JP7202913B2 - トンネル先受け工法用中空ボルト - Google Patents

Description

本発明は、トンネル構築時における先受け工法に用いられる中空ボルトに関し、特にＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法による山岳トンネルの補助工法としての注入式先受け工法（注入式フォアポーリング工法）に用いられる中空ボルトに関する。

ＮＡＴＭ工法によるトンネル構築時に軟弱地山を補強する補助工法として、中空ボルトを用いた注入式先受け工法が知られている。中空ボルトは、３メートル程度の長さを有している。切羽の直近の掘削周面に沿ってアーチ支保工を建て込んだ後、中空ボルトを切羽前方の地山へ斜めに打ち込む。該中空ボルトから地山に注入材を注入する。
アーチ支保工は、トンネル軸線に沿って１メートル程度の間隔で設置される。アーチ支保工ごとに中空ボルトが設置される。

特開２００３－３３６４７９号公報

一般に、この種の注入式先受け工法においては、中空ボルトが、前記切羽の直近のアーチ支保工の外周側（上側）に通される。このため、前記アーチ支保工と切羽との間の、中空ボルトより下側の土砂が地山から剥離して崩れやすかった。
そこで、中空ボルトを、前記切羽の直近のアーチ支保工の内周側（下側）から次に構築される予定のアーチ支保工の外周側を通るように挿入することが検討されている。しかし、そうすると、その後のトンネル掘進時に中空ボルトの手元端が邪魔になるおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑み、注入式先受け工法にてトンネルを構築する際に、アーチ支保工と切羽との間の土砂の剥離、崩落を防止するとともに、トンネル掘進時に中空ボルトの手元端が邪魔になるのを防止することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、トンネルの切羽の直近の掘削周面に沿って構築されたアーチ支保工の内周側から次に構築されるアーチ支保工の外周側を通るように、切羽前方の地山に斜めに挿入される非継ぎ足し構造のトンネル先受け工法用中空ボルトであって、
手元端から先端へ延びて、注入材を通す中空路と、
前記中空路から外周面に達する吐出孔と、
前記手元端の近くに設けられた薄肉部を含む易破断部と、
を備えたことを特徴とする。

当該中空ボルトを地山に挿入し、かつ注入材を地山に注入した後、トンネルの掘進を再開する。中空ボルトを切羽直近のアーチ支保工の内周側（下側）に通すことで、該アーチ支保工と切羽との間の土砂を中空ボルトによって支えることができ、前記土砂が地山から剥離して崩れ落ちるのを防止できる。掘進再開により中空ボルトの手元端側の部分がある程度現れてきたとき、該手元端側の部分に例えば折り曲げ荷重をかける。これによって、易破断部に局所的に集中応力が生じ、中空ボルトが易破断部において破断される。そして、中空ボルトにおける易破断部より手元端側の部分を撤去できる。したがって、中空ボルトが邪魔になることなく掘進作業を行うことができる。
非継ぎ足し構造とは、中空ボルトが複数、一列に連ねられて長尺化される構造にはなっていないことを言う。

前記易破断部が、外周面へ向かって拡開するとともに前記外周面に開口する台形断面の環状溝を含み、前記環状溝の溝底と前記中空路の内周面との間が、前記薄肉部となっていることが好ましい。これによって、中空ボルトの易破断部を確実かつ容易に破断することができる。

前記環状溝における溝底の幅が、外周面への開口幅の１０分の４～１０分の６であることが好ましい。
前記薄肉部の厚さが、前記外周面と前記内周面との間の肉厚の１０分の２～１０分の５であることが好ましい。
前記環状溝における前記外周面への開口の幅が、８ｍｍ～１２ｍｍであり、前記溝底の幅が、３ｍｍ～７ｍｍであり、前記薄肉部の厚さが、１．５ｍｍ～２ｍｍであることが好ましい。
これによって、中空ボルトの易破断部を一層確実かつ容易に破断することができる。

前記手元端から前記易破断部までの距離が、６００ｍｍから７００ｍｍであることが好ましい。これによって、中空ボルトがトンネルの掘削周面を横切る付近に易破断部が配置されるようにできる。該易破断部において中空ボルトを破断して、そこから手元側の部分を撤去することで、トンネルの掘削周面の内側に中空ボルトが飛び出た状態を解消できる。

前記先端の近くと、前記先端と前記手元端との中間とにそれぞれ前記吐出孔が設けられており、前記手元端から前記中間の吐出孔までの距離が、前記手元端から前記先端までの距離の１０分の６から１０分の７であることが好ましい。
これによって、注入材を中空ボルトの先端近くからだけでなく、中空ボルトの中間部分からも地山に注入でき、注入材を広く行き渡らせることができる。さらには、掘進前方に構築されるアーチ支保工と切羽との間の土砂が崩れるのを確実に防止できる。

本発明によれば、注入式先受け工法にてトンネルを構築する際に、アーチ支保工と切羽との間の土砂の剥離、崩落を防止するとともに、トンネル掘進時に中空ボルトの手元端が邪魔になるのを防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る注入式先受け工法によって構築中のトンネルの断面図である。 図２は、前記注入式先受け工法に用いられる中空ボルトの正面図である。 図３は、図２の円部ＩＩＩの拡大断面図である。 図４は、前記構築中のトンネルを、図１より構築が進んだ状態で示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、トンネル１は、例えばＮＡＴＭ工法によって構築されている。トンネル１には、アーチ支保工３が一定間隔（例えば１ｍ）置きに設けられている。アーチ支保工３は、地山２の掘削周面２ｂの周方向に沿ってアーチ状に延びている。アーチ支保工３の断面はＨ型になっている。
地山２の掘削周面２ｂ及び切羽１ａには、吹付けコンクリート４が吹付けられている。アーチ支保工３が吹付けコンクリート４に埋まっている。
図示は省略するが、吹付けコンクリート４の内周側には、防水シートを介して二次覆工コンクリートが打設される。

トンネル１においては補助工法として注入式先受け工法（注入式フォアポーリング工法）が実施されている。該注入式先受け工法には、中空ボルト１０が用いられている。
中空ボルト１０の長さＬ_１０は、一般的な長尺先受け鋼管の長さ（十メートル以上）と比べ、短尺である。例えば、中空ボルト１０の長さＬ_１０は、好ましくはＬ_１０＝２～５メートル程度、より好ましくはＬ_１０＝３メートル程度である。かつ、中空ボルト１０は、非継ぎ足し構造になっている。すなわち、中空ボルト１０の端部には継ぎ足し部が設けられておらず、複数本の中空ボルトが一列に直線状に連ねられて長尺化される構造にはなっていない。
中空ボルト１０の外直径φ_１０は、好ましくはφ_１０＝２０ｍｍ～３５ｍｍ程度、より好ましくはφ_１０＝２５ｍｍ～３０ｍｍ程度である。
中空ボルト１０の材質は、ＳＴＫ４００などの鋼鉄である。

中空ボルト１０は、トンネル軸方向にアーチ支保工３と同じ間隔（例えば１ｍ）で設置されている。なお、詳細な図示は省略するが、トンネル軸方向の各設置位置には、アーチ支保工３の周方向に間隔を置いて複数の中空ボルト１０が設けられている。

中空ボルト１０は、トンネル軸線に対して、先端１０ａへ向かうにしたがって斜め外側へ傾けられ、トンネル１の外周側の地山２に打ち込まれている。トンネル軸線に対する中空ボルト１０の角度α_１０は、好ましくはα_１０＝１５°～２５°程度、より好ましくはα_１０＝２０°程度である。
中空ボルト１０の手元端１０ｂは、該手元端１０ｂと対応するアーチ支保工３の内周側（下側）に配置されている。かつ、中空ボルト１０は、前記対応するアーチ支保工３のトンネル掘進方向前方（図１において右側）に隣接するアーチ支保工３の外周側（上側）に通されている。
なお、図１において二点鎖線にて示すように、トンネル１の構築済部分における中空ボルト１０の手元端１０ｂは撤去されている。

中空ボルト１０の周りの地山２には、注入材５が注入されている。注入材５としては、例えばシリカレジンなどの２液混合型のウレタン系発泡樹脂が用いられている。

図２に示すように、中空ボルト１０には、中空路１２と、吐出孔１３と、易破断部２０が形成されている。中空路１２は、中空ボルト１０の手元端１０ｂから先端１０ａへ延びている。手元端１０ｂには注入コネクタ１５が着脱される。中空路１２における手元端側部分には樹脂製のミキサー１４が収容されている。先端１０ａは閉塞されている。

各吐出孔１３は、中空路１２の内周面から中空ボルト１０の外周面に達している。
吐出孔１３は、中空ボルト１０における先端１０ａの近くと、先端１０ａと手元端１０ｂとの中間とにそれぞれ複数設けられている。
先端１０ａ近くの吐出孔１３Ａは、中空ボルト１０の軸線に沿って一定間隔置きに配置されている。吐出孔１３Ａの配置間隔Ｐ_１３Ａは、好ましくはＰ_１３Ａ＝５０ｍｍ～１００ｍｍであり、より好ましくはＰ_１３Ａ＝７５ｍｍ程度である。各配置位置には、一対の吐出孔１３Ａが１８０°離れて対峙するように設けられている。中空ボルト１０の軸線方向に隣接する吐出孔１３Ａどうしは互いに９０°ずれている。

中間の吐出孔１３Ｃは、中空ボルト１０の軸線方向に離れた２箇所に配置されている。これら２箇所の吐出孔１３Ｃの配置間隔Ｐ_１３Ｃは、好ましくはＰ_１３Ｃ＝５０ｍｍ～１００ｍｍであり、より好ましくはＰ_１３Ｃ＝７５ｍｍ程度である。各配置位置には、一対の吐出孔１３Ｃが１８０°離れて対峙するように設けられている。２箇所の吐出孔１３Ｃどうしは互いに９０°ずれている。

手元端１０ｂから中間吐出孔１３Ｃまでの距離Ｄ_１３Ｃは、中空ボルト１０の長さＬ_１０（手元端１０ｂから先端１０ａまでの距離）の１０分の６から１０分の７程度であることが好ましく、３分の２程度がより好ましい。具体的には、中空ボルト１０の長さＬ_１０が３メートル程度である場合、手元端１０ｂから中間吐出孔１３Ｃまでの距離Ｄ_１３Ｃは、２メートル程度が好適である。
なお、中間吐出孔１３Ｃが中空ボルト１０の軸線方向に離れて複数配置されている場合、厳密には、距離Ｄ_１３Ｃは、手元端１０ｂからこれら複数の中間吐出孔１３Ｃの中間地点までの距離を言う。

図２に示すように、中空ボルト１０における手元端１０ｂの近くに易破断部２０が設けられている。
手元端１０ｂから易破断部２０までの距離Ｄ_２０は、好ましくはＤ_２０＝６００ｍｍから７００ｍｍであることが好ましく、Ｄ_２０＝６５０ｍｍ程度がより好ましい。

図２に示すように、易破断部２０には、中空ボルト１０の外周面の全周にわたる環状溝２２が形成されている。図３に示すように、環状溝２２は、台形の断面に形成されており、中空ボルト１０の外周面へ向かって拡開するとともに前記外周面に開口している。
環状溝２２における溝底２２ｂの幅Ｗ_２２ｂは、外周面への開口２２ａの幅Ｗ_２２ａの好ましくは１０分の４～１０分の６であり、より好ましくは２分の１程度である。
例えば、環状溝２２における前記外周面への開口２２ａの幅Ｗ_２２ａは、好ましくはＷ_２２ａ＝８ｍｍ～１２ｍｍであり、より好ましくはＷ_２２ａ＝１０ｍｍ程度である。溝底２２ｂの幅Ｗ_２２ｂは、好ましくはＷ_２２ｂ＝３ｍｍ～７ｍｍであり、より好ましくはＷ_２２ｂ＝５ｍｍ程度である。

環状溝２２の溝底２２ｂと中空ボルト１０の内周面との間が、環状の薄肉部２１（易破断部２０の実部）となっている。薄肉部２１の幅は、溝底２２ｂの幅Ｗ_２２ｂと等しい。
薄肉部２１の厚さｔ_２１は、当該薄肉部２１以外の部分における中空ボルト１０の外周面と内周面との間の肉厚ｔ_１０よりも小さい。薄肉部２１の厚さｔ_２１は、前記肉厚ｔ_１０の好ましくは１０分の２～１０分の５であり、より好ましくは３分の１程度である。例えば、前記肉厚ｔ_１０は、ｔ_１０＝４ｍｍ～５ｍｍ程度であるのに対し、薄肉部２１の厚さｔ_２１は、好ましくはｔ_２１＝１．５ｍｍ～２ｍｍ程度である。

トンネル１は、次のようにして構築される。
トンネル１の切羽１ａの直近の掘削周面２ｂに沿ってアーチ支保工３Ａを建て込む。
前記掘削周面２ｂ及び切羽１ａには吹付けコンクリート４を吹き付け、アーチ支保工３Ａを吹付けコンクリート４内に埋める。

切羽１ａの前方の地山２には、ボルト挿入孔２ｂを斜めに形成する。
該ボルト挿入孔２ｂに中空ボルト１０Ａを挿し入れることで、中空ボルト１０Ａを切羽１ａの前方の地山２に斜めに打ち込む。
中空ボルト１０Ａ及びボルト挿入孔２ｂの角度は、アーチ支保工３Ａの内周側（下側）から次に構築されるアーチ支保工３Ｂの外周側（上側）を通るように角度α_１０に設定される。

中空ボルト１０Ａの手元端１０ｂ近くの部分とボルト挿入孔２ｂの内周面との間には、コーキング等の封止材６を設ける。
中空ボルト１０Ａの手元端１０ｂには、注入コネクタ１５を接続する。そして、注入材５の原料の２液を中空路１２に供給する。２液は、ミキサー１４において混合されて反応して、注入材５となる。該注入材５が、中空路１２を通って、複数の吐出孔１３から周囲の地山２に注入される。
中空ボルト１０Ａにおける先端１０ａの近くだけでなく中間部分１０ｃにも吐出孔１３Ａ，１３Ｃを形成しておくことによって、注入材５を中空ボルト１０Ａの先端１０ａ近くからだけでなく、中間部分１０ｃからも吐出できる。したがって、周囲の地山２に注入材５を、中空ボルト１０Ａの軸線に沿って広く行き渡らせることができる。

その後、トンネル１の掘進を再開する。
中空ボルト１０Ａを切羽１ａ直近のアーチ支保工３Ａの内周側（下側）に通しておくことで、該アーチ支保工３Ａと切羽１ａとの間の土砂２ｄを中空ボルト１０Ａによって支えることができ、土砂２ｄが地山２から剥離して崩れ落ちるのを防止できる。

図４に示すように、掘進を再開後、中空ボルト１０Ａの手元側の部分１０ｅがある程度現れてきたとき、該手元側部分１０ｅに例えば折り曲げ荷重を加える。これによって、易破断部２０に集中応力が付与され、易破断部２０が破断される。易破断部２０の実部を薄肉部２１によって構成することによって、中空ボルト１０Ａの易破断部２０を容易に破断することができる。さらに、環状溝２２を台形断面に形成しておくことによって、中空ボルト１０Ａの易破断部２０を一層確実かつ容易に破断することができる。
これによって、中空ボルト１０Ａにおける易破断部２０より手元端１０ｂ側の部分１０ｅを撤去できる。
手元端１０ｂから易破断部２０までの距離を好ましくは６００ｍｍ～７００ｍｍ程度、より好ましくは６５０ｍｍ程度とすることによって、中空ボルト１０Ａがトンネル１の掘削周面２ｂ（図４の一点鎖線）を横切る付近に易破断部２０が配置されるようにできる。該易破断部２０において中空ボルト１０Ａを破断して、そこから手元側の部分１０ｅ（図４の二点鎖線）を撤去することで、トンネル１の掘削周面２ｂの内側に中空ボルト１０Ａが飛び出た状態を解消できる。
この結果、中空ボルト１０Ａが邪魔になることなく掘進作業を行うことができる。

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、環状溝２２の断面形状及び寸法構成は適宜改変できる。
中空ボルト１０の先端吐出孔１３Ａ及び中間吐出孔１３Ｃの数及び間隔は適宜改変できる。
中空ボルト１０が先端吐出孔１３Ａ及び中間吐出孔１３Ｃのうち先端吐出孔１３Ａだけを有していてもよく、中間吐出孔１３Ｃを省略してもよい。

実施例を説明する。本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１として下記仕様の中空ボルトを用意した。
材質： ＳＴＫ４００
長さＬ_１０： ３０００ｍｍ
外直径φ_１０： ２７．２ｍｍ
内直径： １８．２ｍｍ
肉厚ｔ_１０： ４．５ｍｍ
手元端１０ｂから易破断部２０までの距離Ｄ_２０： ６５０ｍｍ
環状溝２２の断面形状：台形
環状溝２２の開口幅Ｗ_２２ａ： １０ｍｍ
溝底２２ｂの幅Ｗ_２２ｂ： ５ｍｍ
薄肉部２１の厚さｔ_２１： １．５ｍｍ
別途、環状溝の断面形状をＶ字形状とし、かつ下記寸法以外の仕様は前記実施例１と同じ中空ボルトを用意した。
Ｖ字環状溝の開口幅： ５ｍｍ
薄肉部の厚さ（Ｖ字環状溝の底部から内周面までの肉厚）： １．５ｍｍ
各中空ボルトを作業者が人力で折り曲げて、易破断部２０において破断した。
台形断面の環状溝２２を有する中空ボルトのほうが、Ｖ字断面の環状溝を有する中空ボルトよりも破断しやすかった。

本発明は、例えば山岳トンネル構築の補助工法に適用できる。

１ トンネル
１ａ 切羽
２ 地山
２ｂ 掘削周面
２ｄ 土砂
３ アーチ支保工
３Ａ 切羽直近のアーチ支保工
３Ｂ 次に構築されるアーチ支保工
４ 吹付けコンクリート
５ 注入材
１０ 中空ボルト
１０ａ 先端
１０ｂ 手元端
１０ｃ 中間部分
１２ 中空路
１３ 吐出孔
１３Ａ 先端吐出孔
１３Ｃ 中間吐出孔
２０ 易破断部
２１ 薄肉部
２２ 環状溝
２２ａ 溝開口
２２ｂ 溝底
α_１０ 中空ボルトの角度
Ｌ_１０ 中空ボルトの長さ
φ_１０ 中空ボルトの外直径
ｔ_１０ 中空ボルトの肉厚
Ｄ_１３Ｃ 手元端から中間吐出孔までの距離
Ｄ_２０ 手元端から易破断部までの距離
ｔ_２１ 薄肉部の厚さ
Ｗ_２２ａ 開口の幅
Ｗ_２２ｂ 溝底の幅

Claims (5)

1. トンネルの切羽の直近の掘削周面に沿って構築されたアーチ支保工の内周側から次に構築されるアーチ支保工の外周側を通るように、切羽前方の地山に斜めに挿入される非継ぎ足し構造の鋼鉄からなる中空ボルトであって、
   手元端から先端へ延びて、注入材を通す中空路と、
   前記中空路から外周面に達する吐出孔と、
   前記手元端の近くに設けられた薄肉部を含む易破断部と、
   を備え、前記易破断部が、外周面へ向かって拡開するとともに前記外周面に開口する台形断面の環状溝を含み、前記環状溝の溝底と前記中空路の内周面との間が、前記薄肉部となっており、前記環状溝における前記外周面への開口の幅が、８ｍｍ～１２ｍｍであり、前記溝底の幅が、３ｍｍ～７ｍｍであり、前記薄肉部の厚さが、１．５ｍｍ～２ｍｍであることを特徴とするトンネル先受け工法用中空ボルト。
2. 前記環状溝における溝底の幅が、外周面への開口幅の１０分の４～１０分の６であることを特徴とする請求項１に記載のトンネル先受け工法用中空ボルト。
3. 前記薄肉部の厚さが、前記外周面と前記内周面との間の肉厚の１０分の２～１０分の５であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル先受け工法用中空ボルト。
4. 前記手元端から前記易破断部までの距離が、６００ｍｍから７００ｍｍであることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のトンネル先受け工法用中空ボルト。
5. 前記先端の近くと、前記先端と前記手元端との中間とにそれぞれ前記吐出孔が設けられており、前記手元端から前記中間の吐出孔までの距離が、前記手元端から前記先端までの距離の１０分の６から１０分の７であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載のトンネル先受け工法用中空ボルト。

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