JPH1018755A - トンネル掘削工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の凍結工法によれば、凍結管等を地中に
挿入設置するための作業に多くの時間と手間を要するこ
とになるとともに、かかる凍結工法は、十分な信頼性を
確保するため、安全率等を鑑みて凍結地盤を広範囲かつ
高密度に施工する必要があり、その材料や作業工程に多
くのロスを生じることになるという課題があった。 【解決手段】 この発明のトンネル掘削工法は、トンネ
ル１０の切羽部分に冷気を吹き付け、当該切羽部分の地
やま１３を凍らせながらトンネル１０の掘削作業を行う
ことにより構成される。そして、かかる地盤の凍結作業
は、液化ガスの噴射装置等の簡易な設備を用いて容易に
行うことができるとともに、切羽部分の地山１３の状況
を確認しながら、直接に冷気を吹き付けながら行うこと
ができ、これらによって、材料の無駄を省きつつ、経済
的かつ精度良く施工することができるとともに、トンネ
ル掘削中に軟弱地盤や湧水の多い地盤等に不慮に遭遇し
た場合でも、これらの不安定な地盤を迅速に改良しなが
ら容易に掘削作業を続行してゆくことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トンネル掘削工
法に関し、特に、軟弱地盤や湧水の多い地盤等の不安定
な地盤に対して掘削作業を行ってゆく際のトンネル掘削
工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、トンネル工法としては、開放
された切羽面に対して掘削作業を行ってゆく山岳トンネ
ル工法等の一般のトンネル工法や、都市部の地下地盤に
対して掘削作業を行ってゆく、開放型あるいは閉塞型の
シールド掘進機を用いたトンネル工法、あるいは岩層に
対してカッターディスクを押しつけてこれを破砕しなが
ら掘削作業を行ってゆく、トンネル掘進機を用いたトン
ネル工法などを挙げることができるが、これらのトンネ
ル工法は、いずれも、トンネルの前端掘削面である切羽
面を掘削しながらトンネルを掘り進んでゆき、切羽面の
後方のトンネル内周面には、現場打ちコンクリートや組
立セグメント等によって当該内周面を覆う覆工体を設け
ることにより、地盤の崩壊や地下水のトンネル坑内への
流入を防止しながら掘削作業を行うものである。

【０００３】そして、これらのトンネル工法では、軟弱
地盤や湧水の多い地盤等を通過しつつ掘削作業を行って
ゆく場合があるが、このような不安定な地盤に対して
は、地盤の崩壊やトンネル坑内への出水を防止すべく、
各種の補助工法を行いながら掘削作業を行う必要があ
る。

【０００４】すなわち、このような補助工法としては、
例えば圧気や泥水圧、泥土圧等の圧力を切羽面に付加し
て地盤の崩壊や出水を防止する加圧工法、排水により周
囲の地盤内の地下水位を低下させる地下水位低下工法、
セメント系や水ガラス系等の硬化性を有する薬液を地盤
中に注入することにより地盤自体を固化させる薬液注入
工法、あるいは地盤を冷却して凍結させることにより、
地盤を固化させる凍結工法等が一般に採用されている。

【０００５】このうち、凍結工法は、土質に影響される
ことなくほとんどの地盤に対して適用することができ、
また、凍土に優れた遮水性があり、さらに、土壌汚染、
地下水汚染、環境汚染等の心配がないなどの利点を有し
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来用
いられていた凍結工法によれば、トンネル施工前の地質
調査によって探査された軟弱地盤や湧水の多い地盤に対
して、例えば地表面から、あるいはトンネル坑内から、
低温液化ガスを注入するための凍結管や、冷却した塩化
カルシウム水溶液等のブラインを循環させるためのブラ
イン管を挿入して、当該軟弱地盤等を予め凍結させた後
に、この凍結した地盤に対してトンネルの掘削作業を行
ってゆくことになる。

【０００７】そして、これらの凍結管やブライン管を挿
入するための作業に多くの時間と手間を要することにな
るとともに、かかる凍結工法は、トンネルの掘削作業に
先立って予め凍結地盤を地中の所定位置に造成施工する
ものであることから、その施工精度を直接に確認するこ
とができず、したがって十分な信頼性を確保するために
は、安全率等を鑑みて凍結地盤を広範囲かつ高密度に施
工する必要があるため、その材料や作業工程に多くのロ
スを生じることになるという課題があった。

【０００８】また、従来の凍結工法によれば、凍結作業
の施工不良や施工前の地質調査の不備等から、トンネル
の掘削作業中に未だ凍結処理されていない不安定な地盤
に遭遇する場合があり、この際に凍結管やブライン管を
地中に埋設設置する作業等を迅速に行うことが出来ない
ため、凍結作業に手間がかかって掘削作業が長期間停滞
することになるおそれがあるという課題があった。

【０００９】そこで、この発明は、このような従来の課
題に着目してなされたもので、材料や作業工程に多くの
ロスを生じることなく、掘削対象地盤を迅速に凍結固化
させつつ掘削作業を行ってゆくことのできるトンネル掘
削工法を提供することを目的とするものである。

【００１０】また、この発明は、トンネルの掘削作業中
に軟弱地盤や湧水の多い地盤等に遭遇した場合、これを
迅速に固化させながら掘削作業を行ってゆくことのでき
るトンネル掘削工法を提供することを目的とするもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するためになされたもので、その要旨は、トンネル
の切羽部分に冷気を吹き付け、当該切羽部分の地山を凍
らせながらトンネルの掘削作業を行うことを特徴とする
トンネル掘削工法にある。

【００１２】ここで、上記記載においてトンネルの切羽
部分とは、トンネルの前端掘削面であるいわゆる切羽面
に位置するの地山の他、掘削作業が行われているトンネ
ルの先端部分に位置して未だ覆工作業が行われていない
トンネル内壁面の地山をも含むものである。

【００１３】また、この発明に使用する冷気としては、
０℃より低い温度を有する気体であれば種々のものを用
いることができるが、冷却効率等を鑑みて、例えば、常
温では気体となっているものを断熱膨張などを応用して
臨界温度以下まで冷却し液化した液化ガスを、噴射する
ことにより得られる低温の気体を用いることが好まし
く、より好ましくは、このような液化ガスから得られ
る、低温の窒素（沸点−１９５．８℃）、酸素（沸点−
１８３．０℃）、あるいはこれらの混合物等を使用する
ことができる。

【００１４】さらに、切羽部分の地盤を凍らせながらト
ンネルの掘削作業を行うとは、必ずしも、掘削作業と冷
気の吹き付けによる凍結作業とを同時に併行して行うこ
とのみを意味するものではなく、例えば所定の掘削長毎
に、トンネルの掘削作業と凍結作業とを交互に行いなが
らトンネルを掘り進んで行く場合をも含むものである。

【００１５】そして、この発明のトンネル掘削工法によ
れば、トンネルの切羽部分に冷気を吹き付け、当該切羽
部分の地盤を凍らせながらトンネルの掘削作業を行って
ゆく。

【００１６】すなわち、トンネルの切羽部分に、例えば
液化ガスを噴射すれば、これが気化することにより生じ
た冷気が、当該切羽部分の全体にわたって容易に吹き付
けられることになり、この冷気と接触した地盤は、地山
に含まれる水分が凍結することにより、切羽部分の全体
にわたって相当の深度まで容易に固化してゆくことにな
る。

【００１７】そして、このようにして凍結固化された地
盤によれば、軟弱地盤や湧水の多い地盤等の不安定な地
盤が改良されて、十分な支持力や止水性を備えることに
なるとともに、土砂成分と氷とが混在した、掘削の容易
な適度な強度を有する地盤を構成することになる。

【００１８】また、この発明のトンネル掘削工法によれ
ば、冷気の吹き付け作業は、例えば液化ガスの噴射装置
を用いて、切羽部分の地山の状況を確認しながら、噴射
ノズル等を介して必要な部分に直接に冷気を吹き付けな
がら行うことができるので、簡易な設備により、凍結範
囲を過剰に拡大しないことによって材料の無駄を省きつ
つ、精度良く施工することができるとともに、トンネル
掘削中に軟弱地盤や湧水の多い地盤等に不慮に遭遇した
場合でも、これらの不安定な地盤を迅速に改良しながら
容易に掘削作業を続行してゆくことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態すなわち実施例について、添付図面を参照しつつ詳
細に説明する。図１は、例えば軟質の岩盤内にトンネル
１０を掘削形成して行く、いわゆる山岳トンネル工法に
おいて、破砕帯などの湧水の多い地盤に遭遇した場合
に、この発明のトンネル掘削工法を用いて掘削作業を行
ってゆく場合の実施例を示すものである。

【００２０】すなわち、この実施例によれば、断面積が
３０ｍ² 程度の大きさのトンネル１０を、全断面掘削工
法により掘削形成して行くものであり、切羽面１１の地
山を、削岩機やその他の掘削機械を用いて掘削しながら
掘り進んで行くとともに、掘削作業を行っているトンネ
ル１０の先端部分の後方には、トンネル１０の内周面を
覆うようにしてコンクリートを巻き立てることにより、
順次覆工体１２が形成されて、トンネル内壁面の地山の
崩落が防止されることになる。

【００２１】そして、このような山岳トンネル工法で
は、湧水の少ない安定した地盤だけではなく、軟弱地盤
や、湧水の多い地盤などの不安定な地盤を通過しながら
掘削作業を行ってゆく必要を生じることになることか
ら、このような不安定な地盤を通過する際には、この実
施例のトンネル掘削工法を採用する。

【００２２】すなわち、この実施例では、不安定な地盤
に遭遇したら、一旦掘削作業を中断し、切羽面１１、及
びこれに近接する未だ覆工体１２が形成されていない部
分のトンネル内周面の地山を含む、切羽部分の地山１３
に、冷気を吹き付けて、当該切羽部分の地山１３を所定
の深さで凍結固化させる作業を行う。

【００２３】ここで、かかる凍結作業は、常温では気体
である窒素（沸点−１９５．８℃）や酸素（沸点−１８
３．０℃）等を液化させてなる液化ガスを給送し、これ
を噴射ノズル等から切羽部分の地山１３に向けて噴射す
れば、噴射された液化ガスは直ちに気化されて、極めて
低温の冷気として切羽部分の地山１３の全体にわたって
容易に吹き付けられることになる。

【００２４】なお、かかる吹き付け作業は、冷気や煙の
漏出を防止すべく、シートや板部材等からなる隔壁１４
を設けて、トンネルの先端部分を閉塞空間として行うこ
とが好ましく、この閉塞空間と連通する排気ダクト１５
等を適宜設けて換気を行うようにすることもできる。

【００２５】また、切羽部分の地山１３を凍結させる深
度は、冷気の温度や吹き付け量等を調節することによっ
て、容易に調整することができるが、かかる深度は、少
なくとも、掘削作業を行う際に軟弱地盤や破砕帯等が十
分に自立するとともに切羽部分の地山１３から出水の生
じない程度の深さとする。

【００２６】さらに、冷気の吹き付け作業に先立って、
切羽部分の地山１３に、相当の深さを有する多数の孔を
形成しておけば、この孔を介して冷気が流入してゆくこ
とにより、切羽部分の地山１３を深い部分まで容易に凍
結固化させてゆくことができる。

【００２７】このようにして切羽部分の地山１３を凍ら
せたら、液化ガスの噴射装置や隔壁等の凍結作業用の設
備を撤去して、再びトンネルの掘削作業を行ってゆく
が、かかる掘削作業中、切羽部分の地山１３は、十分な
支持力や止水性を備えるとともに、土砂成分と氷とが混
在した、掘削の容易な適度な強度を有する地盤を構成し
ていることにより、安定した状態で容易に掘削作業を行
ってゆくことが可能になる。

【００２８】そして、凍結した切羽部分の地山１３の掘
削作業が進行して、改良されていない地盤が近づいてき
たら、再び掘削作業を中断し、上述と同様の冷気による
凍結作業を行うとともに、このようにして凍結作業と掘
削作業とを交互に繰り返しながらトンネルを掘進してゆ
くことにより、軟弱地盤や湧水の多い地盤を通過した
ら、通常のトンネル工法に戻って引き続き掘削作業が行
われることになる。

【００２９】ここで、この実施例によれば、冷気の吹き
付け作業は、液化ガスの噴射装置や隔壁１４等の簡易な
設備を用いて容易行われるとともに、切羽部分の地山１
３の状況を確認しながら、材料を過剰に使用することな
く、かつ精度良く施工することができる。

【００３０】また、トンネル掘削作業中に軟弱地盤や湧
水の多い地盤等に不慮に遭遇した場合でも、かかる簡易
な設備を設置してこれらの地盤を迅速に改良しながら容
易に掘削作業を続行してゆくこともできる。

【００３１】一方、この発明のトンネル掘削工法は、上
述の山岳トンネル工法の他、開放型あるいは閉塞型のシ
ールド掘進機を用いたトンネル工法や、トンネル掘進機
を用いたトンネル工法など、その他の種々のトンネル工
法において採用することもできる。

【００３２】すなわち、例えば、開放型のシールド掘進
機においては、圧気をかけることによって切羽部分の地
山を安定させることに換えて、この発明のトンネル工法
により切羽部分の地山を凍結させながら、不安定な地盤
に対しても容易に掘削作業を行ってゆくことができると
ともに、閉塞型のシールド掘進機やトンネル掘進機を用
いる場合には、例えば先端のカッターディスクに設けた
噴射ノズルから、切羽部分の地山に冷気を吹き付けて凍
結させることにより、不安定な地盤を安定させながら容
易に掘削作業を行って行くことができる。

【００３３】なお、この発明は、上記実施例の実施の態
様のものに限定されるものではなく、請求項に記載され
た構成の範囲内において種々変更して採用することがで
きる。例えば、切羽部分の地山に吹き付けられる冷気
は、液化ガスを噴射することによって得られら冷気の
他、０℃より低い温度を有する気体であれば、その他の
種々の冷気を用いることができ、また、この発明のトン
ネル掘削工法は、軟弱地盤や湧水の多い地盤に限らず、
その他の種々の不安定な地盤に対しても容易に採用する
ことができる。さらに、この発明は、例えば圧気工法な
ど従来工法と併用して採用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
トンネル掘削工法によれば、トンネルの切羽部分の地山
に冷気を吹き付け、当該切羽部分の地山を凍らせながら
トンネルの掘削作業を行うことによって構成されるの
で、液化ガスの噴射装置等の簡易な設備を用いつつ、材
料や作業工程に多くのロスを生じることなく、掘削対象
地盤を迅速に凍結固化させながら掘削作業を行ってゆく
ことができる。

【００３５】また、トンネルの掘削作業中に軟弱地盤や
湧水の多い地盤等に遭遇した場合でも、簡易な設備を用
いてこれを迅速に固化させることにより、掘削作業を容
易に継続して行くことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかるトンネル掘削工法
を、山岳トンネル工法において採用した一例を示す略示
説明図である。

【符号の説明】

１０ トンネル １１ 切羽面 １２ 覆工体 １３ 切羽部分の地山

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネルの切羽部分に冷気を吹き付け、
   当該切羽部分の地山を凍らせながらトンネルの掘削作業
   を行うことを特徴とするトンネル掘削工法。