JP4243418B2

JP4243418B2 - トンネル用インバートセグメントと該セグメントを用いたシールドトンネルの覆工構造

Info

Publication number: JP4243418B2
Application number: JP2000193097A
Authority: JP
Inventors: 浩名倉; 俊雄小野; 忠美山口; 徹池上; 勉萩原
Original assignee: 株式会社間組
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: JP2002013394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネルの覆工構造、その施工方法、及びシールドトンネル用インバートセグメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシールドトンネルセグメントの一般的な形状は、図９（Ａ）に示すように、同じ厚さの円弧状セグメントａを組み合わせて単純なリング状としたもので、分割数は、外径φ２ｍ級で５分割、φ３〜６ｍ級で６分割程度である。
【０００３】
シールドトンネルでは、その機能に応じて底部にインバートを設ける。その機能としては、点検歩路、管内点検・清掃用機械の通路、トンネル内に収納する配管・配線などの基礎、軌道、道路、不陸の修正などである。厚さ、構造、表面形状、強度などはその機能によって異なる。
【０００４】
従来、インバート部の施工は、図１５（Ａ）に示す一次覆工終了後、仮設軌道を撤去しながら、図１５（Ｂ）に示すようにコンクリートｂを打設して行う。
【０００５】
シールド施工におけるセグメント等の資機材は、バッテリー機関車を使用することが一般的である。そのために、図１５（Ｃ）に示すように枕木（Ｈ鋼など）ｃやレールｄ等から構成される仮設軌道設備を設置する。図１６にその詳細を示す。そして、施工終了後、これらの仮設軌道設備を撤去する。
【０００６】
また、従来におけるシールドの施工は、シールド機の推進反力をシールドジャッキを伸ばすことによって、組立が終了したセグメントに取って、カッタによって地山を切削して掘進を行う。このときシールド機の姿勢制御は、使用するジャッキの選択によって旋回モーメントを発生させて行う。セグメント１リング分のストロークを終了した時点で掘進を終了し、エレクタによってセグメントを１ピースずつ組み立てる。
【０００７】
最近は、掘進と組立を同時に行う「同時掘進・組立施工」が開発されてきている。これは、掘進を行いながらセグメントを組み立てるものである。推進は、組み立てるセグメントピース範囲外のジャッキを使用して行い、推進反力は、前のリングの組立完了したセグメントだけでなく、当該リングの組立済みのピースにも取って行う。
【０００８】
従って、各ピースの組立にしたがい、シールド機の推力の確保と適切な施工モーメントを得るため、ジャッキパターンも大幅に変更していく必要がある。そのため、シールドジャッキが通常のシールド機よりも１リング分長くなる。また、使用するジャッキが制限されるため、姿勢制御をジャッキパターンで行うことが難しくなり、それを担保するために、ジャッキ本数を増やしたり、中折れ機構をリアルタイムに使用したり、ラティス式ジャッキを使用したりする。また、掘進にしたがい、セグメントを組み立てるエレクタがセグメントから離れていくため、エレクタをシールド機から分離した技術もある。
【０００９】
一方、機長が１リング分長くなるとか、ジャッキパターンの大幅な変更が必要などの問題を解決するため、セグメントの形状を六角形にしたり（ハニカムセグメント）、Ｔ型にしたり、螺旋状（スパイラルセグメント）がある。
【００１０】
従来の施工方法における各工程と、そこでの問題点を整理すると次のとおりである。
▲１▼ インバート施工
インバートを施工する場合、一次覆工完了後に別工程でコンクリートを打設してその施工を行う。
＜問題点＞
インバート施工の分、工期が長くなる（ただし、日進量は２０〜４０ｍ／日程度）。また、インバート施工に伴い、インバート部の清掃などがあり、工事費が余分にかかる。特に、長距離施工の場合、坑内のコンクリート輸送に時間を要し、日進量が低下してしまう。
【００１１】
▲２▼ 仮設軌道設備
セグメントや配管類の搬送のための台車及び後方台車の移動に必要なレールを、トンネルに並べた枕木としてのＨ鋼などに取り付ける。設置はシールド掘進と並行して行い、撤去はインバート部のコンクリート打設や二次覆工と並行して行うことが多い。
＜問題点＞
仮設軌道設備費用として鋼材費、その設置・撤去費用が必要となる。また、設置と撤去、さらに設置・撤去に伴う輸送の手間と費用が発生する。また、安全性の面から見ると、足場板などによる仮設通路の設置・撤去及び材料費が必要となる。また、通路以外の場所については、作業員の足下注意が必要で、作業性が落ちる。さらに、枕木はセグメントの上に固定せず、単に水平に仮置きしていることが多い。また、レールはレールクリップなどで枕木に固定している。従って、強固な構造とはいえず、脱線・転覆などを防ぐためにバッテリー機関車の走行速度を５〜１０ｋｍ／ｈと遅い速度に制限し、安全性を確保している。
【００１２】
▲３▼ シールド掘進・組立方法
従来のシールド工法ではセグメントをリング状に組み立てた後、組み立てられたセグメントを反力にしてシールド機の掘進を行うという作業を繰り返す。
＜問題点＞
組立と掘進作業を同時並行して行えないため、その分、進捗速度が遅く、工期がかかる。
【００１３】
▲４▼ 同時掘進・組立施工
推進は、組み立てるセグメントピース範囲外のジャッキを使用して行い、推進反力は、前のリングの組立完了したセグメントだけでなく、当該リングの組立済みのピースにも取って行う。
＜問題点＞
組立途中のリングは、リング間（円周方向）のみボルトで固定され、トンネル軸方向はフリーであることが多い。その結果、構造的に不安定であり、ＲＣセグメントを適用した場合、偏心した推力で欠けやクラックが発生しやすい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、
▲１▼ 一次覆工終了後に行うインバート部の施工が省略できて、トンネル施工の高速化が図れる。
▲２▼ レールや枕木などの仮設軌道設備の設置が簡略化できる。
▲３▼ 軌道設備の安定性が高まる。
▲４▼ セグメントの安定性が高く、セグメントの組立とシールド機の掘進の同時施工が可能となる。
等の優れた効果を発揮できる、シールドトンネルの覆工構造、その施工方法、及びシールドトンネル用インバートセグメントを提供することにある。
【００１５】
本発明では、インバート部を厚く形成し、その下面を円弧状にしたインバートセグメントにおいて、前記インバートセグメントのトンネル周方向の両端に突出する凸部を設け、これら凸部を含む平面形状を台形としたことを特徴とするトンネル用インバートセグメントを提供する。
【００１６】
インバートセグメントは、そのインバート部上に、枕木を用いなくともレールを直接敷設したり、排水溝や歩床などを形成できるように、下面を円弧面とするＤ形断面にする。
【００２１】
また、インバートセグメントのトンネル周方向の両端に上向きに突出する凸部を設け、これら凸部を含むインバートセグメントの平面形状が台形になるようにすれば、セグメント相互の隅角部が互いに食い違うため、継手部の止水性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１に示すように本発明では、１個の分厚いインバートセグメント１と通常セグメントである複数個のアーチセグメント２とで１組のセグメントリングを組み立てながら、シールド機（図示せず）を後述のように推進させてシールドトンネルを施工する。セグメントリングの分割はトンネル内空断面の大きさ等により決める。
【００２４】
アーチセグメント２は、内外両面が円弧面である通常の厚さの通常セグメント（いわゆるＡ型セグメントやＢ型セグメントやＫ型セグメントなど）で、従来と同じであり、その複数個でシールドトンネルの底部以外の部分（アーチ部）を構成する。
【００２５】
これに対してインバートセグメント１は、それだけでもってシールドトンネルのインバート部を構成するもので、アーチセグメント２に比べてインバート部を形成する部分だけ分厚くなっている。すなわち、インバートセグメント１は、外面（下面）は円弧面であるが、内面（上面）は平らな水平面であるＤ形断面となっており、鉄筋を埋設したコンクリート製（ＲＣ構造）で、いわばインバート部一体化構造となっている。また、インバートセグメント１のインバート部には、重量軽減のため、及び把持部として利用するため、前後面を貫通する複数個の貫通孔３が平行に設けられている。図の例では、内径が異なる大小の貫通孔が２本ずつ設けてある。
【００２６】
インバートセグメント１及びアーチセグメント２のいずれについても、それらのリング間継手面となる平坦な両端面４・５には、応力を分散する継手部が形成されている。すなわち、一方の端面４には、弧状の応力分散用凹部６、他方の端面５には弧状の応力分散用凸部７がそれぞれ形成され、応力分散用凹部６は、セグメント１又は２の一方の端面４に対して弧状に窪んで長手方向に延び、また応力分散用凸部７は、セグメント１又は２の他方の端面５に対して、応力分散用凹部６よりも少し小さい曲率半径で弧状に突出して長手方向に延びている。
【００２７】
そして、凹部６の曲面谷部の深さと凸部７の曲面頂部の高さとは等しく、これらを嵌合させたとき、曲率半径の違いによる微小な隙間を凹部６の内側にのみに形成して、凹部６の曲面谷部と凸部７の曲面頂部とが所要の面積をもって曲面接触するとともに、平坦な端面４・５同士が、凹部６と凸部７との嵌合部分の両側において滑動可能に平面接触する関係になっている。
【００２８】
このような凹部６と凸部７とによるリング間の継手部は、インバートセグメント１とアーチセグメント２とを組み立てたとき、同一円弧線上で連続するようになっている。
【００２９】
インバートセグメント１とアーチセグメント２との間のセグメント間、及びアーチセグメント２同士の間のセグメント間の継手部も、上記のようなリング間の継手部と同じ構造になっている。
【００３０】
次に、図２を参照して施工方法について説明する。
図２の▲１▼に示すように、インバートセグメント１を組み立てるとき、既に組み立てたリングのアーチセグメント２に推進ジャッキ８の反力を取ってシールド機９を掘進させる。
【００３１】
図２の▲２▼に示すように、設置したインバートセグメント１に推進ジャッキの反力を取ってシールド機９を掘進させながら、アーチセグメント２を組み立てる。図２の▲３▼はアーチセグメント２の組み立てが終了した状態である。
【００３２】
このようにして１リングを組み立てた後、図２の▲４▼に示すように、アーチセグメント２に推進ジャッキ８の反力を取ってシールド機９を掘進させながら、次のリングのためのインバートセグメント１を組み立てる。
【００３３】
１リングにおいて、アーチセグメント２同士を接合する場合には、図３に示すように、互いの応力分散用凹部６と応力分散用凸部７とを嵌合させ、緊締部材として例えばＣ形の曲がりボルト１０を用いて緊締することもできる。この場合、曲がりボルト１０を、ボルトボックス１１から両アーチセグメント２のボルト挿通孔１２に貫通させるが、曲がりボルト１０とボルト挿通孔１２との間には隙間が形成され、応力分散用凹部６と応力分散用凸部７との間にも上記のように隙間が形成されることから、この隙間分だけアーチセグメント２同士の変位が許容されて応力の分散が行われる。
【００３４】
また、インバートセグメント１とアーチセグメント２との接合は、同様に互いの応力分散用凹部６と応力分散用凸部７とを嵌合させた上、インバートセグメント１に埋設されたインサート金物（袋ナット等）１３に、アーチセグメント２のボルトボックス１４からボルト１５を斜めに螺合させて緊締することもできる。
【００３５】
リング間の接合も。応力分散用凹部６と応力分散用凸部７とを嵌合させた上、緊締するが、リング間のインバートセグメント１同士の緊締方法として次のような方法がある。
【００３６】
図４はコンクリートボックスタイプ、図５は通し長ボルトタイプ、図６はワンタッチジョイントタイプ、図７はコッタタイプである。各タイプの長所を挙げると、コンクリートボックスタイプは、資材費が安い、型枠が比較的簡易、通し長ボルトタイプは、資材費が比較的安い、型枠が比較的簡易、インバート部の断面欠損がない、ワンタッチジョイントタイプは、組み立てが比較的簡易、型枠が比較的簡易、インバート部の断面欠損がない、配筋が簡易、コッタタイプは、組み立てが容易、インバート部の断面欠損がほとんどない、配筋が簡易ということである。
【００３７】
本例のように、貫通孔３を設けたインバートセグメント１の場合には、リング間において貫通孔３を連通させることにより、排水や換気等のための管路として使用できる。また、インバートセグメント１をエレクタで把持する際に、貫通孔３を利用できるとともに、貫通孔３のような空隙を設けることにより、インバートセグメント１の軽量化が図れる。貫通孔３に代えてパイプ類を埋設しても同等の作用効果がある。さらに、インバートセグメント１自体を軽量コンクリートで製作して軽量化することも考えられる。
【００３８】
また、仮設軌道設備を取り付けられるように、インバートセグメント１上面にインサート金物を埋め込んでおくこともできる。図８は、インバートセグメント１に埋設したインサート金物１６を利用して、インバートセグメント１上面にレール１７を直接敷設した状態を示す。インバートセグメント１自体が枕木を兼ねるので、枕木は不要になり、インバートセグメント１上面とレール１７の間に硬質ゴムマット１８を敷き、レール１７のフランジ部を押さえる押さえプレート１９をインサート金物１６に固定するだけで、レール１７を敷設できる。
【００３９】
さらに、インバートセグメント１には、図９に示すように上面に排水溝１ａを形成したり、図１０に示すように歩床１ｂを形成したり、点検通路や配管基礎などを予め設けておくことができる。
【００４０】
また、図１１に示すように、インバートセグメント１のトンネル周方向の一端に上向きに突出する凸部１ｃを設ければ、図１２に示すように、トンネル軸方向に並ぶインバートセグメント相互において凸部１ｃが左右交互となる千鳥組にできる。
【００４１】
また、図１３に示すように、インバートセグメント１のトンネル周方向の両端に上向きに突出する凸部１ｃを設け、これら凸部１ｃを含むインバートセグメント１の平面形状が台形になるようにすれば、図１４に示すように、セグメント相互の隅角部が互いに食い違うため、継手部の止水性を向上させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明による効果を以下に列挙する。
▲１▼ インバート部分の施工及び清掃などの関連工事が省略できるため、工期・工事費の低減が可能となる。これは特に長距離・高速施工の場合、有効である。
▲２▼ 枕木に用いるＨ鋼や通路用足場板等が不要となるため、設置手間および工事費の低減が図れる。
▲３▼ インバートが切羽部分まで連続的に構築されているので、作業足場が安定し、作業効率が上がると共に安全性が向上する。
▲４▼ 枕木を使用することなく、レールをインバートセグメント上に直接敷設できるので、枕木にレールを設置する方法に比べると軌道設備の安定性が高まり、バッテリ機関車の脱線などの事故を防げる。また、走行時の安定性が増したことにより、バッテリ機関車の高速化が可能となる
▲５▼ 構造的に安定したインバートセグメントに反力を取りながらシールド掘進とアーチセグメントの組立を同時に行えるので、ＲＣセグメントを損傷させることなく、同時・掘進組立を施工することができる。
▲６▼ 組立と同時に完成時の重量が得られるため、浮き上がりが懸念される浅い土被りの施工に適している。
▲７▼ インバートセグメントに重量軽減のために設ける中空空間を、配管や配線などのスペースとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による覆工構造をリング間の継手部の詳細断面図と共に示す斜視図である。
【図２】本発明におけるセグメントの組み立て方法を説明する説明図である。
【図３】インバートセグメントとアーチセグメント、及びアーチセグメントとアーチセグメントのセグメント間での接合例を、その部分拡大図と共に示す簡略断面図である。
【図４】図４から図７は、リング間のインバートセグメント同士の緊締方法のタイプをそれぞれ示し、各図において（Ａ）は垂直断面、（Ｂ）は水平断面であり、図４はコンクリートボックスタイプを示している。
【図５】長ボルトタイプを示す。
【図６】ワンタッチジョイントタイプを示す。
【図７】コッタタイプを示す。
【図８】本発明における仮設軌道設備の設置例を、その部分拡大図と共に示す簡略断面図である。
【図９】上面に排水溝を形成したインバートセグメントの正面図である。
【図１０】上面に歩床を形成したインバートセグメントの正面図である。
【図１１】一端に凸部を形成したインバートセグメントを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１２】図１１のインバートセグメントを千鳥組とした斜視図である。
【図１３】両端に凸部を形成し、平面形状を台形としたインバートセグメントを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１４】図１３のインバートセグメントを用いたセグメント組立例の斜視図である。
【図１５】従来におけるインバート部の施工を（Ａ）〜（Ｂ）の３工程に分けて説明する説明図である。
【図１６】従来における仮設軌道設備の設置例を、その部分拡大図と共に示す簡略断面図である。
【符号の説明】
１インバートセグメント
２アーチセグメント
３貫通孔
４・５セグメントの端面
６応力分散用凹部
７応力分散用凸部
８推進ジャッキ
９シールド機
１０曲がりボルト
１１ボルトボックス
１２ボルト挿通孔
１３インサート金物
１４ボルトボックス
１５ボルト
１６インサート金物
１７レール
１８硬質ゴムマット
１９押さえプレート

Claims

インバート部を厚く形成し、その下面を円弧状にしたインバートセグメントにおいて、
前記インバートセグメントのトンネル周方向の両端に突出する凸部を設け、これら凸部を含む平面形状を台形としたことを特徴とするトンネル用インバートセグメント。
前記請求項１のトンネル用インバートセグメントと、通常の厚さのアーチセグメントとでセグメントリングを構成することにより、隣接するセグメント相互の隅角部が互いに食い違うように形成したことを特徴とするシールドトンネルの覆工構造。