JP6242784B2 - セグメント - Google Patents

Description

本発明は、トンネルを構築する際に使用される鋼製セグメントあるいは合成セグメントに関するものである。

鋼製セグメントおよび合成セグメントは、トンネルの地山側または内空側の何れか一方、あるいは両方を覆う鋼板を有しているが、シールド工事用の標準鋼製セグメントでは前記鋼板（スキンプレート）の板厚は３〜４ｍｍと比較的薄肉である（非特許文献１の６〜９頁、表−Ｓ−３〜５参照）。

また、鋼製セグメントおよび合成セグメントに関する従来の発明においても、前記鋼板の板厚に関しては特に規定されておらず（例えば、特許文献１〜３参照）、前記標準鋼製セグメントに準ずるものが想定されているものと考えられる。

特許第２６２９９１９号公報 特許第４５８９６４４号公報 特許第５５２１２２１号公報

シールド工事用標準セグメント−下水道シールド工事用セグメント−（JSWAS A-3, 4-2001）社団法人土木学会・社団法人日本下水道協会共編、平成１３年７月１日改正、ｐ５〜９、ｐ１６５〜１７０

（１）鋼製セグメントの設計基準においては、図７に示すように、セグメントに曲げまたは軸力、あるいはその両者が複合した外力が作用したときの前記鋼板２４（スキンプレート）の有効幅は、鋼製セグメント２１のトンネル軸方向端面に配置された主桁２２の場合は、当該主桁２２に接合された前記鋼板２４の接合側側端面からトンネル軸方向内側に向かって前記板厚tの２５倍の範囲（図７(a)参照）、トンネル軸方向端面以外に配置された主桁２２の場合は、当該主桁２２の板厚中心をセンターとしてトンネル軸方向に前記板厚の５０倍の範囲（図７(b)参照）と規定されている（例えば、非特許文献１の１４０頁、図２−１７参照）。

したがって、標準鋼製セグメントでは前記鋼板の板厚は３〜４ｍｍであるため前記鋼板の主桁１本当たりの片側有効幅は７５〜１００ｍｍになるが、一方で標準鋼製セグメントの主桁の間隔は７５０〜１２００ｍｍ程度であるため（非特許文献１の６〜９頁、表−Ｓ−３〜５参照）、曲げまたは軸力、あるいはその両者が複合した外力が作用したとき、設計上、前記鋼板は一部の幅だけでこれらの外力に抵抗する計算となり全幅を有効に活用できていない。

また、合成セグメントの場合には前記鋼板の有効幅に関する規定はないものの、前記鋼板はセグメントの地山側または内空側の最外縁に配置されていることから、前記鋼板の板厚を厚肉にすれば曲げに抵抗するための断面２次モーメントを最も効率的に高められ鋼材を有効に活用できるが、合成セグメントの場合であっても前記鋼板の板厚は一般に６〜９ｍｍ程度であり、必ずしも鋼材を有効に活用できていない。

一方、シールドドンネルの大口径化および大深度化が進んでいる近年においては、シールドトンネルを構成するセグメントに作用する曲げや軸力等の外力は従来に増して大きくなってきていることから、これに抵抗するためにはセグメントの鋼材量を大きく増やすことが必要になるため、鋼材断面を有効に活用して鋼材量を軽減することが、経済性を確保するうえで喫緊の課題になってきている。

（２）また、シールドドンネルの大口径化に伴い増大する掘削土の処分が社会問題となりつつあるとともに、大深度化に伴い掘削土を地上に搬出するための工費も増大する傾向にあり、掘削土の処分料と相俟って増大する工費の縮減も大きな問題となってきている。

一方で、シールドドンネルの大口径化および大深度化に伴いセグメントに作用する外力が大きくなるため、トンネル半径方向の厚さの大きい大断面のセグメントが必要になる傾向にあるが、前記問題に応えるため、セグメントのトンネル半径方向厚さを薄肉化して必要なトンネル内空間を確保しつつ掘削土量を減らすことが、前記（１）と同様に喫緊の課題になってきている。

本発明は従来技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、セグメントに作用する曲げに抵抗する断面２次モーメントや軸力に抵抗する断面積を効率的に高めることができ、製作面や施工面等においても経済性に優れたセグメントを提供することを目的としている。

本発明は、前記の課題を解決するため、次のように構成する。

本発明は、少なくとも２本の主桁と２本の継手板を有し、主桁と継手板の地山側または内空側の何れか一方、あるいは両方に溶接により鋼板を接合したセグメントであって、前記鋼板の片方あるいは両方の板厚を、前記鋼板が接合されている相隣り合う主桁の板厚中心間隔の１／５０以上としたことを特徴の一つとするものである。

本発明によれば、鋼製セグメントの場合にあっては、前記鋼板の板厚を相隣り合う主桁の板厚中心間隔の１／５０以上と十分に確保したことで、鋼板の全幅を有効に活用できるようになり、合成セグメントの場合にも地山側または内空側最外縁の鋼材量を増やすことができるため、曲げに抵抗する断面２次モーメントを効率的に高めることができ、その分、トンネル半径方向の厚さや主桁の板厚等を小さくでき、鋼材量を軽減してセグメントの製作コスト（材料費を含む）を縮減し経済性を確保することが可能となり、前記（１）の課題を解決できる。

すなわち、前記鋼板の板厚が薄い場合、図７に示すとおり前記鋼板の一部だけが有効幅となるため、設計上、前記鋼板の他の区間は外力に抵抗せず前記鋼板の全幅を有効には活用できないが、前記鋼板の板厚を相隣り合う主桁の板厚中心間隔の１／５０以上にすれば、図８に示すように前記鋼板の全てが有効幅になるため、曲げや軸力等の外力に対して前記鋼板の全幅が抵抗するようになり、上記の効果を得ることができる。また、前記鋼板はセグメントの地山側または内空側の最外縁に位置するため、前記鋼板の板厚を厚くすれば曲げに抵抗する断面２次モーメントを最も効率的に高めることができる。

本発明によれば、セグメントのトンネル半径方向厚さを薄肉化できるため、掘削土を削減して搬出・処分のための工費を縮減することが可能となり、前記（２）の課題も同時に解決できる。

なお、前記鋼板が地山側と内空側の両方にあるとき、本発明はその両方に適用してもよく、片方だけに適用してもよい。

また、本発明においては、主桁が１枚のウェブ部材と少なくとも１枚のフランジ部材で構成されており、前記フランジ部材の一側端面における板厚全体が前記ウェブ部材に当接するよう配置されて相互が接合されており、前記フランジ部材の前記一側端面のトンネル半径方向外面側には開先を形成して前記ウェブ部材と溶接することにより、前記ウェブ部材のトンネル半径方向の外端面と前記フランジ部材のトンネル半径方向の外側面を同一面にして、前記鋼板を前記ウェブ部材のトンネル半径方向外端面と前記フランジ部材の他側端面の２箇所で溶接できるようにしたものとする。

この場合、ウェブで形成される主桁にフランジを付与することにより主桁の断面性能を大きくしてセグメントの耐力を向上させることを基本的な目的としているが、さらに以下の効果が得られる。

すなわち、本発明で前記鋼板の全幅を有効にすると、セグメントが曲げを受けたときに当該鋼板は大きな軸方向力を受け持つことができるようになり、これによってセグメントは曲げに対して高い耐力を発揮できるようになるが、一方で主桁から当該鋼板に伝達されるせん断力が大きくなり、そのため主桁と当該鋼板の溶接接合部に大きなせん断応力が作用する。

これに対し、主桁と当該鋼板の溶接接合部がウェブ部材の外端面とフランジ部材の側端面の２箇所になることから、前記溶接接合部の総断面積が大きくなるためせん断応力度を軽減でき、前記溶接接合部の耐力を高めることができる。

また、トンネル半径方向のセグメント外側面は前記鋼板で覆われ、トンネル軸方向のセグメント外側面もウェブ部材で覆われ、さらにトンネル周方向のセグメント外側面も継手板で覆われるため、凹凸の少ない平滑な表面をもったセグメントを形成することができる。これによって、漏水を引き起こす水みちの形成や部材耐力の低下を招くジャッキ推力の局部集中を防ぐことができ、セグメントによって構築されるシールドトンネルの耐久性を高めることができる。

また、本発明のセグメントにおいて、前記主桁と前記継手板と前記鋼板に囲まれた鋼殻内にコンクリートを中詰することで合成セグメントとすることができる。

合成セグメントに適用した場合、作用外力に対して鋼殻と同時に中詰コンクリートも抵抗するため、セグメントは鋼製セグメントよりさらに大きな耐力を発揮でき、これにより、前記（１）、（２）の課題をより効果的に解決することができる。

さらに、本発明によれば強度の高い鋼殻を製造できるため、設計条件および施工条件によっては、中詰コンクリートはセグメントを組立てたのちに現場で充填することも可能となり、セグメントの組立費や運搬費を大幅に軽減することができる。

従来の鋼製セグメントや合成セグメントでは、スキンプレートと呼ばれる地山側鋼板あるいは内空側鋼板について、曲げや軸力、あるいはその両者が複合した外力が作用したときの抵抗をほとんど期待しておらず、主桁近傍の一部の幅だけを外力に抵抗する部分として設計されていたのに対し、本発明では鋼板の板厚を相隣り合う主桁の板厚中心間隔の１／５０以上確保したことで、鋼板の全幅を有効に活用できるようになり設計の合理化が図れる。

すなわち、前述したように、曲げに抵抗する断面２次モーメントや軸力に抵抗する断面積を効率的に高めることができ、その分、トンネル半径方向の厚さや主桁の板厚等を小さくでき、鋼材量を軽減してセグメントの製作コスト（材料費を含む）を縮減し経済性を確保することが可能となる。

また、セグメントのトンネル半径方向厚さを薄肉化できるため、掘削土を削減して搬出・処分のための工費を縮減することが可能となる。

また、主桁を構成するウェブ部材のトンネル半径方向の外端面とフランジ部材のトンネル半径方向の外側面を同一面にして、前記鋼板を前記ウェブ部材のトンネル半径方向外端面と前記フランジ部材の他側端面の２箇所で溶接できるようにした構造では、主桁と当該鋼板の溶接接合部がウェブ部材の外端面とフランジ部材の側端面の２箇所になることから、溶接接合部の総断面積が大きくなるためせん断応力度を軽減でき、前記溶接接合部の耐力を高めることができる。

また、トンネル半径方向のセグメント外側面は前記鋼板で覆われ、トンネル軸方向のセグメント外側面もウェブ部材で覆われ、さらにトンネル周方向のセグメント外側面も継手板で覆われるため、凹凸の少ない平滑な表面をもったセグメントを形成することができ、漏水を引き起こす水みちの形成や部材耐力の低下を招くジャッキ推力の局部集中を防ぐことができ、セグメントによって構築されるシールドトンネルの耐久性を高めることができる。

さらに、合成セグメントに適用した場合、作用外力に対して鋼殻と同時に中詰コンクリートも抵抗するため、セグメントは鋼製セグメントよりさらに大きな耐力を発揮でき、また強度の高い鋼殻を製造できるため、設計条件および施工条件によっては、中詰コンクリートはセグメントを組立てたのちに現場で充填することも可能となり、セグメントの組立費や運搬費を大幅に軽減することができる。

本発明の第１実施形態のセグメントを示す一部切り欠き断面斜視図である。 図１に示すセグメントのトンネル軸方向の断面図である。 図１に示すセグメントのトンネル周方向の断面図である。 本発明の第２実施形態のセグメントを示す一部切り欠き断面斜視図である。 図４に示すセグメントのトンネル軸方向の断面図である。 図４に示すセグメントのトンネル周方向の断面図である。 非特許文献１の図２−１７を抜粋して掲載した前記鋼板の有効幅に関する定めを示す説明図である。 本発明の鋼製セグメントの有効幅の概念を示す説明図である。

以下、本発明の具体的な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３は、本発明の第１実施形態として本発明を鋼製セグメントに適用した場合の一実施形態を示したものである。

第１実施形態の鋼製セグメント１は、トンネル周方向に延び鋼製セグメント１の坑口側端面と切羽側端面に位置する一対の主桁２、２と、トンネル軸方向に延びセグメント継手を設けた継手板３、３と、これら主桁２、２および継手板３、３の地山側に設けた地山側鋼板４とから構成されている。

また、本実施形態において、主桁２はウェブ２ａと上下のフランジ２ｂ、２ｂからなり、フランジ２ｂ、２ｂの一側端面における板厚全体がウェブ２ａに当接するよう配置され、相互が溶接５ａ、５ｂにより接合されている。

具体的には、上側のフランジ２ｂについては、その一側端面のトンネル半径方向外面側に開先を形成してウェブ２ａと溶接５ａ、５ｂすることにより、ウェブ２ａのトンネル半径方向の外端面とフランジ２ｂのトンネル半径方向の外側面を同一面にし、地山側鋼板４をウェブ２ａのトンネル半径方向外端面と前記フランジ部材の他側端面の２箇所で溶接５ｃ、５ｄしている。

寸法の一例を挙げると、図２において、鋼製セグメント１の外寸は、地山側における外周弧長が５０００ｍｍ、鋼製セグメント１の厚さ（主桁２の高さに、地山側鋼板４の板厚を加えたもの）が６００ｍｍである。図３において、鋼製セグメント１のトンネル軸方向の幅を与える主桁２、２の外面間の寸法は１０００ｍｍ、主桁２、２の高さが５７８ｍｍ、地山側鋼板４の板厚は２２ｍｍである。

主桁２のウェブ２ａは全体が弧状に形成され外周弧長が５０００ｍｍ、断面における高さが５５６ｍｍ、厚さが３０ｍｍの鋼板からなり、上下のフランジ２ｂは断面における幅が１００ｍｍ、厚さが５０ｍｍの鋼板からなる。

特に、地山側鋼板４の板厚２２ｍｍというのは、鋼製セグメント１に作用する曲げや軸力、あるいはその両者が複合した外力に対し、地山側鋼板４についても曲げに抵抗する断面２次モーメントや軸力に抵抗する断面積を高めるようにしたもので、前述した従来のシールド工事用の標準鋼製セグメントにおけるスキンプレートの３〜４ｍｍという板厚に比べ、はるかに大きい値となっている。主桁２、２どうしの間隔（ウェブ２ａ、２ａの板厚中心間）９６８ｍｍとの関係では、その１／４４（１／５０以上）倍となっている。

図４〜図６は、本発明の第２実施形態として本発明を合成セグメントに適用した場合の一実施形態を示したものである。

第２実施形態の合成セグメント１１は、トンネル周方向に延び合成セグメント１１の坑口側端面と切羽側端面に位置する一対の主桁１２、１２と、トンネル軸方向に延びセグメント継手を設けた継手板１３、１３と、これら主桁１２、１２および継手板１３、１３の地山側に設けた地山側鋼板１４ａおよびトンネル内空側に設けた内空側鋼板１４ｂとで鋼殻を構成し、その内側にコンクリート１７を中詰めするものである。

なお、地山側鋼板１４ａおよび空側鋼板１４ｂの内側面には中詰めコンクリートとの一体性を高めるための多数のスタッドジベル１６ａ、１６ｂが溶接により植設されている。

本実施形態において、主桁１２はウェブ１２ａと上下のフランジ１２ｂ、１２ｂからなり、フランジ１２ｂ、１２ｂの一側端面における板厚全体がウェブ１２ａに当接するよう配置され、相互が溶接１５ａ、１５ｂにより接合されている。

具体的には、上下それぞれのフランジ１２ｂについて、その一側端面のトンネル半径方向外面側に開先を形成してウェブ１２ａと溶接１５ａ、１５ｂすることにより、ウェブ１２ａのトンネル半径方向の端面とフランジ１２ｂのトンネル半径方向の外側面を同一面にし、地山側鋼板１４ａおよび内空側鋼板１４ｂをウェブ２ａのトンネル半径方向端面と前記フランジ部材の他側端面の２箇所で溶接５ｃ、５ｄしている。

寸法の一例を挙げると、図５において、合成セグメント１１の外寸は、地山側における外周弧長が５０００ｍｍ、合成セグメント１１の厚さ（主桁１２の高さに、地山側鋼板１４ａおよび内空側鋼板１４ｂの板厚を加えたもの）が６００ｍｍである。図５において、合成セグメント１１のトンネル軸方向の幅を与える主桁２、２の外面間の寸法は１０００ｍｍ、主桁２、２の高さが５５６ｍｍ、地山側鋼板４および内空側鋼板１４ｂの板厚は２２ｍｍである。

主桁１２のウェブ１２ａは全体が弧状に形成され外周弧長が５０００ｍｍ、断面における高さが５５６ｍｍ、厚さが３２ｍｍの鋼板からなり、上下のフランジ１２ｂは断面における幅が１００ｍｍ、厚さが５０ｍｍの鋼板からなる。

特に、地山側鋼板１４ａおよび内空側鋼板１４ｂの板厚２２ｍｍというのは、合成セグメント１１に作用する曲げや軸力、あるいはその両者が複合した外力に対し、地山側鋼板１４ａおよび内空側鋼板１４ｂについても曲げに抵抗する断面２次モーメントや軸力に抵抗する断面積を高めるようにしたもので、前述した従来のシールド工事用の標準鋼製セグメントにおけるスキンプレートの３〜４ｍｍという板厚に比べ、はるかに大きい値となっている。主桁１２、１２どうしの間隔（ウェブ２ａ、２ａの板厚中心間）９６８ｍｍとの関係では、その１／４４（１／５０以上）倍となっている。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明のセグメントはこれらの実施形態に限定されるものではない。

１…鋼製セグメント、２…主桁、２ａ…主桁ウェブ、２ｂ…主桁フランジ、３…継手板、４…地山側鋼板、５ａ…溶接（開先位置）、５ｂ…溶接（開先と反対位置）、５ｃ…溶接（ウェブのトンネル半径方向外端面位置）、５ｄ…溶接（フランジの他側端面位置）
１１…合成セグメント、１２…主桁、１２ａ…主桁ウェブ、１２ｂ…主桁フランジ、１３…継手板、１４ａ…地山側鋼板、１４ｂ…内空側鋼板、１５ａ…溶接（開先位置）、１５ｂ…溶接（開先と反対位置）、１５ｃ…溶接（ウェブのトンネル半径方向端面位置）、１５ｄ…溶接（フランジの他側端面位置）、１６ａ…スタッドジベル（地山側）、１６ｂ…スタッドジベル（内空側）、１７…コンクリート、
２１…セグメント、２２…主桁、２４…地山側鋼板（スキンプレート）

Claims (2)

1. 少なくとも２本の主桁と２本の継手板を有し、主桁と継手板の地山側または内空側の何れか一方、あるいは両方に溶接により鋼板が接合されているセグメントにおいて、前記鋼板の片方あるいは両方の板厚を、前記鋼板が接合されている相隣り合う主桁の板厚中心間隔の１／５０以上であり、かつ前記主桁が１枚のウェブ部材と少なくとも１枚のフランジ部材で構成されており、前記フランジ部材の一側端面における板厚全体が前記ウェブ部材に当接するよう配置されて相互が接合されており、前記フランジ部材の前記一側端面のトンネル半径方向外面側には開先を形成して前記ウェブ部材と溶接することにより、前記ウェブ部材のトンネル半径方向の外端面と前記フランジ部材のトンネル半径方向の外側面を同一面にして、前記鋼板を前記ウェブ部材のトンネル半径方向外端面と前記フランジ部材の他側端面の２箇所で溶接できるようにしたことを特徴とするセグメント。
2. 請求項１記載のセグメントにおいて、前記主桁と前記継手板と前記鋼板に囲まれた鋼殻内にコンクリートを中詰したことを特徴とする合成セグメント。

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