JP2005273388A - コンクリートセグメント - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な強度アップを望めるのは勿論、その後のコンクリートの充填に支障をきたさず、また、コストアップを抑える。
【解決手段】 玄武岩繊維等の補強繊維がシート状に形成された補強用シート１０や網目状のもの１１を、コンクリートセグメント２の表面部分あるいは角部に埋設する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、トンネル覆工用として用いられるコンクリートセグメントに関する。

従来、例えばシールドトンネルなどの筒状地下構造物では、筒状の覆工体を形成するためにそのような覆工体を軸方向、周方向に分割した形状を有する曲板状のセグメントを、掘削面に配置して、覆工体の延設方向および周方向に接合する工法が採用されている。
このようなセグメントとして、鉄筋コンクリート構造のコンクリートセグメントや、鋼枠にコンクリート打設する合成セグメントなどが知られている。
ここで、コンクリートセグメントの補強方法として、鉄筋の密度を増す、あるいは大径の鉄筋を使用する、あるいは特許文献１に記載のように、補強用鉄骨を用いＳＲＣ構造にするといったことが考えられている。
特開２００１−２７０９９号公報

しかしながら、上記のような従来のコンクリートセグメントの補強方法にあっては、以下のような問題があった。
すなわち、鉄筋の密度を増したり、より大径の鉄筋を使用する補強方法では、後に打設するコンクリートの流動性に支障を来し充填効率が悪くなる、また、鉄筋の加工に手間がかかり、その分コストがアップするという問題があった。
また、補強用鉄骨を用いてＳＲＣ構造にする補強方法の場合、鉄骨自体が高価であることから、コストがアップするという問題があった。

本発明の目的とするところは、上記事情に鑑みてなされたものであり、十分な強度アップを望めるのは勿論、その後のコンクリートの充填に支障をきたさず、また、コストアップを抑えることができるコンクリートセグメントを提供することにある。
また、表面のひびわれや角部の欠けが生じにくいコンクリートセグメントを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、補強繊維が混入されていることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記補強繊維が網目状に形成されて混入されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記補強繊維がシート状に形成された補強用シートを、表面部分に埋設されていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記補強繊維がシート状に形成された補強用シートを、角部に埋設されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記補強繊維が玄武岩繊維であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、補強繊維が混入されているから、コンクリート自体の強度を高めることができ、このため、内部に配置する鉄筋の密度を増したり、より大径の鉄筋を使用することなく、コンクリートセグメントの強度を高めることができる。

請求項２記載の発明によれば、補強繊維が網目状に形成されて混入されており、この網目状に形成した補強繊維を所要箇所に配置することにより、全体を補強繊維を用いて均一に補強する場合に比べて、所要箇所を重点的に補強することができ、効率の良い補強が行える。

請求項３記載の発明によれば、補強用シートを表面部分に埋設しており、施工途中あるいは施工後において生じがちな表面部分のひびわれの発生を未然に抑制できる。また、ひび割れを分散してひび割れ幅を抑制する効果が期待できる。また、トンネル施工の場合であると、施工後において、経年変化等によりコンクリートが劣化して剥落するのを未然に防止することができる。

請求項４記載の発明によれば、補強用シートを角部に埋設しており、施工途中あるいは施工後において最も荷重が集中しやすい角部を重点的に補強することにより、角部の欠けを未然に防止できる。

請求項５記載の発明によれば、補強繊維が玄武岩繊維であり、玄武岩繊維は例えば強度の面で優れるガラス繊維と比較しても、強度的に勝り、しかも耐酸性・耐アルカリ性にも優れるため、セグメントとして用いた場合、長期に渡って安定した強度が得られる。また、抗振動力があるため、振動を吸収しやすくなり、トンネル内で生じる振動や騒音を低減することができる。加えて、玄武岩繊維は、もともと自然界にある玄武岩から作るものであるから、使用後廃棄する場合でも、産業廃棄物として廃棄することなく、すみやかに土に戻すことができる。

ここで、コンクリートセグメントの補強繊維を用いた補強について説明すると、コンクリート中に、高強度の各種新素材繊維を配置させた繊維補強コンクリートセグメントは、コンクリートミックス中に補強繊維類を配置して硬化させたものであり、コンクリートの欠点である引張強度や曲げ強度が低い性質をこれによって補うことができると共に、弾性的な性質を付与したり、たわみ量を大きくすることができるという特徴を持つ。
繊維補強コンクリートセグメントは、セメントマトリックス中に補強繊維を次の方法により分散せしめて形成される。

（i）補強繊維をセメント系マトリックス中に三次元ランダム分散状体の形で成形するプレミックス法。
（ii）補強繊維をセメント系マトリックス中に二次元ランダム分散状態で形で成形するスプレー法。
（iii）補強繊維をセメント系マトリックス中に網目状またはシート状の如き繊維構造物の形で成形する方法。

しかしながら、前記（i）の方法では、補強繊維の混入量がせいぜい３重量％しか均一に分散できず、補強効果が低い。また、それ以上の混入量とすると繊維が絡まったりして不連続の繊維塊などが発生し易くなり、繊維混入量を増加しても製品強度はさほど増加せず、むしろ成形作業性の低下や強度むらの発生など望ましくない現象を引き起こす。
（ii）の方法は、（i）の方法に比べて補強繊維の混入量もかなり広範囲に均一分散できるが、セメントー水系スラリーの供給ポンプ及びスプレーガンの構造等の制約により、骨材の使用量及び粒径が制限され、大きな補強効果が得られない。
（iii）の方法は、繊維補強コンクリートセグメントの製造法の中では最も合理的な方法であり、補強繊維の混入量も広範囲に選択でき、強度のばらつきも少なく、使用骨材の制約も少なく、補強繊維による補強効果が高い。

本発明に使用する補強繊維は、種々の公知の繊維を単独あるいは混合して使用する。例として、耐アルカリガラス繊維、Ｅガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリアリレート繊維等が挙げられるが、これに限定されない。中でも、コンクリートのアルカリ成分で劣化せず、比較的安価な耐アルカリガラス繊維が、特に好ましい。

これらの補強繊維は繊維構造物の形でも使用される。繊維構造物の形態は任意であり、その例として、からみ織り、平織りおよび模しゃ織り等の二軸織物、三軸織物、直交もしくは三軸の組布、編物等が挙げられるが、これに限定されない。なかでも、強度設計が容易な二軸織物および直交の組布の形が好ましい。二軸織物は交点強度が高く特に好ましい。これら補強繊維に使用する繊維の種類、構造物の形態及び繊維混入量を種々に変化させて破壊形態を制御することができる。

二軸織物、直交の組布は、コンクリート中の細骨材が通過できる３ｍｍ〜３０ｍｍの目開きを有する格子状であることが好ましい。また、補強効果は繊維混入量が多くなるほど大きくなるため、繊維混入量と目開きの間隔を調整する必要があるので、繊維混入量が少なくなり過ぎず、かつ細骨材が通過できる３〜１５ｍｍが特に好ましい。

繊維混入量は、必要とされる補強効果、使用する繊維の種類により、適宜決めることができるが、３０ｇ／ｍ²〜３５０ｇ／ｍ²程度が好ましい。
繊維構造体には、交点を拘束する樹脂が付着されている。繊維構造体は曲面状のコンクリート体の補強をする場合、曲面に追従する必要があるので、可撓性を持たすため、熱可塑性樹脂が付着されているのが好ましい。樹脂の付着方法は任意であり、例として、樹脂を含有する溶液もしくは分散物を浸漬、噴霧もしくは毛塗り等によって繊維強化材に含浸させる方法等が挙げられるが、これらに限定されない。好ましい態様を例示すると、樹脂の１０〜９９重量％水溶液に補強繊維を浸漬し、引き上げた後６０〜２００℃で０．５〜１０分間乾燥する。樹脂の含有量は、繊維及び樹脂の合計重量に対して２〜６０重量％、特に５〜２０重量％とするのが好ましい。熱可塑性樹脂の種類は、セメントマトリックスの接着力が高い、アクリル系、酢酸ビニル系の樹脂を主成分として用いるのが好ましい。

本発明では、上記の如き方法で、高強力かつ可撓性を有する繊維構造物を用いてあるいは補強繊維を用いて、経済的且つ優れた補強効果を持つコンクリートセグメントを得ることができる。

以下、本発明に係るコンクリートセグメントの各実施形態について図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞

図１に示すように、トンネルはシールド掘進機によって掘削された後、その掘削孔に覆工体１を構成するコンクリートセグメント２を組み付けることにより構築される。覆工体１は、図１に示すように、複数個のコンクリートセグメント２が掘削孔の周囲に沿って設けられることにより環状に形成され、しかも掘削孔の長さ方向に沿い順次設けられることにより図１に示す如き筒状をなしている。
なお、図２中３はコンクリートセグメント２同士をボルトにより接続するための継手部分である

コンクリートセグメント２は、略長方形を円弧状の湾曲した形状とされていて、内部には必要に応じて鉄筋（図示略）が埋設されている。また、コンクリートセグメント２には、補強繊維が混入されている。補強繊維としては、前述したように耐アルカリガラス繊維、Ｅガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリアリレート繊維等が用いられる。また、補強繊維は、短繊維、長繊維いずれでもよいが、均一な強度を得るには、短繊維の方が混入しやすく好ましい。また、補強繊維の配向も強度をあげる上で大きな要素となるが、コンクリートセグメント２は、外側から土圧荷重に対抗し得るよう十分な強度を有しなければならず、トンネルの内周面側に生じる引張力応力に対処するよう、コンクリートセグメント２の内周面２ａ近傍に周方向に沿って補強繊維を配向させるのが好ましい。

しかして、上記構成のコンクリートセグメント２によれば、コンクリート中に補強繊維が混入されているから、コンクリート自体の強度を高めることができ、このため、内部に配置する鉄筋の密度を増したり、より大径の鉄筋を使用することなく、コンクリートセグメント２の強度を高めることができる。

なお、図１、図２に示す例では、略長方形を円弧状の湾曲した形状のコンクリートセグメント２に適用した例に挙げて説明したが、コンクリートセグメント１の形状は必ずしもこのような形状に限られることなく、例えば６角形状のもの、あるいは両側がテーパー状とされた台形状のものであっても十分適用可能である。
＜第２の実施形態＞

図３ないし図４は、本発明にかかる第２の実施形態を示すものである。この第２の実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、補強繊維をあらかじめシート状あるいは網目状に織って、補強用シート１０あるいは網目状のもの１１の繊維構造物の形で使用する。なお、補強用シート１０は、必ずしも規則正しく布状に織ったものである必要はなく、不織布のように不規則に配したものであっても良い。

補強用シート１０あるいは網目状のもの１１のコンクリートセグメント２への配置例としては、図４に示すように、コンクリートセグメント２の内周面２ａあるいは外周面２ｂ等の表面部分に埋設するものがある（図４では内周面側の表面部分のみ埋設したものしか表していない）。なお、この場合、コンクリートセグメント２の内周面２ａと外周面２ｂとの双方に必ずしも埋設する必要はなく、いずれか一方に埋設してもよい。いずれか一方の面に埋設する場合には、トンネル内に露出する内周面２ａの方が好ましい。利用者が見えるトンネル内周面側のひびわれを抑制できるからである。

このように補強繊維を補強用シート１０あるいは網目状のもの１１のように繊維構造物の形で使用する場合、これらを補強の最も必要な所要箇所に集中的に配置することができ、前述の補強繊維をコンクリート中に均一に混入して補強する場合に比べ、所要箇所を重点的に補強することができ、効率の良い補強が行える。
特に、コンクリートセグメント２の表面部分に埋設する場合には、表面部分に生じがちなひびわれを未然に抑制できる。

また、補強用シート１０あるいは網目状のもの１１のコンクリートセグメント２への配置例としては、図５、図６に示すように、コンクリートセグメント２の交差する２面の角部１３に埋設するものがある。さらに、角部１３に埋設する例として、図５に示すように、コンクリートセグメント２の内周面２ａと側端面２ｃが交差する部分、外周面２ｂと側端面２ｃが交差する部分、並びに、側端面２ｃ、２ｃ同士が交差する部分といった全ての角部１３に埋設するものと、図６に示すように、コンクリートセグメント２の内周面２ａと側端面２ｃの交差する角部１３ａにのみ埋設するものとがある。

このように補強繊維を補強用シート１０あるいは網目状のもの１１のを、コンクリートセグメント２の角部１３に埋設する場合には、もともと、コンクリートセグメント２の角部は、他のコンクリートセグメント２あるいは工具さらには機器と衝突する機会が多く、これにより「欠け」が生じがちであるが、この角部１３の「欠け」を未然に防止することができる。
また、コンクリートセグメント２の角部１３に補強用シート等の繊維構造物を埋設するにあたり、図６に示すように、内周面２ａに面する角部１３ａにのみ埋設する構造とすれば、利用者が目にする部分である、トンネル内に露出する内周面２ａの角部１３ａの「欠け」を重点的に回避することができ、ローコストで利用者が目にする部分の「欠け」を防止できる。

さらに、補強用シート１０あるいは網目状のもの１１のコンクリートセグメント２への配置例としては、図７に示すように、コンクリートセグメント２の３面が交差する角部１５にのみ埋設するものがある。特に、図７に示すものは、コンクリートセグメントの内周面２ａ側に面する３面交差部の角部にのみ補強用シート１０あるいは網目状のもの１１を埋設している。
このように、コンクリートセグメント２の３面が交差する角部１５にのみ補強用シート１０等を埋設するようにすれば、最も「欠け」が生じやすい３面交差の角部１５を重点的に保護することができ、低価格で「欠け」の発生を防止することができる。

補強繊維としては、前述したように耐アルカリガラス繊維、Ｅガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等が用いられるが、その他に、玄武岩繊維を用いても良い。
図８に、玄武岩繊維（バサルトファイバ）の物性をガラス繊維（グラスファイバ）のそれと比較したものを示す。

図８からわかるように、玄武岩繊維はガラス繊維に比べ、張力の強さどうしの比較から明らかなように強度的に勝り、また、化学的な物性値の比較から明らかなように耐酸性・耐アルカリ性にも優れるため、セグメントとして用いた場合長期に渡って安定した強度が得られる。また、弾性モディュールの比較から明らかなように抗振動力があるため、振動を吸収しやすくなり、当該コンクリートセグメントにより構築されるトンネルの内部で生じる振動や騒音を低減することができる。加えて、玄武岩繊維は、もともと自然界にある玄武岩から作るものであるから、使用後廃棄する場合でも、産業廃棄物として廃棄することなく、すみやかに土に戻すことができ、地球環境的にも優れたものとなる。

本発明に係るコンクリートセグメントを用いたトンネルを示す斜視図である。 本発明に係るコンクリートセグメントを示す斜視図である。 本発明に係るコンクリートセグメント中に混入される補強用シート並びに網目状のものを示す平面図である。 本発明に係るコンクリートセグメントの実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るコンクリートセグメントの実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るコンクリートセグメントの実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るコンクリートセグメントの実施形態を示す斜視図である。 玄武岩繊維の物性をガラス繊維のそれと比較したものを示すものである。

符号の説明

１ 覆工体
２ コンクリートセグメント
１０ 補強用シート
１１ 網目状のもの
１３ 角部
１５ 角部

Claims (5)

1. 補強繊維が混入されていることを特徴とするコンクリートセグメント。
2. 前記補強繊維が網目状に形成されて混入されていることを特徴とする請求項１記載のコンクリートセグメント。
3. 前記補強繊維がシート状に形成された補強用シートを、表面部分に埋設されていることを特徴とする請求項１記載のコンクリートセグメント。
4. 前記補強繊維がシート状に形成された補強用シートを、角部に埋設されていることを特徴とする請求項１記載のコンクリートセグメント。
5. 前記補強繊維が玄武岩繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のコンクリートセグメント。

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