(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、水、骨材が混合されて形成された耐火材が、補強部材が埋設されたコンクリートの内面に設けられたトンネル用耐火覆工体のセグメントであって、
前記耐火材は４０ｍｍ以上の厚みを有し、
前記骨材は、細骨材と、シラス中の火山ガラスを熱処理して発泡化させた微細中空ガラス球又は珪藻土からなると共に、空気孔を有する骨材微粒子とを有し、該骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上１００未満含まれていることを特徴とするトンネル用耐火覆工体のセグメント。
【請求項２】
前記補強部材は、金属製で前記耐火材から離間した状態で埋設されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメント。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメントを組み合わせて構築されていることを特徴とするトンネル用耐火覆工体。
【請求項４】
セメントと、水と、空気孔を備えた骨材微粒子及び細骨材を有する骨材とが混合されて形成され、前記骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上１００未満含まれている耐火材を型枠に打設し、該耐火材から金属製の補強部材を前記耐火材に埋設させた耐火スペーサで浮かせた状態で位置決めし、その後、前記耐火材上に前記補強部材を埋設するようにコンクリートを打設してセグメントを成形することを特徴とするトンネル用耐火覆工体のセグメントの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルの内面に用いられる耐火材およびこれを用いたトンネル、トンネル覆工体並びにトンネル覆工体の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
道路トンネル内等において火災が発生した場合、高熱によってトンネルを支える覆工体が破損するおそれがある。覆工体が破損すると、トンネルに作用する荷重を受けることができなくなり、地下水や土砂が流出するばかりではなく、トンネルの崩壊につながりかねない。このため、トンネル内での火災に対しても十分な耐火性能を有する覆工構造とする必要がある。
【０００３】
トンネルにおいて従来提案されている火災対策には、（１）二次覆工（図１１参照、（２）耐火パネル（図１２参照）の２つの対策がある。
（１）二次覆工（図１１参照）
これは、普通コンクリート１０２で構成されたセグメント１０１をシールドトンネルの内周面形状に組み合わせて構築された覆工体の内周面を、コンクリートによる二次覆工１０３によって覆うものである。
（２）耐火パネル（図１２参照）
これは、普通コンクリート１０２で構成されたセグメント１０１をシールドトンネルの内周面形状に組み合わせて構築された覆工体の内周面に、耐火パネル１０５を専用取付ボルト１０６によって固定するものである。なお、コンクリート１０２にはインサートナット１０７が埋設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記火災対策では次のような問題があった。
（１）二次覆工の問題
二次覆工の場合、従来の耐火材では熱伝導率が高いため二次覆工の厚みを要し、掘削断面積が大きくなってしまう。また、一次覆工後に行うため工期が長く、コストアップとなる。
急激な温度上昇によって爆裂現象を招くおそれがあり、防火対策として不十分である。さらに、トンネル軸方向の剛性が大きくなり、耐震性が低下する。
【０００５】
また、この二次覆工は、火災対策の他に、▲１▼防水、▲２▼防食、▲３▼防振、▲４▼蛇行修正、▲５▼内面の平滑化、▲６▼内装仕上げの目的で施工されてきた。
しかし、近年では、シールド掘削技術およびセグメント組立技術の向上により、▲１▼防水，▲４▼蛇行修正が改善され、また、セグメントのボルトレス化によって▲５▼内面の平滑化、▲６▼内装仕上げの必要性も薄れてきた。
そのため、掘削断面の縮小・工期の短縮によるコストダウンを図る目的で、二次覆工が省略されるようになってきた。道路トンネルも同様に、二次覆工を省略するケースが増え、それに伴い、火災発生時を考慮した耐火機能を有する被覆材が必要となっている。
【０００６】
（２）耐火パネルの問題
耐火パネル１０５を構成する耐火材（セラミックス系）が高価であり、また、導水材，取付用部材（耐食性，耐熱性）などが必要なため、材料費が高くつく。
さらに、耐火パネル１０５の取付手間や大断面の場合には（道路トンネルは概して大断面）、足場などの仮設備も必要となり、施工の手間がかかる。
【０００７】
本発明は上記した従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、トンネル火災に対しても十分な耐火性能を有する覆工構造を実現するための耐火材を提供すると共に、この耐火材を用いたトンネル、トンネル用耐火覆工体及びトンネル用耐火覆工体の成形方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメントは、セメント、水、骨材が混合されて形成された耐火材が、補強部材が埋設されたコンクリートの内面に設けられたセグメントであって、前記耐火材は４０ｍｍ以上の厚みを有し、前記骨材は、細骨材と、シラス中の火山ガラスを熱処理して発泡化させた微細中空ガラス球（シラスバルーン）又は珪藻土からなると共に、空気孔を有する骨材微粒子とを有し、該骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上１００未満含まれていることを特徴とする。
このように、耐火材に”シラスバルーン”や”珪藻土”からなり、空気孔を有する多孔質の骨材微粒子を混和することにより、従来の耐火材に比べ、火災に対する耐火性能を向上させるとともに、耐火材のコストダウン，施工性の向上を図るものである。
【０００９】
また、請求項２に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメントは、補強部材が金属製で、前記耐火材から離間した状態で埋設されていることを特徴とする。
さらに、請求項３に記載のトンネル用耐火覆工体は、請求項１又は２に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメントを組み合わせて構築されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載のトンネル用耐火覆工体のセグメントの成形方法は、セメントと、水と、空気孔を備えた骨材微粒子及び細骨材を有する骨材とが混合されて形成され、前記骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上１００未満含まれている耐火材を型枠に打設し、該耐火材から金属製の補強部材を耐火材に埋設させた耐火スペーサで浮かせた状態で位置決めし、その後、前記耐火材上に前記補強部材を埋設するようにコンクリートを打設してセグメントを成形することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る耐火材を用いたトンネルの一般断面を示している。
すなわち、普通コンクリート２で構成されたセグメント１をシールドトンネルの内周面形状に組み合わせて構築された断面円形状の覆工体３の内面に、本発明の耐火材４が設けられている。この覆工体３の底部にはインバート５が設けられている。
耐火材４は、図２に示すように、トンネル覆工体３を構成する複数の各セグメント１の内面に一体的に設けられている。また、各セグメント１の軸方向端面及び周方向端面にはワンタッチで隣りのセグメントに連結可能なワンタッチ継ぎ手６が設けられている。
【００１３】
耐火材４は、セメント、水、骨材が混合されて形成されるもので、骨材に
は、空気孔を有する骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上含まれている。
骨材微粒子は、シラス中の火山ガラスを熱処理して発泡化させた微細中空ガラス球（シラスバルーン）や珪藻土等が用いられる。
このように、耐火材４に”シラスバルーン”や”珪藻土”等の空気孔を有する多孔質の骨材微粒子を混和することにより、従来の耐火材に比べ、火災に対する耐火性能を向上させるとともに、耐火材のコストダウン，施工性の向上を図るものである。
また、上記構成材（セメント、水、骨材）以外に軽量骨材、空気孔を有する粗骨材、繊維補強材等を混入させても良い。
【００１４】
次に、図３乃至図７を用いて、トンネル用耐火覆工体のセグメントの成型方法を説明する。
すなわち、耐火材４は、トンネル覆工体３のセグメント１製作時に、図３に示すように、あらかじめ型枠１０内に打設し、覆工コンクリート打設時に変形しない程度まで硬化させておく。その上から覆工コンクリートを打設して、覆工の内面側に一体化させる。このとき、覆工コンクリートに埋設される「補強部材」としての鉄筋１７を耐火材４から浮かせた状態で位置決めし、コンクリートを打設してトンネル用耐火覆工体のセグメント１を成形するものである。
【００１５】
以下に、この手順を詳細に説明する。
まず、図３に示すように、セグメント製作用型枠を組み立てる。
型枠１０は、セグメントの内周面を成型するための円弧状の底板１１と、セグメントの軸方向端面を成型するための側板１２と、セグメントの周方向端面を成型するための妻板１３と、を備えている。
次に、図４に示すように、耐火スペーサ１４を埋設して型枠底面に耐火材４を打設し、表面をならす。十分な付着を得るために、耐火材４の表面に接着剤を塗布する、もしくは、耐火材４あるいはコンクリートに接着剤を混合する。あるいは、耐火材４を打設後、時間をおかずに（硬化する前に）コンクリートを打設し、付着させる。その耐火スペーサ１４の成分は、耐火材４と同じ配合、あるいは、同等の耐火性能を有する成分であり、耐火スペーサ１４の強度は、鉄筋寵１７を乗せても壊れない程度の強度、例えば耐火材４と同程度の強度であり、耐火スペーサ１４の形状は、四角形、円柱形、リング形状等とすることができる。
次に、図５（ａ），図６に示すように、鉄筋寵１７を耐火スペーサ１４を利用し、型枠１０内に位置決めする。この耐火スペーサ１４により、鉄筋寵１７を耐火材４から所定距離浮かせた状態（所定距離離間させた状態）で支持することにより、鉄筋寵１７のかぶりを確保するようにしている。これにより、耐火材４から熱伝達率の良い鉄筋寵１７への熱伝達を抑制することができ、断熱性を高めることができる。換言すれば、離間させる距離は、十分に熱伝達を抑制できる距離に設定する。
【００１６】
埋設される耐火スペーサ１４としては、図５（ａ）に示すようにさいころ型スペーサとして下端が耐火材４を突き抜けていてもよいし、下端が耐火材４内部の中途位置まででもよい。また、耐火材４の強度が出てから使用する場合には、図５（ｂ）に示すように耐火材４上に当接するような後載せスペーサ１５を用いてもよいし、形状としては図５（ｃ）に示すように断面コ字形状等のうま型スペーサ１６を用いてもよい。これらのスペーサ１４…には耐熱性を有する材料を用いる。
また、スペーサを用いないで、鉄筋籠１７を型枠１０の周面にのみに固定して耐火材４から浮かせた状態に保持するようにしてもよい。
次に、図６に示すように、コンクリート２を打設する（耐火材４未硬化時あるいは硬化時）。コンクリート２養生後、型枠１０を脱型して、図７に示すようにセグメント１が完成する。
【００１７】
製作されたセグメント１の組立手順は、次の通りである。
バキューム式あるいは把持式のエレクタ（セグメント組立装置）によってセグメント１を持ち上げて、順次セグメント１を組立ててリングを構成する。
ボルトボックスや把持金物がないセグメント１を標準とするが、耐火材４にボルトボックスや把持金物のような欠損部がある場合には、セグメント１の組立完了後、欠損部に耐火材４を充填する。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の耐火材についての実施例を説明する。
本実施例では、早強セメント、水、川砂、骨材微粒子（珪藻土、シラスなど）を任意に配合割合で供試体としての耐火材ピース２０を作成し、加熱試験を行った。
加熱試験の耐火材ピース２０は、モルタル２１と、本発明の耐火材２２を境界面２３を介して積層したもので、２００×２００×１００ｍｍのブロック形状を呈し、その厚みはモルタル２１が６０ｍｍ、耐火材２２が４０ｍｍとした（図８参照）。
この耐火材ピース２０を、１３５０℃で１２０分間の加熱実験を行った結果が、図１０に示されている。この１３５０℃は、図９に示すように、世界で最も厳しい安全基準を課しているオランダの炉内加熱最大温度を採用した。オランダの基準では、図７におけるコンクリート２表面位置２ａにて３８０℃以下、鉄筋表面位置１７ａで２５０℃以下を満足しなければならない。
【００２０】
図１０に示すように、珪藻土、シラス共に骨材体積比率で５０〜１００％混入させた場合、その耐火材ピース２０を加熱しても、爆裂現象を生じず、４０ｍｍ内面に入った、モルタル２１と耐火材２２の境界面２３の位置で２５０℃以下に保つことができることを確認した。
一方、５０％より少なくなると、爆裂現象が発生することがわかった。
【００２１】
ここで、骨材体積比率とは、耐火材に含まれる骨材のうち骨材微粒子の占める体積比率をいう。
骨材体積比率＝Ｖａ／（Ｖｓ＋Ｖａ）×１００  （％）
Ｖｓ＝Ｓ／γｓ
Ｖａ＝Ｆ／γａ
Ｖｓ：細骨材（川砂）の体積
Ｖａ：骨材微粒子（シラス、珪藻土）の体積
Ｓ  ：細骨材（川砂）の重量
Ｆ  ：骨材微粒子（シラス、珪藻土）の重量
γｓ：細骨材（川砂）の密度
γａ：骨材微粒子（シラス、珪藻土）の密度
この時の配合の一例としては、セメント５８９Ｋｇ、川砂６８２ｋｇ（比重：２．６）、水３７５ｋｇ、骨材微粒子（シラス比重：０．２）で、骨材体積比率は５８％である。
なお、上記実施の形態等では、「補強部材」として鉄筋１７を適用しているが、これに限らず、「補強部材」としては、プレストレストコンクリートに用いられるパイプ状のシース管や、セグメント同士を接続する金属製の継ぎ手等が適用される。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐火材が骨材微粒子が骨材体積比率として略５０％以上含む構成としたので、耐火被覆として十分な強度を得ることができる。特に、５０％以上の骨材体積比率とすることにより、爆裂現象の発生を防止することができる。
また、耐火材に”シラスバルーン”や”珪藻土”等の空気孔を有する多孔質の骨材微粒子を混和することにより、従来の耐火材に比べ、火災に対する耐火性能を向上させるとともに、耐火材のコストダウン，施工性の向上を図ることができる。
【００２３】
また、本発明の耐火材はトンネルの耐火被覆として十分な強度を得ることができる。
また、シラス，珪藻土等は一体製作できることからトンネル覆工体のセグメント内面に耐火材を一体的に設けておけば、従来の耐火パネルのような取付け手間や、足場などの仮設備も必要ないため、施工費も少ない。
さらに、補強部材（例えば鉄筋）を耐火材から離間させた状態で位置決めし、コンクリートを打設してトンネル用耐火覆工体を成形することで、耐火材から熱伝達率の良い補強部材への熱伝達を抑制することができ、断熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る耐火材を使用したときのトンネルー般断面図である。
【図２】図１の耐火材を一体打設したセグメントの斜視図である。
【図３】図２のセグメント製作用型枠を示す斜視図である。
【図４】図３の型枠にスペーサを埋設して型枠底面に耐火材を打設した状況を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は各種スペーサ設置部の断面図である。
【図６】図４の型枠に鉄筋寵を固定し、コンクリートを打設した状況の一部断面斜視図である。
【図７】図２のセグメントの断面図である。
【図８】本発明の実施例に係る実験供試体としての耐火材ピースの斜視図である。
【図９】火災安全基準において負荷される加熱曲線（オランダ、ドイツ、ＩＳＯ標準）を示すグラフである。
【図１０】１３５０℃で１２０分間加熱後の４０ｍｍ内面位置での各耐火材ピースの温度を示すグラフである。
【図１１】従来のトンネルの一般断面図（二次覆工）である。
【図１２】従来の耐火パネルの据え付け詳細図である。
【符号の説明】
１  セグメント
２  コンクリート
３  覆工体
４  耐火材、
５  インバート
６  ワンタッチ継ぎ手
１０  型枠
１４，１５，１６  スペーサ
１７  鉄筋籠
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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