JP4041232B2 - 鋼製セグメント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネルに使用される鋼製セグメントに関するものであり、特にシールドトンネルの直径が１５ｍ以上にも達するような大断面のシールドトンネルで、従来の直径６ｍ以下のシールドトンネルに比べてセグメントに作用する荷重が大きい場合およびその断面形状が従来の円形のみならず楕円形、馬蹄形、矩形などの異形断面となりセグメントに作用する曲げモーメントが大きい場合に適した鋼製セグメントに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
図１に示すシールドトンネル用の覆工体として従来用いられてきた鋼製セグメント５は、主桁１，１ａ、多数の縦リブ２、スキンプレート３、一対の継手板４により構成されて、必要に応じて２本以上の主桁が設置されている構成である。
主桁１，１ａは、スキンプレート３および縦リブ２を介して主桁１，１ａに伝達される土圧および水圧により発生するトンネル円周方向断面の圧縮力、曲げモーメントおよびせん断力に抵抗すること、および外側に設置された主桁１ａはトンネル軸方向に隣接するセグメントとボルトでセグメント相互を連結するための連結材としての機能を果たす。
縦リブ２は、主桁１，１ａと協働して土圧および水圧が直接作用するスキンプレート３の固定点としての機能およびシールドトンネルの施工時にシールドマシンを推進するためのジャッキの反力を受ける機能を果たす。
スキンプレート３は、土圧および水圧を直接的に受け止めて主桁１，１ａおよび縦リブ２に伝達する機能およびトンネル内部に地下水を侵入させないための遮水材としての機能、さらに主桁１，１ａおよび縦リブ２を補助する機能を果たす。
継手板４は、トンネル円周方向に隣接するセグメントとボルトにより連結するための連結材としての機能を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の機能を有する各部材を溶接により接合して鋼製セグメントは構成されているが、特に縦リブ２は数も多く鋼製セグメント総重量の２０〜３０％の重量を占めており、組立てにも時間がかかるとことから鋼製セグメントのコストダウンの大きな障害となっていた。
【０００４】
さらに、大断面のシールドトンネルでは鋼製セグメントに作用する圧縮力、曲げモーメントおよびせん断力が大きくなるためこれに従って主桁１、１ａの断面も大きくなる必要に迫られるが、主桁１，１ａの断面の高さ（鋼製セグメントの厚さ）を大きくして曲げモーメントに対して有効に抵抗しようとすると同時に作用する圧縮力により主桁の座屈が問題となり、補剛材を配置して座屈を防止するため鋼製セグメントに使用する部材数が増加し、鋼製セグメントの重量も増加するため鋼製セグメントのコストがアップする原因となる。
また、トンネルの径に対して断面積は２乗で大きくなるために、シールドマシンを推進するジャッキの反力も断面積に比例して大きくなるため鋼製セグメント総重量に占める縦リブ２の割合は、従来の６ｍ径以下シールドトンネル用の鋼製セグメントに比較すると大きくなり、鋼製セグメントのコストがアップする原因となる。
そこで、本発明は、近年、大断面化および異形断面化が進むシールドトンネル用として、トンネル覆工体として必要な強度および機能を発揮する安価な鋼製セグメントを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図２〜図５のいずれかに示す本発明の鋼製セグメントは、直径１５ｍ以上のシールドトンネルに用いられる鋼製セグメントであって、トンネル内空側と地山側に間隔をあけて配置される一対の面材と、前記鋼製セグメントの軸方向内側に配置され、前記一対の面材に固定されると共に前記一対の面材の間隔を保持する内部連結材と、前記面材のトンネル円周方向の端部に配置され、トンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結する周方向端部額縁材と、前記鋼製セグメントの軸方向端部に配置され、前記一対の面材に固定され、前記一対の面材の間隔を保持し、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部連結材と、で構成され、トンネル完成時にセグメントに作用する圧縮力と曲げモーメントおよびトンネル施工時にセグメントに作用する推進用ジャッキの反力に前記一対の面材で抵抗させ、トンネル完成時にセグメントに作用するせん断力に前記各連結材で抵抗させるように構成し、前記軸方向端部連結材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔と、ボルトを締めつけるための作業孔が設けられ、前記周方向端部額縁材には、周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、前記各連結材には、セグメント同士を連結するボルト締め作業のための半円形切欠部として構成され、適当な補強がなされたマンホールが周方向端部においてそれぞれ形成されていることを特徴とする。
このとき、前記鋼製セグメントの軸方向両端部に配置された軸方向端部連結材の代わりに、前記鋼製セグメントの軸方向端部に、対向する前記周方向端部額縁材間にわたって、面材の軸方向端部に沿ってトンネル周方向に配設され、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部額縁材と、で構成され、前記内部連結材が軸方向に所定の間隔をもって複数配置され、前記軸方向端部額縁材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられていてもよい。
また、このとき、補剛リブが、前記軸方向端部額縁材と前記内部連結材との間、及び、隣り合う前記内部連結材同士との間を、トンネル周方向に間隔をおいて平行に配設されて、前記軸方向端部額縁材および前記内部連結材並びに前記一対の面材のうちの内側の面材または外側の面材に溶接等により固着されていてもよい。
また、このとき、前記軸方向端部額縁材及び前記周方向端部額縁材には、軸方向及び周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、前記内部連結材が、トンネル軸方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に間隔をおいて配置された多数のトラス斜材であってもよい。
なお、本発明の鋼製セグメントでは、トンネル内空側の面材を内側フランジ６、地山側の面材を外側フランジ７、面材で構成された連結材をウェブ８，８ａと称する。
【０００６】
ウェブ８，８ａで連結された内側フランジ６および外側フランジ７は、一体として挙動しトンネル円周方向の断面に作用する圧縮力および曲げモーメントに抵抗し、トンネル円周方向の断面に作用するせん断力にはウェブ８，８ａが抵抗する。このように、内側フランジ６、外側フランジ７およびウェブ８，８ａは一体として挙動し、従来の鋼製セグメントでは主桁１，１ａが果たしていた機能を発揮する。
【０００７】
外側フランジ７は、トンネルに作用する土圧および水圧を直接的に受けるとともに、トンネル内部への地下水の侵入を防ぐ遮水材の機能を有することから従来の鋼製セグメントのスキンプレート３が果たしていた機能をも発揮する。
【０００８】
シールドトンネル施工中のシールドマシン推進用のジャッキ反力は内側フランジ６および外側フランジ７で受けるので、これらフランジは従来の鋼製セグメントの多数の縦リブ２が果たしていた機能をも発揮する。
【０００９】
従来の鋼製セグメントにおいて、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結材としての機能を果たしていた主桁１ａの機能は、本発明による鋼製セグメントにおいてフランジのトンネル軸方向の端部に配置されるウェブ８ａまたは額縁材９により発揮される。
また、従来の鋼製セグメントにおいて、トンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結材としての機能を果たしていた継手板４の機能は、本発明による鋼製セグメントにおいてフランジのトンネル円周方向の端部に配置される額縁材９ａにより発揮される。
【００１０】
前記のウェブ８ａおよびまたは額縁材９，９ａをトンネル軸方向またはトンネル円周方向に隣り合うセグメント相互の連結材として用いることにより、トンネル軸方向に隣接するセグメントまたはトンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結は、従来の鋼製セグメントで用いられていた方法により連結を行なうことが可能である。また、ウェブ８ａおよび額縁材９，９ａに止水用材料を設置するための溝１０を設けて止水材を設置すれば、従来と同様の方法を用いて連結部のセグメント間からの漏水を防止することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の鋼製セグメントにおける第１の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共に、トンネル周方向に延長する複数のウエブ８，８ａの上端部（トンネル半径方向の外縁部）および下端部（トンネル半径方向の内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化されている。
前記隣り合うウエブ８，８ａの上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８，８ａおよび前記各フランジ６，７に溶接等により固着されている。
【００１２】
前述のようにこの鋼製セグメントは、内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、ウェブ８ａ、額縁材９ａにより構成されている。この鋼製セグメントの場合は、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００１３】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７に発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこれに作用する軸圧縮応力は減少する。
【００１４】
ウェブ８およびウェブ８ａには板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＳ４００材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材のトンネル半径方向に最大８００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん応力度が発生する。また、ウェブ８ａにはトンネル軸方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト孔１１およびボルトを締めつけるための作業孔１２が設けられている。
ウェブ８およびウェブ８ａにはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のため半円形切欠部等のマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされている（図示を省略した）。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８ａにボルト孔１１設ける必要が無く、さらにウェブ８およびウェブ８ａにマンホール１３を設ける必要もない。
【００１５】
ウェブ８ａおよび額縁材９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝10を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００１６】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔に連通するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００１７】
図３は本発明の鋼製セグメントにおける第２の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に延長する複数のウエブ８の上端部（トンネル半径方向の外縁部）および下端部（トンネル半径方向の内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記ウエブ８は内側フランジ６の端部または外側フランジ７の端部から離れた位置に配設されている。前記隣り合うウエブ８の上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８および各フランジ６，７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長する狭巾の鋼製の額縁材９が配設されて、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６と外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００１８】
前述のようにこの鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントの場合は、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００である。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００１９】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７に発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこの作用する軸圧縮応力は減少する。
【００２０】
ウェブ８には板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材の半径方向に最大８００Ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん断応力度が発生する。
ウェブ８にはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされており（図示を省略した）、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８にマンホール１３を設ける必要もない。
【００２１】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
第２の実施例は、第１の実施例に比べフランジ端部に設置されるウェブ８ａが省略されることにより、鋼製セグメントの製作が容易になり、かつ、使用する鋼材の重量を少なくすることが可能である。
【００２２】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔に連通するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業を行なうことができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００２３】
図４は本発明の鋼製セグメントにおける第３の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に間隔をおいて配置された多数のトラス斜材１４の上下端部（トンネル半径方向の外縁部および内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記トラス斜材１４は内側フランジ６と外側フランジ７のトンネル軸方向両端部から中央よりに離れた位置に配設されている。
前記内側フランジ６と外側フランジ７の対向する内面側における縁部にそって、狭巾の鋼製板状の額縁材９，９ａが配置されて、各フランジ６，７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長す額縁材９が配設されて、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６と外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００２４】
前述のようにこの鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、トラス斜材１４、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントは、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００２５】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこれに作用する軸圧縮応力は減少する。
【００２６】
第１および第２の実施形態におけるウェブ８，８ａの代わりに第３の実施形態ではトラス斜材１４を用いているが、このトラス斜材１４はウェブと同じ効果を発揮する部材である。本実施例のトラス斜材１４は板厚ｔ＝３２ｍｍ、幅１５ｃｍで材質ＳＭ４９０材の板材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により板材には最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の軸引張応力度が発生する。
ウェブ８，８ａの代わりにトラス斜材１４を用いたことにより、トンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３を省略することが可能である。本実施形態においてもフランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。
【００２７】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００２８】
本実施例には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔を連結するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００２９】
図５は本発明の鋼製セグメントにおける第４の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に延長する複数のウエブ８の上下の端縁部（トンネル半径方向の外縁部および内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記ウエブ８は内側フランジ６と外側フランジ７の両端部から中央よりに離れた位置に配設されている。
前記隣り合うウエブ８の上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８および各フランジ６またはフランジ７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、トンネル周方向に対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長す狭巾の額縁材９が配設されて、前記額縁材９は、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６または外側フランジ７に溶接等により固着されている。ま前記額縁材９とウエブ８との間および隣り合うウエブ８間にトンネル周方向に間隔をおいて平行に多数の補剛リブ１５が配設されて額縁材９およびウエブ８並びに内側フランジ６または外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００３０】
前述のように、鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、補剛リブ１５、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントは、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は５０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり８００ｔ／ｍの反力が作用する。
【００３１】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，７００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこの作用する軸圧縮応力は減少する。
本実施形態では、トンネル軸方向に作用する推進ジャッキによりフランジに発生する圧縮応力によりフランジが座屈するのを防止するためフランジに補剛リブ15が設置されている。フランジのトンネル円周方向に作用する圧縮応力に対してはウェブ８および額縁材９が補剛リブの効果を果たしている。
【００３２】
ウェブ８には板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材の半径方向に最大８００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん応力度が発生する。
ウェブ８にはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされており（図示を省略した）、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８にマンホール１３を設ける必要もない。
【００３３】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００３４】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔を連結するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００３５】
第５の実施形態は、トンネルの断面形状が円形ではなく、楕円形、馬蹄形、矩形などの異形断面シールドトンネルの覆工体として、本発明の鋼製セグメントを用いる場合に関するものである。
異形断面のシールドトンネルでは、鋼製セグメントを連結してトンネル覆工体を構築した場合、覆工体の場所によりトンネル円周方向断面に作用する軸力、曲げモーメント、せん断力が異なるのが通常である。例えば、図６に示す楕円形断面のトンネル覆工体には楕円形の長径２１および短形２２に当たる部分のトンネル覆工体に作用する曲げモーメントが他の部分に比較して大きくなる。
このような場合には、フランジに使用する面材の板厚および材質は設計上必要とされる強度を満たすものであれば良い。また、図７に示すように曲げモーメントの大きい区間では、鋼製セグメント２３の高さ（厚さ）を高くなるように変化させて所要の曲げ抵抗力を得ることもできる。
さらに、第１〜第４の実施形態に示す鋼製セグメントのうち１種類の実施形態でトンネル覆工体を構成してもよく、また、第１〜第４の実施形態に示す鋼製セグメントを必要に応じて組み合わせトンネル覆工体を構成してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明による鋼製セグメントは、内側および外側のフランジによりトンネル円周方向断面に作用する軸圧縮力および曲げモーメントに抵抗する構造であるため従来の鋼製セグメントに比較して、効果的に作用力に対して抵抗できる。このため本発明の鋼製セグメントにより、従来の鋼製セグメントでは経済的に対応することができなかった大断面の様々な断面形状をしたトンネルの覆工体を経済的に築造することが可能となった。
また、従来の鋼製セグメントにおける縦リブの推力ジャッキを受ける機能を内側および外側のフランジに付与することにより構造を簡略化し、覆工面積当たりの材料費用および製作費用を大幅に低減できたことで安価な鋼製セグメントを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の鋼製セグメントの形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施例を示す斜視図である。
【図６】楕円形断面のシールドトンネルの長径と短径を説明する概略図である。
【図７】本発明の第５実施例を説明する概略図である。
【符号の説明】
１ 主桁（鋼製セグメントの内側に配置）
１ａ 主桁（鋼製セグメントの外側に配置）
２ 縦リブ
３ スキンプレート
４ 継手板
５ 鋼製セグメント
６ 内側フランジ
７ 外側フランジ
８ ウェブ（鋼製セグメントの内側に配置）
８ａ ウェブ（鋼製セグメントの外側に配置）
９ 額縁材（フランジのトンネル軸方向端部に配置）
９ａ 額縁材（フランジのトンネル円周方向端部に配置）
１０ 止水用材料を設置するための溝
１１ ボルト孔
１２ 作業孔
１３ マンホール
１４ トラス斜材
１５ 補剛リブ
１６ ウェブ
１７ 端部ウェブ
２１ 長径
２２ 短径
２３ 鋼製セグメント
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネルに使用される鋼製セグメントに関するものであり、特にシールドトンネルの直径が１５ｍ以上にも達するような大断面のシールドトンネルで、従来の直径６ｍ以下のシールドトンネルに比べてセグメントに作用する荷重が大きい場合およびその断面形状が従来の円形のみならず楕円形、馬蹄形、矩形などの異形断面となりセグメントに作用する曲げモーメントが大きい場合に適した鋼製セグメントに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
図１に示すシールドトンネル用の覆工体として従来用いられてきた鋼製セグメント５は、主桁１，１ａ、多数の縦リブ２、スキンプレート３、一対の継手板４により構成されて、必要に応じて２本以上の主桁が設置されている構成である。
主桁１，１ａは、スキンプレート３および縦リブ２を介して主桁１，１ａに伝達される土圧および水圧により発生するトンネル円周方向断面の圧縮力、曲げモーメントおよびせん断力に抵抗すること、および外側に設置された主桁１ａはトンネル軸方向に隣接するセグメントとボルトでセグメント相互を連結するための連結材としての機能を果たす。
縦リブ２は、主桁１，１ａと協働して土圧および水圧が直接作用するスキンプレート３の固定点としての機能およびシールドトンネルの施工時にシールドマシンを推進するためのジャッキの反力を受ける機能を果たす。
スキンプレート３は、土圧および水圧を直接的に受け止めて主桁１，１ａおよび縦リブ２に伝達する機能およびトンネル内部に地下水を侵入させないための遮水材としての機能、さらに主桁１，１ａおよび縦リブ２を補助する機能を果たす。
継手板４は、トンネル円周方向に隣接するセグメントとボルトにより連結するための連結材としての機能を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の機能を有する各部材を溶接により接合して鋼製セグメントは構成されているが、特に縦リブ２は数も多く鋼製セグメント総重量の２０〜３０％の重量を占めており、組立てにも時間がかかるとことから鋼製セグメントのコストダウンの大きな障害となっていた。
【０００４】
さらに、大断面のシールドトンネルでは鋼製セグメントに作用する圧縮力、曲げモーメントおよびせん断力が大きくなるためこれに従って主桁１、１ａの断面も大きくなる必要に迫られるが、主桁１，１ａの断面の高さ（鋼製セグメントの厚さ）を大きくして曲げモーメントに対して有効に抵抗しようとすると同時に作用する圧縮力により主桁の座屈が問題となり、補剛材を配置して座屈を防止するため鋼製セグメントに使用する部材数が増加し、鋼製セグメントの重量も増加するため鋼製セグメントのコストがアップする原因となる。
また、トンネルの径に対して断面積は２乗で大きくなるために、シールドマシンを推進するジャッキの反力も断面積に比例して大きくなるため鋼製セグメント総重量に占める縦リブ２の割合は、従来の６ｍ径以下シールドトンネル用の鋼製セグメントに比較すると大きくなり、鋼製セグメントのコストがアップする原因となる。
そこで、本発明は、近年、大断面化および異形断面化が進むシールドトンネル用として、トンネル覆工体として必要な強度および機能を発揮する安価な鋼製セグメントを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図２〜図５のいずれかに示す本発明の鋼製セグメントは、直径１５ｍ以上のシールドトンネルに用いられる鋼製セグメントであって、トンネル内空側と地山側に間隔をあけて配置される一対の面材と、前記鋼製セグメントの軸方向内側に配置され、前記一対の面材に固定されると共に前記一対の面材の間隔を保持する内部連結材と、前記面材のトンネル円周方向の端部に配置され、トンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結する周方向端部額縁材と、前記鋼製セグメントの軸方向端部に配置され、前記一対の面材に固定され、前記一対の面材の間隔を保持し、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部連結材と、で構成され、トンネル完成時にセグメントに作用する圧縮力と曲げモーメントおよびトンネル施工時にセグメントに作用する推進用ジャッキの反力に前記一対の面材で抵抗させ、トンネル完成時にセグメントに作用するせん断力に前記各連結材で抵抗させるように構成し、前記軸方向端部連結材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔と、ボルトを締めつけるための作業孔が設けられ、前記周方向端部額縁材には、周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、前記各連結材には、セグメント同士を連結するボルト締め作業のための半円形切欠部として構成され、適当な補強がなされたマンホールが周方向端部においてそれぞれ形成されていることを特徴とする。
このとき、前記鋼製セグメントの軸方向両端部に配置された軸方向端部連結材の代わりに、前記鋼製セグメントの軸方向端部に、対向する前記周方向端部額縁材間にわたって、面材の軸方向端部に沿ってトンネル周方向に配設され、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部額縁材と、で構成され、前記内部連結材が軸方向に所定の間隔をもって複数配置され、前記軸方向端部額縁材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられていてもよい。
また、このとき、補剛リブが、前記軸方向端部額縁材と前記内部連結材との間、及び、隣り合う前記内部連結材同士との間を、トンネル周方向に間隔をおいて平行に配設されて、前記軸方向端部額縁材および前記内部連結材並びに前記一対の面材のうちの内側の面材または外側の面材に溶接等により固着されていてもよい。
また、このとき、前記軸方向端部額縁材及び前記周方向端部額縁材には、軸方向及び周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、前記内部連結材が、トンネル軸方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に間隔をおいて配置された多数のトラス斜材であってもよい。
なお、本発明の鋼製セグメントでは、トンネル内空側の面材を内側フランジ６、地山側の面材を外側フランジ７、面材で構成された連結材をウェブ８，８ａと称する。
【０００６】
ウェブ８，８ａで連結された内側フランジ６および外側フランジ７は、一体として挙動しトンネル円周方向の断面に作用する圧縮力および曲げモーメントに抵抗し、トンネル円周方向の断面に作用するせん断力にはウェブ８，８ａが抵抗する。このように、内側フランジ６、外側フランジ７およびウェブ８，８ａは一体として挙動し、従来の鋼製セグメントでは主桁１，１ａが果たしていた機能を発揮する。
【０００７】
外側フランジ７は、トンネルに作用する土圧および水圧を直接的に受けるとともに、トンネル内部への地下水の侵入を防ぐ遮水材の機能を有することから従来の鋼製セグメントのスキンプレート３が果たしていた機能をも発揮する。
【０００８】
シールドトンネル施工中のシールドマシン推進用のジャッキ反力は内側フランジ６および外側フランジ７で受けるので、これらフランジは従来の鋼製セグメントの多数の縦リブ２が果たしていた機能をも発揮する。
【０００９】
従来の鋼製セグメントにおいて、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結材としての機能を果たしていた主桁１ａの機能は、本発明による鋼製セグメントにおいてフランジのトンネル軸方向の端部に配置されるウェブ８ａまたは額縁材９により発揮される。
また、従来の鋼製セグメントにおいて、トンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結材としての機能を果たしていた継手板４の機能は、本発明による鋼製セグメントにおいてフランジのトンネル円周方向の端部に配置される額縁材９ａにより発揮される。
【００１０】
前記のウェブ８ａおよびまたは額縁材９，９ａをトンネル軸方向またはトンネル円周方向に隣り合うセグメント相互の連結材として用いることにより、トンネル軸方向に隣接するセグメントまたはトンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結は、従来の鋼製セグメントで用いられていた方法により連結を行なうことが可能である。また、ウェブ８ａおよび額縁材９，９ａに止水用材料を設置するための溝１０を設けて止水材を設置すれば、従来と同様の方法を用いて連結部のセグメント間からの漏水を防止することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の鋼製セグメントにおける第１の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共に、トンネル周方向に延長する複数のウエブ８，８ａの上端部（トンネル半径方向の外縁部）および下端部（トンネル半径方向の内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化されている。
前記隣り合うウエブ８，８ａの上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８，８ａおよび前記各フランジ６，７に溶接等により固着されている。
【００１２】
前述のようにこの鋼製セグメントは、内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、ウェブ８ａ、額縁材９ａにより構成されている。この鋼製セグメントの場合は、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００１３】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７に発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこれに作用する軸圧縮応力は減少する。
【００１４】
ウェブ８およびウェブ８ａには板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＳ４００材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材のトンネル半径方向に最大８００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん応力度が発生する。また、ウェブ８ａにはトンネル軸方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト孔１１およびボルトを締めつけるための作業孔１２が設けられている。
ウェブ８およびウェブ８ａにはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のため半円形切欠部等のマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされている（図示を省略した）。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８ａにボルト孔１１設ける必要が無く、さらにウェブ８およびウェブ８ａにマンホール１３を設ける必要もない。
【００１５】
ウェブ８ａおよび額縁材９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝10を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００１６】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔に連通するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００１７】
図３は本発明の鋼製セグメントにおける第２の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に延長する複数のウエブ８の上端部（トンネル半径方向の外縁部）および下端部（トンネル半径方向の内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記ウエブ８は内側フランジ６の端部または外側フランジ７の端部から離れた位置に配設されている。前記隣り合うウエブ８の上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８および各フランジ６，７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長する狭巾の鋼製の額縁材９が配設されて、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６と外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００１８】
前述のようにこの鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントの場合は、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００である。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００１９】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７に発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこの作用する軸圧縮応力は減少する。
【００２０】
ウェブ８には板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材の半径方向に最大８００Ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん断応力度が発生する。
ウェブ８にはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされており（図示を省略した）、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８にマンホール１３を設ける必要もない。
【００２１】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
第２の実施例は、第１の実施例に比べフランジ端部に設置されるウェブ８ａが省略されることにより、鋼製セグメントの製作が容易になり、かつ、使用する鋼材の重量を少なくすることが可能である。
【００２２】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔に連通するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業を行なうことができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００２３】
図４は本発明の鋼製セグメントにおける第３の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に間隔をおいて配置された多数のトラス斜材１４の上下端部（トンネル半径方向の外縁部および内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記トラス斜材１４は内側フランジ６と外側フランジ７のトンネル軸方向両端部から中央よりに離れた位置に配設されている。
前記内側フランジ６と外側フランジ７の対向する内面側における縁部にそって、狭巾の鋼製板状の額縁材９，９ａが配置されて、各フランジ６，７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長す額縁材９が配設されて、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６と外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００２４】
前述のようにこの鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、トラス斜材１４、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントは、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は３０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり４７８ｔ／ｍの反力が作用する。
【００２５】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこれに作用する軸圧縮応力は減少する。
【００２６】
第１および第２の実施形態におけるウェブ８，８ａの代わりに第３の実施形態ではトラス斜材１４を用いているが、このトラス斜材１４はウェブと同じ効果を発揮する部材である。本実施例のトラス斜材１４は板厚ｔ＝３２ｍｍ、幅１５ｃｍで材質ＳＭ４９０材の板材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により板材には最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の軸引張応力度が発生する。
ウェブ８，８ａの代わりにトラス斜材１４を用いたことにより、トンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３を省略することが可能である。本実施形態においてもフランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。
【００２７】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００２８】
本実施例には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔を連結するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００２９】
図５は本発明の鋼製セグメントにおける第４の実施形態を示す斜視図である。この実施形態の鋼製セグメントの場合は、所要厚の鋼製面板からなる内側フランジ６と外側フランジ７が間隔をおいて平行に配置され、これらの間においてトンネル長手方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に延長する複数のウエブ８の上下の端縁部（トンネル半径方向の外縁部および内縁部）が前記各フランジ６，７に溶接等により固着されることにより、前記内側フランジ６と外側フランジ７が間隔を保持された状態で一体化され、かつ前記ウエブ８は内側フランジ６と外側フランジ７の両端部から中央よりに離れた位置に配設されている。
前記隣り合うウエブ８の上端部および下端部にわたって、それぞれ狭巾の鋼製の額縁材９ａが配置されて前記ウエブ８および各フランジ６またはフランジ７に溶接等により固着されていると共に、前記額縁材９ａのトンネル軸方向の長さは前記内側フランジ６または外側フランジ７と同じ寸法に設定され、トンネル周方向に対向する額縁材９ａ間にわたって、トンネル周方向に延長す狭巾の額縁材９が配設されて、前記額縁材９は、前記額縁材９ａおよび前記内側フランジ６または外側フランジ７に溶接等により固着されている。ま前記額縁材９とウエブ８との間および隣り合うウエブ８間にトンネル周方向に間隔をおいて平行に多数の補剛リブ１５が配設されて額縁材９およびウエブ８並びに内側フランジ６または外側フランジ７に溶接等により固着されている。
【００３０】
前述のように、鋼製セグメントは内側フランジ６、外側フランジ７、ウェブ８、補剛リブ１５、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａにより構成されている。この鋼製セグメントは、高さ８００ｍｍ、幅１，６００ｍｍ、長さ６，０００ｍｍである。この鋼製セグメントを適用するシールドトンネルの直径は２０ｍであり、設計計算によれば鋼製セグメントの円周方向断面に作用する最大の圧縮力は３８０ｔ／ｍ、最大の曲げモーメントは１８５ｔ＊ｍ／ｍ、最大のせん断力は１２５ｔ／ｍである。また、シールドマシンを推進するために必要とされる推進ジャッキの反力は５０，０００ｔであり、鋼製セグメントの周長１ｍ当たり８００ｔ／ｍの反力が作用する。
【００３１】
内側フランジ６および外側フランジ７には、板厚ｔ＝２２ｍｍで材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用する軸力と曲げモーメントにより面材の円周方向に最大２，０００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の圧縮応力度が内側フランジ６または外側フランジ７発生する。また、施工時には推進ジャッキの反力として、内側フランジ６および外側フランジ７にトンネル軸方向に最大１，７００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧縮力が作用するが、シールドマシンが前進して当該セグメントと離れて行くとこの作用する軸圧縮応力は減少する。
本実施形態では、トンネル軸方向に作用する推進ジャッキによりフランジに発生する圧縮応力によりフランジが座屈するのを防止するためフランジに補剛リブ15が設置されている。フランジのトンネル円周方向に作用する圧縮応力に対してはウェブ８および額縁材９が補剛リブの効果を果たしている。
【００３２】
ウェブ８には板厚ｔ＝１２ｍｍ、材質ＳＭ４９０材の面材を使用しており、トンネル円周方向断面に作用するせん断力により面材の半径方向に最大８００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度のせん応力度が発生する。
ウェブ８にはトンネル軸方向および円周方向に隣接するセグメントと連結するためのボルト締め作業のためマンホール１３が設けられ、このマンホール部分は適当な補強がなされており（図示を省略した）、フランジの周囲に配置された額縁材９，９ａに設けたボルト孔１１を用いてボルトにより隣接するセグメントとの接続を行なうものである。
セグメント同士を連結するためのボルト締め作業は、人力によっても良いし無人の機械化がなされれば好適である。さらに、ボルト結合以外の機械式などの連結装置によりボルト締め作業を排除できれば、ウェブ８にマンホール１３を設ける必要もない。
【００３３】
額縁材９，９ａには、セグメントの接続部からの漏水を防止するためシール材を設置するための溝１０を設けており、セグメント接続部の漏水防止に関しても従来の技術を用いることができる。
【００３４】
本実施形態には図示していないが、シールドトンネルと地山の間に裏込め充填を行なうための充填孔が必要な場合には内側フランジおよび外側フランジに開孔を設け、この開孔を連結するように配管を行なえば、従来の鋼製セグメントと同じ方法で裏込め作業ができる。
また、人力または無人機械化作業で連結用のボルトを締結する場合には、マンホールを設けてこの部分に適当な補強を施せばよく、さらに、トンネルの覆工完了後にセグメント内部にコンクリートを充填打設する必要がある場合には、コンクリート打設孔および空気抜き孔を内側フランジに設けこの部分に適当な補強を施せばよい。
これらシールドトンネル工事においてセグメントに必要とされる機能を本発明の鋼製セグメントに付加することは、本発明の効果になんら支障を与えるものではなく、本発明の一形態と見なすことができる。
【００３５】
第５の実施形態は、トンネルの断面形状が円形ではなく、楕円形、馬蹄形、矩形などの異形断面シールドトンネルの覆工体として、本発明の鋼製セグメントを用いる場合に関するものである。
異形断面のシールドトンネルでは、鋼製セグメントを連結してトンネル覆工体を構築した場合、覆工体の場所によりトンネル円周方向断面に作用する軸力、曲げモーメント、せん断力が異なるのが通常である。例えば、図６に示す楕円形断面のトンネル覆工体には楕円形の長径２１および短形２２に当たる部分のトンネル覆工体に作用する曲げモーメントが他の部分に比較して大きくなる。
このような場合には、フランジに使用する面材の板厚および材質は設計上必要とされる強度を満たすものであれば良い。また、図７に示すように曲げモーメントの大きい区間では、鋼製セグメント２３の高さ（厚さ）を高くなるように変化させて所要の曲げ抵抗力を得ることもできる。
さらに、第１〜第４の実施形態に示す鋼製セグメントのうち１種類の実施形態でトンネル覆工体を構成してもよく、また、第１〜第４の実施形態に示す鋼製セグメントを必要に応じて組み合わせトンネル覆工体を構成してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明による鋼製セグメントは、内側および外側のフランジによりトンネル円周方向断面に作用する軸圧縮力および曲げモーメントに抵抗する構造であるため従来の鋼製セグメントに比較して、効果的に作用力に対して抵抗できる。このため本発明の鋼製セグメントにより、従来の鋼製セグメントでは経済的に対応することができなかった大断面の様々な断面形状をしたトンネルの覆工体を経済的に築造することが可能となった。
また、従来の鋼製セグメントにおける縦リブの推力ジャッキを受ける機能を内側および外側のフランジに付与することにより構造を簡略化し、覆工面積当たりの材料費用および製作費用を大幅に低減できたことで安価な鋼製セグメントを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の鋼製セグメントの形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施例を示す斜視図である。
【図６】楕円形断面のシールドトンネルの長径と短径を説明する概略図である。
【図７】本発明の第５実施例を説明する概略図である。
【符号の説明】
１ 主桁（鋼製セグメントの内側に配置）
１ａ 主桁（鋼製セグメントの外側に配置）
２ 縦リブ
３ スキンプレート
４ 継手板
５ 鋼製セグメント
６ 内側フランジ
７ 外側フランジ
８ ウェブ（鋼製セグメントの内側に配置）
８ａ ウェブ（鋼製セグメントの外側に配置）
９ 額縁材（フランジのトンネル軸方向端部に配置）
９ａ 額縁材（フランジのトンネル円周方向端部に配置）
１０ 止水用材料を設置するための溝
１１ ボルト孔
１２ 作業孔
１３ マンホール
１４ トラス斜材
１５ 補剛リブ
１６ ウェブ
１７ 端部ウェブ
２１ 長径
２２ 短径
２３ 鋼製セグメント
Claims (4)
- 直径１５ｍ以上のシールドトンネルに用いられる鋼製セグメントであって、
トンネル内空側と地山側に間隔をあけて配置される一対の面材と、
前記鋼製セグメントの軸方向内側に配置され、前記一対の面材に固定されると共に前記一対の面材の間隔を保持する内部連結材と、
前記面材のトンネル円周方向の端部に配置され、トンネル円周方向に隣接するセグメントとの連結する周方向端部額縁材と、
前記鋼製セグメントの軸方向端部に配置され、前記一対の面材に固定され、前記一対の面材の間隔を保持し、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部連結材と、
で構成され、
トンネル完成時にセグメントに作用する圧縮力と曲げモーメントおよびトンネル施工時にセグメントに作用する推進用ジャッキの反力に前記一対の面材で抵抗させ、
トンネル完成時にセグメントに作用するせん断力に前記各連結材で抵抗させるように構成し、
前記軸方向端部連結材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔と、ボルトを締めつけるための作業孔が設けられ、
前記周方向端部額縁材には、周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、
前記各連結材には、セグメント同士を連結するボルト締め作業のための半円形切欠部として構成され、適当な補強がなされたマンホールが周方向端部においてそれぞれ形成されていることを特徴とする鋼製セグメント。 - 前記鋼製セグメントの軸方向両端部に配置された軸方向端部連結材の代わりに、
前記鋼製セグメントの軸方向端部に、対向する前記周方向端部額縁材間にわたって、面材の軸方向端部に沿ってトンネル周方向に配設され、トンネル軸方向に隣接するセグメントとの連結をする軸方向端部額縁材と、で構成され、
前記内部連結材が軸方向に所定の間隔をもって複数配置され、
前記軸方向端部額縁材には、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鋼製セグメント。 - 補剛リブが、前記軸方向端部額縁材と前記内部連結材との間、及び、隣り合う前記内部連結材同士との間を、トンネル周方向に間隔をおいて平行に配設されて、前記軸方向端部額縁材および前記内部連結材並びに前記一対の面材のうちの内側の面材または外側の面材に溶接等により固着されていることを特徴とする請求項２に記載の鋼製セグメント。
- 前記軸方向端部額縁材及び前記周方向端部額縁材には、軸方向及び周方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔が設けられ、
前記内部連結材が、トンネル軸方向に間隔をおいて平行に配置されると共にトンネル周方向に間隔をおいて配置された多数のトラス斜材であることを特徴とする請求項２に記載の鋼製セグメント。
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