JP7175200B2

JP7175200B2 - トンネル用先受け鋼管及び先受け工法

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Publication number: JP7175200B2
Application number: JP2019002142A
Authority: JP
Inventors: 博靖平山
Original assignee: Fujimori Sangyo Co Ltd
Current assignee: Fujimori Sangyo Co Ltd
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: JP2020111909A

Description

本発明は、例えばＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法によるトンネル施工の際の補助工法として、切羽の掘進方向前方の地山を先受けする先受け鋼管、及び該先受け鋼管を用いた先受け工法に関する。

トンネル補助工法の１つであるＡＧＦ（All Ground Fasten）工法においては、長さ３ｍ程度の鋼製管体を順次継ぎ足しながら、切羽前方の地山に打ち込み、地山を先受け補強する。各管体の一端部には雄ネジが形成され、他端部には雌ネジが形成されている。先行して打ち込んだ管体と後続の管体とをネジ接合することで一直線に継ぎ足す。これら管体を４本継ぎ足すことによって、長さ１２ｍ程度の長尺先受け鋼管が構成される。

特開２０１６－０５３２６８号公報

一般的なＡＧＦ工法用の管体としては、引張強度４００Ｎ／ｍｍ^２～５５０Ｎ／ｍｍ^２、耐力２３５Ｎ／ｍｍ^２～５００Ｎ／ｍｍ^２の一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００（ＪＩＳＧ３４４４）が用いられており、その標準スペックは、管厚６ｍｍ程度、外直径１１４．３ｍｍ程度、長さ３ｍ程度であり、重量は約５０ｋｇである。このため、１本あたりの重量が重く、かかる管体の継ぎ足し作業は重労働である。しかも、１本の先受け鋼管あたり４本の管体を継ぎ足すから、３回の継ぎ足し作業が必要である。
本発明は、かかる事情に鑑み、トンネルの掘進方向前方の地山を先受けする先受け鋼管の打ち込み作業における作業者の負担を軽減して、作業効率を改善することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明物は、トンネルの切羽の掘進方向前方の地山を先受けする先受け鋼管であって、
一列に連結された２本又は３本の管体からなり、
各管体の長さが２本の場合５ｍ以上、３本の場合３．５ｍ以上であり、
かつ各管体が、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２～１５００Ｎ／ｍｍ^２、耐力６００Ｎ／ｍｍ^２～１１５０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材によって構成されていることを特徴とする。

当該先受け鋼管によれば、引張強度及び耐力が一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００より高い分だけ管厚を薄肉化可能である。薄肉化するとその分、１本あたりの管長を大きくしても、人力で持ち運び可能な重さを維持できる。管長を大きくすることによって、管体の本数を減らすことができ、２本又は３本で先受け鋼管としての所要長さ（１２ｍ程度）になる。したがって、管体の継ぎ足し回数を１回又は２回に減数でき、継ぎ足しの労力が軽減される。

前記各管体の厚さが、２．５ｍｍ～４ｍｍであることが好ましい。これによって、管体の単位長さあたりの重量を確実に軽くできる。
前記各管体の外直径が、６０ｍｍ～１５０ｍｍであることが好ましい。

本発明方法は、先受け鋼管をトンネルの切羽の掘進方向前方の地山に打ち込むことによって前記地山を先受けする先受け工法であって、
前記先受け鋼管における先頭の管体内に削孔ロッドを挿通するとともに前記先頭管体の先端のトップビットに前記削孔ロッドの先端を係止し、かつ前記先頭管体の先端側の部分が先受け鋼管打設装置のガイドセルから延び出るようにして前記先頭管体の後端側の部分を前記ガイドセルに設置し、かつ前記削孔ロッドの後端部を前記先受け鋼管打設装置の回転打撃手段に連結し、更に前記切羽の近くに建て込まれたアーチ支保工のウエブを貫通するガイド筒に前記先頭管体の先端部を差し入れた状態で、前記回転打撃手段の駆動を開始することを特徴とする。

前記先頭管体をはじめとする先受け鋼管の管体は長尺であるために、先受け鋼管打設装置のガイドセルに取り付けると先端部がガイドセルから前方へ片持ち状に長く延び出る。特に先頭の管体においては先端部にビットが設けられるため、前記延び出た部分が自重で垂れるように湾曲するおそれがある。その状態で回転打撃を開始すると、前記延び出た部分が大きく振り回されてしまう。
これに対し、本発明方法においては、先頭管体の先端部をアーチ支保工のガイド筒に差し入れ、その状態で回転打撃を開始することによって、先頭管体の先端部が振り回されるのを回避できる。
前記先頭管体を前記ガイドセルから１ｍ以上延び出させた状態で、前記回転打撃手段の駆動を開始することが好ましい。

本発明によれば、トンネルの掘進方向前方の地山を先受けする先受け鋼管の打ち込み作業における作業者の負担を軽減して、作業効率を改善することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る長尺先受け鋼管を切羽前方の地山に埋設した状態で示す、施工中のトンネルの断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う、前記トンネルの正面断面図である。図３は、図１の円部ＩＩＩの拡大断面図である。図４は、前記トンネルのアーチ支保工のガイド部材の斜視図である。図５は、図１の円部Ｖの拡大断面図である。図６（ａ）～（ｂ）は、前記長尺先受け鋼管の打ち込み工程を順次示す、前記トンネルの断面図である。図７（ａ）～（ｃ）は、前記長尺先受け鋼管の打ち込み工程を順次示す、前記トンネルの断面図である。図８は、本発明の第２実施形態に係る長尺先受け鋼管を切羽前方の地山に埋設した状態で示す、施工中のトンネルの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、ＮＡＴＭ工法によって施工中のトンネル１を示したものである。地山２が掘削されてトンネル１が構築されている。トンネル１には一定間隔（例えば１ｍ）置きにアーチ支保工３が建て込まれている。図１及び図２に示すように、アーチ支保工３は、Ｈ型断面の鋼材からなり、トンネル１の上半部の周方向に沿う半環状（アーチ状）に形成されている。所定間隔（例えば９ｍ）置きのアーチ支保工３には、ガイド部材４が設けられている。図においては、切羽１ｅの直近のガイド部材４付きアーチ支保工３だけを図示する。

図３及び図４に示すように、ガイド部材４は、取付け板４ａと、ガイド筒４ｂを含む。取付け板４ａが、アーチ支保工３のウエブ３ｂに添えられて固定されている。ガイド筒４ｂは、取付け板４ａを貫通し、更にはウエブ３ｂを貫通している。ガイド筒４ｂの軸線は、掘進前方（図３において右方）へ向かって斜め外側（図３において上側）へ角度θだけ傾斜されている。傾斜角度θは、好ましくはθ＝４°～１０°程度である。ガイド筒４ｂの内径は、後述する先受け鋼管１０の外径より大きい。

図１に示すように、切羽１ｅより掘進前方（図１において右）の地山２には、先受け鋼管１０が打ち込まれている。先受け鋼管１０の後端部（図１において左）は、ガイド筒４ｂを貫通している。先受け鋼管１０の軸線は、ガイド筒４ｂの軸線とほぼ一致しており、掘進前方（図１において右方）へ向かって斜め外側（図１において上側）へガイド筒４ｂとほぼ同じ傾斜角度θ（＝４～１０°）だけ傾斜されている。

先受け鋼管１０は、２本の直線状の管体１１によって構成されている。図５に示すように、一方の管体１１の対向端部には雄ネジ１１ｃが形成され、他方の管体１１の対向端部には雌ネジ１１ｄが形成されている。これらネジどうしが螺合されることによって、管体１１どうしがが一列に連なっている。
なお、管体１１どうしの連結態様は、ネジ結合に限らず、ワンタッチ式の凹凸嵌合などであってもよい。
以下、２本の管体１１を互いに区別する際は、先端側の管体１１を「先頭管体１１Ａ」と称し、後続の管体１１を「末端管体１１Ｂ」と称す。

各管体１１としては、一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００よりも高引張強度の鋼管が用いられている。好ましくは、管体１１は、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２～１５００Ｎ／ｍｍ^２、耐力６００Ｎ／ｍｍ^２～１１５０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材によって構成されている。鋼材に含まれるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓその他成分の配合比を調整することによって、前記引張強度及び耐力を得ることができる。管体１１として、例えば特開２００２－００３９４１に開示された鋼管を用いてもよい。

各管体１１の長さは、５ｍ以上である。より好ましくは６ｍ～７ｍ程度であり、これによって、先受け鋼管１０の全長が１２ｍ～１４ｍ程度となる。
管体１１の外直径は、６０ｍｍ～１５０ｍｍ程度である。
管体１１の厚さは、好ましくは２．５ｍｍ～４ｍｍ程度である。
図示は省略するが、先受け鋼管１０のまわりの地山２には、シリカレジンやモルタルなどの注入材が注入されている。

トンネル１は、次のようにして構築される。
図示しない掘削機によって地山２を掘削することでトンネル１を掘進し、切羽１ｅの直近にアーチ支保工３を建て込んだ後、図６（ａ）に示すように、ドリルジャンボ２０（先受け鋼管打設装置）を切羽１ｅの近くに設置する。
ドリルジャンボ２０のブーム２１の先端には、ガイドセル２２が設けられ、ガイドセル２２に油圧ドリフトなどの回転打撃手段２４が進退可能に設けられている。ガイドセル２２の長さは、２．５ｍ～３ｍ程度であり、この種の先受け鋼管打設用として一般的な長さである。特殊仕様のガイドセルないしはドリルジャンボを用意する必要はない。

先頭管体１１Ａ内に削孔ロッド２３を挿通するとともに、先頭管体１１Ａの先端のトップビット（ロストビット）２５に削孔ロッド２３の先端を係止する。
更に、先頭管体１１Ａの中間より後端側の部分をガイドセル２２に設置し、削孔ロッド２３の後端部を回転打撃手段２４に連結する。
先頭管体１１の中間より先端側の部分１１ｅは、ガイドセル２２から前方へ延び出る。長さ６ｍの先頭管体１１の場合、回転打撃手段２４を進退ストロークの後端に位置させた状態で、先頭管体１１の中間より先端側の前記延出部分１１ｅの長さは３ｍ～３．５ｍとなる。

好ましくは、先頭管体１１Ａをガイドセル２２に取り付ける際は、先頭管体１１Ａの延出部分１１ｅの先端部をガイド筒４ｂに差し入れて支持させる。これによって、延出部分１１ｅの先端部が垂れた状態（図６（ａ）の二点鎖線）になるのを防止できる。特に、先頭管体１１Ａの先端にトップビット２５が設けられていても、前記垂れた状態になるのを確実に防止できる。
さらには、先頭管体１１Ａの荷重の一部をガイド部材４に担わせることで、先頭管体１１Ａのガイドセル２２への取り付け時における作業者の負担を軽減できる。

先頭管体１１Ａの先端部をガイド筒４ｂに差し入れた状態で、回転打撃手段２４の駆動を開始する。これによって、先頭管体１１Ａの先端部が大きく振り回されるのを回避できる。振り回されるとしてもガイド筒４ｂの内径以内に抑えることができる。これによって、トップビット２５を先導させながら、先頭管体１１が切羽１ｅより掘進前方側の地山２へ打ち込まれる。ガイド筒４ｂの案内によって、先頭管体１１Ａの軸線をガイド筒４ｂの軸線に沿わせることができる。

打ち込みに伴って、回転打撃手段２４がガイドセル２２上を前進される。図６（ｂ）に示すように、回転打撃手段２４が進退ストロークの前端位置まで来たら、削孔ロッド２３をトップビット２５から切り離したうえで、図７（ａ）に示すように、回転打撃手段２４を進退ストロークの後端位置まで後退させ、削孔ロッド２３を継ぎ足して延長する。延長後の削孔ロッド２３の先端部をトップビット２５に係止させ、かつ該削孔ロッド２３の後端部を回転打撃手段２４に連結する。そして、図７（ｂ）に示すように、再び回転打撃手段２４を駆動させて前進させる。これによって、管体１１の長さに対して回転打撃手段２４のストロークが短くても、管体１１全体を地山に打ち込むことができる。

図７（ｃ）に示すように、先頭管体１１Ａの後端部がガイド筒４ｂの近くまで挿入されたときは、回転打撃手段２４を再度進退ストロークの後端位置まで後退させ、回転打撃手段２４と先頭管体１１Ａとの間に末端管体１１Ｂを配置する。末端管体１１Ｂの中間より後端側の部分をガイドセル２２に取り付け、末端管体１１Ｂ内に通した削孔ロッド２３の後端部を回転打撃手段２４に連結する。
末端管体１１Ｂの中間より先端側の部分はガイドセル２２より前方へ延び出る。該末端管体１１Ｂの先端部を先頭管体１１Ａの後端部にねじ込むことによって、先頭管体１１Ａに末端管体１１Ｂを継ぎ足す。末端管体１１Ｂの継ぎ足し作業の際、末端管体１１Ｂの先端部をガイド筒４ｂに支持させてもよい。
そして、回転打撃手段２４の再駆動によって、２本の管体１１Ａ，１１Ｂからなる先受け鋼管１０を更に地山に打ち込む。このようにして、図１に示すように、１２ｍ程度の長さの先受け鋼管１０が切羽１ｅより掘進前方の地山２に埋設され、該地山２を先受けできる。

先受け鋼管１０によれば、管体１１の引張強度及び耐力が一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００より高い分だけ管厚を薄肉にできる。薄肉にした分だけ１本あたりの管長を例えば６ｍ程度まで長くしても、人力で持ち運び可能な重さを維持できる。
管体１１の管長を６ｍ程度とすることによって、２本で先受け鋼管としての所要長さ（１２ｍ程度）になる。したがって、管体１１の継ぎ足し回数を１回に減数でき、継ぎ足し作業の労力を軽減でき、作業効率を改善できる。ひいては、施工期間の短縮を図ることができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては図面に同一符号を付して説明を省略する。
図８は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態の先受け鋼管１０Ｂは、３本の管体１１を含む。これら３本の管体１１が一列に連結されている。各管体１１の長さは、３．５ｍ以上である。好ましくは４ｍ～５ｍ程度であり、これによって、先受け鋼管１０Ｂの全長１２ｍ～１５ｍ程度となる。管体１１をガイドセル２２に設置した時における延出部分１１ｅの長さは、ガイドセル２２の長さが２．５ｍ～３ｍのとき、１ｍ～２．５ｍ程度となる。
第２実施形態の先受け鋼管１０Ｂにおいては、継ぎ足し作業が２回で済む。また、第１実施形態よりも１本あたりの管体１１の長さが短いために、１本の管体１１を軽量化でき、持ち運びや継ぎ足し時の労力を一層軽減できる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、本発明の先受け鋼管は、ＡＧＦ工法用に限らず、鏡補強工用の鋼管としても適用可能である。

本発明は、例えばＡＧＦ工法用の先受け鋼管に適用できる。

１トンネル
１ｅ切羽
２地山
３アーチ支保工
４ガイド部材
４ｂガイド筒
１０，１０Ｂ先受け鋼管
１１管体
１１Ａ先頭管体
１１ｅ延出部分
２０ドリルジャンボ（先受け鋼管打設装置）
２２ガイドセル
２３削孔ロッド
２４回転打撃手段

Claims

トンネルの切羽の掘進方向前方の地山を先受けする先受け鋼管であって、
一列に連結された２本の管体からなり、
各管体の長さが６ｍ～７ｍ、各管体の厚さが２．５ｍｍ～４ｍｍであり、
かつ各管体が、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２～１５００Ｎ／ｍｍ^２、耐力６００Ｎ／ｍｍ^２～１１５０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材によって構成されていることを特徴とする先受け鋼管。
前記各管体の外直径が、６０ｍｍ～１５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の先受け鋼管。
一列に連結された２本又は３本の管体からなり、各管体の長さが２本の場合５ｍ以上、３本の場合３．５ｍ以上であり、かつ各管体が、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２～１５００Ｎ／ｍｍ^２、耐力６００Ｎ／ｍｍ^２～１１５０Ｎ／ｍｍ^２の鋼材によって構成された先受け鋼管をトンネルの切羽の掘進方向前方の地山に打ち込むことによって前記地山を先受けする先受け工法であって、
前記先受け鋼管における先頭管体内に削孔ロッドを挿通するとともに前記先頭管体の先端のトップビットに前記削孔ロッドの先端を係止し、かつ前記先頭管体の先端側の部分が先受け鋼管打設装置のガイドセルから延び出るようにして前記先頭管体の後端側の部分を前記ガイドセルに設置し、かつ前記削孔ロッドの後端部を前記先受け鋼管打設装置の回転打撃手段に連結し、更に前記切羽の近くに建て込まれたアーチ支保工のウエブを貫通するガイド筒に前記先頭管体の前記延び出た部分の先端部を差し入れて支持させることで前記先頭管体の荷重の一部を前記ガイド筒に担わせた状態で、前記回転打撃手段の駆動を開始することを特徴とする先受け工法。
前記先頭管体を前記ガイドセルから１ｍ以上延び出させた状態で、前記回転打撃手段の
駆動を開始することを特徴とする請求項３に記載の先受け工法。