JP2015224471A

JP2015224471A - 切削セグメント

Info

Publication number: JP2015224471A
Application number: JP2014109988A
Authority: JP
Inventors: 郁夫大江; Ikuo Oe; 憲二三戸; Kenji Mito; 村上　賢治; Kenji Murakami; 賢治村上
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-14

Abstract

【課題】切削可能な素材のうち、鉄筋の代わりにガラス繊維ロッドとアラミド繊維を用い、軽量骨材を用いた、高流動化を施していない普通のコンクリートを組み合わせることにより、切削性がよく、コストダウンが図れて、かつ、強度特性の優れた止水性の良いセグメントを提供する。【解決手段】コンクリートを母材とし、樹脂製筋材を筋材とする切削セグメントにおいて、ガラス繊維ロッドを筋材とし、アラミド繊維をクラック伸展防止のための添加材としてコンクリートに０．２５〜０．５vol％を混入した。【選択図】なし

Description

本発明は、切削可能なセグメントに関するものである。

シールド工法にてトンネルを構築した後に、このトンネルとは異なる方向に更に分岐トンネルを構築することや分合流部を２本のトンネルの外形断面よりも小さくするような場合に、先行トンネルの側面を切削することが行われる。

切削可能なコンクリート製セグメント及びシールドトンネルの壁体を提供するものとして下記特許文献がある。
特開２０１１−２０２４９２号公報

これは図１、図２に示すようにシールド掘進機によって掘削されるシールドトンネルの壁体を構築するセグメント１であって、コンクリート２０を母材とし、繊維強化樹脂製筋材を補強筋１０とするシールド掘進機により切削可能なコンクリート製セグメント１において、コンクリート２０は、セメント、水、骨材を含み、前記骨材は、粗骨材及び細骨材を含み、粗骨材は軽量粗骨材を含み、軽量粗骨材を、粗骨材全体に対して３０〜１００重量％使用する。

補強筋１０は、セグメントの縦方向（トンネルの円周方向）に沿って、セグメントの内周面側及び外周面側に位置して配置された湾曲したロッド状の内筋１１及び外筋１２と、更に、セグメントの横方向（トンネルの延長方向）に沿って配置され、前記内筋１１と外筋１２とに直交して、これら内筋１１と外筋１２との周りに巻回して配置されたロッド状のスターラップ１３とで構成される。

内筋１１及び外筋１２には、それぞれ、内筋１１及び外筋１２に直交して配力筋１４が配置され、ビニール製結線にて結束される。

特許文献１の実施態様によれば、前記コンクリートは、更に、前記コンクリートの全体積に対して樹脂繊維を０．０１〜１．０体積％含む。

前記樹脂繊維は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂にて作製された繊維であるか、又は、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリプロビレン、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂にて作製された繊維であるか、又は、熱可塑エポキシ樹脂で作製された繊維である。

前記補強筋は、横断面積が２mm²以上５００mm²未満の丸型或いは矩形のロッドとされる繊維強化樹脂製筋材であり、丸型或いは矩形の前記繊維強化樹脂製筋材を使用して格子状に形成したシート状格子筋であり、強化繊維に樹脂を含浸して形成され、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維等の無機繊維、或いは、アラミド、ポリエステル、ナイロン、ビニロン等の有機繊維のいずれかの繊維であるか、又は、前記繊維を複数種混入したハイブリッドタイプとされ、前記樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、又は、ナイロン、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂、又は、熱可塑エポキシ樹脂である。

この特許文献１によれば、コンクリート中の粗骨材を構成する軽量骨材、即ち、軽量粗骨材の割合を所定の量とすることにより、シールド掘進機による切削時のトルクが急激に減少し、又、振動が低減することができる。

すなわち、コンクリート２０は、セメント、水、骨材を含み、骨材は、粗骨材及び細骨材を含んでいる。また、所望により、コンクリートには、更に、コンクリートの全体積に対して樹脂繊維を０．０１〜１．０体積％含ませることができる。樹脂繊維は、短繊維とされ、通常、繊維長は、０．５〜６cm程度とされる。

この特許文献１は、コンクリートを母材とし、ガラス繊維製の繊維強化樹脂製筋材と、軽量骨材とを有し、コンクリートに樹脂繊維を混合するものではあるが、切削の容易性、すなわち、シールド掘進機による切削時のトルク及びビット摩耗を大幅に減少し、また、振動を低減させることのできることを内容とするものである。

特許文献１のコンクリートは、コンクリートの全体積に対して樹脂繊維を０．０１〜１．０体積％含むが、この樹脂繊維は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂にて作製された繊維であるか、又は、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリプロビレン、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂にて作製された繊維であるか、又は、熱可塑エポキシ樹脂で作製された繊維である。

補強筋は、強化繊維に樹脂を含浸して形成され、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維等の無機繊維、或いは、アラミド、ポリエステル、ナイロン、ビニロン等の有機繊維のいずれかの繊維であるか、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、又は、ナイロン、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂、又は、熱可塑エポキシ樹脂繊維を複数種混入したハイブリッドタイプとされる。

しかし、この特許文献１は比較的安価な材料で構成するという条件付けの上に、さらに、セグメントの切削性を損なうことなく、強度特性の優れた止水性の良いセグメントを提供することについては何ら考慮されていない。

例えば、炭素繊維の弾性係数は鉄筋の７０％程度あるので、引張変形の抑制効果を含めて鉄筋代替として十分なものであるが、高価なものである。

これに対して、ガラス繊維は比較的安価であるが、弾性係数が、セグメントに用いる高強度コンクリート（σck＝４０〜６０N/mm²程度）と同程度であり、セグメントに曲げによるクラックが発生した場合、ガラス繊維ロッドが引張力を受け持つものの、弾性係数が小さいためにクラックの進展を止められない。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、切削可能な素材のうち、鉄筋の代わりにガラス繊維ロッドとアラミド繊維を用い、軽量骨材を用いた普通コンクリートを組み合わせることにより、セグメントの切削性を損なうことなく、強度特性の優れた止水性の良い切削セグメントを提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、コンクリートを母材とし、樹脂製筋材を筋材とする切削セグメントにおいて、ガラス繊維ロッドを筋材とし、アラミド繊維をクラック伸展防止のための添加材としてコンクリートに０．２５〜０．５vol％混入したことを要旨とするものである。

本発明は、強度特性と止水性を満足するためのアラミド繊維の混入量として、０．２５〜０．５vol％が最適であることを実験で見出し、それを踏まえた切削セグメントを考案するものである。

本発明の原理は、安価なガラス繊維ロッドを筋材とし、やはり安価なアラミド繊維を止水性の要となるクラック伸展防止のための添加材として組み合わせることで、強度特性の優れた止水性の良い切削セグメントとするものである。

請求項１記載の本発明によれば、ガラス繊維筋は、セグメントに曲げによるクラックが発生した場合張力を受け持つものの、弾性係数が小さいためにクラックの進展を止められないがアラミド繊維を短繊維としてコンクリートに添加することで、剥落防止、じん性向上を図ることができる、特に、アラミド繊維は引張への抵抗性（引張軟化特性）が優れる。

アラミド繊維を短繊維として用いる場合、添加量を増やせば増やすほど、コンクリートのじん性は向上するが、普通コンクリートではワーカビリティを確保できず、高価な高流動コンクリートが必要とされることがあった。

強度特性と止水性を満足するためのアラミド繊維の混入量として、０．２５〜０．５vol％が最適である。

以上述べたように本発明の切削セグメントは、セグメントの切削性を損なうことなく、強度特性の優れた止水性の良いものである。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の切削セグメントは、シールド掘進機により地中を掘削しながら道路や鉄道などのトンネルを構築するシールド工法により、掘削部の内壁面に沿って組み立てて設置され、シールドトンネル壁体を構成するものとして、トンネルの円周方向及び延長方向（軸線方向）に複数連結されるもので、シールドトンネル壁体の湾曲した円周部の一部を構成するものであるので、所定の半径（Ｒ）、厚さ（Ｈ）、中心角（θ）、及び、トンネルの延長方向に沿って幅（Ｗ）にて延在した円弧状のセグメントとされる。通常、内周面半径（Ｒ）は、１〜１５ｍ、厚さ（Ｈ）は、０．１〜２ｍ、中心角（θ）は、１０°〜１００°、幅（Ｗ）は、０．３〜３ｍとされる。

なお、切削セグメントのリング継手およびセグメント継手は、切削性を考慮してＦＲＰ製のボルトとし、セグメント間には念のため内側にＦＲＰ製継手補強板を設置する。

コンクリート（セメント、水、骨材を含み、骨材は、粗骨材及び細骨材を含んでいる。）を母材とし、樹脂製筋材を筋材とするものであり、シールド機による切削性を確保するため、切削しやすい粗骨材を用いる。

切削しやすい粗骨材として、は石灰石、骨材、軽量骨材、高炉スラグ粗骨材がある。
下記表１に粗骨材の選定例を示す。
※アサノライトは登録商標

本発明はガラス繊維ロッドを筋材とするもので、このガラス繊維ロッドは鉄筋とほぼ同じ径のもの（Ｄ１０〜１６を採用する。配力筋量（本数）は後述のアラミド繊維添加による強度増加を期待して、ＲＣに比べて減らしている。

一般的なＲＣセグメントの筋材とされる鉄筋は弾性係数が大きく、セグメントに引張応力が発生しても鉄筋によって引張変形が抑制される。

本発明において、セグメントの曲げ強度はガラス繊維ロッドを筋材とすることで確保できる。

ガラス繊維ロッドは熱硬化性樹脂を含浸させたガラス繊維で、一例としてファイブレップ・リバー・ジャパン社製のGFRP連続ネジ成形ロッドが採用できる。鉄筋に比べ約２倍の引張強度を有している「SD345 引張強さ（N/mm²）490以上」。

また、ガラス繊維筋は、弾性係数が、セグメントに用いる高強度コンクリート（σck＝40〜60N/mm²程度）と同程度であり、セグメントに曲げによるクラックが発生した場合、ガラス繊維ロッドが引張力を受け持つものの、弾性係数が小さいためにクラックの進展を止められない。

このため、止水性が要求されるまたはコンクリート構造物の変位抑制が厳しく求められるような都市土木の構造体としての利用は難しいとされてきたが、短繊維をコンクリートに添加することで、剥落防止、じん性向上を図ることができる。

本発明では、アラミド繊維をクラック伸展防止のための添加材としてコンクリートに０．２５〜０．５vol％混入した。ただし、その混入がコンクリートのワーカビリティを損なう場合があり、最適添加量を設定したものである。

アラミド繊維としては、下記表２のものが選定できる。
※テクノーラは登録商標

軽量骨材および高炉スラグの示方配合を下記表３、表４に示す。

セグメントの製作は、ガラスロッドによる鉄筋篭と、アラミド繊維を添加したコンクリートと型枠が必要である。これらは、一般のセグメント製作工場で、一般的な型枠で製造可能である。

次に、本発明の効果を確認する試験結果について述べる。
試験は基礎曲げ試験で、アラミド繊維を添加し、ガラスロッドを補強材とした切削部セグメントの構造性を以下により検証した。

i）供試体仕様
山岳トンネルの吹付けコンクリートを対象に、アラミド繊維を添加したコンクリートではひび割れ発生による荷重の低下が小さく、さらに曲げ耐力が上昇する傾向が確認されている。セグメント用コンクリートを対象に、補強材にガラスロッドを採用およびアラミド繊維添加による強度特性等に関する基礎試験として、梁材(幅220×高さ150×長さ530)にて曲げ試験を実施した。供試体の仕様を下記表５に示す。
※ 注:供試体サイズ(高さ、幅)の設定について
高さ:アラミド繊維添加によるひび割れ発生への影響を確認するため、型枠中央下面に塩ビ板(厚さ3mm、高さ45mm)を設置して供試体中央にスリットを設けた。そのため、スリット端部からガラスロッドまでの純かぶりを20mmとして、供試体高さを150mmとした。
幅:補強材として使用するガラスロッドＳ８、２本配置量が、最小鉄筋量0.5%程度となる断面になるよう幅を設定。

ii）コンクリート配合および強度を下記表６に示す。

iii）圧縮強度および弾性係数試験結果
圧縮強度試験は、材齢７日、曲げ試験実施日(材齢14日、15日)、材齢28日で行った。また、曲げ試験実施日には、弾性係数も計測を行った。圧縮強度を下記表７に、弾性係数を下記表８に示す。

載荷方法曲げ試験の概要を図４に示す。
試験装置：2000kNアムスラー

試験結果を下記表９に示す。

切削セグメントの従来例を示す説明図である。切削セグメントの他の従来例を示す説明図である。本発明の切削セグメントの斜視図である。曲げ試験装置の説明図である。

１…セグメント１０…補強筋
１１…内筋１２…外筋
１３…スターラップ１４…配力筋
２０…コンクリート

Claims

コンクリートを母材とし、樹脂製筋材を筋材とする切削セグメントにおいて、ガラス繊維ロッドを筋材とし、アラミド繊維をクラック伸展防止のための添加材としてコンクリートに０．２５〜０．５vol％混入したことを特徴とする切削セグメント。