(57)【要約】【課題】地山の変状を簡易な構成で抑制できる覆工エレメントを提供する。【解決手段】覆工エレメント１０は、地山に貫入させてトンネル構造体を構築するためのものであり、前面の頂辺１１２の中央部のみに、覆工エレメント１０から前方に突出するプレート１２を設けたものである。プレート１２は覆工エレメント１０の上部の地山等を支持して覆工エレメント１０の地山への貫入時に地山の変状を抑制するために設けられる。覆工エレメント１０の前端は刃口１１となっており、プレート１２は刃口１１に設けられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下構造体の構築時に地山に貫入させて前記地下構造体の構成部材とする覆工エレメントであって、
地山を支持するためのプレートが、前記覆工エレメントの前面の１辺の中央部のみで、前記覆工エレメントから前方に突出するように設けられたことを特徴とする覆工エレメント。
【請求項２】
前記１辺は、前記覆工エレメントの前面の頂辺であることを特徴とする請求項１記載の覆工エレメント。
【請求項３】
前記覆工エレメントの前端は刃口となっており、前記プレートが前記刃口に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の覆工エレメント。
【請求項４】
前記プレートに切削治具が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の覆工エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下構造体の構築に用いる覆工エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
線路下方の立体交差化事業においては、前端に刃口を有する覆工エレメントを線路直下の地山に貫入させてこれを牽引あるいは推進することにより、覆工エレメントによるトンネルを建設する方法が多用されている。このような工法の例として、切削JES工法やDEPA工法と呼ばれるものがある。
【０００３】
切削JES工法では、覆工エレメントの刃口に地山切削用のワイヤーソーを設け、ワイヤーソーで地山を切削しながら覆工エレメントを地山へ貫入する。特許文献１には、刃口の前面の頂辺に地山等を支持するためのプレートを設置し、これにより地山の変状を抑制する例が記載されている。一方、DEPA工法では刃口の全周にプレートを設置した覆工エレメントを地山に圧入し、内部掘削しながら覆工エレメントを推進させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-174542号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
覆工エレメントの刃口にプレートを設けるのは、上記したように周囲の地山等を支持し地山の変状を抑え、その上部にある線路の変位を最小限に抑止して、地上の列車走行の安全性を確保するためである。
【０００６】
しかしながら、従来の覆工エレメントは刃口等に大掛かりな設備が必要となり、工期や建設コストの増加を招いている。例えば上記のプレートについても、刃口の１辺の全長に亘って設けられ大掛かりなものになっており、刃口のその他の設備、例えばワイヤーソーや覆工エレメントの牽引機構などとの取り合いも複雑になることから覆工エレメントの高コスト化につながっている。
【０００７】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、地山の変状を簡易な構成で抑制できる覆工エレメント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】
【０００８】
前述した課題を解決するための本発明は、地下構造体の構築時に地山に貫入させて前記地下構造体の構成部材とする覆工エレメントであって、地山を支持するためのプレートが、前記覆工エレメントの前面の１辺の中央部のみで、前記覆工エレメントから前方に突出するように設けられたことを特徴とする覆工エレメントである。
【０００９】
本発明では、覆工エレメントにおいて地山を支持するためのプレートの位置を上記のように局所化および最適化することで、コスト面で有利であるだけでなく、地山の変状抑制効果も確保できる。これにより、簡易な構成で覆工エレメントの貫入時の地山の変状を最小限に抑制することが可能になり、工期や建設コストを低減することができる。
【００１０】
前記１辺は、前記覆工エレメントの前面の頂辺であることが望ましい。
これにより、地下構造物の天板部等の覆工エレメントを地山に貫入する場合に、覆工エレメントの上部の地山を支持することができる。
【００１１】
前記覆工エレメントの前端は刃口となっており、前記プレートが刃口に設けられることが望ましい。
これにより、覆工エレメントの牽引時あるいは推進時に刃口によって地山を切削でき、その際の地山の変状をプレートによって抑制できる。
【００１２】
前記プレートに切削治具が設けられることが望ましい。
これにより、地中の障害物や硬い地山を確実に切削しながら覆工エレメントを貫入することが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、地山の変状を簡易な構成で抑制できる覆工エレメントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】立体交差構造１００を示す図。
【図２】覆工エレメント１０の貫入について説明する図。
【図３】覆工エレメント１０を示す図。
【図４】プレート１２を示す図。
【図５】土塊３０を示す図。
【図６】case1〜3の応力解放率を示す図。
【図７】土塊３０の変位の解析結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
（１．立体交差構造１００）
図１は本発明の実施形態に係る覆工エレメント１０を用いて構築されたトンネル構造体１（地下構造体）を含む立体交差構造１００を示す図である。
【００１７】
立体交差構造１００は、地山３を通るトンネル構造体１と、地山３の上に設けられた鉄道の線路２が立体交差したものである。なお、立体交差構造１００としては、地山３の上に線路２でなく道路等が設けられる場合もある。
【００１８】
トンネル構造体１は、地山３に貫入した複数の覆工エレメント１０により構成される箱型ラーメン状の構造体である。トンネル構造体１は道路等の建設に用いられる。
【００１９】
覆工エレメント１０は断面ロ字状あるいは断面コ字状の長尺体であり、地山３に貫入させてトンネル構造体１の構成部材とするものである。覆工エレメント１０は、牽引機構あるいは推進機構（不図示）にて牽引あるいは推進することにより図２（ａ）に示すように地山３に貫入し、覆工エレメント１０の内部の人員あるいは掘削機構により覆工エレメント１０の前方の地山３の掘削を行う作業を繰り返すことで、地山３内の所定の位置に設置される。
【００２０】
トンネル構造体１の構築時は、まずトンネル構造体１の天板部にあたる覆工エレメント１０を地山３に貫入した後、図２（ｂ）に示すようにトンネル構造体１の側板部にあたる覆工エレメント１０を地山３に貫入し、最後にトンネル構造体１の床板部にあたる覆工エレメント１０を地山３に貫入する。隣り合う覆工エレメント１０同士は継手（不図示）によって連結される。
【００２１】
その後、図１に示すように覆工エレメント１０の内部にモルタル等の充填材２０を充填し、覆工エレメント１０の内側の地山３を掘削することによりトンネル構造体１が構築される。
【００２２】
（２．覆工エレメント１０）
図３は地山３に貫入された覆工エレメント１０の概要を示す図であり、トンネル構造体１の天板部にあたる覆工エレメント１０を示したものである。図３に示すように、覆工エレメント１０の本体の前端には刃口１１が設けられており、刃口１１から前方に突出するようにプレート１２が設けられる。
【００２３】
刃口１１は覆工エレメント１０の牽引あるいは推進時に地山３を切削して覆工エレメント１０を地山３に貫入させるためのものであり、前面が開放された角筒状の形状を有する。刃口１１の前面の側辺１１１は傾斜しており、下方に行くにつれ後退する形となっている。
【００２４】
プレート１２は、覆工エレメント１０の上部の地山３等を支持し、覆工エレメント１０の前方の地山３（図３のＡ参照）を掘削する際の地山３の変状を抑え、線路２の変位を最小限に抑止するためのものである。プレート１２には鋼板等が用いられる。
【００２５】
特に本実施形態では、図４（ａ）に示すように、プレート１２を刃口１１の前面の頂辺１１２の全長に亘って設けるのでなく、頂辺１１２の中央部のみに設けている。このようにプレート１２を局所化することにより大掛かりな設備とならず、刃口１１のその他の設備（不図示）との取り合いも簡単になり、覆工エレメント１０を低コスト化できる。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示すように、プレート１２にチェーンソー型のカッタビット１３（切削治具）を装備し、カッタビット１３をプレート１２の外周に沿って移動させることで、地中の障害物や硬い地山３を確実に切削しながら覆工エレメント１０を貫入することも可能になる。なお、ワイヤー等、カッタビット１３以外の切削治具を用いることも可能である。
【００２７】
（３．プレート１２による地山３の変状抑制効果）
次に、プレート１２による地山３の変状抑制効果について解析を行った結果を説明する。
【００２８】
ここでは、解析モデルとして図５（ａ）に示すような高さ4m×幅8mの断面矩形状の土塊３０を考慮し、その幅方向の中央部において、土塊３０の頂辺から2mの深さに高さ1m×幅1mの断面矩形状の空洞３１が存在するものとする。空洞３１は覆工エレメント１０による掘削範囲を表したものであり、この解析モデルに対し、空洞３１内のプレートの位置による土塊３０の変位の違いを検討する。
【００２９】
なお、土塊３０の四隅について、上側の２つの隅部は側方からピン支持されるものとし、下側の２つの隅部は側方および下方からピン支持されるものとした。さらに土塊３０の底辺の中央部も下方からピン支持されるものとした。
【００３０】
解析時には、図５（ａ）に示す空洞３１の内面（掘削面）に掘削相当外力（土塊３０を空洞３１側に移動させる力）が作用するとしてFEM（有限要素法）による解析を行い、土塊３０の変位を算出する。
【００３１】
有限要素法は既知であるので説明を省略する。ここでは土塊３０を分割した各要素について解析に必要な重量や応力ひずみ関係等の特性値を予め定めておき、自重や掘削相当外力等に伴う土塊３０の変位について検討する。
【００３２】
上記の手法はトンネルの掘削に伴う地盤変位量を予測するケースで多く用いられている既知の手法（二次元応力解放法などとも呼ばれる）であり、空洞３１の内面に位置する要素の節点に下式（１）で示す掘削相当外力を内方に向かって作用させるものである。
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【００３３】
式（１）において、FEは掘削相当外力、αは応力解放率（α≦1）、Nは形状関数、gは物体力（要素の自重等）、Bは節点変位-ひずみマトリックス、σ0は掘削前の節点の応力（空洞３１が無い場合に同条件の有限要素法解析を行った場合の節点の応力）、VEは要素の体積である。
【００３４】
トンネルの掘削に伴う地盤変位量を予測するケースでは、空洞３１の内面上の各節点で一様の応力解放率を乗じて掘削相当外力とするが、本解析例では非一様の応力解放率を乗じて掘削相当外力とすることでプレートによる変状抑制効果を検討する。
【００３５】
すなわち、図５（ｂ）に示す空洞３１の四隅（No.1〜4）と各辺の中央部（No.5〜7、空洞３１の両側辺の中央部は共通の番号No.6を付している）の節点について、その位置にプレートが存在する場合は応力解放率を０（掘削相当外力が０、すなわち土塊３０がプレートによって支持され空洞３１側に移動しない）とし、それ以外は０でない一様の応力解放率とする。
【００３６】
ここでは、プレートのパターンを検討するに当たり、図６に示すcase1〜3について土塊３０の頂辺の変位を算出した。
【００３７】
例えばcase1は空洞３１の四隅のみにプレートが配置された状態を模擬したものであり、空洞３１の四隅で応力解放率が０となる。その他の箇所では応力解放率を所定値（40%）としている。またcase2は空洞３１の各辺の中央部にプレートを配置した状態を模擬しており、空洞３１の各辺の中央部で応力解放率が０となる。その他の箇所では応力解放率を所定値（40%）としている。
【００３８】
一方、case3は空洞３１の頂辺の中央部のみにプレートを配置した状態を模擬している。従って、空洞３１の頂辺の中央部のみで応力解放率が０となり、その他の箇所では応力解放率が所定値（40%）となる。これは、図４の例のように、覆工エレメント１０の刃口１１の前面の頂辺１１２の中央部のみにプレート１２を配置したものと対応している。
【００３９】
これらのcase1-3について、土塊３０の頂辺の変位を、空洞３１の内面の節点に上記の応力解放率に基づく掘削相当外力を作用させたうえで有限要素法による解析を行って求めた。その結果を図７に示す。図７の横軸は土塊３０の幅方向の中央部を基準とした土塊３０の幅方向の位置（中央部の左側を負、右側を正とする）、縦軸は土塊３０の頂辺の変位（沈下する場合を負とする）を示す。
【００４０】
なお、図５（ｂ）に示したNo.1〜7以外の空洞３１の内面上の節点の応力解放率は40%とした。また図７の凡例にある「一様20%」「一様40%」「一様60%」はそれぞれ、空洞３１の内面上の全ての節点の応力解放率を20%、40%、60%と一様に設定して同様の解析を行ったものである。
【００４１】
図７から分かるように、空洞３１の四隅のみにプレートを配置した状態を模擬したcase1では、土塊３０の変位が「一様40%」からあまり変わっておらず、効果が薄いことがわかる。
【００４２】
一方、空洞３１の頂辺の中央部のみにプレートを挿入した状態を模擬したcase3では、土塊３０の変位が「一様40%」よりもかなり小さくなっており、土塊３０の変状を抑制する効果があることがわかる。この効果は、空洞３１の各辺の中央部にプレートを挿入した状態を模擬したcase2と比べても大きい。
【００４３】
以上より、図４のようにプレート１２の位置を局所化することにより、コスト面で有利であるだけでなく、地山３の変状抑制効果も確保できると考えられる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、覆工エレメント１０において地山３を支持するためのプレート１２の位置を上記のように局所化および最適化することで、コスト面で有利であるだけでなく、地山３の変状抑制効果も確保できる。これにより、簡易な構成で覆工エレメント１０の貫入時の地山の変状を最小限に抑制して線路２の変位を最小限に抑止することが可能になり、工期や建設コストを低減することができる。
【００４５】
本実施形態では、覆工エレメント１０の刃口１１の前面の頂辺１１２の中央部にプレート１２を設けることにより、トンネル構造体１の天板部等の覆工エレメント１０を地山３に貫入する場合に、覆工エレメント１０の上部の地山３を支持することができる。
【００４６】
また本実施形態では覆工エレメント１０の前端が刃口１１となっており、プレート１２が刃口１１に設けられることで、覆工エレメント１０の牽引時あるいは推進時に刃口１１によって地山３を切削でき、その際の地山３の変状をプレート１２によって抑制できる。
【００４７】
また、本実施形態ではプレート１２にカッタビット１３等の切削治具を設けることで、地中の障害物や硬い地山３を確実に切削しながら覆工エレメント１０を貫入することが可能になる。
【００４８】
しかしながら、本発明はこれに限ることはない。例えば本実施形態では覆工エレメント１０の前端に刃口１１を設けているが、刃口１１を省略して覆工エレメント１０の本体の前端にプレート１２を設けることも可能である。
【００４９】
また本実施形態では覆工エレメント１０の刃口１１の前面の頂辺１１２の中央部にプレート１２を設けているが、プレート１２を設ける辺はこれに限らない。例えば図２（ｂ）に示したようにトンネル構造体１の側板部の覆工エレメント１０を貫入する際に専ら側方の地山３から力が加わるような場合は、覆工エレメント１０の前面の側辺の中央部のみにプレートを設け、これによって側方の地山３を支持することも可能である。
【００５０】
また、本実施形態では覆工エレメント１０によって箱型ラーメン状のトンネル構造体１を構築したが、トンネル構造体１の形状はこれに限ることはなく、例えば円形断面を有するものであってもよい。また覆工エレメント１０により構築する地下構造体もトンネル構造体１に限ることはない。
【００５１】
以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００５２】
１：トンネル構造体
２：線路
３：地山
１０：覆工エレメント
１１：刃口
１２：プレート
１３：カッタビット
２０：充填材
３０：土塊
３１：空洞
１００：立体交差構造
１１１：側辺
１１２：頂辺
【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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