JP6764512B1 - 地下構造体の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の安定性を向上させる。【解決手段】発進基地１００は、第１壁面Ｗ１に沿って設けられ第１壁面Ｗ１を支持する殻部２０と、第２壁面Ｗ２に沿って設けられる側部３０と、を備え、側部３０は、殻部２０に固定され、第２壁面Ｗ２を支持する複数のパイプ３１と、複数のパイプ３１の外側に形成され、隣り合うパイプ３１の間を止水する凍土層３２と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、地下構造体、及び地下構造体を構築する方法に関する。

道路トンネルや鉄道トンネル等のトンネル工事では、分岐・合流部又は駅舎部を構築するために、幅が本線トンネルよりも広い拡幅空間を地中に構築することがある。特許文献１には、拡幅空間としての発進基地を構築する方法が開示されている。

特許文献１に開示された構築方法では、まず、本線トンネル及び支線トンネルを囲繞する円筒外殻部を構築する。次に、円筒外殻部の両端を塞ぐように凍結壁部を形成し、円筒外殻部と両端の凍結壁部で囲まれた地盤を掘削する。掘削によって露出した凍結壁部の内側の壁面に、繊維補強コンクリート又は鉄筋コンクリートによって妻壁部を構築することにより、発進基地が構築される。

特開２０１７−８９１９０号公報

特許文献１に開示された構築方法では、凍結壁部は、地盤に挿入された凍結管に冷媒を流し地盤を凍結させることによって形成される。妻壁部が構築されるまでは、円筒外殻部の軸方向に沿う地圧を凍結した地盤のみで受けることになるため、地盤の安定性を確保できないおそれがある。

本発明は、地盤の安定性を向上させることを目的とする。

本発明は、所定の方向に沿って延び地盤からなる第１壁面と、第１壁面から所定の方向と交差して延び前記地盤からなる第２壁面と、によって囲われた地下空洞を有する地下構造体を構築する地下構造体の構築方法であって、コンクリートで形成されている殻部を第１壁面に沿って設けて第１壁面を支持する工程と、第２壁面に沿って側部を設ける工程と、第１壁面と第２壁面とによって囲われた領域を掘削して地下空洞を形成する工程と、を備え、側部を設ける工程において、複数のパイプを所定の方向と交差して延びるように地盤に挿入して殻部に固定し第２壁面を支持すると共に、パイプの内部のうち第２壁面側にパイプの中心軸に沿って配置された第１凍結管に冷媒を流通させて複数のパイプの外側に凍土層を形成して隣り合うパイプの間を止水する。

本発明によれば、地盤の安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る地下構造体と、地下構造体を利用して構築された拡幅空間と、を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る地下構造体の断面図であり、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る地下構造体の断面図であり、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る地下構造体の拡大断面図であり、図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る地下構造体の構築方法を説明するための図である。 本発明の実施形態の変形例に係る地下構造体の拡大断面図であり、図４に対応して示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る地下構造体及びその構築方法について説明する。ここでは、地下構造体がシールド掘進機（不図示）の発進基地１００である場合について説明する。

図１に示すように、発進基地１００は、既設の本線トンネル１と支線トンネル２との分岐・合流部が形成される拡幅空間３の構築に利用される。

以下において、本線トンネル１の中心軸に沿う方向を「トンネル軸方向」と称し、本線トンネル１の中心軸を中心とする放射方向を「トンネル径方向」と称し、本線トンネル１の中心軸の周りの方向を「トンネル周方向」と称する。

拡幅空間３を構築するためには、まず、地盤内に発進基地１００を構築する。次に、発進基地１００からトンネル軸方向に沿ってシールド掘進機（図示省略）を発進させ、複数の小断面シールドトンネル４を本線トンネル１及び支線トンネル２の周囲に構築する。次に、小断面シールドトンネル４におけるシールド掘進機の到達点付近に褄壁５を構築する。発進基地１００と複数の小断面シールドトンネル４と褄壁５とによって囲まれた領域を掘削することにより、拡幅空間３が構築される。

発進基地１００は、地下空洞１０を有しており、地下空洞１０に小断面シールドトンネル４を構築するためのシールド掘進機が設置される。以下、発進基地１００の構造及び発進基地１００の構築方法について、詳述する。

まず、発進基地１００の構造を、図２から図４を参照して説明する。なお、図２から図４では、図１に示す拡幅空間３及び小断面シールドトンネル４を構築する前の状態が示されている。

図２及び図３に示すように、地下空洞１０は、地盤の第１壁面Ｗ１及び第２壁面Ｗ２によって囲われている。第１壁面Ｗ１は、トンネル軸方向に沿って延びており、本線トンネル１及び支線トンネル２を囲うように略円形に形成されている。第２壁面Ｗ２は、第１壁面Ｗ１からトンネル径方向に延びている。

発進基地１００は、第１壁面Ｗ１に沿って設けられる殻部２０と、第２壁面Ｗ２に沿って設けられる側部３０と、を備えている。殻部２０及び側部３０は、地下空洞１０の形成に先立って、地盤内に構築される。側部３０の内側には、繊維補強コンクリート又は鉄筋コンクリートからなる褄壁３６が構築されている。なお、図２では、褄壁３６の図示を省略している。

殻部２０は、環状に形成されている。具体的には、殻部２０は、トンネル軸方向に並べられると共に本線トンネル１と支線トンネル２とを囲うようにトンネル周方向に並べられた複数のセグメント２１から形成されている。

セグメント２１は、例えば、主にコンクリートから形成されるＲＣセグメント、主に鋼材から形成される鋼製セグメント、又は主にコンクリートと鋼材とから形成される合成セグメントである。トンネル周方向に隣り合うセグメント２１どうしは互いに連結されており、中空の構造体である。複数のセグメント２１によって、地盤の第１壁面Ｗ１が支持されている。

側部３０は、第２壁面Ｗ２に沿って延びて設けられた複数のパイプ３１と、複数のパイプ３１の外側に形成された凍土層（地盤改良体）３２と、を有している。パイプ３１は、例えば鋼製パイプであり、中空のパイプであることが好ましい。凍土層３２は、地盤を凍結することによって形成される。

パイプ３１の一方の端部は、殻部２０に形成された貫通孔（図示省略）に貫通されて連結、固定されている。パイプ３１の他方の端部は、殻部２０、本線トンネル１又は支線トンネル２に形成された貫通孔（図示省略）を介して連結、固定されている。パイプ３１によって、地盤の第２壁面Ｗ２が支持されている。そのため、トンネル軸方向における地盤の圧力は、パイプ３１に作用し、地盤の第２壁面Ｗ２はパイプ３１によって受け止められる。したがって、地盤の安定性を向上させることができる。

パイプ３１は、互いに略平行に設けられている。そのため、隣り合うパイプ３１の間隔は、パイプ３１の全長に渡って略一定になる。したがって、パイプ３１の全長に渡って地盤の圧力を略均等に受けることができ、地盤の安定性をより向上させることができる。

パイプ３１は、例えば鉛直方向に延びるように設けられる。パイプ３１は、水平方向に延びるように設けられていてもよいし、水平方向に対して傾斜して延びるように設けられていてもよい。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。なお、図４では、褄壁３６の図示を省略している。

図４に示すように、パイプ３１の断面は略円形である。パイプ３１は、互いに間隔を空けて設けられている。隣り合うパイプ３１の間には凍土層３２が形成されており、凍土層３２によって隣り合うパイプ３１の間が止水されている。そのため、隣り合うパイプ３１の間への地下水の流入が遮断される。したがって、地盤内の地下水がパイプ３１の間を通って地下空洞１０に流入することを防ぐことができ、止水される。

隣り合うパイプ３１の間には鉄板３３が設けられており、鉄板３３によって、凍土層３２が覆われている。そのため、隣り合うパイプ３１どうしの間から凍土層３２が崩れ落ちるのを防止することができ、凍土層３２の止水性を向上させることができる。

パイプ３１の内部には、凍結管３４，３５がパイプ３１の中心軸に沿って配置されている。凍結管３４，３５は、冷媒が流通可能に形成されている。冷媒は、例えば液化二酸化炭素である。冷媒を凍結管３４，３５に流すことにより、パイプ３１の外側が冷却されて地盤が凍結し、凍土層３２が形成される。

第２壁面Ｗ２は、地盤とパイプ３１又は凍土層３２との境界である。つまり、凍土層３２の厚みの変化によって、第２壁面Ｗ２の位置は変化する。また、凍土層３２は凍結状態により変状するので、第２壁面Ｗ２の位置も変動する。例えば、冷媒が凍結管３４，３５に流れておらず、凍土層３２が形成されていない状態では、第２壁面Ｗ２は、地盤とパイプ３１との境界となる。

凍結管３４，３５がパイプ３１の内部に配置されているため、凍結管３４，３５は、パイプ３１によって保護される。したがって、凍結管３４，３５の破損を軽減することができ、凍土層３２をより確実に形成することができる。

パイプ３１の強度は、凍結管３４，３５の強度よりも高いことが好ましい。この場合には、凍結管３４，３５がパイプ３１によって支えられる。したがって、凍結管３４，３５の破損をより軽減することができ、凍土層３２をより確実に形成することができる。また、パイプ３１の外径は凍結管３４，３５の外径より大きいので断面性能（例えば断面二次モーメント等）が強度的に優れている。したがって、凍結管３４，３５よりも地盤の圧力をより高い強度で受け止めることができる。

凍結管３４は、パイプ３１の中心軸に対して地盤側（地下空洞１０とは反対側）に配置されている。そのため、凍結管３４を流れる冷媒は、パイプ３１の外側のうちパイプ３１の中心軸に対して地盤側の領域を地下空洞１０側の領域よりも冷却する。したがって、凍土層３２を地盤側に容易に拡大することができ、凍土層３２の止水性を向上させることができる。

凍結管３５は、隣に位置するパイプ３１の外周面に最も近い位置に設けられている。つまり、他の部分と比較して、凍結管３５と隣のパイプ３１の外周面との間隔が最も小さくなっている。したがって、隣り合うパイプ３１の間に渡って凍土層３２を容易に形成することができ、凍土層３２の止水性をより向上させることができる。

図４に示す例では、凍結管３５は、パイプ３１の中心軸に対して複数のパイプ３１における配列方向の一方側にのみ配置されているが、配列方向の両側に配置されていてもよい。この場合には、隣り合うパイプ３１の間の地盤を、各パイプ３１に設けられる凍結管３５を流れる冷媒によって冷却することができる。したがって、隣り合うパイプ３１の間に渡って凍土層３２をより容易に形成することができ、凍土層３２の止水性をより向上させることができる。

凍結管３４，３５は、例えばアルミニウム材料で形成されており、複数の流路を有するＩＣチャンネル構造（狭隘流路構造）を有している。そのため、凍結管３４，３５の各流路を流れる冷媒と凍結管３４，３５との周囲との間での熱伝達が生じる。したがって、凍結管３４，３５の伝熱性能を向上させることができ、凍土層３２を効率的に形成することができる。

図示を省略するが、パイプ３１の内部は、コンクリート等のセメント系材料によって充填される。そのため、パイプ３１が中空である場合と比較して、側部３０の強度を高めることができる。したがって、地盤の安定性をより向上させることができる。

次に、発進基地１００の構築方法について、図５を参照して説明する。

まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、既設の支線トンネル２からトンネル径方向に地盤を掘削し、拡幅した地下空間である坑５０を構築する。坑５０は、既知の方法で構築可能であり、坑５０の構築方法の詳細については省略する。

坑５０は、例えば支線トンネル２から略水平に地盤を掘削することによって構築される。支線トンネル２から略鉛直に地盤を掘削して坑５０を構築してもよいし、支線トンネル２から水平方向に対して斜めに地盤を掘削して坑５０を構築してもよい。また、本線トンネル１からトンネル径方向に地盤を掘削して坑５０を構築してもよい。

次に、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、地盤内に殻部２０を本線トンネル１及び支線トンネル２を囲うように形成する。殻部２０は、いわゆる円周方向に掘進するシールド工法・推進工法により構築が可能である。具体的には、坑５０内に不図示の矩形シールド掘進機を設置し、矩形シールド掘進機を坑５０から発進させる。矩形シールド掘進機を、本線トンネル１及び支線トンネル２を囲うように円形の経路で前進させることにより、環状のシールドトンネル２２が構築される。図５（ｄ）に示す例では、環状のシールドトンネル２２を３つ構築しているが、環状のシールドトンネル２２は、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。

矩形シールド掘進機による地盤の掘削に伴って、第１壁面Ｗ１が形成される。また、矩形シールド掘進機の前進に合わせてセグメント２１を第１壁面Ｗ１に設置することにより、殻部２０が形成され、第１壁面Ｗ１が殻部２０によって支持される。

次に、図５（ｅ）及び図５（ｆ）に示すように、地盤内に側部３０を形成する。具体的には、シールドトンネル２２の内部からトンネル軸方向と交差するように複数のパイプ３１を地盤に挿入し、地盤に第２壁面Ｗ２を形成する。このとき、パイプ３１の内部に凍結管３４，３５（図４参照）を配置しながらパイプ３１を地盤に挿入する。パイプ３１の挿入は既知の方法により可能である。例えば、ボーリング工法や推進工法により地盤にパイプ３１を挿入することが可能である。パイプ３１の一端を殻部２０に固定し他端を殻部２０、本線トンネル１又は支線トンネル２に固定することにより、第２壁面Ｗ２を支持する。次に、凍結管３４，３５に冷媒を流し、パイプ３１の外周における地盤を凍結させて凍土層３２を形成する。

次に、殻部２０と側部３０とによって囲まれた領域を掘削し、図２及び図３に示す地下空洞１０を形成する。パイプ３１が地盤の第２壁面Ｗ２を支持しているため、トンネル軸方向における地盤の圧力は、パイプ３１に作用し、地盤の第２壁面Ｗ２はパイプ３１によって受け止められる。したがって、第２壁面Ｗ２の崩落を防止することができ、地下空洞１０を容易に形成することができる。

地盤の掘削に伴って、隣り合うパイプ３１どうしの間に鉄板３３（図４参照）を設置すると共に褄壁３６（図３参照）を構築する。鉄板３３及び褄壁３６は、例えば逆巻き工法により構築される。逆巻き工法では、上方からの掘削により地下空洞１０を形成しつつ、鉄板３３を隣り合うパイプ３１どうしの間に設置すると共に褄壁３６を構築する。

以上により、発進基地１００の構築が完了する。褄壁３６の構築後は、凍結管３４，３５（図４参照）への冷媒の流通を停止し、凍土層３２を解凍する。つまり、褄壁３６の構築後は、躯体によって止水する。

以上の実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

発進基地１００では、複数のパイプ３１が第２壁面Ｗ２を支持する。そのため、地盤の第２壁面Ｗ２はパイプ３１によって受け止められる。したがって、地盤の安定性を向上させることができる。また、凍土層３２が隣り合うパイプ３１の間を止水している。そのため、隣り合うパイプ３１の間への地下水の流入が遮断される。したがって、地盤内の地下水がパイプ３１の間を通って地下空洞１０に流入することを防ぐことができる。

また、複数のパイプ３１は、互いに略平行に設けられている。そのため、隣り合うパイプ３１の間隔は、パイプ３１の全長に渡って略一定になる。したがって、パイプ３１の全長に渡って地盤の圧力を略均等に受けることができ、地盤の安定性をより向上させることができる。

また、側部３０は、パイプ３１の内部に配置され、地盤を凍結する冷媒が流通可能な凍結管３４，３５を更に備えている。そのため、凍結管３４，３５は、パイプ３１によって保護される。したがって、凍結管３４，３５の破損を軽減することができ、凍土層３２をより確実に形成することができる。

また、発進基地１００の構築方法では、側部３０を設ける工程において、複数のパイプ３１を地盤に挿入して殻部２０に固定し第２壁面Ｗ２を支持すると共に、複数のパイプ３１の外側に凍土層３２を形成して隣り合うパイプ３１の間を止水する。そのため、殻部２０と側部３０とによって囲まれた領域を掘削し地下空洞１０を形成する工程において、地盤の第２壁面Ｗ２がパイプ３１によって支持され受け止められる。したがって、第２壁面Ｗ２の崩落を防止することができ、地下空洞１０を容易に形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、発進基地１００は、既設の本線トンネル１と支線トンネル２との分岐・合流部の構築に利用されるが、本発明に係る地下構造体は、別の用途であってもよい。例えば、鉄道トンネル等の駅舎部の構築に利用されてもよい。また、本線トンネル１及び支線トンネル２のいずれも形成されていなくてもよい。つまり、本発明は、所定の方向に沿って延びる第１壁面Ｗ１と、当該所定の方向と交差して延びる第２壁面Ｗ２と、によって囲われた地下空洞１０を有する地下構造体に適用可能である。

上記実施形態では、トンネル軸方向における両側に側部３０が設けられているが、本発明は、トンネル軸方向における一方側に側部３０が設けられており、他方側に側部３０とは異なる構造が設けられていてもよい。

上記実施形態では、第１壁面Ｗ１が略円形に形成されており殻部２０が環状に形成されているが、本発明は、この形態に限られない。例えば、第１壁面Ｗ１が地下空洞１０の上方にアーチ状に形成されており殻部２０が第１壁面Ｗ１に沿ってアーチ状に形成されていてもよい。また、第１壁面Ｗ１が地下空洞１０の側方にアーチ状に形成されており殻部２０が第１壁面Ｗ１に沿ってアーチ状に形成されていてもよい。更に、第１壁面Ｗ１が平面状に形成されており殻部２０は第１平面に沿って平面状に形成されていてもよい。つまり、地下空洞１０は、第１壁面Ｗ１と第２壁面Ｗ２とを含む地盤の複数の壁面によって囲われており、殻部２０及び側部３０が第１壁面Ｗ１及び第２壁面Ｗ２にそれぞれ沿って設けられていればよい。

上記実施形態では、凍土層３２によって隣り合うパイプ３１の間を止水しているが、本発明は、この形態に限られない。例えば、薬液を隣り合うパイプ３１の間の地盤に注入して地盤改良体を形成し、隣り合うパイプ３１の間を止水してもよい。

上記実施形態では、パイプ３１は、互いに間隔を空けて設けられているが、パイプ３１が互いに隣接していてもよい。また、図６に示す変形例のように、複数のパイプは、トンネル軸方向に重なり合うように設けられていてもよい。

図６に示す変形例に係る側部３０では、第１パイプ１３１と第２パイプ２３１とが交互に配置されており、第１パイプ１３１と第２パイプ２３１との間が凍土層３２によって止水されている。第１パイプ１３１は、鋼製の芯材１３１ａと、芯材１３１ａよりも硬度が低い切削可能部１３１ｂと、を有有している。第２パイプ２３１は、パイプ３１（図４参照）と同様に、鋼製パイプである。第２パイプ２３１は、第１パイプ１３１を地盤に挿入した後に、第１パイプ１３１の切削可能部１３１ｂを切削しながら第１パイプ１３１と並列に地盤に挿入される。そのため、第２パイプ２３１は、切削可能部１３１ｂを切削することによって形成される空間に配置される。したがって、第１パイプ１３１と第２パイプ２３１との間の止水範囲を最小限にすることができ、側部３０の止水性を向上させることができる。また、側部３０の強度を向上させることができる。

図６に示す変形例において、凍結管３４は、第１パイプ１３１及び第２パイプ２３１の中心軸に対して地盤側（地下空洞１０とは反対側）に配置されている。凍結管３５は、第２パイプ２３１の内部における切削可能部１３１ｂと凍土層３２との境界の延長線上に配置されている。したがって、切削可能部１３１ｂに隣接する領域を効率的に冷却することができ、切削可能部１３１ｂと第２パイプ２３１との間を容易に止水することができる。

１００・・・発進基地（地下構造体）
１０・・・地下空洞
２０・・・殻部
３０・・・側部
３１・・・パイプ
３２・・・凍土層（地盤改良体）
３４，３５・・・凍結管
１３１・・・第１パイプ
２３１・・・第２パイプ
Ｗ１・・・第１壁面
Ｗ２・・・第２壁面

Claims (4)

1. 所定の方向に沿って延び地盤からなる第１壁面と、前記第１壁面から前記所定の方向と交差して延び前記地盤からなる第２壁面と、によって囲われた地下空洞を有する地下構造体を構築する地下構造体の構築方法であって、
   コンクリートで形成されている殻部を前記第１壁面に沿って設けて前記第１壁面を支持する工程と、
   前記第２壁面に沿って側部を設ける工程と、
   前記第１壁面と前記第２壁面とによって囲われた領域を掘削して前記地下空洞を形成する工程と、を備え、
   前記側部を設ける工程において、複数のパイプを前記所定の方向と交差して延びるように前記地盤に挿入して前記殻部に固定し前記第２壁面を支持すると共に、前記パイプの内部のうち前記第２壁面側に前記パイプの中心軸に沿って配置された第１凍結管に冷媒を流通させて前記複数のパイプの外側に凍土層を形成して隣り合う前記パイプの間を止水する、
   地下構造体の構築方法。
2. 前記複数のパイプを、互いに略平行に設ける、
   請求項１に記載の地下構造体の構築方法。
3. 前記側部を設ける工程において、前記パイプの内部のうち、別のパイプの外周面に最も近い位置に前記パイプの中心軸に沿って配置された第２凍結管に冷媒を流通させて前記複数のパイプの外側に凍土層を形成して隣り合う前記パイプの間を止水する、
   請求項１又は２に記載の地下構造体の構築方法。
4. 前記側部を設ける工程において、前記複数のパイプを前記所定の方向に重なり合うように設ける、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の地下構造体の構築方法。

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