(57)【要約】【課題】トンネルの余掘り量を少なくしてコンクリートの使用量の低減化を図り得るトンネル掘削工法を提供する。【解決手段】地山の切羽１に発破用の削孔２を複数形成した後、これら削孔内に爆薬を装填し爆発させてトンネル３を掘削し、次にこのトンネルの表面からロックボルトを打設するとともにその表面にコンクリートを吹き付けて一次覆工７を形成し、次にこの一次覆工の表面にコンクリートを配置して二次覆工８を形成することによりトンネルを形成する際に、上記トンネルの外周部で且つ外側に傾斜して形成される削孔の切羽における削孔始点ａを計画掘削ラインＰＬよりも内周側に位置させるとともに、削孔終点ｂを計画掘削ラインよりも外周側に位置させ、さらに削孔による爆発後にトンネル内壁面に鋸刃状に残った尖り部４の計画掘削ラインよりも内側の尖端部分４ａを放電破砕装置にて除去する工法である。【選択図】図１
2013245546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山の切羽に発破用の削孔を複数形成した後、これら削孔内に爆薬を装填し爆発させてトンネルを掘削し、次にこのトンネルの表面からロックボルトを打設するとともにその表面にコンクリートを吹き付けて一次覆工を形成し、次にこの一次覆工の表面にコンクリートを配置して二次覆工を形成することによりトンネルを形成する際に、
上記トンネルの外周部で且つ外側に傾斜して形成される削孔の切羽における削孔始点を計画掘削ラインよりも内周側に位置させるとともに、削孔終点を計画掘削ラインよりも外周側に位置させ、
さらに削孔による爆発後にトンネル内壁面に鋸刃状に残った尖り部の計画掘削ラインよりも内側部分を放電破砕装置にて除去することを特徴とするトンネル掘削工法。
【請求項２】
放電破砕装置として、可燃性物質および金属細線が配置された破砕用容器を用いるとともに、
尖り部の除去に際し、上記破砕用容器を尖り部に形成された穴内に挿入した後、上記金属細線に電流を流し可燃性物質を燃焼気化させることにより、尖り部の内側部分を破砕することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナトム工法を用いたトンネル掘削工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの掘削工法として、オーストラリアで開発されたナトム工法（ＮＡＴＭ：New Austrian Tunneling Method）がある。
このナトム工法は、ダイナマイトを爆発させて地山を掘削していくのであるが、具体的には、地山の切羽にドリルマシンで長さ２ｍ〜４ｍ程度の削孔を掘削し、その中にダイナマイトを装填し爆発（発破）させていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平０６−６８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のナトム工法によると、ドリルマシンにより、地山にトンネルを且つ計画掘削ライン（計画掘削トンネル径である）より大きい径となるように掘削するため、地山の切羽に、特に外周側に形成される削孔は外側に傾斜して設けられることになる。
【０００５】
したがって、所定のトンネル径を得るために、ダイナマイトによる発破ラインを計画掘削ラインよりも外側にする必要があり、しかも、その表面は鋸歯状となるため、計画掘削ラインよりも外側に大きい空間部すなわち余掘り部ができてしまう。
【０００６】
そして、この余掘り部をコンクリートで埋める必要があり、本来、必要とされる覆工用コンクリート量の２００〜３００％以上のコンクリートが必要になるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、トンネルの余掘り量を少なくしてコンクリートの使用量の低減化を図り得るトンネル掘削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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のトンネル掘削工法は、地山の切羽に発破用の削孔を複数形成した後、これら削孔内に爆薬を装填し爆発させてトンネルを掘削し、次にこのトンネルの表面からロックボルトを打設するとともにその表面にコンクリートを吹き付けて一次覆工を形成し、次にこの一次覆工の表面にコンクリートを配置して二次覆工を形成することによりトンネルを形成する際に、
上記トンネルの外周部で且つ外側に傾斜して形成される削孔の切羽における削孔始点を計画掘削ラインよりも内周側に位置させるとともに、削孔終点を計画掘削ラインよりも外周側に位置させ、
さらに削孔による爆発後にトンネル内壁面に鋸刃状に残った尖り部の計画掘削ラインよりも内側部分を放電破砕装置にて除去する工法である。
【０００９】
また、上記トンネル掘削工法における放電破砕装置として、可燃性物質および金属細線が配置された破砕用容器を用いるとともに、
尖り部の除去に際し、上記破砕用容器を尖り部に形成された穴内に挿入した後、上記金属細線に電流を流し可燃性物質を燃焼気化させることにより、尖り部の内側部分を破砕する工法である。
【発明の効果】
【００１０】
上記トンネル掘削工法によると、地山の切羽に外側に傾斜して形成される削孔始点を、計画掘削ラインよりも内周側に位置させたので、余掘り部の容積を減少させることができるとともに、計画掘削ラインよりも内周側の尖端部分を放電破砕装置により除去するようにしたので、トンネルの掘削を安全に行うことができる。また、計画掘削ラインからの余掘り部分を極力少なくすることにより、発破によるトンネルの外周部分すなわち内壁部に生じるストレスを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削工法を説明する要部断面図である。
【図２】従来のトンネル掘削工法を説明する要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削工法を説明する要部断面図である。
【図４】同実施の形態に係るトンネル掘削工法を説明する概略断面図である。
【図５】同実施の形態に係るトンネル掘削工法を説明する要部断面図である。
【図６】同実施の形態に係るトンネル掘削工法を説明する要部断面図である。
【図７】同実施の形態に係るトンネル掘削工法における余掘り量を比較する要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係るトンネル掘削工法を図１〜図７に基づき説明する。
本実施の形態に係るトンネル掘削工法はナトム工法（ＮＡＴＭ工法）を用いたものである。
【００１３】
まず、ナトム工法について簡単に説明する。
このナトム工法は、ドリルマシンにより、地山の切羽に多数の削孔を形成した後、これら各削孔内に爆薬としてダイナマイトを装填し、そしてこのダイナマイトを爆発（発破ともいう）させることにより地山を所定長さで且つ所定径でもって破壊して地山にトンネルを形成し、次にこのトンネルの内壁面にロックボルトを打設するとともに表面にコンクリートを薄く吹き付けて一次覆工を形成し、さらにこの一次覆工の表面に、所定厚さでもってコンクリートを打設して二次覆工を形成するようにしたものである。
【００１４】
ところで、ナトム工法においては、図１に示すように、地山の切羽１に削孔２を形成する際にドリルマシン１１を用いるため、その削孔用ドリル（ロッドともいう）１２が外側に傾斜されて掘削が行われる。すなわち、トンネル３の少なくとも外周部分では、削孔２は外側に所定の傾斜角θでもって形成される。このように、削孔２が斜めに形成されるため、発破後のトンネル３の内壁面の状態は、トンネル３の縦断面においては鋸刃状となり、すなわちその内壁面には三角形状の尖り部（突出部ともいえる）４が連続して形成された状態となる。
【００１５】
従来のナトム工法では、図２に示すように、トンネル３の計画掘削ラインＰＬが、鋸刃状の尖り部４の先端よりも内周側に位置するようにされていたので、余掘り部５の容積が非常に大きかった。すなわち、余掘り部５を埋めるためのコンクリート量が多量になっていた。
【００１６】
これに対して、本実施の形態に係るトンネル掘削工法は、図１に示したように、余掘り部５の容積を減少させるために、計画掘削ラインＰＬが尖り部４の途中に位置するように切羽１に削孔２を形成するとともに、計画掘削ラインＰＬよりも内周側に残った尖端部分４ａを、ダイナマイトのような危険な爆薬ではなく、ニトロメタンなどの取り扱いが容易な可燃性物質を用いた放電破砕装置にて除去するようにしたものである。
【００１７】
ここで、放電破砕装置について説明しておく。
図３に示すように、この放電破砕装置２１は、尖り部４に形成された設置用穴（挿入用穴とも言う）６内に挿入されるとともに可燃性物質として例えばニトロメタン（ニトロメタンを含有する物質、石油系の物質でもよい）２２が充填される合成樹脂製（ガラス製でもよい）の筒状容器２３と、この筒状容器２３内に蓋部２３ａを貫通して挿入される一対の電極２４と、これら両電極２４の先端部間に取り付けられた銅またはアルミニウムなどからなる金属細線２５と、これら両電極２４に放電用電気配線２６を介して接続されたコンデンサ２７と、このコンデンサ２７に充電用電気配線２８を介して接続された高電圧の直流電源（電源部）２９とから構成されている。
【００１８】
勿論、放電用電気配線２６の途中にはサイリスタなどの放電用スイッチ３０が配置され、また充電用電気配線２８の途中には充電を行うための充電用スイッチなどを有する充電制御回路３１が介装されている。
【００１９】
そして、放電破壊（衝撃破壊）を行う場合、尖り部４の所定位置に筒状容器２３の設置用穴６を形成するとともに、この設置用穴６内に上記電極２４および金属細線２５が配置された筒状容器２３を挿入し、そして放電用スイッチ３０により、コンデンサ２７に充電された電気エネルギーを一気に金属細線２５に流し、すなわち放電させて、この金属細線２５を溶融気化させる。すると、ニトロメタン２２が燃焼して高圧の燃焼ガスが生じ、その体積膨張による衝撃力により尖り部４が破壊されて、その内端面が計画掘削ラインＰＬに略一致するようになる。すなわち、余掘り部５の最深部、つまり余掘り部５の最外周端までの距離が、放電破壊された部分の高さ分だけ短くなる。つまり、余掘り部５の容積が、従来のように、尖り部４を全て除去する場合に比べて、格段に少なくなる。
【００２０】
次に、トンネル掘削工法について説明する。
まず、図４に示すように、トンネル３の先端部分である地山の切羽１にドリルマシン１１により削孔２を複数本形成する。このとき、少なくとも最外周側の削孔２は、トンネル３内に配置されたドリルマシン１１から削孔用ドリル１２が当該ドリルマシン１１より外側に向けて切羽１に押し込まれるため、外側に向かって所定の傾斜角θでもって傾斜される。この傾斜角θは、地山の状態に応じて、例えば５〜１０度の範囲とされる。地山の状態が良い場合は５度程度、地山の状態が悪い場合は１０度程度とされる。
【００２１】
すなわち、図１に示すように、最外周の削孔２の切羽１での開口位置である削孔始点ａが計画掘削ラインＰＬよりも内周側に設けられるとともに、削孔終点位置（爆破先端位置である）ｂが計画掘削ラインＰＬよりも外周側に設けられる。
【００２２】
この状態で、図５および図６に示すように、尖り部４に且つトンネル３の半径方向（放射方向とも言える）で複数の設置用穴６を形成した後、これら各設置用穴６内に筒状容器２３を挿入し、筒状容器２３内に配置された両電極２４に一度に大電流を供給して金属細線２５を溶融気化させ、その気化熱によりニトロメタン２２が燃焼して高圧の燃焼ガスが生じ（燃焼気化）、尖り部４を破壊させてその除去が行われる。
【００２３】
ここで、本実施の形態に係るトンネル掘削工法と従来のトンネル掘削工法との場合における余掘り量の比較を行う。
図１および図７に示すように、トンネル径をＤ、設計覆工コンクリート幅（Ｗ）を２０００ｍｍ、その厚さ（Ｔ）を２００ｍｍ、施工長さ（全周πＤ）をＬ、削孔用ドリル１２（軸心１２ａ）の傾斜角をθ、余掘り部５の幅ｚを５００ｍｍ、発破後の余掘り部５の幅ｗを１０００ｍｍとすると、設計覆工量（Ｖ１）および余掘り量（Ｖ２）は、以下のように求められる。なお、図７中、Ｐ１は計画掘削ラインＰＬと最外周の削孔用ドリル１２の軸心１２ａである計画発破ラインＣＬとの交点を示し、またＰ２は計画掘削ラインＰＬと計画発破ラインＣＬにおけるダイナマイトによる発破後の表面である実掘削ラインＢＬとの交点を示している。したがって、余掘り部５の高さｎはｚ×tanθで表され、発破後の余掘り部５の高さ（厚さ）ｈはｗ×tanθで表される。なお、余掘り部５の幅ｚは、掘削長に拘わらず５００ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００２４】
Ｖ１＝Ｗ×Ｔ×Ｌ
＝２０００×２００×Ｌ
Ｖ２＝ｗ×ｈ×（１／２）×Ｌ
＝１０００×（１０００×tanθ）×（１／２）×Ｌ
したがって、設計覆工量（Ｖ１）に対する余掘り量（Ｖ２）の比γは、下記のようになる。
【００２５】
γ＝（Ｖ２／Ｖ１）
＝［１０００×（１０００×tanθ）×（１／２）×Ｌ］／［２０００×２００×Ｌ］
＝１．２５×tanθ
したがって、地山が良好な状態の場合には、傾斜角θが５度（tan５＝０．０８７５）にされるため、γ５は、０．１１程度となり、地山が悪条件である場合には、傾斜角θが１０度（tan１０＝０．１７６３）にされるため、γ１０は、０．２２程度となる。すなわち二次覆工用コンクリート量に対する余掘り部５でのコンクリートの増加量は、最大２２％程度となる。すなわち、全体のコンクリート量は約１２０％となり、従来、必要であった２００〜３００％に比べて、大きく減少しているのが分かる。
【００２６】
なお、余掘り部５の幅ｗをゼロに近づければ、必要コンクリート量もゼロに近づくが、放電破砕装置２１による破砕量が増加するため、施工速度が低下することになる。
次に、本実施の形態に係るトンネル掘削工法の全体について概略的に説明する。
【００２７】
まず、図４に示すように、ドリルマシン１１により、切羽１に複数の削孔２を形成する。このとき、少なくとも外周寄り部分については所定の傾斜角θでもって、例えば５度程度の傾斜角でもって形成される。
【００２８】
次に、各削孔２内にダイナマイトを装填して爆破する。すると、図５に示すように、トンネル３の内壁面が、その縦断面において鋸刃状となる。この時点で、計画掘削ラインＰＬは、尖り部４の途中（外周端面と内周端面との間）に位置することになる。
【００２９】
次に、その尖り部４にトンネル３の半径方向で所定径の設置用穴６を複数を形成するとともに、図６に示すように、これら各設置用穴６内に、放電破砕装置２１の筒状容器２３を挿入する。勿論、この筒状容器２３内には、可燃性物質としてニトロメタン２２および金属細線２５が挿入されるとともに、両電極２４にはコンデンサ２７および直流電源２９が接続される。なお、図６には、コンデンサ２７、直流電源２９、充電制御回路３１などを一つの電源装置３２として示している。
【００３０】
次に、放電用スイッチ３０を入れて、金属細線２５に大電流を流し、一瞬に気化させる。このとき、発生する気化膨張力により尖り部４が破砕される。
そして、破砕ラインＨＬは計画掘削ラインＰＬに略一致するようにされているため、トンネル３の内側に突出した尖り部４の計画掘削ラインＰＬより内周側の尖端部分４ａが除去される。
【００３１】
したがって、この場合の余掘り部５は、図１に示すように、計画掘削ラインＰＬより外側の凹み部分５ａとなり、この凹み部分５ａにコンクリートが充填される。
次に、このトンネル３の内側表面に、ロックボルトが打設されるとともにコンクリートが薄い厚さ（ｔ）でもって吹き付けられて、一次覆工７が形成される。そして、さらにこの表面に、所定厚さＴ（例えば、２００ｍｍ）でもってコンクリートが配置されて二次覆工８が形成される。
【００３２】
上述したように、地山の切羽に外側に傾斜して形成される削孔始点を、計画掘削ラインよりも内周側に位置させたので、余堀り部の容積を減少させることができるとともに、計画掘削ラインよりも内周側の尖端部分を、放電破砕装置により、除去するようにしたので、トンネルの掘削を容易に且つ安全に行うことができる。また、計画掘削ラインからの余掘り部分を極力少なくすることにより、ダイナマイトの発破によるトンネルの外周部分すなわち内壁部に生じるストレスを小さくすることができる。
【００３３】
ここで、一般的なナトム工法を具体的に説明しておくと、ナトム工法には、レール方式とタイヤ方式とがある。
例えば、レール方式による場合、トンネル内に敷設されたレール上を走行自在にされたガントリ形式の掘削装置と、この掘削装置により掘削されたずりをトンネルの外に搬出するためのずり搬出台車と、上記掘削装置により掘削されたずりを搬出台車に積み込むためのずり積込み装置とが具備されている。
【００３４】
なお、上記掘削装置には、ドリルマシンの他に、放電破砕装置２１の筒状容器２３を挿入するための設置用穴６を掘削するための穴掘削機、および一次覆工用として、掘削されたトンネルの内壁面にコンクリートを吹き付けるためのコンクリート吹付けノズルおよびロックボルトの打設機が具備されるとともに、コンクリート吹付け時には、コンクリートをコンクリート吹付けノズルに送り出すためのコンクリート吹付け機が配置される。
【００３５】
また、二次覆工用として、一次覆工の表面に防水シートを貼り付けるためのシート貼付け用台車が具備されるとともに、このシート貼付け用台車の後方には、防水シートの表面に、所定厚さでもってコンクリートを打設するためのコンクリートポンプ台車などが配置されることになる。
【００３６】
また、タイヤ方式による場合、レール方式で説明した各装置、各機器類がタイヤにて移動し得るように構成されたものである。
【符号の説明】
【００３７】
ＰＬ      計画掘削ライン
ａ      削孔始点
ｂ      削孔終点
１      切羽
２      削孔
３      トンネル
４      尖り部
４ａ    尖端部分
５      余掘り部
５ａ    凹み部分
６      設置用穴
７      一次覆工
８      二次覆工
１１      ドリルマシン
１２      削孔用ドリル
２１      放電破砕装置
２２      ニトロメタン
２３      筒状容器
２４      電極
２５      金属細線
２９      直流電源
【図１】
2013245546.tif 000003
【図２】
2013245546.tif 000004
【図３】
2013245546.tif 000005
【図４】
2013245546.tif 000006
【図５】
2013245546.tif 000007
【図６】
2013245546.tif 000008
【図７】
2013245546.tif 000009