JP4332074B2 - 合成セグメントを用いたトンネル構造及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネル内に覆工体として用いられるセグメントであって、特に、セグメント幅を任意に選択できることに特徴を有する合成セグメントを用いたトンネル構造及びその設計方法に関する。

任意に幅を調整できるセグメントには、例えば特許文献１に示されているように、隣接するセグメントの主桁間を予めボルトにて組み付けて一体化している方法が知られている。複数のセグメントを予め一体化することで、施工作業効率を向上させる効果がある。
特開２００１−３３６３９６号公報

しかし上述した従来の技術では、組立時にボルトで連結するため、現場で施工手間がかかる。また、単にボルトで連結するだけであり、トンネル内に設置され多大なモーメントや引張り荷重が作用したときは、連結箇所が目開きし止水性劣化上の問題があった。また連結箇所の左右のセグメント間で押し抜きせん断力が発生したときは、ボルト部が弱点となる危険性があり、必ずしも複数のセグメントが強度的に一体化していないことも問題であった。

一方、大径トンネルの増加に伴い、現場でのセグメント取り付けの施工性向上を図るため、セグメントの幅広化や予め施工前に複数連結しておくなどの対応が図られてきたが、従来から用いられている鋼製，RCセグメントでは、幅広化したり、予め連結する工法を用いるときは、セグメント幅が増えることで重量が嵩み、また多大な荷重が作用する箇所ではセグメント高さを高くする必要があるためトンネル掘削土量が増えるなど、かえって施工負担となることから、幅広化や複数連結化が困難であった。

そのため、鋼殻とコンクリートを一体化して、単位重量当たりの耐荷重を増大化し、大径トンネルにおいてもセグメント厚みを抑えることが可能な合成セグメントが近年用いられてきているが、施工性向上のためセグメント幅を従来の実績以上に広くしたり、複数連結しようとした場合、性能確認等の検証が求められ、個々のプロジェクト毎に性能確認や、設計変更を強いられてきた。
本発明は前記の問題を解決した合成セグメントを用いたトンネル構造及びその設計方法を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために本発明は、次のように構成する。
（１）両サイドの主桁、ｎ本の中主桁（ｎは０以上の整数）、継手板、スキンプレート、及び縦リブを有する鋼殻に、鉄筋を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントを用いたトンネル構造において、
前記合成セグメントは、両サイドの主桁の断面が開口部をセグメント内側に有するC型形状の部材であり、
中主桁の断面がＨ型形状の部材であり、
隣接する主桁同士の間隔がすべて等間隔であり、
合成セグメント幅が中主桁を０本としたときの当該幅の中主桁本数＋１倍であり、
ｎの値の異なる２種以上の前記合成セグメントが周方向及びトンネル軸方向に連結されていることを特徴とするトンネル構造。
（２）（１）記載の合成セグメントの両サイドの主桁同士を固着し、複数連結していることを特徴とする前記（１）に記載のトンネル構造。
（３）前記合成セグメントの前記C型形状の部材が溝形鋼であり、前記Ｈ型形状の部材が、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、又は溝形鋼２本のウエブ同士を接触させて固着した部材であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のトンネル構造。
（４）両サイドの主桁、ｎ本の中主桁（ｎは０以上の整数）、継手板、スキンプレート、及び縦リブを有する鋼殻に、鉄筋を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントを用いるトンネル構造の設計方法において、
前記合成セグメントの両サイドの主桁の断面が、開口部をセグメント内側に有するC型形状の部材であり、
前記合成セグメントの中主桁の断面がＨ型形状の部材であり、
前記合成セグメントの隣接する主桁同士の間隔がすべて等間隔であり、
前記合成セグメントの幅が中主桁を０本としたときの当該幅の中主桁本数＋１倍であり、
ｎの値の異なる２種以上の前記合成セグメントを周方向及びトンネル軸方向に連結するとして、所定の桁間隔を持つセグメント単体での性能を明確にした上で、
構造設計することを特徴とするトンネル構造の設計方法。

本発明により、トンネル施工時の施工性向上等のために、セグメント幅を拡大しようとする際、両サイドのみに主桁を有するセグメント単体での構造上の性能を明確にしておくだけで、桁間隔をセグメント単体の主桁間隔と等しくして幅を拡大したセグメントにおいて、必要強度等の性能確認が不要又は必要最小限で足り、設計も簡単に行うことができる。
また、一度所定の桁間隔を持つセグメント単体での性能を明確にしておけば、別のプロジェクトにおいても、その桁間隔の整数倍の範囲において、セグメントの幅広化設計を簡易に行うことができ、労力やコストを大幅に削減することが可能となる。

また、セグメントリング間のボルトや楔による継手箇所が減るため、トンネル覆工体としての剛性が高まり、止水性も向上する。
更に、主桁のC型形状部材として、また複数連結した時には中主桁となる箇所にH型形状部材として、溝形鋼やＨ形鋼といった規格化された部材を用いるため、各部材のフランジの板厚を増すことが容易で、曲げ耐力が向上し薄壁化が可能となる。
また、合成化の際、スキンプレートとは反対側のコンクリートが表面に露出している箇所では、C型形状部材またはH型形状部材のフランジがコンクリート抜け出し防止の役割を果たす効果も発揮する。

本発明の合成セグメントは、主桁、継手板、スキンプレート、及び縦リブを有する鋼殻に、鉄筋を縦リブに交差して挿通し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、拡幅する前の単体時のセグメントでは両サイドの主桁は断面がC型形状の部材（以下、Ｃ型形状部材と呼称する）でセグメント内向きに開口部があり、強度上や施工上の理由からセグメント幅を大きくする際には、断面がH型形状の部材（以下、Ｈ型形状部材と呼称する）を中主桁として組み込み、隣接する桁間隔（主桁−中桁間、及び中桁−中桁間）を、単体セグメントの主桁間隔を１単位としてそれと同じ間隔とする合成セグメントである。

このH型形状部材は、両隣のセグメントの縦リブ、スキンプレート、継手板と溶接して一体化するため、単体のセグメントをボルトや楔で連結して拡幅する方法と比べて、連結による強度低下がなく、また中主桁のある部分は一体化しているため、継手接続のような隙間が全くなく、止水性にも優れる。

また、H型形状部材はC型形状部材２つを背中合わせ（開口部と反対側同士）に組み合わせて溶接等で固着した部材とすることもでき、セグメントを複数組み合わせて連結したときでも、強度としては単純に単体時の複数倍として扱え、単体時の性能だけ判っていれば、設計が容易で信頼性も高くなり、トンネル覆工体として全体の継手量が減るため、継手による強度低下が少なく、薄壁となる。溶接の場合には、溶接溶け込み深さや溶接金属の種類などを随時選択して、C型形状部材を２つ固着したときにも、最初からH 型形状部材とした場合と同程度の強度となるようにすることが望ましい。外観上も主桁としてC型形状を用いた単体セグメントを連結したケースと、連結部にH型形状部材を用いて予め連結したケースとで全く同じとなる。

セグメント本体は合成構造化しているため、セグメントの薄壁軽量化が可能となり、拡幅化の際の施工負担を最小限に抑えながら、セグメントの広幅化が容易に行える。

C型形状部材としては溝形鋼を用いても、平板を溶接してＣ型形状としても構わないが、コストや信頼性からは溝型鋼を用いることが好ましい。
H型形状部材としては、H形鋼またはI形鋼を用いても、平板を溶接してＨやＩ型形状としても構わないが、コストや信頼性からは形鋼を用いることが好ましい。また、溝形鋼のフランジ側面を溶接し一体化しても良い。

本発明のトンネル構造は、上述した本発明の合成セグメントを組合せたもので、セグメントを取り付けるマシンの能力の範囲内で、拡幅した合成セグメントをトンネル覆工体として組み付けるもので、単体時の合成セグメント、桁間隔を単体時の合成セグメントの主桁間隔と等しくして２倍に拡幅した合成セグメント、更に３倍に拡幅した合成セグメント等、桁間隔の整数倍にセグメント幅の異なる各種合成セグメントを現場のニーズに合せて２種以上を組合せて組み付けるものである。拡幅した合成セグメントを使用することで、施工性が向上し、工期も短縮可能となる。更に、継手板と直角方向に作用するせん断に対する耐力も向上し、合成セグメントの高さも薄化可能となる。

また、単体時の合成セグメントの性能だけ判っていれば、自由に拡幅設計が可能で、設計費の低減や設計期間の短縮にも繋がり、トンネル設計、施工全体のコスト削減、工期短縮効果は非常に大きい。
尚、固有の制約条件があり、単体の合成セグメントの幅では、周方向に収まらないトンネル箇所においては、従来の合成セグメントにて補充することができる。

以下、本発明の実施形態の合成セグメントについて図を参照して説明する。

図１および図２に示す第１実施形態に係る単体時の合成セグメントにおいて、セグメント本体の鋼殻は、平行に配置された主桁１の両端部を継手板２で結合し、その内部に継手板２に並行に複数の縦リブ4を主桁１と溶接にて連結し、これらの部材をスキンプレート３にて覆っている。この鋼殻内に、縦リブ４に設けた鉄筋挿通用穴６に主筋５を交差して通し、コンクリート７を打設し、鉄筋コンクリートと鋼殻との合成構造を形成する。縦リブ４としては、鋼板の代わりに鉄筋を用い、主筋５を囲むように交差して設置し主桁１と連結してもよい。主桁１にC型形状部材を用いる。このとき、C型形状部材として溝形鋼８を用いることで本体のコストを低減できる。

また、図示はしないが、図２を参照して説明すると、ウェブ１５の両端部にフランジ１６を有するC型形状部材における前記ウェブ１５にリブを取り付け断面E型形状部材としても良いし、更に複数のリブを取り付けて、コンクリートの脱落防止、部材耐力の上昇を図っても良い。また、設計上曲げ方向が明確であり、コストパフォーマンスを追及する場合、平板からのビルドアップでは、余分な材料を省略するために、C型形状部材の上下フランジは必ずしも同一とする必要はなく、必要な箇所に必要な量の鋼材分だけを用いても良い。

図２は、図１の単体時の合成セグメント構造において、セグメント幅をＳとしたときのＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３、図４は図２の単体をそれぞれ２つ、３つ組み合わせ、Ｃ型形状部材８相互を背中合わせにしてＨ形として連結したり、あるいはH型形状部材９（中主桁に相当）で連結したときの断面図である。２つ組み合わせときのセグメント全幅は２Ｓ、３つ組み合わせたときのセグメント全幅は３Ｓとなる。H型形状部材９として、H形鋼またはI形鋼を用いることでコスト削減に繋がる。H型形状のフランジ１８のウェブ１７からの両サイドの突出長は必ずしも同じにする必要はない。

施工現場においては、シールドマシーンの能力範囲内でセグメントを２体または３体と複数体を連結（Ｃ型形状部材の固着の場合）、又はＨ形鋼の中主桁を用いて拡幅した幅広のセグメントをトンネル内に同時に組み込むことができ、施工省力化に繋がる。複数組み合わせたときのスキンプレートの構造としては、一枚板でセグメントの全断面を覆っても良いし、個々のセグメントの主桁間にそれぞれ覆って、複数枚としてもよい。その際、スキンプレートは、主桁のフランジに溶接して固着すれば良い。
本セグメントは円形、楕円形、矩形のいずれの断面のトンネルに適用してもよい。

図６、７は本発明のセグメントを矩形断面のトンネル１０に適用したときの模式図である。矩形断面に適用する際は、図に示すように、溝形鋼、Ｈ形鋼を曲げ加工せずに、直接適用することができる。また、セグメントの方向は、主桁をトンネル軸方向に配置する（図６参照）ことも、トンネル周方向に配置する（図７参照）ことも可能である。矩形断面のコーナー部については、L字型のセグメントを適用してもよいし、図示はしていないが直線型のセグメントを片方のセグメントの継手位置をスキンプレートと反対側の端部の位置に設けて繋げてもよい。
なお、図６において、符号１１は、主桁をトンネル軸方向に配置した横置きの合成セグメント（太い実線で囲まれた部分）で、符号１２は、主桁をトンネル軸方向に配置した縦置きの合成セグメントである。
この場合、例えば１１の合成セグメントを現場の制約やニーズによって、単体の合成セグメントと３倍に拡幅した合成セグメントをリング継手にて接続した組合せとすることもできるし、２倍に拡幅した合成セグメントを２つ接続した構造とすることもできるし、４倍に拡幅した合成セグメントを使用することも可能である。また、トンネル軸方向の各断面において、上記の組合せが同様である必要はなく、その場所における制約条件等を考慮して自由に組合せることが可能である。
また、図７において、符号１３は、主桁をトンネル周方向に配置した横置きの合成セグメント（太い実線で囲まれた部分）で、符号１４は、主桁をトンネル周方向に配置した縦置きの合成セグメントである。

円形断面に適用する際、C型形状部材、H型形状部材として溝形鋼、H形鋼を用いるときは、冷間成型にて曲げ加工する（図５参照）。C型形状部材、H型形状部材を平板からのビルトアップにて製作するときは、曲げ加工による面外変形を防止するために、ウェブ部の板材を鋼板から曲率を付けた状態で切り出しても良い。

特に図示はしないが、本発明のセグメントをトンネルに覆工体として施工現場にて組み付ける際、主桁同士の接続、継手板同士の接続は、従来のようにボルトまたは楔状継手にて組み立てればよい。

トンネル外径５．９ｍ，全土被り約３３ｍの軟弱地盤内の円形断面トンネルにおいて、同一荷重条件で設計したRCセグメントではセグメント高さが３００ｍｍであり、従来の合成構造CPを用いた場合では２５０ｍｍとなったのに対し、本発明の合成セグメントでは、継手箇所数低減によるセグメント本体の剛性低下を低減でき、C型形状、H型形状部材による強度増加も加わり、セグメント高さ１７５ｍｍまで低減でき薄壁化が可能となった。更に、本発明では、トンネル全体の設計も簡易化できた。

第１実施形態に係る単体の合成セグメント構造の一部破断斜視図である。 図１の単体時の合成セグメント構造において、セグメント幅をＳとしたときのＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２の単体を２つ組み合わせ、H形鋼で連結しセグメント幅を２Ｓとしたときの断面図である。 図２の単体を３つ組み合わせ、H形鋼で連結しセグメント幅を３Ｓとしたときの断面図である。 図３の斜視図である。 主桁をトンネル軸方向に配置した合成セグメントによる矩形断面のトンネル構造の断面図である。 主桁をトンネル周方向に配置した合成セグメントによる矩形断面のトンネル構造の斜視図である。

符号の説明

１ 主桁
２ 継手板
３ スキンプレート
４ 縦リブ
５ 主筋
６ 鉄筋挿通用穴
７ 中詰めコンクリート
８ 溝形鋼
９ H形鋼（中主桁）
１０ 矩形式トンネル
１１ 主桁をトンネル軸方向に配置したときの合成セグメント（横置き）
１２ 主桁をトンネル軸方向に配置したときの合成セグメント（縦置き）
１３ 主桁をトンネル周方向に配置したときの合成セグメント（横置き）
１４ 主桁をトンネル周方向に配置したときの合成セグメント（縦置き）
１５ C型形状部材のウェブ
１６ C型形状部材のフランジ
１７ H型形状部材のウェブ
１８ H型形状部材のフランジ

Claims (4)

1. 両サイドの主桁、ｎ本の中主桁（ｎは０以上の整数）、継手板、スキンプレート、及び縦リブを有する鋼殻に、鉄筋を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントを用いたトンネル構造において、
   前記合成セグメントは、両サイドの主桁の断面が開口部をセグメント内側に有するC型形状の部材であり、
   中主桁の断面がＨ型形状の部材であり、
   隣接する主桁同士の間隔がすべて等間隔であり、
   合成セグメント幅が中主桁を０本としたときの当該幅の中主桁本数＋１倍であり、
   ｎの値の異なる２種以上の前記合成セグメントが周方向及びトンネル軸方向に連結されていることを特徴とするトンネル構造。
2. 請求項１記載の合成セグメントの両サイドの主桁同士を固着し、複数連結していることを特徴とする請求項１に記載のトンネル構造。
3. 前記合成セグメントの前記C型形状の部材が溝形鋼であり、前記Ｈ型形状の部材が、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、又は溝形鋼２本のウエブ同士を接触させて固着した部材であることを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル構造。
4. 両サイドの主桁、ｎ本の中主桁（ｎは０以上の整数）、継手板、スキンプレート、及び縦リブを有する鋼殻に、鉄筋を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントを用いるトンネル構造の設計方法において、
   前記合成セグメントの両サイドの主桁の断面が、開口部をセグメント内側に有するC型形状の部材であり、
   前記合成セグメントの中主桁の断面がＨ型形状の部材であり、
   前記合成セグメントの隣接する主桁同士の間隔がすべて等間隔であり、
   前記合成セグメントの幅が中主桁を０本としたときの当該幅の中主桁本数＋１倍であり、
   ｎの値の異なる２種以上の前記合成セグメントを周方向及びトンネル軸方向に連結するとして、所定の桁間隔を持つセグメント単体での性能を明確にした上で、
   構造設計することを特徴とするトンネル構造の設計方法。

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