(57)【要約】【課題】大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することを可能としたトンネル施工方法およびトンネル支保構造を提案する。【解決手段】地山Ｇを掘削する掘削工程と、地山Ｇの掘削により露出した地山面に吹付けコンクリート４を吹き付ける支保工程とを備えるトンネル施工方法。吹付けコンクリート４は、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含み、吹付けコンクリート４の材齢２４時間のヤング係数は２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度は７０Ｎ／ｍｍ２以上である。【選択図】図１
2020016028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削する掘削工程と、
地山の掘削により露出した地山面に吹付けコンクリートを吹き付ける支保工程と、を備えるトンネル施工方法であって、
前記吹付けコンクリートは、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含み、
前記吹付けコンクリートの材齢２４時間のヤング係数が２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、トンネル施工方法。
【請求項２】
トンネル軸方向に沿って間隔をあけて建て込まれた鋼製支保工と、
地山に対して吹き付けられた吹付けコンクリートと、を備えるトンネル支保構造であって、
前記鋼製支保工は、鋼材と可縮部材とにより形成されており、
前記吹付けコンクリートは、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含み、
前記吹付けコンクリートの材齢２４時間のヤング係数が２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、トンネル支保構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル施工方法およびトンネル支保構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＡＴＭ等の山岳トンネル工法では、掘削により露出した地山面に吹き付けられた吹付けコンクリート、地山面に沿って組み立てられた鋼製支保工、地山に打設されたロックボルト等を備えたトンネル支保工により安全性を確保している。
大土被りのトンネルでは、トンネル周辺の地山の変形量が増大し、トンネル支保工に対して大きな地圧が作用する場合がある。断層破砕帯や膨張性地山を掘進することにより形成されたトンネル等でも同様である。
トンネルにおいて、支保構造に大きな応力が作用するのは掘削後２４時間以内であると推定される。そのため、大きな応力が作用することが予想されるトンネルでは、トンネルの安全性を確保するために、早期に強度発現する吹付けコンクリートが採用される場合がある。例えば、特許文献１には、材齢３時間の圧縮強度が１５Ｎ／ｍｍ２以上の吹付けコンクリートが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、早期に強度発現する吹付けコンクリートであっても、掘削後の地山の変形によってひび割れが発生することや局所的な破壊が生じるおそれがある。
本発明は、大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することを可能としたトンネル施工方法およびトンネル支保構造を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するための本発明のトンネル施工方法は、地山を掘削する掘削工程と、 地山の掘削により露出した地山面に吹付けコンクリートを吹き付ける支保工程とを備えるものである。前記吹付けコンクリートは、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含んでおり、前記吹付けコンクリートの材齢２４時間のヤング係数が２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上である。
また、本発明のトンネル支保構造は、トンネル軸方向に沿って間隔をあけて建て込まれた鋼製支保工と、地山に対して吹き付けられた吹付けコンクリートとを備えている。前記鋼製支保工は、鋼材と可縮部材とにより形成されている。また、前記吹付けコンクリートは、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含んでいて、前記吹付けコンクリートの材齢２４時間のヤング係数が２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、吹付けコンクリートの初期材齢（材齢２４時間以内）におけるヤング係数が低いため、地山の変形に追従することが可能となる。そのため、吹付けコンクリートにひび割れが生じることや圧縮破壊が発生することを防止することができる。その結果、大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は本実施形態に係るトンネルを示す断面図、（ｂ）はトンネルの支保構造を示す縦断図である。
【図２】（ａ）は吹付けコンクリートを示す斜視図、（ｂ）は鋼製支保工を示す斜視図である。
【図３】計算に使用したトンネルの応力モデル図である。
【図４】地山および支保の特性曲線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、ＮＡＴＭにより構築するトンネル１の支保構造（トンネル支保構造２）について説明する。トンネル１は、高土被り、高地圧の環境下で施工するため、地山Ｇが大きく変形することが予想される。本実施形態では、地山Ｇの変形に追従することが可能なトンネル支保構造２を採用することで、局所的な破壊を抑制する。
本実施形態のトンネル支保構造２は、図１（ｂ）に示すように、鋼製支保工３と、吹付けコンクリート４と、ロックボルト５とを備えている。鋼製支保工３および吹付けコンクリート４は、アーチ状（馬蹄形状）に形成されている。なお、鋼製支保工３および吹付けコンクリート４の形状は限定されるものではなく、例えばリング状であってもよい。なお、トンネル支保構造２は、必要に応じて補助工法を組み合わせてもよい。
【０００９】
鋼製支保工３は、トンネル軸方向に沿って間隔をあけて建て込む。本実施形態の鋼製支保工３は、複数の鋼材６と可縮部材７とを組み合わせることにより形成されている。なお、鋼製支保工３の配設ピッチは、地山状況（地山等級等）に応じて適宜決定する。
鋼材６は、Ｈ形鋼を加工することに形成されている。鋼材６を構成するＨ形鋼の断面寸法は限定されるものではなく、地山状況に応じて適宜決定すればよい。また、鋼材６を構成する材料はＨ形鋼に限定されるものではない。
可縮部材７は、鋼材６よりも低い剛性を有していて、鋼材６同士の間に介設されている。鋼製支保工３に設置する可縮部材７の数および配置は限定されるものではないが、左右対称に配置するのが望ましい。可縮部材７は、一定の荷重強度を維持しながら変形する材質を有している。そのため、鋼製支保工３は、可縮中においてもトンネル１の内圧を維持することを可能としている。本実施形態の可縮部材７は、セメントと、多孔質材と、水とを含んだモルタルの硬化体により形成された本体部７１と、本体部７１に周設された繊維シートである補強体７２とからなる柱状部材である。本体部７１の断面形状は限定されるものではなく、例えば、円形であってもよいし、矩形であってもよい。また、本体部７１は、モルタルに限定されるものではなく、例えば、コンクリートであってもよい。また、補強体７２は、繊維シートが複数積層されていてもよい。繊維シートには、ポリプロピレン繊維により構成された織布を使用する。なお、繊維シートを構成する材料は限定されるものではなく、例えば、アラミド繊維やポリエチレン繊維等の織布であってもよい。また、補強体７２は、繊維シートに限定されるものではなく、例えば、管状部材であってもよい。なお、可縮部材７の構成は限定されるものではなく、例えば、無数の気泡を有した繊維補強コンクリートの硬化体や、多層構造になる鋼管が座屈しながら変形する部材等であってもよい。
【００１０】
吹付けコンクリート４は、地山Ｇの掘削により露出した地山Ｇ（トンネル周囲）に対して吹き付けられている。吹付けコンクリート４は、中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフューム粉末と、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水とを含んでいて、地山Ｇに対して所定の厚さに吹き付けられている。本実施形態の吹付けコンクリート４は、材齢２４時間のヤング係数が２００００Ｎ／ｍｍ２以下で、かつ、材齢２８日の圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上である。
吹付けコンクリート４は、水と、粉体（中庸熱セメント、高炉スラグ粉末およびシリカフューム粉末）との水粉体比（Ｗ／Ｐ）が、１５％以上２５％以下である。なお、吹付け圧縮強度を高くする観点から、水粉体比は、２０．０％以下であるのが好ましく、１８．０％以下であることがより好ましく、１６．５％以下であることがさらに好ましい。また、急結剤を除いたベースコンクリート（またはベースモルタル）の塑性粘度が５Ｐａ・ｓ以上２５Ｐａ・ｓ以下、降伏値が０．０１Ｐａ以上１５Ｐａ以下である。
【００１１】
中庸熱セメントは、いわゆる中庸熱ポルトランドセメントである。中庸熱セメントは、普通ポルトランドセメントと比較して水和熱が低い。本実施形態では、粉体中の中庸熱ポルトランドセメントの配合量を４０重量％以上とする。なお、中庸熱セメントの配合量は限定されるものではない。
高炉スラグ粉末には、ＪＩＳ  Ｚ８８０１−１に規定される公称目開き９０μｍの篩を通過しない９０μｍ以上の粒子を１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下含むものを用いる。高炉スラグ粉末は、粉体中の配合量が５重量％以上になるように配合する。なお、高炉スラグ粉末の配合量は限定されるものではない。
シリカフューム粉末は、粉体中の配合量が５重量％以上になるように配合する。なお、シリカフューム粉末の配合量は限定されるものではない。
【００１２】
高性能減水剤には、ポリカルボン酸エーテル系化合物を含むものを使用する。なお、高性能減水剤は限定されるものではなく、例えば、ナフタレンスルホン酸系化合物、メラミンスルホン酸系化合物、アミノスルホン酸系化合物、アルキルアリルスルホン酸系化合物及びこれらの誘導体若しくは変性物、ポリエーテル誘導体、ポリグリコール誘導体、エステル系化合物、並びにこれらの混合物を主成分とするものを使用することができる。高性能減水剤の配合は、粉体１００重量部に対し、１重量部以上５重量部以下とする。なお、高性能減水剤の配合量は限定されるものではない。
骨材には、細骨材と粗骨材とを使用する。細骨材を構成する材料は、粒径が０．８５〜０．６０ｍｍ以下のものであれば限定されるものではなく、例えば、川砂、山砂等の天然骨材や砕砂、高炉スラグ細骨材等が採用可能である。粗骨材には、砂利または砕石を使用する。なお、骨材の配合量は、適宜決定すればよい。また、粗骨材は必要に応じて配合すればよい。
急結剤には、液状のものを使用する。液状の急結剤としては、例えば、アルミン酸塩系、水溶性アルミニウム塩系等がある。また、急結剤を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、カルシウムアルミネート系、カルシウムサルフォアルミネート系、アルミン酸塩系等の粉末状のものを使用してもよい。
吹付けコンクリート４が含む材料は限定されるものではなく、例えば、前記の各材料の他に、混和材、繊維、混和剤等が含まれていてもよい。このような混和材としては、例えば、石灰石微粉末、石英微粉末、硅石微粉末、岩石微粉末、せっこう等がある。また、繊維としては、鋼繊維や有機繊維等がある。さらに、混和剤としては、ＡＥ剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、発泡剤等がある。
【００１３】
ロックボルト５は、トンネル周方向に対して、所定の間隔をあけて複数本配設されている。なお、ロックボルト５の長さ、ボルト径、打設ピッチ等は限定されるものではなく、地山状況に応じて適宜設定すればよい。また、ロックボルト５は必要に応じて設置すればよく、省略してもよい。また、ロックボルト５に代えてフォアポーリング工法やＡＧＦ工法等を採用してもよい。
【００１４】
次に、トンネル１の施工方法について説明する。本実施形態のトンネル施工方法は、掘削工程と、支保工程とを備えている。
掘削工程は、地山Ｇを掘削して、地中に掘削坑を形成する工程である。トンネル１の掘削方式は限定されるものではなく、地山状況や周辺環境等に応じて、発破掘削方式や機械掘削方式等から選定する。また、トンネル１の掘削工法は限定されるものではなく、例えば、全断面掘削工法、ベンチカット工法または導坑先進工法を採用すればよい。
支保工程は、掘削坑内にトンネル支保構造２を形成する工程である。トンネル支保構造２は、地山Ｇの掘削により露出した地山面（トンネル周囲）に対して一次吹付け４１（吹付けコンクリート４の一部）を行った後、鋼製支保工３を建て込み、さら二次吹付け４２（吹付けコンクリート４の残り部分）およびロックボルト５の打設を行うことにより形成する。鋼製支保工３は、前回の施工サイクルで建て込まれた鋼製支保工３から所定の間隔をあけて建て込む。ロックボルト５の打設は、トンネル１の周囲の地山Ｇに対してロックボルト孔を穿孔し、このロックボルト孔にロックボルト５を挿入することにより行う。なお、吹付けコンクリート４は、必ずしも複数の層（一次吹付け４１および二次吹付け４２）に分ける必要はなく、一層のみであってもよい。また、ロックボルト５は、一次吹付け４１の施工後に、鋼製支保工３の建て込みとともに打設してもよい。
【００１５】
本実施形態のトンネル支保構造２によれば、吹付けコンクリート４の初期材齢（材齢２４時間以内）におけるヤング係数が低く、また、鋼製支保工３に可縮部材７が介設されているため、地山Ｇの変形に追従することが可能となる。そのため、トンネル支保構造２の形成後に地山Ｇに変形が生じた場合であっても、地山Ｇの変形に追従することで、吹付けコンクリート４にひび割れが生じることや圧縮破壊が発生することを防止することができる。その結果、大きな地圧が作用する地山条件でのトンネル掘削において、トンネル内空の安定を確保することが可能となる。
吹付けコンクリート４が全体的に地山Ｇの変形に追従するため、局所的に応力が集中することがない。そのため、吹付けコンクリート４に局所的な破損が生じることがない。
【００１６】
以下、吹付けコンクリート４の初期材齢におけるヤング係数が、支保工構築に及ぼす影響を把握するために行った計算結果を示す。本計算では、材齢７〜８時間程度、１２時間、２４時間、２８日間を対象として、吹付けコンクリート４に発生する応力を特性曲線により算出し、吹付けコンクリート４の圧縮強度と比較した。
計算の条件としては、土被り２００ｍとして、掘削半径４０００ｍｍの円形断面のトンネル１に対して、吹付け厚さ２００ｍｍで吹付けコンクリート４を吹き付けるものとした（図３参照）。このとき、地山Ｇの単位体積重量を１．８ｔ／ｍ３、地山Ｇの変形係数を２５００Ｎ／ｍｍ２とした。また、鋼製支保工３として、Ｈ−１５０を使用し、配置間隔を１ｍとした。また、支保構造および地圧が弾性挙動を示すものと仮定した。
【００１７】
計算は、以下の手順により行った。
まず、式１により地山Ｇの特性曲線Ｌ１を作成する（図４参照）。式１は、地山Ｇが弾性状態とした場合におけるトンネル１の半径方向の応力（σγ）ａと壁面変位ｕａの関係からなる。
【００１８】
【数１】
2020016028.tif 000003
【００１９】
次に、支保に解放力が作用するときの先行変位を算定し、支保特性曲線の始点を定める（図４参照）。先行変位は、切羽より１ｍ（０．１×Ｄ）進んだものとして、トンネル支保構造２を設置しない場合における全壁面変位の４０％とした。
続いて、式２により、トンネル支保構造２の特性曲線Ｌ２を作成した（図４参照）。
【００２０】
【数２】
2020016028.tif 000004
【００２１】
次に、地山Ｇの特性曲線Ｌ１とトンネル支保構造２の特性曲線Ｌ２との交点（平衡状態となる点）より１次支保（吹付けコンクリート４）に作用する荷重と壁面変位量を計算する。なお、荷重と壁面変位量は、図４のグラフから読みとった数値を使用してもよい。
続いて、式３を利用して、吹付けコンクリート４に作用する荷重より吹付けコンクリート４に発生する材齢７〜８時間程度、１２時間、２４時間、２８日間の応力を算出する。算出した応力を表２に示す。
【００２２】
【数３】
2020016028.tif 000005
【００２３】
吹付けコンクリート４に発生する応力を算出したら、吹付けコンクリート４の圧縮強度ｆｃ’と比較する。圧縮強度は、ＪＩＳ  Ａ１１４９に準じて、アムスラー型試験機を用いて、載荷速度０．６±０．４Ｎ／ｍｍ２／ｓの荷重制御で載荷することにより行った試験結果を使用した。表１に試験に使用したコンクリート（吹付けコンクリート４）の配合を示す。各材齢に対してそれぞれ３つの供試体により試験を行った。供試体は、φ１００×２００ｍｍの円柱状とした。
表２に、吹付けコンクリート４の計算結果および圧縮強度の関係を示す。なお、吹付けコンクリート４に発生する応力が吹付けコンクリート４の圧縮強度を上回るもの（σθｃ ／ｆｃ’≧１）をＮＧとした。
表２に示すように、本実施形態の吹付けコンクリート４によれば、若材齢時における作用応力に対して必要な圧縮強度を発現することが確認できた。
【００２４】
【表１】
2020016028.tif 000006
【００２５】
【表２】
2020016028.tif 000007
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の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、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、鋼製支保工３に可縮部材７が介設されている場合について説明したが、可縮部材７は必要に応じて設置すればよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  トンネル
２  トンネル支保構造
３  鋼製支保工
４  吹付けコンクリート
５  ロックボルト
６  鋼材
７  可縮部材
【図１】
2020016028.tif 000008
【図２】
2020016028.tif 000009
【図３】
2020016028.tif 000010
【図４】
2020016028.tif 000011