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山岳トンネル技術

ツインアーチフォーム工法®「TAF工法」
トリプルアーチフォーム工法®「TrAF工法」

覆工コンクリートの養生時間延長による品質向上と高速施工

従来の山岳トンネルの覆工コンクリートは標準的に2日に1回の打設サイクルです。2日間のうち、コンクリートの養生期間は18時間程度と短く、強度発現が低いうちに脱型するため、脱型時の自重による変形、ひび割れの潜在的要因となっていました。

鹿島が開発したツインアーチフォーム工法(TAF工法)は、脱着機構を有する2基のセントル型枠により従来の2日のサイクルを維持したままコンクリートの養生期間を66時間以上確保することで、コンクリートの品質を向上させる施工法です。また、フォームを1基追加して3基のフォームにより、毎日コンクリート打設を行えるトリプルアーチフォーム工法(TrAF工法)も開発しました。両工法ともコンクリートの養生期間を大幅に増やすことができるため、脱型時のコンクリートの強度が上がり、コンクリートの緻密さが向上します。

平成26年度建設施工と建設機械シンポジウム優秀論文賞
第27回日本建設機械施工大賞 最優秀賞
特許登録済及び特許出願中

図版:TAF1号機全景

TAF1号機全景

キーワード

覆工コンクリート、養生時間、圧縮強度、ひび割れ、セントル、脱型、66時間、ツイン、アーチ
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施工手順

TAF工法

TAF工法では、2つのアーチフォーム(型枠)に径の縮小・拡大機能を持たせ、1台のレール台車で2つの型枠を交互に使用できるようにしています。

まず、第1アーチフォームにコンクリート打設後、ガントリー(台車)から分離させて、そのままの状態で養生させておきます。その後、あらかじめ径を縮小させた第2アーチフォームを乗せた台車は、第1アーチフォームの下をくぐり抜けて通過し、次の打設位置まで進みます。第2アーチフォームで打設後は、脱型した第1アーチフォームの径を縮小して第2の下を通過させ、次の打設位置に移動させます。このプロセスを繰り返して前進していきます。

図版:TAF工法概念図

TAF工法概念図

図版:TAF工法施工サイクル

TAF工法施工サイクル(動画)

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TrAF工法

TrAF工法では、フォームを1基追加し、3基とすることで、打設サイクルを毎日としてもTAF工法と同等の型枠存置時間(60時間)を確保できます。これにより打設スピードが速まってもTAF工法と同等の初期養生効果を得ることができます。

図版:トリプルアーチフォーム(TrAF)工法施工の様子

トリプルアーチフォーム(TrAF)工法施工の様子

図版:トリプルアーチフォーム(TrAF)工法

トリプルアーチフォーム(TrAF)工法

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特長・メリットココがポイント

66h脱型による高緻密化

室内試験により、透気係数を指標としてコンクリート表面の緻密性を評価しました。

  • 66h脱型は、18h脱型に比較して大幅に透気係数が低減し、7日脱型とほぼ同様な状態まで緻密化していることが確認できました。
  • 被膜養生やミスト養生など、他の養生方法と比較しても、66h脱型のほうが緻密化していることがわかります。

図版:室内試験によるコンクリート表面緻密化の評価結果

室内試験によるコンクリート表面緻密化の評価結果

圧縮強度は従来の約4倍

同じく、室内試験により、圧縮強度の増加を確認しました。

  • 66h脱型にすることで、通常施工サイクルの18h脱型に比較してコンクリート強度が約4倍の10N/mm2に向上することが確認されました。

図版:養生期間延長によるコンクリート圧縮強度増加確認結果

養生期間延長によるコンクリート圧縮強度増加確認結果

週5日コンクリート打設を実現

TrAF工法を採用した唐丹第3トンネル工事(岩手県釜石市)では、週5日の稼働で毎日のコンクリート打設を実現し、覆工工事の最大月進288.19m(12.53m×23日)、平均月進250mを達成しました。昼間のみ変則シフト(1.5班体制)に施工体制を変更し、生産性も向上しました。

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適用実績

TrAF工法

図版:国道45号 唐丹第3トンネル

国道45号 唐丹第3トンネル

場所:岩手県釜石市唐丹町

竣工年:2018年3月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:トンネル延長L=3,023m 
内空断面積95m2

TAF工法

図版:新名神高速道路 箕面トンネル

新名神高速道路 箕面トンネル

場所:大阪府箕面市

竣工年:2018年2月

発注者:西日本高速道路関西支社

図版:宮古盛岡横断道路 新区界トンネル

宮古盛岡横断道路 
新区界トンネル

場所: 岩手県宮古市~盛岡市

竣工年:2019年8月

発注者:国土交通省東北地方整備局

図版:一般国道473号岩古谷トンネル

一般国道473号岩古谷トンネル

場所:愛知県北設楽郡

竣工年:2014年3月

発注者:愛知県建設部

図版:新東名高速道路徳定トンネル

新東名高速道路徳定トンネル

場所: 愛知県新城市

竣工年:2014年6月

発注者:中日本高速道路

学会論文発表実績

  • 「覆工コンクリートの品質向上と急速施工の両立に向けた取り組みについて」,トンネル工学報告集,2017年
  • 「覆工コンクリートの高速施工と品質向上の両立を実現」,建設機械

覆工用中流動コンクリート

特殊混和剤の使用により覆工用中流動コンクリートを簡易に製造

従来、山岳トンネルの覆工コンクリートの構築においては、スランプが15cm程度のコンクリートを10m程度流動させて打ち込むため、材料分離や締固め不足、未充填部の発生といった初期欠陥を生じやすいことが問題となっていました。

こうした課題に対して、スランプフローが35〜50cmである中流動コンクリートを用いる施工方法が高速道路総合技術研究所によって開発されています。

今回鹿島が開発した中流動コンクリートは、このトンネル覆工用中流動コンクリートの仕様に準拠しつつ、特殊な混和剤を用いることで市中の生コン工場での製造を簡便にしたものであり、より多くの現場での中流動コンクリートの使用を可能にします。

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図版:特殊混和材を用いた中流動コンクリートのスランプフロー

特殊混和材を用いた中流動コンクリートのスランプフロー

キーワード

覆工コンクリート、中流動コンクリート、特殊混和剤、粘着剤
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技術の詳細

覆工用中流動コンクリートは、スランプフローが35~50cm程度で、型枠バイブレータ程度の軽微な振動で流動・充填させることができるため、材料分離のない均質な覆工コンクリートを実現できます。この「材料分離をさせないための方策」としては、セメントと同程度の細かさを持った粉体である石灰石微粉末やフライアッシュをコンクリートに添加する必要がありますが、石灰石微粉末やフライアッシュを常備している市中の生コン工場はほとんどありません。そのため、従来は中流動コンクリートを適用できる現場が限られてしまうという問題がありました。

今回、開発した覆工用中流動コンクリートは、高性能AE減水剤と増粘剤を一液にした特殊混和剤を使用することにより、流動性と材料分離抵抗性を同時に付与します。粉体を使用しないため、一般的な設備を有する市中の生コン工場で中流動コンクリートを製造することができ、より多くの現場で中流動コンクリートを適用することができます。また、特殊混和材を用いた中流動コンクリートの品質は粉体を用いた中流動コンクリートと同等であり、高品質な覆工コンクリートを確実に構築することができます。朝日トンネル(茨城県)で試験的に採用されたほか、徳定トンネル(NEXCO中日本)や矢頭峠トンネル(三重県)において採用が決定しています。

図版:スランプ15cmの一般的な覆工コンクリートを使用したときの内空表面の仕上がり状況

スランプ15cmの一般的な覆工コンクリートを使用したときの内空表面の仕上がり状況

図版:特殊混和剤を用いた覆工用中流動コンクリートを使用したときの内空表面の仕上がり状況

特殊混和剤を用いた覆工用中流動コンクリートを使用したときの内空表面の仕上がり状況

特長・メリットココがポイント

優れた流動性と施工性

普通コンクリート(スランプ15cmの一般的な覆工コンクリート)と特殊混和剤を用いた中流動コンクリートの流動性を、実際の施工と同じ規模で比較しました。

  • 特殊混和剤を用いた中流動コンクリートは、流し込むだけで10m以上流動させることができ、良好な流動性を有していることが確認できました。
  • また、型枠バイブレータによる締固めだけで、ほぼ水平とすることができました。

図版:実規模流動実験の結果(流動勾配)

実規模流動実験の結果(流動勾配)

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材料分離がほとんどない

特殊混和剤を用いた中流動コンクリートの流動後の粗骨材量の分布状況を調べました。

  • 特殊混和剤を用いた中流動コンクリートは粗骨材の変化率が80%以上で、流動による材料分離がほとんど生じていないことを確認しました。

図版:実規模流動実験の結果(コンクリート中の粗骨材量)

実規模流動実験の結果(コンクリート中の粗骨材量)

緻密で均質なコンクリート表面

表面透気係数を指標として、流動後の普通コンクリートと特殊混和剤を用いた中流動コンクリートの表面の緻密さを評価しました。

  • 特殊混和剤を用いた中流動コンクリートは、表面透気係数が小さく(透気係数が小さいほど緻密)、そのばらつきも小さい結果となり、緻密で均質な覆工コンクリートであることが確認できました。

図版:実規模流動実験の結果(表面透気係数)

実規模流動実験の結果(表面透気係数)

適用実績

図版:朝日トンネル

朝日トンネル

場所:茨城県土浦市

竣工年:2012年3月

発注者:茨城県

規模:NATM トンネル延長1,784m
施工延長732m 車道幅員6m
内空断面積52m2

学会論文発表実績

  • 「増粘効果を有する高性能AE減水剤を用いた中流動コンクリートのトンネル覆工への適用性に関する実験的検討」,コンクリート工学年次論文集,Vol.34,No.1,2012年
  • 「特殊な混和剤を用いたトンネル覆工用中流動コンクリートの開発」,セメント・コンクリート,No.787,2012年9月

覆工コンクリート自動打設システム

新しい打設配管システムで覆工コンクリートの打設を完全自動化

山岳トンネル工事における覆工コンクリート打設は、狭隘な作業空間での打込みや、バイブレータを用いた人力による締固めなど、技能労働者の経験と技量に頼る作業が多く、また作業環境も厳しいことから、打設の自動化が求められていました。このため、従来に無い革新的な打設配管システムを開発し、覆工コンクリートの打設を完全に自動化しました。

本システムは、コンクリートポンプ車の圧送信号と配管の切替をリンクさせることで、打上げ高さを自動で調整しながら、左右均等に全断面をコンクリート吹上打設するものです。これにより、省人化、省力化を図り、安定したコンクリート品質を確保するとともに、従来工法と同等のコストを実現しました。

土木学会 土木建設技術発表会2020 セッションⅡ山岳トンネル 最優秀賞
特許出願中

図版:模擬トンネルにおける覆工コンクリート自動打設中の様子

模擬トンネルにおける覆工コンクリート自動打設中の様子

キーワード

覆工コンクリート、自動化、覆工用高流動コンクリート、配管切替装置、自動打設システム
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自動打設システムの構成

自動打設システムは、以下の4つで構成されます。

❶トンネル覆工用高流動コンクリート

自己充填性を有する覆工用高流動コンクリートは、改良した増粘成分一液型の高性能AE減水剤を用いることで、中流動コンクリートと同等の単位セメント量(350kg/m3)で締固めを不要としています。

❷新打設配管システム

新しい打設配管システムは、各打設口を一筆書きで接続し、各打設口が打設を完了した際は回転して型枠表面と同じ位置で蓋が閉まると同時に、次の打設口への配管ルートを形成します。そのため打設中の残コンの回収や配管清掃が不要です。

❸高速配管切替装置 

配管の分岐点に設置した高速配管切替装置は、左右系統の切替えを3秒、打設口の切替えも含めて15秒で行うことができ、流動停止時間を短時間に抑え、連続打設を実現します。

❹打設制御システム

本システムは、型枠表面にコンクリートの打上げ高さを検知するセンサーを設置して打設状況を見える化するとともに、ポンプ車と連動させて配管切替えを自動で行い、左右の高低差を無くし均等に吹上打設を行います。

図版:自動打設システム

自動打設システム

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自動打設システムの概要とメリット

新打設配管システム

従来、覆工コンクリートの施工では、移動式型枠に複数の配管が設置されており、打込み箇所を切替える際に配管内のコンクリートの回収や処分、及び清掃の作業が必要でした。

開発した新打設配管システムは、各打設口を一筆書きで接続し、全ての打設口からコンクリートを吹き上げて圧入して打ち込み、打設口からの打込みが完了すると打設口の配管を回転させて、次の打設口にコンクリートを連続的に供給する構造です。

図版:打設配管システム

打設配管システム

回転式打設口

このシステムを可能とした回転式の吹上打設口は、打設時は吹上口が型枠表面からコンクリート内部へ突出していますが、打設を完了した際は回転して型枠表面と同じ位置で蓋が閉まると同時に、次の打設口への配管ルートを形成します。これにより、打設中の残コンの回収や配管清掃が不要となります。さらには、ポンプ車でポンプを逆転・正転させ、例えば右側の配管内の残コンを回収し左側の配管へ送るといった手法で残コンを減らすことも可能です。

図版:回転式打設口

回転式打設口(動画:27秒/音あり)

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自動打設のメリット

打設制御システムに、打設口の切替高さや左右の切替えを行うポンプ車のストローク回数、天端の充填圧力上限値を予め設定し、スタートボタンを押すことで、自動で全断面が計画通りに打設されます。これにより、コンクリート打設の省人化が実現できるとともに、作業員の技量に依らず一定品質が確保できます。さらにシステムには、打設履歴が記録されるため、脱型後の仕上がりと打設計画との因果関係の分析も場所を特定して詳細にできるなど、改善活動もより明確に行えます。

図版:脱型後の仕上り状況

脱型後の仕上り状況

図版:打設制御システム

打設制御システム

適用実績

図版:模擬トンネル

模擬トンネル

場所:静岡県富士市(施工技術総合研究所 敷地内)

施工年:2020年3月

規模:トンネル延長L=55m 内空断面積67m2

学会論文発表実績

  • 「トンネル覆工コンクリートの自動打設システムの開発」土木学会,第75回年次学術講演会,2020年
  • 「トンネル覆工用高流動コンクリートを用いた自動打設システムの適用実績」土木学会,第75回年次学術講演会,2020年

山岳トンネル技術 インデックス

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