以下、本発明を適用したセグメント1を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明を適用したセグメント1は、図1に示すように、複数のセグメント1がトンネル7の軸方向X及び周方向Yで連結されることで、トンネル7が構築されるものである。
トンネル7は、シールド工法等により地山等を掘削して形成された掘削穴、又は、地山等を開削して形成された開削穴に設けられる。トンネル7は、例えば、軸方向Xで略円筒形状に形成されるものであるが、これに限らず、略角筒形状等に形成されてもよい。
トンネル7は、複数のセグメント1が周方向Yに連結されて、セグメントリング70が構築される。また、トンネル7は、複数のセグメントリング70が軸方向Xに連結されることで、トンネル7の延長方向となる軸方向Xで略円筒形状等に形成されるものとなる。
トンネル7は、複数のセグメントリング70が軸方向Xに連結されることで、トンネル7の半径方向となる法線方向Zで、地山側Z1と内空側Z2とを隔てるように構築されるものとなり、法線方向Zの内空側Z2に所定の内部空間Sが確保される。
本発明を適用したセグメント1は、図2に示すように、軸方向Xの両端部に配置される一対の主桁板3と、周方向Yの両端部に配置される一対の継手板4とを備える。
本発明を適用したセグメント1は、軸方向Xに所定の間隔を空けて、一対の主桁板3が互いに略平行に配置される。また、本発明を適用したセグメント1は、周方向Yに所定の間隔を空けて、一対の継手板4が互いに傾斜等するように配置される。
本発明を適用したセグメント1は、主桁板3の周方向Yの両端部が、継手板4の軸方向Xの両端部と互いに接合されることで、軸方向X及び周方向Yに所定の間隔を空けた一対の主桁板3及び一対の継手板4に四方を取り囲まれた略箱状の鋼殻6が形成される。
本発明を適用したセグメント1は、一対の主桁板3及び一対の継手板4に取り囲まれることで、中詰めコンクリート60が内部6aに充填される鋼殻6が形成される。本発明を適用したセグメント1は、必要に応じて、法線方向Zで地山側Z1及び内空側Z2の何れか一方又は両方に、鋼殻6の内部6aを覆うようにスキンプレート5が設けられる。
本発明を適用したセグメント1は、特に、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2が各々の主桁板3として用いられて、このセグメント形鋼2が周方向Yに湾曲等させて形成される。また、本発明を適用したセグメント1は、必要に応じて、各々の継手板4として、このセグメント形鋼2が湾曲等させることなく用いられてもよい。
各々の主桁板3は、図3に示すように、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2が用いられることで、周方向Yに対する断面方向で、法線方向Zに延びる本体部20と、軸方向Xに凸状の嵌合凸部21と、軸方向Xに凹状の嵌合受部22とが形成される。
各々の主桁板3は、法線方向Zに延びる本体部20に、本体部20から軸方向Xの外側Aに突出する嵌合凸部21が形成されるとともに、嵌合凸部21よりも軸方向Xの内側Bに配置される嵌合受部22が形成される。
各々の主桁板3は、必要に応じて、嵌合凸部21又は嵌合受部22が、断面略円弧状等の湾曲面2aが形成されて湾曲状となる。また、各々の主桁板3は、必要に応じて、嵌合凸部21又は嵌合受部22が、断面略平坦状等の平坦面2bが形成されて平坦状となる。
ここで、一対の主桁板3は、図4に示すように、軸方向Xの一端側に配置される主桁板3が一端側主桁板31となるとともに、軸方向Xの他端側に配置される主桁板3が他端側主桁板32となり、一端側主桁板31と他端側主桁板32とが一対の主桁板3となる。
一端側主桁板31は、鋼殻6の内部6aの反対側となる軸方向Xの外側Aに向けて突出して、湾曲状の嵌合凸部21が形成されるとともに、湾曲状の嵌合凸部21よりも鋼殻6の内部6a側となる軸方向Xの内側Bに、平坦状の嵌合受部22が形成される。
他端側主桁板32は、鋼殻6の内部6aの反対側となる軸方向Xの外側Aに向けて突出して、平坦状の嵌合凸部21が形成されるとともに、平坦状の嵌合凸部21よりも鋼殻6の内部6a側となる軸方向Xの内側Bに、湾曲状の嵌合受部22が形成される。
一対の主桁板3は、軸方向Xの両端部に配置される一端側主桁板31及び他端側主桁板32の各々に、法線方向Zに延びる本体部20が形成される。このとき、一対の主桁板3は、本体部20から軸方向Xに突出する嵌合凸部21が一端側主桁板31に形成されるとともに、本体部20から軸方向Xに陥没する嵌合受部22が他端側主桁板32に形成される。
一対の主桁板3は、一端側主桁板31の湾曲状の嵌合凸部21と、他端側主桁板32の湾曲状の嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成される。また、一対の主桁板3は、一端側主桁板31の平坦状の嵌合受部22と、他端側主桁板32の平坦状の嵌合凸部21とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成される。
各々の主桁板3は、図3に示すように、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2が用いられることで、軸方向Xで本体部20の両側面の各々に、湾曲状又は平坦状の嵌合凸部21及び嵌合受部22が形成される。
このとき、各々の主桁板3は、例えば、本体部20の一方側面20aに、湾曲状の嵌合凸部21及び平坦状の嵌合受部22が形成されるとともに、本体部20の他方側面20bに、平坦状の嵌合凸部21及び湾曲状の嵌合受部22が形成される。
各々の主桁板3は、本体部20の一方側面20aの湾曲状の嵌合凸部21と、他方側面20bの湾曲状の嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成される。また、各々の主桁板3は、本体部20の一方側面20aの平坦状の嵌合受部22と、他方側面20bの平坦状の嵌合凸部21とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成される。
各々の主桁板3は、法線方向Zで本体部20の両端部の各々で、本体部20の両側面の各々に、湾曲状の嵌合凸部21又は嵌合受部22が1箇所に形成されるとともに、平坦状の嵌合凸部21又は嵌合受部22が1箇所に形成される。
各々の主桁板3は、図4に示すように、軸方向Xで非対称に形成されたセグメント形鋼2が、一対の主桁板3の各々に共通して用いられる。このとき、各々の主桁板3は、本体部20の一方側面20aの嵌合凸部21と、本体部20の他方側面20bの嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置で湾曲状又は平坦状に形成されるものとなる。
各々の主桁板3は、これに限らず、図5に示すように、軸方向Xで線対称に形成されたセグメント形鋼2が、一対の主桁板3の各々に用いられてもよい。このとき、セグメント形鋼2は、軸方向Xに延びる一対のフランジ25と、法線方向Zに延びるウェブ26とを組み合わせて、法線方向Zに延びる本体部20が形成される。
各々の主桁板3は、軸方向Xで線対称に形成されたセグメント形鋼2が用いられる場合に、一対のフランジ25の各々の両側端に、平坦状等の嵌合凸部21及び嵌合受部22が形成される。このとき、一対の主桁板3は、特に、一端側主桁板31の嵌合凸部21と、他端側主桁板32の嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に周方向Yに連続して形成される。
各々の主桁板3は、図3に示すように、周方向Yに対する断面方向で、セグメント形鋼2の図心位置と重心位置とが略一致するように、法線方向Zで本体部20の両端部の各々で、本体部20の両側面の所定の位置に、嵌合凸部21及び嵌合受部22が形成される。ここで、重心位置は、周方向Yに対する断面方向に関し、軸方向X、法線方向Zに対する幾何学的寸法の釣り合い点を指す。また、図心位置は、周方向Yに対する断面方向に関し、軸方向X、法線方向Zに対する断面1次モーメントの釣り合い点を指す。
セグメント形鋼2は、図6に示すように、法線方向Zの全高H又は軸方向Xの全幅Wに対して、図心位置と重心位置との軸方向Xのずれ量Δが8%以下となるときに、図心位置と重心位置とが略一致するものとなる。セグメント形鋼2は、全高H又は全幅Wに対して、図心位置と重心位置とのずれ量Δが、特に、3%以下となることが望ましい。
セグメント形鋼2は、例えば、法線方向Zの全高H=225mm、軸方向Xの全幅W=38mmとする。このとき、セグメント形鋼2は、図6(a)に示すように、軸方向Xのずれ量Δ=0.055mmとすると、軸方向Xの全幅Wに対して、軸方向Xのずれ量Δが0.14%(=0.055/38×100)となるとともに、法線方向Zのずれ量Δ=0mmであるから、法線方向Zの全高Hに対して、法線方向Zのずれ量Δが0%となるため、図心位置と重心位置とが略一致する。
軸方向Xのずれ量のみを示せば、セグメント形鋼2は、図6(b)に示すように、ずれ量Δ=0.160mm、図6(c)に示すように、ずれ量Δ=0.286mm、図6(d)に示すように、ずれ量Δ=1.828mmの場合の何れについても、ずれ量Δが8%以下となる。また、セグメント形鋼2は、図7(a)に示すように、ずれ量Δ=0.527mm、図7(b)に示すように、ずれ量Δ=0.923mmの場合の何れについても、ずれ量Δが8%以下となることで、図心位置と重心位置とが略一致するものとなる。なお、セグメント形鋼2は、図7(c)、図7(d)に示すように、ずれ量Δ≒0.000mmとすることもできる。
本発明を適用したセグメント1は、図8、図9に示すように、鋼殻6の内部6aに所定のずれ止め部材61が設けられる。ずれ止め部材61は、軸方向Xの一方の片端部のみが各々の主桁板3に溶接等で固着されるとともに、軸方向Xの他方の片端部が鋼殻6の内部6aに延びて配置されて、中詰めコンクリート60に埋め込まれる。
ずれ止め部材61は、図8に示すように、頭付スタッドが用いられるほか、図9に示すように、略平板状に形成された鋼板等が用いられて、一対の主桁板3の各々で、法線方向Zの2段程度に亘って、周方向Yの4箇所程度に断続的に設けられる。本発明を適用したセグメント1は、ずれ止め部材61が中詰めコンクリート60に埋め込まれて係止されて、中詰めコンクリート60と鋼殻6とのずれ止め機能を発揮することが可能となる。
鋼殻6の内部6aに設けられるずれ止め部材61は、主に鋼殻6と中詰めコンクリート60とをトンネル接線方向に一体化させることを目的に設けられるものである。このとき、本発明を適用したセグメント1は、トンネル外力が作用した場合にも、鋼殻6と中詰めコンクリート60との間でトンネル接線方向にずれ変形を生じさせる挙動に対して、このずれ変形を略同一状態として、いわゆる一体はり構造の挙動を確保できる。そして、この両者間のずれ変形に抵抗するずれ止め剛性は、トンネル外力に応じてずれ止め部材61の数量で適宜調整可能となる。トンネル接線方向に対するずれ止め剛性は、セグメント1の外力に対する法線方向Zの剛性を飛躍的に高める効果があり、トンネルセグメントの高耐力化、高剛性化を生み、結果的にトンネルセグメントの薄壁化を図ることができる。その結果、大深度トンネルへの適用や、トンネル外径の縮小化に寄与するものとなる。
本発明を適用したセグメント1は、図10、図11に示すように、鋼殻6の内部6aに所定の補強部材62が設けられる。補強部材62は、軸方向Xの両端部が一対の主桁板3に溶接等で固着されて、鋼殻6の内部6aで一対の主桁板3に架設された状態で、中詰めコンクリート60に埋め込まれる。
補強部材62は、図10に示すように、略平板状に形成された鋼板等が用いられるほか、図11に示すように、異形鉄筋等の鉄筋又は棒鋼が用いられて、法線方向Zの2段程度に亘って、周方向Yの4箇所程度に断続的に設けられる。本発明を適用したセグメント1は、補強部材62が架設されることで、中詰めコンクリート60の高耐力化と、主桁板3への確実な荷重伝達とを実現して、幅広のセグメント1にも対応することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図12に示すように、鋼殻6の内部6aで周方向Yに延びる複数の主鋼材63が設けられるとともに、軸方向Xに延びて各々の主鋼材63に当接される配力筋64が設けられる。複数の主鋼材63は、各々に異形鉄筋等の鉄筋又は棒鋼等が用いられて、軸方向Xの6箇所程度に断続的に設けられる。
配力筋64は、異形鉄筋等の鉄筋又は棒鋼等が用いられて、図13に示すように、複数の主鋼材63を取り囲むように設けられる。配力筋64は、図13(a)に示すように、法線方向Zで地山側Z1の端部がフック状に形成されてもよく、図13(b)に示すように、地山側Z1及び内空側Z2の主鋼材63を全周で取り囲むように形成されてもよい。
本発明を適用したセグメント1は、複数の主鋼材63を配力筋64で一体化することで、複数の主鋼材63及び配力筋64が埋め込まれた中詰めコンクリート60の補強を実現して、セグメント1に負荷される大深度での高荷重にも対応することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図14〜図18に示すように、鋼殻6の内部6aに所定の縦リブ65が設けられる。縦リブ65は、略平板状に形成された鋼板が用いられて、軸方向Xの両端部が一対の主桁板3に溶接等で固着されて、鋼殻6の内部6aで一対の主桁板3に架設された状態で、中詰めコンクリート60に埋め込まれる。
縦リブ65は、略平板状に形成された鋼板が法線方向Zに延びて配置されて、周方向Yの4箇所程度に断続的に設けられる。このとき、配力筋64は、特に、図16に示すように、縦リブ65から周方向Yに離間させて設けられてもよく、図17、図18に示すように、周方向Yの両側から縦リブ65に当接させて設けられてもよい。
本発明を適用したセグメント1は、図16に示すように、配力筋64が縦リブ65から離間させて設けられることで、複数の縦リブ65の間が配力筋64で補強されて、中詰めコンクリート60に耐力の低い箇所が形成されることを回避することが可能となる。また、本発明を適用したセグメント1は、図17、図18に示すように、配力筋64が縦リブ65に当接させて設けられることで、主鋼材63、配力筋64、縦リブ65及び主桁板3を簡便に固着させて、一体性の高いセグメント1を提供することが可能となる。
配力筋64は、周方向Yの両側から縦リブ65に当接させて設けられる場合に、図19(a)に示すように、地山側Z1及び内空側Z2の複数の主鋼材63を取り囲むことで、縦リブ65の上下端部と配力筋64とで主鋼材63を法線方向Zに挟み込んで拘束する。さらに、配力筋64は、図19(b)に示すように、法線方向Zの端部を周方向Yに折り曲げて、配力筋64の折り曲げた端部が縦リブ65の上端部に引っ掛けられてもよい。
本発明を適用したセグメント1は、鋼殻6の内部6aを覆うように、略平板状の鋼板等を湾曲させたスキンプレート5が地山側Z1に設けられる。このとき、本発明を適用したセグメント1は、図15に示すように、法線方向Zで縦リブ65の地山側Z1の上端部が、スキンプレート5から法線方向Zに離間させて設けられて、スキンプレート5と縦リブ65との間に所定の隙間Gが形成される。
本発明を適用したセグメント1は、スキンプレート5と縦リブ65との間に所定の隙間Gが形成されることで、中詰めコンクリート60となるフレッシュコンクリートを鋼殻6の内部6aに充填するときに、フレッシュコンクリートが隙間Gを通過できるものとなる。このとき、本発明を適用したセグメント1は、フレッシュコンクリートの流動性を隙間Gで確保して、鋼殻6の内部6aへの充填性を向上させることが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、スキンプレート5と縦リブ65との間に所定の隙間Gが形成されることで、スキンプレート5と縦リブ65とが互いに離間するものとなるが、スキンプレート5と主桁板3との接合箇所付近に、図20に示すように、適宜、両者を接続する三角リブ、四角リブ又は台形リブ66等の補強材を配置することで、接合箇所付近の剛性が高まるため、セグメント1の性能を向上させる効果が期待できる。なお、三角リブ、四角リブ又は台形リブ66等の補強材は、縦リブ65の有無によらずに適宜配置されて、セグメント1の性能向上を図ることができる。
なお、本発明を適用したセグメント1は、必要に応じて、図8〜図19に示す鋼殻6の内部6aで、ずれ止め部材61、補強部材62、主鋼材63、配力筋64及び縦リブ65が適宜組み合わされた状態で、中詰めコンクリート60が充填されるものとなる。
本発明を適用したセグメント1は、図21に示すように、所定のセグメント1の一端側主桁板31に、軸方向Xに隣り合って連結される他のセグメント1の他端側主桁板32が当接されて、複数のセグメント1が互いに連結されるものとなる。
本発明を適用したセグメント1は、図21(a)に示すように、図4に示す軸方向Xで非対称に形成されたセグメント形鋼2を、一対の主桁板3の各々に共通して略同一形状のものとして用いることで、複数のセグメント1が互いに連結される。
また、本発明を適用したセグメント1は、これに限らず、図21(b)に示すように、図5に示す軸方向Xで線対称に形成されたセグメント形鋼2を、一対の主桁板3の各々に用いることで、複数のセグメント1が互いに連結されてもよい。
さらに、本発明を適用したセグメント1は、図21(c)に示すように、図4に示す非対称に形成されたセグメント形鋼2と、図5に示す線対称に形成されたセグメント形鋼2とを組み合わせて用いることで、複数のセグメント1が互いに連結されてもよい。
なお、本発明を適用したセグメント1は、図22に示すように、軸方向Xに隣り合って連結される他のセグメント1の主桁板3が当接された状態で、一端側主桁板31に形成された嵌合凸部21と、他のセグメント1の他端側主桁板32に形成された嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に周方向Yに連続して形成されてもよい。このとき、本発明を適用したセグメント1は、軸方向Xに隣り合って連結される各々のセグメント1において、軸方向Xの両端部の主桁板3の断面形状を統一させて、主桁板3の断面形状を1種類で済ませることができる。
これにより、本発明を適用したセグメント1は、主桁板3の断面形状が1種類で済むので、主桁板3の製造において製造治具を少なくできることから、製造コストを抑えることが可能となる。また、本発明を適用したセグメント1は、組立時においても主桁板3の向きを統一できるので、組立時の材料管理や組立手間も少なく済ませることが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、主桁板3として図7(b)に示すセグメント形鋼2を採用した場合に、図22(a)に示すように、一端側主桁板31及び他端側主桁板32が、セグメント1の周方向Yの断面での中心点に対して点対称に配置される。このとき、本発明を適用したセグメント1は、中詰めコンクリート60に係止される嵌合凸部21が法線方向Zの両端部に配置されるため、中詰めコンクリート60を法線方向Zに挟み込む効果が得られ、鋼殻6と中詰めコンクリート60とをより強固に一体化することができる。さらに、中詰めコンクリート60と当接する面の嵌合凸部21が、主桁板3の法線方向Zの両端部のみに配置されるため、図14〜図19に示す縦リブ65等の補強材の配置が容易となり、セグメント1の製作コストを低減することが可能となる。
ここで、本発明を適用したセグメント1は、図23に示すように、軸方向Xの両端部で各々の主桁板3が互いに当接されて、一方の主桁板3の嵌合凸部21が他方の主桁板3の嵌合受部22に嵌合されることで、複数のセグメント1が互いに連結されるものとなる。
このとき、本発明を適用したセグメント1は、特に、一端側主桁板31の湾曲状の嵌合凸部21と、他端側主桁板32の湾曲状の嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成されることで、湾曲状の嵌合凸部21が嵌合受部22に確実に嵌め込まれる。さらに、本発明を適用したセグメント1は、他端側主桁板32の平坦状の嵌合凸部21も、一端側主桁板31の平坦状の嵌合受部22に確実に嵌め込まれる。
本発明を適用したセグメント1は、各々の主桁板3に所定の断面形状のセグメント形鋼2が用いられて、互いに対応する形状で湾曲状等に形成された嵌合凸部21及び嵌合受部22が、一対の主桁板3の各々に形成されて確実かつ強固に嵌合するものとなる。本発明を適用したセグメント1は、特に、一対の主桁板3の各々の嵌合凸部21と嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置で対応する形状に形成されることで、軸方向Xに連結される複数のセグメント1の一体性を向上させることが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、一対の主桁板3の各々の嵌合凸部21と嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置で対応する形状に形成されて確実に嵌合されることで、複数のセグメント1の現場での組立てを容易に実施することが可能となる。さらに、本発明を適用したセグメント1は、複数のセグメント1の現場での組立容易性が向上することで、複数のセグメント1の一体性を確実に向上させて、互いに連結される複数のセグメント1の地震時の高耐久性も実現することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図6、図7に示すセグメント形鋼2を各々の主桁板3に用いることで、図23に示すように、中詰めコンクリート60に係止される嵌合凸部21及び嵌合受部22の何れか一方又は両方が、鋼殻6の内部6a側に配置される本体部20の側面にも形成される。これにより、本発明を適用したセグメント1は、嵌合凸部21又は嵌合受部22が鋼殻6の内部6a側で中詰めコンクリート60に係止されることで、鋼殻6の内部6aに充填される中詰めコンクリート60と鋼殻6との一体性を向上させることが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、嵌合凸部21及び嵌合受部22が、各々の主桁板3で鋼殻6の内部6aの反対側に配置される何れか一方の側面のみに形成されるだけでなく、鋼殻6の内部6a側に配置される何れか他方の側面にも形成されるものとなる。これにより、本発明を適用したセグメント1は、鋼殻6の内部6a側でも嵌合凸部21及び嵌合受部22が中詰めコンクリート60に係止されることで、鋼殻6の内部6aに充填される中詰めコンクリート60と鋼殻6との一体性を向上させることが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、鋼殻6の内部6a側でも嵌合凸部21及び嵌合受部22が中詰めコンクリート60に係止されることで、鋼殻6と中詰めコンクリート60とが法線方向Zに対して一体化されて、トンネル外力に対する鋼殻6の法線方向Zのたわみと中詰めコンクリート60のたわみが略同一状態となり、いわゆる重ねはり構造の挙動を確保することができる。これにより、本発明を適用したセグメント1は、嵌合凸部21及び嵌合受部22と中詰めコンクリート60との係止部分が周方向Yに連続して形成されることで、ずれ止め機能の剛性が極めて高くなり、一体化の効果が格段に高まるものとなる。そして、本発明を適用したセグメント1は、トンネル外力が作用した場合にも、中詰めコンクリート60がトンネル内部に剥落することを抑止する効果が得られるため、トンネル構造の安全性に大きく寄与するものとなる。
また、本発明を適用したセグメント1は、図4に示すように、軸方向Xで非対称に形成されたセグメント形鋼2を、一対の主桁板3の各々で互いに略同一形状のものとして共通して用いることができる。これにより、本発明を適用したセグメント1は、略同一形状のセグメント形鋼2が各々の主桁板3として用いられることで、主桁板3となるセグメント形鋼2の共通化を図り、セグメント1の製作コストを低減することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、特に、図24に示すように、軸方向Xに隣り合って連結される他のセグメント1の他端側主桁板32が、所定のセグメント1の一端側主桁板31に当接された状態で、軸方向Xに凹状となる止水溝23が形成される。
止水溝23は、軸方向Xで一端側主桁板31と他端側主桁板32とが互いに当接された状態で、嵌合凸部21又は嵌合受部22から法線方向Zに連続させて、軸方向Xの外側Aから内側Bに向けて断面略S字状に湾曲するように凹状に形成される。
止水溝23は、図24(a)に示すように、断面略S字状に湾曲するように形成されることで、比較的大きな間隙となる拡幅部23aと、比較的小さな間隙となる狭小部23bとが形成される。止水溝23は、地山側Z1から地下水圧が作用する前の状態で、ゴム製等のシール材24が拡幅部23aに嵌装されるものとなる。
止水溝23は、図24(b)に示すように、地山側Z1から地下水圧が作用することで、地山側Z1から内空側Z2へ地下水等が浸入しようとして、地下水等の水圧でシール材24が押圧Pされる。このとき、シール材24は、拡幅部23aから狭小部23bに飛び出すように変形して、比較的小さな間隙の狭小部23bに密着するように挟み込まれる。
本発明を適用したセグメント1は、軸方向Xで一端側主桁板31と他端側主桁板32とが互いに当接されて、地山側Z1から地下水圧が作用した後の状態で、比較的小さな間隙の狭小部23bにシール材24が密着して挟み込まれる。これにより、本発明を適用したセグメント1は、密着したシール材24で地下水等の浸入が確実に遮断されるため、複数のセグメント1の連結箇所での止水性能を著しく向上させることが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、嵌合凸部21又は嵌合受部22から法線方向Zに連続させて、軸方向Xに凹状となる止水溝23が形成されるため、独立した止水構造をセグメント1に設けることが不要となる。これにより、本発明を適用したセグメント1は、独立した止水構造を不要とすることで、止水構造を設けるためのセグメント1の製作コストを抑制することが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、図25に示すように、止水溝23が嵌合凸部21又は嵌合受部22から独立して形成されて、かつ、軸方向Xに隣り合って連結される他のセグメント1の止水溝23と法線方向Zで互いに略同一の位置に形成される場合に、シール材24の幅を自由に選択することが可能となり、さらに、軸方向Xに隣り合う2枚のシール材24が重なり合って地下水圧に抵抗することで、高い止水性能を発揮することが可能となる。このとき、本発明を適用したセグメント1は、軸方向Xで本体部20の両側面に凹状となる止水溝23が形成されて、本体部20の外側Aで凹状となる止水溝23と、本体部20の内側Bで凹状となる止水溝23とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に形成されてもよい。本発明を適用したセグメント1は、止水溝23を両面に設けておくことで、内側Bの止水溝23による中詰めコンクリート60との一体性が飛躍的に向上するだけでなく、主桁板3の形状が対称形となって製造効率が飛躍的に向上して、同時に止水機能の代わりにずれ止めの機能を兼用させることが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図3〜図7に示すように、各々の主桁板3に所定の断面形状のセグメント形鋼2が用いられて、嵌合凸部21及び嵌合受部22が形成されることで、各々の主桁板3の面外方向及び面内方向の剛性が向上する。これにより、本発明を適用したセグメント1は、各々の主桁板3の面外方向及び面内方向の剛性を向上させて、各々の主桁板3の高耐力化を図ることが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図2に示すように、各々の主桁板3と同様に、必要に応じて、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2を、各々の継手板4として用いてもよい。各々の継手板4は、図6、図7に示すセグメント形鋼2を用いることで、周方向Yの一端側に配置される一端側継手板41の嵌合凸部21と、周方向Yの他端側に配置される他端側継手板42の嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置に軸方向Xに連続して形成される。
これにより、本発明を適用したセグメント1は、一対の継手板4の各々の嵌合凸部21と嵌合受部22とが、法線方向Zで互いに略同一の位置で対応する形状に形成されることで、周方向Yに連結される複数のセグメント1の一体性を向上させることが可能となる。なお、本発明を適用したセグメント1は、例えば、主桁板3及び継手板4の何れか一方においてのみ、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2が用いられてもよい。
本発明を適用したセグメント1は、特に、一対の主桁板3及び一対の継手板4の両方において、所定の断面形状で形成されたセグメント形鋼2が用いられることで、図1に示すように、複数のセグメント1が軸方向X及び周方向Yで一体的に連結される。このとき、本発明を適用したセグメント1は、複数のセグメント1が周方向Yで一体的に連結されてセグメントリング70が構築されるとともに、複数のセグメントリング70が軸方向Xで一体的に連結されてトンネル7が構築されるものとなる。
ここで、セグメント1は、図2に示すように、複数の部材の組立工程において、一般的に、鋼板、形鋼等の切断、切削、曲げ加工、溶接等の多様な加工を実施する必要がある。そして、セグメント1は、加工後の製品として、幅、高さ、捻じれ、曲がり等の寸法精度を許容範囲内に収める必要があるものの、各々の部材の強度及び成分等が異なることから、寸法精度の管理が経験によるところが多く、極めて困難を要していた。
特に、セグメント1の主桁板3は、土水圧等の外荷重に対して抵抗する際の主要部材であり、セグメント1の鋼殻6の外周に配置されるため、品質及び寸法精度として高い水準が要求されている。このため、本発明を適用したセグメント1は、図6、図7に示すように、特に、セグメント形鋼2の全高H又は全幅Wに対して図心位置と重心位置とのずれ量Δを8%以下として、図心位置と重心位置とが略一致するものとする。
ここで、主桁板3の図心位置と重心位置との軸方向X(法線方向Z)のずれ量Δが大きいと、曲げ加工や溶接加工に伴う反り、ねじれなどの変形が大きくなり、セグメント1の所要の寸法精度を確保することが難しくなる。一方、主桁板3の軸方向X(法線方向Z)の全幅W(全高H)が大きいと、主桁板3の剛性が大きくなり、曲げ加工や溶接加工に伴う反り、ねじれなどの変形に対する抵抗性が高まり、セグメント1の所要の寸法精度を確保することが容易になる。
製作難度を示す指標として、全高H又は全幅Wに対する図心位置と重心位置とのずれ量Δを採用すると、ずれ量Δが大きいほど反り、ねじれ変形は大きくなり、製作難度が上がることになる。本発明の発明者は、図26に示すように、これまでの種々の製作実績により、ずれ量Δが8%以下であれば、簡易な矯正で高い水準の品質及び寸法精度を確保することが可能であり、さらにずれ量Δが3%以下であれば、矯正の必要なくより高い水準の品質及び寸法精度を確保することが可能であることを見出した。なお、ずれ量Δが8%を超えると、通常の矯正で所要の寸法精度を確保することは極めて困難となり、大規模な冶具による加工が必要となるため、組立加工費を大幅に増加させることになる。
これにより、本発明を適用したセグメント1は、セグメント形鋼2の断面方向で、図心位置と重心位置とが略一致することで、セグメント形鋼2の組立加工が大幅に削減されるだけでなく、高い水準の品質及び寸法精度も確保することが可能となる。そして、本発明を適用したセグメント1は、特に、セグメント形鋼2の図心位置と重心位置とのずれ量Δを3%以下としたとき、より高い水準の品質及び寸法精度を確保することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1の基本思想は、法線方向Zのずれ止め剛性を相対的に大きく設定して、トンネル崩壊等の極限的リスクを回避することに重点を置きつつ、図8、図9に示すトンネル接線方向のずれ止め部材61等を適宜設けることで、トンネルに作用する外力に適切に抵抗するトンネルセグメント構造を提供することにある。さらに、この基本思想に加えて、周方向Yに連続する嵌合凸部21及び嵌合受部22を主桁板3に形成することで、嵌合機能、止水機能だけでなく、ずれ止め機能を付与することを同時に達成することを可能にしている。しかも、安価に製造するために主桁板3の凹凸形状の配置を工夫することで、低コストと多機能性とを両立させることを可能にしている。
本発明を適用したセグメント1は、図27に示すように、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか一方に、オス継手80が設けられるとともに、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか他方に、メス継手81が設けられる。
一端側主桁板31には、主に、図27(a)に示すように、周方向Yの一方の片端側でオス継手80が設けられて、周方向Yの他方の片端側でメス継手81が設けられる。また、他端側主桁板32には、周方向Yの一方の片端側でメス継手81が設けられて、周方向Yの他方の片端側でオス継手80が設けられる。
一端側主桁板31には、必要に応じて、図27(b)に示すように、周方向Yの両端側でオス継手80が設けられるとともに、他端側主桁板32には、周方向Yの両端側でメス継手81が設けられてもよい。なお、一端側主桁板31及び他端側主桁板32は、周方向Yの両端側でオス継手80又はメス継手81が設けられるほか、周方向Yの片端側にのみオス継手80又はメス継手81が設けられてもよい。
そして、オス継手80及びメス継手81は、主に、図28に示すように、非対称に形成されたセグメント形鋼2が用いられた主桁板3に設けられてもよく、図29に示すように、線対称に形成されたセグメント形鋼2が用いられた主桁板3に設けられてもよい。
オス継手80は、例えば、第1実施例において、図28、図29に示すように、軸方向Xで主桁板3の本体部20の外側Aから、周方向Yに突出する鋼板等の略平板状の平板材8が設けられる。このとき、平板材8は、鋼板等が部分的に主桁板3の本体部20に溶接等で接合されて、鋼板等の接合されていない部分を周方向Yに突出した部分とし、周方向Yに突出した部分を板厚方向に貫通させて孔部80aが形成される。
そして、メス継手81は、第1実施例において、主桁板3の本体部20から軸方向Xに突出する平鋼等の突出部81aが形成される。このとき、突出部81aは、平鋼等が主桁板3の本体部20に溶接等で接合されて、オス継手80として設けられた平板材8の孔部80aに挿通されることで、メス継手81にオス継手80が取り付けられるものとなる。
オス継手80は、第2実施例においては、図30に示すように、主桁板3の本体部20と略同一平面上に、主桁板3の本体部20から周方向Yに突出する略平板状の平板材8が設けられる。なお、平板材8は、主桁板3の本体部20と圧延等で一体に設けられるほか、図31に示すように、主桁板3の本体部20とは別部材の鋼板等が用いられてもよい。なお、別部材の鋼板は、主桁板3の本体部20よりも強度が高いもの、主桁板3の本体部20と板厚が異なるものでもよい。
そして、メス継手81は、第2実施例においては、主桁板3の本体部20を軸方向Xの内側Bに陥没させた陥没部82が形成される。陥没部82は、主桁板3の本体部20から平板材8の板厚と同程度まで内側Bとなる位置に底面82bが配置されて、鋼殻6の内部6aの中詰めコンクリート60が露出しないように、陥没部82の底面82bが側端面82aで取り囲まれる。メス継手81は、陥没部82の底面82bから軸方向Xに突出する突出部81aが形成され、オス継手80として設けられた平板材8の孔部80aに突出部81aが挿通されることで、メス継手81にオス継手80が取り付けられる。
オス継手80は、第3実施例においては、図32に示すように、軸方向Xで主桁板3の本体部20の内側Bから、周方向Yに突出する略平板状の平板材8が設けられる。そして、メス継手81は、第3実施例においては、主桁板3の本体部20を軸方向Xの内側Bに陥没させた陥没部82が形成され、主桁板3の本体部20から本体部20及び平板材8を併せた板厚と同程度まで内側Bとなる位置に陥没部82の底面82bが配置される。メス継手81は、陥没部82の底面82bから軸方向Xに突出する突出部81aが形成されて、オス継手80として設けられた平板材8の孔部80aに突出部81aが挿通されることで、メス継手81にオス継手80が取り付けられる。
メス継手81は、第2実施例及び第3実施例の何れにおいても、陥没部82にオス継手80の平板材8が嵌め込まれる。また、メス継手81には、第2実施例及び第3実施例の何れにおいても、図33に示すように、陥没部82の側端面82aから法線方向Zに突出する突起81bが形成されてもよい。このとき、オス継手80には、平板材8の突出した部分の側端面8aから法線方向Zに切り欠いた切欠溝80bが形成される。そして、メス継手81は、オス継手80の平板材8の切欠溝80bにメス継手81の陥没部82の突起81bが嵌め込まれることで、メス継手81にオス継手80が取り付けられる。
本発明を適用したセグメント1は、図28〜図33に示すように、オス継手80となる平板材8の孔部80aにメス継手81の突出部81aが挿通され、突出部81aが平板材8の孔部80aで周方向Yに係止される。また、本発明を適用したセグメント1は、オス継手80となる平板材8の切欠溝80bにメス継手81の突起81bが嵌め込まれる場合は、突起81bが平板材8の切欠溝80bで周方向Yに係止される。なお、本発明を適用したセグメント1は、必要に応じて、オス継手80の平板材8に突起81bが形成されるとともに、メス継手81の陥没部82に切欠溝80bが形成されてもよい。
このとき、本発明を適用したセグメント1は、オス継手80及びメス継手81がピース継手として用いられて、平板材8の孔部80a又は切欠溝80bに突出部81a又は突起81bが周方向Yに係止されることで、周方向Yに隣り合った他のセグメント1と互いに離間しないように連結されて、図1に示すように、複数のセグメント1が周方向Yに連結されたセグメントリング70を構築することが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、図27に示すように、オス継手80又はメス継手81と主桁板3とが周方向Yに並べて配置され、主桁板3を軸方向Xにスライド移動させながら複数のセグメント1を周方向Yに連結することができる。このとき、本発明を適用したセグメント1は、ジャッキ推進力等によって軸方向Xの曲げ荷重がピース継手に作用するものの、オス継手80又はメス継手81と主桁板3とを周方向Yに並べたピース継手とすることで、ピース継手に作用する偏心荷重を抑制することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、例えば、第3実施例において、図34に示すように、鋼板等の略平板状の蓋板材83が、平板材8とともに陥没部82に嵌め込まれて主桁板3の本体部20に溶接等で接合されて、平板材8を覆うように設けられてもよい。そして、略平板状の蓋板材83は、平板材8とともに陥没部82に嵌め込まれて、メス継手81における主桁板3の本体部20に溶接接合等で取り付けられる。また、略平板状の蓋板材83は、オス継手80における平板材8にあらかじめ溶接接合等で取り付けられて、平板材8とともに陥没部82に嵌め込まれてもよい。このとき、本発明を適用したセグメント1は、必要に応じて、図33に示す突起81b又は切欠溝80bが、平板材8を覆うように設けられる蓋板材83に形成されてもよい。
このとき、本発明を適用したセグメント1は、メス継手81の陥没部82が主桁板3の本体部20及び平板材8を併せた板厚と同程度まで内側Bとなる位置に形成されるものの、蓋板材83が平板材8とともに陥没部82に嵌め込まれて主桁板3の本体部20に接合されることで、メス継手81の陥没部82を蓋板材83で補剛するとともに、ピース継手に作用する偏心荷重を抑制することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図35に示すように、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか一方に、ピン継手90が設けられるとともに、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか他方に、嵌合継手91が設けられる。
そして、ピン継手90及び嵌合継手91は、主に、図36に示すように、非対称に形成されたセグメント形鋼2が用いられた主桁板3に設けられてもよく、図37に示すように、線対称に形成されたセグメント形鋼2が用いられた主桁板3に設けられてもよい。
ピン継手90は、主桁板3の本体部20の側面から軸方向Xに突出させて設けられる。ピン継手90は、図38に示すように、例えば、軸方向Xの先端部90aが基端部90bよりも径大に形成される。そして、ピン継手90は、軸方向Xの先端部90aが軸方向Xに対して断面略円形状となって略円柱形状に形成され、必要に応じて、軸方向Xの基端部90bも軸方向Xに対して断面略円形状となって略円柱形状に形成される。
嵌合継手91は、図39に示すように、フレーム94に内設された複数のスライドバー92が法線方向Z又は周方向Yに離間させて配置されて、複数のスライドバー92の隙間に挿通部91aが形成される。嵌合継手91は、バネ等の弾性部材93の一端がフレーム94に固定され、弾性部材93の他端がスライドバー92に固定される。このとき、嵌合継手91は、各々のスライドバー92が挿通部91aに向けて弾性部材93で付勢されて、複数のスライドバー92が互いに離間又は接近するように移動できるものとなる。
嵌合継手91は、図40に示すように、ピン継手90の先端部90aが挿通部91aに挿通されてスライドバー92に係止されることでピン継手90が嵌め込まれる。このとき、嵌合継手91は、図40(a)に示すように、嵌合継手91にピン継手90を嵌め込む段階で、挿通部91aに挿通するときにピン継手90の先端部90aがスライドバー92の外側Aの当接面92aに当接される。また、嵌合継手91は、図40(b)に示すように、嵌合継手91にピン継手90を嵌め込んだ状態では、挿通部91aに挿通されたピン継手90の先端部90aがスライドバー92の内側Bの係止面92bに係止される。
スライドバー92は、図39、図40(a)に示すように、挿通部91aに挿通されるピン継手90の先端部90aが当接される当接面92aが、軸方向Xに対して略円弧状に形成されて、必要に応じて、略テーパ状に傾斜した当接面92aとなる。また、スライドバー92は、挿通部91aに挿通されたピン継手90の先端部90aが係止される係止面92bが、図40(b)、図41に示すように、軸方向Xに対して略円弧状に形成される。そして、スライドバー92は、当接面92a及び係止面92bの何れか一方又は両方が、軸方向Xに対して略円弧状に形成されるものとなる。
ピン継手90は、図36に示すように、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか一方で、主桁板3の本体部20を貫通させた貫通孔95に基端部90bが挿通されてもよい。このとき、ピン継手90は、軸方向Xの内側Bから外側Aまで連続して設けられて、鋼殻6の内部6aで基端部90bを覆うように防護カバー96が設けられる。
また、ピン継手90は、一端側主桁板31及び他端側主桁板32の何れか他方で、主桁板3の本体部20を貫通させた貫通孔95に先端部90aが挿通されてもよい。このとき、ピン継手90は、軸方向Xの外側Aから内側Bまで連続して設けられて、鋼殻6の内部6aで先端部90aを覆うように防護カバー96が設けられる。
ピン継手90は、鋼製等の略箱状の防護カバー96が、先端部90a及び基端部90bの両方を覆うものとして設けられる。また、ピン継手90は、先端部90aのみを主桁板3の本体部20に貫通させる場合には、先端部90aを覆う防護カバー96のみを設けてもよく、基端部90bのみを主桁板3の本体部20に貫通させる場合には、基端部90bを覆う防護カバー96のみを設けてもよい。そして、ピン継手90は、図37に示すように、主桁板3の本体部20を貫通させない場合には、防護カバーを設けなくてもよい。
本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90及び嵌合継手91がリング継手として用いられて、図40に示すように、ピン継手90の先端部90aが嵌合継手91の挿通部91aに挿通されてスライドバー92に係止されることで、軸方向Xに隣り合った他のセグメント1と互いに離間しないように連結されて、図1に示すように、複数のセグメントリング70が軸方向Xに連結されたトンネル7を構築することが可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図36に示すように、ピン継手90が鋼殻6の内部6aまで貫通させて設けられる場合に、ピン継手90の先端部90a又は基端部90bを覆う防護カバー96が設けられることで、鋼殻6の内部6aでピン継手90又は嵌合継手91が設けられた箇所への中詰めコンクリート60の流入を防止することが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90の先端部90aが軸方向Xに対して角部のない断面略円形状に形成されることで、主桁板3の側面にピン継手90を溶接等で取り付けるときに、ピン継手90の断面方向の回転が許容されるものとなる。このとき、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90の角部を所定の位置に合わせる必要がないものとなるため、ピン継手90の溶接等による作業性を向上させ、ピン継手90を取り付けるための施工コストを抑制することが可能となる。
また、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90の先端部90aが断面略円形状に形成されて、先端部90aに調芯機能を発揮させて嵌合継手91に嵌め込まれるときの位置合わせの許容範囲が広がるため、ピン継手90の加工精度を緩和させて加工コストを低減させることが可能となる。なお、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90として断面略円形状のボルト等の汎用品を活用することで、材料コストも低減できる。
また、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90の基端部90bが断面略円形状に形成されて、ピン継手90の基端部90bにねじ切り加工等をすることで、主桁板3の側面の貫通孔95に、ピン継手90の基端部90bをねじ込んで取り付けることもできる。さらに、本発明を適用したセグメント1は、ピン継手90の基端部90bに角部が形成されず、角部がないため断面方向で均一な溶接状態として、ピン継手90の基端部90bをスタッド溶接で取り付けることで、溶接の品質を向上させることもできる。
そして、本発明を適用したセグメント1は、図40(b)、図41に示すように、ピン継手90の先端部90aが係止されるスライドバー92の係止面92bが略円弧状に形成されることで、ピン継手90の先端部90aとスライドバー92の係止面92bとの接触面積が略円形状となって、その接触面積が大きく確保されて引張強度が高強度化するため、軸方向Xに隣り合った複数のセグメント1を頑強に連結することが可能となる。
さらに、本発明を適用したセグメント1は、図39、図40(a)に示すように、ピン継手90の先端部90aが当接される当接面92aが略円弧状に形成されることで、ピン継手90の先端部90aがスライドバー92の当接面92aで摺動する範囲を放射形状とし、その摺動範囲を大きく確保して調芯機能が向上するため、軸方向Xに隣り合った複数のセグメント1の連結精度が向上し、高品質なトンネル7を構築することが可能となるとともに、各々のピン継手90及び嵌合継手91の加工の省力化も可能となる。
本発明を適用したセグメント1は、図42に示すように、法線方向Zの地山側Z1又は内空側Z2で主桁板3と継手板4とが接合される隅部には、必要に応じて、水膨張性ゴム等が用いられた略シート状で止水性のあるコーナーシール97が設けられる。
コーナーシール97は、法線方向Zに延びる折曲線97aと、軸方向X又は周方向Yに延びる折曲線97bとを境界として、法線方向シール面98a、周方向シール面98b、及び軸方向シール面98cが形成される。コーナーシール97は、主桁板3又は継手板4で凹状の止水溝23に設けられたシール材24を覆うように、周方向シール面98bが主桁板3に貼付されて、軸方向シール面98cが継手板4に貼付される。そして、コーナーシール97は、主桁板3及び継手板4の地山側Z1又は内空側Z2の端面を覆うように、主桁板3と継手板4との境界に跨って、法線方向シール面98aが貼付される。
本発明を適用したセグメント1は、法線方向Zの地山側Z1又は内空側Z2で主桁板3と継手板4とが接合される隅部にコーナーシール97が設けられることで、主桁板3及び継手板4の法線方向Zの端面と主桁板3及び継手板4の側面とで形成される隅部の3面が、略シート状で止水性のあるコーナーシール97で一体的に被覆される。そして、主桁板3又は継手板4の止水溝23に設けられたシール材24もコーナーシール97で一体的に被覆されることで、セグメント1の隅部における止水性を向上させることが可能となる。
コーナーシール97は、図43に示すように、法線方向Zに延びる折曲線97aを境界とし、周方向シール面98b、及び軸方向シール面98cが形成されて、周方向シール面98b及び軸方向シール面98cの何れか一方又は両方に、止水溝貼付面98dと嵌合部貼付面98eとが段違いで形成されてもよい。このとき、コーナーシール97は、主桁板3及び継手板4の何れか一方又は両方で、凹状の止水溝23に設けられたシール材24を覆うように止水溝貼付面98dが貼付されるとともに、嵌合凸部21又は嵌合受部22に嵌合部貼付面98eが貼付されるものとなる。そして、主桁板3又は継手板4のシール材24と嵌合凸部21又は嵌合受部22とがコーナーシール97で一体的に被覆されることで、セグメント1の隅部における止水性を向上させることが可能となる。
以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。