(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルと、トンネル内壁面から基端が露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルと、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平パイルの基端と下向きパイルの基端を結合する結合金物とを備えたことを特徴とするトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項２】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルが、地山の緩み部外側の健全部に根入れされることを特徴とする請求項１に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項３】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルは、前記支保工の両側にそれぞれ一対一組で設けられ、前記結合金物はこれら一対一組の水平パイルおよび下向きパイルの基端を一括して結合することを特徴とする請求項１または２に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項４】
前記結合金物は、隣接する支保工同士を連結する荷重伝達桁を介して前記支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設されることを特徴とする請求項１〜３いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項５】
前記結合金物は、前記支保工のトンネル内空側に位置させて当該支保工に固定されることを特徴とする請求項３に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項６】
前記結合金物には、パイル挿入用通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項７】
前記支保工の脚部には、当該支保工のトンネル床面に対する接地面積をトンネルの幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して該脚部に作用する荷重を分散させる補剛構造体が設けられることを特徴とする請求項１〜６いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支保工の沈下を効果的に抑制することが可能なトンネルの支保工沈下抑制構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルにあっては、掘削されたトンネル内壁面に沿ってアーチ状の支保工が設置されるが、この支保工が、地山の緩み部の沈下作用によって沈下されるのを抑制することが重要である（例えば、特許文献１参照）。従来、支保工の沈下を抑制するために、おおよそ上向きに立ち上がっていく支保工の足元に、地山に水平方向に貫入させた管状の水平鋼管パイルおよび地山に斜め下向き方向に貫入させたフットパイルと称される、管状の下向き鋼管パイルを取り付け、これらパイルで支保工を足元から支えるようにしていた。
【特許文献１】特開２００３−３１４１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来にあっては、水平鋼管パイルおよび下向き鋼管パイルを個々個別に支保工に取り付けて、別々に支保工を支えるようにしていたため、トンネル内壁面に沿って支保工が沈下する方向の下向き荷重が作用すると、水平鋼管パイルは支保工に対する取り付け部分近くで下向きに容易に曲げ変形されるおそれがある。また、下向き鋼管パイルにあっても、下向き荷重が作用すると、下向き鋼管パイルがトンネル支保工に対する取り付け部分近くでトンネル内方に向かって下方へ倒れるように容易に曲げ変形されるおそれがある。このように、水平鋼管パイルや下向き鋼管パイルを用いても、効果的に支保工の沈下を抑制できない場合があるという課題があった。また、これらパイルとして曲げ剛性の高いものを使用することが考えられるが、一般にパイルの必要貫入長さは長く、またパイルの使用量も膨大な数量に上ることから、コストアップになるという課題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、支保工の沈下を効果的に抑制することが可能なトンネルの支保工沈下抑制構造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】
【０００５】
本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造は、地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルと、トンネル内壁面から基端が露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルと、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平パイルの基端と下向きパイルの基端を結合する結合金物とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルが、地山の緩み部外側の健全部に根入れされることを特徴とする。
【０００７】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルは、前記支保工の両側にそれぞれ一対一組で設けられ、前記結合金物はこれら一対一組の水平パイルおよび下向きパイルの基端を一括して結合することを特徴とする。
【０００８】
前記結合金物は、隣接する支保工同士を連結する荷重伝達桁を介して前記支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設されることを特徴とする。
【０００９】
前記結合金物は、前記支保工のトンネル内空側に位置させて当該支保工に固定されることを特徴とする。
【００１０】
前記結合金物には、パイル挿入用通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記支保工の脚部には、当該支保工のトンネル床面に対する接地面積をトンネルの幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して該脚部に作用する荷重を分散させる補剛構造体が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造にあっては、支保工の沈下を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造１は基本的には、図１から図６に示すように、地山に形成したトンネル２の内壁面２ａから基端３ａが露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルとしての水平鋼管パイル３と、トンネル２の内壁面２ａから基端４ａが露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルとしての下向き鋼管パイル４と、トンネル２の内壁面２ａに沿って設置されたアーチ状の支保工５に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平鋼管パイル３の基端３ａと下向き鋼管パイル４の基端４ａを結合する結合金物６とを備えて構成される。
【００１４】
トンネル２は周知のように、地山に対し、掘削工程（必要に応じて、発破工程を含む）と支保工程を順次繰り返すことで形成され、その内壁面２ａはアーチ状に形成される。トンネル内壁面２ａには、そのアーチ形状に沿って一次吹き付けが施工されて、一次吹き付け層７が形成される。トンネル内壁面２ａには、一次吹き付け層７を介して、当該アーチ状のトンネル内壁面２ａに沿わせてアーチ状に形成されたＨ鋼製の支保工５が設置される。支保工５は、トンネル２の奥行き方向に適宜間隔を隔てて複数配設される。さらにトンネル内壁面２ａには、これら支保工５を埋め込むように、支保工５の内側フランジ５ａの表面位置まで、当該支保工５のアーチ形状に沿って二次吹き付けが施工されて、二次吹き付け層８が形成される。アーチ状の支保工５それぞれの足元となる脚部５ｂ近傍位置には、二次吹き付け層８の表面に沿って、隣接する支保工５同士をトンネル２の奥行き方向に一連に連結するＩ型ビームなどの荷重伝達桁９が設けられる。
【００１５】
他方、地山には、荷重伝達桁９の下方位置から、二次吹き付け層８および一次吹き付け層７を介して、水平方向に水平鋼管パイル３が貫入される。この水平鋼管パイル３の基端３ａは、一次および二次吹き付け層７，８を介してトンネル内壁面２ａから露出され、支保工５よりもトンネル２内方へ突出される。地山にはまた、水平鋼管パイル３の下方位置から、二次吹き付け層８および一次吹き付け層７を介して、斜め下向き方向に下向き鋼管パイル４が貫入される。この下向き鋼管パイル４の基端４ａも、一次および二次吹き付け層７，８を介してトンネル内壁面２ａから露出され、支保工５よりもトンネル２内方へ突出される。
【００１６】
これら水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４は、地山の緩み部外側の健全部（図２参照）に達する長さ寸法で形成されて、それらの先端３ｂ，４ｂが当該健全部に根入れされる。またこれらパイル３，４の根入れ部分には、図示しないけれども、これらパイル３，４を地山に対して定着させるための定着材が設けられる。これら地山に貫入される水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４は本実施形態にあっては、支保工５をトンネル２の奥行き方向両側から挟む配置で、各支保工５それぞれに対し一対一組で配設される。
【００１７】
支保工５には、これら水平鋼管パイル３の基端３ａと下向き鋼管パイル４の基端４ａを結合するための結合金物６が、支保工５に作用する鉛直荷重を受け得るように、固定して設けられる。結合金物６は、二次吹き付け層８で覆われた支保工５のトンネル２内空側に位置させて、当該支保工５の内側フランジ５ａに固定される。結合金物６の詳細が図４および図５に示されている。図５（ａ）は結合金物６の側面図、図５（ｂ）はその正面図、図５（ｃ）はその平面図である。結合金物６は、中空ボックス状もしくは中実なブロック状の本体１０と、水平鋼管パイル３のパイル挿入用通孔１１ａを区画する第１パイプ１１と、下向き鋼管パイル４のパイル挿入用通孔１２ａを区画する第２パイプ１２と、図示しないボルト挿通孔とを備えて構成される。
【００１８】
第１パイプ１１は、トンネル２側に面する本体１０の正面から見て、当該本体１０の上部に配置される。本実施形態にあっては、水平鋼管パイル３は各支保工５に対し一対一組配設されることから、第１パイプ１１は、支保工５の両側となる左右に一対設けられる。第２パイプ１２は第１パイプ１１の直下に配置される。第２パイプ１２も第１パイプ１１と同様に、一対一組の下向き鋼管パイル４に対応させて、左右一対で設けられる。ボルト挿通孔は、一対一組のパイル３，４で挟まれた支保工５位置に対応させて、左右一対の第１および第２パイプ１１，１２の間に適宜数形成される。第１パイプ１１は、地山に水平に貫入される水平鋼管パイル３に沿って、本体１０の正面から地山側に面する裏面に向かって当該本体１０を水平に貫通して設けられ、その前後端は本体１０の表裏面からそれぞれ突出される。第２パイプ１２も、地山に斜め下向きに貫入される下向き鋼管パイル４に沿って、本体１０の正面から裏面に向かって当該本体１０を斜めに貫通して設けられ、その前後端が本体１０の表裏面からそれぞれ突出される。
【００１９】
ボルト挿通孔は、本体１０の表裏を水平方向に貫通して形成される。結合金物６は、支保工５の内側フランジ５ａに形成された孔部を介して、本体１０裏面からボルト挿通孔に挿入されたボルト１３に対し、本体１０表面側からナット１４を螺合することで、支保工５に対し固定される。また、第１パイプ１１および第２パイプ１２にはぞれぞれ、水平鋼管パイル３の基端３ａおよび下向き鋼管パイル４の基端４ａが挿入され、これによりこれら水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４は、それらの基端３ａ，４ａが結合金物６を介して結合される。本実施形態にあっては、各支保工５それぞれの両側に一対一組で設けた水平鋼管パイル３の基端３ａおよび下向き鋼管パイル４の基端４ａが単一の結合金物６で一括して結合される。また、各支保工５に固定した結合金物６は、その本体１０の上端が荷重伝達桁９に当接しており、これにより、各支保工５に作用する鉛直荷重を、荷重伝達桁９を介して、トンネル２の奥行き方向に隣接する各結合金物６にほぼ均等に負担させるようにしている。
【００２０】
他方、支保工５の脚部５ｂ周辺の詳細が図６に示されている。図６（ａ）は支保工５の部分側面図、図６（ｂ）は支保工５の脚部５ｂ周辺の正面図、図６（ｃ）は支保工５の脚部５ｂ周辺の斜視図である。図示するように、支保工５の脚部５ｂには、当該支保工５のトンネル床面２ｂに対する接地面積をトンネル２の幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して脚部５ｂに作用する荷重を分散させる補剛構造体１５が設けられる。
【００２１】
補剛構造体１５は、トンネル２の床面２ｂから荷重伝達桁９の上方にわたる高さで形成される。補剛構造体１５は、アーチ状の支保工５に対し、その途中位置からトンネル２の幅方向外方へ直線的に張り出すように設けられ、その上端が支保工５と接合された張り出しフレーム１５ａと、張り出しフレーム１５ａと支保工５との接合部分よりも下方位置で、トンネル２の奥行き方向前後に向かって張り出すように設けられ、それらの上端が支保工５と接合された一対の前・後フレーム１５ｂ，１５ｃと、これら前・後フレーム１５ｂ，１５ｃ、張り出しフレーム１５ａ、並びに支保工５の下端と接合されてこれらフレーム１５ａ〜１５ｃおよび支保工５を相互に連結するベースフレーム１５ｄとから構成される。
【００２２】
そして、支保工５両側の水平鋼管パイル３はそれぞれ、前フレーム１５ｂと支保工５および後フレーム１５ｃと支保工５との間に通すように配置され、支保工５両側の下向き鋼管パイル４はそれぞれ、前フレーム１５ｂと支保工５および後フレーム１５ｃと支保工５との間から、ベースフレーム１５ｄに通すように配置され、結合金物６は、これら前・後フレーム１５ｂ，１５ｃの間に位置させて、支保工５に固定される。このように構成された補剛構造体１５は、支保工５の脚部５ｂ周りに、おおよそ錐体状の立体形状であって、かつ接地面が、トンネル２の幅方向からトンネル２の奥行き方向前後にわたって広がるおおよそ扇形状になるように形成される。
【００２３】
本実施形態にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造１の作用について説明する。まず施工について説明すると、地山に形成したトンネル内壁面２ａに対し、一次吹き付けを行って、一次吹き付け層７を形成する。次いで、一次吹き付け層７に沿って、補剛構造体１５を接合した支保工５をトンネル内壁面２ａに沿って必要数、適宜間隔を隔てて設置する。この際、支保工５の内側フランジ５ａの孔部に対して、ボルト１３を装着しておく。次いで、二次吹き付けを行って、支保工５の内側フランジ５ａを残して、二次吹き付け層８を形成する。その後、隣接する支保工５間に、それらの内側フランジ５ａに掛け渡して、荷重伝達桁９を接合する。
【００２４】
次いで、支保工５の内側フランジ５ａに装着しておいたボルト１３にナット１４を螺合することで、支保工５にトンネル２側から結合金物６を固定する。その後、結合金物６の第１パイプ１１および第２パイプ１２のパイル挿入用通孔１１ａ，１２ａを利用して、水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４を地山に対して水平方向および斜め下向き方向に貫入させ、これらパイル３，４の基端３ａ，４ａが結合金物６の各パイプ１１，１２内に残存しかつそれらパイル３，４の先端３ｂ，４ｂが地山の緩み部外側の健全部に達するように根入れする。水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４の貫入は、穿孔しながらこれらパイル３，４を孔に挿入していくことにより行う。穿孔終了後にパイル３，４を挿入する場合は、結合金物６の設置前に穿孔を行い、その後、結合金物６を設置してから、パイル３，４を挿入することが施工上好ましい。
【００２５】
地山の緩み部の沈下作用で支保工５に沈下方向の荷重が作用すると、結合金物６を介して連結された水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４の基端３ａ，４ａ双方に当該荷重が作用する。水平鋼管パイル３単独で検討すると、図２中、破線Ｘで示したように、支保工５が沈下する方向の下向き荷重により水平鋼管パイル３の基端３ａは下向きに曲げ変形されるが、本実施形態にあっては、結合金物６を介して水平鋼管パイル３の基端３ａに下向き鋼管パイル４を結合したので、水平鋼管パイル３の基端３ａを曲げ変形させようとする荷重は、下向き鋼管パイル４に対しては軸方向圧縮力Ｘ１として作用することとなり、曲げに対する耐力が低く、圧縮に対する耐力が高いこの種の鋼製材料にあっては、下向き鋼管パイル４によって水平鋼管パイル３の基端３ａを適切に支持することができ、水平鋼管パイル３に曲げ変形が発生することを抑制できて、その分、支保工５の沈下を抑制することができる。
【００２６】
他方、下向き鋼管パイル４単独で検討すると、図２中、破線Ｙで示したように、支保工５が沈下する方向の下向き荷重により下向き鋼管パイル４の基端４ａはトンネル２内方へ向かって倒れるように曲げ変形されるが、本実施形態にあっては、結合金物６を介して下向き鋼管パイル４の基端４ａに水平鋼管パイル３を結合したので、下向き鋼管パイル４の基端４ａを曲げ変形させようとする荷重は、水平鋼管パイル３に対しては軸方向引張力Ｙ１として作用することとなり、曲げに対する耐力が低く、引張に対する耐力が高いこの種の鋼製材料にあっては、水平鋼管パイル３によって下向き鋼管パイル４の基端４ａを適切に支持することができ、下向き鋼管パイル４に曲げ変形が発生することを抑制できて、支保工５の沈下を抑制することができる。
【００２７】
このように本実施形態にあっては、支保工５の沈下で曲げ変形されるおそれのある水平鋼管パイル３の基端３ａと下向き鋼管パイル４の基端４ａを結合金物６で互いに結合することにより、水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４の一方に対し曲げ力となる荷重を、他方に対し軸力として作用させることができて、これにより他方によって一方を合理的かつ適切に支持することができる。そして、このような水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４双方の相乗作用によって、支保工５の沈下方向の荷重を、水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４双方に分散させてこれらで分担して支持することができ、支保工５の沈下抑制作用を十分かつ効果的に確保することができる。また、水平鋼管パイル３と下向き鋼管パイル４の基端３ａ，４ａを結合する結合金物６を増設するだけなので、曲げ剛性の高いパイルを膨大な量使用することに比べ、安価に施工することができる。
【００２８】
水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４双方を地山の健全部に根入れするようにしたので、支保工５の沈下抑制作用をさらに確実化することができる。水平鋼管パイル３および下向き鋼管パイル４を、支保工５の両側にそれぞれ一対一組で設け、結合金物６でこれら一対一組の水平鋼管パイル３の基端３ａおよび下向き鋼管パイル４の基端４ａを一括して結合するようにしたので、支保工５の倒れも含めて、さらに適切に支保工５の沈下挙動を抑制することができる。結合金物６を、隣接する支保工５を連結する荷重伝達桁９を介して支保工５に作用する鉛直荷重を受け得るように配設するようにしたので、支保工５に作用する沈下方向の荷重を分散させて支持することができ、さらに効果的な沈下抑制作用を確保することができる。
【００２９】
結合金物６を、支保工５のトンネル２内空側に位置させて当該支保工５に固定するようにしたので、吹き付け施工の障害となることなく、適切に結合金物６を設置することができ、円滑な施工性を確保することができる。結合金物６にパイル挿入用通孔１１ａ，１２ａを形成したので、結合金物６に対するパイル３，４の挿入操作を円滑に行うことでき、円滑な施工性を確保することができる。パイル挿入用通孔１１ａ，１２ａを区画する第１および第２パイプ１１，１２の前後端を本体１０の表裏面から突出させたので、結合金物６の納まり寸法に制限されることなく、パイル３，４の挿入時におけるパイル３，４の支持長さを長く確保することができて安定的に挿入操作することができるとともに、これらパイプ１１，１２の前端をテーパ状に形成することで、さらに結合金物６へのパイル３，４の挿入操作性を向上することができる。
【００３０】
支保工５の脚部５ｂに、立体フレームを構成して支保工５を「面」でトンネル床面２ｂに接地させる補剛構造体１５を設けたことにより、支保工５自体についても、これに作用する沈下方向の荷重を、張り出しフレーム１５ａや前・後フレーム１５ｂ，１５ｃ、さらにはベースフレーム１５ｄを介して、トンネル床面３ｃに形成される扇形状の支持面から地山に分散させて支持させることができ、結合金物６による水平鋼管パイル３や下向き鋼管パイル４での荷重分散作用と相俟って、さらに効果的に支保工５の沈下抑制作用を確保することができる。また、補剛構造体１５の前・後フレーム１５ｂ，１５ｃの間に結合金物６を設置し、水平鋼管パイル３や下向き鋼管パイル４を、当該補剛構造体１５を通して貫入させるようにしたので、これらを個々独立に離れた位置に設定する場合に比べて、これら補剛構造体１５およびパイル３，４等の相互作用により、格段に優れた支保工５の沈下抑制作用を確保することができる。
【００３１】
なお、本発明にかかる結合金物６は、上記した形態のものに限らず、支保工５の左右に各々別体のものとして構成してもよいし、あるいは、支保工５へのボルト締結による固定も省略可能である。これらの場合、結合金物６は、荷重伝達桁９に固定しておけば、施工を好適に行うことができる。また、本発明にかかる水平パイルおよび下向きパイルとしては、鋼管に限らず、ロックボルトのような鋼製の棒状部材を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造の好適な一実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示したトンネルの支保工沈下抑制構造の要部拡大側断面図である。
【図３】図２中、Ａ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】図１に示したトンネルの支保工沈下抑制構造に用いられる結合金物の一例を示す斜視図である。
【図５】図４に示した結合金物を説明するための図である。
【図６】図１に示したトンネルの支保工沈下抑制構造に用いられる支保工を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
２  トンネル
２ａ  トンネル内壁面
２ｂ  トンネル床面
３  水平鋼管パイル
３ａ  水平鋼管パイルの基端
４  下向き鋼管パイル
４ａ  下向き鋼管パイルの基端
５  支保工
５ｂ  支保工の脚部
６  結合金物
９  荷重伝達桁
１１ａ，１２ａ  パイル挿入用通孔
１５  補剛構造体
【図１】
0004757620.tif 000002
【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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