(57)【要約】      （修正有）【課題】シールドのセグメントと凍土とを凍着して止水性を確保することにより、凍土の形成範囲を削減して補助工法を簡略化できるシールドトンネルと凍結土との一体化方法を提供すること。【解決手段】シールド機のテールブラシ間に水とベントナイトと増粘剤とからなる水性の充填材１５を充填し、テールブラシの後方のテールボイドに裏込め材２５を充填しつつ、複数のルーフシールド３を覆工予定位置の外側に所定の離隔をもって構築する。そして、ルーフシールド３のセグメント１１の外周面１７と地盤１の坑壁２１との間に充填材１５および裏込め材２５が介在する状態で、ルーフシールド３の外周の所定の範囲に凍結土２７を形成する。裏込め材２５は、地盤１と一体となって凍結土２７を形成し、充填材１５によってセグメント１１と凍着される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドトンネルと凍結土との一体化方法であって、
シールド機で前記シールドトンネルを構築する際に、テールブラシ間に水性の充填材を充填し、前記テールブラシの後方のテールボイドに裏込め材を充填する工程ａと、
前記シールドトンネルのセグメントの外周面と坑壁との間に前記水性の充填材および前記裏込め材が介在する状態で、前記シールドトンネルの外周の所定の範囲に凍結土を形成する工程ｂと、
を具備することを特徴とするシールドトンネルと凍結土との一体化方法。
【請求項２】
前記水性の充填材が、水とベントナイトと増粘剤とからなることを特徴とする請求項１記載のシールドトンネルと凍結土との一体化方法。
【請求項３】
前記工程ａで、複数の前記シールドトンネルを所定の離隔をもって構築し、
前記工程ｂで、前記シールドトンネル同士の間に前記凍結土を形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のシールドトンネルと凍結土との一体化方法。
【請求項４】
前記工程ａで、複数の前記シールドトンネルを、先行シールドと後行シールドとが重なるように構築し、
前記工程ｂで、前記先行シールドと前記後行シールドとが重なる部分付近に前記凍結土を形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のシールドトンネルと凍結土との一体化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドトンネルと凍結土との一体化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のシールドトンネルを接合したり、ルーフシールドトンネルを用いたりして地下構造物を施工する際に、補助工法として凍結工法が用いられる。図９は、複数のシールドトンネルを接合する際の補助工法を示す図である。
【０００３】
図９（ａ）は、地盤１０１に、ルーフシールド１０３が間隔をおいて配置された例を示す図である。図９（ａ）に示す例では、掘削予定位置の外側を囲むように複数のルーフシールド１０３を所定の間隔で構築し、ルーフシールド１０３の周囲の地山を改良して、掘削予定位置の周囲にルーフシールド１０３を包含する環状の凍結ゾーン１０５を形成する。ルーフシールド１０３には、凍結ゾーン１０５をルーフシールド１０３に対して一体化させるための補強定着手段であるＰＣ鋼棒が設置される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図９（ｂ）は、地盤１０７に、先行シールド１０９ａと後行シールド１０９ｂとが重なるように配置された例を示す図である。図９（ｂ）に示す例では、掘削予定位置の外側を囲むように先行シールド１０９ａを所定の間隔で構築した後、後行シールド１０９ｂを先行シールド１０９ａにオーバーラップさせて構築する。そして、先行シールド１０９ａおよび後行シールド１０９ｂの周辺の地盤を凍結させて、掘削予定位置の周囲に先行シールド１０９ａおよび後行シールド１０９ｂを包含する環状の凍結改良体１１１を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７３０５９５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１４８２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の工法で凍土を形成する場合、シールドトンネルセグメントとシールド機のスキンプレート部との止水材として用いられるテールグリスが凍結しないため、セグメントと凍土との凍着強度が期待できず、凍土が滑動したり剥離したりする可能性のある箇所が生じる。そのため、図９に示す各例では、凍結ゾーン１０５や凍結改良体１１１を、ルーフシールド１０３や先行シールド１０９ａおよび後行シールド１０９ｂを包含するように広範囲に形成する必要があった。また、図９（ａ）に示す例では、凍結ゾーン１０５をルーフシールド１０３に対して一体化させるための補強定着手段も併用していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、シールドのセグメントと凍土とを凍着して止水性を確保することにより、凍土の形成範囲を削減して補助工法を簡略化できるシールドトンネルと凍結土との一体化方法を提供することである。
【０００８】
前述した目的を達成するために本発明は、シールドトンネルと凍結土との一体化方法であって、シールド機で前記シールドトンネルを構築する際に、テールブラシ間に水性の充填材を充填し、前記テールブラシの後方のテールボイドに裏込め材を充填する工程ａと、前記シールドトンネルのセグメントの外周面と坑壁との間に前記水性の充填材および前記裏込め材が介在する状態で、前記シールドトンネルの外周の所定の範囲に凍結土を形成する工程ｂと、を具備することを特徴とするシールドトンネルと凍結土との一体化方法である。
【０００９】
前記水性の充填材は、水とベントナイトと増粘剤とからなることが望ましい。
本発明では、例えば、前記工程ａで、複数の前記シールドトンネルを所定の離隔をもって構築し、前記工程ｂで、前記シールドトンネル同士の間に前記凍結土を形成する。
または、前記工程ａで、複数の前記シールドトンネルを、先行シールドと後行シールドとが重なるように構築し、前記工程ｂで、前記先行シールドと前記後行シールドとが重なる部分付近に前記凍結土を形成してもよい。
【００１０】
本発明では、水性の充填材を用いることにより、シールドのセグメントの外周面と坑壁との間に水性の充填材および裏込め材が介在する状態で、セグメントと凍土とを確実に凍着することができる。そのため、凍土が滑動したり剥離したりすることがなくなり、セグメントの外周面と坑壁との間の止水性を確保でき、凍土の形成範囲を削減できる。また、セグメントと凍土との補強定着手段が不要となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シールドのセグメントと凍土とを凍着して止水性を確保することにより、凍土の形成範囲を削減して補助工法を簡略化できるシールドトンネルと凍結土との一体化方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】地盤１に複数のルーフシールド３を設置した状態を示す図
【図２】シールド機７のテール付近を示す図
【図３】図１に示す複数のルーフシールド３のうち、２本のルーフシールド３付近を拡大した図
【図４】内部に凍着面を有する試験体を示す図
【図５】凍着強度の試験結果を示す図
【図６】地盤４１に複数のルーフシールド４３を設置した状態を示す図
【図７】図６に示す複数のルーフシールド４３の一部を拡大した図
【図８】地下構造物を構築する際の各工程を示す図
【図９】複数のシールドトンネルを接合する際の補助工法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面に基づいて、本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。第１の実施の形態では、複数のルーフシールドトンネルを用いて地下構造物を構築する。
【００１４】
図１は、地盤１に複数のルーフシールド３を設置した状態を示す図である。図１に示す工程では、地盤１に地下構造物を構築する際に、構造物の覆工予定位置５の周囲に、複数のルーフシールド３を所定の離隔をもって構築する。
【００１５】
図２は、シールド機７のテール付近を示す図である。図１に示す複数のルーフシールド３は、図２に示すシールド機７を用いて構築される。図２に示すように、シールド機７は、前面に設けたカッタ６で地盤１を掘削しつつ、スキンプレート９の後方でセグメント１１を筒状に組み立てて掘進する。セグメント１１は、例えば鋼製とする。
【００１６】
スキンプレート９のテール部の内周面１９には、リング状のテールブラシ１３が適当な間隔を開けて固定される。テールブラシ１３は、例えば金属製ワイヤブラシ等である。テールブラシ１３は、シールド機７の前進に伴ってセグメント１１の外周面１７に沿って移動する。
【００１７】
シールド機７でルーフシールド３を掘進する際には、セグメント１１の外径とシールド機７の掘削外径との差により、坑壁２１とセグメント１１の外周面１７との間にテールボイド２３が生じる。テールボイド２３には、裏込め材２５が充填される。裏込め材２５は、例えば、セメントと水ガラスとを含む流動性の固化材である。
【００１８】
シールド機７の掘進時、テールブラシ１３同士の間のテールシール部１４には、水性の充填材１５が充填される。水性の充填材１５は、裏込め材２５や地下水がテールボイド２３からシールド機７内に浸入するのを防ぐ。
【００１９】
水性の充填材１５は、例えば、水と、モンモリロナイトまたはカオリナイトを５０重量％以上含む珪酸塩鉱物であるベントナイトと、水溶性の高分子系増粘剤、セピオライト及びアタパルジャイトの中から選ばれる少なくとも一種の増粘剤と、水酸化ナトリウム、酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、セメントを水和して再粉砕乾燥させたもの及びフライアッシュの中から選ばれる少なくとも一種からなるアルカリ刺激物とからなる。充填材１５は、チクソトロピー性および不燃性を有する。
【００２０】
図３は、図１に示す複数のルーフシールド３のうち、２本のルーフシールド３付近を拡大した図である。図３（ａ）は、図１の範囲Ａに示す部分の拡大図である。図２および図３（ａ）に示すように、ルーフシールド３のセグメント１１の外周面１７と地盤１の坑壁２１との間には、水性の充填材１５および裏込め材２５が介在する。
【００２１】
図３（ｂ）は、凍結土２７を形成した状態を示す図、図３（ｃ）は、覆工体２９を構築した状態を示す図である。図１、図３（ａ）に示すように複数のルーフシールド３を所定の離隔をもって構築した後、図３（ｂ）に示す工程では、ルーフシールド３のセグメント１１の外周面１７と地盤１の坑壁２１との間に充填材１５および裏込め材２５が介在する状態で、ルーフシールド３の外周の所定の範囲に凍結土２７を形成する。裏込め材２５は、地盤１と一体となって凍結土２７を形成し、凍結した充填材１５によってセグメント１１と凍着される。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、凍結土２７は、隣り合うルーフシールド３同士の間に、ルーフシールド３同士を繋ぐように形成される。凍結土２７を形成した後、図３（ｃ）に示す工程では、ルーフシールド３と凍結土２７とで筒状に囲まれた部分である掘削部９９を掘削し、図１に示す覆工予定位置５に覆工体２９を構築する。
【００２３】
次に、セグメント１１と裏込め材２５との凍着特性について説明する。図４は、内部に凍着面を有する試験体を示す図である。図４に示す各試験体は、図３（ｂ）における鋼製のセグメント１１と水性の充填材１５と裏込め材２５とを模したものである。図４（ａ）は、曲げ試験用の試験体を示す図である。図４（ｂ）および図４（ｃ）は、一面せん断試験用の試験体を示す図である。
【００２４】
セグメント１１と裏込め材２５との凍着特性を確認する試験では、図４（ａ）に示す直方体の試験体を３本×３セット製作した。そして、３セットの試験体に、それぞれ−５℃、−１０℃、−２０℃の条件下で、矢印Ｂに示すように載荷して試験を行った。
【００２５】
また、図４（ｂ）に示す円柱体の試験体を３本×３セット製作した。そして、３セットの試験体に、それぞれ−５℃、−１０℃、−２０℃の条件下で、矢印Ｃに示すように載荷して一面せん断試験を行った。
さらに、図４（ｃ）に示す円柱体の試験体を３本×３セット製作した。そして、３セットの試験体に、それぞれ−５℃、−１０℃、−２０℃の条件下で、矢印Ｄに示すように載荷して一面せん断試験を行った。
【００２６】
図５は、凍着強度の試験結果を示す図である。図５の横軸は直応力σ（Ｎ／ｍｍ２）、縦軸は凍着せん断強さτ（Ｎ／ｍｍ２）である。図５では、上述した曲げ試験および一面せん断試験の結果のプロットと、各温度条件における回帰直線とを示す。点線３１は−５℃の条件下での試験結果を、点線３３は−１０℃の条件下での試験結果を、点線３５は−２０℃の条件下での試験結果を示す。
【００２７】
図５に示すように、いずれの温度条件においても、凍着せん断強さは直応力とともに増加する結果が得られた。また、直応力σ＝０の時の値を凍着せん断強さとして評価すると、試験温度が低い方が凍着せん断強さが大きかった。従来のテールグリスでは、試験体が自立しないことから凍着強度に関する評価ができなかったが、水性の充填材１５は凍結可能であることから、図４に示すような各試験体を用いた試験を行って凍着強度を評価することができた。
【００２８】
このように、第１の実施の形態では、水性の充填材１５を用いることにより、シールド機７のセグメント１１の外周面１７と坑壁２１との間に水性の充填材１５および裏込め材２５が介在する状態で、セグメント１１と凍結土２７とを確実に凍着して一体化することができる。これにより、凍結土２７がセグメント１１に対して滑動したり、セグメント１１から剥離したりすることがなくなり、凍結土２７とセグメント１１との止水性を確保できるため、凍結土２７の形成範囲を削減できる。また、セグメント１１と凍結土２７とを定着するジベル等の補強定着手段も不要となり、補助工法を簡略化できる。
【００２９】
水性の充填材１５は、チクソトロピー性を有し、テールシール部１４への注入時に粘性が低下するため施工性が良くなり、注入後には元の粘性に回復して止水効果を発揮する。また、水性の充填材１５は、不燃性を有するため、火気による事故が発生せず、作業環境が改善される。
【００３０】
なお、第１の実施の形態では、楕円形の覆工予定位置５の周囲に複数のルーフシールド３を所定の離隔をもって構築したが、ルーフシールド３の配置形状は楕円形に限らない。また、ルーフシールド３の外周の所定の範囲に凍結土２７を形成した後、ルーフシールド３を貫通して覆工体を構築してもよい。
【００３１】
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態でも、複数のルーフシールドトンネルを用いて地下構造物を構築する。
【００３２】
図６は、地盤４１に複数のルーフシールド４３を設置した状態を示す図である。図７は、図６に示す複数のルーフシールド４３の一部を拡大した図である。図７（ａ）は、図６の範囲Ｅに示す部分の拡大図である。図６に示す工程では、地盤４１に地下構造物を構築する際に、複数のルーフシールド４３を重ねて構築する。ルーフシールド４３は、先行ルーフシールド４３ａ、後行ルーフシールド４３ｂからなる。
【００３３】
図６に示す工程では、構造物の覆工予定位置４２に、先行ルーフシールド４３ａを所定の間隔で構築した後、後行ルーフシールド４３ｂを先行ルーフシールド４３ａにオーバーラップさせて構築する。先行ルーフシールド４３ａ、後行ルーフシールド４３ｂは、第１の実施の形態と同様のシールド機を用いて構築される。
【００３４】
図７（ａ）に示すように、先行ルーフシールド４３ａ、後行ルーフシールド４３ｂのセグメント４５の外周面４６と地盤４１の坑壁４４との間には、水性の充填材４７および裏込め材４９が介在する。
【００３５】
ルーフシールド４３のテールボイドに充填される裏込め材４９は、第１の実施の形態の裏込め材２５と同様の材質である。ルーフシールド４３のテールシール部に充填される水性の充填材４７は、第１の実施の形態の充填材１５と同様の材質であり、チクソトロピー性および不燃性を有する。
【００３６】
図７（ｂ）は、凍結土５１を形成した状態を示す図、図７（ｃ）は、覆工体５３を構築した状態を示す図である。図６に示す工程で、複数のルーフシールド４３を構築した後、図７（ｂ）に示す工程では、ルーフシールド４３の鋼製のセグメント４５の外周面４６と地盤４１の坑壁４４との間に充填材４７および裏込め材４９が介在する状態で、ルーフシールド４３の外周の所定の範囲に凍結土５１を形成する。裏込め材４９は、地盤４１と一体となって凍結土５１を形成し、充填材４７によってセグメント４５と凍着される。
【００３７】
凍結土５１は、隣り合うルーフシールド４３同士の重なり部付近に形成される。凍結土５１は、例えば楔型に形成される。凍結土５１を形成した後、図７（ｃ）に示す工程では、図６に示す覆工予定位置４２に覆工体５３を構築する。
【００３８】
このように、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、水性の充填材４７を用いることにより、セグメント４５の外周面４６と坑壁４４との間に水性の充填材４７および裏込め材４９が介在する状態で、セグメント４５と凍結土５１とを確実に凍着して一体化することができる。これにより、凍結土５１がセグメント４５に対して滑動したり、セグメント４５から剥離したりすることがなくなり、凍結土５１とセグメント４５との止水性を確保できるため、凍結土５１の形成範囲を削減でき、補助工法を簡略化できる。
【００３９】
第２の実施の形態では、複数のルーフシールド４３を先行ルーフシールド４３ａと後行ルーフシールド４３ｂとが重なるように円形に構築したが、ルーフシールド４３の配置形状は円形に限らない。
【００４０】
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、本線シールドとランプシールドとをルーフシールドトンネルを用いて接合する。
【００４１】
図８は、地下構造物を構築する際の各工程を示す図である、図８（ａ）は、地盤６１に本線シールド６３およびランプシールド６５を設置した状態を示す図である。図８（ｂ）は、曲線パイプルーフ７１を設置した状態を示す図である。図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示す範囲Ｆの拡大図である。
【００４２】
図８（ａ）に示す工程では、地盤６１に本線シールド６３とランプシールド６５とを所定の離隔をもって構築する。本線シールド６３、ランプシールド６５は、第１の実施の形態と同様のシールド機を用いて構築される。
【００４３】
図８（ｃ）に示すように、本線シールド６３のセグメント７７の外周面７９と地盤６１の坑壁８１との間には、水性の充填材７３および裏込め材７５が介在する。ランプシールド６５のセグメントの外周面と地盤６１の坑壁との間にも、本線シールド６３と同様の材質の水性の充填材および裏込め材が介在する。
【００４４】
本線シールド６３のテールボイドに充填される裏込め材７５、ランプシールド６５のテールボイドに充填される裏込め材は、第１の実施の形態の裏込め材２５と同様の材質である。本線シールド６３のテールシール部に充填される水性の充填材７３、ランプシールド６５のテールシール部に充填される水性の充填材は、第１の実施の形態の充填材１５と同様の材質であり、チクソトロピー性および不燃性を有する。
【００４５】
図８（ａ）に示す工程で、本線シールド６３とランプシールド６５とを構築した後、図８（ｂ）に示す工程では、本線シールド６３のセグメント７７の外周面７９と地盤６１の坑壁８１との間に充填材７３および裏込め材７５が介在し、ランプシールド６５のセグメントの外周面と地盤６１の坑壁との間にも充填材と裏込め材が介在する状態で、本線シールド６３の外周の所定の範囲とランプシールド６５の外周の所定の範囲との間に凍結土６９を形成する。裏込め材７５は、地盤６１と一体となって凍結土６９を形成し、充填材７３によってセグメント７７と凍着される。
【００４６】
凍結土６９は、本線シールド６３およびランプシールド６５の上半部、下半部にそれぞれ形成される。凍結土６９を形成した後、図８（ｂ）に示す工程では、図８（ａ）に示す曲線パイプルーフ予定位置６７に、本線シールド６３から発進してランプシールド６５に到達する曲線パイプルーフ７１、または、ランプシールド６５から発進して本線シールド６３に到達する曲線パイプルーフ７１を構築する。
【００４７】
このように、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、水性の充填材７３を用いることにより、セグメントの外周面と坑壁との間に水性の充填材７３および裏込め材７５が介在する状態で、セグメントと凍結土６９とを確実に凍着して一体化することができる。これにより、凍結土６９がセグメントに対して滑動したり、セグメントから剥離したりすることがなくなり、凍結土６９とセグメントとの止水性を確保できるため、凍結土６９の形成範囲を削減でき、補助工法を簡略化できる。
【００４８】
なお、第３の実施の形態では、本線シールド６３の左半部とランプシールド６５の右半部との間に曲線パイプルーフ７１を構築したが、ルーフシールドの構築位置は図８に示すものに限らない。図８の本線シールド６３の右半部とランプシールド６５の左半部との間にルーフシールドを構築してもよい。
【００４９】
第１から第３の実施の形態では、セグメントを鋼製としたが、セグメントは鋼製に限らず、コンクリート製でもよい。コンクリート製のセグメントを用いた場合にも、水性の充填材を用いれば、セグメントと裏込め材とを凍着することができる。
【００５０】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載され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】
【００５１】
１、４１、６１、１０１、１０７………地盤
３、４３、７１、１０３………ルーフシールド
５、４２………覆工予定位置
７………シールド機
９………スキンプレート
１１、４５、７７………セグメント
１３………テールブラシ
１４………テールシール部
１５、４７、７３………充填材
１７、４６、７９………外周面
２１、４４、８１………坑壁
２３………テールボイド
２５、４９、７５………裏込め材
２７、５１、６９………凍結土
２９、５３………覆工体
４３ａ………先行ルーフシールド
４３ｂ………後行ルーフシールド
６３………本線シールド
６５………ランプシールド
６７………曲線パイプルーフ予定位置
７１………曲線パイプルーフ
【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】
2018127810.tif 000008
【図７】
2018127810.tif 000009
【図８】
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【図９】
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