JP6019690B2 - トンネル拡幅工法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル拡幅工法およびトンネル拡幅構造に関するものであり、具体的には、良好な施工効率でのトンネル拡幅工事を可能とする技術に関する。

道路や鉄道線路等をアンダーパスしたり、様々な地盤状況に幅広く対応できるシールドトンネルは、適用範囲を広げている。こうしたシールドトンネルにおける分岐部や合流部などの構築に際し、トンネルを地中拡幅する技術がいくつか提案されている。例えば、拡幅予定箇所を所定間隔でトレンチ状に掘削して支保工を設置し、この掘削を行った領域に仮のＲＣ壁体を構築して、トンネル上方を止水しているパイプルーフの支持を図り、その上で、ＲＣ壁体間の拡幅予定部位を掘削して躯体を設置し、その後、前記のＲＣ壁体を撤去して残りの部位の躯体を設置する、といったシールドトンネルの拡幅工法（特許文献１）などが提案されている。

特開２０１０−４３４４０号公報

トンネル上方に構築されるパイプルーフは、鋼管材の打設とその周囲への固化材注入等による適宜な地盤改良に伴って地山の止水性を確保する役割を担っている。トンネル拡幅工事に際しては強固な壁体を仮に構築し、そうしたパイプルーフを支持する必要がある。そのため従来では、仮設壁体の構築や手戻り工程と言える撤去に相応の施工時間が必要となり、施工効率は低下しがちであった。また、パイプルーフを直接支持するため、必要な拡幅断面以上に掘削領域を大きくする、すなわち余掘りを大きく行う必要があり、施工効率が低下する恐れもあった。また、構築された仮設の壁体は、パイプルーフの支持する範囲が狭く荷重が集中すること、水平方向の荷重をシールドトンネルに伝達する必要があることから、それらの補強が必要となり、更なる施工効率低下や施工コスト増大を招く懸念もある。また、トレンチ状の掘削を行う際に架設する支保工は、隣接する領域でトレンチ状掘削を施工する際に偏土圧が作用するため、該偏土圧を極力小さくする掘削手順とする必要がある。つまり従来技術においては、本設の躯体工以外の工程による多大な手間や施工時間が生じ、全体の施工効率も低下しやすいといった課題があった。

そこで本発明は、良好な施工効率でのトンネル拡幅工事を可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決するトンネル拡幅工法は、トンネルの拡幅予定箇所を囲む周囲の地山に対し、トンネル軸方向へのパイプルーフの設置と前記パイプルーフの周囲に固化材を注入する薬液注入工を実施して、拡幅予定箇所の止水処理を行う第１工程と、トンネルの拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の各地山側面においてトンネル軸方向に第１のアンカーボルトを打設して、第１のトレンチ状領域を形成し、当該第１のトレンチ状領域に前記所定幅の第１躯体を構築する第２工程と、前記第１のトレンチ状領域と所定間隔をおいて隣接する拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の一方の地山側面に露出した前記第１のアンカーボルトの端部を、当該地山側面に固定してタイロッドとなし、前記領域の他方の地山側面においてトンネル軸方向にアンカーボルトを打設して、第２のトレンチ状領域を形成し、当該第２のトレンチ状領域に前記所定幅の第２躯体を構築する第３工程と、前記タイロッドで一体となった前記第１および前記第２のトレンチ状領域の地山側面間の地山を、タイロッドを撤去しつつ掘削し、前記第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築する第４工程と、を含むことを特徴とする。

このトンネル拡幅工法によれば、構築や撤去に手間のかかる仮設の構造物が不要であり、施工効率を低下させる手戻り工程も発生しない。また、第１および第２の各トレンチ状領域においてロックボルトが固定された地山側面や、タイロッドで一体となった地山側面間の地山は、それぞれが自立した構造となるため、施工順序を柔軟なものとしやすく、施工性が良好である。また、適宜な土留め支保工により余掘り量を低減でき、余掘り部の躯体コンクリート量も低減できる。また、タイロッドで一体となった部分の地山において、水平方向荷重の伝達範囲が従来技術の仮の壁体より広範囲となり、シールドトンネルや躯体の補強工を低減できる。つまり、本設の躯体工以外の工程に多大な手間や施工時間が生じることなく、全体の施工効率も良好なものとなる。従って、良好な施工効率でのトンネル拡幅工事が可能となる。

なお、前記トンネル拡幅工法において、前記第２工程を複数回実行して、互いに所定間隔で隣接する前記第１のトレンチ状領域を複数形成し、各第１のトレンチ状領域に前記所定幅の第１躯体を構築し、互いに隣接する前記第１のトレンチ状領域の間における拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の両地山側面に露出した前記第１のアンカーボルトの端部を、各地山側面に固定してタイロッドとなして、前記第２のトレンチ状領域を形成し、当該第２のトレンチ状領域に前記所定幅の第２躯体を構築し、前記タイロッドで一体となった前記第１および前記第２のトレンチ状領域の各地山側面間の地山のうちいずれか一方を掘削し、該当第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築した後、前記各地山側面間の地山のうち他方を掘削し、該当第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築する、としてもよい。

このトンネル拡幅工法によれば、広範囲にわたる拡幅予定箇所について、地山側面や地山側面間の地山の自立を踏まえて効率良く拡幅工事を行うことが可能であり、トンネル拡幅工事全体の施工効率も良好なものとできる。

また、前記トンネル拡幅工法において、地山の土留め支保工を施工しつつ前記掘削を行うとすれば好適である。こうしたトンネル拡幅工法によれば、トンネル周囲の地山強度が良好でない場合にも対応して、効率的な拡幅工事を行うことが出来る。

また、前記トンネル拡幅工法において、前記土留め支保工が、地山の掘削面形状に沿って立設され前記アンカーボルト端部を固定する門型支保工と、当該門型支保工上端と掘削面天端との間に打設して掘削面天端上方の地山を支持する矢板とで構成されるものであるとしてもよい。こうしたトンネル拡幅工法によれば、トレンチ状領域等での躯体構築にあわせて支保工の盛替え、転用が可能であり、また、場合によっては他トンネルでの拡幅工事への支保工の再利用を図ることも可能であり、支保工に関する施工効率や施工コストを低減できる。また、パイプルーフの施工がなされていて地山にロックボルトを打設できない場合でも、こうした門型支保工を採用すれば確実な支保が可能となる。

また、前記トンネル拡幅工法において、前記土留め支保工が、地山の掘削面に固化材を吹き付けて構成されるものであるとしてもよい。こうしたトンネル拡幅工法によれば、トンネルや拡幅箇所のサイズなど工事毎に異なる仕様にあわせて支保工を手配する必要がなく、支保工の施工性も良好で施工速度も高まる。

また、前記第１のトレンチ状領域及び前記第２のトレンチ状領域を、前記パイプルーフとの間に、前記薬液注入工で薬液を注入した領域が残るように掘削するとしてもよい。

本発明によれば、良好な施工効率でのトンネル拡幅工事が可能となる。

本実施形態のトンネル拡幅工法の施工フローを示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例１を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例２を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例３を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例４を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例５を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例６を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例７を示す図である。 本実施形態におけるトンネル拡幅工法の施工手順例８を示す図である。 本実施形態のトンネル拡幅工法における掘削例を示す図である。 本実施形態における門型支保工の構造例を示す図である。 本実施形態におけるアンカーボルトとタイロッドの関係例を示す図である。 第１のトレンチ状領域を１つのみ形成する施工パターン例を示す図である。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態のトンネル拡幅工法の施工フローを示す図である。本実施形態において、トンネル拡幅工法を実施するトンネルは、地山１に形成したシールドトンネル１０（図２、図１０参照）である。シールドトンネル１０は、例えば鋼製のセグメント１２がトンネル周方向に配置されたセグメントリングの連結体を用いて地山壁面の覆工がなされ、その上で本設の躯体の構築がなされたものである。本実施形態では、既設躯体１４における一方の側部壁面を残置し、他方の側部壁面をトンネル外方の地山１に拡張し、トンネル断面の拡幅を行うものとする。

なお、セグメント１２において地山１と直接当接する面は、地山１の崩壊やトンネル内空１３への地下水流入を抑制し、地山１からの荷重をセグメント１２の主桁やリブ材等に伝達する鋼殻スキンプレート１１で覆われている。いずれにしても、シールドトンネル１０の施工方法等については既存技術によるものと同様である。

こうしたシールドトンネル１０における分岐部や合流部など、シールドトンネル１０における拡幅予定箇所１５の周囲の地山１においては、拡幅予定箇所１５を内包するようパイプルーフ１６を設置する（ｓ９０）。このパイプルーフ１６は、拡幅予定箇所１５を囲むトンネル軸方向に鋼管を複数打設することで構成し、その周囲には固化材など所定の薬液を注入することで止水構造を形成するものとなる。

上述したパイプルーフ１６の設置に続き、トンネル内空１３において図２に示す内部支保工１７を設置する（ｓ１００）。内部支保工１７はＨ型鋼や鋼管などの各種鋼材を想定できる。トンネル内空１３における内部支保工１７の設置は、拡幅予定箇所１５のうち、後述する第１のトレンチ状の地山掘削を行う掘削箇所１５Ａを挟む両側（の延長上）など、掘削後にトンネル内空１３において地山からの荷重増大が見込まれる箇所を支持するよう行う。

内部支保工１７の設置に続き、トンネル内空１３から地山１にアクセスするため、少なくとも掘削箇所１５Ａの位置にあるセグメント１２の鋼殻スキンプレート１１を撤去する（ｓ１０１）。鋼殻スキンプレート１１を撤去し、トンネル内空１３から地山１にアクセス出来るようになれば、上述の掘削箇所１５Ａからトンネル外方すなわち地山１に向け、所定幅でのトレンチ掘削を行う（ｓ１０２）。

このトレンチ掘削に際しては、所定の土留め支保工を施工し、掘削後の地山１の壁面が崩落することを抑止する。トレンチ掘削は、具体的には図１０に例示するように、トンネル内空１３に設置した構台２１に掘削重機２２を配置し、この掘削重機２２により、トンネル断面上段におけるトンネル天端から、トンネル断面中断、そしてトンネル断面下段と徐々に地山１を掘り下げていくことにより行う。この時、掘削進行に伴って地山１に生じるトレンチ状の領域２３の、両地山側面２４および天井面２５には所定の土留め支保工２６を設置し、更にはこの土留め支保工２６を介して地山１へアンカーボルト２７（第１のアンカーボルト）を打設する。アンカーボルト２７の打設は、上記トレンチ状の領域２３の各地山側面２４においてトンネル軸方向に向けて実行される。また、地山１のトレンチ掘削が一定程度進行する毎に、土留め支保工２６の施工とアンカーボルト２７の打設を行うものとする。

上記の土留め支保工２６としては図１１および図１２に例示する門型支保工２８を採用できる。この門型支保工２８は、上述のトレンチ状の領域２３の掘削面形状に沿う門型の外形を備えており、各地山側面２４を覆う横矢板２９、横矢板２９に当接しつつ領域２３の天井面２５を送り矢板３０を介して支保する土留め芯材３１で構成されている。送り矢板３０は、門型支保工上端と領域２３の天井面２５（すなわち掘削面天端）との間に打設して掘削面天端上方の地山１を支持する矢板である。こうした門型支保工を採用すれば、パイプルーフの施工がなされていて地山にロックボルトを打設できない場合でも、確実な支保が可能となる。

なお、本実施形態では門型支保工２８を例示するが、土留め支保工２６としては、その他にも、地山１の掘削面に固化材を吹き付けるＮＡＴＭ工法なども採用できる。

こうした土留め芯材３１は、アンカーボルト２７の端部３２を固定する役割も担っている。図１１、１２に例示するように、土留め芯材３１には、支圧板３３を介して所定の挿通孔３４に通されたアンカーボルト２７の端部３２がナット３５で締結固定される。領域２３の地山側面２４における土留め芯材３１から地山１に打設されるアンカーボルト２７は、後に掘削を行う隣接した拡幅予定箇所１５Ｂまで到達するアンカー長を有するものとする。

以上のようにして、上述のトレンチ状の領域２３を所定の奥行き（必要なトンネル拡幅幅に対応）まで掘り進め、第１のトレンチ状領域２０を形成する。第１のトレンチ状領域２０が形成されたならば、所定の型枠を組んでコンクリートを打設し、図３に示すように当該領域２０の奥部（地山１の壁面付近）に所定幅の第１躯体３６を構築する（ｓ１０３）。

また、ステップｓ１００で設置した内部支保工１７の盛替を行う（ｓ１０４）。内部支保工１７の盛替では、例えば、第１のトレンチ状領域２０とトンネル内空１３において、第１躯体３６を支持する内部支保工１７を設置する。

この後、図４に示すように、拡幅予定箇所１５のうち、掘削箇所１５Ａ（第１のトレンチ状領域２０）と所定間隔をおいて隣接し、第２のトレンチ状の地山掘削を行う掘削箇所１５Ｂの両側の延長上に、内部支保工１７を更に設置する（ｓ１０４）。また、この掘削箇所１５Ｂに対応した内部支保工１７の設置に続き、トンネル内空１３から地山１にアクセスするため、少なくとも掘削箇所１５Ｂの位置にあるセグメント１２の鋼殻スキンプレート１１を撤去し、上記同様に掘削箇所１５Ｂから地山１に向け、所定幅でのトレンチ掘削を行う。勿論、このトレンチ掘削に際しては、上述同様の土留め支保工を施工し、掘削後の地山１の壁面が崩落することを抑止する。

上記のように、第１のトレンチ状領域２０間に挟まれた箇所について掘削する際は、隣接する第１のトレンチ状領域２０にて打設されたロックボルト２７を利用して、タイロッドとなして土留め工を行う。図１２は本実施形態におけるアンカーボルトとタイロッドの関係例を示す図である。この場合、上記の掘削箇所１５Ｂに関する掘削で形成した領域３７の各地山側面３８に露出したアンカーボルト２７の端部３９を、地山側面３８に固定してタイロッド４０となすものとする。こうしてタイロッド４０により一体に土留めされた地山側面２４と地山側面３８との間の土壁４５により、上述したパイプルーフ等を含む上部地盤が支持される。

以上のようにして、上述のトレンチ状の領域３７を所定の奥行き（必要なトンネル拡幅幅に対応）まで掘り進め、第２のトレンチ状領域４３を形成する。第２のトレンチ状領域４３が形成されたならば、所定の型枠を組んでコンクリートを打設し、当該領域４３の奥部（地山１の壁面付近）に所定幅の第２躯体４４を構築する。この第２躯体４４の構築に伴い、図５に示すように内部支保工１７の盛替を再度行う。ここでの内部支保工１７の盛替では、第２のトレンチ状領域４３とトンネル内空１３において、第２躯体４４を支持する内部支保工１７を設置する。

上述してきたステップｓ１０１〜ｓ１０４の手順は、シールドトンネル１０における拡幅予定箇所１５における第１躯体３６および第２躯体４４の設置数だけ繰り返し実行することになる（ｓ１０５）。

予め予定していた第１躯体３６および第２躯体４４の設置が完了したならば、図６に示すように、掘削箇所１５Ａと掘削箇所１５Ｂとの間の掘削箇所１５Ｃに対応したセグメント１２を撤去し（ｓ１０６）、地山側面２３と地山側面３８との間の土壁４５を掘削する（ｓ１０７）。この土壁４５はタイロッド４０で一体となった地山であるから、掘削の進行に伴ってタイロッド４０を適宜除去する。なお、このステップｓ１０７での掘削は、１つの第１のトレンチ状領域２０または第２のトレンチ状領域４３から見て、両隣に存在することになる上記土壁４５のうち、いずれか一方の側について掘削する。

土壁４５の掘削を行ったならば、所定の型枠を組んでコンクリートを打設し、図７に示すように、土壁４５を掘削したことで露出した第１躯体３６と第２躯体４４との間に躯体４６を構築する（ｓ１０８）。またこの躯体４６の構築に伴って、上記ステップｓ１０７で掘削した土壁４５を挟む地山側面２３と地山側面３８の各近傍、および掘削箇所１５Ｃの延長上のトンネル内に設置していた内部支保工１７（いずれも撤去後であるため図７では不図示）を撤去する（ｓ１０９）。

上述したように、１つの第１のトレンチ状領域２０または第２のトレンチ状領域４３から見て、両隣に存在することになる上記土壁４５のうち、一方の側の土壁４５について掘削を行ったので、続いて、図８、図９に示すように、他方の側の土壁４５について前記ステップｓ１０６〜ｓ１０９の手順を同様に実行する（ｓ１１０）。上述してきたステップｓ１０６〜ｓ１０９の手順は、シールドトンネル１０における拡幅予定箇所１５における躯体４６の設置数だけ繰り返し実行することになる。以上により、シールドトンネル１０における拡幅がなされることとなる。

なお、図１３に示すように、第１のトレンチ状領域２０を１つのみ形成する施工パターンも採用できる。この場合、第１のトレンチ状領域２０の地山側面２４から、トンネル軸方向に打設されたアンカーボルト２７の長さ分だけ離間した掘削箇所１５Ｂにおいて、トレンチ掘削を行って第２のトレンチ状領域４３を形成し、上記同様に第２躯体４４を構築する。この場合、第２のトレンチ状領域４３における、第１のトレンチ状領域２０と遠い方の地山側面３８ｆにおいては、上記のステップｓ１０２と同様にトンネル軸方向に第２のアンカーボルト４２を地山１に打設するものとする。また、第２のトレンチ状領域４３の掘削作業に伴って各地山側面３８に露出するアンカーボルト２７の端部３９を、地山側面３８における門型支保工２８に固定してタイロッド４０となす。こうしてタイロッド４０により一体に土留めされた地山側面２４と地山側面３８との間の土壁４５により、上述したパイプルーフ等を含む上部地盤が支持され、この土壁４５の掘削をタイロッド４０を撤去しつつ実行する。土壁４５の掘削後は、所定の型枠を組んでコンクリートを打設し、土壁４５を掘削したことで露出した第１躯体３６と第２躯体４４との間に躯体４６を構築する。

以上、本実施形態によれば、良好な施工効率でのトンネル拡幅工事が可能となる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ 地山
１０ シールドトンネル
１１ 鋼殻スキンプレート
１２ セグメント
１３ トンネル内空
１５ 拡幅予定箇所
１５Ａ〜１５Ｃ 掘削箇所
１６ パイプルーフ
１７ 内部支保工
２０ 第１のトレンチ状領域
２１ 構台
２２ 掘削重機
２３ トレンチ状の領域
２４ 地山側面
２５ 天井面
２６ 土留め支保工
２７ アンカーボルト（第１のアンカーボルト）
２８ 門型支保工
２９ 横矢板２
３０ 送り矢板
３１ 土留め芯材
３２ アンカーボルト端部
３３ 支圧板
３４ 挿通孔
３５ ナット
３６ 第１躯体
３７ 領域
３８ 地山側面
３９ アンカーボルトの端部
４０ タイロッド
４２ 第２のアンカーボルト
４３ 第２のトレンチ状領域
４４ 第２躯体
４５ 土壁
４６ 躯体

Claims (6)

1. トンネルの拡幅予定箇所を囲む周囲の地山に対し、トンネル軸方向へのパイプルーフの設置と、前記パイプルーフの周囲に固化材を注入する薬液注入工を実施して、拡幅予定箇所の止水処理を行う第１工程と、
   トンネルの拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の各地山側面においてトンネル軸方向に第１のアンカーボルトを打設して、第１のトレンチ状領域を形成し、当該第１のトレンチ状領域に前記所定幅の第１躯体を構築する第２工程と、
   前記第１のトレンチ状領域と所定間隔をおいて隣接する拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の一方の地山側面に露出した前記第１のアンカーボルトの端部を、当該地山側面に固定してタイロッドとなし、前記領域の他方の地山側面においてトンネル軸方向にアンカーボルトを打設して、第２のトレンチ状領域を形成し、当該第２のトレンチ状領域に前記所定幅の第２躯体を構築する第３工程と、
   前記タイロッドで一体となった前記第１および前記第２のトレンチ状領域の地山側面間の地山を、タイロッドを撤去しつつ掘削し、前記第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築する第４工程と、
   を含むことを特徴とするトンネル拡幅工法。
2. 前記第２工程を複数回実行して、互いに所定間隔で隣接する前記第１のトレンチ状領域を複数形成し、各第１のトレンチ状領域に前記所定幅の第１躯体を構築し、
   互いに隣接する前記第１のトレンチ状領域の間における拡幅予定箇所からトンネル外方に向け、所定幅のトレンチ状に地山を掘削しつつ、当該掘削で形成した領域の両地山側面に露出した前記第１のアンカーボルトの端部を、各地山側面に固定してタイロッドとなして、前記第２のトレンチ状領域を形成し、当該第２のトレンチ状領域に前記所定幅の第２躯体を構築し、
   前記タイロッドで一体となった前記第１および前記第２のトレンチ状領域の各地山側面間の地山のうちいずれか一方を掘削し、該当第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築した後、前記各地山側面間の地山のうち他方を掘削し、該当第１躯体と前記第２躯体との間に躯体を構築する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル拡幅工法。
3. 地山の土留め支保工を施工しつつ前記掘削を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル拡幅工法。
4. 前記土留め支保工が、地山の掘削面形状に沿って立設され前記アンカーボルト端部を固定する門型支保工と、当該門型支保工上端と掘削面天端との間に打設して掘削面天端上方の地山を支持する矢板とで構成されるものであることを特徴とする請求項３に記載のトンネル拡幅工法。
5. 前記土留め支保工が、地山の掘削面に固化材を吹き付けて構成されるものであることを特徴とする請求項３に記載のトンネル拡幅工法。
6. 前記第１のトレンチ状領域及び前記第２のトレンチ状領域を、前記パイプルーフとの間に、前記薬液注入工で薬液を注入した領域が残るように掘削することを特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項に記載のトンネル拡幅工法。