JP5416435B2 - 地下構造物および地下構造物の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下構造物および地下構造物の構築方法に関する。

道路や鉄道等の線状構造物は、ルート設定上、すべりの発生の可能性がある活断層帯を横断せざるを得ない場合がある。
活断層運動の活動周期は構造物の供用期間に比べてはるかに長いものの、地盤中のすべり面にずれ（変位）が生じた場合には大きな応力がこれらの構造物に作用するおそれがある。

特許文献１や特許文献２には、地盤中のすべり面を横断するトンネルについて、活断層横断箇所を二重トンネルとして、内側のトンネルと外側のトンネルとの間の空間により、すべり面の変位を受け止める構造が開示されている。

特許第４０３７１２４号公報 特開２００６−２３３６２６号公報

二重トンネルにおいて、内側のトンネルは、制震ダンパーによって支持されているが、制震ダンパーの支持基礎は断層帯に形成されている。そのため、すべり面において大きなずれが生じた場合には、過大な応力がトンネルに作用するおそれがあった。

このような観点から、本発明は、地盤中のすべり面でのずれによって誘起されるせん断変形を分散、低減し、安定性および安全性を確保することを可能とした地下構造物および地下構造物の構築方法を提案することを課題とする。

このような課題を解決する本発明の地下構造物は、地盤中のすべり面を横断する構造物本体と、前記構造物本体の外周囲に形成された地盤改良体と、を備える地下構造物であって、前記地盤改良体は、前記すべり面を含むように前記構造物本体の内側から固化補強がなされたものであることを特徴としている。

かかる地下構造物によれば、地盤改良体により地盤中のすべり面の固化補強がなされているため、すべり面での変位は周囲の地盤へ転位する。すなわち、地盤改良体によりすべり面が分断され、すべり面が形成されていた領域が周囲の原地盤よりも均質かつ強固な地盤改良体に置換されているので、不連続な変形である「すべり」が発生しにくくなる。よって、すべり面でのせん断変位は、連続的な変位モードに変換されるため、地下構造物が受けるせん断力の変化は低減され、安定性および安全性が向上する。

前記地下構造物は、前記すべり面に並行している他のすべり面または軟弱層を含んだ状態で前記構造物本体の外周囲を囲繞するように形成された補助改良体を備えていてもよい。このようにすると他のすべり面や軟弱層において構造物本体に応力が集中することを防止できる。

また、前記地下構造物は、前記構造物本体の外周面と地山との間に形成された緩衝空間を備えていてもよい。
これにより、地下構造物への作用応力を緩衝空間において吸収し、構造物本体への影響を低減することが可能となる。

また、前記緩衝空間は、第一の充填材が充填された第一緩衝部と、前記第一の充填材よりもバネ定数が低い第二の充填材が充填された第二緩衝部と、を備えていてもよい。
このような地下構造物は、作用応力の作用方向に対応して押出し体積の吸収能を増大させることが可能となる。

また、本発明の地下構造物の構築方法は、地盤内に構造物本体を構築しつつ、地質観察を行う工程と、前記地質観察において確認された地盤中のすべり面を含むように、前記構造物本体の内空から前記構造物本体の外周囲を地盤改良により固化補強する工程と、を備えることを特徴としている。

かかる地下構造物の構築方法によれば、構造物本体の周囲においてすべり面の固化補強がなされるため、すべり面を横断する地下構造物の安定性および安全性が向上されている。

また、前記地下構造物の構築方法において、前記構造物本体の外周囲を掘削して緩衝空間を形成する工程と、前記緩衝空間に充填材を充填する工程と、を備え、前記充填材が、前記すべり面の変位発生時の変位を吸収するように構成されていてもよい。

かかる地下構造物の構築方法によれば、地下構造物への作用応力による押出し体積の吸収能を地下構造物に持たせることができる。

本発明の地下構造物および地下構造物の構築方法によれば、活断層のずれによって誘起されるせん断変形を低減し、安定性および安全性を確保することが可能となる。

本発明の好適な実施の形態にかかる地下構造物を示す平断面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ），（ｄ）は、図１の地下構造物の構築方法の各段階を示す図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ），（ｄ）は、図１の地下構造物の構築方法の各段階を示す図である。 （ａ）はすべり面の変位に伴う地盤内の変位方向を示す概略図であって、（ｂ）は地下構造物に作用するせん断変位モードを示す図である。 充填材の構成を示す概略図である。

本実施形態の地下構造物１は、図１に示すように、地盤中のすべり面Ｆを横断する構造物本体２と、構造物本体２の外周囲に形成された地盤改良体３および補助改良体４と、構造物本体２の外周面と地盤（地山）Ｇとの間に形成された緩衝空間５と、を備えている。

構造物本体２は、すべり面Ｆを横断するように構築されたトンネルである。
構造物本体２の構築方法は限定させるものではなく、例えば、ＮＡＴＭ、シールド工法、ＴＢＭ工法等により構築することが可能である。また、構造物本体２はトンネルに限定されるものではなく、すべり面Ｆを横断するように構築されたあらゆる地下構造物に適用可能である。

地盤改良体３は、図１に示すように、構造物本体２の外周囲において、すべり面Ｆを含むように形成されている。また、地盤改良体３は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、横断面が円形（円盤状）になるように形成されている。
地盤改良体３の施工方法は限定されるものではないが、本実施形態ではセメントミルク等の高圧噴射攪拌により行う。

補助改良体４は、図１に示すように、すべり面Ｆに近接して並行している他のすべり面Ｆ’を含んだ状態で構造物本体２の外周囲を囲繞するように形成されている。なお、補助改良体４は、すべり面Ｆに近接する軟弱層を含んだ状態で形成されていてもよい。

補助改良体４は、図２（ａ）に示すように、横断面が円形（円盤状）に形成されている。補助改良体４の施工は、地盤改良体３の施工方法と同様の方法により行うものとする。

緩衝空間５は、図１に示すように、すべり面Ｆの横断部および他のすべり面Ｆ’の横断部を含む所定の区間において、構造物本体２と地盤Ｇとの間に形成された空間である。

緩衝空間５の延長は、地盤Ｇの地山状況等に応じて適宜設定する。本実施形態では、すべり面Ｆの片側に５０〜１００ｍ程度ずつ、全長１００〜２００ｍの距離を確保している。

緩衝空間５は、図２（ａ）または（ｂ）に示すように、第一の充填材が充填された第一緩衝部５１と、前記第一の充填材よりもバネ定数の低い第二の充填材が充填された第二緩衝部５２とを備えている。

本実施形態では、第一の充填材として、モルタル等の固化材５４を使用し、第二の充填材として、パイプ材５３と固化材５４との混合体により構成する。

第一緩衝部５１と第二緩衝部５２は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、すべり面Ｆの前後において土塊の移動方向を考慮して、略点対称になるように配設されている。すなわち、すべり面Ｆの前側では第一緩衝部５１が断面右上に配設されており、すべり面Ｆの後側では第一緩衝部５１が断面左下に配設されている。

パイプ材５３は、非腐食性のものからなり、例えば、塩化ビニルパイプやステンレスパイプ等が使用可能である。パイプ材５３は５〜１０ｍ程度の長さを有しており、構造物本体２の軸方向に対して密度を段階的に変化させながら緩衝空間５に配設されている。本実施形態では、すべり面Ｆから離れるに従い、断面に対するパイプ材５３の密度（本数）を減らすことにより変化させている。なお、パイプ材５３の長さおよび外径等は限定されるものではない。

緩衝空間５は、掘削孔の孔壁に吹き付けられた吹付けコンクリート５５と、所定間隔により配設された複数本のロックボルト５６と、により支保されている。なお、緩衝空間５の支保構造は限定されるものではない。

次に、本実施形態に係る地下構造物の構築方法について説明する。
地下構造物の構築方法は、構造物本体構築工程と、地盤改良工程と、拡幅工程と、充填工程と、を備えている。

構造物本体構築工程は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、地盤Ｇ内に構造物本体２（トンネル）を構築する工程である。
本実施形態では、地盤Ｇを掘削する際に、地質観察を行う。

地質観察により、すべり面Ｆ（他のすべり面Ｆ’）の位置、方位をはじめとして、それに隣接する軟質ゾーン等の地質条件を把握する。

構造物本体２は、ロックボルト、吹付けコンクリート、鋼製支保工等により、一次支保２１により支保されている。

地盤改良工程は、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、構造物本体構築工程において構築された構造物本体２の内部から、外周囲の地盤Ｇに対して地盤改良を行い、地盤改良体３を形成する工程である。

地盤改良体３は、地質観察によって確認された地盤Ｇ中のすべり面Ｆを含むように形成する。

本実施形態では、構造物本体２内からすべり面Ｆに沿って放射状に所定ピッチの削孔を行い、この削孔からセメントミルク等の高圧噴射撹拌を行うことで、円盤状の地盤改良体３を形成する。
なお、地盤改良の範囲は、構造物本体構築工程において実施した地質観察の結果に基づいて設定する。地盤改良工法は限定されるものではない。

すべり面Ｆに隣接して他のすべり面Ｆ’が存在する場合には、地盤改良３と同様の方法により他のすべり面Ｆ’を含む補助改良体４を形成する。

拡幅工程は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、構造物本体２の外周囲の地盤Ｇを削孔して拡幅部５を形成する工程である。
拡幅部５の断面形状（幅や延長距離等）は、構造物本体構築工程において実施した地質観察の結果に基づいて設定する。

地盤Ｇが軟質のため、拡幅部５の形成が困難となることが予想される場合には、予め構造物本体２からグラウチングや長尺ロックボルト等の補助工法により補強をしておく。

構造物本体２の外周囲の掘削に伴い、一次支保２１を取り除く。
また、拡幅部５となる空間を形成したら、拡幅断面の孔壁に吹付けコンクリート５５およびロックボルト５６により支保を行う。

充填工程は、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、拡幅工程において形成された拡幅部５に充填材（第一の充填材および第二の充填材）を充填する工程である。

充填材は、すべり面Ｆにおいてすべりが発生した時の変位を吸収するように構成されている。すべり面Ｆでの変位発生時に、拡幅部５の孔壁を内空側に押し出そうとする押圧力Ｐ（図２（ａ）および（ｂ）参照）が作用するが、本実施形態では押圧力Ｐが作用する側にパイプ材５３を配設することで変位の吸収が可能となるようにしている。なお、その他の空間には、モルタル等の固化材５４を充填する。
また、固化材５４の充填に先立って、構造物本体２の覆工コンクリート２２の打設を行う。

以上、本実施形態に係る地下構造物１および地下構造物の構築方法によれば、すべり面Ｆを含むように地盤改良体３を形成しているので、地盤改良体３の周囲のすべり面Ｆにおいてギロチン状のずれ変位が生じても、構造物本体２の横断箇所においてはギロチン状のずれ変位が生じにくくなる。

ここで、地盤Ｇには、図５（ａ）に示すように、最大主応力Ｓ_ｍａｘと最小主応力Ｓ_ｍｉｎが作用しており、最大主応力Ｓ_ｍａｘおよび最小主応力Ｓ_ｍｉｎにより導かれる最大せん断応力τが地盤のせん断強度を越えるとすべり面Ｆにおいて破壊する。すべり面Ｆが破壊すると、図５（ｂ）に示すように、すべり面Ｆの前後において変位ｄの方向が逆転することが想定される。

すべり面Ｆを含むように地盤改良体３を形成するとすべり面に集中するせん断変位は周辺地盤Ｇ中の共役断層系Ｆ_０等に転位して分散し、周辺地盤Ｇが全体的にせん断変形するようになり、地盤改良体３における変位ｄ’は、図５（ｂ）に示すように、連続的な変形モードに変化する。そのため、地下構造物１が地盤Ｇから受けるせん断力の変化は緩やかになり、地下構造物１の安定性および安全性が向上する。

また、すべり面Ｆを含むように地盤改良体３を形成すると他のすべり面Ｆ’にせん断変形が転嫁するおそれがあるが、他のすべり面Ｆ’に対しても、地盤改良（補助改良体４）を行っているため、地下構造物１の安定性および安全性は維持されている。

ここで、すべり面Ｆの方向は、主応力と特定の関係にあり、最大主応力とすべり面は４５°−φ／２の交角になると言われている（φ＝内部摩擦角）。したがって、一般的にすべり面Ｆの周囲の地盤には共役断層系Ｆ_０が発達している。

また、すべり面Ｆのせん断変形が共役断層系Ｆ_０等に転嫁して、周辺地盤Ｇがせん断変形すると、地下構造物１横断方向に押し出し性の変位Ｐが発生する。ところが、緩衝空間５には、変位Ｐが発生すると予想される位置に対応して緩衝部５１，５２が形成されているため、地下構造物１は、押し出し性の変位Ｐを吸収することができる。

第二の充填材（第二緩衝部５２）は、パイプ材５３と固化材５４とにより構成されているため、Ｚ軸方向で分布荷重が作用した場合、パイプ材が降伏するまで弾性体として働き、パイプ材が降伏状態に入れば収縮がおこる（図６参照）。
また、収縮時には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に作用する側方膨張が極めて少ない。

また、地下構造物１は、機械的機構を使用することなく、その安定性および安全性を維持することが可能なため、維持管理に要する費用を削減することができる。
また、緩衝空間により地震動に対する減衰効果を期待することができるため、地下構造物１は免震機能も備えている。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、前記実施形態では、新設する地下構造物を構築する場合について説明したが、既設構造物の補強に本発明の地下構造物を採用してもよい。

補助改良体は必要に応じて形成すればよく、必ずしも形成する必要はない。
同様に、緩衝空間も必要に応じて形成すればよい。

第二の充填材としてパイプ材と固化材とを組み合わせて構成するものとしたが、バネ定数を低下させる材料はパイプ材に限定されるものではなく、適宜構成することが可能である。

１ 地下構造物
２ 構造物本体
３ 地盤改良体
４ 補助改良体
５ 拡幅部
Ｆ すべり面
Ｇ 地盤

Claims (6)

1. 地盤中のすべり面を横断する構造物本体と、
   前記構造物本体の外周囲に形成された地盤改良体と、を備える地下構造物であって、
   前記地盤改良体は、前記すべり面を含むように前記構造物本体の内側から固化補強がなされたものであることを特徴とする、地下構造物。
2. 前記すべり面に並行している他のすべり面または軟弱層を含んだ状態で前記構造物本体の外周囲を囲繞するように形成された補助改良体を備えることを特徴とする、請求項１に記載の地下構造物。
3. 前記構造物本体の外周面と地山との間に形成された緩衝空間を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の地下構造物。
4. 前記緩衝空間は、第一の充填材が充填された第一緩衝部と、前記第一の充填材よりもバネ定数が低い第二の充填材が充填された第二緩衝部と、を備えていることを特徴とする、請求項３に記載の地下構造物。
5. 地盤内に構造物本体を構築しつつ、地質観察を行う工程と、
   前記地質観察において確認された地盤中のすべり面を含むように、前記構造物本体の内空から前記構造物本体の外周囲を地盤改良により固化補強する工程と、を備えることを特徴とする、地下構造物の構築方法。
6. 前記構造物本体の外周囲を掘削して緩衝空間を形成する工程と、
   前記緩衝空間に充填材を充填する工程と、を備え、
   前記充填材が、前記すべり面の変位発生時の変位を吸収するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の地下構造物の構築方法。

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