JP3710991B2 - 地山補強工法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてトンネル構築時に切羽前方地山を補強する先受け工として用いるのに適する地山補強工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地質条件の悪い地山等でトンネルを掘削する際には、地山を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。そして、先行する地山を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、掘削に先立って切羽からトンネル外周にアーチ状に先受け工を形成し、切羽前方地山を補強する長尺先受け工法があり、この長尺先受け工法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標準的な掘削機械設備を用いて簡単に施工できる、鋼管を用いた注入式の先受け工法がある。
【０００３】
そして、前記注入式先受け工法としては、例えば削孔ロッドの先端に装着した拡径ビット又は鋼管の先端に設けたリングビットにより削孔して、二重管方式で直径１００ｍｍ程度の孔開き鋼管を順次継ぎ足しながら所定の仰角で打設し、その鋼管周壁の吐出孔を介して周囲の地山に薬液など固結材の注入を施して地山を補強する工法がある。前記工法は様々な地山条件に対応でき長尺先受けが可能なため、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として、広範囲に用いられている。
【０００４】
図１０は地山に上記注入式先受け工法を施した状態を示すものであって、トンネル空間２１に於いて切羽２２ａから地山２２内に鋼管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。本工法では薬液の注入により、鋼管２３と鋼管２３が打設された地山２２の孔壁との空隙２５を充填して鋼管２３と前記地山孔壁とを密着させると共に、鋼管２３の周囲の地山２２に注入した薬液を浸透させ、岩片或いは土粒子間の結合力を高めて固結領域２４を形成することにより、切羽前方地山にアーチ状の地山改良体を形成している。
【０００５】
上記工法に於いて鋼管２３を打設するに際しては、切羽外周に鋼管２３より若干大径の下孔を３００ｍｍ程度先行して削孔し、前記下孔から鋼管２３を継ぎ足しながら所定長打設する。その後に前記下孔にコーキング材を詰めて、鋼管２３内にウレタン系や場合によってはセメント系の薬液を注入し、鋼管２３の周囲に固結領域２４を形成する。
【０００６】
薬液を注入する例としては例えば図１１に示す薬液注入方式がある。本例では鋼管２３の中にインサート管２３ａが内設され、インサート管２３ａ内に薬液注入ホース２３ｂが三本挿入されており、各薬液注入ホース２３ｂの先端にはそれぞれスタティックミキサー２３ｃが設けられ、各薬液注入ホース２３ｂの先端はインサート管２３ａ内で所定距離離れた位置に各々配置されている。また鏡面吹付コンクリート２６と鋼管２３の端部間には口元コーキング２７ａが施され、鋼管２３の端部と薬液注入ホース２３ｂ間には管内コーキング２７ｂが施されている。そして、薬液注入ホース２３ｂから薬液を注入し、インサート管２３ａ及び鋼管２３から周囲の地山２２内に薬液を浸透させるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような地山先受け工法が要求される地山は元来脆弱であることに加えて、掘削で荒らされた切羽近傍の地山はさらに緩んでいるため、所定量の薬液を注入し終わった後に、薬液が亀裂や空隙を通って脆い切羽側に溢れ出してしまう所謂リークが生じて注入改良効果が損なわれることがある。例えば図１２（ａ）で矢印は薬液の進行方向を示し、トンネル空間２１から鋼管２３内へ注入した薬液は地山２２内に浸透して固結領域２４が形成されるが、切羽２２ａ側へのリークを生ずると鋼管２３の全長周囲に於いて部分的に薬液が回らない等の事態が生じ、この結果、適正な地山改良効果を得ることができないという不都合が生ずる。
【０００８】
また、かような地山先受け工法では例えば図１２（ｂ）に示すように、鋼管２３を鏡面吹付コンクリート２６が設けられたトンネル切羽２２ａに於ける鋼製支保工２８ａの内側から、後に建て込まれる切羽前方の鋼製支保工２８ｂの背面へ最小限の離れで鋼管２３が配置されるようにするため、トンネル空間２１から４〜５度程度の仰角をつけて地山２２内に打設する。そして、この打設角度Ｔを維持する為には、ドリルジャンボのガイドセル長分の６ｍ程度の断面拡幅区間Ｓを設ける必要があるが、この場合に二次覆工コンクリート打設空間２９が増加してトンネル断面拡幅分のコンクリート等の材料が余分に必要となると共に、トンネル掘削等の作業量も増加する。
【０００９】
断面拡幅区間Ｓを設けない地山先受け工法もあるものの、かかる工法では鋼管の最後端部の管を塩化ビニル管などの樹脂製管とし、最後端部の樹脂製管は切羽前方に建て込まれる鋼製支保工の３基程度の範囲にある地山内に埋設し、１０度程度の仰角をつけて打設するため、オーバーラップ区間の鋼製支保工と既に打設された鋼管との離れが大きく、地山状況によっては鋼管下の地山が緩み、最後端部の樹脂製管の強度に対する不安が生じる。更にこの状態下で先に述べた口元部分など切羽側へのリークが生ずると、地山改良効果が十分とは言い難い。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、固結材を注入する地山先受け工に於けるリークの発生を防止できると共に、トンネル掘削作業時に断面拡幅を行う必要がなく、適格な地山改良効果を得ることができる地山補強工法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の地山補強工法は、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、接続された該複数本の管からなる補強管を形成し、該補強管を通して固結材を注入して該補強管の周囲の前方地山に固結領域を形成する地山補強工法に於いて、該補強管の内で少なくとも口元管が多孔管からなり、該多孔管内の所定位置から該固結材を注入して漏出した該固結材で該多孔管の周囲の地山にバルクヘッド領域を形成し、その後に該固結領域を形成することを特徴とする。前記バルクヘッド領域により補強管を打設した孔奥側からのリークの発生を防いで適格な地山改良を行うことができると共に、口元管に多孔管を採用することにより口元管の切断が容易でトンネル掘削時に断面拡幅を行う必要がない。
【００１２】
さらに本発明は上記地山補強工法に於いて、前記多孔管に形成された孔の開口率が、該多孔管を掘削機械の刃で切断可能で且つ該多孔管が補強管としての所要強度を維持する所定値に設定されていることを特徴とする。前記孔の開口率を所定値にすることで、多孔管が補強管としての機能を果たすことができ、且つ掘削作業時に切断できることでトンネル掘削作業の施工性が向上する。更に、前記孔の開口率は、口元管以外の管より固結材を速やかに漏出できる所定値とすると好適である。
【００１３】
さらに上記地山補強工法に於いて、前記多孔管が剛性等で所要強度を有するものとし、好適には前記多孔管をエキスパンドメタル若しくはパンチングメタル等からなるものとする。前記多孔管をエキスパンドメタルやパンチングメタルなど所要強度を有するものとすることで、切断を容易なものとしつつ補強管として必要な強度を保持させ、地山の十分な安定性を確保できる。
【００１４】
さらに本発明は上記地山補強工法に於いて、前記固結材の注入は前記補強管に内設したインサート管により行い、該インサート管は切除可能で、且つ補強管に準ずる強度を有する材料からなることを特徴とする。インサート管に切除可能で且つ補強管に準ずる強度を有する材料からなるものを用いることにより、上記した場合と同等の効果を達成しながら、多孔管の強度を補うことができる。よって多孔管の開口率を自由に大きくしたり、さらに切断容易な材料で多孔管を構成することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による地山補強工法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３は本発明の地山補強工法に於ける施工状態の概要を、図４は本発明で用いる補強管を示し、図５乃至図９は本発明の地山補強工法の施工手順に沿った縦断面図である。
【００１６】
図１乃至図３に示すように本発明を用いて構築中のトンネルでは、地山１の鏡面切羽１ａに吹付コンクリート２が施され、切羽１ａの後方で既に掘削形成されているトンネル空間３には側壁及びアーチ部分の岩盤表面を覆う形で図に省略した吹付コンクリートが施されており、その内方側には鋼製支保工４がトンネルの横断面形状に沿った形で、トンネル掘進方向に例えば１ｍ毎など所定間隔毎に建て込まれている。
【００１７】
トンネル空間３の周囲上部には、掘進作業に先立ち施工された先受け工５が掘進方向に所定間隔毎で設けられ、アーチ状をなす形で形成され地山１中に配置されている。先受け工５は、トンネルの横断面形状に沿って所定ピッチで且つ掘進方向に所定間隔毎に打設された地山補強材となる補強管６と、補強管６内を通して注入された固結材により固結された地山１のバルクヘッド領域７と固結領域８からなる。さらに切羽１ａの外周から前方の地山１に向けて、施工中の先受け工５がアーチ状に設けられている。
【００１８】
先受け工５の補強管６は、図４に示すように、カプラ６１で接続された複数本の鋼管６２と、接続された鋼管６２の最後端で口元部分に最も近い鋼管６２に接続された口元管６３とからなる。鋼管６２には周壁に多数の吐出孔である小孔６２ａが穿設され、その端部にはねじ溝６２ｂが形成されており、本実施形態では直径１００ｍｍ、長さ３ｍの鋼管６２の４本をカプラ６１にねじ込むことで接続して用いている。口元管６３は多数の孔６３ａを有し、図４（ａ）のエキスパンドメタル、図４（ｂ）のパンチングメタル等からなる多孔管で、鋼管６２と同径の管状に形成され、少なくとも一端側はカプラ６１等を介して鋼管６２に接続可能な形状であり、本実施形態では長さ３ｍの口元管６３が用いられている。口元管６３の多孔管には、地質状況等に応じて最適な開口率の多孔管を選定するものとし、その長さも地質状況等に応じて１〜５ｍ程度のものから最適なものを選定する。なお補強管６をなす管の素材は本実施形態では金属としたが、所要強度を有するもの等であれば、これ以外の素材を使用してもよい。
【００１９】
また固結材注入時に、薬液注入ホースとして補強管６に内設するインサート管に、ＧＦＲＰ等の切除可能で且つ補強管６に準ずる強度のものを用いれば、その分強度が補われるため、口元管６３に樹脂のラチス成形品等の所要強度を有しない多孔管を用いることも可能となる。
【００２０】
先受け工５では、図１乃至図３に示すように、補強管６の周囲の地山１にバルクヘッド領域７と固結領域８が形成されているが、バルクヘッド領域７及び固結領域８は、補強管６内を通して周囲の地山１に注入された固結材によって形成されたものである。本実施形態における固結材にはウレタン、シリカレジン、無機複合ウレタンなどのウレタン系の薬液で硬化時間が比較的短いものを用いるが、固結材としてセメント系の薬液を使用することも可能である。
【００２１】
なお図１乃至図３に於いて、９はドリルジャンボ、１ｂは掘削予定領域であり、Ｌはバルクヘッド領域７で口元管６３と供に切除される長さである。
【００２２】
次に先受け工５の施工手順について図５乃至図９に基づき説明する。なお図５〜図９では吹付コンクリート２等は省略されている。
【００２３】
先受け工５の施工に際しては、まず図５に示すように、切羽１ａの直前に建て込まれた鋼製支保工４の下端の所定位置から前方の地山１に向けて、直径１６０ｍｍ、深さ３００ｍｍ程度の下孔１０を削孔しておくと共に、ドリルジャンボ（削岩機）９のガイドセル９ａに補強管６を構成する鋼管６２を装着する。
【００２４】
鋼管６２の先端にはリングビット１１を装着しておき、このリングビット１１に鋼管６２内を通した削孔ロッド１２や削孔ロッド１２の先端に装着された先端ビット１３からドリルジャンボ９の打撃力や回転力を伝達して削孔を行う。前記のように鋼管６２の先端に装着したリングビット１１を用いて削孔する方式によれば、リングビットが鋼管６２全体を牽引していく形で削孔及び打設が行われるので、最後端となる鋼管６２の後端部に接続する口元管６３を打撃することなく施工を行うことができ、口元管６３が長尺の場合等であっても口元管６３が打設の衝撃による負担を受けなくても済む。
【００２５】
なお上記以外の削孔方式を採用することも可能であり、鋼管６２内に通した削孔ロッド１２の先端に拡径ビット（図示せず）を装着し、この拡径ビットを鋼管６２の先端から突出させ、削孔ロッド１２に連結したドリルジャンボ９の打撃力や回転力を拡径ビットに伝達して削孔しながら鋼管６２を打設する方式等としてもよい。
【００２６】
削孔及び打設時には、ガイドセル９ａを３度から６度、好ましくは５度程度の所定の仰角にセットし、下孔１０から切羽１ａの前方に位置する地山１に向け、リングビット１１等で削孔を行いつつ鋼管６２を打設していく。鋼管６２を所定本数、本実施形態では４本をカプラ６１で接続しながら打設したところで、最後端に口元管６３を接続して更なる打設を行い、図６に示すように、これら複数の鋼管６２と口元管６３を所定長の補強管６として切羽１ａの前方地山１内に存置する。前記打設で補強管６を存置した後には、下孔１０の部分に例えばコーキングカプセルとウエス等のコーキング材１４を充填してコーキングを施す。
【００２７】
この状態で、例えば図１１に示すような方式で薬液注入ホース（インサート管）を補強管６内にセットし、口元管６３内の所定位置に吐出口を有する薬液注入ホースから薬液である固結材を注入すると、図７に示すように、注入開始時に多孔管からなる口元管６３の部分に於いて、口元管６３の多数の孔６３ａから速やかに固結材が漏出し、漏出した固結材は口元管６３の周辺の地山１に浸透して固結する。即ち、口元管６３に多孔管を用いることにより注入初期に固結材を口元管６３の周辺に積極的に漏出して、口元管６３の周辺の限られた領域にバルクヘッド領域７を形成する。
【００２８】
その後に図８に示すように、打設した孔奥側に固結材の注入を行うと、補強管６をなしている鋼管６２の周壁の小孔６２ａから比較的緩やかなスピードで徐々に固結材が漏出し、漏出した固結材がその周辺の地山１を固結して固結領域８を形成する。この際に削孔によって地山１が荒れている口元部分には、まず最初にバルクヘッド領域７を形成することによって、例え周辺の地山１に亀裂や空隙が形成された場合であっても、固結材である薬液がこれらの亀裂や空隙を通って脆い切羽１ａ側に溢れ出すことを防止でき、打設した補強管６の全長に亘って適正な地山改良効果を得ることができる。
【００２９】
上記先受け工５はトンネル内で切羽１ａの外周に沿ってアーチ状に施す。切羽１ａの外周にアーチ状の先受け工５を施工すると、その下側に位置する掘削予定の地山１の安定性が確保される。そして、更にトンネルを掘進して切羽１ａを前進し、切羽１ａが前進した分だけ順に支保工４を建て込みながらトンネルの掘進作業を進行する。
【００３０】
前記掘進作業を行う時には、直前に打設した先受け工５の口元部分が位置する地山１も掘削することになるが、この際に掘進と共に、図９に示すように、先受け工５の口元管６３を切除する。前記口元管６３はエキスパンドメタルやパンチングメタルなどの多孔管であるため、掘削機械の刃で容易に切断することが可能である。また口元管６３は所定長さに限定されているので、口元管６３を接続しているカプラ６１からの離脱も容易である。
【００３１】
上記多孔管である口元管６３により、先受け工を施すトンネル掘進作業において、断面拡幅を行わなくとも同一断面で支保工４の建て込みが可能であり、一方で多孔管からなる口元管６３は切断が容易であるものの、鋼材の剛性など所定強度を有する素材で形成され、補強管６としての軸方向の力に対する強度は十分確保される。さらに周辺の地山１への固結材の浸透が確実に達成されているので、地山１の安定性は十分に確保され、安全に掘進作業を行うことができる。
【００３２】
なお本実施形態に於ける補強管６の接続には、図４に示すねじ込み式のカプラ６１を用いたが、図示例のように補強管６１の外側にねじ込む形式ではなく、雄ねじを形成したカプラを雌ねじを形成した補強管の内側にねじ込んで接続しても良い。さらに、その他の接続方式とすることも可能であって、例えば補強管６を構成する鋼管６２と口元管６３との接続を、口元管６３の後の撤去を容易にするために、ねじ方式でない差込式などの手段で取り外しの簡便なカプラ６１を用いるようにしてもよい。即ち、上記補強管６の最後端部分を地山１に打設するに際してはカプラ６１にかかる負担も軽く、カプラ６１の強度は打設によって外れなければよい。またその他の部位のカプラについても、ねじ方式でないカプラとすることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の地山補強工法は補強管の内で口元管を多孔管とし、多孔管内の所定位置から固結材を注入して漏出した固結材で多孔管の周囲の地山にバルクヘッド領域を形成し、その後に前方地山の固結領域を形成するものであるから、薬液など固結材を注入する地山先受け工に於けるリークの発生を防止でき、補強管（先受け材）の全長に亘って確実に固結材が回り、この結果、高い注入効果を得ることができる。さらにトンネル掘削作業時に断面拡幅を行う必要がなく、トンネル掘削に於ける作業量とコストを大幅に減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地山補強工法の施工状態を示すトンネルの縦断面図。
【図２】本発明の地山補強工法の施工状態を示すトンネルの横断面図。
【図３】図１の切羽から先受け工を施工した状態に於ける切羽部分を示す拡大断面図。
【図４】（ａ）第一実施例の口元管を鋼管に接続する状態を示す正面図。
（ｂ）第二実施例の口元管を鋼管に接続する状態を示す正面図。
（ｃ）鋼管相互を接続する状態を示す正面図。
【図５】本発明の地山補強工法で補強管を打設する状態を示す縦断面図。
【図６】本発明の地山補強工法で口元管にコーキングを施した状態を示す縦断面図。
【図７】本発明の地山補強工法でバルクヘッド領域を形成した状態を示す縦断面図。
【図８】本発明の地山補強工法で固結領域を形成した状態を示す縦断面図。
【図９】本発明の地山補強工法ので口元管を切除する状態を示す縦断面図。
【図１０】（ａ）従来の地山補強工法の施工状態を示すトンネルの縦断面図。
（ｂ）従来の地山補強工法の施工状態を示すトンネルの横断面図。
（ｃ）地山に打設した鋼管を示す横断面図。
【図１１】従来の地山補強工法で薬液の注入状態を示す縦断面図。
【図１２】（ａ）従来の地山補強工法でリークしている状態を示すトンネルの縦断面図。
（ｂ）従来の地山補強工法で拡幅した施工状態を示すトンネルの縦断面図。
【符号の説明】
１ 地山
１ａ 切羽
３ トンネル空間
４ 支保工
５ 先受け工
６ 補強管
６１ カプラ
６２ 鋼管
６２ａ 小孔
６３ 口元管
６３ａ 孔
７ バルクヘッド領域
８ 固結領域
１０ 下孔
１４ コーキング材

Claims (3)

1. 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、接続された該複数本の管からなる補強管を形成し、該補強管を通して固結材を注入して該補強管の周囲の前方地山に固結領域を形成する地山補強工法に於いて、
   補強管の内の口元管を、補強機能を果たす所要強度を有する素材で形成された多孔管とし、
   該多孔管の吐出孔の開口率は、掘削機械の刃で切断可能で、且つ補強管としての所要強度を維持できると共に、口元管以外の管より固結材を速やかに漏出できる所定値に設定されており、
   該多孔管内の所定位置から固結材を注入して漏出した該固結材で該多孔管の周囲の地山にバルクヘッド領域を形成し、その後に補強管の周囲に固結領域を形成することを特徴とする地山補強工法。
2. 前記多孔管をエキスパンドメタル若しくはパンチングメタルとすることを特徴とする請求項１記載の地山補強工法。
3. 前記固結材の注入を前記補強管に内設したインサート管で行い、該インサート管は切除可能で、且つ補強管に準ずる強度を有する材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の地山補強工法。

Images