地山補強用鋼管
【課題】 例えばトンネル掘削断面から打設する長尺先受け工や長尺鏡補強工の地山補強工法に係り、均一性の高い補強効果を発揮できると共に、補強鋼管本体の薄肉による軽量化により、適格な地山補強効果を得ることができ、多様な掘削方式に於いて低コストで実施できるようにする。
【解決手段】 長尺鋼管先受け工および長尺鏡補強工に於いて、該補強管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置に設け、他方の端部には縮径による雄ねじ接続部が設けられ、該縮径部は鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、鋼管本体の肉厚に対して各々のねじ部の残肉厚を最大限に確保した形態で接続することを特徴とした地山補強用鋼管。
【解決手段】 長尺鋼管先受け工および長尺鏡補強工に於いて、該補強管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置に設け、他方の端部には縮径による雄ねじ接続部が設けられ、該縮径部は鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、鋼管本体の肉厚に対して各々のねじ部の残肉厚を最大限に確保した形態で接続することを特徴とした地山補強用鋼管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばトンネル掘削時に前方地山を補強する長尺先受け工や長尺鏡補強工等の地山補強工法、特に掘削すべき前方地山内に削孔を施すと同時に該削孔内に補強鋼管を推進して補強する地山補強工法に関する。更に詳しくは、例えば先端に削孔ビットを装着する中空管状の削孔ロッドの周囲に、補強管を配置した状態で削孔を施す、いわゆる二重管方式の削孔装置で上記補強管として鋼管を用い、上記削孔ビットで削孔推進しながら複数本の上記補強鋼管を順次接続して所定長に設置後、その補強鋼管内からセメント系またはレジン系等の固結材を注入して地山との定着を施こすと共に、上記補強鋼管を切羽前方地山内に打設して補強する場合に、特に有効な地山補強用鋼管の接続に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば地質条件の悪い地山等でトンネルを掘削する際には、山岳トンネル工法に使用する油圧ドリルジャンボなどの標準的な掘削機械設備により、その掘削すべき前方地山を小口径の長尺鋼管等を用いて拘束し、且つ補強しながらトンネルを掘り進めることが行われている。このような前方地山を鋼管等で補強しながらトンネルを掘削する場合に行う地山補強工法として、トンネルを掘削すべき前方地山の天端部または前方地山内に削孔を施すと同時に上記補強鋼管を推進する場合に、先端部に削孔用ビットを有する中空管状の削孔ロッドの周囲に上記補強鋼管を配置した状態で削孔を施す、いわゆる二重管方式の長尺削孔装置によって複数本の管を順次接続してなる補強鋼管をトンネル切羽の長尺先受け工または長尺鏡補強工として打設し、その補強鋼管内にセメント系またはレジン系等の固結材を注入して、該補強鋼管内および鋼管周壁の吐出孔を介して周囲の地山との定着または固結領域を形成して地山補強工を行うことが実施されている。
【０００３】
図７は前記長尺鋼管先受け工２５を施した状態を示したものであって、トンネル掘削空間２０に於いて切羽２１から前方地山２２内に補強鋼管２３が打設され、打設された鋼管２３の周囲に固結領域２４が形成されている。
この長尺鋼管先受け工２５の打設方法として、トンネル掘削時の天端部の剥落防止と切羽前方地山の拘束力を高める目的で打設角度を最小限に確保するため、支保断面拡幅方法として、打設する切羽の手前６ｍ程度のトンネル断面を拡幅し、先受け鋼管と鋼製支保工の離れを最小限として、打設された長尺の鋼管を介して注入材により、鋼管周囲の定着および固結領域の形成により先受け拘束効果が期待される。
【０００４】
また、最近では鋼製支保工の無拡幅工法としてトンネル断面を拡幅しない、図８に示される長尺鋼管先受け工２５が用いられている。例えば、所定の仰角で打設された長尺鋼管先受け部材の内、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間、所謂切除区間の補強管Ｓは切除することにより断面拡幅区間を設けない長尺鋼管先受け工２５で、鋼管に予め周面にスリットを入れて切除可能な鋼管等が切除区間の後端管に用いられている。後端管は切羽前方に建て込まれる鋼製支保工の３〜６ｍ程度の範囲にある地山内に埋設し、この区間で鋼製支保工を交わすため切除される。全長に亘って打設した鋼管は地山内に存置して、鋼管周壁の吐出孔を介して周囲の地山内に固結材を注入することにより、地山の天端部の剥落を防止するための安定性を高めている。
【０００５】
前記の長尺鋼管先受け工２５と同様に、前方地山を拘束しながらトンネルを掘削する地山補強工法として、掘削に先立ってトンネル鏡面から図９に示すように、地山補強である鏡補強を形成して切羽前方地山を拘束する長尺鏡補強工２６がある。これらの補強管には小口径ＧＦＲＰ管若しくは鋼管が用いられ、注入時に挿入される注入管を使用して、その補強管周壁の吐出孔を介して周囲の地山にセメント系注入材など固結材の注入を施して、補強管周壁の地山を定着補強により切羽前方地山の拘束効果を高める工法である。
【０００６】
長尺鋼管先受け工２５には、鋼管本体の外径が１１４．３ｍｍで肉厚が６ｍｍ、長さ３．０ｍ程度の鋼管を複数本により接続した該補強管が一般に用いられている。しかし、前記の切羽前方地山を補強する長尺鏡補強工２６を併用して、トンネル掘削時の応力解放に伴う鏡部の押出し挙動を抑制した場合には、図１０の解析結果による長尺鋼管先受け工２５の曲げモーメント図に示されるように、周辺地山の塑性領域が減少する効果を得られる結果、部材に生じる曲げ応力が減少することから、この長尺鋼管先受け工２５に使用する鋼管本体の所要とする断面形状を低減することが可能となっている。
【０００７】
この長尺鏡補強工２６の併用により、例として長尺鋼管先受け工２５に使用される鋼管本体の断面形状は、外径が７６．３ｍｍで肉厚が５．２〜７．０ｍｍ程度に断面形状は縮小された該補強管が長尺鋼管先受け工に使用されてきている。したがって、これまでの長尺鋼管先受け工が単独で使用されてきた支保工拡幅施工による、曲げ応力を主体として算定されていた補強管が、長尺鏡補強工２６の併用により軸方向応力を主体とした補強管として機能することから、断面形状の縮小に伴い補強管の接合部の引張剛性を考慮する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
下記特許文献１、２は上記のような該補強管に使用されている鋼管の接合方法の一例を示すもので、特許文献１は該補強鋼管に使用されている一般的な鋼管の接合方法として、図１１に示される標準的なねじ接続１０で、一方の端部が雄ねじ１１、他方の端部には雌ねじ１２が設けられ、例として特許文献１に記載のねじ接合による該補強管が用いられている。
【０００９】
また、ねじ接合例として該補強管の一方の端部に通常の雄ねじ１１が設けられ、他方の端部に拡径式の雌ねじ１２を設けた図１２に示すねじ接続方法で、特許文献２に記載のものがある。
【００１０】
前記長尺鋼管先受け工２５は、様々な地山条件に対応できる先受け効果が期待できるため、地山の先行変位の抑制、地山の緩みの防止、施工の安全性確保等を目的に長尺先受け工として用いられている。図８はトンネル掘削断面を無拡幅とした状態の上記長尺鋼管先受け工２５を示すものであって、トンネル空間２０に於いて切羽２１から前方地山２２内に鋼管２３が打設され、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間Ｓの端末管は地山の掘進に伴って地山から露出した部分が切除可能な管で形成されている。この長尺鋼管先受け工２５に使用する補強鋼管は、ドリルジャンボのガイドセルに長さの制約があり、３ｍ程度の補強鋼管を複数本接続して使用されている。しかし、掘削断面を無拡幅とした施工方法では、図７に示す掘削断面を拡幅した施工と比較して、長尺鋼管先受け工の該補強鋼管に生じる部材応力は軸方向応力が卓越する傾向にあり、ねじ接続部においても曲げ応力よりも引張応力の影響は大きくなる。したがって、該補強鋼管本体には打設時の削岩機による打撃力および推進力が生じ、その後の注入材による地山への定着後の該補強鋼管には、地山の挙動に伴う軸方向応力を主体とした応力が生じるため、この該補強鋼管のねじ接続部耐力（ねじ部引張強度）が要求される。
【００１１】
この該補強鋼管のねじ接続部は前記の図１１および図１２に示されるように、接続部耐力はねじ接続部の残肉厚１３によって概略の算定ができる。鋼管本体の外径を７６．３ｍｍとして打設時の削岩機による打撃力に耐える特許文献１の補強用鋼管は、ねじ部における最小限の引張耐力を確保する肉厚（２．２〜３．０ｍｍ）として、５．２〜７．０ｍｍの鋼管が用いられ、ねじ部引張耐力を確保する必要性から鋼管本体自体の肉厚を必要とするため、重量が過大となり作業性およびコストで問題がある。
【００１２】
また、ねじ部引張耐力をねじ接続部の残肉厚による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の厚が５．２ｍｍによるねじ部の残肉厚を２．２ｍｍ（５１２ｍｍ２）とした場合、引張強度は２１０ｋＮとなる。鋼管本体の厚を６．０ｍｍとして、ねじ接続部の残肉厚を２．５ｍｍ（５８０ｍｍ２）とすると、引張強度は２３８ｋＮと算出される。ねじ接続部における引張耐力の数値においては、この２１０ｋＮ程度でも軟質な地山条件ではさく岩機の打撃圧を下げた状態では問題ないが、硬質な礫・玉石等が挟在した場合などには、さく岩機の打撃圧の上昇等の影響からねじ接続部の破断が生じる。
【００１３】
特許文献２の図１２に示されるねじ接続方法による補強用鋼管を用いた場合、ねじ部接続形状の変更による残肉厚１３の確保で引張耐力の向上、薄肉鋼管による軽量化により経済性が考慮され、所要のねじ接合部耐力が確保される。しかし、孔壁部の崩壊および目立性が不安定で硬質な礫の挟在、玉石・転石が混入する礫質土層、硬質な亀裂性岩盤層等における地山条件によっては、該補強管のねじ接続部（図１３）が前記の削岩機による打撃力および推進力に対して大きな抵抗力となり、ねじ接続部の破断・離脱が生じる場合がある。特許文献１と同様に、特許文献２のねじ接続部の残肉厚１３による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の厚を４．２ｍｍとして、ねじ部の残肉厚１３を２．７ｍｍ（６７０ｍｍ２）とすると、引張強度は２７５ｋＮとなる。しかし、拡径側における雌ねじ接続部の残肉厚１３については、内径側を基準とした加工となるために、鋼管の厚さ寸法許容差を考慮した加工の必要性および拡径に伴う肉厚の減少を考慮した加工技術が必要であり、残肉厚の安定性の確保に問題がある。
【００１４】
このように、特許文献１で従来の同径１６の平坦な通常ねじ接続１０による補強鋼管で、小口径の鋼管を使用する場合、所要のねじ接続部の引張耐力を確保するために、過大な肉厚の鋼管本体を使用せざるを得ないため、重量が大きくなり作業性およびコスト面で問題がある。
【００１５】
特許文献２の拡径式（ソケット）１７のねじ接続１０による場合には、雌ねじ１２接続部の外径が通常鋼管本体の外径よりも大きくなるため、地山状況によっては削岩機による打撃力および推進力に対して大きな抵抗力となる。また、拡径側における雌ねじ１２接続部の残肉厚１３については、鋼管の厚さ寸法許容差および拡径に伴う肉厚の減少の影響を受けやすく、所要の安定したねじ部引張耐力を確保できない問題がある。
【００１６】
【特許文献１】実公平７−０４５６７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３３２２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、上記従来の補強用鋼管における所要のねじ接続部の引張耐力以上を確保し、玉石・転石が混入する礫質上・硬質な亀裂性岩盤層等においても、ねじ接合部が推進抵抗の弱点とならないことと、鋼管の厚さ寸法許容差による影響を受けにくい接続方式として、補強鋼管本体の薄肉による軽量化により作業性の向上とコストの低減を図ることができる補強用鋼管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】
【００１８】
上記の目的を達成するために本発明による補強用鋼管は、トンネル周辺地山挙動の抑制を目的として、周壁に吐出孔が穿設されている複数本の管を順次接続しながら所定の仰角で地山に打設して補強管を形成し、該補強管を介して固結材の注入をおこない、該補強管の周囲の地山に固結領域を形成して地山を拘束する長尺鋼管先受け工および長尺鏡補強工に於いて、該補強管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置に設け、他方の端部には縮径による雄ねじ接続部が設けられ、該縮径部は鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、鋼管本体の肉厚に対して各々のねじ部の残肉厚を最大限に確保した形態で接続することを特徴とした地山補強用鋼管としている。
【００１９】
鋼管本体の外径位置を基準として、地山補強用鋼管のねじ接続部の強度を確保するために、鋼管本体のほぼ内径位置に設けた雌ねじに対して、雄ねじの谷の径は該補強鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に縮径加工するのが、ねじ接合部の残肉厚を確保するために最も好ましく、ねじ接続縮径部の外径は該補強鋼管本体の外径の８５〜９５％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
上記のように構成された本発明による地山補強鋼管は、長尺鋼管先受け工若しくは長尺切羽鏡補強工に於いて、補強鋼管は雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置にして、雄ねじ部を縮径加工して接続することにより、雌ねじ部及び雄ねじ部ともに接続ねじ部の残肉厚を最大限に確保することが可能となる。
【００２１】
また、本発明では鋼管本体の外径を基準として加工されることから、従来の接続力法に比べ補強鋼管の肉厚が薄くても、所要の安定した残肉厚が確保され充分な引張強度を備えることができる。したがって、軽量化によるコストの大幅な低減と補強鋼管の打設推進時における施工の安定性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の補強鋼管による長尺切羽補強工の施工状態を示す縦断面図。
【図２】本発明の補強鋼管による長尺切羽補強工の施工状態を示す横断面図。
【図３】実施例の補強鋼管における中間管の両端接続部を示す詳細図。
【図４】本発明の補強鋼管の縮径による接続部を示す詳細図。
【図５】本発明の補強鋼管を設置した孔壁内の状態を示す詳細図。
【図６】従来の掘削断面拡幅による長尺鋼管先受け工の施工状態を示す縦断面図。
【図７】従来の掘削断面無拡幅による長尺鋼管先受け工の施工状態を示す縦断面図。
【図８】従来の長尺切羽補強工の施工状態を示す縦断面図。
【図９】三次元数値解析結果による各地山補強工の部材応力図
【図１０】従来の補強鋼管に使用されている通常ねじ接続部を示す詳細図。
【図１１】従来の補強鋼管に使用されている拡径ねじ接続を示す詳細図。
【図１２】従来の拡径ねじ接続による補強鋼管の設置した孔壁の状態を示す詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の地山補強鋼管１を図に示す具体的な実施形態に基づいて説明する。
図１乃至図２は本発明の地山補強用鋼管に於ける施工状態の概要を示すもので、トンネル掘削断面を無拡幅とした状態で長尺鋼管先受け工６に長尺鏡補強工７を併用した施上状態を示すものであって、トンネル空間９に於いて切羽３から前方地山４内に補強管１が打設され、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間Ｓの端末管２は地山の掘進に伴って地山から露出した部分が切除可能な管で形成されている。この長尺鋼管先受け工に使用する鋼管本体の長さは、ドリルジャンボのガイドセルに長さの制約があり、３ｍ程度の補強鋼管を複数本接続して使用されている。
【００２４】
図３乃至図４は本発明の地山補強鋼管１の一例で、先受け工で用いる鋼管の周面へ吐出孔を設けた中間管の接続部の形態を示す。例えば中間管として使用する地山補強鋼管１は、外径が７６．３ｍｍで肉厚は４．２ｍｍ、長さが３，０７０ｍｍである。この地山補強鋼管１の片側端部には鋼管本体の外径７６．３ｍｍを基準面として、この基準面から残肉厚３．０ｍｍを確保した位置に雌ねじ１２部が７０ｍｍの長さで形成され、雌ねじ１２の山の位置がほぼ鋼管本体の内径に位置している。もう、一方の端部の嵌合する雄ねじ側には雄ねじ１１の谷部が鋼管本体の内径位置に合わせるように、長さ７０ｍｍ区間の外形寸法を６９．９ｍｍに縮径加工して、雄ねじ側の残肉厚３．０ｍｍを確保している。これにより、雄ねじ１１、雌ねじ１２共に安定した残肉厚１３が確保され、鋼管の厚さ寸法許容差の影響は少なくなる。
【００２５】
また、ねじ部引張耐力をねじ接合部１０の残肉厚１３による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の肉厚が４．２ｍｍで、雌ねじ側の残肉厚１３を３．０ｍｍ（６９１ｍｍ２）とした場合、引張強度は２８３ｋＮ、縮径加工された雄ねじ側の残肉厚１３を３．０ｍｍ（６１６ｍｍ２）とした場合は、引張強度が２５３ｋＮとなる。
【実施例】
【００２６】
本発明による補強鋼管の接続方法の有効性について、従来のねじ接続方法との比較のため引張試験を行った。その結果を下記表１にまとめて示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１の従来の通常接続に示すように、同径の補強鋼管において同程度の強度を確保するには肉厚７ｍｍが必要であり、過大な肉厚の鋼管本体を使用せざるを得ないため、重量が大きくなり作業性およびコスト面で問題がある。
【００２９】
本発明による補強鋼管（Ｌ＝３．０７ｍ）の重量は２２．４ｋｇで、同程度の強度を確保する場合の従来の通常接続における重量は３６．０ｋｇであり、３８％の軽量化となる。この実施形態における縮径加工による補強鋼管の接続部は、拡径加工による接続部が打設推進時の抵抗となる場合と異なり、亀裂性岩盤等の地山条件の影響を受けることなく、通常接続と同様に打設時の抵抗とならない。
【００３０】
また、本発明の例に示す補強鋼管の他に、長尺鋼管先受け工には外径８２．６ｍｍ、外径１０１．６ｍｍ、外径１１４．３ｍｍの各補強用鋼管が使用されており、いずれも簡易なプレス機の設備における同様の縮径加工により、従来の接続時と比べ所要の鋼管本体の肉厚を効果的に機能させることができ、接続部引張耐力の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１ 補強管
２ 端末管
３ 切羽
３ａ 切羽鏡部
４ 前方地山
５ 固結領域
６ 長尺鋼管先受け工
７ 長尺鏡補強工
８ 吐出孔
９ トンネル掘削空間
１０ ねじ接続部
１１ 雄ねじ
１２ 雌ねじ
１３ 残肉厚
１４ 谷部
１５ 山部
２０ トンネル空間
２１ 補強管
２２ 端末管
２３ 切羽
２４ 切羽前方地山
２５ 固結領域
２６ 長尺鋼管先受け工
２７ 長尺鏡補強工
Ｓ 切除区間
Ｋ 拡幅区間
Ｌ 鋼管長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばトンネル掘削時に前方地山を補強する長尺先受け工や長尺鏡補強工等の地山補強工法、特に掘削すべき前方地山内に削孔を施すと同時に該削孔内に補強鋼管を推進して補強する地山補強工法に関する。更に詳しくは、例えば先端に削孔ビットを装着する中空管状の削孔ロッドの周囲に、補強管を配置した状態で削孔を施す、いわゆる二重管方式の削孔装置で上記補強管として鋼管を用い、上記削孔ビットで削孔推進しながら複数本の上記補強鋼管を順次接続して所定長に設置後、その補強鋼管内からセメント系またはレジン系等の固結材を注入して地山との定着を施こすと共に、上記補強鋼管を切羽前方地山内に打設して補強する場合に、特に有効な地山補強用鋼管の接続に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば地質条件の悪い地山等でトンネルを掘削する際には、山岳トンネル工法に使用する油圧ドリルジャンボなどの標準的な掘削機械設備により、その掘削すべき前方地山を小口径の長尺鋼管等を用いて拘束し、且つ補強しながらトンネルを掘り進めることが行われている。このような前方地山を鋼管等で補強しながらトンネルを掘削する場合に行う地山補強工法として、トンネルを掘削すべき前方地山の天端部または前方地山内に削孔を施すと同時に上記補強鋼管を推進する場合に、先端部に削孔用ビットを有する中空管状の削孔ロッドの周囲に上記補強鋼管を配置した状態で削孔を施す、いわゆる二重管方式の長尺削孔装置によって複数本の管を順次接続してなる補強鋼管をトンネル切羽の長尺先受け工または長尺鏡補強工として打設し、その補強鋼管内にセメント系またはレジン系等の固結材を注入して、該補強鋼管内および鋼管周壁の吐出孔を介して周囲の地山との定着または固結領域を形成して地山補強工を行うことが実施されている。
【０００３】
図７は前記長尺鋼管先受け工２５を施した状態を示したものであって、トンネル掘削空間２０に於いて切羽２１から前方地山２２内に補強鋼管２３が打設され、打設された鋼管２３の周囲に固結領域２４が形成されている。
この長尺鋼管先受け工２５の打設方法として、トンネル掘削時の天端部の剥落防止と切羽前方地山の拘束力を高める目的で打設角度を最小限に確保するため、支保断面拡幅方法として、打設する切羽の手前６ｍ程度のトンネル断面を拡幅し、先受け鋼管と鋼製支保工の離れを最小限として、打設された長尺の鋼管を介して注入材により、鋼管周囲の定着および固結領域の形成により先受け拘束効果が期待される。
【０００４】
また、最近では鋼製支保工の無拡幅工法としてトンネル断面を拡幅しない、図８に示される長尺鋼管先受け工２５が用いられている。例えば、所定の仰角で打設された長尺鋼管先受け部材の内、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間、所謂切除区間の補強管Ｓは切除することにより断面拡幅区間を設けない長尺鋼管先受け工２５で、鋼管に予め周面にスリットを入れて切除可能な鋼管等が切除区間の後端管に用いられている。後端管は切羽前方に建て込まれる鋼製支保工の３〜６ｍ程度の範囲にある地山内に埋設し、この区間で鋼製支保工を交わすため切除される。全長に亘って打設した鋼管は地山内に存置して、鋼管周壁の吐出孔を介して周囲の地山内に固結材を注入することにより、地山の天端部の剥落を防止するための安定性を高めている。
【０００５】
前記の長尺鋼管先受け工２５と同様に、前方地山を拘束しながらトンネルを掘削する地山補強工法として、掘削に先立ってトンネル鏡面から図９に示すように、地山補強である鏡補強を形成して切羽前方地山を拘束する長尺鏡補強工２６がある。これらの補強管には小口径ＧＦＲＰ管若しくは鋼管が用いられ、注入時に挿入される注入管を使用して、その補強管周壁の吐出孔を介して周囲の地山にセメント系注入材など固結材の注入を施して、補強管周壁の地山を定着補強により切羽前方地山の拘束効果を高める工法である。
【０００６】
長尺鋼管先受け工２５には、鋼管本体の外径が１１４．３ｍｍで肉厚が６ｍｍ、長さ３．０ｍ程度の鋼管を複数本により接続した該補強管が一般に用いられている。しかし、前記の切羽前方地山を補強する長尺鏡補強工２６を併用して、トンネル掘削時の応力解放に伴う鏡部の押出し挙動を抑制した場合には、図１０の解析結果による長尺鋼管先受け工２５の曲げモーメント図に示されるように、周辺地山の塑性領域が減少する効果を得られる結果、部材に生じる曲げ応力が減少することから、この長尺鋼管先受け工２５に使用する鋼管本体の所要とする断面形状を低減することが可能となっている。
【０００７】
この長尺鏡補強工２６の併用により、例として長尺鋼管先受け工２５に使用される鋼管本体の断面形状は、外径が７６．３ｍｍで肉厚が５．２〜７．０ｍｍ程度に断面形状は縮小された該補強管が長尺鋼管先受け工に使用されてきている。したがって、これまでの長尺鋼管先受け工が単独で使用されてきた支保工拡幅施工による、曲げ応力を主体として算定されていた補強管が、長尺鏡補強工２６の併用により軸方向応力を主体とした補強管として機能することから、断面形状の縮小に伴い補強管の接合部の引張剛性を考慮する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
下記特許文献１、２は上記のような該補強管に使用されている鋼管の接合方法の一例を示すもので、特許文献１は該補強鋼管に使用されている一般的な鋼管の接合方法として、図１１に示される標準的なねじ接続１０で、一方の端部が雄ねじ１１、他方の端部には雌ねじ１２が設けられ、例として特許文献１に記載のねじ接合による該補強管が用いられている。
【０００９】
また、ねじ接合例として該補強管の一方の端部に通常の雄ねじ１１が設けられ、他方の端部に拡径式の雌ねじ１２を設けた図１２に示すねじ接続方法で、特許文献２に記載のものがある。
【００１０】
前記長尺鋼管先受け工２５は、様々な地山条件に対応できる先受け効果が期待できるため、地山の先行変位の抑制、地山の緩みの防止、施工の安全性確保等を目的に長尺先受け工として用いられている。図８はトンネル掘削断面を無拡幅とした状態の上記長尺鋼管先受け工２５を示すものであって、トンネル空間２０に於いて切羽２１から前方地山２２内に鋼管２３が打設され、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間Ｓの端末管は地山の掘進に伴って地山から露出した部分が切除可能な管で形成されている。この長尺鋼管先受け工２５に使用する補強鋼管は、ドリルジャンボのガイドセルに長さの制約があり、３ｍ程度の補強鋼管を複数本接続して使用されている。しかし、掘削断面を無拡幅とした施工方法では、図７に示す掘削断面を拡幅した施工と比較して、長尺鋼管先受け工の該補強鋼管に生じる部材応力は軸方向応力が卓越する傾向にあり、ねじ接続部においても曲げ応力よりも引張応力の影響は大きくなる。したがって、該補強鋼管本体には打設時の削岩機による打撃力および推進力が生じ、その後の注入材による地山への定着後の該補強鋼管には、地山の挙動に伴う軸方向応力を主体とした応力が生じるため、この該補強鋼管のねじ接続部耐力（ねじ部引張強度）が要求される。
【００１１】
この該補強鋼管のねじ接続部は前記の図１１および図１２に示されるように、接続部耐力はねじ接続部の残肉厚１３によって概略の算定ができる。鋼管本体の外径を７６．３ｍｍとして打設時の削岩機による打撃力に耐える特許文献１の補強用鋼管は、ねじ部における最小限の引張耐力を確保する肉厚（２．２〜３．０ｍｍ）として、５．２〜７．０ｍｍの鋼管が用いられ、ねじ部引張耐力を確保する必要性から鋼管本体自体の肉厚を必要とするため、重量が過大となり作業性およびコストで問題がある。
【００１２】
また、ねじ部引張耐力をねじ接続部の残肉厚による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の厚が５．２ｍｍによるねじ部の残肉厚を２．２ｍｍ（５１２ｍｍ２）とした場合、引張強度は２１０ｋＮとなる。鋼管本体の厚を６．０ｍｍとして、ねじ接続部の残肉厚を２．５ｍｍ（５８０ｍｍ２）とすると、引張強度は２３８ｋＮと算出される。ねじ接続部における引張耐力の数値においては、この２１０ｋＮ程度でも軟質な地山条件ではさく岩機の打撃圧を下げた状態では問題ないが、硬質な礫・玉石等が挟在した場合などには、さく岩機の打撃圧の上昇等の影響からねじ接続部の破断が生じる。
【００１３】
特許文献２の図１２に示されるねじ接続方法による補強用鋼管を用いた場合、ねじ部接続形状の変更による残肉厚１３の確保で引張耐力の向上、薄肉鋼管による軽量化により経済性が考慮され、所要のねじ接合部耐力が確保される。しかし、孔壁部の崩壊および目立性が不安定で硬質な礫の挟在、玉石・転石が混入する礫質土層、硬質な亀裂性岩盤層等における地山条件によっては、該補強管のねじ接続部（図１３）が前記の削岩機による打撃力および推進力に対して大きな抵抗力となり、ねじ接続部の破断・離脱が生じる場合がある。特許文献１と同様に、特許文献２のねじ接続部の残肉厚１３による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の厚を４．２ｍｍとして、ねじ部の残肉厚１３を２．７ｍｍ（６７０ｍｍ２）とすると、引張強度は２７５ｋＮとなる。しかし、拡径側における雌ねじ接続部の残肉厚１３については、内径側を基準とした加工となるために、鋼管の厚さ寸法許容差を考慮した加工の必要性および拡径に伴う肉厚の減少を考慮した加工技術が必要であり、残肉厚の安定性の確保に問題がある。
【００１４】
このように、特許文献１で従来の同径１６の平坦な通常ねじ接続１０による補強鋼管で、小口径の鋼管を使用する場合、所要のねじ接続部の引張耐力を確保するために、過大な肉厚の鋼管本体を使用せざるを得ないため、重量が大きくなり作業性およびコスト面で問題がある。
【００１５】
特許文献２の拡径式（ソケット）１７のねじ接続１０による場合には、雌ねじ１２接続部の外径が通常鋼管本体の外径よりも大きくなるため、地山状況によっては削岩機による打撃力および推進力に対して大きな抵抗力となる。また、拡径側における雌ねじ１２接続部の残肉厚１３については、鋼管の厚さ寸法許容差および拡径に伴う肉厚の減少の影響を受けやすく、所要の安定したねじ部引張耐力を確保できない問題がある。
【００１６】
【特許文献１】実公平７−０４５６７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３３２２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、上記従来の補強用鋼管における所要のねじ接続部の引張耐力以上を確保し、玉石・転石が混入する礫質上・硬質な亀裂性岩盤層等においても、ねじ接合部が推進抵抗の弱点とならないことと、鋼管の厚さ寸法許容差による影響を受けにくい接続方式として、補強鋼管本体の薄肉による軽量化により作業性の向上とコストの低減を図ることができる補強用鋼管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】
【００１８】
上記の目的を達成するために本発明による補強用鋼管は、トンネル周辺地山挙動の抑制を目的として、周壁に吐出孔が穿設されている複数本の管を順次接続しながら所定の仰角で地山に打設して補強管を形成し、該補強管を介して固結材の注入をおこない、該補強管の周囲の地山に固結領域を形成して地山を拘束する長尺鋼管先受け工および長尺鏡補強工に於いて、該補強管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置に設け、他方の端部には縮径による雄ねじ接続部が設けられ、該縮径部は鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、鋼管本体の肉厚に対して各々のねじ部の残肉厚を最大限に確保した形態で接続することを特徴とした地山補強用鋼管としている。
【００１９】
鋼管本体の外径位置を基準として、地山補強用鋼管のねじ接続部の強度を確保するために、鋼管本体のほぼ内径位置に設けた雌ねじに対して、雄ねじの谷の径は該補強鋼管本体の内径とほぼ等しい位置に縮径加工するのが、ねじ接合部の残肉厚を確保するために最も好ましく、ねじ接続縮径部の外径は該補強鋼管本体の外径の８５〜９５％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
上記のように構成された本発明による地山補強鋼管は、長尺鋼管先受け工若しくは長尺切羽鏡補強工に於いて、補強鋼管は雌ねじの山の径を鋼管本体のほぼ内径位置にして、雄ねじ部を縮径加工して接続することにより、雌ねじ部及び雄ねじ部ともに接続ねじ部の残肉厚を最大限に確保することが可能となる。
【００２１】
また、本発明では鋼管本体の外径を基準として加工されることから、従来の接続力法に比べ補強鋼管の肉厚が薄くても、所要の安定した残肉厚が確保され充分な引張強度を備えることができる。したがって、軽量化によるコストの大幅な低減と補強鋼管の打設推進時における施工の安定性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の補強鋼管による長尺切羽補強工の施工状態を示す縦断面図。
【図２】本発明の補強鋼管による長尺切羽補強工の施工状態を示す横断面図。
【図３】実施例の補強鋼管における中間管の両端接続部を示す詳細図。
【図４】本発明の補強鋼管の縮径による接続部を示す詳細図。
【図５】本発明の補強鋼管を設置した孔壁内の状態を示す詳細図。
【図６】従来の掘削断面拡幅による長尺鋼管先受け工の施工状態を示す縦断面図。
【図７】従来の掘削断面無拡幅による長尺鋼管先受け工の施工状態を示す縦断面図。
【図８】従来の長尺切羽補強工の施工状態を示す縦断面図。
【図９】三次元数値解析結果による各地山補強工の部材応力図
【図１０】従来の補強鋼管に使用されている通常ねじ接続部を示す詳細図。
【図１１】従来の補強鋼管に使用されている拡径ねじ接続を示す詳細図。
【図１２】従来の拡径ねじ接続による補強鋼管の設置した孔壁の状態を示す詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の地山補強鋼管１を図に示す具体的な実施形態に基づいて説明する。
図１乃至図２は本発明の地山補強用鋼管に於ける施工状態の概要を示すもので、トンネル掘削断面を無拡幅とした状態で長尺鋼管先受け工６に長尺鏡補強工７を併用した施上状態を示すものであって、トンネル空間９に於いて切羽３から前方地山４内に補強管１が打設され、トンネル掘削断面外周線から最後端部の切羽鏡部に位置する区間Ｓの端末管２は地山の掘進に伴って地山から露出した部分が切除可能な管で形成されている。この長尺鋼管先受け工に使用する鋼管本体の長さは、ドリルジャンボのガイドセルに長さの制約があり、３ｍ程度の補強鋼管を複数本接続して使用されている。
【００２４】
図３乃至図４は本発明の地山補強鋼管１の一例で、先受け工で用いる鋼管の周面へ吐出孔を設けた中間管の接続部の形態を示す。例えば中間管として使用する地山補強鋼管１は、外径が７６．３ｍｍで肉厚は４．２ｍｍ、長さが３，０７０ｍｍである。この地山補強鋼管１の片側端部には鋼管本体の外径７６．３ｍｍを基準面として、この基準面から残肉厚３．０ｍｍを確保した位置に雌ねじ１２部が７０ｍｍの長さで形成され、雌ねじ１２の山の位置がほぼ鋼管本体の内径に位置している。もう、一方の端部の嵌合する雄ねじ側には雄ねじ１１の谷部が鋼管本体の内径位置に合わせるように、長さ７０ｍｍ区間の外形寸法を６９．９ｍｍに縮径加工して、雄ねじ側の残肉厚３．０ｍｍを確保している。これにより、雄ねじ１１、雌ねじ１２共に安定した残肉厚１３が確保され、鋼管の厚さ寸法許容差の影響は少なくなる。
【００２５】
また、ねじ部引張耐力をねじ接合部１０の残肉厚１３による断面積から引張強度を算出すると、鋼管本体の肉厚が４．２ｍｍで、雌ねじ側の残肉厚１３を３．０ｍｍ（６９１ｍｍ２）とした場合、引張強度は２８３ｋＮ、縮径加工された雄ねじ側の残肉厚１３を３．０ｍｍ（６１６ｍｍ２）とした場合は、引張強度が２５３ｋＮとなる。
【実施例】
【００２６】
本発明による補強鋼管の接続方法の有効性について、従来のねじ接続方法との比較のため引張試験を行った。その結果を下記表１にまとめて示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１の従来の通常接続に示すように、同径の補強鋼管において同程度の強度を確保するには肉厚７ｍｍが必要であり、過大な肉厚の鋼管本体を使用せざるを得ないため、重量が大きくなり作業性およびコスト面で問題がある。
【００２９】
本発明による補強鋼管（Ｌ＝３．０７ｍ）の重量は２２．４ｋｇで、同程度の強度を確保する場合の従来の通常接続における重量は３６．０ｋｇであり、３８％の軽量化となる。この実施形態における縮径加工による補強鋼管の接続部は、拡径加工による接続部が打設推進時の抵抗となる場合と異なり、亀裂性岩盤等の地山条件の影響を受けることなく、通常接続と同様に打設時の抵抗とならない。
【００３０】
また、本発明の例に示す補強鋼管の他に、長尺鋼管先受け工には外径８２．６ｍｍ、外径１０１．６ｍｍ、外径１１４．３ｍｍの各補強用鋼管が使用されており、いずれも簡易なプレス機の設備における同様の縮径加工により、従来の接続時と比べ所要の鋼管本体の肉厚を効果的に機能させることができ、接続部引張耐力の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１ 補強管
２ 端末管
３ 切羽
３ａ 切羽鏡部
４ 前方地山
５ 固結領域
６ 長尺鋼管先受け工
７ 長尺鏡補強工
８ 吐出孔
９ トンネル掘削空間
１０ ねじ接続部
１１ 雄ねじ
１２ 雌ねじ
１３ 残肉厚
１４ 谷部
１５ 山部
２０ トンネル空間
２１ 補強管
２２ 端末管
２３ 切羽
２４ 切羽前方地山
２５ 固結領域
２６ 長尺鋼管先受け工
２７ 長尺鏡補強工
Ｓ 切除区間
Ｋ 拡幅区間
Ｌ 鋼管長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘削断面内から切羽前方地山内に所定の仰角で削孔を施すと同時に、周壁に固結材の吐出孔を有する複数本の補強鋼管を順次接続して、所定の仰角で地山内に打設した後に、その補強鋼管内に固結材を注入して該補強鋼管内およびその周囲の地山内に定着または固結領域を形成して、地山を補強する長尺鋼管先受け工、長尺鋼管鏡補強工に於いて、該補強鋼管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体の内径位置に設け、他方の端部には縮径による鋼管本体の内径と等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、ねじ接続する鋼管で構成することを特徴とする地山補強用鋼管。
【請求項２】
前記補強鋼管の接続において、雄ねじ縮径部の外径が前記補強管本体の外径の８５〜９５％であることを特徴とする請求項１記載の地山補強用鋼管。
【請求項３】
前記補強管の単一の管若しくは複数本の管のそれぞれは、外径が６０ｍｍから１３９ｍｍで、長さは１ｍから６ｍであり、該複数本の管から接続された該補強管の長さは３ｍから３０ｍであることを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の鋼管で構成することを特徴とする地山補強工法。
【請求項１】
トンネル掘削断面内から切羽前方地山内に所定の仰角で削孔を施すと同時に、周壁に固結材の吐出孔を有する複数本の補強鋼管を順次接続して、所定の仰角で地山内に打設した後に、その補強鋼管内に固結材を注入して該補強鋼管内およびその周囲の地山内に定着または固結領域を形成して、地山を補強する長尺鋼管先受け工、長尺鋼管鏡補強工に於いて、該補強鋼管の一端接続部には雌ねじの山の径を鋼管本体の内径位置に設け、他方の端部には縮径による鋼管本体の内径と等しい位置に雄ねじの谷の径を配して、ねじ接続する鋼管で構成することを特徴とする地山補強用鋼管。
【請求項２】
前記補強鋼管の接続において、雄ねじ縮径部の外径が前記補強管本体の外径の８５〜９５％であることを特徴とする請求項１記載の地山補強用鋼管。
【請求項３】
前記補強管の単一の管若しくは複数本の管のそれぞれは、外径が６０ｍｍから１３９ｍｍで、長さは１ｍから６ｍであり、該複数本の管から接続された該補強管の長さは３ｍから３０ｍであることを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の鋼管で構成することを特徴とする地山補強工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１４４９６４（Ｐ２０１２−１４４９６４Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１８８（Ｐ２０１１−１７１８８）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１１０２５５３６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１１０２５５３６）
【Ｆターム（参考）】
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