JP2009154400A - 合成セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】特に製作コストが廉価で経済性に優れるとともに、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能な合成セグメントを提供する。
【解決手段】鋼殻Ｋ内にトンネル周方向に沿って２条の主鋼材５，５を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材９，９…を配置し、前記主鋼材５は、間隔をおいて配置した上下一対の形鋼材６Ａ、６Ｂ同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋７で連結した構造材とされ、スキンプレート４の内面に沿って列設されるとともに、前記形鋼材６Ａ、６Ｂの両端部が夫々、連結板８を介して継手板３に結合され、補強材９が前記トラス筋７の空間を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、縦リブ１０を介して主桁２２，２に結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールド工法の覆工構造体として使用されるセグメントであって、特に鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントに関する。

地下にシールド機によってトンネルを構築するシールド工法においては、シールド機による掘進に伴って、円弧状のセグメントを周方向及びトンネル軸方向に相互に連結することにより、筒状のトンネルが構築される。

シールド工法に用いられるセグメントとしては、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリート製セグメント）、鋼製セグメント、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントの３種類が知られている。

前記ＲＣセグメントは、コスト性及び防食性の点から多用されているセグメントであるが、大きい曲げや剪断が掛かる場合でも、配筋やコンクリートの打設性から配筋できる鉄筋量が制約されるため（概ね引張鉄筋比１．２％程度）、実際には部材厚を厚くすることでしか対処できない。また、急曲線部ではシールド機のジャッキ反力によって、過大な押付け力が作用し、コンクリートに割れやカケが生じるなどの問題があった。これに対して、前記合成セグメントは、製作コストは上がるものの、薄肉化が可能であり、掘削径の縮小や掘削土量の低減、工期短縮等が可能となるなどの利点を有するものとなる。

前記合成セグメントは、最も簡易な構造としては、下記特許文献１に示されるように、主桁、継手板、スキンプレートからなる鋼殻内に配筋した後、コンクリートを充填した構造のものであるが、かかる合成セグメントの場合は、土圧及び水圧に対して、鋼殻と内部の鉄筋コンクリートとが一体化して抵抗しないなどの問題があった。

そこで、下記特許文献２では、 主桁、継手板、スキンプレート、及び開口部を有する縦リブを備えた鋼殻に、棒状鋼材を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、主桁を所定の取り付け位置に仮置きしたスキンプレート上に縦リブを組み込み溶接し、その後棒状鋼材を縦リブ内に挿通し、スキンプレート、縦リブ、棒状鋼材からなる部材を形成し、最後に当該部材を主桁、継手板からなる外殻とスキンプレート及び縦リブを溶接にて一体成型し、形成された外殻内部にコンクリートを打設した合成セグメントが提案されている。

また、下記特許文献３では、セグメントの継手面にセグメント間で係合してこれらを結合する埋め込み金具を設け、該金具とセグメント本体の主構造材とを溶接またはボルトにより結合した合成セグメントであって、前記主構造材として多数の突起あるいは縞状の凸条付き鋼板を用いた合成セグメントが提案されている。

更に、下記特許文献４では、トンネルの周方向に沿って設置された主桁板と、トンネルの軸方向に沿って設置された継手板と、当該主桁板および継手板の地山側に設置された背板とからなる鋼殻内に複数の主補強材とせん断補強材を設置し、かつコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、前記主補強材は前記トンネルの周方向に沿って設置され、当該主補強材の端部は前記継手板に、当該主補強材の端部と前記継手板の内側部にそれぞれ形成された係合部と定着部とを係合して定着され、前記係合部と前記定着部はそれぞれ断面略Ｔ字状と断面略リップ溝状に形成されてなる合成セグメントが提案されている。ここで、前記主補強材としては、鉄筋、異形鉄筋、孔開き鋼板、縞付き鋼板、菱目突起付き鋼板が用いられている。

下記特許文献５では、鋼殻２が、略円弧状に湾曲して外周面の対向する二辺に設けた一対の第一鋼材と、略円弧状に湾曲して内周面の対向する二辺に設けた一対の第二鋼材とを備え、第一及び第二鋼材の木端面がそれぞれ外部に露出すると共にシール溝を形成し、第一及び第二鋼材の内側には、第三鋼材と第四鋼材をそれぞれ連結し、これら第三鋼材及び第四鋼材をラチスで連結し、鋼殻の内部にコンクリートを打設し、外周面にスキンプレートを溶接した合成セグメントが提案されている。
特開２００２−２１４８９号公報 特開２００６−１５９５８１号公報 特開平９−３２４９１号公報 特許第３８９３８４８号公報 特開２００６−２４９８１４号公報

しかしながら、上記特許文献２に示された合成セグメントのように、棒状部材（鉄筋）を主鋼材として配筋するものは、配置本数が多く製作に多くの時間と手間が掛かるとともに、鋼材重量も嵩み、製作費が増大するなどの問題があった。

上記特許文献３では、突起或いは縞状の凸条付きの鋼板を主鋼材として使用するものであるが、断面剛性が低く、セグメント厚が大きくなってしまう問題があった。

更に、上記特許文献４は、鋼殻内に主補強材とせん断補強材とを設置し、前記主補強材が継手板に結合されているため、鋼材とコンクリートとの一体化を図り得るものである。しかしながら、主補強材とスキンプレートとを繋ぐように厚さ方向に配置されるせん断補強材の設置に多くの手間と時間が掛かり、製作費が増大するなどの問題があった。

上記特許文献５に示された、所謂ビルトアップ構造の合成セグメントは、部材の製作に多くの手間と時間が掛かり、コスト増となるなどの問題があった。また、端部に配置された一対の第一鋼材と一対の第二鋼材とに曲げを負担させる構造のため、これらの鋼材の厚みが過大となるとともに、鋼材とコンクリートとの構造的一体化が図れないなどの問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントにおいて、特に製作コストが廉価で経済性に優れるとともに、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能な合成セグメントを提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、トンネル周方向に沿って対向配置される一対の主桁と、主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の継手板と、前記主桁と継手板との外面側を覆うように設置されるスキンプレートとからなる鋼殻内にコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、
前記鋼殻内にトンネル周方向に沿って１又は複数条の主鋼材を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材を配置し、
前記主鋼材は、間隔をおいて配置した上下一対の形鋼材同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋で連結した構造材とされ、前記スキンプレートの内面に沿って列設されるとともに、前記形鋼材の両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記継手板に結合され、前記補強材が前記トラス筋の空間を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記主桁に結合されていることを特徴とする合成セグメントが提供される。

上記請求項１記載の発明においては、主鋼材として、間隔をおいて配置した上下一対の形鋼材同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋で連結した構造材を使用し、これをスキンプレートの内面に沿って列設するとともに、前記形鋼材の両端部を夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記継手板に結合するようにした。従って、主鋼材として廉価な形鋼材を使用するため、製作コストの低減が可能となる。また、一対の形鋼材をトラス筋で連結することで、十分なコンクリート充填性を確保できるため、主鋼材とコンクリートとの一体化が図れ、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるものとなるとともに、鋼材配置の集約化が可能となるため、高強度の合成セグメントとすることが可能となる。また、主鋼材を継手板に結合することで、継手板の剛性が向上し、トンネル周方向の応力伝達がスムーズとなる。更に、全側面及び外側を鋼材で囲むため、コンクリートの割れやカケを回避でき、主鋼材がすべてコンクリート内に埋設されることにより防食性に優れたものとなる。

特に、製作性及び構造性に関して、前記主鋼材は、間隔をおいて配置した上下一対の形鋼材同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋で連結した構造材とするため、この主鋼材を別途の製作工程で製作しておけば、鋼殻内への組み付けのみで簡単に設置することが可能であるとともに、形鋼材が高い断面剛性（断面性能）を有するため、大きな曲げ及びせん断に対して十分な抵抗を示すことが可能となる。

請求項２に係る本発明として、前記形鋼材として、ウエブを対向させるように配向したＣＴ形鋼が使用されている請求項１記載の合成セグメントが提供される。

上記請求項２記載の発明では、前記形鋼材として、ウエブを対向させるように配向したＣＴ形鋼することを規定するものである。間を空けて配置される上下一対のＣＴ形鋼が、高い断面剛性（断面性能）を有するため、大きな曲げ及びせん断に対して十分な抵抗を示すことが可能となる。

請求項３に係る本発明として、トンネル周方向に沿って対向配置される一対の主桁と、主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の継手板と、前記主桁と継手板との外面側を覆うように設置されるスキンプレートとからなる鋼殻内にコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、
前記鋼殻内にトンネル周方向に沿って１又は複数条の主鋼材を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材を配置し、
前記主鋼材は、部材方向に適宜の間隔でウエブに開口が形成されたＨ形鋼とされ、前記スキンプレートの内面に沿って列設されるとともに、前記Ｈ形鋼の両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記継手板に結合され、前記補強材が前記開口を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記主桁に結合されていることを特徴とする合成セグメントが提供される。

上記請求項３記載の発明は、主鋼材として、部材方向に適宜の間隔でウエブに開口が形成されたＨ形鋼を使用するものである。この場合も、上記請求項１記載の発明の欄で述べた作用効果を奏するものとなる。

請求項４に係る本発明として、前記主桁及び主鋼材として、曲げ加工された鋼材を使用している請求項１〜３いずれかに記載の合成セグメントが提供される。

上記請求項４記載の発明では、主桁及び主鋼材として曲げ加工された鋼材を使用するものである。本発明では、主鋼材をスキンプレートの内面に沿って列設するため、主桁の応力分担の低減により、従来より主桁の板厚を薄くできるようになる。その結果、曲げ加工された鋼材を使用することで、更に製作コストの低減を図ることが可能となる。

請求項５に係る本発明として、前記主鋼材の内面側であってかつ前記鋼殻内のほぼ全面に格子筋が配置されている請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメントが提供される。

上記請求項５記載の発明では、前記主鋼材の内面側に格子筋を配置することにより、主鋼材の防護とともに、ひび割れの分散、ひび割れ幅の抑制などを図るようにしたものである。

以上詳説のとおり本発明によれば、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントにおいて、特に製作コストが廉価で経済性に優れるようになる。また、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

〔第１形態例〕
図１〜図５に基づいて、第１形態例に係る合成セグメント１Ａについて詳述する。

合成セグメント１Ａは、図１〜図３に示されるように、トンネル周方向に沿って対向配置される一対の平板状の主桁２，２と、主桁２，２の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の平板状の継手板３，３と、前記主桁２，２と継手板３，３との外面側を覆うように設置されるスキンプレート４とからなる鋼殻Ｋ内にコンクリートを充填してなるものである。

前記主桁２，２及び継手板３，３の外面には、図４に示されるように、上下２段で凹状のシール溝２ａ、３ａが形成されており、該合成セグメント１をシールド機内で組み立てる際、前記シール溝２ａ、３ａにシール材が充填される。また、前記主桁２，２としては、曲げ加工できない厚板（切り板となる）ではなく、厚板を曲げ加工したものを使用するのが望ましい。また、前記主桁２，２には、適宜の位置（図３の箱抜き部１１位置）でトンネル軸方向に隣接配置される合成セグメント１とのボルト結合を図るボルト穴が複数設けられているとともに、前記継手板３にも同じく、適宜の位置（図３の箱抜き部１１位置）でトンネル周方向に隣接配置される合成セグメント１とのボルト結合を図るボルト穴３ｂ、３ｂが複数、図示例では２つ設けられている。

前記合成セグメント１においては、前記鋼殻Ｋ内にトンネル周方向に沿って１又は複数条の、図示例では２条の主鋼材５，５を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材９，９…を配置している。

前記主鋼材５は、図１、図５等に示されるように、間隔をおいて配置した上下一対の曲げ加工された形鋼材６Ａ、６Ｂ同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋７で連結した構造材とされ、前記スキンプレート４の内面に沿って列設される。前記形鋼材６Ａ、６Ｂとしては、図５に示されるように、ウエブを対向させるように配向したＣＴ形鋼を用いるのが望ましい。

前記主鋼材５の内、前記形鋼材６Ａ、６Ｂは、引張応力に抵抗する補強材として機能するものであり、前記トラス筋７はせん断力に抵抗する補強材として機能するものである。この主鋼材５は、別途の製作工程で製作しておけば、鋼殻Ｋ内への組み付けのみで簡単に設置することが可能である。また、形鋼材が高い断面剛性（断面性能）を有するため、大きな曲げ及びせん断に対して十分な抵抗を示すことが可能となる。なお、前記形鋼材６Ａ、６Ｂとトラス筋７とは溶接付けとするのが望ましい。

前記形鋼材６Ａ、６Ｂの両端部はそれぞれ、直接的又は連結部材を介して間接的に、図示例では連結板８を介して間接的に前記継手板３に結合されている。

一方、前記補強材９、９…は、図１及び図２に示されるように、前記トラス筋７の空間を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、その両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に、図示例では、縦リブ１０を介して間接的に前記主桁２，２に結合されている。

前記主鋼材５の内面側には、図３に示されるように、トンネル周方向及びトンネル軸方向に配置した格子筋１２が配置され、主鋼材５の防護とともに、ひび割れの分散、ひび割れ幅の抑制などを図るようにする。コンクリートは主桁２，２の端縁まできっちりと充填されることにより、前記主鋼材５、補強材９及び格子筋１２などすべての鋼材がコンクリート内部に埋設されるようになっている。なお、中央部に設けられた符合１３は、エレクターによる保持を兼用するコンクリート注入孔である。

〔第２形態例〕
次に、図６〜図１０に示される第２形態例に係る合成セグメント１Ｂについて述べる。

かかる合成セグメント１Ｂも、トンネル周方向に沿って対向配置される一対の平板状の主桁２，２と、主桁２，２の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の平板状の継手板３，３と、前記主桁２，２と継手板３，３との外面側を覆うように設置されるスキンプレート４とからなる鋼殻Ｋ内にコンクリートを充填してなるものである。

本第２形態例では、前記鋼殻Ｋ内にトンネル周方向に沿って１又は複数条で列設される主鋼材として、部材方向に適宜の間隔でウエブに開口１４ａ、１４ａ…が形成されたＨ形鋼１４が使用されている。このＨ形鋼１４の両端部は夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に、図示例では連結板８を介して前記継手板３に結合されている。

一方、補強材９，９…は、図６及び図１０に示されるように、前記Ｈ形鋼１４の開口１４ａ、１４ａ…を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に、図示例では縦リブ１０を介して前記主桁２，２に結合されている。

その他の構成については、上記第１形態例と同様であるので、同符合を付して説明は省略する。
〔他の形態例〕
(1)上記第１形態例では、主鋼材５の形鋼材としてＣＴ形鋼を使用したが、他に溝形鋼、山形鋼などの形鋼材を使用することも可能である。

第１形態例に係る合成セグメント１Ａの縦断面図である。 図１のII−II線矢視図である。 図１のIII−III線矢視図である。 図１のIV−IV線矢視図である。 図１のV−V線矢視図である。 第２形態例に係る合成セグメント１Ｂの縦断面図である。 図６のVII−VII線矢視図である。 図６のVIII−VIII線矢視図である。 図６のIX−IX線矢視図である。 図６のＸ−Ｘ線矢視図である。

符号の説明

１Ａ・１Ｂ…合成セグメント、２…主桁、３…継手板、４…スキンプレート、５・１４…主鋼材、６Ａ・６Ｂ…形鋼材（ＣＴ形鋼）、７…トラス筋、８…連結板、９…補強材、１０…縦リブ、１１…箱抜き部、１２…格子筋、Ｋ…鋼殻

Claims (5)

1. トンネル周方向に沿って対向配置される一対の主桁と、主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の継手板と、前記主桁と継手板との外面側を覆うように設置されるスキンプレートとからなる鋼殻内にコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、
   前記鋼殻内にトンネル周方向に沿って１又は複数条の主鋼材を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材を配置し、
   前記主鋼材は、間隔をおいて配置した上下一対の形鋼材同士を波状又はジグザグ状に加工したトラス筋で連結した構造材とされ、前記スキンプレートの内面に沿って列設されるとともに、前記形鋼材の両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記継手板に結合され、前記補強材が前記トラス筋の空間を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記主桁に結合されていることを特徴とする合成セグメント。
2. 前記形鋼材として、ウエブを対向させるように配向したＣＴ形鋼が使用されている請求項１記載の合成セグメント。
3. トンネル周方向に沿って対向配置される一対の主桁と、主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って対向配置される一対の継手板と、前記主桁と継手板との外面側を覆うように設置されるスキンプレートとからなる鋼殻内にコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、
   前記鋼殻内にトンネル周方向に沿って１又は複数条の主鋼材を配置するとともに、トンネル周方向に適宜の間隔で補強材を配置し、
   前記主鋼材は、部材方向に適宜の間隔でウエブに開口が形成されたＨ形鋼とされ、前記スキンプレートの内面に沿って列設されるとともに、前記Ｈ形鋼の両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記継手板に結合され、前記補強材が前記開口を通してトンネル軸方向に沿って配設されるとともに、両端部が夫々、直接的又は連結部材を介して間接的に前記主桁に結合されていることを特徴とする合成セグメント。
4. 前記主桁及び主鋼材として、曲げ加工された鋼材を使用している請求項１〜３いずれかに記載の合成セグメント。
5. 前記主鋼材の内面側であってかつ前記鋼殻内のほぼ全面に格子筋が配置されている請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメント。

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