JP4537168B2 - シールド用セグメント - Google Patents

Description

本発明は、シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に組み立てられるセグメントに関するものである。

現在、道路や鉄道等のトンネルあるいは下水管渠築造用のトンネル等を構築する場合、シールド工法が一般的に採用されている。シールド工法とは、先端に掘削刃を備えたシールドマシンを地中で推進させながらトンネル穴を掘削する工法である。

シールド工法では、シールドマシンで地盤を掘進しつつ、シールドマシンの後方で、掘削部の周囲内壁面に沿ってセグメントを順次組み立てることによってトンネルの壁体を構築している。セグメントは、例えばトンネル内の円周を複数に分割（例えば６分割）する大きさであり、円周方向及びトンネル延長方向に順次継ぎ足されていく。セグメントとしては、鉄筋コンクリート製セグメント、鉄板のみで製作された鋼製セグメントあるいは鋼殻内中にコンクリートを充填した鋼殻セグメントなどがある。

また、シールド工法においては、道路上でシールドマシンを組立て、下向きに掘削して縦トンネルを構築し、縦トンネルが所定の深さまで達した時点で、シールドマシンの向きを転換して横トンネルを掘削し、更に横トンネルの開始位置から所定距離だけ進んだ位置に達した時点でシールドの向きを転換して縦トンネルまたは横トンネルを掘削する、所謂、縦横連続式シールド工法も採用されるようになってきている。

ところで、シールド工法において、縦トンネルまたは横トンネルを構築した後に、そのトンネルとは異なる方向（例えば横方向または縦方向）への掘削を開始する際には、まず、先に構築したトンネルの壁体（セグメント壁体）を掘削する必要がある。しかしながら、セグメントが鋼製である場合、壁体の掘削をシールドマシンで行うことはできない。また、鉄筋コンクリート製セグメントを用いている場合、壁体の掘削をシールドマシンで行うと、鉄筋がシールドマシンの掘削刃に絡みついて掘削速度が大巾に低下し、最悪の場合、シールドマシンが故障する畏れがある。このため、従来までは、トンネル壁体の破壊作業（溶接・はつり等）を人手で行っているが、人手による作業では手間が掛かり工期が相当に長くなる。

このような点を解消する方法として、セグメント壁体の一部（掘削開始部）にシールドマシンによる掘削が可能な部分を設けるという方法が考えられている。この方法を採用する場合、セグメントの掘削可能部を、炭素繊維やガラス繊維などを樹脂に含浸してなるロープ状（鉄筋状）の補強筋（新素材）を用いた新素材コンクリート（例えば特許文献１）で構成することが考えられる。
特開平５−３０２４９０号公報

前記のセグメント壁体の一部をかかる新素材コンクリートで構成した場合、シールドマシンによる掘削は可能になるが、コンクリートは掘削抵抗が大きいために掘削に多くの時間を要する。また、掘削過程において、ロープ状の補強筋の切断物がシールドマシンのスクリュー（掘削物除去用）に詰まってシールドマシンが停止したり、故障する畏れがある。

本発明の目的は、そのような問題点を解決すべくなされたものであり、セグメント壁体な
どのトンネル壁の一部に設けられる掘削可能部を構成するのに適した部材で、シールトマシンによる掘削を短時間で終わることができ、しかもシールドマシンに与える負担も少なくて済む積層体を提供することにある。

請求項１に係るシールド用セグメントは、シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に使用されるセグメントであり、セグメント本体部とシールドマシンで掘削可能な掘削可能部とを備え、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機質繊維で補強した板状の複合体が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層されていると共にその各板状の複合体間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層され、しかも、その板状の複合体の所定の曲率の湾曲が硬化された接着剤層またはＦＲＰ層により維持されている積層体から構成されていることを特徴とする。

請求項２に係るシールド用セグメントは、シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に使用されるセグメントであり、セグメント本体部とシールドマシンで掘削可能な掘削可能部とを備え、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機質繊維で補強した板状の複合体が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層されていると共にその各板状の複合体間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層され、しかも、その板状の複合体の所定の曲率の湾曲が硬化された接着剤層またはＦＲＰ層により維持されている外層と内層を有し、それらの内層と外層との間に発泡体からなる中間層またはハニカム構造の中間層が設けられている積層体から構成されていることを特徴とする。

なお、本発明の積層体は、外径が、例えばφ１８００ｍｍ〜φ４２００ｍｍ程度のシールドトンネルの壁体構築などに適用される。
また、ＦＲＰ層としては、ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂をマットまたはクロス等の補強材にて補強したものを挙げることができる。マットまたはクロスとしては、ガラス繊維、カーボン繊維あるいはアラミド繊維などを加工したものが挙げられる。また、補強材としてマットを用いる場合、例えばメッシュ３７０のマット２枚を使用してＦＲＰ層を積層するという方法を採用してもよい。

本発明の積層体を構成する板状の複合体は、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体（ウレタン発泡体）をガラス長繊維で補強した複合体であることが好ましい。

本発明の積層体では、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複合材によって構成されているので、例えば、シールドセグメントの掘削可能部に使用した場合、コンクリートを用いる場合と比較して、掘削速度が速くなって掘削工程の短縮化を図ることができる。例えば、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体を使用すれば、コンクリートのものより掘削速度が１０倍程度速くなり、掘削工程の大巾な短縮化を図ることができる。

また、硬質ウレタン樹脂等からなるプラスチック発泡体は、コンクリートよりも軽量であるので、セグメントの軽量化を図ることができるという利点がある。

本発明の積層体では、例えば図５に示すような複合材、すなわちウレタン発泡体中にガラス長繊維が一方向にモノフィラメント状態すなわちガラス長繊維が一方向に１本づつ分散した状態で充填されてなる複合材を用いているので、シールドマシンにて掘削しても、ガラス長繊維の切断物がスクリューなどに詰まるなどの不具合が生じることもない。

また、そのようなウレタン発泡体をガラス長繊維で補強した板状の複合材は、曲げ強度及び圧縮強度に優れているので、積層体とすることにより、シールトトンネルに作用する土圧・水圧に充分に耐えることができる。しかも、ウレタン発泡体は比較的安価であり、またガラス長繊維も安価であることから、掘削可能部を前記した新素材コンクリートよりも安いコストで製作することができる。さらに、ウレタン発泡体はコンクリートに較べて軽量であるので、シールド用セグメントの軽量化を達成できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本発明に係るシールド用セグメント（特殊セグメントと称する）について説明する。

セグメントは、シールドマシンを用いたシールド工法にて構築されるトンネルの壁体を構成する部材であり、例えば図６に示すように、６つのセグメント２１１，…２１１をリング状に組み立てることによりセグメントリング２１０を構成することができる。

このようなセグメント２１１を用いてシールドトンネル２００の壁体を構築する場合、まず、先端に掘削刃を備えたシールドマシン（図示せず）を地中に横方向（または縦方向）に推進させ、このシールドマシンの後方に、セグメントリング２１０の１箇のリング分の空間が形成された時点でシールドマシンの推進を停止し、シールドマシンの後方空間の内壁面に沿ってセグメント２１１，…２１１をリング状に組み立てる。次に、同じ要領にて、シールドマシンをセグメントリング２１０の１箇のリング分だけ推進させてセグメント２１１，…２１１をリング状に組み立てるという工程を順次繰り返して行くことによって、例えば図６に示すように横向きのシールドトンネル２００を構築できる。

本発明の積層体を適用するセグメントは、図６に示すような横向きのシールドトンネル２００において、上向きの縦トンネル２２０を構築する場合などに用いられる特殊セグメント２０１である。この特殊セグメント２０１は、前記したセグメントリング２１０の一部を構成する部材（図７）であり、図８〜図１０に示すように、二つのセグメント本体２０２，２０２と、シールドマシンにて掘削が可能な掘削可能部（本実施形態の積層体１）を備えている。

請求項１に係る積層体の一実施形態を図１に基づいて説明する。
この実施形態の積層体１においては、複数枚（例えば１０枚）の板状の複合材１ａ，…１ａが湾曲された状態で複数枚積層されている。これら板状の複合材１ａ，…１ａは、各層間に積層された接着剤層（例えばエポキシ系接着剤）によって相互に接着されている。

積層体１は、直径がシールドマシンの掘削径よりも所定量だけ大きい寸法に加工されている。また、積層体１の外周面及び内周面の曲率（曲率半径）はそれぞれセグメント本体２０２の外周面及び内周面の曲率（曲率半径）に略一致している。

積層体１を構成する板状の複合材１ａは、図５に示すように、ウレタン樹脂発泡体（硬質ウレタン樹脂）をガラス長繊維で補強した複合材である。このような複合材１ａとしては、例えばエスロンネオランバー−ＦＦＵ（積水化学工業株式会社製）を挙げることができる。図５に示すような複合材１ａの厚み（板厚）は最大で１０ｍｍ程度である。

なお、図１の実施形態では、板状の複合材１ａ，１ａ間に接着剤層１ｂを積層しているが、これに替えて、板状の複合材１ａ，１ａ間にＦＲＰ層を積層して、板状の複合材１ａ，１ａ同士を相互に接着してもよい。このようにＦＲＰ層で積層した場合、板状の複合材１ａ，１ａ同士を強固に接合することができるとともに、積層体１の全体強度を高めることができる。

請求項２に係る積層体の一実施形態を図２に基づき説明する。
図２の積層体１１は、外層１２と内層１４との間に中間層１３が積層されているところに特徴がある。外層１２及び内層１４は、図１の実施形態と同様に、湾曲状態の板状の複合
材１ａが複数枚（５枚）積層されているとともに、その各板状の複合材１ａ，１ａ間に接着剤層１ｂが積層された構造となっている。

中間層１３は、例えばＰＥ−ＰＳ、アクリル、ＰＶＣまたはウレタン樹脂の単純発泡体で、外層１２の最内層を構成する板状の複合材１ａの内面と、内層１４の最外層を構成する板状の複合材１ａの外面にそれぞれエポキシ樹脂系接着剤を介して接着されている。

図２に示すようなサンドイッチ構造を採用すれば、積層体１１の全体重量の増加を抑えながら、積層体１１全体の板厚を厚くすることが可能になる。

なお、図２の構造において、単純発泡体からなる中間層１３に替えて、図３に示すようなハニカム構造の樹脂製の中間層２３を用いてもよい。

本発明に係る積層体は次ぎのようにして製造できる。

使用する製造装置は、図４（Ａ）に示すように、板状の複合材１ａの両端部を規制する規制部材１０１、１０１と、この規制部材１０１、１０１間に配置された受型１０２と、板状の複合材１ａの中央部を押圧する押圧部材１０３とによって構成されている。受型１０２の成形面１０２ａは、セグメント本体２０２の外周面の曲率（曲率半径）に略一致する湾曲面（円弧面）となっている。

具体的な製造手順は、最外層を構成する板状の複合材１ａ（板厚１０ｍｍ）を規制部材１０１、１０１に対して位置決めした状態で、図４（Ａ）に示すように、板状の複合材１ａの中央部を押圧部材１０３にて押圧することにより円弧状に湾曲させる。このとき、板状の複合材１ａの変形は受型１０２の成形面１０２ａにて規制され、最外層の板状の複合材１ａの曲率（曲率半径）がセグメント本体２０２の外周面の曲率（曲率半径）に略一致する。

次に、最外層の板状の複合材１ａの内側の面にエポキシ系接着剤１ｂを形成する〔図４（Ｂ）〕。接着剤層１ｂの積層厚さは、例えば１〜２ｍｍ程度とする。

接着剤層１ｂの積層が完了した後、図４（Ｃ）に示すように、最外層の板状の複合材１ａの内側の面に、２層目（積層体１の外側から数えて２層目）となる板状の複合材１ａを加熱した状態で配置し、この状態で２層目の板状の複合材１ａの中央部を押圧して湾曲させる。このとき、最外層の板状の複合材１ａと２層目の板状の複合材１ａとが接着剤層１ｂにて相互に密着するように押圧力を付与する。

次に、接着剤層１ｂがほぼ硬化した時点（２層目の板状の複合材１ａが湾曲状態を維持できる程度になった時点）で、２層目の板状の複合材１ａの内側の面にエポキシ系接着剤を積層して接着剤層１ｂを形成する〔図４（Ｄ）〕。以後、同様な手順、つまり「板状の複合材の曲げ加工」→「接着剤積層」→「板状の複合材の曲げ加工」を順次繰り返して行くことにより、図１に示す構造の積層体１を得ることができる。

次に、本発明に係る積層体の使用例を図７〜図１０を参照しながら説明する。
既述した通り、図６は横トンネル２１０の途中に縦トンネル２２０をシールド工法により構築する場合の状態を示し、図７は縦トンネル２２０の開始箇所のセグメントリング２１０を示し、図８はセグメントリング２１０中の縦トンネル２２０の掘削可能部１を有する特殊セグメント２０１を示している。
図９〜図１０に示すように、特殊セグメント２０１に掘削可能部を構成するために積層体１が取り付けられる。

図９〜図１０において、積層体１が取り付けられる特殊セグメント２０１のセグメント本体２０２は、鋼板のみで製作されている。セグメント本体２０２には、半円形の切欠き２０２ａが加工されており、２つのセグメント本体２０２、２０２を連結した状態で、それらの中央位置に円形穴２０１ａが形成されるようになっている。この円形穴２０１ａの内径は積層体１の外径よりも所定量だけ小さい寸法に加工されている。

以上の特殊セグメント２０１において積層体１をセグメント本体２０２に連結する構造を図１１に示す。
この連結構造においては、積層体１の端部に連結プレート（鋼板）２、２が挾み込まれている。これら内側・外側の２枚の連結プレート２、２はボルト・ナット３にて積層体１に固着されている。各連結プレート２の先端部には、連結ボルト５ａを通す貫通孔２ａが加工されている。内側・外側の２枚の連結プレート２、２のうち、外側の連結プレート２の貫通孔２ａには裏ナット５ｂが溶接等により固着されている。なお、このような連結プレート２は、積層体１の端部周縁に沿って所定のピッチで配置されている。

一方、セグメント本体２０２の切欠き２０２ａの近傍には、２枚の固定プレート４、４が積層体１の連結プレート２、２に対応する位置関係で設けられており、積層体１の周縁部を切欠き２０２ａの周縁部に合わせた状態で、各固定プレート４にそれぞれ積層体１の連結プレート２が当接するようになっている。各固定プレート４には連結ボルト５ａを通す貫通孔４ａが加工されている。各固定プレート４はセグメント本体２０２に溶接にて強固に固定されている。

そして、図１１に示す連結構造では、セグメント本体２０２の固定プレート４に積層体１の連結プレート２を合わせるとともに、２枚の固定プレート４、４の間にスペーサ（鋼製）６を挾み込んだ状態で、連結ボルト５ａを各プレート４、４の貫通孔２ａ、４ａ及びスペーサ６の貫通孔６ａに通し、そのボルト先端を裏ナット５ｂにねじ込むことによって積層体１とセグメント本体２０２とを相互に連結することができる。

なお、図１１に示す連結構造では、内側・外側の２枚の連結プレート２、２及び２枚の固定プレート４、４を設けているが、これら連結プレート２及び固定プレート４の枚数（積層体１の積層方向の数）は特に限定されず、特殊セグメント２０１に作用する土圧・水圧等を考慮して適宜選定すればよい。

以上の実施形態において、セグメント本体２０２は、シールドトンネルを構築する際に、図６において説明したような要領にて、セグメントリング２１０の一部を構成する部材として組み立てることができる。

また、積層体１の設置は、例えば、積層体１を組み込む２つのセグメント本体２０２、２０２の一方を、前記した要領でシールドマシンの後方空間に設置し、次に、シールドマシンがセグメントリング２１０の１リング分だけ推進した際に、先に設置したセグメント本体２０２の積層体１を連結し、次いで、もう一方のセグメント本体２０２をシールドマシンの後方空間に設置するとともに、この後方側のセグメント本体２０２と積層体１とを連結するという要領で行うことができる。
なお、積層体１は２つのセグメント本体２０２の双方若しくは何れか一方に組み込んだ状態で、シールドマシンの後方に搬送するという方法を採用してもよい。

以上の実施形態では、積層体１の形状を円形としているが、その形状は特に限定されず、例えば図１２に示すような矩形の積層体２１であってもよい。

以上の実施形態では、シールド用セグメント（トンネル壁）に本発明の積層体を適用した例を示したが、本発明はこれらに限られることなく、例えば円形の縦坑や円形管渠など、円形の空洞を構築する各種壁体にも適用できる。

請求項１に係る積層体の実施形態の部分縦断面図である。 請求項２に係る積層体の実施形態の部分縦断面図である。 図２の積層体を構成する中間層の例を模式的に示す斜視図である。 図１の積層体の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る積層体を構成する複合材の断面構造を模式的に示す図である。 セグメントにて壁体が構成されたシールドトンネルの例を模式的に示す斜視図である。 図６のシールドトンネルに用いるシールドリングの構造を示す側面図である。 図７のｘ矢視図である。 図６のシールドリングに用いる特殊セグメントの構造を模式的に示す斜視図である。 図６のシールドリングに用いる特殊セグメントの構造を模式的に示す分解斜視図である。 図１の積層体とセグメント本体との連結構造の一例を示す断面図である。 図６のシールドリングに用いる上記とは別の特殊セグメントの構造を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 積層体
１ａ 板状の複合材
１ｂ 接着剤層
１１ 積層体
１２ 外層
１３ 中間層
１４ 内層
１０１ 規制部材
１０２ 受型
１０３ 押圧部材
２０１ セグメント
２０２ セグメント本体
２２０ セグメントリング

Claims (3)

1. シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に使用されるセグメントであり、セグメント本体部とシールドマシンで掘削可能な掘削可能部とを備え、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機質繊維で補強した板状の複合体が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層されていると共にその各板状の複合体間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層され、しかも、その板状の複合体の所定の曲率の湾曲が硬化された接着剤層またはＦＲＰ層により維持されている積層体から構成されていることを特徴とするシールド用セグメント。
2. シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に使用されるセグメントであり、セグメント本体部とシールドマシンで掘削可能な掘削可能部とを備え、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機質繊維で補強した板状の複合体が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層されていると共にその各板状の複合体間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層され、しかも、その板状の複合体の所定の曲率の湾曲が硬化された接着剤層またはＦＲＰ層により維持されている外層と内層を有し、それらの内層と外層との間に発泡体からなる中間層またはハニカム構造の中間層が設けられている積層体から構成されていることを特徴とするシールド用セグメント。
3. 板状の複合体が、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体をガラス長繊維で補強した複合体であることを特徴とする請求項１または２記載のシールド用セグメント。

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