JP3805868B2 - シールドトンネル覆工体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセグメントをトンネルの周方向および軸線方向に組み立てて構築されるシールドトンネル覆工体に係り、特にセグメントがコンクリートからなり、周方向にプレストレスが導入されるシールドトンネル覆工体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シールドトンネルの覆工体は、工場生産されたセグメントを坑内で組み立てることによって構築される。組み立てられた覆工体はトンネルの周囲の地盤から作用する土圧および水圧に耐え得るように充分な強度を有している必要があり、特にセグメントの継手部において過度の変形が生じないものとしなければならない。
【０００３】
このような覆工体を構成するセグメントは、鉄筋コンクリートからなるものが従来から広く用いられている。このようなセグメントの継手部は、例えば、鋼材の継手ボックスが固着されており、接合される二つのセグメントの継手ボックスをボルトによって相互に緊結する構造となっている。そして、周方向に連結されたセグメントはトンネルの軸線方向に順次配列されて連結される。
【０００４】
しかし、上記のような連結構造では、それぞれのセグメントに継手部を設けており、セグメントの製造に多くの費用が必要となる。また、このような継手構造では組立時の変形が生じやすく、組み立て精度が低いという欠点がある。また、シールドトンネル覆工体の完成後においても、軟弱地盤中のシールドトンネルのように周方向の軸力に比べて曲げモーメントが卓越するような条件では、覆工体に過大な変形が生じてしまう。
【０００５】
このような欠点を克服する構造として、コンクリートからなるセグメントの周方向および軸線方向にプレストレスを導入するものがある。このような覆工体のセグメント１１１は、図８に示すように、周方向の端部にほぼ平坦な端面１１１ａを備えており、隣り合う他のセグメント１１２の端面１１２ａと突き合わせるようにして組み立てられる。これらのセグメント１１１，１１２には、周方向にダクト１１３が設けられており、セグメントがリング状に組み立てられると、上記ダクト１１３にＰＣ鋼材１１４を挿通し、緊張力が導入される。
【０００６】
このリング状に組み立てられたセグメント組立体１２０は、図９に示すように、後方の組み立てが完了したセグメント組立体１２１と軸線方向に端面を突き合わせて連続するように配置される。そしてこれらのセグメントには軸線方向にも隣接するセグメントと連続するようにダクト１２２が設けられており、これにＰＣ鋼材を挿通して緊張力が導入される。このように、セグメントの周方向及び軸線方向にプレストレスが導入され、組み立てられたセグメントは一体となり、連続した部材のように挙動する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなシールドトンネル覆工体には次のような問題点がある。
セグメントにプレストレスを導入する場合、図９に示すように、周方向と軸線方向にダクトが配置されるが、小径のシールドトンネルではセグメントの厚さが小さく、ダクトのかぶりが充分にとれなくなる。このため、セグメントの製作が難しくなったり、鉄筋やＰＣ鋼材に対する防錆効果が低下し、セグメントの耐久性が十分でなくなるという問題が生じる。また、周方向と軸線方向との双方にＰＣ鋼材を配置するのでＰＣ鋼材の量が多くなり、施工費用が増大してしまう。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、使用するＰＣ鋼材の量を低減するとともに、簡単な構造で周方向および軸線方向にセグメントを緊結することができるシールドトンネル覆工体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、 コンクリートからなる複数のセグメントをシールドトンネル内の周方向および軸線方向に連結してトンネルの外周部の土圧および水圧に抵抗するシールドトンネル覆工体であって、 該シールドトンネル覆工体を構成するセグメントの任意の一つである第１のセグメントと、これと周方向に隣り合う第２のセグメントとが、シールドトンネルの軸線方向にずれた位置に配置され、 周方向に配置された複数のＰＣ鋼材が、前記第１のセグメントを貫通するように配置され、 前記第１のセグメントを貫通する複数のＰＣ鋼材の内の少なくとも１本は、前記第２のセグメントを貫通し、 他のＰＣ鋼材は、前記第２のセグメントと軸線方向に隣り合うとともに、前記第１のセグメントと周方向に隣り合う第３のセグメントを貫通するものであることを特徴とするシールドトンネル覆工体を提供するものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、 前記第１のセグメントと、これと周方向に隣り合う第２のセグメントとの接合端面が、該シールドトンネルの軸線方向と角度を有する方向に設けられているものとする。
【００１１】
（作用）
請求項１に記載のシールドトンネル覆工体では、セグメントの任意の一つである第１のセグメントは、軸線方向に配列された第２及び第３のセグメントの双方と周方向に隣接する。そして第１のセグメントを貫通して周方向に配置される複数のＰＣ鋼材は第２のセグメントを貫通するものと、第３のセグメントを貫通するものとを含んでいる。このように周方向にＰＣ鋼材を貫通して緊張することにより、周方向にプレストレスが導入され、周方向に隣り合う２つのセグメントの接合端面に圧縮力が生じる。
【００１２】
このとき、これらのセグメントの接合端面には、周方向の圧縮力によりトンネルの軸線方向のずれに対抗する摩擦抵抗力が生じる。つまり、軸線方向に引張力が作用する場合、周方向に隣接するセグメント間で軸線方向の引張力が伝達され、さらに伝達された引張力は、他の隣接するセグメントに摩擦力として伝達される。このようにして、シールドトンネル覆工体に作用する周方向の引張力及び軸線方向の引張力は隣接するセグメントに伝達され、軸線方向にＰＣ鋼材を配置しなくても、周方向に配置したＰＣ鋼材の緊張のみで、隣接するセグメントを周方向及び軸線方向の双方に緊結することができる。したがって、少ないプレストレス量でも覆工体全体がほぼ一様な剛性を維持して、トンネルの外周部の土圧または水圧に抵抗することが可能となる。
【００１３】
また、シールド掘進機は、建て込みが完了した最先端のセグメントに反力を負担させて前方へ押し出されるが、この反力は新たに建て込まれたセグメントを既に組立てられたセグメントに軸線方向に押し付けるように作用する。したがって、このような反力が作用している状態で周方向にプレストレスを導入すると、軸線方向に直列する二つのセグメント、つまり、上記第２及び第３のセグメント間に圧縮応力が作用した状態で新たなセグメントが一体に接合されることになる。このため、軸線方向とほぼ直角方向の接合端面に圧縮応力が作用した状態を維持することができ、漏水の防止効果、変形の低減効果が得られる。
【００１４】
一方、上記のような構造では、周方向に隣り合うセグメントは軸線方向にずれた位置に配置されるので、順次セグメントを建て込んでゆくと、新たに建て込むセグメントの周方向の両側に隣接するセグメントが所定の位置に建て込まれた後に、これらのセグメントの間に挿入して建て込まなければならない部分が生じる。このとき、周方向の両側に隣接するセグメントとの接合端面が、両方とも軸線方向と平行になっていると、新たに建て込むセグメントを両側のセグメントの間に挿入するのが難しくなる。特に周方向にプレストレスが導入されていると、セグメントは周方向に圧縮変形を生じているので、ますますセグメントの建て込みが困難になる。
なお、周方向のプレストレスは、新たにセグメントが建て込まれた後、直ちに導入するのが望ましく、周方向の両側に隣接するセグメントがすでに建て込まれ、これらの間に新たにセグメントを挿入するときには両側に隣接するセグメントの後方はすでにプレストレスが導入されている場合が多くなる。
【００１５】
これを解決するために、請求項２に記載のシールドトンネル覆工体では、第１のセグメントと、これと周方向に隣り合う第２のセグメントとの接合端面が、該シールドトンネルの軸線方向と角度を有する方向に設けられ、第１のセグメントより後から建て込まれる第２のセグメントは、挿入する部分の先端側すなわち後方側で幅が小さくなる形状としておくことで、周方向の両側に隣接するセグメントが既に所定位置に建て込まれていても、これらの間に新たなセグメントを挿入し、所定位置に建て込むことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本願発明の一実施形態であるシールドトンネル覆工体を示す概略断面図であり、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）は縦断面図である。また、図２は、上記シールドトンネル覆工体で用いられるセグメントを示す斜視図であり、図３は、上記シールドトンネル覆工体の展開図である。
このシールドトンネル覆工体は、円形の断面を有しており、図１（ａ）に示すように、周方向に６分割されたセグメント１，２，３，４，５，６で構成されている。これらのセグメントは、図１（ｂ）に示すように、シールド掘進機の後方で円形断面のシールドトンネルの周囲に組み込まれるものである。
【００１７】
上記セグメント１，２，３，４，５，６は、コンクリートでできており、図１（ｂ）に示すように、内外面が六角形となっている。そして、図２に示すように、円筒曲面の一部を構成するように湾曲した断面を有する部材であり、複数のほぼ同形状のセグメントが組み合わされることによって環状の覆工体を形成するものである。また、セグメント内には、シールドトンネルの周方向にＰＣ鋼材を挿通するためのダクト１２が設けられている。
【００１８】
これらのセグメントは次のように組み立てられている。
任意の一つのセグメントを第１のセグメント１とすると、この第１のセグメント１は、図１（ｂ）に示すように、周方向に隣り合う第２のセグメント２と軸線方向にずれた位置に配置される。また、第２のセグメント２の後方にあって、これと軸線方向に隣接する第３のセグメント７も、第１のセグメント１の後部で周方向に隣接するように配置され、組み立てられた複数のセグメントがハニカム状に配列される。そして、周方向に隣り合う二つのセグメントの接合端面３ａ，７ａが、シールドトンネルの軸線方向と角度を有する方向に設けられている。
【００１９】
このように組み立てられた各セグメント間では、上記ダクト１２が周方向に連通され、シールドトンネルの最下部にあるセグメント６内で、埋設された定着体１３に接続されている。
この定着体１３は、図４に示すように、二つの筒状体がＸ状となるように一体化された形状を有するもので、上記ダクト１２内にＰＣ鋼材１１が挿通されると、覆工体内を一周して両端がそれぞれこの定着体１３の二つの貫通孔１３ａ，１３ｂを通って覆工体の内側に引き出されるようになっている。また、セグメント１の内側には切り欠き１４が設けられ、定着体１３の貫通孔が設けられた部分の端面１３ｃ，１３ｄがこの切り欠き１４内に露出している。
【００２０】
覆工体内を一周してこの切り欠き１４から引き出されたＰＣ鋼材１１は、この切り欠き１４内でＲチェア１５およびセンターホールジャッキ１６を装着し、緊張力を導入することができるようになっている。定着体１３の貫通孔は上記端面１３ｃ，１３ｄ付近で拡径されており、緊張力が導入されたＰＣ鋼材１１をくさび１７によって該定着体１３に定着することができるようになっている。
【００２１】
このように周方向に連通したダクト内に挿入されるＰＣ鋼材は、図３に示すように、第１のセグメント１を２本が貫通するように配置され、１本のＰＣ鋼材１１ａは、第１のセグメント１と周方向に隣り合う第２のセグメント２を貫通する位置に、他のＰＣ鋼材１１ｂは、第２のセグメント２の後方にあって軸線方向に隣り合うとともに、第１のセグメントと周方向に隣り合う第３のセグメント７を貫通する位置に配置されている。
【００２２】
このようなＰＣ鋼材１１を緊張することにより、周方向にプレストレスが導入され、周方向に隣り合う２つのセグメントの接合端面３ａ，７ａに圧縮力が生じるとともに、トンネルの軸線方向へのずれに抵抗する摩擦力が生じる。したがって、軸線方向に引張力が作用すると、上記摩擦力により周方向に隣接するセグメントに伝達され、このセグメントの断面に作用する引張応力として後方に伝達される。伝達された引張応力は、後方で周方向に隣接する他のセグメントに摩擦力として伝達され、シールドトンネルの軸線方向に引張力が伝達される。このため、軸線方向にＰＣ鋼材を配置する必要がなく、ＰＣ鋼材の周方向への緊張のみで、隣接するセグメントを軸線方向に緊結することができる。したがって、少ないＰＣ鋼材量でも覆工体全体がほぼ一様な剛性を維持することになり、トンネルの外周部からの土圧または水圧に抵抗するとともに軸線方向の引張力又は曲げに対しても抵抗することが可能となる。
【００２３】
また、周方向に隣り合うセグメントの接合端面３ａ，７ａは軸線方向に角度を有する方向に設けられ、ハニカム状にセグメントが組み立てられるので、既に組み立てられたセグメントには周方向にプレストレスが導入されていても、新たに建て込まれるセグメントは容易に組み立てることができる。
【００２４】
さらに、次のような効果も期待できることになる。
シールド掘進機１８は、建て込みが完了した最先端のセグメント２，４，６［図１（ｂ）にはセグメント４は示されていない］に推進ジャッキ１９の反力を負担させて前方に押し出される。このため、最新に建て込まれたセグメント２，４，６には後方へ押し付ける力が作用し、後方に隣接するセグメント（例えば符号７で示すセグメント）との接合端面に圧縮応力が作用する。このような状態で、周方向に配列された６つのセグメント１，２，３，４，５，６を貫通する周方向のＰＣ鋼材を緊張し、プレストレスを導入すると、これらが一体に接合されるとともに、最新に建て込まれたセグメント２，４，６とその後方に隣接するセグメントとの接合端面に作用する圧縮応力がそのまま残った状態となる。したがって、軸方向とほぼ垂直な接合端面には、ＰＣ鋼材の緊張力による直接的なプレストレスは導入されるものではないが、残留する圧縮応力によって漏水の防止効果、変形の低減効果が得られる。
【００２５】
次に、上記のようなセグメントを接合してシールドトンネル覆工体を組み立てる工程について説明する。
上記セグメントは六角形であるので、図１（ｂ）に示すように、覆工体の切羽側の端部では、間隔をおいて３つのセグメント２，４，６が配置された状態となっている。
図示しないシールド掘進機により、切羽での掘削がセグメントの一単位分（セグメントの軸線方向長さの１／２）進行すると、シールド掘進機の後部と、上記セグメント２，４，６の接合端面との間に、図３に示すように新たな３つのセグメント８，９，１０を、後方側（切羽と反対側）および両側で隣り合うセグメントと端面をぴったり突き合わせるようにして建て込む。これにより、新たなセグメント８，９，１０のダクトの一つが、既に組み立てられたセグメント２，４，６のダクト１２と連通する。
【００２６】
その後、ＰＣ鋼材１１ｂを定着体１３の端面から、定着体の貫通孔及びこれと接続されたダクト１２に挿通する。そして周方向に一周して定着体１３の他の貫通孔から覆工体内側へ引き出す。上記ＰＣ鋼材１１の一方の端部（定着端）は、くさび１７で定着体１３に定着し、他端（緊張端）はセンタホールジャッキ１６で把持して、定着体１３に反力を負担させてＰＣ鋼材１１を緊張する。
このとき、先にも述べたように、緊張に先立ってシールド掘進機１８を前方に押し出し、その反力をセグメント８，９，１０に負担させておくのが望ましい。これにより、セグメント８，９，１０はこれらの後方に隣接するセグメント１，３，５に押し付けられており、このような状態で一体化される。
【００２７】
ＰＣ鋼材１１に所定の緊張力が導入されると、定着端と同様にくさび１７を押し込み、ＰＣ鋼材１１を定着体１３に定着する。この後、切り欠き１４にコンクリートを充填して覆工体の内面を仕上げる。
【００２８】
その後、掘削がセグメントの一単位分進行すると、既に建て込まれたセグメント８，９，１０の間に、新たな３つのセグメントを建て込み、各セグメント間で連通するダクト１２にＰＣ鋼材１１を挿通する。そして、上記と同様の方法によりＰＣ鋼材１１を緊張して定着する。このようにＰＣ鋼材１１の緊張・定着を行うことによって、ＰＣ鋼材１１からコンクリートに曲率中心方向への力が周方向に分布して作用し、覆工体には周方向の軸圧縮力が生じる。
【００２９】
図５は、本願発明の他の実施形態であるシールドトンネル覆工体を示す概略構成図であり、図５（ａ）は横断面図、図５（ｂ）は縦断面図である。また、図６は、上記シールドトンネル覆工体で用いられるセグメントを示す斜視図であり、図７は、上記シールドトンネル覆工体の展開図である。
このシールドトンネル覆工体は、各セグメントが、図５（ｂ）に示すように長方形の対向する角が斜めに切除された六角形の形状からなるものであり、周方向に隣接するセグメントがその軸線方向の長さの１／３ずつずれるように順次配置して組み立てられている。つまり、このセグメントの任意の一つである第１のセグメント２１と周方向に隣り合う第２のセグメント２７とはシールドトンネルの軸線方向に１／３だけずれた位置に配置され、さらにこの第２のセグメントは、第１のセグメントの反対側で前方に１／３だけずれた位置にあるセグメント２８と隣接している（図７参照）。
【００３０】
一方、第２のセグメント２７の後方にあってこれと軸線方向に隣接する第３のセグメント２２は、第１のセグメント２１の後部で、１／３の長さの範囲が隣接するように配置されている。
また、第１のセグメント２１の周方向の反対側では、軸線方向に並んだ２つのセグメント２９，２６と隣接し、前部１／３の範囲で前方側のセグメント２９と、後方２／３の範囲で後方側のセグメント２６と端面を突き合わせて接合されている。
そして、第１のセグメント２１の第３のセグメント２２との接合端面及び第３のセグメントと反対側で隣接するセグメント２９との接合端面は軸線方向と角度を有するものとなっている。
【００３１】
このようなセグメントの各々には、図５に示すように、周方向にＰＣ鋼材を貫通するための３つのダクト３２が設けられており、組み立てられた各セグメント間で、上記ダクト３２が周方向に連通するようになっている。
このとき、図７に示すように、第１のセグメント２１を貫通する３本のＰＣ鋼材３１ａ，３１ｂ，３１ｃのうち、２本のＰＣ鋼材３１ａ，３１ｂが、該第１のセグメント２１と周方向に隣り合う第２のセグメント２７を貫通し、他の１本のＰＣ鋼材３１ｃは、第２のセグメント２７と軸線方向の後方に隣り合うとともに、第１のセグメント２１と周方向に隣り合う第３のセグメント２２を貫通する。
【００３２】
また、第１のセグメント２１の周方向の反対側では、前方側に配置された１本のＰＣ鋼材３１ａが前方側にずれた位置で隣接するセグメント２９を貫通し、他の２本３１ｂ，３１ｃが後方で隣接するセグメント２６を貫通するように配置されている。
【００３３】
上記セグメント間で連通されたダクト３２は、シールドトンネルの最下部にあるセグメント２６内で、埋設された定着体３３に接続されている。なお、定着体３３の構成は図１および図４に示す定着体と同じものであり、同様の方法でＰＣ鋼材の挿通及び緊張・定着を行うことができる。また、シールドトンネル覆工体の他の構成は図１に示す覆工体と同じである。
このようなシールドトンネル覆工体では、図１に示すものと同様に、周方向のプレストレスによってセグメントを周方向及び軸線方向に緊結することができる。また、らせん状にセグメントを容易に組み立ててゆくことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明に係るシールドトンネル覆工体では、隣接するセグメントが軸線方向にずらして組み立てられており、セグメントを周方向に緊張するだけで、任意の１つのセグメントは軸線方向に隣接する２つのセグメントの双方と周方向に圧接され、セグメント間に作用する摩擦力によりセグメントを軸線方向に緊結することができる。このため、ＰＣ鋼材の量を低減することができ、少ない施工費用で変形が少なく目開き等による止水性の低下が少ないシールドトンネル覆工体を得ることができる。
また、周方向に隣り合う２つのセグメントの接合端面が軸線方向と角度を有する方向に設けられているので、セグメントの組み立て作業を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態であるシールドトンネル覆工体を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すシールドトンネル覆工体で用いられるセグメントを示す斜視図である。
【図３】図１に示すシールドトンネル覆工体の展開図である。
【図４】図１に示すシールドトンネル覆工体で用いられる定着体を示す正面図及び縦断面図である。
【図５】本願発明の他の実施形態であるシールドトンネル覆工体を示す概略断面図である。
【図６】図５に示すシールドトンネル覆工体で用いられるセグメントを示す斜視図である。
【図７】図５に示すシールドトンネル覆工体の展開図である。
【図８】従来から知られているシールドトンネル覆工体のセグメントの接合部の一例を示す概略断面図である。
【図９】従来から知られているシールドトンネル覆工体の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５、６、７、８、９ セグメント
１１、３１ ＰＣ鋼材
１２、３２ ダクト
１３、３３ 定着体
１４、３４ 切り欠き
１５、３５ Ｒチェア
１６、３６ センターホールジャッキ
１７ くさび
１８ シールド掘進機
１９ 推進ジャッキ
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９ セグメント

Claims (2)

1. コンクリートからなる複数のセグメントをシールドトンネル内の周方向および軸線方向に連結してトンネルの外周部の土圧および水圧に抵抗するシールドトンネル覆工体であって、
   該シールドトンネル覆工体を構成するセグメントの任意の一つである第１のセグメントと、これと周方向に隣り合う第２のセグメントとが、シールドトンネルの軸線方向にずれた位置に配置され、
   周方向に配置された複数のＰＣ鋼材が、前記第１のセグメントを貫通するように配置され、
   前記第１のセグメントを貫通する複数のＰＣ鋼材の内の少なくとも１本は、前記第２のセグメントを貫通し、
   他のＰＣ鋼材は、前記第２のセグメントと軸線方向に隣り合うとともに、前記第１のセグメントと周方向に隣り合う第３のセグメントを貫通するものであることを特徴とするシールドトンネル覆工体。
2. 前記第１のセグメントと、これと周方向に隣り合う第２のセグメントとの接合端面が、該シールドトンネルの軸線方向と角度を有する方向に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル覆工体。

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