(57)【要約】【課題】構造部材にＦＲＰを利用することでセグメント厚の薄肉化や掘削径の縮小を可能とし、特に下水道トンネルにおいてはトンネル内径の縮小化も可能とし、掘削に伴う残土処理量も減少させることで工事費の低減と環境負荷の低減を目的としたシールドトンネル用セグメントを提供する。【解決手段】ＦＲＰとコンクリートでセグメントが構成され、ＦＲＰは、外殻部材、内部部材の両方もしくはいずれか一方に用いられ、外殻部材は、セグメントの外面、内面、側面、前面の少なくともいずれかを形成し、内部部材は、トンネル軸方向もしくは円周方向に対し、Ｉ形、Ｈ形、円形、多角形のいずれかの横断面形状を有することを特徴とするシールドトンネル用セグメント。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰとコンクリートでセグメントが構成され、前記ＦＲＰは、外殻部材、内部部材の両方もしくはいずれか一方に用いられ、前記外殻部材は、セグメントの外面、内面、側面、前面の少なくともいずれかを形成し、前記内部部材は、トンネル軸方向もしくは円周方向に対し、Ｉ形、Ｈ形、円形、多角形のいずれかの横断面形状を有することを特徴とするシールドトンネル用セグメント。
【請求項２】
上記多角形が３〜１２角形の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のシールドトンネル用セグメント。
【請求項３】
前記ＦＲＰ間または前記ＦＲＰ内にコンクリートが充填されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のシールドトンネル用セグメント。
【請求項４】
前記ＦＲＰは、連続繊維からなる強化繊維とマトリックス樹脂で構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のシールドトンネル用セグメント。
【請求項５】
前記強化繊維が、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維、高強度ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維の少なくともいずれかからなる、請求項４に記載のシールドトンネル用セグメント。
【請求項６】
前記マトリックス樹脂が、不飽和ポリエステル、エポキシ、フェノールのいずれかからなる、請求項４または５に記載のシールドトンネル用セグメント。
【請求項７】
前記コンクリートの設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されている、請求項１〜６のいずれかに記載のシールドトンネル用セグメント。
【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、トンネルの壁体となるシールドトンネル用セグメントの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、都市部内に構築する道路トンネル、鉄道トンネルや下水道トンネルを計画する場合、シールド工法が一般的に採用されている。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掘進させながら、シールドマシン後方で掘削したトンネル内面周囲にトンネル壁体となるセグメントを順次組み立ててトンネルを構築する工法である。シールドトンネルの断面形状は一般的には真円形となるが、地下鉄駅ホームや道路トンネルの分岐箇所の構築などの特殊な場合においては、矩形もしくは複数の円形が重なり連なって串団子状の多連円形をとることもある。例えば東京湾横断道路トンネルは真円形のシールドトンネルであり、都営地下鉄六本木駅ホームは、２連円形トンネルである。
【０００３】
セグメントの種類は、鉄筋コンクリート製セグメントを筆頭に鋼製セグメント、鋳鉄製セグメント、外殻を鋼製にしコンクリートを充填して一体化させた複合構造のサンドイッチ型合成セグメントがある。
【０００４】
セグメントは、円周方向に複数に分割（例えば、道路トンネルで内径１１ｍの場合は８分割、下水道トンネルで内径２ｍの場合は３分割）された大きさであり、トンネル進行方向には１〜２ｍ程度の大きさとなる。
【０００５】
トンネルの大きさの決定には、例えば道路トンネルの場合、道路構造例で定められる建築限界（交通車両の支障にならない寸法）を基準に耐熱板や２０〜５０ｃｍ程度の２次覆工コンクリート（補強目的のコンクリート）の厚みとセグメント厚を加えた寸法が掘削径となる。例えば東京湾横断道路トンネルの場合、建築限界で求めた通路部の内径を１１．９ｍとし、２次覆工コンクリート厚３５ｃｍ、セグメント厚６５ｃｍで掘削径が１３．９ｍとなる。また、多連円形の円と円を接合する箇所のウィング型セグメントの場合には、接合部に応力が集中することもあってセグメント厚が２ｍにも及ぶこともある。下水道トンネルの場合、計画通水量を満足できるトンネル内径にセグメント厚を加えた径が掘削径となる。
【０００６】
ところでシールドトンネル工事費には掘削径が非常に重要となる。掘削径は、シールドマシン制作費、トンネルの掘進費、掘削に発生する残土処理費に大きな影響を及ぼす。近年の財政不況に伴って社会資本整備費のコスト縮減が求められる中、シールドトンネル工事も同様に建設コストの削減が課題となる。
【０００７】
また近年では、残土の埋立てなどによる環境負荷を小さくするために各自治体における残土処分に関する条例が厳格化し、容易に埋立てなどの処分ができなくなってきた理由から、残土の排出を少なくすることも課題となる。
【０００８】
上記の点を解決するために、鋼や鉄筋コンクリートより薄くて強度の高いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）をセグメントの外殻部材や内部部材に利用することで、２次覆工省略型でかつ従来セグメントより薄いＦＲＰ合成セグメントが考えられる。特に下水道トンネルにおいて、ＦＲＰをセグメント内面に利用することで通水能力が向上し、その結果トンネル内径が縮小可能となるため、掘削径の縮小化が図れる。
【０００９】
セグメント壁体の一部にＦＲＰを利用するケースとして、シールド工法にてトンネルを構築した後に、そのトンネルとは異なる方向への掘削を開始する場合に、掘削する範囲をＦＲＰ積層体に置き換えることがある（例えば特許文献１）。これは本発明がセグメントの構造部材として、断面Ｉ形や円形等のＦＲＰ内部部材を配置する構成とは異なる。
【特許文献１】特開２００５−６１２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点を鑑み、構造部材にＦＲＰを利用することでセグメント厚の薄肉化や掘削径の縮小を可能とし、特に下水道トンネルにおいてはトンネル内径の縮小化も可能とし、よって掘削に伴う残土処理量を減少させることで工事費の低減と環境負荷の低減を目的としたシールドトンネル用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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るシールドトンネル用セグメントは、ＦＲＰとコンクリートでセグメントが構成され、前記ＦＲＰは、外殻部材、内部部材の両方もしくはいずれか一方に用いられ、前記外殻部材は、セグメントの外面、内面、側面、前面の少なくともいずれかを形成し、前記内部部材は、トンネル軸方向もしくは円周方向に対し、Ｉ形、Ｈ形、円形、多角形のいずれかの横断面形状を有することを特徴とするものからなる。
【００１２】
上記内部部材の多角形形状としては、３〜１２角形の範囲から選択できる。
【００１３】
また、本発明に係るシールドトンネル用セグメントにおいては、上記ＦＲＰ間または上記ＦＲＰ内にコンクリートが充填されていることが好ましい。
【００１４】
上記ＦＲＰとしては、連続繊維からなる強化繊維とマトリックス樹脂で構成されていることが好ましい。
【００１５】
ＦＲＰの強化繊維としては、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維、高強度ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維の少なくともいずれかを用いることができる。マトリックス樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ、フェノールのいずれかを用いることができる。
【００１６】
さらに、上記コンクリートは、その設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シールドトンネル用セグメントの外殻部材、内部部材の両方もしくはいずれかにＦＲＰを用いることによりセグメント厚を従来セグメントよりも薄肉化することができ、それによってシールドトンネル築造にかかる総工事費を削減することができる。また、残土処分量も減少するため、残土処理に伴う環境負荷を小さくすることもできる。特に下水道トンネルにおいては、トンネル内径も縮小化できるため、道路トンネルや鉄道トンネルに比べて工事費の削減効果や環境負荷の減少効果が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の対象となるシールドトンネル用セグメントの一例を示す説明図であり、とくに円形横断面形状のトンネルの場合におけるシールドトンネル用セグメントを示している。図１において、１はシールドトンネルを示しており、２は、トンネル軸方向Ａ（トンネル進行方向）に所定の長さに形成され、トンネル円周方向Ｂに複数に分割されたシールドトンネル用セグメントを示している。
【００１９】
本発明においては、このシールドトンネル用セグメント２が、ＦＲＰとコンクリートで構成され、該ＦＲＰは、外殻部材、内部部材の両方もしくはいずれか一方に用いられ、前記外殻部材は、セグメントの外面、内面、側面、前面の少なくともいずれかを形成し、前記内部部材は、トンネル軸方向もしくは円周方向に対し、Ｉ形、Ｈ形、円形、多角形のいずれかの横断面形状を有するものからなる。また、シールドトンネルセグメントに発生する円周方向の断面力は、土質条件により曲げモーメント卓越型、あるいは軸力卓越型に分かれ、破壊のクライテリアが異なってくる。曲げモーメント卓越型の場合、セグメント内に前記内部部材を入れることで曲げ剛性が増加し、セグメントの曲げ耐力が向上できる。軸力卓越型では、前記内部部材を入れることで、コンクリートの拘束効果が発揮されることでコンクリートの圧縮強度が増加し、セグメントの軸力耐力が向上できる。本発明に係るシールドトンネル用セグメントの代表的な構造例を、図２〜図４に示す。
【００２０】
図２に、紙面手前側を断面表示したシールドトンネル用セグメント２ａの斜視図を示す。図２に示すシールドトンネル用セグメント２ａは、強化繊維として連続炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）３ａと、コンクリート４ａで構成され、ＣＦＲＰ３ａは、円周方向に円弧状に延び、セグメントの外面、内面、側面および／または前面を形成する外殻部材構成部および、セグメントの肉厚内に位置する内部部材構成部からなる、四角形断面（箱型断面）形状部を連接した横断面形状に形成されている。このＣＦＲＰ３ａの各四角形断面形状部内に、コンクリート４ａが充填されている。充填コンクリート４ａは、前述の如く、その設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されている。
【００２１】
図３に示すシールドトンネル用セグメント２ｂは、強化繊維として連続炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）３ｂと、コンクリート４ｂ、４ｄで構成され、ＣＦＲＰ３ｂは、円周方向に円弧状に延び、セグメントの外面、内面、側面および／または前面を形成する外殻部材構成部と、セグメントの肉厚内に位置し、円形断面形状を有し円周方向に延びる複数の円筒形状部を連接した内部部材構成部とを有する横断面形状に形成されている。このＣＦＲＰ３ｂの各円形断面形状部内にコンクリート４ｂが充填され、各円形断面形状部と外殻部材構成部との間に、コンクリート４ｂとは別のコンクリート４ｄが充填されている。充填コンクリート４ｂは、前述の如く、その設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されている。別コンクリート４ｄについても、設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されていることが好ましい。
【００２２】
図４に示すシールドトンネル用セグメント２ｃは、強化繊維として連続炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）３ｃと、コンクリート４ｃで構成され、ＣＦＲＰ３ｃは、円周方向に円弧状に延び、セグメントの外面、内面、側面および／または前面を形成する外殻部材構成部と、セグメントの肉厚内に位置し、Ｉ形断面形状を有し円周方向に延びるＩ形断面形状部を複数、間隔をもってセグメント幅方向に平行に配設した内部部材構成部とを有する横断面形状に形成されている。各Ｉ形断面形状部は、その上下面で外殻部材構成部の内面に接合されている。このＣＦＲＰ３ｃの外殻部材構成部内に、各Ｉ形断面形状部間およびＩ形断面形状部と外殻部材構成部との間を埋めるように、コンクリート４ｃが充填されている。充填コンクリート４ｃは、前述の如く、その設計基準強度が１８Ｎ／ｍｍ2 〜１００Ｎ／ｍｍ2 の範囲に設定されている。
【００２３】
このように構成されたシールドトンネル用セグメント２ａ、２ｂ、２ｃが、図１に示したようにシールド工法による掘削の進行に伴って接合されてされていき、トンネルが順次組み立てられていく。組み立てに用いられる各セグメントは、それらの外面または側面、前面を形成しているＣＦＲＰ同士が接着により接合されていけばよい。
【００２４】
上記のようなシールドトンネル用セグメント２ａ、２ｂ、２ｃにおいては、ＦＲＰ（ＣＦＲＰ）とコンクリートが密着した一体型のセグメントに構成されるので、とくに強度や剛性の高いＦＲＰ（ＣＦＲＰ）により、薄肉でも全体として極めて高い強度、剛性を発現できる。
【００２５】
その結果、セグメント厚を従来セグメントよりも薄肉化することができ、それによってシールドトンネル工事における掘削径を小さくすることができ、シールドマシン制作費、トンネルの掘進費、掘削で発生する残土の処理費の低減が可能になる。また、残土処分量も減少するため、残土処理に伴う環境負荷を小さくすることもできる。
【００２６】
なお、シールドトンネル用セグメントにおけるＦＲＰ部材の横断面形状としては、図２〜図４に示したもの以外にも各種の断面形状を採り得る。例えば、図４のＩ形断面以外に、Ｈ形断面のＦＲＰ内部部材を使用できる。さらには、Ｌ形やＺ形断面形状も採用可能である。また、図２に示した四角形断面以外に、三角形断面（例えば、セグメント内部にＦＲＰ内部部材をトラス状に連接した構造）としたものや、図３に示した円形断面以外に、６角形〜１２角形断面の中空筒状ＦＲＰ内部部材を連接した構造等も採用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、都市部内に構築する道路トンネルや鉄道トンネル、下水道トンネルの築造に用いて好適なものであり、円形断面トンネルに限らず、２連円形トンネルや多連円形トンネル用のシールド工法にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の対象となるシールドトンネル用セグメントの一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例に係るシールドトンネル用セグメントの、紙面手前側を断面表示した斜視図である。
【図３】本発明の別の実施例に係るシールドトンネル用セグメントの、紙面手前側を断面表示した斜視図である。
【図４】本発明のさらに別の実施例に係るシールドトンネル用セグメントの、紙面手前側を断面表示した斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  シールドトンネル
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  シールドトンネル用セグメント
３ａ、３ｂ、３ｃ  ＦＲＰ（ＣＦＲＰ）
４ａ、４ｂ、４ｃ  コンクリート
４ｄ  別コンクリート
Ａ  トンネル軸方向
Ｂ  トンネル円周方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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