JPH0786240B2

JPH0786240B2 - ハーフトンネルの構造とハーフトンネルの構築方法

Info

Publication number: JPH0786240B2
Application number: JP2331381A
Authority: JP
Inventors: 三千勇藤井
Original assignee: 株式会社藤井基礎設計事務所
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH04198593A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、山岳地域や海岸等の斜面や絶壁に沿って道路
等を通すために構築されるハーフトンネルの構造とハー
フトンネルの構築方法に関するものである。

〈従来の技術〉近年、山岳地域や海岸沿い等に道路網が整備されつつあ
り、該地域の岩盤の斜面又は絶壁に道路を通す場合に
は、従来は斜面や絶壁を道路面を確保するように掘削
し、長大のり面を形成して行う「切土工法」、道路面を
確保するだけの範囲を掘削して落石事故防止用のロック
シェッドを設ける「ロックシェッド工法」、トンネルを
通す「トンネル工法」等が行われていた。

〈発明が解決しようとする課題〉しかし、例えば、従来から一般的に行われている切土工
法によると、工費的には有利であるが、施工性の面で
は、斜面傾斜と切土勾配の関係から長大のり面となるこ
とが多く、岩盤掘削の範囲が大きくなるため施工性が悪
くなる。また、維持管理の面においても、長大のり面と
なるため該のり面の維持管理が難しく、風化を助長する
ことから二次災害が起こりやすく、切取上部からの落石
対策が問題となる。更には、用地買収の点からいって
も、長大のり面となるため道路敷幅が広くなり、買収範
囲を広く取る必要が生じてくる。また、地質的弱線に沿
って地滑りを誘発する可能性が高い。ロックシェッド工
法によっても、切土工法に比べて掘削範囲を少なくする
ことができるが、落石事故のおそれが残存する。特に、
先頃、福井県において同工法によるロックシェッドが崩
岩、崩土により破壊し、人命が失われたことは記憶に新
しいことであり、同工法の問題点が注目されている。

また、トンネル工法によると、長大のり面は生じないこ
とから以上のような問題は改善されるが、工費が大きく
なり、更には内部の照明等の維持費が嵩む等の問題があ
る。

そこで、本発明は掘削範囲を少なくできる等施工性がよ
く、崩岩の落下による事故防止等安全対策上等の維持管
理にも適していて、用地買収の範囲も少なくて済む山岳
等の岩盤の斜面又は絶壁における道路等を通すための構
造物及びその施工方法を開発することを目的とするもの
である。

〈課題を解決するための手段〉そこで、本発明は、第１には、岩盤の斜面又は絶壁の表
面に対して掘削して形成した路床と内壁面を有するオー
バーハング状の掘削部の内壁面に沿って沿設した支保工
と、該支保工に対して打ち込んで支保工裏の岩盤に埋設
してなるロックボルトと、該支保工と路床の開放端側間
に一定間隔をおいて差し渡した支柱とからなるハーフト
ンネルの構造、第２には、岩盤の斜面又は絶壁の表面に
対して路床と内壁面を有するオーバーハング状の掘削部
を形成し、上記掘削部の内壁面に沿って支保工を沿設
し、該支保工を路床開放端近くで支える仮設支柱を建て
込み、その上で該支保工と路床の開放端側間に一定間隔
をおいて支柱を差し渡してなるハーフトンネルの構築方
法により、上記目的を達成しようとするものである。

〈作用〉つまり、本発明においては、岩盤等にオーバーハング状
の掘削部を形成し、該掘削部の内壁面に沿って沿設した
支保工と該支保工と路床の開放端側間に一定間隔に支柱
を差し渡してあるので、該内壁面付近の岩盤の変形を有
効に抑制する。殊に、該支保工裏の岩盤にロックボルト
を埋設せしめると、より岩盤の変形を抑制する。

本発明たるハーフトンネル構造を施工する際には、先ず
オーバーハング状の掘削部を形成し、上記掘削部の内壁
面に沿って支保工を沿設したのち、支柱を配設する前に
仮設支柱を建て込むので、岩盤の崩れを有効に防止しつ
つ支柱を一定間隔をおいて配設できる。

本発明たるハーフトンネルによれば、長大のり面を形成
しないので、掘削範囲が少なく、その掘削もオーバーハ
ング状に掘削するので、崩岩の落下による事故のおそれ
も解消される。

〈実施例〉以下本発明ハーフトンネルの構造とその構築方法につい
ての要旨を更に明確にするため図面を使用して実施例を
説明する。

第一実施例として示すハーフトンネルＡは、第１図、第
２図に示すように、山岳地帯における急斜面の岩盤５を
表面よりオーバーハング状の掘削部４を掘削し、該掘削
部４の内壁面２に沿って略くの字型の断面形状を有する
梁状の支保工11を沿設し、該支保工11と路床３の岩盤表
面の開放端間を差し渡すように壁面に沿って一定間隔を
置いて支柱12を設けてなるもので、該支柱の路床部分に
は強度を増すため支柱基礎13が形成されている。ハーフ
トンネルＡが以上のように構成されていることから、長
大のり面を形成する必要がなく、したがって岩盤掘削の
範囲を少なく済ますことができ、該ハーフトンネル上部
で落石や岩盤が落下したとしても、ロックシェッド工法
の場合のように該落下により圧し潰されることがない。
また、道路敷幅が狭くてもよいため、用地買収も容易と
なる。

このハーフトンネルＡは、第４図に示すような手順で行
われる。詳しくは、以下のような方法で構築する。

掘削工まず、岩盤の斜面又は絶壁の表面に対して掘削し、掘削
部４を形成する。つまり、第４図にいうところの掘削工
を行う。この掘削部４は第５図に示すようなオーバーハ
ング状の断面形状に掘削することにより得られるもので
あり、路床３と内壁面２を有するものである。本構築方
法では、通常対象とする地盤が中硬岩〜硬岩と堅い岩盤
であるため、掘削は発破掘削が主になる。しかし、発破
掘削では、地山に対して緩みを与える危険性があること
から、施工には十分注意する必要がある。近年、NATMに
よるトンネル掘削がさかんになり、地山を痛めたくない
というNATM本来の目的から発破掘削に対して機械掘削技
術が進歩してきていて、その一つとして、スロット削孔
機を利用する硬岩掘削法、つまり、スロット削孔機によ
りトンネル外周及び切羽にスロットを削孔することで自
由面を形成し、その自由面に囲まれたブロックを高水圧
破砕装置や膨張性破砕材、油圧くさび等で割岩し、その
後油圧ブレーカーで打撃破砕することにより硬岩を無発
破掘削するものがある。また、ブーム掘削機は、T.B.M
（トンネルボーリングマシン）が、岩盤の全断面を一度
に掘削するもので、地質の変化が激しく湧水の多い日本
においても成功例が少ないのに対し、費用が安く、工法
の変更に対して融通性、適応性があり、切削断面の形に
制限がなく、移動設置が簡単で短時間にできる等のメリ
ットがある。

支保工の建て込み次に、第４図、第５図に示すように、上記掘削部４の内
壁面２に沿って支保工11を沿設する。該支保工は梁状に
施される。本工法の場合、地山の変形を押えるために
は、剛性の高い支保工材を用いることが有利である。支
保工の部材の標準は1.0mピッチでＨ形鋼で150×150又は
200×200である。

仮設支柱の建て込み続いて第５図に示すように、仮設支柱15を建て込む。こ
れは支柱12を施工する前に行うもので、トンネルのよう
にアーチ効果を期待できないため仮設支柱が必ず必要と
なる。支保工は綱製とし仮設支柱と連結する必要があ
る。該仮設支柱は支柱施工後に撤去する。該仮設支柱の
部材の標準は1.0mピッチでＨ形鋼300×300又は400×400
である。

支柱の施工第５図に示すように、支保工と路床の開放端側間に一定
間隔をおいて支柱を施工する。該支柱は施工後の建築限
界を満足するもので、仮設支柱に対してピッチを広げて
美観上の処理を施すものである。第５図に示すように上
部の梁と基礎工を一体化する。支柱の施工完了後には、
支柱の安全性が最も重要となり、支柱の基礎部分が不安
定な場合には、アンカー等により補強を施しておく必要
がある。

覆工の施工覆工は掘削面、支保工等の美観処理、掘削面の小崩落に
対する防護、湧水に対する防護等のために行われるもの
で、覆工吹付コンクリート、プレキャスト覆工等を考慮
して行う。

次に、ハーフトンネルＢは、上記の場合と略同一構成で
あるが、第３図に示すように、支保工11の天井部111に
表面側からロックボルト14を打ち込んで、支保工11の天
井部111の裏面の岩盤に埋設せしめたものである。該ロ
ックボルト14は該天井部111の上部から下部にかけて適
宜間隔で複数本打ち込まれていて、内壁面２に沿って一
定間隔で配設されている。このようにロックボルト14を
設ければ、下記に示す解析によっても分かるように天井
部111上部の岩盤の変形が抑制されていてほとんど変形
がない状態となっている。

次に、上記構造に基づくハーフトンネルに関して解析を
行う。解析はFEM（有限要素法）により行ったものであ
るが、該FEMはトンネルの変形問題等によく用いられる
数値解析であり、これにより掘削に対する変形の形態、
応力状態の変化等が把握できる。また、地盤の物性値が
具体的に得られれば変形量を推定することができる。本
工法は、地山を痛めずいかに変形量を抑えられるかが最
大のテーマであり、このためFEMによる変形解析は本工
法の採用の可否を判断する重要な役割を果すものであ
る。今回の解析においては、テストケースとして地盤を
完全弾性体と仮定している。

ここで、FEM解析において弾性解析を行う場合には、設
定する物性値は単位体積量ρ（t/m³）弾性係数（ヤング率）Ｅ（t/m²）ポアソン比ν である。

ここで、岩石の物性に関して密度ρは ρ＝2.0〜3.0（t/m³）の範囲にある。また、弾性係数E_Rは、火成岩類の方が堆
積岩類より全体に高い値となる。ポアソン比はν＝0.2
〜0.3の範囲にある。

また、一軸圧縮強度σ_Cと岩石の弾性係数E_Rの関係は既
存のデータにより、 E_R＝303×σ_C が読み取れる。

また、岩石物性と岩盤物性との相関関係は、Ｅ＝1.113×E_R ^0.9136 E:岩盤の弾性係数（kg/cm²） E_R：岩石の弾性係数（kg/cm²）である。

また、岩石物性と弾性波速度の関係は、・密度 ρ（t/m³） ρ＝2.064V_P ^0.1638 ・一軸圧縮強度σ（kg/cm²）σ＝22.83V_P ^2.107 ・弾性係数Ｅ（kg/cm²）Ｅ＝8.156×10V_P ^3.633とな
る。

・ポアソン比 ν ν＝0.4501(1/V_P)^0.3882 以上のような各物性の相関関係から岩盤の物性を評価し
て妥当な物性値を設定することが必要である。

なお、FEM解析によって得られる変形量が全体の破壊に
至るものであるかどうかを判断する必要がある。NATMト
ンネルの設計、施工では変形を管理しながら掘削を進め
ていくため、NATMでの考え方が参考になるものと思われ
る。

例えば、トンネルの内空変位、天端沈下、地中変位など
の変位計測結果から地山ひずみを逆算しひずみの大きさ
によってトンネルの安全性を定量的に評価する方法が提
案されている。ここで導入されているのが「限界ひず
み」の考え方であり、破壊ひずみを岩石が破壊するとき
のひずみとすると、限界ひずみは破壊ひずみより小さい
値を取り、安全性に対しては危険な状態を示すひずみで
あると考えられる。ここで、限界ひずみは次のように定
義される。

ε_O＝σ_C/E ここで、ε_O：限界ひずみ σ_C：一軸圧縮強度 E:弾性係数限界ひずみは節理等の不連続面の影響をあまり受けない
量である。即ち、不連続面の影響によって一軸圧縮強度
が低下すれば弾性係数も低下し、その程度はほぼ同一で
ある。このことは岩盤の限界ひずみを岩石コアの値から
推定できる可能性を示している。

以上のような物性値の設定及び解析結果の評価の方法に
基づいて実際に解析を行ってみる。解析は第６図に示す
手順に従って行われる。実際に解析を行った検討断面は
第７図に示すようなものとし、その物性値の設定は深さ
方向の岩は硬岩になるものと考えて、第７図のように地
盤をａ層、ｂ層、ｃ層、ｄ層の４層に区分して物性値を
設定した。各層の物性値は、以下のように設定した。

なお、ここで第７図において、従来の切土方法では、二
点破線で示すように掘削されることになる。

荷重条件としては、支保工、ロックボルトの効果を把握
するために、以下の変形を計算する荷重条件を設定し
た。

1.掘削による変形 2.支保工のある場合の掘削による変形 3.ロックボルト工＋支保工の場合の掘削による変形荷重条件はFEM解析ソフト（Mr.SOIL）における次のコマ
ンドを組み合わせて設定する。

GRAV ：重力荷重（初期応力状態） EXCA ：掘削（要素の掘削） BACK ：盛土（支保工等の要素の追加） DLOAD ：分布荷重（ロックボルトのよる荷重） 1.の場合 GRAV→EXCA 2.の場合 GRAV→BANK→EXCA 3.の場合 GRAV→BANK→DLOAD→EXCA 以上のような条件で行われた解析結果は以下のようにな
る。

掘削面付近の変形状態は、各荷重条件毎に第８図（Ａ）
〜（Ｂ）に示すようになる。第８図において、破線が変
形前のもの、実線が変形後の状態を示し、同図（Ａ）は
掘削のみによる変形、同図（Ｂ）は支保工のある場合の
変形、同図（Ｃ）は支保工とロックボルトを施した場合
のそれぞれの荷重条件における変形形態及び変形度を示
している。

第８図において変形図は、最大変位量を基準にスケーリ
ングしてあるため、各荷重条件毎に異なる変位スケール
となっている。しかし、変形の状態については比較がで
きる。変形状態から得られる事項をまとめると以下のよ
うになる。

掘削による変形においては、掘削天端の解放部が変形
量が最大となるが、支保工を設けた場合には、この変形
量は小さく抑えられていることが分かる。

また、ロックボルト工を施工した場合には、支保工の
みの場合にあった天盤部の変形が抑えられていて、ほと
んど変形がない場合となっている。

支保工を設けた場合は、底盤部が変形量が最大とな
る。これは、弾性解析を行っているので、支保工によっ
て抑制された変形が底盤部に及んだものと考えられる。

掘削面付近の変形量をまとめてみると、第９図に示す接
点番号の変形量は縦方向については表１、水平方向につ
いては表２に示すようになる。

上記より各荷重ケースによる変化量を比較すると、掘削のみによる変形＞支保工のある場合の変形＞支保工＋ロックボルト工の場合の変形の傾向が得られる。特に、支保工は天盤の変形に対して
有効に働いていて、例えば、節点番号106の点における
変形の度合は、支保工がある場合には約4.0mmであるの
に対し、支保工がある場合には0.2mmというように約1/2
0に抑えられる。ロックボルト工の効果も、ロッグボル
ト力の大きさや方向を計測結果をもとに変形を抑制でき
るように設計すれば、本工法の安定性に大きな役割を果
すと考えられる。

なお、本発明は本実施例に限定されるわけではなく、本
発明の目的、作用及び後述する効果の奏する範囲におい
て任意に定められてよく、これらの変更は本発明の要旨
を何ら変更するものでないことはいうまでもない。

〈発明の効果〉以上の如く構成される本発明においては、岩盤等に形成
されたオーバーハング状の掘削部の内壁面に沿って沿設
した支保工と該支保工と路床との開放端側間に一定間隔
に支柱を差し渡してあるので、該支保工と支柱とで該内
壁面付近の岩盤の変形を有効に抑制することができる。
これは、前述の解析結果からも認められるものである。

殊に、該支保工裏の岩盤にロックボルトを埋設せしめる
と、より岩盤の変形を抑制する。

また、本発明たるハーフトンネル構造の施工に際して
は、先ずオーバーハング状の掘削部を形成し、上記掘削
部の内壁面に沿って支保工を沿設したのち、支柱を配設
する前に仮設支柱を建て込むので、岩盤の崩れを有効に
防止しつつ支柱を一定間隔をおいて配設でき、崩岩等の
事故を未然に防止することができ、安全性を高めること
ができる。

本発明たるハーフトンネルによれば、長大のり面を形成
しないので、掘削範囲が少なくすることができ、よっ
て、施工性を高めることができ、維持管理も切土工法に
比べて容易となる。特に、掘削をオーバーハング状に行
うので、崩岩の落下による事故のおそれも解消される。
また、用地買収の点でもオーバーハング状に掘削するの
みであるので、買収範囲を少なく済ますことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はハーフトンネル
の斜視図、第２図はハーフトンネルの断面図、第３図は
ロックボルトを設けた場合のハーフトンネルの断面図、
第４図は構築方法を示すフローチャート、第５図は構築
方法を示す説明図、第６図は解析方法を示すフローチャ
ート、第７図は解析に使用した地盤の形状を示す断面
図、第８図（Ａ）〜（Ｃ）は掘削のみによる変形、支保
工のある場合の変形、支保工とロックボルトを施した場
合の変形の各場合の変形度を示す説明図、第９図は節点
番号を示す説明図である。 A:ハーフトンネル、B:ハーフトンネル 11:支保工、111:天井部 112:側面部、12:支柱 13:支柱基礎、14:ロックボルト 2:内壁面、3:路床 4:掘削部、5:岩盤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】岩盤の斜面又は絶壁の表面に対して掘削し
て形成した路床（３）と内壁面（２）を有するオーバー
ハング状の掘削部（４）の内壁面に沿って沿設した支保
工（11）と、該支保工に対して打ち込んで支保工裏の岩
盤に埋設してなるロックボルト（14）と、該支保工と路
床の開放端側間に一定間隔をおいて差し渡した支柱（1
2）とからなることを特徴とするハーフトンネルの構
造。
【請求項２】岩盤の斜面又は絶壁の表面に対して路床
（３）と内壁面（２）を有するオーバーハング状の掘削
部（４）を形成し、上記掘削部の内壁面に沿って支保工
（11）を沿設し、該支保工を路床開放端近くで支える仮
設支柱（15）を建て込み、その上で該支保工と路床の開
放端側間に一定間隔をおいて支柱（11）を差し渡してな
ることを特徴とするハーフトンネルの構築方法。