JP4801453B2

JP4801453B2 - 地中の抗土圧壁用中空エレメント

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Publication number: JP4801453B2
Application number: JP2006011958A
Authority: JP
Inventors: 直昭藤本; 誠三澤; 智史磯崎; 泰司森田; 昭一渡部; 克彦高倉; 和哉常田; 馨松岡
Original assignee: Taisei Corp; Fujita Corp; JFE Metal Products and Engineering Inc
Current assignee: Taisei Corp; Fujita Corp; JFE Metal Products and Engineering Inc
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP2007191944A

Description

本発明は、地中に、例えば大断面のトンネル外殻等、鉄筋コンクリート又は鉄骨鉄筋コンクリート構造による連続した抗土圧壁を構築するために、シールド工法又は推進工法により地中に複数列配置され互いに接続される中空エレメントに関する。

大断面のトンネルを施工する方法としては、従来から、地中にトンネルの外殻部となる鉄筋コンクリート又は鉄骨鉄筋コンクリート構造の抗土圧壁を先行して構築し、その後、この外殻部に囲まれた領域を掘削する方法が知られている。この場合、大断面トンネルの外殻部を構築する方法としては、シールド工法又は推進工法によって、前記大断面トンネルを掘削すべき領域の外周部に沿って並んだ複数列の小断面の中空エレメント（セグメントあるいは推進管など）を配置し、互いに隣接する中空エレメント同士を接続してから、これら各中空エレメントに跨ってコンクリートを充填するといった方法が採用される。

この種の大断面トンネルの施工においては、地中に列状に配置された小断面の中空エレメントの配置形状や配置誤差によって、トンネルの外殻部の周方向に隣接する中空エレメント同士をまっすぐに接続することができない。すなわち、大断面トンネルの外殻部を円筒形あるいは楕円筒形とするような場合は、前記周方向に隣接する中空エレメント同士を互いに傾斜角度をもって接続する必要があり、また、小断面のシールド掘進機の掘進誤差に起因する中空エレメント同士の三次元的な配置誤差によっても、隣接する中空エレメントを互いに傾斜角度をもって接続する必要がある。

そして、このような接続を実現する方法としては、従来から、例えば特許文献１又は特許文献２に開示された技術がある。このうち、特許文献１は、隣接する中空エレメント同士を連結する長ボルトの両端に螺合されたナットの座金として、球面座金を用いることにより、中空エレメント（セグメント）同士の三次元的な配置誤差に対応してボルトの連結方向を調整可能としたものであり、特許文献２は、隣接する中空エレメント（鋼殻）の端板に設けられた挿通孔に、両端部が三次元的に移動可能に挿通されたネジ鉄筋と、その挿通側の端部に固定されて、ネジ鉄筋に作用する引張力を、コンクリートを介して端板に伝達する支圧板とを用いる方法である。
特開平９−２９６６９３号公報特開２００５−２３５２３号公報

しかしながら、上記従来技術のうち、特許文献１に記載された方法では、球面同士でスライド可能に組み合わされる多数の球面座金が用いられ、その製作には特別な加工を必要としており、隣接する中空エレメント同士を連結する長ボルトの引張力を受ける端板の板厚を厚くする必要があるため、製作コストが高いものとなる問題がある。

また、特許文献２に記載された方法でも、端板の板厚を厚くする必要があるほか、コンクリートを充填する前に支圧板やフープ筋を支持しておくための固定手段が別途に必要である。そして、隣接する中空エレメント同士を連結するネジ鉄筋の引張力は端板に伝達されるようになっているが、トンネル外殻の強度上、前記引張力は、別途、中空エレメントの内部鋼材にも伝達させる必要がある。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、特殊な部材を必要とせず、隣接する中空エレメント同士の互いの傾斜や三次元的な配置誤差があっても、確実にかつ容易に接続することのできる抗土圧壁用中空エレメントを提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る地中の抗土圧壁用中空エレメントは、両端の開放部同士が互いに対接又は嵌合するように地中に隣接配置される中空エレメント本体と、この中空エレメント本体に前記開放部の内側に位置してそれぞれ固定された端板と、前記中空エレメント本体内に配置されると共に両端が前記端板に挿通される第一棒材と、互いに対接又は嵌合する前記開放部に双方の中空エレメント本体に跨って配置されると共に一端が一方の中空エレメント本体内の端板に挿通され、他端が他方の中空エレメント本体内の端板に挿通される第二棒材と、前記第一棒材及び第二棒材の両端と前記端板との間に介在されて適宜圧縮される弾性支持体とを備えるものである。

上記構成において、中空エレメント本体の両端開放部近傍に設けられた端板は、第一棒材及び第二棒材の引張力を受ける耐荷板であると共に、施工過程で前記第一棒材及び第二棒材を保持する手段として機能するものである。弾性支持体は、第一棒材及び第二棒材の両端と前記端板の間に弾性的に介在することによって、第一棒材の引張力と第二棒材の引張力は、端板に、両側から弾性支持体を介して釣り合うように作用する。また、このうち第二棒材の両端と前記端板の間に介在する弾性支持体は、隣接する中空エレメントの互いの傾斜や三次元的な配置誤差に応じて変形するクッションとして機能する。

本発明において好ましくは、弾性支持体が、第一棒材及び第二棒材の両端に取り付けられる支圧板と、両端が端板及び前記支圧板に取り付けられるスパイラル筋からなるものとすることができる。この場合、支圧板は、第一棒材及び第二棒材の引張力を、スパイラル筋で囲まれたコンクリートに伝達する作用を有する。また、他の好ましい構成においては、スパイラル筋が、複数の第一棒材又は複数の第二棒材に帯筋のように巻かれたものとしても良い。

本発明に係る地中の抗土圧壁用中空エレメントによれば、地中の抗土圧壁の施工過程で、互いに隣接して地中に配置された各中空エレメント本体の両端開放部近傍に設けられた端板に、その両側に配置した弾性支持体を介して、中空エレメント本体内に配置した第一棒材と、互いに隣接する中空エレメント本体間に配置した第二棒材が弾性的に支持されるため、各端板にその両側から作用する第一棒材及び第二棒材の引張力が互いに相殺されるので、端板の厚さを前記引張力に耐える目的で厚くする必要がなく、取り扱いも容易となる。しかも、前記弾性支持体は、隣接する中空エレメントの互いの傾斜や三次元的な配置誤差を吸収しつつ、第一棒材及び第二棒材を支持するものであるため、中空エレメント本体同士の接続作業が容易であり、ひいては抗土圧壁の施工効率を向上することができる。

また、弾性支持体が、第一棒材及び第二棒材の両端に取り付けられる支圧板と、両端が端板及び前記支圧板に取り付けられるスパイラル筋からなるものとすれば、この支圧板及びスパイラル筋からなる弾性支持体を予め端板に取り付けておくことができるため、作業効率を一層向上することができる。そしてこの場合、スパイラル筋が、複数の第一棒材又は複数の第二棒材に帯筋のように巻かれたものとすることによって、部品数を削減することができる。

以下、本発明に係る地中の抗土圧壁用中空エレメントを大断面トンネルの外殻部の施工用として適用した好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る地中の抗土圧壁用中空エレメントをトンネルの周方向に並んで配置した状態を、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図、図２は、図１の一部を拡大して示す断面図、図３は、未接続の抗土圧壁用中空エレメントを、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図である。

まず図１において、参照符号Ｇは地盤、Ｅ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂは、地盤Ｇ中に図示の断面と直交する方向へ延びると共に、図示の断面において横長の楕円をなすように並んで配置された地中の抗土圧壁用中空エレメント（以下、中空エレメントと略称する）、Ｍは作業員である。

中空エレメントＥは、図２及び図３に示されるように、トンネル延長方向と直交する断面形状（図示の断面形状）が長円の一端を凹ませた形状をなし両端に開放部１ａ，１ｂを有する中空エレメント本体１と、この中空エレメント本体１内に前記開放部１ａ，１ｂの内側に位置してそれぞれ固定された第一端板２及び第二端板３と、中空エレメント本体１内に配置されると共に両端が第一端板２及び第二端板３に挿通される複数の第一棒材４と、トンネルの周方向に隣接する中空エレメント本体１の、互いに嵌合された開放部１ａ，１ｂを貫通するように、双方の中空エレメント本体１，１に跨って配置されると共に一端が一方の中空エレメント本体１内の第一端板２に挿通され、他端が他方の中空エレメント本体１内の第二端板３に挿通される複数の第二棒材５と、前記第一棒材４の両端と前記各端板２，３との間に介在されて適宜圧縮される第一弾性支持体６と、第二棒材５の両端と前記各端板２，３との間に介在されて適宜圧縮される第二弾性支持体７とを備える。

詳しくは、中空エレメント本体１は鋼材からなるものであって、すなわち図３に示されるように、略Ｕ字形に延びると共に図示の断面と直交する方向（トンネル延長方向）に所定間隔で配置された肋状鉄骨１１と、この肋状鉄骨１１の対向端部１１ａ，１１ｂ近傍の間を支持する柱状鉄骨１２と、肋状鉄骨１１及び柱状鉄骨１２の外側を包むように貼り付けられた薄肉鋼板１３と、トンネル延長方向に隣接する肋状鉄骨１１同士を連結する鉄骨（不図示）からなる。すなわち、この中空エレメント本体１は、トンネル延長方向と直交する断面が、長円の片側の湾曲部をコ字型に凹ませた形状となっており、すなわち、肋状鉄骨１１の対向端部１１ａ，１１ｂ及び柱状鉄骨１２と、この部分に貼られた薄肉鋼板１３ａによって、一端にコ字形の凹部１０を有する形状となっている。

また、中空エレメント本体１の両端は、その凹部１０に貼られた薄肉鋼板１３ａと、その反対側の、肋状鉄骨１１の湾曲部１１ｃに貼られた薄肉鋼板１３ｂを除去することによって開放され、開放部１ａ，１ｂが形成されるようになっている。

第一端板２は、鋼板を略コ字形に屈曲させて製作したものであって、トンネル延長方向へ、例えば中空エレメント本体１の１リング分だけ延びており、第一棒材４を遊挿可能な複数の孔２ａ及び第二棒材５を遊挿可能な複数の孔２ｂが、所定間隔で開設されている。そしてこの第一端板２は、中空エレメント本体１の凹部１０に形成される開放部１ａの内側に位置して一対配置され、それぞれ図示の断面における両端が中空エレメント本体１の柱状鉄骨１２に固定されている。

第二端板３は、平板状の鋼板からなるものであって、トンネル延長方向へ、例えば中空エレメント本体１の１リング分だけ延びており、第一棒材４を遊挿可能な複数の孔３ａ及び第二棒材５を遊挿可能な複数の孔３ｂが所定間隔で開設されている。そしてこの第二端板３は、中空エレメント本体１の凹部１０と反対側に形成される開放部１ｂの内側に位置して一対配置され、それぞれ一端が中空エレメント本体１の肋状鉄骨１１に固定されている。

トンネルの周方向に隣接する中空エレメント本体１，１同士が互いに傾斜角度をもって接続されることを考慮して、中空エレメント本体１の凹部１０（柱状鉄骨１２）は、中空エレメント本体１における両端円筒面の中心を通る直線Ｌ（図３参照）と垂直な面に対して傾斜しており、したがって前記凹部１０の薄肉鋼板１３ａを除去することによって形成される開放部１ａは、前記直線Ｌに対して適当に傾斜した方向を向いている。またこのため、柱状鉄骨１２に略平行に固定された第一端板２も直線Ｌと垂直な面に対して傾斜しており、第二端板３は、第一端板２と略対称に傾斜している。

第一棒材４及び第二棒材５は、例えば鉄筋材からなるものであって、その両端には雄螺子部（図示省略）が形成されている。

第一弾性支持体６は、第一棒材４の両端に挿通されると共に、この第一棒材４の両端の雄螺子部と螺合するナット４１を介して固定される支圧板６１と、両端が第一端板２又は第二端板３と支圧板６１に一体的に取り付けられるスパイラル筋（スパイラル状の割裂補強筋）６２からなる。

第二弾性支持体７は、第二棒材５の両端に挿通されると共に、この第二棒材５の両端の雄螺子部と螺合するナット５１を介して固定される支圧板７１と、両端が第一端板２又は第二端板３と支圧板７１に一体的に取り付けられるスパイラル筋（スパイラル状の割裂補強筋）７２からなる。

したがって、第一棒材４と、その両端の第一弾性支持体６（支圧板６１及びスパイラル筋６２）は、一本ごと、または、複数本を一組として設置可能であり、第一弾性支持体６は、予め溶接等によって第一端板２又は第二端板３に取り付けておくことができる。また、第二棒材５と、その両端の第二弾性支持体７（支圧板７１及びスパイラル筋７２）も同様である。

なお、図１において、地盤Ｇ中に横長の楕円をなすように並んで配置された中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂのうち、最上部に位置する中空エレメントＥ_Ｔは、中空エレメント本体１の凹部１０が、中空エレメント接続方向（トンネルの周方向）両側に設けられたものであり、最下部に位置する中空エレメントＥ_Ｂは、中空エレメント本体１の凹部１０が存在せず、すなわち肋状鉄骨１１が長円状に連続した形状に形成されたものであり、その他の部分は、上述の中空エレメントＥと同様の構造を備えている。

これらの中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂは、公知のシールド工法又は推進工法によって地盤Ｇ中に施工されるものである。図４は、推進工法による地中への各中空エレメントの配置方法の一例を示す説明図である。

すなわち、図４に示される推進工法による中空エレメントＥの施工においては、まず地盤Ｇに発進立坑Ｈが設けられ、この発進立坑Ｈの発進坑口Ｈａから推進用ジャッキ１０１によって、掘進機１０２を地盤Ｇ中へ押し出し、掘進機１０２による水平方向への地中掘進を開始する。発進立坑Ｈでは、掘進機１０２が中空エレメントＥの１個分の長さに相当する距離だけ地盤Ｇ中を掘進した時点で、後端に中空エレメントＥを連結し、推進用ジャッキ１０１により発進坑口Ｈａから押し出して行く。

掘進機１０２は、この推進用ジャッキ１０１によって、中空エレメントＥを介して推進力を与えられる。そして、掘進機１０２が更に中空エレメントＥの１個分の長さに相当する距離だけ地盤Ｇ中を掘進した時点で、前記中空エレメントＥの後端に、次の（２個目の）中空エレメントＥを連結し、推進用ジャッキ１０１により押し出して行く。なお、先行する既設の中空エレメントＥと、その後方に継ぎ足される新設の中空エレメントＥ（Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂ）は、互いに結合される。

そして、上述のようにして、掘進機１０２の掘進に伴って、中空エレメントＥを順次連結して押し出して行くことにより、掘進機１０２が、不図示の到達立坑内に到達したら、掘進機１０２を中空エレメントＥから取り外す。このようにして、地盤Ｇ内には、長手方向に互いに連結された複数の中空エレメントＥからなる列状の構築物が形成されることになる。中空エレメントＥ_Ｔ，Ｅ_Ｂの施工も同様である。

なお、図１に示される例においては、まず上述のような推進工法（又はシールド工法）によってトンネル最上部の中空エレメントＥ_Ｔを施工し、そこからトンネル周方向に隣接する中空エレメントＥを順次施工し、最後にトンネル最下部の中空エレメントＥ_Ｂを施工する。この場合、新設される中空エレメントＥ（又はＥ_Ｂ）は、肋状鉄骨１１の湾曲部１１ｃ側の端部が、先行施工された中空エレメントＥ（又はＥ_Ｔ）の凹部１０と嵌合されるようにする。このようにすれば、新設中空エレメントＥ（又はＥ_Ｂ）は、既設中空エレメントＥ（又はＥ_Ｔ）の凹部１０にガイドされながら地中へ挿入されて行き、各中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂは、地盤Ｇ中に、トンネルの延長方向と直交する断面において横長の楕円をなすように互いに連設配置することができる。

図４のような推進工法（又はシールド工法）による施工が終わった中空エレメントＥには、図２に示されるように作業員Ｍが入り込み、凹部１０に貼られた薄肉鋼板１３ａ及びこの凹部１０に嵌合した隣接中空エレメントＥの湾曲部１１ｃに貼られた薄肉鋼板１３ｂを除去することによって開放部１ａ，１ｂを形成する。すなわち、トンネル周方向に隣接する中空エレメント本体１，１の内部空間は、この開放部１ａ，１ｂを通じて互いに連続した空間となる。またこのとき、中空エレメント１，１の接合部の両側地盤には止水用の固結材Ｓを注入することによって止水する。

次に、中空エレメント本体１内に複数の第一棒材４を配置して、その両端を、第一端板２及び第二端板３とこれに取り付けられた第一弾性支持体６（スパイラル筋６２，支圧板６１）に挿通してナット４１で固定すると共に、第二棒材５を、互いに重合された開放部１ａ，１ｂを貫通するように中空エレメント本体１，１に跨って配置して、その両端を、第一端板２及び第二端板３とこれに取り付けられた第二弾性支持体７（スパイラル筋７２，支圧板７１）に挿通してナット５１で固定する。

ここで、第一弾性支持体６と第二弾性支持体７は第一端板２及び第二端板３の各両側に取り付けられているので、第一棒材４及び第二棒材５の引張力による負荷が、第一弾性支持体６と第二弾性支持体７を介して第一端板２及び第二端板３に対して互いに反対側から作用する。このため、第一端板２及び第二端板３にその両側から作用する荷重が互いに相殺されることになり、第一弾性支持体６及び第二弾性支持体７のスパイラル筋６２，７２が互いに釣り合うように圧縮変形されるため、第一端板２及び第二端板３の肉厚を大きくするといった必要がない。

また、トンネルの周方向に隣接する中空エレメント本体１，１は、先に説明したように、互いに傾斜した状態で配置され、また、推進工法（又はシールド工法）による施工時の配置誤差もあるため、中空エレメント本体１内に取り付けられた第一棒材４と、中空エレメント本体１，１の開放部１ａ，１ｂを通って第一棒材４，４間に配置された第二棒材５も、互いに傾斜しており、このような互いの傾斜は、第一弾性支持体６におけるスパイラル筋６２の変形によって容易に吸収される。

次に、図５は、接続した中空エレメントにコンクリートを充填してトンネルの外殻部を形成した状態を、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図、図６は、図５の一部を拡大して示す断面図である。

すなわち、すべての中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂ（トンネルの全周）について、上述の第一棒材４及び第二棒材５の取付作業が終わったら、図５に示されるように、これらの中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂ内にコンクリートＣを充填する。中空エレメントＥ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂの内部空間は、互いに重合した中空エレメント本体１の開放部１ａ，１ｂを通じて連続しているため、充填されたコンクリートＣはトンネル周方向に行き渡り、水和反応によって経時的に硬化する。そしてこれに伴い、図６に示されるように、第一棒材４及び第二棒材５、第一弾性支持体６及び第二弾性支持体７等は、充填されたコンクリートＣに埋設一体化されることになり、この状態において、第一弾性支持体６における支圧板６１は、第一棒材４の引張力を、スパイラル筋６２で囲まれたコンクリートに伝達する作用を奏し、第二弾性支持体７における支圧板７１は、第二棒材５の引張力を、スパイラル筋７２で囲まれたコンクリートに伝達する作用を奏する。

以上のような工程によって、鉄筋コンクリート又は鉄骨鉄筋コンクリート構造による連続した抗土圧壁である図５のような大断面のトンネル外殻部Ａを構築することができる。

図７は、上述のようにして施工された大断面のトンネル外殻部Ａで囲まれた領域に、シールド工法などによって、複数の地下高速道路（例えば２〜３車線の本線トンネルＴ_１と１〜２車線のランプトンネルＴ_２）を施工した例を示すものである。

なお、上述の形態では、第一弾性支持体６及び第二弾性支持体７のスパイラル筋６２，７２が、各第一棒材４及び第二棒材５の外周に設けられているが、図８に示されるように、スパイラル筋６２，７２が、複数の第一棒材４又は複数の第二棒材５に帯筋のように巻かれたものとしても良い。この場合も、スパイラル筋６２，７２は、両端を支圧板６１，７１と端板２，３に予め溶接等によって取り付けておくことができる。

本発明に係る地中の抗土圧壁用中空エレメントをトンネルの周方向に並んで配置した状態を、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図である。図１の一部を拡大して示す断面図である。未接続状態の抗土圧壁用中空エレメントを、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図である。地中への各中空エレメントの配置方法の一例を示す説明図である。接続した中空エレメントにコンクリートを充填してトンネルの外殻部を形成した状態を、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図である。図５の一部を拡大して示す断面図である。トンネル内に地下高速道路を施工した状態を、トンネルの延長方向と直交する平面で切断して示す断面図である。弾性支持体の形状変更例を示す説明図である。

符号の説明

１中空エレメント本体
１ａ，１ｂ開放部
１０凹部
１１肋状鉄骨
１１ａ，１１ｂ対向端部
１２柱状鉄骨
１３，１３ａ，１３ｂ薄肉鋼板
２第一端板
３第二端板
４第一棒材
４１，５１ナット
５第二棒材
６第一弾性支持体
６１，７１支圧板
６２，７２スパイラル筋
７第二弾性支持体
Ａトンネル外殻部（抗土圧壁）
Ｅ，Ｅ_Ｔ，Ｅ_Ｂ中空エレメント
Ｇ地盤

Claims

両端の開放部同士が互いに対接又は嵌合するように地中に隣接配置される中空エレメント本体と、この中空エレメント本体に前記開放部の内側に位置してそれぞれ固定された端板と、前記中空エレメント本体内に配置されると共に両端が前記端板に挿通される第一棒材と、互いに対接又は嵌合する前記開放部に双方の中空エレメント本体に跨って配置されると共に一端が一方の中空エレメント本体内の端板に挿通され、他端が他方の中空エレメント本体内の端板に挿通される第二棒材と、前記第一棒材及び第二棒材の両端と前記端板との間に介在されて適宜圧縮される弾性支持体とを備えることを特徴とする地中の抗土圧壁用中空エレメント。
弾性支持体が、第一棒材及び第二棒材の両端に取り付けられる支圧板と、両端が端板及び前記支圧板に取り付けられるスパイラル筋からなることを特徴とする請求項１に記載の地中の抗土圧壁用中空エレメント。
スパイラル筋が、複数の第一棒材又は複数の第二棒材に帯筋のように巻かれたことを特徴とする請求項２に記載の地中の抗土圧壁用中空エレメント。