JP6574108B2 - コンクリート構造物の補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設されているコンクリート構造物の補強方法に関する。

地中に埋設され、鉄道用地下トンネルや自動車用地下トンネルその他の地下構造物を構築するボックスカルバート等のコンクリート構造物が知られている。このようなコンクリート構造物の補強方法として、コンクリート構造物の壁に穴を形成し、この穴に補強部材を挿入した上で充填材を充填したり、注入材を注入したりする方法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１５−２１２９９号公報

特許文献１に記載されている補強方法は、コンクリート構造物の壁に、壁の内面から穴を形成するのではなく、壁の上端面から穴を形成する。よって、施工中にコンクリート構造物によって構築されている地下トンネル内における電車や自動車の通行を制限する必要がなく、施工時間等に対する制約が少ない。

また、特許文献１に記載されている補強方法では、コンクリート構造物の壁に鉛直方向に延在する穴を形成し、この穴にその略全長にわたって補強部材を挿入する。よって、補強部材の延在方向とせん断破壊線とが確実に交差し、高い補強効果が得られる。

一方、特許文献１には、補強部材が挿入された穴に充填される充填材としてコンクリート，モルタル，接着剤が列挙されているが、穴に充填される充填材は常に１種類であって、同一の穴に複数種類の充填材が充填されることはない。

ここで、コンクリート構造物においては、その部位によって求められる補強強度や補強性能が異なる場合がある。具体的には、コンクリート構造物全体の耐力をバランス良く向上させるためには、ある部分には圧縮強度に重点をおいた補強を施し、他のある部分には引張強度に重点をおいた補強を施すことが望ましい。しかし、コンクリート構造物の壁に設けられた穴に１種類の充填材を充填する特許文献１記載の補強方法では、圧縮強度に重点をおいた補強と引張強度に重点をおいた補強とを使い分けることができない。

本発明の目的は、コンクリート構造物の任意の部位に、当該部位に適した補強を施すことができる方法を提供することである。

本発明のコンクリート構造物の補強方法の一つは、底部と該底部から鉛直に起立する壁部とを備え、地中に埋設されるコンクリート構造物の補強方法である。この補強方法は、前記壁部に、鉛直方向に延在し、下端が前記底部の内面よりも鉛直方向下方に達する複数の穴を形成する穿孔工程と、それぞれの前記穴に、前記底部と前記壁部とに跨る一連の補強部材を挿入する挿入工程と、それぞれの前記穴に、引張強度が異なる２種類の注入材を順次注入する注入工程と、を有する。

本発明の一態様では、前記注入工程において、第１の注入材と、該第１の注入材に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度が低い第２の注入材と、が注入される。

本発明の他の態様では、前記注入工程において、第１の注入材と、該第１の注入材に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度も高い第２の注入材と、が注入される。

本発明の他の態様では、前記第１の注入材を前記底部の内面よりも低い位置まで注入し、前記第２の注入材を前記第１の注入材の上に、前記底部の内面よりも高い位置まで注入する。

本発明の他の態様では、前記第１の注入材が無機系注入材であり、第２の注入材が有機系注入材である。

本発明の他の態様では、前記注入工程では、前記第２の注入材を注入した後に、前記第１の注入材を再び注入する。

本発明の他の態様では、それぞれの前記穴に、引張強度が異なる３種類以上の注入材を順次注入する。かかる態様では、例えば、第１の注入材，第２の注入材，第３の注入材及び前記第１の注入材をこの順で注入する。この際、前記第２の注入材の引張強度は前記第１の注入材より高く、前記第３の注入材の引張強度は、前記第１の注入材より高く、かつ、前記第２の注入材より低い。

本発明によれば、コンクリート構造物の各部位に、当該部位に適した補強を施すことができる。

補強対象の一例であるボックスカルバートの斜視図である。 図１に示されるボックスカルバートによって構築される地下トンネルの断面図である。 穴が形成されたボックスカルバートの斜視図である。 壁部の内部構造を示す部分拡大断面図である。 挿入工程の説明図である。 注入工程の説明図である。 注入材の充填状態（積層状態）の一例を示す透視図である。 注入材の充填状態（積層状態）の一例を示す断面図である。 注入材の充填状態（積層状態）の他の一例を示す断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態の一例について説明する。本実施形態におけるコンクリート構造物は、図１に示されているボックスカルバート１である。ボックスカルバート１は、図１に示されるように一列に並べて地中に埋設され、図２に示されるような自動車用の地下トンネル２を構築している。換言すれば、軸方向に接続された状態で地中に埋設された複数のボックスカルバート１によって自動車用の地下トンネル２が構築されている。地下トンネル２の内部には、片側一車線の車道が設けられており、地下トンネル２の上（地上）にも片側一車線の車道が設けられている。もっとも、地下トンネル２の内部に線路が布設される場合もある。すなわち、ボックスカルバート１によって鉄道用の地下トンネルが構築される場合もある。この場合、鉄道用の地下トンネルの上（地上）に、車道が設けられたり、別の線路が布設されたりすることもある。

図１に示されるように、それぞれのボックスカルバート１は、底部１０と、底部１０の幅方向両端から鉛直に起立する一対の壁部１１と、底部１０と対向し、かつ、２つの壁部１１の上端同士を接続する天井部１２と、を備えている。これら底部１０，壁部１１及び天井部１２は、それぞれ矩形板状であり、鉄筋コンクリートによって一体に作られている。

次に、図２に示される地下トンネル２を構築しているボックスカルバート１の補強方法について説明する。

まず、ボックスカルバート１の壁部１１の真上からバックフォーやハンマーグラブ等の重機を用いて、或いは、手掘りにより、地盤を鉛直方向に掘削する。

ボックスカルバート１の天井部１２の外面１２ａまで地盤を掘削した後、図２に示されるように、天井部１２及び壁部１１を貫通し、下端２０ａが底部１０に達する複数の穴２０を形成する（穿孔工程）。かかる穿孔工程には、ドリル装置，コアボーリング装置，ウォータジェット切断装置（ウォータジェット加工装置）等の様々な穿孔装置３０を用いることができる。尚、穿孔装置３０としてドリル装置やコアボーリング装置を用いると穴２０の断面形状は円形となり、ウォータジェット切断装置（ウォータジェット加工装置）を用いると穴２０の断面形状はスリット状となる。

図３に示されるように、上記穿孔工程では、ボックスカルバート１のそれぞれの壁部１１に、ボックスカルバート１の軸線Ｘに沿って複数の穴２０を形成する。また、それぞれの壁部１１に形成される複数の穴２０が水平断面内において千鳥配置されるように、それぞれの穴２０の位置を定める。

尚、図４に示されるように、ボックスカルバート１（図３）の壁部１１の内側には、その内面寄りに、鉛直方向に延在する第１縦筋４１ａと、水平方向に延在する第１横筋４１ｂとが格子状に配筋されてなる内側鉄筋４１が設けられている。また、ボックスカルバート１の壁部１１の内側には、その外面寄りに、鉛直方向に延在する第２縦筋４２ａと、水平方向に延在する第２横筋４２ｂとが格子状に配筋されてなる外側鉄筋４２が設けられている。穴２０は、内側鉄筋４１と外側鉄筋４２との間、つまり既存鉄筋（第１縦筋４１ａ，第１横筋４１ｂ，第２縦筋４２ａ，第２横筋４２ｂ）が存在していない箇所に形成される。

次に、図５に示されるように、穿孔工程によって形成されたそれぞれの穴２０に、穴２０の略全長にわたって延在する一連の補強部材５０を挿入する（挿入工程）。本実施形態における補強部材５０は、穴２０の深さと略同一の全長を有する鉄筋である。

ここで、それぞれの穴２０の下端２０ａが底部１０に達していることは既述の通りである（図２参照）。すなわち、穴２０の下端２０ａは、底部１０の内面１０ｂよりも鉛直方向下方に位置している。よって、穴２０の深さと略同一の全長を有する一連の補強部材５０は、底部１０と壁部１１とに跨る。換言すれば、それぞれの穴２０に挿入された補強部材５０の下端は、底部内面１０ｂよりも下方に位置する。

その後、図６に示されるように、補強部材５０が挿入されたそれぞれの穴２０に、引張強度が異なる２種類以上の注入材を注入する（注入工程）。具体的には、第１の注入材６１と第２の注入材６２とを順次注入する。より具体的には、第１の注入材６１を注入した後に第２の注入材６２を注入し、次いで第１の注入材６１を再び注入する。

ここで、第１の注入材６１は、第２の注入材６２に比べて、圧縮強度が高く、かつ、引張強度が低い注入材である。換言すれば、第２の注入材６２は、第１の注入材６１に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度が低い注入材である。すなわち、本実施形態における注入工程は、相対的に圧縮強度に優れる第１の注入材６１を注入する第１注入工程と、相対的に引張強度に優れる第２の注入材６２を注入する第２注入工程と、相対的に圧縮強度に優れる第１の注入材６１を再注入する第３注入工程とを含み、これら第１注入工程，第２注入工程及び第３注入工程をこの順で実行する。尚、以下の説明では、第１の注入材６１と第２の注入材６２とを特に区別しない場合には、これらを“注入材６０”と総称する場合がある。また、図６はイメージ図である。実際には、パイプやホース等を介して所定量の注入材６０が地上から各穴２０に注入される。

２種類以上の注入材６０が注入される上記注入工程が終了すると、図７に示されるように、各穴２０の内部には、第１の注入材６１，第２の注入材６２及び第１の注入材６１がこの順で充填（積層）される。

ここで、第１注入工程では、ボックスカルバート１の底部内面１０ｂよりも低い位置まで第１の注入材６１を注入する。第２注入工程では、第１の注入材６１の上に、底部内面１０ｂよりも高い位置まで第２の注入材６２を注入する。第３注入工程では、第２の注入材６２の上に、所定位置（例えば、穴２０の上端）まで第１の注入材６１を注入する。

もっとも、穴２０の内部を目視で確認することはできない。そこで、穴２０の容積及び補強部材５０の体積に基づいて、注入材６０の嵩高を所定の嵩高とするために必要な注入材６０の量を予め定めておく。上記注入工程では、所定量の第１の注入材６１及び第２の注入材６２を上記順序で注入することにより、穴内部の所定位置に所定の嵩高を有する第１の注入材６１及び第２の注入材６２を充填する。

以上の工程により、図８に示されるように、それぞれの穴２０には、底部１０と壁部１１とに跨る一連の補強部材５０が挿入される。さらに、穴２０の内周面と穴２０に挿入された補強部材５０の外周面との間の隙間には、第１の注入材６１，第２の注入材６２及び第１の注入材６１がこの順で充填される。また、第２の注入材６２は、底部内面１０ｂよりも低い位置から底部内面１０ｂよりも高い位置まで充填される。換言すれば、第１注入工程において注入される第１の注入材６１はボックスカルバート１の底部１０にのみ充填され、第３注入工程において注入される第１の注入材６１はボックスカルバート１の壁部１１にのみ充填される。一方、第２注入工程において注入される第２の注入材６２は、ボックスカルバート１の底部１０と壁部１１とに跨って充填される。さらに換言すれば、第２の注入材６２は、ボックスカルバート１の底部１０と壁部１１との間のコーナ部分に充填される。

本実施形態における第１の注入材６１は無機系注入材であり、より具体的にはモルタルである。また、本実施形態における第２の注入材６２は有機系注入材であり、より具体的には熱可塑性樹脂である。

すなわち、本実施形態に係る補強方法によれば、相対的に引張強度に優れる第２の注入材６２がボックスカルバート１の底部１０と壁部１１との間のコーナ部分に充填され、この第２の注入材６２の上下に、相対的に引張強度に優れる第１の注入材６１が充填される。

以上のように、本実施形態では、圧縮強度に比べて引張強度が劣るコンクリート構造物に引張強度に優れた第２の注入材６２が注入されることにより、コンクリート構造物の耐力が向上する。さらに、地震時などに曲げ力を受け、圧縮縁と引張縁とが同時に発生するコーナ部分に引張強度に優れた第２の注入材６２が選択的に充填され、その他の部分に圧縮強度に優れた第１の注入材６１が選択的に充填されるので、コンクリート構造物全体の耐力がバランス良く向上する。このように、２種類以上の注入材６０を適材適所で用いる本実施形態の補強方法によれば、ボックスカルバート１の各部位に、当該部位に適した補強を施すことができる。

尚、穴２０の全長にわたって、圧縮強度及び引張強度の双方において注入材６０よりも優れた他の注入材を充填することも考えられる。しかし、相反する強度の双方に関して優れている注入材は一般的に高価であり、かかる注入材を穴２０の全長にわたって注入することは補強工事の高コスト化を招くことになる。

また、本実施形態に係る補強方法では、地中に埋設されているボックスカルバート１に地上からアクセスして穴２０を形成する。また、穴２０への補強部材５０の挿入や注入材６０の注入も地上から行われる。すなわち、穿孔工程，挿入工程及び注入工程の全てが地上から行われる。従って、図２に示される地下トンネル２内での作業は不要であり、地下トンネル２内における車両の通行を制限することなく作業を完了することができる。

また、補強部材５０の延在方向が鉛直方向であるため、地震時に想定される様々な方向のせん断破壊線をカバーする上で有利であり、地下トンネル２の耐震性能を確保する上で有利である。例えば、補強部材が壁部の厚さ方向に延在している場合、補強部材は同方向に延びるせん断破壊線と交差しにくく、補強部材の機能が十分に発揮されなくなる。これに対し、本実施形態における補強部材５０は、鉛直方向（壁部１１の高さ方向）に延在しているので、補強部材５０の延在方向とせん断破壊線とが確実に交差し、補強部材５０の機能が十分に発揮される。

また、補強部材が壁部の厚さ方向に延在している場合、壁部のせん断補強としては靱性補強が主な効果となり、曲げ補強の効果は得られない。これに対し、本実施形態における補強部材５０は壁部１１の高さ方向に延在しているので、壁部１１のせん断補強として曲げ補強の効果が得られる。

想定されるせん断破壊線をカバーするためには多数のせん断補強が必要となる。しかし、穴の数が多くなるほど既存躯体がダメージを受ける。これに対し、壁部１１の高さ方向に沿って穴２０が形成される本実施形態では、想定されるせん断破壊線をカバーするために必要な穴２０の数が少なく、既存躯体に与えるダメージを最小限に止めることができる。

また、図４に示されるように、ボックスカルバート１（図３）の壁部１１には、格子状に配筋された多数本の鉄筋からなる内側鉄筋４１及び外側鉄筋４２が埋め込まれている。よって、壁部１１の厚さ方向に穴を形成しようとする場合には、内側鉄筋４１及び外側鉄筋４２をかわして穿孔する必要がある。このため、超音波等を用いた鉄筋探査により鉄筋の位置を確認しながら穿孔するものの、探査で探せない鉄筋との干渉により穿孔作業のやりなおしが頻発するおそれがある。しかし、本実施形態では、内側鉄筋４１と外側鉄筋４２との間に穴２０を形成するので、鉄筋との干渉が発生する可能性は極めて低い。

図３に示されるように、ボックスカルバート１のコーナ部分は屈曲している。よって、壁部１１にその内側から厚さ方向に延在する穴を形成する場合、コーナ部分に穴を形成することは困難である。これに対し、ボックスカルバート１の壁部１１に、その外側から鉛直方向に延在する穴２０を形成する本実施形態では、コーナ部分についても穴２０を容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
次の本発明の実施形態の他の一例について説明する。もっとも、本実施形態に係る補強方法と第１の実施形態に係る補強方法との相違点は、注入工程のみである。よって、以下、本実施形態における注入工程について詳細に説明する一方、穿孔工程及び挿入工程についての説明は省略する。

本実施形態における注入工程では、引張強度が異なる３種類の注入材が順次注入される。具体的には、本実施形態における注入工程は、第１の注入材を注入する第１注入工程，第２の注入材を注入する第２注入工程，第３の注入材を注入する第３注入工程，第１の注入材を再注入する第４注入工程を含む。

第１注入工程及び第４注入工程によって注入される第１の注入材は、第１の実施形態における第１の注入材６１（図８）と同一の注入材である。また、第２注入工程によって注入される第２の注入材は、第１の実施形態における第２の注入材６２（図８）と同一の注入材である。

一方、第３注入工程によって注入される第３の注入材は、圧縮強度は第１の注入材６１より低く、第２の注入材６２より高い注入材である。また、第３の注入材は、引張強度は第２の注入材６２より低く、第１の注入材６１より高い注入材である。つまり、第３の注入材は、第１の注入材６１と第２の注入材６２との間の中間的な性質を備えている。かかる第３の注入材としては、例えば、第１の注入材６１に樹脂等を混ぜて引張強度を高めた注入材や第２の注入材６２に石灰等を混ぜて圧縮強度を高めた注入材等が用いられる。

上記注入工程が終了すると、図９に示されるように、各穴２０の内部には、第１の注入材６１，第２の注入材６２，第３の注入材６３及び第１の注入材６１がこの順で充填（積層）される。本実施形態においても、第２の注入材６２は、底部内面１０ｂよりも低い位置から底部内面１０ｂよりも高い位置まで充填される。また、第２の注入材６２の嵩高は、第３の注入材６３の嵩高よりも低い。つまり、第２の注入材６２の注入量は、第３の注入材６３の注入量よりも少ない。第３の注入材６３が第２の注入材６２にフィラーやスラリーを混ぜて嵩増しした注入材である場合、第３の注入材６３を第２の注入材６２よりも多く注入することにより、コストの高い第２の注入材６２の使用量を抑制しつつ、構造物全体の圧縮強度及び引張強度を向上させることができる。

本発明は上記実施形態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。例えば、注入材は本明細書に明示されている注入材に限定されない。例えば、上記実施形態における第１の注入材６１には、通常のモルタルの他に、高強度モルタル，無収縮モルタル，セメント等を用いることができる。また、上記実施形態における第２の注入材６２には熱硬化性樹脂やコールタールを用いることができる。もっとも、第２の注入材６２として熱可塑性樹脂やコールタールを用いた場合、変形後に熱を加えることで当初の形状又はこれに近い形状に復帰させることができるという利点がある。さらに、各注入材には必要に応じて各種のフィラーを混ぜて引張強度や圧縮強度の調整を図ることができる。かかる調整により、前記実施形態における第１の注入材６１に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度も高い注入材を得ることもでき、かかる注入材を上記実施形態における第２の注入材６２として用いることもできる。このように引張強度及び圧縮強度の双方に優れる第２の注入材６２を第１の注入材６１や第３の注入材６３と組み合わせて用いることにより、高価な注入材の使用量を抑制しつつ、コンクリート構造物全体の耐力を向上させることができるとともに、コーナ部分の靱性を向上させることができる。

補強部材は鉄筋に限定されない。例えば、補強部材には、Ｈ型鋼やＩ型鋼等の型鋼も使用可能である。また、補強部材としての型鋼に鉄筋を巻き付けてもよい。

補強部材には、円筒状又は角筒状の鉄筋籠、円筒状又は角筒状の鋼管や平板状の鋼板等も使用可能であり、鋼管や鋼板に多数の穴を形成してもよい。すなわち、有孔鋼管や有孔鋼板も補強部材として使用可能である。さらに、有孔鋼管の内側に、高強度繊維材からなる繊維チューブを配置してもよい。上記のような各種補強部材は、単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

また、補強部材の表面に摩擦低減材を設けることにより、補強部材と注入材との固着を回避してもよい。このような処理は、補強部材が埋設された壁部のせん断破壊を防止する上で有利である。

本発明の補強方法によって補強可能なコンクリート構造物はボックスカルバートに限定されない。例えば、本発明の補強方法は、地盤に掘削された溝にコンクリートを現場打ちすることにより、又はプレキャスト部材を並べることにより構築された掘割道路の壁部（側壁）の補強にも適用できる。また、本発明の補強方法は、底部（床版）から起立する擁壁の壁部（縦壁）の補強にも適用できる。

本発明は、損傷を受けていないコンクリート構造物の補強はもちろんのこと、地震等によって損傷を受けたコンクリート構造物の補強（補修）にも適用できる。この場合、外部からは確認できない、又は確認が容易ではない内部のひび割れ等対しても効果的な補修・補強が行える。

１ ボックスカルバート
２ 地下トンネル
１０ 底部
１０ｂ 内面（底部内面）
１１ 壁部
１２ 天井部
１２ａ 外面
２０ 穴
２０ａ 下端
３０ 穿孔装置
４１ 内側鉄筋
４１ａ 第１縦筋
４１ｂ 第１横筋
４２ 外側鉄筋
４２ａ 第２縦筋
４２ｂ 第２横筋
５０ 補強部材
６０ 注入材
６１ 第１の注入材
６２ 第２の注入材
６３ 第３の注入材
Ｘ 軸線

Claims (6)

1. 底部と該底部から鉛直に起立する壁部とを備え、地中に埋設されるコンクリート構造物の補強方法であって、
   前記壁部に、鉛直方向に延在し、下端が前記底部の内面よりも鉛直方向下方に達する複数の穴を形成する穿孔工程と、
   それぞれの前記穴に、前記底部と前記壁部とに跨る一連の補強部材を挿入する挿入工程と、
   それぞれの前記穴に、第１の注入材と、該第１の注入材に比べて引張強度が高い第２の注入材と、をこの順で順次注入する注入工程と、を有し、
   前記第１の注入材はモルタルであり、前記第２の注入材は熱可塑性樹脂である、
   コンクリート構造物の補強方法。
2. 請求項１に記載のコンクリート構造物の補強方法において、
   前記第２の注入材としての前記熱可塑性樹脂は、前記第１の注入材に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度が低い、
   コンクリート構造物の補強方法。
3. 請求項１に記載のコンクリート構造物の補強方法において、
   前記第２の注入材としての前記熱可塑性樹脂は、前記第１の注入材に比べて、引張強度が高く、かつ、圧縮強度も高い、
   コンクリート構造物の補強方法。
4. 請求項２又は３に記載のコンクリート構造物の補強方法において、
   前記第１の注入材を前記底部の内面よりも低い位置まで注入し、
   前記第２の注入材を前記第１の注入材の上に、前記底部の内面よりも高い位置まで注入する、
   コンクリート構造物の補強方法。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載のコンクリート構造物の補強方法において、
   前記注入工程では、前記第２の注入材を注入した後に、前記第１の注入材を再び注入する、
   コンクリート構造物の補強方法。
6. 底部と該底部から鉛直に起立する壁部とを備え、地中に埋設されるコンクリート構造物の補強方法であって、
   前記壁部に、鉛直方向に延在し、下端が前記底部の内面よりも鉛直方向下方に達する複数の穴を形成する穿孔工程と、
   それぞれの前記穴に、前記底部と前記壁部とに跨る一連の補強部材を挿入する挿入工程と、
   それぞれの前記穴に、第１の注入材と、引張強度が前記第１の注入材より高い第２の注入材と、引張強度が前記第１の注入材より高く、かつ、前記第２の注入材より低い第３の注入材と、をこの順で順次注入する注入工程と、を有し、
   前記第１の注入材はモルタルであり、前記第２の注入材は熱可塑性樹脂である、
   コンクリート構造物の補強方法。

Images