JP2007239366A - セグメントリングの補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】上下方向及び水平方向に作用する圧縮力に耐えることができる。
【解決手段】シールドトンネルに構築されたセグメントリング２を補強するセグメントリングの補強構造１は、セグメントリング２の内空側に固定され、略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつＰＣ鋼材１０と、水平方向の圧縮力を受けもつ床版３０とが設けられている。そして、ＰＣ鋼材１０と床版３０とは接合されることなく分離された状態で配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールド工法によって構築されたセグメントリングの補強構造であって、とくに扁平セグメントリングを補強するためのセグメントリングの補強構造に関する。

従来、道路、鉄道などの用途で施工されるシールドトンネルは、プレキャスト床版を設置している。そして、一般的に、トンネルの断面は、円形断面で施工されている。しかし、円形断面のうち実際に利用されるスペースは、上下部分を除いた内空断面であることが多いことから略横長のトンネル空間を形成させた略楕円形状或いは馬蹄形状などの異形断面（以下、これらを「扁平トンネル」と記述する）のトンネルが施工される場合が増えている。このような扁平トンネルに構築される扁平セグメントリングには、断面円形のセグメントリングと比較して外方からの土圧やセグメントの自重によって上下方向の圧縮力が作用することになる。とくに、扁平セグメントリングに作用する曲げモーメントは、断面の斜め下方に位置するトンネル脚部近傍において応力が集中して最大曲げモーメントが発生する。
従来の扁平セグメントリングにおいては、このような曲げモーメントを減少させる方法として、扁平セグメントリングに大きな強度をもたせることが行なわれ、例えば鉄筋量を多くしてセグメントの厚さ寸法を大きくしてセグメントの強度を上げていた。ところが、セグメントの厚さ寸法を大きくすることは、セグメントが高価になるうえ、トンネルの掘削断面が大きくなるといった欠点があり、経済的ではなかった。そこで、扁平セグメントリング自体の強度を上げることなく、上述した扁平による曲げモーメントに対応した構造が、例えば特許文献１に提案されている。
特許文献１は、扁平トンネルの内空側において、水平方向に引張力を受けもち略水平方向に配置された弦材をなす補強部材（第１補強部材）を設けることで、セグメントに水平方向に圧縮力を与えるものである。さらに、縦方向（上下方向）に圧縮力を受けもち縦方向に配置された棒状の補強部材（第２補強部材）を設けることで、扁平セグメントリングに作用する集中応力を減少させるものである。
特許第２５２００３４号公報

しかしながら、特許文献１は、上下方向の圧縮力には強い構造となる。しかし、施工状態や地盤条件によっては水平方向の圧縮力が発生することもある。この水平方向に設けられた弦材の補強部材は、引張力に対する耐力は大きいが、水平方向から受ける圧縮力には耐えられないといった欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、上下方向及び水平方向に作用する圧縮力に耐えることができるセグメントリングの補強構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るセグメントリングの補強構造は、シールド工法によって構築されたセグメントリングを補強するためのセグメントリングの補強構造であって、セグメントリングの内空側で、断面視で略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつ水平補強部材と、水平補強部材に接合させずに分離した状態で配置され、水平方向の圧縮力を受けもつ床版とが設けられていることを特徴としている。
本発明によれば、セグメントリングの上下方向に作用する圧縮力は、トンネル断面が上下方向に潰れるように働き、水平方向に対しては外向きへの力として作用する。このトンネル内空外向きに作用する力を水平補強部材で引張力として受けもつことができる。
そして、セグメントリングの水平方向に作用する圧縮力は、トンネル断面が水平方向に潰れるように働き、水平方向に対しては内向きへの力として作用する。このトンネル内空内向きに作用する圧縮力を床版によって受け持たせることができる。

また、本発明に係るセグメントリングの補強構造では、床版の内部に、水平補強部材が挿通されていることが好ましい。
本発明によれば、水平補強部材が床版内に内蔵されることになり、トンネル内空を有効に使用することができる。

また、本発明に係るセグメントリングの補強構造では、セグメントリングと床版の側面との間に、セグメントリングに作用する水平方向の圧縮力を水平方向に伝達する圧縮伝達部材が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、セグメントリングに略水平方向の圧縮力が作用するとき、この圧縮力を圧縮伝達部材を介して床版に伝達させることができる。

本発明のセグメントリングの補強構造によれば、セグメントリングの上下方向に作用する圧縮力を水平補強部材が受けもつ引張力によって耐えることができ、水平方向に作用する圧縮力を床版で耐えることができる。これにより、トンネル断面の水平方向或いは斜め下方に発生する曲げモーメントを減少させることができ、これによりセグメントリングの厚さ寸法を小さくできる効果を奏する。
また、水平方向の引張力を受けもつ水平補強部材と、水平方向の圧縮力を受けもつ床版とが接合しない状態で分離されているため、セグメントリングに作用する力を水平補強部材と床版とが別々に受けもつことができ、効率的なセグメントリングの補強構造を実現できる。

以下、本発明の実施の形態によるセグメントリングの補強構造について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図、図２はＰＣ鋼材及び床版の構造を示す平面図、図３はＰＣ鋼材及び床版の構造を示す断面図、図４は図２に示す接合部の拡大図、図５は扁平セグメントリングの曲げモーメントの分布図であって、（ａ）は実施例を示す図、（ｂ）は比較例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造１は、道路、鉄道、共同溝などに採用されるトンネルであって、シールド工法によって地山内に延設された断面馬蹄形状（以下、この形状を「扁平」と記述する）をなす扁平セグメントリング２を補強するものである。扁平セグメントリング２は、湾曲した複数のセグメント２０・・・が環状に組み合わされて構築されている。
ここで、扁平セグメントリング２の断面視斜め下方に位置する所定の円弧長を有する円弧領域を、「トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２」として以下説明する。さらに、各トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２に配置されるセグメントを脚部セグメント２１、２１とし、断面視で底部中央部に配置されていて両脚部セグメント２１、２１の間に挟まれてなるセグメントを底盤セグメント２２（以下、必要に応じてトンネル底盤部Ｋ３と記す）とする。
そして、扁平セグメントリング２は、両脚部セグメント２１、２１から底盤セグメント２２に向かうにしたがってセグメントの厚さ寸法が大きくなっている。

図１に示すように、扁平セグメントリング２の補強構造１は、脚部セグメント２１、２１の内空側の間を略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつＰＣ鋼材１０（水平補強部材）と、ＰＣ鋼材１０に接合させずに分離した状態で配置されて水平方向の圧縮力を受けもつ床版３０とからなる。

図２に示すように、床版３０は、予め工場などで製造されるプレキャスト製であり、略長方形状をなし、その長手方向をトンネル軸方向に直交させる方向に配置させ、扁平セグメントリング２の底盤セグメント２２に設けられた支柱３上に所定の高さとなるように載置させている。
そして、図３に示すように、床版３０には、その長手方向に貫通した挿通孔３１が形成され、その挿通孔３１に円筒形状のシース管３２が挿入され、そのシース管３２内にＰＣ鋼材１０が挿通されている。このようにＰＣ鋼材１０を床版３０に内蔵させた構成とすることで、トンネル空間を有効に使うことができる。

また、図１及び図３に示すように、脚部セグメント２１の内周面２１ａと床版３０の側面３０ａ（すなわち、脚部セグメント２１、２１側の面）との間には、鋼材などからなる圧縮伝達部材４０が設けられている。扁平セグメントリング２に略水平方向の圧縮力が作用するとき、この圧縮力が圧縮伝達部材４０を介して床版３０に伝達される作用をなしている。さらに、圧縮伝達部材４０は、床版３０の側方下端部３０ｂ、３０ｂを下方より支持するように、横方向中心に向けて張り出して形成されている。

図３及び図４に示すように、ＰＣ鋼材１０は、雄ネジを形成させた両端部１０ａ、１０ａを床版３０の側面３０ａ、３０ａより突出させ、ＰＣ鋼材１０の両端部１０ａ、１０ａを脚部セグメント２１、２１に一体となるように固定させている。
つまり、脚部セグメント２１、２１には、床版３０を所定の位置に設置した状態で、ＰＣ鋼材１０と同軸となるように棒状の異形鋼棒５１が埋設されている。この異形鋼棒５１は、雄ネジが形成された端部５１ａを、脚部セグメント２１の内周面２１ａを切り欠いて形成させた切欠部２１ｂ（図２参照）で露出させている。そして、異形鋼棒５１とＰＣ鋼材１０とを連結させる手段として、円筒形状のカップラー５２が設けられている。このカップラー５２は、内面に雌ネジを形成させ、一方５２ａの内面に異形鋼棒５１の端部５１ａを螺合させ、他方５２ｂの内面にＰＣ鋼材１０の端部１０ａを螺合させている。このように、両トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２において、ＰＣ鋼材１０と異形鋼棒５１とを螺合させた状態でカップラー５２を締め付けると、異形鋼棒５１とＰＣ鋼材１０とを均一に締め付けることができ、ＰＣ鋼材１０に水平方向の引張力を受けもたせることができる。

次に、このように構成されるＰＣ鋼材１０及び床版３０の作用について図面に基づいて説明する。
ＰＣ鋼材１０の作用から説明する。先ず、図５（ａ）及び（ｂ）に示す扁平セグメントリング２には、その断面外方から受ける土圧やセグメント自重により上下方向にトンネル断面が潰れるようにして圧縮力が作用し、略水平方向（或いは、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２付近）にトンネルの外側に向けた応力が集中して最大曲げモーメントが発生する。ここで、曲げモーメントについて、扁平セグメントリング２の外周側に張り出してたわむ場合（扁平セグメントリング２を外向きに作用させる曲げ）を「負の曲げモーメント」とし、その反対に内周面を内空側に押し出す場合（扁平セグメントリング２を内向きに作用させる曲げ）を「正の曲げモーメント」とする。
図５（ｂ）はＰＣ鋼材１０や床版３０（図１参照）を設けない扁平セグメントリングに作用する比較例の曲げモーメントを示し、各トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２の略中間部で最大値をなすに負の曲げモーメントＭ１、Ｍ２が発生し、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２間に挟まれたトンネル底盤部Ｋ３の略中央部で最大値をなす正の曲げモーメントＭ３が発生していることがわかる。

次に、図５（ａ）に示すように、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２の所定位置において、ＰＣ鋼材１０を設け、このＰＣ鋼材１０に、扁平セグメントリング２を内空側に引っ張る方向（水平方向に圧縮力を作用させる方向）に引張力を受けもたせる。これにより、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２付近に作用する負の曲げモーメントＭ４、Ｍ５およびトンネル底盤部Ｋ３に作用する正の曲げモーメントＭ６の最大値を小さくさせることができる。

さらに、扁平セグメントリング２に水平方向の圧縮力が発生した場合には、この圧縮力を床版３０によって受けもたせることができる。このように床版３０は、ＰＣ鋼材１０を補強する効果を有し、ＰＣ鋼材１０に与える圧縮力を抑制することができる。

次に、上述したＰＣ鋼材１０及び床版３０を設置する箇所とタイミングについて説明する。
先ず、図１に示すように、扁平セグメントリング２１は、図示しないシールド掘削機の後方のテール（薄板状の筒状体、すなわちスキンプレートの後端部をいう）内で組み立てられる。そして、シールド掘削機の進行と共に扁平セグメントリング２がテールの外側に出たときに、地山と扁平セグメント１との隙間（テールクリアランス）に裏込め材が注入される。これにより、地山中にある扁平セグメントリング２は、上述したように地山の土水圧のほか、裏込め材の注入時の圧力などの外力と、扁平セグメントリング２の自重とを受け、上下方向の圧縮力が作用してトンネル断面の変形をもたらすことになる。このことからも、床版３０及びＰＣ鋼材１０は、シールド掘削機のテール内で設置しておくことが好ましいとされる。
そして、床版３０及びＰＣ鋼材１０を掘進と同時にシールド掘削機の後方の位置で設置することによって、この床版３０を利用して施工に伴う資材の運搬車両の通行等に使用できる。例えば、従来の軌道の枕木代わりとなり、床版３０上に直接レール、軌条を敷設できる。さらにレールを敷設しないタイヤ走行などの運搬方式を採用することができる。このように、資材の運搬を簡易化できることから、急速施工および工期短縮が図れるといった利点がある。

上述したように実施の形態によるセグメントリングの補強構造では、扁平セグメントリング２の上下方向に作用する圧縮力をＰＣ鋼材１０が受けもつ引張力によって耐えることができ、水平方向に作用する圧縮力を床版３０で耐えることができる。これにより、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２に発生する曲げモーメントを減少させることができ、これにより扁平セグメントリング２の厚さ寸法を小さくできる効果を奏する。
また、水平方向の引張力を受けもつＰＣ鋼材１０と、水平方向の圧縮力を受けもつ床版３０とが接合しない状態で分離されているため、扁平セグメントリング２に作用する力をＰＣ鋼材１０と床版３０とが別々に受けもつことができ、効率的な扁平セグメントリング２の補強構造１を実現できる。

次に、本実施の形態の変形例について、図６に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図６は本実施の形態の変形例によるＰＣ鋼材の固定構造を示す平面図である。
図６に示すように、変形例では、本実施の形態で示したカップラー５２（図３参照）に代えて引張接続冶具６０を用いてＰＣ鋼材１０を扁平セグメントリング２に固定する構造である。ＰＣ鋼材１０は、実施の形態と同じく床版３０（図３参照）の内側を挿通させて設けられている。引張接続冶具６０は、床版１０を設置させた状態でＰＣ鋼材１０に同軸となるように扁平セグメントリング２に一体に埋設されたボルト６１と、ボルト６１とＰＣ鋼材１０とを連結固定させる固定部材６２とからなる。
固定部材６２は、円孔６２ｂが形成された二枚の板材６２ａが、夫々の円孔６２ｂ、６２ｂが同軸となるように間隔をもって対向して配置されて一体に設けられている。一方の円孔６２ｂに雄ネジが形成されたボルト６１の端部６１ａを挿通させて第一ナット６３を螺合させ、他方の円孔６２ｂにＰＣ鋼材１０の端部１０ａを挿通させて第二ナット６４を螺合させる。これにより、ＰＣ鋼材１０は、実施の形態と同様に水平方向に引張力を受けもたせることができることから、本変形例によるセグメントリングの補強構造についても実施の形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明によるセグメントリングの補強構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では床版３０の内側にＰＣ鋼材１０を挿通させて内蔵した構成としているが、床版３０とＰＣ鋼材１０とを別々に設けるようにしてもかまわない。
また、ＰＣ鋼材１０の設置本数は地盤の条件に合わせて適宜設定することができる。例えば悪い地盤の場合にはＰＣ鋼材１０を適宜増加し、良好な地盤の場合にはＰＣ鋼材１０を適宜減らして設置すればよい。
また、本実施の形態ではトンネル断面に対して一枚の床版３０が設置されているが、この数量に限定されることはなく、例えば床版の運搬のし易さなどを考慮して長さ寸法（トンネル軸方向に直交する方向）を短くした床版を使用し、トンネル断面に対して左右２枚或いは複数枚となるように配置させてもかまわない。
また、本実施の形態では扁平セグメントリング２が構築された扁平断面のトンネルに採用したものであるが、円形断面のトンネルに採用することも可能である。
さらに、本実施の形態ではＰＣ鋼材１０及び床版３０を掘進と同時にシールド掘削機のテール内で設置しているが、この設置のタイミングに限定されることはなく、トンネルの掘進が完了した後にＰＣ鋼材１０及び床版３０をまとめて設置し、ＰＣ鋼材１０に引張力を導入するようにしてもかまわない。また、ＰＣ鋼材１０及び床版３０を設置した後に新たなＰＣ鋼材を追加することもできる。

本発明の実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図である。 ＰＣ鋼材及び床版の構造を示す平面図である。 ＰＣ鋼材及び床版の構造を示す断面図である。 図２に示す接合部の拡大図である。 扁平セグメントリングの曲げモーメントの分布図であって、（ａ）は実施例を示す図、（ｂ）は比較例を示す図である。 本実施の形態の変形例によるＰＣ鋼材の固定構造を示す平面図である。

符号の説明

１ 補強構造
２ 扁平セグメントリング
２１ 脚部セグメント
２２ 底盤セグメント
１０ ＰＣ鋼材（水平補強部材）
３０ 床版
４０ 圧縮伝達部材
５１ 異形鋼棒
５２ カップラー
６０ 引張接続冶具
Ｋ１、Ｋ２ トンネル脚部
Ｋ３ トンネル底盤部

Claims (3)

1. シールド工法によって構築されたセグメントリングを補強するためのセグメントリングの補強構造であって、
   前記セグメントリングの内空側で、断面視で略水平方向に延在させて前記水平方向に引張力を受けもつ水平補強部材と、
   前記水平補強部材に接合させずに分離した状態で配置され、前記水平方向の圧縮力を受けもつ床版と、
   が設けられていることを特徴とするセグメントリングの補強構造。
2. 前記床版の内部に、前記水平補強部材が挿通されていることを特徴とする請求項１に記載のセグメントリングの補強構造。
3. 前記セグメントリングと前記床版の側面との間に、前記セグメントリングに作用する前記水平方向の圧縮力を前記水平方向に伝達する圧縮伝達部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセグメントリングの補強構造。

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