(57)【要約】【課題】地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、トンネル地山の安定化を図る。【解決手段】トンネル地山１に打設される鋼管２と、当該鋼管２内に挿入される棒状のＧＦＲＰ材３と、鋼管２の内空５において鋼管内壁６とＧＦＲＰ材３との間に充填される充填材７とから地山補強材１０を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル地山に打設される鋼管と、当該鋼管内に挿入される棒状のＧＦＲＰ材と、前記鋼管の内空において鋼管内壁と前記ＧＦＲＰ材との間に充填される充填材とからなることを特徴とする地山補強材。
【請求項２】
前記鋼管の内壁沿いに周方向に延びる凸部が設けられ、該凸部は周方向に不連続となっていることを特徴とする請求項１に記載の地山補強材。
【請求項３】
前記凸部が、前記鋼管の軸方向に複数列備わっており、隣接する一組の前記凸部の間で、各々の不連続部の位置が、鋼管軸方向において少なくとも一部一致したものである、ことを特徴とする請求項２に記載の地山補強材。
【請求項４】
トンネル地山に打設される鋼管と、当該鋼管内に挿入される棒状のＧＦＲＰ材と、前記鋼管の内空において鋼管内壁と前記ＧＦＲＰ材との間に充填される充填材とからなる地山補強材をトンネル地山に施工してなることを特徴とする地山補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地山補強材および地山補強構造に関するものであり、具体的には、地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、トンネル地山の安定化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
未固結の土砂地山や大土被りの押出し性地山におけるトンネル掘削では、鏡面の押出しや切羽の不安定化対策として、鏡ボルトの施工が行われる。この鏡ボルトは、トンネル切羽面から前方地山に向けて打設される鋼管やＧＦＲＰ管と、その内外に注入されるモルタル等の充填材から構成され、充填材を介して地山と一体となった鋼管等が鏡面押し出し等に伴う引張に抵抗し、崩壊等を防止する。
【０００３】
こうした鏡面の補強構造に関しては、以下のような技術が提案されている。すなわち、引っ張り力によってねじ継手部から破断せず、地山を安定した状態に保ち続けることを目的とした、鋼管からなる一般部と、該一般部の両端に設けられたねじ継手部とを備えた地山補強用鋼管であって、上述のねじ継手部を、その引張強度が一般部の引張強度と同程度になるように構成した地山補強用鋼管（特許文献１）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−７０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特に膨張性の強い地山や土被り厚の大きなトンネルにおいては、鏡面の押し出し力が非常に大きいため、鏡ボルトの備える引張耐力を越えた過大な軸力が作用する。自身の引張耐力を越える過大な軸力を受けた各鏡ボルトは、継手部など所定箇所において相次いで破断することになる。こうした鏡ボルトの破断は、鏡面における補強機能喪失につながり、鏡面での押し出し増大、崩落の発生等の問題を生じることになる。
【０００６】
そこで本発明は、トンネル施工時に生じる軸力に効果的に抵抗し、トンネル地山の安定化を図る技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する地山補強材は、トンネル地山に打設される鋼管と、当該鋼管内に挿入される棒状のＧＦＲＰ材と、前記鋼管の内空において鋼管内壁と前記ＧＦＲＰ材との間に充填される充填材とからなることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、膨張性地山での鏡面に生じる、強い押し出しに伴う軸力に対し、充填材を介して鋼管と一体となったＧＦＲＰ材が効果的に抵抗して、地山補強材全体の引張軸耐力の向上が図られる。そのため、土被り厚が大きいトンネル等においても、鋼管破断に伴う鏡面の押し出し増大や崩落の発生する事態を回避可能となる。したがって、地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、確実なトンネル地山の安定化を図ることが可能となる。
【０００９】
なお、上述の地山補強材は、前記鋼管の内壁沿いに周方向に延びる凸部が設けられ、該凸部は周方向に不連続となっているとすれば好適である。
【００１０】
これによれば、鋼管打設時に鋼管内を移動する排泥が、上述した凸部の不連続部分を通過可能であるため、特段阻害されることなく効率良く管軸方向に流動可能であり、全体の施工効率を良好に保つことが出来ると共に、鋼管内壁の凸部によって、ＧＦＲＰ材が充填材を介して鋼管に確実に付着し、トンネル地山から鋼管に作用する引張軸力を効果的にＧＦＲＰ材に伝達することが可能になる。従って、膨張性地山での鏡面に生じる、強い押し出しに伴う軸力に対し、充填材を介してより確実に鋼管と一体となったＧＦＲＰ材が更に効果的に抵抗可能となる。
【００１１】
また、上述の地山補強材は、前記凸部が、前記鋼管の軸方向に複数列備わっており、隣接する一組の前記凸部の間で、各々の不連続部の位置が、鋼管軸方向において少なくとも一部一致したものである、とすれば好適である。
【００１２】
これによれば、鋼管内壁に複数列備わる凸部によって、充填材を介したＧＦＲＰ材と鋼管との付着が更に確実なものとなり、トンネル地山から鋼管に作用する引張軸力を一層効果的にＧＦＲＰ材に伝達可能になると共に、各凸部の間で不連続部分が少なくとも一部は重なるよう構成され、上述の鋼管内での排泥の流動を妨げないため、全体の施工効率を良好に保つことが出来る。
【００１３】
また、本発明の地山補強構造は、トンネル地山に打設される鋼管と、当該鋼管内に挿入される棒状のＧＦＲＰ材と、前記鋼管の内空において鋼管内壁と前記ＧＦＲＰ材との間に充填される充填材とからなる地山補強材をトンネル地山に施工してなることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、膨張性地山での鏡面に生じる、強い押し出しに伴う軸力に対し、充填材を介して鋼管と一体となったＧＦＲＰ材が効果的に抵抗して、地山補強材全体の引張軸耐力の向上が図られた構造を形成する。そのため、土被り厚が大きいトンネル等においても、鋼管破断に伴う鏡面の押し出し増大や崩落の発生する事態を回避可能となる。したがって、地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、確実なトンネル地山の安定化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、確実なトンネル地山の安定化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態における地山補強材の構造例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態における地山補強材の施工形態を示す図である。
【図３】本実施形態における地山補強材の構造例を示す側断面図である。
【図４】本実施形態の地山補強材における断面例１を示す図である。
【図５】本実施形態の地山補強材における断面例２を示す図である。
【図６】他の地山補強材の断面例１を示す図である。
【図７】他の地山補強材の断面例２を示す図である。
【図８】本実施形態における地山補強材の使用材料諸元を示す図である。
【図９】本実施形態における地山補強材の供試体種類を示す図である。
【図１０】本実施形態における引張試験結果を示す図である。
【図１１】本実施形態における引張試験結果のグラフを示す図である。
【図１２】本実施形態における継手破断時荷重配分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態における地山補強材１０の構造例を示す斜視図であり、図２は本実施形態における地山補強材の施工形態を示す図である。本実施形態の地山補強材１０は、トンネル工事での施工対象が膨張性地山である場合など、鏡面２００に強い押し出しが発生する施工状況に際し、上述の押し出しに伴う軸力に確実に抵抗し、地山安定化を図るものである。
【００１８】
地山補強材１０は、図１にて例示するように、トンネル地山１に打設される鋼管２と、当該鋼管２内に挿入されるＧＦＲＰ（Glass fiber reinforced plastics）材３と、鋼管２の内空５において鋼管内壁６とＧＦＲＰ材３との間に充填されるモルタル等の充填材７とからなる。
【００１９】
このうち鋼管２は、例えば１２〜１３ｍ程度の長尺鋼管であり、図２にて示すように、トンネル坑内４５に配置した油圧ジャンボ５０における、ブーム５１のドリフタ５２にセットされ、鏡面２００からトンネル掘進方向のトンネル地山１に打設される。この場合、鋼管２は、先端部に備わる掘削ビット２０がドリフタ５２で駆動されることでトンネル地山１に対する削孔動作を行い、鏡面２００から徐々に掘進し、トンネル地山１に打設されることとなる。打設された鋼管２とその周囲のトンネル地山１との間には、鋼管２の内空５から所定孔を介してグラウト材３０が注入され、トンネル地山１と鋼管２とは一体化される。
【００２０】
また、地山補強材１０を構成する上述のＧＦＲＰ材３は、鋼管２の内空５に挿入可能な幅、厚みを有する棒状の部材であり、一例としては、図１にて示すように平板状に成形された部材を採用できる。本実施形態の地山補強材１０の場合、こうした平板状のＧＦＲＰ材３を、スペーサー４を介して３つ組み合わせ、一体のＧＦＲＰ材３として鋼管２の内空５に挿入した構造となっている。
【００２１】
ＧＦＲＰ材３は、ガラス繊維強化プラスチック材であり、母材のプラスチックにガラス繊維を混入し、主に引張強度を高めた複合材料である。このＧＦＲＰ材３は、地山補強材１０に必要となる引張耐力、すなわちトンネル地山１から鏡面２００に作用する押し出しに伴う軸力に抵抗可能な強度を備えるよう、予め、部材やサイズの選定を行うものとする。
【００２２】
なお、上述のスペーサー４は、ＧＦＲＰ材３の少なくとも両端において、各ＧＦＲＰ材３の側面と嵌合し、各ＧＦＲＰ材３の位置関係を固定するように構成されている。また、スペーサー４は、その断面中心において、充填材７の注入管８を挿通させる挿通孔１１を有している。注入管８は、鋼管２の内空５に対するＧＦＲＰ材３の挿入後、適宜な圧送装置から供給されたモルタルなどの充填材７を、鋼管２の内空５に導く管路となる。本実施形態における注入管８は、長さの異なる複数の補助注入管９を内包しているものとする。各補助注入管９の長さは、図３にて例示するように、鋼管２の内空５にて偏り無く充填材７が注入されるよう、鏡面２００から鋼管２の先端に向けて一定間隔毎の所定位置に至る各長さに対応したものとなる。
【００２３】
こうして鏡面２００からトンネル地山１に施工された地山補強材１０は、押し出しに伴う引張軸力に抵抗する地山補強構造１００を形成する。図２の例では、トンネル掘進方向に向けて打設する鏡ボルトとしての地山補強材１０を示しているが、この他にも、レッグパイルやサイドパイルのような脚部補強パイル、或いはロックボルトに本実施形態の地山補強材１０を適用するとしてもよい。
【００２４】
続いて、上述した鋼管２における内空５の内壁６の特徴的な構造について説明する。図３は本実施形態における地山補強材１０の構造例を示す側断面図であり、図４は本実施形態の地山補強材１０における断面例１を示す図、図５は本実施形態の地山補強材１０における断面例２を示す図である。鏡面２００からトンネル地山１にかけて構築すべき地山補強構造１００は、上述した軸力に抗する支点を確保するため、鏡面２００からトンネル掘進方向に十分離れ、トンネル地山１において押し出し作用が所定レベル以下と推定される適宜な位置に、その先端部位１１０を配置し定着させる必要がある。
【００２５】
このため鋼管２の打設に際しては、その先端が上述の先端部位１１０の位置に達するまで、複数の鋼管２を互いの継手構造１７により継続的に連結させることになる。この各鋼管２における継手構造１７は、鋼管端部に備わるネジ継手である。
【００２６】
また、本実施形態における鋼管２の内壁６には、鋼管端部から所定距離だけ離間した位置に、周方向に延びる凸部１５が備わっている。凸部１５は、図４、５にも示すように、内壁６の周上において不連続部１６を挟んで円周状に配置されている。なお、図４、５においては、この凸部１５の構造を明示するため、鋼管２の内空５について、継手構造１７から鏡面２００側の端部１８に向けた視点で観察した場合の内壁６を、遠近感を加味して示している。
【００２７】
トンネル地山１に対する鋼管２の打設時、鋼管先端の掘削ビット２０で生じた掘削土の後方排出のため、鋼管２の内空５では排泥が効率良く行われる必要がある。この排泥は鋼管２の内壁６の滑らかさに応じて効率が上下するため、内壁６表面が滑らかであると鋼管打設工程に関して好適であるが、一方で、鋼管２とＧＦＲＰ材３との一体化を確実なものとするためには、両者間に充填される充填材７が内壁６に対し確実に付着する必要もある。そこで、本実施形態における鋼管２の内壁６には、上述した凸部１５を不連続部１６を挟んで配置し、内空５における排泥が不連続部１６を通して鋼管２の軸方向に流動可能な構成としている。従って、鋼管２の内空５において、排泥は特段阻害されることなく効率良く流動可能であり、全体の施工効率を良好に保つことが出来る。他方、内壁６の凸部１５によって、ＧＦＲＰ材３が充填材７を介して鋼管２に確実に付着し、トンネル地山１から鋼管２に作用する引張軸力を効果的にＧＦＲＰ材３に伝達することが可能になる。ＧＦＲＰ材３は十分な引張耐力を発揮するため、鋼管２から伝達された軸力に対して確実に抵抗し、地山補強材１０として必要な引張耐力が確保されることとなる。
【００２８】
また、上述した凸部１５は、図４のように一列のみの場合と、図５のように、鋼管２の軸方向に複数列備わる場合のいずれも採用できる。このうち凸部１５が複数列備わる場合、凸部１５の各列間で、各々の不連続部１６の位置が、鋼管軸方向において少なくとも一部一致する配置となっている。このような配置であれば、複数列となっている凸部１５により、一列のみの凸部１５の場合に比べて、ＧＦＲＰ材３が充填材７を介して鋼管２に更に確実に付着することになる。一方、複数列の凸部１５が配置された構造であっても、不連続部１６が一部連通する配置となっており、排泥は特段阻害されることなく効率良く流動可能である。よって全体の施工効率を良好に保つことが出来る。
【００２９】
なお、本実施形態では、凸部１５が、継手構造１７すなわち鋼管２の端部から所定距離以内の内壁６に位置する例を示したが、製造時点から鋼管２に凸部１５を設ける仕様となっている場合、そうした鋼管端部からの距離に無関係に凸部１５を配置する構成としてもよい。
【００３０】
続いて、本実施形態における地山補強材１０について、上述のＧＦＲＰ材３による強度向上効果を把握するために行った引張試験について説明する。ここでは、供試体として長さ１ｍの鋼管を採用し、各鋼管同士を溶接・ネジ継手で繋ぎ、その内空にＧＦＲＰ材（幅４０ｍｍ×厚さ７ｍｍ×長さ２．０ｍ：３本）を挿入後、充填材たるモルタル（Ｗ／Ｃ＝６１．１％）を充填し、２４時間後に引張試験を行った。なお、引張試験に際しては供試体両端の鋼管のみを油圧ジャッキに固定し、引張荷重を与えた。
【００３１】
また、鋼管内壁に設ける凸部については、溶接突起全周１列（図６参照）、溶接突起半周（３分割）×１列および２列（上述した図４、５）、の構成を対象とすると共に、削り加工により鋼管内壁に凹部を設けた構成（図７参照）についても検討を行った。なお、供試体としての鋼管、ＧＦＲＰ材、充填材の各材料諸元を図８に、供試体の種類一覧を図９に示す（図中ではＧＦＲＰ材を「フラットバー」と記載している）。
【００３２】
図１０は本実施形態における引張試験結果を示す図であり、図１１は本実施形態における引張試験結果のグラフ（荷重変位曲線）を示す図である。上述の供試体に対する引張試験結果は、いずれの供試体も、継手破断後、ＧＦＲＰ材の破断もしくはモルタルの引抜けにより破壊に至ったことを示している。なお図１０、１１における変位は供試体全体（Ｌ＝２ｍ）の引張変位であり、図１１におけるグラフではＧＦＲＰ材のみの場合に推定される荷重変位も示している。
【００３３】
また、継手破断時の鋼管とＧＦＲＰ材の荷重配分について算出し、図１２に示す算出結果を得た。荷重配分の算出に際しては、ＧＦＲＰ材のひずみから負担荷重を逆算し、総荷重からそれを除すことで鋼管の負担荷重を算出することとした。
【００３４】
以上の引張試験の結果によれば、充填モルタルと鋼管の付着強度は供試体（１）の試験結果より、１５０ｋＮ／ｍ程度と推定される。また、継手破断強度は、溶接継手で５００ｋＮ〜５４０ｋＮ程度、ネジ継手で４６０ｋＮ〜５２０ｋＮ程度であった。また、鋼管の負担荷重によれば、溶接継手単体の破断は３６５ｋＮ〜４００ｋＮ、ネジ継手単体の破断が３００ｋＮ程度で発生したことが分かる。また、ＧＦＲＰ材の負担荷重は溶接継手で１００〜１７０ｋＮ、ネジ継手で１９０〜２３０ｋＮであった。
【００３５】
また、ＧＦＲＰ材による補強効果は、鋼管内壁における凹凸の別で踏まえると、（削り加工による凹部）＜（溶接突起半周１列）＜（溶接突起全周１列）＜（溶接突起全周２列）の順で補強効果が大きくなることが判明し、本実施形態における凸部による効果の有効性が確認できた。また、ＧＦＲＰ材により、溶接継手・ネジ継手部ともに強度５００ｋＮ以上の耐力が得られ、継手破断後は、ＧＦＲＰ材が耐力を発揮し、弾塑性的に耐力を発揮することが確認できた。
【００３６】
本実施形態によれば、地山の掘削面に生じる軸力に効果的に抵抗し、トンネル地山の安定化を図ることが可能となる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  トンネル地山
２  鋼管
３  ＧＦＲＰ材
４  スペーサー
５  鋼管内空
６  鋼管内壁
７  充填材
８  注入管
９  補助注入管
１０  地山補強材
１１  挿通孔
１５  凸部
１６  不連続部
１７  継手構造
１８  鋼管端部
２０  掘削ビット
３０  グラウト材
４５  トンネル坑内
５０  油圧ジャンボ
５１  ブーム
５２  ドリフタ
１００  地山補強構造
１１０  先端部位
２００  鏡面
【図２】
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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１１】
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【図１】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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