(57)【要約】【課題】特に製作コストが廉価で経済性に優れるとともに、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能な合成セグメントを提供する。【解決手段】両側面部にトンネル周方向に沿って配置される主桁１と、両端部で主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って配置される継手板２と、前記主桁１と継手板２との外面側を覆うように設置されるスキンプレート３とからなる鋼殻Ｋ内にコンクリートを充填してなる合成セグメントＳにおいて、前記主桁１は、外周面側に配置された外周側鋼材１Ａと、内周面側に配置された内周側鋼材１Ｂとに分離された分割主桁とされるとともに、これら外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとがトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板４，４…によって相互に連結される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側面部にトンネル周方向に沿って配置される主桁と、両端部で主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って配置される継手板とを配置し、コンクリートを打設充填してなる合成セグメントにおいて、
前記主桁は、外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割主桁とされるとともに、これら外周側鋼材と内周側鋼材とがトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板によって相互に連結されたことを特徴とする合成セグメント。
【請求項２】
前記継手板は、外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割継手板とされる請求項１記載の合成セグメント。
【請求項３】
前記帯板は、平面視でコ字状を成す鋼板とされる請求項１、２いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項４】
前記帯板同士をトンネル軸方向に配置された鉄筋又は鋼材により連結してある請求項１〜３いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項５】
前記主桁及び継手板の外周側鋼材の外面及び内周側鋼材の外面にシール溝を形成してある請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項６】
前記主桁及び継手板の外周側鋼材と内周側鋼材との間のコンクリート面にシール溝を形成してある請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項７】
形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋をトンネル周方向に沿って配置してある請求項１〜６いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項８】
前記形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋を前記継手板と連結してある請求項１〜７いずれかに記載の合成セグメント。
【請求項９】
前記主桁と継手板との外面側を覆うようにスキンプレートが設置されている請求項１〜８いずれかに記載の合成セグメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド工法の覆工構造体として使用されるセグメントであって、特に鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
地下にシールド機によってトンネルを構築するシールド工法においては、シールド機による掘進に伴って、円弧状のセグメントを周方向及びトンネル軸方向に相互に連結することにより、筒状のトンネルが構築される。
【０００３】
シールド工法に用いられるセグメントとしては、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリート製セグメント）、鋼製セグメント、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントの３種類が知られている。
【０００４】
前記ＲＣセグメントは、コスト性及び防食性の点から多用されているセグメントであるが、大きい曲げや剪断が掛かる場合でも、配筋やコンクリートの打設性から配筋できる鉄筋量が制約されるため（概ね引張鉄筋比１．２％程度）、実際には部材厚を厚くすることでしか対処できない。また、急曲線部ではシールド機のジャッキ反力によって、過大な押付け力が作用し、コンクリートに割れやカケが生じるなどの問題があった。これに対して、前記合成セグメントは、製作コストは上がるものの、薄肉化が可能であり、掘削径の縮小や掘削土量の低減、工期短縮等が可能となるなどの利点を有するものとなる。
【０００５】
前記合成セグメントは、最も簡易な構造としては、下記特許文献１に示されるように、主桁、継手板、スキンプレートからなる鋼殻内に鉄筋を配筋した後、コンクリートを充填した構造のものであるが、かかる合成セグメントの場合は、土圧及び水圧に対して、鋼殻と内部の鉄筋コンクリートとが一体化して抵抗しないなどの問題があった。
【０００６】
そこで、下記特許文献２では、 主桁、継手板、スキンプレート、及び開口部を有する縦リブを備えた鋼殻に、棒状鋼材を縦リブに交差して設置し、中詰めコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、主桁を所定の取り付け位置に仮置きしたスキンプレート上に縦リブを組み込み溶接し、その後棒状鋼材を縦リブ内に挿通し、スキンプレート、縦リブ、棒状鋼材からなる部材を形成し、最後に当該部材を主桁、継手板からなる外殻とスキンプレート及び縦リブを溶接にて一体成型し、形成された外殻内部にコンクリートを打設した合成セグメントが提案されている。
【０００７】
また、下記特許文献３では、セグメントの継手面にセグメント間で係合してこれらを結合する埋め込み金具を設け、該金具とセグメント本体の主構造材とを溶接またはボルトにより結合した合成セグメントであって、前記主構造材として多数の突起あるいは縞状の凸条付き鋼板を用いた合成セグメントが提案されている。
【０００８】
更に、下記特許文献４では、トンネルの周方向に沿って設置された主桁板と、トンネルの軸方向に沿って設置された継手板と、当該主桁板および継手板の地山側に設置された背板とからなる鋼殻内に複数の主補強材とせん断補強材を設置し、かつコンクリートを充填してなる合成セグメントにおいて、前記主補強材は前記トンネルの周方向に沿って設置され、当該主補強材の端部は前記継手板に、当該主補強材の端部と前記継手板の内側部にそれぞれ形成された係合部と定着部とを係合して定着され、前記係合部と前記定着部はそれぞれ断面略Ｔ字状と断面略リップ溝状に形成されてなる合成セグメントが提案されている。ここで、前記主補強材としては、鉄筋、異形鉄筋、孔開き鋼板、縞付き鋼板、菱目突起付き鋼板が用いられている。
【０００９】
下記特許文献５では、鋼殻２が、略円弧状に湾曲して外周面の対向する二辺に設けた一対の第一鋼材と、略円弧状に湾曲して内周面の対向する二辺に設けた一対の第二鋼材とを備え、第一及び第二鋼材の木端面がそれぞれ外部に露出すると共にシール溝を形成した合成セグメント（第１合成セグメント）と、更に第一及び第二鋼材の内側に、連結又は分離して第三鋼材と第四鋼材を配置するとともに、これら第三鋼材及び第四鋼材をラチスで連結し、鋼殻の内部にコンクリートを打設し、外周面にスキンプレートを溶接した合成セグメント（第２合成セグメント）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２１４８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１５９５８１号公報
【特許文献３】特開平９−３２４９１号公報
【特許文献４】特許第３８９３８４８号公報
【特許文献５】特開２００６−２４９８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献２に示された合成セグメントのように、棒状部材（鉄筋）を主鋼材として配筋するものは、配置本数が多く製作に多くの時間と手間が掛かるとともに、鋼材重量も嵩み、製作費が増大するなどの問題があった。
【００１２】
上記特許文献３では、突起或いは縞状の凸条付きの鋼板を主鋼材として使用するものであるが、断面剛性が低く、セグメント厚が大きくなってしまう問題があった。
【００１３】
更に、上記特許文献４は、鋼殻内に主補強材とせん断補強材とを設置し、前記主補強材が継手板に結合されているため、鋼材とコンクリートとの一体化を図り得るものである。しかしながら、主補強材とスキンプレートとを繋ぐように厚さ方向に配置されるせん断補強材の設置に多くの手間と時間が掛かり、製作費が増大するなどの問題があった。
【００１４】
上記特許文献５に示された、所謂ビルトアップ構造の第１合成セグメントは、鋼材使用量を低減できるため製造コストを低減化できるようになるが、第１及び第２鋼材とコンクリートとの付着（一体性）が確保できず、構造的に見ると外力に対する耐力が不十分である。また、配力筋方向の耐力も確保し得ていない。また、第２合成セグメントは、第一及び第二鋼材の内側に、連結又は分離して第三鋼材と第四鋼材を配置するとともに、それぞれをラチス材などの接続部材によって連結した構造であるため、コンクリートとの一体性は確保されるとともに、構造的耐力は十分とされるが、第三及び第四鋼材の鋼材量が多くなり、主桁としてリング間継手面の全面を覆う鋼材を使用した場合と鋼材量が大差無くなってしまい、製造コストの低減は実質的に見込めないなどの問題があった。
【００１５】
そこで本発明の主たる課題は、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントにおいて、特に製作コストが廉価で経済性に優れるとともに、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能な合成セグメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、両側面部にトンネル周方向に沿って配置される主桁と、両端部で主桁の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って配置される継手板とを配置し、コンクリートを打設充填してなる合成セグメントにおいて、
前記主桁は、外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割主桁とされるとともに、これら外周側鋼材と内周側鋼材とがトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板によって相互に連結されたことを特徴とする合成セグメントが提供される。
【００１７】
上記請求項１記載の発明において、主桁は外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割主桁とされる。そして、これら外周側鋼材と内周側鋼材とがトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板によって相互に連結された構造とするものである。
【００１８】
従って、主桁が分割主桁とされることにより鋼材使用量が低減でき、製作コストを削減できるようになる。また、分割された主桁をトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板によって相互に連結するため、前記帯板の板面がコンクリート支圧面として機能するようになり、斜材を有しなくても、曲げモーメントに抵抗する構造系として成立するようになるとともに、コンクリートとの一体性が十分に確保できるようになるため、コンクリートと主桁とによる協働作用によって確実に外力に抵抗し得る構造となる。さらに、外周側及び内周側にそれぞれ鋼材が配置されているため、運搬や組立時にコンクリートの割れやカケを防止できるようになる。
【００１９】
請求項２に係る本発明として、前記継手板は、外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割継手板とされる請求項１記載の合成セグメントが提供される。
【００２０】
上記請求項２記載の発明は、継手板についても、外周面側に配置された外周側鋼材と、内周面側に配置された内周側鋼材とに分離された分割継手板とするものである。これにより、更なる鋼材使用量の低減を図ることができる。
【００２１】
請求項３に係る本発明として、前記帯板は、平面視でコ字状を成す鋼板とされる請求項１、２いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００２２】
上記請求項３記載の発明は、前記帯板として、平面視でコ字状を成す鋼板を使用するものである。コ字状とすることで、セグメントの側面との距離を確保し、厚み不足によるコンクリートの割れ等を防止できるようになる。
【００２３】
請求項４に係る本発明として、前記帯板同士をトンネル軸方向に配置された鉄筋又は鋼材により連結してある請求項１〜３いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００２４】
上記請求項４記載の発明は、帯板同士をトンネル軸方向に配置された鉄筋又は鋼材により連結するようにしたものである。帯板同士をトンネル軸方向に配置された鉄筋又は鋼材により連結することで、よりコンクリートの一体性が確保されるようになるとともに、配力筋方向の耐力が確保されるようになる。
【００２５】
請求項５に係る本発明として、前記主桁及び継手板の外周側鋼材の外面及び内周側鋼材の外面にシール溝を形成してある請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００２６】
上記請求項５記載の発明は、主桁及び継手板の外周側鋼材の外面及び内周側鋼材の外面にシール溝を形成するようにしたものである。これにより、合成セグメント間の隙間をシールし、漏水等を防止することができる。
【００２７】
請求項６に係る本発明として、前記主桁及び継手板の外周側鋼材と内周側鋼材との間のコンクリート面にシール溝を形成してある請求項１〜４いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００２８】
上記請求項６記載の発明は、主桁及び継手板の外周側鋼材と内周側鋼材との間のコンクリート面にシール溝を形成するようにしたものである。これによって、分割主桁へのシール加工を省略することができるとともに、コンクリート打設によって簡単にシール溝を形成することが可能となる。
【００２９】
請求項７に係る本発明として、形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋をトンネル周方向に沿って配置してある請求項１〜６いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００３０】
上記請求項７記載の発明は、形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋をトンネル周方向に沿って配置したものである。主筋方向に形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋を配置することによって、セグメントの高耐力化や薄肉化が可能となる。
【００３１】
請求項８に係る本発明として、前記形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋を前記継手板と連結してある請求項１〜７いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００３２】
上記請求項８記載の発明は、前記形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋を前記継手板と連結するものである。主鋼材や鉄筋を継手板に連結することで、継手板の剛性が向上し、トンネル周方向の応力伝達がスムーズとなる。
【００３３】
請求項９に係る本発明として、前記主桁と継手板との外面側を覆うようにスキンプレートが設置されている請求項１〜８いずれかに記載の合成セグメントが提供される。
【００３４】
上記請求項９記載の発明は、前記主桁と継手板との外面側を覆うようにスキンプレートが設置されている合成セグメントとするものである。この場合は、前記主桁と、前記継手板と、スキンプレートとからなる鋼殻内にコンクリートを充填する。
【発明の効果】
【００３５】
以上詳説のとおり本発明によれば、鋼材とコンクリートとの複合構造とされる合成セグメントにおいて、特に製作コストが廉価で経済性に優れるようになる。また、鋼材とコンクリートとの一体化を図ることにより、鋼材とコンクリートとの強度特性を十分に発揮できるとともに、十分な薄肉化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】合成セグメントによって構築されたトンネル断面図である。
【図２】本発明に係る合成セグメントＳの一部スケルトン斜視図（その１）である。
【図３】本発明に係る合成セグメントＳのスケルトン斜視図（その２）である。
【図４】本発明の係る合成セグメントの内面からのスケルトン図である。
【図５】(A)は図４のV−V線矢視図、(B)はそのB-B線矢視図である。
【図６】(A)は図４のVI−VI線矢視図、(B)はそのB-B線矢視図である。
【図７】(A)は図４のVII−VII線矢視図、(B)はそのB-B線矢視図である。
【図８】シール溝形成の他例を示す要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
図１に示されるように、シールド機によってトンネルを構築するシールド工法においては、シールド機による掘進に伴って、円弧状のセグメントＳ１〜Ｓ９を周方向及びトンネル軸方向に相互に連結することにより、筒状のトンネルが構築される。
【００３９】
これらのセグメントＳ１〜Ｓ９として、本発明に係る合成セグメントが好適に使用される。
【００４０】
前記合成セグメントＳは、図１〜図３に示されるように、両側面部にトンネル周方向に沿って配置される主桁１，１と、両端部で主桁１，１の端部同士を連結するとともに、トンネル軸方向に沿って配置される継手板２，２と、前記主桁１，１と継手板２，２との外面側を覆うように設置されるスキンプレート３とからなる鋼殻Ｋ内にコンクリートＣを充填してなるものである。
【００４１】
以下、更に具体的に詳述する。
【００４２】
前記主桁１は、図５(A)にも示されるように、外周面側に配置された外周側鋼材１Ａと、内周面側に配置された内周側鋼材１Ｂとに分離された分割主桁とされるとともに、これら外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとがトンネル周方向に所定の間隔で配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板４，４…によって相互に連結されている。前記帯板４は、平面視でコ字状を成す鋼板とされ、前記外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとの背面側において、これらを溶接等によって堅固に連結する。
【００４３】
前記主桁１には、外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとの間に、トンネル周方向に間隔を空けてリング間継手５が設けられる。具体的には、図４に示されるように、一方側の側面に雄継手５Ａが設けられ、他方側の側面に雌継手５Ｂが設けられ、雄継手５Ａと雌継手５Ｂとの結合によりトンネル軸方向に合成セグメントＳが結合される。
【００４４】
前記外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとの間のコンクリート面には、上下２段で凹状のシール溝４ａ、４ｂが形成されている。合成セグメントＳをシールド機内で組み立てる際、前記シール溝４ａ、４ｂにシール材が充填されることにより漏水等が防止されるようになっている。
【００４５】
一方、継手板２についても、図５(B)に示されるように、外周面側に配置された外周側鋼材２Ａと、内周面側に配置された内周側鋼材２Ｂとに分離された分割継手板とされる。前記外周側鋼材２Ａと内周側鋼材２Ｂとの間のコンクリートには、トンネル周方向にセグメントを接続する継手が設けられるとともに（図示省略）、上下２段で凹状のシール溝４ｃ、４ｄが形成されている。
【００４６】
前記主桁１の外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとは、トンネル周方向に所定の間隔で、トンネル半径方向に沿って配置されるとともに、板面をトンネル周方向に対面させて配向された帯板４，４…によって相互に連結される。前記帯板４としては、矩形状の鋼板を用いることも可能であるが、図６(B)にも示されるように、平面視でコ字状を成す鋼板を用いるのが望ましい。コ字状とすることで、セグメントの側面との距離を確保し、厚み不足によるコンクリートの割れ等を防止できるようになる。
【００４７】
例えば、前記外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとを連結する部材として、ラチス部材を用いた場合には、しっかりと剛結に連結することが可能であるが、鋼材使用量が多くなるとともに、製作に手間が掛かるなどの問題が発生することになる。これに対して、本形態例のように、板面をトンネル周方向に対面させて配向した帯板４，４…によって連結した場合には、帯板４のみの連結で済むため鋼材使用量を大幅に低減できるようになるとともに、帯板４，４が中間に充填されるコンクリートの支圧面として機能するようになるため、斜材を有しなくても、曲げモーメントに抵抗する構造系として成立するようになる。また、コンクリートとの一体性が確保できるようになり、コンクリートと主桁とによる協働作用によって確実に外力に抵抗し得る構造となる。
【００４８】
トンネル軸方向に対面する帯板４，４は、図６(B)にも示されるように、内周面寄り位置に、トンネル軸方向に配置された鉄筋６（又は鋼材）により連結される。これによって更にコンクリートの一体性が確保されるようになるとともに、配力筋方向の耐力が確保されるようになる。前記鉄筋６の端部は、コ字状に屈曲させることにより、定着代を確保するとともに、リング間継手５からの応力が円滑に伝達されるようにするのが望ましい。
【００４９】
また、スキンプレート３と前記鉄筋６との間の空間には、形鋼からなる主鋼材及び／又は鉄筋をトンネル周方向に沿って配置するのが望ましい。図示例では、図６に示されるように、Ｈ形鋼からなる主鋼材７を中央及び左右位置に計３本配置するとともに、図７に示されるように、６本の主筋８Ａとこれらを囲むスターラップ筋８Ｂとからなる鉄筋籠８が２つ配置されている。前記主鋼材７の両端部は、平板９によって継手板２を構成する外周側鋼材２Ａと内周側鋼材２Ｂとに夫々連結されている。形鋼からなる主鋼材又は鉄筋をセグメント内部に配置することによりセグメントの強度増大が図れ、薄肉化が可能になる。また、主鋼材７を継手板２に連結することにより継手板２の剛性が向上するとともに、トンネル周方向の応力伝達がスムーズとなる。
【００５０】
〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、主桁１の外周側鋼材１Ａと内周側鋼材１Ｂとの間のコンクリート面に、上下２段で凹状のシール溝４ａ、４ｂを形成したが、図８に示されるように、外周側鋼材１Ａの外面及び内周側鋼材１Ｂの外面にシール溝１ａ、１ｂを形成することも可能である。継手板２についても同様である。
(2)上記形態例では、前記主桁１，１と、前記継手板２，２と、前記主桁１，１と継手板２，２との外面側を覆うように設置されるスキンプレート３とからなる鋼殻Ｋ内にコンクリートＣを充填したが、前記スキンプレート３を省略し、外面をコンクリート面とすることも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ…合成セグメント、１…主桁、１Ａ・２Ａ…外周側鋼材、１Ｂ・２Ｂ…内周側鋼材、２…継手板、３…スキンプレート、４…帯板、５…リング間継手、６…鉄筋、７…主鋼材、８…鉄筋籠、９…平板、Ｋ…鋼殻
【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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