JP5109664B2 - 鋼製セグメント - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルの構築に用いられる鋼製セグメントに関する。

従来より、シールド掘削装置により地盤にトンネルを掘削し、トンネル内周面に鋼製セグメントを周方向に接続するとともに、掘削の進行方向に連結していくことで覆工体を設置するシールド工法が知られている。シールド掘削装置は掘削孔の内周面近傍に位置する複数のジャッキを備えており、設置した鋼製セグメントに反力を取りながらジャッキを伸長させることにより推進する。その際、鋼製セグメントには非常に大きな荷重が作用するため、掘進方向に延びるように縦リブが取り付けられている。この縦リブは、シールド掘削装置が推進する際に鋼製セグメントに作用する反力に対して抵抗するとともに、地盤の土水圧や裏込めモルタルの圧力によりスキンプレートが変形しないように鋼製セグメントを補強している。

しかしながら、上記の反力による荷重は各セグメントから地盤に流れるため、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメントには荷重が作用しない。このため、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメントとして、縦リブを備えた鋼製セグメントを用いることは非常に不経済である。

そこで、例えば、特許文献１及び２には、縦リブを着脱可能とした鋼製セグメントが記載されている。特許文献１に記載の鋼製セグメントでは、伸長可能であるとともに、伸長した状態で長さを固定可能な補強部材により縦リブを構成している。かかる構成により、補強部材を互いに対向する主桁間に亘るように伸長させた状態で長さを固定することにより主桁間に取り付けることができ、また、補強部材を収縮させることにより取り外すことができる。

また、特許文献２の鋼製セグメントでは、主桁の互いに対向する位置に固定部材を取り付けておき、この固定部材に嵌合させて取り付け可能な板状の補強部材を、トンネルの周方向にスライドさせて固定部材に取り付けている。また、補強部材は、逆方向にスライドさせることにより取り外すことができる。
特開平２―１３６４９９号公報 特開２００６−８３６５７号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、補強部材は主桁間に挟持されているのみであるため、補強部材にその軸方向以外から大きな荷重が作用すると補強部材が外れてしまう虞があった。

また、特許文献２記載の方法では、外部から作用する土水圧などによりスキンプレートがトンネル中心に向かって変形した場合に、補強部材をスライドさせることができなくなり、取り外しができなくなる虞があった。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、その目的は、トンネルの長さ方向以外から大きな荷重が作用しても外れることがなく、また、スキンプレートが変形した場合でも取り外し可能な補強部材を備えた鋼製のセグメントを提供することである。

本発明の鋼製セグメントは、トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、スキンプレートと、当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って、前記トンネルの内側に向けて立設された一対の主桁と、前記一対の主桁に、少なくとも前記主桁の面内方向の移動が拘束されるように取付られた一対の固定部材と、前記一対の固定部材に両端を着脱可能に固定された長尺の補強部材と、を備え、前記補強部材は、軸方向に伸縮可能であるとともに当該伸縮を拘束可能であり、その両端には前記トンネルの外側に向かうほど前記主桁側に近づくように傾斜しており、前記固定部材の互いに対向する側の面には前記補強部材の端部を嵌合可能な溝が形成され、前記溝はその底部が前記トンネルの中心側に向かうほど前記補強部材に近づくように傾斜していることを特徴とする。

上記の鋼製セグメントにおいて、前記補強部材は、前記スキンプレートと当接する当接部を有してもよい。

また、本発明は、トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、スキンプレートと、当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って、前記トンネルの内側に向けて立設された一対の主桁と、前記一対の主桁に、少なくとも前記主桁の面内方向の移動が拘束されるように取付られた一対の固定部材と、前記一対の固定部材に両端を着脱可能に固定された長尺の補強部材と、を備え、前記トンネルの長さ方向に隣接する鋼製セグメント同士は前記主桁をボルト及びナットにより固定することにより連結されており、前記ボルト及びナットは前記主桁の表面より突出しており、前記固定部材は、前記ボルト又はナットの前記主桁表面に突出した部分を収容可能な孔を有し、この孔を前記ボルト又はナットの前記主桁表面に突出した部分を収容させることにより、前記主桁の面内方向の移動が拘束されていることを特徴とする。

本発明によれば、補強部材の両端を主桁に沿うような面内方向への移動が拘束された固定部材に固定することにより、補強部材に外力が加わっても外れることを防止できるとともに、補強部材をトンネル中心方向に取り外し可能であるため、スキンプレートに変形が生じた場合であっても、容易に取り外すことができる。

<第１実施形態>
以下、本発明の鋼製セグメントの第１実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施形態の鋼製セグメント１００を示す図であって、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は鋼製セグメント１００をトンネル中心側から見た図であり、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図であり、（Ｄ）は（Ｃ）におけるＤ−Ｄ´断面図である。
同図に示すように、鋼製セグメント１００は、掘削されたトンネルの内周面に合わせて湾曲したスキンプレート１０と、このスキンプレート１０のトンネルの長さ方向両側の縁に沿って立設された一対の主桁１１と、トンネルの周方向両側の縁に沿って立設された一対の継ぎ板１２と、一対の主桁１１の対向する面に溶接接続され、ボルト孔２０Ａが形成された一対の固定板２０と、一対の固定板２０にボルト２１及びナット２２により取り付けられた補強部材３０と、断面Ｌ字型に形成され、主桁１１の間を結ぶようにスキンプレート１０の内面にトンネルの長さ方向に沿って溶接された縦リブ４０と、により構成される。

補強部材３０は、両端近傍にボルト孔３１Ａが形成された支持板３１と、支持板３１のスキンプレート１０側の縁に垂直に取り付けられた当接板３２とからなり、断面逆さＴ字状に形成されている。支持板３１のボルト孔３１Ａは、支持板３１を固定板２０に取り付けた状態で、固定板２０のボルト孔２０Ａと一致するような位置に設けられている。補強部材３０は、支持板３１の及び固定板２０のボルト孔３１Ａ，２０Ａにボルト２１を挿通させ、ボルト２１にナット２２を締めつけることにより、固定板２０の間に固定されている。このため、ボルト２１及びナット２２を取り外すことにより、補強部材３０を取り外すことができる。

また、補強部材３０を固定板２０に固定した状態において、補強部材３０の当接板３２はスキンプレート１０に当接している。これにより、スキンプレート１０に外部より土水圧や裏込めモルタルの圧力が作用しても、スキンプレート１０を当接板３２が内側から支持するため、スキンプレート１０の変形を防止できる。

なお、本実施形態では、主桁１１の間に縦リブ４０及び補強部材３０を取り付けている。これは、後述するように補強部材３０を取り外した状態でも、スキンプレート１０に外部より作用する圧力に抵抗できるようにするためのものであり、主桁１１、継ぎ板１２、及びスキンプレート１０により充分な抵抗力を得られる場合には、縦リブ４０を設けず、補強部材３０のみを設ける構成としてもよい。

以下、鋼製セグメント１００を用いたシールドトンネルの構築方法を説明する。なお、上記の説明では、縦リブ４０及び補強部材３０が夫々一つずつ取り付けられた鋼製セグメント１００について説明したが、以下の説明では、縦リブ４０及び補強部材３０が複数取り付けられた鋼製セグメント１００を用いている。

シールドトンネルの構築は、シールド掘削装置により地盤を掘削し、掘削した掘削孔表面に鋼製セグメント１００を内周方向に接続するとともに掘削の進行方向（トンネルの長さ方向）に連結していくことで覆工体を設置していくことにより行われる。

図２は、シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメント１００を示す図であり、また、図３は、シールド掘削装置から離れた位置における鋼製セグメントを示す図である。各図において、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメント１００をトンネル中心方向から見た図である。図２及び図３に示すように、鋼製セグメント１００は、これら鋼製セグメント１００同士を周方向にボルト５０及びナット５１により環状に連結するとともに、掘削進行方向にもボルト５０及びナット５１により連結することにより取り付けられる。

シールド掘削装置は、推進力を得るためにジャッキを伸長させる際に鋼製セグメント１００に反力を取りながら推進する。シールド掘削装置のジャッキ２００の位置を図中破線で示す。本実施形態では、ジャッキ２００に当たる箇所において、少なくとも縦リブ４０及び補強部材３０が含まれるようにこれらの位置を決定している。

図２に示すようにシールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面には補強部材３０が取り付けられた鋼製セグメント１００を設置する。シールド掘削装置のジャッキ２００が伸長すると、鋼製セグメント１００にはジャッキ２００からの反力が作用するが、補強部材３０及び縦リブ４０がジャッキ２００の反力に抵抗するため、鋼製セグメント１００が座屈するのを防止できる。また、周囲の地盤よりスキンプレート１０に土水圧が作用するが、補強部材３０の当接板３２がトンネル内側よりスキンプレート１０を支持するため、スキンプレート１０の変形を防止できる。

一方、シールド掘削装置から充分に離れた位置の鋼製セグメント１００では、ジャッキ２００の伸長に伴う反力により、トンネルの長さ方向に作用していた荷重がなくなる。このため、図３に示すように、補強部材３０の両端を固定部材２０に固定するボルト２１及びナット２２を取り外し、補強部材３０を取り外す。

上記のようにシールド掘削装置から充分に離れた位置では鋼製セグメント１００に作用していた反力がなくなるため、補強部材３０を取り外しても、鋼製セグメント１００は変形することはない。このようにして取り外した補強部材３０は、新たにシールド掘削装置により掘削した掘削孔面に取り付けられる鋼製セグメント１００に利用することができる。なお、補強部材３０はトンネル内側へ取り外すことができるので、スキンプレート１０に変形が生じていても容易に取り外すことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、主桁１１に固定された固定板２０に補強部材３０を固定しているため、補強部材３０に外力が作用しても移動してしまったり、外れてしまったりすることを防止できる。また、補強部材３０をトンネル内側へ向けて取り外すことができるため、スキンプレート１０に変形が生じた場合でも、確実に補強部材３０の取り外しができる。

また、シールド掘削装置が充分に進行し、シールド掘削装置のジャッキ２００からの荷重を殆ど受けない、シールド掘削装置から離れた箇所の鋼製セグメント１００の補強部材３０を取り外し、新たに設置される鋼製セグメント１００に再利用することができるため、コストを削減することができる。

<第２実施形態>
次に、本発明の鋼製セグメントの第２実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態において第１実施形態に対応する部分には同一の符号を付している。図４は、第２実施形態の鋼製セグメント３００を示す図であって、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は鋼製セグメント３００をトンネル中心側から見た図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図、（Ｄ）は（Ｃ）における部分Ｄの拡大図である。
本実施形態の鋼製セグメント３００も第１実施形態と同様にトンネルの周方向及び長さ方向に隣接する鋼製セグメント３００とボルト５１及びナット５２により連結されてトンネル内周面に覆工体を構成するものである。本実施形態の鋼製セグメント３００は、掘削孔の内周に沿うように湾曲したスキンプレート１０と、このスキンプレート１０のトンネルの長さ方向両側の縁に沿って立設された一対の主桁１１と、トンネルの内周方向両側の縁に沿って立設された一対の継ぎ板１２と、互いに対向するように一対の主桁１１に取り付けられた一対の固定用金具１２０と、固定用金具１２０の間に取り付けられた補強部材１３０と、断面Ｌ字型に形成され、主桁１１の間を結ぶようにスキンプレート１０の内面にトンネルの長さ方向に沿って溶接された縦リブ４０と、から構成される。

また、図４に示すように、補強部材１３０は、部分的に重なり合う第１の板材１３１及び第２の板材１３３と、これら第１及び第２の板材１３１、１３３に夫々取り付けられた当接板１３２、１３４と、により構成される。第１の板材１３１は、板材の長手方向に延びる長尺の孔１３１Ｂ及び後述する第１のボルト１４１の径に合わせて形成された固定孔１３１Ａと、を有する。また、第２の板材１３３は、後述する第２のボルト１４３の径に合わせて形成された孔１３３Ｂと、第１のボルト１４１の径に合わせて形成された固定孔１３３Ａとを有する。

第１のボルト１４１は、第１の板材１３１の長尺の孔１３１Ｂ及び第２の板材の孔１３３Ｂを挿通し、ナット１４２が締めつけられている。これにより、第１及び第２の板材１３１、１３３は相対的に回動可能かつ、進退可能である。また、第１の板材１３１及び第２の板材１３３の固定孔１３１Ａ、１３３Ａが同軸上に並ぶようにした状態で、これらの固定孔１３１Ａ、１３３Ａに第２のボルト１４３を挿通させ、第２のボルト１４３にナット１４４を締めつけることにより、第１の板材１３１及び第２の板材１３３の回動及び進退を拘束することができる。また、第１の板材１３１及び第２の板材１３３の固定用金具１２０に取り付けられる側の端部は、トンネル外周側（図４（Ｃ）における下側）に向かうほど主桁１１に近づくような傾斜が設けられている。

固定用金具１２０は、主桁１１表面に突出する隣接する鋼製セグメント３００同士を接続するナット５１を収容可能な一対のボルト挿通孔１２１Ａを備えた板状部材１２１と、板状部材１２１に取り付けられた補強部材保持部１２２と、により構成される。補強部材保持部１２２の傾斜面には、第１及び第２の板材１３１、１３３を嵌合させることが可能な溝１２２Ａが形成されており、この溝１２２Ａの板状部材１２１側の面にはトンネル中心側に向かうほど補強部材１３０側に近づくような傾斜が設けられている。
なお、本実施形態では、ボルト挿通孔１２１Ａにナット５１を収容しているが、例えば、図４（Ｂ）の上下の破線で示す鋼製セグメント３００では、ボルト５０の頭部が主桁１１から突出することになるので、このボルト５０の頭部を挿通孔２１Ａに収容すればよい。また、補強部材保持部１２２に設けられた傾斜は、補強部材１３０を構成する第１及び第２の板材１３１、１３３の端部に設けられた傾斜と略同じ勾配になっている。

補強部材１３０は、固定用金具１２０のボルト挿通孔１２１Ａに主桁１１表面に突出するナット５１を挿通させて取り付けておき、第１の板材１３１及び第２の板材１３３を相対的に移動させて、第１及び第２の板材１３１、１３３の端部を固定用金具１２０の溝１２２Ａに嵌合させ、第１及び第２の板材１３１、１３３の回動及び進退を拘束することにより、一対の主桁１１の間を結ぶように固定される。

かかる状態では、固定用金具１２０は、ボルト挿通孔１２１Ａにナット５１が収容されているため、主桁１１の面内方向（すなわち、図４（Ｂ）における左右方向及び紙面と垂直方向）への移動が拘束され、また、固定用金具１２０の端部が補強部材保持部１２２の溝１２２Ａに嵌合されているため、補強部材１３０の図４（Ｂ）における左右方向への移動が拘束され、さらに、固定用金具１２０の補強部材保持部１２２にトンネル中心に向かうほど補強部材１３０に近づくような傾斜が設けられているため、補強部材１３０の図４（Ｂ）における紙面と垂直な方向への移動が拘束されている。また、補強部材１３０が伸長した状態で伸縮を拘束されているため、補強部材１３０及び固定用金具１２０は、主桁１１に対して垂直方向（図４（Ｂ）の上下方向）への移動も拘束されている。これにより、補強部材１３０に外力が作用した場合に外れてしまうことを防止できる。

補強部材１３０及び固定用金具１２０を取り外す際には、第２のボルト１４３及びナット１４４を取り外せばよい。第２のボルト１４３を取り外すことにより、第１及び第２の板材１３１、１３３が近接する方向に相対的に移動可能となるため、補強部材１３０を収縮させることが可能となり、さらに、第１及び第２の板材１３１、１３３を第１のボルト１４１を中心として回動させることにより、容易に固定用金具１２０の間から取り外すことができる。このように補強部材１３０を横方向に移動させる必要がないため、スキンプレート１０に変形が生じていても、補強部材１３０を容易に取り外すことができる。

さらに、補強部材１３０を取り外すことで、固定用金具１２０をセグメント３００の中心に向かって移動させること可能となり、このように移動させることにより固定用金具１２０を取り外すことができる。

図５は、シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメント３００を示す図であり、図６は、シールド掘削装置から充分に離れた位置に取り付けられた鋼製セグメント３００を示す図である。なお、各図において（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメント３００をトンネル中心方向から見た図である。

図５に示すように、第１実施形態と同様に、シールド掘削装置の近傍に位置する鋼製セグメント３００には、ジャッキ２００を伸長させる際に、大きな荷重が作用するため、固定用金具１２０及び補強部材１３０を取り付けておく。これにより、補強部材１３０及び縦リブ４０が荷重に抵抗するため、座屈を防止できる。また、補強部材１３０が取り付けられた状態では、補強部材１３０の当接板１３２、１３４がスキンプレート１０に当接し、スキンプレート１０が土水圧や裏込めモルタルによる外圧により変形するのを防止できる。

一方、シールド掘削装置による掘削が進行し、シールド掘削装置が充分に離れた位置では、ジャッキ２００の伸長に伴う反力により鋼製セグメント３００に作用する荷重は非常に小さくなるので、図６に示すように、固定用金具１２０及び補強部材１３０を取り外すことができる。このようにして取り外した固定用金具１２０及び補強部材１３０は、新たに取り付けられる鋼製セグメント３００において再利用することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、鋼製セグメント３００同士を連結するボルト５０又はナット５１をボルト挿通孔１２１Ａに収納することにより、主桁１１の面内方向への移動が拘束された固定用金具１２０の溝１２２Ａに補強部材１３０の端部を嵌合させており、さらに、固定用金具１２０の補強部材１３０側の面にはトンネル中心に向かうほど補強部材１３０に向かうような傾斜が設けられているため、補強部材１３０の主桁１１の面内方向の移動を拘束することができ、補強部材１３０に外力が作用しても外れてしまうことを防止できる。

また、第２のボルト１４３を取り外すことにより、第１及び第２の板材１３１、１３３がその軸方向に相対的に近接する方向に移動可能となり、また、これらの部材が相対的に回動可能となるため、スキンプレート１０に変形が生じた場合でも、確実に補強部材１３０の取り外しができる。
また、第１実施形態では主桁１１に予め固定板２０を溶接接続しておかなければならなかったが、これが不要となるため、部材の製作の手間を削減できる。

なお、上記の各実施形態では、縦リブ４０及び補強部材３０、１３０を設ける構成としたが、これに限らず、補強部材３０、１３０のみを設ける構成としてもよい。

また、第１実施形態では、固定板２０を主桁１１に溶接接続する構成としたが、これに限らず、第２実施形態と同様に、主桁１１の表面に突出する隣接する鋼製セグメントを連結するためのボルト５０又はナット５１を収納可能なボルト挿通孔１２１Ａを有し、このボルト挿通孔１２１Ａに主桁１１から突出するボルト５０の頭部又はナット５１を収納することにより固定可能な固定用金具を用いてもよい。

本実施形態の鋼製セグメントを示す図であって、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心側から見た図であり、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図であり、（Ｄ）は（Ｃ）におけるＤ−Ｄ´断面図である。 シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメントを示す図であって、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。 シールド掘削装置から離れた位置における鋼製セグメントを示す図であり、（Ａ）は断面図であって、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。 第２実施形態の鋼製セグメントを示す図であって、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心側から見た図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ´断面図、（Ｄ）は（Ｃ）における部分Ｄの拡大図である。 シールド掘削装置により掘削した直後のトンネルの内周面に取り付けられた鋼製セグメントを示す図であって、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。 シールド掘削装置から充分に離れた位置にお取り付けられた鋼製セグメントを示す図であって、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は鋼製セグメントをトンネル中心方向から見た図である。

符号の説明

１０ スキンプレート
１１ 主桁
１２ 継ぎ板
２０ 固定板
２１ ボルト
２２ ナット
３０ 補強部材
３１ 支持板
３２ 当接板
４０ 縦リブ
５０ ボルト
５１ ナット
１００、３００ 鋼製セグメント
１２０ 固定用金具
１２１ 板状部材
１２２ 補強部材保持部
１３０ 補強部材
１３１ 第１の板材
１３２、１３４ 当接板
１３３ 第２の板材
１４１ 第１のボルト
１４２ ナット
１４３ 第２のボルト
１４４ ナット
２００ ジャッキ

Claims (4)

1. トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、
   スキンプレートと、
   当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って、前記トンネルの内側に向けて立設された一対の主桁と、
   前記一対の主桁に、少なくとも前記主桁の面内方向の移動が拘束されるように取付られた一対の固定部材と、
   前記一対の固定部材に両端を着脱可能に固定された長尺の補強部材と、を備え、
   前記補強部材は、軸方向に伸縮可能であるとともに当該伸縮を拘束可能であり、その両端には前記トンネルの外側に向かうほど前記主桁側に近づくように傾斜しており、
   前記固定部材の互いに対向する側の面には前記補強部材の端部を嵌合可能な溝が形成され、前記溝はその底部が前記トンネルの中心側に向かうほど前記補強部材に近づくように傾斜していることを特徴とする鋼製セグメント。
2. 請求項１記載の鋼製セグメントであって、
   前記補強部材は、前記スキンプレートと当接する当接部を有することを特徴とする鋼製セグメント。
3. トンネルの内周面に取り付けられて覆工体を構成する鋼製セグメントであって、
   スキンプレートと、
   当該スキンプレートの前記トンネルの長さ方向の両側縁部に沿って、前記トンネルの内側に向けて立設された一対の主桁と、
   前記一対の主桁に、少なくとも前記主桁の面内方向の移動が拘束されるように取付られた一対の固定部材と、
   前記一対の固定部材に両端を着脱可能に固定された長尺の補強部材と、を備え、
   前記トンネルの長さ方向に隣接する鋼製セグメント同士は前記主桁をボルト及びナットにより固定することにより連結されており、
   前記ボルト及びナットは前記主桁の表面より突出しており、
   前記固定部材は、前記ボルト又はナットの前記主桁表面に突出した部分を収容可能な孔を有し、この孔を前記ボルト又はナットの前記主桁表面に突出した部分を収容させることにより、前記主桁の面内方向の移動が拘束されていることを特徴とする鋼製セグメント。
4. 請求項３に記載の鋼製セグメントであって、
   前記補強部材は、軸方向に伸縮可能であるとともに当該伸縮を拘束可能であり、その両端には前記トンネルの外側に向かうほど前記主桁側に近づくように傾斜しており、
   前記固定部材の互いに対向する側の面には前記補強部材の端部を嵌合可能な溝が形成され、前記溝はその底部が前記トンネルの中心側に向かうほど前記補強部材に近づくように傾斜していることを特徴とする鋼製セグメント。

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