JP2020026683A - セグメント組立用治具及びセグメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントの寸法精度を高く保つことができるセグメント組立用治具及びセグメントの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】トンネルの覆工として用いられるセグメントの組み立て時に使用するセグメント組立用治具であって、セグメントを構成する各部材を載置する治具底部と、治具底部の上面より上方の側方に対向して配置される一対の治具側板と、を備える。治具側板は、他方の前記治具側板に対向する面に主桁当接部を備え、主桁当接部は、治具側板の長手方向の両端部に配置される端部主桁当接部と、端部主桁当接部の間に配置される中央部主桁当接部と、から構成される。中央部主桁当接部は、前記部材と当接する当接面の上端部同士の間隔が下端部同士の間隔よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、セグメントの組み立てにおいて使用するセグメント組立用治具及びセグメント組立用治具を用いたセグメントの製造方法に関する。

従来トンネルを構築する工法としては、シールド工法やＴＢＭ工法等が知られている。これらのトンネルを構築する工法では、地山を掘削しつつ筒状のセグメントリングを地中に連設することでトンネルの覆工を形成している。セグメントリングは、複数のセグメントの端面に位置する継手板同士を連結することにより形成される。

セグメントは、トンネルが延びる方向に沿った方向から見て弧状に形成されている。セグメントは、長手方向に弧状に形成された一対の主桁、一対の主桁の長手方向の両端面に取り付けられた継手板、及び弧状の主桁の外周面に取り付けられたスキンプレートを有する。セグメントは、２つの主桁と２つの継手板とを相互に接合して枠体を形成し、その枠体にスキンプレートとを接合してなる筐体である（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１７−２１０７６９号公報

特許文献１に開示されているセグメントは、地山を掘削した内部に連接されてトンネルの覆工を形成するため、隣合うセグメントと接する一対の継手板及び一対の主桁の間の寸法精度を高くする必要がある。しかし、セグメントは、鋼の板材を溶接により組み立てて製造され、主桁に継手板及びスキンプレートを溶接すると溶接側に反って変形してしまうことにより一対の主桁間の寸法精度を維持出来ないという課題があった。特に、特許文献１に開示されているセグメントは、さらに筐体の内部に形状保持材が配置されており、一対の主桁の間に架け渡されて溶接されているため、溶接箇所が多く、溶接後の寸法精度を高く保つのが困難になっている。

本発明は上記課題を解決するものであって、セグメントの寸法精度を高く保つことができるセグメント組立用治具及びセグメントの製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係るセグメント組立用治具は、トンネルの覆工として用いられるセグメントの組み立て時に使用するセグメント組立用治具であって、セグメントを構成する各部材を載置する治具底部と、該治具底部の上面より上方の側方に対向して配置される一対の治具側板と、を備え、前記治具側板は、他方の前記治具側板に対向する面に主桁当接部を備え、前記主桁当接部は、前記治具側板の長手方向の両端部に配置される端部主桁当接部と、前記端部主桁当接部の間に配置される中央部主桁当接部と、から構成され、前記中央部主桁当接部は、前記部材と当接する当接面の上端部同士の間隔が下端部同士の間隔よりも大きい。

本発明に係るセグメントの製造方法は、トンネルの覆工として用いられるセグメントの製造方法であって、前記トンネルが延びる方向に垂直な断面形状に沿った円弧形状に形成された一対の主桁、該主桁の両端部に固定される継手板、及び前記主桁の円弧形状の外周側に固定されるスキンプレート、を互いに仮固定する仮組立工程と、前記仮組立工程の後に前記主桁、前記継手板、及び前記スキンプレートの近接する部位同士を溶接する溶接工程と、を備え、前記仮組立工程は、セグメント組立用治具の底部を形成する治具底板の上面に、少なくとも前記スキンプレート、前記主桁、及び前記継手板を載置する載置工程と、前記治具底板の前記上面の側方に配置された治具側板に前記主桁を押し付ける押し付け工程と、前記スキンプレート、前記主桁、及び前記継手板の互いに近接した箇所を部分的に溶接する仮溶接工程と、を備える。

本発明によれば、上記の構成により、安定的に主桁をセグメントの組立用治具に接触させることができ、その状態で溶接を行うことができるため、セグメントの主桁間の寸法精度を向上するとともに、製作精度が向上する。ひいてはセグメント製造時の溶接作業の効率化及び製品の品質の向上を図ることができる。

実施の形態１に係るセグメント組立用治具を用いて組み立てられるセグメントの一例を示す斜視図である。 図１のセグメントの主桁の平面図である。 図１のセグメントの主桁の変形例である主桁を示す断面図である。 セグメントを構成する部材がセグメント組立用治具に設置され仮固定された状態を示す上面図である。 図４のＡ−Ａ部の断面構造の模式図である。 図４のＢ−Ｂ部の模式図である。 実施の形態１に係るセグメント組立用治具において仮組立を実施している状態を示す模式図である。 図７のセグメント組立用治具の側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。各図は模式的に示すものであって、各部材の相対的な大きさや板厚等は図示する寸法に限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図において各部分に付された符号について、添え字（ａ、ｂ等）を付していない場合は、添え字が付された符号を総称しているものとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るセグメント組立用治具１００を用いて組み立てられるセグメント１の一例を示す斜視図である。図１に示されるように、セグメント１は、複数の鋼材を組み合わせて構成される箱形の構造であり、箱形の底部が円弧状に湾曲している。セグメント１は、例えばトンネルの覆工に用いられ、地山を掘削して形成された掘削孔の壁面に設置されるものである。セグメント１は、掘削孔の壁面に沿って周方向に複数連結されて、筒状のセグメントリングを形成する。このセグメントリングを軸方向に順次接合すると、トンネルの覆工が形成される。セグメント１の箱形の構造の内部には、例えばコンクリート等が充填され、トンネル内部の壁面を構成する。

セグメント１は、一対の主桁４と、一対の継手板５と、スキンプレート６と、複数の縦リブ９と、を備えている。

図２は、図１のセグメント１の主桁４の平面図である。一対の主桁４は、セグメント１のトンネル軸方向の両端に位置するものである。主桁４は、トンネルの断面形状に応じて円弧状に形成されている。主桁４は、板状の部材であり、平面視において、長手方向に沿った稜線である外縁４３ａ、４３ｂが円弧で形成されている。地山側に位置する主桁４の外縁４３ａは、トンネルの断面形状に応じた円弧状に形成され、トンネル内側に位置する主桁４の外縁４３ｂは、外縁４３ａと同心の円弧状に形成されている。

一対の継手板５は、セグメント１のトンネル周方向の両端に取り付けられている部材である。継手板５は、矩形状の鋼板からなり、一対の主桁４の長手方向の両端部同士の間に架け渡され、固定されている。継手板５が位置するセグメント１の端部には、１つのセグメントリングを形成するセグメント１と連結するための継手が取り付けられていても良い。

スキンプレート６は、セグメント１の地山側に面する板状の部材であり、矩形の鋼板を面方向に円弧状に曲げて成形したものである。図１に示される様に、一対の主桁４及び継手板５を接合して得られた枠体１０の地山側の端面の開口部を塞ぐように接合される。つまり、スキンプレート６は、セグメント１を構成する主桁４及び継手板５の外周側に取り付けられている。

セグメント１の箱形状の内部には、縦リブ９が立設されている。縦リブ９は、主桁４及びスキンプレート６の面の法線方向に立設されており、縦リブ９のトンネル軸方向の端部が主桁４の表面４４に接合されている。

＜セグメント１の製造方法＞
セグメント１の組立について説明する。一対の主桁４、継手板５、及びスキンプレート６が、互いに仮固定される（ＳＴＥＰ１）。この工程を仮組立工程と呼ぶ。仮組立工程は、セグメント組立用治具１００に主桁４、継手板５、スキンプレート６を載置した状態で行われる。仮組立工程において、治具底部５１の上面に、少なくともスキンプレート６、主桁４、及び継手板５を載置する工程を、特に載置工程と呼ぶ。つまり、載置工程は、仮組立工程に含まれるものである。なお、仮組立工程において、縦リブ９を仮固定してもよい。各部材間の仮固定は、例えばスポット溶接により行われる。各部材間を部分的に溶接することにより、仮組立工程に掛かる時間を抑えつつ、後工程の溶接工程で必要な組立精度が確保できる。溶接工程においては、溶接による各部材の変形が発生するため、その変形を見込んだ寸法を狙って仮組立が行われる。なお、スキンプレート６、主桁４、及び継手板５の互いに近接した箇所を部分的に溶接する工程を仮溶接工程と呼ぶ。仮溶接工程も、仮組立工程に含まれるものである。

その後、仮組立されたセグメント１ａは、セグメント１を構成する各部材間の溶接が行われる（ＳＴＥＰ２）。この工程を溶接工程と呼ぶ。溶接工程においては、仮組立されたセグメント１を構成する部材同士を溶接により固定し、セグメント１の構造が完成する。溶接工程においては、セグメント１を構成する各部材同士が近接している部分を溶接する。また、溶接工程においては、各部材同士が近接している部分の全域を溶接し、各部材間の接合強度を確保する。溶接工程は、組立効率を上げるため、ロボットによる自動溶接で行われるのが望ましい。なお、ロボットによる溶接が困難な部位については、適宜手作業により溶接を行っても良い。

以上の工程により、セグメント１の構造が完成する。セグメント１の構造が完成した後は、塗装等の工程が適宜行われ、トンネル内に設置される。

＜主桁４の変形例＞
図３は、図１のセグメント１の主桁４の変形例である主桁４ａを示す断面図である。実施の形態１において、主桁４は、板状の鋼材であるが、変形例である主桁４ａは、板状の鋼材をウェブ４１とし、ウェブ４１の端部にフランジ４２を接合して構成しても良い。つまり、変形例の主桁４ａは、断面形状がコの字状になっている。図３に示される様に、ウェブ４１は、板状の鋼材であり、長手方向に沿った外縁４３ａが円弧形状に形成されており、長手方向の端縁は直線状に形成されている。ウェブ４１の地山側に位置する外縁４３ａは、トンネルの断面形状に応じた円弧になっている。ウェブ４１のトンネル内側に位置する外縁４３ｂは、地山側に位置する外縁４３ａと同心で径の小さい円弧となっている。フランジ４２のうち外フランジ４２ａは、板状の鋼材であり、地山側の外縁４３ａに合わせて面方向に曲げられている。内フランジ４２ｂも、板状の鋼材であり、トンネル内側の外縁４３ｂに合わせて面方向に曲げられている。ウェブ４１とフランジ４２とは、溶接により接合される。なお、主桁４ａは、上記のように溶接により組み立てられるものに限定されず、ウェブ４１とフランジ４２とが一体に成形された部材であっても良い。

＜仮組立工程の詳細＞
図４は、セグメント１を構成する部材がセグメント組立用治具１００に設置され仮固定された状態を示す上面図である。図４は、セグメント１を構成する部材のうち、主桁４、継手板５、及びスキンプレート６のみを表示している。セグメント１が構造として縦リブ９を有している場合は、図４に示される状態で一対の主桁４の間に配置されていても良い。

＜セグメント組立用治具１００の構造＞
図５は、図４のＡ−Ａ部の断面構造の模式図である。図６は、図４のＢ−Ｂ部の模式図である。図４、図５、及び図６は、治具底部５１の上面に、少なくともスキンプレート６、主桁４、及び継手板５を載置する載置工程が完了した、仮溶接工程前の状態を示している。セグメント組立用治具１００の底部には、治具底部５１が配置されている。治具底部５１の上にセグメント１を構成する部材が載置される。治具底部５１の天面から上方の側方には、一対の治具側板５２が所定の距離を持って対向して配置されている。治具側板５２は、図５及び図６において治具底部５１の上に載置されているが、この形態に限定されるものではない。例えば、治具底部５１及び治具側板５２は、それぞれ床上に別々に固定されていても良い。

図４及び図５に示されている様に、治具側板５２は、他方の治具側板５２を向いた面に主桁当接部５３を備える。治具側板５２の長手方向において端部に位置する主桁当接部５３は、当接面５３ａが垂直に形成されている。すなわち、対向する２つの当接面５３ａ同士の間隔は、治具底部５１側から治具側板５２の上端まで一定になるように構成されている。

図４及び図６に示されている様に、治具側板５２は、他方の治具側板５２を向いた面に主桁当接部５４を備える。治具側板５２の長手方向において中央部に位置する主桁当接部５４は、当接面５４ａが傾斜している。当接面５４ａは、治具底部５１側から上方に向かうに従い、他方の治具側板５２から離れる方向に傾斜している。言い換えると、一対の治具側板５２に設けられた当接面５４ａは、一方の当接面５４ａと他方の当接面５４ａとの間隔が上方に向かうに従い広くなるように形成されている。つまり、一対の治具側板５２において、当接面５４ａの上端部同士の間隔は、当接面５４ａの下端部同士の間隔よりも大きい。なお、図６においては、当接面５４ａの傾斜は誇張して示されている。

図４に示されている様に、治具側板５２の長手方向において両端部の２箇所に主桁当接部５３が配置されており、中央部の１箇所に主桁当接部５４が配置されている。治具側板５２において、端部の主桁当接部５３と中央部の主桁当接部５４との間は、当接面５３ａ及び当接面５４ａに対して凹んだ面が形成されている。従って、セグメント組立用治具１００に置かれた主桁４は、治具側板５２と当接面５３ａ及び当接面５４ａのみで当接する。

図７は、実施の形態１に係るセグメント組立用治具１００において仮組立を実施している状態を示す模式図である。図８は、図７のセグメント組立用治具１００の側面図である。図７は、図６と同じ断面を示しており、図６に万力部材６１、６２を追加した状態の図である。図４〜図６に示される白抜き矢印は、万力部材６１、６２により荷重を加える位置を示している。つまり、白抜き矢印で示された部位に万力部材６１、６２から荷重が加わるように、万力部材６１、６２が設置される。

セグメント１の仮組立工程において、万力部材６１、６２は、治具側板５２及びセグメント組立用治具１００内に設置された主桁４を跨ぐように設置される。一方の万力部材６１は、他方の万力部材６２よりも小さく、主桁４のトンネル内側寄りの部分である主桁４の上端部に当接する。大きい方の万力部材６２は、主桁４の地山側寄りの部分である主桁４の下端部に当接する。

万力部材６１の主桁側当接面６４は、主桁４のトンネル内側寄りの部分に当接している。万力部材６１のジャッキ側当接面６３は、治具側板５２の外側面に固定された油圧ジャッキ５６と当接している。また、万力部材６２の主桁側当接面６６は、主桁４の地山側寄りの部分に当接し、主桁４を当接面５４ａに押し付けるように荷重を加える。万力部材６２のジャッキ側当接面６５は、治具側板５２の外側を向いた面に固定された油圧ジャッキ５６と当接している。油圧ジャッキ５６は、図７の矢印Ｃの方向に作動し、万力部材６１、６２に対しセグメント組立用治具１００の外側に向かって荷重をかける。つまり、万力部材６１、６２は、主桁４を当接面５４ａに押し付けるように荷重を加える。なお、油圧ジャッキ５６は、治具側板５２の他方の治具側板５２に対向する面とは反対の面に固定されているが、万力部材６１、６２側に固定されていても良い。また、油圧ジャッキ５６は、セグメント組立用治具１００と万力部材６１、６２との間に荷重を加えることができれば、その他の荷重発生手段を用いても良い。

図７においては、図４のＢ−Ｂ断面における仮組立を実施している状態を示しているが、図４のＡ−Ａ断面においても同様に万力部材６１、６２を用いて主桁４を主桁当接部５３の当接面５３ａに押し付けるように荷重を加えている。この、治具側板５２に主桁４を押し付ける工程を押し付け工程と呼ぶ。押し付け工程は、仮組立工程に含まれるものである。

実施の形態１においては万力部材６１、６２は、シャコ万力を用いている万力部材６１、６２は、治具側板５２とは別体となっており、治具側板５２から着脱自在に構成されている。このように構成されることにより、万力部材６１、６２は、複数のセグメント組立用治具１００で共通して使用することができるという利点がある。ただし、主桁４をセグメント組立用治具１００に向かって押し付けることができれば、その他の手段を用いても良い。

セグメント組立用治具１００は、治具側板５２の上端部に万力位置決め部材５５が設けられている。万力部材６１、６２は、万力位置決め部材５５に合わせて配置され、組立て中のセグメント１ａの長手方向における位置が規制され、油圧ジャッキ５６とも位置が合わされる。

図４〜７にて示されている様に、主桁４は、長手方向の両端部においては表面４４が垂直になるように、長手方向の中央部においては主桁４のトンネル内側に位置する外縁４３ｂが地山側に位置する外縁４３ａよりも外側に開くようにセグメント組立用治具１００に固定される。この状態で、主桁４、継手板５、及びスキンプレート６とが互いに仮溶接される。仮溶接は、各部材の近接した部位同士の一部分をスポット溶接することにより行われる。また、セグメント１が構造としてその他の部材、例えば縦リブ９を備える場合は、それらの仮溶接を行ってもよい。

セグメント１ａは、上記の仮組立工程において、後工程である溶接工程での変形を見込んだ寸法に仮組立てされる。具体的には、一対の主桁４の中央部のトンネル内側に位置する外縁４３ｂ同士が、溶接工程において互いに近づくように変形する。仮組立工程における主桁４の中央部のトンネル内側に位置する外縁４３ｂ同士の間隔は、主桁当接部５４の形状に応じて決まる。従って、主桁当接部５４を変更することによって、主桁４の中央部のトンネル内側端部同士の間隔は、適宜調整できる。

また、仮組立工程においては、油圧ジャッキ５６によりセグメント１ａを構成する主桁４が治具側板５２に設けられた主桁当接部５３、５４に押し付けられる。このように構成されることにより、主桁４は、確実に主桁当接部５３、５４に倣って治具側板５２に固定されるため、セグメント１ａの仮組立時の寸法精度が安定する。また、主桁４の剛性が高いため、荷重発生手段は大きな荷重を発生させる必要がある。その点において油圧ジャッキ５６は、大きな荷重を簡易な構造で発生させることができ、例えばネジを用いたジャッキ機構に比べて耐久性も高い。

＜溶接工程＞
仮組立工程が終わったセグメント１ａは、溶接工程にて各部材間の溶接を行われる。各部材同士が近接する部位は、例えばロボット溶接により近接する部位の全域が溶接され、一体化される。各部材は、溶接により溶接部側に引っ張られるように反って変形する傾向がある。特に一対の主桁４は、箱形状のセグメント１の内側から溶接されるため、長手方向の中央部のトンネル内側端部が互いに近づく側に変形する。実施の形態１においては、仮組立工程にて主桁４の長手方向の中央部のトンネル内側端部の位置を調整して仮固定しているため、溶接工程において変形しても、セグメント１に求められる精度を確保することができる。

１ セグメント、１ａ セグメント、４ 主桁、５ 継手板、６ スキンプレート、９ 縦リブ、１０ 枠体、１１ 継手、１２ 継手、４１ ウェブ、４２ フランジ、４２ａ 外フランジ、４２ｂ 内フランジ、４３ 外縁、４３ａ 外縁、４３ｂ 外縁、４４ 表面、５１ 治具底板、５２ 治具側板、５３ 主桁当接部、５３ａ 当接面、５４ 主桁当接部、５４ａ 当接面、５５ 万力位置決め部材、５６ 油圧ジャッキ、６１ 万力、６２ 万力、６３ ジャッキ側当接面、６４ 主桁側当接面、６５ ジャッキ側当接面、６６ 主桁側当接面、９１ 吊り鉄筋、９２ 棒状補強材、１００ セグメント組立用治具、Ｃ 矢印。

Claims (6)

1. トンネルの覆工として用いられるセグメントの組み立て時に使用するセグメント組立用治具であって、
   セグメントを構成する部材を載置する治具底部と、
   該治具底部の上面より上方の側方に対向して配置される一対の治具側板と、を備え、
   前記治具側板は、
   他方の前記治具側板に対向する面に主桁当接部を備え、
   前記主桁当接部は、
   前記治具側板の長手方向の両端部に配置される端部主桁当接部と、
   前記端部主桁当接部の間に配置される中央部主桁当接部と、から構成され、
   前記中央部主桁当接部は、
   前記部材と当接する当接面の上端部同士の間隔が下端部同士の間隔よりも大きい、セグメント組立用治具。
2. 前記治具側板は、
   他方の前記治具側板に対向する面の反対側に位置する外側面に荷重発生手段が設置され、
   前記荷重発生手段は、
   前記部材を前記主桁当接部に押し付ける方向に荷重を発生させる、請求項１に記載のセグメント組立用治具。
3. 前記荷重発生手段及び前記セグメントと当接する万力部材を更に備え、
   前記治具側板は、
   上端部に前記万力部材の位置を規制する万力位置決め部材を備える、請求項２に記載のセグメント組立用治具。
4. トンネルの覆工として用いられるセグメントの製造方法であって、
   前記トンネルが延びる方向に垂直な断面形状に沿った円弧形状に形成された一対の主桁、該主桁の両端部に固定される継手板、及び前記主桁の円弧形状の外周側に固定されるスキンプレート、を互いに仮固定する仮組立工程と、
   前記仮組立工程の後に前記主桁、前記継手板、及び前記スキンプレートの近接する部位同士を溶接する溶接工程と、を備え、
   前記仮組立工程は、
   セグメント組立用治具の底部を形成する治具底板の上面に、少なくとも前記スキンプレート、前記主桁、及び前記継手板を載置する載置工程と、
   前記治具底板の前記上面の側方に配置された治具側板に前記主桁を押し付ける押し付け工程と、
   前記スキンプレート、前記主桁、及び前記継手板の互いに近接した箇所を部分的に溶接する仮溶接工程と、を備える、セグメントの製造方法。
5. 前記セグメント組立用治具は、
   前記主桁を前記治具側板に押し付ける側に荷重を発生する荷重発生手段を備え、
   前記押し付け工程は、
   前記荷重発生手段を作動させ、前記主桁のトンネル内側端部と地山側端部とに荷重を加え、
   前記押し付け工程中に前記仮溶接工程を行う、請求項４に記載のセグメントの製造方法。
6. 前記セグメント組立用治具は、
   前記荷重発生手段と前記主桁と当接する万力部材を備え、
   前記万力部材は、
   前記治具側板を跨いで前記主桁と前記荷重発生手段と当接し、
   前記押し付け工程は、
   前記荷重発生手段から前記万力部材に荷重を加え、前記万力部材から前記主桁に荷重を加える、請求項５に記載のセグメントの製造方法。

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