JP2010138677A - 鋼製セグメント、シールドトンネルの構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼製セグメントにおいて、土水圧が作用した際に生じる補強部材の曲げ変形を抑える。
【解決手段】鋼製セグメント１００として、スキンプレート１０と、スキンプレート１０の長さ方向の両側縁部に沿ってトンネルの内側に向かって立設された一対の主桁１１と、主桁１１の間を結ぶ脱着可能な補強部材２０とを備える。補強部材２０は、両端部がスキンプレート１０と離間しており、中央部がスキンプレート１０に近接するようなアーチ形状に形成されている。これにより、スキンプレート１０に作用した土水圧は補強部材２０の中央にトンネル中心に向かう荷重として伝達されるが、補強部材２０はこの荷重に対して軸方向の圧縮耐力により抵抗することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールドトンネルの構築に用いられる鋼製セグメントに関する。

従来より、シールド掘削装置により地盤にトンネルを掘削し、トンネル内周面に鋼製セグメントを周方向に接続するとともに、掘削の進行方向に連結していくことで覆工体を設置するシールド工法が知られている。シールド掘削装置は掘削孔の内周面近傍に位置する複数のジャッキを備えており、設置した鋼製セグメントに反力を取りながらジャッキを伸長させることにより推進する。その際、鋼製セグメントには非常に大きな荷重が作用するため、掘進方向に延びるように縦リブが取り付けられている。この縦リブは、シールド掘削装置が推進する際に鋼製セグメントに作用する反力に対して抵抗するとともに、地盤の土水圧や裏込めモルタルの圧力によりスキンプレートが変形しないように鋼製セグメントを補強している。

しかしながら、上記の反力による荷重は各セグメントから地盤に流れるため、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメントに作用する荷重は小さい。このため、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメントとして、縦リブを備えた鋼製セグメントを用いることは非常に不経済である。

そこで、例えば、特許文献１には、主桁の互いに対向する位置に固定部材が取り付けられており、両端に取付プレートを備えた板状の補強部材（縦リブ）を、取付プレートを固定部材に嵌合させることにより、補強部材の端面をスキンプレートに当接するように着脱可能に取付ることができる鋼製セグメントが記載されている。かかる構成によれば、補強部材を再利用することができるため、経済性を向上することができる。
特開２００６−８３６５７号公報

ここで、スキンプレートには土水圧が作用し、この土水圧により補強部材にはトンネル中心に向かう荷重が作用する。一方、特許文献１記載の補強部材は、板材からなりその端面が全長に亘ってスキンプレートに当接している。このため、補強部材に、その中央部において大きな曲げ荷重が作用し、補強部材及びスキンプレートが大きく変形してしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、鋼製セグメントにおいて、土水圧が作用した際に生じる補強部材の曲げ変形を抑えることを目的とする。

本発明の鋼製セグメントは、トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、スキンプレートと、当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って前記トンネルの内側に向かって立設された一対の主桁と、前記主桁の間を結ぶ脱着可能な補強部材とを備え、前記補強部材は、両端部が前記スキンプレートと離間しており、中央部が前記スキンプレートに向かって近接するような形状であることを特徴とする。

上記の鋼製セグメントにおいて、前記補強部材は中央部が前記スキンプレートに向かって近接するように湾曲していてもよい。

また、本発明のシールドトンネルの構築方法は、シールド掘削装置により地盤を掘削して掘削孔を形成し、新たな鋼製セグメントを、既に取り付けられている鋼製セグメントの掘削進行方向の端部に連結するとともに、内周方向に隣接する当該新たな鋼製セグメント同士を環状に連結することにより、前記掘削孔の表面に当接するように取り付け、前記取り付けた新たな鋼製セグメントに反力を取って、シールド掘削装置を推進させる作業を繰り返すことにより、シールドトンネルを構築する方法であって、前記鋼製セグメントは、スキンプレートと、当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って前記トンネルの内側に向かって立設された一対の主桁と、前記主桁の間を結ぶ脱着可能な補強部材とを備え、前記補強部材は、両端部が前記スキンプレートと離間しており、中央部が前記スキンプレートに向かって近接するような形状であり、前記シールド掘削装置が進行し、前記シールド掘削装置から所定距離、離れた位置における前記鋼製セグメントより前記補強部材を取り外すことを特徴とする。

本発明によれば、スキンプレートに作用する土水圧により補強部材の中間部にトンネル内向きの荷重が作用した場合、補強部材は中間部がスキンプレートに近接し、両端部がスキンプレートから離間する形状であるため、補強部材は上記荷重に対して軸方向の圧縮耐力により抵抗することとなる。このため、補強部材に生じる曲げ変形を抑えることができる。

以下、本発明の鋼製セグメントの一実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の鋼製セグメント１００を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はトンネル中心側から見た図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図、（Ｄ）は（Ｃ）におけるＤ−Ｄ´断面図である。鋼製セグメント１００は、トンネルの周方向及び長さ方向に隣接する鋼製セグメント１００と連結されてトンネル表面に覆工体を構成するものである。図１に示すように、鋼製セグメント１００は、掘削されたトンネルの内周に沿うように湾曲したスキンプレート１０と、このスキンプレート１０のトンネルの長さ方向両側の縁に沿って立設された一対の主桁１１と、トンネルの周方向両側の縁に沿って立設された一対の継ぎ板１２と、断面Ｌ字型に形成され、主桁１１の間を結ぶようにスキンプレート１０の内面にトンネルの長さ方向に沿って溶接された縦リブ３０と、主桁１１の間を結ぶように取り付けられた補強部材２０と、により構成される。

補強部材２０は、断面が略矩形の鋼管からなる補強部材本体２１と、補強部材本体２１の両端部に接合された取付プレート２２、２４と、により構成される。図１（Ｃ）に示すように、補強部材本体２１は、鋼製セグメント１００に取り付けられた状態において、中央部がスキンプレート１０に近接するように湾曲した形状に形成されている。

また、補強部材本体２１に取り付けられた一方の取付プレート２４は、補強部材本体２１の中央部がスキンプレート１０に当接するように配置した状態において、スキンプレート１０に対して垂直になるような角度で補強部材本体２１に取り付けられている。また、他方の取付プレート２２は、補強部材２０を一方の取付プレート２４を主桁１１に当接させるとともに補強部材本体２１の中央部をスキンプレート１０に当接するように配置した状態において、トンネル中心側（すなわち、図１（Ｃ）における上方）が主桁１１から離間するように傾斜するような角度で補強部材本体２１に取り付けられている。

補強部材２０は、補強部材本体２１の中央部をスキンプレート１０に当接させるとともに、取付プレート２４が主桁１１に当接するように配置された状態で、取付プレート２２と主桁１１との間に形成された隙間に楔状の楔部材２３がトンネル中心側（すなわち、図１（Ｃ）における上方）から打ち込まれることにより、対向する主桁１１の間に固定されている。

鋼製セグメント１００のスキンプレート１０には、トンネル内周面に取り付けられた状態において、周囲の地盤から土水圧が作用する。補強部材２０の中央部がスキンプレート１０に当接しているため、スキンプレート１０に作用した土水圧は、補強部材２０の中央部にトンネル中心に向かう荷重として作用する。

上記のとおり、本実施形態では、補強部材２０がアーチ状に形成されているため、スキンプレート１０から伝達された荷重に対して軸方向の圧縮耐力により抵抗することとなり、補強部材２０に生じる曲げ変形を抑えることができる。

以下、鋼製セグメント１００を用いたシールドトンネルの構築方法を説明する。シールドトンネルの構築は、シールド掘削装置により地盤を掘削し、掘削した掘削孔表面に鋼製セグメント１００を内周方向に接続するとともに掘削の進行方向（トンネルの長さ方向）に連結していくことで覆工体を設置していくことにより行われる。

図２は、シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメント１００を示す図であり、また、図３は、シールド掘削装置から離れた位置における鋼製セグメントを示す図である。各図において、（Ａ）はトンネルの径方向の断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメント１００をトンネル中心方向から見た図である。図２及び図３に示すように、鋼製セグメント１００は、これら鋼製セグメント１００同士を周方向にボルト５０及びナット５１により環状に連結するとともに、掘削進行方向にもボルト５０及びナット５１により連結することにより取り付けられる。

シールド掘削装置は、推進力を得るためにジャッキを伸長させる際に鋼製セグメント１００に反力を取りながら推進する。シールド掘削装置のジャッキ２００の位置を図中破線で示す。本実施形態では、ジャッキ２００が当接する箇所に、少なくとも縦リブ３０及び補強部材２０が含まれるようにこれらの位置を決定している。

図２に示すようにシールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面には補強部材２０が取り付けられた鋼製セグメント１００を設置する。シールド掘削装置のジャッキ２００が伸長すると、鋼製セグメント１００にはジャッキ２００からの反力が作用するが、補強部材２０及び縦リブ３０がジャッキ２００の反力に抵抗するため、鋼製セグメント１００が座屈するのを防止できる。また、周囲の地盤よりスキンプレート１０に土水圧が作用し、補強部材２０にはスキンプレート１０からトンネル中心に向かって荷重が作用するが、上記のように補強部材２０が湾曲しているため、この荷重に対して補強部材２０が軸方向の圧縮耐力により抵抗する。このため、補強部材２０に曲げ変形が生じるのを防止できる。

一方、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメント１００では、ジャッキ２００の伸長に伴う反力によりトンネルの長さ方向に作用する荷重は非常に小さくなる。このため、図３に示すように、補強部材２０の取付プレート２２と主桁１１の間に打ち込まれた楔部材２３を取り外し、補強部材２０を取り外す。

上記のようにシールド掘削装置から充分に離れた位置では鋼製セグメント１００に作用する反力が小さいため、補強部材２０を取り外しても、継ぎ板１２及び縦リブ３０の剛性によりこの反力に抵抗することができ、鋼製セグメント１００は変形することはない。このようにして取り外した補強部材２０は、新たにシールド掘削装置により掘削した掘削孔面に取り付けられる鋼製セグメント１００に利用することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、補強部材２０が、中間部がスキンプレート１０に近接するように湾曲した形状であるため、スキンプレート１０に作用する土水圧により、補強部材２０の中央部にトンネル中心に向って荷重が作用しても、この荷重に対して補強部材２０が軸方向の圧縮耐力により抵抗することができる。このため、補強部材２０に生じる曲げ変形を抑えることができ、補強部材２０及びこの補強部材２０により支持されるスキンプレート１０に生じる変形を抑えることができる。なお、補強部材２０をアーチ形状に湾曲させることにより、作用する荷重が全て軸力で伝達されるため、より効率よく上記の荷重に抵抗することができる。
また、このように補強部材２０に生じる変形を抑えることができるため、補強部材２０の再利用が容易になる。

なお、本実施形態では、取付プレート２２と主桁１１との間にトンネル中心側から楔部材２３を打ち込むことにより、補強部材２０を主桁１１の間に脱着可能に固定するものとしたが、これに限らず、取付プレート２２と主桁１１との間に楔部材２３をトンネル周方向に打ち込むことにより固定することとしてもよい。また、楔部材を用いる方法に限らず、例えば、ボルトにより取り付けてもよく、要するに、補強部材２０を主桁１１の間に脱着可能に固定することができれば、その方法は問わない。

また、本実施形態では、補強部材２０を補強部材本体２１の中央部がスキンプレート１０に当接するように固定するものとしたが、これに限らず、スキンプレート１０に土水圧が作用した際に、スキンプレート１０と補強部材本体２１の中央部とが当接すれば、補強部材本体２１の中央部とスキンプレート１０の間に隙間を設けることとしてもよい。

なお、本実施形態では、縦リブ３０及び補強部材２０が夫々一つずつ取り付けられた鋼製セグメント１００について説明したが、これに限らず、縦リブ３０及び補強部材２０を複数取り付けることとしてもよい。

また、本実施形態では、補強部材本体２１が、両端部がスキンプレート１０から離間し、その中央部がスキンプレート１０に当接するように湾曲している場合について説明したが、これに限らず、補強部材本体２１は円弧状などの湾曲形状であってもよく、また、その中央部で屈曲する形状であってもよく、要するに中央部がスキンプレート１０に近接し、両端部がスキンプレート１０と離間するような形状であればよい。かかる場合であっても、スキンプレート１０から補強部材本体２１に作用する荷重に対して、補強部材本体２１は主に軸方向の圧縮耐力により抵抗することとなり、補強部材本体２１に生じる曲げ変形を抑えることができる。
また、本実施形態では、補強部材本体２１として断面矩形の鋼材を用いたが、所定の断面性能があれば、Ｈ型鋼、チャンネルなど異なる断面形状の部材を用いることができる。

本実施形態の鋼製セグメントを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はトンネル中心側から見た図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図、（Ｄ）は（Ｃ）におけるＤ−Ｄ´断面図である。 シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメントを示す図であり、（Ａ）はトンネルの径方向の断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。 シールド掘削装置から離れた位置における鋼製セグメントを示す図であり、（Ａ）はトンネルの径方向の断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。

符号の説明

１０ スキンプレート １１ 主桁
１２ 継ぎ板 ２０ 補強部材
２１ 補強部材本体 ２２、２４ 取付プレート
２３ 楔部材 ３０ 縦リブ
１００ 鋼製セグメント

Claims (3)

1. トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、
   スキンプレートと、
   当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って前記トンネルの内側に向かって立設された一対の主桁と、
   前記主桁の間を結ぶ脱着可能な補強部材とを備え、
   前記補強部材は、両端部が前記スキンプレートと離間しており、中央部が前記スキンプレートに向かって近接するような形状であることを特徴とする鋼製セグメント。
2. 請求項１記載の鋼製セグメントであって、
   前記補強部材は、中央部が前記スキンプレートに向かって近接するように湾曲していることを特徴とする鋼製セグメント。
3. シールド掘削装置により地盤を掘削して掘削孔を形成し、新たな鋼製セグメントを、既に取り付けられている鋼製セグメントの掘削進行方向の端部に連結するとともに、内周方向に隣接する当該新たな鋼製セグメント同士を環状に連結することにより、前記掘削孔の表面に当接するように取り付け、前記取り付けた新たな鋼製セグメントに反力を取って、シールド掘削装置を推進させる作業を繰り返すことにより、シールドトンネルを構築する方法であって、
   前記鋼製セグメントは、スキンプレートと、当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って前記トンネルの内側に向かって立設された一対の主桁と、前記主桁の間を結ぶ脱着可能な補強部材とを備え、前記補強部材は、両端部が前記スキンプレートと離間しており、中央部が前記スキンプレートに向かって近接するような形状であり、
   前記シールド掘削装置が進行し、前記シールド掘削装置から所定距離、離れた位置における前記鋼製セグメントより前記補強部材を取り外すことを特徴とするシールドトンネルの構築方法。

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