JP7335504B2 - 合成セグメント - Google Patents

Description

本発明は、合成セグメントに関する。

従来、地山に掘削穴を掘削しつつ、その内面に円弧版状のセグメントをトンネル周方向及びトンネル軸方向に複数連結して筒状壁体を構築することによりトンネルを形成するシールド工法において、トンネルの地山側と内空側の少なくともいずれか一方にスキンプレートを有する鋼製の円弧版状枠体（鋼殻）内にコンクリートを充填して製造された合成セグメントが知られている。

このような合成セグメントとして、トンネル周方向に円弧状に配置される地山側フランジ部材と内空側フランジ部材とを備えた構造のものある。図１０に示す合成セグメント１００のように、主桁１０１の断面形状がコの字型の場合には、その回転中心１０２が主桁断面の外側に存在するため、トンネル径方向の外力Ｐ１が作用した場合に、主桁１０１が面外に回転する性質があり、これにより合成セグメント１００の剛性、耐力が低下してしまう問題があった。特に、コンクリートが中詰めされている場合には、コンクリートのひび割れ、あるいはフランジ部材とコンクリートとの剥離が発生し、耐久性能が低下してしまう。

そこで、上述したような課題に対応した耐久性能を向上させるため、図１１に示すように、一対の主桁１０４を備え、それら一対の主桁１０４同士を接続部材１０５で連結した構成の合成セグメント１０６が例えば特許文献１に提案されている。
特許文献１には、１枚のウェブ部材と少なくとも１枚のフランジ部材とを有する少なくとも一対の主桁と、地山側または内空側のいずれか一方あるいは両方にスキンプレートと、を備える合成セグメントにおいて、互いに溶接により固着されたウェブ部材とフランジ部材間、又は互いにトンネル径方向に対向するフランジ部材間、又はフランジ部材とスキンプレート間、を接続する接続部材が設けられ、この接続部材がトンネル周方向へ間隔をおいて複数設けられた構成の合成セグメントについて記載されている。

特許第５３３３３７５号公報

しかしながら、従来の合成セグメントでは、以下のような問題があった。
すなわち、シールドトンネルの施工では、シールドマシンが合成セグメントの主桁部分に推進ジャッキの反力をとって推進力を得て掘進する。そして、特許文献１に示すようなＩ型状の主桁が用いられることがあるが、この場合には、図１１に示す合成セグメント１０６のように、主桁１０４のフランジ部材１０４Ａのこば面１０４ａに推進ジャッキ１０７のスプレッダ１０７ａが当接する。そのため、ジャッキ推力Ｐ１の中心軸はフランジ部材１０４Ａのこば面１０４ａに対して偏心して作用することになる。その結果、主桁１０４のフランジ部材１０４Ａに付加的な回転力（図１１に示すモーメントＭ１（Ｍ１＝Ｐ１×ｅ）、ｅは主桁１０４の高さ方向の中心からフランジの外面までの長さ）が生じ、トンネル完成前にもかかわらず中詰めコンクリートにひび割れが発生するという問題があった。

なお、特許文献１においてフランジ部材の回転を抑制するためにフランジ部材とウェブ部材との隅角部に補強部材を設ける構成としている。しかし、フランジ部材の回転に対して短いアーム長で抵抗しなければならず、フランジ部材の回転を抑えるためには補強部材の板厚を厚くするといった補強となり、効果的な補強ではないうえ、製作コストが増大するという問題もあった。
また、特許文献１では、Ｉ型状の主桁においてフランジ部材とウェブ部材との隅角部を塞ぐように補強部材を設けることは、コンクリートの充填性を低下させてしまい、品質が十分に確保できないことから、補強位置に関して改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、中詰めコンクリートのひび割れを抑制して構造性能と品質を確保でき、かつ中詰めコンクリートの充填性を向上させることができる合成セグメントを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、製作時における機械切削量及び溶接量を抑えて製作コストを低減することができる合成セグメントを提供することである。

前記目的を達成するため、本発明に係る合成セグメントでは、ウェブ部材と、該ウェブ部材のトンネル地山側及びトンネル内空側の端部に固定されたフランジ部材とによりＩ型状に形成されてトンネル軸方向に対向する一対の主桁と、前記主桁の地山側フランジ部材に接続されたスキンプレートと、前記一対の主桁及び前記スキンプレートのトンネル周方向の端部に溶接された一対の継手板と、を備え、前記主桁、前記継手板、及び前記スキンプレートによって枠組みされた鋼殻の内側には、内空側フランジ部材の内空側端面と面一となる、または前記内空側端面よりもトンネル内空側に所定厚さで設けられる中詰めコンクリートが充填され、前記一対の主桁の少なくともそれぞれの前記地山側フランジ部材の内空側端面と内空側フランジ部材の地山側端面に溶接され、前記一対の主桁同士を連結する板状の接続部材が設けられ、前記接続部材は、前記トンネル軸方向で前記ウェブ部材に対して間隔を空けて配置され、前記接続部材は、連続した一枚の板状部材であり、面方向の内側に開口部が形成され、前記トンネル軸方向および厚さ方向に延在して枠状に形成されることを特徴としている。

本発明に係る合成セグメントでは、一対の主桁がＩ型状に形成されているので、主桁のフランジ部材の回転や面外変形を効果的に抑制し、変形性能を向上させることができ、中詰めコンクリートのひび割れを未然に防止し、所定の構造性能及び品質を確保できる。つまり、Ｉ型状の主桁であることから、同性能のコの字形状の主桁と比較してフランジ部材の突出長を短くすることができるため、主桁のフランジ面外変形や回転を低減することができる。
さらに、主桁をＩ型状とすることで中詰めコンクリートへのジャッキ推力の作用割合が小さくなり、中詰めコンクリートに過剰な荷重を負担させることを防止できる。そのため、中詰めコンクリートのひび割れの発生をより低減することができる。
しかも、推進ジャッキが当接する主桁のフランジ部材のこば面のみの平坦度を確保すれば良いので、主桁の平坦度の精度を確保する面積を低減でき、合成セグメントの製作コストを削減することができる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、主桁のフランジ部材及びウェブ部材の隅角部に補強部材などが配置されない構成なるので、フランジ部材の回転や面外変形を効果的に抑制したまま、中詰めコンクリートの充填性を向上させることができる。

この場合には、Ｉ型状に形成された一対の主桁の地山側フランジ部材と内空側フランジ部材とのトンネル軸方向の内端部近傍同士が接続部材によって連結されているので、これらフランジ部材の回転や面外変形をより効果的に抑制し、変形性能を向上させることができ、中詰めコンクリートのひび割れを未然に防止し、所定の構造性能及び品質を確保できる。

また、本発明では、接続部材によって地山側フランジ部材と内空側フランジ部材同士を連結するとともに、トンネル軸方向に対向する一対の主桁同士を連結することで、合成セグメントの剛性を高めることができる。この場合、ジャッキ推力が合成セグメントに作用した際にも、偏心したジャッキ推力により生じる付加的な回転力を各主桁のフランジ部材に分配して伝達できる。そのため、合成セグメントを構成する主桁、継手板、スキンプレート等の鋼材に対しても過剰な荷重が作用することを防止できる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、少なくとも接続部材と、フランジ部材及びウェブ部材の隅角部とが接続されておらず、接続部材がトンネル軸方向で主桁のウェブ部材に対して間隔を空けて配置され回転に対するアーム長を長くできるので、フランジ部材の回転や面外変形を効果的に抑制したまま、特にコンクリートが充填しにくい主桁隅角部近傍において、中詰めコンクリートの充填性を向上させることができる。
さらに、本発明では、主桁のウェブ部材に対して接続部材を溶接しないため、合成セグメント単体当たりの溶接量を少なく抑えることができ、製作コストを低減できる。

この場合には、例えば接続部材に接続された介挿部材を位置決め部材とし、合成セグメントの製作時において、位置決め部材を主桁のウェブ部材に当接することにより接続部材の位置決めを容易に行うことができ、製作効率を向上させることができる。
また、本発明によれば、接続部材に開口部を設けることによって、合成セグメントの鋼殻内が分断されず、鋼殻内全体が連通した状態となる。そのため、接続部材の開口部が製作時の中詰めコンクリートの通路となることから、中詰めコンクリートの連続性と充填性を確保できる。つまり、コンクリート充填時において、合成セグメントの鋼殻内に空気溜まりが生じることを防ぐことができ、合成構造としての一体性が得られ、製品の品質を向上させることができる。
また、この場合には、接続部材そのものが複数の部材同士を接続する接続箇所がない構成となるので、地山側フランジ部材と内空側フランジ部材との間、及び一対の主桁間における荷重伝達を効率よく行うことができる。
また、この場合には、複数の部材を組み合せて接続部材を製作する工程が不要となり、製作コストを低減することができる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、前記接続部材の地山側端部の少なくとも一部は、前記スキンプレートに連結されていることを特徴としてもよい。

この場合には、接続部材とスキンプレートとが連結され、一方の主桁から伝達されるジャッキ推力を他方の主桁へ伝達する際にスキンプレートを介しても伝達されることとなることから、中詰めコンクリートに作用する荷重の負担をさらに低減でき、中詰めコンクリートのひび割れを防止することができる。
また、接続部材とスキンプレートとを連結することによって、スキンプレートの面外変形を抑制できるため、主桁に作用する荷重を接続部材とスキンプレートへ効率よく伝達することが可能となる。また、鋼材による中詰めコンクリートの拘束効果をもたせた構造となり、中詰めコンクリートの強度そのものを強化できる利点がある。
このように、本発明では、合成セグメントとしての剛性を高めることができるため、製作時における寸法精度も向上させることができる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、前記接続部材の内空側端部には、トンネル内空側に開口する切欠き凹部が形成されていることを特徴としてもよい。

この場合には、接続部材の内空側端部におけるコンクリート被り厚を大きくとることができる。すなわち、接続部材の内空側端部を中詰めコンクリートの内空側端面から離間させた位置とすることができるため、合成セグメントの内空側の表面に発生するひび割れの起点を無くすことができる。
また、本発明では、接続部材に設けられた切欠き凹部が製作時の中詰めコンクリートの通路となることから、中詰めコンクリートの連続性と充填性を確保できる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、前記接続部材の内空側端部よりもトンネル内空側には、トンネル周方向及びトンネル軸方向のうち少なくとも一方に沿って延在する鋼材が配置され、前記中詰めコンクリートは、前記内空側フランジ部材の内空側端面よりもトンネル内空側に所定厚さで設けられた内空側コンクリートを有し、前記鋼材は、前記内空側コンクリートを有する前記中詰めコンクリートによって埋設されている前記内空側コンクリートによって埋設されていることを特徴としてもよい。

本発明では、接続部材の内空側端部よりもトンネル内空側の中詰めコンクリート内に埋設されている鋼材が構造部材あるいはコンクリートのひび割れ防止の機能を有することになり、中詰めコンクリートの割れや欠け、それらの剥落を防止することができる。
また、本発明では、中詰めコンクリートのアルカリ成分が鋼殻との間に不動態皮膜を形成し、防食機能を発揮する。これにより、トンネル内空側に埋設されている鋼材や前記主桁の腐食を防止することができる。また、火災時などの高温に対して鋼材を保護することも可能となり、鋼材の強度の低下を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、前記一対のフランジ部材のうち少なくとも一方には、前記トンネル軸方向の外側に位置する外端部に段状に切り欠かれた係合段部が形成され、該係合段部は、トンネル周方向に接合される他の合成セグメントに形成された係合段部に係合可能に設けられていることを特徴としてもよい。

本発明では、セグメントリング間の合成セグメント同士を接続する際に、双方の合成セグメントのフランジ部材に形成されている係合段部同士を係合させることで、その段状の係合部分がトンネル径方向のずれ止めとして機能することから、セグメントリング間の接続を容易に行うことができる。

また、本発明に係る合成セグメントでは、前記一対の主桁における前記地山側フランジ部材には、前記トンネル軸方向の内側に位置する内端部に切欠溝が形成され、該切欠溝には、前記スキンプレートが溶接され、前記地山側フランジ部材と前記スキンプレートの地山側端面とが面一となっていることが好ましい。

本発明では、地山側フランジ部材に形成される切欠溝に係止させて溶接されたスキンプレートが地山側フランジ部材の地山側端面と面一となって形成され、地山側フランジ部材の地山側端面に対して段差や地山側にスキンプレートが突出した状態にならない。そのため、スキンプレート直下の中詰めコンクリートの荷重負担を軽減することができ、強度や剛性の高い主桁に力が伝達され易くなる。
また、この場合には、地山側フランジ部材に形成した切欠溝にスキンプレートの一部を載置するように係止させるだけで位置決めすることができ、合成セグメントの製作性を向上させることができる。

本発明の合成セグメントによれば、中詰めコンクリートのひび割れを抑制して構造性能と品質を確保でき、かつ中詰めコンクリートの充填性を向上させることができる。
また、本発明の合成セグメントによれば、製作時における機械切削量及び溶接量を抑えて製作コストを低減することができる。

本発明の第１実施形態による合成セグメントの構成を示す一部破断した斜視図であって、トンネル内空側から見た図である。 図１に示すＡ－Ａ線から見た斜視図であって、スキンプレートを紙面上側に向けた図である。 図１に示すＢ－Ｂ線断面図であって、鋼殻内の全体に中詰めコンクリートが充填された合成セグメントをトンネル周方向から見た図である。 図１に示すＣ－Ｃ線断面図であって、鋼殻内の全体に中詰めコンクリートが充填された合成セグメントをトンネル軸方向から見た図である。 第２実施形態による合成セグメントの構成を示す断面図であって、図３に対応する図である。 第３実施形態による合成セグメントの構成を示す断面図であって、図３に対応する図である。 第４実施形態による合成セグメントの構成を示す断面図であって、図３に対応する図である。 第５実施形態による合成セグメントの構成を示す断面図であって、図３に対応する図である。 （ａ）は第６実施形態による合成セグメントの構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ－Ｄ線断面矢視図であって位置決め部材の接続状態を示す図である。 従来の合成セグメントに作用を説明するための断面図である。 従来の別の合成セグメントに作用を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態による合成セグメントについて、図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１～図３に示すように、本実施形態による合成セグメント１は、例えばシールド工法によって掘削した内壁に構築されるトンネル覆工体を形成するものであり、コンクリートが中詰めされたセグメントである。
合成セグメント１は、円弧状に湾曲した版状に形成され、トンネル周方向Ｘ１に複数接続することによりセグメントリングを形成するとともに、セグメントリングをトンネル軸方向に順次接合することでシールドトンネルの覆工が形成される。

ここで、合成セグメント１において示す方向は、トンネル掘削面に構築した状態のものをいう。すなわち、合成セグメント１において、円弧方向をトンネル周方向Ｘ１といい、円弧方向に直交する短辺方向をトンネル軸方向Ｘ２といい、合成セグメント１の厚さ方向をトンネル径方向Ｘ３という。また、トンネル径方向Ｘ３で外周側を地山側（トンネル地山側）といい、内周側を内空側（トンネル内空側）という。

合成セグメント１は、ウェブ部材２３のトンネル地山側及びトンネル内空側の端部に固定されたフランジ部材２１、２２によりＩ型状に形成されてトンネル軸方向Ｘ２に対向する一対の主桁２、２と、地山側フランジ部材２１に接続されたスキンプレート３と、一対の主桁２及びスキンプレート３のトンネル周方向Ｘ１の端部に溶接された一対の継手板４と、一対の主桁２のそれぞれの地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２に溶接され、一対の主桁２、２同士を連結する板状の接続部材５、を備えている。
すなわち、合成セグメント１は、薄肉の長方形状の鋼板を円弧面状に湾曲して形成されたスキンプレート３がトンネルの地山側に配置され、かつ一対の主桁２、２とスキンプレート３との相互間に中詰めコンクリート６が充填されて略円弧板状に構成されている。

一対の主桁２、２は、互いにトンネル軸方向Ｘ２に間隔をあけて平行に配設され、それぞれの主桁２、２間が接続部材５によって連結されている。一対の主桁２、２の地山側フランジ部材２１、２１の地山側端面２１ｂにスキンプレート３が溶接されている。一対の主桁２、２の間には、トンネル周方向Ｘ１に所定の間隔をあけて上述した複数（ここでは、６枚）の接続部材５、５、…が配設されている。

合成セグメント１は、複数の接続部材５のトンネル軸方向Ｘ２の両端が主桁２の地山側フランジ部材２１に溶接で固定され、一対の主桁２、２の地山側フランジ部材２１、２１の地山側にスキンプレート３が溶接で固定されている。合成セグメント１は、一対の主桁２、２、一対の継手板４、４、及びスキンプレート３によって枠組みされた鋼殻２０が形成されている。この鋼殻２０の内側には、前述した複数の接続部材５が設けられ、少なくとも内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂと面一となる中詰めコンクリート６が充填されている。

継手板４は、トンネル周方向Ｘ１の両端に設けられ、トンネル周方向Ｘ１に隣接する他の合成セグメント１の継手板４と互いに当接させるための接合板であって、ピース間継手（図示省略）が設けられている。ピース間継手は、例えばトンネル周方向の一方の継手板４に雄継手が設けられ、他方に雌継手が設けられ、それぞれ隣接する他の合成セグメント１における雌継手、雄継手と嵌合される構成となっている。なお、ピース間継手の構成としては、他の周知の構成を用いてもよい。
そして、継手板４の地山側端部は、スキンプレート３のトンネル周方向Ｘ１の端部に溶接により固定されている。

主桁２は、トンネル周方向Ｘ１に沿った円弧状に形成されている。主桁２は、地山側フランジ部材２１の内空側を向く内空側端面２１ａ、かつ内空側フランジ部材２２の地山側を向く地山側端面２２ａにウェブ部材２３が溶接されて断面視でＩ型状に形成されている。本実施形態では、一対のフランジ部材２１、２２においてトンネル軸方向Ｘ２で中心付近にウェブ部材２３が配置されているが、その位置に限定されることはなく、外側に寄った位置にあってもよい。なお、フランジ部材２１、２２とウェブ部材２３との接続は、溶接に限定されることはなく、圧延製造や鋳造による接続であってもよい。
なお、主桁２には、トンネル軸方向Ｘ２に隣接する他の合成セグメント１との間で連結を行うための図示しないリング間継手が設けられていてもよい。

一対のフランジ部材２１、２２には、図３に示すように、それぞれ一対の主桁２、２がトンネル軸方向Ｘ２に対向する側とは反対側の外端部に係合段部２４（２４Ａ、２４Ｂ）が形成されている。なお、図１及び図２では、係合段部２４Ａ、２４Ｂが省略されている。一対の主桁２、２のうち一方の主桁２（図２の紙面左側）には、地山側フランジ部材２１に地山側に切り欠かれて段状に形成された第１係合段部２４Ａと、内空側フランジ部材２２に内空側に切り欠かれて段状に形成された第２係合段部２４Ｂと、が設けられている。他方の主桁２（図２の紙面右側）には、地山側フランジ部材２１に内空側に切り欠かれて段状に形成された第２係合段部２４Ｂと、内空側フランジ部材２２に地山側に切り欠かれて段状に形成された第１係合段部２４Ａと、が設けられている。これら係合段部２４Ａ、２４Ｂは、リング間で合成セグメント１同士を接合する際に地山側に切り欠かれた第１係合段部２４Ａと内空側に切り欠かれた第２係合段部２４Ｂとが係合することで、トンネル径方向Ｘ３へのずれを防止する。

主桁２のフランジ部材２１、２２に設けた係合段部２４Ａ、２４Ｂには、不図示の止水材を設けることが可能である。この場合には、係合段部２４Ａ、２４Ｂ同士の係合に伴って止水材が潰れ、地山側または内空側で一定の水圧が発生しても合成セグメント１の内空側または地山側への漏水を防止できる。これによって、主桁２への水の付着を抑制できることから、鋼材の腐食を防止でき、合成セグメント１の耐久性を向上できる。

また、一対の主桁２、２には、図２及び図３に示すように、それぞれの地山側フランジ部材２１、２１において、トンネル周方向Ｘ１の内側の周端縁に地山側に切り欠かれた切欠溝２５が形成されている。切欠溝２５の溝深さ寸法は、スキンプレート３の厚みと略同一である。つまり、スキンプレート３は、切欠溝２５に係合した状態で溶接されている。そして、地山側フランジ部材２１の地山側端面２１ｂとスキンプレート３の外周面３ａとが面一となっている。

スキンプレート３は、前述したように合成セグメント１の地山側に設けられている。スキンプレート３は、枠状に組み付けられた一対の主桁２、２と一対の継手板４、４との地山側の開口を塞ぐように配置された鋼板である。スキンプレート３は、中詰めコンクリート６の外部への流出を防止するとともに、地山の水や土砂が鋼殻２０の内部への浸入を防止する役割を担っている。また、中詰めコンクリート６を打設する際の型枠としても兼用可能である。

接続部材５は、鋼殻２０の内空部分において、板面をトンネル周方向Ｘ１に直交する方向に向けて配置され、主桁２のフランジ部材２１、２２に対して垂直方向に設けられている。接続部材５は、トンネル周方向Ｘ１に所定の間隔をあけて複数配列されている（図４参照）。接続部材５同士の配置ピッチは、本実施形態ではトンネル周方向Ｘ１の中央に向かうに従って狭くなっている。
なお、接続部材５同士の配置ピッチが限定されることはない。また、接続部材５の形状は配置される全てが同一でなくてもよく、トンネル周方向Ｘ１に所定の間隔をあけて異なる形状の接続部材（後述する第２実施形態の接続部材５Ａ（図５参照）や第３実施形態の接続部材５Ｂ（図６参照））が混在していても良い。

接続部材５の地山側端部５ａは、スキンプレート３に当接して溶接により固定されている。本実施形態では、接続部材５の地山側端部５ａとスキンプレート３の内周面３ｂとが対向する略全体にわたって溶接により連結されている。図示は省略するが、接続部材５とフランジ部材２１、２２のこば面とは当接していなくてもよく、間隔を空けて設けられていてもよい。

接続部材５は、連続した一枚の鋼板で形成され、トンネル周方向Ｘ１から見た平面視で略矩形状に形成されている。接続部材５の側端部５ｃは、主桁２のウェブ部材２３に対してトンネル軸方向Ｘ２に間隔Ｓをあけた位置に配置されている。接続部材５の側端部５ｃとウェブ部材２３との間隔Ｓは、少なくとも中詰めコンクリート６の骨材が通過可能な寸法（例えば２０ｍｍ以上）に設定されている。

接続部材５の角部に位置する地山側端部５ａと内空側端部５ｂは、それぞれの角部に対応する一対の主桁２、２の地山側フランジ部材２１の内空側端面２１ａ、内空側フランジ部材２２の地山側端面２２ａに溶接により固定されている。つまり、接続部材５のトンネル軸方向Ｘ２の両側の地山側端部５ａ、５ａは、それぞれ地山側フランジ部材２１の内空側端面２１ａに固着されている。接続部材５のトンネル軸方向Ｘ２の両側の内空側端部５ｂ、５ｂは、それぞれ一対の主桁２、２の内空側フランジ部材２２の地山側端面２２ａに固着されている。
このとき、一対の主桁２、２の地山側フランジ部材２１の内空側端面２１ａ、内空側フランジ部材２２の地山側端面２２ａと接続部材５との固着長さは、フランジ部材２１、２２の突出長の半分程度以上となることが望ましい。

接続部材５の地山側端部５ａには、トンネル軸方向Ｘ２の中央部にから地山側に突出する凸部５１が形成されている。凸部５１は、一対の地山側フランジ部材２１、２１とスキンプレート３との間に形成される凹部に嵌合する大きさ、形状に形成されている。凸部５１の地山側端部５ａはスキンプレート３に溶接で固定されている。

接続部材５の面方向の内側には、矩形状の開口部５２が形成されている。開口部５２の開口面積は、少なくとも中詰めコンクリート６の骨材が通過可能な寸法（例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ以上）に設定されている。開口部５２の開口率は、開口部５２全体の合計で例えば接続部材５の面積の２０％以上とすることが好ましい。

また、開口部５２の位置は、トンネル径方向Ｘ３で内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂから地山側に向けた距離で、主桁２の高さ（トンネル径方向で地山側フランジ部材２１の地山側端面２１ｂから内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂまでの長さ）の２／３の位置よりも地山側に開口部５２の略全体が配置されている。さらに、開口部５２は、一対の主桁２、２が対向する方向（トンネル軸方向Ｘ２）におけるフランジ部材２１、２２の内端部よりもさらに内側に位置していることが好ましいい。

開口部５２の開口面積は、小さい方が加工費を抑制できるが、後述するように中詰めコンクリート６の流通性や充填性とのバランスにより設定される。
なお、開口部５２の形状は、本実施形態では矩形に形成されているが、矩形であることに限定されることはなく、例えば略円形の開口部であってもよい。

また、接続部材５には、内空側端部５ｂのうち内空側フランジ部材２２との連結部分を除く部分にトンネル内空側に開口する切欠き凹部５３が形成されている。
切欠き凹部５３の開口領域は、少なくとも中詰めコンクリート６の骨材が通過可能な寸法に設定されている。切欠き凹部５３は、切欠き底部５３ａの位置は、例えば内空側端部５ｂから地山側に向けた距離で２０ｍｍ以上であって、接続部材５の高さ方向で中央部よりも内空側とすることが好ましい。

中詰めコンクリート６は、図３に示すように、鋼殻２０内において内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂと面一となるように充填されている。複数の接続部材５は、中詰めコンクリート６に埋設されている。中詰めコンクリート６としては、例えばトンネル覆工に作用する応力やトンネルの断面形状等に応じて、普通コンクリート、高強度コンクリート、高流動コンクリート、繊維補強コンクリート等の中から、適宜選択して使用される。

次に、上述した本実施形態による合成セグメント１の製作方法について図面に基づいて具体的に説明する。
先ず、一対の主桁２、２を製作する。主桁２の製作においては、図３に示すように最初にウェブ部材２３の両端に対して地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２を溶接により固着する。

次に、両フランジ部材２１、２２に対して、複数の接続部材５を溶接により固着させる。これにより、主桁２における互いにトンネル径方向Ｘ３に対向する地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２とが接続部材５を介して接続される。また、トンネル軸方向Ｘ２に対向して設けられる一対の主桁２、２同士も接続部材５を介して接続されることになる。このとき、接続部材５には位置決めのための板材（後述する第６実施形態の位置決め部材８（図９（ａ）参照））がウェブ部材２３との間隔Ｓに設けられており、接続部材５を取付け完了した後は板材を切断してもよいし、そのまま残置してもよい。

なお、ウェブ部材２３に対するフランジ部材２１、２２の固定方法としては、接続部材５を固定する前は溶接により仮固定しておき、接続部材５を固定した後で本溶接（ここでいう本溶接とは、設計上要求される強度を満たす程度までの溶接を意味する。）により強固に固定するようにしてもよい。

続いて、図１及び図４に示すように、一対の主桁２、２のトンネル周方向Ｘ１の両端部に継手板４を溶接により固定する。その後、一対の主桁２、２と一対の継手板４、４とによって枠組みされたものの地山側端面にスキンプレート３を溶着して地山側の開口を覆う。
次に、主桁２、継手板４、スキンプレート３によって枠組みされた鋼殻２０の内空側に中詰めコンクリート６を充填する。中詰めコンクリート６の充填の際には、接続部材５に形成される開口部５２と切欠き凹部５３にコンクリートが流通するので、充填性を確保した状態で充填することができる。
これにより、合成セグメント１の製造が終了することになるが、これに限定されるものではなく、順序を変えて製造は可能である。

次に、上述した合成セグメントの作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態による合成セグメント１では、図１及び図３に示すように、Ｉ型状に形成された一対の主桁２、２の地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２とが接続部材５によって連結されているので、これらフランジ部材２１、２２の回転や面外変形を効果的に抑制し、変形性能を向上させることができ、中詰めコンクリート６のひび割れを未然に防止し、所定の構造性能及び品質を確保できる。つまり、Ｉ型状の主桁２、２であることから、同性能のコの字形状の主桁と比較してフランジ部材２１、２２の突出長を短くすることができるため、主桁２のフランジ面外変形や回転を低減することができる。

さらに、本実施形態では、主桁２をＩ型状とすることで中詰めコンクリートへのジャッキ推力の作用割合が小さくなり、中詰めコンクリート６に過剰な荷重を負担させることを防止できる。そのため、中詰めコンクリート６のひび割れの発生をより低減することができる。しかも、推進ジャッキが当接する主桁２のフランジ部材のこば面のみの平坦度を確保すれば良いので、主桁２の平坦度の精度を確保する面積を低減でき、合成セグメント１の製作コストを削減することができる。

また、本実施形態では、接続部材５によって地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２同士を連結するとともに、トンネル軸方向Ｘ２に対向する一対の主桁２、２同士を連結することで、合成セグメントの剛性を高めることができる。この場合、ジャッキ推力が合成セグメント１に作用した際にも、偏心したジャッキ推力により生じる付加的な回転力を各主桁２のフランジ部材２１、２２に分配して伝達できる。そのため、合成セグメント１を構成する主桁２、継手板４、スキンプレート３等の鋼材に対しても過剰な荷重が作用することを防止できる。

また、本実施形態では、少なくとも接続部材５と、フランジ部材２１、２２及びウェブ部材２３の隅角部とが接続されておらず、接続部材５がトンネル軸方向Ｘ２で主桁２のウェブ部材２３に対して間隔を空けて配置され回転に対するアーム長を長くできるので、フランジ部材２１、２２の回転や面外変形を効果的に抑制したまま、特にコンクリートが充填しにくい主桁隅角部近傍において、中詰めコンクリート６の充填性を向上させることができる。
さらに、本実施形態では、主桁２のウェブ部材２３に対して接続部材５を溶接しないため、合成セグメント１単体当たりの溶接量を少なく抑えることができ、製作コストを低減できる。

また、本実施形態では、接続部材５とスキンプレート３とが連結され、一方の主桁２から伝達されるジャッキ推力を他方の主桁２へ伝達する際にスキンプレート３を介しても伝達されることとなることから、中詰めコンクリート６に作用する荷重の負担をさらに低減でき、中詰めコンクリート６のひび割れを防止することができる。

さらに、本実施形態では、接続部材５とスキンプレート３とを連結することによって、スキンプレート３の面外変形を抑制できるため、主桁２に作用する荷重を接続部材５とスキンプレート３へ効率よく伝達することが可能となる。また、鋼材による中詰めコンクリートの拘束効果をもたせた構造となり、中詰めコンクリート６の強度そのものを強化できる利点がある。
このように、本実施形態では、合成セグメント１としての剛性を高めることができるため、製作時における寸法精度も向上させることができる。

本実施形態では、接続部材５の面方向の内側に開口部５２を設けることによって、合成セグメント１の鋼殻２０内が分断されず、鋼殻２０内全体が連通した状態となる。そのため、接続部材５の開口部５２が製作時の中詰めコンクリート６の通路となることから、中詰めコンクリート６の連続性と充填性を確保できる。つまり、コンクリート充填時において、合成セグメント１の鋼殻２０内に空気溜まりが生じることを防ぐことができ、合成構造としての一体性が得られ、製品の品質を向上させることができる。

また、本実施形態による合成セグメント１では、接続部材５の内空側端部５ｂに、トンネル内空側に開口する切欠き凹部５３が形成されているから、接続部材５の内空側端部５ｂにおけるコンクリート被り厚を大きくとることができる。すなわち、接続部材５の内空側端部５ｂを中詰めコンクリート６の内空側端面６ａから離間させた位置とすることができるため、合成セグメント１の内空側の表面に発生するひび割れの起点を無くすことができる。
さらに、本実施形態では、接続部材５に設けられた切欠き凹部５３が製作時の中詰めコンクリート６の通路となることから、中詰めコンクリート６の連続性と充填性を確保できる。

また、本実施形態では、接続部材５が連続した一枚の板状部材であり、接続部材５そのものが複数の部材同士を接続する接続箇所がない構成となるので、地山側フランジ部材２１と内空側フランジ部材２２との間、及び一対の主桁２、２間における荷重伝達を効率よく行うことができる。
そして、この場合には、複数の部材を組み合せて接続部材を製作する工程が不要となり、製作コストを低減することができる。

さらに、本実施形態では、セグメントリング間の合成セグメント１同士を接続する際に、双方の合成セグメント１のフランジ部材２１、２２に形成されている係合段部２４Ａ、２４Ｂ同士を係合させることで、その段状の係合部分がトンネル径方向Ｘ３のずれ止めとして機能することから、セグメントリング間の接続を容易に行うことができる。

さらにまた、本実施形態では、地山側フランジ部材２１に形成される切欠溝２５に係止させて溶接されたスキンプレート３が地山側フランジ部材２１の地山側端面２１ｂと面一となって形成され、地山側フランジ部材２１の地山側端面２１ｂに対して段差や地山側にスキンプレート３が突出した状態にならない。そのため、スキンプレート３直下の中詰めコンクリート６の荷重負担を軽減することができ、強度や剛性の高い主桁２に力が伝達され易くなる。
また、この場合には、地山側フランジ部材２１に形成した切欠溝２５にスキンプレートの一部を載置するように係止させるだけで位置決めすることができ、合成セグメント１の製作性を向上させることができる。

上述した本実施形態による合成セグメント１では、中詰めコンクリート６のひび割れを抑制して構造性能と品質を確保でき、かつ中詰めコンクリート６の充填性を向上させることができる。
また、本実施形態による合成セグメント１では、製作時における機械切削量及び溶接量を抑えて製作コストを低減することができる。

次に、他の実施形態による合成セグメントについて説明する。なお、上述した第１実施形態の構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号を付し、これらについては、説明が重複するので詳しい説明は省略する。

（第２実施形態）
次に、図５に示す第２実施形態による合成セグメント１Ａは、板状の接続部材５Ａに開口部や切欠凹部が形成されていない構成となっている。接続部材５Ａの内空側端部５ｂは、全体にわたって内空側フランジ部材２２の地山側端面２２ａの高さと同じレベルの位置となっている。そして、内空側端部５ｂより内空側には内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂと面一となるように中詰めコンクリート６が充填されている。
また、上述した図３に示す第１実施形態では一対の主桁２における地山側フランジ部材２１に切欠溝２５が形成され、この切欠溝２５にスキンプレート３を係合させて溶接する構成としているが、第２実施形態では、スキンプレート３が主桁２の地山側フランジ部材２１の地山側端面２１ｂに重ね合わせた状態で溶接により固着されている。

第２実施形態による合成セグメント１Ａでは、上述した第１実施形態による合成セグメント１の図３に示す接続部材５のような開口部５２や切欠き凹部５３が形成されていないので、接続部材５Ａとしての剛性を高めることができ、一対の主桁２、２間の荷重伝達がより効果的に行われる構造とすることができる。
また、この場合には、合成セグメント１Ａの製作時における開口や切欠きの加工が不要となるので、製作が容易になり、製作コストを低減できる。
なお、第２実施形態では、接続部材５Ａに開口部や切欠き凹部を有していないので、鋼殻２０内におけるコンクリートの流通性が低くなる。そのため、中詰めコンクリート６の充填性の点では、上述した第１実施形態の合成セグメント１に比べて低下することになる。

（第３実施形態）
次に、図６に示す第３実施形態による合成セグメント１Ｂは、上述した第２実施形態の合成セグメント１Ａ（図５参照）の接続部材５Ａにおいて、開口部５２のみを形成した板状の接続部材５Ｂを備えた構成となっている。接続部材５Ｂには、第１実施形態のような切欠凹部は形成されていない。

第３実施形態では、接続部材５Ｂに開口部５２が形成されているので、中詰めコンクリート６の充填性は第２実施形態の合成セグメント１Ａよりも高い。また、第３実施形態では、接続部材５Ｂに切欠き凹部が形成されていないので、第１実施形態よりも剛性の高い構造とすることができる。

（第４実施形態）
次に、図７に示す第４実施形態による合成セグメント１Ｃは、上述した第１実施形態の合成セグメント１（図３参照）において、主桁２の係合段部２４（２４Ａ、２４Ｂ）の位置が異なる構成である。合成セグメント１Ｃの主桁２では、内空側フランジ部材２２のみに係合段部２４Ａ、２４Ｂが形成され、地山側フランジ部材２１には係合段部が形成されていない構成となっている。

第４実施形態では、内空側フランジ部材２２の係合段部２４Ａ、２４Ｂによりリング間の合成セグメント１Ｃ、１Ｃ同士を接続することで、内空側フランジ部材２２がトンネル内空側に面外変形する程度を軽減できる。

なお、係合段部２４Ａ、２４Ｂは、本第４実施形態のように内空側フランジ部材２２のみに形成されていてもよいし、地山側フランジ部材２１のみに形成されていてもよいし、あるいは上述した第１実施形態のように地山側フランジ部材２１及び内空側フランジ部材２２の両方に形成されていてもよい。

（第５実施形態）
次に、図８に示す第５実施形態による合成セグメント１Ｄは、上述した第１実施形態の合成セグメント１（図３参照）において内空側にさらにコンクリート厚を大きくして内部に鉄筋７（鋼材）を埋設させた構成である。合成セグメント１Ｄは、接続部材５の内空側端部５ｂよりもトンネル内空側において、トンネル周方向Ｘ１及びトンネル軸方向Ｘ２に沿って延在する複数の鉄筋７が配置され、これら鉄筋７が中詰めコンクリート６によって埋設された構成となっている。この場合、主桁２の内空側フランジ部材２２の内空側に所定の厚さで中詰めコンクリート６（この部分のコンクリートを内空側コンクリート６Ａという）が設けられている。鉄筋７は、接続部材５の切欠き凹部５３の内側に充填される中詰めコンクリート６の部分に埋設される鉄筋７Ａと、内空側コンクリート６Ａに埋設される鉄筋７Ｂを有している。

第５実施形態による合成セグメント１Ｄでは、接続部材５の内空側端部５ｂよりもトンネル内空側の中詰めコンクリート６（内空側コンクリート６Ａ）内に埋設されている鉄筋７が構造部材として作用すると共に、コンクリートのひび割れ防止の機能を有することになり、中詰めコンクリート６の割れや欠け、それらの剥落を防止することができる。

また、本実施形態では、中詰めコンクリート６のアルカリ成分が鋼殻２０との間に不動態皮膜を形成し、防食機能を発揮する。これにより、トンネル内空側に埋設されている鉄筋７や主桁等の鋼材の腐食を防止することができる。
また、火災時などの高温に対して鋼材を保護することも可能となり、鋼材の強度の低下を防止することができる。なお、中詰めコンクリート６に有機繊維を混入させることで、合成セグメント１Ｄの耐火性能を向上させるようにしてもよい。

本実施形態では、中詰めコンクリート６のトンネル内空寄りの位置に鉄筋７を埋設した構成としているが、鉄筋７に限定されることはない。例えば、板状の鋼材、棒状の鋼材、又は繊維状の鋼材等をトンネル周方向Ｘ１及びトンネル軸方向Ｘ２の少なくとも一方に延在するように配置してもよい。
また、鉄筋７に代えて、例えばスタッドやＬ形鋼を主桁２の内空側フランジ部材２２の内空側端面２２ｂに接続し、内空側コンクリート６Ａに埋設するようにしてもよい。この場合のスタッド等は内空側コンクリート６Ａに対するずれ止めの機能を有している。

（第６実施形態）
次に、図９（ａ）に示す第６実施形態による合成セグメント１Ｅは、上述した第１実施形態の合成セグメント１において接続部材５の一方（図９（ａ）では紙面左側）の側端部５ｃのトンネル径方向Ｘ３の中央部に位置決め部材８（介挿部材）が接続された構成となっている。すなわち、主桁２のウェブ部材２３と接続部材５の側端部５ｃとの間の間隔Ｓに位置決め部材８が介在されている。位置決め部材８は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、板状片であり、一端部８ａが接続部材５の一方の面５ｄに重ねた状態で溶着されている。位置決め部材８は、他端部８ｂがウェブ部材２３に対して非連結状態で配置されている。

第６実施形態の場合には、合成セグメント１Ｅの製作時において、位置決め部材８を主桁２のウェブ部材２３に当接することにより接続部材５の位置決めを容易に行うことができ、製作効率を向上させることができる。

なお、位置決め部材８の構成として、図９（ｂ）に示すような板状片を接続部材５の一方の面５ｄに重ねて溶着する構成、形状、位置に限定されることはなく、図９（ｂ）の点線で示すように接続部材５の側端部５ｃから連続する突出片８Ａ（介挿部材）であってもよい。さらに、本実施形態では、接続部材５の片側（紙面左側）のみに位置決め部材８を設けているが、両側に位置決め部材８が配置されていてもよい。
また、本第６実施形態では、位置決め部材８を介挿部材としているが、位置決めの機能をもたない部材を介挿部材としてもよい。例えば介挿部材として、接続部材５の補強を目的とした部材を採用することも可能である。

以上、本発明による合成セグメントの実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、接続部材５が設けられた構成としているが、接続部材５を省略した構成とすることも可能である。接続部材５が省略されている場合でも、一対の主桁がＩ型状に形成されているので、主桁のフランジ部材の回転や面外変形を効果的に抑制し、変形性能を向上させることができ、中詰めコンクリートのひび割れを未然に防止し、所定の構造性能及び品質を確保できる。このように、Ｉ型状の主桁であることから、同性能のコの字形状の主桁と比較してフランジ部材の突出長を短くすることができ、主桁のフランジ面外変形や回転を低減することができる。

また、実施形態では、接続部材５の地山側端部５ａとスキンプレート３とが対向する部分の全体が溶接によって連結されているが、全体ではなく部分的に連結されていてもよい。また、接続部材５とスキンプレート３との少なくとも一部が固定されていることに限定されることはなく、非固定状態で配置されていてもよい。
また、接続部材５はフランジ部材２１、２２のこば面に当接していなくてもよく、間隔を空けて設けられていてもよい。
また、合成セグメント１の鋼殻２０内には、トンネル周方向Ｘ１に所定の間隔をあけて異なる形状の接続部材が混在して設けられても良い。

また、本実施形態では、接続部材５が連続した一枚の板状部材のものを作用しているが、複数の部材同士を接続して構成される接続部材を構成したものであってもかまわない。

また、上述した実施形態では、主桁２における一対のフランジ部材２１、２２のうち少なくとも一方に段状に切り欠かれた係合段部２４Ａ、２４Ｂが形成されているが、このような係合段部２４Ａ、２４Ｂを省略することも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、１Ａ、１Ｂ 合成セグメント
２ 主桁
３ スキンプレート
４ 継手板
５、５Ａ 接続部材
５ａ 地山側端部
５ｂ 内空側端部
５ｃ 側端部
６ 中詰めコンクリート
６Ａ 内空側コンクリート
７ 鉄筋（鋼材）
８ 位置決め部材（介挿部材）
２１ 地山側フランジ部材
２１ａ 内空側端面
２１ｂ 地山側端面
２２ 内空側フランジ部材
２２ａ 地山側端面
２２ｂ 内空側端面
２３ ウェブ部材
２４、２４Ａ、２４Ｂ 係合段部
２５ 切欠溝
５１ 凸部
５２ 開口部
５３ 切欠き凹部
Ｓ 間隔
Ｘ１ トンネル周方向
Ｘ２ トンネル軸方向
Ｘ３ トンネル径方向

Claims (7)

1. ウェブ部材と、該ウェブ部材のトンネル地山側及びトンネル内空側の端部に固定されたフランジ部材とによりＩ型状に形成されてトンネル軸方向に対向する一対の主桁と、
   前記主桁の地山側フランジ部材に接続されたスキンプレートと、
   前記一対の主桁及び前記スキンプレートのトンネル周方向の端部に溶接された一対の継手板と、を備え、
   前記主桁、前記継手板、及び前記スキンプレートによって枠組みされた鋼殻の内側には、内空側フランジ部材の内空側端面と面一となる、または前記内空側端面よりもトンネル内空側に所定厚さで設けられる中詰めコンクリートが充填され、
   前記一対の主桁の少なくともそれぞれの前記地山側フランジ部材の内空側端面と内空側フランジ部材の地山側端面に溶接され、前記一対の主桁同士を連結する板状の接続部材が設けられ、
   前記接続部材は、前記トンネル軸方向で前記ウェブ部材に対して間隔を空けて配置され、
   前記接続部材は、連続した一枚の板状部材であり、面方向の内側に開口部が形成され、 前記トンネル軸方向および厚さ方向に延在して枠状に形成されることを特徴とする合成セグメント。
2. 前記接続部材には、前記主桁のウェブ部材との間に介在される介挿部材が接続され、
   該介挿部材は、前記ウェブ部材に対して非連結状態により配置され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。
3. 前記接続部材の地山側端部の少なくとも一部は、前記スキンプレートに連結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。
4. 前記接続部材の内空側端部には、トンネル内空側に開口する切欠き凹部が形成され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。
5. 前記接続部材の内空側端部よりもトンネル内空側には、トンネル周方向及びトンネル軸方向のうち少なくとも一方に沿って延在する鋼材が配置され、
   前記中詰めコンクリートは、前記内空側フランジ部材の内空側端面よりもトンネル内空側に所定厚さで設けられた内空側コンクリートを有し、
   前記鋼材は、前記内空側コンクリートを有する前記中詰めコンクリートによって埋設されてい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。
6. 前記一対のフランジ部材のうち少なくとも一方には、前記トンネル軸方向の外側に位置する外端部に段状に切り欠かれた係合段部が形成され、
   該係合段部は、トンネル周方向に接合される他の合成セグメントに形成された係合段部に係合可能に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。
7. 前記一対の主桁における前記地山側フランジ部材には、前記トンネル軸方向の内側に位置する内端部に切欠溝が形成され、
   該切欠溝には、前記スキンプレートが溶接され、
   前記地山側フランジ部材と前記スキンプレートの地山側端面とが面一となっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の合成セグメント。

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