JP5079731B2 - 表面板と主桁を連結する合成セグメント、合成セグメントの製造方法およびトンネル - Google Patents

Description

本発明は、複数のセグメントピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメント、その製造方法、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルに関するものである。

従来、合成セグメントは、鋼殻（鋼材で形成された外殻）の内部に中詰めコンクリートを充填して構成される。鋼殻を形成する鋼材としては、円弧状をなす一対の主桁と、主桁の両端部に渡って固定される一対の継手板と、一対の主桁に渡って設けられる円筒面状のスキンプレートとが用いられる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特許文献１に記載された合成セグメントでは、前述した一対の主桁、一対の継手板、トンネル地山側に配置される地山側の表面板（スキンプレート）を有し、鋼殻は５面の鋼材で構成される。
特許文献２に記載された合成セグメントでは、地山側の表面板に加えて、トンネル内空側に配置される内空側の表面板を有し、鋼殻は６面の鋼材で構成される。

これらの合成セグメントにおいては、表面板の内空側にH鋼（例えば、特許文献１）あるいは頭付アンカーを用いたジベル（例えば、特許文献２）が設置され、中詰めコンクリート内に対するずれ止めが図られている。このようなずれ止めにより、主桁などの鋼材と中詰めコンクリートとのずれを防止し、外力に対して一体的に挙動させる合成効果が得られることで、剛性や耐力を向上させつつ薄型化が可能な高性能の合成セグメントが実現できるようになっている。

特開２００３−２７８９４号公報 特開平３−５９３００号公報

従来の合成セグメントでは、鋼殻を形成する主桁と表面板との連結にあたって、地山側に露出する周縁を溶接等するのみならず、内部構造において荷重伝達がなされるように構成されていた。例えば、特許文献１では、ずれ止め用のH鋼は、地山側の表面板の内面に固定されているとともに、表面板と主桁とを連結する際に、H鋼の端部を主桁の内空側面に溶接あるいはボルト締結等して固定される。

しかし、このようなセグメント内部での溶接あるいはボルト締結等の連結作業が必要となることで、製造にあたっての作業工数の低減ができず、このような内部連結作業の解消が求められていた。特に、特許文献２のような６面を鋼材で囲まれる合成セグメントでは、内部空間が密閉されるため、最後の鋼材に関しては他との内部連結が作業的に困難である。
このため、例えば、内空側の表面板を最後に取り付ける場合、他の鋼材と同表面板との内部連結が省略され、同表面板と他の鋼材あるいは中詰めコンクリートとの一体性が十分に確保できないことになる。また、主桁あるいは継手板を最後に取り付ける場合、内外一対の表面板の一体性が確保できるものの、これら一対の表面板で挟まれる狭い空間で前述した内部連結作業を行うことは大きな困難が伴っていた。

本発明の目的は、内部連結作業が省略できる合成セグメント、この合成セグメントの製造方法、およびこの合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルを提供することにある。

本発明の合成セグメントは、鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される表面板と主桁を連結する合成セグメントであって、前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル地山側およびトンネル内空側の少なくとも何れかにて前記主桁に渡って設けられる表面板とが設けられ、前記主桁の前記鋼殻内側表面にはトンネル軸方向に沿って延びる接続ピースが設けられ、前記表面板の前記鋼殻内側表面には、前記主桁近傍に、前記接続ピースに対して間隔をあけて対向するとともに、トンネル軸方向の前記主桁に面する端部において前記主桁内面と隙間をもって配置される受けピースが設けられ、これらの前記主桁、継手板および表面板で少なくとも５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記接続ピースと前記受けピースとは、トンネル軸方向に渡りラップするように配置され、前記接続ピースと前記受けピース各々の間および各々の周囲に充填される前記充填材により一体化されている。

本発明において、受けピースはいわゆる接続用のブラケットのような、単独で表面板の辺縁に設けられるものでよい。この際、受けピースには、表面板から起立する部分に加えて、表面板に対して間隔をあけて対向する部分を確保することで、トンネルの周方向および径方向に交差するため、各方向にずれ止めとしての作用が十分に得られ、主桁と表面板との連結に必要十分な性能を得ることができる。
このような本発明によれば、接続ピースと受けピースとが充填材により一体化されることで主桁と表面板との鋼殻内部での連結が行われる。主桁と表面板とは通常は溶接により連結されるが、溶接部のみでは連結剛性が低く、十分な荷重伝達がなされない。この本発明の連結は、予め主桁に接続ピースを形成しかつ表面板に受けピースを形成しておき、これらの主桁と表面板とを鋼殻となるべく配置し、これにより接続ピースと受けピースとを対向させた状態で鋼殻内に充填材を充填することで行われる。つまり、主桁と表面板とを連結するために、従来のように溶接や締結などの局所的な操作が連結部位毎に個別に必要となることはなく、複数の箇所を一気に連結することができる。このため、本発明によれば、製造にあたっての作業効率を飛躍的に向上できるととともに、鋼殻内の奥まった部位の連結も何ら支障なく実施することができる。

本発明の合成セグメントにおいて、前記表面板における前記鋼殻内側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の地山側もしくは内空側リブ材が設けられ、前記地山側もしくは内空側リブ材の端部により前記受けピースが形成されていることが望ましい。 このような本発明によれば、地山側もしくは内空側リブ材がずれ止めとして作用し、充填材との一体性を確保することができるとともに、この地山側もしくは内空側リブ材の端部を利用して受けピースを構成することで、部材兼用による構造の簡略化を図ることができる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、前記複数のリブ材は、トンネル軸方向の両端部において前記受けピース材が形成されていることが好ましい。
このような本発明によれば、リブ材のずれ止め機能が拡大して充填材との一体性の効果がさらに高まりセグメントの性能を向上させることができる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、前記複数のリブ材は、それぞれ前記表面板から起立するウェブ部と、前記ウェブ部に連続しかつ前記表面板と対向するフランジ部とを有し、前記ウェブ部は、一対の前記接続ピースにより、トンネル周方向に間隔をあけて対向するように配置されるとともに、少なくとも一つの前記接続ピースは、前記フランジ部と前記表面板との間に挿入されて前記フランジ部および前記表面板と間隔をあけて対向されているものとすることができる。 ここで、ウェブ部とフランジ部とを有するリブ材としては、例えば断面Ｌ字状の形鋼、断面Ｔ字状の形鋼、あるいは断面コ字状の形鋼など、汎用の形鋼を用いることができる。
このような本発明では、形鋼が入手容易であり、実施が容易にできるとともに、リブ材をトンネルの軸方向に配置することで、ウェブ部とフランジ部とがトンネルの周方向および径方向に交差し、ずれ止めとしての作用が十分に得られる。さらに、リブ材の端部のウェブ部およびフランジ部が受けピースとなり、接続ピースがウェブ部と対向することでトンネル周方向の荷重伝達が担保され、フランジ部および表面板と対向することでトンネル径方向の荷重伝達が担保され、主桁と表面板との連結に必要十分な性能を得ることができる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、前記複数のリブ材は、それぞれ前記表面板に固定された筒状もしくは前記表面板とで構成される閉塞部が形成される閉断面部材であり、前記接続ピースは、前記閉断面部材の内側に挿入されて周囲と間隔をあけて対向されているものとしてもよい。
ここで、リブ材として用いる筒状の部材としては、例えば断面正方形あるいは断面長方形の形鋼、断面円形あるいは他の多角形の形鋼などを用いることができる。なかでも、断面形状においてトンネルの周方向および径方向に交差する部分が大きく確保できるもの、例えば断面正方形あるいは長方形のものが望ましい。なお、断面コ字状の形鋼を、その開口側が表面材側となるように接合することで、結果として断面が筒状をなすようにしてもよい。
このような本発明では、筒状のリブ材の端部が受けピースとなり、その内側に挿入される接続ピースと充填材により一体化される。この際、筒状のリブ材はトンネルの周方向および径方向に交差するため、各方向にずれ止めとしての作用が十分に得られ、主桁と表面板との連結に必要十分な性能を得ることができる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、前記鋼殻は、トンネル地山側およびトンネル内空側に設けられた一対の表面板を有し、これらの主桁、継手板および表面板で６面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記一対の表面板の前記鋼殻内側表面にそれぞれ設けられた前記地山側および内空側リブ材が剪断補強材で互いに連結されていることが望ましい。
本発明は、内部連結の簡素化という点で５面の鋼殻でも有効性が期待できるが、内部が密閉される６面の鋼殻においては一層有効性が期待できる。すなわち、６面の鋼殻では、従来最後の一面の鋼材は他との内部連結が困難であるが、本発明によれば、６面を閉じた状態でも充填材の充填により内部の接続ピースおよび受けピースの各々が互いに連結され、６面の鋼殻でありながら鋼殻内部の構造全てが相互に連結されたものとすることができる。

本発明における表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、前記鋼殻は、トンネル地山側およびトンネル内空側に設けられた一対の表面板を有し、これらの主桁、継手板および表面板で６面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記一対の表面板の前記鋼殻内側表面に設けられた前記内空側リブ材のうち、前記トンネル地山側に設けられる地山側リブ材と前記トンネル内空側に設けられる内空側リブ材とがトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることが望ましい。
このような本発明によると、地山側表面板に地山側リブ材を設けることで充填材との一体性をより一層向上させることができ、内外面に設けられたリブ材をトンネル径方向に対向させないことによって、ひび割れ誘発点となるリブ材の相互距離を長く確保されることから、ひび割れ長さを長くすることができ、セグメントの性能が向上する。

本発明のトンネルは、前述した本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とする。
このような本発明では、前述した合成セグメント自体の製造の容易さ、製造コストの低さに基づいて、トンネルとしての施工コスト低減および工期短縮を図ることができる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法は、鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントの製造方法であって、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル地山側およびトンネル内空側の少なくとも何れかにて前記一対の主桁に渡って設けられる表面板と、前記主桁の前記鋼殻内側表面に設けられてトンネル軸方向に沿って延びる接続ピースと、前記表面板の前記鋼殻内側表面に設けられて前記接続ピースに対して間隔をあけて対向する受けピースとを製造し、前記表面板における前記鋼殻内側表面に受けピースを固定する工程と、前記主桁における前記鋼殻内側表面に前記接続ピースを固定する工程と、前記受けピースと前記表面板との間に接続ピースを一括挿入する工程を経て、前記主桁、一対の継手板および表面板により少なくとも５面が囲まれた前記鋼殻を形成し、前記鋼殻の内部に前記充填材を充填し、前記接続ピースと前記受けピースとを各々の間および各々の周囲に充填される前記充填材により一体化することを特徴とする。
このような本発明では、主桁と表面板との内部での連結が、充填材の充填により一括して行われる。このため、接続ピースと受けピースとの個別連結といった煩雑な作業を解消することができ、合成セグメントの製造効率を飛躍的に向上することができ、合成セグメントの製造コストも大幅に低減できる。

本発明の表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法において、前記鋼殻を形成する際に、先ず一方の前記主桁を水平に載置し、その周縁に沿って前記一対の表面板および一対の継手板を立て、これらの上縁に充填材を充填する複数の開口孔が設けられた他方の前記主桁を接続することにより６面が囲まれた前記鋼殻を形成し、前記開口孔から鉛直方向下向きに前記充填材を充填することが望ましい。
このような本発明では、何れかの表面板を下にして載置する場合よりも作業場所の占有面積を縮小することができ、何れかの継手板を下にして載置する場合のような不安定さがなく、作業性を向上することができるとともに、鋼殻の製作組み立てから充填材の充填までを製品の姿勢を代えずに一貫して行なえることから、合成セグメントの製造効率を飛躍的に向上することができ、合成セグメントの製造工期や製造コストも大幅に低減できる。

以上のような本発明の合成セグメント、その製造方法およびトンネルによれば、主桁と表面板との内部での連結が、充填材の充填により一括して行われる。このため、接続ピースと受けピースとの個別連結といった煩雑な作業を解消することができ、合成セグメントの製造効率を飛躍的に向上することができ、合成セグメントの製造コストも大幅に低減できる。さらに、本発明のトンネルによれば、前述した合成セグメント自体の製造の容易さ、製造コストの低さに基づいて、トンネルとしての施工コスト低減および工期短縮を図ることができる。

本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。 第１実施形態に係る合成セグメントを示す一部省略した斜視図である。 前記第１実施形態の合成セグメントを示す断面図である。 前記第１実施形態の合成セグメントの組み立てを示す斜視図である。 前記第１実施形態の合成セグメントの組み立てを示す斜視図である。 前記第１実施形態の合成セグメントの組み立てを示す斜視図である。 前記第１実施形態の合成セグメントの組み立てを示す斜視図である。 前記第１実施形態の合成セグメントの組み立てを示す斜視図である。 第２実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 第３実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 第４実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 第５実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 第６実施形態の要部を示す断面図である。 前記第６実施形態の要部を示す異なる方向の断面図である。 第７実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 第８実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。 前記合成セグメントの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材、および同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態の構成部材と同じ符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。

図１は、本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工１とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。
トンネル覆工１は、掘削した地山Ｇの内部にて複数のセグメントピースＰを組み合わせて構成されている。なお、以下の説明において、トンネル軸方向をＸ方向と表現し、トンネル径方向をＲ方向と表現し、トンネル周方向をθ方向と表現することとする。地山Ｇを掘削するシールドマシンＭは、その後方に複数のジャッキＪを有し、ジャッキＪでトンネル覆工１を押してＸ方向に前進し、前進しつつ掘削した空間にてセグメントピースＰが円筒状に組み立てられてトンネル覆工１が構築される。このトンネル覆工１は、地山Ｇとトンネル内空Ｓとを仕切り、地山Ｇからの土圧や水圧に抵抗してトンネル内空Ｓの空間を確保するようになっている。なお、トンネル断面形状としては、一般的な円形のみに限定されるものではなく、矩形トンネルをはじめとする異形トンネル断面でも、トンネル覆工は円弧形のみならず、平板形でも本発明の効果は発揮される。
以下、セグメントピースＰを構成する各形態の合成セグメント１０，２０，３０に関し、その構造を詳しく説明する。

〔第１実施形態〕
図２は、第１実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント１０を示す一部省略した斜視図であり、図３は、合成セグメント１０を示す断面図である。
図２、図３において、合成セグメント１０は、６つの面が囲まれた鋼殻１１と、この鋼殻１１内部に充填される充填材としての中詰めコンクリート１２とを有し、これらの鋼殻１１および中詰めコンクリート１２が一体化されて構成されている。

鋼殻１１は、θ方向に沿って延びて互いに対向する一対の主桁１３，１３と、これら一対の主桁１３，１３のθ方向両端部同士を連結する一対の継手板１４，１４と、トンネル内空Ｓ側の表面材である内空側の表面板１５Ｓと、トンネル地山Ｇ側の表面材である地山側の表面板１５Ｇと、を備え、これらの主桁１３，１３、継手板１４，１４および内外一対の表面板１５Ｓ，１５Ｇを箱状に形成されている。なお、本実施形態では主桁１３が２枚のみで構成される２主桁構造を示すが、３枚以上で構成される多主桁構造であっても互いに対向する一対の主桁が複数存在する構造を呈することに他ならないので、本発明の効果は変わらず発揮される。

主桁１３は、Ｘ方向に直交してＲ方向およびθ方向に沿った円弧板状の鋼板から構成されている。主桁１３の途中位置複数箇所には継手板（図示省略）が適宜配置され、この継手板を用いてＸ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合される。
継手板１４は、Ｘ方向およびＲ方向に沿った直板状の鋼板から構成され、その内面の途中位置には、ボルトボックス（図示省略）が適宜配置され、このボルトボックスを用いてθ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合される。

表面板１５Ｓ，１５Ｇは、Ｒ方向に略直交してＸ方向およびθ方向に沿った薄板状の鋼板から円筒面状に構成され、各々の鋼殻内側表面には、複数の地山側もしくは内空側リブ材１６が鋼殻１１の内方に突出して固定されている。これらの地山側もしくは内空側リブ材１６は、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。

箱形に形成された鋼殻１１の各鋼材、つまり主桁１３，１３、継手板１４，１４および内外一対の表面板１５Ｓ，１５Ｇは、互いの隣接辺縁を地山側から溶接して接続されるとともに、その内部において中詰めコンクリート１２により強固に一体化される。

地山側もしくは内空側リブ材１６は、基部が表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に溶接されるウェブ部１６Ａと、その先端に接続されて表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に対向配置されるフランジ部１６Ｂとを有する。あるいは地山側もしくは内空側リブ材１６の表面板１５Ｓ，１５Ｇに当接する位置に図示しないフランジ材を突出させ、表面板１５Ｓ，１５Ｇとボルトもしくはドリルネジ（いずれも図示せず）により係合した後に螺合部を止水処理することでもよい。地山側もしくは内空側リブ材１６は、ウェブ部１６Ａの基部において表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に溶接されているだけであり、その端部は主桁１３の鋼殻内側表面に対して接続されてはいない。地山側もしくは内空側リブ材１６の端部は表面板１５Ｓ，１５Ｇに設置される受けピース１７を兼ねている。この受けピース１７は、径方向の受けピース１７Aと、周方向の受けピース１７Bとで構成されている。径方向の受けピース１７Aは、トンネル径方向に延びるウェブ部１６Ａの端部により形成されてトンネル周方向の力を受ける。周方向の受けピース１７Bは、トンネル周方向に延びるフランジ部１６Ｂの端部により形成されてトンネル径方向の力を受ける。

主桁１３の鋼殻内側表面には、地山側もしくは内空側リブ材１６に対応した部位に、各一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂが溶接されている。
一方の接続ピース１３Ａは、受けピース１７B（フランジ部１６Ｂ）とこれに対向する表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面との間の空隙内に挿入され、受けピース１７B、受けピース１７A（ウェブ部１６Ａ）および表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面の何れとも接触しておらず、それぞれとの間に間隔がおかれている。
他方の接続ピース１３Ｂは、受けピース１７A（ウェブ部１６Ａ）を挟んで接続ピース１３Ａと反対側に配置され、同様に受けピース１７Aおよび表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面との間に間隔がおかれている。

これらの接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂおよび表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面との間隔は、それぞれ鋼殻１１内に中詰めコンクリート１２が充填される際に、同コンクリート１２が容易に進入できる程度の広さが確保されている。その結果、鋼殻１１内に中詰めコンクリート１２が充填された際には、同コンクリート１２が各間隔に進入して固化するとともに、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂとの周囲においてもこれらを包囲するように同コンクリート１２が固化することにより、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂとが中詰めコンクリート１２によって強固に一体化され、互いの連結が行われる。

本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント１０は、例えば以下に述べる手順で製造される。
図４に示すように、先ず、一方の主桁１３を水平な載置面上に載置する。この際、主桁１３は鋼殻１１の内側となる表面を上向きにし、各々の接続ピース１３Ａ，１３Ｂが上向きに起立する状態としておく。
次に、主桁１３の地山Ｇ側の辺縁に、地山側リブ材１６が固定された地山側の表面板１５Ｇを載せ、互いの接合縁を溶接する。この際、リブ材１６の端部の受けピース１７は、その径方向の受けピース１７Ａ（リブ材１６のウェブ部１６Ａ）が一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂの間に収まるようにする。
図５に示すように、地山側の表面板１５Ｇが一方の主桁１３に載置できたら、同様にして主桁１３の内空Ｓ側の辺縁に、内空側リブ材１６が固定された内空側の表面板１５Ｓを載せ、互いの接合縁を溶接する。

図６に示すように、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇが主桁１３に溶接できたら、主桁１３の残る辺縁に、それぞれ継手板１４，１４を載せ、互いの接合縁を溶接する。
図７に示すように、両側に継手板１４，１４が溶接されることで上面が開口した鋼殻が形成される。この後、上面の開口に他方の主桁１３を載置し、全周を溶接して閉じた鋼殻１１を形成する。他方の主桁１３には接続ピース１３Ａ，１３Ｂを係止しておき、その間に内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇの地山側もしくは内空側リブ材１６端部の受けピース１７が挿入されるようにする。

図８に示すように、他方の主桁１３には充填用の開口１３Ｓを形成しておき、ここから鋼殻１１内に流動状態のコンクリート１２Ａを注入することで、中詰めコンクリート１２の充填を行う。なお、前述したように、主桁１３には、Ｘ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するためのリング間継手が形成されるが、そのボルト挿通孔が十分に大きければ、これを利用して開口１３Ｓとしてもよい。
また、前記鋼殻１１の製造方法では主桁１３を水平に載置しているが、例えば地山側の表面板１５Ｇを水平に船形に載置した後、地山側の主桁１３および継手板１４，１４を地山側の表面板１５Ｇの辺縁に立て、他方の主桁１３を最後に立てた後に全周を溶接して閉じた鋼殻１１を形成しても良い。
このようにして鋼殻１１内に中詰めコンクリート１２を充填することで、同コンクリート１２が接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂとの各間隔に進入して固化するとともに、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂとの周囲においてもこれらを包囲するように同コンクリート１２が固化する。その結果、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７Ａ，１７Ｂとが中詰めコンクリート１２によって強固に一体化され、互いの連結が行われる。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント１０によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７（受けピース１７Ａおよび受けピース１７Ｂ）とが充填材である中詰めコンクリート１２により一体化されることで、主桁１３と表面板である表面板１５Ｓ，１５Ｇとの内部連結が行われる。この連結は、予め主桁１３に接続ピース１３Ａ，１３Ｂを形成するとともに、表面板１５Ｓ，１５Ｇに地山側もしくは内空側リブ材１６を形成しておき、これらを鋼殻１１の形に組み立て、接続ピース１３Ａ，１３Ｂと受けピース１７を対向させた状態とすることでその準備を行うことができ、この後、鋼殻１１内に中詰めコンクリート１２を充填し固化させることで各々の連結を完成させることができる。
従って、主桁１３と表面板１５Ｓ，１５Ｇとを連結するために、従来のように溶接や締結などの局所的な操作が連結部位毎に個別に必要となることはなく、複数の箇所を一気に連結することができる。このため、製造にあたっての作業効率を飛躍的に向上できるととともに、鋼殻１１内の奥まった部位の連結も何ら支障なく実施することができる。

さらに、本実施形態では、受けピース１７を地山側もしくは内空側リブ材１６の端部を利用したため、構成を簡素化できるとともに設置作業が簡略化できる。また、地山側もしくは内空側リブ材１６として汎用されるＬ字断面の形鋼を用いたため、入手容易であり、実施が容易にできる。さらに、地山側もしくは内空側リブ材１６のウェブ部１６Ａとフランジ部１６Ｂとを利用して受けピース１７Ａ，１７Ｂを構成したため、接続ピース１３Ａがウェブ部１６Ａの端部の受けピース１７Ａと対向することでトンネル周方向の荷重伝達が担保され、接続ピース１３Ｂがフランジ部１６Ｂの受けピース１７Ａおよび表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面と対向することでトンネル径方向の荷重伝達が担保され、これら二方向の荷重負担により主桁１３と表面板１５Ｓ，１５Ｇとの連結に必要十分な性能を得ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント２０を図９に基づいて説明する。
合成セグメント２０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇ、接続ピース１３Ａ，１３Ｂを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント２０は、表面板１５Ｓ，１５Ｇの内側表面にトンネル軸方向の地山側および内空側リブ材２６を有し、その端部により受けピース２７が形成されている。
前記第１実施形態の合成セグメント１０のリブ材１６（図３参照）がＬ字断面の形鋼であったのに対し、本実施形態の地山側および内空側リブ材２６はＴ字断面の形鋼とされている。
リブ材２６は、基部が表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に溶接されるウェブ部２６Ａと、その先端に接続されて表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に対向配置されるフランジ部２６Ｂとを有する。つまり、前記第１実施形態の地山側もしくは内空側リブ材１６がウェブ部２６Ａの片側のみにフランジ部２６Ｂを有していたのに対し、本実施形態のリブ材２６はウェブ部２６Aの両側にフランジ部２６Ｂが張り出している。

前記第１実施形態の受けピース１７が径方向の受けピース１７Ａおよびその片側に延びる周方向の受けピース１７Ｂ（図３参照）を備えていたのに対し、本実施形態の受けピース２７では、径方向の受けピース２７Ａの両側に延びる一対の周方向の受けピース２７Ｂを備えている。
本実施形態では、一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂは、何れも受けピース２７Bとこれに対向する表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面との間の空隙内に挿入され、鋼殻１１内に中詰めコンクリート１２が充填された際には、周方向および径方向の受けピース２７Ａ，２７Ｂと一体化される。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント２０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂは、何れも周方向および径方向の受けピース２７Ａ，２７Ｂと一体化されるため、一方の接続ピース１３Ａのみが周方向の受けピース１７Ｂと表面板１５Ｓ，１５Ｇとの間に挿入される前記第１実施形態よりも一層高い連結強度を得ることができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント３０を図１０に基づいて説明する。
合成セグメント３０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント３０は、表面板１５Ｓ，１５Ｇの内側表面にトンネル軸方向の地山側もしくは内空側リブ材３６を有し、その端部により受けピース３７が形成されている。
前記第１実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント１０のリブ材１６（図３参照）がＬ字断面の形鋼であったのに対し、本実施形態の地山側もしくは内空側リブ材３６はコ字断面の形鋼とされている。
地山側もしくは内空側リブ材３６は、ウェブ部３６Ｂの両側に一対のフランジ部３６Ａを有し、一対のフランジ部３６Ａの各先端を表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に溶接され、ウェブ部３６Ｂが表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面に対向配置される。

前記第１実施形態では受けピース１７が径方向の受けピース１７Ａおよびその片側に延びる周方向の受けピース１７Ｂ（図３参照）を備えていたのに対し、本実施形態の受けピース３７では、一対のフランジ部３６Ａの端部により一対の周方向の受けピース３７Ａが形成され、ウェブ部３６Ｂの端部により径方向の受けピース３７Ｂが形成される。
前記第１実施形態では主桁１３に一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂを設けたのに対し、本実施形態では、主桁１３の地山側もしくは内空側リブ材３６に対応する部位には接続ピース１３Ｃが一つ設置される。接続ピース１３Ｃは断面正方形とされ、受けピース３７内に挿入されることで、周囲の受けピース３７Ａ，３７Ｂおよび表面板１５Ｓ，１５Ｇの表面との間に所定間隔が形成される。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント３０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
表面板１５Ｓ，１５Ｇに溶接されることで受けピース３７Ａ，３７Ｂおよび表面板１５Ｓ，１５Ｇが筒状となるため、接続ピース１３Ｃは中詰めコンクリート１２を介してこれらに全周を包囲されることになり、周方向および径方向以外の方向についても高い連結強度を得ることができる。
なお、本実施形態において、地山側もしくは内空側リブ材３６を断面コ字状の形鋼ではなく、正方形あるいは長方形の断面を有する形鋼としてもよい。このような形鋼を用いても、表面板１５Ｓ，１５Ｇに溶接した状態では本実施形態と同様な受けピース３７Ａ，３７Ｂ（図１０参照）を確保することができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント４０を図１１に基づいて説明する。
合成セグメント４０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント４０は、表面板１５Ｓ，１５Ｇの内側表面にトンネル軸方向の地山側もしくは内空側リブ材４６を有し、その端部により受けピース４７が形成されている。
前記第１実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント１０の地山側もしくは内空側リブ材１６（図３参照）がＬ字断面の形鋼であったのに対し、本実施形態の地山側もしくは内空側リブ材４６は円形断面の鋼管材とされている。
前記第１実施形態では受けピース１７が径方向の受けピース１７Ａおよび周方向の受けピース１７Ｂ（図３参照）を備えていたのに対し、本実施形態の受けピース４７ではリブ材４６の断面そのままの円形断面を有する筒状である。
前記第１実施形態では主桁１３に一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂを設けたのに対し、本実施形態では、主桁１３のリブ材４６に対応する部位には接続ピース１３Ｄが一つ設置される。接続ピース１３Ｄはリブ材４６の内径より小さい外径を有する丸棒状とされ、受けピース４７内に挿入されることで、受けピース４７の内壁により全周を囲われ、同内壁との間に所定間隔が形成される。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント４０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
地山側もしくは内空側リブ材４６が円形断面を有するため、受けピース４７も円形断面となり、接続ピース１３Ｄは中詰めコンクリート１２を介してこれらに全周を包囲されることになり、主桁１３の表面に沿った全方向について一様に高い連結強度を得ることができる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント５０を図１２に基づいて説明する。
合成セグメント５０は、前記第１実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の合成セグメント５０は、表面板１５Ｓ，１５Ｇの内側表面にトンネル軸方向のリブ材５６を有し、その端部により受けピース５７が形成されている。
前記第１実施形態の合成セグメント１０の地山側もしくは内空側リブ材１６（図３参照）がＬ字断面の形鋼であったのに対し、本実施形態の地山側もしくは内空側リブ材５６は中心角が鈍角のＶ字断面を有する形鋼とされている。
前記第１実施形態では受けピース１７が径方向の受けピース１７Ａおよび周方向の受けピース１７Ｂ（図３参照）を備えていたのに対し、本実施形態の受けピース５７では地山側もしくは内空側リブ材５６の断面に基づくＶ字断面を有する。
前記第１実施形態では主桁１３に設けた一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂが単純な板状であったのに対し、本実施形態では、地山側もしくは内空側リブ材５６と同様なＶ字断面を有する接続ピース１３Ｅ，１３Ｆが一対設置される。
本実施形態において、鋼殻１１を組み立てた状態では、受けピース５７が接続ピース１３Ｅ，１３Ｆの間に挿入される。この際、各々の断面形状のＶ字同士が互いの山を合わせた状態に配置され、各々の間には一定の間隔が維持されるようになっている。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント５０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
接続ピース１３Ｅ，１３Ｆおよび地山側もしくは内空側リブ材５６（受けピース５７）がそれぞれＶ字断面とされているため、各々の剛性を確保しやすいとともに、互いの連結性能を高めることができる。

〔第６実施形態〕
次に、本発明の第６実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント６０を図１３、図１４に基づいて説明する。
合成セグメント６０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇ、一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント６０は、表面板１５Ｓ，１５Ｇの内側表面にトンネル軸方向の地山側もしくは内空側リブ材６６を有する。但し、その端部は受けピースとして利用されていない。
本実施形態では、地山側もしくは内空側リブ材６６のない部分に断面Ｌ字状の受けピース６７が設置され、そのウェブ部６７Ａが一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂの間に挿入されるとともに、フランジ部６７Ｂが接続ピース１３Ｂを覆うように配置される。

以上のような本実施形態の表面板と主桁を連結する合成セグメント６０によっても、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
リブ材６６の端部を受けピースに利用しないため、各々の断面形状あるいは配置パターン、設置数に関する設計自由度を高めることができる。

〔第７実施形態〕
次に、本発明の第７実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント７０を図１５に基づいて説明する。
合成セグメント７０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇ、一対の接続ピース１３Ａ，１３Ｂを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。
本実施形態の合成セグメント７０では、内空側表面板１５Ｓに接続された内空側のリブ材１６と地山側表面板１５Ｇに接続された地山側のリブ材１６とを、Ｒ方向に対向しないずれた位置に設ける。
このような構成によれば、内空側のリブ材１６および地山側のリブ材１６を起点としたひび割れが生じた場合でも、これらが重ならないようにでき、ひび割れ長さを長くすることができるため、中詰めコンクリート１２の強度を高めることができる。

〔第８実施形態〕
次に、本発明の第８実施形態に係る表面板と主桁を連結する合成セグメント８０を図１６に基づいて説明する。
合成セグメント８０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻１１および中詰めコンクリート１２を有し、鋼殻１１は、合成セグメント１０と同様に、一対の主桁１３，１３、一対の継手板１４，１４、内外の表面板１５Ｓ，１５Ｇ、接続ピース１３Ａ，１３Ｂを有し、これらの構成は前記第１実施形態と同様である。
図１６に示すように、本実施形態では、表面板１５Ｓに沿った内空側リブ材１６と表面板１５Ｇに沿った地山側リブ材１６とを結ぶせん断補強材１６Ｔが設けられる。
このような構成にすることで、相互の地山側および内空側リブ材１６，１６の変位が抑制されるとともに、トンネル径方向に一対の表面板１５Ｇ，１５Ｓが離れようとする力に抵抗することができる。その結果、鋼殻１１内に充填される中詰めコンクリート１２の割れ防止を図ることが可能となり、さらには中詰めコンクリート１２のせん断強度を高めることができ、合成セグメント１０全体の強度を向上させて、さらなる高性能化および薄型化を実現することができる。

〔変形例〕
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
前記各実施形態では、内外の表面板１５Ｇ，１５Ｓの内側にそれぞれ地山側もしくは内空側リブ材１６〜５６を設けたが、これらは各々独立させておくのではなく、地山側および内空側リブ材１６〜５６を互いに連結してもよい。

前記各実施形態では、内外の表面板１５Ｇ，１５Ｓの両方を設け、鋼殻１１を６面で構成したが、表面板１５Ｇ，１５Ｓの何れかを省略し、鋼殻１１を５面で構成してもよい。
図１７において、図示の構成は前記第１実施形態（図３参照）と同様であるが、内空側の表面板１５Ｓが省略され、鋼殻１１は地山側の表面板１５Ｇと、一対の主桁１３，１３と、一対の継手板１４，１４とで構成されている。
このような構成においては、開放された内側（図３において表面板１５Ｓが設置されていた部位）から鋼殻１１内の作業が容易に行えるが、接続ピース１３Ａ，１３Ｂおよび受けピース１７の各部の連結が中詰めコンクリート１２の充填により一括して行える点で、従来の個別の連結よりも作業効率を高めることができる。

前記実施形態では、主桁１３と内外の表面板１５Ｇ，１５Ｓを連結するために接続ピースおよび受けピースを設置したが、継手板１４と表面板１５Ｇ，１５Ｓとの連結、あるいは主桁１３と継手板１４との連結のために、同様な接続ピースおよび受けピースを用いてもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１…トンネル覆工、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０…合成セグメント、１１…鋼殻、１２…充填材である中詰めコンクリート、１２Ａ…流動状態のコンクリート、１３…主桁、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ…接続ピース、１３Ｓ…開口、１４…継手板、１５Ｇ，１５Ｓ…表面板、１６，２６，３６，４６，５６，６６…地山側もしくは内空側リブ材、１６Ａ，２６Ａ，３６Ｂ，６７Ａ…ウェブ部、１６Ｂ，２６Ｂ，３６Ａ，６７Ｂ…フランジ部、１６Ｔ…せん断補強材、１７，１７A，１７B，２７，２７A，２７B，３７，３７Ａ，３７Ｂ，４７，５７，６７…受けピース。

Claims (10)

1. 鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、
   前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル地山側およびトンネル内空側の少なくとも何れかにて前記主桁に渡って設けられる表面板とが設けられ、
   前記主桁の前記鋼殻内側表面にはトンネル軸方向に沿って延びる接続ピースが設けられ、前記表面板の前記鋼殻内側表面には、前記主桁近傍に、前記接続ピースに対して間隔をあけて対向するとともに、トンネル軸方向の前記主桁に面する端部において前記主桁内面と隙間をもって配置される受けピースが設けられ、
   前記主桁、継手板および表面板で少なくとも５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記接続ピースと前記受けピースとは、トンネル軸方向に渡りラップするように配置され、前記接続ピースと前記受けピース各々の間および各々の周囲に充填される前記充填材により一体化されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
2. 請求項１に記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記表面板における前記鋼殻内側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の地山側もしくは内空側リブ材が設けられ、前記地山側もしくは内空側リブ材の端部により前記受けピースが形成されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
3. 請求項１または請求項２に記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記複数のリブ材は、トンネル軸方向の両端部において前記受けピース材が形成されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
4. 請求項２または請求項３に記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記複数のリブ材は、それぞれ前記表面板から起立するウェブ部と、前記ウェブ部に連続しかつ前記表面板と対向するフランジ部とを有し、
   前記ウェブ部は、一対の前記接続ピースにより、トンネル周方向に間隔をあけて対向するように配置されるとともに、
   少なくとも一つの前記接続ピースは、前記フランジ部と前記表面板との間に挿入されて前記フランジ部および前記表面板と間隔をあけて対向されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
5. 請求項２または請求項３に記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記複数のリブ材は、それぞれ前記表面板に固定された筒状もしくは前記表面板とで構成される閉塞部が形成される閉断面部材であり、前記接続ピースは、前記閉断面部材の内側に挿入されて周囲と間隔をあけて対向されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
6. 請求項２から請求項５の何れかに記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記鋼殻は、トンネル地山側およびトンネル内空側に設けられた一対の表面板を有し、これらの主桁、継手板および表面板で６面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記一対の表面板の前記鋼殻内側表面にそれぞれ設けられた前記地山側および内空側リブ材が剪断補強材で互いに連結されていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
7. 請求項２から請求項５の何れかに記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントにおいて、
   前記鋼殻は、トンネル地山側およびトンネル内空側に設けられた一対の表面板を有し、これらの主桁、継手板および表面板で６面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記一対の表面板の前記鋼殻内側表面に設けられた前記内空側リブ材のうち、前記トンネル地山側に設けられる地山側リブ材と前記トンネル内空側に設けられる内空側リブ材とがトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメント。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とするトンネル。
9. 鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法であって、
   トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル地山側およびトンネル内空側の少なくとも何れかにて前記一対の主桁に渡って設けられる表面板と、前記主桁の前記鋼殻内側表面に設けられてトンネル軸方向に沿って延びる接続ピースと、前記表面板の前記鋼殻内側表面に設けられて前記接続ピースに対して間隔をあけて対向する受けピースとを製造し、
   前記表面板における前記鋼殻内側表面に受けピースを固定する工程と、前記主桁における前記鋼殻内側表面に前記接続ピースを固定する工程と、前記受けピースと前記表面板との間に接続ピースを一括挿入する工程を経て、前記主桁、一対の継手板および表面板により少なくとも５面が囲まれた前記鋼殻を形成し、
   前記鋼殻の内部に前記充填材を充填し、前記接続ピースと前記受けピースとを各々の間および各々の周囲に充填される前記充填材により一括して一体化することを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法。
10. 請求項９に記載の表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法において、
    前記鋼殻を形成する際に、先ず一方の前記主桁を水平に載置し、その周縁に沿って前記一対の表面板および一対の継手板を立て、これらの上縁に充填材を充填する複数の開口孔が設けられた他方の前記主桁を接続することにより６面が囲まれた前記鋼殻を形成し、前記開口孔から鉛直方向下向きに前記充填材を充填することを特徴とする表面板と主桁を連結する合成セグメントの製造方法。

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