(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル周方向に沿いかつトンネル軸方向に間隔をおいて対向する対の主桁と、それら主桁の両端間を連結している対の端面板とによって構成した筒状分割体の形態の鋼製フレームに、鋼板からなるスキンプレートを設けてなり、トンネルの施工に際して地山に面して配置されて該トンネルの周方向および軸方向に互いに連結されることにより覆工体を構築するためのセグメントであって、
前記鋼製フレームにおける前記主桁をウェブと対のフランジからなる断面コ状の鋼材により形成して、前記ウェブどうしおよび前記端面板どうしを密着させた状態でセグメントどうしを連結する構成とし、
前記主桁における前記対のフランジの双方に、トンネル軸方向に連結するセグメントどうしのトンネル周方向の位置決め機能とトンネル周方向の応力伝達機能をもたせるべく、坑口側のフランジの外周縁部と切羽側のフランジの外周縁部のいずれか一方に凸部を設けるとともに他方に該凸部が係合する凹部を設けてなり、
トンネル径方向の曲げモーメントに起因して前記対のフランジに作用する圧縮力及び引張力を、前記凸部と前記凹部の係合によりトンネル軸方向に隣接するセグメントに伝達する構成とされることを特徴とするセグメント。
【請求項２】
請求項１記載のセグメントであって、
前記主桁における前記ウェブに、トンネル軸方向に連結するセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達機能をもたせるべく、坑口側の主桁のウェブと切羽側の主桁のウェブのいずれか一方にキーを設けるとともに他方に該キーが係合するキー溝を設けてなることを特徴とするセグメント。
【請求項３】
請求項１または２記載のセグメントであって、
前記端面板に、トンネル周方向に連結するセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達機能をもたせるべく、双方の端面板の一方にキーを設けるとともに他方に該キーが係合するキー溝を設けてなることを特徴とするセグメント。
【請求項４】
請求項２または３記載のセグメントであって、
前記キーとしてのフラットバーを凹溝内に溶接してなることを特徴とするセグメント。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセグメントであって、
前記ウェブ端部に、トンネル周方向に連結するセグメントどうしの位置決め機能と係合機能を持たせるべく、いずれか一方のウェブ端部に先端拡大形状の突起を設けるとともに、他方のウェブ端部に該突起が係合する先端拡大形状の切り欠き部を設けてなることを特徴とするセグメント。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセグメントであって、
前記鋼製フレーム内にコンクリートを充填してなることを特徴とするセグメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシールドトンネルを構築するためのセグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のセグメントとしてはコンクリートセグメントや鋼製セグメントが広く用いられているが、特に大断面トンネルに適用して好適なものとしてたとえば特許文献１、２に示されるような複合構造のセグメント、すなわち鋼製のフレーム内にコンクリートを充填した合成セグメントも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９７９０６号公報
【特許文献２】特開２００７−２９７９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来一般の各種のセグメントはいずれも構造が複雑であって必然的に高価であり、また組み立て作業が面倒で効率的な施工が望めないものも多い。特に特許文献１、２に示される合成セグメントは鋼製枠をＨ形鋼材により構成していることからセグメント間に隙間が生じてしまうものであり、したがって覆工体の構築に際してはセグメント間の隙間にモルタル等の充填材を充填する手間を必要とし、その点で施工性が良くないものであった。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明はこの種のセグメントの構成を簡略化し、以てコストダウンと施工性の改善を実現し得る有効適切なセグメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、トンネル周方向に沿いかつトンネル軸方向に間隔をおいて対向する対の主桁と、それら主桁の両端間を連結している対の端面板とによって構成した筒状分割体の形態の鋼製フレームに、鋼板からなるスキンプレートを設けてなり、トンネルの施工に際して地山に面して配置されて該トンネルの周方向および軸方向に互いに連結されることにより覆工体を構築するためのセグメントであって、前記鋼製フレームにおける前記主桁をウェブと対のフランジからなる断面コ状の鋼材により形成して、前記ウェブどうしおよび前記端面板どうしを密着させた状態でセグメントどうしを連結する構成とし、前記主桁における前記対のフランジの双方に、トンネル軸方向に連結するセグメントどうしのトンネル周方向の位置決め機能とトンネル周方向の応力伝達機能をもたせるべく、坑口側のフランジの外周縁部と切羽側のフランジの外周縁部のいずれか一方に凸部を設けるとともに他方に該凸部が係合する凹部を設けてなり、トンネル径方向の曲げモーメントに起因して前記対のフランジに作用する圧縮力及び引張力を、前記凸部と前記凹部の係合によりトンネル軸方向に隣接するセグメントに伝達する構成とされることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明のセグメントであって、前記主桁における前記ウェブに、トンネル軸方向に連結するセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達機能をもたせるべく、坑口側の主桁のウェブと切羽側の主桁のウェブのいずれか一方にキーを設けるとともに他方に該キーが係合するキー溝を設けてなることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明のセグメントであって、前記端面板に、トンネル周方向に連結するセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達機能をもたせるべく、双方の端面板の一方にキーを設けるとともに他方に該キーが係合するキー溝を設けてなることを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の発明のセグメントであって、前記キーとしてのフラットバーを凹溝内に溶接してなることを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセグメントであって、前記ウェブ端部に、トンネル周方向に連結するセグメントどうしの位置決め機能と係合機能を持たせるべく、いずれか一方のウェブ端部に先端拡大形状の突起を設けるとともに、他方のウェブ端部に該突起が係合する先端拡大形状の切り欠き部を設けてなることを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明のセグメントであって、前記鋼製フレーム内にコンクリートを充填してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のセグメントによれば、主桁をコ字状断面の鋼材により形成して、その主桁のフランジの外周縁部に互いに係合する凸部と凹部を形成し、トンネル軸方向に隣接するセグメントどうしをそれら凸部と凹部とを係合させた状態で連結するので、セグメントを組み立てる際には凸部と凹部の係合により自ずと精度良く位置決めがなされるばかりでなく、組立後には凸部と凹部との間でトンネル周方向の応力伝達が確実になされる。
そして本発明のセグメントは、主桁のウェブどうしや端面板どうしを密着させた状態でセグメントどうしを連結するという単純な構成であるので、従来の各種セグメントに比べて構成の単純化とコストダウンを実現できるし、特に従来の合成セグメントのようにセグメント間に隙間があくことがないからセグメント間にモルタルを充填するといった面倒な作業を必要とせず、その点で従来のセグメントに比べて施工性を改善することができる。
【００１３】
加えて、請求項２，３の発明によれば、主桁のウェブどうしや端面板どうしをキーとキー溝とを係合させた状態で連結することによりトンネル径方向の応力伝達も確実になされて、覆工体全体として充分な強度と安定性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のセグメントの実施形態を示すもので、同セグメントにより構築される覆工体の組立状態を示す図である。
【図２】同、セグメントの外観を示す図である。
【図３】同、セグメントの組立状態を示す図である。
【図４】同、セグメントの平面図である。
【図５】同、断面図である。
【図６】同、断面図である。
【図７】同、正面図および背面図である。
【図８】同、両側面図である。
【図９】同、セグメントどうしの組立状態を示す図である。
【図１０】同、セグメントどうしの組立状態を示す図である。
【図１１】同、セグメントの組立状態を示す図である。
【図１２】同、凸部と凹部の係合による応力伝達機能の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態のセグメントにより構築された覆工体の組立状態を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は展開図である。
【００１６】
本実施形態のセグメントは、図２、図３に示すように基本的には従来一般の鋼製セグメントと同様に、円筒（筒状）分割体の形態の鋼製フレーム１０にスキンプレート１８を取り付けたことを基本とするものであって、たとえば図１に示す例のように３種全８台のセグメント、すなわちキーセグメントとしての１台のＫセグメントと、そのＫセグメントの両側にそれぞれ連結されるＢ１セグメントおよびＢ２セグメントと、それらＢ１セグメントおよびＢ２セグメントの間に連結される５台のＡセグメント（さらに細かく区別すれば、１台のＡ１セグメント、２台のＡ２セグメント、２台のＡ３セグメント）を１組として、それらをトンネル周方向に連結して１リング分の覆工体を形成し、その１リング分の覆工体を（ｂ）に示すようにトンネル周方向にずらした状態でトンネル軸方向に連結することにより覆工体全体を形成するものである。
【００１７】
この場合、各セグメントどうしの連結は、トンネル軸方向に隣接するセグメントどうしを従来一般のワンタッチ式のピン継手、たとえばピン２７（図７（ｂ）参照）をピン受２８（図７（ａ）参照）に挿入する形式の継手を用いて連結することを基本とするが、本実施形態では各セグメントどうしをトンネル周方向およびトンネル径方向に応力伝達可能な状態で互いに係合させた状態で連結するようにしており、そのためセグメントの各辺を以下のように構成している。
なお、本発明のセグメントは上記のＡセグメントを基本とし、ＫセグメントおよびＢ１セグメント、Ｂ２セグメントはＡセグメントと形状および寸法が異なるだけで同様に構成され同様に機能するものであるので、以下ではＡセグメントについて具体的に説明する。
【００１８】
本実施形態のセグメントは、図２、図３に示すように、トンネルの断面形状に対応してトンネル周方向に沿って湾曲している対の主桁１１をトンネル軸方向に間隔をおいて対向し、それら主桁１１の両端間を鋼板からなる対の端面板１６により連結して基本的な矩形枠状のフレームとし、そのフレーム内に適宜間隔で鋼板からなる補強リブ１７を設けて鋼製フレーム１０を構成し、その鋼製フレーム１０の外側（地山に面する側）の表面に湾曲鋼板からなるスキンプレート１８を溶接した構成とされている。
【００１９】
そして、本実施形態のセグメントでは、上記の主桁１１をウェブ１２と対のフランジ１３からなる断面コ状の溝形の鋼材により形成しており、双方の主桁１１における対のフランジ１３の双方の外周縁部に互いに係合可能な凸部１４および凹部１５を形成したことを主眼とする。なお、主桁１１の対のフランジ１３のうち、鋼製フレーム１０の外側（地山に面する側）に位置するものを上フランジとし、内側（トンネル内面に面する側）に位置するものを下フランジとすれば、スキンプレート１８は上フランジに溶接されている。
図示例のセグメントでは、坑口側のフランジ１３の外周縁部に等間隔で４つのテーパ状の凸部１４がフランジ１３と同じ厚みで形成されているとともに、切羽側のフランジ１３の外周縁部には同様に等間隔で４つのテーパ状の凹部１５が切り欠かれて形成されていて、図１、図９、図１０に示すようにトンネル軸方向に隣接するセグメントどうしはそれら凸部１４と凹部１５を係合させた状態で連結されるようになっている。
したがって、トンネル軸方向に連結される双方のセグメントはそれら凸部１４と凹部１５とが係合することによってトンネル周方向の位置決めが自ずとなされ、かつそれらの間でトンネル軸方向の応力伝達が確実になされるようになっている。
【００２０】
なお、凸部１４の突出寸法および凹部１５の切り欠き寸法は、図６（ｂ）に示すようにウェブ１２の厚みの範囲で形成することが好ましく、通常はそれで充分であるが、図６（ｃ）に示すように凹部１５の切り欠き寸法がウェブ１２の厚みを超える場合には上フランジとウェブ１２との間に隙間ができて止水性が確保できなくなってしまうので、その場合は上フランジの下面側にその隙間を塞ぐように止水鋼板３０を溶接する等の止水対策を施せば良い。
また、凸部１４および凹部１５に形成するテーパ角（トンネル軸線に対する傾斜角）は１５〜６０°程度の範囲で任意に設定すれば良い。
また、上記のようにＡセグメントに設ける凸部１４および凹部１５の数を４とする場合には、図１に示すように、Ｋセグメントに設ける凸部１４と凹部１５の数を２とし、ＢＩセグメントとＢ２セグメントに設ける凸部１４と凹部１５の数を３とすれば良いが、各セグメントに設ける凸部１４と凹部１５の数は、各セグメントの形状・寸法を考慮して所望の位置決め精度と応力伝達機能を確保し得る範囲内で適宜増減すれば良い。
さらに、上記とは逆に切羽側のフランジ１３に凸部１４を形成して坑口側のフランジ１３に凹部１５を形成することでも機能的には同様であるが、切羽側のフランジ１３にはシールドマシンを推進させるためのスプレッダが押圧されるので、それとの干渉を回避するためには図示例のように凸部１４は坑口側のフランジ１３に設けることが現実的である。
【００２１】
また、図７、図９に示すように上記の主桁１１におけるウェブ１２には互いに嵌合可能なキー２１およびキー溝２２が設けられている。
すなわち、図示例では切羽側の主桁１１のウェブ１２にキー溝２２が設けられているとともに、坑口側の主桁１１のウェブ１２にはそのキー溝２２に嵌合可能なキー２１が設けられていて、図９に示すようにそれらキー２１およびキー溝２２の嵌合によりトンネル軸方向に連結されるセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達がなされるようになっている。
【００２２】
なお、坑口側の主桁１１のウェブ１２にキー２１を設けるためには、そのウェブ１２にキー２１としての凸条をはじめから形成しておくことでも良いが、それよりも、図９に示すように切羽側のウェブ１２に形成されているキー溝２２と同様の凹溝２１ａを坑口側のウェブ１２にも形成しておいて、その凹溝２１ａ内にキー２１としての鋼材からなるフラットバーを嵌合して溶接すれば良く、そのためにはフラットバーに予め溶接孔２１ｂを形成しておいてその内部から凹溝２１ａの底面に対して溶接を行えば良い。この場合、フラットバーはセグメント全体にわたる長さとしても良いが、所望の応力伝達機能を確保できる場合にはセグメントの一部に対して取り付けることでも良いし、複数個所に離散状態で取り付けることでも良い。
このような手法でキー２１を設けることとすれば、双方の主桁１１のウェブ１２を同一断面形状とできるし、必要に応じてキー２１を坑口側のウェブ１２に設けることに代えて切羽側のウェブ１２に設けることも可能である。但し、上述したように切羽側のウェブ１２にはシールドマシンを推進させるためのスプレッダが押圧されるので、図示例のようにキー２１は坑口側のウェブ１２に設けることが現実的である。
【００２３】
また、図８、図１０に示すように、鋼製フレーム１０における両側の端面板１６には、トンネル周方向に連結されるセグメントどうしのトンネル径方向の応力伝達機能をもたせるべく、双方の端面板１６の一方にキー２１を設けるとともに他方には該キー２１が係合するキー溝２２が設けられている。
図示例では切羽側から見て左側の側面にキー２１が設けられているとともに、右側の側面にはそのキー２１が嵌合可能なキー溝２２が設けられており、図１０に示すようにそのキー溝２２にキー２１を嵌合させた状態でセグメントどうしをトンネル周方向に連結することで双方のセグメントの間でトンネル径方向の応力伝達がなされるようになっている。
なお、端面板１６にキー２１を設けるためには、上記の主桁１１におけるウェブ１２に対してキー２１を設ける場合と同様に、キー２１としてのフラットバーを凹溝２１ａ内に溶接すれば良い。
また、端面板１６の形状も単なる平板状の鋼板ではなく、端面板１６の地山側に面する端面に、主桁１１のウェブ１２に対する上フランジと同様な形で、上フランジを取り付けて端面板１６としても良い。このようにすれば、補強になるとともに、スキンプレート１８を上フランジに溶接できる。
【００２４】
さらに、図７、図８、図１０に示すように、切羽側の主桁１１におけるウェブ１２の一方の端部（図示例では切羽側からみて左側の端部）には先端部がＴ字形に拡大しているＴ字形突起（先端拡大形状の突起）２３が設けられ、他方の端部（同、右側の端部）にはそのＴ字形突起２３が係合する先端拡大形状の切り欠き部２４が形成されており、双方のセグメントをトンネル周方向に組み付けると同時にそれらＴ字形突起２３と切り欠き部２４が係合して双方のセグメントの位置決めがなされ、トンネル周方向に連結されるようになっている。なお、本実施形態では、Ｔ字形突起２３の厚みはウェブ１２の厚みと同じにしている。
【００２５】
ところで、このＴ字形突起２３とそれが係合する切り欠き部２４を、切羽側の主桁１１のウェブ１２に設けるだけでなく、坑口側の主桁１１のウェブ１２にも設けるようにしても良い。このようにすれば、Ｔ字形突起２３とそれが係合する切り欠き部２４とによるセグメント継手として曲げモーメントを分担することができる。
この場合は、図１１に示すように、セグメントリングの組み立て順序（（１）〜（８）として示す）を考慮し、最初に組み立てるセグメント（Ａ１セグメント）と最後に組み立てるキーセグメント（Ｋセグメント）を除き、展開視においてセグメントの対角にＴ字形突起２３とそれが係合する切り欠き部２４を配置する。
Ｔ字形突起２３と、それが係合する切り欠き部２４を、セグメントの切羽側と坑口側の両方に設けることの効果として、曲げモーメントの伝達機構が、凸部１４と凹部１５の係合によるものと、Ｔ字形突起２３と切り欠き部２４の係合によるものが合成されるので、より曲げ剛性の高いセグメントリングとすることができる。
さらに、このＴ字形突起２３によるセグメント継手をセグメントの切羽側と坑口側に設けた場合、この継手だけでも曲げモーメントを分担できるので、セグメントリング間においては、セグメントのフランジ１２での凸部１４と凹部１５による係合を省略してフランジ外周縁端面を平らにし、図７に示したようなピン２７とピン受２８とによるワンタッチ式のピン継手やキー２１とキー溝２２とによる係合だけとすることもできる。
【００２６】
なお、本実施形態のセグメントにおいても、従来一般のセグメントと同様に、双方の主桁１１のウェブ１２および双方の端面板１６には止水用のシール材（図示略）を充填するためのシール溝２６を２条づつ形成しておくと良い。
以上の構成に加えて、スキンプレート１８の内面側となるトンネル内面側に、鉄筋を配筋したうえで鋼製フレーム１０内にコンクリートを充填することにより、特許文献１，２に示されるような合成セグメントとして機能するものとなる。
【００２７】
本実施形態のセグメントによれば、主桁１１をコ字状断面の溝形の鋼材により形成し、その主桁１１の上下のフランジ１３それぞれの外周縁部に互いに係合する凸部１４と凹部１５を形成して、トンネル軸方向に隣接するセグメントどうしをそれら凸部１４と凹部１５とを係合させた状態で連結するので、セグメントを組み立てる際には凸部１４と凹部１５の係合により自ずと精度良く位置決めがなされるし、組立後には凸部１４と凹部１５との間でトンネル周方向の応力伝達が確実になされる。
すなわち、図１２に示すように覆工体に対して作用するトンネル周方向の引張力や曲げモーメントは、上下のフランジそれぞれで凸部１４と凹部１５との係合により隣接セグメントに対して効果的に伝達されるので、それらセグメントの全体で充分なせん断剛性を確保することができる。
しかも、本実施形態のセグメントによれば、主桁１１のウェブ１２どうしおよび端面板１６どうしをそれぞれキー２１とキー溝２２とを係合させた状態で接合するので、それらキー２１とキー溝２２の係合によりトンネル径方向の応力伝達も効果的になされて、覆工体全体として充分な強度と構造安定性、信頼性を有するものとなる。
【００２８】
また、本実施形態のセグメントは従来の各種セグメントと同様にワンタッチ継手によりボルトレスでの組立が可能であるばかりでなく、特許文献１，２に示される従来の合成セグメントに比べて効率的に組み立てることが可能である。
すなわち、従来の合成セグメントは主桁をＨ形鋼材により構成していることからセグメント間に隙間が生じるものであり、したがってその隙間にモルタルを充填する作業が必要となるが、本実施形態のセグメントでは主桁１１の上下それぞれのフランジ１３の外周縁端面は凸部１４と凹部１５を除きウェブ１２の外側面と面一になっているので、ウェブ１３どうしは密着した状態で連結でき、また端面板１６にしてもその名の通り鋼製フレーム１０の端面に位置しているので端面板１６どうしは密着させた状態で連結できる。したがってそれらの間に隙間が生じることがなく、セグメントの組立後にさらにモルタルを充填するといった面倒な作業を必要とせず、その点で従来の合成セグメントによる場合に比べて施工性を大きく改善できるものである。
【００２９】
以上で本発明のセグメントの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、各部の具体的な構成は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、すなわち主桁をコ字状断面の溝形の鋼材により形成してそのフランジの外周縁部に互いに係合可能な凸部と凹部を設ける限りにおいて、それ以外の各構成要素は省略することも含めて適宜の設計的変更や応用が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３０】
１０  鋼製フレーム
１１  主桁
１２  ウェブ
１３  フランジ
１４  凸部
１５  凹部
１６  端面板
１７  補強リブ
１８  スキンプレート
２１  キー（フラットバー）
２１ａ  凹溝
２１ｂ  溶接孔
２２  キー溝
２３  Ｔ字形突起（先端拡大形状の突起）
２４  切り欠き部（先端拡大形状の切り欠き部）
２６  シール溝
２７  ピン
２８  ピン受
３０  止水鋼板
【図１】
0005551016.tif 000002
【図２】
0005551016.tif 000003
【図３】
0005551016.tif 000004
【図４】
0005551016.tif 000005
【図５】
0005551016.tif 000006
【図６】
0005551016.tif 000007
【図７】
0005551016.tif 000008
【図８】
0005551016.tif 000009
【図９】
0005551016.tif 000010
【図１０】
0005551016.tif 000011
【図１１】
0005551016.tif 000012
【図１２】
0005551016.tif 000013