JP2010133147A - 矩形セグメントおよびその施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレストレスの導入によりセグメントの部材厚と継手への負担を軽減し得る有効適切な矩形セグメントおよびその施工方法を提供する。
【解決手段】プレストレスを導入するべき平板ピース（特に上部床版ピース１や下部平板ピース２）にＰＣ鋼材１０を配設し、ＰＣ鋼材１０を緊張してその両端部を平板ピースの両側にそれぞれ連結される他の２つのピース（コーナーピース３）に対して定着する。
もしくは、プレストレスを導入するべき平板ピースに対のＰＣ鋼材を平板ピースの中央部において交差する状態で対称配設し、各ＰＣ鋼材をそれぞれ緊張してそれらの両端部をそれぞれ平板ピースとその片側に連結される他のピースに対して定着する。
【選択図】図３

Description

本発明は矩形断面のトンネルを構築するための矩形セグメント、およびその施工方法に関する。

周知のようにシールド工法により構築されるシールドトンネルは円形断面とされることが一般的であるが、浅い深度に設けられる道路トンネルなどの場合には矩形断面とされる場合もあり、その際には矩形セグメントによる矩形断面のシールドトンネルが構築される。

ところで、通常の円形断面のセグメントは土水圧による曲げが小さく、さらに土水圧に対するアーチ効果によりセグメント内に自ずと軸力（圧縮力）が発生するために曲げによる引張力がキャンセルされてしまい、したがって部材断面は薄くて済み、継手にも大きな負担がかからない。
一方、矩形セグメントはトンネル上部の土水圧とトンネル下部の地盤反力を支える上下床版の中央に大きな曲げモーメントが生じ、また浅い深度の場合には側壁にかかる土水圧が小さいために左右の側壁の支えとなる上下床版に伝わる軸力（圧縮力）も小さく、その軸力によっては曲げモーメントによる生じる引張力を充分にキャンセルすることができない。そのため、矩形セグメントでは円形断面のセグメントよりも部材が厚くなり、かつ継手に大きな負担が生じることが不可避である。

なお、たとえば特許文献１〜４に示されるように、円形断面のセグメントにおいては円周方向やトンネル軸方向にプレストレスを導入することも一般的であり、矩形セグメントに対しても同様にプレストレスを導入すればセグメントの部材厚や継手への負担を軽減し得ることが考えられる。
特開平１０−５４１９７号公報 特開２００１−１４０５９２号公報 特開２００４−２１１３３５号公報 特開２００７−２４５６号公報

しかし、現時点では矩形セグメントに対してプレストレスを導入するための有効適切な手法は提供されていないし、特許文献１〜４に示されるような円形セグメントに対するプレストレス導入手法を矩形セグメントにそのまま適用できるものでもなく、そのため、矩形セグメントにプレストレスを導入するための有効適切な手法が模索されているのが実状である。
上記事情に鑑み、本発明はプレストレスの導入により部材厚と継手への負担を軽減し得る有効適切な矩形セグメントおよびその施工方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、コンクリート製の複数のピースが連結されて矩形断面のトンネルの覆工が構築されるとともに、該トンネルの少なくとも上部床版となる平板ピースにプレストレスが導入可能とされている矩形セグメントであって、プレストレスを導入するべき前記平板ピースにＰＣ鋼材が配設され、該ＰＣ鋼材が緊張されてその両端部が前記平板ピースの両側にそれぞれ連結される他の２つのピースに対して定着可能とされていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の矩形セグメントの施工方法であって、前記平板ピースには前記ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておいて、該ＰＣ鋼材をシース管内において緊張してその両端部を該平板ピースに対して仮定着して先端部を自由端としておくとともに、該平板ピースの両側に連結される他のピースには端部ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておいて、該端部ＰＣ鋼材の一端部を定着しておくとともに他端部を前記ＰＣ鋼材に連結可能な自由端としてそこには該ＰＣ鋼材を連結するための継手金具を装着しておき、前記平板ピースの両側に前記他のピースをそれぞれ組み付けて、前記ＰＣ鋼材の両端部に前記端部ＰＣ鋼材の他端部を前記継手金具によりそれぞれ連結した後、前記平板ピースに対する前記ＰＣ鋼材の仮定着を解くことによって該ＰＣ鋼材の両端部を前記端部ＰＣ鋼材を介して前記他のピースに対して定着させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、コンクリート製の複数のピースが連結されて矩形断面のトンネルの覆工が構築されるとともに、該トンネルの少なくとも上部床版となる平板ピースにプレストレスが導入可能とされている矩形セグメントであって、プレストレスを導入するべき前記平板ピースに対のＰＣ鋼材が該平板ピースの中央部において交差する状態で対称配設され、各ＰＣ鋼材がそれぞれ緊張されてそれらの両端部がそれぞれ前記平板ピースとその片側に連結される他のピースに対して定着可能とされていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の矩形セグメントの施工方法であって、前記平板ピースには前記各ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておき、該平板ピースの両側に連結される他のピースには前記ＰＣ鋼材の一端部を挿入可能なシース管と該ＰＣ鋼材の一端部を定着可能な定着具を予め配設しておき、前記平板ピースの両側に前記他のピースをそれぞれ組み付けて、前記各ＰＣ鋼材の一端部をそれぞれ前記他のピースのシース管内に挿入させて前記定着具に対して定着した後、該ＰＣ鋼材を緊張してその他端部を前記平板ピースに対して定着することを特徴とする。

本発明によれば、矩形セグメントにより構築される矩形断面のトンネルにおいて上部床版や下部床版となる平板ピースに対してプレストレスを有効に導入でき、したがって上部床版や下部床版に作用する大きな曲げモーメントをプレストレスにより有効にキャンセルでき、それにより矩形セグメントの部材厚を削減できるし継手の構造を簡略化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態はコンクリート製の矩形セグメントを用いて構築される矩形断面のトンネルを対象として、そのトンネルの上部床版を構成する平板状のピースに対してプレストレスを導入するようにしたものである。

本実施形態における矩形セグメントは、トンネル断面の上部中央に配置される平板状の上部床版ピース１と、トンネル断面の下部中央に配置される同じく平板状の下部床版ピース２と、トンネルの角部と側壁を構成する４つのコーナーピース３とにより構成され、それらが全体として矩形断面に組み立てられてトンネルの覆工を構成するものであるが、特に上部床版ピース１には上部地盤から大きな土水圧が作用して下面側（トンネルの内側）に向かって曲げられるような大きな曲げモーメントを受けることから、その上部床版ピース１に作用する曲げモーメントをキャンセルして部材厚の削減と継手部への負担の軽減を目的としてそれにプレストレスを導入するものである。

「第１実施形態」
上部床版ピース１に対してプレストレスを導入するための構造およびその施工方法の第１実施形態を図１〜図３を参照して具体的に説明する。
矩形セグメントを製作する際には、図１に示すように、上部床版ピース１にＰＣ鋼材１０をシース管１１内に挿入して予め配設しておくとともに、ＰＣ鋼材１０をシース管１１内において緊張してその両端部を定着具１２により上部床版ピース１の両端部に仮定着しておくが、その先端部は自由端としておく。
また、上部床版ピース１の両側に連結されるコーナーピース３には、それぞれ端部ＰＣ鋼材１３をシース管１４内に挿入して予め配設しておき、それら端部ＰＣ鋼材１３の一端部をそれぞれ定着具１５により定着しておくとともに、他端部は上記のＰＣ鋼材１０に連結可能な自由端としてそこには継手金具１６を装着しておく。
なお、上部床版ピース１は下面側（トンネル内面側）に曲げられるような曲げモーメントを受けるので、ＰＣ鋼材１０は引張側となる下面側に配設することが好ましい。
また、ＰＣ鋼材１０および端部ＰＣ鋼材１３としては外周面全体を総ネジとしたＰＣ鋼棒が好適に採用可能であり、その場合には定着具１２，１５および継手金具１６としてはそれに螺着するナットを用いれば良く、定着具１２および継手金具１６の設置位置には螺着作業を行うためのボルトボックス１７を形成しておくと良い。

上記の各ピースを図２に示すよう組み立てれば、上部床版ピース１に配設されて仮定着されているＰＣ鋼材１０の先端と、各コーナーピース３に配設されている端部ＰＣ鋼材１３の先端とがボルトボックス１７内で自ずと突き合わされる。
そこで、図３に示すように継手金具１６によりＰＣ鋼材１０と端部ＰＣ鋼材１３とを連結した後、ＰＣ鋼材１０を仮定着していた定着具１２を緩めて仮定着を解くことにより、ＰＣ鋼材１０は端部ＰＣ鋼材１３を介してコーナーピース３に対して定着され、これにより上部床版ピース１全体にプレストレスが導入される。
なお、必要に応じてボルトボックス１７内およびシース管１１，１４内にモルタル等の充填材１８を充填し硬化させれば良い。

「第２実施形態」
上部床版ピース１に対してプレストレスを導入するための構造およびその施工方法の第２実施形態を図４〜図７を参照して説明する。
上記第１実施形態はコーナーピース３に端部ＰＣ鋼材１３を予め配設しておいて、上部床版ピース１に予め配設したＰＣ鋼材１０の両端部に端部ＰＣ鋼材１３を連結するようにしたが、本第２実施形態では上部床版ピース１に対のＰＣ鋼材２０を交差状態で配設しておいて、それらの両端をそれぞれ上部床版ピース１といずれか一方のコーナーピース３に対して直接的に定着するようにしたものである。

すなわち、図４に示すように、上部床版ピース１には対のＰＣ鋼材２０を上部床版ピース１の中央部で交差させた状態で対称的に配設してシース管２１内に挿入しておき、上部床版ピース１の両側に連結されるコーナーピース３にはそれぞれＰＣ鋼材２０の一端部を挿入可能なシース管２２とＰＣ鋼材２０の一端部を定着可能な定着具２３を予め配設しておく。
この場合、双方のＰＣ鋼材２０を引張側となる範囲に配設するように、各ＰＣ鋼材２０の一端側を平板ピース１の端部において上面側となり、他端側を平板ピース１の中央部において下面側となるように傾斜状態で配設することが好ましい。
そして、図５に示すように両側のコーナーピース３の間に上部床版ピース１を組み付けてシース管２１，２２どうしを連通させた後、図６に示すようにＰＣ鋼材２０をコーナーピース３側に押し込んでその一端部をシース管２２に通して定着具２３に定着する。
しかる後に、図７に示すようにＰＣ鋼材２０を緊張して他端部を定着具２４により上部床版ピース１の下面側において直接定着すれば、２本のＰＣ鋼材２０により上部床版ピース１全体にプレストレスが導入される。
なお、本第２実施形態においてもＰＣ鋼材２０としては総ネジのＰＣ鋼棒を用いるとともに定着具２３，２４としてはナットを用いることが好ましく、また定着具２４の装着位置にはボルトボックスを設けておき、シース管２１，２２内およびボルトボックス内にはモルタル等の充填材１８を充填し硬化させれば良い。

本発明によれば、上記各実施形態のように大きな土水圧を受ける上部床版ピース１に対してプレストレスを導入することにより、その部材厚を削減できるとともに継手への負担を軽減でき、ひいては掘削断面を削減し得てシールド機の小型化によるコスト削減や掘削費および残土処分費の削減を図ることができる。
勿論、上記各実施形態のように平板ピース１とその両側のコーナーピース３に予めＰＣ鋼材１０，１３や定着具１５，２３を配設しておくことにより、プレストレスを導入するための作業は矩形セグメントを組み立てた後にその内側からの作業のみで極めて容易にかつ安全に行うことができる。

なお、上記実施形態では大きな土水圧を受ける上部床版ピース１に対してのみプレストレスを導入するようにしたが、下部床版ピース２に大きな土水圧がかるような場合にはそれにも同様にプレストレスを導入すれば良い。その場合、下部床版ピース２は上面側（トンネル内面側）に曲げられるような曲げモーメントを受けるから、ＰＣ鋼材は引張力を受ける上面側（トンネル内面側）に配設することが好ましい。すなわち、下部床版ピース３に対してプレストレスを導入する場合には、上記各実施形態において説明した上部床版ピースへのプレストレスの導入手法を天地を逆にしてそのまま採用することが好ましい。
また、大規模な矩形断面トンネルにおいてその側壁にも平板ピースが用いられる場合には、必要に応じて側壁を構成する平板ピースに対しても同様にプレストレスを導入することを妨げるものではなく、その場合にも上記実施形態の構造と施工方法をほぼそのまま採用可能である。
勿論、矩形セグメントの断面形状や規模、ピース数その他の諸元は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各部の構成や工程については適宜の設計的変更や応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態を示すもので、矩形セグメントの各ピースを組み立てつつある状況を示す図である。 同、各ピースを組み立てた状態を示す図である。 同、ＰＣ鋼材を連結して緊張し定着した状態を示す図である。 本発明の第２実施形態を示すもので、矩形セグメントの各ピースを組み立てつつある状況を示す図である。 同、各ピースを組み立てた状態を示す図である。 同、ＰＣ鋼材の一端部を定着した状態を示す図である。 同、ＰＣ鋼材の他端部を緊張して定着した状態を示す図である。

符号の説明

１ 上部床版ピース（平板ピース）
２ 下部床版ピース（平板ピース）
３ コーナーピース（他のピース）
１０ ＰＣ鋼材
１１ シース管
１２ 定着具
１３ 端部ＰＣ鋼材
１４ シース管
１５ 定着具
１６ 継手金具
１７ ボルトボックス
１８ 充填材
２０ ＰＣ鋼材
２１ シース管
２２ シース管
２３ 定着具
２４ 定着具

Claims (4)

1. コンクリート製の複数のピースが連結されて矩形断面のトンネルの覆工が構築されるとともに、該トンネルの少なくとも上部床版となる平板ピースにプレストレスが導入可能とされている矩形セグメントであって、
   プレストレスを導入するべき前記平板ピースにＰＣ鋼材が配設され、該ＰＣ鋼材が緊張されてその両端部が前記平板ピースの両側にそれぞれ連結される他の２つのピースに対して定着可能とされていることを特徴とする矩形セグメント。
2. 請求項１記載の矩形セグメントの施工方法であって、
   前記平板ピースには前記ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておいて、該ＰＣ鋼材をシース管内において緊張してその両端部を該平板ピースに対して仮定着して先端部を自由端としておくとともに、
   該平板ピースの両側に連結される他のピースには端部ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておいて、該端部ＰＣ鋼材の一端部を定着しておくとともに他端部を前記ＰＣ鋼材に連結可能な自由端としてそこには該ＰＣ鋼材を連結するための継手金具を装着しておき、
   前記平板ピースの両側に前記他のピースをそれぞれ組み付けて、前記ＰＣ鋼材の両端部に前記端部ＰＣ鋼材の他端部を前記継手金具によりそれぞれ連結した後、前記平板ピースに対する前記ＰＣ鋼材の仮定着を解くことによって該ＰＣ鋼材の両端部を前記端部ＰＣ鋼材を介して前記他のピースに対して定着させることを特徴とする矩形セグメントの施工方法。
3. コンクリート製の複数のピースが連結されて矩形断面のトンネルの覆工が構築されるとともに、該トンネルの少なくとも上部床版となる平板ピースにプレストレスが導入可能とされている矩形セグメントであって、
   プレストレスを導入するべき前記平板ピースに対のＰＣ鋼材が該平板ピースの中央部において交差する状態で対称配設され、各ＰＣ鋼材がそれぞれ緊張されてそれらの両端部がそれぞれ前記平板ピースとその片側に連結される他のピースに対して定着可能とされていることを特徴とする矩形セグメント。
4. 請求項３記載の矩形セグメントの施工方法であって、
   前記平板ピースには前記各ＰＣ鋼材をシース管内に挿入して予め配設しておき、
   該平板ピースの両側に連結される他のピースには前記ＰＣ鋼材の一端部を挿入可能なシース管と該ＰＣ鋼材の一端部を定着可能な定着具を予め配設しておき、
   前記平板ピースの両側に前記他のピースをそれぞれ組み付けて、前記各ＰＣ鋼材の一端部をそれぞれ前記他のピースのシース管内に挿入させて前記定着具に対して定着した後、該ＰＣ鋼材を緊張してその他端部を前記平板ピースに対して定着することを特徴とする矩形セグメントの施工方法。

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