JP4943024B2 - 扁平セグメントリングの補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法によって構築された扁平セグメントリングを補強する扁平セグメントリングの補強構造に関する。

従来、道路、鉄道などの用途で施工されるシールドトンネルは、プレキャスト床版を設置している。そして、一般的に、トンネルの断面は、円形断面で施工されている。しかし、円形断面のうち実際に利用されるスペースは、上下部分を除いた内空断面であることが多いことから略横長のトンネル空間を形成させた略楕円形状或いは馬蹄形状などの異形断面（以下、これらを「扁平トンネル」と記述する）のトンネルが施工される場合が増えている。このような扁平トンネルに構築される扁平セグメントリングには、断面円形のセグメントリングと比較して外方からの土圧やセグメントの自重によって上下方向の圧縮力が作用することになる。とくに、扁平セグメントリングに作用する曲げモーメントは、断面の斜め下方に位置するトンネル脚部近傍において応力が集中して最大曲げモーメントが発生する。
従来の扁平セグメントリングにおいては、このような曲げモーメントを減少させる方法として、扁平セグメントリングに大きな強度をもたせることが行なわれ、例えば鉄筋量を多くしてセグメントの厚さ寸法を大きくしてセグメントの強度を上げていた。ところが、セグメントの厚さ寸法を大きくすることは、セグメントが高価になるうえ、トンネルの掘削断面が大きくなるといった欠点があり、経済的ではなかった。そこで、扁平セグメントリング自体の強度を上げることなく、上述した扁平による曲げモーメントに対応した構造が、例えば特許文献１に提案されている。
特許文献１は、扁平トンネルの内空側において、水平方向に引張力を受けもち略水平方向に配置された弦材をなす補強部材（第１補強部材）を設けることで、セグメントに水平方向に圧縮力を与えるものである。さらに、縦方向（上下方向）に圧縮力を受けもち縦方向に配置された棒状の補強部材（第２補強部材）を設けることで、扁平セグメントリングに作用する集中応力を減少させるものである。
特許第２５２００３４号公報

しかしながら、特許文献１は、上下方向の圧縮力には強い構造となる。しかし、施工状態や地盤条件によっては水平方向の圧縮力が発生することもある。この水平方向に設けられた弦材の補強部材は、引張力に対する耐力は大きいが、水平方向から受ける圧縮力には耐えられないといった欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、曲げモーメントを小さくすることで、扁平セグメントリングの厚さ寸法を小さくするようにした扁平セグメントリングの補強構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る扁平セグメントリングの補強構造は、シールドトンネルに構築された扁平セグメントリングを補強する扁平セグメントリングの補強構造であって、扁平セグメントリングの断面視斜め下方に位置するトンネル脚部に、扁平セグメントリングのセグメントピース間を周方向に連結してなるヒンジ継手を設け、扁平セグメントリングは、周方向全周にわたって曲線部を有するとともに、セグメント厚さ寸法がトンネル脚部から底盤部に向かうに従って漸次大きくなるように構成され、ヒンジ継手は、扁平セグメントリングの断面形状をなすトンネル脚部を形成する円弧領域内に設けられ、扁平セグメントリングには、ヒンジ継手より下方の扁平セグメントリングの内空側で、断面視で略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつ水平補強部材が設けられていることを特徴としている。
本発明によれば、トンネル脚部にヒンジ継手を設けることで、扁平セグメントリングに上下方向の圧縮力が作用したとき、ヒンジ継手によって連結されている各セグメントピースが、ヒンジ継手を軸に回動することができるため、応力の集中を緩和させることができる。また、これに加えて曲げモーメントが大きく作用するトンネル脚部から底盤部までの扁平セグメントリングの厚さ寸法をその上方部より大きくしておくことで、さらに曲げモーメントを小さくさせる利点がある。

また、上下方向の圧縮力を受けた扁平セグメントリングは、その断面形状をなすトンネル脚部を形成する円弧領域で曲げモーメントが最大値となるため、この円弧領域にヒンジ継手を設けることで、トンネル脚部付近の曲げモーメントを減少させることができる。

また、水平補強部材を設けて引張力を受けもたせることで、トンネル脚部付近に作用する曲げモーメントを小さくさせることができる。

また、本発明に係る扁平セグメントリングの補強構造では、扁平セグメントリングから水平方向の圧縮力を受けもつ圧縮伝達部材を介して床版が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、床版を設けたことで、水平方向の圧縮力に耐えられる扁平セグメントリングを実現することができる。

本発明の扁平セグメントリングの補強構造によれば、扁平セグメントリング２の上下方向に作用する圧縮力によって曲げモーメントの最大値が発生するトンネル脚部付近に、ヒンジ継手を設けることで、応力の集中を緩和することができ、ヒンジ継手が設けられていない従来の扁平セグメントリングの場合と比較して、曲げモーメントを小さくできると共に、扁平セグメントリングの上方の曲げモーメントの発生領域を減少できることから、扁平セグメントリングの上方部の厚さ寸法を小さくすることができる効果を奏する。さらにこれに加え、曲げモーメントが大きなトンネル脚部から底盤部までの扁平セグメントリングの厚さ寸法をその上方部より大きくしておくことで、さらに曲げモーメントを小さくさせる利点がある。
したがって、セグメント１ピース当たりの重量を減らせることができ、扁平セグメントリングの分割数を少なくでき、組立数が減るため施工が効率的になる。また、扁平セグメントリング２の厚さを小さくしたことで、トンネルの掘削断面を小さくできることから工事費を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態による扁平トンネルのセグメント構造について、図１乃至図４に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図、図２は扁平セグメントリングの断面形状の構成を示す説明図、図３はヒンジ継手及びＰＣ鋼材の構造を示す拡大図、図４は扁平セグメントリングの曲げモーメントの分布図であって、（ａ）、（ｂ）は実施例を示す図、（ｃ）は比較例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造１は、道路、鉄道、共同溝などに採用されるトンネルであって、シールド工法によって地山内に延設された断面馬蹄形状（以下、この形状を「扁平」と記述する）をなす扁平セグメントリング２に適用される。扁平セグメントリング２は、湾曲した複数のセグメント２０・・・が環状に組み合わされて構築されている。

ここで、馬蹄形状をなす扁平セグメントリング２の詳細構成について図面に基づいて説明する。
図２に示すように、扁平セグメントリング２の断面形状は、夫々が所定位置に円心を有する４つの円の円弧の一部を繋いた形状に設計されたものであり、略上半部の円弧領域の一部を形成する半径Ｒ１の中円２Ａと、底盤部の円弧領域の一部を形成する半径Ｒ２の大円２Ｂと、側部から底盤部にかけて断面視左右斜め下方に位置する円弧領域の一部を形成する半径Ｒ３の小円２Ｃ、２Ｃとから構成されている。この小円２Ｃ、２Ｃの円弧領域を、「トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２」として以下説明する。

次に、図１に示すように、扁平セグメントリング２の補強構造１について説明する。
各トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２の領域には、扁平セグメントリング２の周方向に配置されるセグメント２０、２０間を連結するヒンジ継手１０が設けられている。ここで、このヒンジ継手１０の下方側に配置されたセグメントを脚部セグメント２１とし、同じく上方側に配置されたセグメントを側壁部セグメント２２とする。
そして、扁平セグメントリング２は、断面視で左右に位置する脚部セグメント２１、２１から底盤部２３に向かうにしたがってセグメントの厚さ寸法が大きくなっている。
また、図１に示すように、扁平セグメントリング２には、脚部セグメント２１、２１の内空側の間を略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつＰＣ鋼材３０（水平補強部材）と、水平方向の圧縮力を受けもつ床版４０とが設けられている。

次に、ヒンジ継手１０の詳細構成について図面に基づいて説明する。
図３に示すように、ヒンジ継手１０は、側壁部セグメント２２の周方向の下端接合面２２ａに埋設されている雄型継手１１と、雄型継手１１と対向する位置で脚部セグメント２１の周方向の上端接合面２２ａの埋設されている雌型継手１２とからなる。雄型継手１１には、断面円形の凸状嵌合部１１ａが上端接合面２２ａより突出した状態で形成されている。また、雌型継手１２には、雄型継手１１の凸状嵌合部１１ａを嵌合させるようにして開口を上端面２２ａ側に向けて配置させた中空の凹部１２ａが形成されている。

そして、雄型継手１１の凸状嵌合部１１ａと雌型継手１２の凹部１２ａとを嵌合させることにより両セグメント２１、２２が連結される。なお、このときの連結方法として、例えば、先に雌型継手１２を有する脚部セグメント２１を組み立てておき、その脚部セグメント２１の上端接合面２１ａに、側壁部セグメント２２の下端接合面２２ａを沿わせてトンネル軸方向にスライドさせることで、凸状嵌合部１１ａを凹部１２ａ内に挿入させて嵌合させる方法が採用できる。そして、ヒンジ継手１０が連結された状態のとき、両セグメント２１、２２の接合面２１ａ、２２ａの間には所定寸法の隙間１３が形成されている。両セグメント２１、２２は、この隙間１３の範囲内でヒンジ継手１０の凸状嵌合部１１ａを軸に回動できる構造になっている。

図１に示すように、床版４０は、予め工場などで製造されるプレキャスト製であり、略長方形状をなし、トンネル軸方向に連結され、その長手方向をトンネル軸方向に直交させる方向に配置させ、扁平セグメントリング２の底盤部２３に設けられた支柱３上に所定の高さとなるように載置させている。
そして、図３に示すように、床版４０には、その長手方向に貫通した挿通孔４１が形成され、その挿通孔４１に円筒形状のシース管４２が挿入され、そのシース管４２内にＰＣ鋼材３０が挿通されている。このようにＰＣ鋼材３０を床版４０に内蔵させた構成とすることで、トンネル空間を有効に使うことができる。

また、図１及び図３に示すように、脚部セグメント２１の内周面２１ｂと床版４０の側面４０ａ（すなわち、脚部セグメント２１、２１側の面）との間には、鋼材などからなる圧縮伝達部材５０が設けられている。扁平セグメントリング２に略水平方向の圧縮力が作用するとき、この圧縮力が圧縮伝達部材５０を介して床版４０に伝達される作用をなしている。さらに、圧縮伝達部材５０は、床版４０の側方下端部４０ｂ、４０ｂを下方より支持するように、横方向中心に向けて張り出して形成されている。

図３に示すように、ＰＣ鋼材３０は、雄ネジを形成させた両端部３０ａ、３０ａを床版４０の両側面４０ａ、４０ａより突出させ、ＰＣ鋼材３０の両端部３０ａ、３０ａを脚部セグメント２１、２１に一体となるように固定させている。
つまり、脚部セグメント２１、２１には、床版４０を所定の位置に設置した状態で、ＰＣ鋼材３０と同軸となるように棒状の異形鋼材６１が埋設されている。この異形鋼材６１は、雄ネジが形成された端部６１ａを、脚部セグメント２１の内周面２１ａを切り欠いて形成させた切欠部（図示省略）で露出させている。そして、異形鋼材６１とＰＣ鋼材３０とを連結させる手段として、円筒形状のカップラー６２が設けられている。このカップラー６２は、内面に雌ネジを形成させ、一方の内面に異形鋼材６１の端部６１ａを螺合させ、他方の内面にＰＣ鋼材３０の端部３０ａを螺合させている。このように、両トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２において、ＰＣ鋼材３０と異形鋼材６１とを螺合させた状態でカップラー６２を締め付けると、異形鋼棒６１とＰＣ鋼材３０とを均一に締め付けることができ、ＰＣ鋼材３０に水平方向の引張力を受けもたせることができる。
そして、水平方向に引張力を負担させたＰＣ鋼材３０によって扁平セグメントリング２に水平方向の圧縮力が発生するが、この圧縮力を上述した床版４０によって受けもたせることができる。このように、床版４０は、ＰＣ鋼材３０を補強する効果を有し、ＰＣ鋼材３０に与える圧縮力を抑制することができる。

次に、扁平セグメントリング２に作用する曲げモーメントに対するヒンジ継手１０、ＰＣ鋼材３０の作用について図面に基づいて説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）に示す扁平セグメントリング２には、上述したようにその断面形状が扁平であることから土圧やセグメント自重により上下方向にトンネル断面が潰れるようにして圧縮力が作用し、略水平方向（或いは、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２付近）にトンネルの外側に向けた応力が集中して最大曲げモーメントが発生する。ここで、曲げモーメントについて、扁平セグメントリング２の外周側に張り出してたわむ場合（扁平セグメントリング２を外向きに作用させる曲げ）を「負の曲げモーメント」とし、その反対に内周面を内空側に押し出す場合（扁平セグメントリング２を内向きに作用させる曲げ）を「正の曲げモーメント」とする。
図４（ｃ）はヒンジ継手１０、ＰＣ鋼材３０、床版４０を設けない扁平セグメントリングに作用する比較例の曲げモーメントを示し、各トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２の略中間部で最大値をなすに負の曲げモーメントＭ１、Ｍ２が発生し、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２間に挟まれた底盤部２３の略中央部で最大値をなす正の曲げモーメントＭ３が発生していることがわかる。

そして、図３に示すように、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２にヒンジ継手１０を設けることにより、扁平セグメントリング２に上述した上下方向の圧縮力が作用したとき、脚部セグメント２１と側壁部セグメント２２とが、ヒンジ継手１０の凸状嵌合部１１ａを軸にして回動する。つまり、ヒンジ継手１０は、扁平セグメントリング２の外周側の隙間１３が大きくなり、反対に内周側の隙間１３が小さくなるように作用し、応力の集中を緩和させることができる。したがって、図４（ａ）のヒンジ継手１０を設けた場合の曲げモーメントの分布に示すように、図４（ｃ）の比較例と比較して、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２における負の曲げモーメントＭ４、Ｍ５が小さくなっていることがわかる。とくに、扁平セグメントリング２の上方の曲げモーメントの発生領域を減少させることができる。

さらに、図４（ｂ）に示すように、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２の所定位置において、ＰＣ鋼材３０を設け、このＰＣ鋼材３０に、扁平セグメントリング２を内空側に引っ張る方向（水平方向に圧縮力を作用させる方向）に引張力を受けもたせる。これにより、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２付近に作用する負の曲げモーメントＭ４、Ｍ５およびトンネル底盤部Ｋ３に作用する正の曲げモーメントＭ６の最大値を図４（ａ）に示すヒンジ継手１０を設けた場合よりさらに小さくさせることができる。したがって、扁平セグメントリング２の下部（底盤部２３）の厚さ寸法を小さくする効果を奏する。
なお、図３に示すように、本実施の形態によるヒンジ継手１０の設置範囲は、トンネル脚部Ｋ１、Ｋ２をなす小円２Ｃ、２Ｃの円弧領域内の範囲とし、好ましくは曲げモーメントの極大点近傍がよい。

上述したように実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造では、扁平セグメントリング２の上下方向に作用する圧縮力によって曲げモーメントの最大値が発生するトンネル脚部Ｋ１、Ｋ２付近に、ヒンジ継手１０を設けることで、応力の集中を緩和することができ、ヒンジ継手１０が設けられていない従来の扁平セグメントリングの場合と比較して、曲げモーメントを小さくできると共に、扁平セグメントリング２の上方の曲げモーメントの発生領域を減少できることから、扁平セグメントリング２の上方部の厚さ寸法を小さくすることができる効果を奏する。さらにこれに加え、曲げモーメントが大きなトンネル脚部から底盤部までの扁平セグメントリングの厚さ寸法をその上方部より大きくしておくことで、さらに曲げモーメントを小さくさせる利点がある。
したがって、セグメント１ピース当たりの重量を減らせることができ、扁平セグメントリング２の分割数を少なくでき、組立数が減るため施工が効率的になる。また、扁平セグメントリング２の厚さを小さくしたことで、トンネルの掘削断面を小さくできることから工事費を低減することができる。

次に、本実施の形態の変形例について、図５及び図６に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図５は本実施の形態の変形例による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図、図６は変形例によるヒンジ継手及びＰＣ鋼材の構造を示す拡大図である。
図５に示すように、変形例では、実施の形態のＰＣ鋼材３０及び床版４０（図１参照）に代えてＨ型鋼材からなる長尺の引張補強部材７０（水平補強部材）を断面視で略水平方向に延在させて設けたものであり、ヒンジ継手１０は実施の形態と同様の構成である。図６に示すように、引張補強部材７０と、長手方向を引張補強部材７０と同軸となるように配置させて予め脚部セグメント２１に一体に設けた接続部材７１とを、トンネル軸方向に重ね合わせ、この重ねた接合部Ｔに棒状のピン７２をトンネル軸方向に挿通させて接合されている。
引張補強部材７０は、実施の形態のＰＣ鋼材３０（図１参照）と同様の効果を奏し、上下方向の圧縮力が扁平セグメントリング２に作用したときに、水平方向外方に作用する力に対抗して引張力を受けもつ作用を有する。また、本変形例におけるヒンジ継手１０の効果については、実施の形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明によるセグメント補強構造の実施の形態及び変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、ヒンジ継手１０は、雄型継手１１を脚部セグメント２１に配置させ、雌型継手１２を側壁部セグメント２２に配置させてもよい。またヒンジ継手１０の構造は、実施の形態の形状に限定されることはなく、要はヒンジ作用をなす構成であればよい。
そして、本実施の形態のＰＣ鋼材３０、床版４０、および本変形例の引張補強部材７０の設置は任意であり、必要に応じて設ければよく、さらに本実施の形態では床版４０の中にＰＣ鋼材３０を挿通させて内蔵させた構成としているが、床版４０とＰＣ鋼材３０とを別々に設けるようにしてもかまわない。
また、本実施の形態ではトンネル断面に対して一枚の床版４０が設置されているが、この数量に限定されることはなく、例えば床版の運搬のし易さなどを考慮して長さ寸法（トンネル軸方向に直交する方向）を短くした床版を使用し、トンネル断面に対して左右２枚或いは複数枚となるように配置させてもかまわない。
さらに、ＰＣ鋼材３０の設置本数は地盤の条件に合わせて適宜設定することができる。例えば悪い地盤の場合にはＰＣ鋼材３０を適宜増加し、良好な地盤の場合にはＰＣ鋼材３０を適宜減らして設置すればよい。

本発明の実施の形態による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図である。 扁平セグメントリングの断面形状の構成を示す説明図である。 ヒンジ継手及びＰＣ鋼材の構造を示す拡大図である。 扁平セグメントリングの曲げモーメントの分布図であって、（ａ）、（ｂ）は実施例を示す図、（ｃ）は比較例を示す図である。 本実施の形態の変形例による扁平セグメントリングの補強構造を示す断面図である。 変形例によるヒンジ継手及びＰＣ鋼材の構造を示す拡大図である。

符号の説明

１ セグメント補強構造
２ 扁平セグメントリング
２Ａ 脚部セグメント
１０ ヒンジ継手
３０ ＰＣ鋼材（水平補強部材）
４０ 床版
５０ 圧縮伝達部材
７０ 引張補強部材（水平補強部材）

Claims (2)

1. シールドトンネルに構築された扁平セグメントリングを補強する扁平セグメントリングの補強構造であって、
   前記扁平セグメントリングの断面視斜め下方に位置するトンネル脚部に、前記扁平セグメントリングのセグメントピース間を周方向に連結してなるヒンジ継手を設け、
   前記扁平セグメントリングは、周方向全周にわたって曲線部を有するとともに、セグメント厚さ寸法が前記トンネル脚部から底盤部に向かうに従って漸次大きくなるように構成され、
   前記ヒンジ継手は、前記扁平セグメントリングの断面形状をなす前記トンネル脚部を形成する円弧領域内に設けられ、
   前記扁平セグメントリングには、前記ヒンジ継手より下方の前記扁平セグメントリングの内空側で、断面視で略水平方向に延在させて水平方向に引張力を受けもつ水平補強部材が設けられていることを特徴とする扁平セグメントリングの補強構造。
2. 前記扁平セグメントリングから前記水平方向の圧縮力を受けもつ圧縮伝達部材を介して床版が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の扁平セグメントリングの補強構造。

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