(57)【要約】【課題】トンネルの既設覆工コンクリートが劣化してひび割れ等が発生した場合に，内空断面を小さくしないで，すなわち薄い厚みで，十分に耐荷力のある補強層を施工する。【解決手段】トンネル覆工コンクリートの補強を行うにさいし，該覆工コンクリートの表面を鋼板で覆うか，或いは該覆工コンクリートの表面に条鋼を互いに間隔をあけて内巻きしたうえ，その上から，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工することを特徴とするトンネル補強工法である。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル覆工コンクリートの補強を行うにさいし，該覆工コンクリートの表面を鋼板で覆ったうえ，その鋼板表面をクラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工することを特徴とするトンネル補強工法。
【請求項２】
トンネル覆工コンクリートの補強を行うにさいし，該覆工コンクリートの表面に条鋼を互いに間隔をあけて内巻きし，その上から，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工することを特徴とするトンネル補強工法。
【請求項３】
クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すものである請求項１または２に記載のトンネル補強工法。
【請求項４】
クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（  Ｐｏｌｙ  Ｖｉｎｙｌ  Ａｌｃｏｈｏｌ  ）  短繊維を１ｖｏｌ．％以上３ｖｏｌ．％以下の配合量で配合したものである請求項１に記載のトンネル覆工構造。
〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１．５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ３
練り上がり直後の空気量：３．５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ３未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０．０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，薄い厚みで強力な補強を行うトンネル補強工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，変状が発生したトンネルの圧縮力に対する補強工法として，裏込め注入・ロックボルトなどの地山の安定性改善を目的とした補強法と，内巻きコンクリート・打替えコンクリート等のよる覆工コンクリート自体の耐力向上を目的とした補強法が主として採用されている。
【０００３】
前者の場合には，覆工コンクリートへの負荷を低減できるが，覆工コンクリート自体の劣化に対しては補強効果は期待できない。したがって，変状により覆工コンクリートが要求性能を満足できない場合には，後者の内巻きコンクリート・打替えコンクリート工法などによって覆工コンクリート自体の耐力を向上させることが有効となる。
【０００４】
図１に示すように，既設の一次覆工コンクリート１が劣化しひび割れなどが発生した場合の補強として，内巻きコンクリート２を施工する場合には，内巻きコンクリート２に二次覆工の耐力を期待することになるので，この内巻きコンクリート２の厚さを一次覆工コンクリート１と同等の３００ｍｍ以上とすることが必要である。このため，内空断面を十分に確保できない場合が生じる。図１で破線で示す建築限界を超えてまで内巻きコンクリート２を施工することはできないので，内空断面に余裕がない場合には，内巻きコンクリートの施工は制約を受けることになる。
【０００５】
一次覆工コンクリートを除去する打替え法によれば，内空断面を確保することはできるが，既設コンクリートの撤去等に多大の労力と費用を覚悟しなければならない。加えて打替えコンクリートでは十分な補強効果が達成できないこともある。
【０００６】
補強効果を高めるために，特にせん断や曲げに対する補強効果を併せて期待する場合には，炭素繊維配合のシートや鋼板を用いた接着工法が適用されたりするが，この場合にも多大の労力と費用を覚悟しなければならない。
【０００７】
特許文献１には，旧覆工コンクリートと吹付けコンクリートとの付着力を高めるために旧覆工コンクリートにせん断ボルトをその頭部が突出した状態で打ち込んだうえで，吹付けコンクリートを施工するトンネルライニングの補修ないし補強法が記載されている。特許文献２には，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料が記載されており，特許文献３には，ＰＶＡ短繊維を配合したモルタル吹付材料が記載され，このものは材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示す。
【０００８】
【特許文献１】特公平４−７２０３８号公報
【特許文献２】特開２０００−７３９５号公報
【特許文献３】特開２００２−１９３６５３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
打巻きコンクリートの厚みを増大させないで十分な補強を行うには，例えば特許文献２のような繊維補強吹付け材料を使用して打巻きコンクリート自身に高い強度を期待し且つ特許文献１のように旧覆工コンクリートとの接着力を高めることが有効であるが，特許文献１のようにせん断ボルトを打ち込むと旧覆工コンクリートにクラックを誘発する原因ともなりかねず，また特許文献３の繊維補強材料を内巻きしても，それだけで，変状が発生したトンネルの圧縮力に耐える耐力を期待することは困難な場合が多い。
【００１０】
したがって，本発明の課題は，３００ｍｍ以上の厚みを必要としていた従来の打巻きコンクリートと同等の強度を，厚み１００ｍｍ以下，場合によっては７０ｍｍ以下の状態でも安定して発現できるようなトンネル補強工法を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，トンネル覆工コンクリートの補強を行うにさいし，該覆工コンクリートの表面を鋼板で覆ったうえ，その鋼板表面をクラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工することを特徴とするトンネル補強工法を提供する。
【００１２】
また本発明によれば，トンネル覆工コンクリートの補強を行うにさいし，該覆工コンクリートの表面に条鋼を互いに間隔をあけて内巻きし，その上から，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工することを特徴とするトンネル補強工法を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料が有する特有の強度特性と鋼の強度を組合せることによって，覆工厚みが１００ｍｍ以下，場合によっては７０ｍｍ以下でも，従来の内巻きコンクリート３００ｍｍの場合と同等の圧縮力に対する耐荷力を確保するものであり，これによって，トンネル補強時に内空断面が減少するのをできるだけ防止する。
【００１４】
すなわち，図２に示したように，既設の一次覆工コンクリート１が劣化しひび割れ等が発生した場合において，鋼板３でその表面を覆い，ついでクラック分散型の繊維補強セメント複合材料の層（以下，高靭性ＦＲＣ材料層という）４で覆工する。鋼板３と高靭性ＦＲＣ材料層４との合計の厚みは，１００ｍｍ以下，場合によっては７０ｍｍ以下であり，この厚みで図１の内巻きコンクリート２と同等以上の耐荷力を確保する。これにより，図１では破線で示す建築限界を超えることになっても，図２ではこれを回避できる。
【００１５】
図３は図２のＡ部拡大図である。図示のように，一次覆工コンクリート１と高靭性ＦＲＣ材料層４と間に鋼板３を介装させるが，鋼板３の施工は，必要に応じて，一次覆工コンクリート１もしくは岩盤５までに貫通するアンカー（図示せず）を用いて固定する。鋼板３の背面に無視できないような隙間が発生する場合には，接着材をその隙間に充填する。また漏水が多い場合には遮水シートを背面に施設する。
【００１６】
図４は，図２のＸ−Ｘ線矢視拡大断面図であり，鋼板３の内面に，トンネル断面に沿ったリブ６を備えている状態を示す。リブ６は一方の側壁下端から他方の側壁下端までトンネル断面に沿って連続した状態で鋼板３に取付けられるのが好ましく，このリブ６をトンネル方向に所定の間隔をあけて連設することにより，鋼板３の耐荷力をさらに増強することができる。高靭性ＦＲＣ材料層４はリブ６との間および鋼板３との間で隙間が発生しないように，且つリブ３を覆うように敷設されることにより，変状が発生したトンネルの圧縮力に十分に耐えるようになる。
【００１７】
図５は，鋼板３に代えて，条鋼７を用いた以外は，図４のものと同じ本発明の補強工法を示す。図５の例では，条鋼７としてＩ型鋼を使用し，これを覆工コンクリート１の表面に対して一方の側壁下端から他方の側壁下端までトンネル断面に沿って連続した状態で内巻きし，これをトンネル方向に所定の間隔をあけて連設する。そして，敷設されたＩ型鋼を包み込むようにして高靭性ＦＲＣ材料層４を吹付けによって形成したものである。Ｉ型鋼に代えてＬ型鋼やその他の異形断面鋼を使用することもできる。いずれにしても，この条鋼７の内巻きと高靭性ＦＲＣ材料層４によって，変状が発生したトンネルの圧縮力に十分に耐えることができる。
【００１８】
いずれの態様においても，本発明で使用する高靭性ＦＲＣ材料としては，例えば特開２０００−７３９５号公報に記載された高靭性ＦＲＣ材料を吹付け用に改良したものを使用する。すなわち，本発明においては，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（  Ｐｏｌｙ  Ｖｉｎｙｌ  Ａｌｃｏｈｏｌ  ）  短繊維を１ｖｏｌ．％以上３ｖｏｌ．％以下の配合量で配合したクラック分散型の繊維補強セメント複合材料を吹付け施工する。
〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１．５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ３
練り上がり直後の空気量：３．５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ３未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０．０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【００１９】
〔Ｆ１〕の条件を満たすビニロン短繊維としては，ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であるのが好ましく，代表的なものとして，引張強度が９０ｋｇｆ／ｃｍ２  級，弾性係数（ヤング率）が２９００ｋｇｆ／ｍｍ２  級で，比重が約  １．３で形状が０．６６ｍｍφ×３０ｍｍの公知のもの（株式会社クラレ製）が使用できる。ビニロン短繊維の配合量が１ｖｏｌ．％未満では割れ発生後の耐力が十分ではなく剥落防止の目的が十分に達成できない。他方，ビニロン短繊維の配合量が３．０ｖｏｌ．％を超えるような多量となると，施工上必要な流動性を満たすことが困難なる。
【００２０】
また，高靭性ＦＲＣ材料で使用する高性能ＡＥ減水剤としては，ポリカルボン酸系，ポリエーテル系，ナフタレン系，メラミン系，アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましい。
【００２１】
この高靭性ＦＲＣ材料の吹付を実施するには，練混ぜ直後のモルタルフロー値が１６５ｍｍ以上，好ましくは１７０〜１８０ｍｍであるのがよい。１６５ｍｍ未満であると吹付のガン先で材料が適当に分散せず，吹付面に均一に付着できなくなることがある。しかし，あまりフロー値が高いとポンプ圧送時に材料分離を起こし，繊維が凝集してフアイバーボールを生ずることがあるので１８０ｍｍ以下であるのがよい。このようなモルタルフロー値を安定して確保するには，３０Ｋｇ／ｍ３未満の高性能ＡＥ減水剤を配合し，練混ぜ直後の空気量を３．５〜２０％好ましくは１０〜２０％とするのがよい。さらにこのような流動性を維持しながら材料分離抵抗を高めるために増粘剤を添加することが好ましい。とくにウエランガムなどの微生物発酵のバイオポリマーの使用（単位水量に対して０．０１〜０．２％程度を配合する）が有益である。
【００２２】
なお，適度な粒度の粉体量を確保するために，セメントの一部をフライアッシュや高炉スラグ等の混和材で代替し，また骨材としては最大粒径が０．８ｍｍ以下，平均粒径が０．４ｍｍ以下の細骨材を使用するのが好ましい。したがって，前記〔Ｍ１〕の条件として，さらに，細骨材粒径：最大粒径０．８ｍｍ以下，平均粒径０．４ｍｍ以下という要件を加えるのが好ましい。そして，この細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）が１．５以下となるように配合するのがよい。水結合材比（Ｗ／Ｃ）については，吹付け作業性を良好にするには２５％以上とすることが必要である。
【００２３】
このようにして吹付け施工した高靭性ＦＲＣ材料層４は前記の〔Ｆ１〕および〔Ｍ１〕の条件を満たす限りにおいて，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料層となる。このため，トンネル覆工に適用した場合の割れ発生のメカニズムが，前記のように，微小な割れが無数に生じたものとなり，幅の大きな割れには至らない。
【００２４】
一次覆工コンクリート２に対して鋼板３または条鋼７を施工したあとに，この高靭性ＦＲＣ材料層４で覆工すると，鋼板３または条鋼７による優れた耐荷力に加えて（鋼板はコンクリート強度の１０倍以上の耐荷力を有する），高靭性ＦＲＣ材料４が高い曲げ強度（通常１０ＭＰａ程度）を有するので断面中に引張応力を許容できる結果，通常の覆工コンクリートに比べて断面厚さを相当薄くしても同等の覆工性能を発揮できることのほか，岩盤に変形が生じた場合でも，その変形を吸収することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，既設の覆工コンクリート層が劣化してひび割れなどが発生した場合に，内巻きコンクリートに比べてその厚みを１／３以下にまで低減しても同等以上の耐荷力を確保できるので，内空断面に余裕がない場合でも，施工できる。また，本発明の補強工法は鋼材の強度特性と高靭性ＦＲＣ材料特有の強度特性によりせん断や曲げに対する補強効果に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内巻きコンクリートによる従来のトンネル補強工法を図解した略断面図である。
【図２】本発明によるトンネル補強工法を図解した略断面図である。
【図３】図２のＢ部拡大図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図５】本発明によるトンネル補強工法の他の例を示す図４と同様の断面図である。
【符号の説明】
１  既設の一次覆工コンクリート
２  内巻きコンクリート
３  鋼板
４  高靭性ＦＲＣ材料層
５  岩盤
６  リブ
７  Ｉ型鋼
【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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