JP5327063B2 - セグメント覆工体 - 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セグメント覆工体に関するものである。

従来、地下河川や道路トンネル等の高い止水性を要するシールドトンネル覆工をセグメントピースを組み合わせて構築する際、一対の主桁と、その端部同士を連結する一対の継手板と、これらの地山側に四周が固定される地山側スキンプレートとを有して内空側以外の５面が囲まれた鋼殻を有するセグメントや、さらに内空側にもスキンプレートが固定されて６面が囲まれた鋼殻を有するセグメントが用いられる。このようなセグメント同士の継手部において、主桁および継手板に止水溝を形成しておき、この止水溝に設けたシール材を介してセグメント同士を連結することで、地山側から内空側への地下水等の漏水を防止する止水構造が一般的に利用されている（例えば、特許文献１参照）。このような止水溝を主桁や継手板に形成する方法としては、圧延によって止水溝付きの平鋼や形鋼を成型する方法や、溝のない厚板や形鋼に機械切削加工を施す方法などがある。

また、トンネルを大深度に構築したり軟弱地盤に構築したりする場合には、セグメントに大きな曲げ耐力が必要とされ、またトンネル覆工を薄肉化するためには鋼殻の曲げ耐力を向上させる必要がある。このように鋼殻の耐力を高める方法としては、特許文献１に記載のようなＨ形断面の主桁を用いたり、Ｉ形の主桁にフランジを溶接してＴ字形断面にしたりなど、主桁の断面性能を高めるとともに、継手板に作用する引張力を伝達するために主桁と継手板とを溶接接合するなど、鋼殻全体を一体的かつ強固に形成することが重要となる。

特開平８−３０３１９０号公報

ところで、従来のセグメントのように、圧延や切削加工によって主桁や継手板に止水溝を形成する場合には、製造装置が大型化したり、加工手間の増加や加工による鋼材の無駄が発生したりなど、製造手間とコストが増加してしまい、不都合となる。また、主桁のフランジを溶接したり、主桁と継手板とを溶接したりなど、溶接量が多くなると、溶接時の熱によって主桁や継手板に変形が生じてしまい、形成した止水溝の位置精度が低下して止水性能が損なわれるため、溶接後の矯正作業に多大な労力が必要となってしまう。

本発明の目的は、製造手間や製造コストを抑制しつつセグメント間の止水性能を確保することができるセグメント覆工体を提供することにある。

本発明のセグメント覆工体は、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セグメント覆工体であって、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら対向する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内空側の少なくとも一方側にて前記主桁および継手板に四周が固定される表面板と、で少なくとも５面が囲まれた鋼殻を備え、前記主桁および継手板の少なくとも一方の外面側には、当該主桁および継手板とは別体の止水溝を有しかつ構造材としての剛性や耐力を有さない端板が取り付けられ、前記止水溝を有する端板は、隣り合う他のセグメントピースにおける止水溝を有する端板と止水材を介して接続可能に構成されていることを特徴とする。

以上の本発明によれば、主桁や継手板の外面側に止水溝を有する端板を取り付けることで、隣り合うセグメントピースの止水部同士を接続して止水構造を構成することができる。そして、主桁や継手板とは別体の端板に止水溝を形成することで、主桁などに圧延や切削加工によって止水溝を形成する必要がなくなることから、比較的簡便に製造できる。この際、止水溝を有する端板は、構造材としての剛性や耐力が不要であることから、例えば、薄肉軽量鋼板などを用いてプレス加工によって止水溝を形成することや、樹脂（プラスチック）製の成形部品とすることも可能となり、製造手間や製造コストを一層低減することができる。さらに、主桁にフランジを溶接したり主桁と継手板とを溶接したりして鋼殻の耐力を高めた場合に、主桁や継手板に溶接熱による変形が生じたとしても、それらと止水溝を有する端板とが別体とされていることで端板に変形の影響が及ばず、止水溝における位置精度を確保して止水性能を向上させることができるとともに、変形の矯正作業も軽減できて製造手間をさらに低減することができる。このため、セグメントピースの耐力を容易に高められることから、薄型化が図れ、大深度や軟弱地盤におけるトンネル覆工に適用しやすくなる。

この際、本発明のセグメント覆工体では、前記止水溝を有する端板は、前記主桁の外面側に設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、トンネル軸方向に隣り合うセグメント同士が止水溝を有する端板を介しており、止水溝に設置するシール材等の止水材によってセグメント間の止水性能を確保することができる。そして、鋼殻の耐力向上のために主桁の断面性能を高めることが有効であるが、主桁の断面形状をＨ形やＴ形とした場合でも、主桁の断面形状に関わりなく止水溝を有する端板によって止水構造を構成できることから、鋼殻の耐力向上を容易に実現することができる。また、継手板の外面側に止水溝を有する端板を設けないことで、トンネル周方向に隣り合うセグメント同士の継手板の接合構造としては、従来からの構造を利用することが可能となり、セグメントリングの構築に要する施工装置や治具、作業手順を変更せずに施工することができる。

また、本発明のセグメント覆工体では、前記セグメントピースは、前記鋼殻の内部に充填材が充填される合成セグメントであって、前記主桁および継手板の少なくとも一方と前記止水溝を有する端板との隙間に前記充填材が充填されることが好ましい。
このような構成によれば、鋼殻内部にコンクリート等の充填材が充填される合成セグメントを利用する場合に、主桁や継手板と止水溝を有する端板との隙間にも充填材を充填することで、止水溝を有する端板に作用する圧縮力を充填材に伝達することができ、合成セグメントの剛性および耐力を向上させることができる。さらに、充填材によって拘束されることで止水溝を有する端板の移動や変形が抑制されることから、止水溝の位置精度を高めて止水性能を向上させることができる。

この際、本発明のセグメント覆工体では、前記合成セグメントは、前記止水溝を有する端板の外側に当接する治具で当該止水溝を有する端板を位置決めした状態で前記鋼殻内部に充填材を充填して製造されることが好ましい。
このような構成によれば、鋼殻内部に充填材を充填する際に止水溝を有する端板の外側に治具を当接させて位置決めすることで、充填時の位置ずれを防止しつつ、充填材硬化後における止水溝を有する端板の位置精度を確保することができる。

以上のような本発明のセグメント覆工体によれば、主桁や継手板とは別体の端板に止水溝を形成することで、主桁や継手板に溶接熱による変形が生じたとしても、その変形の影響が止水溝を有する端板に及ばず、止水溝における位置精度を確保して止水性能を向上させることができる。さらに、主桁などに圧延や切削加工によって止水溝などを形成する必要がなくなり、構造材としての剛性や耐力が不要な端板に止水溝を形成することで、比較的簡便な製造設備でセグメントを製造することができ、加工手間も軽減して製造コストの低減を図ることができる。

本発明のセグメント覆工に用いるセグメントを示す斜視図である。 前記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、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明のトンネル覆工（セグメント覆工体）を構築するためのセグメントピースである合成セグメント１が示されている。
トンネル覆工は、掘削した地山の内部にて複数のセグメントピース（合成セグメント１）を組み合わせて構成されるもので、シールドマシンで地山を掘削してから、シールドマシンの後方にてセグメントピースをリング状に組み立てるとともに、組み立てたセグメントリングをジャッキで押してシールドマシンを前進させ、さらに地山を掘削するという手順を繰り返して構築される。このトンネル覆工は、地山とトンネル内空とを仕切り、地山からの土圧や水圧に抵抗してトンネル内空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よい。

図１に示すように、合成セグメント１は、トンネル内空側以外の５つの面が囲まれた鋼殻２と、この鋼殻２内部に充填される充填材としての中詰めコンクリート３とを有し、これらの鋼殻２および中詰めコンクリート３が一体化されて構成されている。鋼殻２は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する一対の主桁４，４と、これら対向する主桁４，４の両端部同士を連結する一対の継手板５，５と、地山側にて主桁４，４および継手板５，５に四周が固定される表面板としてのスキンプレート６と、対向する主桁４，４間に架設される複数の補強リブ７とを備え、これらの主桁４、継手板５、スキンプレート６および補強リブ７を互いに溶接固定して一体化することで箱状に形成されている。

主桁４は、図２にも示すように、トンネル幅方向に延びるとともにトンネル周方向に円弧状に形成された主桁本体４１と、この主桁本体４１のトンネル内空側端縁に溶接固定されたフランジ４２とを有して断面略Ｔ字形に形成されている。主桁本体４１には、中詰めコンクリート３を挿通させるための貫通孔４３が適宜な間隔で形成されている。このような主桁４の外面側には、主桁４とは別体の端板８が取り付けられている。この端板８は、プレス加工した薄肉軽量鋼板などからなり、主桁４側（鋼殻２内部側）に凹むとともにトンネル周方向に連続した止水溝８１を有して形成され、この止水溝８１に設置した止水材９を介して隣り合う他の合成セグメント１における端板８と接続可能に構成されている。

継手板５は、トンネル軸方向および周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２箇所には、鋼殻２の内方に突出してピース間ボルトボックス５１が固定されている。これらのピース間ボルトボックス５１は、トンネル周方向に隣り合う他の合成セグメント１と接合するための継手部材であって、隣り合う他の合成セグメント１にも同様のピース間ボルトボックス５１が固定されており、これらのピース間ボルトボックス５１同士を図示しない接合材（接合用の短ボルト）で固定することで、合成セグメント１同士が機械的に連結され、セグメントリングが構成されるようになっている。また、継手板５の外面側には、端板８の止水溝８１と同一の径方向位置に止水溝５２が形成されており、止水材９と環状に連続する止水材（不図示）を介してトンネル周方向に隣り合う他の合成セグメント１と接続可能に構成されている。

スキンプレート６は、トンネル周方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、そのトンネル軸方向端縁から若干内側の内面が主桁本体４１に溶接固定されるとともに、スキンプレート６のトンネル軸方向端縁に端板８が溶接固定されている。なお、端板８は、主桁４のフランジ４２に溶接固定されてもよいし、フランジ４２とは別体とされてもよい。一方、スキンプレート６のトンネル周方向端縁が継手板５に溶接固定され、スキンプレート６のトンネル内空側表面に補強リブ７が溶接固定されている。補強リブ７は、適宜な断面形状を有した鋼材から構成され、その両端部がそれぞれ主桁本体４１の内面に溶接固定され、この補強リブ７には、中詰めコンクリート３を挿通させるための貫通孔７１が適宜な間隔で形成されている。

以上の合成セグメント１は、主桁４、継手板５、スキンプレート６および補強リブ７を互いに溶接固定して鋼殻２を形成してから、スキンプレート６の端縁に端板８を溶接固定した後に、図１に示すように、鋼殻２のトンネル内空側を上方に向けた状態で中詰めコンクリート３を鋼殻２内に打設して製造される。この際、端板８の外面側に当接する治具（不図示）を用いて端板８を位置決めした状態で中詰めコンクリート３を打設し、主桁４や補強リブ７の貫通孔４３，７１を介して鋼殻２内部の隅々まで、特に主桁４と端板８との隙間の空間にまで中詰めコンクリート３を充填する。そして、中詰めコンクリート３が硬化してから治具を取り外すことで、硬化した中詰めコンクリート３によって拘束された端板８が所定位置に固定されるようになっている。

なお、本実施形態におけるセグメントとしては、合成セグメント１に限らず、以下の図３(Ａ)〜(Ｃ)に示す形態を有した合成セグメント１Ａ，１Ｂ，１Ｃであってもよい。
図３(Ａ)に示す合成セグメント１Ａは、主桁４とスキンプレート６との固定位置が合成セグメント１と相違し、スキンプレート６のトンネル軸方向端縁から内側に大きくずれて主桁４が固定され、この主桁４のフランジ４２と端板８との間に隙間が形成されている。従って、この隙間から主桁４と端板８との間に中詰めコンクリート３を充填することができ、合成セグメント１の主桁４のような貫通孔４３を省略することも可能である。

図３(Ｂ)に示す合成セグメント１Ｂは、一対の主桁４のフランジ４２同士が連結された一枚の鋼板で構成されている。この場合には、フランジ４２の中間部に適宜な数の充填孔４４を形成しておくことで、この充填孔４４から中詰めコンクリート３を鋼殻２内部に充填できるようになっている。また、合成セグメント１Ｂでは、主桁４のフランジ４２の断面積を大きくしたことで、主桁４の断面性能が格段に向上して曲げ耐力を高められるとともに、合成セグメント１Ｂの薄肉化を図ることができる。

図３(Ｃ)に示す合成セグメント１Ｃは、継手板５および端板８のトンネル内空側端縁よりも内部側（地山側）に主桁４のフランジ４２が位置して設けられるとともに、フランジ４２と端板８との間に隙間が形成されている。従って、主桁本体４１とフランジ４２との溶接時の熱によって主桁４に変形が生じ、主桁本体４１やフランジ４２が傾斜した場合であっても、傾斜した主桁本体４１やフランジ４２が端板８と干渉したり、フランジ４２の一部がトンネル内空側に突出したりすることがなく、溶接熱による変形に対する矯正作業の作業負荷を軽減させることができる。

以上のような本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、主桁４の外面側に端板８が固定され、この端板８に形成した止水溝８１の止水材９を介して隣り合う合成セグメント１同士が接続されることで、合成セグメント１間に止水構造を構成することができ、トンネル内空側への地下水等の漏水を防止することができる。そして、主桁４とは別体の端板８に止水溝８１が形成されているので、主桁４に圧延や切削加工によって止水溝を形成する必要がなくなることから、比較的簡便に合成セグメント１を製造できるとともに、その製造手間を軽減して製造コストを低減することができる。さらに、主桁４にフランジ４２が溶接され、主桁４と継手板５とが溶接され、その溶接熱による変形が生じたとしても、主桁４と端板８とが別体とされていることで、端板８に変形の影響が及ばずに平坦度が確保でき、止水溝８１における位置精度を確保して止水性能を向上させることができるとともに、変形の矯正作業も軽減できて製造手間をさらに低減することができる。

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。
例えば、前記実施形態では、地山側のみに表面板としてのスキンプレート６を設けたが、表面板は、地山側に限らず、内空側に設けてもよく、地山側および内空側の両方に表面板を設けてもよい。また、前記実施形態では、主桁４の外面側にのみ端板８を設けたが、これに限らず、継手板５の外面側にも止水溝を有する端板を設けてもよい。
また、前記実施形態では、鋼殻２内部にコンクリート３を充填した合成セグメント１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃについて説明したが、本発明のセグメント覆工体としては、合成セグメントを組み合わせたものに限らず、鋼殻２内部が空洞の鋼製セグメントを組み合わせて構築されるものでもよい。
また、充填材としては、コンクリートに限らず、無収縮モルタルなど、適宜な強度および剛性を有したものであれば利用可能である。

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。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…合成セグメント、２…鋼殻、３…中詰めコンクリート（充填材）、４…主桁、５…継手板、６…スキンプレート（表面板）、８…端板、８１…止水溝。

Claims (4)

1. 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セグメント覆工体であって、
   トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら対向する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内空側の少なくとも一方側にて前記主桁および継手板に四周が固定される表面板と、で少なくとも５面が囲まれた鋼殻を備え、
   前記主桁および継手板の少なくとも一方の外面側には、当該主桁および継手板とは別体の止水溝を有しかつ構造材としての剛性や耐力を有さない端板が取り付けられ、前記止水溝を有する端板は、隣り合う他のセグメントピースにおける止水溝を有する端板と止水材を介して接続可能に構成されていることを特徴とするセグメント覆工体。
2. 請求項１に記載のセグメント覆工体において、
   前記止水溝を有する端板は、前記主桁の外面側に設けられていることを特徴とするセグメント覆工体。
3. 請求項１または請求項２に記載のセグメント覆工体において、
   前記セグメントピースは、前記鋼殻の内部に充填材が充填される合成セグメントであって、前記主桁および継手板の少なくとも一方と前記止水溝を有する端板との隙間に前記充填材が充填されることを特徴とするセグメント覆工体。
4. 請求項３に記載のセグメント覆工体において、
   前記合成セグメントは、前記止水溝を有する端板の外側に当接する治具で当該止水溝を有する端板を位置決めした状態で前記鋼殻内部に充填材を充填して製造されることを特徴とするセグメント覆工体。

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