JP3944191B2 - 推進管の曲線推進時のクッション材の設計のための判断方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート管を用いる推進工事において、推進応力度を緩和するために使用されるクッション材の設計に関し、より具体的には、曲線状のトンネルを掘削するため推進管を土中に推進する際に、推進管の間に挿入されるクッション材を設計するための判断方法に関する。

遠心力鉄筋コンクリート管、いわゆるヒューム管等からなる推進管を土中に推進しながら、その先端で切り羽を掘削し、水路やケーブル敷設路等のトンネルを構築する推進掘削工法が広く採用されている。このような推進掘削工法では、立坑からトンネルを構築する地盤まで推進管を降ろし、そこから元押しジャッキや中間ジャッキ等を使用して推進管を地盤の中に押し進めながら、最も先の推進管の先端で切り羽を掘削していく。そして推進管を地盤の中に押し進めながら、順次推進管を継ぎ合わせ、継ぎ合わせられた前後の推進管の端面の突合せにより、前記ジャッキからの推進力が前方の推進管に伝達される。

このような推進掘削工法によりトンネルを掘削するに当り、掘削するトンネルにカーブの部分、いわゆる曲線部分がある場合、その曲線部分では、前後の推進管を、その突き合わせた継手部分で折り曲げて推進する。この場合、特許第２９０２５７６号公報に記載されたように、推進管の突き合わせた端面の間に圧縮変形可能なクッション材を挿入し、このクッション材の各部位の厚さを、推進管の端面の各部位に応じて異ならせることで、推進力をクッション材の全体に分散しながら推進することが提案されている。より具体的には、推進管の突き合わせた端面の間に挿入したクッション材の厚さを、推進管の曲がり軸の両側にいくに従って次第に厚くなるようにする。例えば、推進管を水平に推進する場合において、その水平な平面上を一方向に曲げて推進する場合、推進管の端面の縦の中心を曲がり軸とし、それより両側に離れるに従ってクッション材の厚さを次第に厚くする。
これにより推進管を土中を屈曲推進する際、クッション材に生じる圧縮応力を分散し、大きな応力が局所に集中することを避け、屈曲推進時の推進力を推進管を介して後方から前方へ正確に伝達することを可能とする。

このような曲線推進時の推進管では、クッション材を複数の円弧状のセグメント状部材により構成し、このセグメント状部材を適当に重ね合わせることで各部分の厚さを異ならせる。すなわち、クッション材の厚さの厚い部分はセグメント状部材の枚数が多くなり、圧縮率の低下により応力度が低下する。

従来において、前記のような曲線推進時における推進管に関する設計時のクッション材の設計の基準となる応力度は、推進管を真っ直ぐに推進するときに推進管が破損しない平均的な軸方向の応力度を実験で求め、これを許容平均圧縮応力度として直進推進時の設計基準としていた。そして、許容平均応力度と管の有効断面積の積を、推進管を真っ直ぐ推進する場合の推進力に対する推進管全体の耐力としていた。

ところが曲線推進では、クッション材に偏応力が作用し、コンクリートの破壊は最大応力度の作用する部分で生じることが分かっている。このことから、最大応力度の大きさを明確に求めることが、安全に推進施工が出来る第一条件となる。すわなち曲線推進においては、推進力による管軸方向の最大応力度を求め、その値が安全である様に設計する必要がある。

ところが従来の曲線推進における推進管とその間のクッション材の設計においては、このような設計がなされていない。現実には、クッション材の面積と前記の許容平均応力度より求めた耐力に、１／２や１／４といった根拠のない安全率を見込んだ値を乗じて推進管の推進耐力として計算していた。

曲線推進において前述のようなクッション材を使用した場合、クッション材の厚さや硬さ、管の曲げ角度および推進力等によりクッション材の圧縮量は変化し、応力度も変化する。また、使用するクッション材の圧縮特性は、弾性変形による直線変化ではなく、塑性変形による曲線変化である。従って、単純に許容平均応力度を使用することには問題がある。すなわち、従来の曲線推進における設計では、最大応力度を明確とせず、許容平均応力度を基準とするため、最大応力度がコンクリートの許容応力度を超えていることが有る等、適切な設計がなされない。このため施工時に推進管が破損する等の問題が生じているのが実状である。
特許第２９０２５７６号公報

本発明は、前記従来の推進管による管渠の曲線推進工事における前記クッション材の設計における課題に鑑み、その設計基準の曖昧さを是正し、施工時における推進管に生じる最大応力度を適正に評価し、これを基準としてクッション材の設計をすることで、適切な設計をすることを可能とするものである。

本発明では、前記の目的を達成するため、直線推進の設計で使用している許容平均圧縮応力度を基準とせずに、クッション材の最大応力度を基準としてクッション材の厚みを決定する。そのため、クッション材の圧縮率と応力度の関係を予め実験により把握し、その関係からクッション材の各部分の圧縮率に対する応力度を算定し、クッション材の最大応力度を求める。そしてこの最大応力度がコンクリートの許容応力度以下となるようにクッション材の厚さを決定する。

すなわち、本発明による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法は、クッション材の圧縮率と応力度の関係から、クッション材の圧縮率に対する応力度を算定し、クッション材の最大応力度が、コンクリートの許容応力度以下となるようにクッション材の厚さを決定するものである。この場合、クッション材の圧縮率と応力度の関係式は、クッション材の材料毎に実験を行い、実験値から近似式を求め、その式から圧縮率に対する応力度を計算する。

より具体的には、クッション材を平行に細分化し、その細分化されたクッション材の各セクション毎の面積ａと圧縮率とを求め、圧縮率から各セクション毎の応力度σcを求める。この場合の各セクションの圧縮率は、曲げ角度と最大圧縮量および前述の管中心線からの距離ｘより圧縮量を求め、その圧縮量のクッション材の初期厚さに対する比率として求める。この場合の各セクション毎の推力は、各セクション毎の面積ａと応力度σcとの積であり、推進管全体の推進力は、クッション材の各セクション毎の推力の合計となる。

このような本発明による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法では、直線推進の設計で使用している許容平均圧縮応力度を基準とせずに、クッション材の圧縮率と応力度の関係を予め求めておき、この関係からクッション材の或る部分の最大応力度が、コンクリートの許容応力度以下となるようにクッション材の厚さを決定するため、クッション材に偏応力が作用する曲線推進時においても、推進管の許容応力度に見合ったデータを決定することが出来る。

このような本発明による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法によれば、クッション材に偏応力が作用する曲線推進時においても、コンクリートの許容応力度に見合った設計値を決定することが出来るので、あらゆる条件での曲線推進において、最適なクッション材の選択とその厚み等の決定を行うことが出来るようになる。

本発明による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法では、直線推進の設計で使用している許容平均圧縮応力度を基準とせずに、クッション材の圧縮率と応力度の関係からクッション材に生じる最大応力度を基準としてその設計値を決定するようにし、前記の目的を達成するようにしたものである。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。

図１は、前後の推進管１１ａ、１１ｂを継ぎ合わせた部分の平面図である。この図は、推進管を水平に且つ真っ直ぐに推進する状態の例を示している。推進管１１ａ、１１ｂは、その端面が互いに突き合わせられているが、その端面の間にセグメント状のクッション材１８、１９、２０が全体としてリング状に組み立てられて挿入される。図２は、このクッション材１８、１９、２０を分解して示している。
クッション材１８、１９、２０は、発泡成形体、合板、繊維板、パーティクルボード等の圧縮変形可能な材料から作られた何れも円弧板状のセグメント状部材である。

図示の例では、円周方向に長さの異なる３枚１組のクッション材１８、１９、２０が使用されている。これらクッション材は、半周状のクッション材２０、２０が２つ円周方向に連なって３６０°のリング状となり、その他のより周方向に短いクッション材１８、１９を図示のようにクッション材２０の一部分に重ねることにより、段階的に厚さが変わるクッション材１８、１９、２０の複合体を構成している。すなわち、クッション材の複合体は、クッション材２０、２０だけの部分が最も薄く、３枚のクッション材１８、１９、２０が重なり合った部分が最も厚く、２枚のクッション材１８、１９が重なり合った部分がその中間の厚さとなる。すなわち、これらクッション材１８、１９、２０の複合体の厚さは３段階に変化する。

図３は、図１の状態に対して、前後の推進管が平面上で一方向に曲げられた、いわゆる曲線推進時において、前後の推進管の端面の間に挿入されたクッション材が圧縮変形された状態を示している。図３の上の図はクッション材の正面図であり、図３の下の図はクッション材の中央線に沿って厚さ方向に断面した形状を平面に投影して表している。
図３の上の図から明らかな通り、クッション材は基本的にはリング形状をしているが、その厚さは各部分により異なっている。既に述べた通り、図３は推進管を水平に推進する場合において、その平面上を一方に曲げて推進する場合のクッション材の形状を示している。前述したように、このような場合は、推進管の端面の縦の中心を曲がり軸とし、それより両側に離れるに従ってクッション材の厚さが順次段階的に厚くする。

図３の場合は、左側が曲がりの内側であり、右側が曲がりの外側である。図３の下の図のように、クッション材は曲がりの内側で圧縮されており、曲がりの外側部分では圧縮されていない。
このような場合を例にとると、図３の上の図のように、クッション材を縦に平行に分割し、それぞれセクションの分割Ｎｏ．を付す。図示の場合は、クッション材の最も左側のセクションをセクションＮｏ．１とし、順次図３の右側に分割Ｎｏ．２以降の分割番号を付している。

また使用するクッション材については、その圧縮率（％）とそのときの応力度（Ｎ／ｍｍ^２）との関係を求めておく。このクッション材の圧縮率（％）とそのときの応力度（Ｎ／ｍｍ^２）との関係は、実験により容易に求めることが出来る。その例を図４に示す。この図４に示した圧縮率と応力度との関係により、クッション材の圧縮率からその内部に生じている応力度を求めることが可能である。

作用反作用の法則から、推進管のコンクリートに生じる軸方向応力度は、使用したクッション材の応力度と等しいと仮定することが出来る。実際の曲線推進工事における曲げ角度、クッション材の初期厚さ及びクッション材の圧縮性状、推進管の推進力等からクッション材の各部分の圧縮率を計算により求めることが出来る。これにより、クッション材の各セクションのうち、圧縮率及び応力度が最大になる部分が分かるので、それを最大圧縮率および最大応力度として求める。
こうして求められる最大応力度が推進管のコンクリートの許容応力度以下になるように、クッション材の材質、厚さ等を設計する。

図３の下の図のように、クッション材は、曲線の外側では圧縮されてないが、左側の曲線内側では圧縮される。図３の上側の図にハッチングを施したセクション部分の圧縮量をｔｃとする。クッション材のそのセクション部分の圧縮率は、圧縮されたクッション材の厚さ、つまり圧縮量ｔcとその元の厚さｔから、圧縮率＝ｔc／ｔとなる。この圧縮率により、図４のクッション材の圧縮特性曲線の式から圧縮率に対応する応力度σcを求める。そのセクション部分の面積ａと応力度σcとの積をそのセクション部分の推力とする。

表１〜表６は、こうして求めた各セクション部分の圧縮量ｔc、圧縮率ｔc／ｔ、応力度σc及びその部分から得られる推力を示した例である。この例における曲げ角度は水平方向に１．５゜であり、分割Ｎｏ．１側が内側になるように曲げて推進している。クッション材の外径は１１６３ｍｍ、内径は１０２０ｍｍであり、その面積は約２４５．１７８ｍｍ^２である。クッション材の中央部分である分割Ｎｏ．２６〜５５の部分の厚さは２０ｍｍ、その両側のセクションである分割Ｎｏ．１５〜２５及び分割Ｎｏ．５６〜６５の部分の厚さは３０ｍｍ、最も外側のセクションである分割Ｎｏ．１〜１４及び分割Ｎｏ．６７〜８０の部分の厚さは４０ｍｍである。またこの表１〜表６には各セクションの推進管の中心軸からの距離ｘと、各セクションの面積ａが示されている。

クッション材の各セクション毎の推力は、各セクションの面積ａと当該セクションの応力度σcとの積ａ・σcである。この各セクション毎の推力ａ・σcをクッション材の全体について求め、これらを積算することにより、推進管の推進力が求められる。つまり、推進管の推進力は、推進力＝Σ（ａ・σc）である。この例では、推進力＝Σ（ａ・σc）＝１８００ｋＮとなる。

図５はこの例における各セクション毎の応力度分布をグラフで表したものであり、図６は各セクション毎の推力分布をグラフで表したものである。
この例において、最大応力度は、分割Ｎｏ．２６のセクションにおいてσc＝２２０４Ｎ／ｃｍ^２である。従ってこの例では、コンクリートの許容応力度を２５Ｎ／ｍｍ^２とすると、使用したクッション材の材質及び厚さは推力に対して安全と言える。

以上説明した例は、推進管を水平に推進する場合において、その平面上を一方に曲げて推進する場合のものである。また、クッション材の厚さを３段階に変えている。本発明による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法は、それ以外にも、推進管を縦、或いは斜め方向に曲げて推進される場合にも適用される。曲がり軸の方向が異なるだけに過ぎない。また、必要に応じてクッション材の厚さを均等厚や２段階あるいは４段階以上に変えた場合にも適用される。表１〜表６に示したようなクッション材の厚さが１段階、２段階或いは４段階以上となり、図５と図６に示すグラフが１段階、２段階或いは４段階以上のピークを示す点で異なるに過ぎない。

本発明の一実施例による推進管の曲線推進時のクッション材設計方法が適用される曲線推進用の推進管の例を一部切り欠いて示した平面図である。 同曲線推進用の推進管のクッション材を分解して示した斜視図である。 前後の推進管の端面の間に挿入されたクッション材が、曲線推進時に圧縮変形された状態を示しており、上の図がクッション材の正面図であり、下の図がクッション材の中央線に沿って厚さ方向に断面した形状を平面に投影した図である。 クッション材の圧縮率（％）とそのときの応力度（Ｎ／ｍｍ^２）との関係の一例を示すグラフである。 クッション材の各セクション毎の応力度分布の例を示すをグラフである。 クッション材の各セクション毎の推力分布の例を示すをグラフである。

Claims (2)

1. 鉄筋コンクリート製の推進管を使用し、曲線推進する時の前後の推進管の端面の間に挿入するクッション材の各部位の厚さを設計するための判断方法であって、クッション材を平行に細分化し、その細分化された各セクション毎に予め厚さを設定したクッション材について、当該クッション材について実験を行って予め求めた圧縮率と応力度との関係から前記各セクション毎の圧縮率に対する応力度を求めることにより、クッション材の最大応力度を求め、当該最大応力度がコンクリートの許容応力度以下となるか否かにより前記クッション材の各セクションの厚さの適否を判断し、その厚さを決定することを特徴とする推進管の曲線推進時のクッション材の設計のための判断方法。
2. 各セクションの圧縮率は、曲げ角度と最大圧縮量および推進管の中心線からの距離ｘより求めることを特徴とする請求項１に記載の推進管の曲線推進時のクッション材の設計のための判断方法。

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