JP2005068805A - トンネル用セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】 充分な推進反力を確保できる強度を備えさせるについて、全体重量の増加やコストアップの抑制を図れるようにする。
【解決手段】 トンネル周方向及びトンネル軸方向に多数並べて互いに連結することでトンネル壁を形成するためのトンネル用セグメントにおいて、トンネル軸方向両端面を構成する一対の外主桁１，２と、トンネル周方向両端面を構成する一対の継手板と、トンネル周方向に沿って両外主桁と両継手板とにわたって接続される周面板部５とを、金属材料で一体的に構成し、外主桁に対する周面板部の取り付き位置が、外主桁におけるセグメント厚み方向での中央部、又は、中央部よりセグメント厚み方向での内縁部側に設定してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トンネル用セグメントに係り、詳しくは、トンネル周方向及びトンネル軸方向に多数並べて互いに連結することでトンネル壁を形成するためのトンネル用セグメント技術に関するものである。

トンネル用セグメントの基本構造としては種々のものがある。図１５に示すものは、一対の外主桁２１，２２、一対の継手板（図示省略）、及びトンネル軸方向で中央部分がトンネル径方向内側に膨出した凹凸形状の周壁２５の５面を有し、かつ、両外主桁２１，２２と周壁２５において膨出する段差部２５ａとに亘る多数の縦リブ２６が形成された金属製のセグメント本体と、周壁２５における段差部２５ａの外周側にコンクリートを充填して一体的に固めた複合型のセグメント（一般にコルゲート型セグメントと呼ばれる）である。

又、図１６に示すものは、一対の外主桁３１，３２、一対の継手板（図示省略）、外周壁３５の５面を有し、かつ、両継手板（図示省略）に亘る２本の内主桁３６，３６、及び両外主桁３１，３２、と内主桁３６，３６とに跨る多数の縦リブ３７が形成された金属製のセグメント（一般に四主桁型セグメントと呼ばれる）である。又、図示しないが、セグメント全体が鉄筋コンクリートで形成されたコンクリートセグメントもある。尚、金属セグメントとしては、溶接による鋼板製のものや鋳鉄製のものがある。
尚、この様な従来技術に関しては、先行技術調査を行うまでもなく、当業者の間で広く知られているものであることから、先行技術文献は示していない。

従来、シールドトンネルは、地下水圧の小さい比較的浅い地中部分をシールド推進して形成されることが多く、特に、市街地においては、上下水や電力やガス、地下鉄道等の用途で設けられたシールドトンネルが錯綜しているケースも見受けられる。そのような場合には、シールド推進施工に伴う地盤沈下等によって沿道建物や地下埋設物への悪影響を及ぼすことが懸念され、それらの影響防止の為の補助工事を実施しなけらばならず、シールドトンネル建設の工期が長くなると共に、施工手間が掛かりコストアップにも繋がっていた。
しかしながら、近年では、シールド推進技術の発展もあり、高地下水圧の作用する大深度でのシールドトンネル建設が比較的容易に実施できるようになってきている。シールド推進の深度を深く設定できるようになれば、上述のような沿道への悪影響も発生し難くなり、最近の傾向として地中の深い部分にシールドトンネルを設ける事例が増加してきている。
但し、シールド推進の深さが大きくなれば、上述の通り、地下水圧も高くなり、その水圧を前面で受けるシールドマシンの推進力も大きくなる。従って、セグメントには、大きなジャッキ推力を受けることができる強度が必要となる。
前述した従来のトンネル用セグメントによれば、推進ジャッキによる強烈な推進押圧力に耐えるセグメントの強度・剛性を出すには、押圧力が大きく作用する箇所である縦リブを相当な厚さに設定する他なかった。
従って、その厚い縦リブが多数存在することによって、重量が必要以上に重くなりがちであり、取扱性やコスト面での不利があった。

本発明の目的は、充分な推進反力を確保できる強度を備えさせるについて、全体重量の増加やコストアップの抑制を図ることが可能なトンネル用セグメントを提供する点にある。

請求項１の発明の特徴構成は、トンネル周方向及びトンネル軸方向に多数並べて互いに連結することでトンネル壁を形成するためのトンネル用セグメントにおいて、トンネル軸方向両端面を構成する一対の外主桁と、トンネル周方向両端面を構成する一対の継手板と、トンネル周方向に沿って前記両外主桁と前記両継手板とにわたって接続される周面板部とを、金属材料で一体的に構成し、前記外主桁に対する前記周面板部の取り付き位置が、前記外主桁におけるセグメント厚み方向での中央部、又は、中央部よりセグメント厚み方向での内縁部側に設定してあるところにある。

シールドマシーンを推進させるには、前述の通り、シールドセグメントをリング状に組み付けて連結してリング状周壁を形成し、その端面にシールドマシンの推進ジャッキを押し当てて推進反力を確保しながらジャッキを伸長させることで実施されるが、シールドマシンの機構上、推進ジャッキの押し当て作用位置は、シールドセグメントの厚み中央よりトンネル内側に寄った位置に設定されていることが多い。従って、シールドセグメントの厚みのうち、トンネル内周側に、より大きい推進力が作用することとなる。
請求項１の発明の特徴構成によれば、トンネル周方向に沿った面である周面板部におけるトンネル軸方向の両端部を、外主桁におけるセグメント厚み方向での中央部、又は、中央部よりセグメント厚み方向での内縁部側に設定してあるから、推進ジャッキ等の機器を用いて既設のセグメントに未設のセグメントを連結させたり、推進ジャッキを伸長させてシールド推進させたりする際に、外主桁の裏面に接続された周面板部が、前記推進ジャッキの押し当て作用位置に近い位置でより確実に受けることが可能となる。
このように、推進ジャッキからの押圧力を、前記周面板部が受け持つ割合いが大きくなる分、縦リブの耐力負担が小さくなり、それによって多数存在する縦リブの肉厚を減少させることができ、その結果、セグメント重量を軽減することが可能になる。

請求項２の発明の特徴構成は、前記両外主桁、前記両継手板、及び前記周面板部とで囲まれるセグメント厚み内の空間部のうち、セグメント厚み方向での前記周面板部よりトンネル外側の空間部にコンクリートを充填して固化させてあるところにある。

請求項２の発明の特徴構成によれば、請求項１の発明による作用効果を叶えることができるのに加えて、周面板部の内外に形成された空間部のうちの、トンネル径方向で外側の空間部にコンクリートを充填して一体に固めてあるので、その充填部分の耐圧縮力が向上し、セグメント外径側にトンネル周方向の圧縮力が作用する場合に特に好適なセグメントとなる。
従って、トンネル外方からの外力によって曲げモーメントが作用する最も強度条件の厳しい箇所においても、充分な強度を発揮することができる。
その結果、セグメントの厚み寸法（トンネル径方向寸法）を増やすことなく、より大きな曲げモーメントに耐え得るようになった。

請求項３の発明の特徴構成は、前記周面板部は、トンネル周方向視の断面形状を扁平に形成してあり、前記両外主桁間のセグメント厚み内の前記空間部に、前記外主桁と間隔をあけて対面状態に、且つ、前記周面板部と一体となるように内主桁を形成してあるところにある。

請求項３の発明の特徴構成によれば、請求項１又は２の発明による作用効果を叶えることができるのに加えて、周面板部の内外に形成された空間部のうちの、トンネル径方向で内径側の空間部にトンネル周方向に沿う内主桁を設けたことにより、内主桁が装備された側にトンネル周方向の引張り力が作用する場合に好適なセグメントになる。即ち、トンネルとしての上側に位置して、トンネル周方向の中間部が下方に押圧されるように土圧による曲げモーメントが作用する最も強度条件の厳しい箇所のセグメントに相応しい、高強度のセグメントを実現することができる。そして、周面板部はトンネル軸方向に平であるから、平でない形状のものに比べて、トンネル軸方向でのセグメント連結の際に作用する強大な押圧力に対する抗力を大きくすることができ、より強度条件に優れるようになり、周面板部の厚みを薄くして軽量化することが可能になる。
従って、周面板部がトンネル軸方向に平であることによる更なる軽量化を可能としながら、セグメントの厚み寸法（トンネル径方向寸法）を増やすことなく、トンネル内径側に作用する方向においてはより大きな曲げモーメントに耐え得るようになった。

請求項４の発明の特徴構成は、前記周面板部は、トンネル周方向視の断面形状が、その中間部が一対の段差部を介してセグメント表裏の少なくとも何れか一方側に膨出する形状に構成してあるところにある。

請求項４の発明の特徴構成によれば、請求項１又は２の発明による作用効果を叶えることができるのに加えて、前記周面板部は、トンネル周方向視の断面形状が、その中間部が一対の段差部を介してセグメント表裏の少なくとも何れか一方側に膨出する形状に構成してあるから、セグメントのトンネル軸芯方向での中間でトンネル内径側に位置する中央領域部分の周面板部分によって、セグメントにおけるトンネル内径側がトンネル周方向の引張り力を受けるに好適なものとなる。そして、周面板部が段差状であることから、トンネル周方向に沿う内主桁に相当する部分が存在することになり、この点からも、セグメントにおけるトンネル内径側がトンネル周方向の引張り力を受けるに好適なものになる。
その結果、周面板部のトンネル周方向での断面形状がトンネル径方向で内径側に向かって凸形となるよう構成する工夫により、セグメントの厚み寸法（トンネル径方向寸法）を増やすことなく、トンネル内径側に作用する方向においては、より大きな曲げモーメントに耐え得るようになる。

尚、上述のように、図面との対照を便利にするために符号を記したが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、トンネル用セグメントＳは、トンネル軸方向両端の一対の外主桁１，２と、トンネル周方向両端の一対の継手板３，４と、トンネル軸方向の両端部が外主桁１，２におけるトンネル径方向幅の略中央（中間の一例）に位置する状態で、両外主桁１，２及び両継手板３，４に接続される周面板部５とを有したダクタイル製のセグメント本体ｓｈと、両外主桁１，２、両継手板３，４、及び周面板部５とで囲まれる内外の空間部のうち、トンネル径方向で外側の空間部に充填固化されたコンクリートｃとから成る変形コルゲート型の合成セグメントに構成されている。

参考として図１４に示すように、トンネルは、複数（この図では９個）のセグメントをトンネル周方向及びトンネル軸方向に連結することで形成されている。尚、符記しないが、９個のセグメントＳをトンネル周方向に連結したものを、単位トンネルリングと呼び、トンネル軸方向で隣合うトンネルリングどうしは、トンネル周方向での連結面がトンネル軸方向で一致しないよう、トンネル周方向に互いに位置ずれさせてトンネル軸方向に多数組付けられている。

周面板部５は、これのトンネル軸方向で中央領域部分がトンネル径方向で内径側に寄った段差面形状に構成されており、セグメントＳとしての厚さ方向の中央に位置する一対の端部周壁５ａ，５ａと、厚さ方向で最内径側となる中央周壁５ｂと、これら端部周壁５ａ，５ａと中央周壁５ｂとの間の一対の縦壁（段差部に相当）５ｃ、５ｃとが形成されている。又、端部周壁５ａと縦壁５ｃとの境目部分、及び外主桁１，２におけるトンネル外径側端部分には、コンクリートｃの抜け止めを行うべくトンネル軸方向に張出させた突起９が多数形成されている。
即ち、前記外主桁１，２に対する前記周面板部５の取り付き位置は、前記外主桁１，２におけるセグメント厚み方向での中央部に設定してある。従って、周面板部５を両外主桁１，２におけるセグメント厚み方向での外側縁部にわたって取り付けてあるものに比べて、推進用油圧ジャッキ１０の推進力を前記周面板部５によってより強力に受け止めることが可能となる。
また、前記両外主桁１，２、前記両継手板３，４、及び、前記周面板部５とで囲まれるセグメント厚み内の空間部Ｖのうち、セグメント厚み方向での前記周面板部５よりトンネル外側の空間部Ｖ１には、コンクリートｃを充填して固化させてある。

そして、一方の端部周壁５ａと外主桁１に亘って、及び他方の端部周壁５ａと外主桁２とに亘って多数の縦リブ６が形成されており、隣合う縦リブ６，６間における一方の外主桁１に、セグメント連結装置Ｒを構成する孔部７が形成されている。他方の外主桁２には、孔部７に係入するオス部材８が対応する位置に固定されており、これら孔部７とオス部材８とにより、トンネル軸方向で隣合うセグメントどうしＳ，Ｓを連結させる連結装置Ｒを構成してある。

図４に模式的に示された連結作用図のように、トンネル軸方向にて隣合うセグメントどうしＳ，Ｓを連結させるには、既設のセグメントＳｋに対して、未設のセグメントＳｍを推進用油圧ジャッキ１０を用いてトンネル軸方向に強制的に押し付けて、オス部材８を孔部７に係入することで為される。この際、両セグメントＳｋ，Ｓｍにおける外主桁１，２に作用するトンネル軸方向の強い圧力は、孔部７両サイドの縦リブ６，６と端部周壁５ａとでその大部分を受け持つようになる。

ところで、連結装置Ｒの位置が、セグメントの厚さ方向で中心よりもトンネル内径側に寄っているが、これは次のような理由による。即ち、合成セグメントや金属セグメントは、これらどうしの連結に加えて、コンクリートセグメントとも連結して使用する場合がある。コンクリートセグメントでは、オス部材や孔部は鋳鉄等のインサート部品となるので、埋設強度を確保すべくセグメント厚み方向の中心に位置させることになるが、コンクリートセグメントの厚さ（トンネル径方向長さ）は、金属製セグメントや合成セグメントの厚みより厚いとともに、シールドマシンによって掘られた素堀りのトンネル状態では、外周位置を合さざるを得ないという状況がある。

従って、連結時におけるコンクリートセグメントと合成（又は金属）セグメントとの位置関係は、図５に示すような状態になる。つまり、コンクリートセグメントＣＳと合成（又は金属）セグメントＳとは外周位置を一致させた状態で連結されるので、コンクリートセグメントＣＳの厚み方向での中心線ｐに位置するオス部材８（又は孔部７）は、合成（又は金属）セグメントＳにおける厚み方向で中央よりも明確に内径側に寄った位置になってしまうのであり、これが前述した理由である。尚、図５におけるｄは、コンクリートセグメントＣＳの厚みの半分の値を示すものである。

しかして、図１５や図１６に示す従来のセグメントでは、連結装置Ｒの連結時における圧力には、殆ど縦リブ２６，３７で抗する状態であったため、強度を出すべく縦リブ２６，３７は相当に厚くしなければならず、これが金属製のセグメント本体が重くなる原因であった。これに対して、周面板部５のトンネル軸方向端部の位置をセグメント厚み方向での中央に寄せた本願のもの（図１、図２参照）では、縦リブ６と周面板部５との双方によって連結作業時の強大な押圧力に抗することができるので、縦リブ６や周面板部５を従来よりも薄くして金属製のセグメント本体ｓｈを軽量化しながらも、セグメントＳにおける連結装置Ｒ部位の強度・剛性を向上させることが可能になっている。

〔別実施形態〕
〈１〉図６〜図８に示すように、トンネル軸方向両端の一対の外主桁１１，１２と、トンネル周方向両端の一対の継手板１３，１４と、トンネル軸方向の両端部が外主桁１１，１２におけるトンネル径方向幅の略中央（中間の一例）に位置する状態で、両外主桁１１，１２及び両継手板１３，１４に接続される周面板部１５とを有したダクタイル製のセグメント本体ｓｈと、両外主桁１１，１２、両継手板１３，１４、及び周面板部１５とで囲まれる内外の空間部のうち、トンネル径方向で外側の空間部に充填固化されたコンクリートｃとから成る変形四主桁型の合成セグメントＳでも良い。
また、周面板部１５は、トンネル軸方向には平らなものであり、トンネル径方向で内側２箇所に、外主桁１１，１２に沿った内主桁１６，１６と、これら内主桁１６，１６に亘り、かつ、各外主桁１１，１２と内主桁１６とに亘る多数の縦リブ１７を一体形成してある。この場合でも、コンクリートｃの抜け止め用として、外主桁１１，１２の外径側端から内向きに突出した抜け止め突起１８を複数箇所に形成すると良い。
〈２〉前記周面板部５，１５は、先の実施形態で説明したように、前記外主桁１，２，１１，１２に対する前記周面板部５，１５の取り付き位置が、前記外主桁１，２，１１，１２におけるセグメント厚み方向での中央部に限るものではなく、例えば、セグメント厚み方向での中央部よりセグメント厚み方向での内縁部側に設定してあってもよい。その一例を示すと、図１３に示すように、セグメント厚み方向での内縁部に周面板部５，１５の取り付き位置を設定してあるものであってもよい。
〈３〉前記コンクリートの充填空間は、先の実施形態で説明したように前記両外主桁１，２（１１，１２）、前記両継手板３，４（１３，１４）、及び前記周面板部５（１５）とで囲まれるセグメント厚み内の空間部Ｖのうち、セグメント厚み方向での前記周面板部５（１５）よりトンネル外側の空間部Ｖ１にのみコンクリートｃを充填して固化させてあるものに限らず、例えば、図９、図１０に示すように、前記空間部Ｖのうち、セグメント厚み方向での前記周面板部５（１５）よりトンネル内側の空間部Ｖ２にもコンクリートｃを充填して固化させてあるものであってもよい。この実施形態の場合、セグメントの強度を、より向上させることが可能となる。
〈４〉図３、図８に示した実施形態において、縦リブ６，１７のトンネル中心側の縁部の全長にわたって、図１１、図１２に示すように、トンネル内周面に沿ったフランジ部６ａ，１７ａを形成してあってもよく、この場合は、前記周面板部５，１５と共に、このフランジ部６ａ，１７ａによって、推進ジャッキの押圧力を強力に受けることが可能となる。

本発明の変形コルゲート型複合セグメントを示す横断面図 図１に示すセグメントの形状及び構造を示す部分斜視図 図１に示すセグメントの全体斜視図 油圧ジャッキによるセグメントの組付け作用図 複合セグメントとコンクリートセグメントとの厚さ関係を示す側面図 本発明の変形四主桁型複合セグメントを示す断面図 図６に示すセグメントの形状及び構造を示す部分斜視図 図６に示すセグメントの全体斜視図 別実施形態のセグメントを示す横断面図 別実施形態のセグメントを示す横断面図 別実施形態のセグメントを示す一部切欠き斜視図 別実施形態のセグメントを示す一部切欠き斜視図 別実施形態のセグメントを示す斜視図 トンネルを示す斜視図 従来のコルゲート型セグメントを示す横断面図 従来の四主桁型セグメントを示す横断面図

符号の説明

１ 外主桁
２ 外主桁
３ 継手板
４ 継手板
５ 周面板部
５ｃ 段差部
１１ 外主桁
１２ 外主桁
１３ 継手板
１４ 継手板
１５ 周面板部
１６ 内主桁
ｃ コンクリート
Ｖ 空間部
Ｖ１ トンネル外側の空間部

Claims (4)

1. トンネル周方向及びトンネル軸方向に多数並べて互いに連結することでトンネル壁を形成するためのトンネル用セグメントであって、
   トンネル軸方向両端面を構成する一対の外主桁と、トンネル周方向両端面を構成する一対の継手板と、トンネル周方向に沿って前記両外主桁と前記両継手板とにわたって接続される周面板部とを、金属材料で一体的に構成し、前記外主桁に対する前記周面板部の取り付き位置が、前記外主桁におけるセグメント厚み方向での中央部、又は、中央部よりセグメント厚み方向での内縁部側に設定してあるトンネル用セグメント。
2. 前記両外主桁、前記両継手板、及び前記周面板部とで囲まれるセグメント厚み内の空間部のうち、セグメント厚み方向での前記周面板部よりトンネル外側の空間部にコンクリートを充填して固化させてある請求項１に記載のトンネル用セグメント。
3. 前記周面板部は、トンネル周方向視の断面形状を扁平に形成してあり、前記両外主桁間のセグメント厚み内の前記空間部に、前記外主桁と間隔をあけて対面状態に、且つ、前記周面板部と一体となるように中主桁を形成してある請求項１又は２に記載のトンネル用セグメント。
4. 前記周面板部は、トンネル周方向視の断面形状が、その中間部が一対の段差部を介してセグメント表裏の少なくとも何れか一方側に膨出する形状に構成してある請求項１又は２に記載のトンネル用セグメント。
   

Images