JP2022114464A - 地山補強鋼管 - Google Patents

Abstract

【課題】地山補強鋼管における鋼管本体と継手管部とを接合するための溶接材料が鋼管の内周側へ溶出されるのを防止して、ビットの挿通容易性を確保するとともに溶接部の強度向上を図る。【解決手段】地山補強鋼管１０の鋼管本体１１の端部に継手管部２０，３０を設ける。継手管部２０には、一列に隣接する鋼管とネジ結合されるネジ部２４と、鋼管本体１１の管軸に対して直交する端面１１ａと対向して溶接される被溶接端部２３とを設ける。環状凸部２６を、被溶接端部２３の内周側部分から鋼管本体１１へ向けて突出させ、鋼管本体１１の端部の内周面に沿わせる。鋼管本体１１の端部と環状凸部２６との互いに重なっている部分の合計厚さは、鋼管本体１１の前記環状凸部２６と重なっていない部分の厚さより大きい。【選択図】図４

Description

本発明は、例えばＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法によるトンネル施工の際の補助工法として地山に打ち込まれる地山補強鋼管に関し、特に、ネジ接合によって順次継ぎ足されて長尺化される先受け鋼管、鏡ボルトなどに適した地山補強鋼管に関する。

例えばトンネル補助工法の１つであるＡＧＦ（All Ground Fasten）工法においては、長さ３ｍ程度の鋼管を４本程度、順次継ぎ足しながら、切羽前方の地山に打ち込み、地山を先受け補強する。先行して打ち込んだ鋼管と後続の鋼管とをネジ接合することで一直線に継ぎ足す。通常、この種の地山補強用の鋼管は、一体物の単体管である。管軸に沿って一列に隣接する２つの鋼管のうち一方の対向端部には雄ネジが形成され、他方の対向端部には雌ネジが形成されている。

特許文献１における地山補強鋼管は、ネジ部を有する継手管部が、鋼管本体とは別途に作製され、溶接にて鋼管本体の端部に接合されて一体化されている。

特開２０２０－０６６９０８号公報

前掲特許文献１の地山補強鋼管においては、継手管部と鋼管本体とを外周側から溶接する際に、溶接材料を増量して、溶接部を外周側へ肉盛りすることで、継手管部と鋼管本体との接合部が最脆弱部となるのを防止できる。一方、増量された溶接材料が、鋼管の内周側へ溶出してバリとなるおそれがある。この種の鋼管内には、地山への打ち込み用のビットが通されるところ、前記バリのような不規則な内周突起が有ると、ビットがそれに引っ掛かりやすく、ビットの挿通に支障を来してしまう。
本発明は、かかる事情に鑑み、地山補強鋼管における鋼管本体と継手管部とを接合するための溶接材料が鋼管の内周側へ溶出されるのを防止して、ビットの挿通容易性を確保することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、トンネル周辺の地山に打ち込まれる地山補強鋼管であって、
鋼管本体と、前記鋼管本体の端部に設けられた継手管部と、を備え、前記継手管部が、
前記鋼管本体とは反対側を向くネジ結合端部の周面に設けられ、一列に隣接する鋼管とネジ結合されるネジ部と、
前記鋼管本体の端面と対向して溶接される被溶接端部と、
前記被溶接端部の内周側部分から前記鋼管本体へ向けて突出されて前記鋼管本体の内周面に沿う環状凸部と、
を有していることを特徴とする。
また、本発明は、トンネル周辺の地山に打ち込まれる地山補強鋼管における鋼管本体の端部に設けられた継手管部であって、
前記鋼管本体とは反対側を向くネジ結合端部の周面に設けられ、一列に隣接する鋼管とネジ結合されるネジ部と、
前記鋼管本体の端面と対向して溶接される被溶接端部と、
前記被溶接端部の内周側部分から前記鋼管本体へ向けて突出されて前記鋼管本体の内周面に沿う環状凸部と、
を備えたことを特徴とする。
好ましくは、本発明に係る地山補強鋼管は、
鋼管本体と、前記鋼管本体の端部に設けられた継手管部と、を備え、前記継手管部が、
前記鋼管本体とは反対側を向くネジ結合端部の周面に設けられ、一列に隣接する鋼管とネジ結合されるネジ部と、
前記鋼管本体の前記端部における管軸に対して直交する端面と対向して溶接される被溶接端部と、
前記被溶接端部の内周側部分から前記鋼管本体へ向けて突出されて前記鋼管本体の内周面に沿う環状凸部と、
を有し、前記鋼管本体の前記端部と前記環状凸部との互いに重なっている部分の合計厚さが、前記鋼管本体の前記環状凸部と重なっていない部分の厚さより大きい。
これによって、地山補強鋼管における鋼管本体と継手管部とを接合する溶接材料を増やしても、環状の凸部によって、地山補強鋼管の内周側に溶接材料が溶出されるのを防止できる。したがって、地山補強鋼管の内周面にバリのような不規則な内周突起が形成されるのを防止でき、ビットの挿通に支障を来すのを回避できる。

前記環状凸部の内周面が、前記環状凸部の突出端へ向かって拡径されたテーパ面であることが好ましい。前記合計厚さが前記突出端の側へ向けて小さくなっていることが好ましい。これによって、ビットが地山補強鋼管に対して偏芯していた場合、前記テーパ面によってビットの偏芯を矯正でき、ビットを一層挿通しやすくすることができる。

前記被溶接端部が、前記継手管部の外周面へ向かって前記反対側へ傾斜するテーパ状のカット面を含むことが好ましい。前記端面と前記カット面とによって溶接材収容凹部が形成され、前記溶接材収容凹部に充填された溶接材料が、前記鋼管本体の外周面よりも管径方向外側へ盛り上がっていることが好ましい。
これによって、鋼管本体の端面と前記カット面とによって溶接材料の溶接材収容凹部を形成でき、溶接材料を確実に肉盛りできる。この結果、鋼管本体と継手管部との接合強度を高めることができる。

前記地山補強鋼管の継手管部が、高張力鋼によって構成されていることが好ましい。これによって、ネジ部の強度が高まり、鋼管どうしのネジ接合強度が高まる。
前記地山補強鋼管の継手管部が、焼き入れ鋼によって構成されていてもよい。これによって、表面硬度が硬くなり、ネジ部の強度が高まる。ひいては、鋼管どうしのネジ接合強度が高まる。
前記鋼管本体は、高張力鋼でもよく、普通鋼でもよい。
前記鋼管本体又は前記継手管部が、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２以上又は耐力６００Ｎ／ｍｍ^２以上の高張力鋼によって構成されていることが好ましい。

本発明によれば、地山補強鋼管における鋼管本体と継手管部とを接合するための溶接材料が鋼管の内周側へ溶出されるのを防止でき、鋼管の内周面にバリが形成されるのを防止できる。したがって、ビットなどの挿通容易性を確保できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る地山補強鋼管からなる先受け鋼管を地山に打設する様子を示す、施工中のトンネルの断面図である。 図２（ａ）は、前記地山補強鋼管の分解正面図である。図２（ｂ）は、図１の円部ＩＩｂにおける先受け鋼管の断面図である。 図３は、図２（ａ）の円部ＩＩＩの拡大断面図である。 図４は、図２（ｂ）の円部ＩＶの拡大断面図である。 図５は、図２（ａ）の円部Ｖの拡大断面図である。 図６は、図２（ｂ）の円部ＶＩの拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、ＮＡＴＭ工法によって施工中のトンネル１を示したものである。地山２が掘削されてトンネル１が構築されている。トンネル１の構築に際して、地山補強のための補助工法として例えばＡＧＦ工法が実施されている。ＡＧＦ工法においては、ドリルジャンボ５を用いて、複数本の地山補強鋼管１０を順次継ぎ足しながら、切羽１ｂの前方（図１において右）の地山２に斜めに打ち込み、長尺の先受け鋼管９を形成する。管軸に沿って一列に隣接する地山補強鋼管１０どうしがネジ接合によって一直線に連なっている。

図２（ａ）に示すように、各地山補強鋼管１０は、鋼管本体１１と、継手管部２０，３０を有している。鋼管本体１１は真っ直ぐに延びる直管であり、地山補強鋼管１０の略全長域を占めている。

鋼管本体１１の材質は、高張力鋼であるが、これに限らず、一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００等の普通鋼であってもよい。鋼管本体１１を高張力鋼によって構成すれば、鋼管本体１１の管厚を小さくでき、鋼管本体１１を軽量化できる。

図２（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、鋼管本体１１の一端部（図２（ａ）において右端部）には、雄側継手管部２０が設けられている。鋼管本体１１の他端部（図２（ａ）において左端部）には、雌側継手管部３０が設けられている。継手管部２０，３０の管長は、鋼管本体１１の管長に比べて十分に短い。なお、図１に示すように、先受け鋼管９の最先端の鋼管１０Ｅにおいては、後端部（図１において左下端部）だけに継手管部２０又は３０が設けられていればよい。最後尾の鋼管１０Ｂにおいては、先端部（図１において右上端部）だけに継手管部３０又は２０が設けられていればよい。

図２（ａ）に示すように、継手管部２０は、継手本体部２１と、ネジ結合端部２２と、被溶接端部２３を有している。図２（ｂ）に示すように、継手本体部２１は、略一定の管厚の短管状になっている。継手本体部２１の管厚は、鋼管本体１１の管厚より大きい。図３に示すように、継手本体部２１の外径は、鋼管本体１１の外径と等しく、継手本体部２１の外周面が鋼管本体１１の外周面と面一になっている。継手本体部２１の内径は、鋼管本体１１の内径より小さく、継手本体部２１の内周面が鋼管本体１１の内周面より管径方向内側に突出されている。

図２及び同図（ｂ）に示すように、継手管部２０における鋼管本体１１とは反対側（図２（ａ）において右側）の端部は、ネジ結合端部２２を構成している。ネジ結合端部２２の外径は、継手本体部２１の外径より小径になっており、継手本体部２１の外周面とネジ結合端部２２の外周面との間に段差が形成されている。ネジ結合端部２２の外周面（周面）に、雄ネジ部２４（ネジ部）が形成されている。ネジ結合端部２２の内周面は、継手本体部２１の内周面と面一に連続している。
図２（ｂ）に示すように、雄ネジ部２４は、先受け鋼管９における隣接する他の鋼管１０の継手管部３０の後記雌ネジ部３４とネジ結合されている。

図２（ａ）に示すように、継手管部２０における鋼管本体１１側（同図において左側）を向く端部は、被溶接端部２３を構成している。図３に示すように、被溶接端部２３は、環状凸部２６と、カット面２３ｃと、これら環状凸部２６とカット面２３ｃとの間の段差面２３ｄとを含む。

図３に示すように、環状凸部２６は、継手本体部２１と同心の環状をなし、継手本体部２１の内周側部分から鋼管本体１１へ向けて突出されている。被溶接端部２３からの環状凸部２６の突出量Ｌ_２６は、好ましくはＬ_２６＝数ｍｍ～１０ｍｍ程度、より好ましくはＬ_２６＝５ｍｍ程度である。図４に示すように、環状凸部２６は、鋼管本体１１の内周面に沿うようにして鋼管本体１１の端部に挿し入れられている。環状凸部２６の外周面は、鋼管本体１１の内径よりも僅かに小径の円筒面になっている。鋼管本体１１の内周面と環状凸部２６の外周面との間には僅かなギャップ１５ａが形成されている。ギャップ１５ａの大きさｇ_１５ａは、好ましくはｇ_１５ａ＝０ｍｍ～１ｍｍ、より好ましくはｇ_１５ａ＝０．１ｍｍ程度である。

図３に示すように、環状凸部２６の内周面は、環状凸部２６の突出端へ向かって拡径されたテーパ面２７となっている。管軸（図３において左右方向）に対するテーパ面２７の角度θ_２７は、好ましくはθ_２７＝１°～１０°、より好ましくはθ_２７＝５°程度である。テーパ面２７は、継手管部２０の内周面上の交差部２０ｄにおいて、継手本体部２１のストレートな円筒面をなす内周面と交差している。

カット面２３ｃは、段差面２３ｄから管径方向外側（図３において上側）へ向かって鋼管本体１１とは反対側（図３において右側）へ傾斜するテーパ状をなして、継手管部２０の外周面に達している。管径方向（図３において上下方向）に対するカット面２３ｃの角度θ_２３ｃは、好ましくはθ_２３ｃ＝１０°～５０°、より好ましくはθ_２３ｃ＝３０°程度である。カット面２３ｃと継手管部２０の外周面との交差部２０ｂは、継手本体部２１の内周面とテーパ面２７との交差部２０ｄよりも鋼管本体１１側（図３において左側）に配置されている。
なお、交差部２０ｂが、交差部２０ｄと管軸方向の同一位置に配置されていてもよく、交差部２０ｄよりもネジ結合端部２２側に配置されていてもよい。

図３に示すように、環状凸部２６の外周面とカット面２３ｃとの間に環状の段差面２３ｄが形成されている。段差面２３ｄの高さｈ_２３ｄ（内外径差）は、好ましくはｈ_２３ｄ＝０．数ｍｍ～１．数ｍｍ、より好ましくはｈ_２３ｄ＝１ｍｍ程度である。
なお、段差面２３ｄが無く、カット面２３ｃの内周縁が環状凸部２６に直接達していてもよい。

図４に示すように、被溶接端部２３の段差面２３ｄ又はカット面２３ｃに、鋼管本体１１の一端部における端面１１ａが突き当てられている。端面１１ａは管軸に対して直交されており、該端面１１ａとカット面２３ｃとによって、溶接材収容凹部１２が形成されている。溶接材収容凹部１２は、鋼管１０の全周にわたる環状かつ断面三角形状をなし、径方向外側（図４において上側）へ向かって拡開されながら鋼管１０の外周面に開口されている。

溶接材収容凹部１２の全域にわたって溶接材料４２が充填されている。溶接材料４２は、好ましくは継手管部２０ないしは鋼管本体１１と同等の引張強度を有している。溶接材料４２によって、鋼管本体１１と継手管部２０とが溶接されて接合一体化されている。溶接材料４２は、鋼管１０の外周面よりも管径方向外側へ盛り上がっている。溶接材料４２の一部は、鋼管本体１１と環状凸部２６の間のギャップ１５ａに入り込んでいる。

図２（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、雌側継手管部３０は、ネジ結合端部３２のネジ部が雌ネジ部３４である点を除き、雄側継手管部２０と同等の構成になっている。雌側継手管部３０における雄側継手管部２０と対応する構成要素には、雄側継手管部２０の２０番台の符号を３０番台の対応する符号にして表記し、説明を簡略化する。

図２（ａ）に示すように、継手管部３０は、短管状の継手本体部３１と、ネジ結合端部３２と、被溶接端部３３を有している。継手管部３０における鋼管本体１１とは反対側（図２（ａ）において左側））の端部は、ネジ結合端部３２を構成している。図２（ｂ）に示すように、ネジ結合端部３２の内周面（周面）に、雌ネジ部３４（ネジ部）が形成されている。ネジ結合端部３２の外周面は、継手本体部３１の外周面と面一に連続している。
雌ネジ部３４は、先受け鋼管９における隣接する他の鋼管１０の継手管部３０の雄ネジ部２４とネジ結合されている。

図２（ａ）に示すように、継手管部３０における鋼管本体１１側（図４において右側）を向く端部は、被溶接端部３３を構成している。図５に示すように、被溶接端部３３は、環状凸部３６と、カット面３３ｃと、これら環状凸部３６とカット面３３ｃとの間の段差面３３ｄとを含む。

図６に示すように、環状凸部３６は、継手本体部３１の内周側部分から鋼管本体１１へ向けて突出されて、鋼管本体１１の内周面に沿うようにして鋼管本体１１の端部に挿し入れられている。鋼管本体１１の内周面と環状凸部３６の外周面との間には僅かなギャップ１５ｂが形成されている。環状凸部３６の内周面は、環状凸部３６の突出端へ向かって拡径されたテーパ面３７となっている。テーパ面３７は、継手管部３０の内周面上の交差部３０ｄにおいて、継手本体部３１のストレートな円筒面をなす内周面と交差している。

図５に示すように、カット面３３ｃは、段差面３３ｄから管径方向外側（図５において上側）へ向かって鋼管本体１１とは反対側（図５において左側）へ傾斜するテーパ状をなして、継手管部３０の外周面に達している。環状凸部３６の外周面とカット面３３ｃとの間に環状の段差面３３ｄが形成されている。

図６に示すように、被溶接端部３３の段差面３３ｄ又はカット面３３ｃに、鋼管本体１１の他端部における端面１１ｂが突き当てられている。端面１１ｂは管軸に対して直交されており、該端面１１ｂとカット面３３ｃとによって、溶接材収容凹部１３が形成されている。溶接材収容凹部１３は、鋼管１０の全周にわたる環状かつ断面三角形状をなし、径方向外側（図６において上側）へ向かって拡開されながら鋼管１０の外周面に開口されている。

図６に示すように、溶接材料４３が、溶接材収容凹部１３の全域にわたって充填されている。溶接材料４３の材質は、好ましくは前記溶接材料４２（図４）と同じである。溶接材料４３によって、鋼管本体１１と継手管部３０とが溶接されて接合一体化されている。溶接材料４３は、鋼管１０の外周面よりも管径方向外側へ盛り上がっている。溶接材料４３の一部は、鋼管本体１１と環状凸部３６の間のギャップ１５ｂに入り込んでいる。

継手管部２０，３０の材質は、一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００等の普通鋼であってもよく、それよりも高引張強度を有する高張力鋼によって構成されていてもよい。高張力鋼は、好ましくは引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２以上又は耐力６００Ｎ／ｍｍ^２以上である。鋼材に含まれるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓその他成分の配合比を調整することによって、前記引張強度及び耐力を得ることができる。継手管部２０，３０として、例えば特開２００２－００３９４１に開示された鋼管を用いてもよい。継手管部２０，３０を高張力鋼によって構成することによって、ネジ部２４，３４の強度が高まる。これによって、先受け鋼管９における隣接する鋼管１０どうしのネジ接合強度を高めることができる。

継手管部２０，３０が、普通鋼を焼き入れしてなる焼き入れ鋼によって構成されていてもよい。これによって、継手管部２０，３０の表面硬度が硬くなり、ネジ部２４，３４の強度が高まる。ひいては、先受け鋼管９における隣接する鋼管１０どうしのネジ接合強度を高めることができる。

地山補強鋼管１０の製作時においては、継手管部２０，３０と鋼管本体１１とを外周側から溶接する際に、溶接材料４２，４３を溶接材収容凹部１２，１３に充填し、更に溶接材料４２，４３を増量して外周側へ肉盛りされるようにすることで、継手管部２０，３０と鋼管本体１１との溶接部が最脆弱部となるのを防止できる。溶接材収容凹部１２，１３に溶接材料４２，４３を充填することによって、溶接材料４２，４３を確実に肉盛りすることができる。この結果、鋼管本体１１と継手管部２０，３０とを確実に溶接でき、さらには鋼管本体１１と継手管部２０，３０との接合強度を高めることができる。したがって、たとえば運搬時の振動で継手管部２０，３０が鋼管本体１１から取れてしまうようなトラブルが発生するのを確実に防止できる。

一方、図４及び図６に示すように、増量された溶接材料４２，４３の一部４２ｂ，４３ｂが、鋼管１０の内周側（図４、図６において下側）へ流れたとしても、狭隘なギャップ１５ａ，１５ｂに入り込むとともに、環状凸部２６，３６によって堰き止められる。これによって、溶接材料４２，４３が鋼管１０の内周面へ溶出するのが阻止される。したがって、鋼管１０の内周面にバリのような不規則な内周突起が形成されるのを防止できる。
これによって、トンネル１の施工において、先受け鋼管９を地山２に打設するためにビット（図示省略）を先受け鋼管９の内部に挿通する際、ビットが、前記バリ等の不規則な内周突起に引っ掛かるのを回避できる。したがって、ビットを先受け鋼管９に円滑に挿通することができる。
また、ビットが先受け鋼管９に対して偏芯していた場合、テーパ面２７，３７によってビットの偏芯を矯正でき、ビットを一層出し入れし易くなる。

本発明は、前記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において種々の改変をなすことができる。
例えば、地山補強鋼管１０は、ＡＧＦ工法などの先受け鋼管用に限らず、鏡ボルト用であってもよい。

本発明は、例えばＮＡＴＭトンネル施工の際の地山を安定化させるための先受け工法などに適用できる。

１ トンネル
２ 地山
９ 先受け鋼管
１０（１０Ｅ，１０Ｂ） 地山補強鋼管
１１ 鋼管本体
１１ａ 鋼管本体の一端部の端面
１１ｂ 鋼管本体の他端部の端面
１２，１３ 溶接材収容凹部
１５ａ，１５ｂ ギャップ
２０ 雄側の継手管部
２１ 継手本体部
２２ ネジ結合端部
２３ 被溶接端部
２３ｃ カット面
２３ｄ 段差面
２４ 雄ネジ部（ネジ部）
２６ 環状凸部
２７ テーパ面
３０ 雌側の継手管部
３１ 継手本体部
３２ ネジ結合端部
３３ 被溶接端部
３３ｃ カット面
３３ｄ 段差面
３４ 雌ネジ部（ネジ部）
３６ 環状凸部
３７ テーパ面
４２，４３ 溶接材料

Claims (4)

1. トンネル周辺の地山に打ち込まれる地山補強鋼管であって、
   鋼管本体と、前記鋼管本体の端部に設けられた継手管部と、を備え、前記継手管部が、
   前記鋼管本体とは反対側を向くネジ結合端部の周面に設けられ、一列に隣接する鋼管とネジ結合されるネジ部と、
   前記鋼管本体の前記端部における管軸に対して直交する端面と対向して溶接される被溶接端部と、
   前記被溶接端部の内周側部分から前記鋼管本体へ向けて突出されて前記鋼管本体の内周面に沿う環状凸部と、
   を有し、前記鋼管本体の前記端部と前記環状凸部との互いに重なっている部分の合計厚さが、前記鋼管本体の前記環状凸部と重なっていない部分の厚さより大きいことを特徴とする地山補強鋼管。
2. 前記環状凸部の内周面が、前記環状凸部の突出端へ向かって拡径されたテーパ面であり、前記合計厚さが前記突出端の側へ向けて小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の地山補強鋼管。
3. 前記被溶接端部が、前記継手管部の外周面へ向かって前記反対側へ傾斜するテーパ状のカット面を含み、前記端面と前記カット面とによって溶接材収容凹部が形成され、前記溶接材収容凹部に充填された溶接材料が、前記鋼管本体の外周面よりも管径方向外側へ盛り上がっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の地山補強鋼管。
4. 前記鋼管本体又は前記継手管部が、引張強度６５０Ｎ／ｍｍ^２以上又は耐力６００Ｎ／ｍｍ^２以上の高張力鋼によって構成されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の地山補強鋼管。

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