JP3789444B2 - セグメント及びセグメントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄筋コンクリートを基材とするトンネルライナー用セグメントと該セグメントの製造方法に関するものである。

シールド工法は、都市部において地上交通や既設建物への影響を最小限にしてトンネルを構築できる施工方法であり、近年、その需要は益々拡大している。特に、「大深度地下の公共的使用に関する特別措置法（大深度法）」に関する法律制定以降、大口径且つ大深度のシールドトンネルの建設市場での更なる拡大が予想される。

大深度における大口径シールドセグメントの設計荷重の特徴を以下に示す。
（１）セグメントの横断面方向（トンネル軸に垂直に切断した断面）においては、圧縮力と曲げモーメントが断面力として作用するが、深度が深くなるにしたがって圧縮力が卓越してくる。
（２）トンネルの軸方向には圧縮力、特にシールド掘進機のジャッキ推進力による圧縮力が卓越する。
（３）大口径セグメントは、部材厚さが大きくなって自重が増大する傾向にあり、それに伴ってセグメントの横断面方向の曲げモーメントが大きくなるため、セグメントの部材厚さを更に大きくする必要が生じてくる。そのため、セグメントを組み立てる際に自重の増大による断面の上半中央部が潰れるような変形を生じ、精度のよいセグメントの組み立てが困難となり得る。

従来の鉄筋コンクリート製セグメントは、圧縮強度がせいぜい５０Ｎ／ｍｍ^２程度のコンクリートを用いて、セグメントの厚さがシールドトンネル外径の４〜６％程度の形状のものを、セグメントの凸面を上にしてセグメントを水平に置く、いわゆる平打設により製造していた。材料として使用するコンクリートは、水セメント比を小さくするために２〜３ｃｍの低スランプの材料であり、コンクリートの締め固め方法として強力なテーブルバイブレーターを使用するため、型枠の剛性を高めてバイブレーターの作用効率を高める必要から型枠の製作費用が高価となっていた。

部材厚を薄くしたセグメントの製造に際しては、設計荷重に抵抗するために圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ^２程度の高強度コンクリートを用いることができる。
ところで、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ^２程度のコンクリートは、従来の圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ^２程度のコンクリートの配合を改良してセメント量を増大しただけでは使用できず、高流動性を備えたコンクリートとなるような配合をおこなう必要がある。すなわち、水セメント比を低くして、高性能減水材を添加し、スランプフローで５０ｃｍ以上の流動性を確保するのが好ましい。かかるコンクリートは、凝結時間が１０時間以上と長く、一般的にコンクリート表面のコテ均しができない。したがって、従来のようにセグメントの凸面を上にして平打設し、上面をコテ均しして仕上げるようなセグメントの製造方法を使用することは難しい。

従来のセグメントには、鉄筋コンクリート製セグメントのほかに鋳鉄製セグメントや鋼材とコンクリートの複合構造のセグメントなどがある。かかるセグメントは、地下水による錆びを防止するために防錆塗装をする必要がある。また、セグメントの部位によっては防錆を維持することができないため、設計段階から腐食しろを考慮した鋼製断面のセグメントを使用するなどしている。

また、セグメントの設置に際しては、隣接するセグメント同士の止水性の確保も重要な問題となる。特許文献１には、セグメントａが隣接するセグメントａと接触する面に、水膨潤性の高い材料で構成した帯状シールを止水用シールｂとして貼り付け、止水用シールｂの両側に平行に非膨潤性のシールを防護用シールｃとして貼り付けて構成したセグメントａが開示されている（図７参照）。
特開平７−２７９５９３号公報

前記した従来のセグメント及びセグメントの製造方法にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞シールドトンネルが大口径で且つ大深度に設置される場合、セグメントの厚さが大きくなり、セグメントの自重が増大する。セグメントの自重が増大すると、横断面方向でセグメント自重による曲げモーメントが大きくなり、更に大きな曲げ剛性を必要としてセグメントの部材厚さを大きくする必要が生じ得る。
＜２＞セグメントの自重が増大すると、セグメント組み立て時のハンドリングが悪くなり、組み立て作業に要する施工時間が長期化する。
＜３＞セグメントの自重が増大するとセグメントの運搬重量が増加し、一回の運搬数量の減少に伴ってコストアップとなり得る。
＜４＞セグメントの部材厚さが大きくなると、セグメントの部材厚さ分だけシールド掘進機の直径を大きくする必要があり、シールド掘進機の製作コストが増加する。
＜５＞セグメントの部材厚さが大きくなると、セグメントの部材厚さ分だけ掘削断面を大きくする必要があり、掘削費用の増大と、掘削土量の増大に伴って産業廃棄物として処理する処理土量費用も増大する。
＜６＞高流動コンクリートを使用してセグメントの部材厚さを薄くした場合、セグメント端面付近の断面には隣接セグメント相互の止水性能を維持するために水膨潤性シールやガスケットタイプのシールのための止水溝が設けられる。一方、シールド掘進機の推進時にはシールドジャッキにより既設セグメントを反力材として押しながらシールド掘進機の推進をおこなう。この際、セグメントに設けられた止水溝は圧縮力を伝達する際の断面欠損となり、セグメントの部材厚さが薄くなればなる程セグメント端面の支圧応力の伝達性能が確保し難くなる。場合によっては、止水シール溝付近で割裂破壊が生じ得る。
＜７＞鋳鉄セグメントや鋼材とコンクリートの複合構造のセグメントの場合、防錆施工をできない場合が生じ、また、長期的には地下水による漏水を防ぐことが困難となる場合も生じ得る。さらに、防錆維持には高い維持費用が必要となるなど、コンクリート製セグメントに比して問題点が多い。

本発明のセグメントは、鉄筋コンクリートを基材とするトンネルライナー用セグメントであって、前記セグメントは、所要の曲率を備えた矩形の版であって高強度で高流動のセメント系材料から製作された一般部と、シールド掘進機の推進時に推進ジャッキによって押し付けられる側の前記一般部の端面に一体化され、高強度セメント系マトリックスに、直径が０．１〜０．３ｍｍで、長さが８〜１６ｍｍの超高強度の鋼繊維を混入した繊維補強セメント系混合材料によって製作された端面部材とを備えたことを特徴とする、セグメントである。

また、前記セグメントにおいて、前記端面部材は、該端面部材の延伸方向に垂直に切断した断面形状を、該断面のうち前記推進ジャッキによって押し付けられる押圧面を略水平とし、前記一般部と接合する接合面は該接合面の中央付近において前記押圧面から該接合面までの長さが最短となるように傾斜を備えて成形してなり、前記端面部材の中央付近の延伸線上に間隔を置いて複数の空気抜き孔を備えたことを特徴とするセグメントを使用できる。

また、本発明のセグメントの製造方法は、前記セグメントの製造方法であって、前記端面部材を備える面を上面として型枠を立てた状態で設置し、前記セグメントを構成する鉄筋を配筋し、高強度で且つ高流動の前記セメント系材料を前記型枠内に打設して一般部を製作し、シールド掘進機の推進時に推進ジャッキによって押し付けられる側の前記一般部の端面に一体化される前記端面部材を、上から設置して前記セメント系材料の硬化を待つことを特徴とする、セグメントの製造方法である。

本発明のセグメント及びセグメントの製造方法は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞セグメントの製作は、高流動コンクリートをいわゆる縦打ちするので、セグメント製造場所が比較的狭くてもよい。さらに、熱養生をおこなう設備も小さくてすみ、従来の製造設備を使用すれば、一気に大量のセグメントを製造することが可能となる。
＜２＞セグメントの製造に際し、コンクリート打設表面のコテ均しの必要もないため、セグメント製造時間の短縮につながる。
＜３＞強力な振動機（バイブレーター）を必要としないため剛性の高い型枠が不要であり、型枠製作費用も安価となる。
＜４＞シールド掘進機の推進時にシールドジャッキがあたる箇所は繊維補強セメント系材料にて製作された端面部材にて補強されているため、例えば偏心荷重等を受けた場合でもセグメントの破損の可能性が極めて低くなる。
＜５＞セグメントの部材厚さを薄くできるため、掘削土量を減らして産業廃棄物処理量を低減できる。また、大深度で大口径のシールドトンネルの施工においてもシールド掘進機の直径を小さくできるため、シールド掘進機の製作コストを低減することが可能となる。
＜６＞大深度で大口径のシールドトンネルの施工において、セグメントの部材厚さを薄くできるため、セグメント自重の軽量化につながり、セグメント組み立てのためのエレクター設備を小規模化できる。また、セグメント自重の軽量化によってセグメントの組み立て時間の短縮化、運搬の効率化につながる。
＜７＞隣接するセグメント同士の接合面に止水シールを貼り付ける等の簡易な方法によりシールドトンネルの止水性の確保を確実に図ることができる。

＜１＞セグメント
本発明のセグメント１は、鉄筋コンクリートを基材とするトンネルライナー用のセグメント１である。セグメント１は施工するトンネル内径と分割数に応じて所要の曲率を備えた矩形の版として成形される。
セグメント１は図１に示すように、一般部１１と端面部材１２とから構成できる。一般部１１は、上記するように所要の曲率を備えた矩形の版であり、本発明においては、高強度で高流動のセメント系材料２から製作するのがよい。一方、後述する端面部材１２は、一般部１１と同一の曲率を備え、シールド掘進機６の推進時に推進ジャッキ６１が既設のセグメント１を押し付ける端面に設けるセグメント１の構成部材である。端面部材１２は、高強度（超高強度）の繊維補強セメント系混合材料３によって製作するのがよい。

本発明においては、大深度で大口径のシールドトンネルの構築に際し、部材厚さを従来のセグメントよりも５０〜６０％程度に薄くしたセグメント１を提供することを目的としている。したがって、高強度で高流動のセメント系材料２を使用してセグメント１の一般部１１を製作する。ここで、高強度とは、従来の鉄筋コンクリート製セグメントに使用するセメント系材料の圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ^２程度に対して、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ^２程度の材料特性をいう。トンネルの横断面方向及びトンネル軸方向に卓越する圧縮応力に対して、圧縮強度の高いセメント系材料２を使用することによって、セグメント１の部材厚さを薄くすることが可能となる。

また、高流動とは、流動性が高く自己充填性があって、一般に振動機等による締固めを不要とする材料特性をいう。本発明においては、従来のいわゆる平打設（型枠を寝かせた状態でコンクリートを打設する方法）によるセグメントの製造方法を見直し、型枠４を立てた状態で型枠４内にセメント系材料２を流し込んで（いわゆる縦打ち）セグメント１を製造するものである。低スランプのコンクリートを使用して製造していた従来の方法では、低スランプ故にコンクリートの締め固めに強力な振動機を必要とし、強力な振動力を効率よくフレッシュなコンクリートに伝達するために剛性の高い高価な型枠を使用していた。また、平打設ではセグメントの一方の面（上面）をコテ均しして仕上げる等、セグメントの製造に時間がかかっていた。
そこで、図６に示すように型枠４を立てた状態で自己充填性の高流動なコンクリート（セメント系材料２）を使用することによって、剛性の高い型枠を不要とすることができる。また、型枠４を立てた状態でセグメント１の製造をおこなうため、製造に必要なスペースを狭小化でき、従来の製造工場で一気に大量のセグメント１を製造することが可能となる。さらに、型枠４内にセメント系材料２を充填後、後述する端面部材１２を設置して端面部材１２と一般部１１を一体化するため、セグメント表面のコテ均しを不要とすることができる。

＜２＞端面部材
端面部材１２は、一般部１１と同一の曲率を備え、シールド掘進機６の推進時に推進ジャッキ６１が既設のセグメント１を押し付ける端面に設けるセグメント１の構成部材である。
端面部材１２は、該端面部材１２の延伸方向に垂直に切断した断面形状を、該断面のうち推進ジャッキ６１によって押し付けられる押圧面１２３を水平（又は略水平）とし、一般部１１と接合する接合面１２４は該接合面１２４の中央付近において押圧面１２３から該接合面１２４までの長さが最短となるように傾斜を備えて成形するのが好ましい（図２，３参照）。端面部材１２の中央付近の延伸線上に間隔を置いて複数の空気抜き孔１２１，１２１を備えて端面部材１２を製作するため、下辺１２４に設けた傾斜に沿って下辺１２４の中央付近にセメント系材料２内から上昇してくる空気（気泡）を集めて取り除き易くすることができる。

空気抜き孔１２１に高強度のセメント系材料２がまわり込んで硬化することにより、空気抜き孔１２１の数だけ高強度のセメント系材料２によってできた突起が空気抜き孔１２１内に嵌装された状態となるため、かかる突起が一般部１１と端面部材１２の接続面におけるせん断補強的な役割を担うことができる。なお、図２に示すように、型枠４の所定高さに凸部４１を備えておくことにより、端面部材１２を所定高さに設置することが可能となる。

端面部材１２の製作は、繊維補強セメント系材料３を型枠内に打設し、一次養生後、二次養生として９０℃程度で４８時間程度の熱養生をおこなうのがよい。繊維補強セメント系材料３は熱養生をおこなうことにより、養生後の乾燥収縮がほぼゼロとなり、熱養生後の乾燥収縮によるひび割れの発生や変形などが生じ難くなる。

繊維補強セメント系混合材料３としては、例えば、セメント、ポゾラン質微粉末と珪石の粉末、シリカフューム、粒径３ｍｍ以下の珪砂、高性能減水剤に水を単位水量（出来上がりコンクリート容積１ｍ³当たり）として１７５〜１８０ｋｇ程度（水／セメントの比率が２０〜２２％程度）を加えた高強度セメント系マトリックスに、直径が０．１〜０．３ｍｍで、長さが８〜１６ｍｍ、引張降伏応力度が２６００〜３２００Ｎ／ｍｍ^２の超高強度の鋼繊維を容積で２％程度混入して得られる圧縮強度２００〜２２０Ｎ／ｍｍ^２、曲げ強度４０〜４５Ｎ／ｍｍ^２、付着強度１５〜９０Ｎ／ｍｍ^２、透気係数２．５×１０^-１８ｍ^２、吸水率０．０５ｋｇ／ｍ³、塩分拡散係数０．０２×１０^-１２ｍ^２／ｓｅｃ、弾性係数５０〜５５ＧＰａの特性を備える材料を使用するのが好ましい。

＜３＞端面部材の作用
セグメントの部材厚さを薄くした場合、推進ジャッキによりセグメントの端面を押し付ける際に、セグメントに偏心荷重がかかる可能性がある。かかる場合、セグメントの端部に斜めひび割れが入る可能性が高くなる。
そこで、本発明では、セグメント１のうち、シールド掘進機６の推進時に推進ジャッキ６１が既設のセグメント１を押し付ける端面に、高強度（超高強度）で引張応力に対しても抵抗可能な鋼繊維を含んだ繊維補強セメント系混合材料３から製作された端面部材１２を設置する。

端面部材１２を設けることにより、端部のひび割れの発生を抑止することのほかに、図４に示すように推進ジャッキ６１から作用する圧縮力８１をセグメント１の一般部１１全体に分散荷重（圧縮応力分散線８２）として伝達させる作用が働くこととなる。

また、セグメントの部材厚さが薄くなった場合、従来のセグメントでは止水シール溝が断面欠損となり、シールド推進時のセグメントに発生する大きな圧縮力により止水シール溝近傍で割裂による損傷が発生することがあった。
本発明では、繊維補強セメント系混合材料３を用いて端面部材１２を製作するため、割裂強度特性が高くなり、シール溝１２２を設けたことによる断面欠損（クラック線８３）が問題となる可能性は極めて低くなる（図５参照）。

＜４＞止水構造（図５）
端面部材１２と一般部１１との接合面における止水は、端面部材１２の下面には予め水膨潤性の止水シール材７を貼り付けておき、フレッシュなセメント系材料２との接触によって止水シール材７を膨潤させて止水構造を成形するのが好ましい。
一方、トンネル軸方向に隣接するセグメント１，１同士の接続面においては、双方に設けておいたシール溝１２２，１２２内に、例えば水膨潤性の止水シール材７を設けるのが好ましい。止水シール材７と地下水が接触することによって止水シール材７が膨潤し、止水構造を成形することができる。さらに、リング方向に隣接するセグメント１，１同士の接続面においても、予め端面に設けておいたシール溝１１１，１１１内に止水シール材７を設けておくことができる。

以下、図６を参照しながら、本発明のセグメントの製造方法の実施例について説明する。

セグメント１の製造に際し、端面部材１２を設置する面を上面として型枠４を立てた状態で設置し、型枠４内に鉄筋５を配筋する。
セメント系材料２を型枠４内に打設し、セメント系材料が所定の高さまで打設された状態で端面部材１２を上から設置する。
型枠振動機などを使用して型枠４に振動を加え、セメント系材料２内の空気（気泡）を空気抜き孔１２１から抜いていく。
所要時間養生をおこない、セメント系材料２の硬化を待って型枠４を脱型することによりセグメント１が製造される。

本発明のセグメントの斜視図。 図１のＡ−Ａ矢視図。 端面部材を拡大した斜視図。 推進ジャッキにてジャッキ推力をセグメントに作用させた際に生じる圧縮応力を示した説明図。 セグメントの端部に生じ得るクラックを示した説明図。 セグメントの製造方法を説明した説明図。 従来のセグメントを示した斜視図。

符号の説明

１・・・セグメント
１１・・一般部
１２・・端面部材
１２３・押圧面
１２４・接合面
１２１・空気抜き孔
２・・・セメント系材料
３・・・繊維補強セメント系混合材料
４・・・型枠
５・・・鉄筋
６・・・シールド掘進機

Claims (3)

1. 鉄筋コンクリートを基材とするトンネルライナー用セグメントであって、
   前記セグメントは、所要の曲率を備えた矩形の版であって高強度で高流動のセメント系材料から製作された一般部と、
   シールド掘進機の推進時に推進ジャッキによって押し付けられる側の前記一般部の端面に一体化され、高強度セメント系マトリックスに、直径が０．１〜０．３ｍｍで、長さが８〜１６ｍｍの超高強度の鋼繊維を混入した繊維補強セメント系混合材料によって製作された端面部材とを備えたことを特徴とする、
   セグメント。
2. 請求項１記載のセグメントにおいて、
   前記端面部材は、該端面部材の延伸方向に垂直に切断した断面形状を、該断面のうち前記推進ジャッキによって押し付けられる押圧面を略水平とし、前記一般部と接合する接合面は該接合面の中央付近において前記押圧面から該接合面までの長さが最短となるように傾斜を備えて成形してなり、
   前記端面部材の中央付近の延伸線上に間隔を置いて複数の空気抜き孔を備えたことを特徴とする、
   セグメント。
3. 請求項１又は２記載のセグメントの製造方法であって、
   前記端面部材を備える面を上面として型枠を立てた状態で設置し、
   前記セグメントを構成する鉄筋を配筋し、
   高強度で且つ高流動の前記セメント系材料を前記型枠内に打設して一般部を製作し、
   シールド掘進機の推進時に推進ジャッキによって押し付けられる側の前記一般部の端面に一体化される前記端面部材を、上から設置して前記セメント系材料の硬化を待つことを特徴とする、
   セグメントの製造方法。
   

Images