JP6355771B2 - 地中構造物の構築方法及び地中構造物 - Google Patents

Description

本発明は、既設トンネルから地中に拡幅部を構築する地中構造物の構築方法及び地中構造物に関するものである。

道路トンネルの合流部や鉄道トンネルの駅舎部は、通常の本線トンネルよりも拡幅された大断面の地下空間になる。このため、特許文献１に開示されているように、平行に配列された複数本の小断面トンネルによって円筒状の外殻を形成し、その内部を掘削するという方法によって構築されることがある。

一方、特許文献２には、本線シールドトンネルの底部を切り広げて円周シールド発進基地を構築し、そこから本線シールドトンネルの外周に沿って周方向に掘進させた円周シールド機によって、リング状の外殻シールド発進基地を構築する方法が開示されている。

この外殻シールド発進基地からは、本線シールドトンネルと平行に構築される複数本の外殻シールドトンネル用の掘削を行うための外殻シールド機を発進させる。

特開２０１５−１０５５１３号公報 特開２０１５−１２９４１１号公報

しかしながら特許文献２に開示された方法では、円周シールド機の高さ分しか本線シールドトンネルを拡幅することができず、大断面の発進基地が必要となる場合には対応することができない。

そこで、本発明は、既設トンネルを大幅に拡幅することが可能な地中構造物の構築方法、及び地中構造物を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の地中構造物の構築方法は、既設トンネルから地中に拡幅部を構築する地中構造物の構築方法であって、前記既設トンネルからトンネル軸の略直交方向に向けて径方向空間を構築する工程と、前記径方向空間の側壁からトンネル掘削機を発進させて環状に掘進させた後に前記径方向空間に到達させることで環状トンネルを構築する工程と、複数本の前記環状トンネルを連続させることによって前記既設トンネルを囲繞する円筒外殻部を構築する工程と、前記円筒外殻部の両端の地盤を改良させることで地盤改良壁部を形成する工程と、前記円筒外殻部及び前記地盤改良壁部で囲まれた地盤を掘削して、前記地盤改良壁部の内側に妻壁部を構築する工程とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記径方向空間は直方体状に形成され、前記環状トンネルは矩形トンネルであることが好ましい。また、前記径方向空間からトンネル掘削機を発進させる前に、前記トンネル掘削機を掘進させる地盤が環状に改良されるように薬液を注入することができる。さらに、前記円筒外殻部及び前記地盤改良壁部で囲まれた地盤の掘削土は、前記既設トンネルを通って排出させることができる。

また、複数の既設トンネルに接続された拡幅部となる地中構造物であって、前記複数の既設トンネルを囲繞する複数本の連続した環状トンネルによって形成された円筒外殻部と、 前記円筒外殻部の両端であって該円筒外殻部と前記複数の既設トンネルの外周との間を塞ぐように設けられた妻壁部とを備え、前記妻壁部は複数の外殻シールド機を発進させるための発進予定部が設けられたことを特徴とする。

このように構成された本発明の地中構造物の構築方法は、まず既設トンネルからトンネル軸の略直交方向に向けて径方向空間を構築する。そして、その径方向空間から発進させたトンネル掘削機によって、既設トンネルを包含するように複数本の環状トンネルを構築することによって円筒外殻部を形成する。

このため、径方向空間の長さに応じて、既設トンネルを任意の大きさに拡幅することができ、大幅に拡幅することも可能になる。特に、環状トンネルが矩形トンネルであれば、一定の壁厚の円筒外殻部にすることができる。

また、径方向空間からトンネル掘削機を発進させる前に地盤が環状に改良されるように薬液を注入しておくことで、トンネル掘削機を環状に安定して掘進させることができる。

さらに、円筒外殻部及び地盤改良壁部で囲まれた地盤の掘削土を既設トンネルを通って排出させるのであれば、連続して効率的に排土を行うことができるので、短時間で掘削作業を行うことが可能になる。

また、地中構造物の発明は、既設トンネルを囲繞する複数本の連続した環状トンネルによって形成された円筒外殻部と、その円筒外殻部の両端を塞ぐように設けられた妻壁部とによって構成される。すなわち、円筒外殻部の径が大きくなっても、妻壁部によって塞げばよいので、既設トンネルを大幅に拡幅することが可能になる。

本実施の形態の地中構造物の構築方法によって構築された発進基地を模式的に示した斜視図である。 径方向空間を構築する工程を説明する横断面図である。 径方向空間の外観を説明する縦断面図である。 薬液注入によって環状に形成される薬液注入部を説明する横断面図である。 径方向空間から矩形シールド機を発進させる工程を説明する縦断面図である。 矩形シールド機を環状に掘進させる工程を説明する横断面図である。 径方向空間に到達した矩形シールド機の一部を回収する工程を説明する横断面図である。 径方向空間内で環状トンネルを完成させる工程を説明する横断面図である。 複数本の環状トンネルを構築する工程を説明する縦断面図である。 円筒外殻部の両端を凍結壁部で塞ぐ工程を説明する縦断面図である。 発進基地の内空となる掘削を行う工程を説明する横断面図である。 掘削によって解放された面に妻壁部を順に構築していく工程を説明する横断面図である。 掘削によって解放された面に妻壁部を順に構築していく工程を説明する縦断面図である。 発進基地となる内空の掘削及びそこに残されたランプトンネルのセグメントの一部を撤去する工程を説明する横断面図である。 発進基地から外殻シールド機を発進させる工程を説明する縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の地中構造物の構築方法によって構築される発進基地２と、その前後に接続される既設トンネル（１，１１）との関係を模式的に示した斜視図である。

既設トンネルであるランプトンネル１と本線トンネル１１は、予め地中に構築されている。本実施の形態では、このランプトンネル１から地中に拡幅部となる発進基地２を地中構造物として構築する方法を説明する。

この発進基地２は、ランプトンネル１及び本線トンネル１１をさらに長い区間で拡幅させた大空間を構築するために、外殻シールド機７（図１５参照）を発進させる基地となる。

例えば、道路トンネルである本線トンネル１１及びランプトンネル１であれば、外殻シールド機７によって略平行に構築された複数本の小断面トンネルによって、合流本体部２１の外殻が円筒状に形成される。また、本線トンネル１１が鉄道トンネルであれば、発進基地２から構築される地下大空間は、駅舎部などになる。

発進基地２は、ランプトンネル１及び本線トンネル１１を囲繞する複数本の連続した環状トンネル３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃによって形成された円筒外殻部３と、円筒外殻部３の両端を塞ぐように設けられた妻壁部４，４とによって主に構成される。

環状トンネル３１Ａ−３１Ｃは、後述するように、トンネル掘削機によって掘削された地中に設置された鋼殻セグメント３２，・・・を繋ぎ合せることで、環状（円周状）に成形される。

そして、複数の環状トンネル３１Ａ−３１Ｃをランプトンネル１のトンネル軸に略平行する方向に連続させることで、所定の長さの円筒状の円筒外殻部３が形成される。

一方、妻壁部４は、繊維補強コンクリートや鉄筋コンクリートなどのセメント系混合材料によって、円板状に構築される。図１から明らかなように、ランプトンネル１の断面と比較して妻壁部４の面積は広く、発進基地２がランプトンネル１の拡幅部であると言える。

次に、本実施の形態の発進基地２の構築方法について、図２−図１５を参照しながら順に説明する。

図２に破線で示した長方形の外縁は、施工領域１２を示している。この施工領域１２の内側で発進基地２の構築が行われる。この構築は、例えばランプトンネル１を利用して行われる。

まず、ランプトンネル１からトンネル軸の略直交方向に向けて径方向空間５を構築する工程について説明する。この工程では、最初に径方向空間５の外周に沿って凍結部５１を構築する。

この凍結部５１は、ランプトンネル１の底部から斜め下方に挿し込まれた凍結管（図示省略）などを使って形成される。その後、ランプトンネル１の覆工部を形成するセグメント１ａの一部を撤去し、凍結部５１によって保護された地盤を掘削する。

この掘削された地盤の孔壁は、平面視長方形の立坑鋼殻５２によって保護される。図３は、複数の立坑鋼殻５２，・・・によって外殻が形成された直方体状の径方向空間５を、側方から見た縦断面図である。径方向空間５の下面は、底蓋５３によって塞がれる。

図４は、完成した径方向空間５を横断面図に示している。ランプトンネル１から斜め下方に向けて延伸された径方向空間５の底部の側壁からは、トンネル掘削機としての矩形シールド機３８（図６参照）を発進させることになる。なお、トンネル掘削機は、推進工法の先導掘進機であってもよい。また、径方向空間５は、鉛直下方に向けて延伸させるなど、任意の方向に向けて延伸させることができる。

この矩形シールド機３８は、径方向空間５から発進させて径方向空間５に再び戻るように円形の経路で掘進させる。この矩形シールド機３８の経路に沿ってランプトンネル１及び本線トンネル１１から薬液注入を行い、地盤を環状に改良した薬液注入部３３を形成しておく。

また、矩形シールド機３８を発進及び到達させる径方向空間５の外側の地盤は、発進側凍結部３４及び到達側凍結部３５として凍結させておく。さらに、矩形シールド機３８を発進及び到達させる径方向空間５の側面には、図５に示すように、鋼製の梁材や柱材等を使って略長方形の開口補強部３６を構築する。

そして、開口補強部３６の略中央を、矩形シールド機３８を発進させる鏡切部３７とするための補強を行う。ここで、矩形シールド機３８は、断面矩形の四角筒状に形成されている。この矩形シールド機３８を、図６に示すように環状の薬液注入部３３に沿って、その内部を掘進させる。

矩形シールド機３８の後方には、矩形の函体が鋼殻セグメント３２として設置されていく。なお、この図では、鋼殻セグメント３２の単位長さ当たりの継目の線は省略されている。

そして、図７に示すように、矩形シールド機３８が到達側凍結部３５に貫入した段階で、径方向空間５の到達側の開口補強部３６内の一部を切り開き、矩形シールド機３８の前面のカッタ部３８１を解体して、径方向空間５に回収する。このカッタ部３８１は、再利用することができる。

一方、矩形シールド機３８の胴体部となる断面矩形の四角筒状のスキンプレート３８２は、そのまま地中に残置させる。そして、図８に示すように、スキンプレート３８２の先端と、発進側の開口補強部３６から突出させた鋼殻セグメント３２の後端とを、径方向空間５の内部で接続部３２１よって連続させる。

この接続部３２１は、鋼殻セグメント３２と同様の鋼材によって形成することができる。また、施工誤差を容易に吸収させることが可能な鉄筋コンクリート構造にすることもできる。そして、この接続によって、１本目の環状トンネル３１Ａが完成する。本実施の形態では、同様にしてさらに２本の環状トンネル３１Ｂ，３１Ｃを構築する。

図９は、径方向空間５の開口補強部３６の内側に、３本の環状トンネル３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが連続して並んだ状態を示した縦断面図である。なお、環状トンネル３１Ｂ，３１Ｃは、いずれが先に構築されてもよく、並行して構築することもできる。また、環状トンネル３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと底蓋５３との隙間は、流動化処理土などによる埋戻し部５４とする（図１１など参照）。

このようにして３本の環状トンネル３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃによってランプトンネル１及び本線トンネル１１を囲繞する円筒外殻部３が構築された後に、図１０に示すように、円筒外殻部３の両端を凍結壁部４１，４１で塞ぐ工程に移行する。

凍結壁部４１を形成するための凍結管４１１は、例えば覆工部が撤去されない箇所のランプトンネル１及び本線トンネル１１の内側から地中に向けて挿入される。また、ランプトンネル１からは、後述する掘削のための排土管６１，６１が上方に向けて押し込まれる。

円筒外殻部３及び両端の凍結壁部４１，４１で囲まれた地盤は、図１１に示すように、上部から掘削される。掘削は、排土管６１から徐々に広げるようにして行われ、ある程度の大きさの排土シャフト６に拡幅された後に、油圧ショベル６２が搬入されて、効率的に掘削が続けられる。

掘削されて露出された円筒外殻部３の内周面には、外殻シールド機７を発進させる際に使用されるレール部２３が取り付けられていく。また、ランプトンネル１の底部には床版１ｂを設け、排土シャフト６を通って排出される掘削土を、効率よく搬送できるようにしておく。

そして、地盤の掘削によって露出した凍結壁部４１の内側の壁面には、繊維補強コンクリートや鉄筋コンクリートによって妻壁部４を構築していく。図１２には、妻壁部４の一部となる逆巻き部４ａを示した。

すなわち妻壁部４は、図１３にも示すように、環状トンネル３１Ｂ，３１Ｃの端部から下方に向けて、掘削の進捗に合わせて逆巻き工法によって構築される。掘削の進捗に合わせて逐次、逆巻き部４ａを構築していくことによって、凍結壁部４１の露出を最小限に抑えることができる。

また、妻壁部４の外殻シールド機７を発進させる発進予定部４ｂについては、カッタでの切削が可能となるように、繊維補強コンクリートなどで鉄筋の無い状態に形成することができる。また、妻壁部４に予め箱抜きなどをしておくなどして、妻壁部４を鉄筋コンクリートで構築することもできる。図１４に、第１段階で発進させる外殻シールド機７の発進予定部４ｂ，・・・を破線で示した。

掘削ステップ６３，・・・で例示されているように、所定の高さ単位で掘削を進めていく際に、露出したランプトンネル１のセグメント１ａは、逐次、撤去していく。

但し、ランプトンネル１の床版１ｂ周辺は、外殻シールド機７によるトンネル構築時に、資機材の搬送などに利用されるため、そのまま残しておく。また、径方向空間５の立坑鋼殻５２，・・・についても、逐次撤去していく。

このようにして構築された発進基地２の内部から、合流本体部２１を構築するための外殻シールド機７を発進させる。ここで、図１４，図１５に示すように、発進基地２の内空には、妻壁部４，４間に架け渡される切梁と兼用させた作業床２４，・・・が複数の高さに設けられている。

また、掘削時に円筒外殻部３の内周面に敷設されたレール部２３には、資機材を供給するための資機材搬送装置７１が取り付けられる。この資機材搬送装置７１によって、外殻シールド機７を発進位置まで搬送したり、坑口の作業床としたりすることができる。

外殻シールド機７は、円筒状のシールド掘削機で、妻壁部４の発進予定部４ｂから地中に向けて発進される。外殻シールド機７によって構築される外殻トンネル２２は、ランプトンネル１と略平行になるように構築される。図１５の下部には、セグメントで覆工部が形成された外殻トンネル２２の側面を図示した。

次に、本実施の形態の発進基地２の構築方法及び発進基地２の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の発進基地２の構築方法では、まず既設のランプトンネル１からトンネル軸の略直交方向に向けて径方向空間５を構築する。そして、その径方向空間５から発進させた矩形シールド機３８によって、複数本の環状トンネル３１Ａ−３１Ｃを構築し、それらを連続させることによって円筒外殻部３を構築する。

このため、径方向空間５の長さに応じて、既設トンネルを任意の大きさに拡幅することができ、大幅に拡幅することも可能になる。本実施の形態では、ランプトンネル１だけでなく、本線トンネル１１も内部に含まれるような大断面の拡幅部について説明した。

また、環状トンネル３１Ａ−３１Ｃを矩形トンネルとすることで、一定の壁厚の円筒外殻部３を形成することができる。そして、矩形トンネルであれば、上下左右に余分な掘削を行わなくても所望する厚さの壁を構築することができるので、経済的である。

また、径方向空間５から矩形シールド機３８を発進させる前に、地盤が環状に改良された薬液注入部３３を形成しておくことで、矩形シールド機３８を環状に安定して掘進させることができる。すなわち矩形シールド機３８は、円筒シールド機のような地盤のアーチ効果が得られないため、地盤改良をしておくことによって、正確な経路で安定して掘進できるようにしておくことが望ましい。

さらに、円筒外殻部３及び凍結壁部４１，４１で囲まれた地盤の掘削土をランプトンネル１を通って排出させるのであれば、連続して効率的に排土を行うことができるので、短時間で掘削作業を行うことができる。

また、本実施の形態の発進基地２は、ランプトンネル１及び本線トンネル１１を囲繞する複数本の連続した環状トンネル３１Ａ−３１Ｃによって形成された円筒外殻部３と、その円筒外殻部３の両端を塞ぐように設けられた円板状の妻壁部４，４とによって構成される。

すなわち、円筒外殻部３の径は、発進基地２として必要となる任意の大きさに構築することができ、円筒外殻部３の両端は、開放された大きさに合わせて現地で構築された妻壁部４，４によって塞げばよいので、ランプトンネル１の拡幅倍率に制限がなく、大幅に拡幅することもできる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、３本の環状トンネル３１Ａ−３１Ｃによって円筒外殻部３を構築する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、２本又は４本以上の環状トンネルによって、任意の大きさの円筒外殻部を構築することができる。

また、前記実施の形態では、径方向空間５から矩形シールド機３８を発進させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円筒状のシールド掘削機を径方向空間５から発進させて環状トンネルを構築することもできる。

さらに、前記実施の形態では、直方体状の径方向空間５を構築する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱状の径方向空間とすることもできる。

１ ランプトンネル（既設トンネル）
１ａ セグメント（覆工部）
２ 発進基地（地中構造物、拡幅部）
３ 円筒外殻部
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 環状トンネル
３３ 薬液注入部
３８ 矩形シールド機（トンネル掘削機）
４ 妻壁部
４１ 凍結壁部
５ 径方向空間
６ 排土シャフト

Claims (2)

1. 既設トンネルから地中に拡幅部を構築する地中構造物の構築方法であって、
   前記既設トンネルからトンネル軸の略直交方向に向けて径方向空間を構築する工程と、
   前記径方向空間の側壁からトンネル掘削機を発進させて環状に掘進させた後に前記径方向空間に到達させることで環状トンネルを構築する工程と、
   複数本の前記環状トンネルを連続させることによって前記既設トンネルを囲繞する円筒外殻部を構築する工程と、
   前記円筒外殻部の両端の地盤を改良させることで地盤改良壁部を形成する工程と、
   前記円筒外殻部及び前記地盤改良壁部で囲まれた地盤を掘削して、前記地盤改良壁部の内側に妻壁部を構築する工程とを備えたことを特徴とする地中構造物の構築方法。
2. 複数の既設トンネルに接続された拡幅部となる地中構造物であって、
   前記複数の既設トンネルを囲繞する複数本の連続した環状トンネルによって形成された円筒外殻部と、
   前記円筒外殻部の両端であって該円筒外殻部と前記複数の既設トンネルの外周との間を塞ぐように設けられた妻壁部とを備え、
   前記妻壁部は複数の外殻シールド機を発進させるための発進予定部が設けられたことを特徴とする地中構造物。

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