JP4558986B2 - 積層体の接合構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば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の一部を構成する積層体の接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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などを構築する場合、シールド工法が一般に採用されている。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。
【０００３】
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、円周方向及びシールドトンネル延長方向に順次継ぎ足されてゆく。セグメントとしては、鉄筋コンクリート製セグメント、鋼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。
【０００４】
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み立て、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する。さら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という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。
【０００５】
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幅に低下し、最悪の場合、シールドマシンが故障するおそれがある。このため、従来では、トンネル壁体の破壊作業（溶断・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長くなる。
【０００６】
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（例えば特開平５−３０２４９０号公報、特許第２７０９２４５号等に開示）で構成することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セグメント壁体の一部を前記した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、故障するおそれがある。
【０００８】
さらに、セグメントの掘削可能部を新素材コンクリートで構成する場合、コンクリート打設に手間が掛かり施工に多くの時間を要する。
【０００９】
本発明はそのような問題点を解消すべくなされたもので、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、シールドマシンによる掘削を短時間で終えることができ、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、セグメントなどの構造物に簡単に施工することが可能な積層体の接合構造の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合構造は、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した板状の複合材が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層され、その各板状の複合材間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層されてなる積層体を構造物に接合する構造であって、積層体の端部に設けられた穴に挿入されるナットと、そのナットを積層体の端部に固定しかつ積層体を積層方向に挟持する固定部材からなる接合金具が、積層体の端部に装着されているとともに、構造物の端部にボルト貫通用の貫通穴を有するフランジが一体形成されており、その構造物のフランジと積層体に装着の接合金具とが、ナットにねじ込まれるボルトにて締結されていることによって特徴づけられる。
さらには、積層体の端部および固定部材に、ボルトが前記積層体の積層方向に貫通され、前記固定部材がボルト・ナット結合によって前記積層体の端部に固定されたことによって特徴づけられる。
【００１１】
本発明において積層体は、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。
【００１２】
本発明を適用する積層体において、板状の複合材間に積層される接着剤層の材質としては、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤またはアクリル樹脂系接着剤を挙げることができる。
【００１３】
また、ＦＲＰ層としては、例えば、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。
【００１４】
積層体を構成する板状の複合材は、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体（ウレタン樹脂発泡体）をガラス長繊維で補強した複合材であることが好ましい。
【００１５】
本発明によれば、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積層体を用いるので、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はかることができる。
【００１６】
しかも、セグメントなどの構造物に積層体をボルトの締結作業にて接合することができるので、積層体の施工を簡単に行うことができる。
【００１７】
ここで、本発明では積層体として、例えば図２に示すような複合材、すなわちウレタン樹脂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本ずつ分散した状態で充填されてなる複合材を用いるので、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。
【００１８】
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、シールドトンネルに作用する土圧・水圧に十分に耐えることができる。しかも、ウレタン樹脂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比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。
【００１９】
本発明の積層体の接合構造は、シールド用セグメントのほか、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。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、シールド用のセグメント、積層体、及び積層体の製造方法等について説明する。
【００２１】
＜シールド用のセグメント＞
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もので、例えば図５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。
【００２２】
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ゆくことによって、図５に示すような横向きのシールドトンネル２００を構築することができる。
【００２３】
本発明を適用するセグメントは、図５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で（図６）、図７〜図９に示すように、２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積層体１（掘削可能部）を備えている。
【００２４】
＜積層体＞
本発明を適用する積層体を図１を参照しながら説明する。
【００２５】
まず、この例の積層体１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１ｂ（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。
【００２６】
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。
【００２７】
積層体１を構成する板状の複合材１ａは、図２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。
【００２８】
以上の積層体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（図６）の一方を、図５に示したような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に積層体１を、後述する接合構造にて接合し、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とを接合するという要領にて行うことができる。なお、積層体１は２つのセグメント本体２０２の双方もしくはいず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。
【００２９】
図１の積層体１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間にＦＲＰ層を積層して、板状の複合材１ａ同士を相互に接着するようにしてもよい。このようにＦＲＰ層を積層した場合、板状の複合材１ａ同士を強固に接着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。
【００３０】
＜積層体の製造方法＞
図１の積層体１の製造方法を図３を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、積層体の製造装置は、図３（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、この規制部材１０１，１０１間に配置された受型１０２、及び板状の複合材１ａの中央部を押圧する押圧部材１０３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。
【００３２】
具体的な製造手順は、最外層を構成する板状の複合材１ａを、規制部材１０１，１０１に対して位置決めした状態で、図３（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。
【００３３】
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を積層して接着剤層１ｂを形成する（図３（Ｂ））。接着剤層１ｂの積層厚さは、例えば１〜２ｍｍ程度とする。
【００３４】
接着剤層１ｂの積層が完了した後、図３（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な押圧力を付与する。
【００３５】
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３（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」を順次繰り返してゆくことにより、図１に示す構造の積層体１を得ることができる。
【００３６】
以下、本発明の積層体の接合構造の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３７】
＜実施形態１＞
積層体１をセグメント本体２０２に接合する構造の実施形態を、図４に示す。
【００３８】
この接合構造においては、積層体１の端部に接合金具１１が取り付けられている。接合金具１１は、積層体１の端部に加工された穴１０に嵌め込まれるナット１２（鋼製）と、ナット１２を積層体１の端部に固定するための固定部材１３によって構成されている。
【００３９】
固定部材１３は、鋼板を断面コ字形に折り曲げ加工したもので、前面の中央部に貫通穴（ボルト１５の貫通用）１３ａが加工されている。固定部材１３は積層体１を貫通するボルト１４ａとナット１４ｂによって積層体１端部に固定されている。以上の接合金具１１は、積層体１の端部周縁に沿って所定ピッチで配置されている。
【００４０】
一方、セグメント本体２０２の端部周縁（切欠き２０２ａの周縁）には、フランジ（内フランジ）２２１が一体形成されている。このフランジ２２１には、積層体１に装着した接合金具１１の貫通穴１３ａに対応する位置に貫通穴（ボルト１５の貫通用）２２１ａが加工されている。
【００４１】
そして、図４に示す接合構造では、セグメント本体２０２の切欠き２０２ａの周縁部に積層体１の周縁部を合わせるとともに、フランジ２２１の貫通穴２２１ａと接合金具１１の貫通穴１３ａとを合わせた状態で、セグメント本体２０２側からボルト１５を接合金具１１のナット１２にねじ込むことにより、積層体１とセグメント本体２０２とを相互に接合することができる。
【００４２】
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１０に示すように矩形の積層体２１であってもよい。
【００４３】
以上の実施形態では、シールド用セグメント（トンネル壁）に本発明の積層体の接合構造を適用した例を示したが、本発明はこれ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。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の積層体の接合構造によれば、セグメントなどの構造物に積層体をボルトの締結作業にて接合することができるので、積層体の施工を簡単かつ短時間で行うことができる。
【００４５】
また、積層体として、プラスチック発泡体を無機繊維で補強してなる板状の複合材が複数枚積層されたものを用いているので、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、シールドマシンによる掘削速度を速くすることが可能になる。ちなみに、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体を使用した場合、コンクリートに対して掘削速度が１０倍程度速くなり、掘削工程の大幅な短縮化をはかることができる。さらに、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達成することができるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用する積層体の部分縦断面図である。
【図２】 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。
【図３】 図１の積層体の製造方法の説明図である。
【図４】 本発明の積層体の接合構造の実施形態の断面図である。
【図５】 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】 図５のシールドトンネルに用いるシールドリングの構成を示す側面図である。
【図７】 図６のＸ矢視図である。
【図８】 図５のシールドトンネル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９】 同じく特殊セグメントの構造を模式的に示す斜視図である。
【図１０】 積層体の別の例を使用状態で示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 積層体
１ａ 板状の複合材
２ 接合プレート
３ボルト・ナット
４ 固定プレート
５ａ ボルト
５ｂ ナット
６ スペーサ
１０ 積層体端部の穴
１１ 接合金具
１２ ナット
１３ 固定部材
１４ａ ボルト
１４ｂ ナット
１５ ボルト
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
２１０ セグメントリング
２１１ セグメント
２１０ シールドトンネル（横向き）
２２０ 縦トンネル

Claims (2)

1. プラスチック発泡体を無機繊維で補強した板状の複合材が所定の曲率に湾曲された状態で複数枚積層され、その各板状の複合材間に接着剤層またはＦＲＰ層が積層されてなる積層体を構造物に接合する構造であって、
   積層体の端部に設けられた穴に挿入されるナットと、そのナットを積層体の端部に固定しかつ前記積層体を積層方向に挟持する固定部材からなる接合金具が積層体の端部に装着されているとともに、構造物の端部にボルト貫通用の貫通穴を有するフランジが一体形成されており、その構造物のフランジと積層体に装着の接合金具とが、前記ナットにねじ込まれるボルトにて締結されていることを特徴とする積層体の接合構造。
2. 前記積層体の端部および固定部材に、ボルトが前記積層体の積層方向に貫通され、前記固定部材がボルト・ナット結合によって前記積層体の端部に固定された請求項１に記載の積層体の接合構造。

Images