(57)【要約】【課題】シールドマシンを用いてトンネルを構築する際に、セグメント壁体をシールドマシンにて容易にかつ短時間で掘削できるようにする。【解決手段】セグメント壁体の一部に、シールドマシンにて掘削が可能な部分を設けるとともに、その掘削可能部を、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複数の複合材３１・・３１が円筒壁の一部を形成するように円周方向に沿って配置され、かつ、その互いに隣り合う複合材３１同士が相互に接合されてなる接合体３０によって構成する。さらに、掘削可能部を構成する複合材３１として、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体をガラス長繊維で補強した複合材を用いる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に用いるセグメントであって、
セグメント壁体の一部に、シールドマシンにて掘削が可能な部分が設けられており、その掘削可能部は、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複数の複合材が円筒壁の一部を形成するように円周方向に沿って配置され、かつ、その互いに隣り合う複合材同士が相互に接合された接合体によって構成されていることを特徴とするシールド用セグメント。
【請求項２】
前記掘削可能部は、前記接合体が円筒の軸方向に複数積層されていることを特徴とする請求項１記載のシールド用セグメント。
【請求項３】
前記掘削可能部を構成する複合材が、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体をガラス長繊維で補強した複合材であることを特徴とする請求項１または２記載のシールド用セグメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に用いるシールド用セグメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、道路や鉄道等のトンネルあるいは下水管渠築造用のトンネルなどを構築する場合、シールド工法が一般に採用されている。シールド工法とは、先端に掘削刃を備えたシールドマシンを地中で推進させながらトンネル穴を掘削する工法である。
【０００３】
シールド工法では、シールドマシンで地盤を掘進しつつ、シールドマシンの後方で、掘削部の周囲内壁面に沿ってセグメントを順次組み立てることによってトンネルの壁体を構築している。セグメントは、例えばトンネル内の円周を複数に分割（例えば６分割）する大きさであり、円周方向及びシールドトンネル延長方向に順次継ぎ足されてゆく。セグメントとしては、鉄筋コンクリート製セグメント、鋼板のみで製作された鋼製セグメントあるいは鋼殻内中にコンクリートを充填した鋼殻セグメントなどがある。
【０００４】
また、シールド工法においては、道路上でシールドマシンを組み立て、下向きに掘削して縦トンネルを構築し、縦トンネルが所定の深さまで達した時点で、シールドマシンの向きを転換して横トンネルを掘削する。さらに横トンネルの開始位置から所定距離だけ進んだ位置に達した時点でシールドの向きを転換して縦トンネルまたは横トンネルを掘削するという縦横連続式シールド工法も採用されるようになってきている。
【０００５】
ところで、シールド工法において、縦トンネルまたは横トンネルを構築した後に、そのトンネルとは異なる方向（例えば横方向または縦方向）への掘削を開始する際には、まず、先に構築したトンネルの壁体（セグメント壁体）を掘削する必要がある。しかしながら、セグメントが鋼製である場合、壁体の掘削をシールドマシンで行うことはできない。また、鉄筋コンクリート製セグメントを用いている場合、壁体の掘削をシールドマシンで行うと、鉄筋がシールドマシンの掘削刃に絡みついて掘削速度が大幅に低下し、最悪の場合、シールドマシンが故障するおそれがある。このため、従来では、トンネル壁体の破壊作業（溶断・はつり等）を人手で行っているが、人手による作業では手間が掛かり工期が相当長くなる。
【０００６】
このような点を解消する方法として、セグメント壁体の一部（掘削開始部）にシールドマシンによる掘削が可能な部分を設けるという方法が考えられる。この方法を採用する場合、セグメントの掘削可能部を、炭素繊維やガラス繊維などを樹脂に含浸してなるロープ状（鉄筋状）の補強筋（新素材）を用いた新素材コンクリート（例えば特開平５−３０２４９０号公報、特許第２７０９２４５号等に開示）で構成することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セグメント壁体の一部を前記した新素材コンクリートで構成した場合、シールドマシンによる掘削は可能になるが、コンクリートは掘削抵抗が大きいため掘削に多くの時間を要する。また、掘削過程において、ロープ状の補強筋の切断物がシールドマシンのスクリュー（掘削物除去用）に詰まってシールドマシンが停止したり、故障するおそれがある。
【０００８】
さらに、セグメントの掘削可能部を新素材コンクリートで構成する場合、コンクリート打設に手間が掛かり施工に多くの時間を要する。
【０００９】
本発明はそのような問題点を解消すべくなされたもので、セグメント壁体などのトンネル壁の一部にシールドマシンにて掘削することが可能な掘削可能部が設けられており、その掘削可能部の掘削を短時間で終えることができるとともに、シールドマシンに与える負担も少なくて済む、シールド用セグメントの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のシールド用セグメントは、シールドマシンを用いてトンネルを構築するシールド工法においてトンネルの壁体に用いるセグメントであって、セグメント壁体の一部に、シールドマシンにて掘削が可能な部分が設けられており、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複数の複合材が円筒壁の一部を形成するように円周方向に沿って配置され、かつ、その互いに隣り合う複合材同士が相互に接合された接合体によって構成されていることによって特徴づけられる。
【００１１】
本発明のシールド用セグメントにおいて、掘削可能部が前記接合体を円筒の軸方向（円筒の母線方向）に複数積層してなる接合複合体であることが好ましい。
【００１２】
本発明のシールド用セグメントにおいて、掘削可能部を構成する複合材は、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体（ウレタン発泡体）をガラス長繊維で補強した複合材であることが好ましい。
【００１３】
本発明のシールド用セグメントによれば、掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複合材によって構成されているので、コンクリートで掘削可能部を構成する場合と比較して、掘削速度が速くなって掘削工程の短縮化をはかることができる。
【００１４】
また、複数の複合材を円筒壁の一部を形成するように円周方向に沿って配置して接合積層体（掘削可能部）を構成しているので、複合材の湾曲加工などを行うことなく、接合積層体を容易に製作することができ、製造コストの低減化をはかることができる。
【００１５】
ここで、本発明のシールド用セグメントでは、掘削可能部を構成する複合材として、図５に例示するように、ウレタン発泡体中にガラス長繊維が一方向にモノフィラメント状態すなわちガラス長繊維が一方向に１本ずつ分散した状態で充填されてなる複合材を用いるので、シールドマシンにて掘削しても、ガラス長繊維の切断物がスクリューなどに詰まるなどの不具合が生じることもない。
【００１６】
また、そのようなウレタン発泡体をガラス長繊維で補強した複合材は、曲げ強度及び圧縮強度に優れているので、接合積層体とすることにより、シールドトンネルに作用する土圧・水圧に十分に耐えることができる。しかも、ウレタン発泡体は比較的安価であり、またガラス長繊維も安価であることから、掘削可能部を前記した新素材コンクリートよりも安いコストで製作することができる。さらに、ウレタン発泡体はコンクリートに比べて軽量であるので、シールド用セグメントの軽量化を達成できる。
【００１７】
なお、本発明のシールド用セグメントにおいて、掘削可能部を構成する複合材同士を接合する接合材としては、例えばエポキシ樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤またはアクリル樹脂系接着剤など樹脂系接着剤、あるいはＦＲＰなどを挙げることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
まず、シールド用のセグメントについて説明する。
【００２０】
セグメントは、シールドマシンを用いたシールド工法にて構築されるトンネルの壁体を構成するもので、例えば図１に示すように、６つのセグメント１１・・１１をリング状に組み立てることにより、セグメントリング１０を構成することができる。
【００２１】
このようなセグメント１１を用いてシールドトンネル１００の壁体を構築する場合、まず、先端に掘削刃を備えたシールドマシン（図示せず）を地中に横方向（または縦方向）に推進させ、このシールドマシンの後方に、セグメントリング１０の１リング分の空間が形成された時点でシールドマシンの推進を停止し、シールドマシンの後方空間の内壁面に沿ってセグメント１１・・１１をリング状に組み立てる。次に、同じ要領にて、シールドマシンをセグメントリング１０の１リング分だけ推進させてセグメント１１・・１１をリング状に組み立てるという工程を順次繰り返してゆくことによって、例えば図１に示すような横向きのシールドトンネル１００を構築することができる。
【００２２】
次に、本発明の実施形態を図２〜図５に基づいて説明する。
【００２３】
まず、この実施形態のシールド用セグメント１（以下、セグメント１と言う）は、図１に示すような横向きのシールドトンネル１００において、上向きの縦トンネル１０１を構築する場合などに用いられる特殊セグメントである。
【００２４】
セグメント１は、前記したセグメントリング１０の一部を構成する部材で（図２）、図３に示すように、２つのセグメント本体２，２と、シールドマシンにて掘削が可能な掘削可能部を構成する接合積層体３を備えている。
【００２５】
接合積層体３は、図４に示すように、複数の接合体３０・・３０がセグメント１の軸方向（円筒の母線方向）に積層された部材である。それら接合体３０・・３０は、互いに隣り合うもの同士の側面が接着剤（例えばエポキシ系接着剤）によって相互に接合されている。
【００２６】
接合体３０は、略扇形の複数の複合材３１・・３１がセグメント壁体の一部（円筒壁の一部）を形成するように円周方向に沿って配置されているとともに、それら複合材３１・・３１の互いに隣り合うもの同士の端面が接着剤（例えばエポキシ系接着剤）にて相互に接合された部材である。
【００２７】
接合積層体３は、シールドマシンの掘削径よりも大きい形状寸法に加工されており、また、接合積層体３の外周面及び内周面の曲率（曲率半径）はそれぞれセグメント本体２の外周面及び内周面の曲率（曲率半径）に略一致している。
【００２８】
接合積層体３の端部には、複数の連結溝３ａ・・３ａが厚さ方向（セグメントの径方向）に所定ピッチで加工されている。また、図４には図示しないが、接合積層体３の端部には、連結ボルト用の貫通孔３ｂ・・３ｂ（図６参照）が加工されている。なお、貫通孔３ｂ・・３ｂは、接合体３０の１層ごとに設けてもよいし、例えば奇数または偶数の層ごとに設けてもよい。さらには、任意の複数層ごとに設けておいてもよい。
【００２９】
接合積層体３を構成する板状の複合材３１は、図５に示すように、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体をガラス長繊維で補強した複合材である。このような複合材３１としては、例えば、エスロンネオランバーＦＦＵ（積水化学工業株式会社製）を挙げることができる。
【００３０】
セグメント本体２は鋼板を主体として製作されている。セグメント本体２には、図３に示すように、矩形の切欠き２ａが加工されており、２つのセグメント本体２，２を連結した状態で、それらの中央位置に矩形（略正方形）の穴１ａが形成されるようになっている。この矩形の穴１ａは、接合積層体３の外形寸法よりも所定量だけ大きい寸法に加工されている。
【００３１】
以上のセグメント１において接合積層体３とセグメント本体２とを連結する構造の一例を図６に示す。
【００３２】
この連結構造においては、セグメント本体２の切欠き２ａの近傍に、複数枚の連結プレート４・・４が、接合積層体３の連結溝３ａ・・３ａに対応するピッチで設けられており、接合積層体３の周縁部を切欠き２ａの周縁部に配置した状態（連結状態）で、各連結プレート４が接合積層体３の連結溝３ａにそれぞれ嵌り合うようになっている。
【００３３】
連結プレート４・・４及びセグメント本体２には、連結ボルト５を通す貫通孔４ａ，２ｂが加工されている。それら貫通孔４ａ，２ｂは、上記した連結状態（図６の状態）で、接合積層体３の貫通孔３ｂ・・３ｂにほぼ一致する。なお、各連結プレート４は、セグメント本体２に溶接にて強固に固定されている。
【００３４】
そして、図６に示す連結構造では、セグメント本体２の連結プレート４・・４を接合積層体３の連結溝３ａにそれぞれ嵌め込むとともに、接合積層体３側の貫通孔３ｂとセグメント本体２側の貫通孔４ａ，２ｂとを位置合わせした状態で、それら貫通孔３ｂ，４ａ，２ｂに連結ボルト５を通し、そのボルト先端をナット６にねじ込むことによって、接合積層体３とセグメント本体２とを相互に連結することができる。なお、ナット６はセグメント本体２に溶接等により固着しておいてもよい。
【００３５】
以上の実施形態において、セグメント本体２は、シールドトンネルを構築する際に、図１において説明したような要領にて、セグメントリング１０の一部を構成する部材として組み立てることができる。
【００３６】
また、接合積層体３の設置は、例えば、接合積層体３を組み込む２つのセグメント本体２，２の一方を、前記した要領でシールドマシンの後方空間に設置し、次に、シールドマシンがセグメントリング１０の１リング分だけ推進した際に、先に設置したセグメント本体２に接合積層体３を連結し、次いで、もう一方のセグメント本体２をシールドマシンの後方空間に設置するともに、この後方側のセグメント本体２と接合積層体３とを連結するという要領にて行うことができる。
【００３７】
なお、接合積層体３は２つのセグメント本体２の双方もしくはいずれか一方に組み込んだ状態で、シールドマシンの後方に搬送するという方法を採用してもよい。
【００３８】
また、後述の図１１〜図１３に示すように、接合積層体３を分割する構造を採用する場合には、それら分割積層体１３０，１３０、分割積層体１３１，１３２または分割積層体１３３，１３４を、それぞれセグメント本体２，２、セグメント本体２１，２２またはセグメント本体２３，２４に組み込んだ状態で、シールドマシンの後方に搬送するという方法を採用すればよい。
【００３９】
ここで、以上の実施形態に用いる接合体３０において、互いに隣り合う複合材３１，３１の接合部を、図７に示すように凹凸の嵌め合い構造としておけば、複合材３１同士の接合強度が向上し、掘削可能部である接合積層体３の全体の剛性を高めることができる。また、剛性を高めるため、接合積層体３を構成する複数層の接合体３０・・３０を、樹脂製のボルトあるいはロープ状の補強材などによって相互に連結するという構成を採用してもよい。
【００４０】
以上の実施形態では、複合材３１の上辺と下辺にセグメント本体２の曲率に対応するアールを加工しているが、本発明はこれに限られることなく、例えば図８に示すように、略台形状（上辺及び下辺がともに平面）の複数の複合材２３１・・２３１を円周方向に沿って配置して接合体２３０を構成してもよい。この場合、接合積層体２０３の外周面及び内周面に僅かな凹凸ができてしまうが、複合材のアール加工を行う必要がないことから、接合積層体３の製造コストを低く抑えることができるという利点がある。
【００４１】
また、以上の実施形態では、２つのセグメント本体２，２に矩形の切欠き２ａを加工し、それら２つのセグメント本体２，２を連結した状態で、シールドマシンの掘削径よりも大きな形状寸法の矩形の穴１ａが形成される構造としているが、本発明はこれに限られることなく、例えば図９に示すように、３つのセグメント本体２１，２２，２２を連結したときに矩形の穴１ａが形成される構造、また図１０に示すように、４つのセグメント本体２３，２３，２４，２４を連結したときに矩形の穴１ａが形成される構造、あるいは５つ以上の任意複数のセグメント本体を連結したときに矩形の穴が形成される構造であってもよい。
【００４２】
さらに、以上の実施形態では、一体構造の接合積層体３を用いているが、本発明はこれに限られることなく、例えば図１１〜図１３に示すように、接合積層体３を分割構造として、１つの掘削可能部を複数の分割積層体１３０，１３０、分割積層体１３１，１３２または分割積層体１３３，１３４にて構成するようにしてもよい。
【００４３】
また、以上のような構造のほか、１つのセグメント本体に、シールドマシンの掘削径よりも大きな矩形の穴を開口して、その矩形の穴に矩形の接合積層体を配置するというような構造を採用してもよい。
【００４４】
以上の実施形態では、接合積層体３の形状を矩形としているが、その形状は特に限定されず、例えば図１４に示すように、長さの異なる複数種の接合体３０・・３０を順次積層して、全体として略円形（正面形状）の接合積層体３０３を構成してもよい。
【００４５】
以上の実施形態では、セグメント１に設ける掘削可能部を、複数層の接合体３０・・３０からなる接合積層体３で構成しているが、接合体３０を構成する複合材３１として板厚の厚いものを製作することが可能であれば、１層の接合体３０にて切削可能部を構成してもよい。
【００４６】
以上の実施形態では、上向きの縦トンネルを構築する場合にセグメント１を用いた例を説明したが、本発明はこれに限られることなく、横トンネルまたは縦トンネルから横向きの横トンネルを構築する場合に使用可能である。
【００４７】
以上の実施形態では、セグメントとして、シールドトンネルの円周を６分割したセグメントに本発明を適用した例を示したが、これに限られることなく、円周の３分割または４分割あるいはそれ以上の分割数で分割してなるセグメントにも本発明は適用できる。
【００４８】
ここで、本発明に用いるセグメント本体としては、前記した鋼板のみで構成された鋼製セグメント本体のほか、鉄筋コンクリート製のセグメント本体、あるいは鋼殻内中にコンクリートを充填した構造の鋼殻セグメント本体などであってよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシールド用セグメントによれば、セグメント壁体の一部に、シールドマシンにて掘削が可能な部分が設けられており、その掘削可能部が、プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複合材によって構成されているので、掘削可能部をコンクリートで構成する場合に比べて掘削抵抗が小さくなり、シールドマシンによる掘削速度が速くなる。ちなみに、硬質ウレタン樹脂からなるプラスチック発泡体を使用した場合、コンクリートに対して掘削速度が１０倍程度速くなり、掘削工程の大幅な短縮化をはかることができる。
【００５０】
また、複数の複合材を円筒壁の一部を形成するように円周方向に沿って配置して接合積層体（掘削可能部）を構成しているので、複合材の湾曲加工などを行うことなく、接合積層体を容易に製作することができ、製造コストの低減化をはかることができる。さらに、硬質ウレタン樹脂等からなるプラスチック発泡体は、コンクリートよりも軽量であるので、セグメントの軽量化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セグメントにて壁体が構成されたシールドトンネルの例を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を使用状態で示す図である。
【図３】図２のＸ矢視図である。
【図４】本発明の実施形態に用いる接合積層体の構成を示す斜視図である。
【図５】接合積層体を構成する複合材の断面構造を模式的に示す図である。
【図６】セグメント本体と接合積層体との連結構造の一例を示す要部断面図である。
【図７】接合積層体を構成する複合材の接合構造の一例を示す側面図である。
【図８】接合積層体の変形例の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図１１】本発明の更に別の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図１２】本発明の更に別の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図１３】本発明の更に別の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図１４】接合積層体の更に別の変形例を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
１　セグメント（シールド用セグメント）
２　セグメント本体
２ａ　切欠き
２ｂ　貫通孔
３　接合積層体（掘削可能部）
３ａ　連結溝
３ｂ　貫通孔
３０　接合体
３１　複合材（プラスチック発泡体を無機繊維で補強した複合材）
４　連結プレート
４ａ　貫通孔
５　連結ボルト
６　ナット
１０　セグメントリング
１１　セグメント
１００　シールドトンネル（横向き）
１０１　縦トンネル
【図１】
2004036177.tif 000003
【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】
2004036177.tif 000013
【図１２】
2004036177.tif 000014
【図１３】
2004036177.tif 000015
【図１４】
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