(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大断面を有したトンネルが、断面略矩形状に形成されたトンネル構造体と、その内方に形成されたトンネル空間とからなり、
前記トンネル構造体は、断面視矩形の矩形シールドトンネルと、断面視円形の円形シールドトンネルとを交互に隣接配置し、かつ互いに隣接する前記矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとを、その一部を互いに重合させて一体化した構成とされ、
前記矩形シールドトンネルは、セグメントの外面に、裏込充填材からなる充填コンクリート部を付着した構成とされ、
該セグメントの外面の少なくとも一部には、該セグメントと前記充填コンクリート部との付着強度を高めるための凹凸が形成されていることを特徴とする大断面トンネル。
【請求項２】
請求項１記載の大断面トンネルであって、
前記セグメントの外面の少なくとも一部は縞鋼板からなり、前記凹凸は、該縞鋼板上に形成されていることを特徴とする大断面トンネル。
【請求項３】
請求項１記載の大断面トンネルであって、
前記セグメントの外面の少なくとも一部に鋼製部材が設けられ、前記凹凸は該鋼製部材によって形成されていることを特徴とする大断面トンネル。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載された大断面トンネルであって、前記裏込充填材は、高強度コンクリートによって構成されていることを特徴とする大断面トンネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大断面を有した断面視矩形状のトンネルを構築するに際して用いて好適な大断面トンネルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、トンネルの構築には、シールド掘削機で地山を掘削し、その後方においてシールド掘削機と略同径のトンネルを構築するシールド工法が多用されている。しかしながらシールド工法では、大断面のトンネルを構築しようとすると、当然のことながら、それに用いるシールド掘削機が大型化し、この結果、シールド掘削機の製作、運搬、現場組立などのあらゆる面において人手およびコストがかさむものとなってしまう。
【０００３】
このため、近年では、大断面トンネルの形状に沿って小径トンネルを多数構築することによって、これら小径トンネルから大断面のトンネル構造体を形成する工法が開発されている。
【０００４】
ところで、特に内部に大空間を有する大断面トンネルを構築しようとした場合、図１０に示すように断面円形のトンネル構造体１を構築し、その内方に所定寸法の空間Ｓを形成していたのでは、空間Ｓに対してトンネル構造体が大きいために、大断面トンネルＴを構築するに要する用地が広く必要となってコストが嵩んだり、用地確保ができない場合には所定寸法の空間Ｓを形成することができないという問題がある。
【０００５】
このため、図１１に示すように、断面視矩形の大断面トンネルＴ’を構築するようにすれば、所定寸法の空間Ｓを形成するための必要最小限の用地を確保すればよく、これによりコストの低減を図れることから、このような断面視矩形の大断面トンネルＴ’の構築方法が各種開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の大断面トンネルおよびトンネルの構築方法には、以下のような問題が存在する。
図１１に示したような断面視矩形の大断面トンネルＴ’のトンネル構造体２を構築するに際しては、トンネル構造体２の四辺を構成する水平部２ａ、鉛直部２ｂを、それぞれセグメントを断面視口字状に組んで構築した後、互いに隣接する水平部２ａと鉛直部２ｂ同士を、継ぎ目部Ａにおいて接続する必要がある。
これには、図１２（ａ）に示すように、トンネル構造体２の水平部２ａと鉛直部２ｂとを別々に構築した後、まず、これら水平部２ａと鉛直部２ｂとの間の地盤Ｇ１を薬液注入あるいは凍結工法等を用いて地盤改良する。続いて、図１２（ｂ）に示すように、水平部２ａを構築する際にその端部に組み込んでおいた接続部土留材３を鉛直部２ｂに向けて押し出す。そして、接続部土留材３を鉛直部２ｂに到達させた後、水平部２ａと鉛直部２ｂのセグメント４を撤去し、鉛直部２ｂ側に接続用ブラケット５を取り付ける。このようにして水平部２ａと鉛直部２ｂとを一体に接続した後、図１２（ｃ）に示すように、その内方に鉄筋６等を配し、コンクリート７を打設することによってトンネル構造体２が完成する。
【０００７】
このような工法においては、まず、接続部土留材３を押し出すようになっているが、水平部２ａを構築するに際しては、その外周にモルタル等の裏込充填材が注入されているため、接続部土留材３の押し出しは困難である。
また、継ぎ目部Ａに止水および強度増加のために、薬液注入や凍結工法で地盤改良するようになっているが、言うまでもなくこのような地盤改良には時間とコストがかかり、しかも完全な止水効果を得ることは困難である。
【０００８】
さらには、水平部２ａと鉛直部２ｂとを接続するに際しては、継ぎ目Ａの地山を掘削し、ここに鉄筋を配筋組立するが、このときには水平部２ａと鉛直部２ｂのそれぞれの側面を形成するセグメント４を一部解体撤去しなければならない。このときセグメント４と、その外側に充填された裏込充填材との付着が十分でない場合には、セグメント４から固化した裏込充填材の層が剥離したり、裏込充填材の層が損傷したりする懸念が生じる。そもそも裏込充填材は、地山の沈下を防止するとともに、セグメントにできるだけ一様に荷重が加わることを目的として使用されるものであるから、上記のように裏込充填材からなる層が損傷をきたした場合には、大断面トンネルＴ’の強度および健全性に問題が生じることはいうまでもない。
【０００９】
もちろん、上記のようにセグメント４を撤去するに際しては、地山の土圧、地下水圧に対抗するために他の支保工を設ける必要があり、これには手間がかかる。また、このような支保工の設置を、水平部２ａ、鉛直部２ｂの軸線方向に長い区間で行うには、支保工が大がかりなものとなるため、短い区間に区切って順次施工を行う必要があり、これも工期の長期化とコストの増大を招いてしまう。
【００１０】
さらに、上記の工法に限らず、一般的にシールド工法を採用してトンネルを構築するにあたっては、裏込充填材とセグメントととの付着強度について考慮がなされていないため、裏込充填材からなる層の構造的な強度を期待することができなかった。また、これによりセグメントのみで地山の土圧に対抗しなければならず、セグメントを高強度化する必要が生じ、これによりセグメントにかかる費用が、トンネルの建設費のうち大きな割合を占めていた。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑み行われたもので、施工を円滑に行って工期の短縮化を低コスト化を図るとともに、裏込充填材とセグメントとの付着を良好にすることによって、施工期間中および施工後のいずれの時期においても、強度が低下することがなく、健全性を保つことのできる大断面トンネルを提供することをその目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の大断面トンネルは、大断面を有したトンネルが、断面略矩形状に形成されたトンネル構造体と、その内方に形成されたトンネル空間とからなり、
前記トンネル構造体は、断面視矩形の矩形シールドトンネルと、断面視円形の円形シールドトンネルとを交互に隣接配置し、かつ互いに隣接する前記矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとを、その一部を互いに重合させて一体化した構成とされ、
前記矩形シールドトンネルは、セグメントの外面に、裏込充填材からなる充填コンクリート部を付着した構成とされ、
該セグメントの外面の少なくとも一部には、該セグメントと前記充填コンクリート部との付着強度を高めるための凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この大断面トンネルにおいては、矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとが互いにかみ合った形態とされ、強固な構造が実現される。さらに、矩形シールドトンネルの外面と充填コンクリート部とが良好に付着しているため、構築に際して、また、構築後に、充填コンクリート部が剥離、損傷する懸念が少ない。
【００１４】
請求項２記載の大断面トンネルは、請求項１記載の大断面トンネルであって、前記セグメントの外面の少なくとも一部は縞鋼板からなり、前記凹凸は、該縞鋼板上に形成されていることを特徴とする。
また、請求項３記載の大断面トンネルは、請求項１記載の大断面トンネルであって、
前記セグメントの外面の少なくとも一部に鋼製部材が設けられ、前記凹凸は該鋼製部材によって形成されていることを特徴とする。
【００１５】
これらの大断面トンネルは、上記のような構成とされているため、容易にセグメントの外面に対して凹凸を設けることができる。
【００１６】
請求項４記載の大断面トンネルは、請求項１ないし３のいずれかに記載された大断面トンネルであって、前記裏込充填材は、高強度コンクリートによって構成されていることを特徴とする。
この大断面トンネルは、上記のような構成とされているため、裏込充填材によって形成された充填コンクリート部の構造的な強度を期待することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る大断面トンネルおよびトンネルの構築方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。ここでは、構築すべき大断面トンネルとして、上下二層構造のトンネルを例に挙げて説明する。
図２に示すように、構築すべき大断面トンネル１０は、周囲の地山からの土圧に抗するトンネル構造体１１と、該トンネル構造体１１の内方に形成された上下２段の内部空間１２、１３とから構成されている。
【００２０】
トンネル構造体１１は、略鉛直面内に位置する両側の側壁部１１ａ，１１ａと、これら側壁部１１ａ，１１ａの上端部，下端部間にそれぞれ設けられて略水平面内に位置する上面１１ｂ，下面１１ｃと、側壁部１１ａ，１１ａの中間部間に設けられて上下の内部空間１２、１３を仕切る仕切面１１ｄとから構成されて、全体として断面視略日字状をなしている。このトンネル構造体１１は、断面視円形の円形シールドトンネル１５と、互いに平行な平面を有した平面シールドトンネル（矩形シールドトンネル）１６とが、周方向交互に配置され、これらが一体化された構成からなっている。
【００２１】
円形シールドトンネル１５は、平面シールドトンネル１６の厚さよりも大径とされている。さらに、トンネル構造体１１の四隅と、三方に平面シールドトンネル１６が接合されている部分とに配置されている円形シールドトンネル１５Ａは、他の部分のシールドトンネル１５Ｂに対して、その径寸法が大きなものが採用されている。また、トンネル構造体１１の上面１１ｂ，下面１１ｃは、それぞれ、円形シールドトンネル１５Ｂを頂点として外方に向けて凸形状をなした構成となっている。
【００２２】
そして、このようなトンネル構造体１１内には、その全周にわたって鉄筋１８が配筋され、さらにその内部にはコンクリート１９が打設された構成となっている。
【００２３】
図１は、図２に示した平面シールドトンネル１６を拡大して図示したものである。図中に示すように平面シールドトンネル１６は、セグメント２０を備えて構成されている。セグメント２０の外面の一部には、凹凸２２が形成されており、さらにその外側には、高強度コンクリートからなる裏込充填材によって形成された充填コンクリート部２３が設けられている。凹凸２２は、充填コンクリート部２３とセグメント２０との付着を良好にする役割を果たす。
【００２４】
次に、このような大断面トンネル１０の構築方法について説明する。
これには、まず、トンネル構造体１１を構成する平面シールドトンネル１６，１６，…を形成するため、図３に示すように、矩形シールドトンネル２５，２５，…を先行構築する。図４（ａ），（ｂ）に示すように、各矩形シールドトンネル２５の構築には、まず、断面視矩形のシールド掘削機２６に備えたカッタ２６ａで地盤中に矩形の掘削孔２７を削孔していき、凹凸２２が形成されたセグメント２０，２０，…を、その後方に組み立てていく。
【００２５】
図３に示したように、セグメント２０は、対向する２面が平板部２０ａ，２０ａとされ、これら平板部２０ａの両側が、略円弧状の凹部２０ｂ，２０ｂとされている。各凹部２０ｂは、その円弧の曲率径が、側方に構築される円形シールドトンネル１５（図１参照）の径よりも若干大となるよう形成されている。
【００２６】
図５は、凹部２０ｂを構成するスキンプレート２１の形状を示した断面図である。スキンプレート２１は、凹部２０ｂの形状に沿って、三日月状に形成されており、その外面２１ａには、フラットバー（鋼製部材）２８が溶接されることによって、凹凸２２が形成される。また、図６は、図５においてＤとして示した方向から、スキンプレート２１を視た場合の図である。フラットバー２８は、このようにスキンプレート２１の外面２１ａ上に格子状に配置されるとともに、溶接され固定される。
【００２７】
このようなセグメント２０を組み立てた後、掘削孔２７とセグメント２０の外周面との間に、コンクリートからなる裏込充填材２９を充填して、充填コンクリート部２３を形成する（図４参照）。これにより、掘削孔２７内には、断面視矩形の矩形シールドトンネル２５が構築される。このとき、裏込充填材２９を構成するコンクリートの粗骨材の粒径寸法と比較して、凹凸２２の高さが大きいと、シールド掘削機２６内部に裏込充填材２９が侵入する恐れがある。一方で、凹凸２２と充填コンクリート部２３との付着力を高めるためには、凹凸２２の高さを大きくする必要がある。このようなことから、凹凸２２の高さは、裏込充填材２９の粗骨材の粒形が２０ｍｍ程度の場合には、１０ｍｍ程度とするのがよい。
【００２８】
次いで、図１に示すように、互いに隣接する矩形シールドトンネル２５，２５間の地山を断面視円形のシールド掘削機（図示なし）を用いて円形の孔３１，３１，…を削孔していく。このときに用いるシールド掘削機（図示なし）は、その径寸法が、ここに構築すべき円形シールドトンネル１５Ａ，１５Ｂと略同径のものを用いる。このときには、矩形シールドトンネル２５，２５間の地山とともに、セグメント２０，２０の凹部２０ｂ，２０ｂの外側の充填コンクリート部２３，２３も同時に削られて、孔３１が形成される。これにより、前記矩形シールドトンネル２５の凹部２５ｂの外側の充填コンクリート部材２３が削られて、平面シールドトンネル１６が形成された状態となる。
【００２９】
図７に示すように、このように各孔３１を掘削しつつ、シールド掘削機（図示なし）の後方で、円形セグメント（セグメント）３２，３２，…を組み立てていく。そして、組み立てたセグメント３２の外側に、高強度コンクリートからなる裏込充填材３３を充填することにより、各孔３１内に円形シールドトンネル１５Ａ，１５Ｂが構築される。
これにより、断面視円形の円形シールドトンネル１５と、平面シールドトンネル１６とが、周方向交互に配置された状態となる。
【００３０】
続いて、構築したトンネル構造体１１内に鉄筋１８を配筋し、さらにコンクリート１９を打設充填する。しかる後には、トンネル構造体１１の内方の地山を掘削し、ここに内部空間１２，１３を形成することにより、図２に示したような所定形状の大断面トンネル１０の構築が完了する。
【００３１】
上述した大断面トンネル１０では、トンネル構造体１１が、円形シールドトンネル１５と平面シールドトンネル１６とが交互に隣接配置され、かつ互いに隣接する円形シールドトンネル１５と平面シールドトンネル１６とがその一部を互いに重合させて一体化された構成となっている。これにより、円形シールドトンネル１５と平面シールドトンネル１６とが互いにかみ合った形態となるので、強固で安定した大断面トンネル１０を構成することができる。
【００３２】
また、大断面トンネル１０は、このような構成とされるため、上記のような手順で施工することができ、従来の大断面トンネルのように、大ががりな支保工を設置したり、地盤改良を施したりする必要がなく、施工期間の短縮化および低コスト化が図られる。
【００３３】
さらに、矩形シールドトンネル２５を構成するセグメント２０の外面を構成するスキンプレート２１に凹凸２２が形成されることにより、セグメント２０と充填コンクリート部２３との付着が良好なものとなる。これによって、大断面トンネル１０のより一層の高強度化、安定化が図られる。しかも、大断面トンネル１０においては、複数の矩形シールドトンネル２５，２５，…を先行構築した後、円形シールドトンネル１５を後行構築するための孔３１を、矩形シールドトンネル２５，２５間に位置する地山とともに充填コンクリート部２３を掘削して形成する構成とされていることから、上記のようにセグメント２０外面に凹凸２２を設けておくことによって、孔３１掘削時に、充填コンクリート部２３が損傷を受けたり、セグメント２０から剥離したりする懸念が減少する。このように、充填コンクリート部２３の安全が図られるために、大断面トンネル１０においては、施工中および施工後のいずれの時期においても、健全性が損なわれず、強度、止水性、および安全性の面で優れた機能が期待できる。
【００３４】
また、これら凹凸２２は、セグメント２０の外面に位置するスキンプレート２１にフラットバー２８を溶接した構成とされていることから、容易に形成可能であり、また、凹凸２２の形成に際して、特殊な加工等を施す必要もない。
【００３５】
また、裏込充填材２９が、高強度コンクリートとされているため、裏込充填材２９が固化することによって形成された充填コンクリート部２３が強度を発現することができ、さらに、この充填コンクリート部２３は、上述のようにセグメント２０に対して良好に付着する構成とされていることとから、大断面トンネル１０においては、充填コンクリート部２３の構造的な強度を期待することができる。したがって、本実施の形態の大断面トンネル１０は、構造的にも非常に優れている。
【００３６】
また、大断面トンネル１０を構築するにあたって採用した上述のトンネルの構築方法においては、あらかじめ、セグメント２０の外面に凹凸２２を設けておき、矩形シールドトンネル２５を形成するための掘削孔２７にセグメント２０を配設した後、セグメント２０の外側に裏込充填材２９を充填する構成となっている。これにより、裏込充填材２９が固化して充填コンクリート部２３が形成された場合に、この充填コンクリート部２３とセグメント２０との付着強度が十分となり、したがって充填コンクリート部２３を上記のように掘削する場合にも、充填コンクリート部２３において損傷や剥離などが生じる可能性が減少し、トンネル構造体１１の健全性が保たれる。
【００３７】
さらに、このような構築方法を採用することによって、裏込充填材２９が固化して充填コンクリート部２３が形成されたときに、その構造的な強度を期待することができ、したがって、従来のトンネルの構築方法に比して、より安定したトンネルを建設することが可能となる。
【００３８】
以上において、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、必要に応じて、その形態や適用条件等を変化させるようにしてもよい。
例えば、上記実施の形態においては、セグメント２０を構成するスキンプレート２１の外面２１ａにフラットバー（鋼製部材）２８が溶接されることによって、凹凸２２が形成されているが、そのかわりにスキンプレート２１の外面に図８において示したようなエキスパンドメタル３５を張り付けるようにしてもよい。また、この他に鉄筋棒を使用するようにしてもよい。
また、このようにスキンプレート２１に鋼製部材を接合することによって凹凸を形成するだけでなく、スキンプレート２１に、図９において示したような縞鋼板３６を接合するようにしても構わない。
【００３９】
また、スキンプレート２１自体を、図９において示したような縞鋼板で構成することによって、凹凸２２を形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態において説明したトンネルの構築方法は、大断面トンネル１０を構築するにあたって適用するだけでなく、一般の円形シールドトンネルに対して用いることによって、トンネルの高強度化および健全性の向上を図るようにしてもよい。また、このとき裏込充填材として、高強度コンクリートを使用するようにすれば、より一層のトンネルの高強度化が図られる。また、このトンネルの構築方法を用いることによって、裏込充填材によって形成された部分の構造的な強度を期待することができるため、使用するセグメントの強度を下げることができ、トンネルの建設費のうち、比較的多くの割合を占めるセグメントの費用の負担を低減することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る大断面トンネルにおいては、トンネル構造体が、矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとを交互に隣接配置し、かつ互いに隣接する矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとを、その一部を互いに重合させて一体化した構成とされており、さらに、矩形シールドトンネルを構成するセグメントの外面には、セグメントと充填コンクリート部との付着強度を高めるための凹凸が形成される。この大断面トンネルにおいては、矩形シールドトンネルと円形シールドトンネルとが互いにかみ合った形態とされ、強固な構造が実現されるとともに、矩形シールドトンネルの外面と充填コンクリート部との付着が良好となり、その構築に際して、また、構築後に、充填コンクリート部が剥離、損傷する懸念が減少し、トンネルの安定性および健全性が保たれることとなる。
【００４１】
請求項２に係る大断面トンネルによれば、セグメントの外面の少なくとも一部は縞鋼板からなり、凹凸が、縞鋼板上に形成されていることから、請求項１に係る発明を容易に実現することができる。
請求項３に係る大断面トンネルにおいては、セグメントの外面の少なくとも一部に鋼製部材が設けられ、凹凸は該鋼製部材が溶接されることによって形成される。これによって、請求項１に係る発明を、市販のフラットバーやエキスパンドメタルを用いて容易に実現することができる。
【００４２】
請求項４に係る大断面トンネルによれば、裏込充填材が高強度コンクリートによって構成され、さらに、裏込充填材によって形成された充填コンクリート部がセグメントに対して良好に付着されることによって、充填コンクリート部の構造的な強度を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を模式的に示す大断面トンネルの一部の拡大立断面図である。
【図２】同、大断面トンネルの全体の立断面図である。
【図３】前記大断面トンネルの構築方法を示す図であって、トンネル構造体を構成する矩形シールドトンネルを先行構築した状態を示す立断面図である。
【図４】前記矩形シールドトンネルを構築している状態を示す側断面図および平断面図である。
【図５】前記矩形シールドトンネルを構成するセグメントの凹部におけるスキンプレートを拡大して示した断面図である。
【図６】同、スキンプレートの正面図である。
【図７】前記矩形シールドトンネル間に円形シールドトンネルを構築するための孔を掘削し、その後、前記円形シールドトンネルを構築した状態を示す立断面図である。
【図８】前記スキンプレートに形成された凹凸の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図９】前記スキンプレートに形成された凹凸の実施の形態を示す図であって、図６、８に示されたものとは別の例を示す正面図である。
【図１０】従来の大断面トンネルの一例を示す立断面図である。
【図１１】従来の断面視矩形の大断面トンネルの一例を示す立断面図である。
【図１２】図１１に示した大断面トンネルの構築方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１０  大断面トンネル
１１  トンネル構造体
１５  円形シールドトンネル
１６  平面シールドトンネル（矩形シールドトンネル）
２０  セグメント
２３  充填コンクリート部
２５  矩形シールドトンネル
２７  掘削孔
２９  裏込充填材
【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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