JP2007205163A - トンネル構造およびトンネルの構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地山が大変形を起こしても致命的な被害にならないようなトンネル構造およびトンネルの構築方法を提供すること。
【解決手段】拡幅範囲１７において、トンネル３の断面を拡幅し、壁面に高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１を設置する。高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１の内側に、地山１より剛性の低い材料を充填してせん断変形低減層１３を形成し、せん断変形低減層１３の内側に高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル構造およびトンネルの構築方法に関するものである。

従来、地震時に局所的な大変形が予測される断層部や破砕帯などの区間では、トンネルを設置する際、補強を行う。図８は、従来のトンネル１０９の軸方向の断面図である。図８に示すように、トンネル１０９を設置する地山１０１に断層１０３が存在する場合、ロックボルトの増し打ちや長尺化、鋼製支保工のサイズアップ、吹付けコンクリート１０５の厚層化、覆工コンクリート１０７への鉄筋コンクリートや鋼繊維補強コンクリート適用等の方法で補強を図る方法がある。また、繊維補強モルタルによって補修層を薄厚に形成し、優れた引張破壊特性と圧縮強度とによって補修層に強力な自立強度を持たせ、覆工壁との間の付着切れを許容するとともに、付着切れによる局所的な変状等の発生を防止し、補修層に局部的に外力が作用しても無筋コンクリートのような脆性的な破壊は発生せず、コンクリート片の剥落を防止し、トンネル使用上の安全性を確保するトンネルの補修構造がある（特許文献１）。
特開２００１−１７３３７９

しかしながら、従来の補強は、トンネル構造の剛性を高めて変形に対抗するものであり、地震時における断層のずれのように変形を強制的に生じさせるような動きには対抗できない。例えば、図８の断層１０３に沿って矢印Ｆの方向に大規模なすべりが生じると、吹付けコンクリート１０５及び覆工コンクリート１０７の両者に数から数１０ｍｍのひび割れが発生し、局所的な破壊、コンクリート片の剥落等が起こり、トンネル１０９の構造全体の破壊に至ることも少なくない。

図９は断層１０３に矢印Fの方向のずれが生じた後のトンネル１０９の軸方向の断面図である。図９に示すように、断層１０３の変形が大きく、吹付けコンクリート１０５及び覆工コンクリート１０７の両者が破壊してトンネル１０９の構造全体が破壊した場合、破砕された岩や砂礫１１１がトンネル１０９の内部に流入する。また、断層１０３は滞水層になっていることも多く、大量の湧水１１３が同時に発生することも多い。

ひび割れによる漏水やコンクリート片の剥落は、道路トンネルなどでは走行障害や通行止め、水路トンネルなどではライフラインの機能損失といったような大きな被害に結びつく。トンネル１０９の構造全体が破壊した場合には、落下したコンクリート、破砕された地山や砂礫１１１、あるいは破壊に伴い発生した湧水１１３などが、鉄道・道路トンネルでは交通機能の麻痺、水路トンネルなどではライフラインの機能停止といったような大災害を引き起こし、人的被害が甚大になる恐れがある。

また、特許文献１に記載のトンネルの補修構造も、トンネル構造の剛性を高めて変形に対抗するものであり、地震時における断層のずれのように変形を強制的に生じさせるような動きには対抗できない。なお、特願２００１−１９１７４２のように、高靭性繊維補強モルタル（以下、高靭性ＦＲＣとする）を用いたトンネル覆工構造も提案されているが、該特許はトンネルの防水を主目的、コンクリートの剥落防止を副次的な効果としており、大変形部におけるトンネル構造の破壊を防止するためのものではない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、地山が大変形を起こしても致命的な被害にならないようなトンネル構造およびトンネルの構築方法を提供することにある。

前述した目的を達成するための第１の発明は、トンネルの覆工コンクリートと、前記覆工コンクリートの外周に設けられたせん断変形低減層と、を具備することを特徴とするトンネル構造であって、前記覆工コンクリートは、ひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートであることを特徴とするトンネル構造である。

前記せん断変形低減層は、周囲の地山よりも剛性の低い材料であってもよく、前記せん断変形低減層の周囲にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる吹付けコンクリートが設けられてもよい

第１の発明のトンネル構造は、断層のある区間で使用される。覆工コンクリートには、例えば、ひび割れ分散性を有する高靭性ＦＲＣを使用する。せん断変形低減層には、例えば、トンネルの裏込め注入に利用される一般的な裏込め注入材（一軸圧縮強度１．５ＭＰａ程度）や高靭性ＦＲＣ等、周囲の地山よりも剛性の低い材料を使用する。せん断変形低減層は、トンネル断面を拡幅した後、材料を充填して形成される。あるいは、材料の事前注入により形成される。トンネル断面を拡幅する場合、せん断変形低減層の設置予定位置の外側に吹付けコンクリートを設ける。吹付けコンクリートには、例えば、ひび割れ分散性を有する高靭性ＦＲＣを使用する。

第１の発明では、覆工コンクリート設置位置の外周にせん断変形低減層を設け、せん断変形低減層の内側にトンネルの覆工コンクリートを設ける。また、施工方法によって、せん断変形低減層の外側に吹付けコンクリートを設置する。

充填によりせん断変形低減層を形成する場合、トンネル断面の拡幅直後の地山の崩落防止が必要であれば、吹付けコンクリートを設置する。事前注入によってせん断変形低減層を形成する場合、注入が不完全なときには地山の内側に吹付けコンクリートを設置する。これには、曲面をきれいにする意図もある。事前注入により地山がしっかりもっている場合は、必ずしも吹付けをする必要はない。せん断変形低減層は、断層の急激なずれが覆工コンクリートに直接影響を及ぼさないようにするための緩衝層として作用する。

第２の発明は、トンネルの覆工コンクリート設置予定位置の外周にせん断変形低減層を設ける工程（ａ）と、前記せん断変形低減層の内側にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる前記覆工コンクリートを設ける工程（ｂ）と、を具備することを特徴とするトンネル構築方法である。

前記工程（ａ）の前に、地山の掘削面にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる吹付けコンクリートを設置してもよい。

第２の発明は、第１の発明のトンネル構造を構築する方法である。第２の発明では、覆工コンクリート設置予定位置の外周にせん断変形低減層を設ける。せん断変形低減層には、周囲の地山よりも剛性の低い材料を用いる。せん断変形低減層は、例えば、地山に裏込め注入材を注入して形成する。または、地山の掘削面にひび割れ分散性を有する高靭性ＦＲＣ等の吹付けコンクリートを吹付けて設置し、吹付けコンクリートの内側にひび割れ分散性を有する高靭性ＦＲＣ等を充填してせん断変形低減層を形成する。次に、せん断変形低減層の内側に覆工コンクリートを設ける。覆工コンクリートには、ひび割れ分散性を有する高靭性ＦＲＣ等を用いる。

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、トンネル３の断面図である。図１の（ａ）はトンネル３の軸方向の断面図、図１の（ｂ）は図１の（ａ）のＸ−Ｘによる断面図を示す。

図１の（ａ）に示すように、地山１にトンネル３を形成する際、断層５の存在しない通常区間１６では、掘削したトンネル３の壁面に吹付けコンクリート７を吹付け、吹付けコンクリート７の内側に覆工コンクリート９を設置する。

断層５の存在する拡幅範囲１７では、汎用機械によりトンネル３の断面を拡幅する。地山１の素掘りが困難な場合は、先受け工法や事前の地盤改良注入などを利用する。掘削に伴い、トンネル３の壁面や切羽に高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１を吹付けて設置する。なお、必要に応じて、鋼製支保工やロックボルト（図示せず）を設置しておく。

次に、セントルなどの移動式型枠や組立て式型枠など（図示せず）を使用して、図１の（ａ）、図１の（ｂ）に示すように、高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１の内側にせん断変形低減層１３を形成し、せん断変形低減層１３の内側に高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５を打設する。

せん断変形低減層１３には、例えば、トンネルの裏込め注入に使用される一般的な裏込め注入材等、周囲の地山１よりも剛性の低い材料を使用すればよく、高強度の材料を使用する必要はない。せん断変形低減層１３として、高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１と同様に、高靭性ＦＲＣを用いてもよい。

図２は、断層５に矢印Aの方向のずれが生じた後のトンネル３の軸方向の断面図である。トンネル覆工部材は、通常、圧縮材として設計されるので、曲げ変形に対しては非常に弱いが、高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５、高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１を使用することにより、図２に示すように、通常の無筋コンクリートや鋼繊維補強コンクリートを使用する場合に比べて、非常に大きな曲げ変形に耐えることができる。また、高靭性ＦＲＣ材料はひび割れ分散性を有しているため、高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５には貫通ひび割れが生じず、せん断変形低減層１３からトンネル３の内部への漏水を阻止することができる。トンネル３が水路トンネルであれば、トンネル３内部から地山１への漏水を防止できる。

図３は、図２の断層５とトンネル３の境界部分を示す図である。図３の（ａ）は、断層５とトンネル３の境界部分の拡大図、図３の（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図３の（ａ）の範囲Ｂ、範囲Ｃのせん断変形低減層１３の一部分を示す図である。

図３の（ｂ）、（ｃ）に示すように、断層５のずれの前後で、せん断変形低減層１３の最も外側の範囲B（地山１に近い部分）では部材１９が部材２１に変形し、最も内側の範囲C（トンネル３に近い部分）では部材２３が部材２５に変形する。

せん断変形低減層１３は、断層５の急激なずれ（不連続面）が高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５に直接影響を及ぼさないようにするための緩衝層である。せん断変形低減層１３の厚さを増し、せん断幅を大きく取ることで、せん断変形低減層１３と高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５の接触面でのせん断ひずみをより小さくできる。

せん断変形低減層１３を大変形の緩衝層として設置することにより、断層５に急激なずれが生じても、せん断変形低減層１３と高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５の接触面でのずれは、なだらかで連続性のあるものとなり、曲げに強い高靭性ＦＲＣ材料の特長を最大限に生かすことができる。断層５のずれにより、せん断変形低減層１３にひび割れが生じても、せん断変形低減層１３と高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５との接触面のずれが断層５のずれよりもなだらかになり、比較的連続性を持ったものであれば、せん断変形低減層１３は機能を果たしているといえる。

このように、第１の実施の形態では、断層部、破砕帯部など、地震時に大変形を生じるような地点にトンネルを施工する際、緩衝層、すなわち、せん断変形低減層１３を設けることで、緩衝層が大変形を低減する。また、高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５が高靭性とひび割れ分散性を発揮することで、トンネル３の機能停止を回避し、機能損失の程度を軽減することができる。トンネル３の被害が小さくなると恒久措置への取り掛かりが早まり、早期の復旧が可能となる。

なお、第１の実施の形態では、トンネル３の断面拡幅後に高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１を吹付け、その内側にせん断変形低減層１３を充填して設置したが、地盤条件により、トンネル３の断面拡幅を行わずに、拡幅深さに相当する部分を事前注入などにより改良し、せん断変形低減層１３を設置してもよい。また、拡幅範囲１７の吹付けコンクリートとして高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１を用いたが、材料は高靭性ＦＲＣに限らない。断面拡幅時に拡幅区間１７の地山１が安定している場合には、吹付けコンクリートは必ずしも必要でない。

また、地山１と高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１の間、高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート１１とせん断変形低減層１３の間、せん断変形低減層１３と高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５の間に、防水シートやセメント結晶増殖材等により、防水工（図示せず）を設置してもよい。防水工によってこれらの隣接する２層を分離することで、高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート１５が拘束されて断層５の大変形の影響を受けるのを防ぐことができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。図４は、トンネル３の断面図である。図４の（ａ）はトンネル３の軸方向の断面図、図４の（ｂ）は図４の（ａ）のＹ−Ｙによる断面図を示す。

図４の（ａ）に示すように、地山１にトンネル３を形成する際、断層５の存在しない通常区間１６では、掘削したトンネル３の壁面に吹付けコンクリート２３を吹付け、吹付けコンクリート２３の内側に覆工コンクリート２５を設置する。

断層５の存在する拡幅範囲１７では、汎用機械によりトンネル３の断面の拡幅を行う。地山１の素掘りが困難な場合は、先受け工法や事前の地山改良注入などを利用して拡幅する。掘削に伴い、トンネル３の壁面や切羽に吹付けコンクリート２３を吹付けて設置する。なお、必要に応じて、鋼製支保工やロックボルト（図示せず）を設置しておく。そして、吹付けコンクリート２３の内側に覆工コンクリート２５を設置する。

次に、拡幅範囲１７の覆工コンクリート２５の内側に、複数の抑え枠３３とダンパ３９を設置する。図４の（ｂ）に示すように、抑え枠３３は、方形の枠状の本体３５と、本体３５の下部に固定された足３７とで構成される。

抑え枠３３とダンパ３９を設置した後、通常区間１６の端部の覆工コンクリート２５の内側に沿って型枠２７を配置する。そして、抑え枠３３の中に可とう性管材３１を通し、型枠２７を用いて、拡幅区間１７に可とう性管材３１を配置する。但し、可とう性管材３１の軸方向の長さは拡幅区間１７より長く、両端部は通常区間１６に達するものとする。

抑え枠３３は、可とう性管材３１の姿勢を保持し、設計荷重に対抗し、ダンパ３９を設置するために使用される。ダンパ３９は、抑え枠３３の本体３５と覆工コンクリート２５との間に設置され、地震時に地山１から可とう性管材３１へ伝わる振動を低減し、共振などを避けるために設置される。

次に、必要に応じて、覆工コンクリート２５と可とう性管材３１との間に緩衝材４７を充填する。緩衝材４７は振動を軽減するためのものであり、例えば、液体や気体を使用する。さらに、内管固定用材料２９を可とう性管材３１の両端部の周囲に充填する。内管固定用材料２９には、例えば、吹付けコンクリートを使用する。トンネル３が水路トンネルなどであって、内管固定用材料２９に防水性がない場合は、内管固定用材料２９の表面に防水材料を塗布することで防水性を達成する方法などが考えられる

図５は、断層５に矢印Ｄの方向のずれが生じた後のトンネル３の軸方向の断面図である。断層５が存在する区間において、トンネル３の覆工コンクリート２５と可とう性管材３１との間に空間を設け、必要に応じて緩衝材４７を充填することで、断層５の大きなずれは、直接には可とう性管材３１に伝わらない。可とう性管材３１の両端部と、トンネル３の内空の変状に応じて、可とう性管材３１が余裕を持って再配置される。

次に、第３の実施の形態について説明する。図６は、トンネル３の断面図である。図６の（ａ）はトンネル３の軸方向の断面図、図６の（ｂ）は図６の（ａ）のＺ−Ｚによる断面図を示す。第３の実施の形態では、覆工コンクリート２５の内側に設置する内管として、第２の実施の形態の可とう性管材３１の代わりに、比較的剛な管材である鋼管４３を使用する。鋼管４３の他に、ヒューム管等を用いても良い。

第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様にして、通常区間１６および拡幅範囲１７のトンネル３の壁面に吹付けコンクリート２３を吹付け、吹付けコンクリート２３の内側に覆工コンクリート２５を設置する。

さらに、拡幅範囲１７の覆工コンクリート２５の内側に、複数の抑え枠３３とダンパ３９を設置した後、鋼管４３を抑え枠３３の中に通し、型枠等（図示せず）を用いて拡幅区間１７に鋼管４３を配置する。但し、鋼管４３の軸方向の長さは拡幅区間１７より長く、両端部は通常区間１６に達するものとする。また、必要に応じて、覆工コンクリート２５と鋼管４３との間に、液体、気体等の緩衝材４７を充填する。

抑え枠３３は、鋼管４３の姿勢を保持し、設計荷重に対抗し、ダンパ３９を設置するために使用される。ダンパ３９は、抑え枠３３の本体３５と覆工コンクリート２５との間に設置され、地震時に地山１から鋼管４３へ伝わる振動を低減し、共振などを避けるために設置される。

次に、内管固定用材料４５を鋼管４３の両端部の周囲に固定する。トンネル３が水路トンネル等であり、鋼管４３の端部の止水が必要な場合には、内管固定用材料４５として、例えば、テールシール構造等の形式の止水構造を使用する。その他の場合には、内管固定用材料２９と同様に、防水性の固定用材料を鋼管４３の端部の外周に充填してもよい。

図７は、断層５が矢印Ｅの方向に動いた後のトンネル３の軸方向の断面図である。断層５が存在する区間において、トンネル３の覆工コンクリート２５と鋼管４３との間に空間を設け、必要に応じて緩衝材４７を充填することで、断層５の大きなずれは、直接には鋼管４３に伝わらない。鋼管４３の両端部と、トンネル３の内空の変状に応じて、鋼管４３が余裕を持って再配置される。

トンネル３の内空の変形により、鋼管４３が回転して鋼管４３の両端部と覆工コンクリート５との間に開きが生じる場合でも、内管固定用材料４５としてテールシール構造等の形式の止水構造を用いることで、止水性能を向上できる。

このように、第２、第３の実施の形態では、断層部、破砕帯部など、地震時に大変形を生じるような地点にトンネルを施工する際、トンネル３の覆工コンクリート２５と内管、すなわち可とう性管材料３１や鋼管４３、ヒューム管との間に空間を設ける。空間には、必要に応じて、緩衝材４７を充填する。

この空間または緩衝材４７が地震時の断層５のずれを吸収するため、断層５に大きなずれが生じて拡幅範囲１７前後で局所的に覆工コンクリート２５等のトンネル構造が破壊しても、図５、図７に示すように、内管に損傷はほとんどなく、砂礫４１等は内管の外側に保持される。よって、トンネル３が水路トンネルであれば機能を保持でき、道路・鉄道トンネルであれば被害を最小限に食い止めることができる。トンネル３の被害が小さくなると恒久措置への取り掛かりが早まり、早期の復旧が可能となる。

なお、第２、第３の実施の形態では、拡幅範囲１７でトンネル３の断面を拡幅したが、内管の断面がトンネル３の断面より非常に小さくて良い場合は、拡幅する必要はない。拡幅区間１７や拡幅高１８は、あらかじめ断層５のずれ変位量を評価し、内管に使用する可とう性管材料３１や鋼管４３、ヒューム管等が変形を受けても、内管材がその変形により破損せず、許容応力の範囲内のひずみに収まるように決定する。

また、拡幅範囲１７の覆工コンクリート２５は、必ずしも必要ではない。覆工コンクリート２５を設置しない場合は、吹付けコンクリート２３と内管（可とう性管材料３１や鋼管４３、ヒューム管等）との間に抑え枠３３、ダンパ３９を設置する。また、必要に応じて、吹付けコンクリート２３と内管との間に緩衝材４７を充填する。

さらに、図４の（ｂ）、図６の（ｂ）では、可とう性管材料３１や鋼管４３の断面を円形としたが、設計荷重に対抗できる限りにおいては、内管の断面は円形である必要はない。また、内管材は単一である必要はなく、複数の管の集合体としてもよい。

以上、詳細に説明したように本発明によれば、地山が大変形を起こしても致命的な被害にならないようなトンネル構造およびトンネルの構築方法を提供できる。

トンネル３の断面図 断層５に矢印Aの方向のずれが生じた後のトンネル３の軸方向の断面図 図２の断層５とトンネル３の境界部分を示す図 トンネル３の断面図 断層５に矢印Ｄの方向のずれが生じた後のトンネル３の軸方向の断面図 トンネル３の断面図 断層５に矢印Ｅの方向のずれが生じた後のトンネル３の軸方向の断面図 従来のトンネル１０９の軸方向の断面図 断層１０３に矢印Fの方向のずれが生じた後のトンネル１０９の軸方向の断面図

符号の説明

１………地山
３………トンネル
５………断層
７、２３………吹付けコンクリート
９、２５………覆工コンクリート
１１………高靭性ＦＲＣ吹付けコンクリート
１３………せん断変形低減層
１５………高靭性ＦＲＣ覆工コンクリート
３１………可とう性管材
３３………抑え枠
３９………ダンパ
４３………鋼管

Claims (5)

1. トンネルの覆工コンクリートと、
   前記覆工コンクリートの外周に設けられたせん断変形低減層と、
   を具備することを特徴とするトンネル構造であって、
   前記覆工コンクリートは、ひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートであることを特徴とするトンネル構造。
2. 前記せん断変形低減層は、周囲の地山よりも剛性の低い材料であることを特徴とする請求項１記載のトンネル構造。
3. 前記せん断変形低減層の周囲にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる吹付けコンクリートが設けられたことを特徴とする請求項１記載のトンネル構造。
4. トンネルの覆工コンクリート設置予定位置の外周にせん断変形低減層を設ける工程（ａ）と、
   前記せん断変形低減層の内側にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる前記覆工コンクリートを設ける工程（ｂ）と、
   を具備することを特徴とするトンネル構築方法。
5. 前記工程（ａ）の前に、地山の掘削面にひび割れ分散性を有する高靭性繊維補強コンクリートからなる吹付けコンクリートを設置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。

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