JP2009197548A - 耐火セグメントのひび割れ制御方法及びひび割れ制御型耐火セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】火災時に生じるひび割れの不所望な方向への進展を抑えることができる耐火セグメントを提供する。
【解決手段】トンネル１の軸方向所定幅Ｔの地山内周面を周方向に覆うコンクリート環片１０内にその環片１０の地山側面及び内空側面と平行な外側フランジ７及び内側フランジ８を有する複数の鋼材５が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さｄで埋設された耐火セグメント２において、少なくとも環片１０の被り厚さｄ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とし、環片１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間Ｗ３にそのフランジ６の端縁に接触させつつそのフランジ６と同じ被り深さｄで加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込む。好ましくは、環片１０の幅方向側面４に、メッシュシート１１の埋め込み深さｄに沿って延びる切欠き溝１２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は耐火セグメントのひび割れ制御方法及びひび割れ制御型耐火セグメントに関し、とくにトンネルの地山内周面を覆う耐火セグメントのトンネル火災時に生じうるひび割れの進展方向を制御する方法、及び火災時に生じるひび割れの進展方向を制御できる耐火セグメントに関する。

シールド工法で地下空洞を構築する場合は、図１０（Ａ）に示すように、地山を一定距離掘進する毎に、掘削した地下空洞１の地山内周面に所要強度・剛性の複数のセグメント（環片）２をリング状（環状）に組み立てて筒状内壁（一次覆工）を形成する。従来から鋼製又はコンクリート製のセグメント２が用いられているが、セグメント２の強度・剛性を高めて一次覆工の厚さＤを小さく（薄肉化）するため、近年では同図（Ｂ）に示すような鋼材とコンクリートとを複合した強度・剛性の高い合成セグメント２が広く用いられている。このような合成セグメント２は、シールド工法の地下空洞だけでなく、開削工法で構築するボックスカルバート、アーチカルバート等の地下空洞（以下、これらの地下空洞を纏めてトンネルという）にも使用される。合成構造を主体とするセグメント２は、スチールビームライニング（ＳＢＬ）セグメントと呼ばれることもある。

図１０（Ｂ）に示す合成セグメント２は、トンネル１の軸方向所定幅Ｔの地山内周面を周方向に被覆するスキンプレート２０と、そのスキンプレート２０の内面に周方向に沿って配設された一対のＨ型断面の鋼材５と、そのスキンプレート２０及び鋼材５で囲まれた鋼殻（枠）の内側に厚さＤで充填されたコンクリート１０とを有する。図示例では、地山内周面が円形であることからトンネル軸方向と交差するセグメント２の断面を円弧状としているが、セグメント２の断面形状及びその周方向長さＬは被覆すべき地山内周面の断面形状と角度範囲θとに応じて適宜選択することができる。複数のセグメント２を周方向端面３のセグメント継手２１で周方向に連結してセグメントリングを形成し、そのセグメントリングを幅方向側面４のリング継手２２（図１０（Ｃ）に示すリング継手２２ａ、２２ｂも参照）でトンネル軸方向に連結することにより、同図（Ａ）に示すようなトンネル１の一次覆工を形成する。

図１０（Ｂ）のような合成セグメント２は、コンクリート１０と鋼材５との一体化により断面の強度・剛性を高めることができるが、高温下に長時間晒されるとコンクリート１０の内部で発生する水蒸気圧により表層部又は内部に爆裂を生じ、強度・剛性が劣化することがある。例えば自動車用のトンネル１では、大規模なトンネル事故時にガソリンの燃焼等により短期間で非常に高温（１２００℃程度）となり且つその高温が６０〜９０分以上も続くような時間−温度曲線（ＲＡＢＴ曲線）の火災が発生すると想定され、そのような火災によりセグメント２に爆裂が生じると覆工の強度・剛性が低下し、覆工に大規模な断面欠損が生じると崩壊するおそれもある。このため、トンネル１の覆工は火災による被害（火害）を受けても所要の構造機能が保持できる耐火構造とすることが求められ、従来は一次覆工の内側に耐火被覆材（吹付け材、パネル材等）からなる被覆（二次覆工）を設置して爆裂を防止している。また近年は、コスト削減等の観点から二次覆工を省略するため、耐火被覆材がなくても爆裂が生じにくいコンクリート１０又はセグメント２の研究開発が進められている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１は、コンクリートの表層部分に低融点材料からなる線状体を表面に沿って張り巡らして埋め込み、火災時に線状体の溶出によってコンクリートの表層部分に水分又は蒸気の通路となる多くの空孔を形成して爆裂を抑制する方法を提案している。また特許文献２及び３は、火災時の加熱で溶融・焼失するポリプロピレンやビニロン等の加熱溶融繊維又は鋼繊維が混入したコンクリート（以下、耐爆裂性コンクリートということがある）１０を用いた合成セグメント構造を提案している。例えば図１０（Ｃ）の断面図（周方向と交差する断面図）に示すように、束材８を介して外側フランジ７及び内側フランジ６が結合された一対の鋼材５を所定間隔で平行に配設すると共に、両鋼材５の外側フランジ７をスキンプレート２０で連結してセグメント２の鋼殻を形成し、その鋼殻の内側を耐爆裂性コンクリート１０で充填すると共に、鋼殻の内側フランジ６のトンネル内空側を所定被り厚さｄ（例えば３０〜６０ｍｍ）の耐爆裂性コンクリート１０で被覆してセグメント２を形成する（特許文献２参照）。耐爆裂性コンクリート１０を用いることでセグメント２の爆裂を抑制すると共に、所定被り厚さｄで鋼材５を被覆することにより火災時に鋼材５の温度が上昇して強度・剛性が低下することを抑える。

特開平７−２５２９０２号公報 特開２００７−２９７９０６号公報 特許第３９２６８２０号公報

しかし、耐爆裂性コンクリートを用いて耐火性能を付与した合成セグメント（以下、耐火セグメントということがある）２は、火災時の爆裂による強度・剛性の低下を抑えることはできるものの、火災時に生じるコンクリートのひび割れによる強度・剛性の低下を適切に抑えることができない問題点ある。セグメント２は火災時に熱を受けると急激に膨張するが、とくにコンクリート１０の断面内に大型の鋼材５が配置された合成セグメント２は、鋼材５とコンクリート１０との線膨張係数の違いにより鋼材５とコンクリート１０との境界（とくに受熱面に近い鋼材５の内側フランジ６とコンクリート１０との境界）にひび割れを生じやすい。その際に、ひび割れの進展方向がセグメント２の強度・剛性にとって重要となる。図１０（Ｃ）のセグメント２の断面図において、鋼材５の内側フランジ６に生じたひび割れの進展方向が内側フランジ６より表面側（内空側）であれば、強度・剛性として見込んでいない部分（被り厚さｄの部分）のみの損傷であるからセグメント２の強度・剛性はほとんど損なわれず、火災後の補修工事も比較的容易に行うことができる。これに対してひび割れが内側フランジ６より奥側（地山側）に進展すると、セグメント２の強度・剛性を大きく損なうおそれがある。

本発明者は、厚さＤの耐爆裂性コンクリート１０中に火災時に加熱されるトンネル内空側面（受熱面）から所要被り厚さｄで３本のＨ型断面の鋼材５を周方向に埋設した図９（Ａ）の耐火セグメント２を用いて、火災時のひび割れの進展方向を確認する実験を行った。同図は耐火セグメント２の周方向の断面図を示し、各鋼材５を間隔（各鋼材５の内側フランジ６の端縁間の間隔）Ｗ２で平行に配置し、コンクリート１０の幅方向側面４と対向する鋼材５の内側フランジ６の端縁との間に間隔Ｗ３を設けたことを表す。図示例の耐火セグメント２の内空側面を高温下で長時間（例えば上述した大規模自動車事故時に想定される時間−温度曲線で）加熱した実験の結果、耐爆裂性コンクリート１０を用いることで火災時の爆裂については抑制できるが、高温に晒される鋼材５の内側フランジ６の両端部に生じるひび割れ１８は避けられないことが確認された。また、同図（Ｂ）に示すように、鋼材５の内側フランジ６が相互に対向する間隔Ｗ２の部分のひび割れ１８は、その間隔Ｗ２があまり大きくなければフランジ６の対向する方向（内空側面と平行な方向）に進展して地山側に進展することは少ないが、鋼材５の内側フランジ６とコンクリート１０の幅方向側面４とが対向する間隔Ｗ３の部分のひび割れ１８は地山側に進展することが多いことが確認された。

図９（Ｂ）の間隔Ｗ３の部分のようにひび割れが鋼材５の内側フランジ６より地山側（奥側）へ進展すると、耐火セグメント２の強度・剛性が大きく損なわれるおそれがあることから、火災時のトンネル１の安全性が問題となる。また、たとえ火災時の崩壊等を避けることができたとしても、そのようなひび割れを生じた耐火セグメント２は、火災後に点検及び剛性の評価を行って大規模な補修・補強工事を行うことが必要となる。耐火被覆材のないトンネル１の火災時における安全性を高めるため、及び火災後の大規模な補修・補強工事を避けるためには、火災時に耐火セグメント２に生じるひび割れ１８をできるだけ鋼材５の内側フランジ６より地山側へ進展させないようにすることが重要である。

そこで本発明の目的は、火災時に生じるひび割れの不所望な方向への進展を抑えることができる耐火セグメントを提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明による耐火セグメントのひび割れ制御方法は、トンネル１（図１０（Ａ）参照）の軸方向所定幅Ｔの地山内周面を周方向に覆うコンクリート環片１０内にその環片１０の地山側面及び内空側面と平行な外側フランジ７及び内側フランジ８を有する複数の鋼材５が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さｄで埋設された耐火セグメント２において、少なくとも環片１０の被り厚さｄ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とし、環片１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間Ｗ３（図１（Ｂ）参照）にそのフランジ６の端縁に接触させつつそのフランジ６と同じ被り深さｄで加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込んでなるものである。

また図１の実施例を参照するに、本発明によるひび割れ制御型耐火セグメントは、トンネル１（図１０（Ａ）参照）の軸方向所定幅Ｔの地山内周面を周方向に覆うコンクリート環片１０内にその環片１０の地山側面及び内空側面と平行な外側フランジ７及び内側フランジ８を有する複数の鋼材５が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さｄで埋設された耐火セグメント２において、少なくとも環片１０の被り厚さｄ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とし、環片１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間Ｗ３（図１（Ｂ）参照）にそのフランジ６の端縁に接触させつつそのフランジ６と同じ被り深さｄで埋め込まれた加熱溶融繊維製メッシュシート１１を備えてなるものである。

好ましくはメッシュシート１１を、環片１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間Ｗ３に加えて、図１（Ｂ）に点線で示すように、環片１０内の複数の鋼材５の内側フランジ６の端縁の間Ｗ２にそのフランジ６の端縁に接触させつつそのフランジ６と同じ被り深さｄで埋め込む。更に好ましくは、図２に示すように、環片１０の幅方向側面４に、メッシュシート１１の埋め込み深さｄに沿って延びる切欠き溝１２を設ける。メッシュシート１１は、図３（Ｅ）に示すように、繊維の相互間隔（目合い）Ｓが１０〜１５ｍｍで、単位面積当たりの繊維量（目付け量）が４０〜９１ｇ／ｍ^２のものとすることが望ましい。

本発明によるひび割れ制御型耐火セグメントは、地山内周面を周方向に覆う所定幅Ｔのコンクリート環片１０の断面内に外側フランジ７及び内側フランジ８を有する複数の鋼材５が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さｄで埋設された耐火セグメント２において、少なくとも環片１０の被り厚さｄ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とすると共に、環片１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間にそのフランジ６の端縁に接触させつつそのフランジ６と同じ被り深さｄで加熱溶融繊維製メッシュシート１１が埋め込んでいるので、次の有利な効果を奏する。

（イ）火災時の加熱により加熱溶融繊維製メッシュシート１１が溶融し、コンクリート環片１０の被り深さｄに鋼材５の内側フランジ６の端縁から環片１０の幅方向側面４に至る隙間が形成されるので、その隙間を誘発目地として内側フランジ６の端縁に生じたひび割れ１８の地山側（奥側）への進展を防止できる。
（ロ）ひび割れ１８の地山側への進展を防止することにより、火災時に耐火セグメント２の強度・剛性が大きく損なわれることを防ぎ、トンネル１の火災時における安全性を確保することができる。
（ハ）また、ひび割れ１８の地山側への進展を防止することにより、火災後においてもトンネル１の安全性が保たれ、火災後の復旧・補修作業の容易化を図ることができる。
（ニ）コンクリート環片１０内に埋設した複数の鋼材５の内側フランジ６の端縁間にもメッシュシート１１を埋め込むことにより、火災時のひび割れ１８の地山側への進展を一層確実に防止することができる。
（ホ）加熱溶融繊維製をメッシュシート１１とすることにより、その繊維の間を通してコンクリート環片１０と鋼材５とを一体化させることができ、シート１１の埋め込みによる耐火セグメント２の強度・剛性の低下を避けることができる。

図１（Ａ）は本発明による耐火セグメント２の一実施例の一部切欠き斜視図を示し、同図（Ｂ）はその耐火セグメント２の線Ｂ−Ｂにおける周方向断面図を示す。図示例のセグメント２は、トンネル１の軸方向所定幅Ｔ（例えば１５００ｍｍ程度）の地山内周面の所定角度範囲θ（図１０（Ａ）参照）を厚さＤ（例えば４００ｍｍ程度）で覆うコンクリート環片１０と、その環片１０内に周方向に沿って間隔Ｗ２で平行に埋設された３本の鋼材５とを有する。図示例では、環片１０の地山側面（地山内周面を覆う外面）及び内空側面（トンネル空間を形成する内面）の断面形状を周方向長さＬの円弧状としているが、上述したように、セグメント２のトンネル軸方向と交差する断面形状及び長さＬは被覆すべき地山内周面の形状と角度範囲θとに応じて適宜選択することができ、直線部分を含める場合もある。

図示例の鋼材５は、コンクリート環片１０の地山側面に平行な外側フランジ（プレート）７と、環片１０の内空側面に平行な内側フランジ（プレート）６と、両フランジ７、６を繋ぐための束材８とを有する。鋼材５は、例えば図１０（Ｂ）のようなＨ型断面に限らず、例えば両フランジ７、６の端部を束材８で繋いだものとしてもよい。また鋼材５の束材８は、両フランジ７、６の全長にわたり設ける必要はなく、両フランジ７、６の一部分を繋ぐものであれば足りる。鋼材５の束材８はコンクリートの充填性のよい形状とすることが望ましく、図示例では束材８を周方向に適宜間隔で設け、束材８の間の貫通孔８ａにコンクリートを充填させることにより鋼材５の外側フランジ７及び内側フランジ６とコンクリート環片１０とを一体化している。束材８のコンクリート充填性をよくしてコンクリート環片１０と鋼材５の外側フランジ７及び内側フランジ６との一体性を高めることにより、セグメント２の剛性・強度を確保して厚さＤを薄くすることができる。

また鋼材５は、内側フランジ６がコンクリート環片１０の内空側面から所定被り厚さｄで被覆されるように埋設する。トンネル火災時に環片１０の内空側面（受熱面）が長時間高温に晒されても鋼材５の温度が上昇して強度・剛性が低下しないように、十分な大きさの被り厚さｄ（例えば７０〜８０ｍｍ程度）で内側フランジ６を被覆することが望ましい。これに対し鋼材５の外側フランジ６は、そのような被り厚さで被覆する必要はなく、例えば図１（Ｂ）の断面図に示すように外側フランジ６を環片１０の地山側面に露出させてもよい。

図示例のコンクリート環片１０は、その全体を耐爆裂性コンクリート製としている。耐爆裂性コンクリート中に十分大きな被り厚さｄで鋼材５を埋設することにより、耐火被覆材がなくても爆裂や鋼材５の軟化による強度・剛性の劣化が生じにくい耐火構造のセグメント２とすることができる。ただし、被り厚さｄが十分大きい場合は、環片１０の全体ではなく、少なくとも環片１０の被り厚さｄの部分を耐爆裂性コンクリート製とすれば足りる。トンネル火災時に長時間高温に晒される内空面側の被り厚さｄを耐爆裂性コンクリートで被覆することで、セグメント２のコンクリートの爆裂や鋼材５の軟化を十分に防止することが期待できる。

更に図示例の耐火セグメント２は、たとえコンクリート環片１０に爆裂やひび割れ等が発生してもトンネル１の崩壊につながることがないように、コンクリート環片１０内に各鋼材５と直交する向き（幅方向）に応力を分布させる配力鉄筋１４を配置している。図示例の配力鉄筋１４は、各鋼材５の内側フランジ６の内空側と束材８の間の貫通孔８ａとを直角方向に通した環状の部材により複数の鋼材５を締結するものであり、環片１０内の周方向に沿って適宜間隔で複数配置されている。複数の配力鉄筋１４でセグメント２に加わる荷重応力を複数の鋼材５に分散させることにより、たとえセグメント２の一部分に爆裂やひび割れ等が発生しても、セグメント２に大規模な断面欠損が生じてトンネル１が崩壊するのを避けることができる。

図１（Ｂ）の断面図に示すように、配力鉄筋１４は鋼材５の幅方向外側に配置し、セグメント２の幅方向外側から加わる応力も分散させることが望ましい。しかし、配力鉄筋１４を鋼材５の幅方向外側に配置すると、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に示すようにセグメント２の幅方向側面４に鋼材５を露出させて鋼殻とすることができず、図１（Ｂ）のように環片１０の幅方向側面４から間隔Ｗ３だけ控えた位置に鋼材５を配置する必要が生じる。図９（Ｂ）を参照して上述したように、環片１０の幅方向側面４から間隔Ｗ３だけ控えた位置に鋼材５を配置すると、火災時に鋼材５の内側フランジ６の端部に生じたひび割れ１８が、その間隔Ｗ３において地山側に進展することが多い。図示例の耐火セグメント２の火災時における強度・剛性の劣化を最小限に抑えるためには、そのようなひび割れ１８の地山側への進展を抑えることが重要となる。

図示例の耐火セグメント２は、コンクリート環片１０の幅方向側面４とその側面４に隣接する鋼材５の内側フランジ６との間隔Ｗ３に、その内側フランジ６と同じ被り深さｄで図３（Ｅ）に示すような加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことにより、内側フランジ６の端部に生じたひび割れ１８の地山側への進展を抑えている。例えば図４に示すように、環片１０と同じ周方向長さＬで間隔Ｗ３より若干広い幅の短冊状メッシュシート１１を用い、その幅方向の一端縁を環片１０の幅方向側面４に位置合わせすると共に他端縁を幅方向側面４に隣接する鋼材５の内側フランジ６の端縁に接触させながら、メッシュシート１１を環片１０の幅方向側面４と鋼材５との間隔Ｗ３に環片１０の周方向全体にわたり敷き詰めて埋設する。ただし、メッシュシート１１は１枚の短冊形とする必要はなく、適当な大きさの複数のメッシュシート１１を相互に接続しながら環片１０の周方向全体にわたり敷き詰めてもよい。

メッシュシート１１のコンクリート環片１０内への埋め込みは、例えば図４に示すように、複数鋼材５及び配力鉄筋１４を適当な型枠内に組み立て、その型枠内に地山側から鋼材５の内側フランジ５までコンクリートを打設したうえでメッシュシート１１を設置し、更にその上に耐爆裂性コンクリートを所定被り厚さｄで流し込むことで施工することができる。メッシュシート１１の埋め込みは環片１０内のコンクリートと鋼材５の内側フランジ６との一体化を損なう要因ともなりうるが、図３（Ｅ）に示すようにメッシュの目合い（加熱溶融繊維の相互間隔）Ｓ１、Ｓ２と目付け量（単位面積当たりの繊維量）とを適当に選択することで、メッシュの網目間を通して鋼材５の内側フランジ６と環片１０内のコンクリートとを一体化させることができる。本発明者の実験によれば、メッシュシート１１の目合い量Ｓ１及びＳ２を１０〜１５ｍｍとすると共に目付け量を４０〜９１ｇ／ｍ^２とし、枠体を振動させながらコンクリートペーストがメッシュシート１１の網目間で一体化するように施工すれが、メッシュシート１１の埋め込みによりセグメント２内の部材の一体性が損なわれるおそれはない。

メッシュシート１１は、例えば３００℃程度で溶融・焼失するポリプロピレン又はビニロン等の加熱溶融繊維製とすることができる。火災時にコンクリート環片１０の内空側面が長時間高温に晒されるとメッシュシート１１が溶融・焼失し、環片１０の被り深さｄに鋼材５の内側フランジ６の端縁から環片１０の幅方向側面４に至る隙間が形成されるので、その隙間を誘発目地として、鋼材５の内側フランジ６の端部に生じたひび割れ１８を内空側面と平行に幅方向側面４へ導き、ひび割れ１８の地山側への進展を抑えることが期待できる。

なお、図示例の耐火セグメント２はコンクリート環片１０及び鋼材５の外側フランジ７の地山側面を覆うスキンプレート２０を有し、そのスキンプレート２０の周囲を環片１０の周方向端面３及び幅方向側面４に設けたシール溝付き鋼板（シール溝にガスケットが配置された鋼板）２３と接続している。図１０（Ｂ）の合成セグメント２の場合と同様に、複数の耐火セグメント２を周方向端面３のセグメント継手２１で周方向に連結すると共に、幅方向側面４のリング継手２２（図１（Ｂ）のリング継手２２ａ、２２ｂ参照）でトンネル軸方向に連結してトンネル１の一次覆工を形成する際に、隣接する周方向端面３及び幅方向側面４のシール溝付き鋼板２３を水密に結合させて各セグメント２のスキンプレート２０を連結することにより、完全防水構造の一次覆工とすることができる。ただし、スキンプレート２０は本発明のひび割れ制御及びセグメントに必須のものではない。

［実験例１］
図１のように加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことで鋼材５の内側フランジ６の端部に生じたひび割れ１８の地山側への進展が抑制できるか否かを確認するため、図３（Ａ）に示すように、コンクリート１０内に鋼材５と配力鉄筋１４とメッシュシート１１とが埋設されたセグメント試験体２ｂ（幅Ｔ＝４４０ｍｍ、長さＬ＝１０００ｍｍ、厚さＤ＝４００ｍｍ）を用いて実験を行った。同図（Ｂ）は、セグメント試験体２ｂの鋼材５と直角方向の断面図を示す。本実験では、図１のような束材８を有する鋼材５に代えて１枚の鋼板からなる鋼材５（図１の内側フランジ６に相当する）を用い、目合い量１０ｍｍ、目付け量９１ｇ／ｍ^２のビニロン製メッシュシート１１を用いた。

図示例のセグメント試験体２ｂは、図４に示すように適当な型枠内に鋼材５及び配力鉄筋１４を組み立てて地山側から鋼材５までコンクリートを打設したのち、鋼材５の両側の幅方向側面４ａ、４ｂ（図３の北側面４ａ及び南側面４ｂ）との間隔Ｗ３（＝７０ｍｍ）にそれぞれメッシュシート１１を設置し、更にその上に耐爆裂性コンクリートを所定被り厚さｄで流し込み、型枠振動機でペーストが一体化するように十分振動させながら作成した。試験体２ｂの被り厚さｄの表面（受熱面）を例えば上述した大規模自動車事故時に想定される時間−温度曲線に基づいて高温下で長時間加熱し、試験体２ｂの冷却後に北側面４ａ及び南側面４ｂに生じたひび割れ１８の進展方向をそれぞれ目視で観察した。

セグメント試験体２ｂの受熱面の加熱により生じた北側面４ａのひび割れ１８の状況を図５の写真に示し、南側面４ｂのひび割れ１８の状況を図６の写真に示す。図５及び図６から分かるように、加熱により生じたひび割れ１８の一部が地山側へ進展することは避けられなかったが、同図の四角で囲まれた部分に示すように、試験体２ｂの中間部分に生じたひび割れ１８の一部を受熱面とほぼ平行に制御することができた。また、同図の楕円で囲まれた部分に示すように、試験体２ｂの端部に生じたひび割れ１８の一部も受熱面とほぼ平行に制御することができた。メッシュシート１１を目合い量１５ｍｍ・目付け量４０ｇ／ｍ^２のビニロン製のものに代えて同様の実験を繰り返したところ、目合い量の異なるメッシュシート１１を用いた場合も、図５及び図６と同様に、中間部分及び端部において生じたひび割れ１８の一部を受熱面とほぼ平行に制御することができた。

この実験結果から、図１のようにコンクリート環片１０の幅方向側面４から間隔Ｗ３だけ控えた位置に鋼材５を埋設・配置した耐火セグメント２においても、環片１０内の幅方向側面４と鋼材５の内側フランジ６との間隔Ｗ３に被り厚さｄで加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことにより、環片１０の内空側面の加熱時に内側フランジ６の端部に生じるひび割れ１８の少なくとも一部分を被り厚さｄの深さに沿って進展させ、地山側への進展を抑えることができることを確認することができた。すなわち、図１のように鋼材５の幅方向外側に配力鉄筋１４が埋設・配置された耐火セグメント２に加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことで、強度・剛性を損なうひび割れ１８の地山側への進展をできる限り小さく抑え、火災時における強度・剛性の劣化が極めて小さい耐火セグメント２とすることができる。

こうして本発明の目的である「火災時に生じるひび割れの不所望な方向への進展を抑えることができる耐火セグメント」の提供を達成できる。

以上、図１を参照して配力鉄筋１４が埋設・配置された耐火セグメント２について説明したが、配力鉄筋１４は本発明のひび割れ制御型耐火セグメント２に必須のものではない。配力鉄筋１４が埋設・配置されていない耐火セグメント２においても、耐火セグメント２の幅方向側面４から間隔Ｗ３だけ控えた位置に鋼材５が埋設・配置されている場合は、その間隔Ｗ３に加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことで、その間隔Ｗ３において生じたひび割れ１８の地山側への進展を防止することが可能である。

また図１の実施例において、コンクリート１０の幅方向側面４と環片１０内の鋼材５の内側フランジ６の端縁との間Ｗ３に加えて、図１（Ｂ）に点線で示すように、環片１０内の複数の鋼材５の内側フランジ６の端縁の間Ｗ２にも、その両側のフランジ６と同じ被り深さｄで加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込むことができる。例えば環片１０と同じ周方向長さＬで間隔Ｗ２より若干広い幅の短冊状の加熱溶融繊維製メッシュシート１１を、両側の鋼材５の内側フランジ６の端縁に接触させながら間隔Ｗ２に環片１０の周方向全体にわたり敷き詰めて埋設する。図９（Ｂ）を参照して上述したように、内側フランジ６が相互に対向する間隔Ｗ２の部分のひび割れ１８は比較的フランジ６の対向する方向（受熱面と平行）に進展しやすいが、火災時にメッシュシート１１の溶融によって間隔Ｗ２に両側の鋼材５の内側フランジ６を結ぶような隙間を形成することにより、その隙間を誘発目地として、間隔Ｗ２に生じるひび割れ１８の地山側への進展を一層確実に防止することが期待できる。

図２は、図１のようにコンクリート環片１０の幅方向側面４と鋼材５との間隔Ｗ３に加熱溶融繊維製メッシュシート１１を埋め込んだ耐火セグメント２において、そのコンクリート環片１０の幅方向側面４に、メッシュシート１１の埋め込み深さｄに沿って延びる切欠き溝１２を設けた実施例を示す。上述したように、間隔Ｗ３にメッシュシート１１を埋め込むことにより、鋼材５の内側フランジ６の端部に生じるひび割れ１８の少なくとも一部分を受熱面とほぼ平行に制御して地山側への進展を抑えることが期待できるが、図５及び図６の四角で囲まれた部分に示すように、受熱面とほぼ平行に制御したひび割れ１８が内側フランジ６の深さｄ（メッシュシート１１の埋め込み深さｄ）よりも若干地山側へ流れる傾向が見られる。図２のようにコンクリート環片１０の幅方向側面４にメッシュシート１１の埋め込み深さｄに沿って切欠き溝１２を設けることにより、ひび割れ１８の地山側へ流れる傾向を抑えることが期待できる。

［実験例２］
図２のように幅方向側面４に切欠き溝１２を設けることでひび割れ１８の地山側へ流れる傾向を抑えることができるか否かを確認するため、図３（Ｃ）に示すように、鋼材５と配力鉄筋１４とが埋設されたコンクリート環片１０の幅方向側面４ａ、４ｂ（図３の北側面４ａ及び南側面４ｂ）にそれぞれ切欠き溝１２を設けたセグメント試験体２ｃ（幅Ｔ＝４４０ｍｍ、長さＬ＝１０００ｍｍ、厚さＤ＝４００ｍｍ）を用いて実験を行った。同図（Ｄ）は、セグメント試験体２ｃの鋼材５と直角方向の断面図を示す。本実験においても実験例１と同様に１枚の鋼板からなる鋼材５を用い、同図（Ｆ）に示すように北側面４ａ及び南側面４ｂにそれぞれ鋼材５の埋設深さに沿って幅Ｐ１＝５ｍｍ、深さＰ２＝７ｍｍの切欠き溝１２を設けた。また本実験では、切欠き溝１２のみの効果を確認するため、試験体２ｃ内にメッシュシート１１は埋設しなかった。試験体２ｃの被り厚さｄの表面（受熱面）を実験例１と同様に高温下で長時間加熱し、試験体２ｃの冷却後に北側面４ａ及び南側面４ｂに生じたひび割れ１８の進展方向をそれぞれ目視で観察した。

セグメント試験体２ｃの北側面４ａのひび割れ１８の状況を図７の写真に示し、南側面４ｂのひび割れ１８の状況を図８の写真に示す。図７及び図８の四角で囲まれた部分に示すように、試験体２ｃの北側面４ａ及び南側面４ｂに鋼材５の埋設深さに沿って切欠き溝１２を設けることにより、加熱により試験体２ｃの中間部分に生じたひび割れ１８の一部を切欠き溝１２に沿って進展させることができると共に、そのひび割れ１８の地山側へ流れる傾向を抑えることができた。ただし、端部に生じたひび割れ１８は切欠き溝１２に沿って進展させることができず、ひび割れ１８が地山側へ進展した。

この実験結果から、図２のようにコンクリート環片１０の幅方向側面４にメッシュシート１１の埋め込み深さｄに沿って切欠き溝１２を設けることにより、加熱時に内側フランジ６の端部に生じるひび割れ１８の地山側へ流れる傾向をある程度抑えることができることを確認できた。すなわち、図１のように火災時における強度・剛性の劣化が極めて小さい耐火セグメント２において、加熱時に生じるひび割れ１８の進展範囲をメッシュシート１１の埋め込み深さｄの近傍範囲（すなわち被り厚さｄの部分又はその近傍）に抑え、強度・剛性を損なうひび割れ１８の地山側への進展をできる限り小さく抑えることができるので、火災時におけるトンネル１の安全性を一層高めると共に、火災後のトンネル１の補修・補強工事の一層の容易化を図ることが可能となる。

本発明の耐火セグメントの一実施例の説明図である。 本発明の耐火セグメントの他の実施例の説明図である。 本発明の耐火セグメントのひび割れ制御性能を確認する実験の説明図である。 実験用セグメントの製造方法を示す写真である。 メッシュシートを埋設した実験用セグメントの幅方向片側側面のひび割れ状態を示す写真である。 メッシュシートを埋設した実験用セグメントの幅方向反対側側面のひび割れ状態を示す写真である。 切欠き溝を設けた実験用セグメントの片側の幅方向片側側面のひび割れ状態を示す写真である。 切欠き溝を設けた実験用セグメントの片側の幅方向反対側側面のひび割れ状態を示す写真である。 従来の耐火セグメントにおけるひび割れ状態を示す説明図である。 従来の耐火セグメントの説明図である。

符号の説明

１…トンネル（地下空洞） ２…セグメント
３…周方向端面 ４…幅方向側面
５…鋼材 ６…鋼材の内側フランジ
７…鋼材の外側フランジ ８…鋼材の束材
１０…コンクリート １１…メッシュシート
１２…切欠き溝 １４…配力鉄筋
１８…ひび割れ
２０…スキンプレート ２１…セグメント継手
２２…リング継手 ２３…シール溝付き鋼板

Claims (8)

1. トンネルの軸方向所定幅の地山内周面を周方向に覆うコンクリート環片内に当該環片の地山側面及び内空側面と平行な外側フランジ及び内側フランジを有する複数の鋼材が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さで埋設された耐火セグメントにおいて、少なくとも前記環片の被り厚さ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とし、前記環片の幅方向側面と前記環片内の鋼材内側フランジの端縁との間に当該フランジ端縁に接触させつつ当該フランジと同じ被り深さで加熱溶融繊維製メッシュシートを埋め込んでなる耐火セグメントのひび割れ制御方法。
2. 請求項１のひび割れ制御方法において、前記メッシュシートを、前記環片の幅方向側面と前記環片内の鋼材内側フランジの端縁との間に加えて、前記環片内の複数の鋼材内側フランジの端縁の間に当該フランジ端縁に接触させつつ当該フランジと同じ被り深さで埋め込んでなる耐火セグメントのひび割れ制御方法。
3. 請求項１又は２のひび割れ制御方法において、前記環片の幅方向側面に、前記メッシュシートの埋め込み深さに沿って延びる切欠き溝を設けてなる耐火セグメントのひび割れ制御方法。
4. 請求項１から３の何れかのひび割れ制御方法において、前記メッシュシートを、繊維の相互間隔が１０〜１５ｍｍで単位面積当たりの繊維量が４０〜９１ｇ／ｍ^２のものとしてなる耐火セグメントのひび割れ制御方法。
5. トンネルの軸方向所定幅の地山内周面を周方向に覆うコンクリート環片内に当該環片の地山側面及び内空側面と平行な外側フランジ及び内側フランジを有する複数の鋼材が周方向に沿って内空側面から所定被り厚さで埋設された耐火セグメントにおいて、少なくとも前記環片の被り厚さ部分を加熱溶融繊維が混入された耐爆裂性コンクリート製とし、前記環片の幅方向側面と前記環片内の鋼材内側フランジの端縁との間に当該フランジ端縁に接触させつつ当該フランジと同じ被り深さで埋め込まれた加熱溶融繊維製メッシュシートを備えてなるひび割れ制御型耐火セグメント。
6. 請求項５の耐火セグメントにおいて、前記メッシュシートを、前記環片の幅方向側面と前記環片内の鋼材内側フランジの端縁との間に加えて、前記環片内の複数の鋼材内側フランジの端縁の間に当該フランジ端縁に接触させつつ当該フランジと同じ被り深さで埋め込んでなるひび割れ制御型耐火セグメント。
7. 請求項５又は６の耐火セグメントにおいて、前記環片の幅方向側面に、前記メッシュシートの埋め込み深さに沿って延びる切欠き溝を設けてなるひび割れ制御型耐火セグメント。
8. 請求項５から７の何れかの耐火セグメントにおいて、前記メッシュシートを、繊維の相互間隔が１０〜１５ｍｍで単位面積当たりの繊維量が４０〜９１ｇ／ｍ^２のものとしてなるひび割れ制御型耐火セグメント。