(57)【要約】【課題】  管材の先端付近に螺旋翼を設けたことにより、管材の地山への打ち込みが容易になるトンネルの先受け工法を提供すること。【解決手段】  トンネル前方の地山２に向けて複数の管材をトンネルの周方向に間隔を開けて打ち込むトンネルの先受け工法において、中空の管材であって、先端付近に螺旋翼を設けた螺旋翼付き管材１をトンネル前方の地山に向けて回転させることによって打ち込み、トンネル周方向に所定の間隔を開けて前記螺旋翼付き管材の打ち込み作業を繰り返し、掘削対象となる地山を所定の範囲に配置した前記螺旋翼付き管材によって覆う工法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル前方の地山に向けて複数の管材をトンネルの周方向に間隔を開けて打ち込むトンネルの先受け工法において、
中空の管材であって、先端付近に螺旋翼を設けた螺旋翼付き管材をトンネル前方の地山に向けて回転させることによって打ち込み、
トンネル周方向に所定の間隔を開けて前記螺旋翼付き管材の打ち込み作業を繰り返し、
掘削対象となる地山を所定の範囲に配置した前記螺旋翼付き管材によって覆う、
トンネルの先受け工法。
【請求項２】
トンネル前方の地山に向けて複数の管材をトンネルの周方向に間隔を開けて打ち込むトンネルの先受け工法において、
中空の管材であって、先端付近に螺旋翼を設けた螺旋翼付き管材をトンネル前方の地山に向けて回転させることによって打ち込み、
前記地山に打ち込まれた管材の後端に中空管材を接合して、さらに地山の深部に向けて管材を打ち込み、
トンネル周方向に所定の間隔を開けて前記螺旋翼付き管材及び中空管材の打ち込み作業を繰り返し、
掘削対象となる地山を所定の範囲に配置した前記螺旋翼付き管材及び中空管材によって覆う、
トンネルの先受け工法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のトンネルの先受け工法において、
前記螺旋翼付き管材の管材の外径が70〜300mmであって、螺旋翼の外径が90〜450mmであることを特徴とする、
トンネルの先受け工法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネルの先受け工法において、
前記螺旋翼付き管材のトンネル前方の地山に向けての打ち込みに加えて、トンネル支保工両端部から前記螺旋翼付き管材を、トンネル掘進方向に略直交、かつ下方向あるいは水平方向に向けて打ち込むことを特徴とする、
トンネルの先受け工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地山の強度が不足し、掘削によって崩壊や地表面沈下が発生するおそれのある地山にトンネルを構築する場合に実施されるトンネルの先受け工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自立性の悪い地山にトンネルを掘削する場合に、トンネル前方に向けて鋼管などをトンネルの周方向に間隔を開けて複数打設し、トンネルの外周にアーチ状の仮想屋根を構築する先受け工法が、１９９０年頃から採用され始め、現在ではトンネル補助工法の主流となっている。
特許文献１等に開示されているパイプルーフ工法は、トンネルの坑口から掘削外周面に沿ってトンネル掘進方向に鋼管を打設し、鋼管に覆われている地山を掘削していく方法である。パイプルーフ工法は、坑口に設ける鋼管の打設設備が大規模になり、トンネル掘削を開始するときの坑口対策に適用されることが多い。
また、特許文献２等に開示されているAGF工法は、トンネル掘削に使用する油圧ジャンボ削孔機によって、二重管方式で直径100mm程度の鋼管をトンネル外周にアーチ状に配置されるように打設し、打設した鋼管を使用して注入材を鋼管の周囲に注入する方法である。AGF工法は、特許文献３に開示されているような長尺鋼管フォアパイリング工法の一種であり、その他にも鋼管を専用機で地山に打設するトレビチューブ工法などがある。また、特許文献４等に開示されているように打設した有孔管を使用して地山に薬液を注入して地山の安定を図る工法もある。
トンネルの先受け工法は、一般的に継ぎ足した長さが12.5ｍになる鋼管をトンネル前方の地山に向けて斜め上方に打設する。そして、トンネル周方向にアーチ状に打設した鋼管に覆われた地山を、9ｍ掘削してトンネルを掘進させる。再び、12.5ｍになる鋼管をトンネル前方の地山に向けて斜め上方に打設すると、鋼管の前後は3.5ｍラップすることになる（図２参照）。
【０００３】
他方、鋼管杭の先端に螺旋状の羽根を取り付けて、地盤への貫入推進を容易にした回転埋設開端杭が特許文献５に開示されている。また、複数の羽根を螺旋状に取り付けた螺旋羽根付き鋼管杭が特許文献６に開示されている。これらの鋼管杭は、比較的小規模の構造物を支持する支持杭として地盤に鉛直に打設されることが多い。
【特許文献１】特開平５−２９５９８０号公報
【特許文献２】特開平１０−８８７５号公報
【特許文献３】特開２０００−３４８８１号公報
【特許文献４】特開平７−２９２６５４号公報
【特許文献５】特開平１１−２６９８７５号公報
【特許文献６】特開平８−２９１５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した従来のトンネルの先受け工法にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞パイプルーフ工法は、地山が悪くなった段階でトンネルの途中からおこなうことができない。また、打設設備が大規模になるため、工費及び工期が増加する。
＜２＞地山を打撃しながら掘削し、鋼管を押し込む長尺フォアパイリング工法では、湧水の多い地山においては鋼管の周囲の地盤が緩み、地山状態を更に悪くする場合がある。また、打撃時の騒音や振動が大きいため、市街地のトンネル工事には適さない。
＜３＞拡径ビットを用いて二重管方式で有孔鋼管を打設する長尺フォアパイリング工法では、掘削した土砂を管に沿ってトンネル内に排出することになる。このため、掘削土砂を処理する必要がある。
＜４＞薬液や注入材を注入する方法では、注入のためのプラントが必要である上に、排出された注入材を処分する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のような課題を解決するために、本発明のトンネルの先受け工法は、トンネル前方の地山に向けて複数の管材をトンネルの周方向に間隔を開けて打ち込むトンネルの先受け工法において、中空の管材であって、先端付近に螺旋翼を設けた螺旋翼付き管材をトンネル前方の地山に向けて回転させることによって打ち込み、トンネル周方向に所定の間隔を開けて前記螺旋翼付き管材の打ち込み作業を繰り返し、掘削対象となる地山を所定の範囲に配置した前記螺旋翼付き管材によって覆う工法である。ここで、前記螺旋翼付き管材の後端に中空管材を接合して、さらに地山の深部に向けて管材を打ち込むことができる。また、前記螺旋翼付き管材の管材の外径を70〜300mm、螺旋翼の外径を90〜450mmとすることができる。
さらに、上記したいずれかに記載のトンネルの先受け工法において、前記螺旋翼付き管材のトンネル前方の地山に向けての打ち込みに加えて、例えばトンネルの一次支保工の両端部から前記螺旋翼付き管材を、トンネル掘進方向に略直交、かつ下方向あるいは水平方向に向けて打ち込むこともできる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のトンネルの先受け工法は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞管材の先端付近に螺旋翼を設けたことにより、管材の地山への打ち込みが容易になる。また、回転力によって打ち込みをおこなうため、騒音や振動がほとんど発生せず、市街地のトンネル工事にも適用できる。
＜２＞地山を打撃したり、削孔水を使用したりしないため、地山を緩めることがない。また、掘削した土砂は、中空管材の内部に取り込まれたり、地山に押し付けられたりするので、ほとんどトンネル内部に排出されることはない。また、押し付けられた掘削土によって管材の周囲の地山が補強される。
＜３＞回転力によって管材を地山に打ち込むことができるので、管材を打ち込むための大型の機械を必要としない。また、削孔水等を使用しないため、スラリープラントなどの給水、排土処理設備が不要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
＜１＞螺旋翼付き管材
螺旋翼付き管材１は、中空の管材の先端付近に螺旋翼１１を取り付けた管材である。螺旋翼１１の始端は、管材の先端であっても、先端から所定の間隔を開けた位置であってもよい。管材の先端には必要に応じて公知の削孔ビットを設けてもよい。
螺旋翼付き管材１を構成する中空の管材には、例えば外径がφ70〜300mm、好ましくはφ110〜220mmの鋼管が使用できる。また、鋼管の肉厚は4〜6mm程度が好ましい。螺旋翼１１の外径は、管材の外径の1.3〜1.5倍程度が好ましいため、φ90〜450mm、好ましくはφ170〜325mmとする。
螺旋翼１１は、一枚の板材を螺旋状に成形して製作することができる（図１参照）。また、複数の板材を螺旋状に配置することによって成形してもよい（特許文献６参照）。
螺旋翼付き管材１は、後方から回転力と圧力を加えると、木ネジが木材中を推進するように容易に推進していく。特に、地盤が軟らかい場合はその推進力は顕著になり、ほとんど回転力だけで地山に螺旋翼付き管材１を打ち込むことができる。このため、管材の打ち込みに伴って地山を緩めることがなく、騒音や振動もほとんど発生しない。また、削孔水を使用する必要がないため、スラリープラントが不要で、ドライな環境で打ち込み作業を行うことができる。
また、螺旋翼付き管材１は先端が開口されており、内部が中空であるため、地山や掘削した土砂を管材の内部に取り込むことができる。さらに、取り込みきらない土砂は管外の周辺地山に押し付けられるので、地山強度が増大する。このため、掘削土砂が排出されることがない。
【０００９】
＜２＞中空管材
一般にトンネルの構内は狭く、取り扱いや打ち込み機による制限から長尺の鋼管をそのまま使用することは難しい。このため、螺旋翼付き管材１も後方に中空管材１２を継ぎ足すことによって長尺の先受け用管材にすることが多い。
すなわち、最初に3〜4ｍ程度の長さの螺旋翼付き管材１を地山に向けて打ち込んだ後に、螺旋翼付き管材１の後端に中空管材１２を接合する。接合方法には、ネジ式、溶接式、継手管によるカップリング式等がある。
【００１０】
＜３＞回転圧入機（図４）
回転圧入機４は、螺旋翼付き管材１を地山に打ち込むための機械である。例えば、管材に回転力を与える回転モータ４１と、圧入用の反力を確保するための反力ジャッキ４２と、管材を推進させるためのスライド架台４３で構成する。
スライド架台４３は、管材の打ち込み角度に合わせて任意の角度に設定できるように支持させる。スライド架台４３は、管材の単位長さ以上の範囲を直線的に前後できる装置を使用する。
スライド架台４３に設置した回転モータ４１は、螺旋翼付き管材１又は中空管材１２の後端を把持して管材に回転力を与える装置である。回転モータ４１に螺旋翼付き管材１をセットし、反力ジャッキ４２を一次支保工３で覆工したトンネルの内周面に押し当て、管材を回転させながらスライド架台４３をトンネルの前方に向けて押し出すことで、螺旋翼付き管材１を地山に打ち込む。
【００１１】
＜４＞脚部補強
地山の状態が悪く、地耐力が不足する場合は、アーチ状に形成した支保工の脚部付近が沈下し、トンネルの変形を誘発することがある。このようなおそれがある地山では、支保工の脚部周辺の例えば掘削底盤２２より下方に向けて細径杭を打設して脚部補強をおこなっていた（図２，３参照）。脚部補強は支保工の両端部あるいは側面から水平方向に向けて行うこともある。特に、先受け工法を行う場合は、地山に打設した管材が受けた地山の荷重が脚部に集中するため、脚部の沈下が増加するおそれがある。
そこで、アーチ状の一次支保工３の両端部から螺旋翼付き管材１を、トンネル掘進方向に略直交する方向であって、下方向あるいは水平方向に向けて打ち込んで脚部を補強することができる。螺旋翼付き管材１は下方や水平方向に向けて打ち込む場合も、回転力を付与するだけで容易に推進させることができる。
【実施例】
【００１２】
＜１＞適用地盤
トンネルの先受け工法は、地山の状態が比較的悪く、掘削後に切羽（掘削面）が崩壊したり、トンネル直上の地表面が沈下したりするおそれがある場合に適用される。
表１に本発明のトンネルの先受け工法を適用できる地盤を示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
玉石混じりの砂礫層や玉石層は、螺旋翼付き管材１を回転・圧入することが難しいため適用できない。また、シルト・粘土のように地盤が軟弱すぎると、管材と管材の間から地山が抜け落ちてしまうため、先受け工法の効果があまり期待できない。しかし、これ以外の地盤には広く適用できる。
【００１５】
＜２＞トンネルの掘削
トンネルを所定の長さ掘削して、トンネル周方向の掘削面にＨ形鋼材や吹付けコンクリート等の一次支保工３を施す。トンネル前方の掘削面（切羽）にもコンクリートを吹付け、必要に応じて鏡ボルトを打ち込む。
【００１６】
＜３＞管材の打ち込み
回転圧入機４に螺旋翼付き管材１を設置し、管材のスライド方向を地山への打ち込み方向に合わせる。通常、斜め上方に向けて螺旋翼付き管材１を打ち込むため、打ち込み角度も斜め上方に向けて設定する。反力ジャッキ４２は、一次支保工３に押し当てて圧入時の反力を確保する。
螺旋翼付き管材１の先端を切羽の外周２１付近に押し当て、管材を回転させる。螺旋翼付き管材１が回転し、地山に打ち込まれる量に伴ってスライド架台４３をトンネル前方に向けて進める。
螺旋翼付き管材１によって掘削した土砂は、管材の内部に取り込まれたり、地山に押し付けられたりするので、ほとんどトンネル内部に排出されることはない。また、押し付けられた掘削土によって管材の周囲の地山が補強される。
螺旋翼付き管材１の後端付近まで打ち込んだ後に、一旦、回転モータ４１と管材を切り離し、スライド架台４３を後方の所定の位置に戻す。そして、地山に打ち込まれた管材の後端と回転モータ４１との間に中空管材１２を配置し、管材間を接合する。一般的に継ぎ足した長さが12.5ｍになるまで管材をトンネル前方の地山に向けて打ち込む。
【００１７】
管材を所定の長さ地山に打ち込んだ後に、トンネル周方向に所定の間隔を開けて次の螺旋翼付き管材１の打ち込み作業をおこなう。この作業を所定の範囲で繰り返すことによって、トンネル前方の掘削面にアーチ状に管材が配置される。
また、一次支保工３の側面または脚部から、水平または掘削底盤２２よりも下方に向けて螺旋翼付き管材１を打ち込むことによって脚部補強をおこなうことができる。
【００１８】
所定の範囲に複数の螺旋翼付き管材１を配置して掘削対象となる地山を覆うと、安全な地山掘削環境が提供されることになる。この状態で、管材に覆われた地山２３を掘削する（図３参照）。例えばトンネルの掘進方向に向けて9ｍ掘削する。9ｍ掘削した後に、再び12.5ｍになる管材をトンネル前方の地山に向けて斜め上方に打設すると、管材の前後は3.5ｍラップすることになる（図２参照）。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のトンネルの先受け工法の実施例の説明図。
【図２】トンネルの先受け工法の実施例の縦断面図。
【図３】トンネルの先受け工法の実施例の横断面図。
【図４】回転圧入機の実施例の説明図。
【符号の説明】
【００２０】
１・・・螺旋翼付き管材
１１・・螺旋翼
１２・・中空管材
２・・・地山
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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