JP4579464B2 - セグメント継手 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば上下水道などのシールドトンネルを構築する際に使用するセグメントに用いる継手の構造に関する。詳しくは、圧縮荷重が一定値に制御でき、一定荷重での変位量も設定できるダンパーを用い、セグメント組立の際にセグメント継手金具に導入する応力度を一定値に制御可能な継手、及び低圧縮剛性の弾性体を用いて、同じくセグメント継手金具に導入して応力度がほぼ一定値に制御可能な継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボルト締結式継手に替わる継手構造として、例えば特開2000−28722号公報には、雄継手と雌継手を嵌合させ楔を形成するような継手構造がある。図16にこのセグメントの例を示した。また、図17には、雌継手及び雄継手を詳細に示した。
セグメントのピース間継手面には雄継手101及び雌継手103が取付けられている。
雄継手101は、セグメントのピース間継手面より外側に突出して設けられ、突出部の断面形状は概略T字状である。
【０００３】
ウェブ部109は、継手の長さ方向に幅広くなるように設計される。雌継手103は断面が概略C字状である。雄継手101のフランジ107内側と接触する雌継手103の顎部分111の厚み（高さ）は、雄継手101のウェブ109と同様に長さ方向に幅広くなるように設計されている。
【０００４】
このようなセグメントの組立例を図18に示す。セグメントは、例えばアルファベット記号で1セグメントピースを示すと、A2、A1、B1、B2、Kピースの順に組立てて、シールドジャッキにより継手の嵌合が行われる。継手面の雄継手及び雌継手の接触部にはテーパーが設けられているので、嵌合により雌継手の顎部分111と雄継手のフランジ部分107とが接触すると、楔効果により顎部分111は圧縮を受ける。すると、フランジ107が反作用として引張を受けるので、雄金具のウェブ109には引張応力が発生する。
【０００５】
この引張応力により、2つのセグメントのピース間継手面は十分に大きな力で互いに引きつけられ、結合が行われる。この継手法を用いると、継手同士の嵌合時に雄継手のウェブ109に引張応力を導入できるので、結合力が大きくボルト継手と同等以上の強度のセグメントリングが得られる。しかも組立にボルト、ナットを使用しないので作業が簡単になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、継手同士を結合するときに必要な応力、すなわちウェブ109に発生する引張応力を設計上必要な範囲の値とするには、継手の寸法が高精度であることが要求される。なお、設計上必要な範囲の値というのは、実際の設計では一定値となるが、この継手構造の場合に一定値の設計引張応力を導入することは困難なので、設計値にある幅を持たせた値である。
【０００７】
図17を用いて説明する。雄継手101や雌継手103には、製作時の寸法誤差やセグメントピースヘの取付け時の寸法誤差がある。これら寸法誤差の値が小さくても、セグメントピースの継手嵌合時には、楔効果により引張応力の誤差が大きくなり、設計上に必要な範囲の応力が得にくくなる。例えば、設計上必要な範囲の応力に比べて導入応力が大きくなる場合、すなわち、理想的な場合に比べ雄継手と雌継手の取合い寸法がきつい場合には、嵌合に必要な力が大きくなって結合が完了しなかったり、ウェブ部に導入される応力が降伏点を超えたりするし、極端な場合には継手が破断する。
【０００８】
反対に小さい場合、すなわち、理想的な場合に比べ取合い寸法がゆるい場合には、導入応力が設計値に達しないために、強度が不十分な継手しか得られない。
極端な場合には継手同士に隙間が生じ、セグメントリングの強度の問題のみならず、止水性の問題も生じる。また、雄継手101のウェブ109に設計値の応力を導入するには、継手の製作精度はもとより、セグメント本体への取付け精度も高精度とする必要があるため、セグメントの製作費が高くなる原因となっていた。
【０００９】
従って、本発明の課題は、セグメントのピース間継手の製作時や取付時の誤差の影響を受けることなく、継手の嵌合時に設計応力を導入できる継手を提供することにある。
【００１０】
【課題の解決手段】
前記課題を解決するための、本発明の第１の態様は、（Ａ）断面が概略Ｔ字状の雄金具（４０）と、（Ｂ）概略Ｃ字状の雌金具（１２）と、（Ｃ）前記雌金具（１２）に収納された、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）とで構成されたセグメントのピース間継手である。
（１）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。
【００１１】
本発明の第２の態様は、（Ａ）一定勾配で幅広くなるように形成したウェブ（４１）を備え、フランジ（４２）とウェブ（４１）とが突出するようにセグメトピースの継手面に取付けられた楔状の雄継手（４０）、及び（Ｂ）セグメントのピース間の結合面に前記雄継手（４０）の突出部を挿嵌するために設けられた溝状の箱抜部（１１）と、雄継手（４０）をガイドするスリット（１３）が設けられ、内部に、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）が収納された雌金具（１２）とを備えた雌継手（１０）で構成されたセグメントのピース間継手である。
（１）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮力に対して一定荷重状態まではほぼ直線的に変位が増加し、その後はほぼ一定荷重で変位のみが増加する特性を備えていることを特徴とするピース間継手である。
【００１３】
本発明の第４の態様は、前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮荷重に比例して変位が増加する状態から一定荷重状態に移るときの荷重、及び一定荷重に保たれ変位が増加する状態のときの変位量を任意に設定できることを特徴とするピース間継手である。
【００１４】
本発明の第５の態様は、前記可動楔（２１）が、セグメントピース間の継手面に近い側は継手面と平行に形成されており、反対側の面は一定勾配を備えて形成されていることを特徴とするピース間継手である。
【００１５】
本発明の第６の態様は、前記可動楔（２１）が、雌金具（１２）と雄継手（４０）との接触部間で摺動できるよう緩衝ダンパー（２０）に取付けられ、雄継手（４０）の荷重方向と逆方向の緩衝ダンパー（２０）からの反力に応じ、雌金具（１２）と雄継手（４０）との間に楔作用が生じるように形成されていることを特徴とするピース間継手である。
【００１６】
本発明の第７の態様は、前記緩衝材が、密閉されない容器中で、外部から荷重を加えられると、荷重に比例して変位が増加し、荷重がある大きさに達すると破壊が始まり、破壊開始後は、破壊による体積減少分に相当するだけ変位が増加し、破壊が進行している間は荷重が変化せずほぼ一定となる特性を備えていることを特徴とするセグメントのピース間継手である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、セグメントのピース間継手に楔嵌合式の継手を設け、セグメントピース結合時にトンネル軸方向に雄・雌金具を嵌合させ、両金具間に楔を形成させるものである。
【００２１】
本発明は、第1に、金具部分が大略Ｔ字型断面をした金具と、大略Ｃ字型断面の雌金具及び雄金具フランジと雌金具顎部との間に可動の状態で設置される可動楔から構成されており、第2に可動楔からの作用力が伝達できる状態で金具部前方に緩衝ダンパーまたは弾性体が設けられており（または、可動楔は、可動楔先端が、楔前方の緩衝ダンパーのピストンに結合された状態で設けられており）（または、可動楔は、可動楔先端が、楔前方の弾性体端部に結合された状態で設けられており、）第3に緩衝ダンパーはある荷重まではほぼ直線的に変位が増加し、そのほぼ一定荷重で変位のみが増加する性質、弾性体の場合は変位の増加に対する荷重の増加がきわめて小さい性質（低圧縮剛性）を備えていることを特徴とする。
【００２２】
セグメント組立時には、ダンパーの特性を利用し、ある押しこみ力では、雄・雌金具間に楔作用が成立するが、その一定荷重に達したのちは楔作用が成立せず、雄金具ウェブ部に導入される応力度の制御が可能となるものである。また弾性体の場合は低圧縮剛性を利用し組み立て完了までの間、雄金具ウェブに導入される応力度の増加が小さく、ほぼ一定の応力度が導入できるものである。
【００２３】
以下に実施の形態の第1を述べる。図1に、直径3800mm、幅1000mm、厚さ150mmのセグメントに本発明の継手を用いた例を示した。セグメントは、Aピース及びBピースが各々2組、Kピースが1組で構成され、各セグメントのピース間継手面に本発明の継手を用いた。ピース間継手はセグメント幅方向に2組設けており、各継手の結合中心位置の間隔は450mmとなっている。また雌継手10には、組立てる際に雄継手40の突出部を挿嵌する箱抜部11が設けてある。
【００２４】
図2には、雌継手11がセグメントピース2のピース間の継手面に配設された状態を示した。雌継手10には、箱抜部11及び雌金具12が設けられる。箱抜部11は、組立て嵌合時に雄継手40の突出部を挿嵌するため、継手面に設けられた溝である。
雌金具12には、継手部嵌合時に雄継手40のガイドとなるスリット13が設けられており、スリット部の奥部には可動楔21および緩衝ダンパー20が収納される。
【００２５】
図3に雌金具12の略図を示す。図3(a)は、雌金具12の斜視図である。スリット13を設けた個所は可動楔の収納部であり、図の右上は緩衝ダンパー収納部である。図3(b)は、雌金具12の緩衝ダンパー収納部に挿入された緩衝ダンパー20の断面図である。図3(c)は、雌金具12と雄金具40とが可動楔を介して嵌合した状態の、可動楔部分の断面図である。
【００２６】
図3(a)について説明する。雌金具12は、可動楔収納部と緩衝ダンパー収納部を備えている。可動楔収納部の断面は概略C字状であり、継手部嵌合時に雄継手40のガイドとなるスリット13が設けられている。緩衝ダンパー収納部の断面は中空方形状であり、円形シリンダー状のダンパーが収納される。雄継手40、可動楔21と嵌合する雌金具12のスリット13部の厚み、すなわち図3で示した可動楔収納部のh1の厚みは、可動楔21が緩衝ダンパー断面のほぼ中央にあたるよう緩衝ダンパー収納部の厚みh2に比べ大きくなる。
【００２７】
図3(b)は、別途作製した緩衝ダンパー20を、雌金具12の緩衝ダンパー収納部に挿入して用いる例を示したものである。例えば、別途作製したものではなく、緩衝ダンパー収納部はあらかじめ中空円筒状に形成し、その中に緩衝材を直接充填して用いることもできる。
【００２８】
図4に、可動楔21を備えた緩衝ダンパー20の斜視図を示した。一対の可動楔21が固定部材22の一方側に取付けられている。固定部材22は、一対の可動楔21が受けた荷重をダンパーに均等に伝えるものである。固定部材22の他方側には、緩衝材23を充填したシリンダー24とピストン25とからなるダンパーが取付けてある。
【００２９】
シリンダー24のピストン25と反対側の端部には、蓋部材26が取付けられている。この蓋部材26は、可動楔の設けられた緩衝ダンパーを雌金具12の緩衝ダンパー収納部側から挿入し、雌金具と一体化するためのものである。この蓋部材26は、シリンダー24内から小孔28を通じて排出された緩衝材の蓋も兼ねている。
【００３０】
シリンダー24は、小孔28を設けた隔壁27により2室に分けられている。ピストン25と隔壁27との間の室には緩衝材23が充填される。隔壁27を挟んだ反対側の室は、隔壁27の小孔28を通して流入した緩衝材23を貯め置くための排出部29である。
【００３１】
図5には、セグメントピースの継手面に、埋設するように設けられた雌継手10の概略斜視図を示した。雌継手10の雌金具12には、緩衝ダンパー20と可動楔21が収納されている。
【００３２】
図6に、雌金具12に収納される楔型突起状の可動楔21を備えた緩衝ダンパー20の断面図を示した。固定部材22に取付けられた可動楔21のセグメントピースの継手面に近い側(図6の下側)は、雌金具アゴ部上面(図3参照)と平行に形成されており、反対側の面は1/20の一定勾配を備えて形成されている。固定部材22を介して反対側にはピストン25が取付けられている。
【００３３】
緩衝ダンパー20に充填する緩衝材23は、望ましくはゴム材を用いる。例えば、架橋している低硬度のゴム材があげられる。シリンダー24は密封されていないので、緩衝材23が圧縮応力を受けると、変位は応力が大きくなるのに比例して増加する。すなわち、シリンダー内の緩衝材23が流動できるように小孔28を設けたり、シリンダー内径とピストン外径との寸法差による隙間を設ければ良い。すると、緩衝材23はピストン25の圧縮応力に対して、ある値までは、ほぼ弾性的な挙動をする。
【００３４】
ゴム材は、圧縮応力がある値になると破壊し始める。破壊したゴム材は、隔壁27の小孔28から反対側の排出部29に排出する。破壊開始以後は、ゴムの排出容積に相当する距離だけピストン25が移動し、継手同士の嵌合が進行する。なお、ゴムが破壊している間は圧縮応力は変化せず、シリンダー24のストロークエンドまで、ほぼ一定の値で変形が進行する。
【００３５】
シリンダー24径、小孔28径、及びシリンダー24ストロークを適宜選ぶことにより、「弾塑性特性」を維持したまま、「弾性限」と「変形限」の2つの特性値を任意に設定できる。また、緩衝材を充填するシリンダー24の形状は円筒状が望ましいが、例えば、ピストン25を摺動させて緩衝材23に圧縮応力を加えることができれば形状は任意で良い。ここで「弾性限」とは圧縮応力度と圧縮変位が比例する限度のことであり、また「変形限」は「弾性限」に達した後、一定圧縮力下で可能な最大変位のことである。
【００３６】
例を示すと、シリンダー24は内径27.6mmの鋼製円筒であり、中央部付近に直径1.83mmの小孔28を備えた隔壁27が設けられている。ピストン25はシリンダー24内をなめらかに摺動できるように作製される。内外径及び長さは緩衝ダンパーがセグメント継手設計上必要な「弾塑性体の特性」を持つように決められる。
【００３７】
図7には、雄継手40の斜視図を示した。セグメントピースに取付けた雄継手40の断面形状は概略T字状であり、一定勾配で長さ方向に幅広となるウェブ41を備えている。雄継手40は、フランジ42とウェブ41とを突出してセグメトピースの継手面に取付けられる。図8に、セグメントピースの継手面に取付けた雄継手40を示す。継手面の2箇所に取付けた例である。図9に、より詳細な取付け状況を示した。
【００３８】
雌金具17、雄継手40は、望ましくは鋳造により製作する。もちろん、鋼板を溶接等により組立てて製作することもできる。また、雌金具12は緩衝ダンパー20と一体化した状態でセグメントピース用型枠に取付けておき、この型枠にコンクリートを打設してセグメントピースを作製する。
【００３９】
緩衝ダンパーについて説明する。例えば、セグメントピースを結合する際に用いる雄継手40のウェブ41に、1400kgf/cm2の設計応力を導入するために必要な荷重は、実験結果等から2.1tfが必要であることが判っている。本発明の緩衝ダンパーについて室内実験を繰り返した結果、緩衝材23部分の長さを30mmとし、隔壁27の小孔28の径を1.83mmとすると、荷重は一定の2.1tfであり、またストロークが15mmを超えても荷重がほとんど変わらないことを確認した。
【００４０】
この結果を図10に示した。横軸が変位(単位mm)で縦軸は荷重(単位tf)である。変位、すなわち押込量が5mmまでは、荷重と変位はほぼ比例し、変位が5mm以上では、荷重は多少の変動があるもののほぼ一定である。
【００４１】
従来の実績から、継手の製作及び取付精度は±0.3mmであることが知られている。楔の勾配は1/20としているので、嵌合方向の余裕代は、2×0.3×20＝12mmとすれば良い。すなわち、セグメント取付け完了後の嵌合部の雌金具と雄継手の取合い寸法は、最もきついときと最も緩いときのストローク差が12mmとなるように設計すれば良い。つまり、最も緩いときに、図10の比例部分が終わるところ、すなわち変位が5mmでセグメントの嵌合が終了するように、雌金具及び雄継手の位置関係を決めればよい。
【００４２】
このように位置関係を決めたとき、雌金具及び雄継手の取合い寸法が最もきつい場合には、さらに12mmストロークした位置で嵌合が終了する。この余裕代である12mm分のストロークの間、荷重は一定の範囲内にあるので、ウェブへの応力も増加することなく一定となる。
【００４３】
雌継手10の雌金具12と雄継手40を嵌合させてセグメントピースを結合する方法について、図11を用いて説明する。セグメントピースの粗位置決めを行い、雄継手40の突出部を雌継手10の箱抜部11に挿嵌する。その後、シールドジャッキをストロークさせ、雄継手40の先端部と雌金具12とが嵌合できる位置に寄せる。
【００４４】
徐々にシールドジャッキをストロークさせると、図11(a)に示すように、雄継手40のフランジ42の内側と可動楔21の外側面とが接触し始める位置になる。この位置までは、雌金具12、雄継手40及び可動楔21に横軸方向の力は働かない。従って、雌金具12、雄継手40、及び可動楔21との間に楔効果が現れないので、ウェブ部に導入される応力は0である。
【００４５】
図11(b)に示すように、さらにストロークが進行すると、フランジ42により可動楔21が押される。すると、緩衝材23の反力(緩衝材すなわち緩衝ダンパーの押し戻そうとする力。以下同じ)により、可動楔21は移動せずフランジ42のみが移動するので、可動楔21は雌金具12とフランジ42の間に食い込み、雌金具及びフランジ42間には楔効果が現れる。すなわち、雄継手40のウェブ41が幅方向へ伸ばされるので引張応力が作用し始める。
【００４６】
ここで、雌金具12、フランジ42、可動楔21が接触して楔効果が現れ始める時点を原点とする。フランジ42の原点からの変位量を押込量（シールドジャッキストローク量）をXとし、可動楔21とフランジ42との嵌合による変位量をX1とし、緩衝ダンパーの変位量をX2とするとX＝X1＋X2となる。通常の場合、X1はX2に比べて小さく、例えば1/10〜1/20程度の値となる。
【００４７】
この状態は、緩衝ダンパーの荷重と変位関係が弾性限に達するまで続き、弾性限に達したときは、そのときの反力に応じた応力が導入される。図11(c)で示すように、弾性限変位X2＝X20に達したときの嵌合変位をX1=X10とする。荷重が一定の値（以後、弾性限という）に達するまでは、緩衝ダンパーの緩衝材23は、変形はするが破壊状態には至っておらず、破壊した材料が小孔28から排出されることはない。
【００４８】
緩衝材23の弾性限に相当するストロークのX0＝X10＋X20に達した後、さらにストロークを増すと、荷重は増加せずほぼ一定のままでストロークが進行する。図11(d)に示すように、この間は可動楔21に作用する反力も一定となり、雌金具12とフランジ42の嵌合は進まずに、緩衝材23の変位のみが進行する。言い換えると弾性限に達した後は、ストロークの増加分は緩衝材23の変位の増加分に一致する。
【００４９】
この段階では、緩衝材23の破壊が進行し、破壊された材料はストロークの進行とともに小孔28から徐々に排出される。これは、嵌合が終了するストロークエンドまで継続する。ストロークエンドに達した状態を図11(e)に示した。
【００５０】
図11(c)〜図11(e)に示したように、緩衝材23が破壊している間は、ほぼ反力は一定である。この間では、可動楔21の嵌合変位は変化せず、ダンパー変位が弾性限に達したときの嵌合変位X10に保たれる。ウェブ41の引張応力も変化せず、
ダンパー変位が弾性限に達したときの応力値に保たれる。
【００５１】
すなわち、ダンパー設計する際、1つ目は、まずダンパーの反力が一定となる荷重を設計応力に対応する荷重とする。2つ目は、ダンパー反力が一定となる範囲に製作誤差等による必要な余裕代を設定する。これにより、金具が緩い、きついに関係なく、雄継手40のウェブ41に導入される応力を設計応力に等しくすることができる。
【００５２】
図12を用いて、セグメントの組立方法について説明する。セグメントピースの雌継手10及び雄継手40の配置は、例えば図18に示すように、セグメントピースを組立てるとき、既設側の継手に雌継手10を、新しく組立てるセグメントの継手に雄継手40を設けるようにする。
【００５３】
組立ての際、新設セグメントピースはエレクタ等を用いて移動させ、雄継手40の中心がほぼ雌継手10の箱抜部11の中心の位置になるように調節する。次に、エレクタにより既設側セグメントの継手面と新設側セグメントの継手面が互いに接するまで、新設セグメントを水平移動させる(矢印▲１▼の方向)。移動後には、雄継手40の突起部（セグメント継手面表面より突出している部分）が雌継手10の箱抜部11に収まった状態となる。
【００５４】
次に、シールドジャッキ等を用いて図の上方向(矢印▲２▼の方向)に押し、雌継手10の雌金具12と雄継手40を嵌合させる。すなわち、図12に示したように、組立て完了までにdだけシールドジャッキをストロークさせる。
【００５５】
同様な操作を順次繰り返し、1リング分を組立てることができる。なお、雌継手10及び雄継手40の配置を、例えば図18に示す通りとし、セグメントを組立てる順序をA2、A1、B1、B2、Kとすると、前記の方法によりセグメントをリング状に組立てることができる。最後のKピースは両継手面に雄継手が設けられているが、Kピースの挿入角度、雄継手40の楔角度（テーパー量）、雌継手10の箱抜部11の形状などを考慮することにより、Aピース、Bピースの各継手同様に嵌合させることができる。一般的にKピースの継手形状はAピースとBピースのものとは異なったものとなる。
【００５６】
なお、継手はセグメント幅方向に2組設けているが、セグメント幅が小さい場合や、継手の設計応力があまり大きくない場合には、1組とすることもできる。また継手を幅方向に１組設ける場合、図16に示すように、雌金具端部を継ぎ手面端部に一致させ、箱抜き部11を設けない構造とすることもできる。この場合、雄金具長さは押す金具長さと必ずしも一致させる必要はない。概念図を図13に示す。図12の例では、形状が長方形状のセグメントに適用した場合であるが、本継手は他の形状のセグメント、例えば6角形状のセグメントにも適用できる。
【００５７】
図14に実施の形態の第2における緩衝ダンパーについて示した。緩衝ダンパー部以外の金具部分の構造は第1の実施の形態の場合と同じである。一対の可動楔21が一方側に取付けられ、他方側にはピストン25と緩衝材23を充填したシリンダー31からなるダンパーが配設されている。シリンダー31のピストン25と反対側の端部は閉じられている。ピストン25外径とシリンダー31内径の寸法差による隙間が設けられ、その隙間から緩衝材23が排出される。
【００５８】
すなわち、ピストン25に荷重がかかると、圧縮された緩衝材23はピストン25とシリンダー31との隙間から排出する。本実施例においても図10と同様の「弾塑性特性」が得られることを確認している。図示していないが、ピストン25が緩衝材を圧縮しているとき、シリンダー内でピストン25の中心軸がずれないようガイドを設けることが望ましい。
【００５９】
以下に本発明の実施の形態の第3について示す。図15に本実施例における雌金具12の断面図を示す。一対の可動楔21が一方側に取り付けられ、他方側には弾性体51が設けられる。本実施例では直径35mm、長さ50mmの圧縮剛性が小さい弾性ゴムを用いたが、設計条件によっては他形状の弾性ゴムや、プラスッテックス等を用いることも可能である。なお弾性体51部分以外の金具の構造は、第1、2の実施の形態と同じである。
【００６０】
セグメントを組み立てるとき、雌雄金具が接触して楔効果が現れた以降の雄金具の押し込み量をXとし、可動楔21とフランジ42との嵌合による変位量をX1、弾性体の圧縮変位量をX2とするとX＝X1+X2となる。X1は簡単には、雄金具ウェブ伸び量を楔勾配で除した値となる。弾性体の圧縮試験を実施し、圧縮弾性係数を求めたところ、低荷荷重領域ではおよそ100kgf/cm2であった。これは楔の材料である鋼材のおよそ1/20,000程度であった。
【００６１】
従って、弾性体の圧縮剛性が小さいために、X1はX2に比べ無視し得るほど小さな値となる。この結果セグメント組立時、雌雄金具接触開始後の押し込み量と押し込み力の関係は、弾性体の圧縮力と圧縮変位の関係に近いものとなる。すなわち、押し込み量の変化量に対する押し込み力の変化量が弾性体のそれに近くなる。
【００６２】
本実施例で使用したのと同一の弾性体を用い、雌雄金具の嵌合試験を実施して得られた、押し込み力と押し込み量の関係から押し込み量の変化量に対する押し込み力の変化量を求めるとおよそ80kgf/mmであった。これから、押し込み量の変化量に対するウェブ応力度の変化量は50kgf/cm2/mmと計算される。
【００６３】
継手金具の製作誤差等により、セグメント組立時、楔状態開始位置が設計より5mm変化しても、ウェブに導入される応力度の変化量は250kgf/cm2であり、これは目標とする導入応力度1400kgf/cm2に比べ問題のない量である。このようにして、本実施例のように可動楔先端部に低圧縮剛性を有する弾性体を設ける方法によれば、金具製作誤差が多少ある場合でも雄金具ウェブに目標とする引張力度に近い引張力を導入することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明のセグメントのピース間継手は雌雄金具と可動楔とからなる継手金具と、ダンパーとで構成される。ダンパーは、シリンダー、ピストン、及び緩衝材で構成される。シリンダーは完全には密閉されず、ゴム等の緩衝材が充填される。
緩衝材は、圧縮応力が作用したとき、圧縮応力度がある値までは弾性的に挙動し、次に連続破壊現象が生じ一定の圧縮応力のままで変形が進行し、シリンダーのストロークエンドまで圧縮応力度は変動しないという特性を備えているので、可動楔からの力がダンパーに伝達されるような構造とすることによって、セグメント継手嵌合時、雄金具ウェブに導入される応力度を設計応力度と等しくすることができる。また、緩衝ダンパーのかわりに圧縮剛性に小さな弾性体を用いても、雄金具ウェブに導入される応力度を設計応力度とほぼ同じとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るセグメントピースに装着された雌継手と雄継手を示す図である。
【図２】セグメントピースに装着された雌継手の図である。
【図３】雌継手金具のケースを示す図である。
【図４】可動楔および緩衝ダンパーの略図である。
【図５】緩衝ダンパーが収納された雌継手の略図である。
【図６】可動楔および緩衝ダンパーの断面図である。
【図７】雄継手の斜視図である。
【図８】雄継手をセグメントピースに装着した図である。
【図９】雄継手をセグメントピースに装着した図である。
【図１０】ダンパー緩衝材の荷重と変位の関係を示した図である。
【図１１】ダンパーの雌金具、雄継手、及び可動楔の変位を示した図である。
【図１２】雌継手と雄継手の嵌合手順を示した図である。
【図１３】箱抜き部を設けない構造とした雌継手と雄継手の嵌合図である。
【図１４】第２の実施形態のダンパーを示した図である。
【図１５】第３の実施形態のダンパーを示した図である。
【図１６】セグメントピースの組立ての先行技術例である。
【図１７】雄継手の先行技術例である。
【図１８】セグメントピースを組立ててセグメントとする際の、各セグメントピース組み合わせ例である。
【符号の説明】
１ シールドセグメント
２ セグメントピース
３ Ａ1セグメントピース
４ Ａ2セグメントピース
５ Ｂ1セグメントピース
６ Ｂ2セグメントピース
７ Ｋセグメントピース
１０ 雌継手
１１ 箱抜部
１２ 雌金具
１３ スリット
２０ 緩衝ダンパー
２１ 可動楔
２２ 固定部材
２３ 緩衝材
２４ シリンダー
２５ ピストン
２６ 蓋部材
２７ 隔壁
２８ 小孔
２９ 排出部
３０ 隙間
３１ シリンダー
３２ 雌金具アゴ部上面
４０ 雄継手
４１ ウエブ
４２ フランジ
５１ 弾性体
１０１ 雄継手
１０３ 雌継手
１０７ フランジ部分
１０９ ウエブ
１１１ 顎部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば上下水道などのシールドトンネルを構築する際に使用するセグメントに用いる継手の構造に関する。詳しくは、圧縮荷重が一定値に制御でき、一定荷重での変位量も設定できるダンパーを用い、セグメント組立の際にセグメント継手金具に導入する応力度を一定値に制御可能な継手、及び低圧縮剛性の弾性体を用いて、同じくセグメント継手金具に導入して応力度がほぼ一定値に制御可能な継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボルト締結式継手に替わる継手構造として、例えば特開2000−28722号公報には、雄継手と雌継手を嵌合させ楔を形成するような継手構造がある。図16にこのセグメントの例を示した。また、図17には、雌継手及び雄継手を詳細に示した。
セグメントのピース間継手面には雄継手101及び雌継手103が取付けられている。
雄継手101は、セグメントのピース間継手面より外側に突出して設けられ、突出部の断面形状は概略T字状である。
【０００３】
ウェブ部109は、継手の長さ方向に幅広くなるように設計される。雌継手103は断面が概略C字状である。雄継手101のフランジ107内側と接触する雌継手103の顎部分111の厚み（高さ）は、雄継手101のウェブ109と同様に長さ方向に幅広くなるように設計されている。
【０００４】
このようなセグメントの組立例を図18に示す。セグメントは、例えばアルファベット記号で1セグメントピースを示すと、A2、A1、B1、B2、Kピースの順に組立てて、シールドジャッキにより継手の嵌合が行われる。継手面の雄継手及び雌継手の接触部にはテーパーが設けられているので、嵌合により雌継手の顎部分111と雄継手のフランジ部分107とが接触すると、楔効果により顎部分111は圧縮を受ける。すると、フランジ107が反作用として引張を受けるので、雄金具のウェブ109には引張応力が発生する。
【０００５】
この引張応力により、2つのセグメントのピース間継手面は十分に大きな力で互いに引きつけられ、結合が行われる。この継手法を用いると、継手同士の嵌合時に雄継手のウェブ109に引張応力を導入できるので、結合力が大きくボルト継手と同等以上の強度のセグメントリングが得られる。しかも組立にボルト、ナットを使用しないので作業が簡単になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、継手同士を結合するときに必要な応力、すなわちウェブ109に発生する引張応力を設計上必要な範囲の値とするには、継手の寸法が高精度であることが要求される。なお、設計上必要な範囲の値というのは、実際の設計では一定値となるが、この継手構造の場合に一定値の設計引張応力を導入することは困難なので、設計値にある幅を持たせた値である。
【０００７】
図17を用いて説明する。雄継手101や雌継手103には、製作時の寸法誤差やセグメントピースヘの取付け時の寸法誤差がある。これら寸法誤差の値が小さくても、セグメントピースの継手嵌合時には、楔効果により引張応力の誤差が大きくなり、設計上に必要な範囲の応力が得にくくなる。例えば、設計上必要な範囲の応力に比べて導入応力が大きくなる場合、すなわち、理想的な場合に比べ雄継手と雌継手の取合い寸法がきつい場合には、嵌合に必要な力が大きくなって結合が完了しなかったり、ウェブ部に導入される応力が降伏点を超えたりするし、極端な場合には継手が破断する。
【０００８】
反対に小さい場合、すなわち、理想的な場合に比べ取合い寸法がゆるい場合には、導入応力が設計値に達しないために、強度が不十分な継手しか得られない。
極端な場合には継手同士に隙間が生じ、セグメントリングの強度の問題のみならず、止水性の問題も生じる。また、雄継手101のウェブ109に設計値の応力を導入するには、継手の製作精度はもとより、セグメント本体への取付け精度も高精度とする必要があるため、セグメントの製作費が高くなる原因となっていた。
【０００９】
従って、本発明の課題は、セグメントのピース間継手の製作時や取付時の誤差の影響を受けることなく、継手の嵌合時に設計応力を導入できる継手を提供することにある。
【００１０】
【課題の解決手段】
前記課題を解決するための、本発明の第１の態様は、（Ａ）断面が概略Ｔ字状の雄金具（４０）と、（Ｂ）概略Ｃ字状の雌金具（１２）と、（Ｃ）前記雌金具（１２）に収納された、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）とで構成されたセグメントのピース間継手である。
（１）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。
【００１１】
本発明の第２の態様は、（Ａ）一定勾配で幅広くなるように形成したウェブ（４１）を備え、フランジ（４２）とウェブ（４１）とが突出するようにセグメトピースの継手面に取付けられた楔状の雄継手（４０）、及び（Ｂ）セグメントのピース間の結合面に前記雄継手（４０）の突出部を挿嵌するために設けられた溝状の箱抜部（１１）と、雄継手（４０）をガイドするスリット（１３）が設けられ、内部に、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）が収納された雌金具（１２）とを備えた雌継手（１０）で構成されたセグメントのピース間継手である。
（１）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮力に対して一定荷重状態まではほぼ直線的に変位が増加し、その後はほぼ一定荷重で変位のみが増加する特性を備えていることを特徴とするピース間継手である。
【００１３】
本発明の第４の態様は、前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮荷重に比例して変位が増加する状態から一定荷重状態に移るときの荷重、及び一定荷重に保たれ変位が増加する状態のときの変位量を任意に設定できることを特徴とするピース間継手である。
【００１４】
本発明の第５の態様は、前記可動楔（２１）が、セグメントピース間の継手面に近い側は継手面と平行に形成されており、反対側の面は一定勾配を備えて形成されていることを特徴とするピース間継手である。
【００１５】
本発明の第６の態様は、前記可動楔（２１）が、雌金具（１２）と雄継手（４０）との接触部間で摺動できるよう緩衝ダンパー（２０）に取付けられ、雄継手（４０）の荷重方向と逆方向の緩衝ダンパー（２０）からの反力に応じ、雌金具（１２）と雄継手（４０）との間に楔作用が生じるように形成されていることを特徴とするピース間継手である。
【００１６】
本発明の第７の態様は、前記緩衝材が、密閉されない容器中で、外部から荷重を加えられると、荷重に比例して変位が増加し、荷重がある大きさに達すると破壊が始まり、破壊開始後は、破壊による体積減少分に相当するだけ変位が増加し、破壊が進行している間は荷重が変化せずほぼ一定となる特性を備えていることを特徴とするセグメントのピース間継手である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、セグメントのピース間継手に楔嵌合式の継手を設け、セグメントピース結合時にトンネル軸方向に雄・雌金具を嵌合させ、両金具間に楔を形成させるものである。
【００２１】
本発明は、第1に、金具部分が大略Ｔ字型断面をした金具と、大略Ｃ字型断面の雌金具及び雄金具フランジと雌金具顎部との間に可動の状態で設置される可動楔から構成されており、第2に可動楔からの作用力が伝達できる状態で金具部前方に緩衝ダンパーまたは弾性体が設けられており（または、可動楔は、可動楔先端が、楔前方の緩衝ダンパーのピストンに結合された状態で設けられており）（または、可動楔は、可動楔先端が、楔前方の弾性体端部に結合された状態で設けられており、）第3に緩衝ダンパーはある荷重まではほぼ直線的に変位が増加し、そのほぼ一定荷重で変位のみが増加する性質、弾性体の場合は変位の増加に対する荷重の増加がきわめて小さい性質（低圧縮剛性）を備えていることを特徴とする。
【００２２】
セグメント組立時には、ダンパーの特性を利用し、ある押しこみ力では、雄・雌金具間に楔作用が成立するが、その一定荷重に達したのちは楔作用が成立せず、雄金具ウェブ部に導入される応力度の制御が可能となるものである。また弾性体の場合は低圧縮剛性を利用し組み立て完了までの間、雄金具ウェブに導入される応力度の増加が小さく、ほぼ一定の応力度が導入できるものである。
【００２３】
以下に実施の形態の第1を述べる。図1に、直径3800mm、幅1000mm、厚さ150mmのセグメントに本発明の継手を用いた例を示した。セグメントは、Aピース及びBピースが各々2組、Kピースが1組で構成され、各セグメントのピース間継手面に本発明の継手を用いた。ピース間継手はセグメント幅方向に2組設けており、各継手の結合中心位置の間隔は450mmとなっている。また雌継手10には、組立てる際に雄継手40の突出部を挿嵌する箱抜部11が設けてある。
【００２４】
図2には、雌継手11がセグメントピース2のピース間の継手面に配設された状態を示した。雌継手10には、箱抜部11及び雌金具12が設けられる。箱抜部11は、組立て嵌合時に雄継手40の突出部を挿嵌するため、継手面に設けられた溝である。
雌金具12には、継手部嵌合時に雄継手40のガイドとなるスリット13が設けられており、スリット部の奥部には可動楔21および緩衝ダンパー20が収納される。
【００２５】
図3に雌金具12の略図を示す。図3(a)は、雌金具12の斜視図である。スリット13を設けた個所は可動楔の収納部であり、図の右上は緩衝ダンパー収納部である。図3(b)は、雌金具12の緩衝ダンパー収納部に挿入された緩衝ダンパー20の断面図である。図3(c)は、雌金具12と雄金具40とが可動楔を介して嵌合した状態の、可動楔部分の断面図である。
【００２６】
図3(a)について説明する。雌金具12は、可動楔収納部と緩衝ダンパー収納部を備えている。可動楔収納部の断面は概略C字状であり、継手部嵌合時に雄継手40のガイドとなるスリット13が設けられている。緩衝ダンパー収納部の断面は中空方形状であり、円形シリンダー状のダンパーが収納される。雄継手40、可動楔21と嵌合する雌金具12のスリット13部の厚み、すなわち図3で示した可動楔収納部のh1の厚みは、可動楔21が緩衝ダンパー断面のほぼ中央にあたるよう緩衝ダンパー収納部の厚みh2に比べ大きくなる。
【００２７】
図3(b)は、別途作製した緩衝ダンパー20を、雌金具12の緩衝ダンパー収納部に挿入して用いる例を示したものである。例えば、別途作製したものではなく、緩衝ダンパー収納部はあらかじめ中空円筒状に形成し、その中に緩衝材を直接充填して用いることもできる。
【００２８】
図4に、可動楔21を備えた緩衝ダンパー20の斜視図を示した。一対の可動楔21が固定部材22の一方側に取付けられている。固定部材22は、一対の可動楔21が受けた荷重をダンパーに均等に伝えるものである。固定部材22の他方側には、緩衝材23を充填したシリンダー24とピストン25とからなるダンパーが取付けてある。
【００２９】
シリンダー24のピストン25と反対側の端部には、蓋部材26が取付けられている。この蓋部材26は、可動楔の設けられた緩衝ダンパーを雌金具12の緩衝ダンパー収納部側から挿入し、雌金具と一体化するためのものである。この蓋部材26は、シリンダー24内から小孔28を通じて排出された緩衝材の蓋も兼ねている。
【００３０】
シリンダー24は、小孔28を設けた隔壁27により2室に分けられている。ピストン25と隔壁27との間の室には緩衝材23が充填される。隔壁27を挟んだ反対側の室は、隔壁27の小孔28を通して流入した緩衝材23を貯め置くための排出部29である。
【００３１】
図5には、セグメントピースの継手面に、埋設するように設けられた雌継手10の概略斜視図を示した。雌継手10の雌金具12には、緩衝ダンパー20と可動楔21が収納されている。
【００３２】
図6に、雌金具12に収納される楔型突起状の可動楔21を備えた緩衝ダンパー20の断面図を示した。固定部材22に取付けられた可動楔21のセグメントピースの継手面に近い側(図6の下側)は、雌金具アゴ部上面(図3参照)と平行に形成されており、反対側の面は1/20の一定勾配を備えて形成されている。固定部材22を介して反対側にはピストン25が取付けられている。
【００３３】
緩衝ダンパー20に充填する緩衝材23は、望ましくはゴム材を用いる。例えば、架橋している低硬度のゴム材があげられる。シリンダー24は密封されていないので、緩衝材23が圧縮応力を受けると、変位は応力が大きくなるのに比例して増加する。すなわち、シリンダー内の緩衝材23が流動できるように小孔28を設けたり、シリンダー内径とピストン外径との寸法差による隙間を設ければ良い。すると、緩衝材23はピストン25の圧縮応力に対して、ある値までは、ほぼ弾性的な挙動をする。
【００３４】
ゴム材は、圧縮応力がある値になると破壊し始める。破壊したゴム材は、隔壁27の小孔28から反対側の排出部29に排出する。破壊開始以後は、ゴムの排出容積に相当する距離だけピストン25が移動し、継手同士の嵌合が進行する。なお、ゴムが破壊している間は圧縮応力は変化せず、シリンダー24のストロークエンドまで、ほぼ一定の値で変形が進行する。
【００３５】
シリンダー24径、小孔28径、及びシリンダー24ストロークを適宜選ぶことにより、「弾塑性特性」を維持したまま、「弾性限」と「変形限」の2つの特性値を任意に設定できる。また、緩衝材を充填するシリンダー24の形状は円筒状が望ましいが、例えば、ピストン25を摺動させて緩衝材23に圧縮応力を加えることができれば形状は任意で良い。ここで「弾性限」とは圧縮応力度と圧縮変位が比例する限度のことであり、また「変形限」は「弾性限」に達した後、一定圧縮力下で可能な最大変位のことである。
【００３６】
例を示すと、シリンダー24は内径27.6mmの鋼製円筒であり、中央部付近に直径1.83mmの小孔28を備えた隔壁27が設けられている。ピストン25はシリンダー24内をなめらかに摺動できるように作製される。内外径及び長さは緩衝ダンパーがセグメント継手設計上必要な「弾塑性体の特性」を持つように決められる。
【００３７】
図7には、雄継手40の斜視図を示した。セグメントピースに取付けた雄継手40の断面形状は概略T字状であり、一定勾配で長さ方向に幅広となるウェブ41を備えている。雄継手40は、フランジ42とウェブ41とを突出してセグメトピースの継手面に取付けられる。図8に、セグメントピースの継手面に取付けた雄継手40を示す。継手面の2箇所に取付けた例である。図9に、より詳細な取付け状況を示した。
【００３８】
雌金具17、雄継手40は、望ましくは鋳造により製作する。もちろん、鋼板を溶接等により組立てて製作することもできる。また、雌金具12は緩衝ダンパー20と一体化した状態でセグメントピース用型枠に取付けておき、この型枠にコンクリートを打設してセグメントピースを作製する。
【００３９】
緩衝ダンパーについて説明する。例えば、セグメントピースを結合する際に用いる雄継手40のウェブ41に、1400kgf/cm2の設計応力を導入するために必要な荷重は、実験結果等から2.1tfが必要であることが判っている。本発明の緩衝ダンパーについて室内実験を繰り返した結果、緩衝材23部分の長さを30mmとし、隔壁27の小孔28の径を1.83mmとすると、荷重は一定の2.1tfであり、またストロークが15mmを超えても荷重がほとんど変わらないことを確認した。
【００４０】
この結果を図10に示した。横軸が変位(単位mm)で縦軸は荷重(単位tf)である。変位、すなわち押込量が5mmまでは、荷重と変位はほぼ比例し、変位が5mm以上では、荷重は多少の変動があるもののほぼ一定である。
【００４１】
従来の実績から、継手の製作及び取付精度は±0.3mmであることが知られている。楔の勾配は1/20としているので、嵌合方向の余裕代は、2×0.3×20＝12mmとすれば良い。すなわち、セグメント取付け完了後の嵌合部の雌金具と雄継手の取合い寸法は、最もきついときと最も緩いときのストローク差が12mmとなるように設計すれば良い。つまり、最も緩いときに、図10の比例部分が終わるところ、すなわち変位が5mmでセグメントの嵌合が終了するように、雌金具及び雄継手の位置関係を決めればよい。
【００４２】
このように位置関係を決めたとき、雌金具及び雄継手の取合い寸法が最もきつい場合には、さらに12mmストロークした位置で嵌合が終了する。この余裕代である12mm分のストロークの間、荷重は一定の範囲内にあるので、ウェブへの応力も増加することなく一定となる。
【００４３】
雌継手10の雌金具12と雄継手40を嵌合させてセグメントピースを結合する方法について、図11を用いて説明する。セグメントピースの粗位置決めを行い、雄継手40の突出部を雌継手10の箱抜部11に挿嵌する。その後、シールドジャッキをストロークさせ、雄継手40の先端部と雌金具12とが嵌合できる位置に寄せる。
【００４４】
徐々にシールドジャッキをストロークさせると、図11(a)に示すように、雄継手40のフランジ42の内側と可動楔21の外側面とが接触し始める位置になる。この位置までは、雌金具12、雄継手40及び可動楔21に横軸方向の力は働かない。従って、雌金具12、雄継手40、及び可動楔21との間に楔効果が現れないので、ウェブ部に導入される応力は0である。
【００４５】
図11(b)に示すように、さらにストロークが進行すると、フランジ42により可動楔21が押される。すると、緩衝材23の反力(緩衝材すなわち緩衝ダンパーの押し戻そうとする力。以下同じ)により、可動楔21は移動せずフランジ42のみが移動するので、可動楔21は雌金具12とフランジ42の間に食い込み、雌金具及びフランジ42間には楔効果が現れる。すなわち、雄継手40のウェブ41が幅方向へ伸ばされるので引張応力が作用し始める。
【００４６】
ここで、雌金具12、フランジ42、可動楔21が接触して楔効果が現れ始める時点を原点とする。フランジ42の原点からの変位量を押込量（シールドジャッキストローク量）をXとし、可動楔21とフランジ42との嵌合による変位量をX1とし、緩衝ダンパーの変位量をX2とするとX＝X1＋X2となる。通常の場合、X1はX2に比べて小さく、例えば1/10〜1/20程度の値となる。
【００４７】
この状態は、緩衝ダンパーの荷重と変位関係が弾性限に達するまで続き、弾性限に達したときは、そのときの反力に応じた応力が導入される。図11(c)で示すように、弾性限変位X2＝X20に達したときの嵌合変位をX1=X10とする。荷重が一定の値（以後、弾性限という）に達するまでは、緩衝ダンパーの緩衝材23は、変形はするが破壊状態には至っておらず、破壊した材料が小孔28から排出されることはない。
【００４８】
緩衝材23の弾性限に相当するストロークのX0＝X10＋X20に達した後、さらにストロークを増すと、荷重は増加せずほぼ一定のままでストロークが進行する。図11(d)に示すように、この間は可動楔21に作用する反力も一定となり、雌金具12とフランジ42の嵌合は進まずに、緩衝材23の変位のみが進行する。言い換えると弾性限に達した後は、ストロークの増加分は緩衝材23の変位の増加分に一致する。
【００４９】
この段階では、緩衝材23の破壊が進行し、破壊された材料はストロークの進行とともに小孔28から徐々に排出される。これは、嵌合が終了するストロークエンドまで継続する。ストロークエンドに達した状態を図11(e)に示した。
【００５０】
図11(c)〜図11(e)に示したように、緩衝材23が破壊している間は、ほぼ反力は一定である。この間では、可動楔21の嵌合変位は変化せず、ダンパー変位が弾性限に達したときの嵌合変位X10に保たれる。ウェブ41の引張応力も変化せず、
ダンパー変位が弾性限に達したときの応力値に保たれる。
【００５１】
すなわち、ダンパー設計する際、1つ目は、まずダンパーの反力が一定となる荷重を設計応力に対応する荷重とする。2つ目は、ダンパー反力が一定となる範囲に製作誤差等による必要な余裕代を設定する。これにより、金具が緩い、きついに関係なく、雄継手40のウェブ41に導入される応力を設計応力に等しくすることができる。
【００５２】
図12を用いて、セグメントの組立方法について説明する。セグメントピースの雌継手10及び雄継手40の配置は、例えば図18に示すように、セグメントピースを組立てるとき、既設側の継手に雌継手10を、新しく組立てるセグメントの継手に雄継手40を設けるようにする。
【００５３】
組立ての際、新設セグメントピースはエレクタ等を用いて移動させ、雄継手40の中心がほぼ雌継手10の箱抜部11の中心の位置になるように調節する。次に、エレクタにより既設側セグメントの継手面と新設側セグメントの継手面が互いに接するまで、新設セグメントを水平移動させる(矢印▲１▼の方向)。移動後には、雄継手40の突起部（セグメント継手面表面より突出している部分）が雌継手10の箱抜部11に収まった状態となる。
【００５４】
次に、シールドジャッキ等を用いて図の上方向(矢印▲２▼の方向)に押し、雌継手10の雌金具12と雄継手40を嵌合させる。すなわち、図12に示したように、組立て完了までにdだけシールドジャッキをストロークさせる。
【００５５】
同様な操作を順次繰り返し、1リング分を組立てることができる。なお、雌継手10及び雄継手40の配置を、例えば図18に示す通りとし、セグメントを組立てる順序をA2、A1、B1、B2、Kとすると、前記の方法によりセグメントをリング状に組立てることができる。最後のKピースは両継手面に雄継手が設けられているが、Kピースの挿入角度、雄継手40の楔角度（テーパー量）、雌継手10の箱抜部11の形状などを考慮することにより、Aピース、Bピースの各継手同様に嵌合させることができる。一般的にKピースの継手形状はAピースとBピースのものとは異なったものとなる。
【００５６】
なお、継手はセグメント幅方向に2組設けているが、セグメント幅が小さい場合や、継手の設計応力があまり大きくない場合には、1組とすることもできる。また継手を幅方向に１組設ける場合、図16に示すように、雌金具端部を継ぎ手面端部に一致させ、箱抜き部11を設けない構造とすることもできる。この場合、雄金具長さは押す金具長さと必ずしも一致させる必要はない。概念図を図13に示す。図12の例では、形状が長方形状のセグメントに適用した場合であるが、本継手は他の形状のセグメント、例えば6角形状のセグメントにも適用できる。
【００５７】
図14に実施の形態の第2における緩衝ダンパーについて示した。緩衝ダンパー部以外の金具部分の構造は第1の実施の形態の場合と同じである。一対の可動楔21が一方側に取付けられ、他方側にはピストン25と緩衝材23を充填したシリンダー31からなるダンパーが配設されている。シリンダー31のピストン25と反対側の端部は閉じられている。ピストン25外径とシリンダー31内径の寸法差による隙間が設けられ、その隙間から緩衝材23が排出される。
【００５８】
すなわち、ピストン25に荷重がかかると、圧縮された緩衝材23はピストン25とシリンダー31との隙間から排出する。本実施例においても図10と同様の「弾塑性特性」が得られることを確認している。図示していないが、ピストン25が緩衝材を圧縮しているとき、シリンダー内でピストン25の中心軸がずれないようガイドを設けることが望ましい。
【００５９】
以下に本発明の実施の形態の第3について示す。図15に本実施例における雌金具12の断面図を示す。一対の可動楔21が一方側に取り付けられ、他方側には弾性体51が設けられる。本実施例では直径35mm、長さ50mmの圧縮剛性が小さい弾性ゴムを用いたが、設計条件によっては他形状の弾性ゴムや、プラスッテックス等を用いることも可能である。なお弾性体51部分以外の金具の構造は、第1、2の実施の形態と同じである。
【００６０】
セグメントを組み立てるとき、雌雄金具が接触して楔効果が現れた以降の雄金具の押し込み量をXとし、可動楔21とフランジ42との嵌合による変位量をX1、弾性体の圧縮変位量をX2とするとX＝X1+X2となる。X1は簡単には、雄金具ウェブ伸び量を楔勾配で除した値となる。弾性体の圧縮試験を実施し、圧縮弾性係数を求めたところ、低荷荷重領域ではおよそ100kgf/cm2であった。これは楔の材料である鋼材のおよそ1/20,000程度であった。
【００６１】
従って、弾性体の圧縮剛性が小さいために、X1はX2に比べ無視し得るほど小さな値となる。この結果セグメント組立時、雌雄金具接触開始後の押し込み量と押し込み力の関係は、弾性体の圧縮力と圧縮変位の関係に近いものとなる。すなわち、押し込み量の変化量に対する押し込み力の変化量が弾性体のそれに近くなる。
【００６２】
本実施例で使用したのと同一の弾性体を用い、雌雄金具の嵌合試験を実施して得られた、押し込み力と押し込み量の関係から押し込み量の変化量に対する押し込み力の変化量を求めるとおよそ80kgf/mmであった。これから、押し込み量の変化量に対するウェブ応力度の変化量は50kgf/cm2/mmと計算される。
【００６３】
継手金具の製作誤差等により、セグメント組立時、楔状態開始位置が設計より5mm変化しても、ウェブに導入される応力度の変化量は250kgf/cm2であり、これは目標とする導入応力度1400kgf/cm2に比べ問題のない量である。このようにして、本実施例のように可動楔先端部に低圧縮剛性を有する弾性体を設ける方法によれば、金具製作誤差が多少ある場合でも雄金具ウェブに目標とする引張力度に近い引張力を導入することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明のセグメントのピース間継手は雌雄金具と可動楔とからなる継手金具と、ダンパーとで構成される。ダンパーは、シリンダー、ピストン、及び緩衝材で構成される。シリンダーは完全には密閉されず、ゴム等の緩衝材が充填される。
緩衝材は、圧縮応力が作用したとき、圧縮応力度がある値までは弾性的に挙動し、次に連続破壊現象が生じ一定の圧縮応力のままで変形が進行し、シリンダーのストロークエンドまで圧縮応力度は変動しないという特性を備えているので、可動楔からの力がダンパーに伝達されるような構造とすることによって、セグメント継手嵌合時、雄金具ウェブに導入される応力度を設計応力度と等しくすることができる。また、緩衝ダンパーのかわりに圧縮剛性に小さな弾性体を用いても、雄金具ウェブに導入される応力度を設計応力度とほぼ同じとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るセグメントピースに装着された雌継手と雄継手を示す図である。
【図２】セグメントピースに装着された雌継手の図である。
【図３】雌継手金具のケースを示す図である。
【図４】可動楔および緩衝ダンパーの略図である。
【図５】緩衝ダンパーが収納された雌継手の略図である。
【図６】可動楔および緩衝ダンパーの断面図である。
【図７】雄継手の斜視図である。
【図８】雄継手をセグメントピースに装着した図である。
【図９】雄継手をセグメントピースに装着した図である。
【図１０】ダンパー緩衝材の荷重と変位の関係を示した図である。
【図１１】ダンパーの雌金具、雄継手、及び可動楔の変位を示した図である。
【図１２】雌継手と雄継手の嵌合手順を示した図である。
【図１３】箱抜き部を設けない構造とした雌継手と雄継手の嵌合図である。
【図１４】第２の実施形態のダンパーを示した図である。
【図１５】第３の実施形態のダンパーを示した図である。
【図１６】セグメントピースの組立ての先行技術例である。
【図１７】雄継手の先行技術例である。
【図１８】セグメントピースを組立ててセグメントとする際の、各セグメントピース組み合わせ例である。
【符号の説明】
１ シールドセグメント
２ セグメントピース
３ Ａ1セグメントピース
４ Ａ2セグメントピース
５ Ｂ1セグメントピース
６ Ｂ2セグメントピース
７ Ｋセグメントピース
１０ 雌継手
１１ 箱抜部
１２ 雌金具
１３ スリット
２０ 緩衝ダンパー
２１ 可動楔
２２ 固定部材
２３ 緩衝材
２４ シリンダー
２５ ピストン
２６ 蓋部材
２７ 隔壁
２８ 小孔
２９ 排出部
３０ 隙間
３１ シリンダー
３２ 雌金具アゴ部上面
４０ 雄継手
４１ ウエブ
４２ フランジ
５１ 弾性体
１０１ 雄継手
１０３ 雌継手
１０７ フランジ部分
１０９ ウエブ
１１１ 顎部分
Claims (7)
- （Ａ）断面が概略Ｔ字状の雄金具（４０）と、
（Ｂ）概略Ｃ字状の雌金具（１２）と、
（Ｃ）前記雌金具（１２）に収納された、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）とで構成されたセグメントのピース間継手。
（１）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄金具（４０）と概略Ｃ字状の雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。 - （Ａ）一定勾配で幅広くなるように形成したウェブ（４１）を備え、フランジ（４２）とウェブ（４１）とが突出するようにセグメトピースの継手面に取付けられた楔状の雄継手（４０）、及び
（Ｂ）セグメントのピース間の結合面に前記雄継手（４０）の突出部を挿嵌するために設けられた溝状の箱抜部（１１）と、雄継手（４０）をガイドするスリット（１３）が設けられ、内部に、下記（１）又は（２）の緩衝ダンパー（２０）が収納された雌金具（１２）とを備えた雌継手（１０）で構成されたセグメントのピース間継手。
（１）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入するシリンダー（２４）と、
（ｄ）シリンダー（２４）内部を区分けし、小孔（２８）を設けた隔壁（２７）と、
（ｅ）ピストン（２５）と小孔（２８）を設けた隔壁（２７）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、
（ｆ）小孔（２８）から排出した緩衝材（２３）を溜める排出部（２９）と、
（ｇ）シリンダーを固定し、排出部（２９）に流入した緩衝材（２３）を溜置くための蓋部材（２６）と、で構成された緩衝ダンパー。
（２）（ａ）前記雄継手（４０）のフランジと前記雌金具（１２）との間に設けられた一対の楔状の可動楔（２１）が固定され、荷重を均等に伝える役目をする固定部材（２２）と、
（ｂ）固定部材（２２）を介して反対側に取付けられたピストン（２５）と、
（ｃ）ピストン（２５）を挿入し、ピストン（２５）の外径より内径を大きくして緩衝材（２３）が排出できるように隙間を設けたシリンダー（３１）と、
（ｄ）ピストン（２５）とシリンダー（３１）とに囲まれた空間に充填される緩衝材（２３）と、で構成された緩衝ダンパー。 - 前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮力に対して一定荷重状態まではほぼ直線的に変位が増加し、その後はほぼ一定荷重で変位のみが増加する特性を備えていることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のピース間継手。
- 前記緩衝ダンパー（２０）が、圧縮荷重に比例して変位が増加する状態から一定荷重状態に移るときの荷重、及び一定荷重に保たれ変位が増加する状態のときの変位量を任意に設定できることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のピース間継手。
- 前記可動楔（２１）が、セグメントピース間の継手面に近い側は継手面と平行に形成されており、反対側の面は一定勾配を備えて形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピース間継手。
- 前記可動楔（２１）が、雌金具（１２）と雄継手（４０）との接触部間で摺動できるよう緩衝ダンパー（２０）に取付けられ、雄継手（４０）の荷重方向と逆方向の緩衝ダンパー（２０）からの反力に応じ、雌金具（１２）と雄継手（４０）との間に楔作用が生じるように形成されていることを特徴とする請求項１、２又は５のいずれかに記載のセグメントのピース間継手。
- 前記緩衝材が、密閉されない容器中で、外部から荷重を加えられると、荷重に比例して変位が増加し、荷重がある大きさに達すると破壊が始まり、破壊開始後は、破壊による体積減少分に相当するだけ変位が増加し、破壊が進行している間は荷重が変化せずほぼ一定となる特性を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセグメントのピース間継手。
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