(57)【要約】【課題】沈埋トンネルの継手部（沈埋函継手部）の止水性能を効率的に向上することができる、耐震補強構造の継手部の耐震補強構造を提供する。【解決手段】沈埋函継手部２１において、耐震補強構造として、沈埋函継手部２１のトンネル内部全周にわたって、トンネル軸方向に波形が形成された補強用波形鋼板３２をアンカーボルト３３で取り付けている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造であって、前記継手部のトンネル内部全周にわたって補強用波形鋼板を取り付けたことを特徴とする、沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【請求項２】
前記継手部と前記補強用波形鋼板の間に、引張強度に優れた防水樹脂を塗布したことを特徴とする請求項１に記載の沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【請求項３】
前記補強用波形鋼板は、前記継手部の目地開きを吸収するための波形部を有し、その波形部の両側に、前記継手部に定着させるための直線部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沈埋トンネル（沈埋函による海底トンネル）の継手部の耐震補強構造に関し、特に、継手部の止水性能を向上する耐震補強構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、沈埋函１１による海底トンネル（沈埋トンネル）１０の縦断方向（トンネル軸方向）の構造例である。立坑１２の間に沈埋函１１が複数函（ここでは、１号函〜６号函の６函）設置されており、１函あたり約１１０ｍの長さである。
【０００３】
図２は、沈埋函１１による海底トンネル（沈埋トンネル）１０の横断方向（トンネル軸直角方向）の構造例である。図２中の１３は鉄筋コンクリート、１６は止水用鋼板である。
【０００４】
図３は、沈埋函１１同士の継手部（沈埋函継手部）２１の構造例である。なお、図３では、沈埋函１１の天井側部分同士の継手部分を示している。端面（コンタクトフレーム）２２には、ゴムガスケット２３が圧縮された状態で配置され、沈埋函１１から突出した鉄筋１５をグリップ継手（グリップジョイント）２４で連結している。沈埋函１１同士が鉄筋１５で連結された後、くぼみ部分には後打ちコンクリート２５が打設されている。なお、ゴムガスケット２３を一次止水ゴムとして、ゴムガスケット２３の内側に二次止水ゴム（図示せず）が配置されている場合もある。
【０００５】
このような沈埋函１１を用いた海底トンネル１０で、建設当時に比べ耐震設計の対象となる地震動が大きくなる場合、沈埋函１１同士の継手部２１が耐力不足となり、沈埋函１１間の目地開き大きくなって、十分に止水性を確保できない可能性がある。
【０００６】
そこで、大阪港の咲洲トンネルでは、地震動の見直しによる継手部の耐力不足に対して、沈埋函の継手部において沈埋函同士を補強用鋼板で連結して、目地開きを抑える対策がとられている（非特許文献１参照）。
【０００７】
すなわち、図４は、上記の補強用鋼板による耐震補強構造を示すものであり、図３に示した沈埋函継手部２１において、耐震補強構造として、継手部２１のトンネル内部に補強用鋼板３１をアンカーボルト３３で取り付けている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】沈埋函の接続部分を耐震補強、日経コンストラクション、日経ＢＰ社、２００９年３月２７日号、Ｐ．２６〜３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の非特許文献１に記載されたような、沈埋函同士を補強用鋼板で連結する耐震補強構造を用いた場合、補強用鋼板の沈埋函への定着部分に作用する荷重が大きく、定着部分を長くして多数のアンカーボルトによる定着が必要となる。その結果、補強用鋼板自体が重くなり、施工性も悪化してしまう。
【００１０】
また、補強用鋼板は、既存の定着鉄筋等に比べて断面積が大きく、想定以上の地震時に沈埋函同士が離れる方向に変形した際には、補強用鋼板の定着部に作用する荷重が大きくなるため、定着部自体が損傷してしまう可能性がある。そのため、止水性が確保されず、沈埋トンネルが浸水してしまう可能性が否定できない。
【００１１】
一方、下水道や共同溝で用いられるコンクリート製のカルバートの既存構造への耐震対策として、ゴム製の耐震目地補修継手が実用化されている。
【００１２】
この耐震目地補修継手はゴム製なので、継手部の目地開きが生じても、定着部のアンカーに作用する力は小さいため、少量のアンカーで定着することができる。例えば、アンカーの定着間隔は３３０ｍｍで、カルバート外部から浸水した場合の耐水圧特性は０．１ＭＰａ以下である（水深１０ｍ程度の水圧）。
【００１３】
しかしながら、沈埋函の継手部は、アンカーの定着に適した場所が、施工の都合上離れている（１ｍ以上）ことと、水深１０ｍ以深に設置されていることも多いので、上記のゴム製の耐震目地補修継手を適用することは不可能である。
【００１４】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、想定以上の地震時にも沈埋トンネルの継手部（沈埋函継手部）の止水を確保することができるとともに、容易に取り付けることができる沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１６】
［１］沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造であって、前記継手部のトンネル内部全周にわたって補強用波形鋼板を取り付けたことを特徴とする、沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【００１７】
［２］前記継手部と前記補強用波形鋼板の間に、引張強度に優れた防水樹脂を塗布したことを特徴とする前記［１］に記載の沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【００１８】
［３］前記補強用波形鋼板は、前記継手部の目地開きを吸収するための波形部を有し、その波形部の両側に、前記継手部に定着させるための直線部を有していることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る沈埋トンネルの継手部の耐震補強構造は、想定以上の地震時にも沈埋トンネルの継手部（沈埋函継手部）の止水を確保することができるとともに、容易に取り付けることができる。
【００２０】
すなわち、本発明においては、沈埋トンネルの継手部（沈埋函継手部）の止水性能を効率的に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】沈埋函による海底トンネルの縦断方向（トンネル軸方向）の構造例である。
【図２】沈埋函による海底トンネルの横断方向（トンネル軸直角方向）の構造例である。
【図３】海底トンネルの継手部（沈埋函継手部）の構造例である。
【図４】非特許文献１に記載の耐震補強構造を模式的に示した図である。
【図５】本発明の実施形態１における耐震補強構造を示す図である。
【図６】本発明の実施形態１における補強用波形鋼板の断面形状である。
【図７】本発明の実施形態１における補強用波形鋼板の両端を水平方向に載荷したときの荷重〜変位関係である。
【図８】本発明の実施形態１における補強用波形鋼板の波形部分の他の形状例（直線区間あり）である。
【図９】本発明の実施形態１において、路面部に必要となる補強用波形鋼板カバーの説明図である。
【図１０】本発明の実施形態２における耐震補強構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施例において、比較例の補強用鋼板と本発明例の補強用波形鋼板について引張方向の荷重と変位の関係を比較した図である。
【図１２】本発明の実施例において、沈埋函部分に相当する地盤部分での水平方向の変位状態を示す図である。
【図１３】従来例における沈埋函継手部の目地開き量を示す図である。
【図１４】比較例における沈埋函継手部の目地開き量を示す図である。
【図１５】本発明例１における沈埋函継手部の目地開き量を示す図である。
【図１６】本発明例２における沈埋函継手部の目地開き量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
［実施形態１］
図５は、本発明の実施形態１における沈埋函継手部を示す図である。
【００２４】
図５に示すように、この実施形態１では、図３に示した沈埋函継手部２１において、耐震補強構造として、沈埋函継手部２１のトンネル内部全周にわたって、トンネル軸方向に波形が形成された補強用波形鋼板３２をアンカーボルト３３で取り付けている。
【００２５】
つまり、この補強用波形鋼板３２は、沈埋函継手部２１の目地開きを吸収するための波形部３２ａを有し、その波形部３２ａの両側に、沈埋函継手部２１にアンカーボルト３３で定着させるための直線部３２ｂを有している。
【００２６】
これによって、この実施形態１においては、沈埋函１１への定着部の荷重が過大とならず、海底トンネル１０（沈埋函１１）内部への止水性を効率的に確保することができる。
【００２７】
すなわち、沈埋函継手部２１のトンネル内部全周にわたって補強用波形鋼板３２を取り付ける構造としたため、沈埋函継手部２１で目地開きが生じるような変位が生じても、補強用波形鋼板３２が変形しながら追随するため、止水性が確保される。
【００２８】
また、補強用波形鋼板３２はトンネル軸方向に変形しやすいため、変形した場合にも沈埋函１１への定着部に大きな荷重を伝達しない特性を有する。したがって、補強用波形鋼板３２の沈埋函１１への定着が容易になる。
【００２９】
なお、補強用波形鋼板３２は、沈埋函にアンカーボルト３３による定着点の間（後打ちコンクリート２５に接する区間）で、止水を確保する目標目地開き量の長さの余裕を持たせるような長さになるよう波形を形成すれば良い。大きな目地開き量に対応が必要で、かつ、トンネル内部の空間を阻害しないような形状は、必然的に複数個の波形が必要となる。
【００３０】
以下に、補強用波形鋼板の具体的な形状と性能について、数値解析的に検討した結果を示す。
【００３１】
まず、検討対象の断面形状（折り曲げ形状）を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）は波形部の水平方向長さが６０ｃｍのモデル（波形部６０ｃｍモデル）であり、図６（ｂ）は波形部の水平方向長さが４０ｃｍのモデル（波形部４０ｃｍモデル）である。なお、図６（ａ）、（ｂ）において、ａ点とｂ点は、直線部の両端部（すなわち、補強用波形鋼板の両端部）を示している。
【００３２】
上記の断面形状に材料特性を組み合わせた下記の４ケース（Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ４）について、鋼板部分をシェル要素で、沈埋函継手部との接触部分をソリッド要素でモデル化した３次元ＦＥＭ解析をおこなった。
【００３３】
（Ｃａｓｅ１）波形部６０ｃｍモデル、板厚１５ｍｍ、すべて材質はＳＳ４００（一般構造用圧延鋼材）
（Ｃａｓｅ２）波形部６０ｃｍモデル、板厚１５ｍｍ、直線部の材質はＳＳ４００（一般構造用圧延鋼材）、波形部の材質はＬＹ１００（建築構造用低降伏点鋼材）
（Ｃａｓｅ３）波形部４０ｃｍモデル、板厚１５ｍｍ、すべて材質はＳＳ４００（一般構造用圧延鋼材）
（Ｃａｓｅ４）波形部４０ｃｍモデル、板厚１５ｍｍ、直線部の材質はＳＳ４００（一般構造用圧延鋼材）、波形部の材質はＬＹ１００（建築構造用低降伏点鋼材）
【００３４】
なお、波形部は半径５ｃｍの円弧状になるように加工してあり、波形部６０ｃｍモデルでは、波形部の波形に沿った長さは９４．２ｃｍで、水平方向長さの６０ｃｍよりも３４．２ｃｍの長くなっている。また、波形部４０ｃｍモデルでは、波形部の波形に沿った長さは６２．８ｃｍで、水平方向長さの４０ｃｍよりも２２．８ｃｍの長くなっている。（以降、長くなっている量を余裕代と呼ぶ）。
【００３５】
一方、材料特性は以下のとおりである。
【００３６】
ＳＳ４００は一般構造用圧延鋼材で、ヤング率（１次勾配）２．０×１０５Ｎ／ｍｍ２、降伏強度２８２Ｎ／ｍｍ２（設計で用いる降伏点は２３５Ｎ／ｍｍ２とすることが多いが、降伏点が大きい方が定着部に作用する力が大きくなるため、ここでは平均的な降伏点とするため２３５Ｎ／ｍｍ２を１．２倍している）、降伏後の２次勾配は１次勾配（２．０×１０５Ｎ／ｍｍ２）の１／１０００とした。板厚１５ｍｍの鋼板の伸びは１７％以上が保証されている。
【００３７】
ＬＹ１００は極低降伏点鋼で、ヤング率５．０×１０４Ｎ／ｍｍ２、降伏強度１００Ｎ／ｍｍ２、降伏後の２次勾配はひずみが０．１までは１．３３×１０３Ｎ／ｍｍ２、それ以降の３次勾配は１．００×１０２Ｎ／ｍｍ２とした。鋼板の伸びは５０％以上が保証されている。
【００３８】
そして、ａ点とｂ点を水平に載荷して求めた荷重と変位の関係を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）は、Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ２であり、図７（ｂ）は、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４である。なお、ここでは、奥行き方向を１０ｃｍとしたモデルで算定している。
【００３９】
図７（ａ）に示すように、Ｃａｓｅ１、２では、波形に折り曲げたことによる余裕代３４．２ｃｍを越えたあたりから荷重が増加している。同様に、図７（ｂ）に示すように、Ｃａｓｅ３，４では波形に折り曲げたことによる余裕代２２．８ｃｍを超えたあたりから荷重が増加している。
【００４０】
材質の違いに関しては、余裕代以下の定常的な区間では、折り曲げ部（波形部）にＬＹ１００を用いることで、荷重を４割〜７割程度まで抑制できている。
【００４１】
また、図７（ａ）のＣａｓｅ１と、図７（ｂ）のＣａｓｅ３において、荷重〜変位関係上に記した○印は、鋼板の伸びの下限値１７％に相当する地点である。伸びの限界値を越えると破断の可能性があるため、限界以内で使用を前提とする必要がある。Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ４に関しては、伸びの下限値が５０％であるため、図示した範囲内では伸びの限界には達しない。
【００４２】
以上の結果から、それぞれのケースの目地開きへの対応限界は下記のとおりになる。
【００４３】
Ｃａｓｅ１：１４ｃｍ（余裕代３４．２ｃｍの４割程度）
Ｃａｓｅ２：５０ｃｍ以上まで可能（ただし、３０ｃｍ程度までの方が定着部に作用する力が小さいため、取り付けが容易）
Ｃａｓｅ３：９．２ｃｍ（余裕代２２．８ｃｍの４割程度）
Ｃａｓｅ４：４０ｃｍ以上まで可能（ただし、３０ｃｍ程度までの方が定着部に作用する力が小さいため、取り付けが容易）
【００４４】
したがって、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）を用いる場合には、目地開き総定量の２．５倍以上（４割の逆数）の余裕代を波形形状でもたせ、建築構造用低降伏点鋼材（ＬＹ１００）の場合には、目地開き総定量の１倍以上の余裕代を波形形状でもたせれば良い。
【００４５】
なお、図６（ａ）、（ｂ）に示した断面形状（折り曲げ形状）では、半径５ｃｍの円弧を組み合わせた形状としているが、図８に示すように、円弧状部の途中に直線区間を入れることで、余裕代を稼ぐことができる。ただし、その場合には、トンネル内側壁から突出する量が多くなってしまう。
【００４６】
また、折り曲げ回数を増やせば余裕代を簡単に増やすことが可能である。ただし、例えば路面部（沈埋函１１の底部側）では、図９に示すように、波形部３２ａを覆うように、通行車両の荷重に対応できるようなカバー（補強用波形鋼板カバー３５）を取り付けることが普通である。このような場合は、補強用波形鋼板の材質とカバーの大きさに合わせた折り曲げ回数とすればよい。なお、図９中の３６は舗装部である。
【００４７】
［実施形態２］
図１０は、本発明の実施形態２における沈埋函継手部を示す図である。
【００４８】
図１０に示すように、この実施形態２では、図５に示した本発明の実施形態１の耐震補強構造において、さらに、沈埋函継手部２１と補強用波形鋼板３２との間に引張強度に優れる防水樹脂３４を塗布するようにしている。
【００４９】
想定以上の地震が作用した場合、後打ちコンクリート２５は、沈埋函１１同士が離れる方向で挙動するとひび割れが生じ、圧縮側に挙動した場合には圧壊する可能性がある。そのため、ゴムガスケット２３が機能しなくなると、補強用波形鋼板３２に大きな水圧がかかり、アンカーボルト３３の隙間などから徐々に漏水が発生することが懸念される。
【００５０】
これに対して、この実施形態２では、上記のように、沈埋函継手部２１（後打ちコンクリート２５）と補強用波形鋼板３２との間に引張強度に優れる防水樹脂３４を介在させているので、上記のような漏水の発生を回避することができる。
【００５１】
なお、引張強度に優れる防水樹脂３４としては、ポリウレタン樹脂やポリウエア樹脂等が考えられる。
【実施例１】
【００５２】
本発明の実施例として、図１に示した海底トンネル１０を対象にして、従来例、比較例、本発明例１、本発明例２について、それぞれの沈埋函継手部２１の評価を行った。
【００５３】
ちなみに、従来例は図３に示した補強の無い沈埋函継手部、比較例は図４に示した補強用鋼板３１を取り付けた沈埋函継手部、本発明例１、２は図５に示した補強用波形鋼板３２を取り付けた沈埋函継手部である。
【００５４】
なお、比較例における補強用鋼板３１は、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２級の鋼板で、板厚１５ｍｍである。材料特性は前記Ｃａｓｅ１のＳＳ４００と同一とした。また、本発明例１、２における補強用波形鋼板３２は、上記の比較例における補強用鋼板３１を波形に加工した波形鋼板で、形状および材料特性は、本発明例１では前記Ｃａｓｅ１を、本発明例２では前記Ｃａｓｅ２を適用した。
【００５５】
まず、図１１は、比較例の補強用鋼板と本発明例１、２の補強用波形鋼板の引張方向の応力とひずみの関係を（トンネル軸直角方向０．１ｍあたり）を示している。補強用波形鋼板に関しては、図７（ａ）の荷重〜変位関係から応力〜ひずみ関係に換算した。
【００５６】
図１１に示すように、本発明例１の補強用波形鋼板の引張剛性は、比較例の補強鋼板の１／４程度、本発明例２の補強用波形鋼板の引張剛性は、比較例の補強鋼板の１／１６７程度であり、小さな荷重で大きく変形する特性を有していることが分かる。
【００５７】
次に、ある地震動が沈埋函１１部分に相当する地盤部分で水平方向の変位差をもって作用する場合の海底トンネル１０の軸方向の挙動の検討を行う。
【００５８】
図１２に、沈埋函１１部分に相当する地盤部分での水平方向の変位状態を示す。この変位を解析モデルに強制変位として作用させる。なお、解析モデルは、海底トンネル１０の軸方向の挙動を解析するための、沈埋函１１および沈埋函継手部２１、立坑１２に関して、構成する材料をファイバー要素でモデル化している。沈埋函１１および立坑１２には地盤ばねが配置されており、地盤ばねの地盤側に強制変位を入力する。
【００５９】
図１３は、上記方法で求めた、従来例における沈埋函継手部の目地開き量を示したものである。１号函と２号函の継手部では３０ｍｍの目地開き量が生じ、沈埋函同士を連結する鉄筋が降伏している。２号函と３号函の継手部では２２．２ｍｍの目地開き量が生じ、沈埋函同士を連結する鉄筋が降伏している。３号函と４号函の継手部では１４．２ｍｍの目地開き量が生じ、沈埋函同士を連結する鉄筋が降伏している。４号函と５号函の継手部では１４．３ｍｍの目地開き量が生じ、沈埋函同士を連結する鉄筋が降伏している。
【００６０】
継手部の鉄筋が降伏してしまうと、目地開きが容易に進む状態となってしまうため、ゴムガスケットのみで止水性を確保することが難しく、耐震補強を行う必要がある。
【００６１】
次に、図１４に比較例における沈埋函継手部の目地開き量を示し、図１５に本発明例１における沈埋函継手部の目地開き量を示し、図１６に本発明例２における沈埋函継手部の目地開き量を示す。
【００６２】
また、表１に、比較例において補強用鋼材に作用する引張力と、本発明例１、２において補強用波形鋼板に作用する引張力を比較した結果を示す。そして、表２に、比較例と本発明例のそれぞれにおいて、直径１６ｍｍ、許容せん断応力８０Ｎ／ｍｍ２のアンカーボルトを用いて定着させる場合に必要となる片側１ｍ幅あたり（図４に示すアンカーボルト３３が、定着部片側における紙面奥行き方向１ｍあたり）のアンカーボルトの本数を示す。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
【表２】
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【００６５】
図１４に示すように、比較例では、沈埋函継手部の最大の目地開き量は０．６ｍｍまで低減され、耐震補強の効果が非常に顕著である。ただし、表１に示すように、比較例では、補強用鋼材に作用する引張力は、９．５２×１０４〜１．２１×１０５ｋＮとなり、表２に示すように、比較例では、補強用鋼板を沈埋函に定着させるために必要なアンカーボルトは片側１ｍ幅あたり、８６〜１１０本必要となる。
【００６６】
一方、図１５に示すように、本発明例１では、沈埋函継手部の最大の目地開き量は１６．３ｍｍまで低減され、耐震補強の効果が顕著である。また、表１に示すように、本発明例１では、補強用波形鋼材に作用する引張力は、１．７１×１０４〜２．７２×１０４ｋＮと比較例に比べて小さくなり、表２に示すように、補強用波形鋼板を沈埋函に定着させるために必要なアンカーボルトは片側１ｍ幅あたり、１６〜２５本で済む。
【００６７】
さらに、図１６に示すように、本発明例２では、沈埋函継手部の最大の目地開き量は２３．７ｍｍまで低減される。また、表１に示すように、本発明例２では、補強用波形鋼材に作用する引張力は、９．３９×１０３〜１．１４×１０４ｋＮと比較例に比べて小さくなり、表２に示すように、補強用波形鋼板を沈埋函に定着させるために必要なアンカーボルトは片側１ｍ幅あたり、９〜１０本で済む。
【００６８】
このように、本発明例１、２では、目地開き量の抑制効果は比較例ほどには大きくないものの、定着に必要となるアンカーボルトの本数は比較例の１〜２割程度まで抑制することができる。
【００６９】
したがって、本発明例１、２では、想定以上の地震動が作用して、継手部の目地開き量が生じても、余裕をもって追随可能であり、ゴムガスケットや二次止水ゴムが破断したとしても、止水性を確保できる。
【００７０】
そして、補強用波形鋼板の波形部の形状や波形個数、鋼材の材質に関しては、想定外の地震に対しても対応できるような目地開き量に対して設計すればよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０  海底トンネル（沈埋トンネル）
１１  沈埋函
１２  立杭
１３  鉄筋コンクリート
１４  コンクリート
１５  鉄筋
１６  止水用鋼板
２１  沈埋函継手部
２２  コンタクトフレーム
２３  ゴムガスケット
２４  グリップ継手（グリップジョイント）
２５  後打ちコンクリート
３１  補強用鋼板
３２  補強用波形鋼板
３３ａ  波形部
３３ｂ  直線部
３３  アンカーボルト
３４  防水樹脂
３５  補強用波形鋼板カバー
３６  舗装部
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図９】
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