(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘削後の岩盤表面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で一次覆工してなるトンネル覆工構造。
【請求項２】
クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ Poly Vinyl Alcohol ) 短繊維を１vol.％以上３vol.％以下の配合量で配合したものである請求項１に記載のトンネル覆工構造。
〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１.５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ3
練り上がり直後の空気量：３.５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ3未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０.０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【請求項３】
トンネル掘削後の岩盤表面を通常のセメント系材料で一次覆工し，得られた一次覆工面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で二次覆工してなるトンネル覆工構造。
【請求項４】
クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ Poly Vinyl Alcohol ) 短繊維を１vol.％以上３vol.％以下の配合量で配合したものである請求項３に記載のトンネル覆工構造。
〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１.５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ3
練り上がり直後の空気量：３.５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ3未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０.０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【請求項５】
二次覆工は，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料の吹付けもしくは塗布または型枠を取付けたうえでの流し込みによって実施される請求項３または４に記載のトンネル覆工構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，止水性を改善したトンネル覆工構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山岳トンネル等の一次覆工は岩盤に直接的に吹付けコンクリートを吹付けて行うのが通常である。岩盤が良い場合には一次覆工だけで済まされることもある。岩盤が悪い場合には，その内側に二次覆工コンクリートが型枠等を用いて打設される。岩盤からの湧水がある場合には，一次覆工および二次覆工に圧力が加わらないように事前に導水処理がなされるが，一次覆工コンクリート或いは二次覆工コンクリートにひび割れが発生すると，そこからトンネル内部に漏水することになる。実際のところ，殆んどの場合，漏水しているのが現実である。
【０００３】
覆工コンクリートのひび割れは，コンクリートの水和熱による温度応力や乾燥収縮等に加えて，岩盤自身の変形も大きな要因となっている。このため，割れの幅が１ｍｍ以上の大きなひび割れが生じているのが殆んどである。とく一次覆工と二次覆工を一体化した場合には，二次覆工コンクリートが一次覆工コンクリートによって大きな拘束を受けるので二次覆工に大きな割れが生じやすく，場合によっては，割れの幅が１０ｍｍ以上にもなることがある。このような大きな割れはとくに漏水の原因となる。トンネル内部に漏水があると，道路トンネルでは車の走行に障害を与えることになり，特に高速道路では漏水は回避しなければならない。
【０００４】
トンネル漏水防止のために，一次覆工と二次覆工の間に防水シートを入れるダブルシエル工法が採用されることも多い。特異な例として，特開平８−１１４０９８号公報には，一次覆工と二次覆工の間にセメント結晶増殖材と緩衝材を介在させる止水強化工法が提案されている。
【０００５】
また，二次覆工に発生した大きなひび割れはコンクリート片剥落の原因ともなり，大きな事故につながる可能性がある。これに対しては，最近スチールフアイバーや樹脂系フアイバーを用いた繊維補強コンクリートが用いることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ダブルシエル工法を採用しても，岩盤変形や一次覆工コンクリートからの拘束によって生じる二次覆工コンクリートのひび割れを回避することは困難であり，コンクリート片の剥落の危険性も伴う。特開平８−１１４０９８号公報のセメント結晶増殖材を用いる方法でも二次覆工コンクリートに幅が大きな割れが発生した場合には，セメント結晶増殖材による補強効果が十分に発揮できないことが予想される。事実，この公報には剥落を防止するためにロックボルトを使用する例が示されている。
【０００７】
スチールフアイバー等の繊維補強コンクリートで覆工すれば，コンクリート片の剥落をある程度防止することはできても，びび割れの発生を回避することはできない。また，ひび割れ幅を微細なものにすることもできない。
【０００８】
したがって，本発明はこのような問題を解決することを目的とし，漏水防止はもとより，剥落防止も達成できるようなトンネル覆工構造を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，トンネル掘削後の岩盤表面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で一次覆工してなるトンネル覆工構造を提供する。
また，本発明によれば，トンネル掘削後の岩盤表面を通常のセメント系材料で一次覆工し，得られた一次覆工面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で二次覆工してなるトンネル覆工構造を提供する。
【００１０】
ここで，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ Poly Vinyl Alcohol ) 短繊維を１vol.％以上３vol.％以下の配合量で配合したものである。
〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１.５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ3
練り上がり直後の空気量：３.５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ3未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０.０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は，セメント結晶増殖材が有する「結晶増殖性」という性質と，クラック分散型の繊維補強セメント複合材料が有する「クラック分散性」という性質の相乗作用をトンネル覆工に発現させることによって，トンネル覆工の防水機能を高めたところに特徴がある。これによりコンクリート片の剥落も防止できる。
【００１２】
このための覆工として，本発明においては，図１のように実施する「第１の態様」と，図２のように実施する「第２の態様」を挙げることができる。
【００１３】
第１の態様は，図１に示したように，掘削したトンネルの岩盤表面にセメント結晶増殖材の吹付層（または塗布層）を形成し，その表面に高靭性ＦＲＣ材料の吹付層（または塗布層）で一次覆工を行うものである。第２の態様は，図２に示したように，掘削したトンネルの岩盤表面に通常のセメント系材料を用いて一次覆工を実施したあと，その表面にセメント結晶増殖材の吹付層（または塗布層）を形成し，さらにその表面に高靭性ＦＲＣ材料で二次覆工するものである。この二次覆工は高靭性ＦＲＣ材料の吹付け（または塗布）で実施するか，または型枠を取付けたうえで高靭性ＦＲＣ材料を流し込んで実施する。
【００１４】
いずれの態様においても，本発明で使用するセメント結晶増殖材は，硬化したコンクリート内に浸透して珪酸質等の結晶を形成する機能を有するものを意味する。このようなセメント結晶増殖材の例としては，例えば特公平５−２７５９５号公報に記載されたものが知られており，実際には，セメント（ポルトランドセメント組成）と，触媒性化合物と，シリカサンドを混合したセメント結晶増殖材が市場で入手できる（例えば，ジャパン・ザイペックス株式会社製の商品名ザイペックス）。この粉末に適量の水を加えてコンクリートに吹付ける（または塗布する）と，コンクリートの空隙内に触媒性化合物が浸透してゆき，コンクリート内の未水和セメントと水を反応させて空隙内でセメント結晶（珪酸カルシウム水和物，エトリンガイト，水酸化カルシウム等の結晶）を形成する。
【００１５】
他方，本発明で使用する高靭性ＦＲＣ材料としては，例えば特開２０００−７３９５号公報に記載された高靭性ＦＲＣ材料を吹付け用に改良したものを使用する。該公報には材齢２８日の硬化体の引張試験において引張ひずみが１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料が記載されており，このものは配合するＰＶＡ短繊維の強度，寸法および配合量と，マトリックスの材料配合とを適切に組み合わせることによって，硬化体に初期クラックが生じても，そのクラックに架橋した繊維が引張張力を負担し，その間に別の箇所でクラックが生じ，そのクラックが架橋繊維で伝播が防止されている間に次のクラックが発生するという具合に，繊維で架橋された微細なクラックが順次発生するというメカニズムによって，みかけ上は非常に大きな引張ひずみが生じても（曲げ変形が生じても）荷重に耐えることができるものである。
【００１６】
このような高靭性ＦＲＣ材料の特徴を具備しながら，この材料を吹付け施工できるようにするには，前掲の〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに対し，前記の〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ Poly Vinyl Alcohol ) 短繊維を１vol.％以上３vol.％以下の配合量で配合して混練すればよい。
【００１７】
この高靭性ＦＲＣ材料で使用するビニロン短繊維としては，ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であるのが好ましく，代表的なものとして，引張強度が９０kgf/cm2 級，弾性係数（ヤング率）が２９００kgf/mm2 級で，比重が約1.3 で形状が0.66ｍｍφ×30ｍｍの公知のもの（株式会社クラレ製）が使用できるが，ビニロン短繊維であれば，とくにこの数値にこだわらずに使用できる。ビニロン短繊維の配合量が１vol.％未満では割れ発生後の耐力が十分ではなく剥落防止の目的が十分に達成できない。他方，ビニロン短繊維の配合量が３.０vol.％を超えるような多量となると，施工上必要な流動性を満たすことが困難なる。
【００１８】
また，高靭性ＦＲＣ材料で使用する高性能ＡＥ減水剤としては，ポリカルボン酸系，ポリエーテル系，ナフタレン系，メラミン系，アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましい。
【００１９】
この高靭性ＦＲＣ材料の吹付を実施するには，練混ぜ直後のモルタルフロー値が１６５ｍｍ以上，好ましくは１７０〜１８０ｍｍであるのがよい。１６５ｍｍ未満であると吹付のガン先で材料が適当に分散せず，吹付面に均一に付着できなくなることがある。しかし，あまりフロー値が高いとポンプ圧送時に材料分離を起こし，繊維が凝集してフアイバーボールを生ずることがあるので１８０ｍｍ以下であるのがよい。このようなモルタルフロー値を安定して確保するには，３０Ｋｇ／ｍ3未満の高性能ＡＥ減水剤を配合し，練混ぜ直後の空気量を３.５〜２０％好ましくは１０〜２０％とするのがよい。さらにこのような流動性を維持しながら材料分離抵抗を高めるために増粘剤を添加することが好ましい。とくにウエランガムなどの微生物発酵のバイオポリマーの使用（単位水量に対して０.０１〜０.２％程度を配合する）が有益である。
【００２０】
なお，適度な粒度の粉体量を確保するために，セメントの一部をフライアッシュや高炉スラグ等の混和材で代替し，また骨材としては最大粒径が０.８ｍｍ以下，平均粒径が０.４ｍｍ以下の細骨材を使用するのが好ましい。したがって，前記〔Ｍ１〕の条件として，さらに，細骨材粒径：最大粒径０.８ｍｍ以下，平均粒径０.４ｍｍ以下という要件を加えるのが好ましい。そして，この細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）が１.５以下となるように配合するのがよい。水結合材比（Ｗ／Ｃ）については，吹付け作業性を良好にするには２５％以上とすることが必要である。
【００２１】
このようにして吹付け施工した高靭性ＦＲＣ材料層は前記の〔Ｆ１〕および〔Ｍ１〕の条件を満たす限りにおいて，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料層となる。このため，トンネル覆工に適用した場合の割れ発生のメカニズムが，前記のように，微小な割れが無数に生じたものとなり，幅の大きな割れには至らない。一次覆工したあと型枠を取付けて高靭性ＦＲＣ材料を流し込み施工で二次覆工する場合にも，吹付け施工の場合と同じように前記の〔Ｆ１〕および〔Ｍ１〕の条件を満たす配合で高靭性ＦＲＣ材料を製造すれば材料分離を起こすことなく良好な流動性を示すようになるので，これを流し込み施工すればよく，これによって前述した吹付け施工の場合と同様の性能をもつ二次覆工が流し込み施工で形成できる。
【００２２】
このように，図１の第１の態様の場合には，岩盤に対してセメント結晶増殖材を塗布または吹付け施工したあとに，吹付または塗布によって高靭性ＦＲＣ材料層で一次覆工すると，このものは高い曲げ強度（通常１０ＭＰａ程度）を有するので断面中に引張応力を許容できる結果，通常の覆工コンクリートに比べて断面厚さを相当薄くしても同等の覆工性能を発揮できることのほか，岩盤に大きな変形が生じた場合でも，微小な無数のクラックによってその変形を吸収することができる。そして，微小なクラックが発生しても，その空隙にセメント結晶増殖材層の触媒化合物が浸透し，未反応のセメント成分と水とが反応してそのクラック内にセメント結晶が生成して空隙を埋めることになる。すなわち，高靭性ＦＲＣ材料層に発生した幅 0.2〜0.3 ｍｍ程度の微小なクラックに水が滲出することが予想されるが，この滲出水によって，該材料層内に浸漬していた触媒化合物が再活性されてセメント結晶を増殖し，そのクラックを閉塞する結果, 滲出水は自動的に止水できるようになる。
【００２３】
図２に示した第２の態様の場合にあっても，同様の作用効果が奏されるが，この場合には従来と同様に通常のセメント系材料で一次覆工がなされたうえで，セメント結晶増殖材層と高靭性ＦＲＣ材料層が形成されているので，一次覆工コンクリート層にもセメント結晶増殖材層中の触媒化合物が浸透することになり，一次覆工コンクリートの空隙がセメント結晶で充填される結果，一次覆工の緊密化も同時に行われることになる。セメント結晶増殖層による高靭性ＦＲＣ材料層（二次覆工）の止水作用は第１の態様と実質的に同じである。第２の態様では一次覆工コンクリートの拘束を受けているので二次覆工の高靭性ＦＲＣ材料層に応力集中が起きやすくなるが，この場合にも，高靭性ＦＲＣ材料層のクラック分散性という性質が威力を発揮するとともに，セメント結晶による止水も良好に行われ得る。
【００２４】
したがって，第１および第２の態様とも，セメント結晶増殖材層もつコンクリートまたはモルタル内での結晶増殖機能と，高靭性ＦＲＣ材料層がもつクラック分散機能とが相乗的に作用してトンネル覆工の漏水を阻止し，同時にコンクリート片の剥落も防止できる。
【００２５】
なお，第１の態様で一次覆工を形成し，ついで第２の態様で二次覆工を実施すれば，両態様の効果が組み合わさってより完全に漏水防止が達成された安全なトンネル覆工が形成できる。この場合は，トンネル掘削後の岩盤表面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で一次覆工し，得られた一次覆工面にセメント結晶増殖材を塗布したあと，材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料で二次覆工してなるトンネル覆工構造となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，とくに山岳トンネルにおける漏水とコンクリート片落下の問題が，セメント結晶増殖材と高靭性ＦＲＣ材料層からなる複合的な覆工によって解決でき，車輌の走行安全に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様に従うトンネル覆工の構造を示す略断面図および部分拡大図である。
【図２】本発明の第２の態様に従うトンネル覆工の構造を示す略断面図および部分拡大図である。
【図１】
0003942385.tif 000002
【図２】
0003942385.tif 000003