JP2014020110A - 合成セグメント - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比較し、優れた強度特性を備えつつ、鋼材量及び溶接を少なくすることを可能にした合成セグメントを提供する。
【解決手段】トンネル内空側の内面を形成する内面鋼板とトンネル地山側の外面Ａ１を形成する外面鋼板１の少なくとも一方の鋼板と、鋼板１に突設されたスタッド２を介して鋼板１と一体形成され、合成セグメントＡの本体部３を形成するモルタル又はコンクリート４と、モルタル又はコンクリート４の４つの側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをそれぞれ被覆し、合成セグメントＡの４つの継手面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５を形成する樹脂被覆層５とを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、合成セグメントに関する。

従来、都市トンネルを築造する際には、シールド工法が多用されている。このシールド工法では、地山をシールド機で掘進しながら、シールド機内でセグメントを組み立てて順次覆工体を構築することによりトンネルを築造する工法である。また、一般に、例えば経済的な観点から、大断面トンネルを築造する際には、鉄筋コンクリート製セグメントを用い、小断面トンネルを築造する際には鋼製セグメントを用いるようにしている。さらに、部分的に大きな荷重（偏荷重）が作用する場合や、貯水管等、トンネル供用時に大きな内水圧が作用する場合には、鋼材とコンクリートを複合した合成セグメントを用いるケースが多い。

また、一般に、合成セグメントは、トンネル周方向と軸方向の継手面となるセグメントの４側面に板状の鋼材（鋼板）である主桁と継手板を配置し、これら鋼材の内面側や外面側にフランジを溶接して設け、あるいは内外全面にスキンプレートを溶接して設け、これら鋼材で囲まれた内空部にコンクリートを充填して製作される。そして、合成セグメントは、コンクリートと鋼材が一体化することで、セグメントとしての強度特性を高めることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−０７４６５５号公報

しかしながら、上記従来の合成セグメントにおいては、継手面となるセグメントの４面を形成する鋼材同士や、鋼材とスキンプレートなどを溶接する必要があり、この溶接作業が多大な労力と時間を要していた。また、合成セグメントの製造コストは、鋼材の溶接が大きな比重を占めており、溶接が多くなるほど高コスト化する。このため、溶接を極力少なくして合成セグメントを製造できるようにすることが強く望まれていた。

さらに、継手面となる４面を形成する鋼材は、セグメントの内外面側に配されるフランジやスキンプレートなどの鋼材に比べて、セグメントの強度特性に対する影響が小さい。このため、上記従来の合成セグメントにおいては、セグメントの必要な強度に対し、多くの鋼材量を用いていることになり、この点も製造コストの増大を招く要因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑み、従来と比較し、優れた強度特性を備えつつ、鋼材量及び溶接を少なくすることを可能にした合成セグメントを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の合成セグメントは、トンネルの周方向及び軸方向に並設されて覆工体を形成するための合成セグメントであって、トンネル内空側の内面を形成する内面鋼板とトンネル地山側の外面を形成する外面鋼板の少なくとも一方の鋼板と、前記鋼板に突設されたスタッドを介して前記鋼板と一体形成され、合成セグメントの本体部を形成するモルタル又はコンクリートと、前記モルタル又はコンクリートの４つの側面をそれぞれ被覆し、合成セグメントの４つの継手面を形成する樹脂被覆層とを備えて構成されていることを特徴とする。

この発明においては、合成セグメントの内面側と外面側の少なくとも一方に鋼材を配置し、さらに、合成セグメントの４つの継手面となる側面に樹脂を吹き付けるなどして樹脂被覆層を設け、鋼板に突設したスタッドを介して鋼板とモルタル又はコンクリート（本体部）を一体にする構造であるため、構造として必要な溶接がなく、従来の合成セグメントに比べ、廉価で合成セグメントを製作することが可能になる。

強度特性に影響が大きい合成セグメントの内面側と外面側の少なくとも一方に鋼材を配置し、鋼板と樹脂被覆層でモルタル又はコンクリートを囲む構造としているため、高強度樹脂などを用いて樹脂被覆層を形成するだけで、モルタル又はコンクリートの靭性を向上させることができる。すなわち、従来の合成セグメントと比較し、強度に対する鋼材の使用効率が良く、少ない鋼材量で所定の強度、耐力を得ることが可能である。

また、本発明の合成セグメントにおいては、前記樹脂被覆層がポリウレア樹脂を用いて形成されていることが望ましい。

この発明においては、ポリウレア樹脂を用いることにより、高強度の樹脂被覆層を形成することができ、効果的に合成セグメントの強度、耐力を向上させることが可能になるとともに、ポリウレア樹脂は、耐薬品性が高いため、合成セグメントの耐久性を高めることも可能になる。

さらに、本発明の合成セグメントにおいては、前記内面鋼板と前記外面鋼板の一方の鋼板を備えて構成され、前記モルタル又はコンクリートの前記鋼板が設けられていない前記トンネル内空側あるいは前記トンネル地山側に鉄筋を埋設して前記本体部が形成されていることがより望ましい。

この発明においては、トンネル内空側とトンネル地山側の一方に鋼板を、他方に鉄筋を配設して合成セグメントを構成することで、合成セグメントの強度、耐力を向上させつつ、鋼材量をさらに少なくすることが可能になる。

また、トンネル地山側に鋼板（外面鋼板）を、内空側に鉄筋を配設した場合には、内空側に耐火用あるいは防食用のモルタル又はコンクリートを用いることによって、耐火性能、防食性能を向上させることができる。

また、本発明の合成セグメントにおいては、前記樹脂被覆層が、前記鋼板と前記モルタル又はコンクリートの合わせ面を被覆するように前記側面を部分的に被覆して設けられていてもよい。

この発明においては、確実に鋼板とモルタル又はコンクリートの合わせ面から地下水が浸透することを樹脂被覆層によって防止することができる。

本発明の合成セグメントにおいては、従来の合成セグメントと比較し、強度に対する鋼材の使用効率が良く、少ない鋼材量で所定の強度を得ることが可能である。また、構造として必要な溶接がなく、溶接が製作コストに大きな比重を占めるため、従来の合成セグメントに比べ、廉価で製作することが可能になる。

また、コンクリートを樹脂被覆層と鋼板で囲む構造により、モルタル又はコンクリートの靭性を向上させることが可能になる。そして、トンネル構造物を構成する合成セグメントの靭性の向上は、地震時の大きな変位に対する耐力の向上をもたらすため、トンネル自体の破壊のおそれを、他の合成セグメントを用いた場合よりも小さくすることが可能になる。

さらに、高強度の樹脂被覆層でコンクリートを拘束する構造は、地震時の荷重などで合成セグメントのモルタルやコンクリートが破壊されても、セグメントの形状を保持する機能が樹脂被覆層によって発揮されるため、トンネルの重大な破壊にはならず、また、破片が飛散する可能性が低く、道路トンネルでは通行車両に対し安全性が高い。

また、樹脂被覆層でモルタル又はコンクリートを拘束する構造は、衝撃力に対する耐力を増大させることができる。このため、セグメント運搬時や組立時に他物の衝突に対し、モルタルやコンクリートが破損するおそれが少なく、破損した場合においても、地下水の侵入を防止できる。

本発明の一実施形態に係る合成セグメントを示す図である。 本発明の一実施形態に係る合成セグメントの鋼板及び鉄筋を示す図である。 本発明の一実施形態に係る合成セグメントの変更例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る合成セグメントの変更例を示す図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る合成セグメントについて説明する。ここで、本実施形態は、シールド工法により掘削したトンネルの内面の周方向及び軸方向に並設されて覆工体を形成するための合成セグメントに関する。

本実施形態の合成セグメントＡは、図１及び図２に示すように、トンネル地山側の外面Ａ１を形成する外面鋼板（鋼板、鋼材）１と、鋼板１の内面１ａに接続して突設されたスタッド２を介して鋼板１と一体形成され、合成セグメントＡの本体部３を形成するコンクリート４と、コンクリート４の４つの側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをそれぞれ被覆し、合成セグメントＡの４つの継手面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５を形成する樹脂被覆層５とを備えて構成されている。

すなわち、この合成セグメントＡは、継手面となる４面（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）に、従来の鋼材（鋼板）に替わり樹脂被覆層５を設け、且つトンネル地山側の外面Ａ１を形成するようにスタッド付きの外面鋼板１を配置するとともにスタッド２でコンクリート４に一体化させて形成されている。また、合成セグメントＡのトンネル周方向を向く継手面Ａ２、Ａ３側に継手７が設けられている。

さらに、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、コンクリート４の外面鋼板１が設けられていないトンネル内空側（合成セグメントＡの内面Ａ６側）に鉄筋８を埋設して、合成セグメントＡの本体部３が形成されている。

また、本実施形態では、強度が高く、且つ止水性が高いポリウレア樹脂を用いて樹脂被覆層５が形成されている。さらに、この樹脂被覆層５は、例えばポリウレア樹脂をコンクリート４の４つの側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに吹き付けるなどしてコンクリート４に一体に形成されている。

ここで、本発明にかかる合成セグメントＡにおいては、トンネル内空側の内面Ａ６を形成する内面鋼板とトンネル地山側の外面Ａ１を形成する外面鋼板１の少なくとも一方の鋼板を備えていればよい。このため、例えばトンネル内空側の内面Ａ６を形成する内面鋼板のみを設け、コンクリート４のトンネル地山側に鉄筋８を埋設するようにしてもよい。また、図３に示すように、トンネル内空側の内面鋼板１２とトンネル地山側の外面鋼板１の両鋼板を設け、コンクリート４に鉄筋８を埋設せずに合成セグメントＡを形成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、コンクリート４を用いて本体部３が形成されているものとしたが、コンクリートに替えてモルタルを用いて本体部３を形成するようにしてもよい。

さらに、例えば道路トンネルでの使用を考慮した場合には、コンクリート４の内面４ｅ側に（内面鋼板を設けた場合には内面鋼板上に、内面鋼板を設けていない場合にはコンクリート４上に）耐火層９を積層形成して、合成セグメントＡを構成するようにしてもよい。この耐火層９は、例えばモルタル剥離防止用のメッシュ筋１０を配置し、このメッシュ筋１０を埋設するように所定の厚さで耐火モルタル（耐火用のモルタル又はコンクリート）１１を設けて形成することが好ましい。また、下水道（トンネル）での使用を考慮した場合には、耐火モルタル１１（耐火層９）に替え、防食モルタル（防食用のモルタル又はコンクリート）を用いて防食層を形成することが好ましい。

そして、上記のように構成した本実施形態の合成セグメントＡにおいては、鋼材１がセグメント強度に対する寄与効率が高い外面Ａ１側（及び／又は内面側）のみに配置して構成されているため、同じ強度特性を備えた従来の合成セグメントに比べ、鋼材１の使用量が少なくなる。

また、従来の合成セグメントが、継手面を形成する鋼材同士や鋼材とフランジ、スキンプレートなどとの多くの溶接を必要としているのに対し、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、４つの継手面（４側面）Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５に鋼材がないため、溶接が発生しない、あるいはコンクリート打設時に型枠鋼板を溶接で固定して設ける場合など、仮設以外の溶接が発生しない。

一方、このように継手面となる４面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５に鋼材１を設けずに合成セグメントＡを形成した場合には、外面鋼板１（及び／又は内面鋼板）とコンクリート４の合わせ面から地下水が浸透するおそれがある。また、継手面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５にコンクリート４が露出するため、セグメント運搬時や組立時、他の物との接触によるコンクリート４のひび割れなどの破損が発生するおそれもある。

これに対し、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、継手面となる４面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、すなわち、この合成セグメントＡのコンクリート１の４側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに、止水性が高く、高強度のポリウレア樹脂を吹き付け、樹脂被覆層５が被覆形成されている。これにより、コンクリート４を高強度の樹脂被覆層５で拘束する構造となるため、コンクリート４の靭性が向上し、さらに、衝撃力に対しての耐力も増大する。また、繰り返し荷重などによってコンクリート４が破壊した場合にも、構造物としての形状を保持する機能が樹脂被覆層５によって発揮される。

また、継手面となる４面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５に設けられた樹脂被覆層５は、外面鋼板１（及び／又は内面鋼板）とコンクリート４の合わせ面から地下水が浸透することを防止する作用効果も発揮する。さらに、この樹脂被覆層５は、衝撃力に対する耐力増加によって地下水が侵入しうるひび割れの発生をも抑止し、万一、ひび割れが発生した場合であっても、セグメント内部への地下水の侵入防止に寄与することになる。

さらに、合成セグメントＡの内外面Ａ１、Ａ６の少なくとも一面に鋼板（本実施形態では外面鋼板１）が配置され、鋼板１が設けられていない側のコンクリート４に鉄筋８が配筋されている。このため、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、４つの側面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、内面Ａ６、外面Ａ１の６面での拘束状態となり、これにより、従来と比較し、よりコンクリート４の靭性や衝撃力に対する耐力が増大することになる。

したがって、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、合成セグメントＡの外面Ａ１側（及び／又は内面Ａ６側）に鋼材１を配置し、さらに、合成セグメントＡの４つの継手面となる側面Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５に樹脂を吹き付けるなどして樹脂被覆層５を設け、鋼板１に突設したスタッド２を介して鋼板１とコンクリート４を一体にする構造であるため、構造として必要な溶接がなく、従来の合成セグメントに比べ、廉価で合成セグメントＡを製作することが可能になる。

また、強度特性に影響が大きい合成セグメントＡの外面Ａ１側（及び／又は内面Ａ６側）に鋼板１を配置し、鋼板１と樹脂被覆層５でコンクリート４を囲む構造としているため、高強度樹脂などを用いて樹脂被覆層５を形成するだけで、コンクリート４の靭性を向上させることができる。すなわち、従来の合成セグメントと比較し、強度に対する鋼材１の使用効率が良く、少ない鋼材量で所定の強度、耐力を得ることが可能である。

そして、トンネル構造物を構成する合成セグメントＡの靭性の向上は、地震時の大きな変位に対する耐力の向上をもたらすため、トンネル自体の破壊のおそれを、他の合成セグメントＡを用いた場合よりも小さくすることが可能になる。

さらに、高強度の樹脂被覆層５でコンクリート４を拘束する構造は、地震時の荷重などで合成セグメントＡのコンクリート４が破壊されても、セグメントＡの形状を保持する機能が樹脂被覆層５によって発揮されるため、トンネルの重大な破壊にはならず、また、破片が飛散する可能性が低く、道路トンネルでは通行車両に対し安全性が高い。

また、樹脂被覆層５でコンクリート４を拘束する構造は、衝撃力に対する耐力を増大させることができる。このため、セグメント運搬時や組立時に他物の衝突に対し、コンクリート４が破損するおそれが少なく、破損した場合においても、地下水の侵入を防止できる。

また、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、ポリウレア樹脂を用いることにより、高強度の樹脂被覆層５を形成することができ、効果的に合成セグメントＡの強度、耐力を向上させることが可能になるとともに、ポリウレア樹脂は、耐薬品性が高いため、合成セグメントＡの耐久性をも高めることが可能になる。

さらに、本実施形態の合成セグメントＡにおいては、鋼板１が設けられていないトンネル内空側（あるいはトンネル地山側）に、鉄筋８を配設して合成セグメントＡを構成することで、合成セグメントＡの強度、耐力を向上させつつ、鋼材量をさらに少なくすることが可能になる。

また、トンネル地山側に鋼板（外面鋼板１）を、内空側に鉄筋８を配設した場合には、内空側に耐火用あるいは防食用のモルタル又はコンクリートを用いることによって、耐火性能、防食性能を向上させることができる。

以上、本発明に係る合成セグメントの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、合成セグメントＡのコンクリート１の４側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに樹脂被覆層５が被覆形成され、この樹脂被覆層５がそれぞれの側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの全面に形成されているように説明を行った。これに対し、例えば図４に示すように、外面鋼板１（及び／又は内面鋼板）とコンクリート４の合わせ面を被覆するように、合成セグメントＡのコンクリート１の各側面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを部分的に被覆して樹脂被覆層５を設けるようにしてもよい。そして、このように樹脂被覆層５を設けることで、合わせ面から地下水が浸透することを確実に防止できる。

１ 鋼板（鋼材、外面鋼板）
２ スタッド
３ 本体部
４ コンクリート（又はモルタル）
４ａ 側面
４ｂ 側面
４ｃ 側面
４ｄ 側面
４ｅ 内面
５ 樹脂被覆層
７ 継手
８ 鉄筋
９ 耐火層（防食層）
１０ メッシュ筋
１１ 耐火モルタル
１２ 鋼板（鋼材、内面鋼板）
Ａ 合成セグメント
Ａ１ 外面
Ａ２ 継手面
Ａ３ 継手面
Ａ４ 継手面
Ａ５ 継手面
Ａ６ 内面

Claims (4)

1. トンネルの周方向及び軸方向に並設されて覆工体を形成するための合成セグメントであって、
   トンネル内空側の内面を形成する内面鋼板とトンネル地山側の外面を形成する外面鋼板の少なくとも一方の鋼板と、
   前記鋼板に突設されたスタッドを介して前記鋼板と一体形成され、合成セグメントの本体部を形成するモルタル又はコンクリートと、
   前記モルタル又はコンクリートの４つの側面をそれぞれ被覆し、合成セグメントの４つの継手面を形成する樹脂被覆層とを備えて構成されていることを特徴とする合成セグメント。
2. 請求項１記載の合成セグメントにおいて、
   前記樹脂被覆層がポリウレア樹脂を用いて形成されていることを特徴とする合成セグメント。
3. 請求項１または請求項２に記載の合成セグメントにおいて、
   前記内面鋼板と前記外面鋼板の一方の鋼板を備えて構成され、
   前記モルタル又はコンクリートの前記鋼板が設けられていない前記トンネル内空側あるいは前記トンネル地山側に鉄筋を埋設して前記本体部が形成されていることを特徴とする合成セグメント。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の合成セグメントにおいて、
   前記樹脂被覆層が、前記鋼板と前記モルタル又はコンクリートの合わせ面を被覆するように前記側面を部分的に被覆して設けられていることを特徴とする合成セグメント。

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