(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削することで、トンネルを掘り進めるステップと、
前記地山を掘削した領域において、前記トンネルの天井面から両側面にわたって、前記トンネルの周方向に支保工を設置するステップと、
前記トンネルの切羽の掘削面において、前記周方向に所定の間隔を空けて複数の補強管を打設するステップであって、前記掘削面から前記トンネルの掘進方向前方に位置する掘削予定の第１領域に打設される第１部分、及び前記第１領域の放射方向外側に隣接する第２領域に打設される第２部分を当該複数の補強管それぞれが有するように、前記支保工から放射方向内側に離間した位置に、前記掘進方向に対して所定の仰角で当該複数の補強管それぞれを打設するステップと、
を備え、
前記複数の補強管それぞれの軸線方向の長さは、１５５００ｍｍ〜１８５００ｍｍであり、
前記打設するステップでは、先端部に削孔ビットが装着された削孔ロッドを前記複数の補強管それぞれに挿入し、当該削孔ビットにより削孔しながら前記複数の補強管それぞれを打設し、
前記複数の補強管それぞれは、前記第１部分により前記掘削面を補強するため、前記支保工から放射方向内側に９００ｍｍ〜１３００ｍｍ離間した位置に、前記掘進方向に対して８度〜１２度の仰角で、かつ前記第１部分と前記第２部分との比率が１：０．８〜１：１．２になるように、打設される、
トンネル施工方法。
【請求項２】
前記複数の補強管それぞれの少なくとも前記第１部分には、前記掘削の際に切除可能なように１又は複数のスリットが設けられる、
請求項１に記載のトンネル施工方法。
【請求項３】
前記複数の補強管それぞれの少なくとも前記第１部分は、前記掘削の際にせん断可能な樹脂材料で構成される、
請求項１又は２に記載のトンネル施工方法。
【請求項４】
前記複数の補強管それぞれの外周面には、軸方向に所定の間隔で、螺旋状に延びる凹部が設けられ、
前記凹部には、前記第１部分の壁を径方向に貫通する貫通孔が設けられる、
請求項１から３のいずれか１項に記載のトンネル施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、先受け区間の断面において、上下に二重以上の鋼管を配置する長尺鋼管先受け工法が提案されている。この長尺鋼管先受け工法では、打設される各鋼管は、軸方向の長さが異なる複数の管を有しており、複数の鋼管の間で、各管の接合箇所が、軸方向に異なるようにすることで、鋼管剛性の弱点部を分散している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０６２３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１及び図２を用いて、特許文献１に例示される従来のトンネル施工方法の問題点について説明する。図１及び図２は、従来例に係るトンネル施工方法を模式的に例示する縦断面図及び横断面図である。従来のトンネル施工方法では、所定の間隔で地山を掘削することで、トンネル８０を掘り進めていく。
【０００５】
地山を掘削した領域では、トンネル８０の天井面から両側面にわたって、トンネル８０の周方向に（鋼製）支保工９０を設置すると共に、天井面、両側面、及び掘削面８２を含む掘削抗壁に吹付コンクリート９１を施工する。また、更に、その後、トンネル８０の支保材として、吹付コンクリート９１表面からほぼ直交方向に、即ちトンネル周囲の地山に放射方向にロックボルト９２を打設する。
【０００６】
一方、トンネル８０の切羽８１の崩落を防ぐため、トンネル８０の支保とは別の補助工法（詳細には、先受け工）として、トンネル掘進の所定長ごとに、周方向に所定の間隔を空けて、掘削面８２直近の支保工９０をガイドとして切羽前方地山に向けて所定の仰角で、複数の第１補強管９５を掘削面（鏡面）８２から打設し、補強管９５内外に注入材を注入して地山を一体化する。このとき、各第１補強管９５の後端の一部は、掘削面８２から掘進方向前方に位置する掘削予定の領域８３に打設されるが、第１補強管９５の殆どの部分は、掘削予定の領域８３の上側の周囲領域８４に打設され、領域８３の上方を覆うように配置される。
【０００７】
各第１補強管９５及びその周辺地山に注入された注入材は、トンネル８０を更に掘り進める際に、トンネル８０上の周囲領域８４の地山を一体化して掘進時の崩落を抑制する。また、周囲領域８４の地山を一体化しても掘削面８２に向けて切羽前方地山が押し出してくる山では、更なる補助工法（詳細には、鏡補強工）として、掘進方向前方に向けて水平方向に複数の第２補強管９６を掘削面８２から打設すると共に必要に応じその周囲に注入材を注入することで、切羽前方地山を補強し安定性を高めていた。そのため、従来のトンネル施工方法では、所定の掘進長ごとに、第１補強管９５及び第２補強管９６の２種類の補強管を別行程で打設することになり、支保とは異なる仮設資材である補助工法の施工効率が悪く、またコストが高くなってしまうという問題点があった。
【０００８】
なお、補助工法を施工した後、トンネル８０を更に掘り進める際には、各第１補強管９５の後端の一部及び各第２補強管９６と共に地山を掘削する。この過程において、各第１補強管９５の残りの部分が、既設の補強管９５Ａとして先受け工の役割を果たすように周囲領域８４を一体化している。また、切羽８１の後方では、吹付コンクリート９１の表面に防水シート（不図示）を敷設した後、移動式型枠をセットして、二次覆工コンクリート９３を施工する。これらの工程が目的の範囲で完了することで、トンネル８０は完成する。
【０００９】
本発明は、一側面では、このような点を考慮してなされたものであり、その目的は、低コストで切羽前方地山の補強を効率的に行うことのできるトンネル施工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
【００１１】
すなわち、本発明の一側面に係るトンネル施工方法は、地山を掘削することで、トンネルを掘り進めるステップと、前記地山を掘削した領域において、前記トンネルの天井面から両側面にわたって、前記トンネルの周方向に支保工を設置するステップと、前記トンネルの切羽の掘削面において、前記周方向に所定の間隔を空けて複数の補強管を打設するステップであって、前記掘削面から前記トンネルの掘進方向前方に位置する掘削予定の第１領域に打設される第１部分、及び前記第１領域の放射方向外側に隣接する第２領域に打設される第２部分を当該複数の補強管それぞれが有するように、前記支保工から放射方向内側に離間した位置に、前記掘進方向に対して所定の仰角で当該複数の補強管それぞれを打設するステップと、を備える。
【００１２】
当該トンネル施工方法では、トンネルの切羽の掘削面において、周方向に所定の間隔を空けて複数の補強管を打設する。このとき、掘削予定の第１領域に打設される第１部分及び第１領域の放射方向外側に隣接する第２領域に打設される第２部分を各補強管が有するように、支保工から放射方向内側に離間した位置に、掘進方向に対して所定の仰角で各補強管を打設する。
【００１３】
これにより、各補強管の第２部分を、切羽における第２領域からの崩落を抑制する先受け工として機能させつつ、各補強管の第１部分を、切羽前方地山の安定性を高める鏡補強工として機能させることができる。すなわち、先受け工及び鏡補強工の２つの役割を各補強管に持たせることができる。したがって、本発明によれば、低コストで切羽前方地山の補強を効率的に行うことができる。
【００１４】
また、上記一側面に係るトンネル施工方法において、前記複数の補強管それぞれは、前記第１部分により前記掘削面を補強するため、前記支保工から放射方向内側に９００ｍｍ〜１３００ｍｍ離間した位置に打設されてよい。当該構成によれば、各補強管の第１部分により、切羽前方地山の安定性を十分に高めることができる。
【００１５】
また、上記一側面に係るトンネル施工方法において、前記第１部分と前記第２部分との比率が１：０．８〜１：１．２になるように、前記複数の補強管は打設されてよい。当該構成によれば、第１部分及び第２部分それぞれに先受け工及び鏡補強工それぞれの役割を十分に発揮させることができる。したがって、当該構成によれば、切羽を適切に補強することができる。
【００１６】
また、上記一側面に係るトンネル施工方法において、前記複数の補強管それぞれは、前記掘進方向に対して８度〜１２度の仰角で打設されてよい。当該構成によれば、第１部分及び第２部分それぞれに先受け工及び鏡補強工それぞれの役割を十分に発揮させることができる。したがって、当該構成によれば、切羽前方地山をより適切に補強することができる。
【００１７】
また、上記一側面に係るトンネル施工方法において、前記複数の補強管それぞれの少なくとも前記第１部分には、前記掘削の際に切除可能なように１又は複数のスリットが設けられてよい。当該構成によれば、地山の更なる掘削をする際に、各補強管において掘削断面内に露出することとなる第１部分を容易に切断することができる。これにより、トンネルの施工性を高めることができる。
【００１８】
また、上記一側面に係るトンネル施工方法において、前記複数の補強管それぞれの少なくとも前記第１部分は、前記掘削の際にせん断可能な樹脂材料で構成されてよい。当該構成によれば、地山の更なる掘削をする際に、各補強管の第１部分を容易に切断することができる。これにより、トンネルの施工性を高めることができる。なお、せん断可能な樹脂材料の一例として、例えば、繊維補強プラスチック、樹脂管等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、低コストで切羽前方地山の補強を効率的に行うことのできるトンネル施工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、従来例に係るトンネル施工方法を例示する縦断面図である。
【図２】図２は、従来例に係るトンネル施工方法を例示する横断面図である。
【図３】図３は、実施の形態に係るトンネル施工方法を例示する縦断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係るトンネル施工方法を例示する横断面図である。
【図５】図５は、実施の形態に係るトンネル施工方法を例示する斜視図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る各補強管の打設場面を例示する。
【図７】図７は、実施の形態に係る各補強管の打設場面を例示する。
【図８】図８は、実施の形態に係る補強管を例示する。
【図９】図９は、実施の形態に係る補強管を例示する部分断面図である。
【図１０】図１０は、実施例に係るトンネル施工方法を例示する。
【図１１】図１１は、比較例に係るトンネル施工方法を例示する。
【図１２】図１２は、シミュレーションの概念を示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、実施例のＡ−Ａ断面における変位量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、実施例のＡ−Ａ断面におけるせん断ひずみ量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、実施例のＡ−Ａ断面における塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施例のＢ−Ｂ断面における変位量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施例のＢ−Ｂ断面におけるせん断ひずみ量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、実施例のＢ−Ｂ断面における塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。
【図１５Ａ】図１５Ａは、比較例のＣ−Ｃ断面における変位量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、比較例のＣ−Ｃ断面におけるせん断ひずみ量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、比較例のＣ−Ｃ断面における塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、比較例のＤ−Ｄ断面における変位量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、比較例のＤ−Ｄ断面におけるせん断ひずみ量分布のシミュレーション結果を示す。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、比較例のＤ−Ｄ断面における塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形が行われてもよい。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。
【００２２】
§１  施工方法
まず、図３〜図５を用いて、本実施形態に係るトンネル１０の施工方法について説明する。図３〜図５は、本実施形態に係るトンネル１０の施工方法を模式的に例示する縦断面図、横断面図、及び斜視図である。
【００２３】
（第１ステップ）
本実施形態では、まず、所定の掘進長ずつ地山を掘削することで、トンネル１０を掘り進める工程（以下、掘削工程とも記載する）を実施する。地山を掘削する掘進長は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。また、この地山の掘削工程は、公知の方法により実施可能である。このとき、地山の掘削には、公知の掘削機が用いられてよい。
【００２４】
（第２ステップ）
続いて、各図に示されるとおり、地山を掘削した領域において、トンネル１０の天井面１０１から両側面１０２にわたって、トンネル１０の周方向に（鋼製）支保工２０を設置する工程（以下、支保工設置工程とも記載する）を実施する。この支保工２０は、掘進方向に所定の間隔で設置される。支保工２０を設置する間隔は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。また、支保工２０には、公知の支保工材が用いられてよい。例えば、支保工２０は、複数のＨ形鋼をアーチ状に連結することで構成される。
【００２５】
なお、図４に例示されるとおり、トンネル１０の横断面は、例えば、略円弧状に形成される。トンネル１０の周方向とは、このトンネル１０の円弧に沿う方向である。ただし、周方向は、円弧に正確に沿っていなくてもよい。トンネル１０の横断面の形状は、正確に円弧状に形成されていなくてもよいし、楕円形状、円形状等の円弧状以外の形状に形成されてもよい。周方向は、トンネル１０の内周に大まかに沿う方向であってよい。
【００２６】
また、支保工２０を設置した後、公知のコンクリート吹付機等を利用して、天井面１０１、両側面１０２、及び掘削面１２を含む掘削抗壁に吹付コンクリート２１を施工する。吹付コンクリート２１の厚みは、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。支保工２０が存在する場所では、吹付コンクリート２１は、当該支保工２０を埋めるように打設される。このとき、支保工２０は、吹付コンクリート２１から少なくとも部分的に露出してもよいし、吹付コンクリート２１に完全に埋設されてもよい。
【００２７】
更に、吹付コンクリート２１を打設した後、トンネル１０を更に補強するため、トンネル１０の放射方向に複数のロックボルト２２を周方向に間隔を空けて打設する。各ロックボルト２２の打設は、公知の方法により実施可能である。また、各ロックボルト２２には、公知のロックボルトが用いられてよい。これにより、支保工設置工程が完了する。
【００２８】
放射方向とは、トンネル１０の内周面（天井面１０１、各側面１０２）とトンネル軸心とを結ぶ線の延びる方向である。トンネル１０の軸心の位置は、当該トンネル１０の上半アーチ部分の円弧形状の中心となり得る位置である。図４には、放射方向の一例が示されている。ただし、トンネル１０の軸心は、厳密に規定されなくてもよい。放射方向は、トンネル１０の中央付近と内周面とを大まかに結ぶ線の延びる方向であってよい。
【００２９】
（第３ステップ）
次に、トンネル１０の切羽１１の掘削面１２において、周方向に所定の間隔を空けて複数の補強管３０を打設する工程（以下、補助工設置工程とも記載する）を実施する。このとき、図３に示されるとおり、本実施形態では、各補強管３０を、支保工２０から放射方向内側に離間した位置に、掘進方向に対して所定の仰角で打設する。これにより、各補強管３０は、掘削面１２からトンネル１０の掘進方向前方に位置する掘削予定の第１領域１３に打設される第１部分３１、及び第１領域１３の放射方向外側に隣接する第２領域に打設される第２部分３２を各補強管３０が有するように打設される。
【００３０】
なお、説明の便宜のため、隣接する補強管３０同士の周方向の間隔を「ピッチ（Ｐ）」と称し、支保工２０から放射方向内側に各補強管３０を離間させる距離を「離間距離（Ｈ）」と称し、掘進方向に対する各補強管３０の向き（角度）を「仰角（Ｅ）」と称する。ここで、掘進方向は、トンネル１０を掘り進めていく方向のことであり、トンネル１０の有する軸の延びる方向（軸方向）に一致する。
【００３１】
各補強管３０は、軸線方向（すなわち、長手方向）に延びる略円筒状に形成される。各補強管３０の構成及び各補強管３０を打設する方法の詳細は後述する。各補強管３０の軸線方向の長さは、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。各補強管３０の軸線方向の長さは、例えば、１５５００ｍｍ〜１８５００ｍｍ（１５．５ｍ〜１８．５ｍ）とすることができる。
【００３２】
また、支保工２０と各補強管３０との間の放射方向の離間距離Ｈ、第１部分３１と第２部分３２との比率、及び掘進方向に対する各補強管３０の仰角Ｅはそれぞれ、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
【００３３】
例えば、支保工２０と各補強管３０との間の放射方向の離間距離Ｈは、第１部分３１により掘削面１２を補強するため、９００ｍｍ〜１３００ｍｍとすることができる。第１部分３１と第２部分３２との比率は、１：０．８〜１：１．２とすることができる。各補強管３０の仰角Ｅは、８度〜１２度とすることができる。
【００３４】
これらの条件を全て満たすように各補強管３０を打設するのが好ましい。ただし、各補強管３０は、必ずしもこれら全ての条件を満たしていなくてもよい。なお、掘削面１２に打設される複数の補強管３０のうちの半数以上が上記各条件を満たすように打設されている場合に、各補強管３０の打設は、上記各条件に則して行われているものとする。
【００３５】
更に、補強管３０のピッチＰ、及び打設範囲は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。補強管３０の打設範囲は、トンネル１０の中心における各補強管３０の分布範囲の角度Ｓで規定することができる。例えば、補強管３０のピッチＰは、３００ｍｍ〜６００ｍｍとすることができる。また、補強管３０の打設範囲（角度Ｓ）は、９０度〜１８０度とすることができる。
【００３６】
なお、切羽１１は、掘削の現場である。切羽１１及び掘削面１２の位置は、上記掘削工程により所定の距離（間隔）分の掘削を実施する度に掘進方向前方に移動する。上記支保工設置工程及び当該補助工設置工程は、当該掘削工程により所定の距離分の掘削が完了する度に実施される。このとき、各掘削工程で掘削する距離は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。また、掘削する距離は、各掘削工程で必ずしも一致していなくてもよい。
【００３７】
補助工設置工程が完了後、掘削工程から工程を繰り返すことで、トンネル１０を更に掘り進める。このとき、掘削工程では、各補強管３０の第１部分３１と共に地山を掘削する。この過程において、各補強管３０の第２部分３２は、既設の補強管３０Ａとして第２領域１４に残存し、切羽１１における第２領域１４からの崩落を抑制する先受け工の役割を果たす。なお、図３及び４に示されるとおり、掘削工程を実施する間隔、すなわち、各補強管３０を打設する間隔は、トンネル１０の横断面において同一の放射方向に複数の補強管３０（３０Ａ）がオーバーラップするように決定されるのが好ましい。
【００３８】
（第４ステップ）
トンネル１０の掘削が十分に進んだ段階で、切羽１１の後ろの方で、吹付コンクリート２１の表面に防水シート（不図示）を敷設する。そして、移動式型枠をセットして、二次覆工コンクリート２３を施工する。これらの工程が目的の範囲で完了することで、トンネル１０は完成する。完成したトンネル１０は、（鋼製）支保工２０、吹付コンクリート２１、ロックボルト２２、及び二次覆工コンクリート２３によって支保されている状態となる。
【００３９】
［打設方法］
次に、図６及び図７を用いて、各補強管３０の打設方法について説明する。図６は、本実施形態に係る各補強管３０の打設場面を模式的に例示する。図７は、図６の部分拡大図である。本実施形態に係る各補強管３０は、ドリルジャンボ６０を用いた二重管削孔打設方式により打設可能である。
【００４０】
具体的に、ドリルジャンボ６０は、ドリフタ６１、ガイドセル６２、削孔ロッド６３、及び削孔ビット６４を備えている。削孔ロッド６３の後端は、ドリフタ６１に連結される。このドリフタ６１は、削孔ロッド６３に回転力及び打撃力を供給するように構成されている。また、ガイドセル６２には、打設する対象の補強管３０が配置されており、この補強管３０内に削孔ロッド６３が挿入される。削孔ロッド６３の長さは補強管３０よりも長くなっており、補強管３０の先端からは削孔ロッド６３の先端部が露出する。この露出した削孔ロッド６３の先端部には、削孔ビット６４が装着されている。
【００４１】
このドリルジャンボ６０を用いて、各補強管３０を次のように打設することができる。すなわち、補強管３０を削孔ロッド６３に装着した状態でドリフタ６１を駆動して、削孔ロッド６３に回転力及び打撃力を供給することで、削孔ロッド６３の先端部に装着された削孔ビット６４により掘削面１２に削孔を形成する。続いて、補強管３０を打設するのに十分な深さを有する削孔を形成した後、形成した削孔内に補強管３０を残したまま、当該補強管３０内部空間を介して削孔ロッド６３及び削孔ビット６４を削孔から引き抜く。そして、セメント系、レジン系、水ガラス系等の固結材を補強管３０内に注入して、補強管３０と削孔との間の隙間及び補強管３０の内部空間に固結材を充填する。これにより、各補強管３０を打設することができる。
【００４２】
［補強管］
次に、図８及び図９を用いて、上記トンネル施工方法に利用可能な各補強管３０の一例について説明する。図８は、本実施形態に係る補強管３０を模式的に例示する。図９は、補強管３０を模式的に例示する部分断面図である。
【００４３】
本実施形態に係る各補強管３０は、１ｍ〜３．５ｍ程度の長さで周壁に所定ピッチで固結材吐出用の貫通孔５２が穿設された複数の管体（４０、４１）を所定全長となるように直列に連結することで構成される。連結の方法は、ネジ継手、或いは溶接等による。各第１管体４０は補強管３０の後端側に配置され、各第２管体４１は補強管３０の前端側に配置される。基本的には、各第１管体４０は、第１領域１３に打設される第１部分３１を構成し、各第２管体４１は、第２領域１４に打設される第２部分３２を構成する。ただし、各補強管３０の第１部分３１及び第２部分３２の構成は、このような例に限定されなくてもよい。例えば、本実施形態では、第２部分３２は、後述する環状スリット５４を備える第１管体４０の一部を含んでよい。これにより、寸法誤差等によって、第２部分３２の一部が第１領域１３に打設されてしまった場合に、第１領域１３に打設された第２部分３２の一部を容易に切除可能にすることができる。
【００４４】
図９に示されるとおり、第１管体４０の外周面には、軸方向に所定の間隔で、螺旋状に延びる凹部５１と、周方向に１周り分（３６０度）延びる環状スリット５４と、が設けられている。凹部５１内には、第１管体４０の壁を径方向に貫通する貫通孔５２が設けられており、この貫通孔５２の位置に合わせて、隣接する環状スリット５４の間で軸線方向に延びる縦断スリット５３が設けられている。なお、第２管体４１は、第１管体４０から縦断スリット５３及び環状スリット５４を省略した構成を有している。すなわち、第２管体４１の外周面には、凹部５１及び貫通孔５２のみが設けられている。
【００４５】
貫通孔５２は、上記補助工設置工程を実施する際、補強管３０内に注入した固結材を補強管３０の外側、すなわち、補強管３０外側の周囲の地山に吐出する役割を果たす。貫通孔５２から吐出された固結材は、補強管３０と削孔との隙間を埋めると共に補強管３０の周囲の地山に広がる。これにより、補強管３０は、良好に定着され、固結材が注入された地山と一体となって、切羽前方及び掘削断面上方の地山が安定化される。
【００４６】
このとき、貫通孔５２は、凹部５１内に存在するため、削孔の内壁に塞がれることはなく、固結材を適切に吐出することができる。更に、補強管３０が削孔の内壁に密着していても、貫通孔５２から吐出された固結材は、凹部５１に沿って削孔内全体に広がることができる。
【００４７】
また、環状スリット５４は、上記掘削工程の際に、掘削機等により第１管体４０を切除可能にするために設けられる。すなわち、上記掘削工程では、掘削機等の刃を環状スリット５４に入れて、第１管体４０を切除しながら地山を掘削する。更に、切除した第１管体４０を、縦断スリット５３を利用して、軸線方向に水平な面で分解することができる。これにより、第１管体４０内で固結した固結材と第１管体４０とを分離することができる。
【００４８】
この縦断スリット５３及び環状スリット５４は、補強管３０のうちの少なくとも第１部分３１を構成する第１管体４０に設けられればよい。また、縦断スリット５３及び環状スリット５４それぞれの数は、実施の形態に応じて適宜決定されてよく、１つであってもよいし、複数であってもよい。
【００４９】
以上のような構成を有する各補強管３０の材料は、実施の形態に応じて適宜決定されてよく、例えば、掘削の際にせん断可能な樹脂材料が用いられてよい。せん断可能な樹脂材料の一例として、例えば、繊維補強プラスチック、樹脂管等を挙げることができる。
【００５０】
§２  特徴
以上のとおり、本実施形態に係るトンネル施工方法では、支保工２０から放射方向内側に離間した位置で、掘進方向に対して所定の仰角で各補強管３０を打設する。これにより、各補強管３０の第１部分３１が第１領域１３に打設され、第２部分３２が第２領域１４に打設される。
【００５１】
第１領域１３は、切羽１１から前方の掘削予定の地山であり、第２領域１４は、掘削予定範囲の上方に位置する地山である。そのため、各補強管３０の第２部分３２を、切羽１１における第２領域１４からの崩落を抑制する先受け工として機能させつつ、各補強管３０の第１部分３１を、切羽１１の前方地山の安定性を高める鏡補強工として機能させることができる。
【００５２】
したがって、本実施形態によれば、先受け工及び鏡補強工の２つの役割を各補強管３０に持たせることができるため、先受け工及び鏡補強工を別々に施工しなくてもよくなり、低コストで切羽１１の補強を効率的に行うことができる。加えて、後述する実施例のシミュレーション結果で示されるとおり、本実施形態によれば、切羽１１の押出方向に向かって、トンネル１０の軸方向の抗力を各補強管３０により発現させることができ、切羽１１の補強効果を高めることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、各補強管３０の長さを１５５００ｍｍ〜１８５００ｍｍとし、離間距離Ｈを９００ｍｍ〜１３００ｍｍとし、仰角Ｅを８度〜１２度とし、第１部分３１と第２部分３２との比率を１：０．８〜１：１．２とすることができる。これによって、第１部分３１及び第２部分３２それぞれに先受け工及び鏡補強工それぞれの役割を十分に発揮させることができ、切羽１１前方地山の安定性をより合理的に高めることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、各補強管３０の少なくとも第１部分３１に縦断スリット５３及び環状スリット５４を設け、各補強管３０の材料に、せん断可能な樹脂材料を用いることができる。これによって、補助工設置工程で各補強管３０を打設した後、地山を更に掘削する際に、当該各補強管３０の第１部分３１を容易に切断することができる。したがって、本実施形態によれば、トンネル１０の施工性を高めることができる。
【００５５】
§３  変形例
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
【００５６】
上記実施形態の補助工打設工程では、二重管削孔打設方式により各補強管３０を打設している。しかしながら、各補強管３０の打設方法は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。また、各補強管３０の構成は、上記実施形態の例に限定されなくてもよい。各補強管３０の構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が可能である。
【００５７】
また、上記実施形態では、支保工２０から放射方向内側に離間した位置に打設される補強管３０以外の補強管は存在していない。しかしながら、上記実施形態に係るトンネル施工方法は、このような例に限定されなくてもよい。例えば、補強管３０の他に、従来と同様に打設される補強管が存在してもよい。すなわち、上記実施形態は、従来のフォアパイリング、更なる長尺鏡補強工等と併用されてよい。また、例えば、各補強管３０の代わりに、スタビライザーを備え、湾曲した形状を有する鋼管が用いられてもよい。
【００５８】
§４  実施例
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定される訳ではない。
【００５９】
図１０は、実施例に係るトンネル施工方法を示す。また、図１１は、比較例に係るトンネル施工方法を示す。実施例では、上記実施形態と同様の方法で補強管を打設するものと設定した。一方、比較例では、上記図１及び図２で示した従来例と同様に第１補強管（補強管）を打設するものと設定し、第２補強管の打設を省略した。実施例及び比較例の各パラメータは以下のとおりである。なお、比較例のパラメータは、標準的なトンネルの施工条件に基づいて設定した。
【００６０】
＜実施例のパラメータ＞
・補強管：鋼管（外径：７６．３ｍｍ、肉厚：４．２ｍｍ）
・補強管の長さ（打設長）：１７５００ｍｍ（１７．５ｍ）
・補強管の単位体積重量（γ）：７８ｋＮ／ｍ3
・補強管の弾性係数（Ｅ）：２１００００ＭＰａ
・補強管の断面積：０．９５×１０-3ｍ2
・補強管の断面二次モーメント：０．６２×１０-6ｍ4
・１シフト長：６０００ｍｍ（６．０ｍ）
・打設ピッチ（ピッチＰ）：９００ｍｍ（０．９ｍ）
・１シフトあたりの打設本数：１２．５本
・離間距離Ｈ：１０００ｍｍ（１．０ｍ）
・仰角Ｅ：１０度
・打設範囲（角度Ｓ）：１２０度
【００６１】
＜比較例のパラメータ＞
・補強管：鋼管（外径：１１４．３ｍｍ、肉厚：６．０ｍｍ）
・補強管の長さ（打設長）：１２５００ｍｍ（１２．５ｍ）
・補強管の単位体積重量（γ）：７８ｋＮ／ｍ3
・補強管の弾性係数（Ｅ）：２１００００ＭＰａ
・補強管の断面積：２．０４×１０-3ｍ2
・補強管の断面二次モーメント：３．０×１０-6ｍ4
・１シフト長：９０００ｍｍ（９．０ｍ）
・打設ピッチ（ピッチＰ）：４５０ｍｍ（０．４５ｍ）
・１シフトあたりの打設本数：２５本
・打設位置：支保工を起点に各補強管を打設
・打設範囲：１２０度
【００６２】
解析ソフト（ＦＬＡＣ３Ｄ：Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions：ITASCA社製）を用いて、以上の実施例及び比較例の３次元数値解析モデルを作成し、実施例及び比較例の検証を行った。
【００６３】
図１２は、利用した解析ソフトの計算プロセスの概念図を示す。当該解析ソフトは、連続的な３次元体が平行状態又は定常状態の塑性流れに近付くとき、数値的に力学的挙動を追跡する。物体の力学は、一般原理（ひずみの定義、運動法則）と理想物体を定義する構成方程式（構成式）とを用いることにより得られる。全体の数学的表現は、一連の微分方程式、関連する力学的変数（応力、力）、及び運動学的変数（ひずみ速度、速度、加速度、変位）である。解析ソフトは、個々の幾何学状及び性質、与えられた特定の境界条件、並びに初期条件に対してそれらを解く。
【００６４】
以上の実施例及び比較例において、境界条件は、地表面を自由面、他の面をローラー境界とした。また、地山の入力物性値のパラメータは、以下のとおりに設定した。なお、解析は、モール・クーロンの破壊基準に基づく弾完全塑性解析とした。更に、吹付コンクリート及び（鋼製）支保工のパラメータを以下のとおりに設定した。
【００６５】
＜地山のパラメータ＞
・単位体積重量（γ）：１９ｋＮ／ｍ3
・弾性係数（Ｅ）：５０ＭＮ／ｍ2
・ポアソン比：０．３５
・粘着力（Ｃ）：１０ｋＮ／ｍ2
・内部摩擦角（φ）：３５度
【００６６】
＜吹付コンクリート＋支保工のパラメータ＞
・構造要素：曲面板（シェル型）
・弾性係数（Ｅ）：９２３０ＭＰａ
・断面積：０．２５ｍ2
【００６７】
そして、境界条件の影響を考慮して、最初の２０ｍの区間は一括掘削されるものとして評価の対象から除外し、その後１ｍごとに掘削を繰り返して、１ｍ遅れで支保が設置されるものとした。１ｍごとに掘削を繰り返す区間は、６０ｍとした。以上の条件で、実施例及び比較例における変位量分布、せん断歪み量分布、及び塑性領域分布を解析した。
【００６８】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、実施例のＡ−Ａ断面における変位量分布、せん断ひずみ量分布、及び塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。図１４Ａ〜図１４Ｃは、実施例のＢ−Ｂ断面における変位量分布、せん断ひずみ量分布、及び塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。図１５Ａ〜図１５Ｃは、比較例のＣ−Ｃ断面における変位量分布、せん断ひずみ量分布、及び塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。図１６Ａ〜図１６Ｃは、比較例のＤ−Ｄ断面における変位量分布、せん断ひずみ量分布、及び塑性領域分布のシミュレーション結果を示す。変位量分布及びせん断ひずみ量分布では、色が濃い部分ほど値が大きいことを示す。また、塑性領域分布では、ハッチングの部分が塑性領域を示し、白色の部分が弾性領域を示す。なお、図１０及び図１１に示すとおり、Ａ−Ａ断面及びＣ−Ｃ断面は、各補強管を打設した掘削面の断面として設定した。また、Ｂ−Ｂ断面及びＤ−Ｄ断面は、各補強管を打設する直前の断面として設定した。
【００６９】
以上のシミュレーション結果に示されるとおり、実施例による切羽前方地山の変位、ひずみ、及び塑性領域の抑制効果は、比較例よりも高いことが分かった。これにより、本発明によれば、切羽の押出方向に向かって、トンネルの軸方向の抗力を各補強管により発現させることができ、切羽前方地山の補強効果を高められることが分かった。
【００７０】
また、図１５Ａ〜図１５Ｃ及び図１６Ａ〜図１６Ｃから、比較例に係るトンネル施工方法では、各補強管を打設する直前のＤ−Ｄ断面における切羽前方地山の変位、ひずみ、及び塑性領域は、各補強管を打設したＣ−Ｃ断面よりも大きくなってしまうことが確認された。一方、図１３Ａ〜図１３Ｃ及び図１４Ａ〜図１４Ｃから、実施例に係るトンネル施工方法では、各補強管を打設したＡ−Ａ断面と比べて、各補強管を打設する直前のＢ−Ｂ断面における切羽前方地山の変位、ひずみ、及び塑性領域はそれほど大きくならないことが確認された。特に、Ｂ−Ｂ断面の塑性領域は、Ａ−Ａ断面よりも小さくなることが確認された。これにより、本発明によれば、トンネルを掘り進める際に、トンネルの周辺地山の塑性化を低減することにより、掘削面の解放部分を小さくして、当該掘削面が崩落する可能性を低減することができる効果が期待できることが分かった。
【符号の説明】
【００７１】
１０…トンネル、１１…切羽、１２…掘削面（鏡面）、
１３…第１領域、１４…第２領域、
２０…支保工、２１…吹付コンクリート、
２２…ロックボルト、２３…二次覆工コンクリート、
３０…補強管、３０Ａ…（既設の）補強管、
３１…第１部分、３２…第２部分、
４０…第１管体、４１…第２管体、
５１…凹部、５２…貫通孔、５３…縦断スリット、
５４…環状スリット、
６０…ドリルジャンボ、
６１…ドリフタ、６２…ガイドセル、６３…削孔ロッド、
６４…削孔ビット
【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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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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