JP7293264B2 - トンネル覆工構築工法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削したトンネルの地山表面に対し、コンクリートを吹付けることによってトンネルの一次覆工を構築するトンネル覆工構築工法に関するものである。

近年、例えば山岳トンネル建設工事などでは、掘削したトンネルの地山表面に対し、コンクリートを吹付けることによって一次覆工を構築し、これによって地山の崩落を防止することとしている。

ここで、従来の一時覆工工法（図５参照）では、コンクリートを地山表面に吹付ける場合、付着せずに跳ね返るコンクリートが大量に発生するためコンクリートのロスが多くなっていた。また、空気の送出（吹き付けエア）によってコンクリートを吹付けるため、粉じんが大量に発生してしまうとの課題もあった。
さらに、地山が未固結地山の場合、吹付けコンクリートの衝撃により地山が削られる場合もあり、その場合は削ったボリューム分だけコンクリートを吹付ける必要があり、材料ロスとともに作業時間も増加してしまうとの課題もあった。

そこで、上記課題を解消する対策として、特開平２－５４０６３号や特開平９－１３８８３号のように型枠を使用し、地山と型枠との間に急結剤入りのコンクリートを吹付けることで、材料ロスや粉じんを低減する技術が提案された。

しかしながら上記従来の技術においては、吹付けコンクリートをそのまま使用すると、急結剤によりコンクリートが瞬時に凝結するため、コンクリートに豆板が発生するなど品質が確保できないことが課題となった。すなわち、前記急結剤の作用でコンクリートの凝結が早く進行し、型枠内にてコンクリートに偏りが生じたり、豆板等の発生によってコンクリート品質を確保できないという課題である。
なお、急結剤を添加しない通常のコンクリートを使用すると凝結に時間がかかり、一次覆工構築のために多大な時間を要することとなる。

特開平２－５４０６３号公報 特開平９－１３８８３号公報

かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、本発明は、所定の吹付け厚さに相当する位置に型枠を配置し、型枠と地山で囲まれた中に急結剤入りのコンクリートを吹込む工法において、コンクリートのリバウンドが生ぜず、また材料ロスもなく、未固結地山などに対しても地山を吹付けにより削ることがなく、コンクリート吹き込み時に急結剤の作用が生じても、型枠内にてコンクリートに偏りが生じたり、豆板等の発生が生ぜず、もって良好な品質が確保された一次覆工が通常の施工サイクルと同等以上の時間で構築できるとのトンネル覆工構築工法を提供することを目的とするものである。

本発明は、
掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置された型枠との間にコンクリートを吹き込み、トンネルの覆工構築を行うトンネル覆工構築工法において、
コンクリートにコンクリート急結剤及びコンクリート凝結遅延剤を添加し、前記地山面と前記型枠間に吹き込まれたコンクリートの締固め時間分コンクリート凝結の進行を遅延させてなり、
前記コンクリートへのコンクリート凝結遅延剤の添加は、コンクリートを移送する接続管の間に取り付けられたシャワリング管の箇所で添加し、添加したコンクリート凝結遅延剤は、シャワリング管内でのコンクリートの流動によってコンクリートと混合し、
コンクリートへのコンクリート急結剤の添加については、シャワリング管を通過した後の接続管の箇所で添加した、
ことを特徴とし、
または、
掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置された型枠との間にコンクリートを吹き込み、トンネルの覆工構築を行うトンネル覆工構築工法において、
コンクリートに液体コンクリート急結剤及び補助剤としての粉体コンクリート急結剤、そしてコンクリート凝結遅延剤を添加し、前記地山面と前記型枠間に吹き込まれたコンクリートの締固め時間分コンクリート凝結の進行を遅延させてなり、
前記コンクリートへのコンクリート凝結遅延剤の添加は、コンクリートを移送する接続管の箇所で添加し、
コンクリートへの液体コンクリート急結剤及び補助剤としての粉体コンクリート急結剤の添加は、前記コンクリート凝結遅延剤を添加した接続管の箇所で添加した、
ことを特徴とし、
または、
各々トンネル一時覆工現場の状況に応じて吹込むコンクリートの凝結遅延時間の調整が必要とされ、
前記調整は、コンクリート急結剤の種類、コンクリート急結剤の添加量、コンクリート温度、コンクリートスランプの状態との関係からコンクリート凝結遅延剤の添加量を増減して調整する、
ことを特徴とし、
または、
掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置した型枠との間に、コンクリートを吹き込んで充填する際、充填したコンクリートに振動を与える、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、コンクリートの吹付に際し、コンクリートのリバウンドが生ぜず、また材料ロスもなく、未固結地山などに対しても地山を吹付けにより削ることがなく、コンクリート吹き込み時に急結剤の作用が生じても、型枠内にてコンクリートに偏りが生じたり、豆板等の発生が生ぜず、もって良好な品質が確保された一次覆工が通常の施工サイクルと同等以上の時間で構築できるとの優れた効果を奏する。

第１実施例の概略構成を説明する説明図である。 本発明の実験データを説明する説明図である。 型枠を用いて地山にコンクリートを吹き込む構成を説明する説明図である。 第２実施例の概略構成を説明する説明図である。 従来例の構成を説明する説明図である。

以下本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図３に示すように、トンネルの地山面１から所定の間隔をあけて型枠２が配置される。そして、コンクリート３が地山面１と型枠２の間に吹き込まれて地山面１が締固めされる。ここで、トンネル構築に際し、掘削した地山の崩落を防止するなどの観点から、掘削した地山面１を早期に覆う必要がある。
よって、吹付ノズル４によりコンクリート急結剤５が添加されたコンクリート３が地山面１と型枠２の間に吹き込まれ、充填され、締固めされるものとなる。

図１に第１実施例の詳細を示す。
図１において、符号７はアジテータ車、符号８はコンクリートポンプ、符号９はシャワリング管を示す。そして、アジテータ車７、コンクリートポンプ８及びシャワリング管９は中空パイプ状の接続管１３により接続されている。
また、シャワリング管９にはコンクリート凝結遅延剤液タンク１０、液体ポンプ１１及びコンプレッサー１２が接続されており、シャワリング管９の箇所でコンクリート凝結遅延剤６が添加され、接続管１３での移送により混合できる、すなわち配管配合構造として形成されている。

そして、シャワリング管９からは接続管１３を介して吹付ノズル４が先端部に接続され、その間の接続管１３には図に示すようにＮＡＴＭコンクリートタンク１４、コンプレッサー１２及びエアードライヤー１６が接続されており、シャワリング管９を通過してきたコンクリート３にコンクリート急結剤５（図１における「ＮＡＴＭＩＣ」は登録商標）が添加される。なお、本実施例では、コンクリート急結剤５として粉体急結剤を使用した実施例であり、コンクリート急結剤５として粉体急結剤を使用する場合には、その粉体急結剤を添加する前の段階でコンクリート３をほぐしておく必要がある。

よって、前段階位置でシャワリング管９を接続しておき、該シャワリング管９にいわゆる、ほぐしエアを送出してコンクリート３をほぐしておくのである。
これにより、コンクリート急結剤５として粉体急結剤とコンクリート３との混合を良好に行うことができるからである。

以上において、アジテータ車７で混練りされたコンクリートは接続管１３内をシャワリング管９の方向に移送される。そして、第１実施例では、シャワリング管９の箇所でコンクリート凝結遅延剤液タンク１０内のコンクリート凝結遅延剤６の液体がコンプレッサー１２により押し出されてシャワリング管９内に送出され、コンクリート３に添加されるものとした。

コンクリート凝結遅延剤６の液体が添加されたコンクリート３はさらに接続管１３内を吹付ノズル４側に向かい移送される。
そしてその移送の段階で前述したとおりコンクリート凝結遅延剤６の液体が接続管１３内でスムーズに混ざり合い、いわゆる配管配合されるものとなる。このように本実施例ではコンクリート凝結遅延剤６のコンクリート３への混合動作と吹付ノズル４側へのコンクリート３の移送動作を同時に行えるものとなっている。

そして、スムーズに配管配合されたコンクリート凝結遅延剤６とコンクリート急結剤５入りのコンクリート３が吹付ノズル４の手前位置でよりよく混合され、混合されたコンクリート３が吹付ノズル４より所定の地山面１と型枠２との間に吹き込まれる。

吹き込まれたコンクリート３は、コンクリート３の充填および締固めに必要な時間と同等の時間分だけコンクリート３の凝結の進行を遅延させるものとなり、もって、コンクリート３の充填性が悪くなったり、豆板だらけのコンクリート充填となることがない。

次に、図４に第２実施例の構成を示す。
第２実施例では、コンクリート急結剤５として、液体急結剤を使用し、補助剤として粉体助剤を使用した例である。

コンクリート急結剤５として、液体急結剤と補助剤としての粉体助剤を使う場合がある。上記のように液体急結剤単独では使用されず補助剤として粉体助剤も添加されるものとなる。液体のコンクリート急結剤５だけでは、第１実施例に示す粉体のコンクリート急結剤５に比べ、吹き込み初期にコンクリート強度が上がらないという課題があった。よって、補助剤としての粉体のコンクリート急結剤５（粉体助剤）を併用することで、粉体のコンクリート急結剤５と同等以上のコンクリート強度が発現できるものとなった。

しかるに、液体急結剤と補助剤としての粉体助剤を使う場合、第１実施例で説明した、粉体急結剤の添加で使用するほぐしエアを使う必要がない。液体急結剤と補助剤としての粉体助剤を使う場合には、ほぐしエアを使用しなくともコンクリート３と液体急結剤、補助剤としての粉体助剤を混合できるからである。また、このほぐしエアを使用しないことで、液体のコンクリート急結剤５を使用したシステムではエア量が少なくなり、第１実施例における粉体のコンクリート急結剤５のシステムに比べ、コンクリート３の吹き込みの際の粉じん発生量を低減することができる。

このように第２実施例では、第１実施例のように、コンクリート凝結遅延剤６を、コンクリート急結剤５より前の添加位置（シャワリング管９の設置位置）では添加せず、液体のコンクリート急結剤５の添加位置にて添加する、すなわち、液体のコンクリート急結剤５と一緒に（ほとんど同時に）コンクリート凝結遅延剤６をコンクリートに添加することとした。

もし、液体のコンクリート急結剤５を使用する場合にコンクリート急結剤５およびコンクリート凝結遅延剤６を第１実施例と同様の添加位置とすると、液体のコンクリート急結剤５では必要としないほぐしエアが使用されるため、エア量が多くなってしまい吹き込みの際の粉じん量が多くなってしまうからである。

なお、図４において、ナトミックＬＳＡ（「ナトミック」は登録商標）は液体のコンクリート急結剤５であり、ナトミックＵＳＳ（「ナトミック」は登録商標）は補助剤としての粉体のコンクリート急結剤５（粉体助剤）を示している。

ところで、前記したように、掘削した地山面１は早期に覆う必要があるため、吹付けるコンクリート３にはコンクリート急結剤５があらかじめ添加してある。瞬間的（例えば数秒）にコンクリート３を凝結させ、吹き付けた後の数１０秒～数分間後には指で触っても変形しない程度に固化させる必要があるからである。
そこで、本発明や従来の先行発明では、前記コンクリート急結剤５を添加したコンクリート３を型枠２で閉鎖した空間に吹込んでいた。

しかしながら従来では、吹き込んだコンクリート３が瞬時に固化しすぎてしまい、もって、コンクリート３の充填性も悪くなり、また豆板だらけのコンクリート充填となる課題が生じた。本発明ではこのような状況を解消するため、コンクリート３に、コンクリート急結剤５だけでなくコンクリート凝結遅延剤６を添加することとしたのである。
なお、コンクリート凝結遅延剤６とは、例えばリグニンスルホン酸塩やオキシカルボン酸塩などを主成分として構成されたものである。

掘削したトンネルの地山面１と該地山面１より間隔をあけて配置された型枠２との間に、コンクリート急結剤５が添加されたコンクリート３を吹き込み、トンネルの覆工構築を行うトンネル覆工構築工法において、コンクリート３にコンクリート急結剤５及びコンクリート凝結遅延剤６を添加し、前記地山面１と前記型枠２間に吹き込まれたコンクリート３の締固め時間分コンクリート凝結の進行を遅延させるものとなる。

前記コンクリート凝結遅延剤６を添加し、コンクリート３の凝結を遅らせ、コンクリート３の吹込み直後、すなわち、コンクリート３の吹込み初期段階でのコンクリート３の可塑性を確保し、もって、コンクリート３を凝結が進行していない柔らかい状態にしておくことで、コンクリート３の充填性を確保し、また、吹付ノズル４の吹込みエアによる締固めを確実化したのである。

ここで、前記「コンクリート３の吹込み初期」とは、吹き込みから何分程度までをいうかであるが、吹き込みから約３０秒～２分程度が一般的に想定されている時間である。

しかし、前記型枠２のサイズ（高さ）や吹込み範囲幅によっては「コンクリート３の吹込み初期」は変わることがあり、吹き込みから５分～１０分程度までが想定されことがある。

前記コンクリート３にコンクリート凝結遅延剤６を大量に添加し、もって長時間凝結を遅らせること、または、そもそも当初よりコンクリート急結剤５を添加せずに凝結させればいいのではとも考えられる。

しかしながら、トンネル工事においては、吹付けコンクリートを早期にトンネルの支保構造とさせるため、早期に強度を出すことが第１の必須要件となる。また、施工効率の観点からも、早期に型枠を脱型し次の工程に移動できるよう、早期に吹き付けたコンクリートに強度を出す必要がある。

よって、吹き付けるコンクリート３にコンクリート急結剤５を添加しておくことは本発明にとって必須条件なのである。
そして、早期に強度を出すとの観点から考えて、凝結の遅延時間は、一般的に吹き付けから約３０秒乃至２分程度となる。

従って「コンクリートの充填および締固めに必要な時間分凝結の進行の遅延時間」とは、「早期に強度を出す」ことを前提にして、その上で充分な充填と締固めができる時間分ということになる。

なお、吹付け幅や型枠高さ、吹込みコンクリートのボリューム、コンクリートの配合（もともとのコンクリートの柔らかさ）、急結剤添加量（添加量が増えると凝結は早くなる）、コンクリート温度（コンクリート温度が高くなると凝結は早くなる） によって、各々「コンクリートの充填および締固めに必要な時間分凝結の進行の遅延時間」は、異なるものと考えられる。

ここで、「コンクリートの充填および締固めに必要な時間分凝結の進行の遅延時間」の決定の単純な一例を挙げると、「現場で、約高さ５０ｃｍの高さまでコンクリート３を吹込む時間」とされる。すなわち、約高さ５０ｃｍの高さまでコンクリート３を吹込む時間が経過するまでコンクリート３の凝結を遅延させるのである。そうすれば、「早期に強度を出す」ことを前提に、その上で充分な充填と締固めができるのである。そして、その時間は概ね約３０秒～１分程度の遅延時間とされるのである。

次に、吹込むコンクリート３の凝結遅延時間の調整方法につき説明する。
吹き込んだコンクリート３につき早期に強度を出すことを前提に、その上で吹き込んだコンクリート３の充分な充填と締固めができるコンクリート３の凝結遅延時間は、各々トンネル掘削現場、すなわち各々のトンネル一時覆工現場の状況などによって異なってくる。よって、各々のトンネル一時覆工現場の状況などによってはコンクリート３の凝結遅延時間を調整する必要が生じる。

ここで、前記吹込むコンクリート３の凝結遅延時間の調整に関係するパラメータとしては、コンクリート急結剤５の種類（急結剤種別による）、コンクリート急結剤５の添加量（添加量増で遅延時間が短くなる）、コンクリート温度（温度が高いと遅延時間が短くなる）、コンクリートスランプの状態（スランプが大きい：柔らかいと遅延時間が長くなる）などがある。そして、これらパラメータとの関係からコンクリート凝結遅延剤６の添加量が調整され、もって各々トンネル掘削現場の状況などに応じた吹込むコンクリート３の凝結遅延時間の増減調整が行えるものとなる。

なお、図２に、コンクリート凝結遅延剤６の添加量の違いによりコンクリートの初期の凝結がどのように異なるかを実験した結果を示す。
コンクリート凝結遅延剤６を０．００％、０．２５％、０．５０％、０．７５％添加したコンクリート３それぞれに、コンクリート急結剤５としてナトミックＺ（「ナトミック」は登録商標）を９％添加した場合のコンクリートの貫入抵抗値（Ｎ／ｍｍ^２）の変化につき考察したものである。

図２から理解できるように、コンクリート凝結遅延剤６を０．７５％添加したときの貫入抵抗値（Ｎ／ｍｍ^２）は４分弱の時間まで０の値を示した。すなわち、４分弱の時間までコンクリート３の凝結を遅延できることが示された。

また、コンクリート凝結遅延剤６を０．５０％添加したときの貫入抵抗値（Ｎ／ｍｍ^２）は約２分３０秒の時間まで０の値を示し、約２分３０秒の時間までコンクリート３の凝結を遅延できることが示された。

さらに、コンクリート凝結遅延剤６を０．２５％添加したときの貫入抵抗値（Ｎ／ｍｍ^２）は約１分の時間まで０の値を示し、約１分の時間までコンクリート３の凝結を遅延できることが示された。

上記のように、コンクリート凝結遅延剤６の添加量の違いによりコンクリートの初期の凝結時間が異なることが証明された。よって、このデータを基本のパラメータとして使用し、コンクリート３の凝結遅延時間の調整を行うことが考えられる。

次に、コンクリート凝結遅延剤６はいつの時点で、換言すればいずこの工程で添加したらよいのかについて説明する。

（練り混ぜ時にミキサに添加する方法）
この時点での長所としては、コンクリート凝結遅延剤６の添加設備を設置すれば、添加に関する労力がかからなくなる点があげられる。短所としては、添加率に関し、一旦作られたコンクリート３のコンクリート凝結遅延剤６の添加率を変更することが困難になる点がある。
また、コンクリート凝結遅延剤６が添加されたコンクリート３となるため、他用途（鏡吹き等吹付けコンクリート）には使えないとの欠点がある。

（練り混ぜ後輸送するアジテータ車において添加する方法）
長所としては、アジテータ車７ごとにコンクリート凝結遅延剤６を添加すること、あるいは添加しないことが選択できる。またアジテータ車７ごとにコンクリート凝結遅延剤６の添加率を変更できる。

短所としては、添加率に関して、一旦作られたアジテータ車７のコンクリート３の添加率を変更することが困難な点がある。また、一旦作られたアジテータ車７のコンクリート３は、コンクリート凝結遅延剤６が添加されたコンクリートとなるため、他用途（鏡吹き等吹付けコンクリート）には使えない。

（吹付け機配管に添加する方法）
長所としては、吹込み直前にコンクリート凝結遅延剤６を添加するため、添加するか、添加しないか、あるいは添加率の変更が吹込み直前まで可能である。よって、添加をしない選択が長い時間可能となり、添加しない選択をすれば、そのコンクリートは他用途（鏡吹き等吹付けコンクリート）にも充分使えることとなる。

短所としては、吹付け機械に添加装置を別途設置する必要があることである。
なお、現段階でもっとも好ましい方法として考えられるのは、図１に示したようにシャワリング管９を利用するとともに、該シャワリング管９の箇所で配管配合（配管途中で添加）し、その後の配管内での流動等によって添加されたコンクリート凝結遅延剤６をコンクリート中に混合する実施例ではないかと考えられる。

以上において、本発明の概略を説明すると、まず、トンネル掘削後において地山から所定の吹付けコンクリート厚さの位置に型枠２をセットする。この型枠２のセットに関しては、型枠２を専用機械にてセットする方法やエレクタ付き吹付け機等でエレクタにて把持してセットする方法などがある。また、型枠２にはあらかじめ剥離剤を塗布しておくのも良い。

ついで、吹込むコンクリート３を製造し所定位置まで輸送する。さらに、このコンクリート３にコンクリート凝結遅延剤６を添加するが、練り混ぜ時にミキサに添加する方法、練り混ぜ後輸送するアジテータ車において添加する方法、吹付け装置の配管に添加する方法などがあるが、図１に示す方法が好ましいと考えられる。また、吹付け装置の配管にてコンクリート３にコンクリート急結剤５を添加する。

そして、前記コンクリート３を地山面１と型枠２内に吹込む。コンクリート３の凝結が進行し、自立後には型枠２を外し、次の箇所に型枠２をセットしコンクリート３を地山面１と型枠２内に吹込む。これら作業が繰り返されてトンネルの一時覆工が構築される。

ところで、吹き込んだコンクリート３の締固めをさらに強固にするためには、以下の方法が考えられる。すなわち、コンクリート３を吹込んだ際の吹込みエアによりコンクリート３を締固めるだけでなく、使用する型枠２に型枠バイブレータを取り付けて振動させることが考えられる。型枠２を振動させることで吹き込んだコンクリート３は型枠２内で良好に締固めされるものとなり、吹き込んだコンクリート３の品質をさらに向上させることができる。

また、例えば内部振動機（コンクリート内部に挿入して振動を与える棒状振動器具など）を使用して、充填されたコンクリート３に振動を与えることも良好に締固めできるものとなる。

１ 地山面
２ 型枠
３ コンクリート
４ 吹付ノズル
５ コンクリート急結剤
６ コンクリート凝結遅延剤
７ アジテータ車
８ コンクリートポンプ
９ シャワリング管
１０ コンクリート凝結遅延剤液タンク
１１ 液体ポンプ
１２ コンプレッサー
１３ 接続管
１４ ＮＡＴＭコンクリートタンク
１６ エアードライヤー

Claims (4)

1. 掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置された型枠との間にコンクリートを吹き込み、トンネルの覆工構築を行うトンネル覆工構築工法において、
   コンクリートにコンクリート急結剤及びコンクリート凝結遅延剤を添加し、前記地山面と前記型枠間に吹き込まれたコンクリートの締固め時間分コンクリート凝結の進行を遅延させてなり、
   前記コンクリートへのコンクリート凝結遅延剤の添加は、コンクリートを移送する接続管の間に取り付けられたシャワリング管の箇所で添加し、添加したコンクリート凝結遅延剤は、シャワリング管内でのコンクリートの流動によってコンクリートと混合し、
   コンクリートへのコンクリート急結剤の添加については、シャワリング管を通過した後の接続管の箇所で添加した、
   ことを特徴としたトンネル覆工構築工法。
   
2. 掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置された型枠との間にコンクリートを吹き込み、トンネルの覆工構築を行うトンネル覆工構築工法において、
   コンクリートに液体コンクリート急結剤及び補助剤としての粉体コンクリート急結剤、そしてコンクリート凝結遅延剤を添加し、前記地山面と前記型枠間に吹き込まれたコンクリートの締固め時間分コンクリート凝結の進行を遅延させてなり、
   前記コンクリートへのコンクリート凝結遅延剤の添加は、コンクリートを移送する接続管の箇所で添加し、
   コンクリートへの液体コンクリート急結剤及び補助剤としての粉体コンクリート急結剤の添加は、前記コンクリート凝結遅延剤を添加した接続管の箇所で添加した、
   ことを特徴としたトンネル覆工構築工法。
   
3. 各々トンネル一時覆工現場の状況に応じて吹込むコンクリートの凝結遅延時間の調整が必要とされ、
   前記調整は、コンクリート急結剤の種類、コンクリート急結剤の添加量、コンクリート温度、コンクリートスランプの状態との関係からコンクリート凝結遅延剤の添加量を増減して調整する、
   ことを特徴とした請求項１または請求項２記載のトンネル覆工構築工法。
   
4. 掘削したトンネルの地山面と該地山面より間隔をあけて配置した型枠との間に、コンクリートを吹き込んで充填する際、充填したコンクリートに振動を与える、
   ことを特徴とした請求項１、請求項２または請求項３記載のトンネル覆工構築工法。

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