JP2011157809A - セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】製造手間や製造コストを抑制しつつ鋼材の無駄を省いて有効断面として算入することで合理的な構造が実現可能なセグメントを提供すること。
【解決手段】スキンプレート６に主桁４に沿った凹凸溝６１または突条が形成されているので、スキンプレート６の面外変形が抑制あるいは防止され、セグメント１の曲げ変形に対してスキンプレート６の略全域を有効断面として算入でき、主桁４の断面性能を高めることができる。従って、鋼殻２中間部に主桁を追加しなくても、スキンプレート６の有効断面を拡大してセグメント１の曲げ剛性および耐力を高めることができるので、鋼材量や加工手間、溶接量の増加を防止して製造手間や製造コストを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のセグメントピースを組み合わせて覆工体を構築するためのセグメントに関するものである。

従来、地下河川や道路トンネル等において、複数のセグメントピースを組み合わせてシールドトンネル覆工体を構築することが行われており、そのようなセグメントピースとしては、一対の主桁と、その端部同士を連結する一対の継手板と、これらの地山側に四周が主桁および継手板に固定される地山側スキンプレートとを有して内空側以外の５面が囲まれた鋼殻を有するセグメントや、さらに内空側にもスキンプレートが固定されて６面が囲まれた鋼殻を有するセグメントが知られている。このようなセグメントにおいて、主桁に固定されるスキンプレートの所定幅を主桁の有効断面として算入し、主桁の断面性能を適切に評価することで合理的な構造を目指した設計手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１記載のセグメントでは、断面Ｉ字形の主桁に固定されたスキンプレートの厚さｔに対し、鋼殻両端の主桁においては片側に２５ｔだけの幅寸法のスキンプレートを有効断面として算入し、鋼殻中間部の主桁においては両側に２５ｔずつで５０ｔだけの幅寸法のスキンプレートを有効断面として算入する方法が提案されている。
また、特許文献２記載のセグメントでは、特許文献１記載と同様に、主桁の片側に２５ｔで両側に５０ｔの幅寸法のスキンプレートを有効断面として算入方法が提案され、スキンプレートに連結リブを介して内フランジを取り付けた場合には、連結リブの両側２５ｔ分のスキンプレートと内フランジとによる断面性能を算入する方法が提案されている。

特開２００３−１２０１９６号公報 特開２００７−４６３４６号公報

ところで、従来のセグメントのように、鋼殻中間部のスキンプレートを有効断面として算入するためには、鋼殻中間部に主桁を追加したり、連結リブを介して内フランジを取り付けたりする必要があり、鋼材量が増加するのみならず加工手間や溶接量も増加することから、製造に要する手間およびコストの増加が避けられないという不都合がある。また、従来のような鋼殻中間部の主桁や連結リブを介した内フランジを設けないと、セグメントが曲げ変形を受けた際に、鋼殻中間部のスキンプレートが面外変形を起こすことから、中間部のスキンプレートがセグメントの曲げに対して有効に作用せず、つまり断面性能上の有効断面として算入することができず、合理的なセグメントの設計という観点からは無駄が生じることとなる。

本発明の目的は、製造手間や製造コストを抑制しつつ鋼材の無駄を省いて有効断面として算入することで合理的な構造が実現可能なセグメントを提供することにある。

本発明のセグメントは、複数のセグメントピースを組み合わせて覆工体を構築するためのセグメントであって、トンネル周方向に沿って延びる少なくとも一対の主桁と、少なくともトンネル地山側にて前記主桁に渡るスキンプレートと、前記主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、前記主桁間を架設する複数の縦リブと、が一体に固定された鋼殻を備え、前記スキンプレートには、前記主桁に沿った方向に連続する凹凸溝または突条が形成されていることを特徴とする。

以上の本発明によれば、主桁に渡って固定されるスキンプレートに主桁に沿った凹凸溝または突条を形成することで、スキンプレートの面外変形が抑制あるいは防止され、セグメントに曲げ変形が作用した際に、主桁の曲げ変形と一体的にスキンプレートが挙動するようにできることから、スキンプレートの全体または従来よりも広い範囲を有効断面として算入することができる。従って、従来のように鋼殻中間部に主桁を追加したり連結リブを介して内フランジを設けたりしなくても、スキンプレートの有効断面を拡大してセグメントの曲げに対する断面性能を高めることができるので、鋼材量や加工手間、溶接量の増加を防止して製造手間や製造コストを抑制することができる。さらに、スキンプレートの有効断面の算入によってセグメントの曲げに対する断面性能が高まることで、大深度や軟弱地盤におけるトンネル覆工体に利用しやすくなるとともに、セグメントを高性能化させて薄型化を図ることができる。

この際、本発明のセグメントでは、前記凹凸溝は、前記スキンプレートの表面から前記鋼殻の内部側に凹んだ断面Ｖ字形、断面Ｕ字形、断面コ字形または断面台形状に形成されていることが好ましい。
また、本発明のセグメントでは、前記突条は、前記スキンプレートにおける前記鋼殻の内面側に突出して形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、断面Ｖ字形、Ｕ字形、コ字形、台形状の凹凸溝であれば、冷間プレス加工等によって比較的容易にスキンプレートに凹凸溝を形成することができ、製造コストを抑制することができる。一方、突条を有したスキンプレートとしては、圧延によって連続的に形成した縦縞鋼板が利用可能であり、連続的かつ大量に製造することで、製造コストを抑制することができる。そして、凹凸溝が鋼殻内部側に凹んで形成され、突条が鋼殻内部側に突出して形成されることで、鋼殻の外部側に凹凸溝や突条が突出することなく、トンネル地山側のスキンプレートであれば、組立時に地山と干渉して抵抗となることが防止でき、トンネル内空側のスキンプレートであれば、内空の有効空間を広く確保することができる。

また、本発明のセグメントでは、前記スキンプレートは、トンネル地山側およびトンネル内空側の両方に設けられ、これら両方のスキンプレートの各々に前記凹凸溝または突条が形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、トンネル内空側にもスキンプレートが設けられて６面が囲まれた鋼殻の場合に、内空側のスキンプレートの全体または広い範囲を有効断面として算入することができ、セグメントの断面性能をさらに高めて高性能化を促進させることができる。

また、本発明のセグメントでは、前記鋼殻は、前記少なくとも一対の主桁および少なくともトンネル地山側のスキンプレートと、前記一対の継手板と、で少なくとも５面が囲まれて形成され、当該鋼殻の内部に充填材が充填される合成セグメントであることが好ましい。
このような構成によれば、鋼殻内部にコンクリート等の充填材が充填される合成セグメントとすることで、セグメントの剛性および強度をさらに向上させることができ、セグメントをより一層高性能化、薄型化することができる。

以上のような本発明のセグメントによれば、セグメントの断面性能に算入可能なスキンプレートの有効断面を拡大することができ、合理的にセグメントの高性能化、薄型化を図ることができる。さらに、鋼殻中間部の主桁や内フランジを追加しなくてもセグメントの断面性能を高めることができ、鋼材量や加工手間、溶接量の増加を防止して製造手間や製造コストを抑制することができる。

本発明のセグメントを示す斜視図である。 前記セグメントを示す断面図である。 前記セグメントの第１変形例を示す断面図である。 前記セグメントの第２変形例を示す断面図である。 前記セグメントの第３変形例を示す断面図である。 前記セグメントの第４変形例を示す断面図である。 前記セグメントの第５変形例を示す断面図である。 従来のセグメントにおける主桁の有効断面を説明する模式図である。 実施例のセグメントにおける凹凸溝の溝深さが有効幅に及ぼす影響を示すグラフである。 実施例のセグメントにおける凹凸溝の底幅が有効幅に及ぼす影響を示すグラフである。 実施例のセグメントにおける凹凸溝の谷数が有効幅に及ぼす影響を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明のセグメント１が示されている。
セグメント１は、複数を組み合わせてトンネル覆工体を構成するもので、シールドマシンで地山を掘削してから、シールドマシンの後方にてセグメント１をリング状に組み立てるとともに、組み立てたセグメントリングをジャッキで押してシールドマシンを前進させ、さらに地山を掘削するという手順を繰り返してトンネル覆工体が構築される。このトンネル覆工体は、地山とトンネル内空とを仕切り、地山からの土圧や水圧に抵抗してトンネル内空の空間を確保するようになっている。

セグメント１は、図１にも示すように、鋼殻２によって構成されている。この鋼殻２は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する一対の主桁４，４と、これら対向する主桁４，４の両端部同士を連結する一対の継手板５，５と、地山側にて主桁４，４および継手板５，５に四周が固定される地山側スキンプレート６と、主桁４間に架設される複数の縦リブ８とを備え、これらの主桁４、継手板５、地山側スキンプレート６および縦リブ８を互いに溶接固定して一体化することで、５つの面が囲まれた箱状に形成されている。

主桁４は、トンネル径方向に延びるＩ字形断面を有するとともにトンネル周方向に円弧状に形成されている。この主桁４には、鋼殻２の内方に突出して複数のリング間ボルトボックス（不図示）が固定されており、これらのリング間ボルトボックスは、トンネル軸方向に隣り合う他のセグメント１と接合するための継手部材である。そして、トンネル軸方向に隣り合うセグメント１のリング間ボルトボックス同士を接合材（接合用の短ボルト）で固定することで、セグメント１同士が機械的に連結されるようになっている。また、主桁４は、例えば、板厚寸法１２mmの鋼板からなり、トンネル径方向の高さ寸法が４００mmに設定されている。

継手板５は、トンネル軸方向および径方向に沿った直板状の鋼板から構成され、その内面の途中位置には、鋼殻２の内方に突出して複数のピース間ボルトボックスが固定されており、これらのピース間ボルトボックスは、トンネル周方向に隣り合う他のセグメント１と接合するための継手部材である。そして、トンネル周方向に隣り合うセグメント１のピース間ボルトボックス同士を接合材（接合用の短ボルト）で固定することで、セグメント１同士が機械的に連結され、セグメントリングが構成されるようになっている。

地山側スキンプレート６は、トンネル周方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、そのトンネル軸方向両端縁が主桁４に溶接固定されている。このスキンプレート６は、３mm〜１６mm程度の板厚寸法を有した鋼板からなり、主桁４に沿った方向つまりトンネル周方向に沿って連続する凹凸溝６１が形成されている。凹凸溝６１は、図２に示すように、地山側スキンプレート６における中間部の２箇所にて、鋼殻２内部側に凹んだ断面台形状に形成されている。なお、凹凸溝６１の本数は、鋼殻２のサイズによって適宜に設定可能であり、例えば、トンネル軸方向に沿った鋼殻２の幅寸法が１５００mm程度の場合には３本の凹凸溝６１を形成し、トンネル軸方向に沿った鋼殻２の幅寸法が２０００mm程度の場合には４本の凹凸溝６１を形成してもよい。

なお、セグメント１において、スキンプレートは、地山側と内空側の両方に設けられていてもよい。例えば、図３に示すように、内空側にも地山側スキンプレート６と同様の構成の内空側スキンプレート７を設け、鋼殻２を６面鋼殻としてもよい。
また、セグメント１は、鋼殻２内部が空洞の鋼製セグメントに限らず、図３に示すように、鋼殻２内部に充填材としての中詰めコンクリート３が充填された合成セグメントであってもよい。なお、充填材としては、コンクリートに限らず、無収縮モルタルなど、適宜な強度および剛性を有したものであれば利用可能である。

また、スキンプレート６，７に形成される凹凸溝としては、断面台形状の凹凸溝６１，７１に限らず、図４に示すように、鋼殻２内部側に凹んだ断面Ｕ字形の凹凸溝６２，７２でもよいし、図５に示すように、鋼殻２内部側に凹んだ断面Ｖ字形の凹凸溝６３，７３でもよい。また、図６に示すように、鋼殻２内部側に凹んだ断面コ字形の凹凸溝６４，７４でもよい。さらに、各々の溝形状を組み合わせてもよい。なお、図３ないし図６に示すセグメント１では、地山側スキンプレート６において、凹凸溝６１，６２，６３，６４は、地山側から凹んで鋼殻２内部側に突出して形成され、内空側スキンプレート７において、凹凸溝７１，７２，７３，７４は、内空側から凹んで鋼殻２内部側に突出して形成されている。

また、スキンプレート６，７には、凹凸溝６１，６２，６３，６４，７１，７２，７３，７４に代えて、図７に示すように、スキンプレート６，７の鋼殻２内面から突出するとともに主桁４に沿った方向（トンネル周方向）に沿って連続する複数の突条６５，７５が形成されていてもよい。このようなスキンプレート６，７は、圧延により突条６５，７５が一体に成形された縦縞鋼板であり、突条６５，７５は、スキンプレート６，７の表面から４mm程度突出して形成されている。

これら図３ないし図７に示したスキンプレート６，７では、地山側に凹凸溝６１，６２，６３，６４や突条６５が突出しないことで、セグメント組立時に凹凸溝６１，６２，６３，６４や突条６５が地山と干渉して抵抗となることが防止できるとともに、トンネル内空側に凹凸溝７１，７２，７３，７４や突条７５が突出しないことで、トンネル内空の有効空間を広く確保することができる。また、図３ないし図７に示したセグメント１は、主桁４、継手板５、スキンプレート６，７および縦リブ８を互いに溶接固定して鋼殻２を形成してから、内空側スキンプレート７や主桁４に形成した図示しない充填孔を介して鋼殻２内に中詰めコンクリート３を打設して製造される。

以上のような本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、スキンプレート６，７に主桁４に沿った凹凸溝６１，６２，６３，６４，７１，７２，７３，７４または突条６５，７５が形成されているので、スキンプレート６，７の面外変形が抑制あるいは防止され、セグメント１の曲げ変形に対してスキンプレート６，７の略全域を有効断面として算入でき、主桁４の断面性能を高めることができる。従って、鋼殻２中間部に主桁を追加しなくても、スキンプレート６，７の有効断面を拡大してセグメント１の曲げ剛性および耐力を高めることができるので、鋼材量や加工手間、溶接量の増加を防止して製造手間や製造コストを抑制することができる。さらに、セグメント１の曲げ剛性および耐力が高まることで、大深度や軟弱地盤におけるトンネル覆工体に利用しやすくなるとともに、セグメント１の薄型化を図ることができる。

以下では、前記実施形態のセグメント１（実施例）と図８に示す従来例（比較例）のセグメントとを用いて、ＦＥＭ（Finite-Element Method）解析モデルによる応力解析を行い、主桁４に対するスキンプレート６，６０の有効幅の検証を実施した。
実施例は、図２に示したセグメント１であって、スキンプレート６として、台形状の凹凸溝６１が形成された厚みが３mmのものを用い、以下の表１に示すように、凹凸溝６１の台形部の溝深さＨ（図３参照）、台形部の底幅Ｌ（図３参照）、および台形部の谷数Ｐ（例えば、図３に示す構成では、谷数Ｐ＝２となる）をそれぞれパラメータとして解析した。なお、本実施例では、中詰めコンクリート３および内空側のスキンプレート７を省略した構造のセグメント１について応力解析を行っている。

比較例は、従来のセグメントであって、図８(Ａ)に示す比較例１のように、主桁４が２本のものと、図８(Ｂ)に示す比較例２のように、主桁４が３本のものとを用い、各主桁４の１本当たりにおけるスキンプレート６０の有効断面部６Ａの幅（有効幅）を検証した。また、比較例１、２におけるスキンプレート６０は、凹凸溝や突条が形成されていない厚みが３mmのものを用いた。
比較例１、２では、スキンプレート６０の一部が主桁４と一体的に変形することで、主桁４の断面係数が向上する。具体的に、図８中の有効断面部６Ａは、スキンプレート６０における有効断面として算入される部分であって、有効断面部６Ａが増えることで、主桁４の断面性能を高めることができる。

図９〜図１１に検証結果のグラフを示す。これらの各グラフにおいて、縦軸における、主桁１本当たりの有効幅比率は、スキンプレート全体に発生している歪みの総和を、主桁部分の歪みのピーク値で除した値を意味し、このように算出した各実施例および比較例の有効幅比率を比較例１の値で基準化して表示している。
図９に示すように、台形部の溝深さＨが有効断面に及ぼす影響としては、実施例１（溝深さＨ＝３０mm）、実施例３（溝深さＨ＝６０mm）、実施例５（溝深さＨ＝９０mm）のいずれの場合であっても、比較例１、２よりも主桁１本当たりの有効幅比率が、１．５倍程度増加することが判る。
図１０に示すように、台形部の底幅Ｌが有効断面に及ぼす影響としては、実施例３（底幅Ｌ＝９２mm）、実施例６（底幅Ｌ＝１８４mm）、実施例７（底幅Ｌ＝２７６mm）のいずれの場合であっても、比較例１、２よりも主桁１本当たりの有効幅比率が、１．５倍程度増加することが判る。
図１１に示すように、台形部の谷数Ｐが有効断面に及ぼす影響としては、実施例３（谷数Ｐ＝１）の場合には、比較例１、２よりも主桁１本当たりの有効幅比率が、１．５倍程度に増加し、実施例４（谷数Ｐ＝３）の場合には、比較例１、２よりも２．０倍程度に増加している。すなわち、凹凸溝６１の本数を増加させるに従い、有効幅比率は増加することが判る。なお、凹凸溝６１の本数に伴う有効幅比率の増加傾向は、溝深さＨが３０mmである実施例１（谷数Ｐ＝１）および実施例２（谷数Ｐ＝３）の場合でも同様であった。
なお、本実施例では、スキンプレート６の厚みが３mmである場合の解析結果について説明したが、９mm、１６mm等、３mm以外の厚みで検証した場合も同様に有効断面を拡大してセグメント１の曲げに対する断面性能を高めることができた。

以上の結果から、凹凸溝６１を形成したスキンプレート６を用いた場合では、凹凸溝が形成されていないスキンプレート６０を用いた比較例１、２の場合と比較して、スキンプレート６での、有効断面として算入できる有効幅比率を増加させることができ、凹凸溝６１の谷数Ｐが多いほど、有効幅比率をより大きく増加させることができる。なお、溝深さＨ、底幅Ｌは、有効幅の比率にあまり影響しないことから、前記実施形態で説明した断面Ｕ字形、断面Ｖ字形、断面コ字形の凹凸溝６２，６３，６４を形成した場合でも同様の効果が得られることが判る。
一方、比較例２のように鋼殻中間部に主桁４を追加した場合には、比較例１よりも主桁１本当たりの有効幅比率が低下してしまうことも判った。
従って、鋼殻中間部に主桁４を追加したり連結リブを介して内フランジを取り付けたりするよりも、本発明のように、凹凸溝６１，６２，６３，６４，７１，７２，７３，７４を形成したり、突条６５，７５を形成したりしてスキンプレート６，７自体の剛性を高め、主桁４に対する有効断面を拡大することが、セグメント１の曲げに対する断面性能を高める上で効果的であることが確認できた。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、スキンプレート６，７の鋼殻２内部側に突出するように凹凸溝６１，６２，６３，６４，７１，７２，７３，７４または突条６５，７５を形成したが、これに限らず、地山側スキンプレート６から地山側に突出するように凹凸溝６１，６２，６３，６４または突条６５が形成されてもよく、内空側スキンプレート７から内空側に突出するように凹凸溝７１，７２，７３，７４または突条７５が形成されてもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１…セグメント、２…鋼殻、３…中詰めコンクリート（充填材）、４…主桁、５…継手板、６…地山側スキンプレート、７…内空側スキンプレート、８…縦リブ、６１，６２，６３，６４，７１，７２，７３，７４…凹凸溝、６５，７５…突条。

Claims (5)

1. 複数のセグメントピースを組み合わせて覆工体を構築するためのセグメントであって、
   トンネル周方向に沿って延びる少なくとも一対の主桁と、前記主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、前記主桁間を架設する複数の縦リブと、少なくともトンネル地山側にて前記主桁に渡るスキンプレートと、が一体に固定された鋼殻を備え、
   前記スキンプレートには、前記主桁に沿った方向に連続する凹凸溝または突条が形成されていることを特徴とするセグメント。
2. 請求項１に記載のセグメントにおいて、
   前記凹凸溝は、前記スキンプレートの表面から前記鋼殻の内部側に凹んだ断面Ｖ字形、断面Ｕ字形、断面コ字形または断面台形状に形成されていることを特徴とするセグメント。
3. 請求項１に記載のセグメントにおいて、
   前記突条は、前記スキンプレートにおける前記鋼殻の内面側に突出して形成されていることを特徴とするセグメント。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のセグメントにおいて、
   前記スキンプレートは、トンネル地山側およびトンネル内空側の両方に設けられ、これら両方のスキンプレートの各々に前記凹凸溝または突条が形成されていることを特徴とするセグメント。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のセグメントにおいて、
   前記鋼殻は、前記少なくとも一対の主桁および少なくともトンネル地山側のスキンプレートと、前記一対の継手板と、で少なくとも５面が囲まれて形成され、当該鋼殻の内部に充填材が充填される合成セグメントであることを特徴とするセグメント。

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