JP2007277953A - セグメントの連結構造及び配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル内空面側への引張力として作用する大きな曲げモーメントに対抗することができ、狭隘な現場スペースでも確実に接続作業することができ、継手の構造仕様をより合理化することが可能な、高耐力、高剛性を兼ね備えたセグメントの連結構造を提供する。
【解決手段】
隣接するセグメント３を互いに周方向へ連結する際に用いられるセグメントの連結構造において、セグメント３の周方向当接面において地山側に形成された継手板２３同士がボルトで接合され、トンネルの軸方向に直交するとともにウエブと少なくともその内空面側に形成されたフランジとを有する主桁２４が、セグメント３の軸方向両端並びに少なくともその中間に配設され、周方向に隣接するセグメント３における上記各主桁２４間には添接板２５が架設されるとともに、添接板２５と主桁２４とは互いにボルト接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、隣接するセグメントを互いに周方向へ連結してトンネルを構成する際に用いられるセグメントの連結構造及び配置構造に関し、特に２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部の外周を構成する際に好適なセグメントの連結構造及び配置構造に関する。

従来、シールド工法に基づいて構築されるいわゆるシールドトンネルは、構造的に安定した円形断面のトンネルが主流である。しかし、近年における都市部の地下道路網の整備が進展するにつれて、２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部が必要となるケースが増加している。特にこのトンネル分岐合流部は、１本の本線トンネルに対して１本のランプトンネルを連結させるケースにおいて頻繁に利用されている。

従来においてトンネル分岐合流部は、地表から地面を掘り下げて施工を行う開削工法が主流であった。この開削工法では、トンネル間の地盤を取り除くために施工時にトンネルに作用する土水圧を比較的小さくすることができるというメリットはある。

しかしながら、この開削工法では、トンネル分岐合流部の施工箇所が地表からの開削工事ができる場所に限定されてしまう。即ち、開削工法に基づいて施工を行う場合には、トンネル分岐合流部を構築するための用地を確保しなければならないという問題点があった。また大深度地下においてこのようなトンネル分岐合流部を施工しなければならないときには、かかる開削の掘削労力が過大となり、地下水対策も含めて工費が割高になるという問題点があった。

このため、用地節約の問題や、大深度のトンネル施工に適するという観点から、特に近年におけるトンネル分岐合流部の構築方法は、上述した開削工法からいわゆる非開削工法へと移行しつつある。

この非開削工法は、図１８に示すように、地表から地盤を掘削することなく、あくまで地中に開けた横穴２０１を利用して本線トンネル２０２とランプトンネル２０３を連結するためのトンネル分岐合流部を構築する。このとき、トンネル２０２、２０３上部の地盤２０４からの上載荷重が作用するために、トンネル分岐合流部の施工時に各トンネル２０２、２０３に作用する土水圧が大きく発生する。なお、この非開削工法に基づいてトンネル分岐合流部を構築する方法は、例えば非特許文献１において開示されているが、いずれの工法においても、限られたスペースの中で確実にセグメント同士を現場接続可能な高耐力の連結構造が必要とされていた。

図１９(a)は、この非開削工法に基づいて構築された、本線トンネル２０２とランプトンネル２０３とが分岐又は合流するためのトンネル分岐合流部２０６の完成図を示している。このトンネル分岐合流部２０６が、地盤２０４における土被りが５０ｍを超える大深度トンネルに適用される場合には、土圧に加えて０．５ＭＰａ以上の大きな地下水圧が作用することになる。図１９(b)は、トンネル分岐合流部２０６に作用する曲げモーメントの分布を示している。トンネル分岐合流部２０６は、本線トンネル２０２並びにランプトンネル２０３を包含する横長形状のトンネル断面として構成されるところ、当該横長形部に大きな正曲げが発生する。この正曲げはトンネル内空面側へ引張力が負荷される形で作用することになる。このため、トンネル分岐合流部２０６では、このような大きな正曲げに対抗し得る、高耐力、高剛性のセグメント間連結構造を確立する必要があり、更には高止水性能をも兼ね備えたセグメント間連結構造とする必要もあった。

従来においては、上述の如きトンネル分岐合流部２０６の連結構造に求められるニーズに応えるべく、周方向に隣接するセグメントの周方向当接面を溶接固定することで、セグメント本体と同等の耐力、剛性を確保する工法が提案されている。この工法においては、セグメント間の溶接線を連続させることにより止水構造を構成することも可能となる。しかしながら、かかる溶接作業は、多大な労力と時間を要するという問題点がある。具体的には、１箇所あたりの継手接続作業に数時間以上も要する場合があり、継手の接続箇所が多い場合には、工期が著しく延長されてしまう虞があった。また、特に、高強度鋼や厚さ５０〜１００ｍｍもの厚板を採用するときには、溶接接続部の予熱温度や溶接パス間温度等、現場での管理が煩雑となるという問題点も生じていた。

また、従来においては、隣接するセグメントの周方向当接面に形成された継手板同士をボルト接合することにより連結構造の高耐力化を図る方法も提案されている。この方法では、継手板間に止水材を配置して継手の止水を確保することが可能となる。またボルトの締結作業をトンネルの内空面側から行うことも可能となる。しかしながら、大きな曲げモーメントが作用する箇所において連結構造を構築する際に、かかる継手の耐力や剛性はボルトと継手板の仕様に左右され、中でもボルト配置に関しては所定の制約がかかることから、十分に大きな耐力、剛性を確保することができないという問題点がある。

また、上述したボルトの太径化、ボルトの多段配置、さらには継手板の板厚を増大させることにより高耐力化、高剛性化を図る方法も提案されている。しかしながら、かかるボルトの太径化を図る場合には、例えばＭ２０ｍｍ程度のボルト径をＭ５６ｍｍ程度まで太くしなければならず、特注品の製作に伴うコスト上昇を免れることができないばかりか、これを螺着させるための締め付け作業において作業者の負担が増大してしまうという弊害も発生する。またボルトを締め付けるためにボルト締め付け機器を利用する方法もあるが、ボルトの太径化に応じてボルト締め付け機器は大型化してしまうため、作業スペースを十分に確保することができなくなるという問題点があった。また、ボルトを２段、さらには３段、４段と、多段配置させる場合には、隣接するボルトの間隔が例えば数十ｍｍ程度と極めて狭小となり、現場における締結作業が困難になるとともに、構造高耐力化を図ることができなくなるという問題点があった。

さらに、従来においては、セグメントの周方向当接面に形成された継手板同士をボルト接合することに加え、さらに添接板をボルトにより摩擦接合することにより、連結構造の高耐力化、高剛性化を図る方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

一般に継手部の高耐力化、高剛性化を図る技術としては、建築構造物のＨ形鋼の現場継手として頻繁に用いられる添接板を利用したボルト接合方法が提案されているが、継手部に隙間が生じてしまうため、止水性能が著しく悪化してしまうという問題点があった。また地山側の継手ボルトの締結をトンネル内空面側から行うのが困難になるという問題点があった。

そこで、この特許文献１の開示技術としての鋼製セグメントの連結構造は、かかる問題点を解決するために案出されたものである。即ち、この連結構造は、例えば図２０に示すように、周方向に隣接するセグメントの接合面としての端板１１２を中立軸よりも上方のみに設置している。そして、この端板１１２は、隣接する他のセグメントとの間で短ボルト１１３により接合される。中立軸よりも下方の開放部には、トンネルの軸方向と直交する主桁１１１が配設され、さらにこの主桁１１１には添接板１１５の一端がボルトにより固定される。また、この添接板１１５の他端を隣接するセグメントの主桁のウエブにボルト止めする。これにより、継手部は、曲げに対して主桁１１１と同等以上の十分な剛性を発揮することになる。

即ち、この特許文献１に記載の連結構造は、セグメント間継手の高耐力及び高剛性化を図ることが可能となり、更に端板１１２に止水材を配置することで止水構造を実現することが可能となる。

しかしながら、この特許文献１に記載の連結構造は、応力の伝達をセグメント継手間で全て行わせる必要があるため、添接板や接続ボルトの仕様が大きくなり、ひいてはセグメント製作費、材料費等のコスト増を免れることができず、更には現場接続時間が増大してしまうという問題点があった。また、この特許文献１に記載の連結構造では、あくまで主桁１１１で耐力を持たせる構成としているため、大断面トンネルや大深度トンネル等の分岐合流部の如き、大きな曲げモーメントが負荷される箇所に関しては適用が困難になるという問題点があった。
特開平１１−２２３９３号公報 「建設機械」日本工業出版 ２００５年１１月号 Ｐ１〜Ｐ５６

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部の外周を構成するセグメントの連結構造及び配置構造において、トンネル内空面側への引張力として作用する大きな曲げモーメントに対抗することができ、狭隘な現場スペースでも確実に接続作業することができ、継手の構造仕様をより合理化することが可能な、高耐力、高剛性を兼ね備えたセグメントの連結構造及び配置構造を提供することにある。

請求項１に記載のセグメントの連結構造は、隣接するセグメントを互いに連結する際に用いられるトンネル用のセグメントの連結構造において、上記セグメントの周方向当接面において地山側に形成された継手板同士がボルトで接合され、トンネルの軸方向に直交するとともに、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有する主桁が、上記セグメントの軸方向両端及び少なくともその中間に配設され、周方向に隣接する上記セグメントにおける上記各主桁間には添接板が架設されるとともに、当該添接板と上記主桁とは互いにボルト接合されていることを特徴とする。

請求項２に記載のセグメントの連結構造は、請求項１記載のセグメントの連結構造において、互いに軸方向に隣接するセグメントの軸方向両端に配設される各主桁のウエブ同士は、少なくとも継手部近傍において複数段に亘りボルト接合されていることを特徴とする。

請求項３に記載のセグメントの連結構造は、請求項１又は２に記載のセグメントの連結構造において、上記添接板は、上記主桁における下フランジの底面、上記主桁における下フランジの上面、上記主桁におけるウエブの何れか１以上において架設されることを特徴とする。

請求項４に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜３のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記継手板及び主桁には連続して、地山側から内空面側への地下水の漏洩を防止するための止水材が設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜４のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記添接板は、上記主桁における下フランジの底面において架設されてなるとともに、互いに軸方向に隣接するセグメントリングを跨るように軸方向へ拡幅されてなることを特徴とする。

請求項６に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜５のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記各主桁における下フランジは、上記周方向当接面より離間する位置において互いに隙間を空けて構成され、上記周方向当接面に近接する位置において一枚の鋼板として構成され、上記添接板は、一枚の鋼板からなるとともに、上記一枚の鋼板として構成される下フランジの底面に架設されてなる。

請求項７に記載のセグメントの連結構造は、請求項６記載のセグメントの連結構造において、上記互いに隙間を空けて構成されている下フランジと、上記一枚の鋼板としての下フランジとの間で形成される角部に嵌合可能な三角形状の補強ピースが固着されていることを特徴とする。

請求項８に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜７のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記セグメントの周方向当接面に形成された継手板同士を接合するボルト、及び／又は上記各主桁のウエブ同士を接合するボルトは、弾性座金を介して接合されることを特徴とする。

請求項９に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜８のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記セグメントの軸方向両端に配設された主桁のフランジは、ウエブの軸方向外側から突出しない構成とされていることを特徴とする。

請求項１０に記載のセグメントの連結構造は、請求項１〜９のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造において、上記セグメントは、第１のトンネルと第２のトンネルとが分岐又は合流するトンネル分岐合流部の外周を構成することを特徴とする。

請求項１１に記載のセグメントの連結構造は、請求項１０記載のセグメントの連結構造において、第１のトンネル並びに第２のトンネルの残置部を構成する残置部セグメントと、上記セグメントは、互いの接合面が軸方向に向けて一直線状になるように配置され、さらに上記分岐合流部の外周を構成する上記セグメント間は、互いに千鳥状となるように配置されていることを特徴とする。

本発明を適用したセグメントの継手構造では、周方向に隣接するセグメント間で当
接すべき継手板同士で圧縮力を伝達させ、主桁に架設されている添接板により引張力を伝達させることが可能となる。セグメントに負荷されるせん断力は、継手板のボルト用孔に挿入されて螺着される図示しないボルトを介して伝達させることが可能となる。その結果、周方向の応力伝達性能を向上させることが可能となり、セグメントに負荷される曲げモーメントにも対抗することが可能となる。

また、本発明を適用したセグメントの連結構造は、全てボルト接合で構成することができるため、１箇所当りの継手接続時間は１時間程度以内で対応可能となり、また現場での管理項目をも少なくすることが可能となり、工期短縮を図ることが可能となる。また、従来技術の如く連結構造の構成を複雑化させる必要もなくなることから、コストの低減をも図ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部の外周を構成するセグメントの連結構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用したセグメントの連結構造が適用されるトンネル分岐合流部１は、例えば図１に示すように、本線トンネル１１とランプトンネル１２とが合流して１本のトンネル１３へと連結する。換言すれば、１本のトンネル１３から本線トンネル１１とランプトンネル１２へ分岐する部分である。因みに、この図１(a)は、１本のトンネル１３から、本線トンネル１１並びにランプトンネル１２へと２本に分岐するまでの構成を示しており、図１(b)は、この図１(a)におけるＡ−Ａ断面図、図１(c)は、Ｂ−Ｂ断面図、図１(ｄ)は、Ｃ−Ｃ断面図、図１(e)は、Ｄ−Ｄ断面図である。

ここで、本線トンネル１１とランプトンネル１２とが合流して１本のトンネル１３へと連結する場合を例に挙げて説明をする。本線トンネル１１とランプトンネル１２は、Ｄ−Ｄ断面図で示されるように、円形筒状のセグメントリングをトンネル軸方向に連続させる形で地中に埋設されている。ここで図１(a)に示す対象区間ｋ１は、本線トンネル１１並びにランプトンネル１２が合流する区間である。対象区間ｋ１に入り、トンネル１１、１２を互いに合流させる場合には、例えばＣ−Ｃ断面図に示すように、本線トンネル１１の外周を構成していたセグメントの残置部１１ａと、ランプトンネル１２の外周を構成していたセグメントの残置部１２ａとの間に、新たにセグメントを新設し、さらに仕切壁１５を設けていくことになる。この新設されたセグメントが連続する領域を新設部１４という。

この対象区間ｋ１においては、本線トンネル１１とランプトンネル１２の各中心軸が徐々に接近してゆき、これに伴って新設部１４の長さは、Ｂ−Ｂ断面図に示すように徐々に短縮化され、また仕切壁１５も取り外される。そして、最終的にＡ−Ａ断面図に示されるような１本の円形筒状のトンネル１３へと連結され、対象区間ｋ１は終了することになる。

本発明を適用したセグメントの連結構造は、この新設部１４において新設された互いに隣接するセグメント周方向へ連結する際に用いられる。

図２は、本発明を適用したセグメントの連結構造２の斜視図である。この連結構造２は、セグメント３の周方向当接面２１において中立軸２２よりも上方に形成された継手板２３と、トンネルの軸方向に直交する主桁２４ａ〜２４ｃと、周方向に隣接する他のセグメントにおける各主桁２４間に架設される添接板２５ａ〜２５ｃとを備えている。

セグメント３は、鋼板を組立て或いは鋳造により製造される鋼殻セグメント、又は鋼殻の内部にコンクリートを充填した合成セグメントである。この図２の例は、鋼殻セグメントを示しており、地山側表面をスキンプレート２６により被覆している。このセグメント３を合成セグメントで構成する場合には、コンクリート内部に図示しない鉄筋や異形棒鋼を配置した補強構造を採用するようにしてもよい。

このセグメント３には、３本の主桁２４ａ〜２４ｃが更に配置される。主桁２４ａ並びに主桁２４ｃは、セグメント３の軸方向両端に配設されている。また主桁２４ｂは、少なくとも、この主桁２４ａ及び主桁２４ｃの中間に配設されている。この主桁２４ａ〜２４ｃは、それぞれウエブ３１ａ〜３１ｃと、ウエブ３１ａ〜３１ｃの上下に形成された上フランジ３２ａ〜３２ｃ並びに下フランジ３３ａ〜３３ｃとを有している。上下フランジの板厚や板幅は、主に軸力と曲げモーメントの大きさにより最適な組み合わせを設計計算により設定する。場合によっては、地山側のフランジは無くしてスキンプレートの板厚を増大させる方が製造コスト削減につながり合理的となる場合もある。

この上フランジ３２ａ〜３２ｃは、中立軸２２より上方において固着され、下フランジ３３ａ〜３３ｃは、中立軸２２より下方において固着されている。また、下フランジ３３ａ〜３３ｃ間は、互いに隙間が開いた状態で配置されることになる。ちなみに、この軸方向両端に設けられた主桁２４ａ並びに主桁２４ｃは、コ字状となるように上フランジ３２ａ、３２ｃ、並びに下フランジ３３ａ、３３ｃがウエブ３１ａ、３１ｃの軸方向外側から突出しない構成とされている。これに対して、軸方向略中央に形成された主桁２４ｂは、上フランジ３２ｂ、下フランジ３３ｂがウエブ３１ｂを介して両側に突き出るような形状で固着されている。また、各下フランジ３３には、ボルト用孔４１が穿設されている。

ウエブ３１は、その高さを５００〜２０００ｍｍ程度とするが、実際にはトンネルの深度やトンネル径等に応じて必要な寸法が決定される。軸方向両端に形成されているウエブ３１ａ並びにウエブ３１ｃには、少なくとも継手部近傍において複数段に亘りボルト用孔４３が形成されている。このボルト用孔４３は、互いに軸方向に隣接するセグメント３のウエブ３１ａ、３１ｃ同士を接合するために使用される。このボルト用孔４３は、設計から求められる軸方向の伝達力に応じて本数や径、配置が決定される。主桁２４の高さが５００ｍｍ程度のセグメントであれば、このセグメント３のリング間を接続するためのボルトを挿通させるボルト用孔４３は、３段程度×３列程度とすることが、ボルト締結の施工面から適切であるといえる。

セグメントリング間の相対的なズレ変形は、この継手部近傍において最も大きく、継手部から離間するにつれて小さくなる。このため、セグメント３のリング間を接続するためのボルトを挿通させるボルト用孔４３の設置位置としては、継手部近傍において多数配置することが望ましい。しかしながら、このボルト用孔４３を継手部近傍に多数配置するための設置スペースは限りがあるものであり、太径ボルトの締結に必要となる大型の締結機の施工スペースにも限りがあるものであることから、これらを念頭に置きつつボルト用孔４３の配置を決定する必要が出てくる。この継手部近傍とは、およそセグメント高さの２倍程度までの範囲をいう。このボルト用孔４３の間隔は、ボルトの締結作業性の観点から、最小でも１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度で構成することが望ましい。また、このボルト用孔４３の間隔は、段方向、列方向ともに略等間隔で構成することが望ましい。

また主桁２４ａにおけるフランジ３２ａ、３３ａと、主桁２４ｂにおけるフランジ３２ｂ、３３ｂとの間隔、並びに主桁２４ｂにおけるフランジ３２ｂ、３３ｂと主桁２４ｃにおけるフランジ３２ｃ、３３ｃとの間隔は、作業性の観点から、それぞれ最小でも２００〜３００ｍｍ程度確保する必要があるところ、その寸法を確保した上で、ボルト用孔４３の設置段数を決定し、その後に必要伝達力を満足するようにボルトの列数を決定することになる。なお、ボルトの設置段数は最低でも２段とする。このとき、ボルトの外径は、構造性能面から太径(例えばＭ４８など)が望ましいが、太径とすると、ボルト用孔４３の欠損も大きくなり、セグメント３の断面欠損も大きくなり、ひいてはセグメント３の性能を大幅に低下させる原因となることから、必要なセグメント３の構造性能を満足する最大のボルト径を選択することになる。なお、このボルト用孔４３は、この継手部近傍から離間した位置においても、一定の間隔毎に形成されていてもよい。

また、このウエブ３１の板厚は、中央のウエブ３１ｂの厚さを、軸方向両端のウエブ３１ａ、３１ｃの厚さの２倍で構成するようにしてもよい。その理由は、外側の主桁２４ａ、２４ｃは、軸方向に隣接するセグメント３の主桁２４ｃ、２４ａと接合されるところ、主桁２４ｂの断面特性と整合をとるためである。

継手板２３は、ウエブ３１ａとウエブ３１ｂとの間に、またウエブ３１ｂとウエブ３１ｃとの間に設けられている。この継手板２３は、周方向に隣接するセグメント３同士で互いに当接するように配置されるものであり、その高さは圧縮力が作用する断面範囲とすることが好ましいことから、少なくとも中立軸２２よりも上方に設けられる。また、後述する下フランジ３３と添接板２５とのボルト接合作業を容易に行うことができるように、この継手板２３の下端は、下フランジ３３から２００ｍｍ程度離間する高さまで延長されていることが望ましい。

この継手板２３は短ボルトを螺着させるためのボルト用孔４２が２段に亘って設けられている。このボルト用孔４２は、隣接するセグメント３の継手板２３同士を突き合わせて、図示しない短ボルトを挿通させて接合するために利用されるものである。ボルト用孔４２の配置は、ボルトの必要耐力と止水材４４の締め付けに必要となる間隔で決定されるものであり、止水材４４の膨張反力を均等に抵抗させるためにボルトの間隔は最大でも５００ｍｍ程度となるように配置することが望ましい。また、ボルトの締結作業に支障が生じないように、ボルト用孔４２の間隔は、最小でも１００ｍｍ程度とする。

添接板２５ａは下フランジ３３ａの底面に、また添接板２５ｂは、下フランジ３３ｂの底面に、さらに添接板２５ｃは、下フランジ３３ｃの底面に架設される。各添接板２５は、ボルト用孔４６がそれぞれ穿設されており、このボルト用孔４６と下フランジ３３のボルト用孔４３とを合わせ込んでボルト接合される。即ち、各添接板２５は、それぞれ周方向に相互に隣接するセグメント３における下フランジ３３が接合される状態となる。この接合のためのボルトの必要配置本数は、伝達すべき引張力に基づいてボルト１本の伝達耐力から決定する。また、添接板２５の長さは、ボルトの必要配置本数を満足する長さとなるように調整される。また、添接板２５の厚さは、伝達すべき設計伝達力によって決定する。

また、ボルト用孔４６の間隔は、施工性を考慮して最小でも１００〜１５０ｍｍ程度の間隔をあける。セグメント３の軸方向に配列するボルトの列数は、２〜１０列程度とすることが望ましい。

なお、セグメント３の周囲には止水材４４を設けるようにしてもよい。この止水材４４は、地山側から内空面側への地下水の漏洩を防止するためのゴム製のシール部材等で構成してもよいし、また水膨潤性のものを使用し、地下水と反応して体積を膨張させて水を遮断させるものであってもよい。この止水材４４は、周方向及び軸方向に隣接するセグメント同士で対面するように配設されるものであり、必要に応じて１〜２条配置される。この止水材４４は、予め形成された図示しない溝部に形成するようにしてもよい。この止水材４４は、継手板２３から主桁２４の外面に連続して設けるようにする。主桁２４外面に、この止水材４４を配置する場合には、当該止水材４４の膨張反力を均等に抵抗させるために、ボルト４３同士の間隔は最大でも５００ｍｍ程度となるように配置することが望ましい。

また、上述した例では、３本の主桁２４を設ける場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、４本以上の主桁２４で構成されていてもよい。

次に、本発明を適用したセグメントの連結構造の他の構成例について図面を参照しながら説明をする。以下の構成例において、上述した図２に示す連結構造と同一の構成要素、部材に関しては、同一の番号を付すことにより以下での説明を省略する。

図３に示す連結構造５は、添接板５１を下フランジ３３の上面に接合する例について示している。即ち、下フランジ３３の各上面に形成されたボルト用孔４１に、添接板５１に穿設されたボルト用孔４６を合わせ、図示しないボルトをこれらに挿入して螺着することにより、下フランジ３３と添接板５１とを接合していくことになる。主桁２４ａにおける下フランジ３３ａには、添接板５１ａが接合される。また主桁２４ｂにおける下フランジ３３ｂには、添接板５１ｂ、５１ｃがウエブ３１ｂの両側に接合される。さらに主桁２４ｃにおける下フランジ３３ｃには、添接板５１ｄが接合される。

図４に示す連結構造６は、添接板５２を主桁２４のウエブ３１に接合する例について示している。即ち、各ウエブ３１ａ〜３１ｃに形成されている図示しないボルト用孔に、添接板５２に穿設されたボルト用孔４６を合わせ、図示しないボルトをこれらに挿入して螺着することにより、ウエブ３１と添接板５２とを接合していくことになる。主桁２４ａにおけるウエブ３１ａには、添接板５２ａが接合される。また主桁２４ｂにおけるウエブ３１ｂの両面には、添接板５２ｂ、５２ｃが接合される。さらに主桁２４ｃにおけるウエブ３１ｃには、添接板５１ｄが接合される。なお、ウエブ３１ａ、３１ｃに穿設されているボルト用孔４３をこの添接板５２との接合に共用するようにしてもよい。

図５に示す連結構造７は、添接板２５を下フランジの底面に、添接板５１を下フランジ３３の上面に、添接板５２を主桁２４のウエブ３１に接合する例について示している。即ち、この連結構造７では、一の主桁２４に対して、添接板２５、５１、５２の３枚本が接合されることになる。なお、連結構造７では、一の主桁２４に対して３枚本の添接板２５、５１、５２が接合される場合に限定されるものではなく、何れか２枚本以上の添接板２５、５１、５２が接合されていればよい。

上述の如き構成からなる連結構造３、５〜７は、トンネル分岐合流部１の外周を構成するセグメント３の継手として用いられたとき、トンネル内空面側への引張力として作用する大きな曲げモーメント等に対して対抗することが可能となる。

図６は、連結構造７が適用されるセグメント３の横断面構造を示している。このようなセグメント３に対しては、内空面側から地山側にかけて図中矢印で示されるような曲げモーメントが負荷する。その結果、中立軸２２より上方は圧縮力が負荷されることになり、中立軸２２より下方は引張力が負荷されることになる。この圧縮力に対しては、周方向に隣接するセグメント３間で当接すべき継手板２３同士で伝達させることが可能となる。また、この引張力に対しては、主桁２４に架設されている添接板２５、５１、５２により伝達されることになる。また、このセグメント３にはせん断力が負荷されることになるが、この負荷されるせん断力は、継手板４２のボルト用孔２３に挿入され、螺着される図示しないボルトを介して伝達されることになる。

また軸方向に関しては、ウエブ３１ａ並びにウエブ３１ｃに穿設されたボルト用孔４３を介して軸方向に螺着される図示しないボルトにより応力伝達を行うことが可能となる。これによりセグメント３の継手部周辺の軸方向の応力伝達耐力を補強することが可能となる。このボルト用孔に螺着される図示しないボルトを継手部近傍に多段、多列配置することにより、軸方向に隣接するリングへの応力伝達性能を向上させることができる。

ちなみに、この図６では、連結構造７を例に挙げて説明をしたが、他の連結構造３、５〜６においても同様に耐力、剛性を向上させることが可能となる。しかし、特にこの連結構造７では、一の主桁２４に対して複数の添接板２５、５１、５２が架設されるため、曲げモーメントに対する抵抗力をより顕著に向上させることが可能となる。

特にこの連結構造７では、一の主桁２４に対して複数の添接板２５、５１、５２が架設されるため、曲げモーメントに対する抵抗力を向上させることが可能となる。即ち、本発明に係る連結構造３、５〜７は、耐力、剛性をともに高めることが可能となる。

図７に示す連結構造８は、主桁２４における下フランジ３３の底面において添接板５３を架設するとともに、当該添接板５３が互いに軸方向に隣接するセグメント３のリングを跨るように軸方向へ拡径されている例を示している。この添接板５３は、板厚９ｍｍ程度から７０ｍｍ程度が適する。このようにリング間に亘って拡径された添接板５３を軸方向に隣接するセグメント３の下フランジ３３に接合することにより、軸方向のせん断応力伝達性能を向上させることが可能となる。

なお、この連結構造８には、例えば図８に示すように、添接板５１をさらに周方向に隣接する下フランジ３３間に架設するようにしてもよい。これにより、曲げモーメントに対する抵抗力をより向上させることが可能となる。なお、軸方向への応力伝達性能をさらに高めるためには、例えば添接板５４をセグメント３のリングを跨いで接合するようにしてもよい。

図９に示す連結構造１０は、各主桁２４における下フランジ３３ｄを、セグメント３における周方向当接面に向けて互いに一体化された一枚の鋼板として構成している。また、この下フランジ３３ｄの底面において周方向に架設される添接板５５は、一体化された一枚の鋼板からなる。この添接板５５には、ボルト用孔４６が穿設され、このボルト用孔４６と適合可能なボルト用孔４１を下フランジ３３ｄに形成しておく。下フランジ３３ｄに添接板５５を架設する際には、これらのボルト用孔４６とボルト用孔４１とを合わせ込み、図示しないボルトをこれに挿通して螺着固定することになる。

この連結構造１０では、添接板５５の面積を増加させ、ひいてはボルトの本数を増加させることができるため、伝達耐力を増加させることが可能となる。

図１０は、この連結構造１０の内空面側からの背面図である。周方向当接面２１より離間した位置においては、主桁２４ａ〜２４ｃを構成するフランジ３３ａ〜３３ｃは、互いに隙間が空いた状態で配設されている。これに対して周方向当接面２１の近傍においては、これらフランジ３３ａ〜３３ｃを互いに一体化した一枚の鋼板としてのフランジ３３ｄで構成されることになる。そして、このフランジ３３ｄの底面から添接板５５が架設されることになる。因みに、ボルト用孔４６にボルトを挿通して螺着させる際には、フランジ３３ａ〜３３ｃ間に形成された間隙から手を伸ばして行うことも可能となる。

各主桁２４ａ〜２４ｃにおける下フランジ３３ａ〜３３ｃと、一枚の鋼板として構成される下フランジ３３ｄとの間には隅角部６０が形成される。この隅角部６０は９０°となるのが一般的である。この隅角部６０に嵌合可能な、直角三角形状の補強ピース５８を各隅角部６０に固着するようにしてもよい。これにより、下フランジ３３ａ〜３３ｃと下フランジ３３ｄとの間における応力の伝達をスムーズに行うことが可能となる。

図１１(a)は、連結構造３、５〜９において、周方向に隣接する継手板２３を突き合わせて短ボルトで接合する際の拡大構成を示している。継手板２３に穿設されたボルト用孔４２に短ボルト６２を挿入し、これをナット６３により螺合し、互いを固定する。このとき、この短ボルト６２と継手板２３との間隙、並びにナット６３と継手板２３との間隙には、弾性座金６４を介装するようにしてもよい。この弾性座金６４を構成する材質は、硬質ゴムを利用するようにしてもよい。

特に繰り返し応力が負荷される地震時において、例えば図１１(b)に示すように、連結構造７に対しては、地山側から内空面側にかけて図中矢印で示されるような曲げモーメントが負荷する場合もある。その結果、中立軸２２より上方は引張力が負荷されることになり、中立軸２２より下方は圧縮力が負荷されることになる。短ボルト６２に対して、上述の如き弾性座金６４を介装しておくことにより、引張力が作用した場合においても弾性座金６４の圧縮により、地震による継手板２３の目開き変位を吸収することができ、ボルト破壊を抑制することが可能となる。ちなみに、この短ボルト６２の配置本数は、地震外力より決定されることになる。

次に、連結構造３、５〜９を適用したトンネル分岐合流部１の施工方法について図面を参照しながら詳細に説明をする。図１２に示すように、先ず本線トンネル１１において、残置部１１ａと撤去部１１ｂを切り分ける。同様にランプトンネル１２においても残置部１２ａと撤去部１２ｂとを切り分ける。次に、この撤去部１１ｂ、１２ｂを構成するセグメントを除去する。

次に、この本線トンネル１１とランプトンネル１２との間の地盤を地中において開削し、この開削により形成された図１３に示すような空洞部７０の地面７１と天井７２をそれぞれ凍結させる。この凍結させる理由としては、この空洞部７０内部に水が浸入しないようにするためである。

次に、図１４に示すように残置部１１ａと残置部１２ａとの間に新たに新設部１４を設けていく。この新設部１４は、トンネル分岐合流部１の外周を構成するものである。この新設部１４を構成するセグメント３の周方向の連結に関しては、本発明に係る連結構造３を適用する。

この新設部１４を設置していく際には、予め工場においてセグメント３の鋼殻を組立て、ボルト穴加工及び止水材４４配設用のシール溝加工を実施して現場に搬入する。ボルト及び穴あけ加工を実施した添接板、さらには弾性座金を現場に搬入し、その後、シール溝に止水材４４を配設する。

また、現場においては、セグメント３の継手板２３を互いに突き合わせる。そして、ボルト用孔４２に短ボルトを挿入してこれを締結させる。次に、添接板２５、５１、５２に対してボルトを締結させることになる。

この新設部１４の施工方法を更に詳細に説明をする。図１５、１６は、このトンネル分岐合流部１の断面図を左側に示し、また、このトンネル分岐合流部１における上面図を右側に示している。この上面図では、図中左側から右側にかけて１〜６列のセグメントリングで構成している場合を示しており、ステップＳ１１からステップＳ１５に至るまでに、１列から６列へ向けて新設部１４を構築していく場合を示している。

ステップＳ１１では、未だ本線トンネル１１における残置部１１ａと、撤去部１１ｂとの切り分け、並びにランプトンネル１２における残置部１２ａと、撤去部１２ｂとの切り分けが終了してない状態にあり、地山７７がそのまま残存している状態にある。かかる場合には図中矢印で示されるトンネル周方向の力の流れは、セグメントリングを跨ぐことなく互いに平行になる。

次にステップＳ１２へ移行し、１〜２列目を構成する撤去部１１ｂ＿１、１１ｂ＿２並びに１２ｂ＿１、１２ｂ＿２を構成するセグメントを撤去する。このステップＳ１２における断面図は、この撤去部１１ｂ＿１、１１ｂ＿２並びに１２ｂ＿１、１２ｂ＿２を構成するセグメントが撤去され、さらに空洞部７０の地面７１と天井７２をそれぞれ凍結させた状態を示している。ちなみに、このステップＳ１２において、３〜６列目においては、撤去部１１ｂ、１２ｂ間において地山７７が残存している状態となる。

このステップＳ１２において１〜２列目を流れる応力は、撤去部１２ｂ＿３〜１２ｂ＿６へと流れ込むことになる。

次にステップＳ１３へと移行し、１列目において新設部１４＿１を構築していく。ここでは、この新設部１４＿１につき、周方向に２本のセグメント３を連結させる場合を例示している。このセグメント３の継手部には、上述した連結構造３、５〜９の何れかを適用していくことになる（以下の説明では、連結構造３を適用していく場合を例にとり説明をする）。ちなみに、このステップＳ１３において示してある断面図は、新設部１４＿１を構築した１列目のセグメントリングの断面を示している。

次にステップＳ１４へと移行し、３列目を構成する撤去部１１ｂ＿３並びに１２ｂ＿３を構成するセグメントを撤去する。このステップＳ１４において、４〜６列目においては、撤去部１１ｂ、１２ｂ間において未だ地山７７が残存している状態にある。このステップＳ１４において２列目を伝播してきた応力は、１列目の新設部１４＿１へと流れ込み、３列目を伝播してきた応力は、４列目へと流れ込むことになる。

次にステップＳ１５へと移行し、２列目において新設部１４＿２を配設していく。この新設部１４＿２を構成するセグメント３は、新設部１４＿１を構成するセグメントとの間で互いに千鳥状になるように配設される。この新設部１４＿２を構成するセグメント３は、新設部１４＿１を構成するセグメントとの間で、残置部１２ａに対していわゆるイモ継手となるように配置される。これにより、残置部１２ａを構成するセグメントと、上記新設部１４＿１、１４＿２を構成するセグメント３は、互いの接合面が軸方向に向けて一直線状になるように配置されることになる。

特に、この残置部１２ａと新設部１４＿１との取り合い部では、隣接するリングのセグメント３を順次新設していく必要性から、接続作業に優れる継手とする必要があり、また曲げモーメントも大きくないのでイモ継手とすることが望ましい。これに対して、新設部１４を構成するセグメントの中央部では、曲げモーメントが大きく、残置部１１ａ、１２ａとの取り合いも無くなることから、千鳥配置で構成することが望ましい。

この新設部１４＿２の構築が終了した後に４列目の地山７７の開削が開始されることになる。即ち、この施工方法においては、実際に新設部１４を施工する列の次列の撤去部１１ｂ、１２ｂを先に撤去しておくことにより、例えば、連結構造８の如きセグメント３のリングを跨るような添接板５３への接合工事を容易に行うことが可能となる。なお、新設部１４を構成するセグメント３と残置部１１ａ、１２ａを構成するセグメントとの連結は、上述した連結構造３を適用することなく、他の従来の連結構造を適用するようにしてもよい。

なお、上述した施工方法においては、例えば図１７(a)に示すように、残置部１１ａ、１２ａを構成するリング間に添接板５３を予め架設しておくようにしてもよい。これにより、この図１７(a)でいう３列目の周方向の応力を、この添接板５３を介して軸方向へと分散して伝達させることが可能となる。

また、上述した施工方法においては、例えば図１７(b)に示すように、新設部１４を構成するセグメント３のリング間に添接板５３を架設した、上述した連結構造８を適用した場合について示している。この図１７(a)でいう３列目の周方向の応力は、この添接板５３を介して軸方向へと分散して伝達させることが可能となる。

土被り５０ｍ程度の大深度トンネルの分岐合流部１を例にとり、連結構造２の仕様を試算してみる。

分岐合流部１の断面は、全幅２２ｍ、高さ１５ｍの横長トンネル断面とする。非開削工法により分岐合流部１を施工する場合、施工途中に撤去部１１ｂ、１２ｂを構成するセグメント３を撤去する場合を想定する。

図１９に示すトンネル分岐合流部２０６に作用する正曲げ最大点において、トンネルに発生する断面力は、軸力が６０００ｋＮ、曲げモーメントが９０００ｋＮｍ、せん断力が３０００ｋＮ発生する（奥行き１ｍ当り）。

また、主桁２４の高さを１０００ｍｍ、セグメント３の幅を１２００ｍｍ、主桁２４のフランジ３２、３３の厚さを７５ｍｍ、フランジ３２ａ、３３ａ並びにフランジ３２ｃ、３３ｃの幅を１７０ｍｍ、フランジ３２ｂ、３３ｂの幅を３４０ｍｍとし、ウエブ３１ａ、３１ｃの厚さを３０ｍｍ、ウエブ３１ｂの厚さを６０ｍｍ、スキンプレート２６の厚さを８ｍｍとする。

トンネルに発生する断面力（軸力が６０００ｋＮ、曲げモーメントが９０００ｋＮｍ、せん断力が３０００ｋＮ）のうち、曲げモーメント及びせん断力の３０％につきリング間ボルトを用いて隣接リングへと伝達すると仮定する。

セグメント継手において負担、伝達する断面力は軸力が６０００ｋＮ、曲げモーメント６３００ｋＮｍ、せん断力が２１００ｋＮとなる。軸力は圧縮力であるため、継手板の当接により伝達し、以下のボルト設計に関与しない。継手の曲げモーメントは、トンネル内空面側の添接板２５ａ〜２５ｃにより、またせん断力は、地山側のボルト用孔４２に挿通させる短ボルトにより伝達するものであるため、各々の仕様は、曲げモーメント及びせん断力が低減する分に相当する仕様が低減可能になる。

即ち、曲げモーメント及びせん断力の７０％伝達分に相当する仕様は以下のとおりである。

継手板２３の高さ５５００ｍｍ、板厚２１ｍｍ、ボルト用孔４２は、一の継手板２３において２段×６列、ボルト用孔４２に挿通すべき短ボルトはＭ３６。また、添接板２５ａ〜２５ｃの長さは７５０ｍｍ、板厚２５ｍｍ×２枚（両面）、ボルト用孔４６の配置は、６段×５列でボルト径はＭ３０。

次に、リング間ボルトの仕様について説明する。先ず、曲げモーメント及びせん断力の３０％をボルト用孔４３に挿通すべきリング間ボルトを介して隣接するリングへと伝達する場合を考えてみる。この隣接するリングへの伝達力Ｐを算定する。即ち、この伝達力Ｐが隣接リングに集中荷重として作用する時に発生する曲げモーメントとして算出をする。その結果、隣接リングへの伝達曲げモーメントは２７００ｋＮｍ、せん断力は９００ｋＮとなる。

図１９に示すトンネル分岐合流部２０６に作用する正曲げモーメントが負荷されているスパン長を１０ｍとしたとき、スパン中央位置における発生曲げモーメントから、２７００ｋＮｍ＝１／４×１０ｍ×ＰｋＮより、Ｐは１０８０ｋＮとなる。リング間ボルトは、ボルト径Ｍ３０ｍｍ、ＳＨＴＢボルト１本あたりの面摩擦耐力１６１ｋＮ／本を使用し、必要本数は、１０８０ｋＮ／１６１ｋＮ＝６．７本となる。せん断力についての必要本数は、同様に９００ｋＮ／１６１ｋＮ＝５．６本となり、合計１２．３本となる。従って、セグメント継手周囲４箇所に配分してボルトを配置すると、１箇所あたりリング間ボルトを４本配置すればよい。ボルト間隔を１５０ｍｍ確保する場合には、桁高さ１０００ｍに対して４段配置×１列で対応可能である。

本発明を適用したセグメントの連結構造が適用されるトンネル分岐合流部の構成図である。 本発明を適用したセグメントの連結構造の斜視図である。 添接板を下フランジの上面に接合する例について示す図である。 添接板を主桁のウエブに接合する例について示す図である。 添接板を下フランジの底面、下フランジの上面、主桁のウエブに接合する例を示す図である。 本発明を適用した連結構造が適用されるセグメントの断面図である。 添接板が互いに軸方向に隣接するセグメントリングを跨るように軸方向へ拡径される例を示す図である。 図７の構成に加えて、添接板をさらに周方向に隣接する上フランジ間に架設する例を示す図である。 本発明を適用した連結構造の他の構成例について説明するための図である。 図９に示す連結構造を内空面側から視認した図である。 短ボルトと継手板との間隙に弾性座金を介装する場合について説明するための図である。 本発明に係る連結構造を適用したトンネル分岐合流部の施工方法について説明をするための図である。 本線トンネルとランプトンネルとの間の地盤を開削することにより得られた空洞部を示す図である。 残置部間に新たに新設部を設ける場合について示す図である。 本発明に係る連結構造を適用したトンネル分岐合流部の施工方法をさらに詳細に説明するための図である。 本発明に係る連結構造を適用したトンネル分岐合流部の施工方法をさらに詳細に説明するための他の図である。 リング間に添接板を架設する場合における応力の流れについて説明するための図である。 非開削工法の従来例について説明するための図である。 非開削工法に基づいて構築された本線トンネルとランプトンネルとのトンネル分岐合流部の完成図を示す図である。 ボルト並びに添接板を利用した連結構造の従来例を示す図である。

符号の説明

１ トンネル分岐合流部
２ 連結構造
３ セグメント
１１ 本線トンネル
１２ ランプトンネル
１３ トンネル
１４ 新設部
１５ 仕切壁
２１ 周方向当接面
２２ 中立軸
２３ 継手板
２４ 主桁
２５ 添接板
２６ スキンプレート
３１ ウエブ
３２ 上フランジ
３３ 下フランジ
４１〜４３、４６ ボルト用孔
４４ 止水材

Claims (11)

1. 隣接するセグメントを互いに連結する際に用いられるトンネル用のセグメントの連結構造において、
   上記セグメントの周方向当接面において地山側に形成された継手板同士がボルトで接合され、
   トンネルの軸方向に直交するとともに、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有する主桁が、上記セグメントの軸方向両端及び少なくともその中間に配設され、
   周方向に隣接する上記セグメントにおける上記各主桁間には添接板が架設されるとともに、当該添接板と上記主桁とは互いにボルト接合されていること
   を特徴とするセグメントの連結構造。
2. 互いに軸方向に隣接するセグメントの軸方向両端に配設される各主桁のウエブ同士は、少なくとも継手部近傍において複数段に亘りボルト接合されていること
   を特徴とする請求項１記載のセグメントの連結構造。
3. 上記添接板は、上記主桁における下フランジの底面、上記主桁における下フランジの上面、上記主桁におけるウエブの何れか１以上において架設されること
   を特徴とする請求項１又は２記載のセグメントの連結構造。
4. 上記継手板及び主桁には連続して、地山側から内空面側への地下水の漏洩を防止するための止水材が設けられていること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造。
5. 上記添接板は、上記主桁における下フランジの底面において架設されてなるとともに、互いに軸方向に隣接するセグメントリングを跨るように軸方向へ拡幅されてなること
   を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造。
6. 上記各主桁における下フランジは、上記周方向当接面より離間する位置において互いに隙間を空けて構成され、上記周方向当接面に近接する位置において一枚の鋼板として構成され、
   上記添接板は、一枚の鋼板からなるとともに、上記一枚の鋼板として構成される下フランジの底面に架設されてなること
   を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造。
7. 上記互いに隙間を空けて構成されている下フランジと、上記一枚の鋼板としての下フランジとの間で形成される角部に嵌合可能な三角形状の補強ピースが固着されていること
   を特徴とする請求項６記載のセグメントの連結構造。
8. 上記セグメントの周方向当接面に形成された継手板同士を接合するボルト、及び／又は上記各主桁のウエブ同士を接合するボルトは、弾性座金を介して接合されること
   を特徴とする請求項１〜７のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造。
9. 上記セグメントの軸方向両端に配設された主桁のフランジは、ウエブの軸方向外側から突出しない構成とされていること
   を特徴とする請求項１〜８のうち何れか１項記載のセグメント間の連結構造。
10. 上記セグメントは、第１のトンネルと第２のトンネルとが分岐又は合流するトンネル分岐合流部の外周を構成すること
    を特徴とする請求項１〜９のうち何れか１項記載のセグメントの連結構造。
11. 第１のトンネル並びに第２のトンネルの残置部を構成する残置部セグメントと、上記セグメントは、互いの接合面が軸方向に向けて一直線状になるように配置され、さらに上記分岐合流部の外周を構成する上記セグメント間は、互いに千鳥状となるように配置されていること
    を特徴とする請求項１０記載のセグメントの配置構造。

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