JP7010312B2 - 地山補強工法 - Google Patents

Description

本発明は、山岳トンネルの施工における地山補強工法に関する。更に詳しくは、山岳トンネルの施工における下部地山掘削時の地山崩落や変位、変状を抑制する地山補強工法に関する。

脆弱な不良地山で山岳トンネルを掘削する方法のひとつには、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示す図８、図９に示すように、上半部１と下半部２およびインバート部２－１に分けて、上半部１をトンネル軸に沿って先行して掘削する上半先進ベンチカット工法がある。
上半部切羽１５の安定を確保しつつトンネルの変位を抑制するために、１掘進ごとに鋼製支保工（不図示）を建て込み、吹付コンクリート４１を吹き付け後、ロックボルト（不図示）を打設して支保構造を形成する。
上半部１を一定の区間に亘って掘進後、下半部２の掘削および上半部１と同様な支保構造を形成する。
また、インバート部２－１においては、トンネルの変形や沈下状況に応じて支保構造や構築時期が異なってくる。
早期に変位抑制が必要な場合は、床付け面２８に湾曲したインバートストラット７１を設置し、吹付けコンクリートを吹き付けて一次インバートを形成して、トンネル断面を閉合する。
一方、早期に変位抑制が不要な場合は、覆工コンクリート４２の施工前までにインバートコンクリート７２を構築してトンネル断面の閉合を行う。
このように、トンネル断面を円環構造にしてトンネルの安定化を図っている。
なお、図９において、覆工コンクリート４２、インバートコンクリート７２は記載を省略している。

ここで、未固結地山に山岳トンネルを施工する場合、以下の（ア）～（ウ）の問題が考えられる。
（ア）地山強度が小さく、切羽の自立性が悪い。（イ）地山の強度が小さく、剛性が低いため、掘削時に地山の変形が大きくなる。（ウ）湧水が生ずる場合があり、切羽が不安定になりやすい。
地山に過大な変形が生じると切羽の崩落や不安定化の原因となるので、地山の変形を極力抑制する必要がある。さらに、小土被りで近接構造物等がある場合には、これらの近接構造物等の機能に支障を与えないように地山の変形（特に沈下）を抑制する対策が必要である。

このような対策として、最も有効なものの一つに、図８、図９に示すように、トンネル上半部１、下半部２およびインバート部２－１の早期閉合がある。「早期閉合」とはトンネル掘削後の極力早い時期に上半部１、下半部２およびインバート部２－１に仮インバートを施工してトンネル断面の形状を円形に近づけるもので、多くは上半部１の路盤（以下、「上半盤」という。）１２aや下半部２の路盤（以下、「下半盤」という。）２２aに吹付けコンクリートを施工して仮インバートとすることにより達成される。
また、インバート部２－１については、変位状況により床付け面２８に吹付けコンクリートを施工して仮インバートとする場合やインバートストラットと吹付けコンクリートによる仮インバートとする場合がある。ここで、「下部地山３」とは、下半部２とインバート部２－１とを合わせた総称をいう。
しかし、このような早期閉合が必要な地山は崩壊性が高いため、上半仮インバート６０を設置した後に下部地山３を掘削する際に下部地山３の崩落が発生しやすい。このような場合には下部地山３の崩落によって地山の緩み範囲がさらに増大し、トンネルに大きな変位が生じる。
特に脆弱な地山ではインバートの曲率半径が小さいトンネル形状となるため、インバートの掘削深さが大きくなり、インバート切羽２５の不安定化に起因した地山の緩み拡大や地表面沈下が懸念される。

例えば、図９に示すように、トンネル掘削に際しては、上半部１を掘削して、上半部切羽１５まで掘削しながら、掘削箇所である上半盤１２ａには、上半仮インバート６０を設置する。そして、下半部２を掘削して、下半部切羽１３まで掘進する。その後、床付け面２８まで掘削する。そして、床付け面２８上にインバートストラット７１を設置してコンクリートを吹き付け、その上部に一次埋め戻し材８０を積層して道路の基礎を形成する。なお、埋め戻し直前の箇所８５は、一次埋め戻し材に対する土留め壁を示している。
しかしながら、インバート切羽２５が不安定であると、図９に示すように、原点Ｏを中心とした所定の曲率半径Ｒの円弧すべり面Ｓが生じやすく、この円弧すべり面Ｓに沿って地すべりが発生するおそれがある。

ここで、掘削に際して下部地山を補強するための技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）
この特許文献１に記載の下部地山補強工法は、トンネルの上半部の切羽手前の底部両端から、鉛直下向き内側に削孔を設け、その削孔に注入管を挿入して注入剤を注入したり、削孔奥からセメントミルクを高圧噴射することで、未掘削部分である下半部の掘削線の周辺地山に改良体を設ける工法である。
この工法によると、切羽手前の底部両端から改良体を設けるため、切羽前方の支保工脚部を補強すると共に、下半部の側部の地盤を改良する効果を高めることができる。

特開２００３－０３５０８６号公報

しかし、特許文献１に記載の工法では、切羽前方の支保工脚部の補強及び下半部の側部の地盤を改良することができても、上半盤１２ａ及び下半盤２２ａを全面的に補強することは、困難である。
本発明は、かかる従来の課題を解決するものであり、山岳トンネルの施工における下部地山掘削時の地山崩落や変位、変状を抑制する地山補強工法を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の地山補強工法の発明は、トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、該トンネルの上半部に仮インバートを設置し、該仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設することを要旨とする。
請求項２に記載の地山補強工法の発明は、請求項１の記載において、前記芯材を通じて地山内に地山改良材を注入し、地山を補強することを要旨とする。
請求項３に記載の地山補強工法の発明は、請求項１の記載において、前記芯材が中空であり、かつ前記下部地山を掘削する際に撤去可能であることを要旨とする。
請求項４に記載の地山補強工法の発明は、請求項１乃至３のうちのいずれか一項の記載において、前記芯材の長さが、前記仮インバート面から下部の床付け面までの長さより長いことを要旨とする。

トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、トンネルの上半部に仮インバートを設置し、仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設すれば、この芯材により下部地山の縫い付け効果が期待でき、下部地山の掘削時における崩落や変位の発生を抑制することが可能となる。
また、芯材を通じて地山内に地山改良材を注入する場合には、更に下部地山を改良することができ下部地山の掘削時の自立性が向上する。
更に、芯材が中空であり、かつ下部地山を掘削する際に撤去可能であれば、下部地山の掘削を容易かつ安全に行うことが可能となる。
また、芯材の長さが、仮インバート面から下部の床付け面までの長さより長い場合には、下部地山の広い範囲を縫い付け、改良することができ、下部地山掘削時の崩落防止、緩みや変位の抑制に特に効果的となる。

本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部材を示す。
実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示す。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、図１において、上半部仮インバートを設置した状態を示す。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、芯材の打設位置のマーキングを示し、図４のＡ－Ａ断面図である。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、芯材の打設位置を示す平面図である。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、１列目に芯材を打設した状態を示す。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、２列目まで芯材を打設した状態を示す。 実施例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。 従来例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に略直交する横断面を示す。 従来例の地山補強工法を説明するための説明図であり、トンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。

ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。

本発明の地山補強工法は、トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、該トンネルの上半部に仮インバートを設置し、該仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設することを特徴とする。
図１は、本発明の実施例に係るトンネルの軸方向に対して略直交する横断面を模式的に示す図である。
トンネルの掘削は、上半部１をトンネル軸に沿って先行して掘削し、１掘進ごとに鋼製支保工(不図示)を建て込み、吹付けコンクリート１１を吹き付け後、ロックボルト(不図示)を打設して支保構造を形成する。
上半部1を一定の区間（３０ｍ程度）に亘って掘進後、下半部２の掘進（２～４ｍ程度）に追従しながらインバート部２－１の掘進（２～４ｍ程度）を行う。
下半部２においては、１掘進ごとに鋼製支保工（不図示）を建て込み、吹付けコンクリート１１を吹き付け後、ロックボルト（不図示）を打設して支保構造を形成する。
インバート部２－１においては、１掘進ごとに床付け面２８に湾曲したインバートストラット２１を設置し、吹付けコンクリートを吹き付けて一次インバートを形成する。
以上のそれぞれの作用効果については、前述した通りである。

上半部１を掘削した後、図２に示すように、上半盤の上面に仮インバート３０を設置する。仮インバート３０は、吹付コンクリートからなり、トンネルの掘削断面形状を円形に近づけるように、下方向に凸状に湾曲するように形成する。
なお、床付け面２８の中央Ｂから天端Ｕまでの高さｈは、通常１０ｍ程度であり、仮インバート面３０ａからＳＬ（スプリングライン）までの高さＤは、７５ｃｍ程度である。ここで、ＳＬとは、上半部１と下半部２を垂直方向に分ける線である。また、仮インバートの厚さＴは、２５ｃｍ程度である。そして、床付け面２８から仮インバート面３０ａまでの高さＭは４ｍ程度である。

本発明の詳細な施工手順を以下に説明する。
［１］芯材の打設位置決め
この仮インバート面３０ａ全面に、芯材の打設位置のマーキングを行う。このマーキングは、図３及び図４に示すように、横断方向（トンネルの軸方向に対し水平方向に直交する方向）及び縦断方向（トンネルの軸方向に沿う方向）に一定の間隔で行う。
ここで、図４は、図３における仮インバート３０の模式的な平面図である。図４において、紙面下側が坑口側、紙面上側が切羽側である。
坑口側１列目と２列目において、芯材の打設を一定間隔で削孔のためのマーキングをする。削孔のうち奇数孔３１が１列目、偶数孔３２が２列目となるように、左端ＬＥから右端ＲＥまでの範囲において一定間隔でマーキングを行う。奇数孔３１同士、偶数孔３２同士の間隔は横断方向に略１．２ｍの千鳥配置、奇数孔３１と偶数孔３２の縦断方向の間隔は略１ｍとする。同様に、切羽側まで奇数列目には奇数孔３１が、偶数列目には偶数孔３２となるように、左端ＬＥから右端ＲＥまでの範囲において千鳥配置となるようにマーキングをする。

［２］芯材の打設
芯材を打設するには、通常、削孔を形成してから、削孔への芯材の挿入を行う。削孔は、前述の仮インバート面３０ａの複数のマーキング箇所から下部地山３に略鉛直方向に行う。削孔を形成するには、ドリルジャンボに、先端にビットを装着した削孔ロッドを設置し、マーキング位置にガイドセルをセットし、所定長の削孔を行う。ビット径は打設する芯材の径より大きくする。例えば、芯材の径が７６ｍｍの場合、削孔の径は略９０ｍｍとすることができる。ただし、これらの径に限定されるものではなく、芯材の径との関係で、削孔の径を選択できる。
「鉛直方向」は図５に示すように、仮インバート面３０ａに対して垂直な方向を意味するが、略垂直であればよく、例えば、ＳＬに対して略垂直な方向も含む。

削孔後、削孔内に滞留するスライムは削孔水や圧縮空気で排出し、削孔ロッドを回収した後、芯材を打設する。芯材の長さは、特に限定はなく、仮インバート面３０ａから床付け面２８までの深さＭ（通常４ｍ）より短くてもよいが、床付け面２８より下方の深さまで芯材が延出していることが好ましい。具体的には、５ｍ程度の深さまで打設することが好ましい。こうすることで、より地山の変位を抑制することができる。ただし、５ｍ程度に限定するものではなく、上半部１の仮インバート面３０aから下部の床付け面２８までの長さより長ければ特に限定はない。

芯材は、中実の棒材であってもよいが、通常、中空の管材である。芯材の材質は特に限定されず、樹脂製又は金属製とすることができる。塩化ビニル管（特にＨＩＶＰ管）、ガラス繊維強化樹脂管、鋼管などから好適な素材を採用することができる。芯材を通じて地山内に地山改良剤を注入できるように、中空の芯材の外周部に吐出孔が設けられていることが好ましい。
また、芯材は下部地山を掘削する際には撤去可能であることが好ましく、例えば塩化ビニル管、スリット付き鋼管であれば、撤去が可能である。例えば、管の円周方向にスリットの入った鋼管であれば、下部地山を掘削する際に、スリット部から容易に切断して撤去可能である。

［３］地山改良材の注入
打設した芯材の口元に注入アダプター（図示せず）を取り付け、注入アダプターから芯
材内に所定の地山改良材を注入する。芯材内に注入された地山改良材は、芯材の外周部に設置された吐出孔を通じて芯材周辺の地山内に拡散され、地山の空隙や亀裂を充填することで地山を補強する。
地山改良剤は、地山を改良することができる素材であれば特に限定はないが、セメント系、ウレタン系などから選択できるが、地山を早期に補強するためには強度発現の速いウレタン系注入材が望ましい。また、湧水の多い地山では耐水性能の高いウレタン系減水材が好適である。

［４］施工順序
施工順序について、以下説明する。芯材の打設、地山改良材の注入の順序は隣接管の閉塞防止を目的に、１本おきに行う。
すなわち、例えば図５に示すように、１列目の９個の奇数孔３１への９本の芯材５１の打設を行う。完了後にこれら奇数孔３１に挿入されたそれぞれ９本の芯材５１への地山改良剤の注入を行う。
その後、図６に示すように、２列目の８個の偶数孔３２への８本の芯材５２の打設を行う。完了後にこれら偶数孔３２に挿入されたそれぞれ８本の芯材５２への地山改良剤の注入を行う。
同様に３列目は、１列目と同様に、４列目は２列目と同様にして、芯材の打設、地山改良材の注入を坑口側から切羽側へ進めていき、坑口側から切羽側までの３０ｍ程度までの施工を１施工ブロックとして繰り返していく。
なお、図５、図６及び後述の図７において、覆工コンクリート１２、２２は記載を省略している。

本発明の実施形態では芯材の打設間隔を横断方向に１．２ｍ程度、縦断方向に１ｍ程度、１施工ブロック３０ｍ程度としたが、地山状況によって適宜変更して採用することができることはいうまでもない。また、地山の物性値による安定計算によって適切な打設間隔を決定することもできる。
また、本発明の実施形態では所定の長さの削孔を形成した後にロッド等を回収し、削孔内に芯材を挿入する方法を説明したが、地山状況によっては２重管方式で芯材の打設と挿入を同時に行ってもよい。

［実施形態の効果］
本発明に係る実施形態の効果を定量的に把握するため、下部掘削時のトンネル縦断方向の安定性を従来の技術と本発明とで比較した。前述した通り、従来技術では図９に示すように、仮インバート６０と床付け面２８の間の下部地山にすべり線Ｓに沿って下部地山のすべりや崩落が発生しやすい。
本発明では図７に示すように、上半部１の仮インバート面３０aから床付け面２８の間の下部地山３に芯材５１、５２を打設するため、図示するように芯材５１、５２がすべり線Sの上下の地山を縫い付けることができる。この縫い付け効果によって下部地山掘削時の安定が図られる。
更に芯材５１、５２を通じて地山内に地山改良材を注入して地山を補強することで、周辺地山を改良し、芯材と地山の付着力を向上させることが可能となるため、下部地山３を掘削する際の崩落防止や地山の緩み抑制が図られ、トンネルの変位を抑制できる。

前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施例を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。

本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。

本発明は、トンネル掘削において、下部地山を掘削する際の崩落防止や地山の緩み抑制が図られ、トンネルの変位を抑制する技術として広く利用される。

１；トンネルの上半部、３；下部地山、２８；床付け面、３０；仮インバート、３０a；仮インバート面、５１、５２；芯材。

Claims (6)

1. トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、該トンネルの上半部の掘削後に上半盤に仮インバートを設置し、該仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設し、
   前記複数の芯材の打設は、前記仮インバート面において前記トンネルの軸方向に対し水平方向に直交する横断方向にわたって一定の間隔で行われ、
   前記複数の芯材の打設は、前記仮インバート面に千鳥配置で行われることを特徴とする地山補強工法。
2. トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、該トンネルの上半部の掘削後に上半盤に仮インバートを設置し、該仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設し、
   前記複数の芯材の打設は、前記仮インバート面において前記トンネルの軸方向に対し水平方向に直交する横断方向にわたって一定の間隔で行われ、
   前記芯材を通じて前記下部地山内に地山改良材を注入し、前記下部地山を補強することを特徴とする地山補強工法。
3. トンネル外周部の下部地山の掘削に先立って、該トンネルの上半部の掘削後に上半盤に仮インバートを設置し、該仮インバート面から前記下部地山に略鉛直方向に複数の芯材を打設し、
   前記複数の芯材の打設は、前記仮インバート面において前記トンネルの軸方向に対し水平方向に直交する横断方向にわたって一定の間隔で行われ、
   前記芯材が中空であり、かつ前記下部地山を掘削する際に切断により撤去可能であることを特徴とする地山補強工法。
4. 前記芯材を通じて前記下部地山内に地山改良材を注入し、前記下部地山を補強することを特徴とする請求項１に記載の地山補強工法。
5. 前記芯材が中空であり、かつ前記下部地山を掘削する際に切断により撤去可能であることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の地山補強工法。
6. 前記芯材の長さが、前記仮インバート面から下部の床付け面までの長さより長いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の地山補強工法。

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