(57)【要約】【課題】安全性が高くおよび施工性の良い廉価な長尺鋼管先受け工法を提供する。【解決手段】本長尺鋼管先受け工法は、トンネルの掘削に先立って、切羽前方に放射状に打設した複数の鋼管７内から周辺の地山に固化材を注入して先受けする長尺鋼管先受け工法において、先受け区間の断面において、上下に二重以上の鋼管７が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの掘削に先立って、切羽前方に放射状に打設した複数の鋼管内から周辺の地山に固化材を注入して先受けする長尺鋼管先受け工法において、
先受け区間の断面において、上下に二重以上の前記鋼管が配置されていることを特徴とする長尺鋼管先受け工法。
【請求項２】
前記トンネルの仰工から天端までの天地高さの１／２以下の距離で長尺鋼管先受けを施工することを特徴とする請求項１記載の長尺鋼管先受け工法。
【請求項３】
前記切羽前方に打設する鋼管は、前回打設した複数の鋼管のうちの隣り合う鋼管の間隔の中間位置から打設することを特徴とする請求項１又は２に記載の長尺鋼管先受け工法。
【請求項４】
前記切羽前方に打設する鋼管は、軸方向長さが異なる複数の管を有し、複数の該鋼管の間で前記管の接合箇所が軸方向に異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の長尺鋼管先受け工法。
【請求項５】
前記切羽前方に打設する鋼管は、呼び径が２．０インチ、２．５インチ、３．０インチ、４．０インチ、５．０インチのうちから選定できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の長尺鋼管先受け工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺鋼管先受け工法に関し、更に詳しくは、建設分野である山岳トンネルの掘削に先立って、切羽前方の不良地山に放射状で複数の鋼管を打設して、この鋼管内から固化材を注入して地山を補強する長尺鋼管先受け工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱な不良地山に山岳トンネルを掘削する場合、トンネル掘削に先立って切羽前方の地山を補強する先受け工が施工されている。先受け工の一例として、注入式長尺鋼管先受け工法がある。この工法は、切羽前方の地山に、トンネルでは一般的に使用されるドリルジャンボという掘削機により支保工下部から放射状に８〜１０°程度の仰角を付けて複数の鋼管を接続しながら打ち込み、この鋼管内部から固化材を地山中に注入して不良地山を補強する。
【０００３】
一般的には、例えば、図９〜図１２に示すように、切羽天端に沿ってトンネルセンタから上半部１２０°の範囲で、鋼管１０８、１０９、１１０を４本程度接続して鋼管１０７として１２．５ｍ程度の延長で４５０ｍｍの間隔で打設する。この時の鋼管１０７の打設順序に付いて、標準的には奇数孔、偶数孔に識別して振り分け、奇数孔の鋼管打設および固化材の注入改良を施工した後に、奇数孔での地山補強効果を評価してから偶数孔の打設と注入改良を交互に反復施工する事が多い。通常、使用される鋼管は通称４．０インチの外径１１４．３ｍｍで肉厚：６ｍｍであり、一本あたり３．０ｍ程度に切断された鋼管の両端には接続用のオスメスネジが加工されている。
【０００４】
また、上記の注入式長尺鋼管先受け工法には掘削断面の拡幅が不要な、図９に示す「無拡幅型」（例えば、特許文献１参照）と、図１０に示す拡幅が必要な「拡幅型」及び図１１に示す「最小拡幅型」に大別される。当該先受け工法の一般的な１施工区間延長は、先頭管１０８、中間管１０９、端末管１１０と称する種類の鋼管を４本程度接続して鋼管１０７として、計１２．５ｍ程度を前方の地山に打ち込み、鋼管内部から固化材を注入して周辺の地山を補強する。この前方地山の補強によってトンネルの掘削は９．０ｍ程度掘削進行する施工区間延長を、いわゆる９ｍで１シフトと呼称している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７５２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の注入式長尺鋼管先受け工法は、「無拡幅型」と「拡幅型」に大別されるが、無拡幅型の最大の問題点は、打設する鋼管の打込み仰角が１０°以上と大きく、断面変化しない支保工との離隔が比例的に増大し、固化材の注入効果が発揮し難い範囲外で、トンネルの掘削時に鋼管下部の地山が剥離して崩落し易く、地質によっては施工の安全性が阻害される事がある。一方、拡幅型においては、鋼管の打設仰角は５°程度と小さいが、トンネルの掘削に伴って建て込む鋼製支保工は３段階程度で拡張するために大きく製作する必要がある。すなわち、当該先受け工法を開始する地点の支保工が最も大きな断面にする必要がある。この事は、急変する地山の地質性状に対応し難い側面を持ち合わせている。さらに、拡幅型はトンネルの掘削断面が一定距離間で大きくなったり小さくなったりするいわゆる、ノコギリの歯形状になり、トンネルの構造特性から安定的とは言えないことも有り、場合によっては凹部分には、二次覆工の施工前に吹付けコンクリート等で充填して平坦な形状にして安定化を図ることもあり、材料、労務等の経費増大に直結し易くなる場合が多い。また、最近のトンネル掘削においては、工期の短縮を含めた工事費の縮減傾向が顕著であり、従来の先受け工法より更に安全性が高くおよび施工性の良い廉価な工法の開発が求められている。
【０００７】
また、当該従来工法の注入式長尺鋼管先受け工法では、先頭管、中間管や端末管それぞれにおいて３．０ｍ〜４．０ｍ程度の定尺管を打設している。これにより各鋼管の接続箇所はトンネル掘削時点で同一断面に位置し、先受け部材としての剛性の弱点部分が同配置になり、外力の作用が顕著で軟弱な不良地山ではこの接続部分に荷重が集中して折損する事象に直結することも問題点として提起される場合もある。
【０００８】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、安全性が高くおよび施工性の良い廉価な長尺鋼管先受け工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、トンネルの掘削に先立って、切羽前方に放射状に打設した複数の鋼管内から周辺の地山に固化材を注入して先受けする長尺鋼管先受け工法において、先受け区間の断面において、上下に二重以上の前記鋼管が配置されていることを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載において、前記トンネルの仰工から天端までの天地高さの１／２以下の距離で長尺鋼管先受けを施工することを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載において、前記切羽前方に打設する鋼管は、前回打設した複数の鋼管のうちの隣り合う鋼管の間隔の中間位置から打設することを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項記載において、前記切羽前方に打設する鋼管は、軸方向長さが異なる複数の管を有し、複数の該鋼管の間で前記管の接合箇所が軸方向に異なることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項記載において、前記切羽前方に打設する鋼管は、呼び径が２．０インチ、２．５インチ、３．０インチ、４．０インチ、５．０インチのうちから選定できることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の長尺鋼管先受け工法によると、先受け区間の断面において、上下に二重以上の鋼管が配置されているので、高品質の先受け効果が得られる。さらに無拡幅型でも端末管を延長することで拡幅型と同程度の打設角度で先受けが施工できるため、先受け鋼管と支保工が近接し、固化材との改良効果も合わせて、トンネル掘削時の天端からの剥落抑制に作用する。その結果、安全性が高くおよび施工性の良い廉価な長尺鋼管先受け工法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
【図１】実施例に係る長尺鋼管先受け工法を説明するための説明図であり、（ａ）はトンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、（ｂ）はトンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。
【図２】上記長尺鋼管先受け工法で用いられる鋼管を説明するための説明図であり、（ａ）は組付状態の鋼管を示し、（ｂ）分解状態の鋼管を示す。
【図３】上記長尺鋼管先受け工法の施工順序を説明するための説明図であり、（ａ）は第１シフト目打設を示し、（ｂ）は第２シフト目打設を示す。
【図４】上記長尺鋼管先受け工法の施工順序を説明するための説明図であり、（ａ）は第３シフト目打設を示し、（ｂ）は第４シフト目打設を示す。
【図５】上記長尺鋼管先受け工法の施工順序を説明するための説明図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ線断面拡大図を示し、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面拡大図を示す。
【図６】上記長尺鋼管先受け工法の施工順序を説明するための説明図であり、（ａ）は図４のＡ−Ａ線断面拡大図を示し、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ線断面拡大図を示す。
【図７】図３（ａ）の要部拡大図である。
【図８】図３（ｂ）の要部拡大図である。
【図９】従来の長尺鋼管先受け工法（無拡幅型）を説明するための説明図であり、（ａ）はトンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、（ｂ）はトンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。
【図１０】従来の長尺鋼管先受け工法（拡幅型）を説明するための説明図であり、（ａ）はトンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、（ｂ）はトンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。
【図１１】従来の長尺鋼管先受け工法（最小拡幅型）を説明するための説明図であり、（ａ）はトンネルの軸方向に略直交する横断面を示し、（ｂ）はトンネルの軸方向に沿う縦断面を示す。
【図１２】従来の長尺鋼管先受け工法で用いられる鋼管を説明するための説明図であり、（ａ）は組付状態の鋼管を示し、（ｂ）分解状態の鋼管を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
【００１３】
１．長尺鋼管先受け工法
本実施形態１．に係る長尺鋼管先受け工法は、トンネルの掘削に先立って、切羽前方に放射状に打設した複数の鋼管（７）内から周辺の地山に固化材を注入して先受けする長尺鋼管先受け工法において、先受け区間の断面において、上下に二重以上の鋼管（７）が配置されていることを特徴とする（例えば、図１等参照）。なお、上記「先受け区間」とは、トンネルを掘削する施工区間延長を意図する。また、上記「断面」とは、トンネルの軸方向に略直交する横断面を意図する。
【００１４】
上記工法は、無拡幅型、拡幅型にも対応しながら、鋼管の打設角度を５〜８°に設定できる。この解決手段として、端末鋼管の一本当りの長さを従来の３．０ｍ程度から４．０ｍ程度まで延伸した。この鋼管を延伸することで、拡幅型に分類される先受けでも、従来の拡幅高さが標準の３０ｃｍから１０ｃｍ程度に制限することができる。
【００１５】
本実施形態１．に係る長尺鋼管先受け工法としては、例えば、上記トンネルの仰工（６）から天端までの天地高さ（ｈ）の１／２以下の距離で長尺鋼管先受けを施工する形態（例えば、図１等参照）を挙げることができる。これにより、トンネルの切羽前方地山が長距離に亘って軟弱で固結度の低い不良地山が継続し、当該長尺鋼管先受け方法を連続して施工する場合において適正な施工区間延長であるシフト長で施工できる。
【００１６】
本実施形態１．に係る長尺鋼管先受け工法としては、例えば、上記切羽前方に打設する鋼管（７）は、前回打設した複数の鋼管（７’）のうちの隣り合う鋼管の間隔の中間位置から打設する形態（例えば、図５及び図６等参照）を挙げることができる。この場合、前回施工した多重先受け工法の鋼管打設を奇数孔のみとし、今回打設する鋼管を偶数孔のみとすることで、鋼管が千鳥配置される。このように鋼管を千鳥配置としてシフト毎に打設して、更に施工区間延長であるシフト長を５．０ｍ程度に設定することで、上述の多重配置を更に好適に実現できる。
【００１７】
上述の形態では、例えば、シフト毎に打設する鋼管は、従来４５ｃｍ程度の間隔を、奇数孔、偶数孔を縦断的に交互施工することで、その倍の間隔９０ｃｍのいわゆる千鳥配置にして打設本数を１／２にも関わらず掘削長を５．０ｍ程度に制限することで、どの掘削断面でも二重以上の多重構造により高品質の先受け効果が得られる（例えば、図１等参照）。さらに無拡幅型でも端末管を延長することで拡幅型と同程度の打設角度で先受けが施工できるため、先受け鋼管と支保工が近接し、固化材との改良効果も合わせて、トンネル掘削時の天端からの剥落抑制に作用する。このことは、地山の不良程度の性状により、後述するように、２．０インチ、２．５インチ、３．０インチ、４．０インチ、５．０インチの鋼管径を選択することでより効果的で経済的に不良地山の支持に作用する。
【００１８】
本実施形態１．に係る長尺鋼管先受け工法としては、例えば、上記切羽前方に打設する鋼管（７）は、軸方向長さが異なる複数の管（９）を有し、複数の鋼管の間で管の接合箇所（９ａ，９ａ’）が軸方向に異なる形態（例えば、図７及び図８等参照）を挙げることができる。これにより、打設する鋼管のうち中間管の長さを地山性状に合致させて変化させることで、鋼管剛性の弱点部を分散して、外力に対抗できるより信頼性の高い先受け工を提供できる。
【００１９】
上述の形態について、固結度の低い軟弱な不良地山では、トンネルの掘削に伴って先行緩み荷重と称する土荷重が先受け鋼管に作用する。従来の長尺鋼管先受け工法に使用する鋼管は、先頭管、中間管、端末管の長さがそれぞれ定尺であり、接合部分が同一断面に揃い易い。強度的に最も弱点である接続位置を不一致にすることで、先受けとしての鋼管耐力を均一化して安定的に地山の緩み荷重に作用し対抗する。また、上述の形態では、例えば、同一の切羽前方に打設する複数の鋼管（７）の間で管（９）の接合箇所（９ａ）を軸方向に異ならせたり、前回打設した鋼管（７’）と今回打設した鋼管（７）との間で管（９’、９）の接合箇所（９ａ’、９ａ）を軸方向に異ならせたりできる。
【００２０】
本実施形態１．に係る長尺鋼管先受け工法としては、例えば、上記切羽前方に打設する鋼管は、呼び径が２．０インチ（５０Ａ、外径６０．５ｍｍ）、２．５インチ（６５Ａ、外径７６．３ｍｍ）、３．０インチ（８０Ａ、外径８９．１ｍｍ）、４．０インチ（１００Ａ、外径１１４．３ｍｍ）、５．０インチ（１２５Ａ、外径１３９．８ｍｍ）のうちから選定できる形態を挙げることができる。これにより、トンネルを施工する地質に応じて、適当な外径の鋼管を選択でき、地山性状に合致した最適で廉価な先受け工法が実現できる。
【実施例】
【００２１】
以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２２】
山岳トンネルを掘進中、支持力が欠如した軟弱な不良地山が出現し、掘削の継続が困難あるいは不可能になる場合、一旦切羽の進行を停止して対策を講じる。地山の不良程度にもよるが一般的には、注入式長尺鋼管先受け工法が採用される事が多い。
【００２３】
本実施例に係る長尺鋼管先受け工法では、図１（ａ）（ｂ）に示すように、切羽先端側の支保工１の内周部から切羽前方に６°程度の仰角で放射状に鋼管７を打設する。なお、図１中において、符号２は金網を示し、符号３は吹付コンクリートを示し、符号４は覆工コンクリートを示し、符号５は鏡吹付コンクリートを示し、符号６は仰工（「インバート」とも称される。）を示す。
【００２４】
上記鋼管７は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、先頭管８、中間管９、端末管１０に区分される。本実施例では、先頭管８を３．８ｍ〜４．０ｍに設定し、中間管９については３．５ｍと２．５ｍを基本として奇数孔、偶数孔とで使い分ける。また端末管１０は４．０ｍに設定する。
【００２５】
奇数孔の鋼管割付は、先頭管８：３．８ｍ、中間管９：３．５ｍ×１本＋２．５ｍ×１本、端末管１０：４．０ｍで計１３．８ｍであり、偶数孔に付いては、先頭管８：３．８ｍ、中間管９：２．５ｍ×１本、端末管１０：４．０ｍの計１０．３ｍになる。ここでシフト長は５．０ｍで無拡幅型の先受けを実施例とする。このシフト長（５．０ｍ）は、トンネルの仰工６から天端までの天地高さｈの１／２以下の距離とされている（図１（ａ）参照。
【００２６】
当該鋼管先受け工を開始する第１シフト目は、図３（ａ）及び図５（ａ）に示すように、奇数孔、偶数孔は同一断面から同時に施工する。このときの打設角度は６．０°程度に抑制して打設することで、掘削開始後支保工基数４基目で鋼管７が掘削断面外に交差移設される。なお、上記第１シフトの施工後には、図７に示すように、今回打設した複数の鋼管７の間で中間管９の接合箇所９ａが軸方向に異なる。また、図３〜図６において、今回打設した鋼管を符号７で示し、前回打設した鋼管を符号７’で示す。また、奇数孔に打設される鋼管７、７’を破線で示し、偶数孔に打設される鋼管７、７’を実線で示す。
【００２７】
当該無拡幅型は、支保工１の建て込み分である１．０ｍについて端末管１０を壊しながら掘削進行することで、撤去すること無く先受け部材として地山外力に対抗する。トンネル掘削を継続しながら、自立が困難な不良地山が連続することが予測される場合は、掘削が５．０ｍ進行した時点で第２シフトを施工する。
【００２８】
第２シフトでは、図３（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、第１シフトの偶数孔を施工した打設位置を当該切羽の鏡部に再現してマーキング後、先頭管８：３．８ｍ、中間管９：３．５ｍ×１本＋２．５ｍ×１本、端末管１０：４．０ｍの計１３．８ｍを偶数孔分について施工する。なお、上記第２シフトの施工後には、図８に示すように、今回打設した複数の鋼管７の間で中間管９の接合箇所９ａが軸方向に異なるとともに、前回打設した鋼管７’の中間管９’の接合箇所９ａ’と今回打設した鋼管７の中間管９の接合箇所９ａとが軸方向に異なる。
【００２９】
依然として不良地山が連続する場合は、図４（ａ）及び図６（ａ）に示すように、第３シフトとして奇数孔位置に偶数孔と同様の鋼管割付けで打設する、いわゆる千鳥配置で施工する。さらに必要に応じて、図４（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、第４シフトとして偶数孔位置に奇数孔と同様の鋼管割付けで打設して千鳥配置で施工する。なお、上記第３及び第４シフトの施工後には、第２シフトの施工後と略同様にして、今回打設した複数の鋼管７の間で中間管９の接合箇所９ａが軸方向に異なるとともに、前回打設した鋼管７’の中間管９’の接合箇所９ａ’と今回打設した鋼管７の中間管９の接合箇所９ａとが軸方向に異なる。
【００３０】
本実施例では、４．０インチ鋼管を提示したが、地山の不良程度やトンネルの断面積等の諸条件により、また割付け鋼管長の検討も必要であるが、２．０〜５．０インチ鋼管等にも適用でき、より効果的で経済的な長尺鋼管先受け工法を提供できる。
【００３１】
なお、余談になるが、地山が良化して、当該先受け工等の補助工法が不要になり通常の支保工で安定的にトンネルの掘削を進行できる場合は、一般的に１４ｍ程度の長尺鋼管を打設する時のノミ下りや削岩機の回転油圧の動向等の手応えで前方地山の安定化傾向等地山性状が把握し易く、次工程である次のシフトを実現するかの評価をする手段の一つになる。
【００３２】
ここで、山岳トンネル分野で、従来から切羽が自立し難く何らかの対策を講じないとトンネルの掘削が困難あるいは不能になる場合に、一般的には先受け等の補助工法が対策工として採用される事が多い。その中でも、地山の不良程度にもよるが多く採用されている補助工法が注入式長尺鋼管先受け工法である。
【００３３】
従来の長尺鋼管先受け工法の一般的な仕様は、４．０インチ（１００Ａ、外径：１１４．３ｍｍ)程度の鋼管を４本接続して１２．５ｍを４５ｃｍピッチでトンネル外周１２０°に打設し、鋼管内部から地山に固化材を注入し地山を補強することで、補助工法に分類される。また１２．５ｍの鋼管をトンネルアーチ状に先受けして掘削を再開するが、その掘削長は９．０ｍでいわゆる９ｍシフトが一般的である。
【００３４】
本実施例の長尺鋼管先受け工法では、対象になる不良地山の程度によるが、２．０インチ（外径６０．５ｍｍ）、２．５インチ（外径７６．３ｍｍ）、３．０インチ（外径８９．１ｍｍ）、４．０インチ（外径１１４．３ｍｍ）、５．０インチ（外径１３９．８ｍｍ）から選定が可能であり、シフト長を５ｍ程度に設定することで従来の鋼管先受け工法の１／２程度の打設本数で先受け施工区間においてどの任意位置ででも二重以上の多重構造が確保される。また中間管９の長さを変更することで、鋼管７の強度低下に直結する接続が同位置ではなり難く、より信頼性の高い先受け工法が実現し、従来工法と比較して一般的に使用されている４．０インチ鋼管を例にすると、本実施例工法では工程的に９／１０程度に短縮できる。
【００３５】
尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更することができる。上記実施例では、無拡幅型の長尺鋼管先受け工法を例示したが、これに限定されず、拡幅型又は最小拡幅型の長尺鋼管先受け工法としてもよい。
【００３６】
さらに、上記実施例では、連続する複数の先受け区間で長尺鋼管先受け工法を実施する形態を例示したが、これに限定されず、例えば、単一の先受け区間で長尺鋼管先受け工法を実施してもよい。
【００３７】
また、上記実施例では、軸方向長さの異なる複数の中間管９の接合順序を異ならせて鋼管７を構成して接合箇所９ａを軸方向に異ならせるようにしたが、これに限定されず、例えば、軸方向長さの異なる先頭管８又は端末管１０を用意し、これら先頭管８又は端末管１０を選択的に採用して鋼管７を構成して接合箇所９ａを軸方向に異ならせるようにしてもよい。
【００３８】
さらに、上記実施例では、同一の切羽前方に打設する複数の鋼管７のうちの全ての隣接する一対の鋼管７の間で接合箇所９ａを軸方向に異ならせるようにしたが、これに限定されず、例えば、同一の切羽前方に打設する複数の鋼管７のうちの隣接する一対の鋼管７の間で接合箇所９ａが軸方向に異なるものと接合箇所９ａが軸方向に一致するものとが混在していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
トンネルの掘削に先立って地山を補強する長尺鋼管先受け工法に関する技術として広く利用される。
【符号の説明】
【００４０】
１；支保工、２；金網、３；吹付コンクリート、４；覆工コンクリート、５；鏡吹付コンクリート、６；仰工、７，７’；鋼管、８；先頭管、９；中間管、１０；端末管、ｈ；天地高さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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