JP3330341B2 - 断層を通過するトンネル構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断層を通過するト
ンネル構造に関する。

【０００２】

【背景技術及び発明が解決しようとする課題】地中構造
物に関して、近年の大地震などを契機として、その耐震
性能、免震性能などの必要性が提言されている。

【０００３】例えば、地下下水道等の管路施設において
は、重要な幹線等について、既存、新設とも流下機能を
確保し、震災時においても処理場、ポンプ場への下水の
収集を可能とすることが要求される。

【０００４】特に、この種の管路施設が断層を通過する
際には、この断層破砕帯付近の耐震性能、免震性能など
が不可欠となる。

【０００５】この断層破砕帯付近での管路施設の耐震対
策として、下記のものが考えられる。

【０００６】（１）可とう性セグメントの採用 可とう性セグメントとは、シールドトンネルの覆工部材
であるセグメント同士を連結する継ぎ手に可とう性を持
たせたものである。

【０００７】一般に可とう性セグメントは可とう性を保
持できる相対変位は１０ｃｍ程度であり、断層破砕帯で
生じる大きな変形に追随できない。

【０００８】また、可とう性セグメントを採用する場合
には、断層破砕帯内部の全てにこの種の継ぎ手を配置す
る必要がある。例えば断層破砕帯幅を１０ｍを越える
と、継ぎ手は１０数箇所も必要となり、コストが格段に
アップしてしまう。

【０００９】（２）免震構造の採用 地下構造物に採用される免震構造とは、地下構造物の周
辺にせん断弾性係数の小さい免震層を設置し、地盤変位
を免震層で吸収して、地下構造物の変形を緩和するもの
である。

【００１０】例えばシールドトンネルに免震構造を採用
した例として、裏込め材の代わりとして免震材料をテー
ルボイドに注入する工法が開発されている。

【００１１】第３３回地盤工学研究発表会（山口）１９
９８年７月の予稿集第１９９７頁以降に記載された「断
層破砕帯を通過する導水路トンネルに適用した免震構造
の解析的検討」によれば、免震層厚は１ｍ程度必要とさ
れている。これは、通常の裏込め材層の厚さより遙かに
大きいため、シールド掘進機の大幅な改良が不可欠とな
る。さらに、大量の掘削残土が発生し、その処理が問題
となる。

【００１２】（３）大断面化による流下断面積の確保 大断面化による方法は、断層破壊時の相対変位量を想定
し、断層にずれが生じた場合においても、断面の増加分
にてその変位を吸収使用とする方法である。

【００１３】本方法を採用した場合には、拡幅断面掘削
機の採用、損傷時の止水性の確保、常時や無損傷時にお
ける流下必要圧力の増大などが懸念され実用的でない。
さらに、大量の掘削残土が発生し、その処理が問題とな
る。

【００１４】そこで、本発明の目的は、断層が破壊して
断層ずれが生ずる現象が、内陸直下型大地震と同様に構
造物の供用期間中に発生する確率が極めて低く、構造物
の損傷の期待値（損傷程度×損傷確率）が非常に低いこ
とに鑑み、可能な限り低コストとしかつフェールセーフ
のコンセプトに基づき、断層破壊時にもトンネル機能を
確保することが可能な断層を通過するトンネル構造を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトンネル構
造は、断層を横切って配置される断面リング状の覆工部
と、前記覆工部の一部の内側にて前記断層と対向する位
置に配置されるチューブ状の可とう性部材と、前記可と
う性部材の両端の定着領域を前記覆工部に定着させる定
着手段と、を有し、可とう性部材の両端の定着領域間に
変形可能な非定着領域を設けたことを特徴とする。

【００１６】本発明では、断層破壊時に、可とう性部材
の非定着領域を、断層ずれに追随させて変形させること
ができる。なお、本発明のトンネル構造は、断層が存在
しない通常の地盤領域におけるトンネル掘削断面と同一
断面形状にて耐震性能を有することができる。

【００１７】本発明では、可とう性部材が止水性を有す
ることが好ましい。こうすると、外側の覆工部が断層破
壊によって不連続となっても、外部からの浸水を可とう
性部材により防止できる。さらに、このトンネル構造が
下水道などとして利用される場合には、断層破壊後も、
止水性のある可とう性部材により流下機能を確保するこ
とができる。

【００１８】本発明では、可とう性部材が配置される部
分の覆工部は、他の領域の覆工部よりも桁高が低いこと
が好ましい。

【００１９】可とう性部材は覆工部の内側に配置される
ため、その覆工部の桁高（厚さ）を低く（薄く）するこ
とで、可とう性部材により生ずる段差を少なくできる。
従って、下水道などの流体の管路として利用される場合
に、流下断面積を縮小することが少なくなり、かつ、管
路抵抗を低減できる。

【００２０】本発明では、可とう性部材の定着領域は、
断層の領域外に配置されていることが好ましい。こうす
ると、断層の全域が可とう性部材の非定着領域に配置さ
れる。従って、断層のいずれの箇所にて断層ずれが生じ
ても、可とう性部材の非定着領域を追随変形させること
ができる。

【００２１】本発明では、定着手段は、可とう性部材の
リング径を拡大する方向に可とう性部材を押圧するもの
で構成できる。例えば、定着手段は、可とう性部材の内
側に配置される定着リング部材を含んで構成できる。こ
の場合、定着リング部材は、そのリング径を拡大する方
向に外力が付与されることで、可とう性部材を覆工部に
定着させる。あるいは、定着手段は、可とう性部材に形
成された中空通路と、中空通路内に加圧して充填された
流体と、を有して構成できる。

【００２２】本発明の定着手段は、可とう性部材の両端
の内側に配置される第１の定着部材と、可とう性部材の
両端の外側に配置される第２の定着部材と、可とう性部
材の両端を挟んだ状態にて第１，第２の定着部材を締結
する手段と、を有する構成とすることもできる。

【００２３】さらに本発明では、可とう性部材の定着領
域には軸方向に延びる補強材が配置され、あるいは可と
う性部材の非定着領域には周方向に延びる補強材が配置
されて、可とう性部材を補強することが好ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を圧力式下水道に適
用した実施の形態について、図面を参照して説明する。

【００２５】図１は地震発生前の下水道を示し、図２は
地震発生による断層破壊後の下水道を示している。各図
において、この下水道１０は破砕帯を含む断層１（以
下、断層破砕帯１と称する）を横切って通過するように
構築されている。

【００２６】この圧力式下水道１０は、例えばシールド
工法により形成され、断面がリング状の覆工部２０が、
覆工部材である多数の例えばＲＣセグメント２２により
構成されている。

【００２７】この覆工部２０の内側であって、断層破砕
帯１と対応する領域には、断層破砕帯幅Ｌ以上の長さを
有する断面リング状の可とう性部材例えばゴムチューブ
３０が配置されている。

【００２８】このゴムチューブ３０は、長期の耐久性、
耐酸性、耐アルカリ性に優れたゴム材料にて形成され、
土木、建築材料として既に採用実績のあるゴム材料が好
ましい。ゴムチューブ３０のゴム材料は伸縮性に優れた
ものが好ましく、その破断伸びは、クロロプレンゴムの
場合には３５０％程度、天然ゴムの場合には４００％程
度あると好ましい。また、ゴムチューブ３０は止水性に
も優れている。さらに、本実施例のように圧力式下水道
として用いられるトンネル構造の場合、その圧力に耐え
る耐水圧性を、ゴムチューブ３０単体にて備えている。
あるいはゴムチューブ３０は、下水道１０の周囲の土中
の地下水の水圧に耐える耐水圧性を単体にて備えてい
る。

【００２９】このゴムチューブ３０の両端は、覆工部２
０の内面に定着されている。このために、ゴムチューブ
３０の両端部の内側には、一または複数の定着リング部
材４０が配置されている。

【００３０】この定着リング部材４０は、図３に示すよ
うに、円周方向で４分割された円弧状部材４２を、例え
ばボルト４４とナット４６（図３では図示せず）とで周
方向に連結することで構成される。

【００３１】円弧状部材４２同士を連結するために、図
４に拡大して示す連結部の自由長スペース幅Ｗ１を、例
えば図示しないジャッキ等にて幅Ｗ２まで強制的に拡開
させ、この幅Ｗ２を維持できるようにナット４６をボル
ト４４に装着する。この結果、図３及び図４に示すよう
に、各円弧状部材４２にはその両端からそれぞれ矢印Ａ
方向に向けた圧縮力が付与されることになる。

【００３２】この矢印Ａ方向の圧縮力により、４つの円
弧状部材４２にて形成される定着リング部材４０から
り、図３の半径方向外側に向かう矢印Ｂ方向に沿った外
力がゴムチューブ３０に付与され、ゴムチューブ３０が
覆工部２０に定着される。

【００３３】なお、定着リング部材４０を構成する部材
が金属である場合には、その腐食対策として、例えば金
属表面をコーティングしておくことができる。

【００３４】なお、図１では図示していないが、シール
ドトンネルの内側全面には、ライニグ材が設けられ、ト
ンネル内面には滑面が確保される。このとき、ライニン
グ材とゴムチューブ３０との付着性は良好に確保され
る。

【００３５】このように、本実施の形態の圧力式下水道
は、従来のシールドトンネル施工に加えて、ゴムチュー
ブ３０の配設と定着のための工程を追加するだけで構築
することができる。

【００３６】図１及び図２において、ゴムチューブ３０
が覆工部２０に定着される両端領域を定着領域５０と称
し、２つの定着領域の間の領域を非定着領域５２と称す
る。そして、本実施の形態では、非定着領域５２の長さ
は断層破砕帯幅Ｌ以上とする。また、本実施の形態で
は、各定着領域５０の長さは、少なくともセグメント
０．５リング分の長さ以上であり、好ましくは、覆工部
２０の外径をＤとしたとき、各定着領域５０の長さはそ
れぞれ１Ｄ以上とされている。従って、ゴムチューブ３
０の長さは、断層破砕帯幅Ｌ＋２×（０．５リング分の
セグメント長）＋余裕長（例えばセグメント１リング分
の長さ）を少なくとも有する。

【００３７】このような構造を有する圧力式下水道が構
築された地盤にて地震が生じて、断層破砕帯１のいずれ
かの位置にて、図２に示すように断層破壊が生じた場合
について説明する。

【００３８】断層破砕帯１が活断層である場合には特
に、図２に示すように、断層破砕帯１中にてせん断変形
が生じて断層ずれ２が発生する。

【００３９】本実施の形態では、この断層ずれ２を含む
断層破砕帯１の領域は、ゴムチューブ３０の非定着領域
５２とされ、ゴムチューブ３０はこの非定着領域５２で
は弾性の範囲内で自由に変形する。

【００４０】従って、図２に示す断層ずれ２が生じた場
合、その断層ずれ２でのせん断変形に追随してゴムチュ
ーブ３０を変形させることができる。このため、本実施
の形態の圧力式下水道によれば、その中を流れる下水の
流下面積を確保して、下水を処理場またはポンプ場まで
流下させる機能を、断層破壊時にも確保することができ
る。

【００４１】また、ゴムチューブ３０の外側の覆工部２
０が断層ずれ２の位置にてたとえ不連続となっても、ゴ
ムチューブ３０に亀裂が生じない限り、外部からの浸水
も防止できる。

【００４２】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変
形実施が可能である。

【００４３】覆工部２０は、シールドトンネルの場合に
はセグメントで形成されるが、現場打設のコンクリート
であってもよい。また、覆工部２０をセグメントで構成
する場合にも、ＲＣセグメントに限らず、鋼製セグメン
トあるいはダクタイルセグメントなどであっても良い。
特に、ゴムチューブ３０が配設される領域だけを鋼製セ
グメントあるいはダクタイルセグメントにて構成し、そ
れ以外の通常領域をＲＣセグメントとしても良い。この
とき、通常領域であるＲＣセグメントの厚さ（桁高）
と、鋼製セグメント及びゴムチューブ等を有する定着領
域５０及び非定着領域５２での桁高とをほぼ等しくする
と、管路内面の凹凸が少なくなり、管路抵抗を低減でき
る。ダクタイルセグメントを用い覆工部の桁高を低くし
ても、同様に管路抵抗を低減することができる。これら
の場合、ＲＣセグメントよりも部材厚の薄い鋼製セグメ
ントまたはダクタイルセグメントは、ＲＣセグメントと
同等以上の剛性などの仕様特性を有することは言うまで
もない。このために、図５に示す鋼製セグメント１００
の凹部１０４であって、ゴムチューブ３０の凸部３２が
配置されない部分の全部または一部に、コンクリートが
予め充填されていても良い。

【００４４】ここで、ＲＣセグメントは内表面が曲面で
比較的滑らかであるのに対して、図５に示す鋼製セグメ
ント１００は、縦リブ１０２間などに凹部１０４を有す
る構造となっている。

【００４５】この凹部１０４を利用して、ゴムチューブ
３０と鋼製セグメント１００との定着力をより高めた構
造を図６に示す。図６に示すように、ゴムチューブ３０
は、鋼製セグメント１００の凹部１０４内に配置される
凸部３２を有する。こうすると、ゴムチューブ３０と鋼
製セグメント１００との係合力が高まり、ゴムチューブ
３０をより確実に鋼製セグメント１００に定着できる。

【００４６】図７は、図１に示す定着リング部材４０に
代えて、凸部３２を膨張させて定着力を発生させる変形
例を示している。

【００４７】図７において、各凸部３２内には、それぞ
れ連通された流体通路３４が形成されている。ゴムチュ
ーブ３０を鋼製セグメント１００内に配置した後、通路
３４内にエアなどの流体を加圧して密封する。こうする
と、凸部３２が半径方向外側に向けて膨張するので、そ
れが矢印Ｂ方向の外力を生じさせ、ゴムチューブ３０を
鋼製セグメント１００に対して定着させる力となる。

【００４８】この構造によれば、ゴムチューブ３０の内
側にて突出する定着リング部材４０などは不要となるの
で、管路抵抗はさらに低減する。

【００４９】また、本発明に用いられる可とう性部材は
ゴムチューブ３０に限らず、ウレタンなどの他の部材を
用いることができる。

【００５０】可とう性部材を覆工部に確実に定着させる
ために、定着領域５０では可とう性部材及び／又は覆工
部を例えば粗面にするなどの表面加工して、その摩擦力
を高めることもできる。

【００５１】逆に、非定着領域５２では、可とう性部材
及び覆工部の間に滑材を封入するか潤滑剤を注入等し
て、その摩擦力を低減しておくことが好ましい。

【００５２】さらに、可とう性部材例えばゴムチューブ
３０を、図８に示すようにして鋼材等の補強材により補
強しても良い。図８では、定着領域５０には軸方向に沿
って複数本の棒状の補強材１１０で補強されて、定着領
域５０でのゴムチューブ３０の耐久性が高められてい
る。また、非定着領域５２では複数のリング状の補強材
１１２で補強されている。これにより、非定着領域５２
では、せん断変形の自由度が確保されながら、ゴムチュ
ーブ３０の耐久性が高められている。

【００５３】次に、本発明のさらに他の実施の形態につ
いて、図９及び図１０を参照して説明する。

【００５４】図９は、鋼製セグメント１００を用いたシ
ールドトンネルを示し、図示しない断層破砕帯と対応す
る領域に、補強材例えば補強繊維１１４にて補強された
ゴムチューブ３０が配置されている。ゴムチューブ３０
が配置されない領域はＲＣセグメント２２にてトンネル
が形成されている。なお、この鋼製セグメント１００の
一部は、上述した通りコンクリートが充填されたもので
あってもよい。

【００５５】ゴムチューブ３０の非定着領域５２には、
鋼製セグメント１００の内側にて所定間隔毎に支持リン
グ１３０が配置されている。

【００５６】ゴムチューブ３０の定着領域５０には、定
着リング１４０が配置されている。この定着リング１４
０にてゴムチューブ３０を定着している図９のＡ領域
を、図１０に拡大して示す。

【００５７】図１０に示すように、鋼製セグメント１０
０の外縁にはスキンプレート１２０が配置されて、鋼製
セグメント１００の内側にゴムチューブ３０が配置され
ている。ゴムチューブ３０の端部には厚肉部３０Ａが形
成され、この厚肉部３０Ａには孔３０Ｂが設けられてい
る。厚肉部３０Ａの段差部は、鋼製セグメント１００の
縦方向に延びる鋼板（継ぎ手板または縦リブなど）１０
０Ａと当接している。

【００５８】このゴムチューブ３０の厚肉部３０Ａは、
内側の定着リング１３０と外側の定着位置１５０との間
に挟まれている。定着リング１４０より突出するスタッ
ドボルと１４２は、ゴムチューブ３０の厚肉部３０Ａに
形成された孔３０Ｂに挿通され、定着板１５０の図示し
ない孔より突出する端部がナット１４４に螺合されてい
る。これにより、ゴムチューブ３０は定着リング１４０
と定着板１５０との間に挟持される。

【００５９】なお、図９では図示していないが、上述し
た実施の形態と同様に、シールドトンネルの内側全面に
は、ライニング材が設けられ、トンネル内面には滑面が
確保される。

【００６０】ここで、一例として、ＲＣセグメント２２
の桁高は１５０mmであるのに対して、鋼製セグメント１
００はそのスキンプレート２０の厚さを２．７mmとし、
主桁の桁高を１１０mmとすると、そのトータル桁高は１
１２．７mmとなり、ＲＣセグメント２２の桁高より低く
できる。また、ゴムチューブ３０の厚さは例えば１５mm
であり、定着リング１４０の厚さは例えば２２mmである
ので、鋼製セグメント１００、ゴムチューブ３０及び定
着リング１４０のトータル厚さは１４９．７mmとなり、
ＲＣセグメント２２の桁高１５０mmとほぼ等しくなる。

【００６１】このような構造によれば、ＲＣセグメント
２２の厚さ（桁高）と、鋼製セグメント１００、定着リ
ング１４０及びゴムチューブ３０のトータル厚さとをほ
ぼ等しくできるので、管路内面の凹凸が少なくなり、管
路抵抗を低減できる。また、定着リング１４０の固定
は、鋼製セグメン１００の凹部の空間を利用してボルト
１４２，ナット１４４などの締結手段によって実現でき
るので、定着リング１４０の内側に突出する部材を不要
とし、これによっても管路抵抗を低減できる。

【００６２】また、鋼製セグメント１００が断層破壊時
にてたとえ不連続となっても、支持リング１２０及び補
強繊維１１４がゴムチューブ３０を保護する機能を有す
るため、大きな支障が無い限りメインテナンスすること
は必ずしも要しない。

【００６３】なお、本発明のトンネル構造は圧力式下水
道に限らず、断層破砕帯を横切る他の種々のトンネル構
造に適用できることは言うまでもなく、流体の管路とし
て用いられるものに限定されるものでもない。

【００６４】また、図９及び図１０に示す定着リング１
４０に代えて、周方向で分割された複数の定着板を用い
ても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る圧力式下水道の一部
切欠した概略説明図である。

【図２】図１の構造物の断層破壊時の状態を示す概略説
明図である。

【図３】図１の構造物の定着領域の断面図である。

【図４】図３に示す定着リング部材の連結部の拡大図で
ある。

【図５】図１のＲＣセグメントに代用される鋼製セグメ
ントの概略斜視図である。

【図６】図５の鋼製セグメントに適合する可とう性部材
の部分断面図である。

【図７】定着手段を内在した可とう性部材の断面図であ
る。

【図８】補強材にて補強された可とう性部材の概略斜視
図である。

【図９】一部に鋼製セグメントを用いたシールドトンネ
ルの他の実施の形態を示す断面図である。

【図１０】図９の図示Ａ部分の拡大図である。

【符号の説明】

１ 断層破砕帯（断層） ２ 断層ずれ １０ 圧力式下水道 ２０ 覆工部 ２２ ＲＣセグメント ３０ ゴムチューブ（可とう性部材） ３２ 凸部 ３４ 流体通路 ４０ 定着リング部材 ４２ 円弧状部材 ４４ ボルト ４６ ナット ５０ 定着領域 ５２ 非定着領域 １００ 鋼製セグメント １０２ 縦リブ １０４ 凹部 １１０，１１２ 補強材 １２０ スキンプレート １３０ 支持リング １４０ 定着リング １４２ スタッドボルト １４４ ナット １５０ 定着板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−133731（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−327693（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−88981（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−120530（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 11/04

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断層を横切って配置される断面リング状
   の覆工部と、 前記覆工部の一部の内側にて前記断層と対向する位置に
   配置されるチューブ状の可とう性部材と、 前記可とう性部材の両端の定着領域を前記覆工部に定着
   させる定着手段と、 を有し、 前記可とう性部材の前記定着領域間に変形可能な非定着
   領域を設けたことを特徴とするトンネル構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記可とう性部材の定着領域は、前記断層の領域外に配
   置されていることを特徴とするトンネル構造。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、 前記可とう性部材は、止水性を有する材料にて形成され
   ていることを特徴とするトンネル構造。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかにおいて、 前記可とう性部材が配置される部分の覆工部は、他の領
   域の覆工部よりも桁高が低いことを特徴とするトンネル
   構造。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかにおいて、 前記定着手段は、前記可とう性部材のリング径を拡大す
   る方向に前記可とう性部材を押圧することを特徴とする
   トンネル構造。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記定着手段は、前記可とう性部材の内側に配置される
   定着リング部材を含み、 前記定着リング部材は、そのリング径を拡大する方向に
   外力が付与されることで、前記可とう性部材を前記覆工
   部に定着させることを特徴とするトンネル構造。
7. 【請求項７】 請求項５において、 前記定着手段は、 前記可とう性部材に形成された中空通路と、 前記中空通路内に加圧して充填された流体と、 を有することを特徴とするトンネル構造。
8. 【請求項８】 請求項１乃至４のいずれかにおいて、 前記定着手段は、 前記可とう性部材の両端の内側に配置される第１の定着
   部材と、 前記可とう性部材の両端の外側に配置される第２の定着
   部材と、 前記可とう性部材の両端を挟んだ状態にて前記第１，第
   ２の定着部材を締結する手段と、 を有することを特徴とするトンネル構造。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれかにおいて、 前記可とう性部材の定着領域には、軸方向に延びる補強
   材が配置されていることを特徴とするトンネル構造。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかにおいて、 前記可とう性部材の非定着領域には、周方向に延びる補
    強材が配置されていることを特徴とするトンネル構造。