JP6778061B2

JP6778061B2 - 可縮部材およびトンネル

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Publication number: JP6778061B2
Application number: JP2016174239A
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: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: JP2018040147A

Description

本発明は、可縮部材およびトンネルに関する。

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およびトンネル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、トンネル支保工を構成する吹付けコンクリートまたは鋼製支保工を横断するように配設され、前記トンネル支保工とともにトンネル支保構造を構成する。また、当該可縮部材は、対向する二面を被加圧面としていて、多孔質体を含むセメント系硬化体からなる本体部と、前記本体部の前記被加圧面以外の面に被覆された補強体とを備えており、前記補強体は、前記本体部にらせん状に巻き付けられたシート材であることを特徴としている。なお、補強体は、前記シート材の縁同士が重ねられた状態でらせん状に巻き付けられているのが望ましい。また、前記補強体は、前記シート材を多重に巻き付けて、複層構造にしてもよい。
また、本発明のトンネルは、アーチ状あるいはリング状のトンネル支保工と、前記トンネル支保工を横断するように配設された前記可縮部材とを備えていることを特徴としている。

かかる可縮部材では、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、トンネル支保工を横断するように当該可縮部材を配設した場合には、本体部が変形した場合であっても、トンネルの支保構造の耐力が急激に低下することが防止される。また、補強体は、帯状のシート材を本体部にらせん状に巻き付けることにより形成されているため、本体部から剥がれ難い。そのため、本体部が変形した場合であっても、本体部の拘束効果を維持することができる。また、本体部が軸圧縮した際には、シート材が本体部の軸方向（トンネル周方向）にスライドして重なり合うので本体部に対する拘束効果が向上する。また、前記帯状のシート材を多重に巻き付けることで、拘束効果の向上および靭性の向上が期待できる。

また、可縮部材は、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。
さらに、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を可能としている。

本発明の可縮部材およびトンネルによれば、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斜視図、（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。本実施形態の可縮部材の実験結果を示すグラフである。他の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の一部に可縮部材３が介設された支保構造について説明する。
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。
可縮部材３は、図３に示すように、円柱状に形成された本体部４と、本体部４の対向する二面（被加圧面）以外の面に周設（被覆）された帯状の繊維シート（シート材）５からなる補強体とを備えている。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、四角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。

繊維シート５は、図３に示すように、その縁同士が重ねられた状態で、本体部４にらせん状に巻き付けられている。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織布を使用する。この織布は、いわゆる土木シートとして一般的に使用されている。繊維シート５は、上記織布を５ｃｍ巾の帯状に裁断して形成する。本実施形態では、繊維シート５を巻き付ける際の重ね合わせ代を１ｃｍとする。なお、繊維シート５の幅および重ね合わせ代は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。

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に巻き付ける。すなわち、本体部４のトンネル周方向の端面（被加圧面）は、繊維シート５で被覆されることなく露出している。なお、繊維シート５は、本体部４に対して、多重に巻き付けてもよい。また、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。
本実施形態では、本体部４にプライマーを塗布して、本体部４側面の凹凸を平滑化した後、エポキシ樹脂を適量塗布する。その後、繊維シート５を巻き付けた後、可縮部材３（繊維シート５）の外周囲にエポキシ樹脂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、接着剤はエポキシ樹脂に限定されるものではない。さらに塗布範囲も本体部４側面全体に必ずしも塗布する必要はない。

本実施形態の可縮部材３によれば、繊維シート５により脆性的な破壊を抑制し、本体部４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４が変形した場合であっても、トンネルの支保構造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、帯状の繊維シート５は、本体部４にらせん状に巻き付けられているため、本体部４がトンネル周方向に圧縮（軸圧縮）された場合であっても、繊維シート５はスライドして、たわむことなく本体部の拘束効果を維持することができる。また、本体部４が軸圧縮した際に繊維シート５がスライドすることで、繊維シート５が積層された状態となるため、側方の拘束効果が向上する。

また、可縮部材３は、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の支保構造の変形を可縮部材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（支保構造）としての安全性を維持することができる。本体部４は、繊維シート５により被加圧面以外の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は三軸圧縮状態となり、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。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。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を可能としている。可縮部材３を構成する本体部４および繊維シート５は、比較的入手しやすい材料により構成されているため、安価である。

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円柱状の本体部４の側面（被加圧面以外の面）に、ポリプロピレン製の繊維シート５をらせん状に巻き付けた可縮部材３について、一軸圧縮試験を行った。可縮部材３は、直径φ１００ｍｍ、高さＨ２００ｍｍの本体部４に、５ｃｍ巾の繊維シート５を重ね代１ｃｍで巻き付けた。
本実験では、繊維シート５を一重に巻き付けたもの（実施例１）と、二重に巻き付けたもの（実施例２）について一軸圧縮試験を行った。また、比較例１として、本体部４の高さ（Ｈ２００ｍｍ）と同じ幅の繊維シートを本体部４の外面に１周させた供試体についても一軸圧縮試験を行った。さらに、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。
試験結果を図４に示す。

図４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。一方、実施例１は、本体部４の降伏後、３０％ひずみまで応力が持続する結果となった。したがって、本実施形態の可縮部材３により、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。
また、比較例１と実施例１とを比較すると、比較例１では、ひずみ１５％を超えたあたりから応力が低下しはじめるのに対し、実施例１はひずみが３０％程度になるまで応力低下が生じなかった。これは、繊維シート５をらせん状に巻き付けることで、本体部４に軸圧縮（トンネル周方向の圧縮）が生じても、繊維シート５には剥がれが生じず、繊維シート５の破断強度まで繊維シート５が本体部４の側方変形を抑制したためによる。したがって、繊維シート５をらせん状に巻き付けることで、本体部４の拘束効果が向上することが実証された。

また、本体部４の降伏後の硬化過程の応力−ひずみ関係の傾き（勾配）の傾向は、比較例１と実施例１との間でほとんど同じであった。そのため、繊維シート５をらせん状に巻き付けることで、本体部４の拘束効果（側方への変形抑制効果）は繊維シートを普通に巻き付けた場合（比較例１）と同じでありながら、より大きな軸ひずみまで追随できることがわかる。
ここで、「硬化過程」とは、本体部４の降伏後の軸ひずみの範囲にあって、軸圧縮変形によって生じる本体部４の側方変形が、繊維シート巻付け時の緩み、弛みを解消し、繊維シート５が本体部４の側方変形を有効に拘束しだすことによって、軸ひずみの増加に伴い軸応力が増加していく軸ひずみの範囲を意味する。

また、繊維シート５を二重に巻いた実施例２は、一重に巻いた実施例１よりも硬化過程の勾配が大きくなる。また、実施例１が３０％ひずみまで応力が持続するのに対し、実施例２では３５％ひずみまで応力が持続することを達成できた。したがって、繊維シート５を二重に巻くことで、可縮部材３の靭性がより向上することがわかる。また、繊維シート５を複数層（複数回）巻き付ける場合に、層毎に繊維シートの種類を、変更することで（例えば、１重目を２７００Ｎ／５ｃｍ幅、２重目を１０００Ｎ／５ｃｍ幅とするなど）、硬化過程の勾配を調整することが可能であると考えられる。

次に、パーライトを骨材としたモルタルからなる２０ｃｍ角の立方体の本体部４に５ｃｍ巾の繊維シート５を重ね代１ｃｍで巻き付けた可縮部材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、繊維シート５を一重に巻き付けたもの（実施例３）と、二重に巻き付けたもの（実施例４）について行った。試験結果を図５に示す。
図５に示すように、実施例３では４０％ひずみまで応力が持続することが達成でき、実施例４では５０％ひずみまで応力が持続することを達成できた。この結果、本体部４が角柱状の場合であっても、繊維シート５を二重に巻いた実施例４が、一重に巻いた実施例３よりも硬化過程の勾配が大きくなる結果となった。

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、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５は、本体部４の側面を拘束することができれば、必ずしもその縁同士を重ねた状態で巻き付ける必要はない。
補強体を構成する材料は、帯状のシート材であれば、必ずしも繊維シートである必要はない。

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

トンネル支保工を構成する吹付けコンクリートまたは鋼製支保工を横断するように配設され、前記トンネル支保工とともにトンネル支保構造を構成する可縮部材であって、
多孔質体を含むセメント系硬化体からなり、対向する二面を被加圧面とする本体部と、
前記本体部の前記被加圧面以外の面に被覆された補強体と、を備えており、
前記補強体は、前記本体部にらせん状に巻き付けられたシート材であることを特徴とする、可縮部材。
前記シート材は、その縁同士が重ねられた状態でらせん状に巻き付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の可縮部材。
前記シート材を前記本体部に多重に巻き付け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。
アーチ状あるいはリング状のトンネル支保工と、
前記トンネル支保工を横断するように配設された請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の可縮部材と、を備えていることを特徴とする、トンネル。