JP7854181B2 - トンネルの覆工コンクリートの打設方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの覆工コンクリートの打設方法に関する。

トンネルの施工工法として、シールド工法、ＴＢＭ工法、ＮＡＴＭ工法、開削工法等が知られている。シールド工法は、都市部で多く用いられ、沖積層、シルト層等のように地山圧力の高い地層を掘削するのに適している。シールド工法では、シールドマシンにより土砂を泥酔として排除した後、覆工コンクリートとしてプレキャストのセグメントを敷設し、そのセグメントを反力としてシールドマシンのジャッキを延伸させてトンネルを形成していく。ＴＢＭ工法は、いわゆる山岳トンネルに用いられ、岩盤を巨大なカッターヘッドで削り、削った岩を後方へ排出しながら掘り進んでいく。また、ＮＡＴＭ工法は、いわゆる山岳トンネルに用いられ、ロックボルトで地山を補強しながら掘削し、セントル（型枠）を利用して、トンネルの軸方向に沿って連続的にコンクリートを打設していく。シールド工法及びＴＢＭ工法でも、セグメントを使用せずに、機械化された型枠を利用し、覆工コンクリートの連続打設を行う工法が開発されている。また、シールド工法における地山補強にＮＡＴＭ工法を利用した複合工法も開発されている。

型枠を用いてトンネルの覆工コンクリートを打設する方法として、型枠を上部フォームと、中部フォームと、下部フォームとにより構成し、下部フォームの外面に透水型枠を設置する方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術では、透水型枠は、せき板、保水層及び透水シートを積層して構成され、外面（地山側の面）が中部フォームの外面と面一になっている。透水型枠の保水層は、芯材及び芯材の両面に積層された面材を備え、芯材に内部空間が形成されるとともに、芯材及び面材に複数の貫通孔が形成されている。

透水シートは、コンクリートとの当接面に配設されており、コンクリートの打設後に発生する余剰水（ブリージング水を含む）を吸収するとともに、コンクリートの養生時にコンクリートの表面に水分（養生水）を供給する、とされている。具体的には、コンクリートに所定の強度が発現したら、透水型枠をコンクリートの表面に残置させた状態で、型枠を脱型するとともに移動させている。コンクリートの養生終了後、透水型枠は、コンクリートの表面から撤去される。

特開２０１９－８５７８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の打設方法では、透水型枠を中部フォームの外面と面一となるよう配置する必要があり、下部フォーム、透水型枠及びこれらを支持する装置の機構が複雑となり、透水型枠の設置作業も極めて煩雑となる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複雑な機構とすることなく、型枠の設置作業も簡単でありながら、コンクリート打設時の余剰水を排出して、高品質の覆工コンクリートを打設することのできるトンネルの覆工コンクリートの打設方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、
外面がトンネルの内壁側と対面する型枠を利用した覆工コンクリートの打設方法であって、
複数の孔が並んで形成されるメッシュ状の殻体が、前記型枠の外面及び前記殻体の内面の少なくとも一方に形成された凹凸形状により前記型枠と前記殻体の間にコンクリートの余剰水を排出するための通水路が形成されるように、前記型枠の外面に固定された状態で、前記型枠を設置する型枠設置工程と、
設置された前記型枠にフレッシュコンクリートを充填するコンクリート充填工程と、
前記殻体の前記各孔を通じて前記コンクリートから前記通水路へ余剰水を排出して流動化を止め、前記コンクリートを仮固化させる余剰水排出工程と、
前記余剰水が排出され仮固化された前記コンクリートを前記殻体と一体的に硬化させるコンクリート硬化工程と、
前記殻体を前記コンクリートと一体化させた状態で、硬化したコンクリートの内面から前記型枠を撤去する型枠撤去工程と、含むトンネルの覆工コンクリートの打設方法が提供される。

上記トンネルの覆工コンクリートの打設方法において、前記通水路は、前記殻体の前記内面に形成され前記トンネルの断面方向へ延びる前記凹凸形状により形成されてもよい。

上記トンネルの覆工コンクリートの打設方法において、
前記通水路は、前記型枠の前記外面に形成され前記トンネルの断面方向へ延びる前記凹凸形状により形成され、
前記凹凸形状をなす前記凸部分の断面は、前記トンネルの断面の外側へ向かって小さくなるテーパ状に形成されてもよい。

上記トンネルの覆工コンクリートの打設方法において、
前記型枠は、前記トンネルの底部側に形成され上方が開放され前記余剰水が集められる集水溝を有してもよい。

上記トンネルの覆工コンクリートの打設方法において、
前記型枠は、前記トンネルの底部側に歩行用の平坦部を有し、
前記集水溝は、前記平坦部に形成されてもよい。

上記トンネルの覆工コンクリートの打設方法において、前記型枠設置工程で、前記殻体は、前記型枠の前記集水溝の部分に所定の張力となるよう固定されてもよい。

本発明のトンネルの覆工コンクリートの打設方法によれば、複雑な機構とすることなく、型枠の設置作業も簡単でありながら、コンクリート打設時の余剰水を排出して、高品質の覆工コンクリートを打設することができる。

本発明の一実施形態を示すトンネルの覆工コンクリートの打設方法のフローチャートである。 トンネルの縦断面説明図である。 コンクリート充填前のトンネルの横断面説明図である。 殻体の一部展開図である。 型枠及び殻体の一部断面図である。 変形例を示すコンクリート充填前のトンネルの横断面説明図である。 変形例を示す型枠及び殻体の一部断面図である。

図１から図６は本発明の一実施形態を示し、図１はトンネルの覆工コンクリートの打設方法のフローチャート、図２はトンネルの縦断面説明図、図３はコンクリート充填前のトンネルの横断面説明図、図４は殻体の一部展開図、図５は型枠及び殻体の一部断面図である。

図１に示すように、このトンネルの覆工コンクリートの打設方法は、掘削工程Ｓ１と、型枠設置工程Ｓ２と、コンクリート充填工程Ｓ３と、余剰水排出工程Ｓ４と、コンクリート硬化工程Ｓ５と、型枠撤去工程Ｓ６と、を有する。本実施形態においては、図２に示すように、シールドマシン１０を使用して、トンネル８０の覆工コンクリート９０を打設する。覆工コンクリート９０は、外面がトンネル８０の内壁側と対面する型枠２０を利用して打設される。

シールドマシン１０は、筒状のマシン本体１１と、マシン本体１１の前端に配置されるカッターヘッド１２と、カッターヘッド１２の後方に設けられるバルクヘッド１３と、マシン本体１１の後端に設けられ前後に伸縮自在のジャッキ１４と、ジャッキ１４の後端に設けられるトンネル８０の断面方向へ延びる仕切り板１５と、マシン本体１１の外縁から後方へ延び地山からの圧力を受ける耐圧板１６と、を有している。仕切り板１５は、覆工コンクリート９０の断面形状に対応して形成される。

図３に示すように、仕切り板１５の上部には、コンクリート充填用の打設孔１７が形成される。尚、図３は、コンクリートが充填される前の状態を示している。本実施形態においては、打設孔１７は、仕切り板１５の上部に左右一対に設けられる。また、図２に示すように、仕切り板１５の下部には、後述する余剰水を排出するための排水口１８が形成される。仕切り板１５のコンクリートとの接触面には凹凸が形成され、コンクリートとの接触面積の増大が図られている。

以上のように構成されたシールドマシン１を用いた覆工コンクリート９０の打設方法について、図１のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ジャッキ１４を伸長させつつ、カッターヘッド１２を回転させて、地山を所定距離だけ掘削する（掘削工程Ｓ１）。このとき、後方に隣接する工区ではコンクリート硬化工程Ｓ５が完了し、仕切り板１５の後方に隣接する覆工コンクリート９０は、すでに硬化している。

次に、複数の孔３１が並んで形成されるメッシュ状の殻体３０が、型枠２０の外面及び殻体３０の内面の少なくとも一方に形成された凹凸形状により型枠２０と殻体３０の間にコンクリートの余剰水を排出するための通水路４０が形成されるように、型枠２０の外面に固定された状態で、型枠２０を設置する（型枠設置工程Ｓ２）。型枠２０の外面は、トンネル８０の内壁側と対面している。型枠２０の材質は任意であるが、本実施形態においては鋼板により構成される。型枠２０は、トンネル８０の底部側に歩行用の平坦部２１を有し、平坦部２１には上方が開放され後述する余剰水が集められる集水溝２２が掘削方向へ延びて形成されている。集水溝２２の寸法は任意であるが、例えば、幅４５０ｍｍ以上７５０ｍｍ以下、深さ１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることができる。本実施形態においては、仕切り板１５の後方に隣接する覆工コンクリート９０には型枠２０が残置されているので、新たに設置される型枠２０の集水溝２２は、後方に隣接する型枠２０の集水溝２２と接続される。

また、本実施形態においては、型枠設置工程Ｓ２にて、平坦部２１の下方のトンネル底部に、掘削方向へ延び後述する余剰水が集められる集水管５０が配置される。集水管５０の寸法及び断面形状は任意であるが、例えば、断面形状を２００ｍｍ以上４００ｍｍ以下の直径の円とすることができる。仕切り板１５の後方に隣接する覆工コンクリート９０には集水管５０が埋設されており、新たな集水管５０を、埋設されている集水管５０の前端と仕切り板１５の排水口１８と接続するよう配置する。型枠２０は、分割して構成されており、型枠設置工程Ｓ２で組み立てられる。型枠２０の分割の仕方は任意であり、比較的小規模であれば、例えば、掘削方向に２ｍ、断面方向に１ｍの大きさとすることができる。また、大型機械を利用して運搬、組立等が可能な場合は、型枠２０は、例えば、掘削方向に２ｍ、断面方向に３個に分割することができる。

図４に示すように、殻体３０は、後述するコンクリートの余剰水を流出させるための複数の孔３１を有している。殻体３０の材質は任意であるが、例えば、プラスチック、金属等とすることができる。本実施形態においては、殻体３０は、エンジニアリングプラスチックで構成されている。本実施形態においては、殻体３０は、メッシュ状に形成され、四角形状に形成された各孔３１が縦方向及び横方向に整列して形成される。各孔３１の形状及び大きさは、任意であり、例えば、菱形、円形、四角形以外の多角形等とすることができる。また、各孔３１の大きさも任意であり、例えば、各孔３１の内接円を直径５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることができる。各孔の形状や大きさは、要求性能等に応じて適宜設定される。

また、殻体３０の内面には、トンネル８０の断面方向へ延びる複数のリブ３２が形成されている。これにより、殻体３０の内面に前述の凹凸形状が形成される。各リブ３２は、トンネル８０の掘削方向に所定の間隔をおいて形成される。殻体３０は、各リブ３２により補強されている。図５に示すように、型枠２０の外面が平坦であることから、殻体３０が外面に重ねられると、各リブ３２間にトンネル断面方向へ延びる通水路４０が形成される。通水路４０の寸法は任意であるが、例えば、幅１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、深さ５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができる。殻体３０は、複数のパネルに分割して構成され、外縁部に形成された図示しない連結用の凹部及び凸部を有しており、凹部及び凸部の嵌合により、隣接するパネル同士が連結されている。各パネルは、型枠２０の外面形状に対応して工場等で加工されたものを、掘削現場へ搬入して使用される。尚、殻体３０をメッシュ状に加工して長尺に形成しておき、掘削現場へロール状で搬入してもよい。

殻体３０は、型枠２０に巻きつけられ、集水溝２２の部分に所定の張力となるよう固定される。尚、型枠２０の集水溝２２以外の部分に、別途、殻体３０の固定部を設けてもよい。型枠２０と殻体３０の固定方法は任意であり、本実施形態においてはボルトを用いた螺合により固定されているが、溶接、接着等により固定することもできる。

型枠２０及び殻体３０が設置されると、仕切り板１５の各打設孔１７を利用してフレッシュコンクリートを充填する（コンクリート充填工程Ｓ３）。本実施形態においては、各打設孔１７からフレキシブル管をトンネル８０の底部に降ろし、センサー又は目視で充填状態を確認しながらフレキシブル管を引き上げる。コンクリートの充填が完了した後、各打設孔１７に蓋をする。尚、フレッシュコンクリートの供給方法は任意であり、例えば、レディーミクスコンクリートを生コン車でトンネル内に搬送して供給してもよいし、トンネル内移動式の小型のバッチャープラントから圧送ポンプにより供給してもよい。本実施形態においては、軟弱な地山が想定され、地山の円筒保護材をなす覆工コンクリート９０を高速で硬化させるために、各種早強セメントが使用される。本実施形態では、コンクリート充填空間に、鉄筋等のような炭酸化で腐食するものが配置されていないので、鉄筋等を腐食させるおそれのある早強剤を使用してもよい。

型枠２０にフレッシュコンクリートが充填されると、コンクリートの自重の圧密により、殻体３０の各孔３１を通じてコンクリートから通水路４０へ余剰水を排出する（余剰水排出工程Ｓ４）。このとき、余剰水とともにコンクリートから空気も排出される。このように、コンクリートから余剰水が排出されるため、コンクリートから型枠２０に加わる圧力が低減される。また、コンクリートから余剰水が排出されると、コンクリートの硬化が始まる前に流動化が止まり、コンクリートが仮固化される。これにより、支保工、吹き付けコンクリート、ロックボルト、薬液注入等を用いた各種の地山補強作業を省略することができる。型枠２０から染み出た余剰水は、通水路４０から集水溝２２及び集水管５０へ排出される。

この後、余剰水及び空気が排出されたコンクリートを殻体３０と一体的に硬化させる（コンクリート硬化工程Ｓ５）。余剰水及び空気が排出されることにより、硬化されるコンクリートの緻密性が向上する。この結果、コンクリートのクラックの発生が抑制され、防水効果が向上する。また、余剰水及び空気が排出されることにより、コンクリートの強度発現が促進される。本実施形態においては、早強セメントの使用により、強度発現がさらに促進されている。型枠２０、殻体３０及び硬化した覆工コンクリート９０は、地山の筒状保護材として機能し、地山の応力バランスの安定に寄与する。すなわち、コンクリートの仮固化及び早強セメントの使用により、速やかに地山の応力バランスが安定する。

コンクリート硬化後、ジャッキ１４を伸長させつつ、カッターヘッド１２を回転させて、再び、地山を所定距離だけ掘削する（掘削工程Ｓ１）。覆工コンクリート９０の強度発現後、殻体３０が座屈することはなく、型枠２０及び耐圧板１６と一体となった状態で硬化した覆工コンクリート２００側から仕切り板１５を介してシールドマシン１の推進に必要な反力を得ることができる。このように、トンネル１００の掘削方向について、掘削工程Ｓ１、型枠設置工程Ｓ２、コンクリート充填工程Ｓ３、余剰水排出工程Ｓ４及びコンクリート硬化工程Ｓ５を繰り返して、覆工コンクリート９０の打設を進めていく。

応力センサー、ひずみ計等により、地山の応力の安定を確認した後、殻体３０をコンクリートと一体化させた状態で、硬化したコンクリートの内面から型枠２０を撤去する（型枠撤去工程Ｓ６）。その後、殻体３０を覆工コンクリート２００側に存置させた状態で、覆工コンクリート２００の養生が行われる。すなわち、コンクリートの養生期間は、殻体３０が型枠の役目を果たす。そして、殻体３０が覆工コンクリート２００側に存置されたまま、トンネル８０は使用に供される。

解体された型枠２０は、前方の工区へ移送されて再利用される。殻体３０の内面には、各補強リブ３２により凹凸が形成されていることから、型枠２０を覆工コンクリート９０側から比較的容易に剥離することができる。尚、型枠２０の覆工コンクリート９０側の剥離性を考慮するならば、型枠２０の表面を剥離性の高い素材、仕上げ等としておくことが好ましい。ここで、型枠２０を取り外した後、覆工コンクリート９０に空洞が見つかった場合は、各孔３１を通じて無収縮モルタルを圧入する等により、コンクリートの補修をすることが可能である。尚、型枠２０の集水溝２２により覆工コンクリート９０に形成された溝は、排水溝としてそのまま利用される。

以上の本実施形態の覆工コンクリート９０の打設方法によれば、複雑な機構とすることなく、型枠の設置作業も簡単でありながら、コンクリート打設時の余剰水を排出して、高品質の覆工コンクリート９０を打設することができる。また、コンクリートの強度を早期に発現させることができるので、トンネル８０の覆工コンクリート９０の打設に要する工期を短縮することができる。さらに、支保工、吹き付けコンクリート、ロックボルト、薬液注入等を用いた各種の地山補強作業を省略することによって。高速施工が可能となる。また、従来のシールド工法で必要とされていたセグメントは不要であり、セグメント工場等の膨大なバックヤードを必要としない。また、補強鋼材及びジョイント鋼材も不要となるため、これらの耐久性や防水性能を考慮する必要もない。

覆工コンクリート９０は、殻体３０の各孔３１を通じて外気中の二酸化炭素が供給されることにより、表面側から炭酸化が内部へ進行し、コンクリートは粗骨材及び細骨材を礫とする石材へ変性していく。これにより、覆工コンクリート９０は、強度及び耐久性が向上していく。全部分が石化部へ変性した覆工コンクリート９０は、遺跡等の石造建築物と同様の、１０００年以上の耐久性が付与される。

尚、前記実施形態においては、コンクリートに早強セメントを使用したものを示したが、地山の状態が良好な場合は、早強セメントを用いずに、普通セメントを用いたコンクリートとしても問題はない。すなわち、余剰水排出工程Ｓ４で、コンクリートが仮固化されるため、地山の状態が良好な場合は、コンクリートの仮固化の効果のみで、地山の応力バランスを安定させ、支保工、吹き付けコンクリート、ロックボルト、薬液注入等の地山補強作業を省略した高速施工が可能となる。

また、前記実施形態においては、シールドマシン１を用いた例を示したが、掘削工程Ｓ１、型枠設置工程Ｓ２、コンクリート充填工程Ｓ３、余剰水排出工程Ｓ４、コンクリート硬化工程Ｓ５及び型枠撤去工程Ｓ６を有していれば、図６に示すような、ＴＢＭ工法、ＮＡＴＭ工法等による山岳トンネルの覆工コンクリートの打設にも、本発明を適用可能である。前記実施形態では仕切り板１５がシールドマシン１に設けられていたが、図６の変形例では、仕切り板１１５が単独で設けられる。この変形例では、図６に示すように、トンネル１８０の断面下部が水平となっており、型枠１２０の平坦部１２１は幅方向に比較的大きく形成されている。型枠１２０の集水溝１２２は、トンネル１８０の幅方向外側に一対に設けられている。さらに、排水口１１８及びこれと接続される集水管も、トンネル１８０の幅方向について一対に設けられている。この変形例においても、メッシュ状の殻体１３０が、型枠１２０の外面に巻きつけられている。

また、前記実施形態においては、通水路４０が殻体３０の内面に形成された凹凸形状により形成されるものを示したが、例えば図７に示すように、型枠２２０の外面に形成された凹凸形状により通水路２４０を形成することも可能である。図７においても、殻体２３０は複数の孔２３１が並べられたメッシュ状に形成されている。図７の型枠２２０は、凹凸形状をなす凸部分２２１の断面は、トンネルの断面の外側へ向かって小さくなるテーパ状に形成される。これにより、型枠撤去工程Ｓ６における型枠２０のコンクリート側からの脱型を、比較的容易に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

２０ 型枠
２２ 集水溝
３０ 殻体
３１ 孔
３２ 補強リブ
４０ 通水路
５０ 集水管
８０ トンネル
９０ 覆工コンクリート
１２０ 型枠
１２２ 集水溝
１３０ 殻体
１８０ トンネル
１９０ 覆工コンクリート
２２０ 型枠
２２１ 凸部分
２３０ 殻体
２３１ 孔
２４０ 通水路
Ｓ２ 型枠設置工程
Ｓ３ コンクリート充填工程
Ｓ４ 余剰水排出工程
Ｓ５ コンクリート硬化工程
Ｓ６ 型枠撤去工程

Claims (6)

1. 外面がトンネルの内壁側と対面する型枠を利用した覆工コンクリートの打設方法であって、
   複数の孔が並んで形成されるメッシュ状の殻体が、前記型枠の外面及び前記殻体の内面の少なくとも一方に形成された凹凸形状により前記型枠と前記殻体の間にコンクリートの余剰水を排出するための通水路が形成されるように、前記型枠の外面に固定された状態で、前記型枠を設置する型枠設置工程と、
   設置された前記型枠にフレッシュコンクリートを充填するコンクリート充填工程と、
   前記殻体の前記各孔を通じて前記コンクリートから前記通水路へ余剰水を排出して流動化を止め、前記コンクリートを仮固化させる余剰水排出工程と、
   前記余剰水が排出され仮固化された前記コンクリートを前記殻体と一体的に硬化させるコンクリート硬化工程と、
   前記殻体を前記コンクリートと一体化させた状態で、硬化したコンクリートの内面から前記型枠を撤去する型枠撤去工程と、含むトンネルの覆工コンクリートの打設方法。
2. 前記通水路は、前記殻体の前記内面に形成され前記トンネルの断面方向へ延びる前記凹凸形状により形成される請求項１に記載のトンネルの覆工コンクリートの打設方法。
3. 前記通水路は、前記型枠の前記外面に形成され前記トンネルの断面方向へ延びる前記凹凸形状により形成され、
   前記凹凸形状をなす前記凸部分の断面は、前記トンネルの断面の外側へ向かって小さくなるテーパ状に形成される請求項１に記載のトンネルの覆工コンクリートの打設方法。
4. 前記型枠は、前記トンネルの底部側に形成され上方が開放され前記余剰水が集められる集水溝を有する請求項２または３に記載のトンネルの覆工コンクリートの打設方法。
5. 前記型枠は、前記トンネルの底部側に歩行用の平坦部を有し、
   前記集水溝は、前記平坦部に形成される請求項４に記載のトンネルの覆工コンクリートの打設方法。
6. 前記型枠設置工程で、前記殻体は、前記型枠の前記集水溝の部分に所定の張力となるよう固定される請求項５に記載のトンネルの覆工コンクリートの打設方法。