JP4945294B2 - セグメント - Google Patents

Description

本発明は、トンネルのセグメントに関する。

トンネル工事においては、地山の崩落を防止することや、地下水のトンネル内への流入を防止することを目的として、セグメントを利用して早期に地山を閉塞する場合がある。
このようなセグメントを利用したトンネル施工は、複数のセグメントを利用して形成された所望の形状に組み立てられたセグメントリングを、トンネル軸方向に連続して配置することにより行う。

通常、セグメントリングの構築は、セグメントのセグメント継手面に配設された継手板同士を、継ぎボルトを介して連結することにより行う。
環状に形成された一般的なセグメントリングは、軸力卓越型の応力状態となるため、セグメントの継手部に作用する曲げモーメントは比較的小さく、セグメント継手面に配設される継手板としては、薄厚の鋼板をセグメント継手面に配設することにより構成されていた。

ところが、近年、高速道路のジャンクション部や鉄道駅舎等のトンネル施工において、大口径トンネルを併設した後、この双設トンネルの間を切り拡げて拡幅する場合がある。
このように、双設トンネルの間を切り拡げるトンネル施工では、セグメントリングは欠円状態となるため、通常の単独のトンネルにおける環状のセグメントリングとは異なり、曲げ卓越型の応力状態となる。

曲げ卓越型の応力状態におけるセグメントは、継手部に作用する曲げの影響が大きいため、継手板の板厚を厚くすることで強度を増加させる等、継手構造の使用を従来に比べて増大させる必要があった。継手構造の増大は、セグメントの重量増加の要因となり、施工性に影響をきたすとともに、施工費の削減の妨げとなる場合があった。

このため、本出願人は、例えば特許文献１に示すように、曲げに対して十分な耐力を持つ鋼製セグメントの継手構造を開発し、実用化に至っている。

特許文献１に記載の鋼製セグメントの継手構造は、図７に示すように、セグメント継手面の継手板１１０を、中立軸よりも地山側にのみ設置されたセグメント１０１を使用するものであって、隣り合うセグメント１０１の継手板１１０同士をボルトによって接合するとともに、中立軸よりもトンネル中心側については、トンネルの中心軸方向と直交する主桁１１１のウェブ１１２および下フランジ１１３同士を図示しない添接板を介して連結することにより接合するものである。

特開平１１−２２３９３号公報

ところが、前記従来の鋼製セグメント１０１の継手構造は、継手板１１０同士の連結に加え、主桁１１１同士の連結について、多数のボルトを介して行う必要があるため、一般的なトンネル（軸力卓越型のトンネル）の施工と比較して、その作業に手間を要する場合があった。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、一般的なトンネルの施工と同様の作業により連結することが可能であるとともに、セグメントリングに作用する曲げモーメントに対して十分な耐力を有し、かつ合理的な継手構造を備えたセグメントを提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のセグメントは、ボルトを介して複数連結されることによりセグメントリングを形成するセグメントであって、トンネルの周方向に沿って配設されるとともに、該トンネルの軸方向に対して所定の間隔を有して並設される複数本の桁と、セグメント継手面に沿って配置される複数の継手部と、前記桁同士の間に架設された縦リブと、前記複数本の桁に横設されて外面を覆う外殻板とを備え、前記継手部が、トンネル軸方向に間隔をあけて配置されており、それぞれ桁の端部に接続されていて、前記継手部同士の間に、開口部が形成されているとともに、前記開口部を遮蔽する止水用継手板が配設されていることを特徴としている。

かかるセグメントによれば、ボルトを介して伝達される応力に対して必要な肉厚に構成された継手部を、必要な個所にのみ配置するため、継手構造において必要な剛性を確保しながら、構造的に不要な部分を省くことが可能となる。また、セグメント同士の連結は、継手部を利用してボルトにより行い、一般的なトンネルにおけるセグメントの組立てと同じ作業で済むため、作業性に優れている。
なお、本発明に係るセグメントは、例えば、シールドトンネルの一次覆工として使用してもよいし、山岳トンネルにおけるライナーとして使用してもよく、使用の対象となるトンネル工法は限定されるものではない。

また、前記セグメントは、前記継手部同士の間に、開口部が形成されているため、継手構造における部材の量を削減し、セグメントの軽量化を図るとともに、材料費の削減が可能である。

また、前記セグメントにおいて、前記開口部を遮蔽する止水用継手板が配設されているため、地下水量が多いことが予想されるトンネルにおいて、止水性を確保することが可能である。

本発明のセグメントによれば、一般的なトンネルの施工と同様の作業により互いに連結することが可能で、トンネルに作用する曲げ応力に対して十分な耐力を有する継手構造を備えているため、曲げ卓越型の応力状態からなるトンネルを簡易かつ安価に構築することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
なお、本実施形態では、セグメントとして、鋼製部材を組み合わせることにより構成された、いわゆる鋼製セグメントを使用する場合について説明する。

本実施形態にかかるセグメント１は、図１に示すように、図示しない継ボルト（ボルト）を介して複数連結されることによりセグメントリングを形成するものであって、トンネルの周方向Ｔ_Ａに沿って配設されるとともにトンネルの軸方向Ｔ_Ｂに対して所定の間隔ｄを有して並設される２本の主桁（桁）１１，１１と、主桁のトンネルの周方向Ｔ_Ａの端部に形成される各セグメント継手面Ｊ_Ｓ，Ｊ_Ｓに沿ってそれぞれ一対ずつ配置される継手板（継手部）１２，１２，…とを備えて構成されている。

また、セグメント継手面Ｊ_Ｓには、一対の継手板１２，１２に横設された状態で、止水用継手板１３がそれぞれ配置されている。また、セグメント１の地山側外面は、外殻板１５により被覆されている。
さらに、セグメント１は、トンネルの断面形状に応じて円弧状に形成されており、各主桁１１，１１との間には、所定の間隔により４本の縦リブ１４，１４，…がトンネル軸方向に沿って配設されている。

本実施形態に係るセグメント１は、図２に示すように、併設された２本のトンネルＴ，Ｔの間を切り拡げることにより、構造物Ｋを構築して、トンネルＴ同士を連結する場合において、セグメントリングＲを構成する際に好適に使用されるものである。
かかるセグメントリングＲは、構造物Ｋの構築に伴い、他のトンネルＴ側の一部が切り欠かれて欠円形状を呈している。

図３（ａ）に示すように、併設されたセグメントリングＲ，Ｒが円環状を呈している状態では、土荷重等の上載荷重Ｐ，Ｐが作用する場合、セグメントリングＲは、軸力卓越型の応力状態を維持するため、セグメントリングＲに作用する曲げモーメントＭ１は小さい。しかし、図３（ｂ）に示すように、セグメントリングＲ１の一部を切り欠き、セグメントリングＲ１が欠円状態になると、セグメントリングＲ１は、曲げ卓越型の応力状態となり、セグメントリングＲ１に作用する曲げモーメントＭ２は、円環状に形成されたセグメントリングＲ（図３（ａ））の曲げモーメントＭ１と比較して大きくなる。

このように、セグメントリングＲに曲げ応力が発生することにより、セグメント１同士のセグメント継手面Ｊ_Ｓでは、継ボルトに引張力が生じるため、継手板１２は、この引張力に対して十分な耐力を発現する部材厚を有している必要がある。

主桁１１は、図１に示すように、リング継手面Ｊ_Ｒに面するようにセグメント１のトンネル軸方向Ｔ_Ｂに対して前後に配置されている。主桁１１は、トンネルの断面形状に沿って円弧状に形成された鋼製部材であって、本実施形態では、所定の厚みを有した鋼板により構成するものとする。また、主桁１１には、所定の間隔により複数のボルト孔１１ａ，１１ａ，…が形成されており、図示しない連結ボルトを介して前後のセグメントリングとの連結が可能に構成されている。

主桁１１は、セグメントリングＲに発生する曲げモーメントおよび軸力に対して十分な耐力を有しているとともに、リング継手面Ｊ_Ｒにおける継手部材として機能するための十分な耐力を有した材料により構成するものとする。
なお、主桁１１を構成する材料や形状寸法等は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼等の各種形鋼や繊維補強コンクリート製部材等により構成してもよい。また、主桁１１に形成されるボルト孔１１ａの形状、配置、箇所数は限定されるものではなく、セグメントリングＲ同士の連結に必要な連結ボルトの形状寸法や配置等に応じて適宜設定すればよい。また、本実施形態では、主桁１１をリング継手面Ｊ_Ｒの継手部材として使用する場合について説明したが、主桁１１とは別に継手部材を設けてもよいことはいうまでもない。

この主桁１１の両端には、図１および図４に示すように、それぞれ継手板１２，１２が一体に固定されている。

一方の主桁１１に取り付けられた継手板１２は、図４に示すように、セグメント継手面Ｊ_Ｓに沿って配置されており、他方の主桁１１に取り付けられた継手板１２との間に、トンネル軸方向Ｔ_Ｂに沿って開口部１２ａを形成した状態で、一方の主桁１１の端部に接続されている。

本実施形態に係る継手板１２は、矩形状に形成された鋼板であって、図３（ｂ）に示すように、セグメントリングＲの一部を切り欠くことにより欠円状に形成されたセグメントリングＲ１に作用する曲げモーメントＭ２に対して、必要な耐力を有した厚みを有して構成されている。なお、継手板１２を構成する材料は鋼板に限定されるものではなく、例えば、繊維補強コンクリート製部材を使用するなど、適宜公知の材料から選定して使用すればよい。また、継手板１２の形状も限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

継手板１２には、図示しない継ボルトの挿通が可能なボルト孔１２ｂが３箇所ずつ形成されており、隣接する他のセグメントとの連結が可能に構成されている。なお、ボルト孔１２ｂの形状、配置、箇所数は限定されるものではなく、セグメントリングＲに作用する応力状態や、使用する継ボルトの構成等に応じて適宜設定すればよい。

図１および図４に示すように、セグメント１のセグメント継手面Ｊ_Ｓには、止水用継手板１３が継手板１２，１２の表面を覆うように横設されており、開口部１２ａが遮蔽されている。止水用継手板１３には、継手板１２のボルト孔１２ｂに対応する個所にボルト孔１３ａ，１３ａ，１３ａが形成されており、隣接する他のセグメントとの連結時に継ボルトの挿通が可能に構成されている。なお、ボルト孔１３ａの形状、配置、箇所数は限定されるものではなく、セグメントリングＲに作用する応力状態や止水材の反発力、使用する継ボルトの構成等に応じて適宜設定すればよい。また、本実施形態では、止水用継手板１３を継手板１２の外側面（隣接する他のセグメント１側の表面）を覆うように横設するものとしたが、例えば、継手板１２の内側面を覆うように横設してもよいし、継手板１２同士の間に開口部１２ａを遮蔽するように配設してもよく、止水性を確保することができれば、止水用継手板１３の設置箇所は限定されるものではない。

縦リブ１４は、主桁１１同士の間に架設された鋼製部材であって、トンネル施工時の、トンネル軸方向Ｔ_Ｂの応力を伝達する部材である。
本実施形態では、縦リブ１４として、１つのセグメント１に対して板状の部材を所定の間隔により４本配置するものとしたが、縦リブ１４を構成する材料、本数、配置ピッチ等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

外殻板１５は、円弧状に加工が施された鋼板等からなり、セグメント１の外面を覆うように、主桁１１，１１に横設されている。外殻板１５の形状は、限定されるものではなく、計画されたトンネルの断面形状に応じて、適宜設定すればよい。また、外殻板１５を構成する鋼板の板厚は、土圧や地下水圧等により作用する応力に対して十分な耐力を発現することが可能であれば、限定されるものではない。さらに、外殻板１５を構成する材料は鋼板に限定されるものではなく、例えば繊維補強コンクリートにより構成するなど、適宜公知の材料から選定して使用することが可能である。

以上、本実施形態にかかるセグメント１によれば、継ボルトを介して伝達される応力に対して必要な肉厚に構成された継手部１２を、必要な個所に配置することにより、曲げ卓越型のセグメントリングＲに必要な耐力を有したセグメントリングＲを構築することが可能である。また、セグメント１同士の連結は、継手板１２を利用して継ボルトにより行い、一般的なトンネルにおけるセグメントの組立てと同じ作業で済むため、施工性に優れている。

セグメント継手面Ｊ_Ｓに作用する曲げモーメントに対して必要な板厚を有した継手板１２を、開口部１２ａを形成した状態で、間隔を有して必要な個所にのみ配置しているため、一様な板厚からなる継手板をセグメント継手面Ｊ_Ｓの全体に配置する一般的なセグメントと比較して、鋼材量を削減することが可能となる。これにより、材料費を削減して、施工を安価に行うことが可能となるとともに、セグメント１の軽量化を図ることが可能となるため、取り扱いが容易になり、施工性が向上する。特に幅広のセグメントを使用する場合には、継手板の重量の低減効果が顕著となる。

また、ボルト孔１２ｂの位置を十分に主桁１１に寄せることで、主桁１１と継手板１２との接合部においては継ボルトの引張力によるせん断力のみが発生することから、曲げモーメントの影響を考慮しなくてよいため、設計において、主桁１１の弱軸方向の曲げモーメントを無視することが可能となり、その結果、主桁１１の設計に二軸応力状態を考慮する必要がなくなり、主桁１１の小断面化が可能となる。故に、セグメント１の軽量化、材料費の軽減が可能となる。

継手板１２同士の間に形成された開口部１２ａは、止水用継手板１３により遮蔽されているため、止水性に優れたセグメントリングＲを構築することが可能となる。
また、主桁１１と縦リブ１４の配置により、シールドマシンの推力等に対して必要な耐力を有している。

次に、本発明にかかるセグメントについて、間隔を開けた状態で配置された継手板の形状がセグメントの変形等に対して与える影響について検証した結果について、図５および図６を参照して説明する。
本検証は、三次元ソリッドモデルを用いたＦＥＭ解析の実施により行う。

解析では、セグメントリングに曲げモーメントを作用させることによりセグメント継手面においてトンネル軸方向の両端に配置された継ボルトに発生する引張力の大きさに応じて、３段階に分けて検証を行った。解析に使用した各段階は、ボルトの締付け時をＳＴＥＰ１、ボルト許容引張力発生時をＳＴＥＰ２、ボルト降伏時をＳＴＥＰ３とした。

図５（ａ）および（ｂ）に、本検証に使用したセグメント１，１’のモデルを示す。図５（ａ）に示すように、本検証に係る比較例のセグメント１’は、継手板１２’として、セグメント継手面の全範囲に同一の板厚の板材が配設されている。一方、図５（ｂ）に示すように、検証モデルは、セグメント継手面において、２枚の継手板１２，１２を、開口部１２ａを形成させた状態で間隔を開けて配置し、その表面に止水用継手板１３が配置されている。

比較例において、セグメント１’の 継手板１２’は、板厚が７６ｍｍの鋼板を使用する。一方、検証モデルにおけるセグメント１では、継手板１２として、板厚６４ｍｍの鋼板を使用し、止水用継手板１３の板厚１２ｍｍを加えることにより比較例の継手板１’と同じ板厚（７６ｍｍ）を形成した。

セグメントリングに曲げモーメントが作用すると、継ボルトに引張力が作用するため、図５（ｃ）および（ｄ）に示すように、セグメントには、継手板１２に、他のセグメントから離れる方向に変形αが生じるとともに、継手板１２に連結された主桁１１には、内側にゆがむ変形βが生じる。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ＳＴＥＰ２では、比較例に生じる継手板１２’の変形量αは０．６８ｍｍ、主桁１１の変形量β’は０．２２ｍｍであった。一方、実施例に生じる継手板１２の変形量αと主桁１１の変形量βはそれぞれ０．７４ｍｍと０．２５ｍｍとなった。したがって、ＳＴＥＰ２における継手板の変形量の差は０．０６ｍｍ、主桁の変形量の差は０．０３ｍｍである。

また、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ＳＴＥＰ３における比較例の継手板１２’の変形量α’と主桁１１の変形量β’はそれぞれ１．９４ｍｍと０．５８ｍｍであるのに対し、実施例の継手板１２の変形量αと主桁１１の変形量βはそれぞれ２．１１ｍｍと０．７０ｍｍであった。したがって、ＳＴＥＰ３における継手板の変形量の差は０．０７ｍｍ、主桁の変形量の差は０．１２ｍｍである。

以上のように、セグメント継手面において、継手板１２として、一様な板厚の板材を主桁１１間に横設した場合（比較例）と、本発明の構成である２つの継手板１２，１２を離間して配置した場合（実施例）と、の間には、変形量に大きな差は見られず、セグメントの応力分布等に明確な差異は表れなかった。したがって、トンネルの軸方向に間隔をあけて継手板（継手部）１２，１２を配置することが可能であり、継手部同士の間に開口部を形成あるいは継手部の間の板厚を薄肉化することが可能であることが証明された。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、セグメント継手面に配置される継手部として、２枚の継手板を、開口部を有した状態で間隔を開けて配置するものとしたが、両継手部を一枚の板材により一体に形成してもよい。つまり、継手部に対応する部分を肉厚とし、それ以外の部分を肉薄に形成された一枚の板材を、一対の主桁間に横設することにより、セグメントのセグメント継手部を形成してもよい。これにより、前記実施形態において、別部材を組み合わせることにより構成した継手板と止水用継手板とを、一体に構成することが可能となる。

また、前記実施形態では、主桁が２本配置されるセグメントについて説明したが、セグメントに配置される主桁の数は限定されるものではなく、３本以上配置されていてもよい。この場合において、中間部に配置される主桁に、継手板を設ける構成であってもよい。また、主桁以外に補助桁が設けられていてもよく、さらに継手板がこの補助桁の端部に接続されていてもよい。

また、前記実施形態では、主桁と継手板とを別部材により構成したものを互いに接続するものとしたが、継手部と主桁とを一体成形により構成してもよい。また、継手板と主桁との接合方法は限定されるものではなく、適宜公知の手段により行えばよい。

また、止水用継手板は必要に応じて配置すればよく、別途二次覆工を設けるトンネル等においては、省略してもよい。

また、セグメントリングの断面形状は円形に限定されないことはいうまでもなく、トンネルの用途等に応じて適宜設定することが可能である。

本発明の好適な実施形態に係るセグメントを示す斜視図である。 本発明の好適な実施形態に係るトンネルの概要を示す断面図である。 図２に示すトンネルの応力状態を示す曲げモーメント図であって、（ａ）はセグメントリングが円環状に形成された場合を示し、（ｂ）はセグメントリングが欠円状に形成されている場合を示す。 図１に示すセグメントの一部を示す拡大斜視図である。 本発明に係るセグメントの検証結果を示す図であって、（ａ）および（ｂ）は解析モデル図、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ（ａ）および（ｂ）に示す解析モデルの変形図を示す。 図５の検証結果を示すグラフである。 従来のセグメントを示す斜視図である。

符号の説明

１ セグメント
１１ 主桁（桁）
１２ 継手板（継手部）
１３ 止水用継手板
Ｒ セグメントリング
Ｊ_Ｓ セグメント継手面
Ｔ_Ａ トンネルの周方向
Ｔ_Ｂ トンネルの軸方向

Claims (1)

1. ボルトを介して複数連結されることによりセグメントリングを形成するセグメントであって、
   トンネルの周方向に沿って配設されるとともに、該トンネルの軸方向に対して所定の間隔を有して並設される複数本の桁と、
   セグメント継手面に沿って配置される複数の継手部と、
   前記桁同士の間に架設された縦リブと、
   前記複数本の桁に横設されて外面を覆う外殻板と、を備え、
   前記継手部が、トンネルの軸方向に間隔をあけて配置されており、それぞれ前記桁の端部に接続されていて、
   前記継手部同士の間に、開口部が形成されているとともに、
   前記開口部を遮蔽する止水用継手板が配設されていることを特徴とする、セグメント。

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