JP3867156B2 - ライナーピース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にＴＢＭ（トンネル・ボーリングマシーン）により掘削される山岳トンネルにおいて、掘削された先進導坑における軽度な土圧に対し該先進導坑を保護するための覆工材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＴＢＭにより掘削されるトンネルにおいても、軟弱地盤におけるトンネル工法の一つであるシールド工法に用いられる覆工材である鋼製セグメントが用いられることが多かった。
【０００３】
上記鋼製セグメントの例を図９に示す。鋼製セグメント５は、主桁５２と継手板５１を鋼枠状に溶接し、更に外側にスキンプレート５３を溶接し、内側に縦リブ５４を取付け、補強したものである。継手板５１、主桁５２はボルト連結のための孔５１ａ，５２ａが設けられている。
【０００４】
そして、上記セグメントは図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、継手板同士、主桁同士をボルト５５により連結し、トンネルを覆工する。ＴＢＭにより掘削されるトンネルにおいても、シールド工法トンネルの場合と同様にボルトを締結することにより上記セグメントを組立て、トンネルを覆工していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の鋼製セグメントはシールド工法用のセグメントであり、このセグメントを組み立ててトンネルを覆工するには、主桁同士、継手板同士をボルト締結しなければならず、ボルト締結箇所が非常に多いため締結作業に多大の時間を要する。他方、ＴＢＭはシールド工法に比べ掘進速度が非常に速いが、覆工材の組立に時間がかかるためにトンネルの施工速度が覆工作業により低下することが多かった。
【０００６】
また、軟弱地盤中におけるシールド・トンネルにおいては、全土被り土圧（即ち、ほぼトンネル設置深度土圧に相当する大きな土圧）と水圧がトンネルに作用し、かつトンネル内への漏水を防止するための止水対策も講じてある。具体的には、セグメント５周面にシール材が貼付される。
【０００７】
一方、ＴＢＭにより掘削されるトンネルにおいては、掘削地山が岩盤などの良質地山であることが多く、この場合、土圧が小さいことが多い。また、特に水抜きトンネルの場合などにおいては止水策は全く不必要である。従って、ＴＢＭで掘削されるトンネルの覆工材としてシールド工法用の強度の高いセグメントをそのまま用いることは、コスト高につながることが多かった。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、比較的軽度な土圧に対しトンネルを保護でき、なおかつ組立が従来のボルト式のセグメントに比べはるかに容易な覆工材であるライナーピースを提供する。
【０００９】
【問題を解決するための手段】
第1の発明は、トンネル内壁の覆工材であって、下記の特徴を有するライナーピースである。
（ａ）山形鋼で形成された、一定の幅と長さを有し、長辺を構成する２本の桁と、
山形鋼で形成された、一定の幅と長さを有し、短辺を構成する２本の桁と
を連結して構成された長方形の枠体であって、
（ｂ）前記枠体の少なくとも外側の面がスキンプレートで覆れており、
（ｃ）前記長辺の２本の桁はそれぞれ外側に凸である桁（主凸桁という）と外側に凹である桁（主凹桁という）であり、前記短辺の２本の桁はそれぞれ外側に凸である桁（副凸桁という）と外側に凹である桁（副凹桁という）であって、
（ｄ）かつ、前記主凸桁と主凹桁、及び、前記副凸桁と副凹桁はそれぞれ嵌合できるように
構成されている。
上記第1の発明に係るライナーピースは、従来のセグメントよりも軽量で、かつボルトによる締結を全く必要とせず、極めて容易にトンネルを組み立て
ることができる利点がある。特に、（ａ）に記載したように、山形鋼を構成要
素の主要部に使用しているので、下記の特徴がある。
すなわち、前記ライナーピースの長辺の主凸桁と主凹桁、及び短辺の副凸桁と副凹桁が、それぞれ市販の山形鋼で構成されているため、材料費が安いという利点がある。また山形鋼は、ＪＩＳで規定されているアングル部材であり、外側を凸、凹何れの形にもできるため、平板鋼材をわざわざ加工して、前記桁を作る手間が省ける。
なお、ライナーピースという言葉は、当業者の認識としては、「軽度なセグメント」ということであり、土圧や水圧が軽度である、地盤（岩盤）がしっかりした環境において、使用されるものとされている。
それ故、前記山形鋼の凹凸部を嵌合させるのみで、ボルト締めをしなくても、前記環境下では、十分、使用に耐えるのある。
【００１０】
第２の発明は、前記ライナーピースの二つの短辺が共に副凹桁又は共に副凸桁であることを特徴とするライナーピースである。これにより、短辺の種々の組み合わせを可能にし、嵌合作業の効率化を図ることができる。
【００１１】
第３の発明は、前記ライナーピースの内側に短辺方向及び／又は長辺方向に一又は二以上の補強リブを設けたことを特徴とするライナーピースである。
上記発明に係るライナーピースは補強リブが設けているので、強度が大きく、土圧が高い場合に利用できる利点がある。
【００１２】
第４の発明は、前記ライナーピースの長方形が等脚台形又は不等脚台形であることを特徴とするライナーピースである。
上記発明に係るライナーピースはトンネルのリングを組み立てる場合に、組み立て作業を容易にするライナーピースである。
【００１４】
第５の発明は、前記ライナーピースが鋼製であることを特徴とするライナーピースである。この発明は、全体が鋼製であるため、強度も高くしかも安価に製造できる。
【００１５】
第６の発明は、前記ライナーピースの内側にコンクリ−トを充填したことを特徴とするライナーピースである。この発明は、ライナーピースの内側にコンクリ−トを充填してあるため、全体の剛性が大きくなるため、より大きな土圧が作用する場合に使用できる。
【００１６】
第７の発明は、前記ライナーピースが所定の曲率で湾曲し、この所定の曲率が円弧を形成するものであることを特徴とするライナーピースである。この発明は、通常の円形のトンネルに使用できるライナーピースである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明に係るライナーピース１０の一態様を示した。図１（Ａ）はその平面図、図１（Ｂ）は右側面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＹ−Ｙ断面図である。長辺は所定の曲率を有する外側に凸である桁（主凸桁という）１４と外側に凹である桁（主凹桁という）１５で構成（何れも山形鋼を使用）され、短辺は外側に凸である桁（副凸桁という）１２と外側に凹である桁（副凹桁という）１３とから構成（何れも山形鋼を使用）されている。これらの桁は、例えば溶接により連結されて全体として長方形の枠体を構成する。
【００１８】
次に湾曲している枠体の少なくとも外側の面はスキンプレート１８で覆われている。このスキンプレート１８は、例えば２〜６ｍｍの鋼板である。なお、必要により内側にもスキンプレートを覆っても良い。上記曲率は、通常円弧である場合が多い。通常トンネルは円形断面を有するからである。しかし、時には楕円断面である場合もあり、この場合は上記曲率は楕円の一部を構成するものでもよい。
【００１９】
また、このライナーピース１０の主凸桁１４と主凹桁１５、及び、副凸桁１２と副凹桁１３は、何れも山形鋼が使用されているので、それぞれ嵌合が容易にできる。その結果、ライナーピース１０同士を嵌合させて、トンネルのリングを構成することができる。
【００２０】
上記凸桁と凹桁は山形鋼で構成されているので、ライナピースの製作が容易である。また、土圧が高い場所に使用するライナーピース１０は補強リブ１７を設けてもよい。スキンプレート１８の曲げ半径は適用するトンネルの半径に合わせて製作する。ライナーピース１０は通常、鋼製のものが安価で望ましいが、その他の金属製でもよく、また、プラスチック製でもよい。
【００２１】
図２にはトンネル断面におけるライナーピース１０の組み合わせの態様を示した。組み合わせの状況からライナーピース１０の短辺は凹−凹、凸−凸、凸−凹の組み合わせがある。山形鋼を使用しているので、上記態様に適合できるライナーピース１０の組み立ては容易である。トンネルの軸方向、即ち、ライナーピース１０の長辺方向には山形鋼の凸−凹の組み合わせのみでよい。
【００２２】
図３には、トンネルの内面を展開して、種々のライナーピース１０の組み合わせ状態を示す。図において左側の矢印はライナーピース１０の組み立てる方向で、右側に示したＴＢＭの掘進方向と一致する。また、長方形のライナーピースＡでトンネル内壁を大部分覆工し、次に不等脚台形のライナーピースＢ１、Ｂ２を挿入し、最後に等脚台形のライナーピースＫを挿入し、トンネル全周を覆工する。
【００２３】
トンネル軸方向には図３に示すように、組立てたライナーピース１０間の副桁が一直線につながらないようにすることが望ましい。またライナーピースＫは等脚台形であり、挿入方向先端部の方の幅を狭くしてあり、組立を容易にする。
【００２４】
図４には、ライナーピース１０の主桁同士、副桁同士を連結する一態様を示す。桁に設けてある孔２２に頭付きピン２０を差し入れる方法である。図５には他の連結態様であるライナーピース１０をロックボルト３０によってトンネルの内壁の岩盤に固定する方法を示す。
【００２５】
図６には、主桁同士、副桁同士を連結する他の態様を示す。トンネルのリングを形成するため、桁間を図６（Ａ）に示すようなクランプ２５を用いた。本クランプ２５は図６（Ｂ）のＸ方向には容易に変形可能であるがＹ方向など部材軸方向には充分な引張強度を有する。図６（Ｃ）はクランプされた状態を示す。このクランプ２５は鋼製でも、またプラスチック製でもよい。
【００２６】
また、図７には桁同士を連結するＬ型クリップ２７を示す。図７（Ａ）はその形状を示し、図７（Ｂ）にはこのクリップ２７で連結の過程を示し、図７（Ｃ）には最終的に連結した状態を示す。以上のように種々の連結方法がある。いずれの場合も、本発明のライナーピース１０はボルトによる結合をしなくとも構造的にはなりたつので、組み立て時間を大きく短縮できる。
【００２７】
上記の実施態様において、ライナーピース１０の枠体の内部には何も詰めずに空洞にしておくこともでき、またコンクリ−ト、或いは鉄筋コンクリ−トを詰めてもよい。この場合には更にライナーピースの剛性を高めることができる。
【００２８】
また、上記ライナーピース１０同士を組み立てる際の他の態様を図８に示す。二つのライナーピースを連結する際にその連結部にネオプレン等の水膨張性のシ−ル材２８を挿入することが望ましい。更に、シ−ル材２８がその効果を発揮するようにライナーピースのスキンプレート１８と桁（１２、１３、１４、１５）との接合部は溶接（２９）により滑らかにしておくことが望ましい。このようにするとトンネル内の地山側からの漏水を防止することができるためである。
【００２９】
本発明では、ライナーピースの枠体が山形鋼であるので、外側に凸となっている部分の角部を切り落としておくことが望ましい。通常山形鋼の頂点は小さい半径の円弧状となっているが、内側の円弧と外側の円弧の半径は必ずしも同一でない。そこで、角部を切り落としておくと二つの山形鋼は隙間がなく接触できるからである。なお、図８においては二つの山形鋼はピン２０で連結しているが、ピンに限らずクランプ２５でも、またＬ形クリップ２５で連結してもよい。
【００３０】
本発明のライナーピース１０は山岳トンネルにおける合理的覆工材を提供する目的で発明されたものであるが、従来のシールド工法における覆工材（セグメント）としても使用可能である。
【００３１】
【実施例】
図１、図２に示すように、直径５ｍのトンネルをライナーピース１０で覆工した。桁材として、７５×７５ｍｍの山形鋼を用いたライナーピース１０を用いた。スキンプレート１８は４．５ｍｍ厚の鋼板を用い、５個のライナーピース１０を組立て、円形断面となるようにした。ライナーピース１０間の主凸桁１４、１５間、副凸桁１２、１３間は山形鋼同士で図のように嵌合させた。
【００３２】
ライナーピース１０間の連結は、前述した図４〜図７に示すような方法を用いた。図４に示すような頭付きピン２０を用いると、ボルトと異なり差し込むだけでよく、施工が容易であった。ピン２０は１ピース１箇所で充分であった。ライナーピース１０の位置によっては、ピン２０の頭が常に上になるようにした。
【００３３】
特別にピース間をクランプすることはせずに一定区間ごと（この例では５００ｍおき）にライナーピース１０内部よりロックボルト３０を施工し、ライナーピース１０のトンネル軸方向の移動を防いだ。この場合、Ｋピースを挿入するまでの間、Ａ，ＢピースはＴＢＭ後方に設けられた支持装置（図示せず）により保持できた。
【００３４】
また図７に示すようなＬ型クリップ２７を山形鋼フランジのピン孔に挿入し、（Ｂ）図のように回転させるとピンの▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の部分で山形鋼の２枚のフランジをクリップすることができる。
【００３５】
このようにして施工されたライナーピース１０に周辺地山より土圧が作用した場合、トンネルの軸方向継手部で山形鋼が充分嵌合しているので、せん断ずれに対し十分抵抗でき、また、ライナーピース１０間継手部に作用するモーメントに対しても隣接するリングにより十分抵抗でき、ライナーピース１０は構造物として充分安全であった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明では、上記の構成をとることにより、下記の効果が得られる。
・シールド工事用セグメントに比べ、簡単であるので低コストで生産可能である。
・ライナーピース同士の結合をボルトによって行わないので、組立てが簡単であり、ＴＢＭの高速掘進の支障とならない。
・本発明に係るライナーピースは、山形鋼を使用しているので、枠同士の嵌合が容易であるため、従来のシールド用セグメントと異なり効率よくライナーピースを組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るライナーピースの形状を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図２】本発明に係るライナーピースでトンネルのリングを構成した場合の組み合わせを示す図である。
【図３】本発明に係るライナーピースでトンネルを覆工した場合のトンネルの内面を展開し、種々のライナーピースの組み合わせを示す図である。
【図４】本発明に係るライナーピースを頭付きピンで連結した状態を示す図である。
【図５】本発明に係るライナーピースをロックボルトでトンネル内壁に固定した状態を示す図である。
【図６】本発明に係るライナーピースをクランプで連結する過程を示す図である。
【図７】本発明に係るライナーピースをＬ型クリップで連結する過程を示す図である。
【図８】本発明に係るライナーピースを連結する他の態様を示す図である。
【図９】従来の鋼製セグメントを示す図である。
【図１０】従来の鋼製セグメントを連結する態様を示す図である。
【符号の説明】
１０ ライナーピース
１２ 副凸桁
１３ 副凹桁
１４ 主凸桁
１５ 主凹桁
１７ 補強リブ
１８ スキンプレート

Claims (7)

1. トンネル内壁の覆工材であって、下記の
   特徴を有するライナーピース。
   （ａ）山形鋼で形成された、一定の幅と長さを有し、長辺を構成する２本の桁と、
   山形鋼で形成された、一定の幅と長さを有し、短辺を構成する２本の桁と
   を連結して構成された長方形の枠体であって、
   （ｂ）前記枠体の少なくとも外側の面がスキンプレートで覆れており、
   （ｃ）前記長辺の２本の桁はそれぞれ外側に凸である桁（主凸桁という）と外側に凹である桁（主凹桁という）であり、前記短辺の２本の桁はそれぞれ外側に凸である桁（副凸桁という）と外側に凹である桁（副凹桁という）であって、
   （ｄ）かつ、前記主凸桁と主凹桁、及び、前記副凸桁と副凹桁はそれぞれ嵌合できるように
   構成されている。
2. 前記ライナーピースの二つの短辺が共に副凹桁又は共に副凸桁であることを特徴とする請求項１に記載されたライナーピース。
3. 前記ライナーピースの内側に短辺方向及び／又は長辺方向に一又は二以上の補強リブを設けたことを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載されたライナーピース。
4. 前記ライナーピースの長方形が等脚台形又は不等脚台形であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載されたライナーピース。
5. 前記ライナーピースが鋼製であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載されたライナーピース。
6. 前記ライナーピースの内側にコンクリ−トを充填したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載されたライナーピース。
7. 前記ライナーピースは、所定の曲率で湾曲し、この所定の曲率が円弧を形成するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載されたライナーピース。

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