JP2007321490A - トンネル掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】早期にトンネル断面を閉合させることで、トンネル支保構造の力学的安定性を確保できるようにした。
【解決手段】トンネル天端部１０ａの周壁から前方に向けてトンネル外方に放射状に注入式長尺先受工２を施工し、全断面掘削領域１１を掘削し、この内周に第一支保３を設けると共に、トンネル天端部１０ａより下方のトンネル両側の側壁部にロックボルト４を密に配設しながら、所定掘進長をなす掘進区画の全断面掘削領域１１を施工した後、全断面掘削領域１１の下方に位置するインバート１２を掘削した後、インバート１２に第二支保５を設けることでトンネル１０の断面を閉合させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、脆弱な地質におけるトンネル掘削方法に関する。

従来、トンネル掘削工事では、掘削によって周辺地山への影響を少なくするため、切羽に段差を設けて一度に掘削する断面積を小さくして掘削するベンチカット工法などが採用されている（例えば、特許文献１参照）。とくに、地山強度比（地山の一軸圧縮強度を（土被り高さ×単位体積重量）で除したもの）が例えば０．５以下となるような軟弱質で低強度の地山では、掘削後に大変形が発生し、必要とされるトンネル内空断面が侵され、支保構造体が不安定な状態となるうえ、時にはトンネルが破壊されて押し潰されることになり得る。このような脆弱な地山の場合には、ミニベンチ方式全断面掘削工法による掘削が行われている。
このミニベンチ方式全断面掘削工法によるトンネル施工は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、トンネル１０の断面を上半断面部３１、下半断面部３２とインバート３３に三分割して段階掘削している。ここで、下半断面部３２の切羽は上半３１の切羽より３〜４ｍ程度（これをベンチ長Ｌ２とする）離れた位置となる。そして、トンネル掘削では、図６（ａ）に示すように、上下半断面部３１，３２を同時に掘削し、トンネル周方向に吹き付けコンクリートや鋼製支保工などの支保を設置し、続いて図６（ｂ）に示すように、インバート３３を下半断面部３２の切羽と同位置まで掘削する。そして、掘削したインバート３３に支保を設置することによりトンネル断面を閉合（トンネル１０全周にわたって支保などが施されている状態）させながら掘進するトンネル掘削方法である。
特開平１１−３０３５９２号公報

しかしながら、従来のミニベンチ方式全断面掘削工法によるトンネル掘削方法では、インバート掘削の終了時点でトンネルは開放支保構造、即ちトンネル全周に支保が設置されていない状態となる。このときの上半断面部の切羽からインバートによる断面閉合までの距離Ｌ３（図６（ｂ）参照）が例えば６〜７ｍ程度に離れることになる。すなわち、この６〜７ｍの間は断面閉合がなされず、この間の上下半断面部の周辺地山は、掘進による切羽進行の影響を受け易いことから破壊が進行し、その結果、トンネルの内空変位が増大すると共に、トンネルの脚部（下半断面部とインバートの境界付近であってトンネル断面の斜め下部）が沈下し、トンネル支保構造が力学的に不安定になるといった問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、早期にトンネル断面を閉合させることで、トンネル支保構造の力学的安定性を確保できるようにしたトンネル掘削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、本発明に係るトンネル掘削方法では、インバートと、該インバートを除く全断面掘削領域とを交互に掘削するトンネル掘削方法であって、全断面掘削領域を所定長掘削した後、掘削区間において全断面掘削領域の内周に第一支保を設けると共に、トンネル天端部より下方のトンネル両側の側壁部にロックボルトを配設し、掘削からロックボルトまでの施工サイクルを複数回繰り返して全断面掘削領域を施工して全断面領域掘進区画とし、その後、全断面領域掘進区画の下方に位置するインバートを掘削した後、インバートに第二支保を設けることでトンネル断面を閉合させるようにし、以降、全断面領域掘進区画とインバートを交互に施工することを特徴としている。
本発明では、長尺先受工を設けることで、掘削する全断面掘削領域の切羽を安定させ、全断面掘削領域の掘削後に第一支保を設置すると共に、トンネル側壁部にロックボルトを例えば高密度で配設して打設することでその周囲地山の破壊進行を抑制した補強ができ、トンネルの脚部の沈下を防止できる。そのため、ロックボルト設置後にインバートの掘削が可能となり、そのインバート掘削後に第二支保を設置することで全断面掘削領域を掘削した切羽直近で早期にトンネル断面を閉合させることができ、トンネル支保構造の力学的安定性を確保することができる。

また、本発明に係るトンネル掘削方法では、全断面掘削領域の掘削における切羽は、トンネル天端部から下方に向かってトンネル掘削方向に凸曲面が形成されてなる曲面切羽であることが好ましい。
本発明では、曲面切羽とすることでアーチ構造が形成されることになり、切羽の崩落や破壊を抑制する効果が得られ、垂直面をなす切羽に比べて自立度の向上が図れ、切羽を安定させることができる。

また、本発明に係るトンネル掘削方法では、全断面掘削領域の掘削に先立って、トンネル天端部の周壁から前方に向けてトンネル外方に放射状に長尺先受工を設けることが好ましい。
本発明では、全断面掘削領域の掘削前に予め長尺先受工を施工しておくことで、長尺先受工より下方の地山が安定し、天端崩落或いは切羽崩壊などが防止されると共に掘削面が自立することから、安全に掘削することができる。

また、本発明に係るトンネル掘削方法では、全断面掘削領域の掘削に先立って、全断面掘削領域の切羽から前方に向けて長尺鏡ボルトを設けることが好ましい。
本発明では、長尺鏡ボルトの周囲地山の弛みを抑制して切羽の安定を図ることができる。

また、本発明に係るトンネル掘削方法では、全断面掘削領域の掘削に先立って、全断面掘削領域より断面の小さな導坑を、トンネル軸方向前方に全断面掘削領域の掘削に先行させて掘削することが好ましい。
本発明では、全断面掘削領域の切羽より小さな断面積の中央導坑を利用し、全断面掘削領域の掘削を行う前に、中央導坑の内側より適宜な補強工事を実施することで、切羽の安定を図ることができる。

本発明のトンネル掘削方法によれば、全断面掘削した切羽直近で早期にトンネル断面を閉合させることで、トンネル支保構造の力学的安定性を確保することができる。そのため、例えば地山強度比が０．５以下となるような脆弱地質の地山であっても、掘削後のトンネル支保構造に変形が発生して必要なトンネル内空断面が侵され、支保構造体が不安定な状態となることを防止することができる。したがって、危険作業を伴う変状対策工が不要となる。

以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削方法について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるトンネル支保構造を示す側面図、図２は図１に示すトンネル支保構造のＡ−Ａ線断面図、図３（ａ）〜（ｃ）はトンネル掘削を示す工程説明図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態によるトンネル支保構造１は、地山強度比が０．５を下回るような脆弱地質の地山をトンネル掘削する際に適用されるものである。そして、本トンネル支保構造１によるトンネル施工方法では、トンネル１０の断面を、インバート１２とインバート１２を除いた全断面掘削領域１１とに二分割して交互に掘削するものである。その全断面掘削領域１１とインバート１２との境界Ｓを図中の二点鎖線に示す。

そして、図１に示すように、全断面掘削領域１１の切羽は、トンネル天端部１０ａから下方に向かってトンネル掘削方向に凸曲面が形成された曲面切羽１１ａをなしている。このように、曲面切羽１１ａとすることでアーチ構造が形成されることになり、切羽付近の天端崩落や切羽の破壊を抑制する効果が得られ、垂直面をなす切羽に比べて自立度の向上が図れ、切羽を安定させることができる。
なお、以下の説明では、必要に応じて曲面切羽１１ａを単に切羽１１ａと呼ぶものとする。

また、図１に示すように、全断面掘削領域１１の切羽１１ａとインバート１２の掘削前面１２ａとの距離Ｌ１は、例えば２〜３ｍとされる。この距離Ｌ１は、詳細は後述するトンネル掘削方法で説明するが、掘進サイクルの区間長（例えば図３に示す第一掘進区画Ｒ１）をなしている。

図１及び図２に示すように、トンネル支保構造１は、全断面掘削領域１１の掘削前にトンネル天端部１０ａ（トンネル１０断面の頂点部から両側の側肩部までのアーチ部）の周壁から前方に向けてトンネル外方に放射状に施工された注入式長尺先受工２（長尺先受工）と、全断面掘削領域１１の内周に設置された第一支保３と、トンネル天端部１０ａの下方のトンネル両側の側壁部１０ｂ、１０ｃに密（後述する）に配設されたロックボルト４と、インバート１２の内周に設置された第二支保５とから構成されている。

注入式長尺先受工２は、全断面掘削領域１１の掘削に先行し、例えば長さ１２．５〜２２．０ｍ程度の鋼管を削孔・打設した後、その鋼管内部およびその周囲地山にシリカレジンなどの岩盤固結材などを注入することにより改良域を形成し、地山を補強するものである。そして、注入式長尺先受工２の打設範囲（図２に示す符号θ）は、例えばトンネル天端部１０ａの略９０度の範囲とされる。
注入式長尺先受工２は、主に切羽天端部の先抜け防止や掘削面の自立を目的として施工され、全断面掘削領域１１の掘削を可能とするものである。

第一支保３は、従来のトンネル支保構造と同様に吹付けコンクリート３ａと鋼製支保工３ｂとからなり、掘削から覆工コンクリート７（後述）の打設完了までの間、地山からの荷重に十分対抗し、地山の崩落、肌落ち等を防止して、所定の掘削断面を維持し、かつ能率的に坑内作業が行われるようにトンネル１０内に設けたものである。すなわち、第一支保３の吹付けコンクリート３ａは、掘削後すぐに地山にコンクリートを吹き付け、地山に密着するように施工される。また、鋼製支保工３ｂは、Ｈ形鋼などを曲げ加工して主要部材とし、吹付コンクリート３ｂの支保機能発現までの支保や補強のために施工される。
そして、第二支保５は、吹付けコンクリート５ａと鋼製支保工５ｂとからなり、これらの構成などは第一支保３と同様であることから説明は省略する。
これら第一支保３と第二支保５とを設置することによって、トンネル１０の全周に支保が配置された状態をなす閉合支保構造が構築されることになる。

ロックボルト４は、トンネル両側の側壁部１０ｂ、１０ｃ（図２参照）からトンネル軸に直交する方向に放射状に配設され、ねじり棒鋼、異形棒鋼、全ネジ棒鋼あるいは高耐力ボルトなどの材質のものが使用される。
そして、このロックボルト４は、第一支保３の施工後に打設され、例えばトンネル１０の周方向に０．５〜０．６ｍの離間間隔で、且つ、トンネル１０の軸方向に０．７５〜１．０ｍの離間間隔で配置されることから、一般的なロックボルトの配置と比較して高密度な状態で配設されている。このようにロックボルト４によって密に補強することにより、その周囲地山の破壊の進行を抑制した補強ができると共に、トンネル１０断面の脚部の沈下を防止でき、全断面掘削領域１１における支保構造の力学的安定性を確保することができる。

また、インバート１２の所定高さには、埋め戻し材６が設置される。そして、第一支保３の内周面には変形余裕量９を有した所定の厚さで覆工コンクリート７が打設され、インバート１２の内周面にはインバートコンクリート８が打設されている。覆工コンクリート７は、トンネル１０を長期にわたって地山の変形や崩落の抑制・防止など地山安定の確保のためにトンネル１０の掘削面を覆工するコンクリート構造体であり、作業手順は後述するが第一支保３により地山を支持した後に施工される。
ここで、変形余裕量９とは、仮に第一支保３がトンネル内空側に変形したときに、トンネル１０の建築限界を侵すことがないように、覆工コンクリート７の厚さ（トンネル軸に直交する方向の長さ寸法）に余裕をもたせた余裕代に相当するものである。

次に、このような構成からなるトンネル支保構造１によるトンネル施工方法について図面に基づいて説明する。
本トンネル掘削方法は、図３に示すように、全断面掘削領域１１とインバート１２における断面閉合を２〜３ｍの掘進長で交互に施工するものである。
具体的には、予め、所定のトンネル天端部１０ａに注入式長尺先受工２を施工しておく（図３（ａ）参照）。
次いで、図３（ｂ）に示すように、１ｍ程度（鋼製支保工３ａの施工スパンをなす）を一つの施工サイクルとし、上述した曲面切羽１１ａを形成して１ｍ程度掘削したら、一次吹付けコンクリート３ａを厚さ５ｃｍ程度吹き付け、次に鋼製支保工３ｂを設置し、その後、二次吹付けコンクリート３ａ´を１５ｃｍ程度吹き付け、そして、その二次吹付けコンクリート３ａ´の上から両側の側壁部に所定の打設間隔でロックボルト４を打設する。この施工サイクルを２〜３回繰り返すことで施工される領域が、２〜３ｍ程度の長さを有する第一掘進区画Ｒ１（全断面領域掘進区画）とされる。
このときの第一掘進区画Ｒ１では、予め施工した注入式長尺先受工２がその下方の地山を安定させる効果を果たし、天端崩落或いは切羽崩壊などが防止され、安全に掘削することができる。

なお、この第一支保工３における鋼製支保工３ｂの種類、建て込み間隔、および吹付けコンクリート３ａの厚さ、吹付け範囲などは地山条件やトンネル断面の大きさによって適宜設定され、変更可能とされる。

また、ロックボルト４の打設によって、このトンネル側壁部１０ｂ、１０ｃの周囲地山の破壊の進行を抑制できると共に、トンネル１０断面の脚部の沈下を防止することができる。そのため、ロックボルト４の施工後に、第一掘進区画Ｒ１で次の工程となるインバート１２の施工が可能となる。

次に、図３（ｃ）に示すように、第一掘進区画Ｒ１の下部のインバート１２部分を一度に掘削する。そして、掘削したインバート１２のトンネル内面に一次吹付けコンクリート５ａを厚さ５ｃｍ程度吹き付け、次に鋼製支保工５ｂを設置し、その後、二次吹付けコンクリート５ａ´を厚さ１５ｃｍ程度吹き付けて第二支保工５を構築する。第二支保工５の構築後、インバート上を作業盤にするためインバート上に埋め戻し材６を用いて所定高さまで埋め戻す。
これにより、全断面掘削領域１１を掘削した切羽１１ａの直近で早期にトンネル１０断面を閉合させることができ、トンネル支保構造１の力学的安定性を確保することができる。

そして、インバート１２の施工工程が終了した時点で、次に掘削される第二掘進区画Ｒ２の掘削工程に移り、上述した手順が繰り返される。なお、注入式長尺先受工２は、その施工長さが上述したように１２．５〜２２．０ｍ程度と長尺となることから、複数の掘進区画に１度の頻度で施工すればよいことになる。
また、第一掘進区画Ｒ１の後方（切羽１１ａと反対方向）の適宜な位置で埋め戻し材６を撤去してインバートコンクリート８、覆工コンクリート７（図１参照）を打設する。

上述のように本実施の形態によるトンネル掘削方法では、全断面掘削した切羽直近で早期にトンネル断面を閉合させることで、トンネル支保構造１の力学的安定性を確保することができる。そのため、例えば地山強度比が０．５以下となるような脆弱地質の地山であっても、掘削後のトンネル支保構造に変形が発生して必要なトンネル内空断面が侵され、支保構造体が不安定な状態となることを防止することができる。したがって、危険作業を伴う変状対策工が不要となる。
なお、本実施の形態において、注入式長尺先受工２や曲面切羽１１ａを行っているが、地山の性状やトンネル断面の大きさによっては、これらの工法の一方又は双方を用いなくてもよい。

次に、本発明の実施の形態の第一及び第二変形例について、図４及び図５に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図４は実施の形態の第一変形例によるトンネル掘削状態を示し、図１に対応する図である。
図４に示すように、第一変形例によるトンネル掘削方法では、曲面切羽１１ａに加え、切羽の自立度に応じてその曲面切羽１１ａから前方に向けて注入式の長尺鏡ボルト２０、２０、…を施工することで、その長尺鏡ボルト２０の周囲地山の弛みを抑制し、さらなる切羽の安定を図るものである。これら長尺鏡ボルト２０は、例えば施工長さが９〜１２ｍで、１ｍ^２当りに０．５〜１本の割合で配置されて施工される。
なお、この長尺鏡ボルト２０の施工のタイミングは、注入式長尺先受工２と同様に、複数の掘進区画ごとに１回の割合で施工することが好ましい。

また、図５は実施の形態の第二変形例によるトンネル掘削状態を示し、図１に対応する図である。
図５に示すように、第二変形例によるトンネル掘削方法は、曲面切羽１１ａの略中央に、全断面掘削領域１１より断面の小さな中央導坑２１（本発明の「導坑」に相当する）をトンネル軸方向前方に全断面掘削領域１１の掘削に先行して施工させておくものである。そして、全断面掘削領域１１の曲面切羽１１ａより小さな断面積の中央導坑２１を利用し、全断面掘削領域１１の掘削を行う前に、中央導坑２１の内側より適宜な補強工事を実施することで、切羽の安定を図ることができる。なお、中央導坑２１の長さや断面の大きさは、任意であり地質条件などに応じて設定すればよいが、その長さについては本坑掘削幅の５倍程度とすることが考えられる。

以上、本発明によるトンネル掘削方法の実施の形態、第一及び第二変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態、第一及び第二変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態、第一及び第二変形例では全断面掘削領域１１とインバート１２の１つの掘進区画長を２〜３ｍとしているが、これに限定されることはなく、トンネル断面の大きさや地質条件などに応じて適宜設定すればよい。また、注入式長尺先受工２、ロックボルト４の範囲や打設長、支保の材質や厚さ（トンネル軸に対して直交する長さ寸法）なども実施の形態に限定されず、適宜設定することができる。
さらに、第一及び第二変形例では、全断面掘削領域１１の切羽を安定させるために、曲面切羽１１ａを形成させているが、これに限定されず、切羽の自立が確認できる場合には曲面切羽１１ａを形成しなくてもかまわないし、長尺先受工を施工しなくてもよい。

本発明の実施の形態によるトンネル支保構造を示す側面図である。 図１に示すトンネル支保構造のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はトンネル掘削を示す工程説明図である。 実施の形態の第一変形例によるトンネル掘削状態を示し、図１に対応する図である。 実施の形態の第二変形例によるトンネル掘削状態を示し、図１に対応する図である。 従来のトンネル支保構造を示すトンネル断面図である。

符号の説明

１ トンネル支保構造
２ 注入式長尺先受工（長尺先受工）
３ 第一支保
４ ロックボルト
５ 第二支保
６ 埋め戻し材
１０ トンネル
１１ 全断面掘削領域
１１ａ 曲面切羽
１２ インバート
２０ 長尺鏡ボルト
２１ 中央導坑
Ｒ１ 第一掘進区画（全断面領域掘進区画）

Claims (5)

1. インバートと、該インバートを除く全断面掘削領域とを交互に掘削するトンネル掘削方法であって、
   前記全断面掘削領域を所定長掘削した後、前記掘削区間において前記全断面掘削領域の内周に第一支保を設けると共に、前記トンネル天端部より下方のトンネル両側の側壁部にロックボルトを配設し、
   前記掘削から前記ロックボルトまでの施工サイクルを複数回繰り返して全断面掘削領域を施工して全断面領域掘進区画とし、
   その後、前記全断面領域掘進区画の下方に位置する前記インバートを掘削した後、該インバートに第二支保を設けることでトンネル断面を閉合させるようにし、以降、前記全断面領域掘進区画と前記インバートを交互に施工することを特徴とするトンネル掘削方法。
2. 前記全断面掘削領域の掘削における切羽は、トンネル天端部から下方に向かってトンネル掘削方向に凸曲面が形成されてなる曲面切羽であることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削方法。
3. 前記全断面掘削領域の掘削に先立って、トンネル天端部の周壁から前方に向けてトンネル外方に放射状に長尺先受工を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削方法。
4. 前記全断面掘削領域の掘削に先立って、前記全断面掘削領域の前記切羽から前方に向けて長尺鏡ボルトを設けるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削方法。
5. 前記全断面掘削領域の掘削に先立って、前記全断面掘削領域より断面の小さな導坑を、トンネル軸方向前方に前記全断面掘削領域の掘削に先行させて掘削するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削方法。

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