(57)【要約】【課題】  トンネル拡幅工法において、湧水性地盤を含む地山であっても、高価なシールドマシンや大規模な支保構造を要することなく比較的簡素なＮＡＴＭ工法などを用いて拡幅トンネルを築造できるようにする。【解決手段】  強度増加領域形成工程、難透水領域形成工程により、それぞれ強度ゾーン６、難透水ゾーン７を形成し、その間に集水ゾーン１Ｂを形成する。そして、集水ゾーン１Ｂに集水パイプを設けて集水ゾーン１Ｂの地下水を既設トンネルの内部に排水する集水工程を行いつつ、強度ゾーン６の内部の拡幅ゾーン１Ａを掘削し、拡幅トンネル２０を構築する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネルの外側の地山において、少なくとも拡幅トンネル構築領域を囲繞する範囲に、地山強度を増加した強度増加領域を形成する強度増加領域形成工程と、
前記強度増加領域を囲繞するとともに該強度増加領域との間に透水性を有する地山層を含むような範囲に難透水領域を形成する難透水領域形成工程と、
前記透水性を有する地山層内の地下水を前記既設トンネル内部に集水する集水工程とを備え、
前記強度増加領域形成工程および前記難透水領域形成工程を行って、前記強度増加領域および前記難透水領域を形成してから、
前記集水工程を行いつつ、前記拡幅トンネル構築領域を掘削して拡幅トンネルを築造することを特徴とするトンネル拡幅工法。
【請求項２】
前記難透水領域形成工程を行って難透水領域を形成してから、該難透水領域の内部で前記強度増加領域形成工程を行って強度増加領域を形成することを特徴とする請求項１に記載のトンネル拡幅工法。
【請求項３】
前記強度増加領域形成工程と前記難透水領域形成工程とを並行して行うことを特徴とする請求項１に記載のトンネル拡幅工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル拡幅工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、比較的大深度の道路トンネルにランプ部を設ける場合などのトンネル拡幅施工は、例えば拡幅部の掘削機構、機械本体の拡幅構造、分岐装置などを含むことで非常に高価な大口径シールドマシンを用いて行う方法や、拡幅部を覆う範囲に大規模な支保構造・止水構造を構築してからＮＡＴＭ工法などで拡幅する方法などが提案されている。
一方、薬液注入により、止水領域で囲繞された強度増加領域をトンネル掘削部に沿って設けるトンネルの構築方法が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特許第２６７６０１２号公報（第２−４頁、図１、７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来のトンネル拡幅工法には以下のような問題があった。
大口径シールドマシンを用いる方法では、拡幅部の掘削機構や機械本体の拡幅構造を組み込んだり、分岐装置や高水圧下での鋼殻スライド機構を内蔵したりするために高価となるシールドマシンを用いるため、施工費が非常に高価となってしまうという問題がある。
ＮＡＴＭ工法を用いる方法では、耐水砂層や砂礫層などの湧水性地盤を含む地山では、大規模な支保構造が必要になるとともに、十分な止水性が確保できないという問題がある。
また、特許文献１に記載の技術により、湧水性地盤を含む地山のトンネル拡幅を行う場合、薬液注入による止水領域では完全な止水が望めないため、止水領域を通して地下水圧が強度増加領域に作用し、その結果、みずみちがつくなどして強度低下を起こしやすいという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、湧水性地盤を含む地山であっても、高価なシールドマシンや大規模な支保構造を要することなく比較的簡素なＮＡＴＭ工法などを用いて拡幅トンネルを築造することができるトンネル拡幅工法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】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、既設トンネルの外側の地山において、少なくとも拡幅トンネル構築領域を囲繞する範囲に、地山強度を増加した強度増加領域を形成する強度増加領域形成工程と、前記強度増加領域を囲繞するとともに該強度増加領域との間に透水性を有する地山層を含むような範囲に難透水領域を形成する難透水領域形成工程と、前記透水性を有する地山層内の地下水を前記既設トンネル内部に集水する集水工程とを備え、前記強度増加領域形成工程および前記難透水領域形成工程を行って、前記強度増加領域および前記難透水領域を形成してから、前記集水工程を行いつつ、前記拡幅トンネル構築領域を掘削して拡幅トンネルを築造する工法とする。
この発明によれば、強度増加領域形成工程により拡幅トンネル構築領域を囲繞する強度増加領域を形成するとともに、難透水領域形成工程により強度増加領域を囲繞し、それとの間に透水性を有する地山層を含む難透水領域を形成する。そして、集水工程により透水性を有する地山層内の地下水を既設トンネル内部に集水しつつ、拡幅トンネル領域を掘削するから、強度増加領域に対して地下水被圧を軽減した状態で、トンネル拡幅を行うことができる。その結果、拡幅施工中、強度増加領域の強度が保たれるとともに、拡幅トンネル構築領域への地下水浸透を防止できるから、強度増加領域に覆われた範囲内で、例えばＮＡＴＭ工法などを用いて容易に拡幅トンネルを構築することができる。
【０００６】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のトンネル拡幅工法において、前記難透水領域形成工程を行って難透水領域を形成してから、該難透水領域の内部で前記強度増加領域形成工程を行って強度増加領域を形成する工法とする。
この発明によれば、強度増加領域を形成するとき、その周囲が難透水領域で囲繞されているので、比較的高強度の強度増加領域を容易に形成することができる。
なお、このとき強度増加領域形成工程と並行して、難透水領域で覆われた地山層の地下水を前記既設トンネルの内部に集水すればより好ましい。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のトンネル拡幅工法において、前記強度増加領域形成工程と前記難透水領域形成工程とを略並行して行う工法とする。
この発明によれば、強度増加領域形成工程と難透水領域形成工程とを略並行して行うので、施工効率を向上することができる。例えば、薬剤注入工法による場合、１回の削孔で、注入部位により薬液を変えることでそれぞれの工程を並行して行うことができ、この場合削孔部がそれぞれに兼用することができるため、安価で効率的な施工とすることができる。
ここで、略並行して行うとは、略同時に行う場合、それぞれ前後して交替で行う場合などを含むものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のトンネル拡幅工法によれば、強度増加領域に対して地下水被圧を軽減した状態で、トンネル拡幅を行うことができるから、湧水性地盤を含む地山であっても、高価なシールドマシンや大規模な支保構造を要することなく、比較的簡素なＮＡＴＭ工法などを用いて拡幅トンネルを築造することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
本発明の実施形態に係るトンネル拡幅工法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るトンネル拡幅工法により拡幅されたトンネルの幅方向断面の様子を示す模式説明図である。図２、図３は、本発明の実施形態に係るトンネル拡幅工法の各工程について説明するためのトンネルの幅方向断面の模式説明図である。
【００１０】
本実施形態のトンネル拡幅工法は、湧水性地盤を含む地山であっても、比較的簡素なＮＡＴＭ工法などにより拡幅トンネルを築造することができる工法である。
図１に示すのは、本実施形態のトンネル拡幅工法により築造された拡幅トンネル２０の幅方向断面の様子である。
拡幅トンネル２０は、地山１が強度ゾーン６（強度増加領域）で囲まれてなる拡幅ゾーン１Ａ内において、既設トンネルに既設覆工２Ａを残し、覆工除去部２Ｂを撤去して幅方向に掘削し、拡幅部覆工２Ｃを形成し、そのような断面が図示奥行き方向に所定長さだけ延設されたものである。所定長さは、トンネル全長にわたってもよいし、その一部であってもよい。
そして、強度ゾーン６の外周側には、強度ゾーン６を囲繞する難透水ゾーン７（難透水領域）が設けられ、強度ゾーン６と難透水ゾーン７との間には、地山１を層状に残存させた集水ゾーン１Ｂ（透水性を有する地山層）が設けられている。
【００１１】
強度ゾーン６は、拡幅ゾーン１Ａ内で、例えばＮＡＴＭ工法などでトンネル掘削を行うために地山１を支保するためのものである。そして、例えば薬液注入工法などの補助工法により地盤を改良して形成される。
強度ゾーン６の強度は、施工環境の必要に応じて注入材の種類などを選ぶことなどに適宜に設定することができる、例えば、一軸強度で、２〜３Ｎ／ｍｍ２程度とすることができるが、それ以上の強度であればより好ましい。
【００１２】
難透水ゾーン７は、それにより囲まれる内方に浸透する地下水を規制することにより、強度ゾーン６への地下水被圧の影響を軽減し、例えば強度ゾーン６にみずみちがつくなどして、強度低下を起こさないようにするためのものである。そのため、完全な止水性を有しなくてもよい。例えば、透水係数が、１０−６〜１０−７ｃｍ／ｓｅｃ程度とすることでよいが、それ以下の透水係数であればより好ましい。
【００１３】
集水ゾーン１Ｂは、難透水ゾーン７を浸透した地下水を強度ゾーン６との間で保水し、その集水を可能とするためのものである。集水ゾーン１Ｂの大きさは、難透水ゾーン７を浸透する地下水を逐次排水することにより、強度ゾーン６にみずみちなどが形成されない程度に集水ゾーン１Ｂの地下水圧が軽減できればよく、排水能力などを考慮して設定する。また、そのような条件が満足されれば、集水ゾーン１Ｂは、必ずしも強度ゾーン６の全周を覆うように形成する必要はないので、強度ゾーン６を略覆う範囲に設けてもよい。
【００１４】
次に、本発明の一実施形態に係るトンネル拡幅工法の各工程について説明する。
本実施形態のトンネル拡幅工法は、強度増加領域形成工程、難透水領域形成工程、集水工程、および拡幅トンネル築造工程からなる。
【００１５】
強度増加領域形成工程は、強度ゾーン６を形成する工程であり、本実施形態では、地山１に薬液注入を行い、拡幅ゾーン１Ａを囲繞する範囲に改良体を造成することで形成する。
まず、図２（ａ）に示すように、既設トンネル２の内部から難透水ゾーン７の形成領域まで延びるボーリング孔３を削孔する。そして、ボーリング孔３に注入手段４を導入し、既設トンネル２から距離ｄ１離れた位置から、注入材５Ａの注入を開始し、距離ｄ２の範囲にわたり、ボーリング孔３の側方に向けて注入する（図２（ｂ）参照）。注入材５Ａは、地山１内で強度が増加された改良体を造成し、強度ゾーン６の一部が形成される。
距離ｄ２により強度ゾーン６の厚さが決まるが、この厚さは、地山１が保持できれば、適宜の厚さに設定できる。周方向に均一な厚さとしてもよいし、場所により厚さを変えてもよい。
【００１６】
薬液注入工法は、粘性土、砂礫、砂質土などの地山１の土質条件や、それに応じて使用する薬液種類などの必要に応じて種々の工法、例えば、単相方式、複相方式の二重管ストレーナ工法などを採用することができるが、特に土質条件の適用範囲が広く比較的確実性の高い効果が望める二重管ダブルパッカー方式を好適に採用できる。
そこで以下では、一例として、注入手段４が二重管ダブルパッカーからなり、地山１が砂質土系地盤であるとして説明する。この場合、ボーリング孔３は、側面の適宜位置に注入孔が設けられたケーシングが打設された状態で形成されているものである。
注入材５Ａは、強度を増加するためのもので、比較的浸透性が低く粘性の高い注入材、例えば、水ガラスにセメントを配合した懸濁型水ガラス系注入材からなる。
このような注入材５Ａを注入することにより、地山１のみずみちを塞ぐとともに、地山１を圧縮し、地盤全体を均質化させる。砂質系地盤全般に対して強度が増加された改良体を形成することができる。
【００１７】
そして、同様に既設トンネル２から他の方向に必要な本数だけボーリング孔３を削孔して、それぞれ距離ｄ１を変えて注入材５Ａを注入してゆく。そして、拡幅トンネル構築領域を含む拡幅ゾーン１Ａを隙間なく囲繞するように強度ゾーン６が形成される（図３（ｄ）参照）。
【００１８】
難透水領域形成工程は、難透水ゾーン７を形成する工程であり、本実施形態では、地山１に薬液注入を行い、強度ゾーン６を囲繞する範囲に改良体を造成することで形成する。
図２（ｃ）に示すように、注入手段４の薬液を注入材５Ｂに入れ替えて地山１に注入する。注入範囲は、既設トンネル２に対して距離ｄ３（ただし、ｄ３＞ｄ１＋ｄ２）の位置から、距離ｄ４にわたる範囲とする。
注入材５Ｂは、注入材５Ａよりはセメントの量が少ない懸濁型水ガラス系注入材と、比較的浸透性が高く粘性の低い注入材、例えば、水ガラスに重曹、重硫酸ソーダ等を配合した溶液型水ガラス系注入材とからなり、薬液をこの順に入れ替えて注入する、いわゆる複合注入方式により注入される。
【００１９】
まず、懸濁型水ガラス系注入材を注入して、地山１のみずみちを塞ぐとともに、地山１を圧縮し、地盤全体を均質化させる。支保構造としての強度は強度ゾーン６が担うから、セメントの量を減らすことができ、注入の効率を向上することができる。
次に、溶液型水ガラス系注入材を注入することにより、土粒子の間隙に均等に浸透させ、ゲル化させることで地盤全体を不透水化させる。
このようにして、例えば、透水係数が、１０−６〜１０−７ｃｍ／ｓｅｃ程度と、地下水の浸透性が激減された改良体を形成することができる。
そして、既設トンネル２から他の方向に延されたボーリング孔３でも同様に、それぞれ距離ｄ３を変えて注入材５Ｂを注入してゆく。そして、強度ゾーン６との間に集水ゾーン１Ｂを備えた状態で強度ゾーン６を囲繞する難透水ゾーン７が形成される（図３（ｄ）参照）。
【００２０】
なお、土質などによっては、例えば砂質土系であっても粒径が細かい場合など、溶液型水ガラス系注入材のみで必要な透水係数が得られる場合は、溶液型水ガラス系注入材のみの注入でもよい。
【００２１】
以上の工程では、二重管ダブルパッカーを注入手段４とすることにより、１つのボーリング孔３ごとに、強度増加領域形成工程と難透水領域形成工程とを連続して行うことができるという利点がある。
【００２２】
次に、図３（ｅ）に示すように、既設トンネル２の内部と集水ゾーン１Ｂとの間に集水パイプ８を設置し、集水ゾーン１Ｂに浸透する地下水を既設トンネル２内に排水する集水工程を開始する。集水パイプ８は、集水ゾーン１Ｂ内の地下水がたまりやすい集水ゾーン１Ｂの下部に集水口を備えることが好ましい。
難透水ゾーン７は、完全な止水性を有する訳ではないので、徐々に地下水が浸透される。そこで、集水工程は、必要に応じて次の拡幅トンネル築造工程の間も並行して行う。
このようにすることで、集水ゾーン１Ｂの地下水被圧が低減され、強度ゾーン６への土水圧負荷が軽減されるとともに、強度ゾーン６にみずみちがつくことなどによる強度低下を防止することができる。したがって、強度ゾーン６の安定を図ることができる。
【００２３】
次に拡幅トンネル築造工程では、図３（ｅ）に示すように、拡幅側の覆工除去部２Ｂを撤去し、拡幅ゾーン１Ａ内で、上方から下方に向けて掘削して空洞を形成し、拡幅範囲を横方向に広げていく。その際、例えば、天井部などの掘削壁面に吹付けコンクリートを施工したり、アースネイリングなどの他の補強工法を併用したりすることで、地山の安定を図ることができる。
そして、ある程度（例えば拡幅幅の半分程度）掘削が完了したら、通常の型枠を組んで覆工コンクリートを打設し、拡幅部覆工２Ｃを構築する（図３（ｆ）参照）。
【００２４】
このように、本実施形態のトンネル拡幅工法によれば、薬液注入工法などの補助工法により造成される改良体により強度ゾーン６、難透水ゾーン７を設けるので、施工が容易となる。そして、強度ゾーン６と難透水ゾーン７との間に集水ゾーン１Ｂを設け、拡幅トンネル築造工程に並行して集水工程を行うので、拡幅トンネル築造工程中、強度ゾーン６の安定を図ることができる。そのため、地山１が、砂質土系地盤などの湧水性地盤であっても、シールドマシンや大規模な支保構造を構築することなく、簡素なＮＡＴＭ工法などを用いて拡幅トンネルを築造することができる。
また、地下水の集水を難透水ゾーン７で外部の地山１と遮断された集水ゾーン１Ｂから行うので、集水による影響を集水ゾーン１Ｂの内部に限定することができ、外部の地山１に対して環境保全が容易となる利点がある。
【００２５】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態では、１つのボーリング孔３ごとに対して、強度ゾーン６、難透水ゾーン７を順次形成し、強度増加領域形成工程と難透水領域形成工程とを前後して行う例で説明したが、これは、難透水ゾーン７を形成する際に複合注入方式を用いるため、１つの注入手段４で注入材を入れ替えるが容易となるように、施工効率を考慮した施工順序である。
この順序は、難透水ゾーン７、強度ゾーン６のように入れ替えるように変形してもよい。例えば、それぞれを形成するための注入手段４を専用に設けておいて、注入手段４を入れ替えて注入することで、このような順序でも迅速に施工することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、１つのボーリング孔３で強度増加領域形成工程と難透水領域形成工程と行って、それに続けて他のボーリング孔３で同様の工程を行う例で説明したが、予め複数のボーリング孔３を削孔し、複数の注入手段４により、別々のボーリング孔３において、強度増加領域形成工程、難透水領域形成工程を同時並行的に行うように変形してもよい。
【００２７】
また、本実施形態は、全体として強度ゾーン６と難透水ゾーン７とを略同時に形成する工法となっているが、まず難透水領域形成工程を行って、難透水ゾーン７を先行して完成させ、その後、強度増加領域形成工程を行って、難透水ゾーン７の内部に強度ゾーン６を形成するように変形してもよい。
このようにすれば、難透水ゾーン７により、地下水が浸透しにくい領域で強度ゾーン６を形成できるから、強度増加領域形成工程での地下水の浸透を低減でき、安定した強度増加領域を確実に形成することができる。
また、例えば、難透水ゾーン７の形成後にその内部からの集水を行うようにすれば、難透水ゾーン７内の地下水被圧が低減された状態で強度ゾーン６を形成することができるので、より好ましい。
【００２８】
なお、上記の説明では、図１〜３に示すように、強度ゾーン６と難透水ゾーン７との間に所定厚さの集水ゾーン１Ｂを設けた場合を例にとって説明したが、強度ゾーン６、難透水ゾーン７、集水ゾーン１Ｂは、そのような断面形状に限定されない。
図４、５は、他の断面形状を有する場合のトンネル幅方向断面の例である。
例えば、図４に示すのは、強度ゾーン６と難透水ゾーン７とが一部で当接してその間に集水ゾーン１Ｂが形成されていない場合の一例である。この場合、集水ゾーン１Ｂが形成されていない領域は、既設トンネル２のうち、拡幅トンネル築造工程で撤去されない既設覆工２Ａ側となっており、それ以外の強度ゾーン６を略覆う領域に集水ゾーン１Ｂが形成されている。
したがって、仮に集水ゾーン１Ｂが形成されない強度ゾーン６の部分に強度低下が生じたとしても地山１を保持する上で問題とはならない。
【００２９】
また、図５に示すのは、強度ゾーン６、難透水ゾーン７がそれぞれで閉じていない場合の一例である。強度ゾーン６の端部が、既設トンネル２のうち拡幅トンネル築造工程で撤去されない既設覆工２Ａに接してＣ字状に形成され、難透水ゾーン７がそのような強度ゾーン６および既設覆工２Ａを覆うように設けられている。そして、強度ゾーン６と難透水ゾーン７との間には強度ゾーン６を略覆うような略Ｕ字状に集水ゾーン１Ｂが形成されている。
この場合、強度ゾーン６が形成されない領域は、既設覆工２Ａにより支保され、止水されているので、拡幅トンネル築造工程の施工上問題とならないものである。
このようにすれば、強度ゾーン６、難透水ゾーン７を形成する領域を比較的狭めることができるので、施工の効率を向上できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るトンネル拡幅工法により拡幅されたトンネルの幅方向の断面の様子を示す模式説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトンネル拡幅工法の各工程について説明するためのトンネルの幅方向断面の模式説明図である。
【図３】同じく図２に示す工程に続く各工程について説明するためのトンネルの幅方向断面の模式説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る強度増加領域および難透水領域の断面形状の一例について説明するための断面説明図である。
【図５】同じく強度増加領域および難透水領域の断面形状の他の例について説明するための断面説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  地山
１Ａ  拡幅ゾーン
１Ｂ  集水ゾーン（透水性を有する地山層）
２  既設トンネル
２Ａ  既設覆工
２Ｃ  拡幅部覆工
３  ボーリング孔
４  注入手段
５Ａ、５Ｂ  注入材
６  強度ゾーン（強度増加領域）
７  難透水ゾーン（難透水領域）
８  集水パイプ
２０  拡幅トンネル
【図１】
2005351038.tif 000003
【図２】
2005351038.tif 000004
【図３】
2005351038.tif 000005
【図４】
2005351038.tif 000006
【図５】
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