JP4152234B2 - シールド掘削用繊維補強柱状体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、地中を掘削するシールド掘進機の発進又は到達のための発進到達部を有するトンネル掘進用立坑におけるシールド掘削用繊維補強壁体の構造に関するものであり、特に、シールド掘進機により切削可能な繊維補強壁体を構成するシールド掘削用繊維補強柱状体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トンネル掘進用立坑２００は鉄筋コンクリート製の壁体２０１及び底板２０２などにて構築されるが、立坑２００のシールド掘進機２０３が発進又は到達する開口部分には、シールド掘進機２０３により掘削が可能なように、繊維補強コンクリート壁体２０４を使用することが提案され、又実施されている。
【０００３】
つまり、立坑２００の鉄筋コンクリート製の壁体２０１は、Ｈ型鋼或いは箱形鋼などの鋼部材１０１とされる打込部材１００にて構築されているが、シールド掘進機２０３により切削可能な繊維補強コンクリート壁体２０４は、細長形状のシールド掘削用繊維補強コンクリート材１を縦方向に所定の間隔にて配列して構成される。図７に、シールド掘削用繊維補強コンクリート材１の一例を示す。
【０００４】
繊維補強コンクリート材１は、図８をも参照すると理解されるように、補強筋３として、炭素繊維、有機繊維などに樹脂を含浸して作製された繊維補強材、即ち、主筋（ＦＲＰロッド）３ａ及びスターラップ筋（ＦＲＰスターラップ）３ｂを、例えば、籠状に組み立て、石灰砕石を粗骨材とするコンクリート、即ち、高強度石灰石コンクリート２に埋設して構成される。このような構造の繊維補強コンクリート材１は、シールド掘進機２０３による掘削が可能である。
【０００５】
通常、繊維補強コンクリート材１は、断面が概略矩形状とされ、主筋３ａは、地山側及び掘削側に沿って配置されている。場合によっては、矩形状とする代わりに地山側と掘削側を連結する側面の中央部が凹んだ鼓型とされることもある。
【０００６】
また、繊維補強コンクリート材１の上下両端には、立坑２００の構成鋼部材１０１であるＨ型鋼或いは箱形鋼などに接続するための継手部１０が一体に形成される。継手部１０は、例えば、図７に示すように、連結金具１０ａ及び定着治具１０ｂ等を備え、連結金具１０ａの一端は、立坑構成鋼部材１０１に溶接、ボルトなどにより接続され、連結金具１０ａの他端は、例えば繊維補強コンクリート材１の作製時に一体に成形された定着治具１０ｂの鋼製端板１０ｃに溶接、ボルトなどにより一体に接続される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のシールド掘削用繊維補強コンクリート材１を使用した繊維補強コンクリート壁体２０４は、シールド掘進機２０３により掘削が可能であるという特長を有しているが、次のような問題があることが分かった。
【０００８】
つまり、上記構成のシールド掘削用繊維補強コンクリート材１を掘削側から地山側へとシールド掘進機２０３により切削していった場合に、主筋（ＦＲＰロッド）３ａ及びスターラップ筋（ＦＲＰスターラップ）３ｂ等のＦＲＰ補強筋３が必ずしもシールド掘進機２０３により細片状態に切削されるとは限らず、長尺の状態の切り屑が発生することが分かった。
【０００９】
このような長尺の切り屑は、コンクリート塊と共にシールド掘進機２０３のチャンバーに取り込まれ、チャンバーから排出される際に、チャンバー部取込口を閉鎖することがある。その場合には、シールド掘進機２０３を完全に停止し、人手でそのコンクリート塊を取り除くことをしなければならない。
【００１０】
また、地盤が軟弱な場合には、シールド掘進機２０３のチャンバに取り込まれないコンクリート塊がシールド掘進機２０３の切削用回転盤と一緒に廻ることもあり、地盤の緩み、延いては地盤の沈下を引き起こすこととなり、好ましくない。
【００１１】
又、本発明者らの研究実験の結果、図８に示すように、従来の断面が矩形、或いは鼓形の繊維補強コンクリート材１を使用し、シールド掘削用繊維補強コンクリート壁体２０４の構造を泥水固化壁或いは泥土モルタル壁構造とした場合などに、地山側の圧力により立坑側（掘削側）に抜ける、所謂、押抜き剪断を防止するには不十分であることが分かった。
【００１２】
従って、本発明の目的は、ＦＲＰ補強筋、コンクリート塊などの細片化を促進し、作業性を向上させることのできる、シールド掘進機により切削可能な繊維補強コンクリート壁体を構成するシールド掘削用繊維補強柱状体を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、シールド掘削用繊維補強コンクリート壁体の構造を泥水固化壁或いは泥土モルタル壁構造とした場合などにおいても、押抜き剪断を十分に防止することのできるシールド掘進機により切削可能な繊維補強コンクリート壁体を構成するシールド掘削用繊維補強柱状体を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体にて達成される。要約すれば、本発明は、シールド掘進機により切削可能な壁体を構成する細長形状のシールド掘削用繊維補強柱状体であって、
横断面形状が台形とされ、軸線方向に延在して成形されたマトリックス材と、前記マトリックス材の軸線方向に延在して、且つ、台形断面の長辺と短辺に沿って配列された繊維補強材と、
を有し、前記繊維補強材は、断面がＵ字形状とされ、Ｕ形状開口部が内側に位置するようにして配列されたことを特徴とするシールド掘削用繊維補強柱状体である。
【００１５】
本発明の一実施態様によれば、前記マトリックス材は、粗骨材として石灰砕石を含むコンクリート、軽量骨材コンクリート、又は、モルタル、又は、発泡樹脂である。
【００１６】
本発明の他の実施態様によれば、前記繊維補強材は、強化繊維シートに樹脂を含浸して形成される。この前記強化繊維シートは、強化繊維を前記シールド掘削用繊維補強柱状体の軸線方向に整列して配置した一方向配列強化繊維シートであるか、又は、クロス状の強化繊維シートとし得る。
【００１７】
本発明の他の実施態様によれば、少なくとも、前記シールド掘削用繊維補強柱状体の外周の全面に、或いは、部分的に被覆材を巻き付けて、樹脂で接着する。この被覆材は、強化繊維を前記シールド掘削用繊維補強柱状体の周方向に整列して配置した一方向配列強化繊維シートであるか、又は、クロス状の強化繊維シートとし得る。
【００１８】
本発明の他の実施態様によれば、前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、ボロン繊維等の無機繊維；チタン、スチール等の金属繊維；アラミド、ポリエステル、ポリエチレン、ナイロン、ビニロン、ポリアセタール、ＰＢО、高強度ポリプロピレン等の有機繊維；から選択されるいずれかの繊維であるか、或いは、前記繊維を複数種混入したハイブリッドタイプとされ、前記樹脂は、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、常温硬化型エポキシ樹脂、熱硬化型エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、又は、ＭＭＡ等のラジカル反応系樹脂を少なくとも一種以上含むことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体を図面に則して更に詳しく説明する。
【００２０】
実施例１
図１及び図２に本発明のシールド掘削用繊維補強柱状体１の一実施例を示す。
【００２１】
本実施例にて、図３に示すように、シールド掘削用繊維補強柱状体１は、その上下両端に、立坑２００の構成鋼部材１０１であるＨ型鋼或いは箱形鋼などが接続され、立坑２００のシールド掘削用繊維補強コンクリート壁体２０４を形成する打込部材１００を構成する。
【００２２】
従って、繊維補強柱状体１の上下両端には、立坑２００の構成鋼部材１０１であるＨ型鋼或いは箱形鋼などに接続するための継手部１０が一体に形成される。継手部１０は、従来と同様に、連結金具１０ａ及び定着治具１０ｂ等を備え、連結金具１０ａの一端は、立坑構成鋼部材１０１に溶接、ボルトなどにより接続され、連結金具１０ａの他端は、繊維補強柱状体１の作製時に一体に成形された定着治具１０ｂの鋼製端板１０ｃに溶接、ボルトなどにより一体に接続される。継手部１０の構造は、これに限定されるものではなく、当業者には周知のその他種々の構造が可能である。
【００２３】
本発明の特徴をなす細長形状のシールド掘削用繊維補強柱状体１は、図示するように、軸線方向に延在して成形された固化成形体、即ち、マトリックス材２と、このマトリックス材２の軸線方向に延在して配列された芯材としての繊維補強材３と、を有する。マトリックス材２は、その横断面形状が台形とされる。
【００２４】
本発明にて、繊維補強柱状体１の芯材を構成する繊維補強材３は、断面がＵ字形状とされ、台形断面の長辺１ａと短辺１ｂに沿って配列され、且つシールド掘削用繊維補強柱状体１の軸線方向に延在して互いに平行に配置されている。また、繊維補強材３のＵ形状開口部３Ａは、内側に位置するようにして配列される。このように配置することにより、繊維補強材３のＵ形状開口部３Ａの内側３面は、マトリックス材２と繊維補強材３とが付着し一体化する面積を確保することができる。
【００２５】
また、繊維補強材３を上述のように配置することによって、シールド掘進機による切削の終盤において、マトリックス材２から剥離した繊維補強材３が幅広の平板状に残存することを回避でき、且つ、柱状体１について所望の断面性能を確保しやすいという利点がある。
【００２６】
また、繊維補強材３は、本実施例では、図示するように、長辺１ａ及び短辺１ｂに沿って一列だけ配置されているが、一列である必要はなく、所望に応じて複数列、例えば、２列以上配置することができる。しかしながら、繊維補強材３は、できるだけ、繊維補強柱状体１の長辺１ａ及び短辺１ｂの表面に隣接して配置するのが有効である。つまり、繊維補強材３は、繊維補強柱状体１の最外縁に位置した方が補強の効果が大きい。
【００２７】
本発明のシールド掘削用繊維補強柱状体１は、図４に示すように、立坑壁体２０４の構成部材として使用する際には、長辺１ａ側がシールド掘進機２０３が配置された立坑２００の内側である掘削側に面し、短辺１ｂ側が地山側となるように配置される。
【００２８】
このように構成することにより、図４にて理解されるように、隣接する繊維補強柱状体１の側面間の空間部は、地山側から立坑側に狭くなった、所謂、楔形状とされる。従って、この楔形状部に施工された場所打ちモルタル等の部分が、即ち、隣接する繊維補強柱状体１の側面間に存在する場所打ちモルタル等の部分が地山側から立坑側に抜け落ちてこなくなり、押抜き剪断に対して十分な効果を達成し得る。
【００２９】
繊維補強柱状体１の断面台形形状は、所定の寸法形状に限定されるものではないが、通常、台形の長辺１ａの幅（Ｗ１）は３００〜２０００ｍｍ、短辺１ｂの幅（Ｗ２）は長辺１ａの幅（Ｗ１）より１０〜５０％だけ短くされ、高さ（Ｈ）は３００〜２０００ｍｍとされる。
【００３０】
本発明者らの研究実験の結果によれば、特に、長辺１ａと短辺１ｂの幅の差（Ｗ１−Ｗ２）が１０％未満の場合には、繊維補強柱状体１の側面にて滑りが起こりやすくなり、押抜き剪断に対して十分な効果を達成し得なくなることが分かった。つまり、施工後において隣接する繊維補強柱状体１の側面間に存在する場所打ちモルタル等の部分が地山側から立坑側にすっぽりと抜け落ちやすくなる。
【００３１】
繊維補強材３は、強化繊維シートに樹脂を含浸して形成されたＦＲＰ材であって、繊維補強柱状体１の成形型枠（図示せず）内に配置され、マトリックス材２が充填固化される。この時、必要に応じて、上述したように、定着治具１０ｂなどを繊維補強柱状体１と一体に成形することもできる。
【００３２】
マトリックス材２としては、通常、コンクリートが使用されるが、本発明に使用するコンクリートは、シールド掘進機２０３により切削可能なものとされ、従来使用されているような、粗骨材として石灰砕石を含む高強度石灰石コンクリートを好適に使用し得る。このような高強度石灰石コンクリートの配合の一例を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
更に、マトリックス材２としては、高強度石灰石コンクリートの他に、軽量骨材コンクリート、モルタル、又は、硬質ウレタン樹脂発泡体などの発泡樹脂を使用し得る。
【００３５】
また、Ｕ形状とされる繊維補強材３は、幅（ｗ）が２０〜１００ｍｍ、高さ（ｈ）が２０〜１００ｍｍ、厚さ（ｔ）が０．５〜１５ｍｍとされ、樹脂含浸繊維補強材３における強化繊維の体積含有率は、３３〜７５体積％とされる。
【００３６】
繊維補強材３の強化繊維シートは、強化繊維をシールド掘削用繊維補強柱状体１の軸線方向に整列して配置した一方向配列強化繊維シートを使用することができ、また、織成或いは編成されたクロス状の強化繊維シートを使用することもできる。
【００３７】
強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、ボロン繊維等の無機繊維；チタン、スチール等の金属繊維；アラミド、ポリエステル、ポリエチレン、ナイロン、ビニロン、ポリアセタール、ＰＢО、高強度ポリプロピレン等の有機繊維；から選択されるいずれかの繊維であるか、或いは、前記繊維を複数種混入したハイブリッドタイプとされる。
【００３８】
また、マトリクス樹脂としては、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、常温硬化型エポキシ樹脂、熱硬化型エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、又は、ＭＭＡ等のラジカル反応系樹脂を少なくとも一種以上含むものを使用することができる。
【００３９】
上記構成のシールド掘削用繊維補強柱状体１は、図１、図２に示すように、その外周に強化繊維シートなどとされる被覆材４を巻き付け、樹脂で繊維補強柱状体１外周に接着することができる。
【００４０】
このように、被覆材４を巻き付け接着することにより、繊維補強柱状体１の強度を増大すると共に、製品としての搬送、取扱中に万一の事故により、繊維補強柱状体１が破損するのを防止し得る。
【００４１】
図１、図２に示す実施例では、被覆材、即ち、繊維強化シート４は、長手方向全面に巻き付けられているが、長手方向に所定の空隙を設けて巻き付けても良い。この巻き付け用の強化繊維シート４は、周方向に強化繊維が配列された一方向配列強化繊維シートとし得るが、勿論、クロス状の強化繊維シートを使用しても良い。強化繊維シートを構成する強化繊維及び接着樹脂としては、上記繊維及びマトリックス樹脂を使用することができる。
【００４２】
本発明のシールド掘削用繊維補強柱状体１の効果を実証するために、下記仕様にて繊維補強材３を作製し、上記表１に示すコンクリートに埋設して繊維補強柱状体１を作製し、その圧縮強度、弾性係数などの機械的特性を測定した。測定結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
実験例
・Ｕ字形繊維補強材３の材料
強化繊維： 炭素繊維
マトリクス樹脂： ビニルエステル樹脂
強化繊維：マトリクス樹脂＝４０：６０（体積％）
・Ｕ字形繊維補強材３の寸法
補強材幅（ｗ）： ５０ｍｍ
補強材高さ（ｈ）：５０ｍｍ
厚さ（ｔ）： ６ｍｍ
・繊維補強柱状体１
台形長辺１ａの幅（Ｗ１）：３００ｍｍ
台形短辺１ｂの幅（Ｗ２）：２５０ｍｍ
台形高さ（Ｈ）： ５００ｍｍ
【００４５】
また、上記構成のシールド掘削用繊維補強柱状体１を使用して、図３に示す打込部材１００を作製して、図４に示すように泥水固化壁２０４を形成した。この壁体２０４を、直径７Ｍのシールド掘進機２０３にて切削した。極めて好適に切削することができ、又、切削した切り屑は細片化されており、繊維補強材３、コンクリート塊などによりシールド掘進機２０３のチャンバーが詰まることはなかった。
【００４６】
また、地山側の圧力により立坑側に抜ける、所謂、押抜き剪断を有効に防止することができた。
【００４７】
実施例２
図５に、本発明のシールド掘削用繊維補強柱状体１の他の実施例を示す。
【００４８】
本実施例では、個々に成型された中央の矩形部材１Ａ、及び、両側の異形部材１Ｂを組み合わせることによって、断面が台形とされるシールド掘削用繊維補強柱状体１が作製される。
【００４９】
なお、本実施例では、図示するように、個々に成型された中央の矩形部材１Ａ、及び、両側の変形部材１Ｂを、それぞれ被覆材４Ａ、４Ｂにて被覆し、その後、断面が台形となるように組み合わせた後に、全体を再度、被覆材４Ｃにて被覆する。被覆材４Ａ〜４Ｃは、実施例１の被覆材４と同様の構成とし、強化繊維シートを樹脂にて各部材１Ａ、１Ｂの周りに接着固化することによって形成される。定着治具１０は、その後、端部を成形加工することにより、一体に取り付けられる。
【００５０】
本実施例のシールド掘削用繊維補強柱状体１は、シールド掘進機２０３による切削にて生じる切り屑の細片化が更に向上する。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシールド掘削用繊維補強柱状体は、シールド掘進機により切削可能な壁体を構成する細長形状のシールド掘削用繊維補強柱状体であって、横断面形状が台形とされ、軸線方向に延在して成形されたマトリックス材と、マトリックス材の軸線方向に延在して、且つ、台形断面の長辺と短辺に沿って配列された繊維補強材と、を有し、繊維補強材は、断面がＵ字形状とされ、Ｕ形状開口部が内側に位置するようにして配列された構成とされるので、
（１）ＦＲＰ補強筋、コンクリート塊などの細片化を促進し、作業性を向上させることができる。
（２）シールド掘削用繊維補強コンクリート壁体の構造を泥水固化壁或いは泥土モルタル壁構造とした場合などにおいても、押抜き剪断を十分に防止することができる。
といった効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体の一実施例の横断面図である。
【図２】本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体の一実施例の斜視図である。
【図３】本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体を使用した打込部材の概略構成を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体を使用して構成される泥水固化壁の一実施例を示す断面図である。
【図５】本発明に係るシールド掘削用繊維補強柱状体の他の実施例の横断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、立坑の概略構成を示す縦断面図であり、図６（Ｂ）は、立坑内から見たシールド掘進機により切削可能な繊維補強壁体の構造を示す。
【図７】従来のシールド掘削用繊維補強柱状体の一例の横断面図である。
【図８】従来のシールド掘削用繊維補強柱状体を使用して構成される泥水固化壁の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シールド掘削用繊維補強柱状体
２ マトリックス材
３ Ｕ字状繊維補強材
４ 被覆材
１０ 継手部
１００ 打込部材
１０１ 鋼部材
２０４ シールド掘削用繊維補強コンクリート壁体

Claims (8)

1. シールド掘進機により切削可能な壁体を構成する細長形状のシールド掘削用繊維補強柱状体であって、
   横断面形状が台形とされ、軸線方向に延在して成形されたマトリックス材と、前記マトリックス材の軸線方向に延在して、且つ、台形断面の長辺と短辺に沿って配列された繊維補強材と、
   を有し、前記繊維補強材は、断面がＵ字形状とされ、Ｕ形状開口部が内側に位置するようにして配列されたことを特徴とするシールド掘削用繊維補強柱状体。
2. 前記マトリックス材は、粗骨材として石灰砕石を含むコンクリート、軽量骨材コンクリート、又は、モルタル、又は、発泡樹脂であることを特徴とする請求項１のシールド掘削用繊維補強柱状体。
3. 前記繊維補強材は、強化繊維シートに樹脂を含浸して形成されることを特徴とする請求項１又は２のシールド掘削用繊維補強柱状体。
4. 前記強化繊維シートは、強化繊維を前記シールド掘削用繊維補強柱状体の軸線方向に整列して配置した一方向配列強化繊維シートであるか、又は、クロス状の強化繊維シートであることを特徴とする請求項３のシールド掘削用繊維補強柱状体。
5. 少なくとも、前記シールド掘削用繊維補強柱状体の外周の全面に、或いは、部分的に被覆材を巻き付けて、樹脂で接着したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のシールド掘削用繊維補強柱状体。
6. 前記被覆材は、強化繊維を前記シールド掘削用繊維補強柱状体の周方向に整列して配置した一方向配列強化繊維シートであるか、又は、クロス状の強化繊維シートであることを特徴とする請求項５のシールド掘削用繊維補強柱状体。
7. 前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、ボロン繊維等の無機繊維；チタン、スチール等の金属繊維；アラミド、ポリエステル、ポリエチレン、ナイロン、ビニロン、ポリアセタール、ＰＢО、高強度ポリプロピレン等の有機繊維；から選択されるいずれかの繊維であるか、或いは、前記繊維を複数種混入したハイブリッドタイプとされることを特徴とする請求項３、４又は６のシールド掘削用繊維補強柱状体。
8. 前記樹脂は、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、常温硬化型エポキシ樹脂、熱硬化型エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、又は、ＭＭＡ等のラジカル反応系樹脂を少なくとも一種以上含むことを特徴とする請求項３〜７のいずれかの項に記載のシールド掘削用繊維補強柱状体。

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