JP4727482B2 - 合成セグメント - Google Patents

Description

本発明は、鋼殻の内部にコンクリートを充填して略円弧板状に形成された合成セグメントに関する。

従来、地山に掘削穴を掘削しつつ、その内面に円弧板状のセグメントを周方向および軸方向に複数連結して筒状壁体を構築することによりトンネルを形成するシールド工法において、鋼製の円弧板状枠体（鋼殻）内にコンクリートを充填して製造された合成セグメントが用いられることが、例えば、特許文献１、特許文献２によって知られている。
上記特許文献１に記載の合成セグメントは、湾曲形成された主桁板や平面状の継手板が断面視コの字形状の鋼板で形成され、これらをスキンプレートに結合して、スキンプレートの対向側に開口部を有する箱形構造の鋼殻を備えている。
また、特許文献２に記載の合成セグメントは、断面コの字形状の主桁板と継手板とスキンプレートとを結合してスキンプレートの対向側に開口部を有する円弧板状の箱形に形成されると共に、２つの主桁板間に複数の略Ｈ字状のずれ止めを配置した構成の鋼殻を備えている。

ところで、今後、需要の増大が予測される道路用トンネルを構築する場合、工事全体としてコストの低減が要求されており、そのために掘削機の掘削外径の縮小や掘削土量の低減、工期の短縮等が必要とされている。このような要求を実現するためには、道路トンネルの桁高さを従来より低くすることが必要であり、トンネルの壁面を構成するセグメントも薄肉で高強度のものが要求されている。
特開平１１−１５９２９３号公報 特開２００３−２７８９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の合成セグメントは、鋼製セグメントより低コストで薄肉高強度のものを製造することができるが、主桁面と継手面の全面を鋼板で覆う構成であるため、セグメントにおける鋼材の使用量が多く、重量が大きくなって取り扱いにくいと共に、製造コストが増大する欠点がある。また、特許文献２に記載の合成セグメントは、開口部以外の周囲全てを鋼材で覆うと共に主桁板間に複数のずれ止めが配置されているので、強度は満足できても、一層、鋼材の使用量が多くなり、取扱性が悪く、コスト低減の要請に応えることが困難である。
そこで、本願の発明者は、先行する特願２００４−２０７３５０号出願や特願２００５−６９０２０号出願によって、鋼殻を構成する外周面と内周面の対向する二辺に、それぞれ略円弧状に湾曲する略Ｌ字形状断面または四角形状断面の各一対の第一鋼材と第二鋼材を対向配置すると共に、一対の第一鋼材の両端部どうし、一対の第二鋼材の両端部どうしをそれぞれ継手部材で連結した構成として、鋼殻の鋼材の使用量を少なくし、低コストであると共に薄肉構造であっても高強度である合成セグメントを提案した。
しかし、先行する特願出願の合成セグメントでは、合成セグメントの外周面側と内周面側に独立して配置された第一鋼材と第二鋼材が、合成セグメントに作用する外力によってそれぞれ自由に圧縮歪みと引張り歪みを生じるため、大きな外力が作用した場合には、鋼殻とコンクリートの一体化が損なわれるおそれがあり、合成セグメントの高強度化が難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、鋼材の使用量が小さく低コストであると共に、鋼殻とコンクリートの一体化が確実に行えて高強度化を可能とする合成セグメントを提供することを目的とする。

本発明による合成セグメントは、鋼殻の内部にコンクリートを充填して略円弧板状に形成され、周方向及び軸方向に複数連結されることにより筒状壁体を構成する合成セグメントであって、前記鋼殻は、略円弧状に湾曲して外周面の対向する主桁面側の二辺に設けられた一対の第一鋼材と、略円弧状に湾曲して内周面の対向する主桁面側の二辺に設けられた一対の第二鋼材と、前記第一鋼材と第二鋼材の継手面側における両端部どうしを連結する端部プレートとを備え、前記端部プレートは、継手面の長手方向において中間部が間隔をあけて分離されており、分離された端部プレートどうしが継手面の厚み方向における両端側に配置された継手部材によって連結されていることを特徴とする。
本発明によれば、合成セグメントの鋼殻が、外周面と内周面の各二辺にそれぞれ設けた第一鋼材と第二鋼材の継手面側における両端部どうしを端部プレートで連結された構成とされているので、合成セグメントに外部から高荷重が作用して、外周面側に圧縮歪みが、内周面側に引っ張り歪みが生じ、それらの歪みの差により鋼殻とコンクリートとの一体化が崩れようとする場合でも、前記端部プレートによって第一鋼材と第二鋼材の個々の自由な歪みが拘束され、これにより、合成セグメントにおける鋼殻とコンクリートの一体化が損なわれることが無く、合成セグメントの高強度化を図ることができる。また、鋼殻として使用する鋼材が、主桁面と継手面の全面を覆うような従来の合成セグメントと比較して少ないために低コストであり、合成セグメントが軽量化されて取扱性が向上される。
しかも、一対の端部プレート間の継手面にセグメント間継手を設けるスペースが容易に確保される。

また、前記合成セグメントにおいて、前記第一鋼材の内側には、該第一鋼材にそれぞれ連結または分離して円弧状に湾曲する第三鋼材が設けられ、前記第二鋼材の内側には、該第二鋼材にそれぞれ連結または分離して円弧状に湾曲する第四鋼材が設けられており、前記第三鋼材と第四鋼材の両端部は前記端部プレートに連結されていることが好ましい。
このようにすると、幅広の合成セグメントであっても鋼殻とコンクリートの一体化が良好に行える。
また、前記合成セグメントにおいて、前記第三鋼材と第四鋼材がそれぞれ対向して配設されて接続部材によって連結された構成とすることができる。
これによれば、鋼殻の厚み方向における鋼材の連結強度が高められ、鋼殻とコンクリートの一体化が一層向上される。

本発明による合成セグメントによれば、鋼殻を構成する第一鋼材と第二鋼材の継手面側における両端部が端部プレートによって連結された構成とされているので、合成セグメントに外部から高荷重が作用して合成セグメントの外周側と内周側との間に歪みの差が生じる場合であっても、前記端部プレートによって第一鋼材と第二鋼材の個々の自由な歪みが拘束されるため、合成セグメントにおける鋼殻とコンクリートの一体化が損なわれることが無く、合成セグメントの高強度化を図ることができる。また、鋼殻として使用する鋼材を少なくして低コスト化を図ることができ、軽量化による取扱性を向上させることができる。
しかも、一対の端部プレート間の継手面にセグメント間継手を設けるスペースが容易に確保される。

次に、本発明の実施の形態に係る合成セグメントついて添付図面を参照して説明する。
図１〜図５は本発明の第一の実施の形態に係る合成セグメント１を示す。この合成セグメント１は、例えば、シールド工法によって大断面の道路用トンネルの内壁に構築されるトンネル覆工体を形成するものであり、薄肉の略長方形板状のものが略円筒周面形状（以下、「円弧板状」という）に湾曲され、図１〜図３、図５に示すように、鋼殻２とその内部に充填されるコンクリート３とを有して構成されている。
そして、合成セグメント１の短辺側（トンネルの軸方向に沿う辺側）の側面である継手面４には、トンネルの周方向の連結のためのセグメント間継手５が設けられ、このセグメント間継手５は中継継手部５ａとインサート継手部５ｂとを有している。また、長辺側（トンネルの周方向に沿う辺側）の側面である主桁面６には、トンネルの軸方向の連結のためのリング間継手７の雄部７ａが複数個（図示の例では４個）設けられ、対向する主桁面６には雄部７ａが嵌合する雌部７ｂが設けられている。対向する各主桁面６，６には互いに嵌合するほぞ８としてほぞ凸部８ａとほぞ凹部８ｂとが設けられている(図３参照）。

次に、合成セグメント１の鋼殻２について図２〜図４により説明する。前記鋼殻２は、図４に示すように、合成セグメント１がトンネル内に装着された状態で地山側に位置する外周面に、合成セグメント１の外周面の枠部を構成する四辺からなる外側枠体部９（第一枠体部）が形成されており、また、合成セグメント１がトンネル内に装着された状態で内側に位置する内周面には、外側枠体部９に対向して内周面の枠部を構成する四辺からなる内側枠体部１０（第二枠体部）が形成されている。
前記外側枠体部９は長辺が略円弧板状に湾曲して形成されていて横断面（トンネルの軸方向に沿う断面）が略長方形をなす一対の第一鋼材１１，１１を備え、前記内側枠体部１２は長辺が略円弧板状に湾曲して形成されていて横断面が略長方形をなす一対の第二鋼材１２，１２を備えている。

一対の前記第一鋼材１１，１１の前記継手面４側における両側端部と一対の第二鋼材１２，１２の継手面４側における両側端部は、対応する端部どうしがそれぞれ端部プレート１３によって相互に連結されている。前記端部プレート１３は、前記継手面４の長手方向（セグメントの短辺方向）の一端側（図４で左端側）と他端側（図４で右端側）から対向するようにして一対が継手面４に沿って延出され、一対の端部プレート１３，１３は、継手面４の中間部が所定の間隔をあけて分離されている。そして、一対の前記端部プレート１３，１３の中間部には、一対の継手板（継手部材）１４，１４が、鋼殻２（合成セグメント１）の厚み方向（トンネルの半径方向）の両端部（図４で上下端部）において前記継手面４に沿って延長して設けられ、それらの両端部は前記端部プレート１３，１３に連結されている。前記端部プレート１３，１３と前記継手板１４，１４とで囲まれた空間Ｇは前記セグメント間継手５が設置される部分となっている。
前記継手板１４，１４は例えば第一、第二鋼材１１，１２の厚みと同一厚み、同一幅に設定されている。前記外側枠体部９と内側枠体部１０はいずれも鋼材で構成されていて、好ましくは同一寸法とされている。

前記各第一鋼材１１，１１の内側（トンネルの軸方向において対向する側）には、各第一鋼材１１に一体に連結された板状の第三鋼材１５，１５がそれぞれ設けられている。各第三鋼材１５，１５は好ましくは第一鋼材１０と同様な断面形状で同様に湾曲して形成されている。また、各第二鋼材１２，１２の内側には、各第二鋼材１２に一体に連結された板状の第四鋼材１６，１６が設けられている。各第四鋼材１６，１６も第二鋼材１２，１２と同様な横断面形状で同様に湾曲して形成されている。さらに、前記第三、第四鋼材１５，１６の継手面４側における両端部も、前記第一、第二鋼材１１，１２と同様に前記端部プレート１３，１３に連結されている。
そして、鋼殻２の厚み方向に対向する第三鋼材１５と第四鋼材１６とは、例えば略Ｖ字状をなすラチス（接続部材）１７によって互いに連結されている。前記ラチス１７は第三鋼材１５と第四鋼材１６の長手方向（鋼殻２の周方向）に連続して複数配列されている。

また、前記鋼殻２の外側枠体部９及び内側枠体部１０は、図３及び図４に示すように、第一鋼材１１と第二鋼材１２の各主桁面６に露出する外端面１１ａ，１２ａに、その長手方向に沿ってシール溝１８，１８が形成されている。同様に、前記端部プレート１３，１３及び継手板１４，１４にも前記外端面１１ａ、１２ａのシール溝１８，１８に連続するシール溝１９，１９が前記継手面４の長手方向に沿って形成されることにより、各シール溝１８，１９が鋼殻２の四辺の全周に亘って形成され、これらのシール溝１８，１９にシール材（図示せず）が嵌合されるようになっている。
そして、前記鋼殻２の外側枠体部９においては、図５に示すように、スキンプレート２０が前記第一鋼材１１，１１の外周にそれぞれ溶接により水密に固着されている。また、前記鋼殻２の内側枠体部１２においては、前記第二鋼材１２，１２及び第四鋼材１６，１６の内周面に、塗装、その他による防錆処理が施されている。

なお、前記リング間継手７は、例えば、図２に示すように、プッシュグリップで構成され、雄部７ａはピンボルト２１、袋ナット部２２、アンカー筋２３等を備え、雌部７ｂはピンボルト２１を嵌合係止させる楔部２４、アンカー筋２５等を備えている。
また、第一鋼材１１と第二鋼材１２は例えば圧延によって製造される。即ち、板状の鋼材を加熱圧延ロール間で挟んで繰り出すことにより、鋼材を第一、第二鋼材１１，１２を所定厚み及び幅寸法に引き延ばす。これと同時に、鋼材の第一、第二鋼材１１，１２の前記外端面１１ａ、１２ａに相当する面にシール溝形成用の車輪状の圧延部材を押し当てることにより、鋼材の長さ方向に凹溝が形成されて前記シール溝１８とされ、この鋼材を所定の曲率で湾曲させることにより、第一鋼材１１及び第二鋼材１２が形成される。

前記のように、実施の形態による合成セグメント１は、合成セグメント１の鋼殻２が、外周面と内周面の主桁面側の各二辺にそれぞれ第一鋼材１１と第二鋼材１２を備え、該第一鋼材１１と第二鋼材１２の継手面４側における両端部どうしが端部プレート１３で連結された構成とされているので、合成セグメント１に外部から高荷重が作用して、外周面側に圧縮歪みが、内周面側に引っ張り歪みがそれぞれ生じ、それらの歪みの差により鋼殻２とコンクリートとの一体化が崩れようとする場合でも、前記端部プレート１３，１３によって第一鋼材１１と第二鋼材１２の合成セグメント１の周方向における個々の自由な歪みが拘束され、これにより、合成セグメント１における鋼殻２とコンクリート３の一体化が損なわれることが無く、合成セグメント１の高強度化を図ることができる。

また、鋼殻２を構成する第一鋼材１１、第二鋼材１２はいずれも略板状の鋼材であって、従来の合成セグメントのように主桁面６と継手面４の全面を鋼殻で覆うものと比較して、鋼材の使用量が少なくてすみ、低コストである。また、合成セグメント１が軽量化されてその取扱性が向上される。
しかも、合成セグメント１の主桁面６において、長手方向の角部に第一、第二鋼材１１，１２を配設してシール溝１８を形成した外端面１１ａ、１２ａを位置させたから、内外周面の角部からシール溝１８までの距離が短く、前記外端面１１ａ、１２ａ間のほぞ８やリング間継手７を相対的に大きく形成することができ、合成セグメント１を厚みの小さい薄肉板状に形成してもセグメント１、１どうしの軸方向における連結強度が高い。
さらに、前記端部プレート１３は、継手面４の長手方向において中間部が間隔をあけて分離されており、分離された端部プレート１３，１３どうしが継手面４の厚み方向における両端側に配置された継手板１４，１４によって連結された構成とされているので、一対の端部プレート１３，１３間の継手面４にセグメント間継手５を設けるスペースが容易に確保される。このため、大きなセグメント間継手の採用により、合成セグメント１，１どうしの周方向における連結強度も高められる。

また、前記合成セグメント１において、割れや欠けが生じやすい外周面及び内周面の四辺の角部を断面略長方形状の第一鋼材１１及び第二鋼材１２によって構成しているので、合成セグメント１の全体を鋼材で覆わなくても所望の強度を得ることができる。また、第一鋼材１１及び第二鋼材１２の内側に同様な湾曲形状を有する第三鋼材１５及び第四鋼材１６を一体形成したので、トンネルを形成した場合、地山側等からの円弧方向の外力及び合成セグメント１の外周面から内周面に向かう方向への外力に対し、更に高い強度を発揮することができる。
さらに、第三鋼材１５と第四鋼材１６をそれぞれラチス１７で接続すると共に、第一鋼材１１と第三鋼材１５、及び第二鋼材１２と第四鋼材１６をそれぞれ一体化する構成としているので、合成セグメント１の製造時に型枠内での構造部材の位置ずれを生じることが無く、合成セグメント１を安価に安定して製造することができる。
また、第一鋼材１１及び第二鋼材１２及び端部プレート１３，１３と継手板１４、１４にシール溝１８、１９をそれぞれ形成してシール材を設けることにより、他の合成セグメント１と連結して道路用トンネル等の内側への地下水等の漏水を確実に防止することができる。しかも、この合成セグメント１を道路用トンネルに適用するとセグメント１の厚み分だけ桁高を小さくできる。

次に、図６、図７は本発明の第二の実施の形態に係る合成セグメント１Ａを示す。
この第二の実施形態に係る合成セグメント１Ａは、第一の実施の形態に係る合成セグメント１では、前記第一鋼材１１と第二鋼材１２を連結する端部プレート１３が、継手面４の長手方向で２つに分離され、分離された一対の端部プレート１３，１３が一対の継手板１４，１４によって連結されているのに対して、端部プレート１３Ａが２つに分離されることなく、継手面４の長手方向に一体に形成された構成となっている。そして、端部プレート１３Ａの合成セグメント１Ａの厚み方向における両端部には、前記シール溝１９，１９が継手面４の長手方向に沿って連続して形成されており、該シール溝１９，１９の両端部は前記主桁面６，６のシール溝１８，１８に連絡されている。

また、前記端部プレート１３Ａの継手面４の長手方向の中間部における前記シール溝１９，１９間には、前記セグメント間継手５の中継継手部５ａとインサート継手部５ｂをそれぞれ通す一対の穴１３ａ，１３ａがあけられている。
その他の構成は、前記合成セグメント１と同様であるので、同一または同様の構成部分には同一の符号を付してそれらについての説明は省略する。
この実施の形態に係る合成セグメント１Ａによれば、前記合成セグメント１と同様な作用、効果が奏されるほかに、端部プレート１３Ａが、一対の第一鋼材１１，１１と一対の第二鋼材１２，１２に一体に連結されて鋼殻２の継手面４側を完全に閉じるので、合成セグメント１Ａに高荷重が作用するときでも、鋼殻２とコンクリートの一体化が確実に図れ、合成セグメント１Ａの強度が一層向上される。

なお、前記各実施の形態に係る合成セグメント１，１Ａでは、前記第一鋼材１１と第三鋼材１５、及び第二鋼材１２と第四鋼材１６をそれぞれ一体に形成したが、これに限らず、第三鋼材１５を第一鋼材１１から分離してその内側へ配置しても良く、また、第四鋼材１６を第三鋼材１２から分離してその内側へ配置しても良い。このようにした場合には、合成セグメント１Ａの中央部で発生する応力を、第一、第二鋼材１１，１２とは分離して設けられた第三、第四鋼材１５，１６によって分担させることができるので、幅広の合成セグメントに好適に採用することができる。
また、前記各実施の形態に係る合成セグメント１，１Ａにおいて、ラチス１７は、合成セグメント１の製造時に型枠内に鋼殻２を配置する際、第三鋼材１５と第四鋼材１６を繋ぐために設けられるものであるが、必ずしも設けなくても良い。また、第三鋼材１５及び第四鋼材１６自体も必ずしも設けなくてもよい。

また、前記各実施の形態に係る合成セグメント１，１Ａでは、第一鋼材１１及び第二鋼材１２の外端面１１ａ，１２ａに設けたシール溝１８を、第一、第二鋼材１１，１２の圧延加工時に車輪状の部材で同時に圧延形成したが、これに代えて第一鋼材１１及び第二鋼材１２の形成後に切削等の機械加工によって形成してもよい。
また、前記各実施形態に係る合成セグメント１，１Ａにおいて、第一、第二、第三、第四鋼材１１，１２，１５，１６は、共に合成セグメントの構造材を構成しており、合成セグメントが薄肉、幅広構造であってもそれに高強度を発揮させる。前記ラチス１７は、複数の板状または棒状部材を略Ｖ字状に配列した構造とされているが、コンクリート３の充填性が良好な隙間を有する形状であれは、必ずしも当該形状である必要はなく、任意の形状の接続部材を採用することができる。
また、主桁面６，６にほぞ８としてほぞ凸部８ａとほぞ凹部８ｂを配設したが、リング間継手７だけでもよい。

また、前記各実施の形態に係る合成セグメント１〜１Ｄにおいて、図示しないが、前記第一鋼材１１、第二鋼材１２、第三鋼材１５、第四鋼材１６に、合成セグメント１，１Ａの内側に向けて突出させてボルト、ピン等からなるジベルを固着し、それらの鋼材１１，１２，１５，１６とコンクリート２０との密着性を良くして合成セグメント１，１Ａの強度を高めるようにしても良い。

本発明の第一の実施の形態による合成セグメントの斜視図である。 図１のイ−イ断面図である。 図１のロ−ロ断面図である。 図１に示す合成セグメントの鋼殻を示す斜視図である。 図１に示す合成セグメントからスキンプレートを分離した分解斜視図である。 本発明の第二の実施の形態による合成セグメントの図２に対応する断面図である。 図６のハ−ハ断面図である。

符号の説明

１，１Ａ 合成セグメント
２ 鋼殻
３ コンクリート
４ 継手面
６ 主桁面
１１ 第一鋼材
１２ 第二鋼材
１４ 継手板（継手部材）
１５ 第三鋼材
１６ 第四鋼材
１７ ラチス（接続部材）
２０ スキンプレート

Claims (3)

1. 鋼殻の内部にコンクリートを充填して略円弧板状に形成され、周方向及び軸方向に複数連結されることにより筒状壁体を構成する合成セグメントであって、
   前記鋼殻は、略円弧状に湾曲して外周面の対向する主桁面側の二辺に設けられた一対の第一鋼材と、略円弧状に湾曲して内周面の対向する主桁面側の二辺に設けられた一対の第二鋼材と、前記第一鋼材と第二鋼材の継手面側における両端部どうしを連結する端部プレートとを備え、
   前記端部プレートは、継手面の長手方向において中間部が間隔をあけて分離されており、分離された端部プレートどうしが継手面の厚み方向における両端側に配置された継手部材によって連結されていることを特徴とする合成セグメント。
2. 前記第一鋼材の内側には、該第一鋼材にそれぞれ連結または分離して円弧状に湾曲する第三鋼材が設けられ、前記第二鋼材の内側には、該第二鋼材にそれぞれ連結または分離して円弧状に湾曲する第四鋼材が設けられており、前記第三鋼材と第四鋼材の両端部は前記端部プレートに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の合成セグメント。
3. 前記第三鋼材と第四鋼材は、それぞれ対向して配設されて接続部材によって連結されていることを特徴とする請求項２に記載の合成セグメント。

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