(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に係止突起を有する係止部材を一方のセグメントの側面に固定して雄側係合部材を構成し、
他方のセグメントの側面に固定したスライドストッパー保持フレームと、この保持フレームによりトンネル半径方向に可動的に支持され、かつ前記係止部材の進入部を閉じる方向にばね付勢されており、前記係止突起を係止できる一対のスライドストッパーとから雌側係合部材を構成したセグメントの耐震継手構造であって、
継手部に引張力が作用する時に圧縮力が発生する側となる前記保持フレームとスライドストッパーの間に弾性体を設置し、更に、前記雌側係合部材には、前記一対のスライドストッパーの両方に亘って配置され、かつ前記スライドストッパーの係止部材接触面を係止部材と対向する状態に拘束してなるスライドストッパー回転防止手段を有し、
当該回転防止手段が、前記スライドストッパーの幅より若干幅広でかつ前記スライドストッパーの可動方向に延長する空隙部を有するガイドフレームを設け、前記一対のスライドストッパーの両方を前記空隙部に挿通してなる手段、又は、前記スライドストッパーの可動方向に沿って前記一対のスライドストッパーの両方を貫通してなる棒状のガイド材を設ける手段で構成したことを特徴とする耐震継手構造。
【請求項２】
前記弾性体として、繊維補強ゴムまたはエポキシ樹脂を用いたことを特徴とする請求項１記載の耐震継手構造。
【請求項３】
前記弾性体とスライドストッパーの間に薄鋼板を設置して構成したことを特徴とする請求項１または２記載の耐震継手構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の耐震継手構造を用いてなるトンネルセグメントピース。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドトンネルの覆工用セグメントの継手構造に関し、主として、セグメントリング間の継手部、特に、トンネル軸方向の耐震性を向上させ、地震時にセグメントリング間に作用する引張力を低減することが可能となるセグメントリング間の耐震継手構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シールドトンネルを掘進する際に使用する覆工用セグメントの継手構造の優れた先行例として、特開平１１−１０１０９３号が知られている。
【０００３】
特開平１１−１０１０９３号は、図１２に示すように、トンネル軸方向に相対するセグメント１、２の一方の側面１１に設けた雄側係合部材６における係止部材３を、他方の側面１０に設けた雌側係合部材５における、ばね付勢された対をなすスライドストッパー１２を押し開いて進入させるものである。スライドストッパー１２は、雌側係合部材５におけるスライドストッパー保持フレーム２０のガイド孔１８内でトンネル半径方向に可動自由に保持されている。
【０００４】
この先行発明は、セグメントのボルトレス方式の嵌合継手部において、施工時のリング間のトンネル半径方向の位置ずれの場合の不適応性の問題を解決している。すなわち、この先行発明によると、トンネル半径方向のセグメント間の位置決め連結が容易に行われ、かつ、トンネル軸方向の大きな引張力に対してセグメントリングの連続性を確保できる嵌合継手構造であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１２に示す従来の継手構造では、リング間に引張力が作用したとき、継手部で最も大きな引張力を受けるところの、係止部材３、スライドストッパー保持フレーム２０、スライドストッパー１２の各部材が全て鋼材によって構成されているため、次の問題が残されていた。すなわち、これらの各部材は、大きな引張力に耐える必要から剛性を有する鋼材で構成されており、必然的な構成であるが、他方では、全て鋼材によって構成されているが故に、地震力で各部材が降伏し易い構造であり、地震後の連結機能に不具合が生じ易い構造であった。
【０００６】
前記の継手構造において、地震力により前記の各部材が降伏するのを防止するためには、図１２における係止部材３、スライドストッパー保持フレーム２０、スライドストッパー１２の各部材が、地震時も降伏荷重以下であるように地震により継手部に発生する引張力を制御することが必要である。
【０００７】
本発明は、この知見にもとづき、前記の課題を解決した耐震継手構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は次のように構成する。
【０００９】
第１の発明は、先端に係止突起を有する係止部材を一方のセグメントの側面に固定して雄側係合部材を構成し、他方のセグメントの側面に固定したスライドストッパー保持フレームと、この保持フレームによりトンネル半径方向に可動的に支持され、かつ前記係止部材の進入部を閉じる方向にばね付勢されており、前記係止突起を係止できる一対のスライドストッパーとから雌側係合部材を構成したセグメントの耐震継手構造であって、継手部に引張力が作用する時に圧縮力が発生する側となる前記保持フレームとスライドストッパーの間に弾性体を設置し、更に、前記雌側係合部材には、前記一対のスライドストッパーの両方に亘って配置され、かつ前記スライドストッパーの係止部材接触面を係止部材と対向する状態に拘束してなるスライドストッパー回転防止手段を有し、当該回転防止手段が、前記スライドストッパーの幅より若干幅広でかつ前記スライドストッパーの可動方向に延長する空隙部を有するガイドフレームを設け、前記一対のスライドストッパーの両方を前記空隙部に挿通してなる手段、又は、前記スライドストッパーの可動方向に沿って前記一対のスライドストッパーの両方を貫通してなる棒状のガイド材を設ける手段で構成したことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明の弾性体として、繊維補強ゴムまたはエポキシ樹脂を用いたことを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、弾性体とスライドストッパーの間に薄鋼板を設置して構成したことを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３の発明の耐震継手構造を用いてなるトンネルセグメントピースである。
【００１３】
【作用】
本発明によると、嵌合（ボルトレス）方式のセグメントの継手部において、引張力が作用する時に圧縮力が発生する側となる保持フレームとスライドストッパーの間に弾性体を組み込んだことにより、地震時、継手部の主要素を構成する前記保持フレームとスライドストッパーと係止部材とを、地震時も降伏荷重以下であるように、地震により継手部に発生する引張力を制御することができ、地震力で各部材が降伏するおそれを無くして、地震後の連結機能に不具合が生じない構造となる。
【００１４】
また大地震時において継手部に大きな引張力が作用する場合には、スライドストッパーが回転して弾性体と部分的にしか接触せず、弾性体が十分に機能しない場合がありうる。そこで、スライドストッパー回転防止手段を雌側係合部材に設けることで、地震により継手部に発生する引張力をより有効に制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐震継手構造の実施形態を図を参照して説明する。
【００１６】
＜参考形態＞
図１（Ａ）は、本発明の主要部の概要側面図、同（Ｂ）は、概要正面図、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１の継手構造の主要素における雄側係合部材と雌側係合部材の第１、第２、第３の連結工程図、図３は、図１（Ａ）におけるａ−ａ断面図、図４は、図１（Ｂ）におけるｂ−ｂ断面図、図５は、通常の継手構造の引張試験結果をグラフで示す図、図６は、本発明に用いる弾性ゴムの設計値をグラフで示す図、図７は、耐震継手の引張剛性計算値をグラフで示す図である。
【００１７】
図３によって、本発明の耐震継手構造をトンネルセグメントに実施した断面構造を説明する。同図において、連結すべきセグメント１、２が鋼殻８と、その中に充填されたコンクリート９で構成され、一方のセグメント２の鋼殻８におけるトンネル軸方向の一側面（ウエブ）１１に、雄側係合部材６が設けられており、他方のセグメント１の鋼殻８におけるトンネル軸方向の一側面（ウエブ）１０に、雌側係合部材５におけるスライドストッパー保持フレーム２０の一側面が溶接により固着されている。
【００１８】
図１〜図３によってさらに説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）において、矢印Ｄがトンネル軸方向、矢印Ｅがトンネル半径方向、矢印Ｆがトンネル円周方向である。各図において、雄側係合部材６は、先端にトンネル半径方向に突出した係止突起４を有する係止部材３を、一方のセグメント２のトンネル軸方向の一側面１１に溶接して構成されている。雌側係合部材５は、他方のセグメント１のトンネル軸方向の一側面１０に溶接された一対のスライドストッパー保持フレーム２０と、この保持フレーム２０によってトンネル半径方向に可動的に保持された一対のスライドストッパー１２とで構成される。一対のスライドストッパー保持フレーム２０は、所定の幅と、長さと、厚みを有する金属の板状体で構成され、板状体にはトンネル半径方向に長い２つのガイド孔１８がトンネル円周方向に開設されている。このスライドストッパー保持フレーム２０の一側面は、他方のセグメント１のトンネル軸方向の一側面１０に溶接で固定されている。
【００１９】
一対のスライドストッパー１２は角軸状で、かつ、両ストッパーの対向面には、係止部材３の進入側が拡開したテーパ面１２Ａが付形してある。また、スライドストッパー１２は、ガイド孔１８内において、ガタつかないでトンネル半径方向に可動自由に設けられている。左右のスライドストッパー保持フレーム２０の上下端部の間に架設され、かつ固定ボルト２１によって固定した連結フレーム２８とスライドストッパー１２との間には、一対のスライドストッパー１２の間が近づく方向に付勢するばね７が配設されている。
【００２０】
したがって、リング間を連結するに際し、トンネル軸方向に相対するセグメント１、２間にトンネル半径方向の偏心が０のときや、若干の偏心があるときのいずれのときも、両セグメント１、２をトンネル軸方向に移動して接近させることにより、係止部材３はテーパ面１２ａをガイドとして、一対のスライドストッパー１２の間をばね７の弾発力に抗して押し拡げながら進入し、係止突起４がスライドストッパー１２に係合した後は抜け出さない。
【００２１】
つまり、セグメント１、２間にトンネル半径方向の偏心がある場合、雌側係合部材５と雄側係合部材６（つまり係止部材３）がトンネル半径方向に相対的にずれる。それに伴って、係止部材３を受け入れる一対のスライドストッパー１２がトンネル半径方向の内外側に変位するが、各スライドストッパー１２は、一対のばね７のそれぞれの付勢力で係止部材３の変位に容易に追従でき、ガイド孔１８内において、トンネル半径方向に変位した位置で係止部材３の係止突起４と機械的かつ整合的に係合する。つまり、このときの両部材（つまり、スライドストッパー１２と係止部材３）の係合姿勢は、セグメント１、２の偏心が０のときの正常な係合姿勢と全く同じである。
【００２２】
また、相対するセグメント１、２間が円周方向に位置ずれしたままで連結する場合も、係止部材３の両側面と、一対のスライドストッパー保持フレーム２０との間に所定の間隙１９を形成あるので、セグメント１、２のトンネル円周方向のずれに対応して、係止部材３が左右のスライドストッパー保持フレーム２０の中間位置より左右いずれかの側に片寄った位置で、一対のスライドストッパー１２の間に進入し、かつスライドストッパー１２に機械的かつ整合的に係止する。このとき、両部材（つまり、スライドストッパー１２と係止部材３）の係合姿勢は、セグメント１、２のトンネル円周方向の変位が０のときの正常な係合姿勢と全く同じである。なお、図３において、雌側係合部材５と雄側係合部材６が係合したとき、セグメント本体の各嵌込突条１６が各嵌込凹部１４に嵌合される。
【００２３】
合成セグメントの前記嵌合方式（つまりボルトレス）のリング間継手構造は公知であり、この継手構造において、地震時に発生するトンネル軸方向の変形により、リング間継手には引張力が発生する。
【００２４】
本発明は、この引張力によりリング間継手に損傷が発生することを防止することで耐震構造化を図るものであり、本発明の構造的特徴は、継手部に引張力が作用する時に、圧縮力が発生する側となる保持フレーム２０の内面２０ａとスライドストッパー１２の間に弾性体３４を設置したことである。
【００２５】
より具体的に説明すると、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す位置に、合計４個の弾性ゴム等からなる弾性体３４を設置することで、リング間継手と弾性ゴムを直列ばねとすることを可能とし、これにより、耐震継手の引張剛性を安定して低下でき、継手に発生する引張力を制御することを可能としたことである。
【００２６】
さらに説明すると、前記の継手構造において、地震時に継手部に発生する変位は、耐震設計計算により算定されるので、設計用の変位が作用した場合に継手部に作用する引張力が、係止部材３、スライドストッパー保持フレーム２０、スライドストッパー１２の各部材が降伏力以下となるように弾性体を設計すればよく、本発明はこの観点から、保持フレーム２０とスライドストッパー１２の間に弾性体３４を設置し、リング間継手の剛性低下を図っている。
【００２７】
このように、保持フレーム２０とスライドストッパー１２の間に弾性体３４を設置すれば、係止部材３、スライドストッパー保持フレーム２０、スライドストッパー１２の仕様により決定される継手ばねと、弾性体３４のばねは直列配置となるので、継手ばねの剛性をＫｊ、弾性体３４の剛性をＫｅとすれば、本発明の耐震継手のばね剛性Ｋは、１／Ｋ＝１／Ｋｊ＋１／Ｋｅにより算定される。
【００２８】
また、耐震設計計算により算定された継手部の変位をδとすれば継手部に発生する引張力Ｐは、Ｐ＝Ｋ×δにより算定できる。このようにして算定した地震時の継手の引張力Ｐが、係止部材３、スライドストッパー保持フレーム２０、スライドストッパー１２のそれぞれの降伏力よりも小さければ、地震後においても継手の性能低下を防止することが可能となる。
【００２９】
そして、前記の計算によって算定した弾性体３４の剛性が実現可能となるように、弾性体の厚さ、および材質を設計して用いればよい。
【００３０】
しかし、スライドストッパー１２と弾性体３４の剛性が直接接する場合には、地震時に発生する引張力によりスライドストッパー１２が弾性体３４に押付けられると、当該弾性体３４に局部的な変形が発生し、期待した性能が得られない場合があるので、スライドストッパー１２と弾性体３４の間に２ｍｍ〜２０ｍｍ程度で所要の厚みを有する薄鋼板３５を設置し、弾性体３４の局所的な変形を制御することが有効な方法である。
【００３１】
薄鋼板３５の効果は、弾性体３４の局所変形を防止するのみでなく、最初に継手が係合されるときのスライドストッパーの動作を円滑にする効果も有している。
【００３２】
弾性体３４としては、所要の剛性を実現可能な材料であれば、任意に選択することが可能であるが、剛性および耐久性を考慮すると、繊維補強を施した積層ゴムまたはエポキシ樹脂などが実用的である。
【００３３】
図５は、従来の通常のリング間継手の引張試験結果をグラフで示す図、図６は、繊維補強を施した積層ゴムからなる弾性体４個分の圧縮剛性の設計値である。また、図７は、本発明に係る耐震継手の引張剛性の計算値を示す。すなわち図７は、保持フレーム２０とスライドストッパー１２が接触する４個所に弾性体３４として７ｍｍ厚の積層ゴムと、３ｍｍ厚の薄鋼板を組み合わせたものを設置した耐震継手について引張試験を行った結果である。図５〜図７において、点線（イ）は継手部の変位が３ｍｍの場合、実線（ロ）は、５ｍｍ変位の場合の引張荷重（ｋＮ）とリング継手の伸び（ｍｍ）の変化の基準値を示す。また、図５において、曲線（ハ）は、弾性体のない継手単体の試験結果を示し、図６における直線（ニ）は、弾性体の設計値を示し、図７における曲線（ホ）は、弾性体を用いた耐震継手の引張剛性の計算値を示す。
【００３４】
下記の表１に継手部の変位が３ｍｍおよび５ｍｍの場合におけるリング間継手（実験値）と耐震継手（設計値）の引張剛性を示す。
【００３５】
【表１】
0003914779.tif 000002
【００３６】
各図に示すグラフおよび、表１から、図１に示す位置に合計４個の弾性ゴムからなる弾性体を設置することで、リング間継手と弾性ゴムを直列ばねとすることが可能となり、耐震継手の引張剛性を安定して低下できることが分かる。すなわち、保持フレーム２０とスライドストッパー１２の間に弾性体３４を設置した本発明の継手構造による計算値を示す図７と、従来構造による試験結果を示す図６を比較すると分かるとおり、継手部に発生する変位が同じ場合には、耐震継手に発生する引張力は、従来の継手に発生する引張力の１／２〜１／３程度に低減することが可能である。
【００３７】
なお、本発明において、スライドストッパー１２と係止部材３の係止突起４との間に弾性体を設置して、地震時に発生する引張力を低減する方法も考えられるが、スライドストッパー１２と係止部材３との位置関係によって引張力の低減効果にばらつきがあり、安定した性能を確保することが難しいので、本発明による弾性体３４の設置位置が好ましい。
【００３８】
＜第１実施形態＞
また図８から図９は、本発明の第１実施形態におけるスライドストッパー回転防止手段付の耐震継手構造を示した図である。第１実施形態は、参考形態の耐震継手構造の両側から空隙部３７ａを有するガイドフレーム３７をスライドストッパー１２に取り付けて構成される。ガイドフレーム３７は、スライドストッパー１２の外側に押さえピン３９を挿通することでスライドストッパー３７から脱落しないように固定されている。なお、以下の実施形態において上記した参考形態と同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図９に示すように、第１実施形態のガイドフレーム３７には、スライドストッパー１２を挿通可能な直線状のガイド長孔３７ａ（空隙部）が上下に２つ開口されている。ガイド長孔３７ａの幅はスライドストッパー１２の幅より若干幅広に設定されている。またガイド長孔３７ａの長さは、少なくとも雄側係合部材６が挿入できるまでスライドストッパー１２をトンネル半径方向へ移動できる長さに設定されている。なお、ガイド長孔３７ａを上下一体の１つのガイド長孔としてもよく、またガイドフレーム３７をＨ形状あるいはコ字状に形成して空隙部の一部を開放する形状としてもよい［図示を省略する］。
【００４０】
上記の構成により、一対のスライドストッパー１２はガイド長孔３７ａに沿ってトンネル半径方向に移動可能である一方で、各スライドストッパー１２は係止部材３との接触面が係止部材３と対向する状態に拘束される。したがって、雄側係合部材６の引張によるスライドストッパー１２の回転が防止される。
【００４１】
＜第２実施形態＞
また図１０から図１１は、本発明の第２実施形態におけるスライドストッパー回転防止手段付の耐震継手構造を示した図である。第２実施形態は、参考形態の耐震継手構造のスライドストッパー１２の両端に、スライドストッパー１２の可動方向に沿ってスライドストッパー１２を貫通してなる棒状のガイド材３８を設けたものである。ガイド材３８の上下端には押さえピン３９が挿通されており、スライドストッパー１２からガイド材３８が脱落しないように固定されている。この構成によっても、一対のスライドストッパー１２はトンネル半径方向に移動可能である一方で、各スライドストッパー１２は係止部材３との接触面が係止部材３と対向する状態に拘束される。したがって、雄側係合部材６の引張によるスライドストッパー１２の回転が防止される。なお、ガイド材３８は、例えば、円柱状、角柱状、円筒状などの任意の形状としてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の耐震継手構造は、地震時に圧縮力が作用する側の保持フレームとスライドストッパーの間に弾性体を設置することにより、地震時に継手に発生する引張力を、継手を構成する各部材の降伏力以下に抑制することが可能となり、継手部が地震時に損傷を受けるのを防止し、地震終了後も地震以前と同様の継手部性能を発揮することが可能となった。スライドストッパーと弾性体の間に薄鋼板を配置することで、前記の効果がより一層確実となる。
【００４３】
また大地震時において継手部に大きな引張力が作用する場合には、スライドストッパーが回転して弾性体と部分的にしか接触せず、弾性体が十分に機能しない場合がありうる。そこで、スライドストッパー回転防止手段を雌側係合部材に設けることで、地震により継手部に発生する引張力をより有効に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、本発明の主要部の概要側面図、同（Ｂ）は、概要正面図である。
【図２】図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１の継手構造の主要素における雄側係合部材と雌側係合部材の第１、第２、第３の連結工程図である。
【図３】図３は、図１（Ａ）におけるａ−ａ断面図である。
【図４】図４は、図１（Ｂ）におけるｂ−ｂ断面図である。
【図５】通常の継手構造の引張試験結果の荷重〜変位関係をグラフで示す図である。
【図６】本発明に用いる弾性ゴムの設計値をグラフで示す図である。
【図７】図７は、本発明係る耐震継手の引張剛性計算値をグラフで示す図である。
【図８】第１実施形態の概要側面図である。
【図９】第１実施形態の概要正面図である。
【図１０】第２実施形態の概要側面図である。
【図１１】第２実施形態の概要正面図である。
【図１２】従来のセグメントの嵌合方式のリング間継手構造を示すトンネル軸方向断面図である。
【図１】
0003914779.tif 000003
【図２】
0003914779.tif 000004
【図３】
0003914779.tif 000005
【図４】
0003914779.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003914779.tif 000008
【図７】
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【図８】
0003914779.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0003914779.tif 000012
【図１１】
0003914779.tif 000013
【図１２】
0003914779.tif 000014