(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端にロストビットを配置した中空構造で外周に連続ネジを有する自穿孔ボルトで先行削孔を実施し、次にＦＲＰ中空ボルトを後続打設を可能とするドライブカップラにて接続し、削岩機に取り付けた長尺の打ち込みロッドの内孔にＦＲＰ中空ボルトを内設するようにして、打ち込みロッドの先端に取り付けたドライブスリーブで直接このドライブカップラを回転・打撃して後続のＦＲＰ中空ボルトを地山に牽引するように穿孔し、この後、当該打ち込みロッドおよびドライブスリーブを引き抜いてからＦＲＰ中空ボルトの地山よりの出口部をコーキングし、後続のＦＲＰ中空ボルト末端より固化材を注入し、先端のロストビット孔より排出させて地山に圧入することを特徴とする自穿孔ボルトとＦＲＰボルトを使った先行地山固結方法。
【請求項２】
前記地山固結方法の実施をトンネル掘進方向に向けて、同一形状の鋼製支保工の２基または３基毎に実施しつつ、後続のＦＲＰ中空ボルト部分を切除しながらトンネルの掘削を進めることを特徴とする請求項１に記載の自穿孔ボルトとＦＲＰボルトを使った先行地山固結方法。
【請求項３】
前記地山固結方法に用いるドライブカップラが自穿孔ボルトとＦＲＰ中空ボルトを結合するように形成され、このドライブカップラの外側面に、打ち込みロッドの先端に具備したドライブスリーブより直接に打撃と回転を伝達できる打撃面と、複数のスプライン突起部と、後続のＦＲＰ中空ボルトの打設時において、先行掘削された孔壁に当該突起部が衝突して後続の削孔が困難にならないことと、穿孔された廃土の通過が妨げられないことを目的として、当該打撃面とスプライン突起部の前方に既削孔の孔壁を再度リーミングしながら後続削孔作業を進められるよう、前方のロストビットより若干小径で複数周方向に独立したトリミングエッジを設けた先行地山固結方法に用いるドライブカップラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自穿孔ボルトとＦＲＰ中空ボルトを使った先行地山固結方法、更に詳しくは、トンネル掘削工事における先行地山改良を目的とした補助工法として多用される、注入式フォアポーリングとこれに用いるドライブカップラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６と図７は従来の注入式フォアポーリングの実施状態を示す。
【０００３】
従来の注入式フォアポーリングは、たとえば土木学会平成８年版第３印発行「トンネル標準示方書（山岳工法編）・同解説」におけるその２３７項では、「トンネル切羽より斜め前方地山に５ｍ程度以下の長さのボルトやパイプなどを打設すると同時に、急結性セメントミルクや薬液等を圧力注入し、天端安定を高める工法で、穿孔後注入用ボルトを挿入し注入するタイプ、穿孔と注入を同一ボルトで行う自穿孔タイプなどがある」と定義し、「信頼性が高く多くの実績がある」と紹介されている。
【０００４】
実際の適用では図６の如く、トンネルや地下空洞の掘削において特に地山の悪い、例えば高度の風化岩層や軟弱地層ならびに土被り厚さの小さな地層での工事では、従来より加背を低くして先行掘削を行い、例えば約１ｍ置きに配置される鋼製支保工１（例えばＨ１２０×１２０）の間に１シフトづつ、図７の如く天端仰角約１２０度の範囲に、直径約２０〜３５ｍｍ程度、長さ約３〜４ｍ程度の中空鋼管２をトンネル掘進方向より前方に向けて約２５〜３５°の仰角で、所定の間隔をもって打設し、中空鋼管２からセメントや樹脂などの固化材を充填して前方天端の地山を改善してから次の１ｍを掘削する手法がとられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、土質の悪い地山で実施される従来の注入式フォアポーリングでは、上記のように、各鋼製支保工１毎に削孔と中空鋼管２の挿設ならびに注入作業が必要となり、トンネル工事は限られた複数の工種を繰り返すサイクル工事であることより非常に頻繁に工種の入れ替えがなされ、このため、経済効果に影響するサイクルタイムが長くなっていた。
【０００６】
そこでこの発明は、このサイクルタイムを極力短縮化し、経済性を追及するとともに煩雑な作業の省力化を図ることができる自穿孔ボルトとＦＲＰ中空ボルトを使った先行地山固結方法と、これに用いるドライブカップラを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するため、この発明は、先端にロストビットを配置した中空構造で外周に連続ネジを有する自穿孔ボルトで先行削孔を実施し、次にＦＲＰ中空ボルトを後続打設を可能とするドライブカップラにて接続し、削岩機に取り付けた長尺の打ち込みロッドの内孔にＦＲＰ中空ボルトを内設するようにして、打ち込みロッドの先端に取り付けたドライブスリーブで直接このドライブカップラを回転・打撃して後続のＦＲＰ中空ボルトを地山に牽引するように穿孔し、この後、当該打ち込みロッドおよびドライブスリーブを引き抜いてからＦＲＰ中空ボルトの地山よりの出口部をコーキングし、後続のＦＲＰ中空ボルト末端より固化材を注入し、先端のロストビット孔より排出させて地山に圧入する構成を採用したものである。
【０００８】
上記地山固結方法の実施をトンネル掘進方向に向けて、同一形状の鋼製支保工の２基または３基毎に実施しつつ、後続のＦＲＰ中空ボルト部分を切除しながらトンネルの掘削を進めるようにすることができる。
【０００９】
また、ドライブカップラは、自穿孔ボルトとＦＲＰ中空ボルトを結合するように形成され、このドライブカップラの外側面に、打ち込みロッドの先端に具備したドライブスリーブより直接に打撃と回転を伝達できる打撃面と、複数のスプライン突起部と、後続のＦＲＰ中空ボルトの打設時において、先行掘削された孔壁に当該突起部が衝突して後続の削孔が困難にならないことと、穿孔された廃土の通過が妨げられないことを目的として、当該打撃面とスプライン突起部の前方に既削孔の孔壁を再度リーミングしながら後続削孔作業を進められるよう、前方のロストビットより若干小径で複数周方向に独立したトリミングエッジを設けた構造とすることができる。
【００１０】
この発明では、注入式フォアポーリングの実施において、まず通常のトンネル工事で用いるロックボルト工や当該フォアポーリング工における削孔径よりも幾分大きい直径の自穿孔用のロストビットを自穿孔ボルトに取り付け、この自穿孔ボルトで先行削孔を実施し、同自穿孔ボルトの打設完了後に特殊形状のドライブカップラにて自穿孔ボルトの後端に、後続の繊維補強プラスチック（ＦＲＰ）製の中空ボルトを接続し、このＦＲＰ中空ボルトを直接打撃すれば地山によっては当該ＦＲＰ中空ボルトが破壊して削孔作業ができなくなることから、この発明の手段では、削岩機の打ち込みロッドを当該ＦＲＰ中空ボルトよりも長尺太径のものとし、この長尺打ち込みロッドの内側にＦＲＰ中空ボルトを内包するようにして打ち込み、打ち込みロッドの先端に固定したドライブスリーブで直接、ドライブカップラを打撃・回転させて掘削を実施する手段をとるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００１２】
図１はこの発明による注入式フォアポーリングの実施形態を示している。
【００１３】
図１の実施例では、まず従来の当該工法に用いられていた直径４０〜５０ｍｍの削孔ビットよりも幾分大きい径の、例えば直径６５ｍｍで固化材吐出口１１を有するロストビット１２を、中空構造で外周面に連続した転造ネジを具備し、直径２８．５ｍｍで長さ４ｍの自穿孔ボルト１３の先端に固定し、このフォアポーリングボルトを従来のフォアポーリングよりも小さな約１５°〜２５°の仰角となるようロックボルト穿孔と同じ要領で地山に打設する。
【００１４】
次に、少なくとも端部に接続ネジ構造を具備した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）よりなる２．５ｍのＦＲＰ中空ボルト１４を、上記先行打設した自穿孔ボルト１３の後端に、特殊形状のドライブカップラ１５を用いて接続する。
【００１５】
同時にトンネルジャンボ１６などに具備されたガイドセル１７上に搭載された削岩機１８には、打ち込みスリーブ１９と、当該ＦＲＰ中空ボルト１４よりも若干長い、約３ｍの長さの中空構造の打ち込みロッド２０が連結され、打ち込みロッド２０とドライブスリーブ２１は当該ＦＲＰ中空ボルト１４を内包するように挿嵌され、打ち込みロッド２０の先端にねじ込み固定されているドライブスリーブ２１がドライブカップラ１５に外嵌する。
【００１６】
削岩機１８の回転は、打ち込みロッド２０に固定したドライブスリーブ２１と、ドライブカップラ１５を介して自穿孔ボルト１３に伝達され、また、打撃はドライブスリーブ２１でドライブカップラ１５を打撃することで自穿孔ボルト１３に伝わる。
【００１７】
従って、削岩機１８の回転と打撃はＦＲＰ中空ボルト１４に伝達されることなく直接、特殊形状のドライブカップラ１５に伝達され、さらには先行打設した自穿孔ボルト１３を介して先端のロストビット１２に伝達される。
【００１８】
このようにして自穿孔ボルト１３の後端に連結されたＦＲＰ中空ボルト１４を牽引するように削孔が進められ、約２〜２．３ｍの打設を実施してＦＲＰ中空ボルト１４の地山に対する打設が完了したらば、ガイドセル１７上の削岩機１８を、打ち込みスリーブ１９、打ち込みロッド２０およびドライブスリーブ２１と共に一気に退却させることにより、前方が４ｍの自穿孔ボルト１３で後方がドライブカップラ１５にて接続された約２．５ｍのＦＲＰ中空ボルト１４よりなる全長約６．５ｍの長尺中空管が形成される。
【００１９】
このあと、ＦＲＰ中空ボルト１４の端末の地山出口部を例えば図２の如くコーキング材３２でシールした後、ＦＲＰ中空ボルト１４の出口端部に設けた短尺自穿孔ボルト２３に注入治具を取り付け、固化材を充填・圧入して注入式フォアポーリング工事を完了する。
【００２０】
その後、このＦＲＰ中空ボルト１４の部分を掘削機で切除しながら約１ｍ分だけトンネルの掘削を進行し、鋼製支保工１を一つ手前の支保工より約１ｍの距離に立て込み、さらに同じく追加の１ｍを掘進して支保工を立て込み、前記の手順で、自穿孔ボルト１３と特殊形状のドライブカップラ１５で接続したＦＲＰ中空ボルト１４を打設し固化材を圧入する注入式フォアポーリング作業を複数基おきに実施する。
【００２１】
以後、このようなサイクル作業を繰り返しながらトンネル掘削を進める。
【００２２】
図３は、自穿孔ボルト１３と後続管となるＦＲＰ中空ボルト１４の具体例を示し、この実施例では長尺のＦＲＰ中空管の両端に、短尺自穿孔ボルト２２、２３を固定して接続ネジを具備させ、先端の短尺自穿孔ボルト２２をドライブカップラ１５と螺合接続している。なお、端部のネジ構造はこのような形式でなくても、例えばＦＲＰ中空ボルト１４の表面に直接、接続ネジを成形させる方式でもよい。
【００２３】
図４はこの発明を構成するドライブスリーブの形状を、また図５は特殊形状のドライブカップラの形状を示している。
【００２４】
削岩機１８より打ち込みスリーブ１９、長尺の打ち込みロッド２０、ドライブスリーブ２１を介して伝達された打撃と回転は、その打撃をドライブスリーブ２１の先端の打撃面２４’とドライブカップラ１５の打撃面２４で、また回転を複数のスプライン突起２５で前方の自穿孔ボルト１３に伝達し、先端のロストビット１２で削孔を進める。
【００２５】
ドライブカップラ１５は、筒状でその内周面に、長尺のＦＲＰ中空管１４の端部に設けられた短尺自穿孔ボルト２２及び、先行打設された自穿孔ボルト１３を螺合する雌ねじ２６、２７を備え、外周面の途中に設けた打撃面２４の前方に軸方向に長いスプライン突起２５と、このスプライン突起２５と略同一のドライブカップラ円周分割角度で、複数のトリムエッジ２８が設けられ、ドライブスリーブ２１との嵌合面には端部に止水ゴムリング３３が取り付けられている。
【００２６】
トリムエッジ２８は後続のＦＲＰ中空ボルト１４の牽引打設時において、ドライブカップラ１５のスプライン突起２５や打撃面２４が既削孔された壁面に引っかかって削孔の邪魔をしないように、通常の鋳鋼製ビットのエッジと同じ鋭角になっており、このエッジ部で既削孔壁の突出部分をリーミングしながら削孔を進め、また、最前方のロストビット１２の削孔によって生じたスライムは、独立した複数の当該トリムエッジ２８の間を通過して後方へ排出される構造である。
【００２７】
ドライブスリーブ２１は、先端側の内部がドライブカップラ１５への嵌合部２９となり、その内周面にはスプライン突起２５に外嵌して回転を伝える凹溝３０が形成され、先端面が打撃面２４’になり、後端側の内部が長尺の打ち込みロッド２０を螺合するねじ孔３１になっている。
【００２８】
【発明の効果】
上記のように、この発明の手法による注入式フォアポーリング工事を実施することにより、従来は約１ｍおきに設置される鋼製支保工の間にそれぞれ実施していた当該工事を、複数おきに実施すれば良く、注入式フォアポーリングの工程をサイクルタイムから大幅に縮小でき、従って工事速度は著しく改善され、大きな経済性を得ることができる。
【００２９】
また、この発明のドライブカップラ方式を採用することにより、自穿孔ボルトの後続管として用いたＦＲＰ中空ボルトが決して破損することなく着実に先行地山に挿設でき、当該ＦＲＰボルトは固結材圧入後の後続掘削時に汎用の掘削機で切除できることから、ＦＲＰ中空ボルトが後続設置される鋼製支保工の形状に影響することはなく、同一の支保工が使えるので作業管理が煩雑になることより開放される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による注入式フォアポーリングの実施形態を示す縦断側面図
【図２】ＦＲＰ中空ボルト端末の地山出口部のコーキング状態を示す縦断側面図
【図３】この発明による注入式フォアポーリングの拡大した縦断側面図
【図４】（Ａ）はこの発明に用いるドライブスリーブの縦断側面図、（Ｂ）は同縦断正面図
【図５】（Ａ）はこの発明に用いるドライブカップラの側面図、（Ｂ）は同縦断側面図、（Ｃ）は同正面図
【図６】従来の注入式フォアポーリングの実施状態を示す縦断側面図
【図７】同上の縦断正面図
【符号の説明】
１  鋼製支保工
２  中空鋼管
１１  固化材吐出口
１２  ロストビット
１３  自穿孔ボルト
１４  ＦＲＰ中空ボルト
１５  ドライブカップラ
１６  トンネルジャンボ
１７  ガイドセル
１８  削岩機
１９  打ち込みスリーブ
２０  打ち込みロッド
２１  ドライブスリーブ
２２、２３  自穿孔ボルト
２４、２４’  打撃面
２５  スプライン突起
２６、２７  雌ねじ
２８  トリムエッジ
２９  嵌合部
３０  凹溝
３１  ドライブスリーブのねじ孔
３２  コーキング材
３３  止水ゴムリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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