JP5465050B2 - セグメントの継手構造及びトンネル用セグメント - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法において、掘削後にシールド機内で周方向に組み立てられるとともに、組立済みのセグメントに対しトンネル軸方向に接続されるセグメントの継手構造及びこれを採用したトンネル用セグメントに関する。

トンネルのシールド工法は、シールド機で掘削を行いながら、該シールド機のスキンプレート後方部内で、断面円弧状等のセグメントを周方向に組み立てるとともに、組立済みのセグメントにトンネル軸方向に接続し、順次、トンネルを構築するトンネル工法である。

従来より、前記セグメントの継手構造が数多く提案されている。トンネル周方向の継手は、一般的に「ピース間継手」と呼ばれ、組立済みのセグメントに対する継手は、一般的に「リング間継手」と呼ばれている。

図１５に示されるセグメント構造５０（従来セグメント構造Ａという。）は、トンネル軸方向の側面にほぞ部を設けたほぞ付セグメントの例であり、図１６に示されるように、リング間継手及びピース間継手共に組立ボルト５１，５１…によって組立を行うようにしたものである。リング間継手は図１７に示されるように、組立セグメント５２側から組立済みセグメント５３方向に向けて斜め方向に組立ボルト５１を挿入することにより組立を行い、ピース間継手は図１８に示されるように、隣接する一方のセグメント５４から他方のセグメント５５に向けて斜め方向に組立ボルト５１を挿入することにより組立が行われる。このほぞ付セグメントでは、前記組立ボルト５１は仮設材とされ、組立を終えたセグメントがシールド機の機外に出ると、周囲から受ける土水圧によってリング構造として安定する。

他方、近年は挿入又はスライド等によるワンタッチ方式でピース間及びリング間の継手を行うようにしたものも数多く提案されている。

例えば、下記特許文献１では、複数のセグメントを周方向に連結して地下空洞面を覆工するためのセグメント用継手であって、トンネル軸方向に延びた収容溝が設けられていると共にセグメント端部に固定された雌部材と、セグメント端部から突出する突出部と、前記突出部に隣接した連結部と、該連結部を可動に保持するための開口部が設けられた支持部材と、固定部材と、前記支持部材と前記固定部材との間に配置された弾性部材とを備える雄部材とを備え、前記支持部材の前記弾性部材に当接する側には該開口部に沿った突起が設けられ、該突起と固定部材とが接触することにより互いに隣接するセグメントを連結する締結力を発生するようにしたセグメント用継手が提案されている。

また、下記特許文献２では、シールドセグメントに用いられるスライドロック型のリング間継手であって、連結突起収容部と締結部材とを備える雌金具と、拡張部を備えた連結突起を備える雄金具とを備え、前記締結部材は、セグメントの周方向に延び前記拡張部の径よりも狭幅のスロットと前記スロットの両側に形成され前記連結突起の前記拡張部を収容する複数の開口とを備え、前記締結部材の前記拡張部と当接する面は、前記複数の開口から前記スロットに沿って前記締結部材の厚さを厚くするテーパを備えるリング間継手が提案されている。

さらに下記特許文献３では、一方のセグメントと他方のセグメントとを互いに連結するセグメント継手構造において、前記一方のセグメントの継手板の外面に突設された、開口を有するストッパー支持用管体と、前記ストッパー支持用管体内に嵌め込まれるストッパーと、前記他方のセグメントの継手板に形成された、前記ストッパー支持用管体が挿入される継手孔とからなり、前記ストッパーは、弾性部材と前記弾性部材に固定されたピンとからなり、前記ピンは、前記ストッパー支持用管体が前記継手孔内に挿入されたときに、前記弾性部材の弾性力によって前記開口から突出して、前記他方のセグメントの継手板に係合するセグメント継手構造が提案されている。

特開２００１−２３４６９６号公報 特開２００６−２６６０２４号公報 特開２００６−４５９４０号公報

しかしながら、上記従来セグメント構造Ａは、海外及び日本において多くの実績を有するセグメント継手構造であるが、ピース間及びリング間継手のすべてを継手部に組立ボルト５１、５１…を使用するものであり、組立ボルト５１の挿入・締結に時間が掛かるとともに、ボルト挿入孔へのモルタル充填が必要となり、セグメント組立作業に多くの手間と時間が掛かるため組立作業が効率化かつ省力化しないなどの問題があった。

上記特許文献１〜３に係る継手構造は、所謂ワンタッチ方式でセグメントの継手を完結することが可能であり、セグメントの組立作業が大幅に効率化できるものの、それぞれの継手構造は特注品であり、製作コストが嵩むなどの問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、汎用材を使用した継手構造とすることにより継手コストの大幅な低減を図ったワンタッチ方式の継手構造と、これを採用したトンネル用セグメントを提案することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、掘削後にシールド機内で周方向に組み立てられるとともに、組立済みのセグメントに対しトンネル軸方向に接続されるセグメントの継手構造であって、
前記セグメントは、周方向にセグメント間の接続を行うピース間継手と、トンネル軸方向にセグメント間の接続を行うリング間継手とを備え、
前記ピース間継手及びリング間継手の内の一方側の継手構造は、隣接するセグメントの一方側が露出部分に溝型形状の切欠きが形成された埋設鋼板による雌側継手とされ、隣接するセグメントの他方側がネジ節鋼棒の突出頭部にナットが螺合された雄側継手とされ、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させることによりセグメント同士を接合するにあたり、前記雄側継手のナットに平ワッシャーを設けておき、ネジ節鋼棒を若干斜め方向に傾斜させて埋設するとともに、前記雌側継手を成す埋設鋼板を前記ネジ節鋼棒の方向に沿って配置することにより、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させる際にセグメントを引寄せて接合面を密着させるようにしたことを特徴とするセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項１記載の発明は、露出部分に溝型形状の切欠きが形成された埋設鋼板による雌側継手と、ネジ節鋼棒の突出頭部にナットが螺合された雄側継手とによる継手構造とするものである。前記埋設鋼板及びネジ節鋼棒は一般的によく使用される汎用材であり、安価に入手が可能であるため、継手コストの大幅な低減を図ることが可能となる。

また、前記雄側継手のナットに平ワッシャーを設けておき、ネジ節鋼棒を若干斜め方向に傾斜させて埋設するとともに、前記雌側継手を成す埋設鋼板を前記ネジ節鋼棒の方向に沿って配置することにより、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させる際にセグメントを引寄せて接合面を密着させるようにしてあるため、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させる際に、前記平ワッシャと溝型形状切欠きとが斜め方向に摺接することになり、セグメントを引寄せて接合面を密着させることが可能となる。

請求項２に係る本発明として、前記雌側継手は箱抜き内に設けられ、該箱抜き部以外でセグメント同士の接合面が密着している請求項１記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項２記載の発明は、前記雌側継手は箱抜き内に設けるようにし、該箱抜き部以外でセグメント同士の接合面が密着している構造とすることにより、前記箱抜き部が露出しない構造とするものである。従って、セグメントの接合後に箱抜き部へのモルタル充填を省略でき、作業を省力化することが可能となる。

請求項３に係る本発明として、前記ピース間継手及びリング間継手の内の他方側の継手構造は、挿入式のワンタッチ継手としてある請求項１、２いずれかに記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項３記載の発明は、前記ピース間継手及びリング間継手の内の他方側の継手構造は、挿入式のワンタッチ継手とするものである。前記ピース間継手及びリング間継手の内の一方側を前述したスライド式ワンタッチ継手とする関係上、他方側の継手は挿入式のワンタッチ継手とするのが望ましい。

請求項４に係る本発明として、前記埋設鋼板は、コンクリート内部に埋設されるアンカー筋に対して溶接によって連結されている請求項１〜３いずれかに記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記埋設鋼板をアンカー筋に対して溶接によって連結することにより、アンカー筋により継手に作用する力をスムーズにコンクリート内部に伝達できるとともに、継手の強度を向上させることが可能となる。

請求項５に係る本発明として、前記埋設鋼板には開孔が設けられるとともに、コンクリート内部に埋設されるアンカー筋がＵ字状に形成され、
前記埋設鋼板は、前記開孔に前記アンカー筋を挿嵌させることによって連結されている請求項１〜４いずれかに記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項５記載の発明では、埋設鋼板に開孔を設けるとともにアンカー筋をＵ字状に形成し、この埋設鋼板の開孔に前記アンカー筋を挿嵌させることによって連結することにより、前記アンカー筋により継手に作用する力をスムーズにコンクリート内部に伝達できるとともに、継手の強度を向上させることが可能となる。さらに、埋設鋼板とアンカー筋との接続部分が短くてすむので、前記埋設鋼板の小型化が可能である。

請求項６に係る本発明として、前記リング間継手面において、一方のセグメントに形成されたほぞと、他方のセグメントに形成されたほぞ穴とを嵌合させるようにしてある請求項１〜５いずれかに記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項６記載の発明は、所謂ほぞ付セグメントとしたものである。

請求項７に係る本発明として、前記ほぞ穴を有する側のセグメントにおいて、前記ほぞ穴に近接したコンクリート内部にせん断補強筋の他に、該ほぞ穴を囲むように周方向に閉合した額縁補強筋を配設してある請求項６記載のセグメントの継手構造が提供される。

上記請求項７記載の発明は、ほぞ部に通常配設されるせん断補強筋の他に、ほぞ穴を囲むように周方向に閉合した額縁補強筋を配設することにより、従来のほぞ部のせん断耐力と比較して、大幅な耐力増加を図ったものである。

請求項８に係る本発明として、請求項１〜７いずれかに記載の雌側継手と雄側継手とを備えたことを特徴とするトンネル用セグメントが提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、汎用材を使用した継手構造とすることにより継手コストの大幅な低減を図ったワンタッチ方式の継手構造とすることが可能となる。

本発明に係る継手構造を採用したトンネル２の横断面図である。 その縦断面図（図１のII−II線矢視図）である。 本発明に係るセグメント１を示す、(A)は正面図、(B)は平面図、(C)は底面図である。 本発明に係るセグメント１の側面図である。 雌側継手５を示す、(A)は断面図、(B)は平面図である。 他の形態の雌側継手５と雄側継手６との接合状態を示す、(A)は断面図、(B)は平面図である。 雄側継手６を示す、(A)は断面図、(B)は平面図である。 雌側継手５と雄側継手６との接合要領図である。 雌側継手５と雄側継手６との接合状態を示す、(A)は平面図、(B)は側面図である。 リング間継手のほぞ部を示す、(A)は断面図、(B)はA-A矢視図、(C)はC-C矢視図である。 セグメント１の接合要領を示す縦断面図である。 雌側継手５及び雄側継手６の第２形態例を示す、(A)は嵌合要領図、(B)は嵌合状態図である。 実施例におけるほぞ部の三次元ＦＥＭ解析モデル図である。 実施例におけるせん断耐力比較図である。 従来セグメント構造Ａを示す横断面図である。 その縦断面図（図１５のXVI−XVI線矢視図）である。 リング間継手の拡大断面図である。 ピース間継手の拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１及び図２に示されるように、セグメント１、１…は、掘削後にシールド機内で周方向に組み立てられるとともに、組立済みのセグメントに対しトンネル軸方向に接続され、トンネル２を構築するものである。

前記セグメント１は、図２に示されるように、周方向にセグメント間の接続を行うピース間継手３，３…と、トンネル軸方向にセグメント間の接続を行うリング間継手４，４…とを備える。

本発明に係るセグメント１では、前記ピース間継手３，３…及びリング間継手４，４…の内の一方側の継手構造、図示例ではピース間継手３は、隣接するセグメントの一方側が露出部分に溝型形状の切欠き１１ａが形成された埋設鋼板１１による雌側継手５とされ、隣接するセグメントの他方側がネジ節鋼棒の突出頭部にナットが螺合された雄側継手６とされ、前記埋設鋼板１１の溝型形状切欠き１１ａと前記ネジ節鋼棒１２のナット１３部とを嵌合させることによりセグメント同士が接合される。また、前記ピース間継手３，３…及びリング間継手４，４…の内の他方側の継手構造、図示例ではリング間継手４は、挿入式のワンタッチ継手によりセグメント同士が接合されている。

以下、更に図３〜図９に基づいて具体的に詳述する。

図３において、セグメント１は、トンネル周方向側の両端面に夫々、ピース間継手３，３を備えるとともに、トンネル軸方向側の両端面に夫々、リング間継手４，４を備えている。

前記トンネル周方向側端面の一方側（上側）には、図３(B)に示されるように、露出部分に溝型形状の切欠き１１ａが形成された埋設鋼板１１による雌側継手５を坑口側に備えるとともに、ネジ節鋼棒１２の突出頭部にナット１３が螺合された雄側継手６を切羽側に備える。また、トンネル周方向側端面の他方側（下側）には、図３(C)に示されるように、露出部分に溝型形状の切欠き１１ａが形成された埋設鋼板１１による雌側継手５を切羽側に備えるとともに、ネジ節鋼棒１２の突出頭部にナット１３が螺合された雄側継手６を坑口側に備える。

また、セグメント１の坑口側端面には複数の、図示例では４つのほぞ部７，７…を有するとともに、切羽側端面には前記ほぞ部７に対応した位置にほぞ穴８，８…を有する。なお、内面中央にはシールド機に備えられたエレクタの係合部９を有する。

前記雌側継手５は、詳細には図５に示されるように、コンクリート内部に埋設される１又は複数の、図示例では２本のアンカー筋１０，１０に対して、溝型形状の切欠き１１ａが形成された鋼板１１を溶接等によって連結した金具である。前記アンカー筋１０及び鋼板１１は市場において安価かつ容易に入手し得る部材である。前記雌側継手５は、セグメント製作時にコンクリート内に埋設され、この際、前記溝型形状の切欠き１１ａが露出するように箱抜き部１ａが形成される。前記箱抜き部１ａ以外の面は他のセグメントの接合面とされ、接合状態では、前記箱抜き部１ａは外部に露出しないようになっている。

前記鋼板１１は、図５に示されるように、アンカー筋１０，１０に対して重ね合わせ代を設けて配設するとともに、この重ね合わせ代を溶接することによって連結することが好ましい。これにより、アンカー筋１０，１０により雌側継手５に作用する力をスムーズにコンクリート内部に伝達できるとともに、雌側継手５の強度を向上させることが可能となる。

また、図６に示されるように、鋼板１１に開孔１１ｂを設けるとともに、アンカー筋１０をＵ字状に形成しておき、この鋼板１１の開孔１１ｂにアンカー筋１０を挿嵌させ、Ｕ字状の折り返し頂部で係合させておくことによって連結することもできる。これにより、アンカー筋１０，１０により雌側継手５に作用する力をスムーズにコンクリート内部に伝達できるとともに、雌側継手５の強度を向上させることが可能となることに加えて、鋼板１１とアンカー筋１０との接続部分が短くてすむので、鋼板１１の小型化が可能である。

前記雄側継手６は、詳細には図７に示されるように、先端部を外部に突出させた状態でネジ節鋼棒１２がコンクリート内部に埋設されるとともに、突出部分にナット１３が螺合されるとともに、ナット１３の内側にテーパーワッシャ１４が設けられている。

図３及び図５から分かるように、前記雌側継手５は周方向に対して傾斜させて配置され、前記雄側継手６は周方向に沿って配設されている。前記雌側継手５の傾斜角度は、前記雄側継手６のテーパーワッシャ１４の傾斜面に対してほぼ法線方向となる方向に配置されている。

前記雌側継手５と雄側継手６とを接続するには、図８に示されるように、雄側継手６の突出部分を雌側継手５の箱抜き部１ａ内に挿入し、そのままセグメントをスライドさせることにより、前記埋設鋼板１１の溝型形状切欠き１１ａと前記ネジ節鋼棒１２のナット１３及びテーパーワッシャ１４とを嵌合させてセグメント１，１同士を接合する。この際、前記テーパーワッシャ１４の傾斜面が溝型形状切欠き１１ａとが傾斜方向に接触することにより、セグメントが引き寄せられ、接合面が密着するようになる。図９は接合状態を示したものであるが、セグメント１の接合面同士は密着し、従来セグメントのようにトンネル内面に箱抜き部が露出せず、内面の平滑化が図れるため、箱抜き部にモルタル充填する必要がない。

一方、組立済みのセグメントに対するトンネル軸方向の接続は、挿入式のワンタッチ継手とする。挿入式のワンタッチ継手構造としては、従来より種々のものが提案されているが、本出願人の１人が特開２００１−１５９２９８号公報にて提案したクサビ方式のワンタッチ継手を好適に用いることができる。該ワンタッチ継手は、互いに接合される構造体の接合端面にそれぞれ設けられた接合筒の係合穴に、両端部に形成された穴部へ駒部材が嵌合されて取り付けられた接合棒の両端部をそれぞれ挿入させて前記各構造体の前記接合端面同士を近接させることにより、前記駒部材によって前記接合棒が押し広げられて前記接合筒の前記係合穴の内周面に押し付けられ、前記接合棒の両端部が前記接合筒に係合されて前記構造体同士が接合される接合構造であり、前記接合筒には、前記係合穴の底部に支持孔が形成され、前記駒部材の内の少なくとも一方には、前記支持孔に嵌合する嵌合突起が設けられ、該嵌合突起を前記支持孔へ嵌合させることにより、前記接合棒が前記接合筒に挿入された状態に保持されるようにした継手構造である。なお、該ワンタッチ継手の詳細な説明は同公報に譲るとする。

他方、リング間継手面に形成されたほぞ部７とほぞ穴８との嵌合部では、図１０に示されるように、ほぞ穴８を有する側のセグメントにおいて、前記ほぞ穴８に近接したコンクリート内部にせん断補強筋１５，１６の他に、該ほぞ穴８を囲むように周方向に閉合した額縁補強筋１７を配設してある。前記せん断補強筋１５，１６は、通常配設されるせん断補強筋であるが、ほぞ穴８を囲むように周方向に閉合した額縁補強筋１７を配設することにより、前記せん断補強筋１５，１６のみを配設する場合と比べて、約１．８倍の耐力向上効果を有するようになる。

以上詳述したセグメント１を組み立てるには、図１１に示されるように、雄側継手６を箱抜き部１ａ内に差し込んだ後、切羽側からセグメント１を坑口側方向にスライドさせるだけで、リング間継手４，４の接合と、ピース間継手３の接合とを同時に行うことが可能となる。

〔第２形態例〕
上記第１形態例では、雄側継手６のナット１３にテーパーワッシャ１４を設けておき、前記雌側継手５を成す埋設鋼板１１を前記テーパーワッシャ１４の面に対してほぼ法線方向となる方向に配置することにより、前記埋設鋼板１１の溝型形状切欠き１１ａと前記ネジ節鋼棒１２のナット１３部とを嵌合させる際にセグメント１を引寄せて接合面を密着させるようにしたが、図１２に示されるように、雄側継手６のナット１３に平ワッシャ１８を設けておき、ネジ節鋼棒１２を若干斜め方向に傾斜させて埋設するとともに、前記雌側継手５を成す埋設鋼板１１を前記ネジ節鋼棒の方向に沿って配置することにより、前記埋設鋼板１１の溝型形状切欠き１１ａと前記ネジ節鋼棒１２のナット１３及び平ワッシャ１８とを嵌合させる際にセグメント１を引寄せて接合面を密着させるようにしてもよい。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、トンネル周方向側の両端面において、雌側継手５，５と雄側継手６，６とを対角線配置としたが、一方側端面に雌側継手５，５を配置し、他方側端面に雄側継手６，６を配置するようにしてもよい。
(2)上記形態例では、箱抜き部１ａを側端面まで連続させ端面を開口としたが、凹部状に形成してもよい。

セグメント１のリング間継手面のほぞ部に配置した額縁補強筋１７の補強効果について、三次元ＦＥＭ解析により検証した。図１３に示される三次元ＦＥＭ解析モデルを想定し、ほぞ穴部にせん断力を作用させて、中央底での変位量とせん断力との関係を調べた。その結果を図１４に示す。同図から明らかなように、中央底変位量で０．５ｍｍの時のせん断耐力を比較すると、額縁補強筋有りのケースはせん断耐力４５０ｋＮであるのに対して、額縁補強筋無しのケースはせん断耐力は２５０ｋＮであり、額縁補強筋を配置することで、約１．８倍の耐力増強効果が見込めることが判明した。

１…セグメント、２…トンネル、３…ピース間継手、４…リング間継手、５…雌側継手、６…雄側継手、７…ほぞ、８…ほぞ穴、１０…アンカー筋、１１…鋼板、１２…ネジ節鋼棒、１３…ナット、１４…テーパーワッシャ、１５・１６…せん断補強筋、１７…額縁補強筋、１８…平ワッシャ

Claims (8)

1. 掘削後にシールド機内で周方向に組み立てられるとともに、組立済みのセグメントに対しトンネル軸方向に接続されるセグメントの継手構造であって、
   前記セグメントは、周方向にセグメント間の接続を行うピース間継手と、トンネル軸方向にセグメント間の接続を行うリング間継手とを備え、
   前記ピース間継手及びリング間継手の内の一方側の継手構造は、隣接するセグメントの一方側が露出部分に溝型形状の切欠きが形成された埋設鋼板による雌側継手とされ、隣接するセグメントの他方側がネジ節鋼棒の突出頭部にナットが螺合された雄側継手とされ、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させることによりセグメント同士を接合するにあたり、前記雄側継手のナットに平ワッシャーを設けておき、ネジ節鋼棒を若干斜め方向に傾斜させて埋設するとともに、前記雌側継手を成す埋設鋼板を前記ネジ節鋼棒の方向に沿って配置することにより、前記埋設鋼板の溝型形状切欠きと前記ネジ節鋼棒のナット部とを嵌合させる際にセグメントを引寄せて接合面を密着させるようにしたことを特徴とするセグメントの継手構造。
2. 前記雌側継手は箱抜き内に設けられ、該箱抜き部以外でセグメント同士の接合面が密着している請求項１記載のセグメントの継手構造。
3. 前記ピース間継手及びリング間継手の内の他方側の継手構造は、挿入式のワンタッチ継手としてある請求項１、２いずれかに記載のセグメントの継手構造。
4. 前記埋設鋼板は、コンクリート内部に埋設されるアンカー筋に対して溶接によって連結されている請求項１〜３いずれかに記載のセグメントの継手構造。
5. 前記埋設鋼板には開孔が設けられるとともに、コンクリート内部に埋設されるアンカー筋がＵ字状に形成され、
   前記埋設鋼板は、前記開孔に前記アンカー筋を挿嵌させることによって連結されている請求項１〜４いずれかに記載のセグメントの継手構造。
6. 前記リング間継手面において、一方のセグメントに形成されたほぞと、他方のセグメントに形成されたほぞ穴とを嵌合させるようにしてある請求項１〜５いずれかに記載のセグメントの継手構造。
7. 前記ほぞ穴を有する側のセグメントにおいて、前記ほぞ穴に近接したコンクリート内部にせん断補強筋の他に、該ほぞ穴を囲むように周方向に閉合した額縁補強筋を配設してある請求項６記載のセグメントの継手構造。
8. 請求項１〜７いずれかに記載の雌側継手と雄側継手とを備えたことを特徴とするトンネル用セグメント。

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