(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂版、底版、および左右の側壁を有し、トンネル周方向には、複数のコンクリート製のセグメントが連結されてなる矩形断面シールドトンネルにおいて、トンネル軸方向と直角な断面における外周面側を隅角部のみが弧状の矩形断面とし、内周面側を変曲点のない弧状の曲線からなる断面形状とし、前記頂版、底版、および前記左右の側壁の中央部の部材厚が前記隅角部の部材厚より小さくなるようにし、前記各セグメントは部材厚をトンネル周方向に連続的に変化させてあることを特徴とする矩形断面シールドトンネル。
【請求項２】
頂版、底版、左右の側壁、および前記頂版と底版をつなぐ中柱または中壁を有し、トンネル周方向には、複数のコンクリート製のセグメントが連結されてなる矩形断面シールドトンネルにおいて、トンネル軸方向と直角な断面における外周面側を隅角部のみが弧状の矩形断面とし、内周面側を少なくとも前記中柱または中壁との接合部以外には変曲点のない弧状の曲線からなる断面形状とし、前記頂版および底版の前記中柱または中壁と前記左右の側壁との中央部、および前記左右の側壁の中央部の部材厚が前記隅角部の部材厚より小さくなるようにし、前記中柱または中壁との接合部を除き、前記各セグメントは部材厚をトンネル周方向に連続的に変化させてあることを特徴とする矩形断面シールドトンネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は断面形状がほぼ矩形となる矩形断面シールドトンネルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールドトンネルの断面形状としては、円形、楕円形、馬蹄形、矩形等の形状があり、トンネルの使用目的や施工上の各種制約（技術面での制約、経済面での制約、施工スペースや法令上の制約等）に応じて形状を決定している。
【０００３】
すなわち、これらは一長一短があり、設計条件、地盤条件等により安全かつ安価に施工できる形状が選定されている。このうち、矩形断面シールドトンネルは、円形断面よりも占有面積、占有幅、掘削断面積が小さくなるといったメリットから選択される場合が多い。
【０００４】
例えば、特許文献１、２には、１リングが複数のセグメントで構成される矩形断面シールドトンネルの典型的な形態が示されており、トンネル軸方向と直角な断面については、頂版、底版、左右の側壁が一定の厚さの直線状に形成されている。また、このような矩形断面シールドトンネルでは、隅角部については応力集中を避けるため、円弧状とする場合が多い。
【０００５】
また、特許文献３、４には、矩形断面シールドトンネルの頂版、底版、および左右の側壁を一定の厚さの弓形状に形成したものが記載されており、円形断面よりも占有面積、占有幅、掘削断面積が小さくなるといった矩形断面の利点を生かしつつ、アーチ構造の力学特性を与えることで強度の向上、板厚の薄肉化を図っている。
【０００６】
その他、特殊な形態としては、本願の出願人による特許文献５記載の発明があり、内向きのリブを有するコンクリートセグメントのトンネル内周面側に緊張材を配置して、プレストレスを導入している。
【特許文献１】特開平０５−２４８１９１号公報
【特許文献２】特開平０６−１４６７９６号公報
【特許文献３】特公平０８−０１９８３０号公報
【特許文献４】実公平０８−００９２７６号公報
【特許文献５】特開２００１−００３６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２に示すような隅角部が直角形状である所謂ボックス型の形状の矩形断面シールドトンネル２１の場合、前述したように隅角部に応力集中が生じるため、例えば図３に示すように隅角部に円弧形状を用いた断面の矩形断面シールドトンネル３１として、隅角部の応力集中を緩和している。
【０００８】
また、矩形断面シールドトンネルでは、高剛性のセグメントを用いない限り、断面中央に中柱または中壁２５，３５を設けることが一般的であり、この中柱または中壁２５，３５の取付部分の部材には大きなせん断力が作用する。ただし、断面における高さに比べ幅が同程度あるいは小さい場合は中柱や中壁を設けない場合もある。
【０００９】
さらに、通常のトンネルにおいてセグメントリングを構成するセグメントは厚さがリング内で一定である。しかし、矩形断面シールドトンネルにおいて、頂版部、側壁部に関して、外径側、内径側ともに直線で構成された一定厚さの部材とした場合、曲げモーメントが卓越し、応力的に厳しくなる。
【００１０】
したがって、従来の部材厚が一定の矩形断面シールドトンネルでは、部材が応力的にもたないときには、外径を増加させて応力的にもつ部材厚とする必要があった。これは必然的に掘削断面積を増加させ、コストアップにつながる。
【００１１】
前述した特許文献３、４に記載されたものは、実質的には円形断面のシールドトンネルと矩形断面シールドトンネルの中間の形態のものであり、両者の利点を併せ持つように考えられたものであるが、中間の形態であるため、通常の矩形断面シールドトンネルに比べると占有面積、占有幅、掘削断面積がかなり大きくならざるを得ず、一方、構造的安定性の面では円形断面に劣るものであり、シールドトンネルの形状の選択におけるバリエーションの一つを与えているに過ぎない。
【００１２】
本願発明は上述のような従来の矩形断面シールドトンネルにおける課題の解決を図ったものであり、外周面については矩形断面シールドトンネルの基本形態を維持することで、占有幅、掘削断面積が小さくなるといった矩形断面の利点を生かし、施工機械についても基本的には矩形断面シールド用の機械が利用できるようにしつつ、断面力のうち曲げを小さくして周方向の軸力が効く構造とすることで、断面全体としての平均的な部材厚を低減し、経済性にも優れたトンネル構造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】
【００１３】
本願の請求項１に係る発明は、頂版、底版、および左右の側壁を有し、トンネル周方向には、複数のコンクリート製のセグメントが連結されてなる矩形断面シールドトンネルにおいて、トンネル軸方向と直角な断面における外周面側を隅角部のみが弧状の矩形断面とし、内周面側を変曲点のない弧状の曲線からなる断面形状とし、前記頂版、底版、および前記左右の側壁の中央部の部材厚が前記隅角部の部材厚より小さくなるようにし、前記各セグメントは部材厚をトンネル周方向に連続的に変化させてあることを特徴とするものである。
【００１４】
外周面側の形状については、従来の隅角部における応力集中を低減するために、隅角部のみ弧状（円弧を含む）としたものと同様である。
【００１５】
内周面側の形状については、従来のようにトンネルの部材厚を一定とするのではなく、内側の断面に曲率を設けることで断面内での周方向の軸力の伝達を優先し、部材厚の変化を許容している。
【００１６】
具体的には、内周面側を変曲点のない弧状の曲線からなる断面形状としたものであり、変曲点のない弧状の曲線というのは、曲率の異なる複数の円弧の組合せの場合や、曲率が連続的に変化する曲線、あるいはこれらの組合せなどを含む。また、変曲点がないことは、必然的にこのような曲線において急激な曲率の変化がなく、大きな応力集中が生じないことを意味するが、曲率変化が連続するか、あるいは不連続である場合でも曲率変化が小さいことが望ましい。
【００１７】
なお、トンネルを構成する部材としてのセグメント等の製作面からは、曲率の異なる複数の円弧の組合せとするのが、製作上、容易である。
【００１８】
頂版、底版、および左右の側壁の中央部の部材厚が隅角部の部材厚より小さくなるようにしたのは、矩形断面では隅角部に応力が集中しやすいため、隅角部の部材厚は大きくした状態で、頂版、底版、および左右の側壁の中央部の部材厚が小さくなるようにしたものである。
【００１９】
このような構成とすれば、トンネル周方向の軸力の伝達により、頂版、底版、および左右の側壁の曲げモーメントの負担が小さくなり、これまで作用する曲げモーメントの大きさで部材厚が決まっていた頂版、底版、側壁の部分が力学的に楽になり、必要部材厚を薄くすることができる。
【００２１】
本願発明は、特に圧縮耐力が大きく、引張力あるいは曲げ引張力に弱いコンクリートセグメントを用いた矩形断面シールドトンネルにおいて、その効果が大きい。なお、コンクリート製のセグメントには、鉄筋コンクリートセグメント、繊維補強コンクリートセグメント、プレストレストコンクリートセグメント等も含まれる。
【００２２】
セグメントどうしの継手については特に限定されず、従来のコンクリート製セグメントに用いられている各種の継手が適用可能である。
【００２３】
請求項２に係る発明は、頂版、底版、左右の側壁、および前記頂版と底版をつなぐ中柱または中壁を有し、トンネル周方向には、複数のコンクリート製のセグメントが連結されてなる矩形断面シールドトンネルにおいて、トンネル軸方向と直角な断面における外周面側を隅角部のみが弧状の矩形断面とし、内周面側を少なくとも前記中柱または中壁との接合部以外には変曲点のない弧状の曲線からなる断面形状とし、前記頂版および底版の前記中柱または中壁と前記左右の側壁との中央部、および前記左右の側壁の中央部の部材厚が前記隅角部の部材厚より小さくなるようにし、前記中柱または中壁との接合部を除き、前記各セグメントは部材厚をトンネル周方向に連続的に変化させてあることを特徴とするものである。
【００２４】
前述のように、矩形断面シールドトンネルでは、中柱もしくは中壁を設けることが一般的であり、請求項２はそのような中柱または中壁を有する矩形断面シールドトンネルについて規定したものである。
【００２５】
発明としての基本的な思想は請求項１に係る発明と同じであるが、鉛直方向の軸力が生ずる中柱または中壁位置との接合部については、変曲点のない形で弧状の曲線を連続させることができないため、この部分を例外としている。
【００２７】
また、中柱または中壁との接合部を例外として、セグメントの部材厚をトンネル周方向に連続的に変化させている。
【発明の効果】
【００２８】
本願発明では、外周面側については従来の矩形断面シールドトンネルと同様の形状を維持することで、矩形断面シールドトンネルの利点を損うことなく、内周面側を弧状の曲線の組合せとすることで、頂版部や側壁部も軸力の流れがスムーズとなり、設計的には曲げ卓越から軸力卓越となり、トンネル全体として部材厚を抑えることができる。
【００２９】
したがって、より経済的な設計が可能となる。
【００３０】
また、施工性においては、掘削断面形状は従来の矩形断面シールドトンネルと特に変わらないため、従来の施工機械をほぼそのまま利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本願発明の具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本願の請求項２に係る矩形断面シールドトンネルの一実施形態を示したものである。本実施形態において、矩形断面シールドトンネル１は、頂版２、底版３、左右の側壁４、および頂版２と底版３をつなぐ中柱または中壁５からなる。
【００３３】
この例で、矩形断面シールドトンネル１の外周面側は、隅角部６だけが応力集中を緩和するため曲率半径がｒ5 の円弧とし、それ以外の部分は直線としている。
【００３４】
また、矩形断面シールドトンネル１の内周面側は、中柱または中壁５部分との接合部７を除き、この例では曲率半径がｒ1 〜ｒ4 の４種類の円弧を組み合わせて構成している。なお、隅角部６については、部材厚を均等としている従来の矩形断面シールドトンネルの場合、曲率中心が一致するが、この例では、外周面側の円弧と内周面側の円弧の曲率中心がずれている（ｒ3 に対する中心がｒ5 に対する中心より遠くなっている）。
【００３５】
そのため、頂版２および底版３と中柱または中壁５との接合部７を除くと、隅角部６の部材厚が最も大きく、左右の側壁４の中央部や頂版２、底版３の中間部分（左右の側壁４と中柱または中壁５との中央部）の部材厚が薄くなっている。
【００３６】
これは、前述した従来の図３のような部材厚が一定のものでは、地山からの土圧や水圧等によってシールドトンネルの構成部材に作用する曲げモーメントの影響が大きいのに対し、内周面側について連続する弧状の曲線形態によってトンネル周方向の軸力の伝達がスムーズになるようにし、シールドトンネルの構成部材に作用する曲げモーメントの低減を図ったものである。
【００３７】
なお、軸力の伝達に関しては中柱または中壁５を挟んだ左右の部分でそれぞれ円周に近い軸力の伝達経路を形成しており、中柱または中壁５は、通常、他の部分より強度の大きい部材を用いているため、この例では中柱または中壁５については直線部材としているが、これらについても曲線を含む形状とすることも考えられる。
【００３８】
図４および図５は、それぞれ従来例である図３の矩形断面シールドトンネル３１および図１の矩形断面シールドトンネル１に生ずる力および変形を比較して示したものである。
【００３９】
軸力図については、部材厚が一定の図４(a) （従来例）に比べ、図５(a) （本願発明）では部材厚の大きい部分での軸力が大きく、部材厚の小さい部分での軸力が小さくなっている。
【００４０】
曲げモーメント図については、図４(b) （従来例）で、頂版および底版における左右の側壁と中柱または中壁との中央部で大きな値となっているのに対し、図５(b) （本願発明）では対応する部分の曲げモーメントが大幅に低減している。この関係は、変形図（図４(d) 、図５(d) ）についても同様である。
【００４１】
せん断力図については、両者で特に大きな差は見られなかった（図４(c) 、図５(c) ）。
【００４２】
これらから、本願発明の実施形態である図１の構造は、図３の部材厚が一定の矩形断面シールドトンネルに比べ、構造的に有利であることが分かる。特に、頂版２および底版３における左右の側壁４と中柱または中壁５との中央部と、側壁４の中央部について部材厚を減少させても、その部分の曲げモーメントや変形が小さいことから、これらの部分の部材厚を隅角部６の部材厚を薄くすることで、より合理的な矩形断面シールドトンネルの構造が得られる。
【実施例２】
【００４３】
図６は、中柱または中壁５がある場合のセグメント分割例を示したもので、この例では１ａ〜１ｅの５種類のセグメントを２つずつ組み合わせて１つのリングを構成するようにしているが、リングを構成する全てのセグメントの形状が異なる場合や、一部のセグメントのみ同種のものを複数用いる場合など、種々の組合せが考えられる。
【００４４】
具体的な数値例を挙げると、例えば矩形断面シールドの外周面側における高さＨ＝６８６５ｍｍ、幅Ｂ＝１０５３８ｍｍとして、図６のａ＝９１８ｍｍ、ｂ＝３５０ｍｍ、ｃ＝３９１ｍｍ、ｄ＝３９９．４ｍｍ、ｅ＝４０８．１ｍｍ、ｆ＝４１６．６ｍｍ、ｇ＝３６２．８ｍｍ、ｈ＝３５０ｍｍ、ｉ＝４０３．３ｍｍ、ｊ＝３５０ｍｍといった設計が考えられる。
【実施例３】
【００４５】
図７は、本願の請求項１に係る矩形断面シールドトンネルの一実施形態におけるセグメントの配置例を示したもので、図６のものと比べ中柱あるいは中壁がないため、頂版１２、底版１３、左右の側壁１４からなり、外周面側については隅角部１６のみ円弧とした単純な形態となっている。
【００４６】
この例では、矩形断面シールドトンネル１１の内周面側については、異なる曲率の複数の円弧を組み合わせているが、完全な円弧ではなく、曲率が徐々に変わる弧状の曲線を連続させてもよい。
【００４７】
この場合も、隅角部１６で部材厚が大きく、それらの中間で部材厚が小さくなっている。
【００４８】
また、矩形断面シールドトンネル１１を構成するセグメントについては、１１ａ〜１１ｄの４種類のセグメントを２つずつ組み合わせて１つのリングを構成しているが、リングを構成する全てのセグメントの形状が異なる場合や、一部のセグメントのみ同種のものを複数用いる場合など、種々の組合せが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本願の請求項２に係る矩形断面シールドトンネルの一実施形態を示すトンネル軸方向と直角な断面図である。
【図２】従来の矩形断面シールドトンネルの一例を示すトンネル軸方向と直角な断面図である。
【図３】従来の隅角部を円弧状とした矩形断面シールドトンネルの一例を示すトンネル軸方向と直角な断面図である。
【図４】従来例である図３の矩形断面シールドトンネルに生ずる力および変形を示したもので、(a) は軸力図、(b) は曲げモーメント図、(c) はせん断力図、(d) は変形図である。
【図５】本願の請求項２に係る発明の一実施形態である図１の矩形断面シールドトンネルに生ずる力および変形を示したもので、(a) は軸力図、(b) は曲げモーメント図、(c) はせん断力図、(d) は変形図である。
【図６】本願の請求項２に係る矩形断面シールドトンネルの他の実施形態における各部の部材厚とセグメントの配置例を示すトンネル軸方向と直角な断面図である。
【図７】本願の請求項１に係る矩形断面シールドトンネルの一実施形態におけるセグメントの配置例を示すトンネル軸方向と直角な断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…矩形断面シールドトンネル（本願発明）、１ａ〜１ｅ…セグメント、２…頂版、３…底版、４…側壁、５…中柱または中壁、６…隅角部、７…頂版または底版と中柱または中壁との接合部、
１１…矩形断面シールドトンネル（本願発明）、１１ａ〜１１ｄ…セグメント、
２１，３１…矩形断面シールドトンネル（従来例）
【図１】
0004637465.tif 000002
【図２】
0004637465.tif 000003
【図３】
0004637465.tif 000004
【図４】
0004637465.tif 000005
【図５】
0004637465.tif 000006
【図６】
0004637465.tif 000007
【図７】
0004637465.tif 000008