JP5162125B2 - シールドトンネル構築用セグメント - Google Patents

Description

本発明は、先行トンネルに対して後行トンネルを進入させて先行トンネルに後行トンネルを合流させる場合、あるいは分岐させる場合に使用されるシールドトンネルの分岐合流技術に関し、特にトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に使用されるシールドトンネル構築用セグメントに関する。

シールドトンネルは、シールドマシンの後部内で、トンネル壁体を構成するセグメントを組み立て、組み立てたセグメントの前面に反力をとり、シールドマシン後部のジャッキがシールドマシンを推進し、セグメント１リング分の推進が終了する毎に、新たなセグメントを組み立て、以後、シールドマシンの推進とセグメントの組立てとを繰り返して形成される。

一般的な円形断面のシールドトンネルの場合、各セグメントは、トンネル壁体の中心を基準として所定の間隔で分割された弧状のブロック体である。なお、セグメントはＲＣセグメントや、鋼製セグメント等を用いる。

ところで、先行トンネルに対して後行トンネルを進入させてトンネルの分岐合流部分を構築する場合、その進入部分（分岐合流部分）壁体の一部を、シールド掘進機が容易に切削できるセグメント補強材とする技術（特許文献１）が知られている。この特許文献１の発明によれば、シールド掘進機自らが既設のトンネルを取り壊して、そのままトンネルの掘削を行うことができる。したがって、地盤改良や壁体の取り壊し作業が不用となり、コストの低減、工期の短縮、安全性の向上を図ることができる。
特許第２７５１６３６号公報

しかし、特許文献１の技術を実施する場合、下記に示す困難な問題がある。
すなわち、トンネルの壁体の一部を、前記セグメント補強材で形成する場合、切削状況に応じてどのように効率的かつ経済的に行うかその具体的工法が未解決である。
例えば、（１）前記セグメント補強材を覆工に使用可能な強度とする技術や、シールド掘進機が容易に切削できる切削性を持たせる技術とを両立させる技術が未解決である。（２）前記セグメント補強材でセグメントを形成する場合、トンネル径に合わせてセグメント補強材を型成形するとコスト高となり、大量にセグメントを使用する際で阻害要因となる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、シールドトンネルの分岐合流工事に際して、切削性と強度を両立させることができ、コストを低く抑えることのできるシールドトンネル構築用セグメントを提供することを課題とするものである。

本発明に係るシールドトンネル構築用セグメントは、前述した技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
すなわち、本発明に係るシールドトンネル構築用セグメントは、セグメント成型用型枠のコンクリートまたはモルタル充填空間内に、シールド掘削機が容易に掘削できるセグメント補強材を配置し、コンクリートまたはモルタルを充填し固化させたシールドトンネル構築用セグメントであって、前記セグメント補強材は、カーボン繊維、ガラス繊維、アラ
ミド繊維、またはビニロンのうちのいずれかを樹脂に含浸して格子状のシートに成形したセグメント格子状補強材であり、このセグメント格子状補強材を複数枚合わせて前記シールドトンネル構築用セグメントの一側面形状とほぼ同一の形状に成形し、成形したセグメント格子状補強材の束を前記セグメント成型用型枠内に配置したことを特徴とする。

また、本発明に係るシールドトンネル構築用セグメントにおいて、ほぼ同一の側面形状に成形した前記セグメント格子状補強材の束を、前記セグメント成型用型枠内に、交互に重ね合わせて配置した構成も含まれる。

更に、本発明に係るシールドトンネル構築用セグメントにおいて、前記セグメント格子状補強材を、それぞれの端面同士を係合させてトンネル構築用セグメントの一側面形状とほぼ同一の形状を成形する構成も含まれる。また、本発明に係るシールドトンネル構築用セグメントにおいて、ほぼ同一の側面形状に成形した前記セグメント格子状補強材の束を、前記シールドトンネル構築用セグメントの厚さ方向および円弧方向に配置するように構成してもよい。

この発明で使用するセグメント補強材は、カッタービットで直接切削が可能なよう軸方向の補強繊維に主として炭素繊維を用いた繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ＝Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の連続繊維補強材であり、切削性と強度を両立させることができる。また、セグメント補強材をシート状に形成したセグメント格子状補強材をコンクリート内に複数枚重ね合わせて格子状にすることで、セグメント補強材を予めセグメントの形状に合わせて成形する必要がなく、汎用性を有するので製作コストを低く抑えることができる。

なお、炭素繊維は鉄筋に匹敵する高弾性率のＣＦＲＰを得やすく、かつ切削性にすぐれ、かかる目的に用いる繊維としては適している。ただし、軸方向以外の繊維配向や、軸方向であっても補助的な機能を与える目的には、ガラス繊維，アラミド繊維を併用することが許容される。

本発明によれば、シールドトンネルの分岐合流工事に際して、切削性と強度を両立させることができ、コストを低く抑えることのできるシールドトンネル構築用セグメントを提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
本実施形態のセグメント１は、シールドトンネルのトンネル壁体を形成するシールドトンネル構築用セグメント（以下、単にセグメントという）である。セグメント１は、図２に示すように、全体形状としては従来と同様な弧状に形成されるものである。そして、セグメント１は、シールド掘削機で容易に掘削できるセグメント補強材Ｓを格子状のシートに形成したセグメント格子状補強材２を複数枚重ね合わせて、このセグメント格子状補強材２をセグメント成型用型枠内に配置してある。

すなわち、セグメント格子状補強材２は、図１に示すように、セグメント補強材Ｓを格子状シートに予め形成したものを使用する。

セグメント補強材Ｓは、カッタービットで直接切削が可能なよう軸方向の補強繊維に主として炭素繊維を用いた繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ＝Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の連続繊維補強材である。炭素繊維は鉄筋に匹敵する高弾性率のＣＦＲＰを得やすく、
かつ切削性にすぐれ、かかる目的に用いる繊維としては適している。ただし、軸方向以外の繊維配向や、軸方向であっても補助的な機能を与える目的には、ガラス繊維，アラミド繊維を併用することが許容される。このように、たとえガラス繊維，アラミド繊維その他を併用していても、軸方向、すなわち引張方向の補強材の主構成が炭素繊維であるかぎり、ＣＦＲＰである。

以上の構成のセグメント１によれば、切削性と強度を両立させることができる。また、セグメント補強材をシート状に形成したセグメント格子状補強材２をコンクリート内に複数枚重ね合わせて配置することで、セグメント補強材を予めセグメントの形状に合わせて成形する必要がなく、汎用性を有するので製作コストを低く抑えることができる。

次に、本形態によるセグメント１の製造方法を説明する。なお、セグメント格子状補強材２は、予めセグメント補強材Ｓを格子状シートに形成したものを用いる。

（製造方法１）
セグメント１の製造方法１は、セグメント格子状補強材２を重ね合わせて束とすると共に、セグメント１の円弧方向側面形状とほぼ同一の形状を成形し、円弧方向側面形状に成形したセグメント格子状補強材２の束をセグメント成型用型枠内に、図２に示すように、複数束（ｎ束）配置すると共にセグメント格子状補強材２同士を切削可能な繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の線材で結合した後、セグメント成型用型枠のコンクリート充填領域にコンクリートを充填し固化させてセグメント１を製造する。

（製造方法２）
セグメント１の製造方法２は、図３（ａ）に示すように、複数枚（図３では１列２枚、２列１枚、３列２枚、４列１枚、・・・・）のセグメント格子状補強材２を奇数列と偶数列とでそれぞれセグメント１の厚さ方向にラップさせ、図３（ｂ）に示すように、セグメント成型用型枠内に配置すると共にセグメント格子状補強材２同士を切削可能な繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の線材で結合した後、セグメント成型用型枠のコンクリート充填領域にコンクリートを充填し固化させてセグメント１を製造する。
なお、ラップさせるセグメント格子状補強材２の枚数および厚さ方向の間隔はセグメント１の厚さ方向側面形状の大きさに応じて適宜設計する。

（製造方法３）
セグメント１の製造方法３は、図４（ａ）に示すように、複数枚（図４では３枚）のセグメント格子状補強材２のそれぞれの端面を重ね合わせて、セグメント１の厚さ方向側面形状とほぼ同一の形状となるように成形し（重ね合わせた部分を切削可能な繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の線材で結合し補強材群３とする）、成形した３枚のセグメント格子状補強材２を１セット（補強材群３）とするとき、図４（ｂ）に示すように、複数セットをセグメント成型用型枠内に重ね合わせて厚さ方向に配置すると共にセグメント格子状補強材２同士を切削可能な繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の線材で結合した後、セグメント成型用型枠のコンクリート充填領域にコンクリートを充填し固化させてセグメント１を製造する。
なお、１セット（補強材群３）を形成するセグメント格子状補強材２の枚数および重ね合わせ幅はセグメント１の厚さ方向側面形状の大きさに応じて適宜設計する。

（製造方法４）
セグメント１の製造方法４は、製造方法１と製造方法３を組み合わせたものである。すなわち、図５（ａ）に示すように、複数枚（図５では３枚）のセグメント格子状補強材２のそれぞれの端面を重ね合わせて１セット（補強材群３）とし、複数セット（ｎセット）をセグメント成型用型枠内に重ね合わせて厚さ方向に配置とする。一方、セグメント１の円弧方向側面形状とほぼ同一の形状を成形し、円弧方向側面形状に成形したセグメント格
子状補強材２の束をセグメント成型用型枠内の上側及び下側に、複数束（ｎ束）配置する。そして、セグメント成型用型枠のコンクリート充填領域にコンクリートを充填し固化させてセグメント１を製造する。

この実施の形態の製造方法によれば、セグメント格子状補強材２を予め形成しておくことで、セグメント製作時にセグメント格子状補強材２をセグメント１の厚さ方向および円弧方向側面形状とほぼ同一の形状となるように組み合わせるだけで配筋作業が簡略化できる。なお、コンクリートには、より切削性を向上させるため、石灰石や軽量骨材を組み合わせて使用してもよい。また、図６に示すように、セグメント１の継ぎ手４，５や把持装置６に、切削可能な繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ＝Carbon Fiber Reinforced Plastics）のボルトを使用する。更に、セグメント１の側面にＦＲＰ製の板状を張り合わせることで、補強効果を上げることも考えられる。更に、この実施の形態では、セグメント成型用型枠にコンクリートを充填する場合で説明したが、本発明はコンクリートに限定されるものではなく、モルタルであってもよい。

本発明は、先行トンネルに対して後行トンネルを進入させて先行トンネルに後行トンネルを合流させる場合、あるいは分岐させる場合に使用されるシールドトンネルの分岐合流技術に利用でき、特にトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に使用されるトンネル構築用セグメント及びその製造方法に有効である。

例えば、図７に示すように、立坑６１にトンネル６３，６４を進入させる場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。また、立坑６２にトンネル６４を接触進入させる場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。更に、トンネル６４（先行トンネル）に後行トンネル６５を接触進入させる場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。更に、トンネル６５（先行トンネル）に後行トンネル６６を交差進入させる場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。更に、トンネル６７に後行トンネル６８，６９を両側より接触進入させ多円断面トンネルを施工する場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。更に、トンネル６９の坑内からトンネル７０を発進到達させる場合のトンネル分岐合流部分のトンネル壁体に利用できる。

セグメント格子状補強材の平面図である。 製造方法１の説明図である。 製造方法２の説明図である。 製造方法３の説明図である。 製造方法４の説明図である。 セグメントの外観図である。 本発明に係るトンネル構築用セグメント及びその製造方法の使用例の説明図である。

符号の説明

１ セグメント（トンネル構築用セグメント）
２ セグメント格子状補強材
３ 補強材群
４，５ 継ぎ手
６ 把持装置
Ｓ セグメント補強材

Claims (4)

1. セグメント成型用型枠のコンクリートまたはモルタル充填空間内に、シールド掘削機が容易に掘削できるセグメント補強材を配置し、コンクリートまたはモルタルを充填し固化させたシールドトンネル構築用セグメントであって、
   前記セグメント補強材は、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、またはビニロンのうちのいずれかを樹脂に含浸して格子状のシートに成形したセグメント格子状補強材であり、
   このセグメント格子状補強材を複数枚合わせて前記シールドトンネル構築用セグメントの一側面形状とほぼ同一の形状に成形し、
   成形したセグメント格子状補強材の束を前記セグメント成型用型枠内に前記コンクリートまたはモルタルで覆われるように配置したことを特徴とするシールドトンネル構築用セグメント。
2. ほぼ同一の側面形状に成形した前記セグメント格子状補強材の束を、前記セグメント成型用型枠内に、交互に重ね合わせて配置したことを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル構築用セグメント。
3. 前記セグメント格子状補強材を、それぞれの端面同士を係合させてトンネル構築用セグメントの一側面形状とほぼ同一の形状を成形することを特徴とする請求項１または２に記
   載のシールドトンネル構築用セグメント。
4. ほぼ同一の側面形状に成形した前記セグメント格子状補強材の束を、前記シールドトンネル構築用セグメントの厚さ方向および円弧方向に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシールドトンネル構築用セグメント。
   

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