JP2003027894A - 合成セグメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構成が簡潔で、しかも中詰コンクリートとスキ
ンプレートを一体強化できる合成セグメントを提供す
る。 【解決手段】 シールドトンネルの覆工構造体を構成す
るセグメントであって、少なくとも２本の主桁１１と２
つの継手板１２とスキンプレート１３を有し、かつ、１
本または複数本の略Ｈ形状のずれ止め１４が主桁１１間
に設けられると共に、そのウェブ１４ａをトンネルの中
心方向に向けて配置され、セグメント内部に中詰コンク
リート１６が充填されたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールドトンネル
の一次覆工体として用いられる鋼製または球状黒鉛鋳鉄
製のセグメント構造にコンクリートを中詰めして構成さ
れる合成セグメントに係り、特に大深度トンネルの一次
覆工体に好適した合成セグメントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、シールドトンネルは大口径化およ
び大深度化が進んでいる。大深度トンネルとは、通常、
地下約４０メートル以上の地中に掘削するトンネルをい
い、以下、本発明で大深度トンネルというときはこの意
味で用いる。この大深度トンネルの掘削に際しても、従
来は、通常のシールドトンネルの掘進に用いるのと同じ
合成セグメントが用いられている。

【０００３】合成セグメントとしては、例えば、特許第
２６２９９１９号に示される合成セグメントが知られて
いる。この先行特許に示されるごとく、これまでの合成
セグメントは、鋼製の主桁と継手板と、トンネルの内外
面となる２つの面に配置のスキンプレートの各部材を組
立てセグメント枠体を構成し、前記スキンプレートに何
らかのずれ止めを配置した上で、セグメント枠体内部に
コンクリートを充填し、セグメント外面を覆う鋼材（ス
キンプレート様鋼材）と内部のコンクリートをずれ止め
により一体化して、鋼材とコンクリートの合成効果を発
揮させるものであった。

【０００４】しかし、セグメント外面がすべて鋼材（ス
キンプレート様鋼材）で覆われたセグメントの内部にコ
ンクリートを密実に充填するには、非常な困難を伴うこ
と、また、コンクリートと鋼材（スキンプレート様鋼
材）とを一体化させるために当該スキンプレートにずれ
止めを配置する作業が煩雑であることなどの理由によ
り、特開平９−１０５２９７号、特開平９−１４４４９
１号などに示される合成セグメントでは、トンネルの内
空側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠き
を設け、コンクリートの中詰め作業を容易にするよう工
夫がなされている。

【０００５】当然のことながら、特開平９−１０５２９
７号、特開平９−１４４４９１号に示される合成セグメ
ントは、特許第２６２９９１９号に示される合成セグメ
ントに比較すると、トンネルの内空側となる面のスキン
プレートに開口率の大きい切欠きを設けた分、鋼材（ス
キンプレート様鋼材）とコンクリートの合成効果が低減
することとなる。

【０００６】しかし、セグメント枠体の組立て、内部へ
のコンクリート充填作業を含めたセグメント全体の製作
にかかる費用という面から考慮すれば、特開平９−１０
５２９７号、特開平９−１４４４９１号に示される合成
セグメントは、特許第２６２９９１９号に示される合成
セグメントに比較すると、わずかながらではあるが、安
価に製作することが可能であり、製品の品質の良否に関
しても直接的に確認できるというメリットを有してい
る。

【０００７】また、特開平８−３２６４９１号に示され
る合成セグメントは、セグメントのトンネル内空側とな
る面にスキンプレートを配置しているが、セグメントの
トンネル外面側となる面には、スキンプレートがなく、
代わりにセグメント高さ方向でセグメントの内部となる
位置に鋼材（スキンプレート様鋼材）を配置し、この鋼
材にずれ止めを設置して合成効果を発揮させている。

【０００８】前記のごとく、従来の合成セグメントは、
セグメントのトンネル内空側およびトンネル外面側とな
る面にスキンプレート様の鋼材を配置し、この鋼材にず
れ止めを配置して鋼材とコンクリートの合成効果を発揮
させるものであった。

【０００９】これらの合成セグメントは、鋼材（スキン
プレート様鋼材）とコンクリートとのずれを無くすこと
で、鋼材とコンクリートの合成効果を発揮させるもので
あるが、ずれ止めの設置作業が煩雑なこと、セグメント
内部にコンクリートを密実に充填する作業が困難なこと
などから、従来、シールドトンネルの一次覆工体として
用いられてきた鋼製セグメントまたは鉄筋コンクリート
製セグメントまたはダクタイル製セグメントに比較する
と高価なセグメントとなっていた。

【００１０】また、スキンプレートとコンクリートを合
成化するセグメントでは、曲げ力に対しては、スキンプ
レートが有効に作用するものの、圧縮力に対しては難し
い。つまり、圧縮力に対してスキンプレートを有効に作
用させるためには、圧縮力によりスキンプレートがはら
み出すのを防止する必要があり、特に、トンネルの内空
側となる面のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを
設けたセグメントの場合、セグメント枠体内にコンクリ
ートを封じ込めることでスキンプレートと一体化するこ
とが一層難しく、スキンプレートがはらみ出すのを防止
するために、ますます多くのずれ止めを設置しなければ
ならなかった。

【００１１】つまり、従来のトンネルの内空側となる面
のスキンプレートに開口率の大きい切欠きを設けた合成
セグメントでは、セグメントに作用する曲げ力と圧縮力
の比、曲げ力／圧縮力が大きい場合には有効であるが、
曲げ力／圧縮力が小さい場合には、鋼材（スキンプレー
ト様鋼材）とコンクリートを合成化する効果がなかなか
得られない状況であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近来のシー
ルドトンネルの特徴は、大口径化の傾向と大深度化の傾
向にある。大口径化のシールドトンネルにあっては、セ
グメントに作用する曲げ力／圧縮力大きくなる傾向があ
り、大深度化のシールドトンネルあっては、セグメント
に作用する曲げ力／圧縮力が小さくなるという傾向があ
る。このように大口径化と大深度化の２つの傾向が現在
同時に進行しているが、今後のシールドトンネルでは、
大深度化の場合に前述の点が問題になる。

【００１３】つまり、大口径トンネルでは前述のとお
り、鋼材（スキンプレート様鋼材）とコンクリート合成
化はそれほど問題にしなくてよいが、大深度シールドト
ンネルでは、大深度化による曲げ力／圧縮力が小さくな
る傾向が増す、つまり、鋼材とコンクリートとのずれ止
めによる合成効果が得られにくくなると考えられる。ま
た、シールドトンネルの大深度化により地下水圧が従来
に比して飛躍的に大きくなるため、従来のセグメントに
比べ高い止水性が要求されるようになる。

【００１４】さらに他の問題として、シールドトンネル
の大口径化は、シールドマシンの大型化および大推力化
を招き、これらの要求を満足できる新たな合成セグメン
トが求められているが、従来のＬ形状またはＴ形状の縦
リブを具備した鋼製セグメントでは強度が不足し十分に
対応できない。

【００１５】すなわち、従来の鋼製セグメントは、主
桁、継手板、スキンプレート、縦リブから構成されてい
る。前述のように、縦リブは主としてＬ形状またはＴ形
状のものが多く、シールドトマシンのジャッキ推力を受
けることを目的としてジャッキ１本当たり２本の縦リブ
が配置され、かつ、土水圧を受けるスキンプレートの支
点として設計され用いられているが、これでは、前述の
とおり縦リブの強度が不足するのである。

【００１６】本発明は、前記の課題を解決したもので、
大深度用トンネルに好適するが、勿論、通常のトンネル
にも適用できる合成セグメントを提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、次のように構成する。

【００１８】第１の発明は、シールドトンネルの覆工構
造体を構成するセグメントであって、少なくとも２本の
主桁と２つの継手板とスキンプレートを有し、かつ、１
本または複数本の略Ｈ形状のずれ止めが前記主桁間に設
けられると共に、そのウェブをトンネルの中心方向に向
けて配置され、セグメント内部にコンクリートが中詰め
されたことを特徴とする。

【００１９】第２の発明は、第１の発明における合成セ
グメントであって、当該セグメントの主桁の桁高さｈに
対して、Ｈ形状のずれ止めがｈの０．８〜５．０倍の間
隔で配置されたことを特徴とする。

【００２０】第３の発明は、第１または第２の発明にお
ける合成セグメントであって、当該セグメントの主桁と
継手板の何れか一方または、両方にフランジ部材を有す
ることを特徴とする。

【００２１】

【作用】本発明の合成セグメントのずれ止めは、Ｈ形状
を有することで、従来の鋼製セグメントにおけるＬ形状
やＴ形状の縦リブでは得られない大きな特徴を有してい
る。すなわち、ずれ止めが断面Ｈ形状をなしているた
め、主桁とＨ形状のずれ止めにおけるフランジとウェブ
に囲まれた中詰めコンクリートは完全に拘束されること
になり、セグメントに強大な圧縮、曲げ力が作用した場
合においても、中詰めコンクリートの内部に確実に圧縮
力が発生することとなる。また、スキンプレート３を介
して中詰めコンクリート６に作用する土水圧は、Ｈ形状
をしたずれ止め４のトンネル内空側のフランジ４ｂとウ
ェブ４ａを介して、主桁に伝達される。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１〜図３によって本発明を説明
する。

【００２３】図１、図３は、合成セグメントの中央部位
置の長手方向縦断面図、図２は、主桁内側面位置の長手
方向縦断面図を示す。当該合成セグメントは、少なくと
も２本の主桁１と、２つの継手板（図に表れない）と、
スキンプレート３と、両主桁１間に配設され、かつ、継
手板方向に所定間隔離して配設されるＨ形状のずれ止め
４とから構成されている。

【００２４】ずれ止め４におけるウェブ４ａはトンネル
の中心方向に向けて配置され、一方のフランジ４ｂはス
キンプレート３と接して配設され、他方のフランジ４ｃ
は主桁１の一側縁と略同じ高さに設けられている。ま
た、セグメントの主桁１の桁高さｈに対して、Ｈ形状の
ずれ止めは、ｈの０．８〜５．０倍の範囲内の間隔Ｗで
配置する。さらに、セグメントの主桁１と継手板２の何
れか一方または、両方にフランジ部材を設けることがあ
る。

【００２５】前記のように構成されたセグメント枠体に
おいて、隣り合うずれ止め４における内空側のフランジ
４ｃ間の間隙５から、主桁１と継手板とスキンプレート
３とずれ止め４で形成されるセグメント内空間に、中詰
コンクリート６が充填されている。

【００２６】前記構成において、中詰コンクリート６は
硬化した後は、隣り合うフランジ４ｃと隣り合うウェブ
４ａとスキンプレート３で開口部が絞られた袋状の空間
に閉じ込められた態様となり、合成セグメントに圧縮力
または曲げ力が作用する場合には中詰めコンクリートに
確実に圧縮力が発生する。

【００２７】すなわち、図１において、合成セグメント
にせん断力が作用すると、隣り合うＨ形状のずれ止め４
のフランジ４ｂ、４ｃとウェブ４ａの隅角部７を固定点
として中詰コンクリート６に図示矢印（イ）の向い合う
力が作用し、当該中詰コンクリート６に斜線領域で示す
圧縮斜材（ロ）が形成され、セグメント枠体を変形させ
る力に抵抗する。

【００２８】また、この圧縮斜材（ロ）の反力として、
Ｈ形状のずれ止め４のウェブ４ａに図示矢印（ハ）の引
張力が発生するとともに、主桁１には図２に矢印（ニ）
で示すように、隣り合うＨ形状のずれ止め４のフランジ
４ｂ、４ｃとウェブ４ａの隅角部７であって、中詰コン
クリート６の圧縮斜材（ロ）の固定点でない点に向かう
引張力が発生し、前記の圧縮力および引張力の釣り合い
によりセグメント枠体を変形させる力に抵抗するのであ
る。

【００２９】図３は、Ｈ形状のずれ止め４が所定の間隔
で複数設けられた合成セグメントにおいて、矢印（ホ）
方向の荷重を載荷した場合に、セグメントに作用するせ
ん断力に抵抗して中詰コンクリート６に発生する圧縮力
と主桁に発生する引張力の関係を示している。

【００３０】すなわち、図３において、内空側から矢印
（ホ）方向のかけたとき、中詰コンクリート６が充填さ
れた各Ｈ形状のずれ止め４間には、向い合う矢印が発生
する楕円で示す中詰コンクリート６中の圧縮域（ヘ）
と、反対向きの矢印で示す鋼材中の引張域（ト）が形成
され、圧縮域（ヘ）と引張域（ト）が合成されて、結果
的に、せん断に抵抗する領域（チ）と曲げに抵抗する領
域（リ）が形成され、全体として中詰コンクリート６と
Ｈ形状のずれ止め４を介して中詰コンクリート６と主桁
との一体化が図られて、合成セグメントにせん断力が作
用し、その結果、合成セグメントに作用する曲げ力が変
化しても中詰コンクリート６に発生する圧縮力および主
桁１に発生する引張力が変化して一体として作用力に抵
抗するのである。

【００３１】本発明は前述のように機能し、合成セグメ
ントに作用する曲げモーメントが変化する場合には、必
ずせん断力が作用しているが、Ｈ形状のずれ止め４と中
詰コンクリート６および主桁１により確実に前記のせん
断力に抵抗することができる、すなわち、曲げモーメン
トに抵抗することが可能になっている。

【００３２】この点に関し、従来の鋼製セグメントにコ
ンクリートを中詰めするだけの場合には、コンクリート
中に確実に圧縮斜材を形成することができなかったた
め、合成セグメントにはなり得なかったのである。

【００３３】そして、従来の合成セグメントがスキンプ
レートにずれ止めを配置することで、鋼材（スキンプレ
ート様鋼材）とコンクリートの合成効果を発揮させてい
たのと比較し、本発明の合成セグメントは、Ｈ形状のず
れ止め４を用いるだけで、鋼材とコンクリートの合成効
果を発揮させることが可能であり、安価に高性能な合成
セグメントを提供することが可能となっている。

【００３４】本発明の合成セグメントは、前記の作用に
より鋼材とコンクリートの合成効果を発揮するため、Ｈ
形状のずれ止め４の仕様（フランジ厚さ、ウェブ厚さな
ど）は、せん断力に対して設計すればよい。

【００３５】また、本発明の合成セグメントでは、セグ
メントリング組立てに際し、シールドマシンのジャッキ
推力に対しては、中詰めコンクリート６により抵抗する
ことを基本とするが、大口径トンネル等において、大型
シールドマシンのジャッキ推力が大きい場合には、Ｈ形
状のずれ止め６を推力部材の一部として考慮することが
できる。

【００３６】さらに、合成セグメントに作用する土水圧
は、中詰めコンクリート６を介してＨ形状のずれ止め４
のトンネル内空側のフランジ４ｃに伝達されるので、ト
ンネル外面に配置するスキンプレート３は、止水材の機
能のみを発揮できればよい。

【００３７】

【実施例】以下本発明の実施例を、図４〜図８を参照し
て説明する。

【００３８】図４〜図７は、実施例１に係る合成セグメ
ント１０を示す。この合成セグメント１０は、溝形鋼か
らなりコ字状開口部を対向させた主桁１１と、主桁１１
の両端に固着した鋼板からなる継手板１２と、前記主桁
１１間に設けられるとともに、所定の間隔をあけて継手
板１２と平行に設けた複数本の略Ｈ形状のずれ止め１４
と、セグメント外側（地山側）に配置され、主桁１１と
継手板１２と略Ｈ形状のずれ止め１４によって支持され
たスキンプレート１３とからセグメント本体が構成さ
れ、このセグメント本体内に中詰コンクリート１６が充
填されている。

【００３９】さらに説明すると、スキンプレート１３は
薄鋼板からなり、溝形鋼製の主桁１１の一方のフランジ
１１ａとＨ形状のずれ止め１４の一方のフランジ１４ｃ
に当接し、この当接部を隅肉溶接し、継手板１２は主桁
１１の端部に当てがって溶接するとともに、外端縁をス
キンプレート１３の端部内側面に固定している。Ｈ形状
のずれ止め１４はそのウェブ１４ａをトンネル中心方向
に配設し、その高さは、主桁１１の高さｈと略等しく設
けられている。

【００４０】Ｈ形状のずれ止め１４と溝形鋼製の主桁１
１の取り合いは任意でよいが、図示例では、Ｈ形状のず
れ止め１４のフランジ１４ｂ、１４ｃの両端部を主桁１
１のフランジ１１ａ、１１ｂの幅と同じ長さだけカット
し、フランジ１４ｂ、１４ｃがカットされたウェブ端部
１４ｄを、溝形鋼製の主桁１１の両フランジ１１ａ、１
１ｂ、ウェブ１１ｃで囲まれる内側に差し込み、その両
側を隅肉溶接する。この時、ずれ止め１４のフランジ１
４ｂ、１４ｃの端縁は、溝形鋼製の主桁１１の両フラン
ジ１１ａ、１１ｂの内端縁と接しており、その当接部を
溶接する。主桁１１と継手板１２には、セグメント間お
よびリング間の継手用ボルトの挿入孔１８が開設されて
いる。なお、嵌合継手でセグメント間およびリング間を
結合することがあり、この場合は、ボルトの挿入孔１８
は必要としない。

【００４１】前記のようにして構成されたセグメント本
体における、隣り合うずれ止め１４の間の比較的大きい
間隙１５から中詰コンクリート１６をセグメント内に容
易に充填し、合成セグメント１０を完成する。こうして
製作された合成セグメント１０にせん断力が作用し、各
部材に圧縮力や引張力が作用したとき、セグメント内に
充填された中詰コンクリート１６が、Ｈ形状のずれ止め
４と主桁１１とで拘束され、結果、各部材と中詰コンク
リート１６の一体化が一層強固になり、隣り合うＨ形状
のずれ止め１４のフランジ１４ｂ、１４ｃとウェブ１４
ａの隅角部１７を固定点として、中詰コンクリート１６
が圧縮力に抵抗すると共に、主桁１１が引張力に抵抗
し、合成セグメント１０の剛性と強度が向上する。

【００４２】なお、前記合成セグメント１０において、
主桁１１と継手板１２の一方または両方を、Ｈ形状のず
れ止め１４と同じＨ断面形状の鋼材で構成し、あるいは
平板の鋼材で構成してもよい。

【００４３】セグメント桁高さｈとずれ止めの間隔Ｗ
は、１：１、１：２、１：４等任意の寸法関係に設定す
るとよい。

【００４４】図８（Ａ）、（Ｂ）は、実施例２を示す。
この実施例２は、本発明を矩形断面のトンネル用の合成
セグメント１０ａに実施した例が示されている。つま
り、実施例２の合成セグメント１０ａは全長がフラット
である点が、実施例１の円弧状をなす合成セグメント１
０と相異している。Ｈ形状のずれ止め１４の断面形状お
よび、その他の構成は実施例１と同じであるので、実施
例１と同等要素には同一符号を付して説明を省略する。

【００４５】

【発明の効果】本発明に係る合成セグメントによれば、
主桁とＨ形状のずれ止めにおけるフランジとウェブに囲
まれた中詰めコンクリートは完全に拘束されることにな
り、鋼材とコンクリートとが強固に一体化され、従来の
合成セグメントに必要であったスキンプレートの内面に
設けるジベル筋、突起部材等のコンクリートとスキンプ
レートの一体化をより強固にするためのずれ止めを無く
ことが可能であり、さらに、セグメントのトンネル内空
側からコンクリートを中詰めすることが可能になること
から、従来の合成セグメントに比較して、安価で高性能
な合成セグメントを実現することが可能となる。

【００４６】また、Ｈ形状のずれ止めで堅牢に支持され
るスキンプレートは、大深度に建設されるシールドトン
ネルに作用する大水圧に対しても、止水を完璧に行い、
安全かつ経済的に大深度のシールドトンネルを建設する
ことが可能となる。さらに、セグメントリングの組立て
に際し、ジャッキ推力が大きい場合には、Ｈ形状のずれ
止めを推力部材の一部として考慮することができるの
で、大口径のトンネル用セグメントにも適している。さ
らに、Ｈ形状のずれ止めを用いている場合には、トンネ
ル内空側からトンネルの外向きに中詰めコンクリートに
作用する力を主桁に伝達することも可能である。

【００４７】さらに、Ｈ形状のずれ止めの代わりにＴ形
状のずれ止めを用いた場合であっても、スキンプレート
を介して中詰めコンクリートに作用する土水圧を、Ｔ形
状のずれ止めにより主桁に伝達することが可能であり、
この場合にはスキンプレートの厚さにより合成セグメン
トとして設計する場合または鋼製セグメントとして設計
する場合がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合成セグメントにせん断力が作用した
場合に鋼材とコンクリートに発生する引張力と圧縮力の
関係を示す合成セグメントの中央部位置の長手方向縦断
面図である。

【図２】図１の引張力と圧縮力が発生した場合におい
て、主桁に発生する引張力を示す合成セグメントの主桁
内側面位置の長手方向縦断面図である。

【図３】本発明の合成セグメントに荷重を載荷してせん
断力を作用させたときに発生する、引張力と圧縮力の関
係を示す合成セグメントの中央部位置の長手方向縦断面
図である。

【図４】実施例１に係るセグメントのトンネル内空側か
ら見た一部破断斜視図である。

【図５】図４の中央部長手方向の断面図である。

【図６】図４の幅方向の断面図である。

【図７】主桁とずれ止めの接合関係を示す説明斜視図で
ある。

【図８】（Ａ）は、実施例２に係るセグメントのトンネ
ル内空側から見た一部破断斜視図、（Ｂ）は、図（Ａ）
の中央部長手方向の断面図である。

【符号の説明】

１ 主桁 ２ 継手板 ３ スキンプレート ４ Ｈ形状のずれ止め ４ａ フランジ ４ｂ フランジ ５ 間隙 ６ 中詰コンクリート ７ 隅角部 １０ 合成セグメント １１ 主桁 １１ａ フランジ １１ｂ フランジ １１ｃ ウェブ １２ 継手板 １３ スキンプレート １４ ずれ止め １５ 間隙 １６ 中詰コンクリート １７ 隅角部 １８ ボルト挿通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊島 径 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Ｆターム(参考） 2D055 CA01 EB01 EB05 KB04 KB07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールドトンネルの覆工構造体を構成す
   るセグメントであって、少なくとも２本の主桁と２つの
   継手板とスキンプレートを有し、かつ、１本または複数
   本の略Ｈ形状のずれ止めが前記主桁間に設けられると共
   に、そのウェブをトンネルの中心方向に向けて配置さ
   れ、セグメント内部にコンクリートが中詰めされたこと
   を特徴とする合成セグメント。
2. 【請求項２】 請求項１記載の合成セグメントであっ
   て、当該セグメントの主桁の桁高さｈに対して、Ｈ形状
   のずれ止めがｈの０．８〜５．０倍の間隔Ｗで配置され
   たことを特徴とする合成セグメント。
3. 【請求項３】 請求項１および２または、その何れか１
   項に記載の合成セグメントであって、当該セグメントの
   主桁と継手板の何れか一方または、両方にフランジ部材
   を有することを特徴とする合成セグメント。