JP4418269B2 - コンクリート中詰め鉄鋼製セグメントおよびトンネルの一次覆工体 - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネル等の一次覆工体として用いられる鉄鋼製系のセグメント構造にコンクリートを中詰めして構成されるコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントに関するものである。

従来、トンネル内一次覆工体は、図６に示すように複数のセグメント１をトンネル円周方向に接続してセグメントリング２を構成し、このセグメントリングをトンネル軸方向に接続して構成される。セグメント１の種類としては、鋼製の主桁を有する標準鋼殻でセグメントを構成するもの、または主桁を有する鋼殻の内部にコンクリートを中詰めしたもの、またはコルゲート型の球状黒鉛製殻体のトンネル内空側およびトンネル地山側にコンクリートを中詰めしたものなどが知られている。

図７には、第１従来例として、鋳鋼製の鋼殻３の内部にコンクリート４を中詰めした鉄鋼製セグメント１が示されている。該セグメント１において、一対の主桁５が平行に配設され、左右の主桁５の両端部間が継手板６で連結されており、主桁５と継手板６とで組まれた矩形のセグメント枠の外端面にスキンプレート７が溶接されて、さらに左右の主桁５の間には、トンネル周方向に所定の間隔をあけて複数の補強用縦リブ８が配設され、その両端が溶接で固定されて鋼殻３が構成されている。鋼殻３の内部に中詰めコンクリート４が充填される。

なお、継手板６には、鉄鋼製セグメント１をトンネル周方向にボルト接合するための複数のボルト孔１０が開設され、主桁５には、セグメントリングをトンネル軸方向に接合するためのボルト孔１０が開設されている。また、鉄鋼製セグメント１の内側中央位置において、セグメント組立時にシールド機械のエレクタター装置で吊り上げるための吊り手金具１１が縦リブ８とスキンプレート７の内面に溶接され、さらに、スキンプレート７の内外に貫通して、セグメントリングの背面と地山の間隙に裏込めを行うためのグラウト注入孔１２が設けられている。

鉄鋼製セグメント１において、その自重をできるだけ増加しないで、該鉄鋼製セグメント１に作用する捻りや曲げモーメントに対する剛性を向上するために鋼殻３の構造に種々の改良がなされている。例えば、図７に示すように縦リブ８のトンネル内空側の端縁に円弧状部１３を形成し、または第２従来例として図８に示すセグメント１ように縦リブ８のトンネル内空側の端縁にＴ字状部１４を形成することでセグメント強度を向上させている。

さらに、コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１では、中詰めコンクリート４が鉄鋼製セグメント１の強度の向上に寄与するとともに、この中詰めコンクリート４により、セグメント内空側に施す二次覆工を不要とならしめる効果もある。コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１では、通常、主桁が２本から４本（３本のものもある）の何れの鋼殻においてもセグメント継手、リング継手用の箱抜き部分（箱抜き部を有しない場合もある）を除いては、鋼殻３の内部に中実状に中詰めコンクリートが隙間なく充填されている。
特開２００３−２７８９４号公報 特開２００２−１２１９９９号公報 特開２０００−３４８９７号公報

コンクリート中詰め鉄鋼製セグメントの強度を向上する手段として、縦リブ等の形状を工夫することで座屈耐力や曲げモーメントに対する強度を向上させる工夫がなされている。また、鋼殻内部に中詰めコンクリートを中実状に充填することによってもセグメント強度が向上できる。しかし、この中詰めコンクリートの充填により鉄鋼製セグメントの強度を向上させる手段では、セグメント自体の自重が必要以上に増大するとい別の問題に直面する。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、鋼製セグメントで二次覆工体を構築する場合において、セグメントリングに３６０°方向から作用する曲げモーメントの大きさを示す模式図で、（ａ）は自重による曲げモーメントを示し、（ｂ）は外荷重による曲げモーメントを示し、（ｃ）は、前記（ａ）、（ｂ）に基づいて算出した設計用の曲げモーメントを示し、図（ｃ）を考慮してコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを構築するのであるが、この条件を満たすべく中詰めコンクリートによりセグメントの強度を向上させる場合、セグメントの自重が増大するという別の問題が生じるという不具合がある。

具体的には、鋼殻内部に中実にコンクリートが充填されたコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを、セグメントリングの外径が１０ｍを越えるような大口径のシールドトンネルの一次覆工体として用いようとすると、中小口径のシールドトンネル用セグメントに比較してセグメントの自重により発生する曲げモーメントが大幅に増大し、供用後に作用する土水圧による断面力（曲げモーメント、軸力、せん断力）に抵抗するよりも自重による断面力に抵抗するための断面が大きくなり、非常に不経済なセグメントとなってしまう問題点がある。

このような自重により発生する大きな曲げモーメントのために、大口径シールドトンネル用の鉄筋コンクリート製セグメントでは、セグメント高さが５００〜６００ｍｍにも及んでいる。

例えば、外径５ｍのシールドトンネルの場合には、自重による曲げモーメントは、土水圧による曲げモーメントを加えた全体の曲げモーメントの３０％程度であったのに対し、外径１２ｍのシールドトンネルの場合には、全体の曲げモーメントの８０％がセグメントの自重により発生しているという状況である。

本発明は、鋼殻内にコンクリートが充填されていない閉空間を構成することによりセグメント自重を低減し、セグメント自重により発生する曲げモーメントを低減することで、前記従来の問題点を解決し、かつ経済性にすぐれたコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを提供することを目的とする。

また、本発明は、鋼殻のトンネル内空側にコンクリートを打設することにより、二次覆工を不要とするとともに、耐火または耐食性能に優れたコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントは次のように構成する。

第１の発明は、シールド工法により構築されるトンネルの一次覆工体として用いられるセグメントであって、少なくとも主桁、継手板、縦リブ、スキンプレートにより構成される鋼殻にコンクリートを中詰めすることによって構成されるコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントにおいて、
鋼殻を構成する前記１つもしくは複数の部材によって、鋼殻内部に前記中詰めコンクリートの流入を防止する閉鎖空間を形成し、かつセグメントのトンネル内空側の全表面にはコンクリート層が形成されており、前記閉鎖空間を有する部材は、断面形状を、円形、楕円形、矩形または略矩形の中空形状とした前記縦リブとし、スキンプレートから離れて配置された前記縦リブを主桁に溶接により固定することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、鋼殻を構成する鉄鋼製材料として、構造用鋼材、鋳鋼、球状黒鉛鋳鉄の何れか１つまたは複数を用いることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、中詰めコンクリートとして、普通コンクリートまたは軽量コンクリートを用いることを特徴とする。

第４の発明は、第１または第２の発明において、中詰めコンクリートとして、耐火性、耐酸性、耐硫酸塩性のいずれか１つまたは複数を付与したコンクリートを用いることを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、コンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを用いて一次覆工体を構築したことを特徴とする。

本発明に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントによると、従来のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントよりも軽量で、経済的なコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを提供できるという大きな特徴を有している。

すなわち、主桁、継手板、縦リブ、スキンプレートにより構成される鋼殻にコンクリートを中詰めすることによって構成されるコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントにおいて、鋼殻を構成する前記１つもしくは複数部材によって、鋼殻内に中詰めコンクリートの流入を防止する閉鎖空間を形成するように構成したことで、セグメントとしての単位容量重量を軽量化することが可能である。

また、さらに軽量化が必要な場合には、中詰め用コンクリートとして軽量コンクリートを用いることも可能であり、さらに、耐火性、耐酸性、耐硫酸塩性などの性能が求められる場合には、必要な特性を付与した特殊コンクリートを中詰めすることで要求性能を満足するコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを提供することが可能となる。

特に、高価な特殊コンクリートを用いる場合には、かぶり部分にのみ限定的に特殊コンクリートを用い、その他の部分には、普通コンクリートを用いることにより、さらに経済性を高めることも可能である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。なお、従来と同一要素には同一符号を付して説明する。

図１、図２（ａ）は、第１実施形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５を示し、一対の主桁５が平行に配設され、左右の主桁５の両端部間が継手板６で連結されており、主桁５と継手板６で組まれた矩形のセグメント枠の外端面にスキンプレート７が溶接されて、さらに左右の主桁５の間には、トンネル周方向に所定の間隔をあけて複数の補強用縦リブ１６がスキンプレート７から離れて配設され、その両端が溶接で固定されて鋼殻１７が構成されている。鋼殻１７の内部に中詰めコンクリート４が充填される。

第１実施形態のセグメント１５においては、補強用縦リブ１６が中空の円形鋼管で構成されており、この縦リブ１６の両端部は主桁５の側面に隙間が生じないように溶接されている点に特徴がある。したがって、鋼殻１７の内部に中詰めコンクリート４を充填したとき、補強用縦リブ１６の中空部９への中詰めコンクリート４の流入が防止され、その分使用コンクリート量が低減され、かつセグメント１５の自重が低減される。

図２（ｂ）は、第２実施形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５を示し、補強縦リブ１６ａが中空の角形鋼管で構成されている点が、第１実施形態と相異し他の構成は第１実施形態と同じである。第２実施形態においても、鋼殻１７の内部に中詰めコンクリート４を充填したとき、補強用縦リブ１６ａの中空部には中詰めコンクリート４の流入が防止され、その分使用コンクリート量が低減され、かつセグメント１５の自重が低減される。

図２（ｃ）は、第１参考形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５を示し、補強縦リブ１６ｂは、長手方向と直交する方向の断面図が略Ｕ型の鋼材で構成されており、Ｕ型の開口部１８がスキンプレート７の内面と密に接触し、隅肉溶接１９で固着されるとともに、両端部は主桁５の側面に固着されている点が第１、第２実施形態と相異し、他の構成は第１、第２実施形態と同じである。第１参考形態においても、鋼殻１７の内部に中詰めコンクリート４を充填したとき、補強用縦リブ１６ｂの中空部には中詰めコンクリート４の流入が防止され、その分使用コンクリート量が低減され、かつセグメント１５の自重が低減される。なお、補強縦リブの断面形状は、内部に中空部ができる構成であれば、楕円形その他の形状であっても構わない。

前記のように第１もしくは第２実施形態または第１参考形態によると、鋼殻１７を構成する１要素である縦リブ１６、１６ａ、１６ｂを中空部材で構成し、中空部（閉鎖空間）９に中詰めコンクリート４が流入するのを防止することで、コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５の軽量化が実現されている。

図３〜図５は、第２参考形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５を示す。第２参考形態では、鋼殻１７を構成する部材の間隙を閉鎖することでその内部に中詰めコンクリートの充填を防止する閉鎖空間を構成し、これによりコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５の軽量化が実現されている。

さらに説明すると、コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５は、２つの外主桁５ａと２つの中主桁５ｂが平行に配設され、内外の主桁５ａ、５ｂの両端部の間が継手板６で連結されており、各主桁５ａ、５ｂと継手板６とで組まれた矩形のセグメント枠の外端面にスキンプレート７が溶接されている。左右の中主桁５ｂの間には内空側の端縁に円弧状部２０が形成された縦リブ１６ｃがセグメント長手方向に所定の間隔を明けて複数配設され、また、左右の外主桁５ａと中主桁５ｂの間には、縦リブ１６ｃと略同一の間隔で補強プレート（ウエブ部材）２１が配設されている。縦リブ１６ｃの内空側の先端には円弧状部２０を形成することで、座屈耐力や剛性を向上させている。この縦リブ１６ｃの形状は、平板形状またはＬ形状またはＴ形状または略矩形状などの何れの形状でもよい。

また、２つの中主桁５ｂの内空側の端縁に跨って蓋板２２が配設され溶接にて固着されている。この蓋板２２は、中主桁５ｂの長手方向全長に延びていてこの蓋板２２と左右の中主桁５ｂとスキンプレート７で囲まれる部位に閉鎖空間２３が形成されている。したがって、鋼殻１７の内部に充填される中詰めコンクリート４は、左右の外主桁５ａと中主桁５ｂの間隙を埋めるように充填されるとともに、蓋板２２で閉塞される閉鎖空間２３には充填されない。また、中詰めコンクリート４はセグメント躯体の強度向上に加えて、耐火、耐食性能などを付与する二次覆工としても機能するもので、このため中詰めコンクリート４がセグメントの内空側の全表面を覆うように充填される。つまり、中詰めコンクリート４の一部は、蓋板２２の表面に所定の厚みで被って装着され、これによりセグメント１５の内空側の全表面がフラット面２４をなすように充填されている。

前記のように第２参考形態によると、セグメント鋼殻３の内部において、蓋板２２と左右の中主桁５ｂとスキンプレート７で囲まれる部位に閉鎖空間２３を形成し、この閉鎖空間２３には、中詰めコンクリート４が流入するのを防止していることにより、コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント１５の軽量化が実現されている。

参考形態および本発明の実施形態において、セグメント各部を次のように構成できる。（１）鋼殻１７を構成する鉄鋼製材料として、構造用鋼材、鋳鋼、球状黒鉛鋳鉄の何れか１つまたは複数を用いることができる。（２）中詰めコンクリート４として、普通コンクリートまたは軽量コンクリートを用いてもよい。（３）さらに、中詰めコンクリート４として、耐火性、耐酸性、対硫酸塩のいずれか１つまたは複数を付与したコンクリートを用いることができる。（４）第１もしくは第２実施形態または第１もしくは第２参考形態のセグメント１５を用いて一次覆工体を構築できる。（５）この一次覆工体において、第１もしくは第２実施形態または第１もしくは第２参考形態のセグメント１５を用いることで、セグメント自重が軽減されている。（６）前記セグメントや一次覆工体は、所期の設計方法を用いて強度および軽量化を設計に基づいて製作できる。

第１実施形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントの鋼殻の斜視図である。 （ａ）は、図１の鋼殻に中詰めコンクリートを充填したセグメント断面図、（ｂ）は、第２実施形態に係るセグメントの断面図、（ｃ）は、第１参考形態に係るセグメントの断面図である。 第２参考形態に係るコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを破断して示す斜視図である。 （ａ）は、図３のＡ−Ａ参考断面図、（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は、図３のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は、図３のＤ−Ｄ矢視図である。 コンクリート中詰めセグメントで構築したセグメントリングの斜視図である。 （ａ）は、第１例従来のコンクリート中詰めセグメントにおける鋼殻の斜視図、（ｂ）は、図（ａ）の鋼殻に中詰めコンクリートを充填した断面図である。 第２従来例のコンクリート中詰めセグメントの断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各々セグメントリングに作用する自重による曲げモーメントと、外荷重による曲げモーメントと、設計の曲げモーメントを示す模式図である。

符号の説明

１ セグメント
２ セグメントリング
３ 鋼殻
４ 中詰めコンクリート
５ 主桁
５ａ 外主桁
５ｂ 中主桁
６ 継手板
７ スキンプレート
８ 縦リブ
９ 中空部（閉鎖空間）
１０ ボルト孔
１１ 吊り手金具
１２ グラウト注入孔
１３ 円弧状部
１４ T字状部
１５ コンクリート中詰め鉄鋼製セグメント
１６ 補強用縦リブ
１７ 鋼殻
１８ 開口部
１９ 隅肉溶接
２０ 円弧状部
２１ 補強プレート（ウエブ部材）
２２ 蓋板
２３ 閉鎖空間
２４ フラット面

Claims (5)

1. シールド工法により構築されるトンネルの一次覆工体として用いられるセグメントであって、少なくとも主桁、継手板、縦リブ、スキンプレートにより構成される鋼殻にコンクリートを中詰めすることによって構成されるコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントにおいて、
   鋼殻を構成する前記１つもしくは複数の部材によって、鋼殻内部に前記中詰めコンクリートの流入を防止する閉鎖空間を形成し、かつセグメントのトンネル内空側の全表面にはコンクリート層が形成されており、前記閉鎖空間を有する部材は、断面形状を、円形、楕円形、矩形または略矩形の中空形状とした前記縦リブとし、スキンプレートから離れて配置された前記縦リブを主桁に溶接により固定することを特徴とするコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント。
2. 鋼殻を構成する鉄鋼製材料として、構造用鋼材、鋳鋼、球状黒鉛鋳鉄の何れか１つまたは複数を用いることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント。
3. 中詰めコンクリートとして、普通コンクリートまたは軽量コンクリートを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント。
4. 中詰めコンクリートとして、耐火性、耐酸性、耐硫酸塩性のいずれか１つまたは複数を付与したコンクリートを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメント。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のコンクリート中詰め鉄鋼製セグメントを用いて構築されたことを特徴とするトンネルの一次覆工体。

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