(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドトンネルの一次覆工構造において、シールドセグメントを連結してリング構造を構築すると共に、隣り合うリングのセグメント継手をずらして千鳥組みすることで、リング間継手で結合されるセグメントリング同士が互いに補強し合うようにして一次覆工体を構成し、前記セグメントリングをトンネル長手方向に連結するリング間継手を、リング全周を１単位とする高剛性で高耐力のリング間継手と、前記のリング間継手に比較してトンネル軸方向の引張剛性が低いリング間継手との組合わせで構成し、前記高剛性で高耐力のリング間継手と、前記剛性が低いリング間継手を１列ごと交互に配置することを特徴とするシールドトンネルの一次覆工構造。
【請求項２】
前記高剛性で高耐力のリング間継手が設けられる側と反対側のセグメント側縁で、前記の剛性が低いリング間継手が配置される側縁に、相対して接合するリングの側縁に渡って伸長する庇が固着され、当該庇によって他方のセグメントリングとの間の目開きを覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載のシールドトンネルの一次覆工構造。
【請求項３】
前記の剛性が低いリング間継手は、互いに接合する主桁に開設のボルト挿通孔にボルトを挿通すると共に、主桁の側面に配設の所要の性能を有するように配慮された弾性ワッシャーを介してナットを締結して構成されたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載のシールドトンネルの一次覆工構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断層破砕帯を伴う断層等を通過するシールドトンネルにおいて、地震時にシールドトンネルの一次覆工体（シールドセグメント）を破壊する力に対して柔軟に対応させることにより、耐震性能を向上させる一次覆工構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールドトンネルにあっては、シールドセグメントからなる一次覆工体をトンネル内面に組み立てて構築されるが、断層破砕帯を伴う断層等を通過するシールドトンネルにおいては、地震時に一次覆工体を破壊する力が作用することになるので、その場合、一次覆工体ができるだけ破壊されることが無いように、一次覆工体を構成するセグメントリングの耐震性能を向上させることが必要である。
【０００３】
セグメントリングの耐震性能を向上させる従来の技術は、▲１▼引張ボルト接合からなるリング間継手に弾性ワッシャーを用いてリング間継手の耐震性能を向上させる技術や、▲２▼セグメント自体を可撓セグメントに構成して、地震後の変位を吸収することでシールドトンネルの耐震性能を向上させる技術などがある。
【０００４】
前記▲１▼に関連して、本発明者が検討した問題点を詳しく説明する。
【０００５】
シールドトンネルにおいては、セグメントリングを破壊する力に対して耐久性を付与するために、セグメントリング間におけるセグメント４が千鳥配置になるように組まれることが多い。これは、隣り合うセグメントリング間でセグメントを千鳥配置に組み、かつ、セグメントリング間を剛結合によるリング間継手で結合することで、前記円環を強固にし、簡単に破壊されないようにできるからである。
【０００６】
すなわち、セグメントリング単体でみた場合は、当該リングに外部から力が作用したとき、セグメントをトンネル円周方向に結合する継手板間の継手部が回転バネとなって、この円環が簡単に破壊される。しかるに、隣り合うセグメントリング間でセグメントを千鳥配置に組み、かつ、セグメントリング間を剛結合によるリング間継手で結合することで、前記円環が強固になり、簡単に破壊されることがない。
【０００７】
また、リング間継手を剛結合にしても隣り合うセグメントリング間でセグメントをトンネル長手方向に同列配置に設けると、セグメント継手が回転バネとなって、前記円環は弱く簡単に破壊される。他方、隣り合うセグメントリング間でセグメントを千鳥配置に組んでも、セグメントリング間を柔軟な結合によるリング間継手で結合した場合は、各セグメントリングが外部の力に対しては力学的に独立しているため、セグメントリング単体の場合と同様に、前記円環は比較的簡単に破壊されることになる。
【０００８】
前記の千鳥配置において、地震によりリング間継手が破壊され、１リングのみの構造となると、隣り合うセグメントリングにより発揮されていた千鳥効果が消失し、トンネル周方向に多くの継手を有する単一リング構造は、前記セグメント間継手が回転バネととなって、リングが不安定となり、周囲の土圧および水圧により崩壊する危険性が大きくなる。
【０００９】
図１を参照して説明すると、図１（Ａ）はシールドトンネルの斜視図を示し、当該シールドトンネル３は、第１リング１と第２リング２間でセグメント４を千鳥配置に設けることで、一次覆工体が構築されている。図１（Ｂ）は、セグメントリングに外部応力が作用した場合の第１リング１と第２リング２におけるセグメント間継手と、リング間継手との作用をモデル化して示す説明図である。
【００１０】
図１（Ｂ）において、２つの円形は第１リング１と第２リング２を示し、２重丸は、セグメントをトンネル周方向に連結するセグメント間継手５における回転バネ（Ｋθの記号で示す）を示す。また、配置角度を代えて示す２つの波線を１組とする複数組は、それぞれリング間継手６に作用する力の方向を示し、Ｋｓｒで示す波線が、リング間継手６の半径方向（内外方向）に向う動き（バネ力）を示し、Ｋｓｔで示す波線が周方向（接線方向）に向う動き（バネ力）を示す。
【００１１】
図１（Ｂ）において、第１リング１と第２リング２を変形（破壊）させる外部からの力が作用したとき、セグメント間継手５は回転バネ（Ｋθ）となり、第１リング１と、第２リング２がそれぞれ独立している場合は、各リングはセグメント間継手５を回転バネ（Ｋθ）として簡単に変形し、トンネル崩壊に至るという不具合がある。
【００１２】
また、各リング間継手６が全て柔構造継手の場合（この構造は、既述▲１▼のとおり公知である）、第１リング１と第２リング２を変形させる外部からの力が作用したとき、当該リング間継手６は、当該リング間継手６に作用するＫｓｒで示す半径方向（内外方向）に向う動き（バネ力）と、Ｋｓｔで示す周方向（接線方向）に向う動き（バネ力）に追従し、力学的には第１リング１と、第２リング２は独立した関係にあり、したがって、この場合も、各リングはセグメント間継手５（Ｋθ）を回転バネとして簡単に変形し、トンネル崩壊に至るという不具合がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のとおり、シールドトンネルにおいて、一次覆工体を構成するシールドセグメントのリングが周囲の土圧および水圧を受けて変形し、不安定になる問題に対して、隣り合うリング間でセグメント間継手をトンネル周方向にずらしてセグメントを千鳥組みにし、かつ、前記▲１▼の引張ボルト接合からなるリング間継手に弾性ワッシャーを用いてリング間継手の耐震性能を向上させる技術では、既述のとおり各リングは外部応力に対しては、力学的に独立しており、各リングはそれぞれ独立しているから単一リングとしてしか機能し得ず、対応できない。
【００１４】
本発明者は、前述の危険を回避する方法につき種々研究の結果、セグメントリング同士を結合する一方のリング間継手のトンネル軸方向の引張およびトンネル半径方向，トンネル円周方向の剛性を高くし、他方のリング間継手のトンネル軸方向の引張剛性を低くすることにより、地震時に発生するトンネル軸方向の変位を剛性の低いリング間継手の側で吸収すると共に、剛性の高いリング間継手で千鳥配置を保持しすることができ、これにより地震後において、大きな断層変位が生じた場合であっても、隣接する２つのリング構造が必ず保持されるようにすることが可能である。つまり、このように２つのリングの千鳥構造を保持し、その千鳥効果を保持することにより、周囲の土圧および水圧によってリング構造が崩壊することを防止することが可能となる、との知見を得た。
【００１５】
本発明は、前記の知見に基づいて提案されたもので、その目的は、断層破砕帯を伴う断層を通過するシールドトンネルにおいて、将来発生する可能性のある地震に伴う断層変位が生じた場合でも、当該シールドトンネルが崩壊することなく、人命、施設などの安全性を確保することである。
【００１６】
【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。
【００１７】
第１の発明は、シールドトンネルの一次覆工構造において、シールドセグメントを連結してリング構造を構築すると共に、隣り合うリングのセグメント継手をずらして千鳥組みすることで、リング間継手で結合されるセグメントリング同士が互いに補強し合うようにして一次覆工体を構成し、前記セグメントリングをトンネル長手方向に連結するリング間継手を、リング全周を１単位とする高剛性で高耐力のリング間継手と、前記のリング間継手に比較してトンネル軸方向の引張剛性が低いリング間継手との組合わせで構成し、前記高剛性で高耐力のリング間継手と、前記剛性が低いリング間継手を１列ごと交互に配置することを特徴とする。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、前記高剛性で高耐力のリング間継手が設けられる側と反対側のセグメント側縁で、前記の剛性が低リング間継手が配置される側縁に、相対して接合するリング側縁に渡って伸長する庇が固着され、当該庇によって他方のセグメントリングの側縁との間の目開きを覆うように設けられていることを特徴とする。この庇のセグメント側の面には止水機能を有する水膨潤性ゴムなどを配置することで、地震発生後においても地下水の浸入を防止することができる。
【００１９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、剛性が低リング間継手は、互いに接合する主桁に開設のボルト挿通孔にボルトを挿通すると共に、主桁の側面に配設の所要の性能を発揮するように配慮された弾性ワッシャーを介してナットを締結して構成したことを特徴とする。
【００２０】
【作用】
本発明において、シールドトンネルの一次覆工体は、シールドセグメントを連結してリング構造を構築し、隣り合うリング間でセグメント間継手をずらして千鳥組みにすることで、隣り合うリング構造が互いに補強し合う強固な一次覆工体を構成している。
【００２１】
また、リング間継手を、高剛性で高耐力のリング間継手と、剛性が低いリング間継手がトンネル軸方向に交互に配置されるように設けられているので、地震時に発生する変位を剛性が低い継手の側で吸収することで高剛性で高耐力のリング間継手の破壊を防止でき、したがって、地震が発生した後であっても隣接する２つのリング構造を必ず保持でき、これにより地震後において、大きな断層変位が生じた場合であっても、２リングの千鳥構造を保持できる。そして、この２つのリングの千鳥構造と、高剛性で高耐力のリング間継手の存在とが相俟って千鳥効果を保持することができ、周囲の土圧および水圧により、リング構造が崩壊することを防止することが可能となる。
【００２２】
また、剛性の低いリング間継手の目開き量が、リング間に配置される止水ゴムの許容目開き量を上回る場合には、トンネル周囲の土砂および地下水がトンネル内に激しく流入することが懸念される。ここで、一方のセグメントリングの一側縁に固着された庇構造によりリング間を覆っておくことにより、大きな目開きが発生した場合であっても庇がその目開きを覆うので、前記目開きからトンネル周囲の土砂および地下水が激しくトンネル内に流入することを防止できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図２〜図７を参照して本発明を説明する。
【００２４】
図２は、本発明に係るシールドトンネル１３が断層破砕帯１１を通過する場合の当該シールドトンネル１３に作用する力の方向（矢印）を示す平面説明図、図３は、図２の矢印の方向の力が作用した場合のセグメントリング１２が変形する形態を示す平面説明図である。
【００２５】
図４（Ａ）は、庇付きのセグメントリング１２をトンネル内で組立てる工程を示す側面説明図、図４（Ａ）は、庇付きのセグメントリング１２の剛性が低いリング間継手が開いた場合の庇１０の作用を示す説明図である。図５は庇付きのセグメント１４の斜視図、図６は継手構造の断面図、図７は、リング間継手の荷重（Ｐ）〜目開き（δ）関係の概念図である。
【００２６】
図２〜図４に示すように、断層破砕帯１１を通過するシールドトンネル１３のセグメントリング１２（一次覆工体）において、各セグメント１４は、トンネル周方向にはセグメント継手で結合され、トンネル長手方向にはリング間継手で結合されて、かつ隣り合うリングの各セグメント１４同士は千鳥配置に設けられている。
【００２７】
また、各リング間継手において、太線で示す部分が高剛性で高耐力のリング間継手１６を示し、細線で示すのが剛性が低いリング間継手１５を示す。図に示すように、高剛性で高耐力のリング間継手１６と、剛性が低いリング間継手１５は、トンネル全周に設けられる各継手を１単位として、トンネル長手方向に組み合わせて設けられる。つまり、高剛性で高耐力のリング間継手１６の列を１つおきにまたは複数列おきに剛性が低いリング間継手１５が設けられる。図には、高剛性のリング間継手１６と、剛性が低いリング間継手１５を交互に設けた例が示されている。
【００２８】
セグメント１４およびリング間継手１５、１６の構造例は、図５、図６に示されている。図５に示すように、セグメント１４は、図示例ではコンクリート中詰め鋼製セグメントであり、このセグメント１４は、平行に配置の２つの主桁７を所定間隔をあけて配置する複数の縦リブ８で結合すると共に、各主桁７の端部間を継手板９で結合し、さらに、主桁７と継手板９の外側にスキンプレート１７を結合して鋼殻を構成し、鋼殻の内部に中詰めコンクリート１８を充填して構成されると共に、中詰めコンクリート中には細径の補強金網１９が埋設されている。
【００２９】
前記のセグメント１４のトンネル長手方向の一側において、庇１０がスキンプレート１７の背面に固着され、一側の主桁７および両側の継手板９から所定長さ出張って設けられている。
【００３０】
セグメント１４をリングに組むとき、庇１０が設けられるセグメントの一側は、図６（Ａ）または（Ｂ）に示す剛性が低いリング間継手１５で結合され、セグメントの他の一側は、図６（Ｃ）に示す高剛性で高耐力のリング間継手１６で結合される。
【００３１】
図６（Ａ）に示す剛性が低いリング間継手１５は、トンネル長手方向に千鳥配置で結合するセグメント１４の主桁７のボルト挿通孔２０に接合ボルト２１を挿通し、互いに接合した２枚の主桁７の一側に弾性ワッシャー２２を介在させ、ナット２３で結合することでリング間継手１５に低い剛性を付与している。図６（Ｂ）に示す剛性が低いリング間継手１５では、互いに接合した２枚の主桁７の両側に弾性ワッシャー２２を介在させ、ナット２３で結合することで、図６（Ａ）よりも一層リング間継手１５の剛性が低くなるように設けている。
【００３２】
図６（Ｃ）に示す高剛性で高耐力のリング間継手１６では、トンネル長手方向に千鳥配置で結合するセグメント１４の庇１０を設ける側と反対側の主桁７のボルト挿通孔２０に接合ボルト２１を挿通し、互いに接合した２枚の主桁７を直接にナット２３で結合することで、当該リング間継手１６に高剛性、高耐力性を付与している。なお、図６に示すリング間継手構造は一例であって、これ以外の構造で、剛性が低いリング間継手１５および、高剛性で高耐力のリング間継手１６を構成することは構わない。
【００３３】
本発明において主要な要素は、剛性が低いリング間継手１５および、高剛性で高耐力のリング間継手１６をトンネル長手方向に交互にまたは非交互に組み合わせてセグメントリング１２の一次覆工体を構築すること、および剛性が低いリング間継手１５で結合される接合部は庇１０で覆われていることである。
【００３４】
図４（Ａ）は、セグメントリング１２の組立て工程を側面説明図で示す。同図に示すように、トンネル内において庇付きのセグメント１４を、庇１０が手前側になるように配置して、エレクターによりリング状に順次組付け、かつ各リング１２毎に、剛性が低く、高耐力のリング間継手１５と、高剛性で高耐力のリング間継手１６を交互に用いてリング間が結合され一次覆工体が構築される。このとき、セグメント１４をリング状に組むのに伴って、各セグメント１４の庇１０の全体でリング状庇が構成され、このリング状庇が、先行して構築されたセグメントリング１２の外周を覆うように構築される。
【００３５】
本発明に係る一次覆工体の作用を説明する。
【００３６】
図２に示すように、断層破砕帯１１を横切って通過する真直ぐのシールドトンネル１３に地震などで矢印方向のせん断力が作用した場合、図３に示すように、当該シールドトンネル１３と一次覆工体が折れ曲がり、一次覆工体のセグメントリング１２は、屈曲部の内周側では、剛性が低いリング間継手１５および、高剛性で高耐力のリング間継手１６の両方の継手が共に初期の圧接接合状態を保持している。
【００３７】
これに対し、屈曲部の外周側では高剛性で高耐力のリング間継手１６は、初期の接合状態を保持しているが、剛性が低いリング間継手１５は、初期状態では圧縮されている弾性ワッシャー２２（図６（Ａ）、（Ｂ）に示す）が伸長することで、セグメントリング間で目開き２４が生じており、この目開き２４の発生を介して、シールドトンネル１３の折れ曲がりに一次覆工体が柔軟に追従している。それにより、シールドトンネル１３に折れ曲がりが発生した時のセグメントリング１２の円環の安定を確保し、周囲の土圧および水圧で一次覆工体が変形する危険を解消できるものである。
【００３８】
また、図４（Ｂ）に示すように、目開き２４が発生する場合、当該セグメントリング１２の目開き２４の部位は、セグメントリング１２の一側縁から出張って、他方のセグメントリング１２の一側縁まで伸びている庇１０で覆われているので、この目開き２４から土砂や地下水等がリング内に激しく浸入するのを防止できる。
【００３９】
図７は、リング間継手に作用する荷重（Ｐ）〜目開き（δ）の関係をグラフで示す概念図である。同図から分かるように、剛性が高く、かつ、高耐力のリング間継手では、荷重がある値以上では目開きが一気に進行する、つまり、リング間継手のボルトが破壊される。これに対し、剛性が低いリング間継手では、荷重が増大するのに比例して目開きが進行する、つまり、リング間継手のボルトは破壊されることなく、地震時セグメントリングの外周側がトンネル屈曲部に追従して円滑に屈曲できることを示している。この図からも、本発明における、剛性が低いリング間継手１５および、高剛性で高耐力のリング間継手１６の継手をトンネル長手方向に交互または非交互に組み合わせて使用することの有効性が理解される。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、断層破砕帯を伴う断層等を通過するシールドトンネルにおいて、一次覆工体であるセグメントリングの耐震性能を向上させたので、将来発生する可能性のある地震に伴う断層変位が生じた場合でも、当該シールドトンネルが崩壊することなく、人命、施設などの安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図（Ａ）はシールドトンネルの斜視図、図（Ｂ）は、第１と第２のセグメントリングに外部応力が作用した場合のセグメント間継手と、リング間継手のバネ作用をモデル化して示す説明図である。
【図２】断層破砕帯を通過するシールドトンネルにおいて、断層変位により本発明に係る一次覆工体に作用する力の方向（矢印）を示す平面説明図である。
【図３】図２の矢印の方向の力が作用した場合にセグメントリングが変形する態様を示す平面説明図である。
【図４】図（Ａ）は、庇付きのセグメントリングをトンネル内で組立てる工程を示す側面説明図、図（Ｂ）は、庇付きのセグメントリングの剛性が低いリング間継手の側に目開きが生じた場合の庇の作用を示す説明図である。
【図５】庇付きのセグメントの斜視図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、剛性が低く、高耐力のリング間継手の断面図（Ｃ）は、高剛性で高耐力のリング間継手の断面図である。
【図７】リング間継手の荷重（Ｐ）〜目開き（δ）関係をグラフで示す概念図である。
【符号の説明】
１  第１リング
２  第２リング
３  シールドトンネル
４  セグメント
５  セグメント間継手
６  リング間継手
７  主桁
８  縦リブ
９  継手板
１０  庇
１１  断層破砕帯
１２  セグメントリング
１３  シールドトンネル
１４  セグメント
１５  剛性が低いリング間継手
１６  高剛性で高耐力のリング間継手
１７  スキンプレート
１８  中詰めコンクリート
１９  補強金網
２０  ボルト挿通孔
２１  ボルト
２２  弾性ワッシャー
２３  目開き
【図１】
0003762698.tif 000002
【図２】
0003762698.tif 000003
【図３】
0003762698.tif 000004
【図４】
0003762698.tif 000005
【図５】
0003762698.tif 000006
【図６】
0003762698.tif 000007
【図７】
0003762698.tif 000008