JP2008223427A - コンクリート中詰め鋼製セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを構造材として一体化させ、トンネル覆工体の経済性を向上させることが可能なコンクリート中詰め鋼製セグメントを提供すること。
【解決手段】コンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブ５の中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度θが１０度〜２５度の範囲とされ、かつ、継手板４に隣接する縦リブ５と継手板４との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ５同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板４に隣接する各縦リブ５が配置されている。
【選択図】図２０

Description

本発明は、トンネルの覆工に関するもので、トンネル断面の曲率を有する部位を覆工するためのコンクリート中詰め鋼製セグメントの経済性を向上させる技術である。
特に、大深度に構築されるシールドトンネルの覆工体として適用する場合にその効果が大きいコンクリート中詰め鋼製セグメントに関する。

トンネル、特にシールドトンネルの覆工体としては、鋼製セグメント，RCセグメント，合成セグメントが知られている。コンクリート中詰め鋼製セグメントは、鋼製セグメントにあらかじめコンクリートを中詰めすることによって、従来、必要であった二次覆工を省略するために開発された二次覆工一体型のセグメントである。このコンクリート中詰め鋼製セグメントは、トンネルに作用する土水圧に対しては鋼材部分のみで抵抗するとして設計され使用されてきているが、コンクリートを中詰めしたことによる自重の増加のために、鋼製セグメントとして設計する場合に比較して鋼材重量が大きくなり、この面では不経済なものとなっていた。

あらかじめ中詰めしたコンクリートを構造材として活用しようという試みもなされていたものの、セグメントの鋼枠と中詰めコンクリートを一体化する方法としては、スタッドジベルのような機械的なずれ止めを配置する方法が検討されていたが、多数のスタッドジベルを設置する必要があるために、中詰めコンクリートを構造材化するメリットよりもスタッドジベルを取り付ける経済的なデメリットの方が大きく、検討はされたものの実用化には至っていない。

中詰めコンクリートを構造材化する方法として、（１）縦リブを貫通する鉄筋を配置することによって中詰めコンクリートを構造材化する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、主桁を［ 形状にし、かつ、Ｈ形状の縦リブを使用することによって中詰めコンクリートを構造材化する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、これらの方法によって製造されたセグメントは、土水圧により作用する曲げモーメントが極めて大きい場合には、メリットがあるものの、反面、作用する曲げモーメントが比較的小さい場合には、セグメントに複雑な加工が必要なために高価になり、不経済な構造となってしまう。
特開２００４−２７０２７６号公報 特開２００３−２７８９４号公報

コンクリート中詰め鋼製セグメントに用いられている鋼枠は、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと鋼枠のトンネル外周面側に配置されるスキンプレートにより構成されている。主桁および継手板には、隣接するセグメントとボルトにて締結するためのボルト孔および継手部の止水を目的として設置されるシール材を配置するためのシール溝が設けられている。これらの部材は溶接接合により組み立てられた後に、内部にコンクリートを充填して製作されている。
従来、鋼枠内に配置される縦リブは一対の主桁の間隔を保持するために必要最小限の枚数が使用されており、また平板の縦リブが用いられることが多く、そのため縦リブとして使用される平板は形状の保持と主桁と縦リブを溶接するために必要な最小の板厚が選定されていた。
そのため、従来のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、鋼枠と中詰めコンクリートの一体性が十分ではなく、中詰めコンクリートを構造材として使用できなかった。
また、従来、トンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの配置角度と、中詰コンクリートとの一体合成化との関係については知られていない。
本発明者は、前記のトンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの配置角度と、中詰コンクリートとの一体合成化との関係について種々検討した結果、トンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの所定範囲の配置角度により、別個に中詰コンクリートに係合する鉄筋等の補助鋼材を使用しない場合でも、主桁または主桁，縦リブと中詰コンクリートとの一体合成化が可能であることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、コンクリート中詰め鋼製セグメントに特殊なずれ止め機構を追加することなく、二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを構造材として、鋼枠と中詰めコンクリートを一体化させ、鋼コンクリート合成構造体としての性能を発揮させることができ、トンネル覆工体の経済性を向上させることが可能なコンクリート中詰め鋼製セグメントを提供することを目的とする。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、トンネル断面の曲率を有する部位の覆工体として使用されるコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと一つのスキンプレートで構成される曲率を有する鋼枠の内部に、コンクリートを充填して得られるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が１０度〜２５度の範囲とされ、かつ、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板に隣接する各縦リブが配置されていることを特徴とする。
また、第２発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、第１発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、セグメントのトンネル半径方向の高さＨ、縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数μ、セグメントの幅Ｂ、縦リブの配置間隔の中心角θ、中詰めコンクリートの断面積Ａｃ、中詰めコンクリートのヤング率Ｅｃ、主桁の断面積Ａｓ、主桁のヤング率Ｅｓおよび中詰めコンクリートのトンネル半径方向の高さｈｃを用いて、縦リブのトンネル半径方向の高さｈｒが下記式（１）で定められる範囲となるように縦リブのトンネル半径方向の高さｈｒを設定し、

かつ、前記縦リブの板厚ｔｒが、縦リブ１枚が主桁に伝達する荷重をＰｒとし、鋼材の種類により定まる許容せん断応力度をτｓａとした場合に、下記式（２）

を満足するように縦リブの板厚ｔｒを設定したことを特徴とする。
また、第３発明においては、第１または第２発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、縦リブの表面に凹凸を付与することにより縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数を向上させたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
また、第４発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいては、第１発明または第２発明の縦リブとして、断面Ｔ字状または断面Ｌ字状の縦リブを用いたことを特徴とする。
また、第５発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、第１発明または第２発明の縦リブに貫通孔を設けたことを特徴とする。

本発明によると、コンクリート中詰め鋼製セグメントに配設されている縦リブの仕様および配置を、中詰めコンクリートを構造材化するために、適切な仕様および配置にすることができ、そのため、コンクリート中詰め鋼製セグメントを構成する主桁と構造材化された中詰めコンクリートを確実に一体化することができ、すなわち、これまでトンネルの二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを確実に構造材化することができ、そのため、大深度におけるトンネル覆工体を構成するためのセグメントとして使用しても、トンネル覆工体に作用する圧縮軸力および曲げモーメントに合理的かつ経済的に対応可能なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブのトンネル半径方向の高さをセグメントのトンネル半径方向の高さ以下の範囲において設定すると共に縦リブの板厚を、定量的に設定することにより、より合理的なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブの表面に凹凸を付与することにより、縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数μを向上させ、縦リブと中詰めコンクリートとを確実に一体にすることができる。
また、断面Ｔ字状または断面Ｌ字状の縦リブを用いることにより、剛性の高いコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブに貫通孔を設けることにより、中詰めコンクリートと縦リブの一体化を確実に図り、剛性の高い経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。

次に、本発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントについて順に説明する。
先ず、第１発明のように設定した理由について順に説明する。

曲率を有するトンネルおよびトンネル覆工体の代表としては、シールドトンネル工法，推進工法などにより構築される円形断面のトンネルが知られている。
図１は、シールドトンネル工法により構築された円形トンネルの覆工構造を示している。
この図に示したシールドトンネル覆工体２の場合には、３つのＡセグメント１Ａと２つのＢセグメント１Ｂと１つのＫセグメント（キーセグメント）１Ｋにより円形のトンネル覆工体（セグメントリング）２が構成されており、各々のセグメント１Ａ，１Ｂ，１Ｋ同士の接続は、セグメントの継手板を介してボルトにより接続されるのが一般的である。
前記のＡセグメント１Ａと、Ｂセグメント１Ｂと、Ｋセグメント１Ｋのうち、いずれの場合も適用可能であるが、特に、Ａセグメント１Ａを例にして説明する。

図２は、セグメントの例としてトンネル覆工体として用いられるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおけるＡセグメント１Ａの構成を示しているが、トンネル周方向に伸びる鋼製の一対の主桁３と、トンネル軸方向に伸びる一対の鋼製の継手板４と複数（図２の場合には４枚）の鋼製の縦リブ５と、一枚の鋼製のスキンプレート６とにより構成される鋼枠（鋼殻）７の内部に中詰めコンクリート８を打設している。

継手板４に設けられる複数のボルト孔（図示を省略）と前記継手板４の内側（コンクリート部）に設けられるボルトボックス（図示を省略）を用いて、トンネル周方向に隣接するセグメント１Ａ，１Ｂ，１Ｋ同士がボルト締結により接合されるのが一般的である。また、主桁３に設けられた複数のボルト孔（図示を省略）と各主桁３の内側（コンクリート部）に設けられるボルトボックス（図示を省略）を用いて、トンネルの延長方向に隣接するセグメント１Ａ，１Ｂ，１Ｋとボルト締結により接続される。

このようにして構成されるトンネル覆工体２には、地中の土圧および水圧が作用することとなるが、スキンプレート６に作用する土水圧は、中詰めコンクリート８および縦リブ５を介して主桁３に作用することとなる。このため主桁３には、縦リブ５および継手板４位置でのみ、土水圧による荷重が作用することとなる。
前記の土水圧による荷重について、図３に、縦リブ５および継手板４の位置において、主桁３に荷重ｆ１が作用している状況を示している。

図４に示すように、セグメントリング２に均等な法線方向の分布荷重Ｐ１が作用する場合には、図５に示すように、セグメントリング２内には、均等な周方向の軸力Ｎ３のみが発生する。
しかしながら、図６に示すように集中荷重Ｆ１が離散的に作用する場合には、図７に示す軸力Ｎ３のみではなく、図８に示すように曲げモーメントＭ１，Ｍ２および図９に示すようにせん断力Ｓ１、Ｓ２が発生する。
即ち、コンクリート中詰め鋼製セグメント９Ａ（図２参照）における鋼製セグメント（鋼殻）のように、縦リブ５および継手板４がトンネル周方向に間隔をおいて離散的に配置されている場合には、コンクリート中詰め鋼製セグメント９Ａの主桁３は、トンネル周方向の軸力Ｎおよび曲げモーメントＭ１，２に抵抗できる主桁仕様とすることが必要である。
しかしながら、土水圧が同じであれば発生するトンネル周方向の軸力Ｎは同じ大きさとなるので、縦リブ５が配置されている間隔、すなわち図１０に示す中心角（トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度）θの大小により曲げモーメントの大きさが異なり、小さな中心角となるように縦リブおよび継手板を配置すれば、主桁３のトンネル半径方向の桁高が同じであれば、主桁３の板厚は、トンネル周方向の軸力Ｎと、小さな曲げモーメントＭに抵抗するために必要な板厚Ｔとすれば良い。

図１０に示す中心角θは、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度であり（縦リブ５相互の場合）、また、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度である。

図１１は、縦リブ５の配置間隔の中心角θをパラメータとして、トンネル周方向の軸力Ｎと曲げモーメントＭを算定し、横軸に中心角（θ）、縦軸に曲げモーメント（Ｍ）と軸力（Ｎ）の比（Ｍ／Ｎ）として表したグラフである。なお、図１１中、左上図では、左から、縦リブ５の配置間隔を１０度、２５度、４５度と仮定した場合にそれぞれ継手板から主桁に伝達される位置が矢印で示されている。
この図１１左上図中の左に示すように、縦リブ５間隔が小さくなれば、Ｍ／Ｎは二次曲線的に小さくなり、トンネル周方向の軸力が卓越してくることが解る。
しかしながら、現実問題としては、中心角θが０度では、縦リブ５を配置することは不可能であるし、経済的な面からは縦リブ間隔の中心角θが大きく、縦リブ５の取り付け枚数が少ない方が有利である。

図１１に示すように、縦リブ間隔が中心角で２５度以下であれば、縦リブ位置に発生する曲げモーメントＭとセグメントリングに発生している軸力Ｎとの比は、Ｍ／Ｎ＜０．１（ｍ）以下となり、実用上問題のない範囲とすることができる。したがって、本発明では、トンネル周方向に間隔をおいて隣接する縦リブ相互の中心角θ（θ１）および継手板４とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ５の中心角θ（θ２）いずれの角度も、２５度以下とすることにしている。

一方で、図１１左上図中の右に示すように、縦リブ間隔の中心角θを４５度と大きくすれば、曲げモーメント（Ｍ）が大きくなるために、主桁３の板厚を大きくしなければならず、これも不経済となる。
そこで、縦リブ間隔の中心角θをパラメータとして、主桁３の桁高さを一定として、トンネル周方向の軸力Ｎおよび曲げモーメント（Ｍ）に抵抗するために必要な主桁３の厚さを算定して求めた主桁３の鋼材重量（図１２の右下がりの実線）、縦リブ５の取り付け手間を考慮して算定した換算重量に、縦リブ枚数を乗じて求めた縦リブ５の総鋼材重量（図１２の右上がりの点線）、これら２つを加えて得られる換算重量（図１２の上部プロット曲線）を算定した。

図１２には、このようにして得られた縦リブ間隔の中心角θと換算鋼材重量との関係を示した。換算鋼材重量は、中心角θが１７度と１８度の間で最小の値となることが解った。
図１２の実線は、縦リブ５の総重量の変化で、破線は主桁３の重量の変化であり、最上部のプロット線Ｌが換算鋼材重量を示している。
このように縦リブ間隔の中心角度θを１０度から２５度の範囲で設定すれば、経済的なコンクリート中詰めコンクリートを得ることができ、好ましくは縦リブ間隔の中心角度θを１５度から２０度の範囲とし、より好ましくは１７度から１８度の範囲で縦リブの間隔を設定することができる。

継手板４とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ５との中心角θ（θ_２）を、隣合う縦リブ５間の中心角θ（θ_１）と同じか、前記隣合う縦リブ５間の中心角θ（θ_１）よりも小さくした理由は、隣合う縦リブ５間の中心角θ（θ_１）と同じであれば同様な作用効果を生じ、また、隣合う縦リブ５間の中心角θ（θ_１）よりも小さくしておけば、同等以上の作用効果を発揮することができるためである。これらの前提として、トンネル周方向に間隔をおいて隣接する縦リブ５間の中心角θ（θ１）と、継手板４とこれに隣接する縦リブ５間の中心角θ（θ２）で、角度差がある場合では、例えば、隣合う縦リブ５間の中心角θ（θ_１）を１２度とした場合に、継手板４とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ５との中心角θ（θ_２）を、１２度以下で実用可能な範囲の角度、例えば、４．５度等にする。

次に、第２発明のように縦リブ５のトンネル半径方向の高さおよび板厚を設定した理由について説明する。
さらに、経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメント９を得るためには、縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒと板厚ｔｒを合理的に決定することが必要となる。
コンクリート中詰め鋼製セグメント９のスキンプレート６を介して、中詰めコンクリート８に作用する土水圧は、コンクリート中詰め鋼製セグメント９における中詰めコンクリート８中にも、トンネル周方向の軸力Ｎ，曲げモーメントＭおよびせん断力Ｓを発生させる。しかしながら、中詰めコンクリート８には、土水圧は分布荷重として作用するので、中詰めコンクリート８中に発生する曲げモーメントおよびせん断力は、主桁３に比較すると小さな割合でありトンネル周方向の軸力Ｎが卓越する。
中詰めコンクリート８中に発生するトンネル周方向の軸力Ｎは、図１３に示すように、縦リブ５および継手板４を挟み込むように作用する。また、縦リブ５および継手板４をトンネル半径方向で中心方向に向けて配置しておけば、中詰めコンクリート８が抜け出そうとすれば、トンネル周方向に隣合う縦リブ５相互がトンネル中心側に向かって接近するように傾斜しているくさび効果により、さらに大きなトンネル周方向の軸力Ｎが発生することとなる。
中詰めコンクリート８に圧縮力が発生すると同時に、中詰めコンクリート８は、セグメントリング２が縮まる方向（セグメントリングの半径が小さくなる方向）に変形するが、トンネル周方向の軸力Ｎで押さえ込まれた縦リブ５および継手板４も同様に引き込まれ、これら主桁３に溶接などの方法により固定された縦リブ５および継手板４に引き込まれて主桁３も半径方向に変形することとなる。

しかしながら、縦リブ５および継手板４の仕様、縦リブ５および継手板４と主桁３を固定する仕様をどのようにすれば良いのかを明らかにしなければ、中詰めコンクリート８と鋼枠７が一体として挙動する経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメント９を提供することはできない。

図１４に示すように、直径（Ｄ）のセグメントリング２の周囲から中心方向を向いたｐという分布荷重が作用すると、このセグメントリング２には、式３に示すような軸力（Ｎ）が発生する。但し、Ｂは、セグメントの幅寸法である。

このセグメントリング２がコンクリート中詰め鋼製セグメント９である場合には、中詰めコンクリート８の断面積（Ａｃ）および中詰めコンクリート８のヤング係数（Ｅｃ）、主桁３の断面積（Ａｓ）と主桁３のヤング係数（Ｅｓ）を用いて、中詰めコンクリート８に発生するトンネル周方向の軸力（Ｎｃ）と主桁３に発生する軸力（Ｎｓ）を、式４および式５のように決定することが出来る。

このようなトンネル周方向の軸力（Ｎｃ）（Ｎｓ）に関する関係を利用すれば、分布荷重ｐの内、主桁３が負担する割合を決定することができ、縦リブ５または継手板４が主桁３に伝達しなければならない荷重（Ｐ）を求めることが可能となる。
図１６に示すように、縦リブ５の１枚が分担しなければならない分布荷重ｐの範囲は、縦リブ間隔の中心角度θに等しくなる。
コンクリート中詰め鋼製セグメント９の幅寸法が（Ｂ）で、トンネルを構成するセグメントリング２の外径が（Ｄ）の時、縦リブ１枚が主桁３に伝達する荷重（Ｐｒ）は、式６のようになる。

また、縦リブ５または継手板４と中詰めコンクリート８の間の摩擦係数が（μ）であるとき、中詰めコンクリート８のトンネル半径方向の高さ（ｈｃ）と、縦リブ５のトンネル半径方向の高さ（ｈｒ）であれば、中詰めコンクリートから縦リブに伝達できるリングの中心向きの荷重（Ｐｃ）は、式７のようになる。

合理的かつ最も経済的な縦リブ高さｈｒは、前記のＰｒとＰｃが等しくなるように設定した縦リブ高さｈｒである。すなわち、式６と式７の右辺をｈｒで整理し、式４および式３の右辺を代入して得られる式８である。

すなわち、上記式８は、合理的かつ最も経済的な縦リブ高さｈｒである。
このようにして設定した縦リブ高さｈｒの縦リブ５の必要な板厚（ｔｒ）は、縦リブ５に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度（τｓａ）を用いて、下記式９によりにより、合理的に決定できる。

しかしながら、実際のコンクリート中詰め鋼製セグメント９では、制作上の都合などにより、前記の縦リブ高さｈｒよりも大きな高さの縦リブ５が用いられることがあるので、縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒは、セグメント桁高（Ｈ）以下で、縦リブ高さｈｒ以上のトンネル半径方向の高さを用いるのが合理的である。

次に、第３発明のように縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒを設定した理由について説明する。

すなわち、主桁３の板厚Ｔが大きくなった場合や、主桁３の鋼材として強度の高い鋼材を使用した場合には、下記式１０

の範囲で縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒを決定できないことがある。
そのような場合には、縦リブ５の表面に凹凸を設けて、縦リブ５と中詰めコンクリート８の間の摩擦係数μ_２を高める方法がある。そのような方法としては、縦リブ５に赤錆を発生させる方法，ブラスト処理を行う方法の他、縦リブ５の材料として、縞鋼板や床用鋼板などのような圧延時に凹凸が付けられた鋼板を用いる方法またはプレス加工により特殊な形状の凹凸を付与した鋼板を用いる方法などがある。
このような方法により縦リブ５と中詰めコンクリート８の間の摩擦係数を向上させ、実験により改善された縦リブ５と中詰めコンクリート８の間の摩擦係数（μ_２）を求めた上で、下記式１１の範囲で縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒを決定することができる。

次に、第４発明のように、縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒを設定した理由について説明する。
図１７（ａ）（ｂ）に示すように、縦リブ５の形状を断面Ｔ字状（図１７ｂの場合）または断面Ｌ字状（図１７ａの場合）とした場合には、縦リブ５に設けられたフランジ１０と中詰めコンクリート８の間のせん断（せん断力の伝達）を考慮して、縦リブ５のトンネル半径方向の高さを決定することが可能である。
縦リブ５のフランジ１０とスキンプレート６の間の中詰めコンクリート８から縦リブ５に伝達できる荷重（Ｐｓ）を実験によるか、または縦リブ５のフランジ１０とスキンプレート６の間の中詰めコンクリート８の断面積（Ａｃｒ）と中詰めコンクリート８の強度に応じて設定されるコンクリートの許容せん断応力度（τｃａ）を用いて、摩擦により縦リブ５から主桁３に伝達すべき荷重（Ｐｒ_２）を算出する。
前記の計算による場合には、下記式（１２）または（１３）になる。

Ｐｓ＝Ａｃｒ×τｃａ （１２）
Ｐｒ_２＝Ｐｒ−Ｐｓ （１３）

上式（１２）（１３）と中詰めコンクリート８から縦リブ５に摩擦により伝達可能な荷重（Ｐｃ）が等しくなるように縦リブ高さ（ｈｒ）を決定することが可能である。即ち、下記式１４のようになる。

このようにして決定した縦リブ高さｈｒの縦リブ５の必要な板厚（ｔｒ）は、縦リブ５に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度（τｓａ）を用いて、下記式１５により、合理的に決定できる。

次に、第５発明のように、設定した理由について説明する。
縦リブ５に貫通孔を設けることにより、縦リブ高さｈｒを低減する方法がある。
図１８は、縦リブ５に貫通孔１１を設けた状況を示しているが、貫通孔１１の径および個数と位置は、任意に選択すればよいが、中詰めコンクリート８に使用される粗骨材の最大寸法の２倍程度の径以上にするのが好ましい。
このような貫通孔１１に充填された中詰めコンクリート８が、縦リブ５に伝達可能な荷重Ｐｈを実験などにより求めるか、または貫通孔１１の総面積（Ａｈ）とコンクリートの種類により決定される許容せん断応力度（τｃａ）を用いて、摩擦により縦リブ５から主桁３に伝達する荷重（Ｐｒ_３）を下記式１７により求めることができる。
Ｐｈ＝Ａｈ×τｃａ （１６）
Ｐｒ_３＝Ｐｒ−Ｐｈ （１７）

また、中詰めコンクリート８の断面積（Ａｃ）と縦リブ高さ（ｈｒ）、縦リブ幅（Ｂｒ）を用いれば、中詰めコンクリート８から縦リブ５に摩擦により伝達可能な荷重（Ｐｃ）は下式１８のように表すことができ、Ｐｃ=Ｐｒ_３が等しくなるように縦リブ高さ（ｈｒ）を決定することが可能である。即ち、下記式（１９）のようになる。

このようにして決定した高さｈｒの縦リブ５の必要な板厚（ｔｒ）は、縦リブ５に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度（τｓａ）を用いて、下記２０式により、合理的に決定できる。

図１９〜図２０には、前記のようにトンネル周方向に間隔をおいて設置された縦リブ５およびトンネル周方向の継手板４が主桁３に設置されたコンクリート中詰め鋼製セグメント９が示されている。なお、図１９では、Ｂセグメント１Ｂと、Ｋセグメント１Ｋとはトンネル延長方向に対して継手板がβ度だけ傾けて配置されるため、これらのセグメントの境界領域の中央部で、Ｂセグメント１Ｂと、Ｋセグメント１Ｋのそれぞれの角度領域としている。
図示の構造について簡単に説明すると、トンネル軸方向に間隔をおいて並行でトンネル周方向に延長するように配置される一対の主桁３と、トンネル軸方向に延長すると共にトンネル周方向に間隔をおいて並行な一対の継手板４と、前記継手板４間において、トンネル軸方向に延長すると共にトンネル周方向に並行な複数の縦リブ５と、各主桁３および継手板４並びに縦リブ５に溶接により固定される一枚のスキンプレート６で構成される曲率を有する鋼枠７の内部に、中詰めコンクリート８が充填されてコンクリート中詰め鋼製セグメント９が構成されている。

さらに、前記コンクリート中詰め鋼製セグメント９では、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブ５の中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度（中心角θ）が１０度〜２５度の範囲内において、図示のような角度（１２°）に配置され、かつ、継手板４に隣接する縦リブ５と、継手板４との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ５同士の配置角度（１２°）と同じ角度(１２°)とされている。なお、図示の形態では、継手板４に間隔をおいて並行に継手板補強リブ１２が主桁３に渡って配置されて主桁３およびスキンプレート６に溶接により固定され、前記継手補強リブ１２と継手板４はトンネル軸方向に間隔をおいて配置されトンネル周方向に伸びる継手アンカーリブ１３が溶接により固定されることで合成梁を形成し、前記継手補強リブ１２と継手板４との間に中詰めコンクリート８が充填されることで高剛性の鋼・コンクリート合成梁１４が形成されている。なお、継手板４から最初の縦リブ５までの角度（１２度）を、前記よりも小さい角度（図示を省略）にするようにしてもよい。

トンネル周方向両端部の継手板４のうち、一方の継手板４の内側には、トンネル軸方向に間隔をおいて長ナット１５が固定されていると共にこれに同心状に継手板４にボルト挿通孔が設けられ、他方の継手板４の内側には、トンネル軸方向に間隔をおいてボルトボックス１６が設けられていると共にボルト挿通孔が継手板４に設けられている。また、トンネル軸方向両端部の主桁３のうち、一方の主桁３の内側には、トンネル周方向に間隔をおいて長ナット１５が固定されていると共にこれに同心状に主桁３にボルト挿通孔が設けられ、他方の主桁３の内側には、トンネル周方向に間隔をおいてボルトボックス１６が設けられていると共にボルト挿通孔が設けられている。

なお、図示の形態においては、鋼枠７内に、トンネル軸方向に間隔を置くと共にトンネル周方向に延長するように棒状鋼材１７が配置され、前記各棒状鋼材１７には、トンネル周方向に間隔をおいて並行配置されていると共にトンネル軸方向に延長する組み立て連結用鉄筋１８が当接するように配置されて番線等により結束されている。前記各組み立て連結用鉄筋１８は、先端部にＪ字状に湾曲した脚部１９を有し、前記鋼枠７内に配置され、中詰めコンクリート８に埋め込み固定され、中詰めコンクリート８の剥落防止、あるいは中詰めコンクリート８と鋼枠７との一体化を一層確実にするために用いられている。本発明では、前記の棒状部材１７あるいは組み立て連結用鉄筋１８は、必須の部材ではなく、必要に応じ設けられる。なお、エレクター連結兼裏込め用の雌ねじ管体２０が設けられている。

（実施例）
次に、本発明の実施例について、図１９から図２１を参照しながら説明する。

トンネル覆工体およびコンクリート中詰め鋼製セグメント９の寸法仕様を下記の通りに設定した場合について、前記の縦リブ５のトンネル半径方向の高さｈｒについて最初に検討する。
トンネル外径 Ｄｏ=６４５０ｍｍ
セグメント分割数 ６分割
セグメント桁高 Ｈｓ=２２５ｍｍ
セグメント幅 Ｂ=１５００ｍｍ
縦リブ幅 Ｂｒ=１４６２ｍｍ
主桁高さ Ｈ=１８７ｍｍ
スキンプレート板厚 ｔｓ=３ｍｍ
縦リブ高さ ｈｒ=１５８ｍｍ
コンクリート高さ ｈｃ=２２２ｍｍ
縦リブ配置間隔の中心角 θ=１２度

縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数 μ=０．１
主桁の断面積 Ａｓ =１９ｍｍ×１８７ｍｍ×２ =７１０６ｍｍ^２
コンクリートの断面積 Ａｃ =（１５００ｍｍ−１９ｍｍ×２）×２２２ｍｍ
=３２４５６４ｍｍ^２
鋼材のヤング率 Ｅｓ=２．１×１０^５ N／ｍｍ^２
コンクリートのヤング率 Ｅｃ=１．４×１０^４ N／ｍｍ^２
ＥｓＡｓ=１．４９２×１０^９Ｎ
ＥｃＡｃ=４．５４４×１０^９Ｎ

前記の仕様値を式１１の右辺に代入すると、次のようになる。

本実施例では、最小縦リブ高さｈｒ＝１５３ｍｍであるので、余裕を考慮して縦リブ高さｈｒを１５８ｍｍと設定した。
本実施例における外荷重ｐ＝５４３ｋＮ／ｍ^２であり、縦リブ５の必要板厚ｔｒを式６に代入して算定すると、次のような値になる。

前記のように、縦リブ５の必要最小板厚ｔｒは、ｔｒ＝３．５ｍｍであるが、本実施例では主部材の最小板厚を６ｍｍとしていたので、縦リブ板厚を６ｍｍとし、十分強度があることがわかる。
また前記のように、本発明では、縦リブ５のトンネル半径方向の高さと板厚を、定量的にかつ経済的に算定して確実に設定することができ、コンクリート中詰め鋼製セグメント９の設計が容易になる。

トンネル覆工のセグメント分割と継手板および縦リブの配置を説明する図である。 コンクリート中詰め鋼製セグメントの構成を説明する図である。 縦リブおよび継手板の位置から主桁に作用する力を説明する図である。 セグメントリングの中心方向に作用する等分布荷重を説明する図である。 セグメントリングに発生する周方向の軸力を説明する図である。 セグメントリングに離散的に作用するセグメントリング中心方向の荷重を説明する図である。 トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生する軸力を説明する図である。 トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生する曲げモーメントを説明する図である。 トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生するせん断力を説明する図である。 縦リブ間隔の中心角を説明する図である。 縦リブ間隔の中心角毎のＭ／Ｎを説明する図である。 縦リブ間隔の中心角毎の換算鋼材重量を説明する図である。 セグメントに発生する軸力と縦リブおよび継手板の関係を説明する図である。 トンネル覆工に作用する等分布荷重とトンネル外径を説明する図である。 コンクリート中詰め鋼製セグメントの断面形状を説明する図である。 縦リブ１枚が分担する分布荷重の範囲を説明する図である。 （ａ）（ｂ）は断面Ｌ字状と断面Ｔ字状の縦リブを説明する図である。 （ａ）（ｂ）は貫通孔を設けた縦リブを説明する図である。 本発明の実施例を説明する図である。 本発明の実施例のセグメントの構成を説明する図であり、（ａ）は一部縦断正面であり（ｂ）のａ−ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）の一部横断底面図である。 本発明の実施例のセグメントの断面を説明する図であり、（ａ）は図２０ｂのｂ−ｂ線矢視図、（ｂ）は図２０ａのｃ−ｃ線断面図、（ｃ）は図２０（ａ）のｄ−ｄ線断面図である。

符号の説明

１Ａ Ａセグメント
１Ｂ Ｂセグメント
１Ｋ Ｋセグメント（キーセグメント）
２ トンネル覆工体（セグメントリング）
３ 主桁
４ 継手板
５ 縦リブ
６ スキンプレート
７ 鋼枠
８ 中詰めコンクリート
９ コンクリート中詰め鋼製セグメント
１０ フランジ
１１ 貫通孔
１２ 継手板補強リブ
１３ 継手アンカーリブ
１４ 鋼・コンクリート合成梁
１５ 長ナット
１６ ボルトボックス
１７ 棒状部材
１８ 組立連結用鉄筋
１９ 脚部
２０ 雌ねじ管体

Claims (5)

1. トンネル断面の曲率を有する部位の覆工体として使用されるコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと一つのスキンプレートで構成される曲率を有する鋼枠の内部に、コンクリートを充填して得られるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が１０度〜２５度の範囲とされ、かつ、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板に隣接する各縦リブが配置されていることを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
2. 請求項１のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、セグメントのトンネル半径方向の高さＨ、縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数μ、セグメントの幅Ｂ、縦リブの配置間隔の中心角θ、中詰めコンクリートの断面積Ａｃ、中詰めコンクリートのヤング率Ｅｃ、主桁の断面積Ａｓ、主桁のヤング率Ｅｓおよび中詰めコンクリートのトンネル半径方向の高さｈｃを用いて、縦リブのトンネル半径方向の高さｈｒが下記式で定められる範囲となるように縦リブのトンネル半径方向の高さｈｒを設定し、
   

   

   かつ、前記縦リブの板厚ｔｒが、縦リブ１枚が主桁に伝達する荷重をＰｒとし、鋼材の種類により定まる許容せん断応力度をτｓａとした場合に、下記式
   

   

   を満足するように縦リブの板厚ｔｒを設定したことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
3. 請求項１または請求項２のコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、縦リブの表面に凹凸を付与することにより、縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数μを向上させたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
4. 請求項１または請求項２の縦リブとして、断面Ｔ字状または断面Ｌ字状の縦リブを用いたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
5. 請求項１または請求項２の縦リブに貫通孔を設けたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。

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