JP4046128B2 - 部材間継手 - Google Patents

Description

本発明は、構築物などの部材どうしを連結するための部材間継手の構造に関するもので、例えばシールドトンネルに用いられるセグメントやユニット化した建築構造部材の連結などに利用することができる。

従来、構築物の部材間継手としては、ボルトとナットを用いた方法が良く知られている。シールドトンネルに用いられるセグメントの連結についてもこの方法による結合が一般的であるが、組立てをロボット化するためには、ボルト接合は作業が煩雑であるため、きわめて高度な技術を要し、コストも割高となる。

このため、ボルトとナットを使わずに、所定の強度を有するボルトレス継手構造が開発されている。ボルトレス継手を使ったセグメントの接合は、セグメントピースを組立てる際に、既設のセグメントピースに対して、次に接合すべきセグメントピースをシールドマシンの推進用のジャッキを用いてトンネル軸方向に押し込む方法が多く、一般的にワンパス嵌合と呼ばれている。

この方法では、隣接するセグメントのリング間の接合と、ピース間の接合を同時に行うことができる。

これらのうち、ピース間に用いられる継手に関し、例えば、特許文献１には、Ｔ型形状をなすオス継手と摺動可能な勾配部材をもつメス継手からなり、前記勾配部材が所定以上の力を受けることで固定機能を失う仮留め部材で所定の位置に仮固定されている継手が記載されている。

図４は特許文献１に示されたものと同様の継手である。この継手構造では、挿入力が与えられることにより、継手面間に締結力が導入され、部材どうしを結合することができる。このとき、図５に示すようなプロセスで接合される。以下に接合のプロセスを簡単に説明する。なお、Ｔ型部材３が付いている方がオス継手１、嵌合溝（スリット）４が入っている方がメス継手２である。

まず、継手面どうしが接するように、オス継手１側のＴ型部材３をメス継手２の嵌合溝４に向かう方向に設置し、油圧ジャッキ等を使って継手面と平行な方向に挿入力を与える（図５(a)参照）。

次に、Ｔ型部材３が嵌合溝４を通り（図５(b)参照）、勾配部材５と接触すると（図５(c)参照）、その勾配による楔効果により、継手間に締結力が導入される。

さらに挿入力を増加させると、勾配部材５を仮固定している仮留め部材６が破壊に至り、勾配部材５が摺動可能な状態となるので、そのまま所定の位置まで押し込んで嵌合が終了する（図５(d)参照）。

このとき、仮留め部材５のせん断耐力を調節することで、挿入力や締結力を制御することが可能である。

また、特許文献２には、オス継手に設けられた概略Ｔ字状のフランジ部分およびウェブ部分をメス継手に嵌入すると、オス継手のフランジと接触し、嵌入が進むにつれて、接触力が増加するテーパー面を有する部材が設けられ、接触力が所定値を超えて大きくなると、変形を生じてテーパー部材の摺動を生じさせるように設けられた保持部材からなる継手が示されている。さらに、保持部材として、せん断キー、せん断ピン、引張りピン、座屈材等が挙げられている。

一方、リング間継手については、例えば特許文献３に記載されているように、一方の継手面から突出する棒状のオス継手を他方の継手面に挿入孔を形成するメス継手に嵌合し、メス継手内に設けられた楔部材などで固定する形式のものが種々開発されている。

上述したワンパス嵌合の例として、例えばこの特許文献３に示されている継手をリング間の継手に用い、特許文献１や特許文献２に示されている継手をセグメントピース間の継手に用いるとワンパス嵌合可能な継手の組合せとなる。
特開２００２−３５７０９５号公報 特開２００１−２４８３９１号公報 特開２００１−１７３６２５号公報

シールドトンネルにおいて、図６に示すような、リングを形成するとき最後に挿入される継手面に勾配のついたセグメントピース（以下、「Ｋセグメント」という。）を嵌合する際、勾配の影響や両隣のセグメントピース（以下、「Ｂセグメント」という。）を同時に接合することの影響等により、締結力が十分に導入されなかったり、ジャッキ推力が想定以上に大きくなったりする問題が生じることがある。

例えば、施工誤差などにより、Ｂセグメント間隔が所定よりも広く設置されていたとすると、図７(a)の状態から嵌合が進むと、図７(b)に示すように、オス継手のＴ型部材３とメス継手２の勾配部材５は接触しているが、継手面どうしは隙間ｇ１が生じ、接していないという状態になる。

このときＢセグメントは他の既設セグメントピースによって、ほとんど固定された状態であるため、楔効果で引き寄せたとしても、継手面どうしが接触する前に仮留め部材６が破壊する可能性がある。

そのような場合に、仮留め部材６の破壊後、さらにＫセグメントを押し込むと、図７(c)に示すように、メス継手２と勾配部材５の間の摺動面７に隙間ｇ２が生じ、継手は不安定な状態になる。

次に、勾配部材５が不安定になるのを防ぐため、挿入荷重の方向と勾配部材５のスライドする方向が平行になるような構造を考える。特許文献２においては、セグメントの嵌入方向に対し継手面が傾斜している場合、摺動面を嵌入方向に一致させるために、メス継手の顎部分のうち接触部分を除いた他の部分をテーパー形状としている。

これと同様な構造として、図８(a)に示すようにメス継手２の内部をあらかじめ摺動面７の勾配をなくすような形状としておいたとする。このとき、仮留め部材６の破断後そのまま挿入を続けると、勾配部材５が不安定になることはないが、やがて図８(c)に示すように、継手面どうしが接触することで、勾配部材５がＴ型部材３に噛み込むことになり、所定の位置まで挿入できないか、もしくはＴ型部材３を無理やり広げるような相当大きな挿入力が必要となる。なお、図８の構造は製作コストの面でも実用的ではない。

本発明は上述のような課題の解決を図ったものであり、シールドトンネルのＫセグメント嵌合の場合のように、その形状や使用位置の関係などから、従来の構造では安定した接合部が得難い箇所についても、過大な挿入力を必要とすることなく容易に接合できる施工性、安定性に優れた部材間継手を提供することを目的としている。

本発明の部材間継手は、互いに接合しようとする一方の部材の継手面に形成された嵌合溝を有するメス継手と、他方の部材の継手面から突出し、前記メス継手の嵌合溝の溝連続方向に沿って嵌合されるオス継手とを有し、前記オス継手には前記メス継手の嵌合溝への嵌合により前記継手面どうしを引き寄せる方向の勾配を有する勾配部が形成されており、前記メス継手の嵌合溝内の所定位置には、前記オス継手の勾配部に対応する勾配を有しオス継手の勾配部と当接する勾配部材が、所定以上の力を受けることで固定機能を失う仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで該嵌合溝の溝連続方向に摺動可能となっている部材間継手において、前記勾配部材が前記メス継手と当接して第１摺動面を形成する第１勾配部材と、前記第１勾配部材と当接して第２摺動面を形成する第２勾配部材とからなり、前記第１勾配部材が前記メス継手の嵌合溝内の所定位置に、所定以上の力を受けることで固定機能を失う第１仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで前記第１摺動面で該嵌合溝の溝連続方向に摺動可能となっており、前記第２勾配部材が前記第１勾配部材に、所定以上の力を受けることで固定機能を失う第２仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで前記第２摺動面で摺動可能となっており、前記第２勾配部材が前記オス継手の勾配部に当接し、前記第１勾配部材と第２勾配部材によって前記オス継手の勾配部に対応する勾配が形成されていることを特徴とするものである。

このように、２段に勾配部材と仮留め部材を配することで、勾配部材が不安定な挙動を示したり、勾配部材が噛み込んで挿入荷重が相当大きくなるといった施工上の問題を解消することが可能となる。

メス継手と第１勾配部材および第１勾配部材と第２勾配部材とは、荷重が加わらない状態ではそれぞれ第１および第２仮留め手段で固定され相対的なすべりがないが、オス継手から第２勾配部材、さらに第２勾配部材から第１勾配部材に力が加わると、これらの摺動面において徐々にすべりが生じ、所定以上の力を受けて仮留め手段が固定機能を失うことになる。

第１および第２仮留め手段としては、特許文献１における仮止めボルトのようにボルトのせん断荷重で管理するものや、特許文献２におけるせん断ピン、せん断キー、引っ張りピン、座屈材などのように、オス継手の挿入嵌合の際に所定以上の力を受けることで固定機能を失う各種の仮留め手段が利用可能である。

請求項２は、請求項１の部材間継手において、前記第１仮留め部材が固定機能を失う力よりも前記第２仮留め部材が固定機能を失う力が小さくなるように設定してあることを特徴とするものである。

また、請求項３は、請求項１または２の部材間継手において、部材どうしを接合するために作用させる外力の方向と部材どうしの継手面のなす角度が鋭角であり、前記角度が前記第１勾配部材の勾配、すなわち前記第１摺動面と前記第２摺動面とがなす角度とほぼ一致することを特徴とするものである。

これら請求項２、請求項３の特徴を有することで、第１および第２仮留め部材が破断する順序をほぼ特定することができ、設計が容易となる。

この他、これらの勾配部材の摺動面に摩擦抵抗を低減するための処理を施すことにより、さらに挿入力を抑制し、安定したセグメントピースの嵌合が可能となる。

メス継手と第１勾配部材、あるいは第１勾配部材と第２勾配部材との摺動面に対する摩擦抵抗を低減するための処理としては、フッ素樹脂などの樹脂加工によるコーティングの他、摺動面の平滑度を上げたり、あるいは逆に表面に細かい凹凸を設け接触面積を低減するなどの表面加工を施す方法、摺動面に摩擦低減材料を塗布することなどが考えられる。

本発明の部材間継手によれば、互いに接合しようとする部材の継手面に形成されたオス継手をメス継手に嵌合して行く際、オス継手を容易にかつ確実に所定の位置まで嵌合でき、それにより所定の締結力を確保して接合することができる。

また、その際、ジャッキ等を用いて部材をスライドさせる必要があるが、そのジャッキ推力を小さくすることができる。

したがって、実施工に本発明の継手構造を採用することにより、現場での作業が効率化されるとともに施工の高速化を図ることができ、施工コストの縮減にも寄与する。

特に、シールドトンネルのＫセグメント嵌合の場合に、本発明の継手構造を利用すれば、Ｂセグメントの間隔が施工誤差により、若干広くなったり狭くなったりしても、勾配部材が抜け落ちたり、噛み込んだりといった問題が生じず、挿入力も過大とならずに安定したセグメントピースの嵌合が実施できる。

以下、本発明の具体的な実施形態を、添付した図面に基づいて説明する。図示した実施形態は、本発明の部材間継手を図６で説明したシールドトンネルのＫセグメント嵌合に適用した場合であり、その場合、Ｂセグメントまで施工されたとき、Ｂセグメントの間隔は施工誤差などによって所定の位置より広いときと狭いときが考えられる。

そこで、それぞれの場合について、本発明の構造ではどのような挙動になるのかを以下に説明する。

図１はＢセグメントの設置が所定の位置よりも広い場合のプロセスを示したものである。

本ケースでは、図１(a)の状態から、図１(b)に示すように、継手面が接触する前にオス継手１のＴ型部材３と第２勾配部材５が接触すると考えられる。このとき、Ｂセグメントはほぼ固定されているため、第１および第２勾配部材５ａ，５ｂによって若干引き寄せられるものの、継手面が接触するところまでは引き寄せられないとする。

図１(c)では、まず第２仮留め部材６ｂが破断し、第１および第２勾配部材５ａ、５ｂどうしが接している第２摺動面７ｂでスライドする。そして、そのままＫセグメントを押し込むと、今度は継手面どうしが接触することとなる。

このとき、継手面どうしの相対的な関係でみると、勾配部材が第１および第２勾配部材５ａ、５ｂと２段になっていることと、継手面に外力からの圧縮力が働くこと以外はほとんど従来の継手と同様で、継手面に沿って接合される。

したがって、最後に図１(d)に示すように、第１仮留め部材６ａが破断し、Ｋセグメントが所定の位置まで挿入されることで嵌合が終了する。

次に、図２はＢセグメントの設置が所定の位置よりも狭い場合のプロセスを示したものである。

本ケースでは、図２(a)の状態から、図２(b)に示すように、オス継手１のＴ型部材３と第２勾配部材５ｂが接触する前に継手面が接触し、Ｂセグメントが押し広げられながらＫセグメントが挿入される。この状態から更に押し込むと、図２(c)のようにＴ型部材３と第２勾配部材５ｂが接触する。

すると、継手面に圧縮力は入っているが、セグメントピースどうしを相対的にみると、従来の継手と同様の状態であることが分かる。つまり、２段になっている第１および第２勾配部材５ａ、５ｂが１つの勾配部材として機能し、図２(d)のように第１仮留め部材６ａが破断し、Ｋセグメントが所定の位置まで挿入されることで嵌合が終了する。

以上のように、本継手を使用すると、Ｂセグメントの間隔が施工誤差により、若干広くなったり狭くなったりしても、勾配部材が抜け落ちたり、噛み込んだりといった問題が生じない。

この場合、具体的には、図３に示すようにそれぞれの継手面に２箇所ずつ上下にオス継手１、メス継手２を配することで、Ｋセグメントをトンネル軸方向に挿入するだけで、４箇所の継手が同時に接合されることになる。

なお、第１および第２勾配部材５ａ、５ｂの摺動面、あるいはそのいずれかにコーティング材を塗布するなどして、摺動面の摩擦抵抗を低減することにより、さらに挿入力が抑制され、安定したセグメントピースの嵌合が実施できる。

本発明の継手においてＢセグメントの間隔が広い場合の接合プロセスの説明図である。 本発明の継手においてＢセグメントの間隔が狭い場合の接合プロセスの説明図である。 Ｂ−Ｋセグメントの継手に本継手構造を適用した場合の例を示す説明図である。 従来のセグメントピース間継手の例を示す斜視図である。 従来のセグメントピース間継手の接合プロセスの説明図である。 ＫセグメントとＢセグメントの関係を示す斜視図である。 Ｂ−Ｋセグメントの継手に従来の継手を使用した場合の説明図である。 Ｂ−Ｋセグメントの継手面に勾配をなくした場合の説明図である。

符号の説明

１…オス継手、２…メス継手、３…Ｔ型部材、４…嵌合溝（スリット）、５…勾配部材、５ａ…第１勾配部材、５ｂ…第２勾配部材、６…仮留め部材、６ａ…第１仮留め部材、６ｂ…第２仮留め部材、７…摺動面、７ａ…第１摺動面、７ｂ…第２摺動面

Claims (3)

1. 互いに接合しようとする一方の部材の継手面に形成された嵌合溝を有するメス継手と、他方の部材の継手面から突出し、前記メス継手の嵌合溝の溝連続方向に沿って嵌合されるオス継手とを有し、前記オス継手には前記メス継手の嵌合溝への嵌合により前記継手面どうしを引き寄せる方向の勾配を有する勾配部が形成されており、前記メス継手の嵌合溝内の所定位置には、前記オス継手の勾配部に対応する勾配を有しオス継手の勾配部と当接する勾配部材が、所定以上の力を受けることで固定機能を失う仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで該嵌合溝の溝連続方向に摺動可能となっている部材間継手において、前記勾配部材が前記メス継手と当接して第１摺動面を形成する第１勾配部材と、前記第１勾配部材と当接して第２摺動面を形成する第２勾配部材とからなり、前記第１勾配部材が前記メス継手の嵌合溝内の所定位置に、所定以上の力を受けることで固定機能を失う第１仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで前記第１摺動面で該嵌合溝の溝連続方向に摺動可能となっており、前記第２勾配部材が前記第１勾配部材に、所定以上の力を受けることで固定機能を失う第２仮留め手段によって仮固定され、固定機能を失うことで前記第２摺動面で摺動可能となっており、前記第２勾配部材が前記オス継手の勾配部に当接し、前記第１勾配部材と第２勾配部材によって前記オス継手の勾配部に対応する勾配が形成されていることを特徴とする部材間継手。
2. 前記第１仮留め部材が固定機能を失う力よりも前記第２仮留め部材が固定機能を失う力が小さくなるように設定してあることを特徴とする請求項１記載の部材間継手。
3. 部材どうしを接合するために作用させる外力の方向と部材どうしの継手面のなす角度が鋭角であり、前記角度が前記第１勾配部材の勾配、すなわち前記第１摺動面と前記第２摺動面とがなす角度とほぼ一致することを特徴とする請求項１または２記載の部材間継手。

Images