JP4359375B2 - 外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合部構造及び接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超大断面トンネルを小断面のシールド工法で施工する外殻先行トンネル工法の技術分野に属し、さらに言えば、外殻を形成する単体シールド相互間の変位を接合ボルトの引張り応力だけでなく圧縮応力による抵抗でも抑制する接合部構造及び接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超大断面トンネルの外殻を小断面のシールド工法で先行施工する方法としては、図９に例示したように、トンネルの外殻部分を小断面のシールド工法による単体シールドＫ…の連鎖で形成し、隣接する単体シールドＫ、Ｋを相互に一連に接合した後に内側の本体トンネルＴを掘削して完成する、所謂外殻先行トンネル工法が提案されている（例えば特開平７−２２４５８７号公報記載の発明を参照。）。
【０００３】
ところで、前記外殻先行トンネル工法の施工に際しては、縦方向及び横方向に隣り合う単体シールドＫ、Ｋ同士の間に、シールド機の推進に支障がないだけの間隔Ｌ_１又はＬ_２を確保して施工が進められる。従って、各単体シールドＫを構築した後には、前記間隔部分Ｌ_１、Ｌ_２の土を掘削し、一連に一体的に接合する工程が実施される。
【０００４】
しかるに、前記のように施工された隣接の単体シールドＫ、Ｋ同士は、鉛直方向と水平方向、及び軸方向に大なり小なりの施工誤差を生じる（図１０を参照）。このため各接合部構造は前記の施工誤差を前提とし許容する構成でなくてはならない。
【０００５】
そこで、本出願人は、先の特許出願（特願平１０−３１７３６９号）において、隣接する単体シールドの鋼殻主桁同士をボルトにより直接接合し、単体シールド相互間の施工誤差が生じても、即座に対応できて合理的な単体シールド相互の接合部構造を提案している。その接合部構造は、図８に示したように、隣接する単体シールドＫ、Ｋを構成する鋼殻１、１の主桁２、２同士のエンドプレート３を、該エンドプレート３の内側に配置した球形状のワッシャー５を介してボルト６とナット７で接合する構成である。内側の球形状ワッシャー５の外周面は、隣接する単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２の位置ずれに相当する角度θに回転可能な球面状に形成されている。エンドプレート３にボルト孔４が形成され、そのボルト孔４のワッシャー当接部は球形状ワッシャー５の外周面を受容する凹球面状の受容部に形成されている。ボルト孔４は前記受容部を基点として鋼殻主桁２の位置ずれを許容する角度θの末広がり形状に形成されている。エンドプレート３の受容部内に受容された球形状ワッシャー５に通したボルト６と、これにねじ込んだナット７とで接合されている。
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
上記図８に例示した単体シールド相互の接合部構造は、隣接する二つの単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２同士をボルト６により直接、且つ簡便に接合でき、単体シールドＫ、Ｋ相互間の施工誤差や接合部幅の変更が生じても一切測量する必要がなく、適宜に対応でき施工性に優れている。特に、接合した単体シールドＫ、Ｋが離れようとする変位（図８中の矢印Ｆ参照）に対しては、引張り応力の伝達が確実に行われ抵抗する構造である。
【０００７】
しかしながら、接合した二つの単体シールドＫ、Ｋが接近する変位（図８中の矢印Ｓ参照）に対しては、圧縮力に抵抗しにくい構造であるため、この点が更に改良すべき課題として掲げられていた。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、先の特願平１０−３１７３６９号の発明に係る単体シールド相互の接合部の技術を更に改良し、接合した単体シールドのあらゆる変位に対し、引張り応力だけでなく圧縮応力による抵抗をも確実に発揮させて変位を抑制し、安全性と施工性に優れた高品質の単体シールド相互の接合部構造及び接合方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合部構造は、
超大断面トンネルの外殻を小断面の単体シールドＫの連鎖で形成する外殻先行トンネル工法において、隣接する単体シールドＫ、Ｋ同士の間にシールド機の推進に支障がない間隔を確保して施工した後に前記間隔部分Ｌ _１ 、Ｌ _２ の土を掘削して、単体シールドＫを構成する鋼殻１、１の主桁同士２、２が、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレート３と、内側の球形状ワッシャー５並びに前記エンドプレート３の外側に配置した外側の球形状ワッシャー８及び凹球面形状ワッシャー９を介してボルト６とナット７、１０で接合して成る接合部構造である。
単体シールドＫを構成する鋼殻１の主桁２は、超大断面トンネルの周方向に複数平行に設けられ、前記主桁２の角隅部における主桁２、２間に、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレート３が同主桁２と直角方向に溶接接合して、隣接する単体シールドＫ、Ｋのエンドプレート３、３同士が対面する配置に設けられていること、
内側の球形状ワッシャー５は、ナット当接面５ａを除く外周面５ｂが、隣接する単体シールドＫ、Ｋの鋼殻１、１の主桁２、２の位置ずれに相当する角度θまで回転可能な球面状に形成され、前記エンドプレート３には、複数のボルト孔４が、外側方向に鋼殻１、１の主桁２、２の位置ずれを許容する角度θの末広がり形状に形成され、つづいて該ボルト孔４の内端部に前記内側の球形状ワッシャー５の外周面５ｂを受容する凹球面状の内側受容部４ａに形成されている。
外側の球形状ワッシャー８は、ナット当接面８ａを除く外周面８ｂが、隣接する単体シールドＫ、Ｋの鋼殻１、１の主桁２、２の位置ずれに相当する角度θまで回転可能な球面状に形成され、外側の凹球面形状ワッシャー９は、前記外側の球形状ワッシャー８との当接面９ａが、外側の球形状ワッシャー８の外周面８ｂを受容する凹球面状の外側受容部９ｂに形成されている。
前記エンドプレート３の内側受容部４ａ内に内側の球形状ワッシャー５が設置され、且つエンドプレート３の外側面に当接された外側の凹球面形状ワッシャー９の外側受容部９ｂ内に外側の球形状ワッシャー８が設置され、これらに通したボルト６が隣接する単体シールドＫ、Ｋのエンドプレート３、３間に配置され、該ボルト６にねじ込んだ内外のナット７、１０でエンドプレート３を締め付けて接合されていることをそれぞれ特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載した発明に係る外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合方法は、
超大断面トンネルの外殻を小断面の単体シールドＫの連鎖で形成する外殻先行トンネル工法において、隣接する単体シールドＫ、Ｋ同士の間にシールド機の推進に支障がない間隔を確保して施工した後に前記間隔部分Ｌ _１ 、Ｌ _２ の土を掘削して、単体シールドＫを構成する鋼殻１、１の主桁２、２同士を、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレート３と内側の球形状ワッシャー５並びに前記エンドプレート３の外側に配置した外側の球形状ワッシャー８及び凹球面形状ワッシャー９を使用してボルト６とナット７、１０により接合する方法である。
ａ） 単体シールドＫを構成する鋼殻１の主桁２は、超大断面トンネルの周方向に複数平行に設け、前記主桁２の角隅部における主桁２、２間に、厚肉で剛性が高い板状体に形成したエンドプレート３を同主桁２と直角方向に溶接接合して、隣接する単体シールドＫ、Ｋのエンドプレート３、３同士を対面する配置に設けること、
ｂ） 前記内側及び外側の各球形状ワッシャー５、８のナット当接面５ａ、８ａを除く外周面５ｂ、８ｂを、隣接する単体シールドＫ、Ｋの鋼殻１、１の主桁２、２の位置ずれに相当する角度θまで回転可能な球面状に形成する。
ｃ） エンドプレート３にボルト孔４を複数形成し、該ボルト孔４は外側方向に鋼殻１、１の主桁２、２の位置ずれを許容する角度θの末広がり形状に形成すると共に、その内端部に前記内側の球形状ワッシャー５の外周面５ｂを回転可能に受容する凹球面形状の内側受容部４ａを形成する。
ｄ） 前記外側の凹球面形状ワッシャー９の前記外側の球形状ワッシャー８との当接面９ａを、外側の球形状ワッシャー８の外周面８ｂを回転可能に受容する凹球面状の外側受容部９ｂに形成する。
ｅ） ボルト６に予め外側のナット１０と外側の球形状ワッシャー８及び外側の凹球面形状ワッシャー９を通して用意した後、該ボルト６の先端部を隣接する単体シールドＫ、Ｋの対面するエンドプレート３、３同士の対応するボルト孔４、４へ通し、同ボルト６の先端部に内側の球形状ワッシャー５を通してエンドプレート３の内側受容部４ａ内へ設置し、更に内側のナット７をボルト６へねじ込んで内側の球形状ワッシャー５のナット当接面５ａに締め付けた後、前記外側の凹球面形状ワッシャー９の外側受容部９ｂ内に外側の球形状ワッシャー８を設置し、前記外側のナット１０を外側の球形状ワッシャー８のナット当接面８ａへ締め付けて接合することをそれぞれ特徴とする。
【００１１】
【発明の実施形態及び実施例】
請求項１に記載した発明に係る外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合部構造の実施形態を図１〜図７に示した。
【００１２】
外殻先行トンネル工法により施工して隣接する単体シールドＫ、Ｋ同士をボルトで接合する技術であり、単体シールドＫを構成する鋼殻１の主桁２のエンドプレート３、３同士を接合する。エンドプレート３の内側に配置した球形状ワッシャー５と、外側に配置した球形状ワッシャー８と凹球面形状ワッシャー９を介して、ボルト６及び内外のナット７、１０で接合する技術として好適に実施される。前記内側の球形状ワッシャー５は対引張り側の部材として、外側の球形状ワッシャー８及び凹球面形状ワッシャー９は対圧縮側の部材として機能する。
【００１３】
本発明は、例えば縦×横が２０ｍ×３０ｍ程度の超大断面矩形トンネルを、小断面のシールド工法で余堀り無しに構築する外殻先行トンネル工法において好適に実施される。個々の単体シールドＫは、トンネル高さが２５００ｍｍであり、その鋼殻１は４本の主桁２を平行に配置して構成され（図３参照）、その桁高が３００ｍｍ、幅寸が１２００ｍｍである。
【００１４】
図１は、左右に隣接する二つの単体シールドＫ、Ｋ（鋼殻１、１）の相互間に発生した鉛直方向の位置ずれ（ずれ角度θ）にしたがって接合した実施形態を示している。本実施形態は、接合部の間隔Ｌ_２が約１０００ｍｍで、発生した位置ずれ量Ｌ_３は約１５０ｍｍ、ずれ角度θが約８．４５°の場合を示している。
【００１５】
前記の対引張り側部材である内側球形状ワッシャー５は、図５に示したように、半径４０ｍｍの球体の中心部に直径４０ｍｍのボルト孔５ｃを貫通させると共に、平坦なナット座面５ａからの厚さが３４．６ｍｍの半球形状に形成されている。すなわち、ナット当接面５ａを除く外周面が球面状に形成されている。よって、この内側球形状ワッシャー５は、上記したように隣接する単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２の位置ずれに相当する角度θ（但し、θ≦８．４５°）に対して回転可能に構成されている（図２参照）。
【００１６】
エンドプレート３は、厚肉（厚さ５０ｍｍ）で剛性が高い板状体に形成されている。このエンドプレート３は、縦×横の大きさが３５５×１２００ｍｍであり、図３に示した鋼殻１の４本の各主桁２…の角隅部における主桁２、２間に、同主桁２…と直角方向に溶接で接合され、隣接する単体シールドＫ、Ｋのエンドプレート３、３同士が対面する配置に設けられている。該エンドプレート３に、ボルト孔４が主桁２に沿ってその両側に４個所ずつ均等な配置で合計１２個設けられている。各ボルト孔４のワッシャー当接部は、図４に拡大して示したように、前記内側の球形状ワッシャー５の球形外周面５ｂをほぼぴったり密着する状態に受容するべく、内側の球形状ワッシャー５の外径と同じ半径４０ｍｍの凹球面状の受容部４ａに形成されている。
【００１７】
ボルト孔４は、前記受容部４ａにおける口径を７７．６ｍｍとして、前記鋼殻主桁２の位置ずれ角度θに対してボルト６の傾きを許容する末広がり形状（円錐形状）に形成されている。
【００１８】
次に、対圧縮側の部材として機能する外側の球形状ワッシャー８と外側の凹球面形状ワッシャー９を説明する。
【００１９】
外側球形状ワッシャー８の基本構造は前記の内側球形状ワッシャー５と変らないが、同内側の凹球面形状ワッシャー５に比べてこの外側の球形状ワッシャー８は半径が大きく、厚さが薄い皿形状に形成されている（図２参照）。図６に示したように、半径が７５ｍｍの球体に形成され、その中心部に直径４０ｍｍのボルト孔８ｃを貫通させると共に、平坦なナット座面８ａからの厚さは３２ｍｍの薄い半球形状に形成されている。これは後述する外側の凹球面形状ワッシャー９が鋼殻主桁２、２の位置ずれ角度θに応じて回転移動するのを許容し、圧縮応力をエンドプレート３へ確実に伝達させるためである。
【００２０】
外側の凹球面形状ワッシャー９は、図７に示したように、厚さ３５ｍｍ、直径１２０ｍｍの円形状プレートの中心部に、前記鋼殻主桁２、２の位置ずれに相当する角度θに応じてボルト６の傾きを許容する直径６６ｍｍの大きなボルト孔９ｃが貫通されている。そして、内側の平坦なプレート当接面９ａは、図２に示したようにエンドプレート３へ当接された際に前記鋼殻主桁２、２の位置ずれ角度θに対するボルト６の傾きを許容して自由に滑動可能な構成とされている。当該凹球面形状ワッシャー９のプレート当接面９ａを除く外側部は、前記外側の球形状ワッシャー８の球形外周面８ｂをほぼぴったり密着する状態に受容すべく、外側球形状ワッシャー８と同じ半径７５ｍｍの凹球面状の外側受容部９ｂに形成されている。
【００２１】
次に、上記の構成に基いて、請求項２に記載した発明に係る外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合方法を説明する。
【００２２】
この接合方法は、上述したように隣接する二つの単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２同士を、各々のエンドプレート３を挟む内外の球形状ワッシャー５、８と外側凹球面形状ワッシャー９を介して、ボルト６と内外のナット７、１０で接合する方法として好適に実施される（図２参照）。
【００２３】
先端部にねじ部分６ａを必要な長さ形成された所定長さのボルト６（外径φは４０ｍｍ位）の両端に、まず外側のナット１０と外側球形状ワッシャー８及び外側の凹球面形状ワッシャー９を順に通して用意する。この場合、外側のナット１０をねじ込むねじ部分６ａ’の外径を、先端のねじ部分６ａよりも少し大径に形成しておくと、ナット１０の用意を素早く行えて便利である。
【００２４】
次いで、ボルト６の端部を、接合するべき二つの単体シールドＫ、Ｋそれぞれのエンドプレート３、３の対応するボルト孔４、４へ通す。そして、同ボルト６の両端部に、上記の内側球形状ワッシャー５を通してエンドプレート３の内側受容部４ａ内に設置する。更にボルト先端部のネジ部分６ａへ内側からナット７をねじ込み、同ナット７を内側球形状ワッシャー５のナット当接面５ａへ強く締め付けて単体シールド相互の接合位置を決める。
【００２５】
しかる後に、前記の外側の凹球面形状ワッシャー９のプレート当接面９ａをエンドプレート３へ当接させ、同外側凹球面形状ワッシャー９の外側受容部９ｂ内に外側球形状ワッシャー８を設置し、外側のナット１０をねじ込み、外側球形状ワッシャー８のナット当接面８ａへ強く締め付けて接合作業を完了する。
【００２６】
したがって、鋼殻主桁２のエンドプレート３はその内外両面をナット７、１０により強固に固定される。即ち、内側においては、内側球形状ワッシャー５に対する内側のナット７の締付け力によりボルト６がエンドプレート３へ強固に定着されている。よって、接合した二つの単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２の間に引張り力が作用した場合、その引張り力を確実に伝達して変位に抵抗する。
【００２７】
また、エンドプレート３の外側においては、外側球形状ワッシャー８と外側の凹球面形状ワッシャー９に対して外側のナット１０の締付け力によりボルト６がエンドプレート３に強固に定着されている。よって、二つの単体シールドＫ、Ｋの鋼殻主桁２、２の間に圧縮力が作用しても、その圧縮力は確実に伝達して変位に抵抗する。
【００２８】
かくして、本発明によれば、接合した二つの単体シールドＫ、Ｋが接近したり離れたりする変位に対し、両者をつないだボルト６の引張り応力と圧縮応力を仲介として確実に抵抗するから、接合部の変形や損傷を防ぐ効果がある。
【００２９】
また、上記した内外の球形状ワッシャー５、８がそれぞれ凹球面状の受容部４ａ、９ｂ内で回転し、外側の凹球面形状ワッシャー９のプレート当接面９ａがエンドプレート３上を滑動するので、鋼殻主桁２の鉛直方向や水平方向、軸方向の位置ずれ等、あらゆる態様で位置ずれした単体シールドＫ、Ｋに対して自在に適応した接合を行うことができる。
【００３０】
【発明の奏する効果】
請求項１、２に記載した発明に係る単体シールド相互の接合部構造及び接合方法によれば、エンドプレートを挟む内外の球形状ワッシャーと外側の凹球面形状ワッシャーを介して、ボルト、ナットによって、隣接する単体シールドの鋼殻主桁同士を直接、且つ簡便に接合でき、しかも隣接する単体シールド間の変位に対して確実に強固に抵抗し、高品質な単体シールドの連鎖の構築に寄与する。
【００３１】
接合するべき単体シールド相互間の施工誤差や接合部幅の変更に対しても、回転可能な内外の球形状ワッシャーと大径で薄い凹球面形状ワッシャーによりボルトを適正方向に配置できるので、施工現場により個別に異なる施工誤差をいちいち測量する必要がなく、施工性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る接合部構造を主要部分について示した正面図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】エンドプレートの裏面図である。
【図４】エンドプレートのボルト孔部分を拡大して示した断面図である。
【図５】内側球形状ワッシャーを示した断面図である。
【図６】Ａ、Ｂは外側球形状ワッシャーを示した断面図と裏面図である。
【図７】Ａ、Ｂは外側の凹球面形状ワッシャーを示した断面図と正面図である。
【図８】従来の主要部分を示した正面図である。
【図９】外殻先行トンネル工法の実施例を示す断面図である。
【図１０】隣接する単体シールドの位置ずれの説明図である。
【符号の説明】
Ｋ 単体シールド
１ 鋼殻
２ 主桁
３ エンドプレート
４ ボルト孔
４ａ 内側受容部
５ 内側球形状ワッシャー
５ａ ナット当接面
５ｂ 外周面
６ ボルト
７ ナット
８ 外側球形状ワッシャー
８ａ ナット当接面
８ｂ 外周面
９ 外側の凹球面形状ワッシャー
９ａ プレート当接面
９ｂ 外側受容部
１０ ナット
θ 位置ずれ角度

Claims (2)

1. 超大断面トンネルの外殻を小断面の単体シールドの連鎖で形成する外殻先行トンネル工法において、隣接する単体シールド同士の間にシールド機の推進に支障がない間隔を確保して施工した後に前記間隔部分の土を掘削して、単体シールドを構成する鋼殻の主桁同士が、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレートと、内側の球形状ワッシャー並びに前記エンドプレートの外側に配置した外側の球形状ワッシャー及び凹球面形状ワッシャーを介してボルトとナットで接合して成る接合部構造であり、
   単体シールドを構成する鋼殻の主桁は、超大断面トンネルの周方向に複数平行に設けられ、前記主桁の角隅部における主桁間に、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレートが同主桁と直角方向に溶接接合して、隣接する単体シールドのエンドプレート同士が対面する配置に設けられていること、
   内側の球形状ワッシャーは、ナット当接面を除く外周面が、隣接する単体シールドの鋼殻の主桁の位置ずれに相当する角度まで回転可能な球面状に形成され、前記エンドプレートには、複数のボルト孔が、外側方向に鋼殻の主桁の位置ずれを許容する角度の末広がり形状に形成され、つづいて該ボルト孔の内端部に前記内側の球形状ワッシャーの外周面を受容する凹球面状の内側受容部に形成されていること、
   外側の球形状ワッシャーは、ナット当接面を除く外周面が、隣接する単体シールドの鋼殻の主桁の位置ずれに相当する角度まで回転可能な球面状に形成され、外側の凹球面形状ワッシャーは、前記外側の球形状ワッシャーとの当接面が、外側の球形状ワッシャーの外周面を受容する凹球面状の外側受容部に形成されていること、
   前記エンドプレートの内側受容部内に内側の球形状ワッシャーが設置され、且つエンドプレートの外側面に当接された外側の凹球面形状ワッシャーの外側受容部内に外側の球形状ワッシャーが設置され、これらに通したボルトが隣接する単体シールドのエンドプレート間に配置され、該ボルトにねじ込んだ内外のナットでエンドプレートを締め付けて接合されていることをそれぞれ特徴とする、外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合部構造。
2. 超大断面トンネルの外殻を小断面の単体シールドの連鎖で形成する外殻先行トンネル工法において、隣接する単体シールド同士の間にシールド機の推進に支障がない間隔を確保して施工した後に前記間隔部分の土を掘削して、単体シールドを構成する鋼殻の主桁同士を、厚肉で剛性が高い板状体に形成されたエンドプレートと内側の球形状ワッシャー並びに前記エンドプレートの外側に配置した外側の球形状ワッシャー及び凹球面形状ワッシャーを使用してボルトとナットにより接合する方法であり、
   ａ） 単体シールドを構成する鋼殻の主桁は、超大断面トンネルの周方向に複数平行に設け、前記主桁の角隅部における主桁間に、厚肉で剛性が高い板状体に形成したエンドプレートを同主桁と直角方向に溶接接合して、隣接する単体シールドのエンドプレート同士を対面する配置に設けること、
   ｂ） 前記内側及び外側の各球形状ワッシャーのナット当接面を除く外周面を、隣接する単体シールドの鋼殻の主桁の位置ずれに相当する角度まで回転可能な球面状に形成し、
   ｃ） エンドプレートにボルト孔を複数形成し、該ボルト孔は外側方向に鋼殻の主桁の位置ずれを許容する角度の末広がり形状に形成すると共に、その内端部に前記内側の球形状ワッシャーの外周面を回転可能に受容する凹球面形状の内側受容部を形成し、
   ｄ） 前記外側の凹球面形状ワッシャーの前記外側の球形状ワッシャーとの当接面を、外側の球形状ワッシャーの外周面を回転可能に受容する凹球面状の外側受容部に形成し、
   ｅ） ボルトに予め外側のナットと外側の球形状ワッシャー及び外側の凹球面形状ワッシャーを通して用意した後、該ボルトの先端部を隣接する単体シールドの対面するエンドプレート同士の対応するボルト孔へ通し、同ボルトの先端部に内側の球形状ワッシャーを通してエンドプレートの内側受容部内へ設置し、更に内側のナットをボルトへねじ込んで内側の球形状ワッシャーのナット当接面に締め付けた後、前記外側の凹球面形状ワッシャーの外側受容部内に外側の球形状ワッシャーを設置し、前記外側のナットを外側の球形状ワッシャーのナット当接面へ締め付けて接合すること、
   をそれぞれ特徴とする、外殻先行トンネル工法における単体シールド相互の接合方法。

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