(57)【要約】【課題】桁高を高くすることなく剛性が高められた鋼製セグメントと、この鋼製セグメントを少なくとも一部に備えるシールドトンネルを提供する。【解決手段】鋼製セグメント１０であり、トンネルの周方向に延設するとともに、トンネルの軸方向に間隔を置いて並設される、複数の桁１と、周方向に延設するとともに、桁１の内周側及び／又は外周側に取付けられているフランジ２と、桁１及びフランジ２の両端部に取付けられている継手板３とを有し、フランジ２は、前記桁１と同等の剛性を備え、継手板３は、桁１の近傍において桁１に沿う方向に複数のセグメント継ぎボルト孔３ａを備え、フランジ２の近傍においてフランジ２に沿う方向で、かつ桁１から所定範囲内に複数のセグメント継ぎボルト孔３ｂを備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの周方向に延設するとともに、トンネルの軸方向に間隔を置いて並設される、複数の桁と、
前記周方向に延設するとともに、前記桁の内周側及び／又は外周側に取付けられているフランジと、
前記桁及び前記フランジの両端部に取付けられている継手板と、を有し、
前記フランジは前記桁と同等の剛性を備え、
前記継手板は、
前記桁の近傍において該桁に沿う方向に複数のセグメント継ぎボルト孔を備え、
前記フランジの近傍において該フランジに沿う方向で、かつ前記桁から所定範囲内に複数のセグメント継ぎボルト孔を備えていることを特徴とする、鋼製セグメント。
【請求項２】
前記フランジが、前記複数の桁同士を前記外周側のみで繋いでいることを特徴とする、請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項３】
前記フランジが、前記複数の桁同士を前記内周側のみで繋いでおり、該複数の桁の外周側にスキンプレートが取付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項４】
前記フランジが、前記複数の桁同士を前記外周側と前記内周側の双方で繋いでいることを特徴とする、請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項５】
前記フランジは前記複数の桁同士を繋いでおらず、前記複数の桁の前記外周側にスキンプレートが取付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項６】
前記所定範囲は、前記桁から前記フランジの厚みの１６倍以下の範囲であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の鋼製セグメント。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の複数の鋼製セグメントが前記周方向の少なくとも必要な領域に配設され、対向する二つの前記継手板のそれぞれの対応する前記セグメント継ぎボルト孔に前記セグメント継ぎボルトが取付けられてセグメントリングが形成され、
複数の前記セグメントリングが前記軸方向において少なくとも必要な領域に配設され、対向する前記桁のそれぞれの対応する前記リング継ぎボルト孔同士に前記リング継ぎボルトが取付けられて形成されていることを特徴とする、シールドトンネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製セグメントと、この鋼製セグメントを少なくとも一部に有するシールドトンネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、軟弱な地盤が分布する都市部で道路トンネルを施工する場合、開削工法の適用が一般的であるものの、開削工法は、工事中の騒音や振動、交通規制等の課題を内在している。また、都市部の道路下空間は、複数の地下鉄や共同溝等の埋設物が輻輳していることから、新たに施工しようとするトンネルの設置深度は往々にして深くなる傾向にあり、設置深度の深層化は建設費の増大に直結する。このような背景の下、道路トンネルの施工に際してシールド工法を適用するケースが増加している。ところで、この道路トンネルの施工に当たり、一般の道路トンネルの施工では、例えば一台のシールド掘進機の掘進によって断面円形の本線トンネルが施工されることで足りる。一方、道路トンネルの分合流部の施工では、本線トンネルとランプトンネルの各断面を包括する、極めて大規模な地中拡幅が必要になり、加えて、断面が縦断方向に変化する複雑な構造を有することから、その施工には様々な工夫を講じる必要がある。
【０００３】
この大断面トンネルの施工方法やトンネル構造には様々な提案がなされている。例えば、互いに平行な２本のシールドトンネル間を鉄筋コンクリート製の躯体で連結する大断面トンネルの構造や、この大断面トンネルに適用されるセグメントリングが提案されている（例えば特許文献１を参照）。特許文献１に記載のシールドトンネルでは、２本のシールドトンネルが鋼製セグメントにて形成されている。この鋼製セグメントで形成される２本のシールドトンネル間を連結する鉄筋コンクリート躯体の剛性を、鋼製セグメントで形成されるシールドトンネルの剛性よりも大きくし、作用荷重によるセグメントリングの変形が鉄筋コンクリート製の躯体の変形で支配されるようにしている。係る構成の大断面トンネルを構成する、鋼製セグメントで形成されるシールドトンネルにおいて、鋼製セグメントの継手部に発生する曲げモーメントが大きくなる部位の鋼製セグメントの桁高を、他の部位よりも小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の大断面トンネルは、２つの鋼製セグメントから形成されるシールドトンネルを、その中央位置において、相対的に高剛性の鉄筋コンクリート製の躯体にて連結する構造である。すなわち、鉄筋コンクリート製の躯体に荷重を積極的に負担させる設計思想の下で、その左右のシールドトンネルでは、曲げモーメントの大きくなる部位の鋼製セグメントの桁高を相対的に小さくできるという効果が得られる。
しかしながら、例えば、２つの鋼製セグメントから形成されるシールドトンネルを、その中央で鋼製のセグメントからなる切り開き部にて連結するような構成の大断面トンネルでは、トンネルの全構成部材が鋼製セグメントであることから、それぞれの鋼製セグメントが自身の負担すべき荷重を負担しなければ、他の鋼製セグメントに影響を与えてしまう。すなわち、施工過程において、または施工完了の状態において、曲げモーメントが過大になる部位が生じる場合でも、当該部位においてこの過大な曲げモーメントに対処する必要がある。
【０００６】
ここで、大断面トンネルの全てが鋼製セグメントにて形成される一例を、図１，２を参照して説明する。図１は、鋼製セグメントで形成される本線トンネルＳＴ１と、同様に鋼製セグメントで形成されるランプトンネルＳＴ２を、同様に鋼製セグメントで形成される切り開きトンネルＣＴで連結して大断面トンネルを形成する施工方法を説明する図である。同図において、まず、本線トンネルＳＴ１をシールド工法で施工し、ランプトンネルＳＴ２も本線トンネルＳＴ１と同時もしくは相前後してシールド工法にて施工する。なお、この施工に際して、先行して好適な地盤改良施工が施工エリア周辺に実施されることが一般に行われる。隣接する鋼製セグメントＳ同士を、継手板とセグメント継ぎボルトから形成される継手部Ｊを介して接続してセグメントリングを形成し、複数のセグメントリングをトンネル軸方向に並べてリング継ぎボルトで接続することにより、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２がシールド施工される。その後、例えば、不図示のパイプルーフを本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２の上方と下方に掛け渡すように施工し、このパイプルーフを支保工として、パイプルーフの下方や上方を透かし掘り等して施工空間を形成し、切り開きトンネルＣＴ用のセグメントＳ同士を継手部Ｊを介して接続しながら、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２に掛け渡す。
【０００７】
次に、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２、及び切り開きトンネルＣＴを連通させる施工を行う。具体的には、図２に示すように、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２双方の外周のスキンプレートを撤去し、双方の周方向に延設する桁を残置する。次に、この桁を撤去して連通施工を完成させるに当たり、図２に示すように、切り開きトンネルＣＴが本線トンネルＳＴ１及びランプトンネルＳＴ２と接続する交点から、切り開きトンネルＣＴの例えば接線方向に延びる補強梁ＳＰ１乃至ＳＰ４を取り付け、残されている本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２双方の桁の撤去を行う。
【０００８】
桁を撤去することにより、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２、及び切り開きトンネルＣＴが完全に連通し、大断面トンネルが形成される。ところで、この桁の撤去により、大断面トンネルは上下に潰される方向に変形するが、切り開きトンネルＣＴに作用する土圧は、補強梁ＳＰ１乃至ＳＰ４を介して本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２に伝達され、大断面トンネル全体として作用土圧に抗することができる。
【０００９】
しかしながら、補強梁ＳＰ１乃至ＳＰ４から本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２に伝達される軸力Ｎ１乃至Ｎ４は必然的に大きくならざるを得ず、本線トンネルＳＴ１とランプトンネルＳＴ２においてこの過大な軸力Ｎ１乃至Ｎ４に突き上げられる箇所やその周辺領域では、この過大な軸力Ｎ１乃至Ｎ４に起因して過大な曲げモーメントが生じることになる。例えば、図２は、この軸力Ｎ１乃至Ｎ４にて生じる曲げモーメント分布図をともに示している。図２に示すように、軸力Ｎ１にて突き上げられる箇所の近傍には過大な曲げモーメントＭ１が生じ、軸力Ｎ３にて突き上げられる箇所の近傍にも過大な曲げモーメントＭ２が生じる。従って、当該箇所における本線トンネルＳＴ１やランプトンネルＳＴ２を形成する鋼製セグメントＳや鋼製セグメントＳ同士を繋ぐ継手部Ｊは、このように過大な曲げモーメントに抗し得る剛性を有する必要がある。
【００１０】
鋼製セグメントにおいて剛性を高めるには、桁高を高くすることが有効である。しかしながら、トンネルの内空側に桁高を高くすると、トンネル内の建築限界と干渉する場合が往々にしてある。一方、トンネルの外側に桁高を高くすると、地盤の掘削量が増加し、排土量が増加することより、その処分費の増加によって工費が上昇してしまう。そこで、桁高を高くすることに代わって、鋼製セグメントの剛性を高めるとともに、鋼製セグメント同士を繋ぐ鋼製セグメント端部の継手部の剛性を高める方策が望まれている。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、桁高を高くすることなく、継手部をはじめとする全体の剛性が高められた鋼製セグメントと、この鋼製セグメントを少なくとも一部に有するシールドトンネルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明による鋼製セグメントの一態様は、トンネルの周方向に延設するとともに、トンネルの軸方向に間隔を置いて並設される、複数の桁と、
前記周方向に延設するとともに、前記桁の内周側及び／又は外周側に取付けられているフランジと、
前記桁及び前記フランジの両端部に取付けられている継手板と、を有し、
前記フランジは前記桁と同等の剛性を備え、
前記継手板は、
前記桁の近傍において該桁に沿う方向に複数のセグメント継ぎボルト孔を備え、
前記フランジの近傍において該フランジに沿う方向で、かつ前記桁から所定範囲内に複数のセグメント継ぎボルト孔を備えていることを特徴とする。
【００１３】
本態様によれば、桁の剛性と同等の剛性のフランジが、桁の内周側及び／又は外周側に取付けられていることにより、桁高を高くすることなく、鋼製セグメントの剛性を高めることができる。ここで、「同等の剛性」とは、桁と同じ剛性、桁と同程度の剛性、もしくは桁よりも大きな剛性を含む意味である。また、桁およびフランジの端部の継手板が、これら桁及びフランジの近傍においてセグメント継ぎボルト孔を備えていることにより、セグメント継ぎボルト孔に挿通されて鋼製セグメント同士を繋ぐセグメント継ぎボルトを介して伝達されてきた軸力を、効果的に桁やフランジに伝達させることができる。さらに、継手板においてフランジ近傍にもセグメント継ぎボルト孔が形成されていることにより、セグメント継ぎボルトの本数を増加させることができ、セグメント継手部の高耐力化を図ることもできる。
【００１４】
ここで、「桁の内周側及び／又は外周側に取付けられている」とは、フランジが、桁の内周側（トンネル内空側）にのみ取り付けられている形態、桁の外周側（トンネルの地山側）にのみ取り付けられている形態、双方に取り付けられている形態の全てを含む意味である。桁の内周側にフランジがある鋼製セグメントでは、鋼製セグメントの継手部に対して所謂正の曲げモーメントが作用し、内側引張りとなる外力が作用する。また、桁の外周側にフランジがある鋼製セグメントでは、鋼製セグメントの継手部に対して所謂負の曲げモーメントが作用し、外側引張りとなる外力が作用する。さらに、桁の内周側と外周側の双方にフランジがある鋼製セグメントでは、鋼製セグメントの継手部に対して正の曲げモーメントと負の曲げモーメントが変動するように作用し、内側引張りと外側引張りの外力が変動するように作用する。このような外力の変動は、例えば地下水位の上下変動などにより、作用する土水圧が変動する場合等が挙げられる。
【００１５】
フランジは複数の桁同士を繋ぐ形態であってもよいし、桁同士を繋ぐことなく、桁に対して桁の側方に所定長さ張り出すように取り付けられている形態であってもよい。
継手板に開設されるセグメント継ぎボルト孔は、桁の近傍において桁に沿う方向に開設されることにより、このセグメント継ぎボルト孔に挿通されるセグメント継ぎボルトからの軸力を桁に有効に伝達することができる。さらに、フランジの近傍において該フランジに沿う方向で、かつ桁から所定範囲内に複数のセグメント継ぎボルト孔を有していることにより、このセグメント継ぎボルト孔に挿通されるセグメント継ぎボルトからの軸力をフランジに有効に伝達することができる。また、本態様の鋼製セグメントは、２つの桁を有する２主桁タイプの鋼殻構造を有していてもよいし、３つ以上の桁を有する３主桁以上タイプの鋼殻構造を有していてもよい。
【００１６】
また、本発明による鋼製セグメントの他の態様は、前記フランジが、前記複数の桁同士を前記外周側のみで繋いでいることを特徴とする。
本態様によれば、桁の剛性と同程度の剛性もしくはそれ以上の剛性のフランジが桁同士を繋いでいることにより、剛性の高い鋼製セグメントが形成できる。そして、桁の外周側にあるフランジが桁同士を繋ぐことにより、スキンプレートを不要にできる。
【００１７】
また、本発明による鋼製セグメントの他の態様は、前記フランジが、前記複数の桁同士を前記内周側のみで繋いでおり、該複数の桁の外周側にスキンプレートが取付けられていることを特徴とする。
本態様によれば、桁の剛性と同程度の剛性もしくはそれ以上の剛性のフランジが桁同士を繋いでいることにより、剛性の高い鋼製セグメントが形成できる。
【００１８】
また、本発明による鋼製セグメントの他の態様は、前記フランジが、前記複数の桁同士を前記外周側と前記内周側の双方で繋いでいることを特徴とする。
本態様によれば、桁の内周側と外周側の双方にあるフランジが桁同士を繋ぐことにより、スキンプレートを不要にしながら、極めて剛性の高い鋼製セグメントを形成できる。
【００１９】
また、本発明による鋼製セグメントの他の態様において、前記フランジは前記複数の桁同士を繋いでおらず、前記複数の桁の前記外周側にスキンプレートが取付けられていることを特徴とする。
本態様によれば、フランジが桁同士を繋ぐ幅を有していないことより、フランジの材料費を低減しながら、剛性の高い鋼製セグメントを形成できる。
【００２０】
また、本発明による鋼製セグメントの他の態様において、前記所定範囲は、前記桁から前記フランジの厚みの１６倍以下の範囲であることを特徴とする。
本態様によれば、フランジの有効幅、すなわち、フランジが桁とともに構造部材の主断面として考慮可能な範囲内にセグメント継ぎボルト孔を設定し、セグメント継ぎボルトを挿通することができる。道路橋示方書・同解説  鋼橋編（社団法人日本道路協会）によれば、引張フランジ自由突出部の板厚は、鋼種にかかわらず自由突出幅の１／１６以上にすることが規定されている。この規定を言い換えると、板厚の１６倍以下の範囲を、引張フランジの有効幅に規定することができる。仮に、フランジが桁同士を繋いでいる形態において、フランジの幅が広すぎる場合は、フランジの全幅を構造部材の主断面として有効な範囲とすることはできない。上記道路橋示方書の規定に則れば、双方の桁から、それぞれフランジの厚みの１６倍までの範囲を有効幅にでき、この範囲を上記所定範囲として、継手板の当該所定範囲にセグメント継ぎボルト孔を開設する。
【００２１】
また、本発明による鋼製セグメントは、前記複数の桁同士を繋ぐ縦リブを有していてもよい。縦リブによって鋼製セグメントの剛性を高めることができる。この縦リブは、周方向に所定間隔を置いて複数配設されるのが好ましい。
【００２２】
また、本発明による鋼製セグメントは、前記複数の桁の間にコンクリート硬化体を有していてもよい。鋼製の桁とフランジで形成された箱型の鋼製セグメントの鋼殻内に、コンクリート硬化体が配設され、鋼製の桁やフランジとコンクリートが一体となった合成セグメントが形成されることにより、より剛性の高い鋼製セグメントが形成される。
【００２３】
また、本発明によるシールドトンネルの一態様は、複数の前記鋼製セグメントが前記周方向の少なくとも必要な領域に配設され、対向する二つの前記継手板のそれぞれの対応する前記セグメント継ぎボルト孔に前記セグメント継ぎボルトが取付けられてセグメントリングが形成され、
複数の前記セグメントリングが前記軸方向において少なくとも必要な領域に配設され、対向する前記桁のそれぞれの対応する前記リング継ぎボルト孔同士に前記リング継ぎボルトが取付けられて形成されていることを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、桁高を高くすることなく、剛性の高められた鋼製セグメント（継手部も剛性が高められている）を少なくとも一部に備えたセグメントリングが、トンネルの軸方向の少なくとも必要な領域に配設されていることにより、例えば曲げモーメントが卓越した領域に効果的に高剛性の鋼製セグメントを配設しながら、工費を増加させることのないシールドトンネルを提供できる。ここで、「複数の前記鋼製セグメントが前記周方向の少なくとも必要な領域に配設され」とは、例えば図２において曲げモーメントが他の領域に比べて卓越している領域に少なくとも本発明の鋼製セグメントが組み込まれたセグメントリングを意味する。特に曲げモーメントが卓越した領域に本発明の鋼製セグメントからなるセグメントリングを配設し、他の領域には通常の鋼製セグメント（スキンプレートと桁から構成される箱型の鋼製セグメント）を配設してセグメントリングを形成するのが合理的であり、経済的である。また、「複数の前記セグメントリングが前記軸方向において少なくとも必要な領域に配設され」とは、軸方向において曲げモーメントの卓越した領域に、本発明の鋼製セグメントが組み込まれたセグメントリングを配設することを意味する。曲げモーメントの卓越した領域においても、鋼製セグメントの桁高は高くならないことから、鋼製セグメントが建築限界と干渉するといった問題もなく、掘削土量及び排土量の増加に起因する工事費の増加の問題もない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の鋼製セグメントによれば、桁高を高くすることなく、継手部をはじめとする全体の剛性が高められた鋼製セグメントを提供できる。また、本発明のシールドトンネルによれば、本発明の鋼製セグメントを少なくとも一部に有するセグメントリングがトンネルの軸方向に接続されていることにより、鋼製セグメントの桁高を高くすることなく、卓越した外力に抗しながら、経済的なシールドトンネルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】鋼製セグメントで形成される本線トンネル及びランプトンネルを、鋼製セグメントで形成される切り開きトンネルで連結して大断面トンネルを形成する施工方法を説明する断面図である。
【図２】図１に続いて大断面トンネルの施工方法を説明する断面図であって、設置された補強梁から作用する軸力により、本線トンネルとランプトンネルに生じる曲げモーメント分布の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る鋼製セグメントの組み立て状態と完成した状態をともに示す斜視図である。
【図４】２つの桁を有する鋼殻構造の継手板の設計手法を説明する図である。
【図５】第２の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図６】第３の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図７】第４の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図８】第５の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図９】第６の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図１０】第７の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。
【図１１】コーベル理論の適用が難しい場合における、３つ以上の桁を有する鋼殻構造の継手板の設計手法を説明する図である。
【図１２】実施形態に係るシールドトンネルを有する大断面トンネルを説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、各実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００２８】
［第１の実施形態に係る鋼製セグメント］
まず、第１の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図３は、第１の実施形態に係る鋼製セグメントの組み立て状態と完成した状態をともに示す斜視図である。図３の上図に示すように、鋼製セグメント１０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の外周側（形成されるセグメントリングの外側（地山側））において桁１同士を繋いで周方向に延設するフランジ２Ａと、桁１及びフランジ２Ａの両端部に取付けられている継手板３とを有する。フランジ２Ａが桁１の外周側に配設されている鋼製セグメント１０は、例えば負の曲げモーメントＭ１が卓越する箇所に配設される鋼製セグメントとなる。実際には、軸力と曲げモーメントによる曲げ圧縮側が厳しくなる箇所に鋼製セグメント１０が配設される。
【００２９】
桁１は、側面に複数のリング継ぎボルト孔１ａを備えている。２つの桁１同士の間には複数の縦リブ４が配設されており、複数の縦リブ４により、箱型の鋼製セグメント１０の剛性が一層高められている。桁１とフランジ２Ａ，桁１とフランジ２Ａと縦リブ４、はいずれも隅肉溶接にて溶接され、桁１とフランジ２Ａと継手板３は部分溶け込み溶接にて溶接されて、図３の下図で示す鋼製セグメント１０が形成される。図示するように、鋼製セグメント１０は、フランジ２Ａが２つの桁１を外周側で接続しており、したがって、通常の鋼製セグメントの有するスキンプレートを不要としている。
【００３０】
桁１の厚みはｔ１、フランジ２Ａの厚みはｔ２であり、例えば、ｔ１、ｔ２は３０乃至７０ｍｍの範囲の厚みを有しており、フランジ２Ａは、その剛性が桁１の剛性と同等となるように設定されている。例えば、フランジ２Ａの剛性が桁１の剛性と同じに設定されている形態、同程度となるように設定されている形態、桁１の剛性よりも大きくなるように設定されている形態である。ちなみに、通常使用されるスキンプレートの厚みは３乃至６ｍｍ程度であり、スキンプレートに対してフランジ２Ａの厚みは１０倍程度も厚く、従って、フランジ２Ａは桁１とともに構造部材の主断面を形成する。しかしながら、フランジ２Ａが桁１とともに構造部材の主断面として考慮可能な範囲は、フランジ２Ａの全幅範囲とは限らない。そこで、まず、フランジ２Ａの幅のうち、桁１とともに構造部材の主断面として見込むことのできる幅（これを有効幅とする）を設定する。
【００３１】
道路橋示方書・同解説  鋼橋編（社団法人日本道路協会）によれば、引張フランジ自由突出部の板厚は、鋼種にかかわらず自由突出幅の１／１６以上にすることが規定されている。この規定を言い換えると、フランジ２の厚みｔ２の１６倍の範囲（１６ｔ２）以下の範囲を、引張フランジの有効幅に規定することができる。例えば、フランジ２の全幅がこの有効幅以下の幅であれば、フランジ２の全幅を有効幅と見なすことができる。一方、フランジ２の全幅が有効幅よりも広い場合は、桁１からフランジ２の厚みｔ２の１６倍までの範囲を有効幅とし、フランジ２の有効幅範囲を主断面として構造計算上見込むことができる。図３に示す鋼製セグメント１０では、フランジ２Ａの全幅Ｓが有効幅である、１６ｔ２以下の幅となっており、従って、フランジ２Ａの全幅Ｓを有効幅とすることができる。また、図３に示す鋼製セグメント１０は、周方向に直交する断面形状が正方形に近い矩形である。これは、発生する負の曲げモーメントＭ１が極めて大きく、フランジ２Ａの幅を長くすることができない現場状況に対応しているためである。
【００３２】
次に、継手板３に開設されるセグメント継ぎボルト孔３ａ、３ｂの開設位置について説明する。セグメント継ぎボルト孔３ａは、桁１の近傍において桁１に沿う方向に複数設けられる。図示例では、各桁１の近傍において、桁１に沿う１つのライン上に４つのセグメント継ぎボルト孔３ａが開設されている。なお、図示例のように、１列上に複数のセグメント継ぎボルト孔３ａが開設される形態以外にも、例えば２列上に複数のセグメント継ぎボルト孔３ａが開設されてもよし、１ラインを中心にラインの左右に千鳥配置に複数のセグメント継ぎボルト孔３ａが開設されてもよい。
【００３３】
一方、セグメント継ぎボルト孔３ｂは、フランジ２Ａの近傍においてフランジ２Ａに沿う方向に複数設けられ、かつ、フランジ２Ａの有効幅内の範囲に開設される。図示例では、フランジ２Ａの全幅が有効幅であることより、フランジ２Ａの全幅に複数のセグメント継ぎボルト孔３ｂが開設されている。なお、セグメント継ぎボルト孔３ａ、３ｂの各列の交点のボルト孔は共通しているが、本明細書では、この交点に位置するセグメント継ぎボルト孔を桁１に沿うセグメント継ぎボルト孔３ａに含めることにする。
【００３４】
継手板３において、セグメント継ぎボルト孔３ａは桁１の近傍（離間ｓ１）に設けられ、セグメント継ぎボルト孔３ｂはフランジ２Ａの近傍（離間ｓ２）に設けられるが、この「近傍」を定義する必要がある。まず、セグメント継ぎボルト孔３ａ，３ｂが、継手板３において、仮に桁１やフランジ２Ａから離れた位置（例えば継手板３の中央近傍位置）に開設されている場合、このセグメント継ぎボルト孔３ａ、３ｂに挿通されるセグメント継ぎボルトからの軸力が桁１やフランジ２Ａに伝達されるまでの距離が長くなってしまう。このような場合、セグメント継ぎボルトにて相互に接続されている２つの鋼製セグメント１０の各継手板３は、セグメント継ぎボルトを中心に両開きするように変形し、この継手板３の変形に伴い、セグメント継ぎボルトからの軸力を継手板３を介して桁１やフランジ２Ａに十分に伝達できなくなる。そこで、第１の実施形態を含む、以下全ての実施形態に係る鋼製セグメントでは、セグメント継ぎボルトから桁１やフランジ２に軸力が十分に伝達される位置を、桁１の近傍、及びフランジ２の近傍とする。そして、継手板３において、フランジ２の近傍に開設されるセグメント継ぎボルト孔３ｂは、フランジ２の有効幅範囲において、フランジ２の近傍に開設されるものとする。
【００３５】
次に、継手板３の板厚の設計手法について説明する。図４は、２つの桁を有する鋼殻構造の継手板の設計手法を説明する図である。２つの桁を有する鋼殻構造の継手板の設計方法は、継手板に曲げモーメントを発生させないよう、コーベル理論に基づいて設計を行う。従って、桁１と継手板３の溶接箇所においても、コーベル理論に基づく反力に対して溶接箇所の照査を行い、溶接箇所の設計を行う。
【００３６】
図４に示すように、継手板３の板厚（厚み）をｔ３とし、桁１から継手板３のセグメント継ぎボルト孔３ａまでの離間をｓ１とした際に、ｔ３／ｓ１≧１を満たす場合に、継手板３に曲げモーメントを発生させない、コーベル理論に基づいた設計が可能になる。なお、離間ｓ１の位置は、詳細には、セグメント継ぎボルトＢからの軸力Ｐに基づく反力分布が三角形状となることより、三角形の重心位置（図示例では、三角形の幅のうち桁１側から１／３の位置）から桁１までの離間がｓ１になる。このように、コーベル理論に基づいた設計方法により、継手板３の厚みｔ３を設定する。また、上記算定式には、桁１からセグメント継ぎボルト孔３ａまでの離間ｓ１も変数になっていることより、継手板３の厚みｔ３との関係で、桁１からセグメント継ぎボルト孔３ａまでの離間ｓ１（上記する近傍の位置）も種々設定することが可能になる。そして、このことは、フランジ２からセグメント継ぎボルト孔３ｂまでの離間ｓ２（上記する近傍の位置）の設定においても妥当する。このことより、例えば上記算定式にて継手板３の厚みｔ３が設定された際に、離間ｓ１，ｓ２は例えば同じ値に設定されるのが合理的であると言える。
【００３７】
図３に示す複数の鋼製セグメント１０を使用して、当接する継手板３の対応するセグメント継ぎボルト孔３ａ，３ｂにセグメント継ぎボルトが挿通されて締め付けられ、セグメントリングが形成される。そして、このセグメントリングは、シールドトンネルのうち、特に負の曲げモーメントＭ１が卓越する領域に配設されるのが望ましい。図３に示す鋼製セグメント３は、桁１と同程度かそれ以上の剛性を有するフランジ２Ａで桁１同士が繋がれて形成され、剛性が高められているものであり、剛性を高めるために桁１の高さを高く調整したものではない。そのため、シールドトンネルを形成するセグメントリングにおいて、少なくとも曲げモーメントが卓越する領域に鋼製セグメント１０を配設することにより、鋼製セグメント１０がシールドトンネル内の建築限界と干渉するといった問題は生じ得ず、また、掘削土量および排土量を増加させて工事費を増加させるといった問題も生じ得ない。さらに、継手板３において、フランジ２の近傍にもセグメント継ぎボルト孔３ｂが開設されていることにより、周方向に鋼製セグメント１０同士を繋ぐセグメント継ぎボルトの本数も多くすることができ、複数のセグメント継ぎボルトから桁１及びフランジ２の双方にセグメント継ぎボルトからの軸力をスムーズに伝達することができる。そのため、特に、鋼製セグメント１０の継手部の強度を高めることができ、過大な曲げモーメントＭ１に対して十分に抗し得る継手部が形成できる。
【００３８】
［第２の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第２の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図５は、第２の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図５に示すように、鋼製セグメント２０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の内周側（形成されるセグメントリングの内空側）において桁１同士を繋いで周方向に延設するフランジ２Ｂと、桁１及びフランジ２Ｂの両端部に取付けられている継手板３とを有する。フランジ２Ｂが桁１の内周側に配設されている鋼製セグメント２０は、正の曲げモーメントＭ２が卓越する箇所に配設される鋼製セグメントとなる。このように、鋼製セグメント２０は、鋼製セグメント１０とフランジ２Ｂの配設位置が桁１の内周側に変更されることより、継手板３においてフランジ２Ｂの近傍に開設されるセグメント継ぎボルト孔３ｂの開設位置も、内側のセグメント２Ｂから離間ｓ２の位置に設定される。
【００３９】
鋼製セグメント２０では、セグメントリングの地山側となる外周側にフランジを有していないことから、２つの桁１の外周側においては、これら２つの桁１を繋ぐスキンプレート５が配設され、桁１と隅肉溶接等にて接続されている。
【００４０】
図５に示す複数の鋼製セグメント２０を使用して、当接する継手板３の対応するセグメント継ぎボルト孔３ａ，３ｂにセグメント継ぎボルトが挿通されて締め付けられ、セグメントリングが形成される。複数のセグメントリングがトンネル軸方向にリング継ぎボルトを介して接続されてシールドトンネルが形成されるが、トンネルの軸方向で各セグメントリングにて卓越する正の曲げモーメントが発生する領域は異なる。そこで、セグメントリング毎に、好適な領域に鋼製セグメント２０が配設されるのがよい。
【００４１】
［第３の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第３の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図６は、第３の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図６に示すように、鋼製セグメント３０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の外周側及び内周側において、桁１同士を繋いで周方向に延設するフランジ２Ａ，２Ｂと、桁１及びフランジ２Ａ，２Ｂの両端部に取付けられている継手板３とを有する。
【００４２】
２つの桁１が外周側のフランジ２Ａと内周側のフランジ２Ｂにて繋がれ、両端部には継手板３が配設されていることにより、完全に閉合された六面体構造の鋼製セグメント３０が形成され、より一層剛性の高い鋼製セグメントになる。また、継手板３の全ての端面が桁１とフランジ２Ａ，２Ｂとに接続されていることにより、より一層強度の高い継手部を形成することができる。
【００４３】
また、フランジ２Ａが桁１の外周側に配設され、フランジ２Ｂが桁１の内周側に配設されていることより、卓越する曲げモーメントが正の曲げモーメントＭ２と負の曲げモーメントＭ１の間で変動するような場合、このように変動する卓越した曲げモーメントが発生するセグメントリング内の領域において、鋼製セグメント３０が配設されるのが望ましい。
【００４４】
［第４の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第４の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図７は、第４の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図７に示すように、鋼製セグメント４０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の外周側において桁１同士を繋いで周方向に延設するフランジ２Ｃと、桁１及びフランジ２Ｃの両端部に取付けられている継手板３とを有する。図３に示す鋼製セグメント１０と比較すると分かるように、フランジ２Ｃはフランジ２Ａに比べて幅が広くなっており、フランジ２Ｃの全幅は、左右の桁１からの有効幅（１６ｔ２）の２倍よりも広い。
【００４５】
このように、幅が有効幅の２倍よりも広いフランジ２Ｃを有する場合には、フランジ２Ｃのうち、構造部材として主断面に見込むことのできるフランジ２Ｃの範囲は左右の有効幅１６ｔ２の範囲になる。従って、継手板３においては、この左右の有効幅１６ｔ２の範囲に相当する領域において、かつフランジ２Ｃの近傍において、セグメント継ぎボルト孔３ｂを開設する。なお、図示を省略するが、正の曲げモーメントが卓越する領域に配設される鋼製セグメントの場合には、桁１の内周側に図示するフランジ２Ｃに相当する部材が配設され、桁１の外周側には、２つの桁１を繋ぐスキンプレートが配設される。
【００４６】
［第５の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第５の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図８は、第５の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図８に示すように、鋼製セグメント５０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の外周側及び内周側において、桁１同士を繋がずに周方向に延設するフランジ２Ｄ，２Ｅと、外周側の左右のフランジ２Ｄの外周側に配設されたスキンプレート５と、桁１及びフランジ２Ｄ，２Ｅの両端部に取付けられている継手板３とを有する。鋼製セグメント５０は、これまで説明してきた他の鋼製セグメント１０乃至４０と異なり、フランジ２Ｄ，２Ｅが２つの桁１同士を繋いでいない点で相違する。
【００４７】
フランジ２Ｄ，２Ｅは、せいぜい有効幅１６ｔ２の幅を有しており、平面視十字状の継手板３においても、フランジ２Ｄ，２Ｅの近傍で、かつ有効幅１６ｔ２の範囲にセグメント継ぎボルト孔３ｂを有し、桁１の近傍にはセグメント継ぎボルト孔３ａを有している。なお、例えば、フランジ２Ｄ，２Ｅのそれぞれ２倍の幅が、２つの桁１間の幅（離間）の５０％以上となるようにフランジ２Ｄ，２Ｅの各幅を設定することができる。
【００４８】
例えば、２つの鋼製セグメント５０が桁１の側面同士で接続された場合を想定すると（リング継ぎボルトにて接続される態様）、双方の鋼製セグメント５０の接続部では、２つの桁１が並設され、その上下位置において左右にフランジ２Ｅ，２Ｄが張り出したＨ型断面形状を形成する。そして、鋼製セグメント５０は、双方のフランジ２Ｅ，２Ｄにより、卓越する曲げモーメントが正の曲げモーメントＭ２と負の曲げモーメントＭ１の間で変動する場合に対応できる。
【００４９】
鋼製セグメントの幅が比較的広い場合には、フランジにて２つの桁１同士を繋ぐまでもなく、例えば有効幅程度の幅を有するフランジ２Ｄ，２Ｅを桁１の外周側及び／又は内周側の側方に張り出した構成を適用することにより、厚みの大きなフランジをコンパクトにしてその材料費を低減しながら、桁高を高くすることなく高剛性の鋼製セグメントを形成することができる。なお、図示を省略するが、外周側のフランジ２Ｄのみを有する形態や、内周側のフランジ２Ｅのみを有する形態であってもよく、これらいずれの形態においても、外周側にはスキンプレートの設置を要する。
【００５０】
［第６の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第６の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図９は、第６の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図９に示すように、鋼製セグメント６０は、図７に示す鋼製セグメント４０と同様に、周方向に延設する所定の曲率を備えた２つの桁１と、２つの桁１の外周側において桁１同士を繋いで周方向に延設するフランジ２Ｃと、桁１及びフランジ２Ｃの両端部に取付けられている継手板３とを有する。そして、鋼製セグメント６０はさらに、箱型の鋼殻の内部に、コンクリート硬化体６を備えており、桁１、フランジ２Ｃ，継手板３、及び縦リブ４とコンクリートが一体となっている合成セグメントを形成している。
【００５１】
このように、箱型の鋼殻内にコンクリート硬化体６が配設され、鋼殻とコンクリートが一体となっていることにより、より一層剛性の高い鋼製セグメント６０が形成される。さらに、継手板３が桁１に加えてコンクリートと一体になっていることにより、より一層高強度な継手部が形成される。なお、図示を省略するが、これまで説明してきた他の鋼製セグメント１０，２０，３０，５０の鋼殻内にコンクリート硬化体が配設されてなる鋼製セグメントであってもよく、これらの鋼製セグメントも鋼製セグメント６０と同様に、より一層剛性の高い鋼製セグメントとなり、継手部の強度もより一層高くなる。
【００５２】
［第７の実施形態に係る鋼製セグメント］
次に、第７の実施形態に係る鋼製セグメントについて説明する。図１０は、第７の実施形態に係る鋼製セグメントの斜視図である。図１０に示すように、鋼製セグメント７０は、周方向に延設する所定の曲率を備えた左右および中央に配設された３つの桁１と、左右の桁１の外周側において中央の桁１までの幅を有していない周方向に延設するフランジ２Ｄと、桁１及びフランジ２Ｄの両端部に取付けられている継手板３と、３つの桁１の外周側に配設されたスキンプレート５とを有する。例えば、図７に示す鋼製セグメント４０よりも幅の広い鋼製セグメント７０であり、従って、鋼製セグメント７０の剛性を高めるべく、３つの桁１を有している。なお、桁１の数は４つ以上であってもよい。
【００５３】
卓越する負の曲げモーメントＭ１に対抗するべく、図示例の鋼製セグメント７０は、左右の桁１の外周側において、中央の桁１まで伸びておらず、有効幅１６ｔ２の幅を備えたフランジ２Ｄを有している。なお、図示を省略するが、左右の桁１と中央の桁１をそれぞれ繋ぐフランジにて鋼製セグメントが形成されていてもよく、また、桁１の内周側にフランジを備えている鋼製セグメントであってもよく、さらには、左右の桁１の内周側及び外周側にフランジを備えている鋼製セグメントであってもよい。また、鋼製セグメント７０を形成する箱型の鋼殻内にコンクリート硬化体を有する形態であってもよい。
【００５４】
次に、継手板３の板厚の設計手法について説明する。３つ（以上）の桁を有する鋼殻構造の継手板の設計においても、図４に示すコーベル理論を適用した設計手法を適用できる場合には、当該コーベル理論を適用した設計手法にて継手板の設計を行う。その一方で、コーベル理論の適用が難しい場合には、継手板に曲げモーメントの発生を許容した上で、その曲げモーメントにより板厚を設計する設計手法があることから、ここでは、この設計手法を概説する。図１１は、コーベル理論の適用が難しいことを前提として、３つ（以上）の桁を有する鋼殻構造の継手板の設計手法を説明する図である。３つの桁を有する鋼殻構造の継手板の設計方法は、継手板に曲げモーメントの発生を許容した上で、その曲げモーメントにより板厚を設定する。従って、桁１と継手板３の溶接箇所においても、その曲げモーメントに対して照査し、溶接箇所の設計を行う。
【００５５】
図１１に示すように、３つ以上の桁を有する鋼殻構造では、両端固定梁によって求められる端部の曲げモーメントＭｔを、Ｍｔ＝ΣＰ×Ｓ（Ｌ−Ｓ）／Ｌなる式から算定し、算定された曲げモーメントＭｔを継手板３の曲げ剛性ＥＩ（Ｅは弾性係数、Ｉは断面２次モーメントで、Ｉは厚みの３乗に比例）で除して曲げ応力を算定する。算定された曲げ応力が所定の許容応力値以内になるように、継手板３の厚みが設定される。
【００５６】
図示する鋼製セグメント７０によれば、左右の桁１間の幅が広幅になっても、中央に他の桁１を有していること、及び、左右の桁１が有効幅１６ｔ２のフランジ２Ｄを有していることにより、桁高を高くすることなく、剛性を高めることができる。
【００５７】
［実施形態に係るシールドトンネル］
次に、実施形態に係るシールドトンネルについて説明する。図１２は、実施形態に係るシールドトンネルを有する大断面トンネルを説明する断面図である。図１２に示す大断面トンネル３００は、シールドトンネルからなる本線トンネル１００と、シールドトンネルからなるランプトンネル２００と、これら本線トンネル１００とランプトンネル２００を繋ぐ切り開きトンネルＣＴと、を有する。
【００５８】
図２と同様に、大断面トンネル３００の施工過程において、本線トンネル１００とランプトンネル２００では、切り開きトンネルＣＴとの連通に際して障害となる箇所のスキンプレートや桁が撤去される。そのため、図２と同様に、切り開きトンネルＣＴからの荷重を本線トンネル１００とランプトンネル２００に逃がす補強梁ＳＰ１乃至ＳＰ４を設置した後に、スキンプレートや桁の撤去が行われる。特に桁の撤去により、切り開きトンネルＣＴからの荷重が補強梁ＳＰ１乃至ＳＰ４を介して過大な軸力として本線トンネル１００とランプトンネル２００に作用する結果、図中の曲げモーメント分布図のように局所的に過大な曲げモーメントが発生することになる。
【００５９】
そこで、図示する大断面トンネル３００は、本線トンネル１００とランプトンネル２００において、特に過大な曲げモーメントが発生する箇所に例えば実施形態１に係る鋼製セグメント１０が適用されている。すなわち、シールド掘進機内において、エレクタにて、従来一般の鋼製セグメントＳ（フランジを有していない鋼製セグメント）と、実施形態１に係る鋼製セグメント１０からセグメントリングが形成され、地盤内に設置される。トンネル軸方向に多数のセグメントリングがリング間継ぎボルトにて接続されて本線トンネル１００やランプトンネル２００が形成されるが、図１２に示す横断面において、過大な曲げモーメントが生じる領域（トンネル軸方向の位置によって曲げモーメント分布図は変化する）に鋼製セグメント１０が適用される。
【００６０】
図示する大断面トンネル３００によれば、過大な曲げモーメントに対応する領域に鋼製セグメント１０が適用されることにより、鋼製セグメント１０は桁高を高くして剛性を高めているセグメントでないことより、大断面トンネル３００内にある建築限界と干渉する問題は生じ得ない。また、桁高が高くなる場合に、桁高を外側（地山側）に高くする場合に発生する、掘削土量及び排土量の増加とこれに起因する工事費の増加といった問題も生じ得ない。さらに、鋼製セグメント１０を形成する継手板３において、フランジ２の近傍にもセグメント継ぎボルト孔３ｂが形成されていることにより、セグメント同士を繋ぐセグメント継ぎボルトの本数を増加させることができ、継手部の高強度化を図ることができる。なお、図示を省略するが、大断面トンネル３００を形成する本線トンネル１００やランプトンネル２００の適所には、他の実施形態に係る鋼製セグメント２０乃至７０が適用されてもよく、また、これらの鋼製セグメント１０乃至７０の二種以上が組み合わせて適用されてもよい。
【実施例】
【００６１】
本発明者等は、図３に示す実施形態に係る鋼製セグメントにおいて、フランジの近傍にセグメント継ぎボルト孔を具備しない鋼製セグメント（比較例）と、図３に示す実施形態に係る鋼製セグメント（実施例）の双方の許容曲げモーメントを求め、比較した。比較例の鋼製セグメントは、断面寸法が、桁高７００ｍｍ、桁間の幅が８００ｍｍであり、桁の内面から８３ｍｍ離れた桁に沿うライン上に、１４７ｍｍピッチで４本のセグメント継ぎボルトを配設する（合計８本のセグメント継ぎボルト）構成である。一方、実施例の鋼製セグメントは、断面寸法が、桁高７００ｍｍ、桁間の幅が８００ｍｍであり、桁の内面から８３ｍｍ離れた桁に沿うライン上に、１４７ｍｍピッチで４本のセグメント継ぎボルトを配設し、さらに、フランジの内面から８５ｍｍ離れたフランジに沿うライン上に、１６４ｍｍピッチで２本のセグメント継ぎボルトを配設する（合計１０本のセグメント継ぎボルト）構成である。
【００６２】
検証の結果、比較例の許容曲げモーメントは−１７５０ｋＮｍ（負の曲げモーメント）であり、実施例の許容曲げモーメントは−２７００ｋＮｍであった。比較例の許容曲げモーメントを１００％とした場合、実施例の許容曲げモーメントは１５４％となり、比較例に比べて許容曲げモーメントが５４％も増加することが確認されている。
【００６３】
なお、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０，２０，３０，４０  ：鋼製セグメント
５０，６０，７０        ：鋼製セグメント
１                      ：桁
１ａ                    ：リング継ぎボルト孔
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ    ：フランジ
２Ｄ，２Ｅ              ：フランジ
３                      ：継手板
３ａ，３ｂ              ：セグメント継ぎボルト孔
４                      ：縦リブ
５                      ：スキンプレート
６                      ：コンクリート硬化体
１００                  ：シールドトンネル（本線トンネル）
２００                  ：シールドトンネル（ランプトンネル）
３００                  ：大断面トンネル
Ｓ                      ：鋼製セグメント
Ｊ                      ：継手部
ＳＴ１                  ：シールドトンネル（本線トンネル）
ＳＴ２                  ：シールドトンネル（ランプトンネル）
ＣＴ                    ：切り開きトンネル
ＳＰ１、ＳＰ２          ：補強梁
ＳＰ３、ＳＰ４          ：補強梁
【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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