JP5327111B2

JP5327111B2 - セグメントおよびトンネル施工方法

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Publication number: JP5327111B2
Application number: JP2010061884A
Authority: JP
Inventors: 崇佐田; 裕章中山; 義法藤井; 正人三宅
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011196039A

Description

本発明は、トンネル覆工に利用されるセグメント覆工体を構成するためのセグメント、このセグメントを複数組み合わせてセグメント覆工体を構築するトンネル施工方法に関するものである。

従来、地下河川や道路トンネル等のシールドトンネル覆工を構築する際、複数のセグメントピースをリング状に組み合わせてリング体を形成し、形成したリング体にジャッキ反力を支持させて掘削機を掘進させ、掘進によりトンネル前方側にできた空間に次のセグメントピースをセットしてリング体を形成する、という手順を繰り返すことで覆工を順次構築していくトンネル施工方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に記載されたような施工方法では、各セグメントの形状が複雑であることから製造工程が煩雑になるとともに、それらの組み合わせ方も複雑になることから施工管理も煩雑になってしまう。さらに、従来の施工方法では、リング体の形成と掘削機の掘進とを同時並行的に行うことができず、施工効率および工期の面で不利となる。

以上の不都合を解消するために、六角形セグメントを用いた施工方法が利用されることもある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に記載された六角形セグメントは、トンネル前後方向に直交して周方向に沿った一対の辺と、これら一対の辺の各端部から延びる他の４辺とを有して形成されている。そして、組み合わせたセグメントの前方先端位置では、周方向に隣り合うセグメントが交互に突没した状態となり、幅寸法の半分だけ突出したセグメントに掘削機のジャッキ反力を支持させ、このジャッキ反力によって掘削機を掘進させつつ、没入したセグメントとの隙間部分に次のセグメントをセットして組み合わせることで、覆工の形成と掘削機の掘進とを同時並行的に行うことができ、施工効率の向上が図られるようになっている。

特開平８−９３３９３号公報特開平９−１７７４９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載された従来の六角形セグメントでは、トンネル前後方向に対向する一対の辺間の距離、すなわち前後方向の幅寸法が製造上や運搬上の制約を受けるため、広幅化が困難である。このため、トンネル掘進に伴ってセグメントを組み立てる組立工数を削減することができず、施工効率の向上に限界があることから、さらなる改善が望まれている。

本発明の目的は、製造上や運搬上の制約を受けにくくしつつ、施工効率の飛躍的な向上および工期の短縮化を図ることができるセグメントおよびトンネル施工方法を提供することにある。

本発明のセグメントは、トンネル周方向および前後方向に並設されて互いに接合されることでトンネル覆工を構成するセグメントであって、トンネル前後方向の後方側に設けられる後方側ピースと、前方側に設けられる前方側ピースとを備え、前記後方側ピースは、トンネル周方向に沿う第１底面部と、この第１底面部の両端からトンネル後方側に傾斜して延びる第１傾斜面部および第２傾斜面部と、第１および第２の傾斜面部の先端同士を結んで前記第１底面部と平行に延びる第１上面部とを有するとともに、前記第１底面部と前記第１および第２の傾斜面部とが互いに鋭角に交差する台形状に形成され、前記前方側ピースは、トンネル周方向に沿う第２底面部と、この第２底面部の両端からトンネル前方側に傾斜して延びる第３傾斜面部および第４傾斜面部と、第３および第４の傾斜面部の先端同士を結んで前記第２底面部と平行に延びる第２上面部とを有するとともに、前記第２底面部と前記第３および第４の傾斜面部とが互いに鋭角に交差する台形状に形成され、前記後方側ピースの第１底面部と前記前方側ピースの第２底面部とが連結されて一体化され、一体化された状態で前記第１傾斜面部と前記第３傾斜面部とが平行に対向し、かつ前記第２傾斜面部と前記第４傾斜面部とが平行に対向して設けられ、この一体化された状態でトンネル掘削内部にて他のセグメントに接合可能に構成され、前記後方側ピースと前記前方側ピースとは、前記第１底面部の長さ寸法および前記第２底面部の長さ寸法のうち一方の底面部が他方の底面部よりも長く形成され、一方の底面部における両端部のいずれかに他方の底面部の端部が接して設けられていることを特徴とする。

以上の本発明によれば、各々台形状に形成した後方側ピースと前方側ピースとを連結して１つのセグメントを構成し、このように構成したセグメントを他のセグメントに接合してトンネル覆工を構成することで、各ピースの幅寸法（底面部と上面部との距離）が製造上や運搬上の制約を受けたとしても、その制約の２倍までセグメントの幅寸法を拡大することができ、トンネル掘進に伴うセグメントの組立工数を大幅に削減することができる。そして、後方側および前方側の各ピースを連結したセグメントが六角形状になることから、トンネル周方向に隣り合うセグメントが交互に突没した状態となり、前方側ピースが掘進方向前方に突出した側のセグメントに掘削機のジャッキ反力を支持させて掘進しつつ、凹んだ側のセグメントの前方側ピースと掘削機との間に次のセグメントをセットして接合することで、セグメントの組立と掘削機の掘進とを同時並行的に行うことができ、施工効率を飛躍的に向上させることができる。

また、本発明のセグメントでは、前記後方側ピースと前記前方側ピースとは、前記第１底面部の長さ寸法および前記第２底面部の長さ寸法のうち一方の底面部が他方の底面部よりも長く形成され、一方の底面部における両端部のいずれかに他方の底面部の端部が接して設けられ、これにより後方側ピースと前方側ピースとを異形状とし、一方の底面部における両端部のうち少なくとも一端部から他方の端部をずらして連結することで、各ピースの交点が一点に集中するような接合状態を回避することができ、トンネル覆工の強度や止水上の弱点が形成されにくくすることができる。

また、本発明のセグメントでは、前記後方側ピースおよび前記前方側ピースにおいて、前記第１底面部と前記第１傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第１底面部と前記第２傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第２底面部と前記第３傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第２底面部と前記第４傾斜面部とがなす鋭角の交差角度とが同一に形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、後方側ピースおよび前方側ピースにおける傾斜面部の傾斜角度を同一にすることで、他のセグメントとの接合に用いる接合部材（機械式継手やアンカーボルト等）の仕様を共通化することができ、部品の種類数の削減と組立手順の簡略化により製造効率および施工効率をさらに向上させることができる。

また、本発明のセグメントでは、前記後方側ピースおよび前記前方側ピースは、それぞれ鉄筋コンクリートから形成されるＲＣ造、箱状の鋼殻を有した鋼構造、または箱状の鋼殻の内部にコンクリートを中詰めした合成構造、のいずれかの構造を有したものが採用可能である。
このような構成によれば、トンネル覆工に要求される性能に応じてセグメントの構造を使い分けることができる。

一方、本発明のトンネル施工方法は、前記いずれかのセグメントを複数組み合わせてセグメント覆工を構築するトンネル施工方法であって、互いに接合されてトンネル周方向に隣り合う一対の前記セグメントのうち、前方側ピースが掘進方向前方に突出した一方のセグメントに掘削機のジャッキ反力を支持させて掘進しつつ、他方のセグメントの前方側ピースと前記掘削機との間に次のセグメントをセットし、当該次のセグメントを前記一方および他方のセグメントに接合することを特徴とする。
このような構成によれば、前述のセグメントと同様に、前方側ピースが掘進方向前方に突出した一方のセグメントに掘削機のジャッキ反力を支持させて掘進しつつ、他方のセグメントの前方側ピースと掘削機との間に次のセグメントをセットして接合することで、セグメントの組立と掘削機の掘進とを同時並行的に行うことができ、施工効率を飛躍的に向上させることができる。

以上のような本発明のセグメントおよびトンネル施工方法によれば、各々台形状に形成した後方側ピースと前方側ピースとを連結して１つのセグメントを構成することで、各ピースの製造上や運搬上の制約を受けにくくすることができる。さらに、後方側および前方側の各ピースを連結してセグメントを構成し、構成したセグメント同士をトンネル掘削内部にて組み合わせて接合することで、これらの組立と掘削機の掘進とを同時並行的に行うことができ、施工効率を飛躍的に向上させて工期の短縮化を図ることができる。

本発明のセグメントを用いたトンネル覆工の施工状況を示す斜視図である。前記セグメントの組立手順を示す展開図である。本発明の変形例に係るセグメントの組立手順を示す展開図である。本発明の他の変形例に係るセグメントの組立手順を示す展開図である。本発明のさらに他の変形例に係るセグメントの組立手順を示す展開図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図４に示すものが本発明の実施形態であり、図２、図３および図５は本発明の参考例である。
図１および図２に示すように、トンネル覆工１は、トンネル前後方向Ｘに延びるとともにトンネル周方向θに沿った円筒状に形成され、複数のセグメント２をトンネル前後方向Ｘおよびトンネル周方向θに並設して互いに接合することで構成されている。
このようなトンネル覆工１は、シールドマシン（掘削機）Ｍで地山を掘削して形成される空間にセグメント２を組み立てるとともに、組み立てたセグメント２をジャッキＪで押してシールドマシンＭ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ようになっている。なお、以下の図２〜図５において、図の上下方向がトンネル前後方向Ｘであって、図の上方が前方側で図の下方が後方側を示すとともに、図の左右方向がトンネル周方向θを示すものとする。

セグメント２は、図２にも示すように、トンネル前後方向Ｘの後方側に設けられる後方側ピース３と、前方側に設けられる前方側ピース４とを備え、これらのピース３，４同士を互いに連結して一体化されるとともに、一体化されて略六角形状となった状態で他のセグメント２に接合されるようになっている。ここで、後方側ピース３および前方側ピース４は、それぞれ鉄筋コンクリートから形成されるＲＣ造ピースであってもよいし、箱状の鋼殻（５面鋼殻や６面鋼殻など）を有した鋼構造の鋼製セグメントピースであってもよいし、さらには箱状の鋼殻の内部にコンクリート等の充填材を中詰めした合成構造ピースであってもよい。そして、後方側ピース３と前方側ピース４との連結構造としては、アンカー材とグラウト材との連結によるものや、機械式継手同士の連結によるものの他に、溶接接合によって連結する構造でもよく、各ピースの材質や構造に応じて適宜な連結構造を選択すればよい。

後方側ピース３は、トンネル径方向に所定の厚さ寸法を有するとともにトンネル周方向θの円筒面に沿った略台形状に形成され、トンネル周方向θに沿う第１底面部３１と、この第１底面部３１の両端からトンネル後方側に傾斜して延びる第１傾斜面部３２および第２傾斜面部３３と、第１および第２の傾斜面部３２，３３の先端同士を結んで第１底面部３１と平行に延びる第１上面部３４とを有して形成されている。この後方側ピース３において、第１底面部３１と第１傾斜面部３２とは、互いに鋭角となる交差角度α１で交差し、第１底面部３１と第２傾斜面部３３とは、互いに鋭角となる交差角度α２で交差し、これらの交差角度α１，α２が同一角度に形成されている。

前方側ピース４は、トンネル径方向に所定の厚さ寸法を有するとともにトンネル周方向θの円筒面に沿った略台形状に形成され、トンネル周方向θに沿う第２底面部４１と、この第２底面部４１の両端からトンネル前方側に傾斜して延びる第３傾斜面部４２および第４傾斜面部４３と、第３および第４の傾斜面部４２，４３の先端同士を結んで第２底面部４１と平行に延びる第２上面部４４とを有して形成されている。この前方側ピース４において、第２底面部４１と第３傾斜面部４２とは、互いに鋭角となる交差角度β１で交差し、第２底面部４１と第４傾斜面部４３とは、互いに鋭角となる交差角度β２で交差し、これらの交差角度β１，β２が同一角度に形成されている。

また、後方側ピース３と前方側ピース４とは、第１底面部３１と第２底面部４１とが同一長さ寸法とされ、第１上面部３４と第２上面部４４とが同一長さ寸法とされるとともに、各ピース３，４のトンネル前後方向Ｘに沿った長さ寸法（幅寸法）、および交差角度α１，α２と交差角度β１，β２とが同一とされている。すなわち、後方側ピース３と前方側ピース４とは、同一形状および同一サイズに形成されている。このような後方側ピース３の第１底面部３１と前方側ピース４の第２底面部４１とが連結されてセグメント２が構成され、一体化された状態のセグメント２において、第１傾斜面部３２と第３傾斜面部４２とが平行に対向し、かつ第２傾斜面部３３と第４傾斜面部４３とが平行に対向して設けられるようになっている。

そして、セグメント２同士は、トンネル前後方向Ｘに対向する第１上面部３４と第２上面部４４とが接合され、トンネル周方向θに対向する第１傾斜面部３２と第３傾斜面部４２とが接合され、トンネル周方向θに対向する第２傾斜面部３３と第４傾斜面部４３とが接合される。ここで、セグメント２同士を接合する接合構造としては、アンカー材とグラウト材とを用いて湿式で接合する構造や、機械式継手同士を乾式で機械的に接合する構造の他に、溶接接合による構造でもよく、適宜な接合構造を選択することができる。このようなセグメント２同士の接合に際しては、図１に示すように、トンネルの掘進方向前方（図１の左側）に前方側ピース４が突出した側の先行セグメント２ＡにシールドマシンＭのジャッキＪの反力を支持させて掘進しつつ、凹んだ側の先行セグメント２Ｂの前方側ピース４とシールドマシンＭとの間に次のセグメント２Ｃをセットし、セットした次のセグメント２をジャッキＪで後方に押圧して凹み部分の先行セグメント２Ａ，２Ｂに接合する。従って、セグメント２の組立および接合作業とシールドマシンＭの掘進とを同時並行的に行うことができるようになっている。

なお、本実施形態において、後方側ピース３および前方側ピース４の形状は、前述のものに限らず、以下の図３〜図５に示す形状を採用することができる。
図３に示すセグメント２において、後方側ピース３の第１底面部３１は、前方側ピース４の第２底面部４１よりも長さ寸法が長く形成され、これに伴って第１上面部３４も第２上面部４４よりも長く形成されている。一方、各ピース３，４のトンネル前後方向Ｘに沿った長さ寸法（幅寸法）が同一である点と、交差角度α１，α２，β１，β２が同一である点とは、図２のセグメント２と同様である。このような後方側ピース３の第１底面部３１に対し、その両端部から所定寸法だけ第２底面部４１の両端部が離隔した状態で、前方側ピース４が連結されてセグメント２が構成されるようになっている。従って、先行セグメント２Ａ，２Ｂの凹み部分において、次のセグメント２Ｃにおける後方側ピース３の第２上面部３４は、先行セグメント２Ｂにおける前方側ピース４の第２上面部４４のみならず、先行セグメント２Ａにおける後方側ピース３の第１底面部３１端部にも接合されることとなる。

図４に示すセグメント２において、後方側ピース３および前方側ピース４の形状は、図３のセグメント２と同様であるものの、後方側ピース３の第１底面部３１に対し、その両端部の片側から所定寸法だけ第２底面部４１の端部が離隔し、反対側の端部同士が揃って接した状態で、前方側ピース４が連結されてセグメント２が構成されるようになっている。従って、先行セグメント２Ａ，２Ｂの凹み部分において、次のセグメント２Ｃにおける後方側ピース３の第２上面部３４は、先行セグメント２Ｂにおける前方側ピース４の第２上面部４４と、先行セグメント２Ａの一方における後方側ピース３の第１底面部３１端部にも接合されることとなる。また、後方側ピース３と前方側ピース４とを偏心させて連結することで、先行セグメント２Ｂに対してトンネル周方向θに若干位置ずれした位置に次のセグメント２Ｃが接合されることとなる。

図５に示すセグメント２において、後方側ピース３の第１底面部３１と第１傾斜面部３２との交差角度α１は、第１底面部３１と第２傾斜面部３３との交差角度α２よりも大きな鋭角で形成され、前方側ピース４の第２底面部４１と第３傾斜面部４２との交差角度β１は、第２底面部４１と第４傾斜面部４３との交差角度β２よりも大きな鋭角で形成されるとともに、交差角度α１と交差角度β１とが同一角度とされ、交差角度α２と交差角度β２とが同一角度とされている。一方、各ピース３，４において、第１底面部３１と第２底面部４１とが同一長さ寸法とされ、かつ第１上面部３４と第２上面部４４とが同一長さ寸法とされる点と、各ピース３，４のトンネル前後方向Ｘに沿った長さ寸法（幅寸法）が同一である点とは、図２のセグメント２と同様である。このようなセグメント２を先行セグメント２Ａ，２Ｂの凹み部分に接合することで、先行セグメント２Ｂに対してトンネル周方向θに若干位置ずれした位置に次のセグメント２Ｃが接合されることとなる。

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、各々台形状に形成した後方側ピース３と前方側ピース４とを互いの底面部３１，４１で連結して１つのセグメント２を構成し、このセグメント２を先行セグメント２Ａ，２Ｂに接合してトンネル覆工１を構成することで、各ピース３，４の幅寸法（トンネル前後方向Ｘに沿った長さ寸法）が製造上や運搬上の制約を受けたとしても、その制約の２倍までセグメント２の幅寸法を拡大することができる。従って、トンネル前後方向Ｘに並設するセグメント２の数を少なくすることができ、掘進に伴うセグメント２の組立工数を大幅に削減することができる。そして、後方側および前方側の各ピース３，４を連結したセグメント２が六角形状になることから、トンネル周方向θに隣り合う先行セグメント２Ａ，２Ｂが交互に突没した状態となり、掘進方向前方に突出した先行セグメント２ＡにシールドマシンＭのジャッキＪの反力を支持させて掘進しつつ、先行セグメント２ＢとシールドマシンＭとの間に次のセグメント２Ｃをセットして接合することで、セグメント２の組立とシールドマシンＭの掘進とを同時並行的に行うことができ、施工効率を飛躍的に向上させることができる。

さらに、図４に示すように、後方側ピース３と前方側ピース４とを異形状かつ異サイズとするとともに、各ピース３，４の角部（交点）の位置をずらして連結するようにすれば、交点が一点に集中するような接合状態を回避することができ、トンネル覆工１の強度や止水上の弱点が形成されにくくすることができる。
また、図４に示すように、後方側ピース３に対して前方側ピース４を偏心させて連結することで、先行セグメント２Ｂに対してトンネル周方向θに若干位置ずれした位置に次のセグメント２Ｃが接合されるので、トンネル前後方向Ｘに沿って接合位置が連続しないようにでき、トンネル覆工１の強度上の弱点が形成されにくくすることができる。

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、円筒状のトンネル覆工１について説明したが、本発明のセグメントは、円筒状に限らず、例えば角筒状や楕円筒状の断面を有したトンネル覆工にも適用可能である。すなわち、本発明におけるトンネル周方向とは、円周方向を意味するのみならず、角筒や楕円筒等任意形状の筒面に沿った方向をも意味するものである。
また、前記実施形態における図４に示すセグメント２では、後方側ピース３よりも前方側ピース４の方が小さく形成されたものを例示したが、各ピース３，４を異サイズとする場合には、後方側ピース３に対して前方側ピース４の方が大きく形成されていてもよい。

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、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…セグメント、３…後方側ピース、４…前方側ピース、３１…第１底面部、３２…第１傾斜面部、３３…第２傾斜面部、３４…第１上面部、４１…第２底面部、４２…第３傾斜面部、４３…第４傾斜面部、４４…第２上面部、Ｊ…ジャッキ、Ｍ…シールドマシン。

Claims

トンネル周方向および前後方向に並設されて互いに接合されることでトンネル覆工を構成するセグメントであって、
トンネル前後方向の後方側に設けられる後方側ピースと、前方側に設けられる前方側ピースとを備え、
前記後方側ピースは、トンネル周方向に沿う第１底面部と、この第１底面部の両端からトンネル後方側に傾斜して延びる第１傾斜面部および第２傾斜面部と、第１および第２の傾斜面部の先端同士を結んで前記第１底面部と平行に延びる第１上面部とを有するとともに、前記第１底面部と前記第１および第２の傾斜面部とが互いに鋭角に交差する台形状に形成され、
前記前方側ピースは、トンネル周方向に沿う第２底面部と、この第２底面部の両端からトンネル前方側に傾斜して延びる第３傾斜面部および第４傾斜面部と、第３および第４の傾斜面部の先端同士を結んで前記第２底面部と平行に延びる第２上面部とを有するとともに、前記第２底面部と前記第３および第４の傾斜面部とが互いに鋭角に交差する台形状に形成され、
前記後方側ピースの第１底面部と前記前方側ピースの第２底面部とが連結されて一体化され、一体化された状態で前記第１傾斜面部と前記第３傾斜面部とが平行に対向し、かつ前記第２傾斜面部と前記第４傾斜面部とが平行に対向して設けられ、この一体化された状態でトンネル掘削内部にて他のセグメントに接合可能に構成され、
前記後方側ピースと前記前方側ピースとは、前記第１底面部の長さ寸法および前記第２底面部の長さ寸法のうち一方の底面部が他方の底面部よりも長く形成され、一方の底面部における両端部のいずれかに他方の底面部の端部が接して設けられていることを特徴とするセグメント。
請求項１に記載のセグメントにおいて、
前記後方側ピースおよび前記前方側ピースにおいて、前記第１底面部と前記第１傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第１底面部と前記第２傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第２底面部と前記第３傾斜面部とがなす鋭角の交差角度と、前記第２底面部と前記第４傾斜面部とがなす鋭角の交差角度とが同一に形成されていることを特徴とするセグメント。
請求項１または請求項２に記載のセグメントにおいて、
前記後方側ピースおよび前記前方側ピースは、それぞれ鉄筋コンクリートから形成されるＲＣ造、箱状の鋼殻を有した鋼構造、または箱状の鋼殻の内部にコンクリートを中詰めした合成構造、のいずれかの構造を有していることを特徴とするセグメント。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のセグメントを複数組み合わせてセグメント覆工を構築するトンネル施工方法であって、
互いに接合されてトンネル周方向に隣り合う一対の前記セグメントのうち、前方側ピースが掘進方向前方に突出した一方のセグメントに掘削機のジャッキ反力を支持させて掘進しつつ、他方のセグメントの前方側ピースと前記掘削機との間に次のセグメントをセットし、当該次のセグメントを前記一方および他方のセグメントに接合することを特徴とするトンネル施工方法。