JP7814806B2 - 支保工構造体及びトンネル構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの土圧を支持して地山の緩みを防止する支保工構造体及びトンネル構築方法に関する。

山岳トンネルの掘進作業では、図５（ａ）に示すように、例えば地山２０１でアーチ状の切羽２０２を１ｍ掘り進むごとに坑壁に一次吹付コンクリート２０３を施し、一次吹付コンクリート２０３の内周側にアーチ状の鋼製の支保工２０４を建て込み、一次吹付コンクリート２０３の内周側における支保工２０４・２０４相互間を埋めるように二次吹付コンクリート２０５を施し、二次吹付コンクリート２０５から地山２０１に向かってロックボルト２０６を打設する。更に、その後側では、二次吹付コンクリート２０５の内周側に防水シート２０７を敷設し、防水シート２０７の内周側にアーチ状の覆工コンクリート２０８を打設する一方、インバートを掘り下げてインバートコンクリート２０９を打設して、アーチ状の覆工コンクリート２０８とインバートコンクリート２０９とを周状になるように形成する。

掘進作業で建て込まれる支保工２０４は、Ｈ型鋼材の支保工材を半円形となるように建て込まれるのが一般的であるため、二次吹付コンクリート２０５を吹き付ける際に支保工２０４の外周面側には吹き付けることができず、一次吹付コンクリート２０３或いは地山２０１と支保工２０４の外周面とに間に空隙２１０が残ってしまう。残った空隙２１０は地山２０１の緩みを許容する要因となる（図５（ｂ）参照）。

そこで空隙２１０を埋めて地山２０１の緩みを抑制する手段として特許文献１、２のようなプレロードシェル工法が用いられている。プレロードシェル工法では、図６に示すように、切羽近傍の地山２０１が崩れてこないように先受工２１１を併用しながら、外周面に沿って袋体２１２が固定された支保工材を用いて支保工２０４を建て込むことで一次吹付コンクリート２０３と支保工２０４の間に袋体２１２を設置し、袋体２１２に無収縮モルタル２１３を圧入して充填することで空隙２１０を埋め、地山荷重を支保工２０４に伝達して支保機能を発現できるようにしている。また、支保工２０４の脚部と地山２０１との間の空隙にも袋体２１２を設置し、無収縮モルタル２１３を圧入充填して空隙を埋めている。

特開平７－２９３１９５号公報 特開２００１－２９５５９８号公報

ところで、プレロードシェル工法で無収縮モルタルを圧入する際には、現場でプレミックス材料と水を混錬して無収縮モルタルを作製し、注入するという時間のかかる作業が必要となるが、この長い時間のかかる作業は、切羽直近の坑壁に二次吹付コンクリートが施されていない危険性の高い場所で行われ、危険な作業となる。また、プレロードシェル工法では、支保工の外周面側の袋体への無収縮モルタルの圧入、充填を完了するまで待った後に、この支保工のトンネル掘進方向の前側における二次吹付コンクリートの吹き付けを行う必要があり、二次吹付コンクリートの施工を連続して行うことができず、トンネル掘進作業の効率性に劣る。そのため、トンネル掘進の危険作業の低減と効率性の向上を図ることができ、必要な支保機能を発現できる技術が求められている。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであり、トンネル掘進の危険作業の低減と効率性の向上を図ることができ、十分な支保機能を発現して地山の緩みを防止することができる支保工構造体及びこの支保工構造体を用いるトンネル構築方法を提供することを目的とする。

本発明の支保工構造体は、トンネルの支保工に用いられる支保工構造体であって、長さ方向に間隔を開けてグラウト材の吐出孔が形成された注入管材が、弧状の支保工材の外周面に沿い且つ前記支保工材の長さ方向に延びるように配置されて固定され、前記支保工材の下部で、前記グラウト材の注入側を担う前記注入管材の一方の端部が前記支保工材の内周側に導入され、前記支保工材の天端部で、前記グラウト材の注入時の排気側を担う前記注入管材の他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする。
これによれば、弧状の支保工材の外周面に沿い支保工材の長さ方向に延びる注入管材に下側からグラウト材を注入し、吐出孔からグラウト材を吐出させることにより、トンネルの一次吹付コンクリート或いは地山と支保工の外周面とに間に形成される空隙の全体に亘ってグラウト材をより均一に充填して埋めることができる。従って、支保工材で構成される支保工と地山を一体化させ、支保工に十分な支保機能を発現させて地山の緩みを防止し、地山を安定化することができる。また、グラウト材の注入側を担う注入管材の一方の端部と排気側を担う注入管材の他方の端部とを支保工材の内周側に導入することにより、建て込んだ支保工構造体にグラウト材を注入する前に、この支保工構造体よりトンネル掘進方向の前側の領域に二次吹付コンクリートを施すことができ、二次吹付コンクリートが形成されて坑壁の安定性が高められた場所でグラウト材の準備と注入を行うことができる。従って、トンネル掘進の危険作業を低減することができる。更に、グラウト材注入前の支保工構造体よりトンネル掘進方向の前側の領域に二次吹付コンクリートを施すことができることから、支保工間を埋めるように二次吹付コンクリートの施工を連続して行うことができ、トンネル掘進作業の効率性を向上し、施工コストを低減することができる。

本発明の支保工構造体は、断面視Ｈ形の前記支保工材の外周フランジと内周フランジにそれぞれ形成された貫通穴を介して、前記注入管材の一方の端部と他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする。
これによれば、グラウト材の注入側を担う注入管材の一方の端部と排気側を担う注入管材の他方の端部とを支保工材の内周側により確実に導入し、導入した状態を安定化することができる。

本発明の支保工構造体は、前記支保工材の幅方向の外側を介して、前記注入管材の一方の端部と他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする。
これによれば、支保工材に特別な加工を施さずに、グラウト材の注入側を担う注入管材の一方の端部と排気側を担う注入管材の他方の端部とを支保工材の内周側に導入することができる。また、断面欠損がない支保工材で支保工を構築できることから、支保工に求められる強度を確実に得ることができる。

本発明のトンネル構築方法は、本発明の支保工構造体を用いるトンネル構築方法であって、掘削したトンネル空間に前記支保工構造体を建て込む第１工程と、前記支保工構造体のトンネル掘進方向の前側に吹付コンクリートを吹き付ける第２工程と、前記支保工構造体の前記注入管材の一方の端部から前記グラウト材を注入して前記注入管材の他方の端部からの前記グラウト材のリターンを確認し、前記支保工材と地山との間の空隙に前記グラウト材を充填する第３工程とを備えることを特徴とする。
これによれば、支保工材の天端部に配置されている注入管材の他方の端部からのグラウト材のリターンを確認してグラウト材を充填することにより、トンネルの一次吹付コンクリート或いは地山と支保工の外周面とに間に形成される空隙の全体に亘ってグラウト材をより均一且つ確実に充填して埋めることができる。

本発明のトンネル構築方法は、前記第１工程において、第１の前記支保工構造体を建て込むと共に、第１の前記支保工構造体のトンネル掘進方向の前方でトンネル空間の切羽直近に第２の前記支保工構造体を建て込み、前記第２工程において、第１の前記支保工構造体と第２の前記支保工構造体との間に吹付コンクリートを吹き付け、前記第３工程において、第１の前記支保工構造体の前記注入管材の一方の端部から前記グラウト材を注入して前記注入管材の他方の端部からの前記グラウト材のリターンを確認し、第１の前記支保工構造体の前記支保工材と地山との間の空隙に前記グラウト材を充填することを特徴とする。
これによれば、切羽直近の第２の支保工構造体から離れた第１の支保工構造体に対してグラウト材を準備して注入することにより、地山が崩れやすい切羽からより離れた場所でグラウト材の準備と注入を行うことができる。従って、トンネル掘進の危険作業をより一層低減することができる。

本発明の支保工構造体或いはトンネル構築方法によれば、トンネル掘進の危険作業の低減と効率性の向上を図ることができ、十分な支保機能を発現して地山の緩みを防止することができる。

（ａ）は本発明による実施形態の支保工構造体の模式正面図、（ｂ）は実施形態の支保工構造体の模式平面図。 （ａ）は実施形態の支保工構造体で用いられる支保工材の断面図、（ｂ）は同図（ａ）の支保工材を外周フランジ側から視た部分図。 実施形態の支保工構造体におけるグラウト材注入部分の拡大図。 （ａ）～（ｃ）は実施形態の支保工構造体を用いるトンネル構築方法の工程模式説明図。 （ａ）は従来のトンネル掘進作業で形成されるトンネル構造の断面説明図、（ｂ）は従来のトンネル掘進作業で形成される支保工の外周面の空隙を説明する断面説明図。 従来のプレロードシェル工法で形成される構造の概念説明図。

〔実施形態の支保工構造体及びトンネル構築方法〕
本発明による実施形態の支保工構造体１は、トンネルの支保工に用いられるものであり、図１～図３に示すように、弧状の支保工材２と、弧状の支保工材２の外周面に沿い且つ支保工材２の長さ方向に延びるように配置されて支保工材２に固定される注入管材３とから構成される。

支保工材２は、本例では断面視Ｈ形の鋼材であり、略１／４円の円弧状で形成されている。支保工材２には、ウェブ２１の外周側に外周フランジ２２が形成され、ウェブ２１の内周側に内周フランジ２３が形成されており、外周フランジ２２と内周フランジ２３の下部２４の対応する位置と、外周フランジ２２と内周フランジ２３の天端部２５の対応する位置には、それぞれ注入管材３を支保工材２の内周側に導入するための貫通穴２６が形成されている。

本例の支保工材２には、天端部２５側の先端に継手板２７が固定して設けられている。そして、一対の支保工材２・２の継手板２７・２７を当接させ、当接させた継手板２７・２７同士をボルト接合等で固定することにより、一対の支保工材２・２が地山１００に形成されたトンネル空間Ｔにアーチ状に建て込まれ、支保工が構成される。

注入管材３は、支保工材２の弧状の外周面に沿って湾曲可能なグラウト材Ｇの注入ホース３１で構成され、注入ホース３１には長さ方向に間隔を開けてグラウト材Ｇの吐出孔３１１が形成されている。注入ホース３１は、弧状の支保工材２の外周面に沿い且つ支保工材２の長さ方向に延びるように配置され、ゴムバンド等の固定バンド４を支保工材２と注入ホース３１の周囲に巻くようにして、固定バンド４で支保工材２に固定されている。尚、固定バンド４で注入ホース３１を固定する場合、固定バンド４の外側からの加圧で注入ホース３１が潰れないように注入ホース３１を耐圧ホースとすると好適であり、例えば強化テトロンコードを網状に補強したテトロンブレードホース等の耐圧ホースとすると良い（「テトロン」は登録商標）。

更に、本例の注入管材３には、注入管材３を支保工材２の内周側に導入するための導入部３２が設けられ、導入部３２は支保工材２の下部２４と支保工材２の天端部２５に対応する位置にそれぞれ設けられている。本例の導入部３２は、図３に示すように、外周フランジ２２と内周フランジ２３の対応する位置の貫通穴２６・２６に挿入して配置される鋼製パイプ等の導入管３２１と、導入管３２１の外周側の端部と注入ホース３１の下部２４側の端部とを連通するように接続するエルボ継手３２２と、導入管３２１の内周側の端部に設けられるニップル３２３とから構成されている。

即ち、支保工材２の下部２４では、グラウト材Ｇの注入側を担う注入管材３の一方の端部に相当するエルボ継手３２２と導入管３２１とニップル３２３で構成される導入部３２が、外周フランジ２２と内周フランジ２３の対応する貫通穴２６を介して、支保工材２の内周側に導入されている。グラウト材Ｇの注入側を担う導入部３２のニップル３２３には、グラウト材Ｇの加圧ホース５１の先端に設けられたワンタッチカップリング等のカップリング５２が接続され、加圧ホース５１から導入管３２１、エルボ継手３２２、注入ホース３１の下部２４側へとグラウト材Ｇが注入される。

また、支保工材２の天端部２５では、グラウト材Ｇの注入時の排気側を担う注入管材３の他方の端部に相当するエルボ継手３２２と導入管３２１とニップル３２３で構成される導入部３２が、外周フランジ２２と内周フランジ２３の対応する貫通穴２６を介して、支保工材２の内周側に導入されている。グラウト材Ｇの注入時の排気側を担う導入部３２のニップル３２３からは、グラウト材Ｇの注入時に排気がなされると共に、このニップル３２３は、グラウト材Ｇの注入、充填時に必要十分なグラウト材Ｇが充填されたことを示すグラウト材Ｇのリターン確認に用いられる。

次に、本実施形態の支保工構造体１を用いるトンネル構築方法について説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、地山１００を掘削してトンネル空間Ｔを形成し、坑壁１０１の内周側に一次吹付コンクリート１０２を吹き付け、切羽１０３の直近まで支保工構造体１を建て込む。本例では、第１の支保工構造体１ａを建て込むと共に、第１の支保工構造体１ａのトンネル掘進方向の前方でトンネル空間Ｔの切羽１０３の直近に第２の支保工構造体１ｂを建て込む。

更に、第１の支保工構造体１ａのトンネル掘進方向の前側に二次吹付コンクリート１０４を吹き付けて、第１の支保工構造体１ａと第２の支保工構造体１ｂとの間に二次吹付コンクリート１０４を吹き付け、第２の支保工構造体１ｂよりトンネル掘進方向の後側の領域で一次吹付コンクリート１０２或いは地山１００の坑壁１０１を覆うように二次吹付コンクリート１０４を設ける（図４（ｂ）参照）。この二次吹付コンクリート１０４を設けた状態では、第１の支保工構造体１ａの支保工材２の外周面と一次吹付コンクリート１０２或いは坑壁１０１との間と、第２の支保工構造体１ｂの支保工材２の外周面と一次吹付コンクリート１０２或いは坑壁１０１との間の双方に、空隙１０５が形成されている。

そして、切羽１０３から第２の支保工構造体１ｂより離れて位置し、前方に二次吹付コンクリート１０４が設けられている第１の支保工構造体１ａについて、支保工材２の下部２４に配置された注入管材３の一方の端部に相当する導入部３２からグラウト材Ｇを注入し、支保工材２の天端部２５に配置された注入管材３の他方の端部に相当する導入部３２から排気しながら、注入ホース３１にグラウト材Ｇを注入する。グラウト材Ｇには、高流動性で早期強度発現タイプの無収縮セメント系材料を用いると好適である。注入されたグラウト材Ｇは、注入ホース３１の吐出孔３１１から吐出され、空隙１０５に充填されていく（図４（ｃ）、図１参照）。

グラウト材Ｇの注入を継続して、支保工材２の天端部２５に配置された注入管材３の他方の端部に相当する導入部３２からのグラウト材Ｇのリターンを確認できたら、第１の支保工構造体１ａの支保工材２と一次吹付コンクリート１０２或いは地山１００の坑壁１０１との間の空隙１０５へのグラウト材Ｇの充填を完了する（図４（ｃ）、図１参照）。このグラウト材Ｇの注入、充填はアーチ状の支保工を構成する一対の支保工構造体１・１の双方について行う。

本実施形態によれば、弧状の支保工材２の外周面に沿い支保工材２の長さ方向に延びる注入管材３に下側からグラウト材Ｇを注入し、吐出孔３１１からグラウト材Ｇを吐出させることにより、トンネルの一次吹付コンクリート１０２或いは地山１００と支保工の外周面とに間に形成される空隙１０５の全体に亘ってグラウト材Ｇをより均一に充填して埋めることができる。従って、支保工材２で構成される支保工と地山１００を一体化させ、支保工に十分な支保機能を発現させて地山１００の緩みを防止し、地山１００を安定化することができる。

また、グラウト材Ｇの注入側を担う注入管材３の一方の端部と排気側を担う注入管材３の他方の端部とを支保工材２の内周側に導入することにより、例えば第１の支保工構造体１ａなど建て込んだ支保工構造体１にグラウト材を注入する前に、この支保工構造体１よりトンネル掘進方向の前側の領域に二次吹付コンクリート１０４を施すことができ、二次吹付コンクリート１０４が形成されて坑壁１０１の安定性が高められた場所でグラウト材Ｇの準備と注入を行うことができる。従って、トンネル掘進の危険作業を低減することができる。

また、例えば第１の支保工構造体１ａなどグラウト材Ｇの注入前の支保工構造体１よりトンネル掘進方向の前側の領域に二次吹付コンクリート１０４を施すことができることから、支保工間を埋めるように二次吹付コンクリート１０４の施工を連続して行うことができ、トンネル掘進作業の効率性を向上し、施工コストを低減することができる。

また、支保工材２の外周フランジ２２と内周フランジ２３にそれぞれ形成された貫通穴２６を介して注入管材３の一方の端部と他方の端部を支保工材２の内周側に導入することにより、グラウト材Ｇの注入側を担う注入管材３の一方の端部と排気側を担う注入管材３の他方の端部とを支保工材２の内周側により確実に導入することができ、且つ導入した状態を安定化することができる。

また、本実施形態の支保工構造体１を用いるトンネル構築方法によれば、支保工材２の天端部２５に配置されている注入管材３の他方の端部からのグラウト材Ｇのリターンを確認してグラウト材Ｇを充填することにより、トンネルの一次吹付コンクリート１０２或いは地山１００と支保工の外周面とに間に形成される空隙１０５の全体に亘って、グラウト材Ｇをより均一且つ確実に充填して埋めることができる。

また、切羽１０３の直近の第２の支保工構造体１ｂから離れた第１の支保工構造体１ａに対してグラウト材Ｇを準備して注入することにより、地山１００が崩れやすい切羽１０３からより離れた場所でグラウト材Ｇの準備と注入を行うことができる。従って、トンネル掘進の危険作業をより一層低減することができる。

〔本明細書開示発明の包含範囲〕
本明細書開示の発明は、発明として列記した各発明、実施形態の他に、適用可能な範囲で、これらの部分的な内容を本明細書開示の他の内容に変更して特定したもの、或いはこれらの内容に本明細書開示の他の内容を付加して特定したもの、或いはこれらの部分的な内容を部分的な作用効果が得られる限度で削除して上位概念化して特定したものを包含する。そして、本明細書開示の発明には下記変形例や追記した内容も含まれる。

例えば上記実施形態の例では、外周フランジ２２と内周フランジ２３の対応する貫通穴２６と、注入ホース３１の下部２４側の端部と天端部２５側の端部にそれぞれ設けられる導入部３２によって、注入管材３の一方の端部と他方の端部を支保工材２の内周側に導入する構成としたが、グラウト材Ｇの注入側を担う注入管材３の一方の端部と排気側を担う注入管材２の他方の端部を支保工材２の内周側に導入する構成は本発明の趣旨の範囲内で適宜であり、例えば注入管材３を注入ホース３１だけで構成し、注入ホース３１のグラウト材Ｇの注入側を担う一方の端部を支保工材２の幅方向の外側を介して支保工材２の内周側に導入し、注入ホース３１の排気側を担う他方の端部を支保工材２の幅方向の外側を介して支保工材２の内周側に導入する変形例の支保工構造体１の構造としても好適である。

この変形例の構造とすることにより、支保工材に貫通穴２６のような特別な加工を施さずに、グラウト材Ｇの注入側を担う注入管材の一方の端部と排気側を担う注入管材の他方の端部とを支保工材の内周側に導入することができる。また、貫通穴２６のような断面欠損がない支保工材で支保工を構築できることから、支保工に求められる強度を確実に得ることができる。

また、本発明の支保工構造体における支保工材は、上記実施形態の支保工材２に限定されず、複数の部材で構成され或いは単一の部材で構成され、下部と天端部を有する弧状の支保工材であれば適宜である。

本発明は、トンネルの支保工の背面と地山或いは一次吹付コンクリートとの間に形成される空隙をグラウト材で充填し、地山の緩みを防止する際に利用することができる。

１、１ａ、１ｂ…支保工構造体 ２…支保工材 ２１…ウェブ ２２…外周フランジ ２３…内周フランジ ２４…下部 ２５…天端部 ２６…貫通穴 ２７…継手板 ３…注入管材 ３１…注入ホース ３１１…吐出孔 ３２…導入部 ３２１…導入管 ３２２…エルボ継手 ３２３…ニップル ４…固定バンド ５１…加圧ホース ５２…カップリング １００…地山 １０１…坑壁 １０２…一次吹付コンクリート １０３…切羽 １０４…二次吹付コンクリート １０５…空隙 Ｔ…トンネル空間 Ｇ…グラウト材 ２０１…地山 ２０２…切羽 ２０３…一次吹付コンクリート ２０４…支保工 ２０５…二次吹付コンクリート ２０６…ロックボルト ２０７…防水シート ２０８…覆工コンクリート ２０９…インバートコンクリート ２１０…空隙 ２１１…先受工 ２１２…袋体 ２１３…無収縮モルタル

Claims (5)

1. トンネルの支保工に用いられる支保工構造体であって、
   長さ方向に間隔を開けてグラウト材の吐出孔が形成された注入管材が、弧状の支保工材の外周面に沿い且つ前記支保工材の長さ方向に延びるように配置されて固定され、
   前記支保工材の下部で、前記グラウト材の注入側を担う前記注入管材の一方の端部が前記支保工材の内周側に導入され、
   前記支保工材の天端部で、前記グラウト材の注入時の排気側を担う前記注入管材の他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする支保工構造体。
2. 断面視Ｈ形の前記支保工材の外周フランジと内周フランジにそれぞれ形成された貫通穴を介して、前記注入管材の一方の端部と他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする請求項１記載の支保工構造体。
3. 前記支保工材の幅方向の外側を介して、前記注入管材の一方の端部と他方の端部が前記支保工材の内周側に導入されていることを特徴とする請求項１記載の支保工構造体。
4. 請求項１～３の何れかに記載の支保工構造体を用いるトンネル構築方法であって、
   掘削したトンネル空間に前記支保工構造体を建て込む第１工程と、
   前記支保工構造体のトンネル掘進方向の前側に吹付コンクリートを吹き付ける第２工程と、
   前記支保工構造体の前記注入管材の一方の端部から前記グラウト材を注入して前記注入管材の他方の端部からの前記グラウト材のリターンを確認し、前記支保工材と地山との間の空隙に前記グラウト材を充填する第３工程とを備えることを特徴とするトンネル構築方法。
5. 前記第１工程において、第１の前記支保工構造体を建て込むと共に、第１の前記支保工構造体のトンネル掘進方向の前方でトンネル空間の切羽直近に第２の前記支保工構造体を建て込み、
   前記第２工程において、第１の前記支保工構造体と第２の前記支保工構造体との間に吹付コンクリートを吹き付け、
   前記第３工程において、第１の前記支保工構造体の前記注入管材の一方の端部から前記グラウト材を注入して前記注入管材の他方の端部からの前記グラウト材のリターンを確認し、第１の前記支保工構造体の前記支保工材と地山との間の空隙に前記グラウト材を充填することを特徴とする請求項４記載のトンネル構築方法。