JP4920626B2 - 合成セグメント - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルのセグメントに関し、特に軟弱地盤中のトンネルや内水圧が作用するトンネル、異形断面トンネル等のセグメントのリング間継手に引張力が作用するトンネル用の合成セグメントの構造に関し、特に継手部に作用する引張力を鋼殻や中詰めコンクリート部分に効率的に伝達可能な高強度・高剛性な合成セグメントに関する。

軟弱地盤中のトンネルや内水圧が作用するトンネル、異形断面トンネル等に用いられるセグメントでは、セグメント継手には大きな曲げモーメントや引張力（例えば、トンネル軸方向に直角な断面で、トンネル頂部付近の土砂がトンネル側部側に押圧されていることによる引張力、あるいは内水圧による引張力）が作用する。そのため、ボルトや機械式継手等のセグメント継手材に作用する引張り力を、鋼殻や中詰めコンクリート部分に効率的に伝達する必要がある。

前記の曲げモーメントとしては、例えば、地山側からの土圧あるいは水圧による曲げモーメントがある。また、前記の引張力としては、例えば、トンネル軸方向に直角な断面で、トンネル頂部付近の土砂をトンネル側部側に押圧されていることによりセグメントに作用する引張力、あるいは内水圧による引張力がある。

また、土水圧等の外力に対して、止水性を確保し、また、トンネルの変形を抑制するために、セグメント継手は高い剛性（回転剛性や引張剛性）が要求される。さらに、セグメント継手は外力によって発生する断面力に耐え得る高い強度が必要とされる。

前記のような用途に用いられるセグメントとして合成セグメントおよびこれに用いられるセグメント継手がある。
例えば、合成セグメントの一形態としては、図１２（ａ）に示すように、一対の主桁２および一対の継手板３と、スキンプレート４とによる鋼殻５と、その鋼５殻内に継手板と平行に形成された縦リブ６とで構成されたセグメント鋼殻１６内部に、セグメント継手用のボルトボックス７を有し、トンネル周方向に主桁２と平行に配置された周方向の鉄筋１１および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリート９により、前記周方向の鉄筋１１および鋼殻５とが一体化されている合成セグメント１５が知られている。
前記の合成セグメント１５は、一対の主桁２および一対の継手板３と、スキンプレート４との５面により鋼殻（５面鋼殻）５が形成され、その鋼殻５内に縦リブ６を設けて５面鋼殻セグメント１６を構成し、その５面鋼殻セグメント１６と周方向の鉄筋１１と中詰めコンクリート９で構成される合成セグメント１５である。
また、そのような合成セグメント１５に用いられる高強度・高剛性継手部付近の構造としては、継手材に発生する引張力を周方向の鉄筋１１と鋼殻５とに分散して伝達する必要がある。
前記のように継手材に発生する引張力を周方向の鉄筋１１と鋼殻５とに分散して伝達する構造にしなければ、力学的には単なる鋼製セグメントにコンクリートが充填されただけの構造、あるいは鉄筋コンクリートセグメントに鋼製の枠が付いただけのセグメントとなる。

前記の高強度・高剛性継手部付近の構造の一形態として、図１２及び図１３に示すように、５面鋼殻セグメント１６内に、コンクリートが充填され、鋼殻５内部に周方向の鉄筋１１が配置された合成セグメント１５があり、その継手として、継手板３に補強板１７および定着鉄筋１８などからなる継手金物１９を設置したものがある。この継手金物１９の構成の各部の作用は以下のとおりであり、セグメント継手の引張材である継手材（ボルトや機械式継手）に作用する引張力を鋼殻および周方向の鉄筋に伝達することができ、高強度かつ高剛性な継手とすることができる。
前記の補強板１７の作用は、補強板１７の剛性によって、継手の剛性を高めている。また、定着鉄筋１８により、補強板１７を介して、継手の引張力を鋼殻内部の周方向の鉄筋１１に（鉄筋の重ね継手で）伝達するようにしている。また、補強板１７と継手板３との溶接により、ボルトや機械式継手等の継手材（連結杆）に作用する引張力を鋼殻に伝達するようにしている。

また、図示を省略するが、前記のような５面鋼殻セグメントにコンクリートが充填され、鋼殻内部に周方向の鉄筋が配置された合成セグメントの継手板を補強する他の形態とし、鋼殻内側であって、継手板に空間規定部材を設け、その空間規定部材に鉄筋からなる連結部材を連結し、その連結部材をコンクリートに埋め込むことにより、継手材に発生する引張力を鋼殻および周方向の鉄筋に伝達するようにし、高強度かつ高剛性な継手を有する合成セグメントとする形態も知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、５面鋼殻セグメントにコンクリートが充填され、合成セグメントの継手板を、側板を設けた補強板により補強する形態も知られている（例えば、特許文献２参照）
また、セグメント組立の急速化のためにセグメント同士を連結する連結杆として、嵌合方式などの機械式継手を用いた継手を備えた合成セグメントも知られている（例えば、特許文献3、特許文献４参照）。このようなセグメントではボルトを締結するためのボルトボックスを備えておらず、内面はほぼ平滑な構造となっている。
特開平９−２２８７９３号公報 特開２００５−７６３１７号公報 特開２００６−５２６３０号公報 特開１１−２２９７８５号公報

特許文献３や特許文献４には機械式の継手を用いる合成セグメントが示されている。これらの例ではセグメント鋼殻内部に周方向鉄筋が明示されていないが、周方向鉄筋を配置されない場合は合成セグメントの耐荷力が不足する場合もあるし、機械式継手の継手材（例えば、特許文献３における中継金具およびインサート金具に相当や、特許文献４の図２中の連結金具に相当）に作用する引張力を主桁に伝達するにあたり、継手板の剛性が小さいため効率的に主桁に伝達することが出来ない。また、周方向鉄筋が配置される場合は、機械式継手の継手材に作用する引張力を鉄筋に伝達する必要があるが、上記特許文献３や特許文献４には効率的に鉄筋に引張力を伝達することが出来ない。すなわち、上記構造では継手材に作用する引張力を効率的にセグメント本体に伝達することが出来ず、高強度かつ高剛性な継手構造とすることは出来ない問題がある。
一方、特許文献１に示すような継手金物を合成セグメント内部に取り付けることで、セグメント継手の強度および剛性を高めることも出来る。しかしながら、空間規定部材とこれに固定される定着鉄筋との組み合わせの場合には、セグメント内部の周方向の鉄筋に力を伝達するに際し、空間規定部材に接合された定着鉄筋には力の伝達が可能であるが、もっと多くの周方向の鉄筋が必要になった場合は、その周方向の鉄筋に力の伝達ができない。また、このような構造では、主桁への力の伝達は継手板から行われることになるが、継手板の曲げ剛性が小さいため十分な力の伝達ができない。その結果として、大きな曲げモーメントや引張力に対して、十分な継手強度・剛性を確保できないという問題がある。また、空間規定部材を曲げ加工してから定着鉄筋を溶接するため、溶接ひずみによる変形が生じ矯正工程が必要になるなど加工度が高く、製造コストが高くなってしまうという問題もある。
さらにまた、上記特許文献１に示すような継手金物を使用する場合には、継手金物自体の加工工数が多く高価になるという問題がある。
また、前記図１２に示すような継手板を補強する形態では、継手材（機械式継手の連結材）の引張力を内部の周方向の鉄筋（周方向の鉄筋を配置した場合）には伝達することができる。しかしながら、継手板の曲げ剛性が小さいため主桁には十分に力の伝達することができない。さらに、周方向の鉄筋を配置した場合でも、補強部材を溶接により固定したり、穴あけ加工する縦リブの加工度が高く、合成セグメントの製造コストが高くなってしまうという問題がある。
すなわち、上記いずれの形態にも共通する課題としては、継手材に作用する引張力を鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の何れかには伝達可能であるが、両方にバランスよく伝達することができないので、セグメント幅方向にひずみが均一でなく主桁あるいは周方向の鉄筋のいずれか一方のひずみや応力が大きくなってしまうため、さらには複数の周方向の鉄筋のひずみや応力が幅方向に不均一になってしまうため、セグメント本体の断面が効率的に活用できなくなってしまう上に、継手の剛性や強度が低下するだけでなく、セグメントの幅方向に応力の分布によって、合成セグメントの特徴であるセグメント本体の高強度及び高剛性といった特徴が十分に発揮できない問題点があった。
なお、上記の何れの例でも継手材以外の基本的な構造はそのままに、継手材を機械式の継手に置き換えることが出来るが、この場合でも上記の問題があること勿論である。
土水圧あるいは内水圧による大きな曲げモーメントや引張力に対してセグメント継手の継手材に作用する引張力を、鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達でき、且つ高剛性・高強度に伝達できる合成セグメントであって、高剛性・高強度で安価な合成セグメントが求められている。

本発明では、セグメント継手がボルトレスの場合で、セグメント継手用のボルトボックスを備えていない合成セグメントであって、セグメント外面を覆う鋼殻とコンクリートと周方向の鉄筋で構成された合成セグメントを対象としている。

また、前記の本発明の合成セグメントでは、セグメントの地山側に形成されたスキンプレートと、セグメントの外周にトンネル周方向に形成された主桁およびトンネル軸方向に形成された継手板と、セグメント内に継手板と平行に形成された縦リブとで構成された鋼殻セグメントの内部に、トンネル周方向に主桁と平行に配置された周方向の鉄筋および中詰めコンクリートからなるいわゆる５面鋼殻の合成セグメントを対象としている。
本発明は、前記のように、大きな曲げモーメントや引張力に対してセグメント継手の継手材（機械式継手の連結材）に作用する引張力を主桁と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達し、且つ高剛性・高強度に伝達ですることで高剛性・高強度で安価な合成セグメントを提供することを目的とする。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明の合成セグメントでは、複数の主桁および一対の継手板と、スキンプレートと、セグメント内に継手板と平行に形成された縦リブとで構成された鋼殻セグメントが設けられ、トンネル周方向に主桁と平行に配置された周方向の鉄筋および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリートにより、前記周方向の鉄筋および鋼殻とが一体化されている合成セグメントであって、鋼殻の内部にセグメント継手用のボルトボックスを備えていない合成セグメントにおいて、
継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板からその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板寄りの位置まで伸びるように設けた、さらに、継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定することを特徴とする。

第１発明によると、複数の主桁および一対の継手板と、スキンプレートと、セグメント内に継手板と平行に形成された縦リブとで構成された鋼殻が設けられ、トンネル周方向に主桁と平行に配置された周方向の鉄筋および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリートにより、前記周方向の鉄筋および鋼殻とが一体化されている合成セグメントであって、鋼殻の内部にセグメント継手用のボルトボックスを備えていない合成セグメントにおいて、
継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板から少なくともその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板よりの位置まで伸びるように設けたので、単に、補強材を主桁と平行に近接させて設置するだけで、大きな曲げモーメントや引張力に対して継手部材（ボルトや機械式継手の連結材）に作用する引張力を鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達でき、継手部付近の構造が高剛性・高強度で安価な合成セグメントを簡易な加工で実現することができる。
また、第１発明によると、さらに、前記継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定したので、前記第１発明の効果に加えて、トンネル周方向に隣り合うセグメント相互を接合するボルトに引張力が作用した場合、前記横補強板から主桁に伝達することができる。このため、継手部付近の構造の剛性・強度をさらに高めた合成セグメントを簡易な加工で実現することができる。

次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４には、本発明の第１実施形態の合成セグメント１が示されている。図１は、本発明の第１実施形態の合成セグメントを示すものであって、中詰めコンクリートを一部取り除いて示すトンネル内空側から見た底面図である。図２は、図１に示す合成セグメントの応力の伝達経路を説明するための説明図である。図３（ａ）は、コンクリート圧縮斜材が形成されることを説明するための説明図、図３（ｂ）は図１に示す合成セグメントの鋼殻斜視図である。図４は図１に示す合成セグメントの縦断正面図である。

トンネル軸方向に間隔をおいて平行に配置されていると共にトンネル周方向に伸びるように一対の主桁２（図示の場合は、外主桁２ａ）が配置され、前記各主桁２（２ａ）のトンネル周方向の一端側および他端側の端部に渡ってそれぞれ継手板３が配置されて溶接により固定され、また各主桁２（２ａ）と各継手板３とにスキンプレート４が溶接により固定されて鋼殻５が形成されている。前記の主桁２（２ａ）と継手板３との溶接としては全溶け込み溶接とされる。

前記鋼殻５内には、主桁２（２ａ）に渡ってトンネル軸方向に伸びるように縦リブ６が、トンネル周方向に間隔をおいて平行に複数（図示の場合は４本）配置されている。前記の縦リブ６のトンネル半径方向地山側の基端部は、スキンプレート４に溶接により固定されている。また、縦リブ６のトンネル軸方向の端部は、主桁２（２ａ）に溶接により固定されている。

主桁２（２ａ）と継手板３との各４隅のコーナー部内側には、補強材８が中詰めコンクリート９を介して主桁２に近接した状態で配置されて、補強材８の両端部がそれぞれ継手板３およびこれに隣接する縦リブ６ａ（以下、第１の縦リブという）に当接されて、それぞれ溶接により固定されている。雄型継手金物７ａにトンネル周方向の引張力が作用すると、第１の縦リブ６ａと補強材８との接合部Ａと、継手板３と主桁２（２ａ）との接合部Ｂとを結ぶ対角方向に、中詰めコンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０の領域が形成されることになる。
前記の補強材８を主桁２（２ａ）寄りに近接させて配置することにより、第１の縦リブ６ａと補強材８との接合部Ａと、継手板３と主桁２（２ａ）との接合部Ｂとを結ぶ対角方向に、中詰めコンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０の領域を形成する場合に、コンクリート圧縮斜材１０の主桁２に対する傾斜角αが小さくなることにつながり、補強材８からコンクリート圧縮斜材１０を介して主桁２（２ａ）に引張力を効率よく伝達する上で、重要である。補強材８を主桁２（２ａ）から離れるほど、前記のコンクリート圧縮斜材１０の傾斜角αが大きくなり、主桁２（２ａ）と補強材８と第１の縦リブ６ａと継手板３とで囲まれたコンクリートのせん断変形が大きくなり、また、主桁２（２ａ）と補強材８との間の継手板３の曲げ変形が大きくなり、セグメント継手の剛性が低下してしまう。

継手板３の外側に配置されている雄型継手金物７ａ、あるいは継手板３の内側に配置されている雌型継手金物７ｂのトンネル周方向の中心軸線を中心として、主桁２（２ａ）に近接するように、また、主桁２（２ａ）よりも長さの短い板状の補強材８が、継手金物７ａあるいは継手板３の内側に配置されている雌型継手金物７ｂのトンネル周方向の中心線を中心として、主桁２（２ａ）の反対側に、ほぼ対称にトンネル周方向に伸びるように配置されている。補強材８としては、鋼材が使用される。

前記の補強材８は、継手板３に隣接する第１の縦リブ６ａに当接されて、第１の縦リブ６ａに補強材８の一端側が溶接等により固定されている。また、前記補強材８は、主桁２（２ａ）に平行に配置されていると共に、その他端部は、継手板３の内側に当接されて溶接により固定されている。

この形態で、補強材８を第１の縦リブ６ａまで伸ばしている理由は、次の理由による。
この形態では、継手板３と第１の縦リブ６ａとの間で、主桁２（２ａ）寄りに近接させて補強材８を配置し、主桁２（２ａ）と継手板３と補強材８と第１の縦リブ６ａとスキンプレート４とにより囲まれる部分を含めてコンクリートを打設して、第１の縦リブ６ａと補強材８との接合部Ａと、継手板３と主桁２（２ａ）との接合部Ｂとを結ぶ対角方向に、継手金物７ａ（７ｂ）からトンネル周方向の引張力が作用した場合に、前記対角方向の領域に中詰めコンクリート９による確実なコンクリート圧縮斜材１０を形成するためである。

さらに説明すると、雄型継手金物７ａあるいは雌型継手金物７ｂを介して接合されている場合に、トンネル周方向に継手板３を引き剥がすような力が作用した場合に、継手板３に接合されている補強材８にはトンネル周方向の引張力が作用し、第１の縦リブ６ａに伝達される。
そして、主桁２（２ａ）と継手板３と補強材８と第１の縦リブ６ａとにより中詰めコンクリート９が拘束されている場合には、前記の対角方向の領域に強固なコンクリート圧縮斜材１０を形成でき、前記のコンクリート圧縮斜材１０と第１の縦リブ６ａと主桁２（２ａ）とにより、またはコンクリート圧縮斜材１０と継手板３と補強材８とによりトラス機構を形成している。

従って、本発明の合成セグメント１では、各コーナー部にコンクリートを打設して中詰めコンクリート９を形成することにより、補強材８にトンネル周方向の引張力が作用した場合、コンクリート圧縮斜材１０を形成することができる。

そのため、図３（ａ）に示すように、セグメント相互の接合部に引っ張り力が作用した場合、第１の縦リブ６ａと補強材８との交差部Ａと、主桁２（２ａ）と継手板３の交差部Ｂとを結ぶ対角方向の領域イに、圧縮力が作用して中詰めコンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０が形成されて抵抗するようになり、その反力として主桁２（２ａ）に十分に引張力が伝達出来るようになる。
そして、本発明では、中詰めコンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０が、主桁２（２ａ）に直接接触している中詰めコンクリート９により形成され、しかも主桁２（２ａ）にコンクリート圧縮斜材１０が近接して形成され、コンクリート圧縮斜材１０に作用する圧縮力の反力として、主桁２（２ａ）に効率よく引張力ｔを伝達することができる。
また、補強材８が第１の縦リブ６ａおよび継手板３に連結されている点、また、トンネル周方向で継手板３と第１の縦リブ６ａとに渡って配置され中詰めコンクリート９に埋め込まれるように配置されている周方向の鉄筋１１が設けられているために、継手板３から入力されるトンネル周方向の引張力は、補強材８から第１の縦リブ６ａに伝達され中詰めコンクリート９の付着を介して周方向の鉄筋１１に、引張応力を伝達するようにされている。
前記の周方向の鉄筋１１を設ける長さについて説明すると、前記の周方向の鉄筋１１に、縦リブから中詰めコンクリート９を介して引張り応力を伝達させるために、前記周方向の鉄筋を前記縦リブよりも継手板よりの位置まで伸びるように設けている。前記の周方向の鉄筋１１は継手板３まで伸びていることは必ずしも必要ではなく、引張り応力を伝達させるためのコンクリートとの付着長がとれていればよい。そして、この第１実施形態では、第１の縦リブ６ａと継手板３の中間部まで伸びるように周方向の鉄筋１１を配置しているが、継手板３まで伸びるように周方向の鉄筋１１を配置するようにしてもよい。

前記のようにコンクリート圧縮斜材１０の圧縮抵抗作用により、主桁２（２ａ）にトンネル周方向の引張力を効率よく伝達するために、さらに主桁２（２ａ）と補強材８との間の継手板３の曲げ変形を小さくし、継手の剛性を高めるのは、前記の対角方向の領域イの対角線１２と、主桁２（２ａ）とのなす角度、すなわち、コンクリート圧縮斜材１０の主桁２（２ａ）に対する傾斜角αは、小さい角度であるほうが、継手板３における主桁２（２ａ）と補強材８の間の曲げ変形を小さくなるので、継手の剛性を高めることが出来る。さらに、コンクリート９のせん断変形を小さくするため、補強材の引張力を高剛性の主桁２（２ａ）に伝達できるため効率的に主桁２（２ａ）に引張力を伝達することができる。
前記の傾斜角αは、構造的には可能な限り小さくするのが好ましいが、その角度は設計により決定される。すなわち、機械式継手の雌型継手金物７ａおよび雄型継手金物７ａを主桁２（２ａ）および補強材８に当接するように設置し、セグメントの縦リブの設置位置や寸法は耐震設計により決定されるが、このときも第１の縦リブ６ａは継手板に出来るだけ近くに設置することが好ましい。場合によっては、縦リブを設計上必要な数より増やしてもかまわない。
また、セグメント内には、中詰めコンクリート９により埋設されている周方向の鉄筋１１が、トンネル周方向に延長するように、第１の縦リブ６ａ間よりも長く継手板３近傍に渡って配置されていると共に、トンネル軸方向に間隔をおいて平行に複数配置されている。
そのため、補強材８に作用する前記の引張力は、中詰めコンクリート９に伝達され、その中詰めコンクリート９から周方向の鉄筋１１を介して他端側の中詰めコンクリート９および縦リブ６ならびに補強材および継手板を介して、図示省略の隣接するセグメントに伝達させることができる。

また、本発明では、補強材８は、主桁２（２ａ）に近接して設置している。補強材８が継手板３の長手方向の中央にあったのでは、主桁２（２ａ）と補強材８と第１の縦リブおよび第２の縦リブで囲まれるコンクリート９のせん断変形が大きくなるため、中詰めコンクリートによるコンクリート圧縮斜材１０を形成しても、コンクリート圧縮斜材１０から主桁２（２ａ）に伝達される引張力の分力は相対的に小さくなり、コンクリートのせん断変形が大きくなり、継手材の引張力を補強材８から主桁２（２ａ）に伝達する経路において、剛性が低下するため効率的に分担させることができない。そのため、主桁２（２ａ）とコンクリートによるコンクリート圧縮斜材１０との角度関係は、前記のようにしている。
前記の補強材８は、この実施形態では、板状鋼材からなる補強材８とされ、図示を省略するが、補強材８としては、鋼棒あるいは棒状鋼材等、適宜の形態が可能である。
なお、本発明の形態では、補強材８は板状または棒状の形態にかかわらず、補強材８を、第１の縦リブ６ａの設置後に、継手板３と第１の縦リブ６ａとの間の空間で適宜回動して所定の位置に設置することができる。

前記実施形態の変形形態として、縦リブ６の断面形態としては、図３および図４に示すように板状の縦リブ６としてもよいが、図５に示すように、断面Ｌ字状の縦リブ６としてもよく、あるいは、図６に示すように、断面Ｔ字状の縦リブ６としてもよい。
さらに、詳細な説明は省略するが、前記実施形態の変形形態として、図１８に示すように外主桁２ａだけでなく中主桁２ｂがある場合にも中主桁３の左右で継手板３と第１の縦リブに挟まれる部分に補強材８を近接して設置してもよい。なお、図示の例は３主桁であるが、４本以上の主桁でも同様に適用できるのは勿論である。

前記の実施形態では、合成セグメント１の幅方向で、継手板３と、第１の縦リブ６ａと、これらの間の主桁２（２ａ）と、各補強材８およびこれらに囲まれた領域に充填される中詰めコンクリート９を備え、セグメント幅方向端部側が各補強材８により強化された高い剛性の合成梁２０を形成している。
この合成梁２０により、継手金物７ａ、７ｂに引張力が作用した場合でも、合成梁の高い曲げ剛性により図１４に示すようなセグメント幅方向の曲げ変形を抑止し、上記継手材の引張力を縦リブ６（６ａ、６ｂ）からコンクリート９を介して付着により周方向鉄筋１１に伝達することが可能となる。即ち、上記高い曲げ剛性の合成梁２０により、セグメント継手の設計時に継手部の耐力や剛性を低下させる原因となるてこ反力を抑止できるため、継手材７（雄型継手金物７ａ、雌型継手金物７ｂ）の引張力を高強度・高剛性に周方向の鉄筋１１に伝達することが可能となる。また、図１４に２点鎖線で示すようなセグメントの幅方向の変形を抑制するため、継手材７（７ａ、７ｂ）に引張力が作用した際に主桁２や周方向の鉄筋１１に生じるひずみや応力度が幅方向にほぼ同じになるので、継手材７（７ａ、７ｂ）に作用した引張力を主桁２と周方向の鉄筋１１にバランスよく伝達できる。
上記のように、前記実施形態によれば、継手材７（７ａ、７ｂ）に作用する引張力を主桁と中詰めコンクリート９に埋め込まれた周方向の鉄筋１１にバランスよく、且つ高強度・高剛性に伝達することが出来る。
また、前記実施形態の上記構成によれば、継手部付近の構造が簡素なため、継手材７（７ａ、７ｂ）に作用する引張力をセグメントの主桁２（２ａ，２ｂ）や周方向の鉄筋１１に高強度・高剛性に伝達可能な合成セグメントを安価に実現することができる。
なお、前記実施形態では補強材８は主桁２と平行に、継手板３と継手板３に隣接する第１の縦リブ６ａに当接・固定しているが、補強材８は継手板３と第１の縦リブ６ａに当接・固定されていればよく、またさらに延長してもよい。図示省略するが、例えば、第１の縦リブ６ａに隣接する縦リブ６まで延長して当接・固定してもよい。
なお、図示の形態では、鋼殻セグメントの側周面に設けられる止水材設置用の溝および止水材を省略した。

次に、図７〜図１１を参照して、本発明の第２実施形態の合成セグメント１について説明する。

図７は、第２実施形態の合成セグメント１における中詰めコンクリート９を一部取り除いてトンネル内空側から見た底面図である。また、図８は、図７に示す合成セグメント１の応力の伝達経路の説明図である。図９は、横補強板１４を設ける場合の一形態を示す部分斜視図である。

図１０には、少なくとも主桁２（２ａ）と補強材８に固定される横補強板１４を、スキンプレート４と略平行に配置して溶接により固定した他の形態が示されている。

この形態では、ボルトボックス７を備えていない合成セグメント１であって、前記第１実施形態のように、主桁２（２ａ）と継手板３と補強材８と第１の縦リブ６ａにより囲まれた部分に中詰めコンクリート９を充填して、中詰めコンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０を形成できる形態であると共に、これをさらに補強するために、横補強板１４を設けるようにした形態である。
具体的には、第１の縦リブ６ａと補強材８と主桁２（２ａ）とに、横補強板１４を直角に配置すると共にスキンプレート４に略平行に配置し、これらに溶接により固定するように設けている。前記の横補強板１４は、少なくとも主桁２（２ａ）と補強材８に溶接により固定され、さらに必要に応じ、第１の縦リブ６ａに溶接により固定されて接合強度を高めるようにしてもよい。前記の横補強板１４のトンネル半径方向の配置位置としては、図９に示すように第１の縦リブ６ａの高さ方向の中間部に位置するように配置してもよく、図１０に示すように、スキンプレート４に近接または当接するように配置してもよい。また、図１０の例のように横補強板１４をスキンプレート４に当接して設置する場合はスキンプレート４にも溶接により固定しても良い。また、図１７に示すように、横補強板１４を継手板３まで延長するような長方形にして継手板３と横補強板１４を溶接するようにしてもよい。
また、図示を省略するが、横補強板１４を縦リブ６の高さ方向のトンネル内空側に位置するように配置してもよい。横補強板１４は、中詰めコンクリート９に埋め込むようにしたほうが、防食上好ましい。
前記の横補強板１４は、合成セグメント１にトンネル周方向の引張力が作用した場合に、コンクリート圧縮斜材１０が形成される部分のせん断補強鋼板としての作用をしている。また、横補強板１４は、下記のように、トンネル半径方向の設置位置により、合成セグメント１の曲げ剛性を高めている。
すなわち、横補強板１４の設置位置は、トンネル半径方向のどの位置でも良いが、そのような横補強板１４を備えたセグメントに正曲げ（合成セグメントにおけるトンネル内空側が引張となる曲げ）が作用する場合には、引張力を効率的に伝達するには、トンネル内空側に近い方がよい。また、そのようなセグメント１に負曲げ（合成セグメントにおけるトンネル地山側が引張となる曲げ）の場合は、スキンプレート４が同じ役目を果たすことができるので、スキンプレート側に近づけるよりも、トンネル内空側に近づけるようにするとよい。
また、図１１に示すように、横補強板１４に、トンネル半径方向に貫通する孔を設けて、中詰めコンクリート９の充填性を向上させ、また、コンクリートとのずれ止め効果を発揮させるようにするとよい。

このように、横補強板１４を設けるようにすると、前記実施形態と同様に補強材８に引張力が作用した場合に、その引張力の反力として横補強板１４に圧縮力を作用させるようにして、圧縮斜材またはせん断補強鋼材として機能させることができる。
横補強板１４は、例えば鋼製とされ、その板厚は設計により設定される。
このように、横補強板１４を設ける場合には、コンクリート９によるコンクリート圧縮斜材１０のみでは不足する場合に、横補強板１４によりコンクリート圧縮斜材１０と同様に機能させることができる。横補強材１４は補強材８の設置後に設置するようにすればよい。
また、前記のように横補強板１４を設ける形態では、第１の縦リブ６ａまで補強材８を設ければよく、構造が簡単になる。
前記の実施形態では、合成セグメント１の幅方向で、継手板３と、第１の縦リブ６ａと、これらの間の主桁２（２ａ）と、各補強材８、これらに囲まれた領域に充填される中詰めコンクリート９並びに横補強板１４とにより、セグメント幅方向端部側が各補強材８により強化された合成梁２０を形成している。
なお、前記実施形態と同様な要素には同様な符号を付して説明を省略する。

本実施形態を実施する場合、横補強板１４は、中詰めコンクリート９に埋まっていてもよく、埋め込み配置されていなくても良い。

本実施形態によれば、補強材８を主桁２（２ａ）に近接して設置しているので、主桁２（２ａ）と補強材８との間の継手板３の曲げ変形を小さくするとともに、主桁２（２ａ）と補強材８と第１の縦リブ６ａとで囲まれる主桁２（２ａ）と補強材８に横補強板１４を溶接により固定しているので、ボルトなどの継手材に引張力が作用した場合、継手材に作用する引張力を高剛性に主桁に伝達することが出来る。
さらにまた、セグメント幅方向の合成梁２０を形成するので、継手材７（７ａ、７ｂ）に引張力が作用した場合、合成梁の高い曲げ剛性によりセグメント幅方向の変形を抑制し、ボルトなどの継手材に作用する引張力を縦リブ６（６ａ）から中詰めコンクリート９を介して高剛性に周方向鉄筋１１に伝達することが出来る。
なお図示省略するが、本第２実施形態の場合でも、中主桁２ｂを設け、中主桁２ｂの左右に中主桁２ｂに近接して継手板３と第１の縦リブ６ａとの間に補強材８を当接・固定することも出来る。また、補強材８や横補強板１４を第１の縦リブ６ａよりも延長する事が出来ること、縦リブ６の断面形状をＴ形やＬ形などに出来ることは勿論である。

以上のように、本発明によれば、高強度および高剛性を実現できるセグメント継手を有する合成構造セグメントを得ることが出来、継手材に作用する引張力を効率よく主桁と鉄筋の両方にバランスよく伝達する構造を、加工コストを低くして得ることが可能である。

本発明を実施する場合、さらに高強度かつ高剛性なセグメント継手とすることを目的として、図１５（ａ）または（ｂ）に示すように、継手板３を補強するために、継手板３に重ねるように継手補強鋼板２３や棒状鋼材２４を配置し、少なくとも主桁２（２ａ）および補強材８に溶接により固定するように設けてもよく、継手板３にも固定するようにしてもよい。

また、本発明を実施する場合、図１６または図１７に示すように、横補強板１４を設ける場合には、主桁２（２ａ）と補強材８と継手板３と第１の縦リブ６ａで囲まれる部分のコンクリートを省略しても、横補強材１４が前記囲まれる部分のコンクリートを代用することができる。

本発明の第１実施形態の合成セグメントを示すものであって、中詰めコンクリートを一部取り除いて示すトンネル内空側から見た底面図である。 図１に示す合成セグメントの応力の伝達経路を説明するための説明図である。 （ａ）はコンクリート圧縮斜材が形成されることを示す説明図、（ｂ）は図１に示す合成セグメントにおける中詰めコンクリートを撤去して示す斜視図である。 図１に示す合成セグメントの縦断正面図である。 縦リブが断面Ｌ字状の形態の合成セグメントを示す縦断正面図である。 縦リブが断面Ｔ字状の形態の合成セグメントを示す縦断正面図である。 本発明の第２実施形態の合成セグメントを示すものであって、中詰めコンクリートを一部取り除いてトンネル内空側から見た底面図である。 図７に示す合成セグメントの応力の伝達経路を説明するための説明図である。 横補強板を設ける場合の一形態を示す部分斜視図である。 横補強板を設ける場合の他の形態を示す部分斜視図である。 横補強板を設ける場合のさらに他の形態を示す部分斜視図である。 従来の鋼製セグメントを示すものであって、（ａ）は片側の底面図、（ｂ）は継手金物を取り出して示す底面図である。 図１２（ａ）にける周方向の鉄筋の配置位置を示す断面図である。 鋼製セグメントにおける継手および縦リブの変形説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、継手板の補強形態を示す部分斜視図である。 横補強板を設けることにより、その部分の中詰めコンクリートを省略する形態を示す図である。 横補強板を設けることにより、その部分の中詰めコンクリートを省略する形態を示す図である。 本発明の第一実施形態の変形形態として中主桁を有する合成セグメントの実施形態を示すものであって、（ａ）は中詰めコンクリートを一部取り除いて示すトンネル内空側から見た底面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１ 合成セグメント
２ 主桁
２ａ 外主桁
２ｂ 中主桁
３ 継手板
４ スキンプレート
５ 鋼殻
６ 縦リブ
６ａ 第１の縦リブ
７ａ 雌型継手金物
７ｂ 雄型継手金物
８ 補強材
９ 中詰めコンクリート
１０ 圧縮斜材
１１ 周方向の鉄筋
１２ 対角線
１４ 横補強板
１５ 合成セグメント
１６ 鋼殻セグメント
１７ 補強板
１８ 定着鉄筋
１９ 継手金物
２０ 合成梁
２３ 継手補強鋼板
２４ 棒状鋼材
Ａ 第１の縦リブと補強材との接合部
Ｂ 継手板と主桁との接合部
イ 第２の縦リブと補強材との交差部Ｃと、主桁と第１の縦リブとの交差部Ｄとを結ぶ対角方向の領域
α 傾斜角

Claims (1)

1. 複数の主桁および一対の継手板と、スキンプレートと、セグメント内に継手板と平行に形成された縦リブとで構成された鋼殻セグメントが設けられ、トンネル周方向に主桁と平行に配置された周方向の鉄筋および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリートにより、前記周方向の鉄筋および鋼殻とが一体化されている合成セグメントであって、鋼殻の内部にセグメント継手用のボルトボックスを備えていない合成セグメントにおいて、
   継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板からその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板寄りの位置まで伸びるように設け、さらに、前記継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定することを特徴とする合成セグメント。

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