(57)【要約】【課題】トンネル断面全体を早期に閉合することができるトンネル構築方法を提供することを課題とする。【解決手段】トンネル本坑１の構築予定位置２の下部両側に側壁導坑１０を掘削する導坑掘削工程と、側壁導坑１０の間の地盤にトンネル本坑１のインバートとなる底部支保工２０を先行して施工する先行インバート施工工程と、側壁導坑１０内に、底部支保工２０に連続する側壁（側壁コンクリート３０）を構築する側壁構築工程と、トンネル本坑１を掘削するトンネル本坑掘削工程と、を備えた。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導坑先進工法によってトンネル掘削を行うトンネル構築方法において、
トンネル本坑の構築予定位置の一部に導坑を掘削する導坑掘削工程と、
前記導坑の周囲の地盤に前記トンネル本坑のインバートとなる底部支保工を先行して施工する先行インバート施工工程と、
前記トンネル本坑を掘削するトンネル本坑掘削工程と、を備えた
ことを特徴とするトンネル構築方法。
【請求項２】
導坑先進工法によってトンネル掘削を行うトンネル構築方法において、
トンネル本坑の構築予定位置の下部の幅方向両側に側壁導坑を掘削する導坑掘削工程と、
前記側壁導坑の間の地盤に前記トンネル本坑のインバートとなる底部支保工を先行して施工する先行インバート施工工程と、
前記側壁導坑内に、前記底部支保工に連続する側壁を構築する側壁構築工程と、
前記トンネル本坑を掘削するトンネル本坑掘削工程と、を備えた
ことを特徴とするトンネル構築方法。
【請求項３】
前記側壁導坑の外側の地盤内に、前記側壁の側方に向かって延びる回転抑制体を設ける回転抑制体形成工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項２に記載のトンネル構築方法。
【請求項４】
前記先行インバート施工工程において、前記底部支保工は、前記導坑から周囲の地盤に向けて鋼管を連接して打ち込んで、または前記地盤に固化材を注入して固化させる地盤改良を行って構築される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のトンネル構築方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル構築方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
山岳トンネルを掘削するに際しては、ベンチカット工法や側壁導坑先進工法等の種々の工法が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４０５８８号公報
【特許文献２】特開平８−１８４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ベンチカット工法は、支持力が不足する地山で沈下を最小に抑えたい場合に、ベンチ長を極力短くし、断面を早期閉合することによりトンネルの安定化を図り、地表面沈下を抑制できる工法であるが、切羽が不安定な地山等では、大規模な補助工法が必要となるといった問題があった。
【０００５】
側壁導坑先進工法は、ベンチカット工法では側壁脚部の地盤支持力が不足する場合や、土被りの小さい土砂地山で地表面沈下を抑制する必要のある場合等に適用される工法であって、まず、トンネル本坑の掘削に先立って側壁導坑を掘削する。そして、側壁導坑内に側壁コンクリートを形成した後に、トンネル本坑の上半部を掘削し、上部支保工を形成する。上部支保工は、側壁コンクリートに支持されて、トンネル上方の地盤荷重を支持することができる。なお、側壁導坑内に側壁コンクリートを設けない場合もあるが、この場合は、吹付けコンクリートで連結された側壁導坑がチューブとして荷重を負担するため、沈下等の変形が抑制される。その後、トンネル本坑の下半部を掘削した後に、底部支保工が形成され、トンネル断面が閉合される。
【０００６】
以上の側壁導坑先進工法では、断面分割数が多く、底部支保工は最後に形成されるので、トンネル断面全体が閉合されていない延長部分が長く、また閉合までの時間も長くなる。したがって、地表面沈下等の地盤変形を招いてしまう問題があった。
【０００７】
このような観点から、本発明は、導坑先進方向においてトンネル断面全体を早期に閉合することができるトンネル構築方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題を解決するために創案された本発明は、導坑先進工法によってトンネル掘削を行うトンネル構築方法において、トンネル本坑の構築予定位置の一部に導坑を掘削する導坑掘削工程と、前記導坑の周囲の地盤に前記トンネル本坑のインバートとなる底部支保工を先行して施工する先行インバート施工工程と、前記トンネル本坑を掘削するトンネル本坑掘削工程と、を備えたことを特徴とするトンネル構築方法である。
【０００９】
このような工法によれば、先行インバート施工工程で、底部支保工をトンネル本坑よりも先行して施工するので、トンネル本坑を掘削した時点でトンネル断面全体が閉合される。これによって、トンネルが早期に安定した状態となるので、地盤変形の抑制が達成できる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、導坑先進工法によってトンネル掘削を行うトンネル構築方法において、トンネル本坑の構築予定位置の下部の幅方向両側に側壁導坑を掘削する導坑掘削工程と、前記側壁導坑の間の地盤に前記トンネル本坑のインバートとなる底部支保工を先行して施工する先行インバート施工工程と、前記側壁導坑内に、前記底部支保工に連続する側壁を構築する側壁構築工程と、前記トンネル本坑を掘削するトンネル本坑掘削工程と、を備えたことを特徴とするトンネル構築方法である。
【００１１】
このような工法によれば、先行インバート施工工程で底部支保工を先行して施工するとともに、側壁構築工程で側壁を先行して構築するので、トンネル本坑を掘削した時点でトンネル断面全体が閉合される。これによって、トンネルが早期に安定した状態となるので、地盤変形の抑制が達成できる。
【００１２】
また、本発明は、前記側壁導坑の外側の地盤内に、前記側壁の側方に向かって延びる回転抑制体を設ける回転抑制体形成工程をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
このような工法によれば、側壁の回転が抑制されトンネルがさらに安定化するので、より一層の地盤変形の抑制が達成できる。
【００１４】
さらに、本発明は、前記先行インバート施工工程において、前記底部支保工は、前記導坑から周囲の地盤に向けて鋼管を連接して打ち込んで、または前記地盤に固化材を注入して固化させる地盤改良を行って構築されることを特徴とする。
【００１５】
このような工法によれば、先行インバート施工工程において、底部支保工を容易に先行施工することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、トンネル断面全体を早期に閉合することができ、地盤変形の抑制が達成できるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、側壁導坑を掘削する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図２】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、底部支保工を先行して施工する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図３】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、側壁を構築する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図４】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、トンネル本坑の上半部を掘削する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図５】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、トンネル本坑の下半部を掘削する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図６】本発明に係るトンネル構築方法の実施形態において、トンネル本坑の底部を掘削する状態を示した図であって、（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【図７】（ａ）は各部の地表面沈下量を示したグラフ、（ｂ）は各部の最大沈下量に対する地表面沈下量の割合を示したグラフである。
【図８】本発明に係るトンネル構築方法の他の実施形態において構築されたトンネルを示した正面方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、トンネル本坑の構築予定位置の下部両側に側壁導坑を掘削する場合を例に挙げて、トンネル構築方法を説明する。
【００１９】
本実施形態に係るトンネル構築方法は、導坑掘削工程と、先行インバート施工工程と、側壁構築工程と、トンネル本坑掘削工程と、を備えている。また、本実施形態では、側壁構築工程の前に、回転抑制用パイル形成工程をさらに備えている。
【００２０】
（導坑掘削工程）
図１に示すように、導坑掘削工程では、例えば公知の山岳工法によって側壁導坑１０を構築する。側壁導坑１０は、トンネル本坑１の掘削予定位置２の下部の幅方向両側に間隔をあけて形成される。側壁導坑１０は、トンネル本坑１の外殻位置（より詳細には、側壁の立上り部分）を含むように配置される。山岳工法では、切羽を掘削する掘削作業と、掘削した地山が崩れないように保護する支保作業とを順次行いつつ、掘削した土砂（ずり）を坑外へ搬出するずり出し作業を行う。掘削作業は、例えばダイナマイト等により地山を爆破して掘削する発破掘削方式や、ＴＢＭ（トンネルボーリングマシン）等の掘削機械（図示せず）を用いて掘削する機械掘削方式を適宜選択して行う。支保作業は、例えば掘削したトンネルの内表面の地盤にコンクリートを吹き付け、その内側に鋼製支保工を設けることで支保部材１１を形成する。支保作業は、切羽からできるだけ近い位置で行い、トンネルの内表面の地盤がなるべく露出しないようにする。ずり出し作業は、掘削土砂をベルトコンベア、ダンプトラックや運搬用トロッコ等の搬送手段（図示せず）によって外部まで搬出する。なお、前記した側壁導坑１０の掘削工法は一例であって、前記工法に限定されるものではない。例えばシールド工法等の他の工法であってもよい。
【００２１】
（先行インバート施工工程）
図２に示すように、先行インバート施工工程は、側壁導坑１０の間の地盤にトンネル本坑１のインバートとなる底部支保工２０を先行して施工する工程である。底部支保工２０は、一対の側壁導坑１０の底面１２から、他方の側壁導坑１０の底面１２に至るように形成されていて、逆アーチ状の断面形状を呈している。底部支保工は最終的に底部覆工の一部として利用される。底部支保工２０を構築する場合には、まず、一方の側壁導坑１０の底面１２から周囲の地盤に向けて鋼管（図示せず）を打ち込んで他方の側壁導坑１０の底面１２に到達させる。鋼管は、複数打ち込まれ、トンネルの延長方向に密に連接されて、板状体を構成する。隣り合う鋼管は、一方の鋼管に設けられた突条（図示せず）が他方の鋼管に設けられた凹溝に挿入されて噛合することで、互いに係合されている。なお、底部支保工２０の施工方法は、前記方法に限定されるものではない。例えば、側壁導坑の周囲の地盤に固化材を注入して固化させる地盤改良を行って、底部支保工を構築してもよい。固化材の注入は複数の注入管を側壁導坑の底面から地盤内に挿入し、注入管を引き抜きながら行う。地盤改良は板状に行われ、その板状の固化部分が底部支保工を構成する。
【００２２】
（回転抑制体形成工程）
図３に示すように、回転抑制体形成工程は、側壁導坑１０の外側の地盤内に、回転抑制体を形成する工程である。本実施形態では、回転抑制体は回転抑制用パイル３１が用いられる。回転抑制用パイル３１は、次の工程で構築される側壁コンクリート（側壁）３０の側方に延びて、側壁コンクリート３０に接続されることで、側壁コンクリート３０の回転（傾倒）を抑制する。回転抑制用パイル３１は、側壁導坑１０の内部から、対向する側壁導坑１０とは反対（外向き）の方向に向かって、杭用のコンクリート部材や鋼管を所定間隔で打ち込んで形成される。なお、回転抑制用パイル３１は、側壁導坑１０の周囲が軟弱な地盤である場合に形成すればよく、周囲が強固な地盤である場合は設置間隔を広くするか或いは省略する。
【００２３】
（側壁構築工程）
側壁構築工程は、側壁導坑１０内に、底部支保工２０に連続する側壁コンクリート（側壁）３０を構築する工程である。側壁コンクリート３０は、トンネル本坑１の内周面の一部となる内側面を有しており、外側面は側壁導坑１０の内壁面に沿った形状となっている。側壁コンクリート３０は、鉄筋コンクリートにて構成され、底部支保工２０に接続されたアンカー等を介して底部支保工２０と一体的に構築される。
【００２４】
（トンネル本坑掘削工程）
トンネル本坑掘削工程は、トンネル本坑を掘削する工程である。トンネル本坑掘削工程では、図４乃至図６に示すように、トンネル本坑１を上半部５、下半部６および底部７の三つの部分に分けて掘削する。
【００２５】
まず、図４に示すように、側壁導坑１０の上部の覆工１１を取り除きつつ、トンネル本坑１の上半部５の掘削を行う。上半部５は、その下端が側壁コンクリート３０の上端と同等の高さとなる。トンネル本坑１の掘削は、例えばＮＡＴＭ工法によって行われる。ＮＡＴＭ工法では、掘削した部分を吹付けコンクリートで固める。その後、吹付けコンクリートの内側にコンクリートを打設して上部支保工３を形成する。上部支保工３は、側壁コンクリート３０の上部に繋がるように形成される。上部支保工３は、側壁コンクリート３０と一体的に形成される。掘削された土砂は、ベルトコンベア、ダンプトラックや運搬用トロッコ等の搬送手段（図示せず）によって外部まで搬出する。以上のように、上半部５の上部支保工３を形成すると、その時点で、上部支保工３、側壁コンクリート３０および底部支保工２０が一体化されて、断面が閉合される。
【００２６】
次に、図５に示すように、側壁導坑１０の側部内側の覆工１１を取り除きつつ、トンネル本坑１の下半部６の掘削を行う。この工程では、側壁導坑１０の底面１２と同等の高さまで、地盤を掘削する。下半部６の掘削時には、既に側壁コンクリート３０が形成されているので、覆工を新たに形成しなくてよい。
【００２７】
その後、図６に示すように、トンネル本坑１の底部７の掘削を行う。トンネル本坑掘削工程が終了する。底部７は、側壁導坑１０の底面１２と底部支保工２０との間の部分である。この工程では、底部支保工２０がトンネル内に露出するように地盤を掘削する。
【００２８】
以上説明したトンネル構築方法によれば、先行インバート施工工程で底部支保工２０を先行して施工するとともに、側壁構築工程で側壁コンクリート３０を先行して構築するので、上半部５の上部支保工３を形成すると、その時点で上部支保工３、側壁コンクリート３０および底部支保工２０が一体化される。これによって、トンネル本坑１の断面が環状に繋がり、閉合されることとなる。
【００２９】
つまり、トンネル本坑１の上半部５を掘削すると、その周囲からトンネル本坑１の内側に向かって土圧がかかってくるが、底部支保工２０が下方からの荷重を受け止めて、上方へ移動しようとするので、上部の地盤の下方への変形を抑制できる。さらには、トンネルは、底部支保工２０を先行して施工したことによって、上半部５の支保設置と同時にトンネル断面全体が閉合される。これによって、トンネルの覆工は、環状で一体化して剛性が大きくなり、より効果的に上部の地盤の下方への変形を抑制できるとともに、周囲全方向の地盤の変形を抑制できる。よって、トンネル直上の地表面沈下量を低減できるとともに、地表面が沈下する範囲を狭くすることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態では、側壁コンクリート３０に接続される回転抑制用パイル３１を設けているので、側壁コンクリート３０の回転が抑制されトンネルがさらに安定化する。したがって、周囲の地盤の変形をより一層抑制でき、地表面沈下量をさらに低減できる。
【００３１】
以下に、有限差分法によって三次元逐次掘削解析を行って算出した地表面沈下量について説明する。なお、本解析では、回転抑制用パイル３１は考慮していない。
【００３２】
解析を行った解析モデルは、幅１１０ｍ、高さ３０ｍ、長さ２００ｍの地盤内に幅１０ｍ、高さ１０ｍのトンネルを土被り１０ｍの深さで形成する形状とした。そして、片側から１６０ｍ掘削したと仮定して、掘削開始位置から１００ｍ進んだ部分について地表面沈下量の解析を行った。
【００３３】
解析ケースは、本実施形態の側壁導坑先進工法（先行インバート有）（以下「ケース１」という）と、早期閉合無の通常のベンチカット工法（以下「ケース２」という）と、通常の側壁導坑先進工法（以下「ケース３」という）と、早期閉合有の補助ベンチ付全断面工法（以下「ケース４」という）の４つである。ケース２〜４は、本実施形態に係るケース１に対する比較例であって、従来の工法である。
【００３４】
地山モデルは、ソリッド要素を用い、Mohr-Coulombの破壊基準に基づく弾完全塑性体とした。地山の物性値は、土被りの小さい都市部山岳工法トンネルを想定して、Ｅ級地山相当とした。
【００３５】
各部の支保モデルは、以下の通りである。導坑の支保部材は、吹付けコンクリートと鋼製支保工の曲げ剛性および軸剛性の特徴を考慮したシェル要素とした。曲げ剛性は、コンクリートの曲げ剛性を無視して、鋼製支保工の曲げ剛性と等価にした。軸剛性は、吹付けコンクリートの軸剛性と鋼製支保工の軸剛性を足し合わせた。トンネル本坑および先行インバート（底部支保工）は、ソリッド要素でモデル化することで、掘削荷重が側壁コンクリートへ面的に伝達されるようにした。但し、弾性係数については、軸剛性が、吹付けコンクリートの軸剛性と鋼製支保工の軸剛性を足し合わせたものになるように調整した。また、側壁コンクリートはソリッド要素でモデル化した。
【００３６】
以上の条件で解析を行ったところ、地表面沈下量は、図７の（ａ）に示すグラフのようになった。このグラフは、ケース１〜４のそれぞれの場合で、トンネルセンターから幅方向に離れた距離に応じた地表面沈下量を示したものである。図示するように、ケース２では、図７の（ａ）中、細実線で示すように、トンネルセンターの位置で、地表面沈下量が１４ｍｍに近い値となった。また、ケース３では、図７の（ａ）中、一点鎖線で示すように、トンネルセンターの位置で、地表面沈下量が１０ｍｍを越える値となった。ケース４では、図７の（ａ）中、破線で示すように、トンネルセンターの位置で、地表面沈下量が１０ｍｍを越えて、ケース２よりも僅かに大きい値となった。ケース１では、図７の（ａ）中、太実線で示すように、地表面沈下量が略９．４ｍｍとなっており、最も少ない値となっている。また全てのケース１〜４において、トンネルセンターの地表面沈下量が最も多く、トンネルセンターから離れるに従って徐々に地表面沈下量が少なくなっている。地表面沈下量は、トンネルセンターを中心として幅方向左右で対称的に少なくなっている。
【００３７】
図７の（ｂ）に示すグラフは、ケース１〜４のそれぞれの場合で、トンネルセンターから幅方向に離れた距離に応じた地表面沈下量／最大沈下量を示したものである。この数値より、トンネルセンターからの距離に対する地表面沈下量の低下割合が分かる。つまり、ケース３の側壁導坑先進工法は、４つの曲線の中で最も左右方向に膨らんだ形状となっているので、前記低下割合が低く、広い範囲にわたって地表面沈下が発生していることがわかる。これに対して、本実施形態に係るケース１は、４つの曲線の中で最も左右方向に狭く内側に位置する形状となっているので、前記低下割合が高く、地表面沈下の範囲が狭いことがわかる。
【００３８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、トンネル構築方法を側壁導坑先進工法に適用した場合を例に挙げたが、その他の導坑先進工法にも適用可能である。例えば、導坑をトンネル本坑の構築予定位置の下部中央に導坑を形成する底設導坑先進工法にも適用可能である。
【００３９】
この場合、図８に示すように、トンネル本坑１’の構築予定位置の下部中央に形成された導坑１５の下面両端から、幅方向外側に向かって底部支保工２５が形成される。底部支保工２５は、導坑１５の掘削後で、トンネル本坑１’の掘削に先駆けて施工される。底部支保工２５は、トンネル本坑１’の覆工３’の位置まで延在して形成される。底部支保工２５が形成された後に、導坑１５の底面に覆工１６を形成する。この覆工１６は、両側の底部支保工２５と一体的に形成される。
【００４０】
このような実施形態であっても、トンネル本坑１’の覆工３’の形成と同時に、トンネル本坑１’が閉合されることとなるので、前記実施形態と同様に、トンネルの周囲全方向の地盤の変形を抑制でき、トンネル直上の地表面沈下量を低減できるとともに、地表面が沈下する範囲を狭くすることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１    トンネル本坑
２    構築予定位置
１０    側壁導坑（導坑）
２０    底部支保工
３０    側壁コンクリート（側壁）
３１    回転抑制用パイル
【図１】
2012036624.tif 000003
【図２】
2012036624.tif 000004
【図３】
2012036624.tif 000005
【図４】
2012036624.tif 000006
【図５】
2012036624.tif 000007
【図６】
2012036624.tif 000008
【図７】
2012036624.tif 000009
【図８】
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