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技術 トンネル地山安定化方法

出願人 フジモリ産業株式会社
発明者 平山博靖細田優介
出願日 2017年6月19日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2017-119402
公開日 2019年1月10日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-002241
状態 未査定
技術分野 立坑・トンネルの掘削技術
主要キーワード 易破壊性 易変形性 発明形態 補強管内 凹字形状 凹字形 鏡ボルト 拡大側面断面図
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年1月10日)のものです。
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図面 (10)

課題

注入材を使わずに補強管地山定着可能であり、かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要で回収作業も不要なトンネル地山安定化方法を提供する。

解決手段

孔工具10によって切羽前方の地山2に掘削孔2cを形成しながら、案内管20を削孔工具10と共に掘削孔2cに挿し入れる。掘削孔2cの削孔完了後、削孔工具10の削孔ロッド13を引き抜き、次いで、案内管20より強度が高く径方向膨張可能な補強管30を案内管20の内部に挿し入れる。補強管30を膨張させて掘削孔2cのまわりの地山2に定着させる。

概要

背景

トンネル構築する際、地山を安定化させるための補助工法として、切羽鏡部に鏡ボルト補強管)を打設する鏡ボルト工法や、切羽の上半部の外周から前方へ先受け鋼管(補強管)を打設する長尺先受け工法が知られている(例えば特許文献1等参照)。一般に、これら工法においては、鏡ボルトや先受け鋼管などの補強管を打設後、補強管の注入孔からウレタン樹脂等の注入材を地山に注入する。注入材が硬化することによって、補強管が地山に定着される。

特許文献1においては、鏡ボルトからなる補強管の所々にスリットが形成されており、補強管が拡径可能になっている。削孔用インナーツールを補強管の内部に挿通して削孔しながら補強管を地山に打設する。その後、インナーツールを引き抜く。続いて、補強管の内部に拡径冶具を挿し入れる。拡径冶具は、シャフトと、該シャフトに設けられた円筒状のウレタンゴムと、油圧シリンダを有している。油圧シリンダによって、ウレタンゴムを軸方向に圧縮して径方向膨張させることで、補強管を拡径させる。これによって、補強管を地山に定着させて、地山を安定化できる。その後、ウレタンゴムを収縮させて、拡径冶具を回収する。
このようにして、切羽前方の地山を安定させたうえでトンネル掘削を行なう。

概要

注入材を使わずに補強管を地山に定着可能であり、かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要で回収作業も不要なトンネル地山安定化方法を提供する。削孔工具10によって切羽前方の地山2に掘削孔2cを形成しながら、案内管20を削孔工具10と共に掘削孔2cに挿し入れる。掘削孔2cの削孔完了後、削孔工具10の削孔ロッド13を引き抜き、次いで、案内管20より強度が高く径方向に膨張可能な補強管30を案内管20の内部に挿し入れる。補強管30を膨張させて掘削孔2cのまわりの地山2に定着させる。

目的

本発明は、かかる事情に鑑み、鏡ボルト工法や先受工法などのトンネル地山安定化方法において、注入材を使わずに補強管を地山に定着可能であり、かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要で回収作業も不要な方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

トンネル構築時の地山を安定化させる方法であって、案内管の先端部に連なる削孔ビットと、前記案内管の内部に挿通されるとともに前記削孔ビットと分離可能に連結された削孔ロッドとを含む削孔工具によって、切羽前方の地山に掘削孔を形成しながら、前記案内管を前記削孔工具と共に前記掘削孔に挿し入れ、前記掘削孔の削孔完了後、前記削孔ロッドを引き抜き、次いで、前記案内管より強度が高く径方向膨張可能な補強管を前記案内管の内部に挿し入れ、次いで、前記補強管を、前記案内管よりも大径になるよう膨張させることを特徴とするトンネル地山安定化方法。

請求項2

前記挿入時の補強管が、非円形の断面になっており、かつ周長が前記案内管の周長よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のトンネル地山安定化方法。

請求項3

前記挿入時の補強管が、周方向の一箇所が該補強管の内側にめり込むことによって凹字形状の断面になっており、かつ流体圧によって前記案内管よりも大径の円形断面になるよう膨張可能であることを特徴とする請求項1又は2に記載のトンネル地山安定化方法。

技術分野

0001

本発明は、トンネル構築時の地山を安定化させる方法に関し、特に鏡ボルト工法先受工法に好適なトンネル地山安定化方法に関する。

背景技術

0002

トンネルを構築する際、地山を安定化させるための補助工法として、切羽鏡部に鏡ボルト(補強管)を打設する鏡ボルト工法や、切羽の上半部の外周から前方へ先受け鋼管(補強管)を打設する長尺先受け工法が知られている(例えば特許文献1等参照)。一般に、これら工法においては、鏡ボルトや先受け鋼管などの補強管を打設後、補強管の注入孔からウレタン樹脂等の注入材を地山に注入する。注入材が硬化することによって、補強管が地山に定着される。

0003

特許文献1においては、鏡ボルトからなる補強管の所々にスリットが形成されており、補強管が拡径可能になっている。削孔用インナーツールを補強管の内部に挿通して削孔しながら補強管を地山に打設する。その後、インナーツールを引き抜く。続いて、補強管の内部に拡径冶具を挿し入れる。拡径冶具は、シャフトと、該シャフトに設けられた円筒状のウレタンゴムと、油圧シリンダを有している。油圧シリンダによって、ウレタンゴムを軸方向に圧縮して径方向膨張させることで、補強管を拡径させる。これによって、補強管を地山に定着させて、地山を安定化できる。その後、ウレタンゴムを収縮させて、拡径冶具を回収する。
このようにして、切羽前方の地山を安定させたうえでトンネル掘削を行なう。

先行技術

0004

特開2016−121441号公報

発明が解決しようとする課題

0005

前掲特許文献1の工法によれば、ウレタン樹脂等の注入材を地山に注入する必要がなく、工期を短縮でき、かつ産業廃棄物の排出量を無くすか低減できる。拡径冶具は、構造が複雑で製造コストがかかるが、回収して再使用することで、ランニングコストを抑制できる。
しかし、補強管のスリットから土砂補強管内入り込むおそれがある。特に、拡径後の補強管はスリットが拡幅されるために土砂が入り込みやすくなる。そうすると、拡径冶具を補強管から引き抜こうとしても、前記入り込んだ土砂に阻まれ、回収不能になるおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑み、鏡ボルト工法や先受工法などのトンネル地山安定化方法において、注入材を使わずに補強管を地山に定着可能であり、かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要で回収作業も不要な方法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

0006

前記課題を解決するため、本発明は、トンネル構築時の地山を安定化させる方法であって、
案内管の先端部に連なる削孔ビットと、前記案内管の内部に挿通されるとともに前記削孔ビットと分離可能に連結された削孔ロッドとを含む削孔工具によって、切羽前方の地山に掘削孔を形成しながら、前記案内管を前記削孔工具と共に前記掘削孔に挿し入れ、
前記掘削孔の削孔完了後、前記削孔ロッドを引き抜き、
次いで、前記案内管より強度が高く径方向に膨張可能な補強管を前記案内管の内部に挿し入れ、
次いで、前記補強管を、前記案内管よりも大径になるよう膨張させることを特徴とする。

0007

当該方法によれば、掘削孔の削孔工程の際、案内管を同時挿入することによって、掘削孔の内部スペースを確保できる。そうすることで、補強管挿入工程の際、補強管を掘削孔の内部ひいては地山の内部に確実に挿入できる。案内管は、前記掘削孔の内部スペースを確保し得る程度の強度を有していれば足り、補強管よりも低強度にできる。したがって、補強管の膨張工程の際、補強管によって案内管を簡単に破壊したり押し広げたりできる。言い換えると、補強管が、案内管に妨げられることなく拡径できる。これによって、補強管を掘削孔のまわりの地山に確実に押し当てて定着させることができる。この結果、地山を補強管によって拘束して安定化できる。注入材を用いなくても、補強管自体が拡径されて地山に定着できるから、産業廃棄物の排出量を殆ど無くすか低減できる。かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要であり、拡径冶具を回収する必要もない。

0008

前記挿入時の補強管が、非円形の断面になっており、かつ周長が前記案内管の周長よりも大きいことが好ましい。
先に掘削孔を形成し、かつ案内管によって掘削孔の内部スペースを確保しておくことで、非円形断面の補強管を地山内に容易に挿入できる。また、補強管の見かけ外径を案内管より小径にしておくことによって、補強管を案内管の内部に確実に挿入できる。一方、挿入後の補強管の膨張工程においては、補強管の周長が案内管の周長よりも大きいために、補強管が案内管よりも大径になる。したがって、補強管を地山に確実に定着させることができる。

0009

前記挿入時の補強管が、周方向の一箇所が該補強管の内側にめり込むことによって凹字形状の断面になっており、かつ流体圧によって前記案内管よりも大径の円形断面になるよう膨張可能であることが好ましい。
挿入工程においては、補強管を、断面凹字形にしておくことによって見かけの外径を案内管よりも小径にでき、案内管の内部に容易に挿入できる。膨張工程においては、補強管が流体圧によって拡径可能であるから、別途、補強管のために高価で複雑な構造の拡径冶具を用意する必要がない。前記膨張用の流体としては水を用いることが好ましい。これによって、材料コストを抑えることができる。膨張用の流体として有機材を用いる必要が無く、産業廃棄物が増えるのを抑制できる。

発明の効果

0010

本発明に係るトンネル地山安定化方法によれば、注入材を使わずに補強管を地山に定着でき、かつ高価で複雑な構造の拡径冶具が不要で回収作業も不要であり、施工コストを低減できる。

図面の簡単な説明

0011

図1は、本発明の一実施形態に係る鏡ボルト工法を、掘削孔の削孔工程で示すトンネルの切羽周辺部分の側面断面図である。
図2は、図1の円部IIの拡大断面図である。
図3は、削孔後、削孔ロッドを引き抜いた状態における削孔ビット及び案内管の先端部分を示す拡大側面断面図である。
図4は、補強管の挿し入れ時における案内管の先端部分を示す拡大側面断面図である。
図5は、図4のV−V線に沿う正面断面図である。
図6は、図8のVI−VI線に沿う正面断面図である。
図7は、図8のVII−VII線に沿う、切羽鏡部の正面図である。
図8は、鏡ボルト工法の終了時における切羽前方の地山の側面断面図である。
図9は、前記鏡ボルト工法後のトンネルの掘進時を示す側面断面図である。

実施例

0012

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
本実施形態においては、トンネル施工における地山安定化のための補助工法として、鏡ボルト工法が採用されている。図1図8は、該鏡ボルト工法を順追って示したものである。

0013

<削孔工程>
図1に示すように、鏡ボルト工法においては、まず、トンネル1内にドリルジャンボ等の削孔機3を設置する。削孔機3のブームの先端部に削孔工具10を取り付け、該削孔工具10を切羽前方の地山2に打設することによって、掘削孔2cを形成する。

0014

<削孔工具10>
図2に示すように、削孔工具10は、削孔ビット11と、連結部12と、削孔ロッド13を含む。削孔ロッド13の先端(図2において右端)に、連結部12を介して削孔ビット11が分離可能に連結されている。該削孔工具10が正回転しながら軸方向に振動して地山2に打ち込まれることで、掘削孔2cが掘削形成される。掘削孔2cの内径は削孔ビット11の外径とほぼ同等になる。
なお、削孔ロッド13が逆回転されると、削孔ビット11が削孔ロッド13から分離されるようになっている。

0015

<案内管20>
図2及び図5に示すように、本発明形態の鏡ボルト工法においては、更に、案内管20が用意される。案内管20は、例えば薄肉アルミ管などによって構成されている。案内管20の管壁の厚みは、例えば0.1mm〜1mm程度である。案内管20の外径は、削孔ビット11の外径ひいては掘削孔2cの内径より少し小径である。
案内管20の材質は、アルミに限られず、鉄、鋼鉄でもよく、金属に限られずポリ塩化ビニルなどの樹脂であってもよく、ないしは竹状体によって構成されていてもよい。
案内管20は、掘削孔2cの内部スペース2s(図3)を確保し得る程度の強度を有していれば足りる。かつ、案内管20は、後記補強管30の膨張によって容易に破壊され得る易破壊性、ないしは周長が容易に伸び変形され得る易変形性を有している。案内管20にスリット(図示省略)を形成することによって、易破壊性ないしは易変形性を高めてもよい。

0016

図2に示すように、案内管20の先端部に連結部12を介して削孔ビット11が連なっている。案内管20と連結部12とが、例えばネジ結合溶接等によって接合されている。案内管20の内部に削孔ロッド13が挿通されている。

0017

削孔工程において、削孔工具10が切羽前方の地山2内に打ち込まれていくのに伴って、案内管20が削孔工具10と共に掘削孔2c内に挿し入れられる。掘削孔2cの内周面と案内管20の外周面との間には、環状の隙間2gが形成される。

0018

<削孔ロッド回収工程>
図3に示すように、掘削孔2cの削孔完了後、削孔ロッド13を削孔ビット11から分離して引き抜く。削孔ビット11と連結部12と案内管20は、地山2内に残置される。
案内管20の内部は空洞になる。
案内管20によって、掘削孔2cの内部スペース2sを確保することができる。すなわち、図3において二点鎖線にて示すように、掘削孔2cの内周面の一部の土砂片2dがこぼれ落ちたり崩れたりしたとしても、該土砂片2dは、環状隙間2g内に止まり、環状隙間2gよりも内側の内部スペース2sまで侵入することはできず、内部スペース2sを埋めることはできない。

0019

<補強管挿入工程>
次いで、図4に示すように、補強管30(鏡ボルト)を、案内管20の内部ひいては掘削孔2cの内部に挿入する。

0020

<補強管30>
補強管30は、案内管20より強度が高い。補強管30の材質は、例えば鉄、鋼鉄、溶融亜鉛合金などであるが、特に、これらに限定されるものではない。
図5において実線にて示すように、補強管30の断面形状は非円形になっている。詳しくは、補強管30は、周方向の一部分31が残りの周部分32の内側にめり込んだ凹字形状の断面になっている。補強管30の外まわりを構成する周部分32の外径(以下「見かけの外径」と称す)は、案内管20より小径になっている。補強管30の周長は、案内管20の周長よりも大きい。好ましくは、補強管30の周長は、削孔ビット11の外周面の周長よりも大きい。
図5において二点鎖線にて示すように、補強管30は、流体圧などによって径方向に膨張変形可能である。

0021

補強管30は非円形断面であるために、前記削孔工程時に削孔工具10と一体で地山2に打設することは困難である。これに対し、本発明形態においては、先に掘削孔2cを形成しておき、かつ案内管20によって掘削孔内スペース2sを確保しておくことで、非円形断面の補強管30を地山2内に容易に挿入できる。また、補強管30の見かけの外径が案内管20より小径であるから、補強管30を案内管20の内部に容易に挿し入れることができる。

0022

<補強管膨張工程>
図6に示すように、次いで、補強管30の内部に高圧水(流体圧)を供給する。これによって、図6において二点鎖線にて示すめり込み部31が外周側へ膨出することで、補強管30が径方向に膨張される。補強管30の内壁全域水圧が直接的に作用することで、補強管30の全体を膨張変形させることができる。
水等の流体圧によって補強管30を拡径可能であるから、別途、補強管30のための複雑な構造の拡径冶具を用意する必要がない。したがって、施工コストを削減できる。流体圧源として水を用いることによって、施工コストを一層削減できる。

0023

補強管30は、案内管20よりも周長が大きいために、図6において実線にて示すように、最終的に案内管20よりも大径の円形断面になるよう膨張変形される。好ましくは、補強管30は、前記削孔工程時における掘削孔2cの内径よりも大径の円形断面になるよう膨張変形される。このとき、案内管20は、補強管30によって破壊され、破壊片23となる。なお、案内管20が、周方向に延び変形しながら、押し広げられてもよい。これによって、補強管30を、案内管20に妨げられることなく膨張変形させることができる。

0024

膨張した補強管30は、掘削孔2cのまわりの地山2に強く押し当てられることで、地山2に定着される。これによって、補強管30には地山2に対する拘束力が働く。したがって、注入材が不要であり、注入工程及び養生工程を省略できる。よって、施工コストを一層削減できるとともに、工期を短縮できる。

0025

<鏡ボルト工法の終了>
図7及び図8に示すように、このようにして、切羽前方の地山2に1又は複数の補強管30(鏡ボルト)を定着させることで、切羽前方の地山2を安定化させる。
<トンネル掘進工程>
続いて、図9に示すように、地山2を掘削して、トンネル1を掘進する。補強管30の地山拘束力によって、安定的に掘進を行なうことができる。
地山2の掘削に伴って、補強管30が漸次破砕され、破砕片33となる。破砕片33は、鉄や鋼鉄などからなり、かつ合成樹脂等の注入材が付着されていないから、産業廃棄物とはならず、鉄屑として有効利用できる。掘削した土砂についても、合成樹脂等の注入材が混じっていないから、産業廃棄物とする必要がなく、資源として有効利用できる。

0026

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、本発明方法は、鏡ボルト工法に限られず、長尺先受け工法などにも適用可能である。
補強管30を膨張させる流体圧としては、水に限られず、熱風などを用いてもよい。

0027

本発明は、例えばNATM(New Austrian Tunneling Method)工法によるトンネル掘削の際の地山安定化のための補助工法として適用可能である。

0028

1トンネル
2地山
2c掘削孔
2d土砂片
2g 隙間
2s内部スペース
3 削孔機
10 削孔工具
11 削孔ビット
12 連結部
13 削孔ロッド
20案内管
23破壊片
30補強管
31めり込み部
32 外まわり部分
33 破砕片

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