JP4022035B2

JP4022035B2 - シールドトンネル用鋼製セグメントの接合方法。

Info

Publication number: JP4022035B2
Application number: JP2000150306A
Authority: JP
Inventors: 良弘田中; 吉生安部
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP2001329792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネル用鋼製セグメントの接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中に複数のシールドトンネルを平行に構築し、そのシールドトンネル間を連結し、これを地中の壁やスラブとして利用し、この壁やスラブによって包囲した巨大な空間の内部を掘削して大型のトンネルを構築する方法が開発され、実際に現場で採用されている。
すなわちこの方法は、従来のような単体のシールド工法により構築した１本のシールドトンネルではなく、複数の矩形断面シールドを隣接して構築し、これらの単体シールド相互を剛結合した後に、内部にコンクリートを打設してこれらをトンネル外殻の躯体として、内部の土砂を掘削して大断面のトンネルを構築する工法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようなトンネルの構築で重要な課題は、次のような点にある。
＜イ＞すなわち単体シールドを掘進している際には、図６に示すように、鋼殻セグメントａの接合部ｂには曲げモーメントが働くので、これに鋼殻セグメントａのみで抵抗できるような接合方法が要求される。
＜ロ＞一方、最終の大型トンネルとしての外殻構造の躯体としては、図７に示すように鋼殻セグメント１の接合部２は全断面が引張または圧縮となる。
＜ハ＞接合部２が圧縮部となる場合は、コンクリートにより抵抗するので問題がないが、接合部２が引張部となる場合には、鋼殻セグメント１の鋼材が「鉄筋コンクリートにおける鉄筋の役割」をし、引張力に抵抗するので、接合部２においても、鋼殻セグメント１の鋼材と同等の引張力を伝達する必要がある。
＜ニ＞このように、単体シールドトンネル場合と、それらを連結した場合では接合部に対する外力の影響が異なるという問題があった。
【０００４】
【本発明の目的】
本発明は上記のような問題を改善するためになされたもので、単体シールドトンネルの工程でも、それらを連結してトンネル外殻の躯体とする工程でも、接合部が変形することがない、シールドトンネル用鋼製セグメントの接合方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために本発明の接合方法は、トンネル横断方向に鋼製セグメントを接合する方法であって、
鋼製セグメントは、トンネル横断方向に配置する横方向プレートと、
トンネル軸方向に配置して、横方向プレート間を連結する軸方向プレートと、
当該軸方向プレートから適宜離隔して、同じく軸方向に配置される仕切りプレートと、
地山に接触する外殻プレートとより構成するとともに、
前記軸方向プレートには、外殻プレートとは反対側に、切り欠き部が設けられており、
２基の鋼製セグメントを、トンネル横断方向に隣接して配置した後、
両セグメントの対向する軸方向プレート間をボルトで接合し、
トンネル横断方向に離隔する二枚の定着プレート間に複数本のジョイント鉄筋を配して固定して、
次いで、当該定着プレートとジョイント鉄筋を、両セグメントにまたがる
よう、前記軸方向プレートに設けた切り欠き部の上からトンネル横断方向に配置し、
前記横方向プレートと、仕切りプレートと、外殻プレートとによって囲まれた空間に、ジョイント鉄筋を囲むように、硬化剤を充填して行う
ことを特徴とするものである。
また、本発明にかかる他の接合方法は、
当該軸方向プレートと仕切りプレートとの間に、軸方向に配置されるせん断プレートを設け、
せん断プレートにも、切り欠き部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００６】
【本発明の実施の形態】
【０００７】
＜イ＞接合部の機能。
本発明の方法で接合した鋼殻セグメントは、ふたつの構造的な機能を有している。
その１つは、単体のシールドトンネルとして組み立てた時に、シールドの外側からの水圧や土圧に抵抗するように、鋼殻セグメントの接合部は曲げモーメントに抵抗できる必要が有る。そのために、本発明では、１次接合のボルトによりセグメント相互を接合して、接合部は単体シールドの構造体として水圧や土圧に抵抗する。
２つ目の機能は、連結後に複数個のシールドがトンネル外殻の構造体として機能するさいに、この接合部の鋼材が引張抵抗材として働くように、鋼殻セグメント相互を接合する。
このように、本発明の接合方法によれば、接合後には２つの機能を与えることができる。
【０００８】
＜ロ＞鋼製セグメントの構造。
本発明の接合方法の対象とする鋼殻セグメント１との全体形状は、ボックス形状を呈する。すなわち、基本形態は軸方向プレート１１と横方向プレート１２によって四角い枠組みを形成する。
軸方向プレート１１は、セグメント１を設置した場合に、トンネルの軸方向に配置されるプレート、横方向プレート１２はトンネルの横断方向に配置されるプレートである。
図１の実施例では、横方向プレート１２は両側と中央に３枚配置してある。
こうして横方向プレート１２と軸方向プレート１１によって構成した枠組みの１面に、地盤面に接触する外殻プレート１３を取り付ける。
そして軸方向プレート１１と横方向プレート１２に囲まれた枠組みの内部には、硬化剤の枠体として仕切りプレート１４などを横方向プレート１２と横方向プレート１２との間に配置する。
こうして平面的に「田」字を組み合わせた形状のセグメント１を構成する。
なお、シールド掘進機の掘進に際してはセグメント１に反力を取るために、トンネル軸方向に縦リブ１６を適宜配置して強度を確保する。
この縦リブ１６にはさらに、外殻セグメント１が「鉄筋コンクリート」における鉄筋のように、コンクリートとの間で付着力を伝達するためのせん断コネクターの役目がある。
なお、一般のセグメントと同様に、セグメント１の外周には溝を設け、その溝内に止水用のシール１７を埋めこむ。
【０００９】
＜ハ＞セグメント間の接合面。
鋼殻セグメント１を横断面方向に接合する接合面も軸方向プレート１１によって構成する。
この接合面の軸方向プレート１１には１次接合用のボルトを通す穴を貫通する。
さらに接合面の軸方向プレート１１の中央部には切り欠き部１１１を設ける。後述するように、この切り欠き部１１１を利用してジョイント鉄筋３を設置する。
接合面の軸方向プレート１１の外側面には細い溝を刻設する。この溝に止水シールを取り付けることができる。
【００１０】
＜ニ＞せん断伝達プレート。
側面の横方向プレート１２と、中央の横方向プレート１２との間には、軸方向に向けてせん断伝達プレート１５を配置する。その両端は両側の横方向プレート１２に、外殻プレート１３側の面は、外殻プレート１３に固定する。すなわちせん断伝達プレート１５は、トンネル軸方向に向けて配置されることになる。
このせん断伝達プレート１５にも軸方向プレート１１と同様に切り欠き部を設ける。
あるいは、鋼製のプレートの代わりに、アングルを横方向プレート１２と外殻プレート１３に溶接して固定し、せん断伝達プレート１５として機能させてもよい。
【００１１】
＜ホ＞ジョイント鉄筋。
上記した鋼製セグメント１の間をトンネルの横断方向に連結する際に、ジョイント鉄筋３を使用する。
このジョイント鉄筋３は、通常の鉄筋であるが、その両端に定着プレート３１を固定してある。
ジョイント鉄筋３の両端部に設ける定着プレート３１の固定方法としては、以下の２つの方法のいずれでもよい。
その１つは、別々の鉄筋の両端部に、最適な厚みと大きさを持つ鋼製プレートを定着プレート３１として摩擦圧接により固定するか、ネジ節鉄筋を用いてその端部に鉄筋径の穴のあいた鋼製プレートを、定着プレート３１としてロックナットにより固定する方法による。
別の方法としては、複数本の鉄筋をまとめて、これら鉄筋の端部に１枚の適当な厚みと大きさを有する鋼製プレートを、定着プレート３１としてロックナットによる固定する。
定着プレート３１が予め鋼製セグメントに配置してある場合にはジョイント鉄筋３の両端部には定着プレートを固定しない。
【００１２】
＜ヘ＞超高強度モルタルの一例。
鋼製セグメント１の接合面には後述するように硬化剤４として超高強度モルタルを充填する。
この超高強度モルタルとして、以下の配合を基本とする。
セメント、水、珪石の粉末、シリカフューム、珪砂、高性能減水剤を混合したモルタル・マトリックスに高強度鋼繊雑を容積で２％程度混入して得られる圧縮強度200−220ＭＰａ、曲げ強度40−45ＭＰａ、付着強度10−15ＭＰａ、弾性係数50〜60ＧＰａ、破壊エネルギー35000〜40000Ｊ／ｍ²の特性を持つ繊維補強の超高強度モルタルを用いる。
【００１３】
＜ト＞超高強度モルタルの他の例。
硬化剤４として以下の配合のものを使用することもできる。
セメント、水、珪石の粉末、シリカフューム、珪砂、高性能減水剤を混合したモルタル・マトリックスで、圧縮強度200−220ＭＰａ、曲げ強度35〜40ＭＰａ、付着強度10−15ＭＰａ、弾性係数45〜50ＧＰａ、破壊エネルギー20000〜35000Ｊ／ｍ²の特性を持つ。
【００１４】
【接合方法】
次に上記の鋼製セグメントの接合方法について説明する。
【００１５】
＜イ＞１次接合。
上記した鋼製セグメント１を組み立てる際は、まず１次接合ボルト６により相互のセグメント１を剛結する。ボルトによる接合であるから、作業は簡単で迅速に終了することができる。
１次接合ボルト６は、単体シールドとして接合面に作用する曲げモーメントに抵抗するために必要な本数と断面積のものを使用する。
従って、最終的に接合面において全断面に引張力が働く時に必要とする引張部材としては、実際には１次接合ボルト６が残っているが、設計的にこれを無視する。１次接合ボルト６の締め付けは、それぞれの締め付けトルクが一定になるように、トルクレンチにより締め付けることを原則とする。
シールド工法において、セグメント１の組み立て時間が全体工程のクリティカルになるので、本発明のように、容易に組み立てができる１次接合方法がよい。
【００１６】
＜ロ＞ジョイント鉄筋３の配置方法。
次に、端部に鋼製の定着プレート３１を固定したジョイント鉄筋３の鉄筋部分を、接合面の軸方向プレート１１に設けた切り欠き部に必要な本数だけセットする。
ジョイント鉄筋３の定着プレート３１は、せん断伝達プレート１５に対して、セグメント１の接合面の反対側に位置させる。
ジョイント鉄筋３のセットは、予定の位置に置くだけである。もしも接合部が上部にある場合は、固定治具を用意してジョイント鉄筋３を固定するか、簡易な点付け溶接でも良い。
【００１７】
＜ハ＞硬化剤の充填。（図２）
セグメント１に設けてある仕切りプレートと横方向プレート１２により囲まれた空間に、ジョイント鉄筋３を囲むように、硬化剤５を充填する。硬化剤５は例えば前記したような超高強度のモルタルを利用する。この時、ジョイント鉄筋３の総断面積は、鋼殻セグメント１の鋼材の横方向の総断面積と同等またはそれ以上とする。
起高強度モルタルは、高流動タイプのモルタルであるため、所定の位置に流し込こむだけでよい。実施例に示した超高強度モルタルの養生としては、高温を保つほうが早期強度を期待できる。接合部が上部にある場合は、モルタルを打設するまえに、軸方向プレート１１、横方向プレート１２、仕切りプレート１４に型枠を設置して、上端には予め空気抜きを設けておき、モルタルを下端より注入して空気だまりをなくする。
【００１８】
＜ニ＞硬化後の機能。
充填した硬化剤が硬化した後は、鋼殻セグメント１の接合面の全断面に引張力が作用した場合でも、横方向プレート１２と外殻プレート１３に設けたせん断伝達プレート１５とジョイント鉄筋３端部の定着プレート３１の間にある超高強度モルタルの圧縮、せん断抵抗、および付着抵抗を介して、ジョイント鉄筋３に引張力が伝達される。
その結果、接合部における引張耐力は、一般部の鋼殻セグメント１の鋼材が持つシールド横断面方向の引張耐力と同等またはそれ以上の耐力を有することができる。
【００１９】
＜ホ＞接合部の力の伝達メカニズム（図３）
１）セグメント１間の１次接合は、１次接合ボルト６により鋼殻セグメント１を横断方向に接合して行う。
接合面に働く曲げモーメントに対して、ボルト６は引張力により抵抗し、この反力を軸方向プレート１１の伝達することにより、接合面は曲げモーメントに抵抗する。
【００２０】
２）連結されたシールド内にコンクリートが打設されて、これが大型断面トンネルの外殻躯体として機能する場合には、接合面には全断面に引張力が作用する。接合面が保有すべき引張耐力としては、一般部の鋼殻セグメント１が持つ鋼材の引張耐力と同等の引張耐力が要求する。
【００２１】
３）その際の、―方の鋼殻セグメント１からもう一方の鋼殻セグメント１に引張力が伝達するメカニズムは以下の通りであり、図３に示す。鋼殻セグメント１に作用する引張力は、一般部では横方向プレート１２と外殻プレート１３により伝達する。
この引張力は、横方向プレート１２と外殻プレート１３に設けてあるせん断伝達プレート１５により、接合部に充填された硬化剤５にせん断伝達プレート１５の支圧力と付着力により伝達する。この伝達された力は、同時にジョイント鉄筋３の端部に付けられている定着プレート３１の支圧力となり鉄筋の引張力として伝達され、また鉄筋の付着力を介しても鉄筋に引張力として伝達する。特にせん断伝達プレート１５と鉄筋先端の定着プレート３１の間にある、硬化剤５には圧縮応力度が発生するために、硬化剤５にひび割れが発生することはない。
硬化剤として超高強度モルタルを使用すれば、通常のコンクリートに比較して圧縮強度が高いだけではなく、異径鉄筋に対する付着強度を非常に高くすることができ、さらに弾性係数が通常のコンクリートの３倍あるためにせん断応力場や支圧応力場を介して力が伝達する際のモルタルの変形が非常に小さくなる。その結果、接合部における伸び変形が小さくなる。ジョイント鉄筋３に伝達された引張力は、接合面を横断して次の鋼殻セグメント１側にある硬化剤５、定着プレート３１、せん断伝達プレート１５、横方向プレート１２、外殻プレート１３へと伝達する。
ジョイント鉄筋３の総断面積は、鋼殻セグメント１の鋼殻鋼材の総断面積と同等またはそれ以上としているので、接合面における引張耐力は、一般部の耐力を下回ることはない。
【００２２】
４）定着プレート３１が予め鋼製セグメントに設置してある場合に、引張力が伝達されるメカニズムは以下の通りである。すなわち横方向プレート１２と外殻プレート１３により伝達される引張力は、定着プレート３１に伝達され、直接的にジョイント鉄筋３に伝達される。
このとき、軸方向プレート１１やせん断伝達プレート１５と定着プレート３１に囲まれた硬化剤には圧縮応力度が発生して定着プレート３１が外側に変形することを防止する。引張力の一部は、充填した硬化剤の付着力を介して横方向プレート１２と外殻プレート１３からの引張力をジョイント鉄筋３に伝達する。
【００２３】
【本発明の効果】
本発明の効果を、従来の方法と比較して説明する。
【００２４】
１）従来のシールド工法とは異なり、最終的に大断面のトンネルを構築することを目的とする鋼殻セグメント１の接合方法において、本発明は１次接合と最終接合を分割することにより、シールド施工の施工速度を向上させることができる。
【００２５】
２）従来の方法では、軸方向プレート１１に切り欠き部を設けないで、本発明で用いている１次接合ボルト６を多く使用し、その本数によって軸方向プレート１１を介して接合する方法がとられている。この方法では、ボルトの本数を増やしても鋼殻セグメント１の鋼材と同等断面積のボルト鋼材を確保することが困難である。さらに、従来の方法では、引張力が接合ボルト６に作用した時、軸方向プレート１１が外側に変形するために、すべての接合ボルト６に均等の引張力が働くことはなく、軸方向プレート１１が変形しにくい横方向プレート１２付近のボルトが先に切れることになり、結局、接合部で必要とする引張耐力を確保することはできない。
【００２６】
３）一方、本発明の場合は、ジョイント鉄筋３としては、Ｄ51（直径51ｍｍの異径鉄筋）の太径鉄筋を用いることができるため、鋼殻セグメント１と同等の必要鋼材を接合面において確保できる。通常、鉄筋をラップ継手として用いた場合、ラップ長を直径の２５〜３０倍程度必要としている。本発明の場合には、鉄筋先端に定着プレート３１を設けていること、力をせん断伝達プレート１５へ伝える硬化剤として付着強度が通常のコンクリートの10倍以上を期待できる超高強度モルタルを用いていること、モルタル内部の力の伝達が鉄筋先端の定着プレート３１と横方向プレート１２のせん断伝達プレート１５とに囲まれたモルタルの圧縮抵抗によること、の理由により、接合部におけるジョイント鉄筋３の定着長は、鉄筋の直径の3〜4倍あれば十分である。
【００２７】
４）本発明の場合は、力の伝達方法が従来の接合方法のような軸方向プレー卜１１を介して接合ボルト６に伝達するのではないために、ジョイント鉄筋３に不均一な引張力が働らくことはなく、従って、鉄筋の総断面積が全て有効に引張抵抗部材として働く。その理由は、(1)引張力の主要伝達が、鉄筋先端の定着プレート１３と横方向プレート１２および外殻プレート１３のせん断伝達プレート１５との間で超高強度モルタルの圧縮抵抗を介して行われる。(2)その他の力の伝達を鉄筋周囲の付着抵抗と横方向プレート１２と外殻プレート１３の付着抵抗、さらに軸方向プレート１１と定着部材１３との間でのモルタルの圧縮抵抗を介して行われるために、横方向プレート１２や外殻プレート１３において局所的な引張歪みが発生しない。
【００２８】
５）従来の方法では、限られた軸方向プレート１１の面積の中で必要な鋼材断面積の接合ボルト６を配置しようとしても面積が不足して配置できないため、通常は、高強度のＰＣ鋼棒（降伏点が130ＭＰａ程度の鋼材）を用いる。この場合、もしも全てのボルトが均等に抵抗するとした場合、引張耐力の向上を図ることができる。しかし問題は、鋼材断面積が鋼殻セグメント１の一般部の鋼材断面積の約１／３になるために、接合部における引張のバネ値が一般部に比べて１／３になるために、接合部の開口変形が低い荷重レベルで発生することになり、耐久性の上から問題になる。
【００２９】
６）これに対して、本発明の方法は、ジョイント鉄筋３を通常のＳＤ345クラスの鉄筋材料を標準的に考えているため、接合部における鋼材の断面積は、鋼殻セグメント１の一般部のセグメント１の鋼材断面積と同等またはそれ以上であり、従って、接合面のバネ値は一般部と同等となり、接合部の開口変形は発生しにくくなり、耐久性の上から問題とならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合前の状態の説明図。
【図２】接合作業中の説明図。
【図３】接合後の機能の説明図。
【図４】ジョイント鉄筋の実施例の説明図。
【図５】本発明の接合方法の前提となる、鋼製セグメントを接合したトンネルの構築方法の説明図。
【図６】一般のシールドトンネルにおける曲げモーメント図。
【図７】本発明の接合方法の前提となる、鋼製セグメントを接合したトンネルにおける曲げモーメント図。

Claims

トンネル横断方向に鋼製セグメントを接合する方法であって、
鋼製セグメントは、トンネル横断方向に配置する横方向プレートと、
トンネル軸方向に配置して、横方向プレート間を連結する軸方向プレートと、
当該軸方向プレートから適宜離隔して、同じく軸方向に配置される仕切りプレートと、
地山に接触する外殻プレートとより構成するとともに、
前記軸方向プレートには、外殻プレートとは反対側に、切り欠き部が設けられており、
２基の鋼製セグメントを、トンネル横断方向に隣接して配置した後、
両セグメントの対向する軸方向プレート間をボルトで接合し、
トンネル横断方向に離隔する二枚の定着プレート間に複数本のジョイント鉄筋を配して固定して、
次いで、当該定着プレートとジョイント鉄筋を、両セグメントにまたがるよう、前記軸方向プレートに設けた切り欠き部の上からトンネル横断方向に配置し、
前記横方向プレートと、仕切りプレートと、外殻プレートとによって囲まれた空間に、ジョイント鉄筋を囲むように、硬化剤を充填して行う
シールドトンネル用鋼製セグメントの接合方法。
当該軸方向プレートと仕切りプレートとの間に、軸方向に配置されるせん断プレートを設け、
当該せん断プレートにも、切り欠き部が設けられていることを特徴とする
請求項１記載のシールドトンネル用鋼製セグメントの接合方法。