JP2006016900A

JP2006016900A - トンネル構築用セグメント

Info

Publication number: JP2006016900A
Application number: JP2004197390A
Authority: JP
Inventors: Shiyuuji Kuraki; 修二倉木; Masaru Okayama; 勝岡山; Akihiro Dan; 昭博団
Original assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】トンネル構築用セグメントであって、該セグメントのひび割れを防止すると共に、トンネル火災に起因する該セメントの爆裂現象を未然に抑制する。
【解決手段】本発明は、高性能ＡＥ減水剤の添加によって流動性が確保された高流動コンクリートを主成分とするトンネル構築用セグメント１であって、該セグメント１は、強度を増大させるための鋼繊維ＳＦと、耐火性能を高めるためのポリプロピレン繊維ＰＰとが混入されているトンネル構築用セグメントを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル構築用セグメントに関するものであり、特に、高い強度及び耐火性能を有するトンネル構築用セグメントに関するものである。

従来、道路トンネル等を都市部の軟弱地盤において構築する場合、先端に掘削刃を備えたシールドマシンによって地中を掘進しつつ、その後方で掘削部内壁面に沿ってセグメントを順次組み立てることにより、トンネル壁体を構築するシールド工法が一般に採用されている。

該セグメントの材料としては、スランプの小さい硬練りコンクリートが一般に使用されている。又、近年では、流動性の大きい高流動コンクリートの使用も脚光を浴びている（特許文献１，２参照）。
特開平１０−１５９２１号公報特開平９−２２７１９１号公報

上記硬練りコンクリートは変形性能に乏しいために、コンクリート中に鋼繊維等を均一に混合させることが非常に困難である。さらに、コンクリート打設時、強力な振動締固めが必要になるという欠点を有する。又、該セグメントは、温度上昇によって内部の水分が蒸発し、コンクリート中に高い水蒸気圧が発生する。この蒸気圧は、緩やかに上昇すればコンクリートの微細孔から徐々に抜けるが、火災等によって急激に高い水蒸気圧が発生した時は瞬時に抜けないために、爆裂（スポーリング）現象が起こる。従って、例えば、道路トンネル内で車両火災が発生した場合、前記爆裂現象に起因してコンクリート層が破壊・剥離し、大災害を招来させるという問題があった。

更に、前記爆裂現象を抑制するために、セグメント内面にボードタイプ耐火被覆工、ブラケットタイプ耐火被覆工または吹付けタイプ耐火被覆工を施すことが多いが、この場合、材料費及び施工費が高価であるうえに、トンネル壁体構築時に最も長い工期（クリティカルパス）になることが多い。

そこで、工期の短縮化を可能にし、トンネル周壁の強度を向上させ、大災害の原因となる爆裂現象を抑制するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は該課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、トンネル構築用セグメントであって、該セグメントは、強度を増大させるための鋼繊維と、耐火性能を高めるためのポリプロピレン繊維とが混入されているトンネル構築用セグメントを提供する。

この構成によれば、セグメントに前記鋼繊維を混入したので、該鋼繊維が応力の分配作用を発揮して補強用鉄筋の代替として機能し、該鉄筋と同等以上の強度が得られる。又、該セグメントに前記ポリプロピレン繊維を混入したので、セグメント自体に高い耐火性能が付与される。

請求項２記載の発明は、上記セグメント単位量当たりの上記鋼繊維の混入量が３５〜４５Ｋｇ／ｍ³ であり、且つ、上記ポリプロピレン繊維の混入量が０．４〜２．０Ｋｇ／ｍ³ である請求項１記載のトンネル構築用セグメントを提供する。

この構成によれば、前記鋼繊維の混入量を３５〜４５Ｋｇ／ｍ³の範囲にすることにより、前記セグメントに前記鋼繊維を必要以上に混入させることなく、所要の曲げ強度、曲げ靭性及び圧縮強度が付与される。ここで、該鋼繊維の混入量が３５Ｋｇ／ｍ³ 未満であれば、前記セグメントに上記所要の曲げ強度等を付与させることが困難になる反面、逆に４５Ｋｇ／ｍ³を越えると、過剰量の鋼繊維が混入されてコスト高を招く。依って、該鋼繊維の混入量は３５〜４５Ｋｇ／ｍ³ が最も好適である。

又、前記ポリプロピレン繊維の混入量を０．４〜２．０Ｋｇ／ｍ³ の範囲にすることにより、前記セグメントに該ポリプロピレン繊維を必要以上に混入させることなく、所要の耐火性能が付与される。ここで、該ポリプロピレン繊維の混入量が０．４Ｋｇ／ｍ³未満であれば、前記セグメントに所要の耐火性能を付与することが困難になる反面、逆に２．０Ｋｇ／ｍ³ を越えると、過剰量のポリプロピレン繊維が混入されてコスト高を招く。依って、該ポリプロピレン繊維の混入量は０．４〜２．０Ｋｇ／ｍ³が最も好適である。

請求項３記載の発明は、上記セグメントは、高性能ＡＥ減水剤の添加によって流動性が確保された高流動コンクリートを主成分とする請求項１又は２記載のトンネル構築用セグメントを提供する。

この構成によれば、コンクリート自体の流動性が高いので、前記鋼繊維やポリプロピレン繊維を容易に均一に混入することができる。さらに、コンクリート打設時に強力な振動締固めを行う必要が無くなる。

請求項１記載の発明は、前記鋼繊維の混入により、鉄筋と同等以上の高い強度をセグメントに付与できるので、配力筋やフープ筋を省略できると共に、該セググメントの厚さを薄くしても所要の強度を確保でき、更に、ひび割れ等の発生を効果的に防止できる。又、前記ポリプロピレン繊維の混入により、高い耐火性能を付与できるので、例えば、トンネル内で車両火災が生じても、爆裂現象を抑制することができる。又、該爆裂現象を抑制するための耐火被覆工が不要になり、工期の大幅な短縮化を図ることができる。

請求項２記載の発明は、高価な鋼繊維及びポリプロピレン繊維を前記セグメントに過剰に混入させずに、所要の強度及び耐火性能を確保できるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、ひび割れ防止作用及び爆裂抑制作用を有するトンネル構築用セグメントを安価に製造することができる。

請求項３記載の発明は、高流動コンクリートを使用する事によって鋼繊維やポリプロピレン繊維を均一に混入できるため、高品質なセグメントを製造する事が可能となる。さらに従来の製造で必要であった強力な振動締固め工程、表面仕上げ工程及び型枠移動工程を省略することができるため、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、製造工程の省力化が図れると共に、セグメント用型枠を振動させるための設備を無くすことができる。

本発明のトンネル構築用セグメントは、高流動コンクリートを主成分とし、強度を増大させるための鋼繊維と、耐火性能を高めるためのポリプロピレン繊維とが混入されていることにより、強力な振動締固め及び耐火被覆工を不要にし、ひび割れを防止すると共に、トンネル火災時に爆裂現象が誘発されることを抑止するという目的を達成した。

以下、本発明の一実施の形態を図１乃至図７に従って説明する。図中、１はセグメントであり、該セグメント１は、特に第三紀層や大深度地下等の硬質地盤に於けるシールドトンネルの周壁体を構築するときに使用される。

而して、該セグメント１の断面構造は、図１に示すように、高流動型コンクリート層２を主要部とし、該コンクリート層２の中には鋼繊維ＳＦ及びポリプロピレン繊維ＰＰが混入されている。又、該コンクリート層２の内部には、配力筋やフープ筋は配設されていない。この場合、図示例では該コンクリート層２に一対の主筋３，３を配設したものを示しているが、特に第三紀層や大深度地下等の硬質地盤においては、セグメント１に発生する引っ張り応力が低減するため、前記主筋３，３を省略できることが考えられる。尚、４，４は該主筋３，３の両端部同士を連結する主筋連結部材であり、５，５は該連結部材４，４に取り付けられた継手部材である。

次に、上記セグメント１の製造について具体的に説明する。該セグメント１の材料は、セメントＣ、水Ｗ、骨材ＢＦを主成分とし、これに混和材ＡＤ及び混和剤（流動化剤）ＣＡを適当量添加すると共に、前記鋼繊維ＳＦ及びポリプロピレン繊維ＰＰを所定量混入した。この場合、前記セメントＣとしては普通ポルトランドセメントを、前記骨材ＢＦとしては、石灰石砕砂及び玄武岩砕石を、前記混和材ＡＤとしては高炉スラグ微粉末を、混和剤ＣＡとしてはポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤を夫々採択した。尚、混和材ＡＤとしては高炉スラグ微粉末の替わりに石灰石微粉末を使用する事も可能である。又、前記鋼繊維ＳＦとしては径０．６ｍｍ、長さ３０ｍｍの繊維（両端フック付結束）を使用し、前記ポリプロピレン繊維ＰＰとしては径４８μｍ、長さ２０ｍｍ、比重０．９１ｇ／ｃｍ³ のコンクリート用ポリオレフィン系繊維を使用した。

前記セグメント１の強度特性を確認するために、外径φ７１００ｍｍ、桁高３００ｍｍ、幅１２００ｍｍの供試体６を製造した。この場合、上記セグメント材料を練り混ぜる工程と、該練り混ぜ後の材料を正面視円弧状の型枠内に打設する工程と、打設後に所定時間だけ養生して脱型する工程とを順次経て、該供試体６を製造した。尚、従来の製造で必要であった強力な振動締固め工程、表面仕上げ工程及び型枠移動工程は省略することができた。

前記練り混ぜ工程で使用するベースコンクリートは、６０±５ｃｍのスランプフロー値が得られるように、材料単位量当たりの水Ｗ、セメントＣ及び骨材ＢＦの量を決定して製造した。本実施例では、表１に示すように、材料単位量ｍ³ 当たりの重量Ｋｇは、前記水Ｗを１７０Ｋｇ／ｍ³ 、前記セメントＣを２７３Ｋｇ／ｍ³、前記骨材ＢＦを２７３Ｋｇ／ｍ³ に決定した。そして、前記ベースコンクリート材料を練り上げた後に、前記鋼繊維ＳＦを４０Ｋｇ／ｍ³、前記ポリプロピレン繊維ＰＰを１Ｋｇ／ｍ³ だけ混入した。その際、該鋼繊維ＳＦ及びポリプロピレン繊維ＰＰは、前記ベースコンクリートに適量ずつ投入しながら丹念に練り混ぜた。

ここで、上記練り混ぜ工程について詳述すると、図２のフローチャートに示すように、先ず、前記ベースコンクリート材料を強制練り混ぜミキサにより１５０秒間練り上げた後（ステップＳ１）、前記鋼繊維ＳＦ及びポリプロピレン繊維ＰＰの投入準備工程を経て（ステップＳ２）、アジテータを高速回転させ（ステップＳ３）、然るのちに、該鋼繊維ＳＦ等の投入を開始した（ステップＳ４）。この場合、該鋼繊維ＳＦ等は速度３０〜４０Kg／分で投入しつつ６０秒間練り混ぜて（ステップＳ５）、該鋼繊維ＳＦ等の投入を終了した（ステップＳ６）。前記投入終了後も、前記アジテータの高速回転はそのまま３０〜１２０秒間継続させ（ステップＳ７）、これにより、高流動コンクリートをベースとするセグメント材料の最終練り上げ工程を完了した（ステップＳ８）。

前記工程で練り上げたセグメント材料は、これを上記型枠内に打設した。この打設工程では、セグメント背面側に発生する表面気泡を低減するために、裏面に織布を取り付けた有孔鋼板を蓋型枠として用い、無振動で前記セグメント材料を型枠内に流し込んだ。この場合、コンクリートの打ちやすさ及び材料分離性の抵抗等のワーカビリティーに関しては、従来の高流動コンクリートと殆ど遜色がなく、コンクリート打設が順調に完了した。

打設後の養生工程は、温度の昇降速度２０℃／ｈで養生温度を上昇させ、最高温度４０℃で４時間蒸気養生した後、再び温度の昇降速度２０℃／ｈで常温まで低下させた（図７参照）。而して、１７時間経過後に脱型して温度２０℃で３日間（材齢４日まで）水中養生したのち、更に温度２０℃で材齢２８日まで気中養生を実施した。

上記各工程を経てサイズの異なる２種類の供試体７,８を複数本製造した。そして、一方の供試体７はサイズφ１００ｍｍ×２００ｍｍのものが採択され、これについては、コンクリート圧縮強度、弾性係数及び割裂引張強度を測定した。又、他方の供試体８はサイズ１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×５３０ｍｍのものが採択され、これについては、曲げ強度並びに曲げ靭性係数を測定した。この場合、前記圧縮強度試験はＪＳＣＥ−Ｇ５５１−１９９９に準拠し、又、曲げ強度試験はＪＳＣＥ−Ｇ５５２−１９９９に準拠して行った。尚、前記供試体６における単体曲げ強度試験は、図３に示すように、該供試体６の両端部を水平に支持した状態で、該供試体６の中央部に荷重Ｐを加えて行った。

前記供試体７および８の試験結果を表２に示す。この試験結果より、該供試体７および８の圧縮強度、弾性係数、曲げ強度、曲げ靭性係数及び割裂引張強度は、いずれも第三紀層や大深度地下等の硬質地盤に於ける前記主筋を省略したセグメントでの適用範囲を十分満足しており、優れた材料強度を有することが確認された。

尚、該供試体６各部の圧縮強度のばらつきを確認するため、該供試体６の内側面、外側面の各中間部及び両端部の複数箇所からコアを採取して、各コアの圧縮強度試験を行ったところ、いずれの箇所の圧縮強度も略同一の測定値（７１．０〜７２．０Ｎ／mm² の測定範囲）を示した。このことにより、該供試体６全体として略均一の圧縮強度分布を示すことが確認された。

次に、前記供試体６の単体曲げ試験に於いて荷重−垂直変位の関係を測定したが、この測定結果を図４に示す。同図より明らかなように、初期ひび割れ発生荷重が６８ｋＮ、最大荷重が１９９ｋＮであり、これらの値は前記ポリプロピレン繊維ＰＰを混入しないコンクリートの理論解析値（発生荷重６３ｋＮ、最大荷重１８２ｋＮ）と略一致した。斯くして、前記ポリプロピレン繊維ＰＰを混入しても、所要の曲げ強度特性が得られることを確認した。

尚、破壊に対する安全率＝最大荷重／初期ひび割れ荷重は２．９３であった。又、前記供試体６のスパン中央部での垂直変位は、初期ひび割れ時でＯ．７６ｍｍ、最大荷重で１２．１５ｍｍであった。更に、最大荷重到達後は、繊維補強コンクリート特有の挙動を示して破壊に至ったが、該破壊断面の目視検査では、前記鋼繊維ＳＦ及びポリプロピレン繊維ＰＰが全断面に亘り一様に分布していることを確認した。

又、前記供試体６の引っ張り歪みに関しては、セグメント内外面の１４箇所、並びにセグメント側面の６箇所で引っ張り歪みを計測した。該引っ張り歪み計測結果を図５に示す。同図から明らかなように、各計測歪みともに略同一の計測値を示し、クラック発生までは前記セグメント全体として均一な歪み分布になることを確認した。

次に、前記ポリプロピレン繊維ＰＰ混入による耐火性能について比較実験を行った。先ず、実際の構造物を模擬した寸法６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍのブロック試験体１，２，３を用意した。この場合、該試験体１，２，３はいずれも水セメント比５０％、スランプ８ｃｍ、空気量４％、材齢９１日であるが、前記ポリプロピレン繊維ＰＰの混入量については、試験体１は０．０Ｋｇ／ｍ³ 、試験体２は０．５Ｋｇ／ｍ³ 、そして試験体３は１．０Ｋｇ／ｍ³とした。

前記試験体１，２，３を加熱炉に入れて１２００℃、１時間加熱して、その表面の爆裂状況を調べたところ、爆裂の深さは、試験体１では３３ｍｍ、試験体２では８ｍｍ、試験体３では４ｍｍであり、前記ポリプロピレン繊維ＰＰを混入していない試験体１では、加熱面の広い範囲で爆裂を呈したが、該ポリプロピレン繊維ＰＰを混入した試験体２，３では、局部的な爆裂が僅かに生じのみであった。特に、試験体３では爆裂音すら確認されなかった。この実験結果より、該セグメント１に前記ポリプロピレン繊維ＰＰを混入すれば、顕著な爆裂抑止効果が得られ、表面の剥落を大幅に低減できることが判明した。即ち、該セグメント１は、前記ポリプロピレン繊維ＰＰを混入したことにより、混入しないセグメントに比べて耐火性能が大幅に向上した。

特に、トンネル火災時には、該ポリプロピレン繊維ＰＰが比較的低温で加熱溶解するので、該トンネルの壁体であるセグメント１中に多数の空隙が形成される。このため、該加熱に伴い該セグメント１内部に多量の水蒸気が発生しても、該水蒸気は前記空隙から外部に速やかに逃げるので、水蒸気圧による爆裂現象の発生を抑制することができる。従って、トンネル火災が発生した場合でも、トンネル壁体の爆裂現象を効果的に防止でき、該爆裂現象を原因とする火災の拡大を最小に抑止することができる。

更に、図６に示すように、前記セグメント１の円周方向及び円中心方向をカッターにより切断し、骨材の分布状況や継手部材周囲のコンクリート充填状況を目視にて確認したところ、コンクリート充填性も極めて良好であり、従来の高流動コンクリートと殆ど遜色がないことが確認された。

又、本発明のセグメントは、硬質地盤で軸力が卓越する道路トンネル等にも好適に使用できるが、地盤強度、土質、トンネルの種類は特に限定されず、共同溝、電力洞道等のトンネルにも幅広く適用することができる。

尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の一実施の形態を示し、セグメントの正面断面図。図１のセグメントのコンクリート練り上げ工程を説明するフローチャート。本発明の一実施の形態に係る供試体の曲げ試験状況を示す説明図。本発明の一実施の形態に係る供試体の垂直変位−荷重の関係を説明するグラフ。本発明の一実施の形態に係る供試体のコンクリート歪みと荷重との関係を説明するグラフ。本発明の一実施の形態に係る供試体を一部破断して示す斜視図。本発明の一実施の形態に係る供試体の蒸気養生サイクルを説明するグラフ。

符号の説明

１セグメント
２コンクリート層
３主筋
４主筋連結部材
５継手部材
６供試体
ＳＦ鋼繊維
ＰＰポリプロピレン繊維

Claims

トンネル構築用セグメントであって、該セグメントは、強度を増大させるための鋼繊維と、耐火性能を高めるためのポリプロピレン繊維とが混入されていることを特徴とするトンネル構築用セグメント。
上記セグメント単位量当たりの上記鋼繊維の混入量が３５〜４５Ｋｇ／ｍ³ であり、且つ、上記ポリプロピレン繊維の混入量が０．４〜２．０Ｋｇ／ｍ³ であることを特徴とする請求項１記載のトンネル構築用セグメント。
上記セグメントは、高性能ＡＥ減水剤の添加によって流動性が確保された高流動コンクリートを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載のトンネル構築用セグメント。