JPH11241593A - シールド工法における地盤崩壊防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 応力変化により崩壊しやすい上に浸水崩壊が
顕著なケニーヒル層のような地盤中でシールド掘進機を
掘進させる場合でも、シールド掘進機の周囲の地盤崩壊
を効率的に防止できる地盤崩壊防止方法を提供する。 【解決手段】 シールド掘進機１の掘進中において、ス
キンプレート６に設けられている注入口７からスキンプ
レート外周の隙間５５にケミカルグラウト材を注入し、
この隙間による地盤崩壊を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド工法にお
いて、シールド掘進機の掘進に伴い崩壊する恐れがある
地盤の崩壊を防止する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】崩壊性の高い地質の地盤にシールド掘進
機を掘進させる場合、地盤を安定化する方法として、従
来、主に次のような方法が採られていた。

【０００３】（１）事前薬液注入法 図１９に示すように、シールド掘進機１の掘進を行う前
に、地上からボーリングマシン５０にて注入ロッド５１
を貫入し、薬液注入（ケミカルグラウト材を注入）して
事前に地盤を固めておく。

【０００４】（２）後追い薬液注入法 図２０に示すように、シールド掘進中に上部崩壊等の前
兆があった場合、掘進を停止して地上からボーリングマ
シン５０にて注入ロッド５１を貫入し、薬液注入してシ
ールド掘進機１の周辺の地盤を固める。

【０００５】（３）機内ボーリング注入法 図２１に示すように、シールド掘進機１の掘進を停止し
てその内部に取り付けたガイドパイプ５２より注入ロッ
ド５１を貫入し、薬液注入してシールド掘進機１の前方
の地盤を固める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の薬液注入法によると次のような問題点があった。 事前に薬液注入しておく方法の場合は、シールド掘
進機のカッタ切削に伴い力学的に影響を受ける地盤全体
を改良する必要があり、薬液注入量が多大となる。

【０００７】 地上からの薬液注入は、地上での注入
位置の制約や、上部の埋設物や構造物等を避けるため
に、注入ロッドを斜めに貫入させたり、立坑を別に掘削
して立坑から注入ロッドを貫入する必要が生じ、工費及
び工期が多大となる。また、運航中の線路下や滑走路下
は注入不可能な場合もある。

【０００８】 道路規制や借地等による地上での制約
が多く、地上作業帯の確保や試掘や道路復旧等に多大な
工費が必要となる。

【０００９】 スレーキング特性を有する岩盤での、
事前の薬液注入による地盤改良は、ボーリングによる削
孔水で地盤に悪影響を及ぼす。また、薬液注入は地盤内
の空隙に薬液を浸透させるため、緻密な岩盤には効果が
ない。

【００１０】 後追い薬液注入法の場合、崩壊が進ん
で地盤が乱れ、地上や埋設物への影響が大きくなる。

【００１１】 シールド掘進機内からの薬液注入は、
シールド掘進機前方の地盤改良であり、シールド掘進機
外周の隙間を充填することはできない。また、シールド
掘進機を停止して行うため、工費及び工期が増加する。

【００１２】ところで、本発明者らは、ケニーヒル層
（風化土、未風化岩）『Kenny Hill Formation』と言わ
れる地層でシールド掘進を行ったところ、一般の地層か
らは想像もできない次のような崩壊が多数発生した。図
２２はその模式図で、沖積砂層５３の下が未風化ケニー
ヒル層の岩盤５４となっており、地下水位ＧＷＬが沖積
砂層５３中に存在する現場において、未風化ケニーヒル
層の岩盤５４中にシールド掘進機１を掘進させたとこ
ろ、ケニーヒル層の構成岩は、硬度としては硬いにも拘
わらず、シールド掘進機１の上部の未風化ケニーヒル層
の岩盤５４が、カッタによるトンネル掘削に従う岩盤内
部応力の変化と、シールド掘進機１と岩盤の隙間に浸入
した地下水の作用により、スレーキング（浸水崩壊）が
急速に進行して、沖積砂層５３の砂がケニーヒル層に吸
い込まれるように井戸状に流れ、地上まで伝達して地表
面が陥没した。

【００１３】このような現象を解析したところ、次のよ
うな過程で生ずるものと推定される。 １．岩盤５４内をシールド掘進機１でトンネル掘削する
ことにより、岩盤内部の応力が変化する。 ２．未風化ケニーヒル層の構成岩の上部は節理（クラッ
ク）が多く、粘着力が小さいため、応力変化の影響を受
けやすく、圧力（水圧）がバランスした状態でも、崩壊
しやすい。 ３．シールド掘進機１のカッタ３は、通常、シールド掘
進機１の外径より１０〜２０ｍｍ大きくトンネルを掘削
する。この１０〜２０ｍｍの隙間５５に地下水が浸入
し、浸水崩壊（スレーキング）特性の大きい岩盤５４は
急速に崩壊する。 ４．浸水崩壊（スレーキング）特性の大きい岩盤５４
は、上記１の作用と２の作用によりシールド掘進機１の
カッタ３でトンネル掘削直後よりすぐに浸水崩壊が始ま
り、裏込注入５６で排除された地下水がそれに追い打ち
をかけるように供給されて、上部へ崩壊が拡大し、ケニ
ーヒル層に穴が明く。 ５．ケニーヒル層に穴が明くと、上部沖積砂層５３の砂
が地下水と共にケニーヒル層の穴部分に流入し、岩石の
ようであっても水に触れると直ぐに溶融状態となるケニ
ーヒル層の浸水崩壊が一気に進行する。 ６．沖積砂層の直上に空洞が発生して、地表面が陥没す
る。 ７．沖積砂層の一時的な地下水位低下により陥没箇所の
周辺が沈下する。

【００１４】このような現象が生ずる地盤を安定化する
ために、上記のような地上からの薬液注入を種々試みた
が、大量に薬液注入してもほとんど効果がなく、また注
入した薬液がシールド掘進機のチャンバ内に流入する事
例も多かった。

【００１５】本発明の目的は、応力変化により崩壊しや
すい上に浸水崩壊が顕著なケニーヒル層のような地盤中
でシールド掘進機を掘進させる場合でも、シールド掘進
機の周囲の地盤崩壊を、上述したからのような問題
点無く効率的に防止できる地盤崩壊防止方法を提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、シールド掘進
機のスキンプレートと地山との間に形成される隙間に、
スキンプレートに設けられている注入口を通じてケミカ
ルグラウト注入を行うことによって、この隙間による地
盤崩壊を防ぐ。

【００１７】隙間へのケミカルグラウト注入は、通常は
シールド掘進機の掘進中に行うが、掘進を停止させての
セグメント組立中に行ってもよい。

【００１８】すなわち、本発明は、シールド掘進機内か
ら、スキンプレート外周の隙間に掘進と同時にケミカル
グラウト注入して隙間を即充填し、地山の変形を防ぎゆ
るみの発生を防止するとともに、浸水崩壊を防止しなが
ら掘進する。

【００１９】ケミカルグラウト注入は、１リング分の掘
進動作の直後から開始して、１リング分の掘進完了後に
終了し、もしくは注入圧力が低い場合には、セグメント
組立中も注入する。これを１リング分の掘進毎に繰り返
す。

【００２０】複数の注入口がスキンプレートの周方向に
離して設けられている場合、注入口を順次変えて均等に
注入することができる。

【００２１】スキンプレート外周へ注入したケミカルグ
ラウト材がシールド掘進機のチャンバ内に流入したと
き、及び注入圧力が所定圧力以上となったときは、注入
を一時停止する。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳述する。

【００２３】図１に、本発明を適用するシールド掘進機
１と、その掘進に伴いシールドセグメントをリング状に
組み立てて施工されたシールドトンネル２内の設備の全
体の概要を示す。シールド掘進機１は、カッタ３により
掘削した土砂を、カッタ３と隔壁４との間に形成された
チャンバ５内に導入しながら、図示しない公知の推進装
置により推進されて掘進する。チャンバ５の土砂は公知
の排土設備により自動的に排出される。

【００２４】シールド掘進機１のスキンプレート６に
は、隔壁４よりも後方において、地山へケミカルグラウ
ト注入するための複数の注入口７が、周方向に一定の間
隔で離して放射状に設けられている。図３の例では４５
度の間隔で設けられている。各注入口７の内側にはバル
ブ８が着脱可能に取り付けられ、各注入口７は、バルブ
８とホース９を介して薬液供給プラント１０に接続され
ている。複数の注入口７には、薬液供給プラント１０か
ら同じケミカルグラウト材が供給されるが、バルブ８の
開閉は任意に制御できるので、注入口７からのケミカル
グラウト注入は任意に選択できる。また、注入圧力も任
意に調整できる。

【００２５】ケミカルグラウト注入は次のようにして行
う。シールド掘進機１を１リング分（シールドセグメン
トリングの１個分）だけ掘進させるに当たり、少し掘進
させてから所要の注入口７のバルブ８を開いて注入を開
始し、１リング分の掘進完了後に注入を終了する。そし
て、このような注入を１リング掘進毎に繰り返す。

【００２６】注入口７からスキンプレート６の外周に注
入されたケミカルグラウト材は、掘進に伴いスキンプレ
ート６と地山との間に形成される隙間５５に即充填され
る。使用するケミカルグラウト材としては、強度は弱く
とも、ゲル化が早く、水に溶けにくいものが良い。

【００２７】注入口７は、スキンプレート６の周方向に
離して放射状に設けられているので、その複数から同時
に地山へ注入することができるが、注入位置及び注入順
序は任意に決めることができる。例えば、図５に示すよ
うに隣接する３個の注入口７Ａ・７Ｂ・７Ｃの場合、１
リング分の掘進中において７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｂ、７
Ａの順序で注入口（注入位置）を順次変え、これを１リ
ング毎に繰り返すことができる。また、シールド掘進機
１を先ず１リング分掘進させるときは注入口７Ａから注
入し、次の１リング分の掘進のときは注入口７Ｂから注
入し、次の１リング分の掘進では注入口７Ｃから注入
し、次には注入口７Ｂ、次に注入口７Ａと、１リング分
掘進毎に７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｂ、７Ａの順序で注入口
（注入位置）を順次変えることもできる。

【００２８】上記のように掘進及び注入しながら、各種
の観測を行い、そのデータを解析して注入量及び注入圧
力を調整する。注入口７から地山へ注入したケミカルグ
ラウト材がチャンバ５内に流入してきたときは、掘進を
停止して注入を一時停止する。注入圧力が所定以上に上
昇したとき、及び定期的にバルブ８のクリーニングを行
う。そのとき、パッカ等を用いて注入口７からの逆流を
防止する。

【００２９】図６及び図７は、沖積砂層５３の下がケニ
ーヒル層の岩盤５４になっている現場において、シール
ド掘進機１をケニーヒル層の岩盤５４中に掘進させて上
記のようにケミカルグラウト材を地山に注入した例で、
５７は、シールド掘進機１の掘進に伴いその外周上部に
形成されたケミカルグラウト充填部分、５６は裏込部分
を示す。

【００３０】本発明は、ケニーヒル層のように応力変化
により崩壊しやすい上に浸水崩壊が顕著な条件の地盤に
適用するのに好適であるが、その他、地上から薬液注入
して地盤安定化を行うのが困難な場合や、軟弱な地盤の
場合や、注入圧力に制限がある場合など、条件の悪いと
ころでのシールド工法に適用できるもので、その例を以
下に示す。

【００３１】図８から図１３までは、シールド掘進機１
の掘進を行うに当たり、事前又は後追いによる地上から
の薬液注入が困難な場合で、図８は河川や湖や海底等の
直下での掘進、図９は高速道路や鉄道の直下での掘進、
図１０はビルディング等の地上構造物の直下での掘進、
図１１は地下構造物や地下埋設物の直下での掘進、図１
２は飛行場の滑走路下での掘進、図１３は非常に深いと
ころでの掘進に、本発明を適用した例である。

【００３２】図１４は、地下構造物の近傍にシールド掘
進機１を掘進させるために、注入圧力を高くしないで、
地下構造物との間の地盤を安定化する例である。図１５
は、軟弱地盤を通過して掘進する場合、シールド掘進機
１が自沈しないように、ケミカルグラウト材をシールド
掘進機１の下側に注入して地盤を安定化する例である。
図１６は、２台のシールド掘進機１が上下に接近して掘
進する場合、上側のシールド掘進機１からはその下側
に、下側のシールド掘進機１からはその上側にケミカル
グラウト材を注入して、上下のシールド掘進機１の間の
地盤を安定化する例である。図１７は、シールド掘進機
１の前方に障害物があってこれを除去するに当たり、後
方の透水層からの湧水を止水するため、シールド掘進機
１の周囲全周にケミカルグラウト材を充填する例であ
る。

【００３３】図１８は、２つのシールドトンネルを近接
して平行に施工する場合、地盤の変位が両トンネルで増
幅され、後行のシールド掘進機１が先行のシールドトン
ネル５８側に偏倚して姿勢制御ができなくなったり、先
行のトンネルのセグメントが偏圧で破損する恐れがある
ので、後行のシールド掘進機１が、先行のシールドトン
ネル５８との間の地盤をケミカルグラウト材で安定化し
ながら掘進する例である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば次のような効果がある。 シールド掘進機内から、スキンプレート外周の隙間
に掘進と同時にケミカルグラウト注入して隙間を即充填
し、地山の変形を防ぎゆるみの発生を防止するととも
に、浸水崩壊を防止しながら掘進するので、事前及び後
追いによる地上からの薬液注入法に比べ、１０分の１程
度の注入量で充分な成果が得られ、ケニーヒル層のよう
に応力変化により崩壊しやすい上に浸水崩壊が顕著な条
件の地盤でも、地上の陥没を招くことなくシールド掘進
機を安定して掘進させることができる。

【００３５】 地上の構造物や地下構造物や地下埋設
物や接近構造物等に全く影響を受けることがない。 削孔ロッドによる削孔を必要としないので、地盤を
乱すことがない。 地上での作業が皆無で、地上作業帯の確保、試掘、
復旧費等を必要としない。 シールド掘進機の掘進と同時にその内部から注入す
るので、シールド掘進機周辺に実質的に空隙ができない
ため、周辺地盤への影響が極端に少ない。 ケミカルグラウト注入はシールド掘進機外周の隙間
に充填するだけでよいため、注入圧力が低く、注入圧に
よる影響が少ない。 スキンプレート外周の隙間に掘進と同時にケミカル
グラウト注入して隙間を即充填するので、裏込注入材が
隙間を通ってシールド掘進機の前側まで回り込むのを防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用するシールド掘進機と設備の概要
図である。

【図２】シールド掘進機の概要断面図である。

【図３】薬液注入を行う注入口の配置図である。

【図４】一つの注入口周りの構造を示す図である。

【図５】３つの注入口からの注入順序を示す図である。

【図６】ケニーヒル層での実施状態を示す側面図であ
る。

【図７】同上の正面図である。

【図８】図８は河川や湖や海底等の直下での実施例を示
す図である。

【図９】高速道路や鉄道の直下での実施例を示す図であ
る。

【図１０】ビルディング等の地上構造物の直下での実施
例を示す図である。

【図１１】地下構造物や地下埋設物の直下での実施例を
示す図である。

【図１２】飛行場の滑走路下での実施例を示す図であ
る。

【図１３】非常に深いところでの実施例を示す図であ
る。

【図１４】地下構造物の近傍での実施例を示す図であ
る。

【図１５】軟弱地盤を通過するところでの実施例を示す
図である。

【図１６】２台のシールド掘進機が上下に接近して掘進
する場合での実施例を示す図である。

【図１７】シールド掘進機後方からの湧水を止水する目
的の実施例を示す図である。

【図１８】２つのシールドトンネルを近接して平行に施
工するところでの実施例を示す図である。

【図１９】従来における地上からの事前薬液注入による
地盤安定化方法を説明する図である。

【図２０】従来における地上からの後追い薬液注入によ
る地盤安定化方法を説明する図である。

【図２１】従来におけるシールド掘進機内からの前方地
盤改良方法を説明する図である。

【図２２】ケニーヒル層中でシールド掘進機を掘進させ
た場合に生ずる地盤の崩壊を説明する図である。

【符号の説明】

１ シールド掘進機 ２ シールドトンネル ３ カッタ ４ 隔壁 ５ チャンバ ６ スキンプレート ７ 注入口 ８ バルブ ９ ホース １０ 薬液供給プラント ５５ 隙間 ５６ 裏込部分 ５７ ケミカルグラウト充填部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド掘進機のスキンプレートと地山と
   の間に形成される隙間に、スキンプレートに設けられて
   いる注入口を通じてケミカルグラウト注入を行い、地盤
   崩壊を防ぐことを特徴とする、シールド工法における地
   盤崩壊防止方法。
2. 【請求項２】ケミカルグラウト注入を、シールド掘進機
   の掘進中に行うことを特徴とする請求項１記載の、シー
   ルド工法における地盤崩壊防止方法。
3. 【請求項３】ケミカルグラウト注入を、シールド掘進機
   の掘進中及びセグメント組立中に行うことを特徴とする
   請求項２記載の、シールド工法における地盤崩壊防止方
   法。
4. 【請求項４】ケミカルグラウト注入を、スキンプレート
   の周方向に離して設けられている複数の注入口から行う
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の、シールド
   工法における地盤崩壊防止方法。