(57)【要約】【課題】セグメントの主桁と継手板との溶接仕様を簡素化できる連結部構造に関する。【解決手段】主桁２、継手板３およびスキンプレート４からなる鋼殻５内にコンクリート６を充填して構成されたセグメント１の連結部構造であって、前記主桁２の長手方向端部の内側面にはボルト孔７ａが設けられた継手金物７が隅肉溶接７ｂされており、トンネル周方向に隣接する前記セグメント１，１の連結が、前記継手金物７と前記継手板３とを挿通してなる連結ボルト８によって行なわれることを特徴とするセグメント１の連結部構造。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主桁、継手板およびスキンプレートで構成されたセグメントの連結部構造であって、前記主桁の長手方向端部の内側面にはボルト孔が設けられた継手金物が隅肉溶接されており、トンネル周方向に隣接する前記セグメントの連結が、前記継手金物と前記継手板とを挿通してなる連結ボルトによって行なわれることを特徴とするコンクリート中詰鋼殻セグメントまたは鋼製セグメントのセグメント連結部構造。
【請求項２】
仮設用ボルト孔および本設用ボルト孔が並列して設けられた継手金物を主桁に隅肉溶接したことを特徴とする請求項１に記載のセグメント連結部構造。
【請求項３】
少なくとも主桁高さ方向に沿って複数本のボルト孔が配列された継手金物を主桁に隅肉溶接するセグメント連結部構造であって、前記継手金物の隅肉溶接用の定着部はセグメント周方向に対して突出する形状に形成され、かつ前記定着部が主桁高さ方向の上端側および下端側に分割されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセグメント連結部構造。
【請求項４】
少なくとも主桁高さ方向に沿って複数本のボルト孔が配列された継手金物を主桁に隅肉溶接するセグメント連結部構造であって、主桁の圧縮力作用端から各段ボルトまでの距離の比と各段のボルト長さの比とを等しく設定したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセグメント連結部構造。
【請求項５】
少なくとも主桁幅方向に沿って複数本のボルト孔が並列配置された継手金物を主桁に隅肉溶接するセグメント連結部構造であって、前記継手金物のボルト挿通部が、主桁２から離れるに伴ってセグメント周方向の長さを短く設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセグメント連結部構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセグメントの連結部構造であって、トンネル周方向に隣接するセグメント間に生じる力を主桁に直接伝達し、継手板の板厚を主桁の板厚より小さくすることを特徴とするセグメント連結部構造。
【請求項７】
継手金物に設けられるボルト孔の形状が、継手板に面する側に向かってボルト孔径が大きくなる截頭円錐形状に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセグメント連結部構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は上下水道、地下鉄、電力・通信ケーブル共同溝、放水トンネル、道路トンネルなどの管渠をシールド工法などで構築する場合に用いられるセグメントについて、特にセグメントの主桁と継手板との溶接仕様を簡素化できるセグメント連結部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
わが国における都市施設の整備に対する要望は近時急速に高まり、すでに浅い地面下、特に大都市における主要道路下はこれらの施設が飽和状態になるまでに至っている。従って、今後の都市施設整備のための空間は地下深くに求めざるを得ない状態となり、いわゆる大深度地下空間の利用構想が各界で研究開発されている。この大深度地下空間の利用のための地下工事には、従来より工事の安全性と地上交通を阻害することの少ないシールド工法がこれからも主体となると考えられる。
【０００３】
従来、シールド工法には一般的に鋼製セグメントが使用され、鋼製セグメントはシールドトンネルにおける上下水道、電力・通信ケーブル共同溝を始めとして鉄道・道路用トンネルの特殊部分などに多くの使用実績がある。ところが、鋼製セグメントは今まで有利と考えられていた中小径セグメントの範囲でも地盤の悪い場所、特殊荷重の作用する場所、及び大深度（約２０ｍ以上）等でセグメントに作用する荷重が大きくなる場合には、鋼製セグメントが使用されない実例が出てきている。この理由は、例えば大深度シールドトンネルではセグメントに発生する断面力（曲げモーメント、軸力及び剪断力）が浅深度シールドトンネルに較べて大きくなるため、シールドを推進するためのジャッキも大きくなってしまう。このため浅深度シールドトンネルではセグメンド断面が曲げモーメントで決定されることから鋼製セグメントが有利であったのが、大深度シールドトンネルではセグメント断面が軸力で決定され、設計上必ずしも有利ではなくなってしまう。
【０００４】
その一方で、シールド工法に特願平７−２５２９９４号（特開平９−９８３５７号公報）に開示されるようなコンクリート中詰鋼殻セグメントを用いることが考えられる。コンクリート中詰鋼殻セグメントは、主桁と、継手板と、スキンプレートとからなる既存の鋼製セグメントを基本構造とした鋼殻を使用し、工場等においてコンクリートをあらかじめ中詰めした鋼とコンクリートとの特性をもつ簡易合成構造のセグメントである。このコンクリート中詰鋼殻セグメントは、スキンプレートの端縁に接合された主桁と継手板からなる鋼殻内にコンクリートを閉塞状態で充填するため、コンクリートの変形を抑制した簡易合成構造となって、高い剛性、強度を確保することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−９８３５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術に代表されるコンクリート中詰鋼殻セグメントまたは鋼製セグメントのトンネル周方向継手部は、継手板にボルトおよびナットを緊締して連結を行なう連結構造を採用している。したがって、トンネル周方向の応力を主桁に伝達させるためには継手板と主桁とを確実に溶接する必要がある。この点に関し、「道路橋示方書」においても、継手板と主桁の接合部のように引張力が作用する箇所の溶接仕様は完全溶け込み溶接によるとされている。しかし、大深度等の条件下では主桁の板厚や高さも大きくなるため、従来型の連結構造では継手板と主桁との溶接コストが著しく増大する点で改善の余地があった。
【０００７】
本発明は前記従来技術における課題を解消するためにされたものであり、その目的は、主桁と継手板との溶接仕様を簡素化できるセグメント連結部構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のセグメント連結部構造は、主桁２、継手板３およびスキンプレート４からなる鋼殻５内にコンクリート６を充填して構成されたセグメント１の連結部構造であって、前記主桁２の長手方向端部の内側面にはボルト孔７ａが設けられた継手金物７が隅肉溶接７ｂされており、トンネル周方向に隣接する前記セグメント１，１の連結が、前記継手金物７と前記継手板３とを挿通してなる連結ボルト８によって行なわれることを特徴とする。なお、本発明の連結部構造では、継手金物９に仮設用ボルト孔９ａおよび本設用ボルト孔９ｂを並列して設けてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。図１から図３は本発明の第１実施形態におけるセグメント１の連結部構造を示した図である。第１実施形態のセグメント１は、図１に示すように、主桁２、継手板３およびスキンプレート４からなる鋼殻５の内部にコンクリート６を充填して構成され、鋼殻５でセグメント１の外周面を箱状に被覆することでコンクリート６の変形が抑制される簡易合成構造となっている。
【００１０】
第１実施形態では、トンネル円周方向に伸長する２本の円弧状の主桁２の端部にトンネル軸方向に伸長する２本の継手板３を接合し、かつ主桁２および継手板３のトンネル地山側（セグメント外周側）にスキンプレート４を固定して鋼殻５が構成されている。主桁２および継手板３には、連結ボルト８を挿通するための挿通孔２ａ，３ａが開孔されている。なお、鋼殻５のスキンプレート４の内周面には、トンネル軸方向に伸長する縦リブ４ａが複数枚立設されている。
【００１１】
また、主桁２の長手方向端部（トンネル周方向端部）には、ボルト孔７ａが設けられた継手金物７がそれぞれ２つづつ隅肉溶接７ｂされている。この継手金物７は、継手金物７のボルト孔７ａと継手板３の挿通孔３ａとが同軸上に位置するように主桁２に固定されている。なお継手金物７の大きさは、セグメント連結時に使用する連結ボルト８の径およびボルト長さ、隅肉溶接部７ｂの溶接長などを考慮して決定される。
【００１２】
さらに、鋼殻５の内部にはコンクリート６が充填される一方で、主桁２の挿通孔２ａおよび継手金物７付近にはコンクリート６が充填されていない空隙部６ａが設けられており、ボルト８の接合作業のためにスペースが確保されている。
【００１３】
第１実施形態では、図２および図３に示すように、一方のセグメント１の継手金物７および継手板３と、相対するセグメント１の継手金物７および継手板３とを挿通してなる連結ボルト８にナット８ａを締結して、セグメント周方向の連結を行なっている。すなわち本発明では、相対するセグメント１の継手金物７を外側から挟み込む状態で連結ボルト８にナット８ａが螺合されている。そして、本発明の連結部構造では、トンネル周方向の応力は、一方のセグメント１の主桁２から、この主桁２に溶接された継手金物７と連結ボルト８とを介して、相対するセグメント１の継手金物７に伝達されるようになっている。
【００１４】
ここで、従来型のセグメントの連結構造では、継手板に開孔されたボルト孔に連結ボルトを挿通してセグメント間の連結を行なっていた。つまり、従来型のセグメントの連結構造におけるトンネル周方向の応力は、一方のセグメントの主桁から、この主桁に溶接された継手板と連結ボルトとを介して相対するセグメントに伝達される。したがって、セグメント周方向に引張力がかかる場合、主桁と継手板との接合部には引張力が作用するので、主桁と継手板との溶接仕様は「道路橋示方書」の規格に従って完全溶け込み溶接で行なわざるを得なかった。
【００１５】
一方、本発明のセグメントの連結構造では、トンネル周方向の応力は、一方のセグメント１の主桁２に隅肉溶接７ｂされた継手金物７から、連結ボルト８を介して相対する継手金物７および主桁２に伝達される。したがって、本発明の連結構造では継手金物７と主桁２との接合部で応力を伝達するため、主桁２と継手板３との接合部の溶接仕様を簡易化できる。なお、セグメント周方向に引張力がかかる場合、継手金物７と主桁２との接合部にはせん断力が作用するが、「道路橋示方書」によればせん断力が作用する箇所の溶接仕様は隅肉溶接でもよいとされているので、連結部の溶接コストは大幅に低減される。
【００１６】
また本発明の連結部構造では、継手金物７と主桁２との接合部で応力を伝達し、継手板３を応力伝達させるための構造材とはしないので、継手板３の板厚も大幅に薄肉化できる。
【００１７】
図４は、本発明の第２実施形態におけるセグメント１の連結部構造を示した図である。第２実施形態のセグメント１の連結部構造では、主桁２に隅肉溶接９ｃされる継手金物９に、仮設用ボルト孔９ａと本設用ボルト孔９ｂとの２つのボルト孔が並列して開孔されている点のみ第１実施形態と相違する。なお、第２実施形態において第１実施形態と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
第２実施形態の継手金物９の全体形状は、直方体を一部切り欠いたような断面Ｌ字状の階段型に形成されている。この継手金物９には本設用ボルト孔９ｂと仮設用ボルト孔９ａとの２つのボルト孔が並列して開孔されている。本設用ボルト孔９ｂは、継手金物９の基底面と上側段差面とを貫通しており、仮設用ボルト孔９ａは、継手金物９の基底面と下側段差面とを貫通している。
【００１９】
そして第２実施形態の継手金物９は、仮設用ボルト孔９ａおよび本設用ボルト孔９ｂが開孔された基底面を継手板３に向けて、かつ仮設用ボルト孔９ａが本設用ボルト孔９ｂよりセグメント内側に位置する状態で主桁２に隅肉溶接９ｃされる。なお、第２実施形態でも第１実施形態と同様に、一方のセグメント１の継手金物９および継手板３と、相対するセグメント１の継手金物９および継手板３とを挿通してなる連結ボルト８あるいは仮設ボルト８ｂにナット８ａを締結して、セグメント周方向の連結を行なっている。
【００２０】
第２実施形態のセグメント連結構造において、継手金物９に仮設用ボルト孔９ａおよび本設用ボルト孔９ｂの２つのボルト孔を設けたのは以下の理由による。例えば、並列な２本のセグメントトンネル間を切り広げて１つのトンネルを構築する場合などにおいて、仮設状態から本設状態に至るまでにボルトに様々な応力履歴が残る。したがって、前記の場合に本設用ボルトのみで対応する場合には、応力履歴の影響を考慮して本設用ボルトのボルト径を大径化する必要が生じる。一方、本設用ボルトと仮設用ボルトとを併用する場合には、本設時に締結する本設用ボルトには仮設時の応力履歴の影響が及ばないので、ボルト径を小径にできる点で有利となる。
【００２１】
図６から図９は、本発明の第３実施形態におけるセグメント１の連結部構造を示した図である。第３実施形態のセグメント１の連結部構造は、少なくとも主桁２の高さ方向に沿って複数本のボルト孔が配列された継手金物１１を用いた高耐力継手構造である。なお、第３実施形態例では、並列配置されたボルト孔はいずれもが本設用のボルト孔である。
【００２２】
セグメントの継手部分における伝達力が大きい場合には、主桁２と継手金物との溶接部に大きな伝達耐力が必要となる。この場合において十分な伝達耐力を確保するためには、ボルト本数の増加や各ボルトの大径化などの対策が必要となる。しかし、ボルト本数を増加してボルトを密に配列する場合には、ボルト１本に対して１つの継手金物を設置する場合（図３参照）と異なり、継手金物の周囲を主桁２に溶接するために十分な空間を確保すること自体が困難である。
【００２３】
また、主桁２と平行して複数のボルト孔を包含する大きな寸法の継手金物（例えば、図５に示すような２×３本のボルト孔を有するブロック型の継手金物１０）を用いる場合には、主桁２との溶接は継手金物１０の主桁延長方向（セグメント周方向）の側面部のみで行なわなければならない。従って、上記例のような継手金物１０の場合、隅肉溶接脚長や溶接延長の増大に繋がり、加工コストや材料コストの増加を引き起こす要因となる。そのため、コスト面で有利な高耐力継手構造を実現するためには狭い範囲で溶接延長を大きくとる工夫が必要となる。
【００２４】
そこで第３実施形態では、少なくとも主桁２の高さ方向に沿って複数本のボルト孔が密に配列された継手金物１１を用い、この継手金物１１には、主桁２と溶接するための定着部１１ｂを設け、かつ定着部１１を主桁２の高さ方向に分割する構成とした。すなわち、第３実施形態の継手金物１１の全体形状は、主桁２と隣接する隅肉溶接用の定着部１１ｂがセグメント周方向に対して最も長く突出し、かつ定着部１１ｂが主桁２の高さ方向の上端側および下端側に分割配置されて偏在している。
【００２５】
これにより、継手金物１１にボルトを密に配列する場合においても、各々の定着部１１ｂの周囲にて主桁２と溶接されることから、溶接延長が大きくとれる一方で隅肉溶接脚長を縮小することが可能である。また、定着部１１ｂが上下に分割配置されていることから、主桁−継手金物間の伝達曲げ耐力の増加を図ることができる。さらに、主桁中央部に空間を確保することで、セグメントリング間を接合するボルト１２と継手金物１１との干渉を回避できる。
【００２６】
なお、主桁と溶接するための定着部は、さらに溶接延長を大きく取るために、主桁の高さ方向に３つ以上の奇数箇所あるいは偶数箇所に設置することもできる。例えば、奇数箇所の場合は、主桁の高さ方向中央部付近に１つの定着部を設け、残りの定着部を主桁高さ方向の上端側および下端側に分配配置してもよい［図示を省略する］。
【００２７】
また、継手金物１１の重量および材料コストの低減を図るため、継手金物１１のボルト挿通部は主桁２から離れるに伴い、セグメント周方向の長さが短くなるように設定するのが好ましい。例えば、図７から図９に示すように、主桁高さ方向の上端側および下端側のボルト挿通部を、直方体を一部切り欠いたような断面Ｌ字状の階段型に形成して、主桁２から離れたボルト挿通部１１ｄの長さを、主桁に近いボルト挿通部１１ｅより短く設定してもよい（すなわち、１１ｄ＜１１ｅ）。
【００２８】
なお、継手金物１１に設けられるボルト孔１１ｃの形状は、現場にて継手金物１１のボルト孔１１ｃへの長ボルト８の挿通作業を容易にするべく、継手板３に面する側に向かってボルト孔径を大きくするラッパ状（截頭円錐形状）に形成してもよい（図９参照）。
【００２９】
図１０から図１２は、本発明の第４実施形態におけるセグメント１の連結部構造を示した図である。第４実施形態の連結部構造は、主桁２の高さ方向に配列された各段のボルト長さＢＬの比が、主桁２における圧縮力作用端から各段ボルトまでの距離Ｌの比になるように設定されたものである。図１０の例では、中央の段に配置されたボルト長さＢＬ１が下段に配置されたボルト長さＢＬ２よりも短く設定されている。
【００３０】
図１２はセグメント継手に曲げモーメントが作用し、継手部が目開きを起こした状態を示している。セグメント継手は、主桁上縁が当接して圧縮力を伝達し、継手ボルトで引張力を伝達する。鋼製セグメントの継手部は目開きに対して剛体変形を起こすため、主桁２の圧縮力作用端から他端に向けての距離に比例して目開き量Ｗを発生することになる。また、継手ボルトの発生応力はボルト８の発生ひずみに比例し、発生ひずみは目開き量Ｗをボルト長さＢＬで除して定義される。ボルト８の最適設計の観点からは、ボルト８に可能な限り等しく応力負担をさせることが望ましい。
【００３１】
そのため第４実施形態では、主桁２の圧縮力作用端から各段ボルトまでの距離Ｌの比と各段のボルト長さＢＬの比とを等しくすること（すなわち、Ｌ１：Ｌ２＝ＢＬ１：ＢＬ２）で、セグメント連結部構造のより合理的な設計を実現した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のセグメントの連結構造では、トンネル周方向の応力は、一方のセグメントの主桁に隅肉溶接された継手金物から、連結ボルトを介して相対する継手金物および主桁に伝達される。したがって、本発明の連結構造では継手金物と主桁との接合部で応力を伝達するため、主桁と継手板との接合部の溶接仕様を簡易化できる。特に、大深度等の条件下では主桁の板厚や高さも大きくなるため、本発明の連結部構造が特に有利である。
【００３３】
また本発明のセグメントの連結部構造では、継手金物と主桁との接合部で応力を伝達し、継手板を応力伝達させるための構造材とはしないので、継手板の板厚も大幅に薄肉化できる。
【００３４】
さらに本発明のセグメントの連結部構造において、継手金物に仮設用ボルト孔および本設用ボルト孔の２つのボルト孔を設けた場合には、例えば、並列な２本のセグメントトンネル間を切り広げて１つのトンネルを構築する場合などにおいて、本設用ボルトに仮設時の応力履歴の影響が及ばないので、ボルト径を小径にできる点で有利となる。
【００３５】
くわえて本発明のセグメント継手構造によって、継手板の板厚の大幅薄肉化、溶接仕様の簡易化が図れ、併設するトンネルセグメント間に鉄筋コンクリート躯体路を構築し、トンネルセグメントと接続する道路トンネル分岐合流部構造などにおいて、曲げが卓越する場合に必要となる高耐力セグメント継手の対応が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるセグメントの斜視図である。
【図２】第１実施形態におけるセグメントの連結構造部分の斜視図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態におけるセグメント連結時の部分平面図であり、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）は第２実施形態におけるセグメントの連結構造部分の斜視図である。（ｂ）は第２実施形態におけるセグメント連結時の部分平面図であり、（ｃ）は（ｂ）図のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】継手金物と主桁を２箇所で溶接するセグメントの連結部の断面図である。
【図６】第３実施形態におけるセグメントの連結部の断面図である。
【図７】第３実施形態におけるセグメントの連結部の平面図である。
【図８】第３実施形態におけるセグメントの連結部の側面図である。
【図９】第３実施形態における継手金物の拡大図である。
【図１０】第４実施形態における連結部の側面図である。
【図１１】第４実施形態におけるセグメントの連結部の平面図である。
【図１２】第４実施形態における連結部の側面図であり、継手が目開いた状態を示す。
【符号の説明】
１　　　セグメント
２　　　主桁
２ａ　　挿通孔
３　　　継手板
３ａ　　挿通孔
４　　　スキンプレート
４ａ　　縦リブ
５　　　鋼殻
６　　　コンクリート
６ａ　　空隙部
７　　　継手金物
７ａ　　ボルト孔
７ｂ　　隅肉溶接部
８　　　連結ボルト
８ａ　　ナット
８ｂ　　仮設ボルト
９　　　継手金物
９ａ　　仮設用ボルト孔
９ｂ　　本設用ボルト孔
９ｃ　　隅肉溶接部
１０　　継手金物
１０ａ　隅肉溶接部
１１　　継手金物
１１ａ　隅肉溶接部
１１ｂ　定着部
１１ｃ　ボルト孔
１１ｄ　ボルト挿通部
１１ｅ　ボルト挿通部
１２　　リング間ボルト
１３　　継手金物
１３ａ　隅肉溶接部
１３ｂ　定着部
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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