JP6314415B2 - 合成セグメントおよび合成セグメントの製造方法 - Google Patents
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例えば、特許文献1には、トンネルの地山側、内空側および周方向の両側面に鋼板が使用されて、これらの鋼板の内部にコンクリートが充填された合成セグメントが開示されている。この合成セグメントでは、コンクリートの充填性を確保するために、周方向の両側面に設けられた鋼板(主桁)にコンクリート充填用の孔部が形成されているとともに、鋼板とコンクリートの付着性能を向上させるために、地山側、内空側に設けられた鋼板にスタッドが設けられている。
これにより、合成セグメントの千鳥配置による添接効果を十分に発揮できず、合成セグメントが複数配列されて形成されたリング構造全体においても荷重に対して均一に対抗することができないという問題がある。
これに対し、本発明による合成セグメントによれば、複数の第1主鉄筋は、主桁との間隔が配置間隔以上であることにより、トンネル軸方向の端部側よりも中央に配されているため、トンネル軸方向の中央部の剛性を高めることができて、合成セグメント全体の剛性をトンネル軸方向において均一にすることができる。
そして、トンネルに地山側から土水圧が作用すると、合成セグメントには地山側にトンネル周方向の圧縮力が作用し、内空側にトンネル周方向の引張力が作用する。通常、この引張力のトンネル径方向の分力(腹圧力)によって第1主鉄筋が直線状になろうとするとともに、圧縮力のトンネル径方向の分力によってスキンプレートが面外方向に変形しようとするが、本発明では、第1主鉄筋とスキンプレートとが連結されていることにより、それぞれに作用するトンネル径方向反対側の分力が相殺され、第1主鉄筋およびスキンプレートの変形および変位を防止することができる。
これにより、第1主鉄筋が変形・変位してかぶりコンクリートが剥離したり、付着割裂破壊したりするなど、合成セグメントが変形することがないため、合成セグメントを常に所定の耐力に保持することができる。
また、定着部材には特殊な部材を使用せずに、通常に流通している部材を使用することができる。
また、このようにすることにより、定着部材とスキンプレートとが確実かつ強固に接合されるとともに、定着部材とフープ筋とが確実かつ強固に接合されるため、定着部材を介してスキンプレートとフープ筋とを物理的に拘束し、確実かつ強固に連結させることができる。
各定着部材による仮想のコーン破壊面がそれぞれ過不足なく連続することにより、仮想のコーン破壊面が効率的に繋がった補剛領域が形成されるため、定着部材の配置を調整することで合成セグメントの補剛領域を容易に形成することができる。そして、この補剛領域によって、トンネル周方向およびトンネル軸方向の両方または一方に伝達される応力に対して確実に抵抗することができるため、コンクリートとスキンプレートとが離間することを防止することができる。
また、第2主鉄筋が第1主鉄筋とともにフープ筋で囲繞され、このフープ筋が定着部材に定着されることで、合成セグメントをスキンプレート、第1主鉄筋および第2主鉄筋それぞれに作用するトンネル径方向の分力を相殺させる構成とすることができる。このため、スキンプレートと第1主鉄筋のみでトンネル径方向の分力を相殺させる構成と比べて、トンネル径方向の分力を確実に相殺させることができ、スキンプレートや第1主鉄筋の変形や変位を確実に防止することができる。
また、本発明に係る合成セグメントでは、鉄筋を合成セグメント幅方向(トンネル軸方向)の中央部に寄せていることにより、両端部に鉄筋の無いスペースができるため、このスペースに連結部材を設けることで、このスペースを有効活用して構造性能をさらに高めることができる。
以下、本発明の第1実施形態による合成セグメントおよび合成セグメントの製造方法について、図1および図2に基づいて説明する。
図1および図2に示す第1実施形態による合成セグメント1Aは、例えば、シールド工法における、地山Fに掘削されたトンネルの掘削穴の内壁に沿ってトンネルの周方向(図中の矢印Cの方向)およびトンネルの軸方向(図中の矢印Dの方向、合成セグメント1Aの幅方向と同じ)に複数連結されて筒状壁体を構築している。合成セグメント1Aは、トンネルの掘削穴の内面の曲率半径と略等しい曲率半径を備える円弧版状に形成されている。
そして、このコンクリート6の内部には、内空G側にトンネル周方向Cに延びる複数の第1主鉄筋7,7…が配されて、地山F側にトンネル周方向Cに延びる複数の第2主鉄筋8,8…が配されている。
複数の第1主鉄筋7,7…および複数の第2主鉄筋8,8…のうち配列の両端に配された第1主鉄筋7a,7aおよび第2主鉄筋8a,8aと主桁2,2との間隔w1は、複数の第1主鉄筋7,7…および複数の第2主鉄筋8,8…の配置間隔(配筋ピッチ)w2以上であるとともに、主桁2の高さhの寸法と略同じ寸法となるように構成されている。
第1実施形態では、第1主鉄筋7と第2主鉄筋8とが同じ本数となるように設定されている。また、配列された第1主鉄筋7および第2主鉄筋8とは、トンネルの径方向(図中の矢印Eの方向)において重なる位置に配置されている。
まず、図2に示す一対の主桁2,2のトンネル周方向Cの両端部にそれぞれ一対の主桁2,2間を渡すように一対の継手板3,3を接合し、一対の主桁2,2および一対の継手板3,3の地山F側にスキンプレート4を接合して鋼殻5を形成する(鋼殻形成工程)。
続いて、鋼殻5内部に第1主鉄筋7、第2主鉄筋8を配筋する(配筋工程)。
続いて、鋼殻5の内部にコンクリート6を充填する(コンクリート充填工程)。
そして、コンクリート6が硬化し、所定の強度となることで合成セグメント1Aが製造される。
従来の合成セグメントは、トンネル軸方向Dにおいて均一に配置された複数の鉄筋と中詰めコンクリートが荷重を負担し、さらに、トンネル軸方向Dの両端部では、主桁が荷重を負担するため、トンネル軸方向Dの中央部よりも両端部の方が剛性が高く、合成セグメントにおけるトンネル軸方向D全体において剛性が均一とならないことがある。
これに対し、第1実施形態による合成セグメント1Aによれば、複数の第1主鉄筋7,7…が、コンクリート6の内部においてトンネル軸方向Dの中央に寄せて配されていることにより、トンネル軸方向Dの中央部の剛性を高めることができるため、合成セグメント1A全体の剛性をトンネル軸方向Dにおいて均一にすることができる。
また、トンネルにおいて地山F側から土水圧が作用したときに、合成セグメント1Aにおける地山F側にトンネル周方向Cの圧縮力のトンネル径方向Eの分力がスキンプレート4に作用するが、この分力によってスキンプレート4が面外変形(座屈)する場合、スキンプレート4のトンネル軸方向Dの両端部側よりも中央の方が面外変形が大きくなる。
そこで、第1主鉄筋7,7…を合成セグメント1Aにおけるトンネル軸方向Dの中央に配することによって、スキンプレート4の面外方向への変形を防止することができる。
次に、他の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第1実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第1実施形態と異なる構成について説明する。
図3(a)および(b)に示すように、第2実施形態による合成セグメント1Bでは、コンクリート6の内部に、内空G側にトンネル周方向Cに延びる複数の第1主鉄筋7,7…が配されて、地山F側にトンネル周方向Cに延びる複数の第2主鉄筋8,8…が配されている。そして、複数の第1主鉄筋7,7…および第2主鉄筋8,8…は、所定の本数ずつフープ筋9に囲繞されて、フープ筋9は、スキンプレート4に接合された定着部材10に定着されている。
すべての第1主鉄筋7,7…および第2主鉄筋8,8…のうち、トンネル軸方向Dに連続して配列された複数の第1主鉄筋7,7…および、複数の第2主鉄筋8,8…がフープ筋9の内部に配されていて、これらの複数の第1主鉄筋7,7…および複数の第2主鉄筋8,8…は、フープ筋9に囲繞されて結束されている。
定着部材10は、頭付スタッドジベルの脚部10aがスキンプレート4の内空G側に溶接されていて、頭部10bがフープ筋9と接合されている。
定着部材10とフープ筋9とは、例えば、溶接されたり、結束線などで結束されたりして接合されている。
また、定着部材10とフープ筋9とは、定着部材10に形成された孔部にフープ筋9が挿通されたり、定着部材10に備えられた突出部にフープ筋9が掛けられたりして、接合されていてもよい。
これにより、フープ筋9が定着部材10に定着され、フープ筋9および定着部材10を介して第1主鉄筋7、第2主鉄筋8およびスキンプレート4が連結されている。
トンネルにおいて地山F側から土水圧が作用すると、合成セグメント1Bにおける地山F側にトンネル周方向Cの圧縮力が作用し、内空G側にトンネル周方向Cの引張力が作用する。そして、引張力のトンネル径方向Eの分力(腹圧力)は、第1主鉄筋7に対してトンネル径方向E内側に向かって作用し、第1主鉄筋7はトンネル周方向Cの中央部が内空G側に変位して直線状になろうとする。
そして、スキンプレート4が面外変形しようとすることにより、スキンプレート4と接合された定着部材10の頭部10bが地山F側に変位しようとしてコンクリート6を支圧する。このため、図4に示すように、各定着部材10の頭部10bから地山F側のコンクリート6に対して仮想のコーン破壊面61が形成されている。
そして、第2実施形態では、トンネル周方向Cおよびトンネル軸方向Dに隣り合う定着部材10,10…のコーン破壊面61,61…がそれぞれ連続するように定着部材10の配置が設定されている。
続いて、配筋工程において第1主鉄筋7,7…および第2主鉄筋8,8とともにフープ筋9の配筋も行い、フープ筋9と定着部材10とを接合する。
続いて、コンクリート充填工程を行い、コンクリートが硬化し所定の強度となることで合成セグメント1Bが製造される。
なお、予めスキンプレート4に定着部材10を接合しておき、定着部材10が接合されたスキンプレート4を一対の主桁2,2および一対の継手板3,3に接合して鋼殻5を形成してもよい。
ここで、スキンプレート4と第1主鉄筋7,7…とが連結されていないと、スキンプレート4が、圧縮力のトンネル径方向Eの分力によってトンネル周方向Cの中央部が地山F側へ突出するように面外変形し、コンクリート6と離間するとともに、第1主鉄筋7,7…が、引張力のトンネル径方向Eの分力によってトンネル周方向Cの中央部が内空G側に移動して直線状になり、コンクリート6の内空G側表面のかぶりコンクリートが剥離したり、付着割裂破壊したりするなどの事態が起こる虞があるが、第2実施形態では、このような事態が起こることを防止できて、地山F側から土水圧が作用した場合にも合成セグメント1Bの耐力を保持することができる。
これにより、スキンプレート4とコンクリート6とが離間することが防止されるため、スキンプレート4とコンクリート6とが確実に一体化し、高品質の合成構造を形成することができる。
また、定着部材10は、頭付スタッドジベルで構成されていることにより、スキンプレート4とコンクリート6とを確実に一体化させることができる。
図5に示すように、第3実施形態による合成セグメント1Cは、定着部材10Cに、第2実施形態の定着部材10に使用されたスタッドジベルに代えて、丸鋼などの棒状の鋼材を略J字状となるように曲げられて形成された部材(J字状鋼材)が使用されている。そして、この定着部材10Cは、第2実施形態と同様にトンネル軸方向Dおよびトンネル周方向Cに所定の間隔をあけて複数配列されている。
なお、湾曲部11に掛けられたフープ筋9は、必要に応じて溶接されたり結束線で結束されたりしてもよい。
図6に示すように、第4実施形態による合成セグメント1Dは、定着部材10Dに、第2実施形態の定着部材10に使用されたスタッドジベルに代えて、L形鋼が使用されている。
定着部材10Dは、トンネル周方向Cに延在するように設けられて、直交する一対の板部14,15のうち一方の板部14の他方の板部15と接合されている側と反対側の端面14aがスキンプレート(不図示)に溶接されている。
そして、定着部材10Dは、各孔部14b,14b…にそれぞれフープ筋9,9…が挿通されることでフープ筋9,9…が定着されるように構成されている。
そして、第4実施形態の定着部材10Dにおいても、他方の板部15による仮想のコーン破壊面が形成されるため、隣り合う定着部材10による仮想のコーン破壊面が連続するように定着部材10の形状および配置を設定することが好ましい。
図7に示すように、第5実施形態による合成セグメント1Eは、第2主鉄筋8が配されていないとともに、フープ筋9、9…が複数の第1主鉄筋 7,7…を1本ずつ囲繞していて、フープ筋9,9…が1つずつ定着部材10に定着されている。
図8に示すように、第6実施形態による合成セグメント1Fは、主桁2,2およびスキンプレート4に連結された連結部材(リブ)16が、トンネル周方向C(図1参照)に間隔をあけて複数設けられている。
連結部材16は、例えば鋼板などでトンネル周方向C視において略三角形の板状に形成されていて、第1の端面16aが主桁2に連結され、第2の端面16bがスキンプレート4に接合され、第3の端面16cがコンクリート6に面している。
この連結部材16は、第2実施形態の合成セグメント1Bの製造方法における、鋼殻形成工程または定着部材接合工程において主桁2,2およびスキンプレート4に連結されることが好ましい。
上記の実施形態では、合成セグメント1A〜1Fは、一対の主桁2,2および一対の継手板3,3の地山F側のみにスキンプレート4が設けられているが、一対の主桁2,2および一対の継手板3,3の内空G側にも円弧面状のスキンプレートが設けられた構成としてもよい。
また、上記の実施形態では、定着部材10,10C,10Dは、頭付スタッドジベル、J字状鋼材、L形鋼などとしているが、他にT形鋼やC形鋼(チャンネル材)などとしてもよく、定着部材10とスキンプレート4との接合や、定着部材10とフープ筋9との接合は、溶接や結束筋による結束以外の方法で行われてもよい。
また、上記の実施形態では、主桁2は、平板で形成され、断面形状が矩形状となっているが、例えば、トンネル径方向Eの内空G側または地山F側またはその両方の端部に、トンネル軸方向Dに突出する突出板(フランジ)が備えられていて、断面形状が略L字形、略I字形、略C字形(略コの字形)などとなるように形成されていてもよい。
また、定着部材10は、スキンプレート4とフープ筋9とを連結できるようであれば、上記の実施形態のような形状以外の部材を使用してもよい。このとき、定着部材10によって仮想のコーン破壊面61が形成されなくてもよい。
また、上記の第6実施形態では、合成セグメント1Fに連結部材16が設けられているが、第6実施形態以外の実施形態による合成セグメント1A〜1Eに連結部材16を設けてもよい。
2 主桁
3 継手板
4 スキンプレート
5 鋼殻
6 コンクリート
7,7a 第1主鉄筋
8 第2主鉄筋
9 フープ筋
10,10C,10D 定着部材
16 連結部材
61 仮想のコーン破壊面
C トンネル周方向
D トンネル軸方向
E トンネル径方向
F 地山
G 内空
w1 第1主鉄筋と主桁との間隔
w2 第1主鉄筋の配置間隔(配筋ピッチ)
h 主桁の高さ
Claims (7)
- トンネルの掘削穴の内壁に沿ってトンネル周方向およびトンネル軸方向に複数連結される円弧版状の合成セグメントにおいて、
前記トンネル軸方向に所定の間隔をあけて配されて前記トンネル周方向に延びる一対の主桁と、
該一対の主桁の前記トンネル周方向の両端部に該一対の主桁間を渡すように接合された継手板と、
前記主桁および前記継手板の前記トンネル径方向外側に接合されたスキンプレートと、
前記一対の主桁、前記継手板および前記スキンプレートで形成された鋼殻の内部に充填されたコンクリートと、を備え、
該コンクリートの内部には、
前記トンネル径方向内側に前記トンネル周方向に延びて前記トンネル軸方向に所定の配置間隔をあけて配された複数の第1主鉄筋と、
前記スキンプレートに接合される定着部材と、
前記第1主鉄筋を囲繞し、かつ前記定着部材に定着し、該定着部材とともに前記第1主鉄筋に対してトンネル径方向内側に作用する分力と前記スキンプレートに対してトンネル径方向外側に作用する分力とを相殺するフープ筋と、
が設けられており、
前記複数の第1主鉄筋のうち配列の両端に配された第1主鉄筋は、前記主桁との間隔が前記配置間隔以上であり、
前記定着部材は、前記トンネル周方向および前記トンネル軸方向に所定の間隔をあけて複数配列された頭付きスタッドジベルまたはJ字状鋼材から構成され、
前記定着部材と前記スキンプレートとは、溶接されていて、
前記定着部材と前記フープ筋とは溶接されている、または、前記定着部材に形成された突出部に前記フープ筋が掛けられていることを特徴とする合成セグメント。 - 前記フープ筋は、前記複数の第1主鉄筋を1本ずつ囲繞していて、1つずつ前記定着部材に定着していることを特徴とする請求項1に記載の合成セグメント。
- 前記複数の第1主鉄筋のうち配列の両端に配された第1主鉄筋と前記主桁との間隔は、前記主桁の高さ寸法と略同じ寸法となるように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の合成セグメント。
- 前記定着部材は、前記トンネル周方向および前記トンネル軸方向の両方または一方に所定の間隔をあけて複数配列されていて、前記トンネル周方向および前記トンネル軸方向の両方または一方に隣り合う前記定着部材の仮想のコーン破壊面は、それぞれ連続していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の合成セグメント。
- 前記コンクリートの内部には、前記第1主鉄筋よりも前記トンネル径方向外側に、前記トンネル周方向に延びる複数の第2主鉄筋が前記トンネル軸方向に所定の配置間隔をあけて配されていて、該複数の第2主鉄筋のうち配列の両端に配された第2主鉄筋は、前記主桁との間隔が前記複数の第1主鉄筋のうち配列の両端に配された第1主鉄筋と前記主桁との間隔と略同じ寸法であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の合成セグメント。
- 前記コンクリートの内部には、略三角形の板状に形成されてその面外方向を前記トンネル周方向とするとともにその端面が前記主桁および前記スキンプレートにそれぞれ連結された連結部材が、1つまたは前記トンネル周方向に所定の間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の合成セグメント。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の合成セグメントを製造する合成セグメントの製造方法であって、
前記一対の主桁の前記トンネル周方向の両端部に該一対の主桁間を渡すように前記継手板を接合し、前記一対の主桁および前記継手板の前記トンネルの地山側に前記スキンプレートを接合して鋼殻を形成する鋼殻形成工程と、
前記鋼殻内部に前記トンネル軸方向の中央に寄せて前記複数の第1主鉄筋を配筋する配筋工程と、
前記鋼殻の内部に前記コンクリートを充填するコンクリート充填工程と、を備えることを特徴とする合成セグメントの製造方法。
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