説明

トンネルの支保工沈下抑制構造

【課題】支保工の沈下を効果的に抑制することが可能なトンネルの支保工沈下抑制構造を提供する。
【解決手段】地山に形成したトンネル2の内壁面2aから基端3aが露出されて、地山に水平方向に貫入される水平鋼管パイル3と、トンネル内壁面から基端4aが露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向き鋼管パイル4と、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工5に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平鋼管パイルの基端と下向き鋼管パイルの基端を結合する結合金物6とを備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、支保工の沈下を効果的に抑制することが可能なトンネルの支保工沈下抑制構造に関する。
【背景技術】
【0002】
トンネルにあっては、掘削されたトンネル内壁面に沿ってアーチ状の支保工が設置されるが、この支保工が、地山の緩み部の沈下作用によって沈下されるのを抑制することが重要である(例えば、特許文献1参照)。従来、支保工の沈下を抑制するために、おおよそ上向きに立ち上がっていく支保工の足元に、地山に水平方向に貫入させた管状の水平鋼管パイルおよび地山に斜め下向き方向に貫入させたフットパイルと称される、管状の下向き鋼管パイルを取り付け、これらパイルで支保工を足元から支えるようにしていた。
【特許文献1】特開2003−314188号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、従来にあっては、水平鋼管パイルおよび下向き鋼管パイルを個々個別に支保工に取り付けて、別々に支保工を支えるようにしていたため、トンネル内壁面に沿って支保工が沈下する方向の下向き荷重が作用すると、水平鋼管パイルは支保工に対する取り付け部分近くで下向きに容易に曲げ変形されるおそれがある。また、下向き鋼管パイルにあっても、下向き荷重が作用すると、下向き鋼管パイルがトンネル支保工に対する取り付け部分近くでトンネル内方に向かって下方へ倒れるように容易に曲げ変形されるおそれがある。このように、水平鋼管パイルや下向き鋼管パイルを用いても、効果的に支保工の沈下を抑制できない場合があるという課題があった。また、これらパイルとして曲げ剛性の高いものを使用することが考えられるが、一般にパイルの必要貫入長さは長く、またパイルの使用量も膨大な数量に上ることから、コストアップになるという課題があった。
【0004】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、支保工の沈下を効果的に抑制することが可能なトンネルの支保工沈下抑制構造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】
本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造は、地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルと、トンネル内壁面から基端が露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルと、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平パイルの基端と下向きパイルの基端を結合する結合金物とを備えたことを特徴とする。
【0006】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルが、地山の緩み部外側の健全部に根入れされることを特徴とする。
【0007】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルは、前記支保工の両側にそれぞれ一対一組で設けられ、前記結合金物はこれら一対一組の水平パイルおよび下向きパイルの基端を一括して結合することを特徴とする。
【0008】
前記結合金物は、隣接する支保工同士を連結する荷重伝達桁を介して前記支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設されることを特徴とする。
【0009】
前記結合金物は、前記支保工のトンネル内空側に位置させて当該支保工に固定されることを特徴とする。
【0010】
前記結合金物には、パイル挿入用通孔が形成されていることを特徴とする。
【0011】
前記支保工の脚部には、当該支保工のトンネル床面に対する接地面積をトンネルの幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して該脚部に作用する荷重を分散させる補剛構造体が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造にあっては、支保工の沈下を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下に、本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造1は基本的には、図1から図6に示すように、地山に形成したトンネル2の内壁面2aから基端3aが露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルとしての水平鋼管パイル3と、トンネル2の内壁面2aから基端4aが露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルとしての下向き鋼管パイル4と、トンネル2の内壁面2aに沿って設置されたアーチ状の支保工5に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平鋼管パイル3の基端3aと下向き鋼管パイル4の基端4aを結合する結合金物6とを備えて構成される。
【0014】
トンネル2は周知のように、地山に対し、掘削工程(必要に応じて、発破工程を含む)と支保工程を順次繰り返すことで形成され、その内壁面2aはアーチ状に形成される。トンネル内壁面2aには、そのアーチ形状に沿って一次吹き付けが施工されて、一次吹き付け層7が形成される。トンネル内壁面2aには、一次吹き付け層7を介して、当該アーチ状のトンネル内壁面2aに沿わせてアーチ状に形成されたH鋼製の支保工5が設置される。支保工5は、トンネル2の奥行き方向に適宜間隔を隔てて複数配設される。さらにトンネル内壁面2aには、これら支保工5を埋め込むように、支保工5の内側フランジ5aの表面位置まで、当該支保工5のアーチ形状に沿って二次吹き付けが施工されて、二次吹き付け層8が形成される。アーチ状の支保工5それぞれの足元となる脚部5b近傍位置には、二次吹き付け層8の表面に沿って、隣接する支保工5同士をトンネル2の奥行き方向に一連に連結するI型ビームなどの荷重伝達桁9が設けられる。
【0015】
他方、地山には、荷重伝達桁9の下方位置から、二次吹き付け層8および一次吹き付け層7を介して、水平方向に水平鋼管パイル3が貫入される。この水平鋼管パイル3の基端3aは、一次および二次吹き付け層7,8を介してトンネル内壁面2aから露出され、支保工5よりもトンネル2内方へ突出される。地山にはまた、水平鋼管パイル3の下方位置から、二次吹き付け層8および一次吹き付け層7を介して、斜め下向き方向に下向き鋼管パイル4が貫入される。この下向き鋼管パイル4の基端4aも、一次および二次吹き付け層7,8を介してトンネル内壁面2aから露出され、支保工5よりもトンネル2内方へ突出される。
【0016】
これら水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4は、地山の緩み部外側の健全部(図2参照)に達する長さ寸法で形成されて、それらの先端3b,4bが当該健全部に根入れされる。またこれらパイル3,4の根入れ部分には、図示しないけれども、これらパイル3,4を地山に対して定着させるための定着材が設けられる。これら地山に貫入される水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4は本実施形態にあっては、支保工5をトンネル2の奥行き方向両側から挟む配置で、各支保工5それぞれに対し一対一組で配設される。
【0017】
支保工5には、これら水平鋼管パイル3の基端3aと下向き鋼管パイル4の基端4aを結合するための結合金物6が、支保工5に作用する鉛直荷重を受け得るように、固定して設けられる。結合金物6は、二次吹き付け層8で覆われた支保工5のトンネル2内空側に位置させて、当該支保工5の内側フランジ5aに固定される。結合金物6の詳細が図4および図5に示されている。図5(a)は結合金物6の側面図、図5(b)はその正面図、図5(c)はその平面図である。結合金物6は、中空ボックス状もしくは中実なブロック状の本体10と、水平鋼管パイル3のパイル挿入用通孔11aを区画する第1パイプ11と、下向き鋼管パイル4のパイル挿入用通孔12aを区画する第2パイプ12と、図示しないボルト挿通孔とを備えて構成される。
【0018】
第1パイプ11は、トンネル2側に面する本体10の正面から見て、当該本体10の上部に配置される。本実施形態にあっては、水平鋼管パイル3は各支保工5に対し一対一組配設されることから、第1パイプ11は、支保工5の両側となる左右に一対設けられる。第2パイプ12は第1パイプ11の直下に配置される。第2パイプ12も第1パイプ11と同様に、一対一組の下向き鋼管パイル4に対応させて、左右一対で設けられる。ボルト挿通孔は、一対一組のパイル3,4で挟まれた支保工5位置に対応させて、左右一対の第1および第2パイプ11,12の間に適宜数形成される。第1パイプ11は、地山に水平に貫入される水平鋼管パイル3に沿って、本体10の正面から地山側に面する裏面に向かって当該本体10を水平に貫通して設けられ、その前後端は本体10の表裏面からそれぞれ突出される。第2パイプ12も、地山に斜め下向きに貫入される下向き鋼管パイル4に沿って、本体10の正面から裏面に向かって当該本体10を斜めに貫通して設けられ、その前後端が本体10の表裏面からそれぞれ突出される。
【0019】
ボルト挿通孔は、本体10の表裏を水平方向に貫通して形成される。結合金物6は、支保工5の内側フランジ5aに形成された孔部を介して、本体10裏面からボルト挿通孔に挿入されたボルト13に対し、本体10表面側からナット14を螺合することで、支保工5に対し固定される。また、第1パイプ11および第2パイプ12にはぞれぞれ、水平鋼管パイル3の基端3aおよび下向き鋼管パイル4の基端4aが挿入され、これによりこれら水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4は、それらの基端3a,4aが結合金物6を介して結合される。本実施形態にあっては、各支保工5それぞれの両側に一対一組で設けた水平鋼管パイル3の基端3aおよび下向き鋼管パイル4の基端4aが単一の結合金物6で一括して結合される。また、各支保工5に固定した結合金物6は、その本体10の上端が荷重伝達桁9に当接しており、これにより、各支保工5に作用する鉛直荷重を、荷重伝達桁9を介して、トンネル2の奥行き方向に隣接する各結合金物6にほぼ均等に負担させるようにしている。
【0020】
他方、支保工5の脚部5b周辺の詳細が図6に示されている。図6(a)は支保工5の部分側面図、図6(b)は支保工5の脚部5b周辺の正面図、図6(c)は支保工5の脚部5b周辺の斜視図である。図示するように、支保工5の脚部5bには、当該支保工5のトンネル床面2bに対する接地面積をトンネル2の幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して脚部5bに作用する荷重を分散させる補剛構造体15が設けられる。
【0021】
補剛構造体15は、トンネル2の床面2bから荷重伝達桁9の上方にわたる高さで形成される。補剛構造体15は、アーチ状の支保工5に対し、その途中位置からトンネル2の幅方向外方へ直線的に張り出すように設けられ、その上端が支保工5と接合された張り出しフレーム15aと、張り出しフレーム15aと支保工5との接合部分よりも下方位置で、トンネル2の奥行き方向前後に向かって張り出すように設けられ、それらの上端が支保工5と接合された一対の前・後フレーム15b,15cと、これら前・後フレーム15b,15c、張り出しフレーム15a、並びに支保工5の下端と接合されてこれらフレーム15a〜15cおよび支保工5を相互に連結するベースフレーム15dとから構成される。
【0022】
そして、支保工5両側の水平鋼管パイル3はそれぞれ、前フレーム15bと支保工5および後フレーム15cと支保工5との間に通すように配置され、支保工5両側の下向き鋼管パイル4はそれぞれ、前フレーム15bと支保工5および後フレーム15cと支保工5との間から、ベースフレーム15dに通すように配置され、結合金物6は、これら前・後フレーム15b,15cの間に位置させて、支保工5に固定される。このように構成された補剛構造体15は、支保工5の脚部5b周りに、おおよそ錐体状の立体形状であって、かつ接地面が、トンネル2の幅方向からトンネル2の奥行き方向前後にわたって広がるおおよそ扇形状になるように形成される。
【0023】
本実施形態にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造1の作用について説明する。まず施工について説明すると、地山に形成したトンネル内壁面2aに対し、一次吹き付けを行って、一次吹き付け層7を形成する。次いで、一次吹き付け層7に沿って、補剛構造体15を接合した支保工5をトンネル内壁面2aに沿って必要数、適宜間隔を隔てて設置する。この際、支保工5の内側フランジ5aの孔部に対して、ボルト13を装着しておく。次いで、二次吹き付けを行って、支保工5の内側フランジ5aを残して、二次吹き付け層8を形成する。その後、隣接する支保工5間に、それらの内側フランジ5aに掛け渡して、荷重伝達桁9を接合する。
【0024】
次いで、支保工5の内側フランジ5aに装着しておいたボルト13にナット14を螺合することで、支保工5にトンネル2側から結合金物6を固定する。その後、結合金物6の第1パイプ11および第2パイプ12のパイル挿入用通孔11a,12aを利用して、水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4を地山に対して水平方向および斜め下向き方向に貫入させ、これらパイル3,4の基端3a,4aが結合金物6の各パイプ11,12内に残存しかつそれらパイル3,4の先端3b,4bが地山の緩み部外側の健全部に達するように根入れする。水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4の貫入は、穿孔しながらこれらパイル3,4を孔に挿入していくことにより行う。穿孔終了後にパイル3,4を挿入する場合は、結合金物6の設置前に穿孔を行い、その後、結合金物6を設置してから、パイル3,4を挿入することが施工上好ましい。
【0025】
地山の緩み部の沈下作用で支保工5に沈下方向の荷重が作用すると、結合金物6を介して連結された水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4の基端3a,4a双方に当該荷重が作用する。水平鋼管パイル3単独で検討すると、図2中、破線Xで示したように、支保工5が沈下する方向の下向き荷重により水平鋼管パイル3の基端3aは下向きに曲げ変形されるが、本実施形態にあっては、結合金物6を介して水平鋼管パイル3の基端3aに下向き鋼管パイル4を結合したので、水平鋼管パイル3の基端3aを曲げ変形させようとする荷重は、下向き鋼管パイル4に対しては軸方向圧縮力X1として作用することとなり、曲げに対する耐力が低く、圧縮に対する耐力が高いこの種の鋼製材料にあっては、下向き鋼管パイル4によって水平鋼管パイル3の基端3aを適切に支持することができ、水平鋼管パイル3に曲げ変形が発生することを抑制できて、その分、支保工5の沈下を抑制することができる。
【0026】
他方、下向き鋼管パイル4単独で検討すると、図2中、破線Yで示したように、支保工5が沈下する方向の下向き荷重により下向き鋼管パイル4の基端4aはトンネル2内方へ向かって倒れるように曲げ変形されるが、本実施形態にあっては、結合金物6を介して下向き鋼管パイル4の基端4aに水平鋼管パイル3を結合したので、下向き鋼管パイル4の基端4aを曲げ変形させようとする荷重は、水平鋼管パイル3に対しては軸方向引張力Y1として作用することとなり、曲げに対する耐力が低く、引張に対する耐力が高いこの種の鋼製材料にあっては、水平鋼管パイル3によって下向き鋼管パイル4の基端4aを適切に支持することができ、下向き鋼管パイル4に曲げ変形が発生することを抑制できて、支保工5の沈下を抑制することができる。
【0027】
このように本実施形態にあっては、支保工5の沈下で曲げ変形されるおそれのある水平鋼管パイル3の基端3aと下向き鋼管パイル4の基端4aを結合金物6で互いに結合することにより、水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4の一方に対し曲げ力となる荷重を、他方に対し軸力として作用させることができて、これにより他方によって一方を合理的かつ適切に支持することができる。そして、このような水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4双方の相乗作用によって、支保工5の沈下方向の荷重を、水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4双方に分散させてこれらで分担して支持することができ、支保工5の沈下抑制作用を十分かつ効果的に確保することができる。また、水平鋼管パイル3と下向き鋼管パイル4の基端3a,4aを結合する結合金物6を増設するだけなので、曲げ剛性の高いパイルを膨大な量使用することに比べ、安価に施工することができる。
【0028】
水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4双方を地山の健全部に根入れするようにしたので、支保工5の沈下抑制作用をさらに確実化することができる。水平鋼管パイル3および下向き鋼管パイル4を、支保工5の両側にそれぞれ一対一組で設け、結合金物6でこれら一対一組の水平鋼管パイル3の基端3aおよび下向き鋼管パイル4の基端4aを一括して結合するようにしたので、支保工5の倒れも含めて、さらに適切に支保工5の沈下挙動を抑制することができる。結合金物6を、隣接する支保工5を連結する荷重伝達桁9を介して支保工5に作用する鉛直荷重を受け得るように配設するようにしたので、支保工5に作用する沈下方向の荷重を分散させて支持することができ、さらに効果的な沈下抑制作用を確保することができる。
【0029】
結合金物6を、支保工5のトンネル2内空側に位置させて当該支保工5に固定するようにしたので、吹き付け施工の障害となることなく、適切に結合金物6を設置することができ、円滑な施工性を確保することができる。結合金物6にパイル挿入用通孔11a,12aを形成したので、結合金物6に対するパイル3,4の挿入操作を円滑に行うことでき、円滑な施工性を確保することができる。パイル挿入用通孔11a,12aを区画する第1および第2パイプ11,12の前後端を本体10の表裏面から突出させたので、結合金物6の納まり寸法に制限されることなく、パイル3,4の挿入時におけるパイル3,4の支持長さを長く確保することができて安定的に挿入操作することができるとともに、これらパイプ11,12の前端をテーパ状に形成することで、さらに結合金物6へのパイル3,4の挿入操作性を向上することができる。
【0030】
支保工5の脚部5bに、立体フレームを構成して支保工5を「面」でトンネル床面2bに接地させる補剛構造体15を設けたことにより、支保工5自体についても、これに作用する沈下方向の荷重を、張り出しフレーム15aや前・後フレーム15b,15c、さらにはベースフレーム15dを介して、トンネル床面3cに形成される扇形状の支持面から地山に分散させて支持させることができ、結合金物6による水平鋼管パイル3や下向き鋼管パイル4での荷重分散作用と相俟って、さらに効果的に支保工5の沈下抑制作用を確保することができる。また、補剛構造体15の前・後フレーム15b,15cの間に結合金物6を設置し、水平鋼管パイル3や下向き鋼管パイル4を、当該補剛構造体15を通して貫入させるようにしたので、これらを個々独立に離れた位置に設定する場合に比べて、これら補剛構造体15およびパイル3,4等の相互作用により、格段に優れた支保工5の沈下抑制作用を確保することができる。
【0031】
なお、本発明にかかる結合金物6は、上記した形態のものに限らず、支保工5の左右に各々別体のものとして構成してもよいし、あるいは、支保工5へのボルト締結による固定も省略可能である。これらの場合、結合金物6は、荷重伝達桁9に固定しておけば、施工を好適に行うことができる。また、本発明にかかる水平パイルおよび下向きパイルとしては、鋼管に限らず、ロックボルトのような鋼製の棒状部材を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明にかかるトンネルの支保工沈下抑制構造の好適な一実施形態を示す概略斜視図である。
【図2】図1に示したトンネルの支保工沈下抑制構造の要部拡大側断面図である。
【図3】図2中、A−A線矢視断面図である。
【図4】図1に示したトンネルの支保工沈下抑制構造に用いられる結合金物の一例を示す斜視図である。
【図5】図4に示した結合金物を説明するための図である。
【図6】図1に示したトンネルの支保工沈下抑制構造に用いられる支保工を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【0033】
2 トンネル
2a トンネル内壁面
2b トンネル床面
3 水平鋼管パイル
3a 水平鋼管パイルの基端
4 下向き鋼管パイル
4a 下向き鋼管パイルの基端
5 支保工
5b 支保工の脚部
6 結合金物
9 荷重伝達桁
11a,12a パイル挿入用通孔
15 補剛構造体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
地山に形成したトンネルの内壁面から基端が露出されて、地山に水平方向に貫入される水平パイルと、トンネル内壁面から基端が露出されて、地山に斜め下向き方向に貫入される下向きパイルと、トンネルの内壁面に沿って設置されたアーチ状の支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設され、これら水平パイルの基端と下向きパイルの基端を結合する結合金物とを備えたことを特徴とするトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項2】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルが、地山の緩み部外側の健全部に根入れされることを特徴とする請求項1に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項3】
前記水平パイルおよび前記下向きパイルは、前記支保工の両側にそれぞれ一対一組で設けられ、前記結合金物はこれら一対一組の水平パイルおよび下向きパイルの基端を一括して結合することを特徴とする請求項1または2に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項4】
前記結合金物は、隣接する支保工同士を連結する荷重伝達桁を介して前記支保工に作用する鉛直荷重を受け得るように配設されることを特徴とする請求項1〜3いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項5】
前記結合金物は、前記支保工のトンネル内空側に位置させて当該支保工に固定されることを特徴とする請求項3に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項6】
前記結合金物には、パイル挿入用通孔が形成されていることを特徴とする請求項1〜5いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。
【請求項7】
前記支保工の脚部には、当該支保工のトンネル床面に対する接地面積をトンネルの幅方向外方から奥行き方向へ向かって拡張して該脚部に作用する荷重を分散させる補剛構造体が設けられることを特徴とする請求項1〜6いずれかの項に記載のトンネルの支保工沈下抑制構造。

【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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【公開番号】特開2007−162366(P2007−162366A)
【公開日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−361279(P2005−361279)
【出願日】平成17年12月15日(2005.12.15)
【出願人】(000140292)株式会社奥村組 (469)
【Fターム(参考)】