JP7053402B2

JP7053402B2 - 矩形立坑及びその構築方法

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Publication number: JP7053402B2
Application number: JP2018148635A
Authority: JP
Inventors: 正道安永; 輝紀松本
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: JP2020023818A

Description

本発明は、縦型ＮＡＴＭ工法による矩形立坑及びその構築方法に関する。
ここで、「矩形立坑」とは、地盤面下に平面視して矩形状の掘削断面を有するように鉛直方向に掘削された縦穴に基づいて構築される、平面視して矩形状の立坑（土留壁）をいう。また、「矩形状」とは、正方形、長方形の他、円形以外の、長方形に類似した周囲に角部を有する形状を含み、角部にはアールや面取りがあってもよい。

軟岩中に立坑を構築する方法として、縦型ＮＡＴＭ工法（New Austrian Tunnel Method）がある。ここでいう軟岩は、自立性を有するものの、ロックボルトなどによる掘削面の補強（土留）が必要となる、土丹層などに代表される固結シルト層である。

縦型ＮＡＴＭ工法では、特許文献１に記載されているように、地盤面下に縦穴を掘削し、その掘削面（縦穴の壁面）に吹付コンクリートを吹き付けて施工し、さらに掘削面周囲の地山に、この掘削面に直交するようにロックボルトを打設し、このロックボルトを介して吹付コンクリートと地山を一体化させることで、掘削面の補強（土留）を行っている。

ここで、ロックボルトは、その先端部が掘削面周囲の緩み領域（緩む恐れのある領域）の外側（緩む恐れのない領域）に達する長さとする。緩み領域の範囲は、有限要素法（ＦＥＭ）解析等により算出できる。

縦型ＮＡＴＭ工法での、より詳細な工事の手順は、対象地盤をｎ段に分けて、１段ずつ（１段の深さは１．５ｍ～２．０ｍ）、掘削、掘削面へのラス網の設置、吹付コンクリート打設、ロックボルト用の水平削孔、セメントミルク注入、ロックボルト挿入、ロックボルト定着の繰り返しとなる。

このようにするのは、縦型ＮＡＴＭ工法での次のような地盤安定化の考え方による。
（１）軟岩を円筒形に掘削すると、掘削面側に円環状の緩み領域ができる。
（２）この緩み領域を超える長さのロックボルトを設置することで、緩み領域は緩みの無い領域に固定され、さらには緩み領域が円環となり安定する。
（３）掘削面の楔形崩壊（肌落ち）についてもロックボルトで定着された吹付コンクリートで抑えることができる。

特公平６－４９９８１号公報

ところで、縦型ＮＡＴＭ工法は、一般的に、円形立坑を作るため、したがって円形状の縦穴の掘削面の補強（土留）のために用いられていた。

地下構造物構築用の立坑の場合、立坑内部に円筒形状の地下構造物を作るのであれば、円形立坑で何の問題も生じない。円形立坑の吹付コンクリート面が構築する構造物の躯体の外面となるようにすることで、吹付コンクリート面を構造物の躯体コンクリート打設用の外型枠として利用することができ、施工上の無駄がなくなる。すなわち、掘削土量を必要最小限とすることができる、外型枠が不要となるといった利点がある。

しかし、立坑内部に平面視で矩形状の地下構造物を作る場合、円形立坑では、施工上の無駄が多くなる。これについて、図６により説明する。図６は従来例として円形立坑を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図である。

図６からわかるように、円形立坑の内部に平面視で矩形状の地下構造物を作る場合、構造物の設置面積に比べ、掘削面積が大きくなることから、掘削土量が増大する。
また、円形立坑の吹付コンクリート面を構造物の躯体コンクリート打設用の外型枠として利用できない。従って、構造物の構築領域を囲むように、矩形状の外型枠を配置する必要がある。それ故、外型枠の配置スペースを考慮して、円形状の縦穴の大きさを決める必要があり、これによって更に掘削土量が増加する。一般的には構造物外面と掘削面の離れ１．０～１．５ｍ程度を確保する。
更に、地下構造物の構築後、円形立坑の吹付コンクリート面と地下構造物との間を土又はソイルモルタルなどで埋め戻さなければならず、コスト、工期が増加する。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、平面視で矩形状の地下構造物に適した縦型ＮＡＴＭ工法による矩形立坑、及び、その構築方法を提供することを課題とする。

本発明に係る矩形立坑は、地盤面下に平面視して矩形状の掘削断面を有するように鉛直方向に掘削された矩形状の縦穴と、前記矩形状の縦穴の壁面から地山に打ち込まれた複数本のロックボルトと、を含む。
ここにおいて、前記ロックボルトは、前記矩形状の縦穴の壁面から、平面視して前記矩形状の掘削断面に外接する仮想円の中心部から放射状に延びる方向線に沿って、先端部が、前記仮想円の掘削断面を有するように掘削された円形状の縦穴の場合の緩み領域の外側まで、達するように、打ち込まれることを特徴とする。

また、本発明に係る矩形立坑は、前記矩形状の縦穴の壁面に施工された吹付コンクリートを更に含み、前記ロックボルトは、前記吹付コンクリートの表面から地山に打ち込まれるとよい。
更に、前記ロックボルトは、水平方向に対し下側に傾斜した角度で打ち込まれるのが望ましい。
更にまた、前記ロックボルトは、打ち込み位置に応じて、長さを異ならせるとよい。
更にまた、前記ロックボルトの打ち込み面に、凹部を設け、この凹部の底面を前記ロックボルトの打ち込み方向と直交する面となるように形成するとよい。

本発明に係る矩形立坑の構築方法は、平面視して矩形状の掘削断面を有するように、地盤面下を鉛直方向に所定深さずつ掘削する掘削工程と、前記所定深さずつ掘削する毎に、掘削により形成された矩形状の縦穴の壁面から地山に複数本のロックボルトを打ち込むロックボルト設置工程と、を含む。
ここにおいて、前記ロックボルトは、前記矩形状の縦穴の壁面から、平面視して前記矩形状の掘削断面に外接する仮想円の中心部から放射状に延びる方向線に沿って、先端部が、前記仮想円の掘削断面を有するように掘削された円形状の縦穴の場合の緩み領域の外側まで、達するように、打ち込むことを特徴とする。

前記ロックボルト設置工程では、前記所定深さずつ掘削する毎に、掘削により形成された矩形状の縦穴の壁面に吹付コンクリートを施工し、吹付コンクリートの表面から地山に複数本のロックボルトを打ち込むとよい。

尚、「緩み領域」とは、掘削の影響を受けて（掘削に伴う応力解放（応力の再配分）により、既存の節理や亀裂が開口したり、新規に亀裂が発生するなどして、）地山の力学特性（剛性等）が、掘削前の特性から変化する領域をいう。
実際には、有限要素法（ＦＥＭ）による岩盤安定解析によって、対象地盤が持っているモールの破壊基準に対し各エレメント（要素）発生毎の発生応力の接近度（破壊接近度Ｒ値）が所定値（例えば０．３３）以下の範囲を緩み領域としている。Ｒ＝０．３３の場合で破壊応力度に対して発生応力度は６７％、破壊までの安全度でいうと１．５倍の安全率となる。

本発明によれば、縦型ＮＡＴＭ工法での矩形立坑の構築において、緩み領域を、矩形状の掘削断面に外接する仮想円を基準にして計算又は推定することで、その計算又は推定が容易となると共に、ロックボルト長を的確なものとすることができる。

また、立坑内部に平面視で矩形状の地下構造物を作る場合に、地下構造物の平面形状に合わせた矩形立坑（土留壁）を構築でき、掘削土量を最小化することができる。
また、矩形立坑の壁面を外型枠として、地下構造物の躯体コンクリートを打設することも可能となり、この場合に外型枠が不要で、埋め戻しも不要となる。

本発明の一実施形態として矩形立坑を示す平面図及び正面断面図矩形立坑の要部拡大断面図ロックボルト頭部の詳細図図１（Ａ）中のＸ部の詳細図図１の立坑内部に地下構造物を構築した場合の平面図及び正面断面図従来例として円形立坑を示す平面図及び正面断面図

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矩形立坑を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図である。

本実施形態では、平面視で矩形状の地下構造物を内部に構築するために、矩形立坑１０を構築する。
矩形立坑１０の構築手順は、次の通りである。

（１）掘削工程
平面視して矩形状の掘削断面を有するように、地盤面下を鉛直方向に所定深さ（例えば１．５ｍ～２．０ｍ）ずつ掘削する。
例えば、地下構造物の平面寸法に片側＋２０ｃｍ厚の範囲を掘削する。より具体的には、構造物の平面寸法が５ｍ×１０ｍの矩形であれば、５．４ｍ×１０．４ｍの矩形で掘削する。
これにより、地盤面下に平面視して矩形状の掘削断面を有するように鉛直方向に掘削された矩形状の縦穴１が形成される。

（２）ロックボルト設置工程
所定深さ（例えば１．５ｍ～２．０ｍ）ずつ掘削する毎に、掘削により形成された矩形状の縦穴１の壁面に吹付コンクリート２を施工し、吹付コンクリート２の表面から地山に水平方向にロックボルト５を打ち込む。
ロックボルト設置工程は、詳しくは、下記の（２ａ）～（２ｆ）の工程を含む。これらについて、図２及び図３を参照して説明する。

（２ａ）ラス網設置
１段分の掘削面にラス網（図示せず）（例えば、５ｍｍ径の鉄筋を縦横に１５０ｍｍ角で交差させて溶接した溶接鉄筋；従って厚さは１ｃｍ程度）を配置する。ここで、ラス網は、後述する１０ｃｍ～２０ｃｍ厚の吹付コンクリート２の厚さ方向中央にくるように、掘削面に釘などのアンカーで浮かせて簡易に固定する。

（２ｂ）吹付コンクリート施工
１段分の掘削面にラス網を囲繞するように吹付コンクリート２を施工し、１０ｃｍ～２０ｃｍ厚のコンクリート層を形成する（図２及び図３参照）。

（２ｃ）水平削孔
吹付コンクリート面から地山に水平ボーリングを行い、ロックボルト挿入用の削孔３を形成する。このとき、水平方向に対し５°程度の下り勾配を持たせる。尚、削孔３はラス網の隙間を縫って形成される。

（２ｄ）セメントミルク注入
前記削孔３にセメントミルク４を注入する。この際に、前記削孔３が下り勾配を有していることで、セメントミルク４の注入が容易となる。

（２ｅ）ロックボルト挿入
セメントミルク４が注入された削孔３にロックボルト５を挿入する。ここで使用するロックボルト５は、例えばＤ２５の鉄筋で、挿入側の先端部とは反対側の基端部（頭部）にメネジを切ったものでよい。

（２ｆ）ロックボルト定着
吹付コンクリート面より突出するロックボルト５の頭部に、例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさのベアリングプレート６を嵌め、更にベアリングワッシャ７を嵌め、ナット８を螺合して、ロックボルト５の頭部を定着する（図３参照）。

上記のように、１段の掘削深度（１．５ｍ～２．０ｍ）毎に、掘削とロックボルト設置とを繰り返す。従って、ロックボルト５の縦方向の間隔は、１段の掘削深度（１．５ｍ～２．０ｍ）と同じになる。このような繰り返しは計画掘削深度に達するまで行われ、これにより矩形立坑１０の構築が終了する。

ここにおいて、本発明では、矩形立坑１０の壁面に対して放射状に打ち込まれるロックボルト５の打ち込み方向及び長さの設定に大きな特徴がある。かかる設定に基づいて削孔３の形成方向及び長さが設定されることはもちろんである。

ロックボルト５は、矩形状の縦穴１の壁面、詳しくは吹付コンクリート面から打ち込むが、図１を参照し、平面視で矩形状の縦穴１に外接する仮想円ＶＣの中心ＶＣＣから放射状に延びる方向線に沿って、打ち込む。
そして、ロックボルト５の先端部が、前記仮想円ＶＣの掘削断面を有するように掘削された円形状の縦穴の場合の緩み領域ＬＺの外側に達するように、打ち込む。尚、図１中のＬＺは緩み領域の外側線を示している。ロックボルト５は、一般的には、緩み領域の外側線（ＬＺ）から、少なくとも４０～５０ｃｍ外側まで、打ち込むようにする。

緩み領域ＬＺは、既に述べたように、掘削の影響を受けて、地山の力学特性が、掘削前の特性から変化する領域をいい、有限要素法（ＦＥＭ）により計算、あるいは経験的に推定され、簡易には前記中心ＶＣＣから所定半径の円として定められる。

これによれば、縦型ＮＡＴＭ工法での矩形立坑の構築において、緩み領域を、矩形状の掘削断面に外接する仮想円を基準にして計算又は推定することで、その計算又は推定が容易となると共に、ロックボルト長を的確なものとすることができる。

従って、ロックボルト５の長さは、打ち込み位置により異なり、最も短くなる矩形の短辺中央部で５～６ｍ、最も短くなる矩形の長辺中央部で９～１０ｍなどとなる。

図１のＸ部では、矩形状の縦穴１の壁面（吹付コンクリート２の表面）に対し、ロックボルト５が斜めに打ち込まれる。
この場合は、図４に示すように対策する。
ロックボルト５の打ち込み面である吹付コンクリート２の表面の一部を斜めに削ることで、凹部９を形成する。そして、この凹部９の底面をロックボルト５の打ち込み方向と直交する平面９ａとなるようにする。従って、この直交平面９ａ上にベアリングプレート６が配置されることになる。

次に本発明に係る矩形立坑１０の内部に平面視で矩形状の地下構造物１００を構築する場合について図５により説明する。
立坑内部に平面視で矩形状の地下構造物１００を作る場合、地下構造物１００の平面形状に合わせた矩形立坑（土留壁）１０を構築でき、掘削土量を最小化することができる。

また、矩形立坑１０の吹付コンクリート面を構築する地下構造物１００の躯体の外面となるように、吹付コンクリート面を、必要により防水シートを貼り付けた上で、地下構造物１００の躯体コンクリート打設用の外型枠として利用することができる。従って、外型枠が不要となり、躯体外側の土やソイルモルタル等による埋め戻しも不要となる。

尚、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矩形状の縦穴
２吹付コンクリート
３削孔
４セメントミルク
５ロックボルト
６ベアリングプレート
７ベアリングワッシャ
８ナット
９凹部
９ａ底面（直交平面）
１０矩形立坑
１００地下構造物

Claims

地盤面下に平面視して矩形状の掘削断面を有するように鉛直方向に掘削された矩形状の縦穴と、
前記矩形状の縦穴の壁面から地山に打ち込まれた複数本のロックボルトと、
を含み、
前記ロックボルトは、前記矩形状の縦穴の壁面から、平面視して前記矩形状の掘削断面に外接する仮想円の中心部から放射状に延びる方向線に沿って、先端部が、前記仮想円の掘削断面を有するように掘削された円形状の縦穴の場合の緩み領域の外側まで、達するように、打ち込まれることを特徴とする、矩形立坑。
前記矩形状の縦穴の壁面に施工された吹付コンクリートを更に含み、前記ロックボルトは、前記吹付コンクリートの表面から地山に打ち込まれることを特徴とする、請求項１記載の矩形立坑。
前記ロックボルトは、水平方向に対し下側に傾斜した角度で打ち込まれることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の矩形立坑。
前記ロックボルトは、打ち込み位置に応じて、長さを異ならせることを特徴とする、請求項１～請求項３のいずれか１つに記載の矩形立坑。
前記ロックボルトの打ち込み面に、凹部を設け、この凹部の底面を前記ロックボルトの打ち込み方向と直交する面となるように形成したことを特徴とする、請求項１～請求項４のいずれか１つに記載の矩形立坑。
縦型ＮＡＴＭ工法で矩形立坑を構築する方法であって、
平面視して矩形状の掘削断面を有するように、地盤面下を鉛直方向に所定深さずつ掘削する掘削工程と、
前記所定深さずつ掘削する毎に、掘削により形成された矩形状の縦穴の壁面から地山に複数本のロックボルトを打ち込むロックボルト設置工程と、
を含み、
前記ロックボルトは、前記矩形状の縦穴の壁面から、平面視して前記矩形状の掘削断面に外接する仮想円の中心部から放射状に延びる方向線に沿って、先端部が、前記仮想円の掘削断面を有するように掘削された円形状の縦穴の場合の緩み領域の外側まで、達するように、打ち込むことを特徴とする、矩形立坑の構築方法。
前記ロックボルト設置工程では、前記所定深さずつ掘削する毎に、掘削により形成された矩形状の縦穴の壁面に吹付コンクリートを施工し、吹付コンクリートの表面から地山に複数本のロックボルトを打ち込むことを特徴とする、請求項６記載の矩形立坑の構築方法。