低下することが防止されている。
また、本体部４は、セメント系固化材と多孔質材との混合体により構成されているため、鋼繊維を多量に含むコンクリートと比較して容易に練り混ぜることができ、製造時の手間の低減化を可能としている。
さらに、可縮部材３は、設計上で必要とされる強度において、本体部４および繊維シート５（補強体）の剛性および強度を変更することができる。

繊維シートによる拘束効果の確認するため実施した実験結果について説明する。
まず、鋼繊維と中空粒子とを含有する繊維補強セメント系材料からなる９ｃｍ角のブロック体に、炭素繊維シート、アラミド繊維シートまたはポリエチレンテレフタレート繊維シートを周設した可縮部材（実施例１〜３）について、一軸圧縮試験を行った。表１に各実施例で使用した繊維シートを示す。また、比較例１として、鋼繊維と中空粒子とを含有する繊維補強セメント系材料からなる９ｃｍ角のブロック体について、一軸圧縮試験を実施した。図５に実験結果を示す。

図５に示すように、繊維シートを巻きつけることで、ブロック体が降伏した後も、側方変位が拘束されて、応力の低下を抑える効果が得られる結果となった。また、繊維シートを有していないブロック体（比較例１）に比べて、降伏強度が増加する結果となった。したがって、ブロック体（本体部）に繊維シートを周設すれば、繊維シートの拘束効果によって、応力の急激な低下を抑制することが可能であることが確認できた。

次に、本実施形態の可縮部材３について、一軸圧縮試験を行った結果について説明する。
本実験では、パーライトを骨材としたモルタルからなる本体部４に、ポリエチレン（ＰＥ）繊維シート、ポリエチレンテレフタレート繊維シートまたはポリプロピレン繊維シートが周設された可縮部材３（実施例４〜７）についてそれぞれ一軸圧縮試験を行い、繊維シート５による拘束効果の確認を行った。なお、ポリプロピレン繊維シートについては、引張強度が異なる２種類の繊維シートを使用した。また、本実験では、比較例２として本体部４にエポキシ樹脂のみを塗布した可縮部材に対しても一軸圧縮試験を行った。なお、実施例４〜７に使用した繊維シートを表２に示す。また、試験結果を図６に示す。

図６に示すように、エポキシ樹脂のみ（比較例２）では拘束効果がほとんどなく、本体部の降伏後、すぐに応力が低下する結果となった。
実施例４のポリエチレン繊維シートは、本体部の降伏後、７％程度のひずみまで拘束した後、破断して応力が低下する結果となった。
実施例５のポリエチレンテレフタレート繊維シートは、１５％程度のひずみまで拘束した後、破断して応力が低下する結果となった。
実施例６の引張強度の低いポリプロピレン繊維シートを使用した場合は、長期間にわたって応力が急激に低下することがない結果が得られた。
実施例７の引張強度の高いポリプロピレン繊維シートを使用した場合は、１８％程度から応力が低下する傾向にあるものの、３０％程度のひずみで５ＭＰａ程度の応力を保つ結果となった。
このように、本体部４に繊維シート５が周設された本実施形態の可縮部材３によれば、本体部４の降伏後も拘束効果が得られることが確認できた。特にポリプロピレン繊維シートを使用すれば、長期間にわたって応力の急激な低下を抑えられることが確認できた。

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。
例えば、補強体（繊維シート５）は、本体部４を拘束することが可能であれば、必ずしもトンネル周方向に対して交差する方向で本体部４に周設する必要はない。例えば、トンネル軸方向に対して交差する方向で本体部４に周設してもよい。
また、補強体を構成する材料は、本体部４の少なくとも１方向（前記実施形態ではトンネル周方向と交差する方向）を周設することが可能であればよく、シート状のものに限定されるものではない。例えば、筒状の部材であってもよいし、有底の容器や袋状の容器であってもよい。

１トンネル
２トンネル支保工
２１吹付けコンクリート
２２鋼製支保工
３可縮部材
４本体部
５繊維シート（補強体）

Claims

アーチ状あるいはリング状のトンネル支保工を横断するように当該トンネル支保工に介設された可縮部材であって、
セメントと、多孔質材と、水とを含むセメント系材料の硬化体からなる本体部と、
前記本体部に巻き付けられた補強体と、を備えており、
前記本体部の圧縮強度が、前記トンネル支保工の圧縮強度よりも低いことを特徴とする可縮部材。
前記補強体が、トンネル周方向に対して交差する方向で前記本体部に周設されていることを特徴とする、請求項１に記載の可縮部材。
前記補強体がポリプロピレン繊維からなる織布であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の可縮部材。
前記トンネル支保工が吹付けコンクリートまたは鋼製支保工であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の可縮部材。