合成セグメント
【課題】セグメントの地山側鋼板および内空側鋼板の面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【解決手段】スキンプレート２Ａ、２Ｂにおけるコンクリート３に対向する面には、トンネル軸方向Ｘに延びるとともに、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに複数配列してスキンプレート２Ａ、２Ｂと一体化されたＬ型鋼材６と、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の間、および継手板５Ａ、５ＢとＬ型鋼材６との間において、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに配列され、トンネル軸方向Ｘに複数列が設けられてスキンプレート２Ａ、２Ｂと一体化されたジベル７とが設けられ、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、ジベル７はトンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きい合成セグメント１を提供する。
【解決手段】スキンプレート２Ａ、２Ｂにおけるコンクリート３に対向する面には、トンネル軸方向Ｘに延びるとともに、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに複数配列してスキンプレート２Ａ、２Ｂと一体化されたＬ型鋼材６と、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の間、および継手板５Ａ、５ＢとＬ型鋼材６との間において、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに配列され、トンネル軸方向Ｘに複数列が設けられてスキンプレート２Ａ、２Ｂと一体化されたジベル７とが設けられ、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、ジベル７はトンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きい合成セグメント１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの地山側と内空側の少なくともいずれか一方にスキンプレートを有し、その内側にコンクリートが充填された円弧版状に形成され、トンネル周方向及び軸方向に複数連結されることにより筒状壁体を構成する合成セグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地山に掘削穴を掘削しつつ、その内面に円弧版状のセグメントを周方向および軸方向に複数連結して筒状壁体を構築することによりトンネルを形成するシールド工法において、鋼製の円弧版状枠体（鋼殻）内にコンクリートを充填して製造された合成セグメントが知られている。このような曲率を有し、地山側または内空側のいずれか一方または両側にスキンプレート（鋼板）を有する合成セグメントでは、内空側に曲げを受けた際に、地山側の鋼板は地山側に、内空側の鋼板は内空側に剥離が生じることから、コンクリートとの一体性が保てなくなっていた。つまり、この剥離により、鋼板に圧縮力および引張力が作用しにくくなり、合成セグメントとしての耐力、剛性が低下することになる。
そこで、鋼殻を構成する鋼板とコンクリートとの一体化を図り、前記剥離を抑制して地山側鋼板および内空側鋼板の有効断面を増加させるために、鋼板のコンクリートに対向する面にずれ止め部材を設ける構造が採用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
上記特許文献１に記載の合成セグメントは、トンネルの地山側と内空側の二面に設けた鋼製のスキンプレートのそれぞれから、対向する他方のスキンプレート側に突き出して固定された複数のジベル（ずれ止め部材）を備えている。
特許文献２には、地山側や内空側に配置したスキンプレートとコンクリートとのずれを継手板に付与して、鋼材の剥離を定着材（ずれ止め部材）により抑制することで、せん断ずれにより決定していた定着材の本数を減らすことを可能とした構成について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７０４８５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、地山側鋼板および内空側鋼板の有効断面を増加させるために、ずれ止め部材を設けて剥離を抑制する従来の合成セグメントでは、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１の合成セグメントでは、スキンプレートとコンクリートとのせん断ずれに応じてジベルの本数を決定するため、ジベルの必要本数が多くなり、加工にかかる製造コストが増加するという問題があった。また、特許文献２の合成セグメントでは、鋼板の剥離は二方向の剥離性状を示すため、効率的に剥離を抑制するためには、定着材の本数が増加してしまう欠点がある。
このように、従来技術では鋼板に対するずれ止め部材の溶接や溶接変形の矯正などの加工工数と、これらにかかる製造コストが増大することから、その点で改良の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セグメントの地山側鋼板および内空側鋼板の面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができ、製造コストの低減を図ることができる合成セグメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る合成セグメントでは、少なくとも２枚の主桁と、そのトンネル周方向両端部に配置され、それら主桁間を渡すように接合された２枚の継手板と、地山側および内空側の少なくとも一方に設けられた鋼板と、を有する鋼殻の内部に、コンクリートを充填してなる曲率を有する合成セグメントであって、鋼板におけるコンクリートに対向する面には、トンネル軸方向に延びるとともに、コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に複数配列して鋼板と一体化された線状部材と、隣り合う線状部材同士の間、および継手板と線状部材との間において、コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に配列され、トンネル軸方向に複数列が設けられて鋼板と一体化された点状部材とが設けられ、隣り合う線状部材同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、点状部材はトンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きいことを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る合成セグメントでは、土水圧により鋼板に受けた面圧を主桁に確実に伝達することができる。具体的には、隣り合う線状部材同士の配置間隔をセグメント幅よりも狭くなるように配置することで、少なくともトンネル周方向の鋼板の座屈耐力をトンネル軸方向、即ちセグメント幅方向の座屈耐力よりも大きくしておくことが可能となる。そのため、セグメントには面内方向の軸力を受けて鋼板に座屈が生じ、セグメントの鋼板とコンクリートとの一体性が損なわれるのを防止することができる。すなわち、トンネル周方向に沿って鋼板が先に座屈し、土水圧からの荷重を主桁に流す前にセグメント全体の耐力が低下してセグメント部材全体の耐力を効率的に発揮させることができないといった不具合をなくすことができる。
【０００９】
そして、鋼板の面外変形の主たる原因がトンネル周方向の軸力の半径方向成分の力により引き起こされるため、線状部材をトンネル周方向に密に配置することで効果的にトンネル周方向の面外変形を防ぐことができる。したがって、同じく点状部材の本数においても、トンネル周方向の点状部材をトンネル軸方向よりも密に配置することで、鋼板の面外変形を効率的に抑制することができ、合成セグメントとしての耐力、剛性を効果的に高めることができる。
【００１０】
また、線状部材をトンネル周方向に複数配置することで、鋼板の剥離に繋がる製作上の初期不整量を小さくしてコンクリートに対する剥離量を小さくし、内部コンクリートとの一体性を高めることができる。
さらに、トンネル軸方向に沿って延びる線状部材と、トンネル周方向に配列される点状部材とを組み合わせることで、セグメント製造時においてトンネル軸方向が上下方向となるようにしてセグメントを縦置きして打設する際、線状部材の長手方向が上下方向に向けられた状態で配置されるので、コンクリートの充填性を高めることが可能となり、品質の高いセグメントを製作することができる。
【００１１】
また、線状部材と点状部材を内空側の鋼板にのみ配置することで、地山側の鋼板の面外変形に対しては土水圧による抑制効果を期待することが可能となり、効率的に鋼板の面外変形抑制効果を高めることができる。
さらに、点状部材において、トンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きくなるように配置することで、この点状部材を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。
【００１２】
また、本発明に係る合成セグメントでは、点状部材は、トンネル軸方向に沿って千鳥配置となっていることが好ましい。
【００１３】
このような構成により、コーン破壊線が重ならないように点状部材を配置した構成となるので、点状部材の定着耐力を効率的に確保することができる。
【００１４】
また、本発明に係る合成セグメントでは、複数の点状部材は、セグメント軸方向の中央部に密に配置されていることが好ましい。
【００１５】
この場合、負荷が大きくかかるセグメント軸方向の中央部に点状部材を配置することで、点状部材の配置数量を少なくすることができ、鋼板の面外変形を効率的に抑制することができる。つまり、主桁の位置では連続的に鋼板の面外変形を抑制することができるため、離散的に配置する複数の点状部材をセグメント軸方向の中部部に密に配置することによって効率的に鋼板の面外変形を抑制し、鋼板の有効幅を確保することができる。
【００１６】
また、本発明に係る合成セグメントでは、線状部材は、孔開き鋼板であることが好ましい。
【００１７】
このような構成により、トンネル軸方向に配置する線状部材に孔開き鋼板を用いることによって、この孔部が製作時のコンクリートの通路となり、コンクリート充填性を高めることができ、合成セグメントの鋼殻内に空気溜まりを防ぐことが可能となる。そのため、コンクリートと線状部材や点状部材との一体化を図ることができ、品質を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る合成セグメントでは、線状部材は、Ｔ字状鋼板であってもよい。
【００１９】
この場合、トンネル軸方向に沿って延びる線状部材に断面視でＴ字状の鋼板を用いることによって、例えば山形鋼のようなＬ字形状の部材に比べてコーン破壊面積を大きくすることが可能となる場合があり、線状部材の引抜き耐力を高め、部材仕様の低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の合成セグメントによれば、線状部材と点状部材を好適に組み合わせて配置することで、セグメントの地山側鋼板および内空側鋼板の面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができる。そのため、主桁や連結リブ等の鋼材を増加させずに鋼板の設計有効断面を増加させることが可能となり、また点状部材の数量を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による合成セグメントの構成を示す一部破断した斜視図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】４辺固定のパネルの機能領域を示す平面図である。
【図５】第２の実施の形態による合成セグメントの断面図であって、図２に対応する図である。
【図６】第３の実施の形態による合成セグメントにおける点状部材の配置を示す図である。
【図７】第１変形例による孔開き鋼板を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】第２変形例によるＴ字状鋼板を示す図であって、（ａ）は側方断面図、（ｂ）は側面図である。
【図９】第３変形例による合成セグメントの断面図であって、図２に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態による合成セグメントについて、図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本第１の実施の形態による合成セグメント１は、例えば、シールド工法によって掘削した内壁に構築されるトンネル覆工体を形成するものであり、薄肉の長方形状の鋼板を円弧面状に湾曲して形成された一対のスキンプレート２Ａ、２Ｂ（鋼板）が、それぞれトンネルの地山側となる位置と内空側となる位置とに平行に対向して配置され、且つスキンプレート２Ａ、２Ｂの相互間にコンクリート３が充填されて略円弧板状に構成されている。
【００２４】
そして、図１乃至図３に示すように、地山側のスキンプレート２Ａと内空側のスキンプレート２Ｂには、両スキンプレート２Ａ、２Ｂのそれぞれのトンネル周方向Ｙに沿う二つの長辺（トンネル軸方向Ｘにおける両端辺）同士を連結する円弧状の主桁４Ａ、４Ｂが設けられ、それぞれのトンネル軸方向Ｘに沿う二つの短辺（トンネル周方向Ｙにおける両端辺）同士を連結する直線状の継手板５Ａ、５Ｂが設けられている。主桁４Ａ、４Ｂには、それぞれトンネル軸方向Ｘに隣接するセグメント同士を連結するためのボルト孔４ａが複数設けられている。継手板５Ａ、５Ｂには、トンネル周方向Ｙに隣接するセグメント同士を連結するためのボルト孔５ａが複数設けられている。
【００２５】
さらに、主桁４Ａ、４Ｂ、および継手板５Ａ、５Ｂの外面（外側に露出する面）には、スキンプレート２Ａ、２Ｂの各辺方向に沿ってシール溝（図示省略）が合成セグメント１の四辺の全周にわたって形成され、このシール溝にシール材が嵌合されるようになっている。
【００２６】
そして、各スキンプレート２Ａ、２Ｂには、互いに対向する内面にトンネル軸方向Ｘに延びる複数本（図２、図３では４本）のＬ型鋼材６（線状部材）がトンネル周方向Ｙに所定間隔をあけて設けられ、さらに頭部７ａ（図１参照）を対向するスキンプレート２Ａ、２Ｂ側に所定長さだけ突き出して固定された複数本のスタッドジベル（以下、単にジベル７という）（点状部材）が設けられている。
【００２７】
Ｌ型鋼材６は、長さ方向の両端を主桁４Ａ、４Ｂの内面に固着させるとともに、断面視でＬ字形の一方の端板６ａがスキンプレート２Ａ、２Ｂの内面に対して溶接などの固着手段により一体的に固定され、その一方の端板６ａがスキンプレート２Ａ、２Ｂに対して略垂直で、他方の端板６ｂの面方向をトンネル周方向Ｙに向けた状態で配置されている。そして、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭くなっている。
【００２８】
ジベル７は、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の間、およびＬ型鋼材６と継手板５Ａ、５Ｂとの間において、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに配列され、その配列群がトンネル軸方向Ｘに所定の間隔をあけて複数列設けられ、各スキンプレート２Ａ、２Ｂに対して一体的に設けられている。このジベル７は、充填されたコンクリート３との密着性を良くして一体化するものである。そして、ジベル７は、トンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きくなっている。
【００２９】
ジベル７は、合成セグメント１において、トンネル周方向Ｙに沿って配列される列群が３列設けられている。
ここで、トンネル周方向Ｙに配置されるジベル７、７同士の配置間隔を周方向間隔Ｄ１とし、トンネル軸方向Ｘに配置されるジベル７、７同士の間隔を軸方向間隔Ｄ２とする。なお、本実施の形態では、ジベル７と主桁４Ａ（４Ｂ）同士との配置間隔も前記軸方向間隔Ｄ２と同等となっている。
【００３０】
そして、ジベル７の配置間隔は、周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（以下、「ジベル配置比率」という）で０．０８以上１．０未満となるピッチで配置することが好ましい。
【００３１】
なお、ジベル７の周方向間隔Ｄ１と軸方向間隔Ｄ２（隣り合うジベル７、７同士の最小中心間隔）は、５ｄ（ｄ：ジベルの径寸法ｍｍ）または１００ｍｍとする。これは、「「道路橋示方書・同解説 共通編・鋼橋編」、平成１４年３月、社団法人日本道路協会３３５頁、１１．５．４ずれ止めの最小間隔（３）」において、「スタッドの橋軸方向の最小中心間隔は５ｄまたは１００ｍｍとし〜」なる記載に基づいたものである。
【００３２】
前記ジベル配置比率を１．０未満とした理由は、１．０以上になると、必要ジベル本数が従来のジベル（スタッドジベル）のみでせん断ずれ力を抑制する場合と同様となり、ジベル本数が増加してしまうためである。
【００３３】
また、前記ジベル配置比率を０．０８以上とする理由は、以下のとおりである。
すなわち、セグメント幅（トンネル軸方向Ｘの長さ寸法）の最大がこれを運搬するトラック等の車両幅の制限より２４００ｍｍ程度とした場合、ジベル７をトンネル軸方向Ｘに１列のみ配置すると、軸方向間隔Ｄ２は１２００mmとなる。この１２００ｍｍが軸方向間隔Ｄ２の最大値となる。そして、隣り合うジベル７、７同士の最小中心間隔は、上述したように５ｄまたは１００ｍｍとなるので、橋軸方向が周方向間隔Ｄ１に相当することになる。そのため、最小間隔１００ｍｍを軸方向間隔Ｄ２の最大値である１２００ｍｍで除した値が０．０８となり、この０．０８を最小値としている。
【００３４】
次に、上述したように構成された合成セグメント１の作用について、図面に基づいて説明する。
図１乃至図４に示すように、本合成セグメント１では、土水圧によりスキンプレート２Ａ、２Ｂに受けた面圧を主桁４Ａ、４Ｂに確実に伝達することができる。具体的には、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔をセグメント幅よりも狭くなるように配置することで、少なくともトンネル周方向Ｙのスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をトンネル軸方向Ｘ、即ちセグメント幅方向の座屈耐力よりも大きくしておくことが可能となる。
そのため、合成セグメント１には面内方向の軸力を受けてスキンプレート２Ａ、２Ｂに座屈が生じ、スキンプレート２Ａ、２Ｂとコンクリート３との一体性が損なわれるのを防止することができる。すなわち、トンネル周方向Ｙに沿ってスキンプレート２Ａ、２Ｂが先に座屈し、土水圧からの荷重を主桁４Ａ、４Ｂに流す前にセグメント全体の耐力が低下してセグメント部材全体の耐力を効率的に発揮させることができないといった不具合をなくすことができる。
【００３５】
このように、各部材全体を有効利用するためには、少なくともトンネル周方向Ｙのスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をトンネル軸方向Ｘ（セグメント幅方向）の座屈耐力よりも大きくしておく必要がある。
ここで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈をオイラー式で評価する。図４に示すように、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔をａ、セグメント幅をｂとし、またセグメント周方向ＹのＬ型鋼材６、６間のスキンプレート２Ａ、２Ｂ（図３）の座屈耐力をσｃｒａ、セグメント軸方向Ｘの主桁４Ａ、４Ｂ間のスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をσｃｒｂとした。
【００３６】
なお、境界条件は軸力が作用する方向の両端においては、スキンプレート２Ａ、２Ｂと主桁４Ａ、４ＢやＬ型鋼材６との溶接条件が適宜設定され変化するため、すべての拘束条件を表現できるようにするため座屈係数をｋとし、軸力が作用する方向と平行となる側面においては、スキンプレート２Ａ、２Ｂと主桁４Ａ、４ＢやＬ型鋼材６との溶接条件が適宜設定され変化するため、スキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈にとって最も危険側となるフリーの条件とした。
【００３７】
これらの条件でセグメント周方向Ｙの座屈をセグメント幅方向Ｘよりも遅らせるためには、荷重条件の影響を受けトンネル周方向Ｙの軸力がセグメント幅方向Ｘの軸力よりも卓越する傾向があるが、少なくとも（１）式を成立させる必要がある。（１）式において、σｃｒａ、σｃｒｂはそれぞれ（２）式、（３）式で記述される。そして、（１）式に、（２）式および（３）式を代入すると（４）式となる。したがって、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔ｂをセグメント幅ａよりも小さくする必要があることがわかる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
【数２】
【００４０】
【数３】
【００４１】
このように、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形の主たる原因がトンネル周方向Ｙの軸力の半径方向成分の力により引き起こされるため、Ｌ型鋼材６をトンネル周方向Ｙに密に配置することで効果的にトンネル周方向Ｙの面外変形を防ぐことができる。したがって、同じくジベル７の本数においても、トンネル周方向Ｙのジベル７をトンネル軸方向Ｘよりも密に配置することで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制することができ、合成セグメント１としての耐力、剛性を効果的に高めることができる。
【００４２】
２枚の主桁４Ａ、４Ｂと、Ｌ型鋼材６が一体的に設けられた地山側および内空側のスキンプレート２Ａ、２Ｂにおけるトンネル軸方向Ｘに延びる隣り合う一対のＬ型鋼材６とによって、図４に示す４辺が固定される領域Ｐ（図４の太い点線で囲まれる領域）が４辺固定のパネルとして機能することから、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制することができ、合成セグメント１としての耐力、剛性を高めることができる。そして、隣り合うＬ型鋼材６、６同士のトンネル周方向Ｙの配置間隔がセグメント幅よりも狭いことから、面外変形の抑制効果をさらに向上させることができる。
【００４３】
さらに、主桁４Ａ、４ＢとＬ型鋼材６との間にジベル７が配置されているので、コンクリート３との付着力が増し、コンクリート３とスキンプレート２Ａ、２Ｂとの剥離が抑制され、上述した面外変形の抑制効果をより一層向上させることができる。
【００４４】
また、Ｌ型鋼材６、６、…をトンネル周方向Ｙに複数配置することで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの剥離に繋がる製作上の初期不整量を小さくしてコンクリート３に対する剥離量を小さくし、内部コンクリート３との一体性を高めることができる。
さらに、トンネル軸方向Ｘに沿って延びるＬ型鋼材６と、トンネル周方向Ｙに配列されるジベル７とを組み合わせることで、セグメント製造時においてトンネル軸方向Ｘが上下方向となるようにして合成セグメント１を縦置きして打設する際、Ｌ型鋼材６の長手方向が上下方向に向けられた状態で配置されるので、コンクリート３の充填性を高めることが可能となり、品質の高い合成セグメント１を製作することができる。
【００４５】
さらに、ジベル７において、トンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きくなるように配置することで、このジベル７を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。
【００４６】
しかも、ジベル７において、周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（ジベル配置比率）が０．０８以上１．０未満となるように配置することで、このジベル７を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。とくに前記比率が最も小さい場合には、設定したスキンプレート２Ａ、２Ｂの有効幅を確保する場合におけるジベル７の数量を最小にすることができる。
【００４７】
例えば、図１乃至図３に示す本実施の形態の配置構成（線状部材と点状部材の配置構成）とは異なるが、セグメント幅を１５００ｍｍ、スキンプレートの厚さ寸法を１９ｍｍ、曲率半径を略６０００ｍｍ、本実施の形態のようなＬ型鋼材などの線状部材の間隔を８００ｍｍとしたときに、従来のせん断ずれ力をスタッドジベルのみで抑制する場合には、スタッドジベルの配置間隔として、周方向間隔Ｄ１で１５０ｍｍ、軸方向間隔Ｄ２で１５０ｍｍ、周方向間隔Ｄ１／軸方向間隔Ｄ２が１．０となり、必要なスタッドジベル本数がスキンプレート１枚あたり１８９本となる。
また、スタッドジベルの配置間隔として、周方向間隔Ｄ１で２００ｍｍ、軸方向間隔Ｄ２で２５０ｍｍとなり、周方向間隔Ｄ１／軸方向間隔Ｄ２が０．８とすることができ、必要なスタッドジベル本数がスキンプレート１枚あたり９０本となる。したがって、本実施の形態のスタッドジベルの本数は、従来技術に対して略半数となる。
【００４８】
また、Ｌ型鋼材６は突出先端がトンネル周方向Ｙに向けて張り出す形状であり、ジベル７は突出先端の断面形状が基端部よりも拡大されているので、コンクリート３との付着力が増し、より確実な一体化が図れることから、剥離防止効果を向上させることができる。
【００４９】
さらにまた、本実施の形態の合成セグメント１では、従来のような縦リブによって補強した構造ではないので、製造が容易であり、且つ製造コストを低減することができる利点がある。つまり、本実施の形態による合成セグメント１では、６面鋼殻体である場合において、縦リブと内空側もしくは地山側のスキンプレートとの溶接が困難であり、これにより縦リブ部分のスキンプレートとの剥離を抑制できず、スキンプレートの有効幅（剛性）の低下を招くといった従来構成の不具合を無くすことができる。
また、本合成セグメント１では、地山側にスキンプレートを有する５面鋼殻体で縦リブに防食塗装を施していない場合には、コンクリートによる被り厚さが必要となり、コンクリートを嵩上げしなければならず、コンクリートの材料費が増加するという従来構成の不具合を無くすことができる。
【００５０】
上述した本第１の実施の形態による合成セグメントでは、Ｌ型鋼材６とジベル７を好適に組み合わせて配置することで、セグメント３の地山側および内空側のスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができる。そのため、主桁４Ａ、４Ｂや連結リブ等の鋼材を増加させずにスキンプレート２Ａ、２Ｂの設計有効断面を増加させることが可能となり、またジベル７の数量を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００５１】
次に、本発明の合成セグメントによる他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図５に示す第２の実施の形態による合成セグメント１Ａは、ジベル７（点状部材）がトンネル軸方向Ｘに沿って千鳥配置となっている。
この場合、コーン破壊線が重ならないようにジベル７を配置した構成となっているので、ジベル７の定着耐力を効率的に確保することができる。
【００５３】
（第３の実施の形態）
図６に示す第３の実施の形態の合成セグメント１Ｂは、複数のジベル７、７、…（すなわち、トンネル周方向Ｙに配列されたジベル７の配列群７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）は、セグメント軸方向Ｘの中央部に密に配置されている。
この場合、負荷が大きくかかるセグメント軸方向Ｘの中央部にジベル７を配置することで、ジベル７の配置数量を少なくすることができ、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制することができる。つまり、主桁４Ａ、４Ｂの位置では連続的にスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制することができるため、離散的に配置する複数のジベル７をセグメント軸方向Ｘの中央部に密に配置することによって効率的にスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制し、スキンプレート２Ａ、２Ｂの有効幅を確保することができる。
【００５４】
（第１変形例）
図７（ａ）、（ｂ）に示す第１変形例では、上述した実施の形態のＬ型鋼材６（図１参照）に代えて、孔開き鋼板８（線状部材）を採用したものである。
このような構成により、トンネル軸方向に配置する孔開き鋼板８を用いることによって、この孔部８ａが製作時のコンクリート３（図１参照）の通路となり、コンクリート充填性を高めることができ、合成セグメントの鋼殻内に空気溜まりを防ぐことが可能となる。そのため、コンクリート３と孔開き鋼板８やジベル７との一体化を図ることができ、品質を向上させることができる。
【００５５】
（第２変形例）
図８（ａ）、（ｂ）に示す第２変形例では、上述した実施の形態のＬ型鋼材６（図１参照）に代えて、Ｔ字状鋼板９（線状部材）を採用したものである。Ｔ字状鋼板９は、突起部９ａがセグメント内空側となるように基端部９ｂをスキンプレート２Ａ、２Ｂに溶接等で固着させている。
この場合、トンネル軸方向Ｘに沿って延びる線状部材に断面視でＴ字状の鋼板を用いることによって、上述したＬ字形状の部材に比べてコーン破壊面積を大きくすることが可能となる場合があり、Ｔ字状鋼板９の引抜き耐力を高め、部材仕様の低減を図ることができる。
【００５６】
以上、本発明による合成セグメントの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態ではジベル７をトンネル軸方向Ｘに３列配置させているが、ジベル７の列数や間隔はこれに限定されることはなく、セグメントの形状、大きさに応じて設定することが可能である。例えば、図９に示す合成セグメント１Ｃのように、トンネル軸方向Ｘに５列配置する構成とすることができる。この場合も、例えばジベル７の周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（比率）が０．０８以上１．０未満となるようにジベル７を配置することができる。
【００５７】
また、上述した実施の形態では鋼板をなすスキンプレート２Ａ、２Ｂを地山側とトンネル内空側に設けた合成セグメントを対象としているが、これに限定されることはない。例えば、Ｌ型鋼材６とジベル７を内空側のスキンプレート２Ｂにのみ配置することで、地山側の鋼板の面外変形に対しては土水圧による抑制効果を期待することが可能となり、効率的に鋼板の面外変形の抑制効果を高めることができる。
【００５８】
さらに、本実施の形態では線状部材としてＬ型鋼材６、孔開き鋼板８、Ｔ字状鋼板９を採用しているが、これに限定されず、板状など他の断面形状の線状部材を用いても良い。そして、点状部材としてジベル７を採用しているが、これに限らず、ボルトやピンなどを用いることも可能である。具体的には、ボルトの雄ねじ部を各スキンプレート２Ａ、２Ｂに形成した有底または貫通のねじ孔に螺合して構成したもの、大径の頭部を有するピンを、スキンプレート２Ａ、２Ｂに設けたピンの軸部より小さくした有底穴または貫通穴に圧入して構成したものや、その他の適宜の構成を有するものを採用することができる。また、本実施の形態では線状部材はスキンプレートの面外方向の剥離抑制を行うために設置されているが、さらにずれ止めとして考慮することにより、断面を合理的に形成することが可能となる。
【００５９】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 合成セグメント
２Ａ、２Ｂ スキンプレート（鋼板）
３ コンクリート
４Ａ、４Ｂ 主桁
５Ａ、５Ｂ 継手板
６ Ｌ型鋼材（線状部材）
７ ジベル（点状部材）
８ 孔開き鋼板（線状部材）
９ Ｔ字状鋼板（線状部材）
Ｄ１ 周方向間隔
Ｄ２ 軸方向間隔
Ｘ トンネル軸方向
Ｙ トンネル周方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの地山側と内空側の少なくともいずれか一方にスキンプレートを有し、その内側にコンクリートが充填された円弧版状に形成され、トンネル周方向及び軸方向に複数連結されることにより筒状壁体を構成する合成セグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地山に掘削穴を掘削しつつ、その内面に円弧版状のセグメントを周方向および軸方向に複数連結して筒状壁体を構築することによりトンネルを形成するシールド工法において、鋼製の円弧版状枠体（鋼殻）内にコンクリートを充填して製造された合成セグメントが知られている。このような曲率を有し、地山側または内空側のいずれか一方または両側にスキンプレート（鋼板）を有する合成セグメントでは、内空側に曲げを受けた際に、地山側の鋼板は地山側に、内空側の鋼板は内空側に剥離が生じることから、コンクリートとの一体性が保てなくなっていた。つまり、この剥離により、鋼板に圧縮力および引張力が作用しにくくなり、合成セグメントとしての耐力、剛性が低下することになる。
そこで、鋼殻を構成する鋼板とコンクリートとの一体化を図り、前記剥離を抑制して地山側鋼板および内空側鋼板の有効断面を増加させるために、鋼板のコンクリートに対向する面にずれ止め部材を設ける構造が採用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
上記特許文献１に記載の合成セグメントは、トンネルの地山側と内空側の二面に設けた鋼製のスキンプレートのそれぞれから、対向する他方のスキンプレート側に突き出して固定された複数のジベル（ずれ止め部材）を備えている。
特許文献２には、地山側や内空側に配置したスキンプレートとコンクリートとのずれを継手板に付与して、鋼材の剥離を定着材（ずれ止め部材）により抑制することで、せん断ずれにより決定していた定着材の本数を減らすことを可能とした構成について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７０４８５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、地山側鋼板および内空側鋼板の有効断面を増加させるために、ずれ止め部材を設けて剥離を抑制する従来の合成セグメントでは、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１の合成セグメントでは、スキンプレートとコンクリートとのせん断ずれに応じてジベルの本数を決定するため、ジベルの必要本数が多くなり、加工にかかる製造コストが増加するという問題があった。また、特許文献２の合成セグメントでは、鋼板の剥離は二方向の剥離性状を示すため、効率的に剥離を抑制するためには、定着材の本数が増加してしまう欠点がある。
このように、従来技術では鋼板に対するずれ止め部材の溶接や溶接変形の矯正などの加工工数と、これらにかかる製造コストが増大することから、その点で改良の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セグメントの地山側鋼板および内空側鋼板の面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができ、製造コストの低減を図ることができる合成セグメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る合成セグメントでは、少なくとも２枚の主桁と、そのトンネル周方向両端部に配置され、それら主桁間を渡すように接合された２枚の継手板と、地山側および内空側の少なくとも一方に設けられた鋼板と、を有する鋼殻の内部に、コンクリートを充填してなる曲率を有する合成セグメントであって、鋼板におけるコンクリートに対向する面には、トンネル軸方向に延びるとともに、コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に複数配列して鋼板と一体化された線状部材と、隣り合う線状部材同士の間、および継手板と線状部材との間において、コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に配列され、トンネル軸方向に複数列が設けられて鋼板と一体化された点状部材とが設けられ、隣り合う線状部材同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、点状部材はトンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きいことを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る合成セグメントでは、土水圧により鋼板に受けた面圧を主桁に確実に伝達することができる。具体的には、隣り合う線状部材同士の配置間隔をセグメント幅よりも狭くなるように配置することで、少なくともトンネル周方向の鋼板の座屈耐力をトンネル軸方向、即ちセグメント幅方向の座屈耐力よりも大きくしておくことが可能となる。そのため、セグメントには面内方向の軸力を受けて鋼板に座屈が生じ、セグメントの鋼板とコンクリートとの一体性が損なわれるのを防止することができる。すなわち、トンネル周方向に沿って鋼板が先に座屈し、土水圧からの荷重を主桁に流す前にセグメント全体の耐力が低下してセグメント部材全体の耐力を効率的に発揮させることができないといった不具合をなくすことができる。
【０００９】
そして、鋼板の面外変形の主たる原因がトンネル周方向の軸力の半径方向成分の力により引き起こされるため、線状部材をトンネル周方向に密に配置することで効果的にトンネル周方向の面外変形を防ぐことができる。したがって、同じく点状部材の本数においても、トンネル周方向の点状部材をトンネル軸方向よりも密に配置することで、鋼板の面外変形を効率的に抑制することができ、合成セグメントとしての耐力、剛性を効果的に高めることができる。
【００１０】
また、線状部材をトンネル周方向に複数配置することで、鋼板の剥離に繋がる製作上の初期不整量を小さくしてコンクリートに対する剥離量を小さくし、内部コンクリートとの一体性を高めることができる。
さらに、トンネル軸方向に沿って延びる線状部材と、トンネル周方向に配列される点状部材とを組み合わせることで、セグメント製造時においてトンネル軸方向が上下方向となるようにしてセグメントを縦置きして打設する際、線状部材の長手方向が上下方向に向けられた状態で配置されるので、コンクリートの充填性を高めることが可能となり、品質の高いセグメントを製作することができる。
【００１１】
また、線状部材と点状部材を内空側の鋼板にのみ配置することで、地山側の鋼板の面外変形に対しては土水圧による抑制効果を期待することが可能となり、効率的に鋼板の面外変形抑制効果を高めることができる。
さらに、点状部材において、トンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きくなるように配置することで、この点状部材を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。
【００１２】
また、本発明に係る合成セグメントでは、点状部材は、トンネル軸方向に沿って千鳥配置となっていることが好ましい。
【００１３】
このような構成により、コーン破壊線が重ならないように点状部材を配置した構成となるので、点状部材の定着耐力を効率的に確保することができる。
【００１４】
また、本発明に係る合成セグメントでは、複数の点状部材は、セグメント軸方向の中央部に密に配置されていることが好ましい。
【００１５】
この場合、負荷が大きくかかるセグメント軸方向の中央部に点状部材を配置することで、点状部材の配置数量を少なくすることができ、鋼板の面外変形を効率的に抑制することができる。つまり、主桁の位置では連続的に鋼板の面外変形を抑制することができるため、離散的に配置する複数の点状部材をセグメント軸方向の中部部に密に配置することによって効率的に鋼板の面外変形を抑制し、鋼板の有効幅を確保することができる。
【００１６】
また、本発明に係る合成セグメントでは、線状部材は、孔開き鋼板であることが好ましい。
【００１７】
このような構成により、トンネル軸方向に配置する線状部材に孔開き鋼板を用いることによって、この孔部が製作時のコンクリートの通路となり、コンクリート充填性を高めることができ、合成セグメントの鋼殻内に空気溜まりを防ぐことが可能となる。そのため、コンクリートと線状部材や点状部材との一体化を図ることができ、品質を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る合成セグメントでは、線状部材は、Ｔ字状鋼板であってもよい。
【００１９】
この場合、トンネル軸方向に沿って延びる線状部材に断面視でＴ字状の鋼板を用いることによって、例えば山形鋼のようなＬ字形状の部材に比べてコーン破壊面積を大きくすることが可能となる場合があり、線状部材の引抜き耐力を高め、部材仕様の低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の合成セグメントによれば、線状部材と点状部材を好適に組み合わせて配置することで、セグメントの地山側鋼板および内空側鋼板の面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができる。そのため、主桁や連結リブ等の鋼材を増加させずに鋼板の設計有効断面を増加させることが可能となり、また点状部材の数量を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による合成セグメントの構成を示す一部破断した斜視図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】４辺固定のパネルの機能領域を示す平面図である。
【図５】第２の実施の形態による合成セグメントの断面図であって、図２に対応する図である。
【図６】第３の実施の形態による合成セグメントにおける点状部材の配置を示す図である。
【図７】第１変形例による孔開き鋼板を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】第２変形例によるＴ字状鋼板を示す図であって、（ａ）は側方断面図、（ｂ）は側面図である。
【図９】第３変形例による合成セグメントの断面図であって、図２に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態による合成セグメントについて、図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本第１の実施の形態による合成セグメント１は、例えば、シールド工法によって掘削した内壁に構築されるトンネル覆工体を形成するものであり、薄肉の長方形状の鋼板を円弧面状に湾曲して形成された一対のスキンプレート２Ａ、２Ｂ（鋼板）が、それぞれトンネルの地山側となる位置と内空側となる位置とに平行に対向して配置され、且つスキンプレート２Ａ、２Ｂの相互間にコンクリート３が充填されて略円弧板状に構成されている。
【００２４】
そして、図１乃至図３に示すように、地山側のスキンプレート２Ａと内空側のスキンプレート２Ｂには、両スキンプレート２Ａ、２Ｂのそれぞれのトンネル周方向Ｙに沿う二つの長辺（トンネル軸方向Ｘにおける両端辺）同士を連結する円弧状の主桁４Ａ、４Ｂが設けられ、それぞれのトンネル軸方向Ｘに沿う二つの短辺（トンネル周方向Ｙにおける両端辺）同士を連結する直線状の継手板５Ａ、５Ｂが設けられている。主桁４Ａ、４Ｂには、それぞれトンネル軸方向Ｘに隣接するセグメント同士を連結するためのボルト孔４ａが複数設けられている。継手板５Ａ、５Ｂには、トンネル周方向Ｙに隣接するセグメント同士を連結するためのボルト孔５ａが複数設けられている。
【００２５】
さらに、主桁４Ａ、４Ｂ、および継手板５Ａ、５Ｂの外面（外側に露出する面）には、スキンプレート２Ａ、２Ｂの各辺方向に沿ってシール溝（図示省略）が合成セグメント１の四辺の全周にわたって形成され、このシール溝にシール材が嵌合されるようになっている。
【００２６】
そして、各スキンプレート２Ａ、２Ｂには、互いに対向する内面にトンネル軸方向Ｘに延びる複数本（図２、図３では４本）のＬ型鋼材６（線状部材）がトンネル周方向Ｙに所定間隔をあけて設けられ、さらに頭部７ａ（図１参照）を対向するスキンプレート２Ａ、２Ｂ側に所定長さだけ突き出して固定された複数本のスタッドジベル（以下、単にジベル７という）（点状部材）が設けられている。
【００２７】
Ｌ型鋼材６は、長さ方向の両端を主桁４Ａ、４Ｂの内面に固着させるとともに、断面視でＬ字形の一方の端板６ａがスキンプレート２Ａ、２Ｂの内面に対して溶接などの固着手段により一体的に固定され、その一方の端板６ａがスキンプレート２Ａ、２Ｂに対して略垂直で、他方の端板６ｂの面方向をトンネル周方向Ｙに向けた状態で配置されている。そして、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭くなっている。
【００２８】
ジベル７は、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の間、およびＬ型鋼材６と継手板５Ａ、５Ｂとの間において、コンクリート３側に突出させた状態でトンネル周方向Ｙに配列され、その配列群がトンネル軸方向Ｘに所定の間隔をあけて複数列設けられ、各スキンプレート２Ａ、２Ｂに対して一体的に設けられている。このジベル７は、充填されたコンクリート３との密着性を良くして一体化するものである。そして、ジベル７は、トンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きくなっている。
【００２９】
ジベル７は、合成セグメント１において、トンネル周方向Ｙに沿って配列される列群が３列設けられている。
ここで、トンネル周方向Ｙに配置されるジベル７、７同士の配置間隔を周方向間隔Ｄ１とし、トンネル軸方向Ｘに配置されるジベル７、７同士の間隔を軸方向間隔Ｄ２とする。なお、本実施の形態では、ジベル７と主桁４Ａ（４Ｂ）同士との配置間隔も前記軸方向間隔Ｄ２と同等となっている。
【００３０】
そして、ジベル７の配置間隔は、周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（以下、「ジベル配置比率」という）で０．０８以上１．０未満となるピッチで配置することが好ましい。
【００３１】
なお、ジベル７の周方向間隔Ｄ１と軸方向間隔Ｄ２（隣り合うジベル７、７同士の最小中心間隔）は、５ｄ（ｄ：ジベルの径寸法ｍｍ）または１００ｍｍとする。これは、「「道路橋示方書・同解説 共通編・鋼橋編」、平成１４年３月、社団法人日本道路協会３３５頁、１１．５．４ずれ止めの最小間隔（３）」において、「スタッドの橋軸方向の最小中心間隔は５ｄまたは１００ｍｍとし〜」なる記載に基づいたものである。
【００３２】
前記ジベル配置比率を１．０未満とした理由は、１．０以上になると、必要ジベル本数が従来のジベル（スタッドジベル）のみでせん断ずれ力を抑制する場合と同様となり、ジベル本数が増加してしまうためである。
【００３３】
また、前記ジベル配置比率を０．０８以上とする理由は、以下のとおりである。
すなわち、セグメント幅（トンネル軸方向Ｘの長さ寸法）の最大がこれを運搬するトラック等の車両幅の制限より２４００ｍｍ程度とした場合、ジベル７をトンネル軸方向Ｘに１列のみ配置すると、軸方向間隔Ｄ２は１２００mmとなる。この１２００ｍｍが軸方向間隔Ｄ２の最大値となる。そして、隣り合うジベル７、７同士の最小中心間隔は、上述したように５ｄまたは１００ｍｍとなるので、橋軸方向が周方向間隔Ｄ１に相当することになる。そのため、最小間隔１００ｍｍを軸方向間隔Ｄ２の最大値である１２００ｍｍで除した値が０．０８となり、この０．０８を最小値としている。
【００３４】
次に、上述したように構成された合成セグメント１の作用について、図面に基づいて説明する。
図１乃至図４に示すように、本合成セグメント１では、土水圧によりスキンプレート２Ａ、２Ｂに受けた面圧を主桁４Ａ、４Ｂに確実に伝達することができる。具体的には、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔をセグメント幅よりも狭くなるように配置することで、少なくともトンネル周方向Ｙのスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をトンネル軸方向Ｘ、即ちセグメント幅方向の座屈耐力よりも大きくしておくことが可能となる。
そのため、合成セグメント１には面内方向の軸力を受けてスキンプレート２Ａ、２Ｂに座屈が生じ、スキンプレート２Ａ、２Ｂとコンクリート３との一体性が損なわれるのを防止することができる。すなわち、トンネル周方向Ｙに沿ってスキンプレート２Ａ、２Ｂが先に座屈し、土水圧からの荷重を主桁４Ａ、４Ｂに流す前にセグメント全体の耐力が低下してセグメント部材全体の耐力を効率的に発揮させることができないといった不具合をなくすことができる。
【００３５】
このように、各部材全体を有効利用するためには、少なくともトンネル周方向Ｙのスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をトンネル軸方向Ｘ（セグメント幅方向）の座屈耐力よりも大きくしておく必要がある。
ここで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈をオイラー式で評価する。図４に示すように、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔をａ、セグメント幅をｂとし、またセグメント周方向ＹのＬ型鋼材６、６間のスキンプレート２Ａ、２Ｂ（図３）の座屈耐力をσｃｒａ、セグメント軸方向Ｘの主桁４Ａ、４Ｂ間のスキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈耐力をσｃｒｂとした。
【００３６】
なお、境界条件は軸力が作用する方向の両端においては、スキンプレート２Ａ、２Ｂと主桁４Ａ、４ＢやＬ型鋼材６との溶接条件が適宜設定され変化するため、すべての拘束条件を表現できるようにするため座屈係数をｋとし、軸力が作用する方向と平行となる側面においては、スキンプレート２Ａ、２Ｂと主桁４Ａ、４ＢやＬ型鋼材６との溶接条件が適宜設定され変化するため、スキンプレート２Ａ、２Ｂの座屈にとって最も危険側となるフリーの条件とした。
【００３７】
これらの条件でセグメント周方向Ｙの座屈をセグメント幅方向Ｘよりも遅らせるためには、荷重条件の影響を受けトンネル周方向Ｙの軸力がセグメント幅方向Ｘの軸力よりも卓越する傾向があるが、少なくとも（１）式を成立させる必要がある。（１）式において、σｃｒａ、σｃｒｂはそれぞれ（２）式、（３）式で記述される。そして、（１）式に、（２）式および（３）式を代入すると（４）式となる。したがって、隣り合うＬ型鋼材６、６同士の配置間隔ｂをセグメント幅ａよりも小さくする必要があることがわかる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
【数２】
【００４０】
【数３】
【００４１】
このように、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形の主たる原因がトンネル周方向Ｙの軸力の半径方向成分の力により引き起こされるため、Ｌ型鋼材６をトンネル周方向Ｙに密に配置することで効果的にトンネル周方向Ｙの面外変形を防ぐことができる。したがって、同じくジベル７の本数においても、トンネル周方向Ｙのジベル７をトンネル軸方向Ｘよりも密に配置することで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制することができ、合成セグメント１としての耐力、剛性を効果的に高めることができる。
【００４２】
２枚の主桁４Ａ、４Ｂと、Ｌ型鋼材６が一体的に設けられた地山側および内空側のスキンプレート２Ａ、２Ｂにおけるトンネル軸方向Ｘに延びる隣り合う一対のＬ型鋼材６とによって、図４に示す４辺が固定される領域Ｐ（図４の太い点線で囲まれる領域）が４辺固定のパネルとして機能することから、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制することができ、合成セグメント１としての耐力、剛性を高めることができる。そして、隣り合うＬ型鋼材６、６同士のトンネル周方向Ｙの配置間隔がセグメント幅よりも狭いことから、面外変形の抑制効果をさらに向上させることができる。
【００４３】
さらに、主桁４Ａ、４ＢとＬ型鋼材６との間にジベル７が配置されているので、コンクリート３との付着力が増し、コンクリート３とスキンプレート２Ａ、２Ｂとの剥離が抑制され、上述した面外変形の抑制効果をより一層向上させることができる。
【００４４】
また、Ｌ型鋼材６、６、…をトンネル周方向Ｙに複数配置することで、スキンプレート２Ａ、２Ｂの剥離に繋がる製作上の初期不整量を小さくしてコンクリート３に対する剥離量を小さくし、内部コンクリート３との一体性を高めることができる。
さらに、トンネル軸方向Ｘに沿って延びるＬ型鋼材６と、トンネル周方向Ｙに配列されるジベル７とを組み合わせることで、セグメント製造時においてトンネル軸方向Ｘが上下方向となるようにして合成セグメント１を縦置きして打設する際、Ｌ型鋼材６の長手方向が上下方向に向けられた状態で配置されるので、コンクリート３の充填性を高めることが可能となり、品質の高い合成セグメント１を製作することができる。
【００４５】
さらに、ジベル７において、トンネル軸方向Ｘの配置間隔がトンネル周方向Ｙの配置間隔よりも大きくなるように配置することで、このジベル７を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。
【００４６】
しかも、ジベル７において、周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（ジベル配置比率）が０．０８以上１．０未満となるように配置することで、このジベル７を大幅に削減することが可能な適正な数量で配置することができる。とくに前記比率が最も小さい場合には、設定したスキンプレート２Ａ、２Ｂの有効幅を確保する場合におけるジベル７の数量を最小にすることができる。
【００４７】
例えば、図１乃至図３に示す本実施の形態の配置構成（線状部材と点状部材の配置構成）とは異なるが、セグメント幅を１５００ｍｍ、スキンプレートの厚さ寸法を１９ｍｍ、曲率半径を略６０００ｍｍ、本実施の形態のようなＬ型鋼材などの線状部材の間隔を８００ｍｍとしたときに、従来のせん断ずれ力をスタッドジベルのみで抑制する場合には、スタッドジベルの配置間隔として、周方向間隔Ｄ１で１５０ｍｍ、軸方向間隔Ｄ２で１５０ｍｍ、周方向間隔Ｄ１／軸方向間隔Ｄ２が１．０となり、必要なスタッドジベル本数がスキンプレート１枚あたり１８９本となる。
また、スタッドジベルの配置間隔として、周方向間隔Ｄ１で２００ｍｍ、軸方向間隔Ｄ２で２５０ｍｍとなり、周方向間隔Ｄ１／軸方向間隔Ｄ２が０．８とすることができ、必要なスタッドジベル本数がスキンプレート１枚あたり９０本となる。したがって、本実施の形態のスタッドジベルの本数は、従来技術に対して略半数となる。
【００４８】
また、Ｌ型鋼材６は突出先端がトンネル周方向Ｙに向けて張り出す形状であり、ジベル７は突出先端の断面形状が基端部よりも拡大されているので、コンクリート３との付着力が増し、より確実な一体化が図れることから、剥離防止効果を向上させることができる。
【００４９】
さらにまた、本実施の形態の合成セグメント１では、従来のような縦リブによって補強した構造ではないので、製造が容易であり、且つ製造コストを低減することができる利点がある。つまり、本実施の形態による合成セグメント１では、６面鋼殻体である場合において、縦リブと内空側もしくは地山側のスキンプレートとの溶接が困難であり、これにより縦リブ部分のスキンプレートとの剥離を抑制できず、スキンプレートの有効幅（剛性）の低下を招くといった従来構成の不具合を無くすことができる。
また、本合成セグメント１では、地山側にスキンプレートを有する５面鋼殻体で縦リブに防食塗装を施していない場合には、コンクリートによる被り厚さが必要となり、コンクリートを嵩上げしなければならず、コンクリートの材料費が増加するという従来構成の不具合を無くすことができる。
【００５０】
上述した本第１の実施の形態による合成セグメントでは、Ｌ型鋼材６とジベル７を好適に組み合わせて配置することで、セグメント３の地山側および内空側のスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制して剥離を防止することができる。そのため、主桁４Ａ、４Ｂや連結リブ等の鋼材を増加させずにスキンプレート２Ａ、２Ｂの設計有効断面を増加させることが可能となり、またジベル７の数量を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００５１】
次に、本発明の合成セグメントによる他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図５に示す第２の実施の形態による合成セグメント１Ａは、ジベル７（点状部材）がトンネル軸方向Ｘに沿って千鳥配置となっている。
この場合、コーン破壊線が重ならないようにジベル７を配置した構成となっているので、ジベル７の定着耐力を効率的に確保することができる。
【００５３】
（第３の実施の形態）
図６に示す第３の実施の形態の合成セグメント１Ｂは、複数のジベル７、７、…（すなわち、トンネル周方向Ｙに配列されたジベル７の配列群７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）は、セグメント軸方向Ｘの中央部に密に配置されている。
この場合、負荷が大きくかかるセグメント軸方向Ｘの中央部にジベル７を配置することで、ジベル７の配置数量を少なくすることができ、スキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を効率的に抑制することができる。つまり、主桁４Ａ、４Ｂの位置では連続的にスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制することができるため、離散的に配置する複数のジベル７をセグメント軸方向Ｘの中央部に密に配置することによって効率的にスキンプレート２Ａ、２Ｂの面外変形を抑制し、スキンプレート２Ａ、２Ｂの有効幅を確保することができる。
【００５４】
（第１変形例）
図７（ａ）、（ｂ）に示す第１変形例では、上述した実施の形態のＬ型鋼材６（図１参照）に代えて、孔開き鋼板８（線状部材）を採用したものである。
このような構成により、トンネル軸方向に配置する孔開き鋼板８を用いることによって、この孔部８ａが製作時のコンクリート３（図１参照）の通路となり、コンクリート充填性を高めることができ、合成セグメントの鋼殻内に空気溜まりを防ぐことが可能となる。そのため、コンクリート３と孔開き鋼板８やジベル７との一体化を図ることができ、品質を向上させることができる。
【００５５】
（第２変形例）
図８（ａ）、（ｂ）に示す第２変形例では、上述した実施の形態のＬ型鋼材６（図１参照）に代えて、Ｔ字状鋼板９（線状部材）を採用したものである。Ｔ字状鋼板９は、突起部９ａがセグメント内空側となるように基端部９ｂをスキンプレート２Ａ、２Ｂに溶接等で固着させている。
この場合、トンネル軸方向Ｘに沿って延びる線状部材に断面視でＴ字状の鋼板を用いることによって、上述したＬ字形状の部材に比べてコーン破壊面積を大きくすることが可能となる場合があり、Ｔ字状鋼板９の引抜き耐力を高め、部材仕様の低減を図ることができる。
【００５６】
以上、本発明による合成セグメントの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態ではジベル７をトンネル軸方向Ｘに３列配置させているが、ジベル７の列数や間隔はこれに限定されることはなく、セグメントの形状、大きさに応じて設定することが可能である。例えば、図９に示す合成セグメント１Ｃのように、トンネル軸方向Ｘに５列配置する構成とすることができる。この場合も、例えばジベル７の周方向間隔Ｄ１を軸方向間隔Ｄ２で除した値（比率）が０．０８以上１．０未満となるようにジベル７を配置することができる。
【００５７】
また、上述した実施の形態では鋼板をなすスキンプレート２Ａ、２Ｂを地山側とトンネル内空側に設けた合成セグメントを対象としているが、これに限定されることはない。例えば、Ｌ型鋼材６とジベル７を内空側のスキンプレート２Ｂにのみ配置することで、地山側の鋼板の面外変形に対しては土水圧による抑制効果を期待することが可能となり、効率的に鋼板の面外変形の抑制効果を高めることができる。
【００５８】
さらに、本実施の形態では線状部材としてＬ型鋼材６、孔開き鋼板８、Ｔ字状鋼板９を採用しているが、これに限定されず、板状など他の断面形状の線状部材を用いても良い。そして、点状部材としてジベル７を採用しているが、これに限らず、ボルトやピンなどを用いることも可能である。具体的には、ボルトの雄ねじ部を各スキンプレート２Ａ、２Ｂに形成した有底または貫通のねじ孔に螺合して構成したもの、大径の頭部を有するピンを、スキンプレート２Ａ、２Ｂに設けたピンの軸部より小さくした有底穴または貫通穴に圧入して構成したものや、その他の適宜の構成を有するものを採用することができる。また、本実施の形態では線状部材はスキンプレートの面外方向の剥離抑制を行うために設置されているが、さらにずれ止めとして考慮することにより、断面を合理的に形成することが可能となる。
【００５９】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 合成セグメント
２Ａ、２Ｂ スキンプレート（鋼板）
３ コンクリート
４Ａ、４Ｂ 主桁
５Ａ、５Ｂ 継手板
６ Ｌ型鋼材（線状部材）
７ ジベル（点状部材）
８ 孔開き鋼板（線状部材）
９ Ｔ字状鋼板（線状部材）
Ｄ１ 周方向間隔
Ｄ２ 軸方向間隔
Ｘ トンネル軸方向
Ｙ トンネル周方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚の主桁と、そのトンネル周方向両端部に配置され、それら主桁間を渡すように接合された２枚の継手板と、地山側および内空側の少なくとも一方に設けられた鋼板と、を有する鋼殻の内部に、コンクリートを充填してなる曲率を有する合成セグメントであって、
前記鋼板における前記コンクリートに対向する面には、
トンネル軸方向に延びるとともに、前記コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に複数配列して前記鋼板と一体化された線状部材と、
隣り合う前記線状部材同士の間、および前記継手板と前記線状部材との間において、前記コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に配列され、トンネル軸方向に複数列が設けられて前記鋼板と一体化された点状部材と、
が設けられ、
隣り合う前記線状部材同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、前記点状部材はトンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きいことを特徴とする合成セグメント。
【請求項２】
前記点状部材は、トンネル軸方向に沿って千鳥配置となっていることを特徴とする請求項１に記載の合成セグメント。
【請求項３】
複数の前記点状部材は、セグメント軸方向の中央部に密に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の合成セグメント。
【請求項４】
前記線状部材は、孔開き鋼板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の合成セグメント。
【請求項５】
前記線状部材は、Ｔ字状鋼板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の合成セグメント。
【請求項１】
少なくとも２枚の主桁と、そのトンネル周方向両端部に配置され、それら主桁間を渡すように接合された２枚の継手板と、地山側および内空側の少なくとも一方に設けられた鋼板と、を有する鋼殻の内部に、コンクリートを充填してなる曲率を有する合成セグメントであって、
前記鋼板における前記コンクリートに対向する面には、
トンネル軸方向に延びるとともに、前記コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に複数配列して前記鋼板と一体化された線状部材と、
隣り合う前記線状部材同士の間、および前記継手板と前記線状部材との間において、前記コンクリート側に突出させた状態でトンネル周方向に配列され、トンネル軸方向に複数列が設けられて前記鋼板と一体化された点状部材と、
が設けられ、
隣り合う前記線状部材同士の配置間隔はセグメント幅よりも狭く、前記点状部材はトンネル軸方向の配置間隔がトンネル周方向の配置間隔よりも大きいことを特徴とする合成セグメント。
【請求項２】
前記点状部材は、トンネル軸方向に沿って千鳥配置となっていることを特徴とする請求項１に記載の合成セグメント。
【請求項３】
複数の前記点状部材は、セグメント軸方向の中央部に密に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の合成セグメント。
【請求項４】
前記線状部材は、孔開き鋼板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の合成セグメント。
【請求項５】
前記線状部材は、Ｔ字状鋼板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の合成セグメント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８３１２０（Ｐ２０１３−８３１２０Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４９４３（Ｐ２０１１−２２４９４３）
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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