JP6857097B2 - トンネルの構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、山岳トンネル工法によるトンネルの構築方法に関し、特にインバート部の掘削・支保のための補助工法に関する。

山岳トンネル工法は、トンネル周辺の岩盤や砂層等といった地山の支保機能を利用して、一般に馬蹄形に掘削し、掘削後に吹付コンクリート、ロックボルト及び鋼製支保等によって地山の安定性を確保する。
インバート部は、馬蹄形のトンネル断面の底部であって、ここを凹状に掘削して、コンクリートにより支保することで、トンネル断面を環状に閉合し、地質が不良な場所での外圧に対抗し、トンネルの変形を抑制する。

インバート部の掘削時において、地山が悪く、湧水がある場合は、地下水位低下工法（ウェルポイント工法）によりトンネル坑内の地下水位を低下させたり、止水工法である薬液注入工法などにより地山全体の改良を行ったりしてから、掘削する。
ウェルポイント工法は、ウェルポイントと称する集水管を地盤に設置し、地盤に負圧をかけて地下水を吸引する。
薬液注入工法は、注入プラントを用い、地山内の空洞に、薬液を注入する。

また、特許文献１には、インバート部の掘削に先立って、インバート部の地山を予め補強するため、次のような補助工法が提案されている。
インバート部を除くトンネル断面を所定距離掘削するごとに、切羽の底部の左右両端部から、前方斜め下向きで、内側に湾曲するような削孔、すなわち、クワガタの刃（大顎）のように曲がる削孔を設け、この削孔内に注入管を挿入して地盤改良材の注入を行う。
その後に、インバート部を掘削するわけであり、インバート部の掘削に先立って、インバート部の地山を地盤改良材により補強するようにしている。

特開２００３−３５０８６号公報

湧水のある砂層区間のインバート掘削時には、底盤がボイリングして掘削床付けできないリスクがある。すなわち、トンネル断面の側壁回りの地山からの湧水がインバート掘削部に回り込んで浸み出し、滞水することで、掘削できなくなるリスクがある。また、このときに流砂を生じ、側壁回りの地山から砂が流れ出して空洞が発生するリスクもある。
かかるリスクへの対策として、上記のウェルポイント工法や薬液注入工法を用いることが考えられる。

しかしながら、ウェルポイント工法は、地下水位を低下させるのに時間を要し、地下水位が低下するまで掘削に着手できないため、工程遅延が生じる可能性がある。特に砂層では、集水管に砂が詰まって集水できない状況となる恐れもあり、砂層の層厚が薄い場合は、ウェルポイント工法による地下水位低下が適用できない地山もある。また、排水設備も必要となる。
薬液注入工法は、地山全体を改良しようとするため、注入範囲が広範囲となって、大掛かりな注入設備が必要になると共に、地下水位、湧水量によっては、薬液注入による地盤改良効果を得るまでに、工程遅延、工事増が生じる。

特許文献１の工法は、インバート部を限定的に地盤改良するものであるが、それでも、インバート部のほぼ全域を囲むように改良しようとするため、かなりの範囲を改良することとなって、工程遅延、工事増が生じる。しかも、曲がりボーリングが必要となって、削孔に専用の装置が必要となる。また、地盤改良部とインバート掘削部とが重なるため、重なり具合を一定にするように、薬液注入位置や注入量を制御する必要があり、微妙な制御が求められる。

本発明は、このような実状に鑑み、比較的簡単な方法で、湧水のある砂層区間などでのインバート掘削を良好に行うことができる、トンネルの構築方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るトンネルの構築方法は、
後から掘削するインバート部を残して、当該インバート部より上側のトンネル断面を先行して掘削し、掘削坑の周壁（天壁及び側壁）を支保した後、
掘削坑の底部の左右両端部で、トンネル軸方向に並ぶ複数位置から、地山に、それぞれ下向きの直線状に、注入孔を削孔し、
前記注入孔を用いて、後から掘削する予定のインバート部を両側から挟むように、地山に地盤改良材を注入し、注入した地盤改良材による改良体の下端が後から掘削する予定のインバート部の底壁より低くなるようにし、
前記地盤改良材の注入後に、前記注入孔の左右の列間の前記インバート部を掘削し、掘削部の周壁（底壁）をコンクリートで支保することを特徴とする。

尚、後から掘削するインバート部を残して、当該インバート部より上側のトンネル断面を掘削する場合、インバート部と称される部分の地山を全部残してもよいし、意図的、あるいは結果的に、少なくとも下側部分が残るようにするだけでもよい。そもそも、これらの境を一義的に定めるのは難しく、実際の掘削において掘削高さが変動することも避けられないからである。

前記注入孔は、下向きで、かつ外側（側方）に向かって傾斜しているとよい。

また、前記注入孔は、下向きで、かつ前方（詳しくは、施工方向前方、すなわちインバート部の掘削の進行方向で見て、前方）に向かって傾斜しているとよい。
更に、前記注入孔は、前方に向かって傾斜することで、トンネルの側面視で、隣り合う前記注入孔がトンネル軸方向にラップしているとよい。

本発明によれば、インバート部の掘削に先立って、掘削予定のインバート部を両側から挟むように、地山に直線状に地盤改良材を注入して、地盤改良することにより、インバート部とトンネル断面の側壁回りとを縁切りして、地山の崩落を伴うトンネル断面の側壁回りからの湧水や流砂の発生を抑制することができ、工程、工事費の面で現実的な工法で、湧水のある砂層区間などでのインバート掘削を良好なものとすることができる。言い換えれば、地盤改良材の注入範囲が限定されるため、注入量を最小限に抑え、注入設備の小型化や、工程時間の短縮化などを図ることができる。

また、注入孔を外側（側方）へ傾斜させることで、上方からの流砂等を効果的に抑制することができる。

また、注入孔を前方へ傾斜させることで、未掘削領域である前方からの湧水や流砂の発生をも抑制できる。しかも、前方への傾斜により、トンネルの側面視で、隣り合う注入孔をトンネル軸方向に極力ラップさせることで、注入の過不足を補填できるので、地盤改良部がトンネル軸方向に面状につながりやすくなり、縁切り効果を高めることができる。

本発明の一実施形態として示す工程別のトンネルの正面縦断面図 同上のトンネルの側面図 同上のトンネルの平面図 インバート部掘削時のリスクの説明図 自穿孔ボルトの説明図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態として示すトンネル構築の工程別のトンネルの正面縦断面図であり、図１（ａ）はトンネル断面掘削及び支保工程の図である。

図１（ａ）の工程では、インバート部を除くトンネル断面を先行して掘削し、馬蹄形の掘削坑１を形成する。すなわち、後から掘削するインバート部を残して、当該インバート部より上側のトンネル断面を先行して掘削する。掘削方法としては、発破、機械及び人力等が挙げられる。そして、掘削坑１の周壁（天壁及び側壁）を吹付コンクリート、ロックボルト、及び、鋼製支保により、支保する。但し、吹付コンクリート及びロックボルトについては図示を省略し、鋼製支保２のみを図示している。

図２にトンネルの側面図、図３にトンネルの平面図を示すように、鋼製支保２は、トンネル軸方向に所定の間隔、例えば１．０ｍ間隔（中心間隔）で配置する。

馬蹄形のトンネル断面の掘削・支保後、馬蹄形のトンネル断面の底部であるインバート部３（図１（ｂ）参照）を凹状に掘削するが、湧水のある砂層区間では、次のようなリスクがある。
すなわち、図４に示されるように、湧水のある砂層区間のインバート部３の掘削時には、底盤がボイリングして掘削床付けできないリスクがある。すなわち、トンネル断面の側壁回りの地山からの湧水が掘削部に回り込んで浸み出し、滞水することで、掘削できなくなるリスクがある。また、このときに流砂を生じ、側壁回りの地山から砂が流れ出して空洞が発生するリスクもある。
そこで、本実施形態では、インバート部３の掘削に先立って、工程、工事費の面で現実的な地盤改良を行う。

図１（ｂ）は注入孔削孔（自穿孔ボルト挿入）及び地盤改良材注入工程の図である。
掘削坑１の底部の左右両端部で、トンネル軸方向に並ぶ複数位置から、地山に、それぞれ下向きの直線状に、注入孔４を削孔する。削孔径は例えば４５ｍｍ、削孔長は例えば２．０ｍである。

注入孔４は、隣り合う鋼製支保２の間から削孔して、トンネル軸方向に所定の間隔で配置されるようにする。従って、鋼製支保２の間隔が例えば１．０ｍの場合、前後に並設される鋼製支保２の間に、注入孔４が２本ずつ形成されるように、注入孔４は０．５ｍ間隔で形成する（図２及び図３参照）。

ここで、注入孔４は、図１（ｂ）の正面図（及び、図３の平面図）からわかるように、外側（側方）に向かって傾斜させる。外側への傾斜角度θ１は、鉛直方向を０°とすると、２５°〜４５°の範囲が好適で、例えば３５°とする。

また、注入孔４は、図２の側面図（及び、図３の平面図）からわかるように、前方に向かって傾斜させる。
ここでいう「前方」とは、施工方向前方、すなわちインバート部の掘削の進行方向の前方である。従って、坑口側から切羽側へインバート部を掘削する場合は、切羽側の前方である。

前方への傾斜角度θ２は、トンネルの側面視で、前後方向に隣り合う注入孔４がトンネル軸方向にラップするように設定する。すなわち、注入孔４の先端部が、その前方の注入孔４の基端部より、トンネル軸方向の前方に位置するように傾斜させる。言い換えれば、トンネル軸と直交するどの面で切っても、注入孔４が存在するように、ラップさせる。

従って、前方への傾斜角度θ２（鉛直方向を０°とする）は、注入孔４の前後方向の間隔と、注入孔４の長さとによるが、例えば、注入孔４の間隔が０．５ｍで、注入孔４の長さが２．０ｍの場合、sinθ２＝１／４より、θ２＝１５°以上に設定する。
尚、前方への傾斜角度θ２を上記の１５°より大きくすれば、よりラップするようになるが、大きくしすぎると、鋼製支保２との干渉が懸念されるので、干渉しない範囲で設定する必要がある。

注入孔４は、具体的には、中空の自穿孔ボルト５により削孔し、自穿孔ボルト５はそのまま残置する。従って、自穿孔ボルト５の中空部が地盤改良材の注入孔となる。これは「注入式フォアポーリング」と呼ばれる工法である。
「注入式フォアポーリング」は、従来のフォアポーリング（径によってはフォアパイリングともいう）に中空ボルトを用い、その中空部を利用して、セメントミルク、ウレタン、シリカレジン等の薬液を注入する工法であり、トンネル天端部の掘削の補助工法の１つである先受工法として実施されているが、本実施形態では、インバート掘削の補助工法として用いる。

自穿孔ボルト５は、図５に示されるように構成される。
自穿孔ボルト５は、中空で、ロックボルトと同様、外周部に全長にわたってロープネジ５１が形成されており、先端部に削孔ビット５２が取付けられている。従って、自穿孔ボルト５を回転させながら地山に挿入することで、地山に打ち込むことができる。

削孔ビット５２の径は所望の削孔径に対応する例えば４５ｍｍに設定され、この場合に自穿孔ボルト５（ロープネジ部）の径は例えば３２ｍｍに設定される。また、自穿孔ボルト５は図示しないジョイントパイプにより継ぎ足し可能で、これにより必要な長さ（例えば２．０ｍ）に設定される。

自穿孔ボルト５にはまた、先端部の削孔ビット５２に中空部５３と連なる開孔５４が設けられる他、長手方向複数箇所の中間部外周に中空部５３と連なる開孔５５が形成される。これにより、基端部５６側から必要により注入ホースを介して中空部５３内に注入される地盤改良材を先端部及び中間部の開孔５４、５５から地山に噴出させることができる。

図１（ｂ）の注入孔削孔（自穿孔ボルト挿入）及び地盤改良材注入工程では、自穿孔ボルト５による注入孔４の削孔後、自穿孔ボルト５の基端部５６側から地盤改良材を注入する。これにより、自穿孔ボルト５の先端部及び中間部の開孔５４、５５から地盤改良材を地山に注入し、自穿孔ボルト５回りの地山を地盤改良することができる。

注入する地盤改良材は、セメントミルク、ウレタン、シリカレジン等の薬液であり、特に限定されるものではないが、例えばウレタン系シリカレジンを好適に用いることができる。また、注入可能であれば、セメントミルクやモルタル等の充填材を用いてもよい。

尚、注入孔削孔及び地盤改良材注入は、最終的な注入孔４（自穿孔ボルト５）の列（０．５ｍ間隔の列）に対し、１つ置き（１．０ｍ間隔）に行い、これが終了した後に、各中間位置に、注入孔削孔及び地盤改良材注入を行って、段階的に地盤改良を行うとよい。

図１（ｃ）は地盤改良後のインバート部掘削及び支保工程の図である。
前工程での注入孔４（自穿孔ボルト５）を用いた地盤改良材の注入により、削孔予定のインバート部３を両側から挟むように、言い換えれば、インバート部３とトンネル側壁回りとを縁切りするように、円柱状の改良体Ｋが形成されている。そして、円柱状の改良体Ｋは前後にほぼ面状につながっている。尚、各改良体Ｋの中心部の自穿孔ボルト５はそのまま残置（埋め殺し）される。

改良体Ｋの形成後、インバート部３を、坑口側から切羽側へ向かって、１スパンずつ、凹状に掘削する。そして、掘削部６の底壁上にコンクリートを打設して、コンクリート支保７を形成することで、トンネル断面をリング状に閉合する。

また、インバート部３での作業中（掘削中、コンクリート打設中、あるいは、打設後の養生・硬化中）は、当該インバート部３を跨ぐように、切羽側と坑口側とをつなぐインバート桟橋を設けて、作業車両の通過等を可能にする。これにより、切羽の進行を止めずにインバート部の施工を行うことができる。

インバート部３のコンクリート支保７の形成後は、コンクリート支保７上でインバート部３の埋め戻しを行い、埋め戻した地盤上にトンネル床版部を形成する。

本実施形態によれば、インバート部３の掘削に先立って、掘削予定のインバート部３を両側から挟むように、地山に直線状に地盤改良材を注入して、地盤改良することにより、インバート部３とトンネル断面の側壁回りとを縁切りして、地山の崩落を伴うトンネル断面の側壁回りからの湧水や流砂の発生を抑制することができ、工程、工事費の面で現実的な工法で、湧水のある砂層区間などでのインバート掘削を良好なものとすることができる。言い換えれば、地盤改良材の注入範囲が限定されるため、注入量を最小限に抑え、注入設備の小型化や、工程時間の短縮化などを図ることができる。

また、本実施形態によれば、注入孔４（自穿孔ボルト５）を外側へ傾斜させることで、上方からの流砂等を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、注入孔４（自穿孔ボルト５）を前方へ傾斜させることで、未掘削領域である前方からの湧水や流砂の発生をも抑制できる。しかも、前方への傾斜により、トンネルの側面視で、隣り合う注入孔４をトンネル軸方向に極力ラップさせることで、注入の過不足を補填できる。これにより、地盤改良部がトンネル軸方向に面状につながりやすくなり、縁切り効果を高めて、湧水や流砂の発生をより確実に抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、掘削坑１の周壁は、トンネル軸方向に所定の間隔で配置される鋼製支保２により支保し、注入孔４は、隣り合う鋼製支保２の間から削孔することができるので、注入孔４の削孔作業に支障を来すことはない。

また、本実施形態によれば、注入孔４は、中空の自穿孔ボルト５により削孔し、この自穿孔ボルト５の中空部を利用して、地盤改良材を注入し、自穿孔ボルト５は、残置（埋め殺し）することにより、次のような効果が得られる。
砂層への削孔は、孔が自立せず、閉塞してしまう恐れがあるが、自穿孔ボルト５を使用することで、良好な削孔が可能となる。
また、中空の自穿孔ボルトを用いたウレタン系注入式フォアポーリングは、トンネル断面掘削時の天壁側での先受工法として既に実施され、効果が実証されているため、地盤改良の信頼性は高い。よって、これをインバート掘削の補助工法として用いることで、インバート掘削についても同様な効果が期待できる。

尚、上記実施形態では、インバート部は、トンネル断面の掘削の進行に合わせて、坑口側から切羽側へ掘削したが、インバート部については、トンネル断面の掘削後、切羽側から坑口側へ掘削することもできる。この場合、地盤改良のための注入孔（自穿孔ボルト）は、切羽側前方ではなく、施工方向前方（インバート部の掘削の進行方向で前方）に傾斜させるのが望ましい。

また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 掘削坑
２ 鋼製支保
３ インバート部
４ 注入孔
５ 自穿孔ボルト
６ 掘削部
７ コンクリート支保

Claims (4)

1. 後から掘削するインバート部を残して、当該インバート部より上側のトンネル断面を先行して掘削し、掘削坑の周壁を支保した後、
   掘削坑の底部の左右両端部で、トンネル軸方向に並ぶ複数位置から、地山に、それぞれ下向きの直線状に、注入孔を削孔し、
   前記注入孔を用いて、後から掘削する予定のインバート部を両側から挟むように、地山に地盤改良材を注入し、注入した地盤改良材による改良体の下端が後から掘削する予定のインバート部の底壁より低くなるようにし、
   前記地盤改良材の注入後に、前記注入孔の左右の列間の前記インバート部を掘削し、掘削部の周壁をコンクリートで支保することを特徴とする、トンネルの構築方法。
2. 前記地盤改良材の注入に際し、前記注入孔ごとに形成される改良体が、トンネル軸方向に並ぶ注入孔間で、面状につながるようにすることを特徴とする、請求項１記載のトンネルの構築方法。
3. 前記注入孔は、下向きで、かつ外側に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のトンネルの構築方法。
4. 前記注入孔は、下向きで、かつ前方に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のトンネルの構築方法。

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