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コンクリート中詰め鋼製セグメント
説明

コンクリート中詰め鋼製セグメント

【課題】二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを構造材として一体化させ、トンネル覆工体の経済性を向上させることが可能なコンクリート中詰め鋼製セグメントを提供すること。
【解決手段】コンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブ5の中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度θが10度〜25度の範囲とされ、かつ、継手板4に隣接する縦リブ5と継手板4との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ5同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板4に隣接する各縦リブ5が配置されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トンネルの覆工に関するもので、トンネル断面の曲率を有する部位を覆工するためのコンクリート中詰め鋼製セグメントの経済性を向上させる技術である。
特に、大深度に構築されるシールドトンネルの覆工体として適用する場合にその効果が大きいコンクリート中詰め鋼製セグメントに関する。
【背景技術】
【0002】
トンネル、特にシールドトンネルの覆工体としては、鋼製セグメント,RCセグメント,合成セグメントが知られている。コンクリート中詰め鋼製セグメントは、鋼製セグメントにあらかじめコンクリートを中詰めすることによって、従来、必要であった二次覆工を省略するために開発された二次覆工一体型のセグメントである。このコンクリート中詰め鋼製セグメントは、トンネルに作用する土水圧に対しては鋼材部分のみで抵抗するとして設計され使用されてきているが、コンクリートを中詰めしたことによる自重の増加のために、鋼製セグメントとして設計する場合に比較して鋼材重量が大きくなり、この面では不経済なものとなっていた。
【0003】
あらかじめ中詰めしたコンクリートを構造材として活用しようという試みもなされていたものの、セグメントの鋼枠と中詰めコンクリートを一体化する方法としては、スタッドジベルのような機械的なずれ止めを配置する方法が検討されていたが、多数のスタッドジベルを設置する必要があるために、中詰めコンクリートを構造材化するメリットよりもスタッドジベルを取り付ける経済的なデメリットの方が大きく、検討はされたものの実用化には至っていない。
【0004】
中詰めコンクリートを構造材化する方法として、(1)縦リブを貫通する鉄筋を配置することによって中詰めコンクリートを構造材化する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、主桁を[ 形状にし、かつ、H形状の縦リブを使用することによって中詰めコンクリートを構造材化する方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。しかし、これらの方法によって製造されたセグメントは、土水圧により作用する曲げモーメントが極めて大きい場合には、メリットがあるものの、反面、作用する曲げモーメントが比較的小さい場合には、セグメントに複雑な加工が必要なために高価になり、不経済な構造となってしまう。
【特許文献1】特開2004−270276号公報
【特許文献2】特開2003−27894号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
コンクリート中詰め鋼製セグメントに用いられている鋼枠は、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと鋼枠のトンネル外周面側に配置されるスキンプレートにより構成されている。主桁および継手板には、隣接するセグメントとボルトにて締結するためのボルト孔および継手部の止水を目的として設置されるシール材を配置するためのシール溝が設けられている。これらの部材は溶接接合により組み立てられた後に、内部にコンクリートを充填して製作されている。
従来、鋼枠内に配置される縦リブは一対の主桁の間隔を保持するために必要最小限の枚数が使用されており、また平板の縦リブが用いられることが多く、そのため縦リブとして使用される平板は形状の保持と主桁と縦リブを溶接するために必要な最小の板厚が選定されていた。
そのため、従来のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、鋼枠と中詰めコンクリートの一体性が十分ではなく、中詰めコンクリートを構造材として使用できなかった。
また、従来、トンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの配置角度と、中詰コンクリートとの一体合成化との関係については知られていない。
本発明者は、前記のトンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの配置角度と、中詰コンクリートとの一体合成化との関係について種々検討した結果、トンネル周方向に組み立てられたセグメントリング中心に対して縦リブの所定範囲の配置角度により、別個に中詰コンクリートに係合する鉄筋等の補助鋼材を使用しない場合でも、主桁または主桁,縦リブと中詰コンクリートとの一体合成化が可能であることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、コンクリート中詰め鋼製セグメントに特殊なずれ止め機構を追加することなく、二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを構造材として、鋼枠と中詰めコンクリートを一体化させ、鋼コンクリート合成構造体としての性能を発揮させることができ、トンネル覆工体の経済性を向上させることが可能なコンクリート中詰め鋼製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】
【0006】
前記の課題を有利に解決するために、第1発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、トンネル断面の曲率を有する部位の覆工体として使用されるコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと一つのスキンプレートで構成される曲率を有する鋼枠の内部に、コンクリートを充填して得られるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が10度〜25度の範囲とされ、かつ、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板に隣接する各縦リブが配置されていることを特徴とする。
また、第2発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、第1発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、セグメントのトンネル半径方向の高さH、縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数μ、セグメントの幅B、縦リブの配置間隔の中心角θ、中詰めコンクリートの断面積Ac、中詰めコンクリートのヤング率Ec、主桁の断面積As、主桁のヤング率Esおよび中詰めコンクリートのトンネル半径方向の高さhcを用いて、縦リブのトンネル半径方向の高さhrが下記式(1)で定められる範囲となるように縦リブのトンネル半径方向の高さhrを設定し、

かつ、前記縦リブの板厚trが、縦リブ1枚が主桁に伝達する荷重をPrとし、鋼材の種類により定まる許容せん断応力度をτsaとした場合に、下記式(2)

を満足するように縦リブの板厚trを設定したことを特徴とする。
また、第3発明においては、第1または第2発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、縦リブの表面に凹凸を付与することにより縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数を向上させたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
また、第4発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいては、第1発明または第2発明の縦リブとして、断面T字状または断面L字状の縦リブを用いたことを特徴とする。
また、第5発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、第1発明または第2発明の縦リブに貫通孔を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によると、コンクリート中詰め鋼製セグメントに配設されている縦リブの仕様および配置を、中詰めコンクリートを構造材化するために、適切な仕様および配置にすることができ、そのため、コンクリート中詰め鋼製セグメントを構成する主桁と構造材化された中詰めコンクリートを確実に一体化することができ、すなわち、これまでトンネルの二次覆工の代替材として用いられてきた中詰めコンクリートを確実に構造材化することができ、そのため、大深度におけるトンネル覆工体を構成するためのセグメントとして使用しても、トンネル覆工体に作用する圧縮軸力および曲げモーメントに合理的かつ経済的に対応可能なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブのトンネル半径方向の高さをセグメントのトンネル半径方向の高さ以下の範囲において設定すると共に縦リブの板厚を、定量的に設定することにより、より合理的なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブの表面に凹凸を付与することにより、縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数μを向上させ、縦リブと中詰めコンクリートとを確実に一体にすることができる。
また、断面T字状または断面L字状の縦リブを用いることにより、剛性の高いコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
また、縦リブに貫通孔を設けることにより、中詰めコンクリートと縦リブの一体化を確実に図り、剛性の高い経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメントとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
次に、本発明のコンクリート中詰め鋼製セグメントについて順に説明する。
先ず、第1発明のように設定した理由について順に説明する。
【0009】
曲率を有するトンネルおよびトンネル覆工体の代表としては、シールドトンネル工法,推進工法などにより構築される円形断面のトンネルが知られている。
図1は、シールドトンネル工法により構築された円形トンネルの覆工構造を示している。
この図に示したシールドトンネル覆工体2の場合には、3つのAセグメント1Aと2つのBセグメント1Bと1つのKセグメント(キーセグメント)1Kにより円形のトンネル覆工体(セグメントリング)2が構成されており、各々のセグメント1A,1B,1K同士の接続は、セグメントの継手板を介してボルトにより接続されるのが一般的である。
前記のAセグメント1Aと、Bセグメント1Bと、Kセグメント1Kのうち、いずれの場合も適用可能であるが、特に、Aセグメント1Aを例にして説明する。
【0010】
図2は、セグメントの例としてトンネル覆工体として用いられるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおけるAセグメント1Aの構成を示しているが、トンネル周方向に伸びる鋼製の一対の主桁3と、トンネル軸方向に伸びる一対の鋼製の継手板4と複数(図2の場合には4枚)の鋼製の縦リブ5と、一枚の鋼製のスキンプレート6とにより構成される鋼枠(鋼殻)7の内部に中詰めコンクリート8を打設している。
【0011】
継手板4に設けられる複数のボルト孔(図示を省略)と前記継手板4の内側(コンクリート部)に設けられるボルトボックス(図示を省略)を用いて、トンネル周方向に隣接するセグメント1A,1B,1K同士がボルト締結により接合されるのが一般的である。また、主桁3に設けられた複数のボルト孔(図示を省略)と各主桁3の内側(コンクリート部)に設けられるボルトボックス(図示を省略)を用いて、トンネルの延長方向に隣接するセグメント1A,1B,1Kとボルト締結により接続される。
【0012】
このようにして構成されるトンネル覆工体2には、地中の土圧および水圧が作用することとなるが、スキンプレート6に作用する土水圧は、中詰めコンクリート8および縦リブ5を介して主桁3に作用することとなる。このため主桁3には、縦リブ5および継手板4位置でのみ、土水圧による荷重が作用することとなる。
前記の土水圧による荷重について、図3に、縦リブ5および継手板4の位置において、主桁3に荷重f1が作用している状況を示している。
【0013】
図4に示すように、セグメントリング2に均等な法線方向の分布荷重P1が作用する場合には、図5に示すように、セグメントリング2内には、均等な周方向の軸力N3のみが発生する。
しかしながら、図6に示すように集中荷重F1が離散的に作用する場合には、図7に示す軸力N3のみではなく、図8に示すように曲げモーメントM1,M2および図9に示すようにせん断力S1、S2が発生する。
即ち、コンクリート中詰め鋼製セグメント9A(図2参照)における鋼製セグメント(鋼殻)のように、縦リブ5および継手板4がトンネル周方向に間隔をおいて離散的に配置されている場合には、コンクリート中詰め鋼製セグメント9Aの主桁3は、トンネル周方向の軸力Nおよび曲げモーメントM1,2に抵抗できる主桁仕様とすることが必要である。
しかしながら、土水圧が同じであれば発生するトンネル周方向の軸力Nは同じ大きさとなるので、縦リブ5が配置されている間隔、すなわち図10に示す中心角(トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度)θの大小により曲げモーメントの大きさが異なり、小さな中心角となるように縦リブおよび継手板を配置すれば、主桁3のトンネル半径方向の桁高が同じであれば、主桁3の板厚は、トンネル周方向の軸力Nと、小さな曲げモーメントMに抵抗するために必要な板厚Tとすれば良い。
【0014】
図10に示す中心角θは、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度であり(縦リブ5相互の場合)、また、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度である。
【0015】
図11は、縦リブ5の配置間隔の中心角θをパラメータとして、トンネル周方向の軸力Nと曲げモーメントMを算定し、横軸に中心角(θ)、縦軸に曲げモーメント(M)と軸力(N)の比(M/N)として表したグラフである。なお、図11中、左上図では、左から、縦リブ5の配置間隔を10度、25度、45度と仮定した場合にそれぞれ継手板から主桁に伝達される位置が矢印で示されている。
この図11左上図中の左に示すように、縦リブ5間隔が小さくなれば、M/Nは二次曲線的に小さくなり、トンネル周方向の軸力が卓越してくることが解る。
しかしながら、現実問題としては、中心角θが0度では、縦リブ5を配置することは不可能であるし、経済的な面からは縦リブ間隔の中心角θが大きく、縦リブ5の取り付け枚数が少ない方が有利である。
【0016】
図11に示すように、縦リブ間隔が中心角で25度以下であれば、縦リブ位置に発生する曲げモーメントMとセグメントリングに発生している軸力Nとの比は、M/N<0.1(m)以下となり、実用上問題のない範囲とすることができる。したがって、本発明では、トンネル周方向に間隔をおいて隣接する縦リブ相互の中心角θ(θ1)および継手板4とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ5の中心角θ(θ2)いずれの角度も、25度以下とすることにしている。
【0017】
一方で、図11左上図中の右に示すように、縦リブ間隔の中心角θを45度と大きくすれば、曲げモーメント(M)が大きくなるために、主桁3の板厚を大きくしなければならず、これも不経済となる。
そこで、縦リブ間隔の中心角θをパラメータとして、主桁3の桁高さを一定として、トンネル周方向の軸力Nおよび曲げモーメント(M)に抵抗するために必要な主桁3の厚さを算定して求めた主桁3の鋼材重量(図12の右下がりの実線)、縦リブ5の取り付け手間を考慮して算定した換算重量に、縦リブ枚数を乗じて求めた縦リブ5の総鋼材重量(図12の右上がりの点線)、これら2つを加えて得られる換算重量(図12の上部プロット曲線)を算定した。
【0018】
図12には、このようにして得られた縦リブ間隔の中心角θと換算鋼材重量との関係を示した。換算鋼材重量は、中心角θが17度と18度の間で最小の値となることが解った。
図12の実線は、縦リブ5の総重量の変化で、破線は主桁3の重量の変化であり、最上部のプロット線Lが換算鋼材重量を示している。
このように縦リブ間隔の中心角度θを10度から25度の範囲で設定すれば、経済的なコンクリート中詰めコンクリートを得ることができ、好ましくは縦リブ間隔の中心角度θを15度から20度の範囲とし、より好ましくは17度から18度の範囲で縦リブの間隔を設定することができる。
【0019】
継手板4とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ5との中心角θ(θ)を、隣合う縦リブ5間の中心角θ(θ)と同じか、前記隣合う縦リブ5間の中心角θ(θ)よりも小さくした理由は、隣合う縦リブ5間の中心角θ(θ)と同じであれば同様な作用効果を生じ、また、隣合う縦リブ5間の中心角θ(θ)よりも小さくしておけば、同等以上の作用効果を発揮することができるためである。これらの前提として、トンネル周方向に間隔をおいて隣接する縦リブ5間の中心角θ(θ1)と、継手板4とこれに隣接する縦リブ5間の中心角θ(θ2)で、角度差がある場合では、例えば、隣合う縦リブ5間の中心角θ(θ)を12度とした場合に、継手板4とこれに間隔をおいて隣接する縦リブ5との中心角θ(θ)を、12度以下で実用可能な範囲の角度、例えば、4.5度等にする。
【0020】
次に、第2発明のように縦リブ5のトンネル半径方向の高さおよび板厚を設定した理由について説明する。
さらに、経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメント9を得るためには、縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrと板厚trを合理的に決定することが必要となる。
コンクリート中詰め鋼製セグメント9のスキンプレート6を介して、中詰めコンクリート8に作用する土水圧は、コンクリート中詰め鋼製セグメント9における中詰めコンクリート8中にも、トンネル周方向の軸力N,曲げモーメントMおよびせん断力Sを発生させる。しかしながら、中詰めコンクリート8には、土水圧は分布荷重として作用するので、中詰めコンクリート8中に発生する曲げモーメントおよびせん断力は、主桁3に比較すると小さな割合でありトンネル周方向の軸力Nが卓越する。
中詰めコンクリート8中に発生するトンネル周方向の軸力Nは、図13に示すように、縦リブ5および継手板4を挟み込むように作用する。また、縦リブ5および継手板4をトンネル半径方向で中心方向に向けて配置しておけば、中詰めコンクリート8が抜け出そうとすれば、トンネル周方向に隣合う縦リブ5相互がトンネル中心側に向かって接近するように傾斜しているくさび効果により、さらに大きなトンネル周方向の軸力Nが発生することとなる。
中詰めコンクリート8に圧縮力が発生すると同時に、中詰めコンクリート8は、セグメントリング2が縮まる方向(セグメントリングの半径が小さくなる方向)に変形するが、トンネル周方向の軸力Nで押さえ込まれた縦リブ5および継手板4も同様に引き込まれ、これら主桁3に溶接などの方法により固定された縦リブ5および継手板4に引き込まれて主桁3も半径方向に変形することとなる。
【0021】
しかしながら、縦リブ5および継手板4の仕様、縦リブ5および継手板4と主桁3を固定する仕様をどのようにすれば良いのかを明らかにしなければ、中詰めコンクリート8と鋼枠7が一体として挙動する経済的なコンクリート中詰め鋼製セグメント9を提供することはできない。
【0022】
図14に示すように、直径(D)のセグメントリング2の周囲から中心方向を向いたpという分布荷重が作用すると、このセグメントリング2には、式3に示すような軸力(N)が発生する。但し、Bは、セグメントの幅寸法である。
【数3】

【0023】
このセグメントリング2がコンクリート中詰め鋼製セグメント9である場合には、中詰めコンクリート8の断面積(Ac)および中詰めコンクリート8のヤング係数(Ec)、主桁3の断面積(As)と主桁3のヤング係数(Es)を用いて、中詰めコンクリート8に発生するトンネル周方向の軸力(Nc)と主桁3に発生する軸力(Ns)を、式4および式5のように決定することが出来る。
【数4】

【数5】

【0024】
このようなトンネル周方向の軸力(Nc)(Ns)に関する関係を利用すれば、分布荷重pの内、主桁3が負担する割合を決定することができ、縦リブ5または継手板4が主桁3に伝達しなければならない荷重(P)を求めることが可能となる。
図16に示すように、縦リブ5の1枚が分担しなければならない分布荷重pの範囲は、縦リブ間隔の中心角度θに等しくなる。
コンクリート中詰め鋼製セグメント9の幅寸法が(B)で、トンネルを構成するセグメントリング2の外径が(D)の時、縦リブ1枚が主桁3に伝達する荷重(Pr)は、式6のようになる。
【数6】

【0025】
また、縦リブ5または継手板4と中詰めコンクリート8の間の摩擦係数が(μ)であるとき、中詰めコンクリート8のトンネル半径方向の高さ(hc)と、縦リブ5のトンネル半径方向の高さ(hr)であれば、中詰めコンクリートから縦リブに伝達できるリングの中心向きの荷重(Pc)は、式7のようになる。
【数7】

合理的かつ最も経済的な縦リブ高さhrは、前記のPrとPcが等しくなるように設定した縦リブ高さhrである。すなわち、式6と式7の右辺をhrで整理し、式4および式3の右辺を代入して得られる式8である。
【数8】

【0026】
すなわち、上記式8は、合理的かつ最も経済的な縦リブ高さhrである。
このようにして設定した縦リブ高さhrの縦リブ5の必要な板厚(tr)は、縦リブ5に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度(τsa)を用いて、下記式9によりにより、合理的に決定できる。
【数9】

【0027】
しかしながら、実際のコンクリート中詰め鋼製セグメント9では、制作上の都合などにより、前記の縦リブ高さhrよりも大きな高さの縦リブ5が用いられることがあるので、縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrは、セグメント桁高(H)以下で、縦リブ高さhr以上のトンネル半径方向の高さを用いるのが合理的である。
【0028】
次に、第3発明のように縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrを設定した理由について説明する。
【0029】
すなわち、主桁3の板厚Tが大きくなった場合や、主桁3の鋼材として強度の高い鋼材を使用した場合には、下記式10

の範囲で縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrを決定できないことがある。
そのような場合には、縦リブ5の表面に凹凸を設けて、縦リブ5と中詰めコンクリート8の間の摩擦係数μを高める方法がある。そのような方法としては、縦リブ5に赤錆を発生させる方法,ブラスト処理を行う方法の他、縦リブ5の材料として、縞鋼板や床用鋼板などのような圧延時に凹凸が付けられた鋼板を用いる方法またはプレス加工により特殊な形状の凹凸を付与した鋼板を用いる方法などがある。
このような方法により縦リブ5と中詰めコンクリート8の間の摩擦係数を向上させ、実験により改善された縦リブ5と中詰めコンクリート8の間の摩擦係数(μ)を求めた上で、下記式11の範囲で縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrを決定することができる。
【数11】

【0030】
次に、第4発明のように、縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrを設定した理由について説明する。
図17(a)(b)に示すように、縦リブ5の形状を断面T字状(図17bの場合)または断面L字状(図17aの場合)とした場合には、縦リブ5に設けられたフランジ10と中詰めコンクリート8の間のせん断(せん断力の伝達)を考慮して、縦リブ5のトンネル半径方向の高さを決定することが可能である。
縦リブ5のフランジ10とスキンプレート6の間の中詰めコンクリート8から縦リブ5に伝達できる荷重(Ps)を実験によるか、または縦リブ5のフランジ10とスキンプレート6の間の中詰めコンクリート8の断面積(Acr)と中詰めコンクリート8の強度に応じて設定されるコンクリートの許容せん断応力度(τca)を用いて、摩擦により縦リブ5から主桁3に伝達すべき荷重(Pr)を算出する。
前記の計算による場合には、下記式(12)または(13)になる。

Ps=Acr×τca (12)
Pr=Pr−Ps (13)

上式(12)(13)と中詰めコンクリート8から縦リブ5に摩擦により伝達可能な荷重(Pc)が等しくなるように縦リブ高さ(hr)を決定することが可能である。即ち、下記式14のようになる。
【数14】

【0031】
このようにして決定した縦リブ高さhrの縦リブ5の必要な板厚(tr)は、縦リブ5に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度(τsa)を用いて、下記式15により、合理的に決定できる。
【数15】

【0032】
次に、第5発明のように、設定した理由について説明する。
縦リブ5に貫通孔を設けることにより、縦リブ高さhrを低減する方法がある。
図18は、縦リブ5に貫通孔11を設けた状況を示しているが、貫通孔11の径および個数と位置は、任意に選択すればよいが、中詰めコンクリート8に使用される粗骨材の最大寸法の2倍程度の径以上にするのが好ましい。
このような貫通孔11に充填された中詰めコンクリート8が、縦リブ5に伝達可能な荷重Phを実験などにより求めるか、または貫通孔11の総面積(Ah)とコンクリートの種類により決定される許容せん断応力度(τca)を用いて、摩擦により縦リブ5から主桁3に伝達する荷重(Pr)を下記式17により求めることができる。
Ph=Ah×τca (16)
Pr=Pr−Ph (17)
【0033】
また、中詰めコンクリート8の断面積(Ac)と縦リブ高さ(hr)、縦リブ幅(Br)を用いれば、中詰めコンクリート8から縦リブ5に摩擦により伝達可能な荷重(Pc)は下式18のように表すことができ、Pc=Prが等しくなるように縦リブ高さ(hr)を決定することが可能である。即ち、下記式(19)のようになる。
【数18】

【数19】

【0034】
このようにして決定した高さhrの縦リブ5の必要な板厚(tr)は、縦リブ5に使用する鋼材の種類に応じて決定される許容せん断応力度(τsa)を用いて、下記20式により、合理的に決定できる。
【数20】

【0035】
図19〜図20には、前記のようにトンネル周方向に間隔をおいて設置された縦リブ5およびトンネル周方向の継手板4が主桁3に設置されたコンクリート中詰め鋼製セグメント9が示されている。なお、図19では、Bセグメント1Bと、Kセグメント1Kとはトンネル延長方向に対して継手板がβ度だけ傾けて配置されるため、これらのセグメントの境界領域の中央部で、Bセグメント1Bと、Kセグメント1Kのそれぞれの角度領域としている。
図示の構造について簡単に説明すると、トンネル軸方向に間隔をおいて並行でトンネル周方向に延長するように配置される一対の主桁3と、トンネル軸方向に延長すると共にトンネル周方向に間隔をおいて並行な一対の継手板4と、前記継手板4間において、トンネル軸方向に延長すると共にトンネル周方向に並行な複数の縦リブ5と、各主桁3および継手板4並びに縦リブ5に溶接により固定される一枚のスキンプレート6で構成される曲率を有する鋼枠7の内部に、中詰めコンクリート8が充填されてコンクリート中詰め鋼製セグメント9が構成されている。
【0036】
さらに、前記コンクリート中詰め鋼製セグメント9では、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブ5の中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度(中心角θ)が10度〜25度の範囲内において、図示のような角度(12°)に配置され、かつ、継手板4に隣接する縦リブ5と、継手板4との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ5同士の配置角度(12°)と同じ角度(12°)とされている。なお、図示の形態では、継手板4に間隔をおいて並行に継手板補強リブ12が主桁3に渡って配置されて主桁3およびスキンプレート6に溶接により固定され、前記継手補強リブ12と継手板4はトンネル軸方向に間隔をおいて配置されトンネル周方向に伸びる継手アンカーリブ13が溶接により固定されることで合成梁を形成し、前記継手補強リブ12と継手板4との間に中詰めコンクリート8が充填されることで高剛性の鋼・コンクリート合成梁14が形成されている。なお、継手板4から最初の縦リブ5までの角度(12度)を、前記よりも小さい角度(図示を省略)にするようにしてもよい。
【0037】
トンネル周方向両端部の継手板4のうち、一方の継手板4の内側には、トンネル軸方向に間隔をおいて長ナット15が固定されていると共にこれに同心状に継手板4にボルト挿通孔が設けられ、他方の継手板4の内側には、トンネル軸方向に間隔をおいてボルトボックス16が設けられていると共にボルト挿通孔が継手板4に設けられている。また、トンネル軸方向両端部の主桁3のうち、一方の主桁3の内側には、トンネル周方向に間隔をおいて長ナット15が固定されていると共にこれに同心状に主桁3にボルト挿通孔が設けられ、他方の主桁3の内側には、トンネル周方向に間隔をおいてボルトボックス16が設けられていると共にボルト挿通孔が設けられている。
【0038】
なお、図示の形態においては、鋼枠7内に、トンネル軸方向に間隔を置くと共にトンネル周方向に延長するように棒状鋼材17が配置され、前記各棒状鋼材17には、トンネル周方向に間隔をおいて並行配置されていると共にトンネル軸方向に延長する組み立て連結用鉄筋18が当接するように配置されて番線等により結束されている。前記各組み立て連結用鉄筋18は、先端部にJ字状に湾曲した脚部19を有し、前記鋼枠7内に配置され、中詰めコンクリート8に埋め込み固定され、中詰めコンクリート8の剥落防止、あるいは中詰めコンクリート8と鋼枠7との一体化を一層確実にするために用いられている。本発明では、前記の棒状部材17あるいは組み立て連結用鉄筋18は、必須の部材ではなく、必要に応じ設けられる。なお、エレクター連結兼裏込め用の雌ねじ管体20が設けられている。
【0039】
(実施例)
次に、本発明の実施例について、図19から図21を参照しながら説明する。
【0040】
トンネル覆工体およびコンクリート中詰め鋼製セグメント9の寸法仕様を下記の通りに設定した場合について、前記の縦リブ5のトンネル半径方向の高さhrについて最初に検討する。
トンネル外径 Do=6450mm
セグメント分割数 6分割
セグメント桁高 Hs=225mm
セグメント幅 B=1500mm
縦リブ幅 Br=1462mm
主桁高さ H=187mm
スキンプレート板厚 ts=3mm
縦リブ高さ hr=158mm
コンクリート高さ hc=222mm
縦リブ配置間隔の中心角 θ=12度

縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数 μ=0.1
主桁の断面積 As =19mm×187mm×2 =7106mm
コンクリートの断面積 Ac =(1500mm−19mm×2)×222mm
=324564mm
鋼材のヤング率 Es=2.1×10 N/mm
コンクリートのヤング率 Ec=1.4×10 N/mm
EsAs=1.492×10
EcAc=4.544×10

前記の仕様値を式11の右辺に代入すると、次のようになる。

本実施例では、最小縦リブ高さhr=153mmであるので、余裕を考慮して縦リブ高さhrを158mmと設定した。
本実施例における外荷重p=543kN/mであり、縦リブ5の必要板厚trを式6に代入して算定すると、次のような値になる。

【0041】
前記のように、縦リブ5の必要最小板厚trは、tr=3.5mmであるが、本実施例では主部材の最小板厚を6mmとしていたので、縦リブ板厚を6mmとし、十分強度があることがわかる。
また前記のように、本発明では、縦リブ5のトンネル半径方向の高さと板厚を、定量的にかつ経済的に算定して確実に設定することができ、コンクリート中詰め鋼製セグメント9の設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】トンネル覆工のセグメント分割と継手板および縦リブの配置を説明する図である。
【図2】コンクリート中詰め鋼製セグメントの構成を説明する図である。
【図3】縦リブおよび継手板の位置から主桁に作用する力を説明する図である。
【図4】セグメントリングの中心方向に作用する等分布荷重を説明する図である。
【図5】セグメントリングに発生する周方向の軸力を説明する図である。
【図6】セグメントリングに離散的に作用するセグメントリング中心方向の荷重を説明する図である。
【図7】トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生する軸力を説明する図である。
【図8】トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生する曲げモーメントを説明する図である。
【図9】トンネル周方向に離散的に作用する荷重によりセグメントリングに発生するせん断力を説明する図である。
【図10】縦リブ間隔の中心角を説明する図である。
【図11】縦リブ間隔の中心角毎のM/Nを説明する図である。
【図12】縦リブ間隔の中心角毎の換算鋼材重量を説明する図である。
【図13】セグメントに発生する軸力と縦リブおよび継手板の関係を説明する図である。
【図14】トンネル覆工に作用する等分布荷重とトンネル外径を説明する図である。
【図15】コンクリート中詰め鋼製セグメントの断面形状を説明する図である。
【図16】縦リブ1枚が分担する分布荷重の範囲を説明する図である。
【図17】(a)(b)は断面L字状と断面T字状の縦リブを説明する図である。
【図18】(a)(b)は貫通孔を設けた縦リブを説明する図である。
【図19】本発明の実施例を説明する図である。
【図20】本発明の実施例のセグメントの構成を説明する図であり、(a)は一部縦断正面であり(b)のa−a線断面図、(b)は(a)の一部横断底面図である。
【図21】本発明の実施例のセグメントの断面を説明する図であり、(a)は図20bのb−b線矢視図、(b)は図20aのc−c線断面図、(c)は図20(a)のd−d線断面図である。
【符号の説明】
【0043】
1A Aセグメント
1B Bセグメント
1K Kセグメント(キーセグメント)
2 トンネル覆工体(セグメントリング)
3 主桁
4 継手板
5 縦リブ
6 スキンプレート
7 鋼枠
8 中詰めコンクリート
9 コンクリート中詰め鋼製セグメント
10 フランジ
11 貫通孔
12 継手板補強リブ
13 継手アンカーリブ
14 鋼・コンクリート合成梁
15 長ナット
16 ボルトボックス
17 棒状部材
18 組立連結用鉄筋
19 脚部
20 雌ねじ管体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
トンネル断面の曲率を有する部位の覆工体として使用されるコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、一対の主桁と一対の継手板と複数の縦リブと一つのスキンプレートで構成される曲率を有する鋼枠の内部に、コンクリートを充填して得られるコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う各縦リブの中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が10度〜25度の範囲とされ、かつ、継手板に隣接する縦リブと継手板との各中心軸線をセグメントリング半径方向の中心に向かって延長した場合の交差部における各中心軸線で挟まれる角度が、トンネル周方向に間隔をおいて隣合う前記縦リブ同士の配置角度と同じか、または小さい角度となるように継手板に隣接する各縦リブが配置されていることを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項2】
請求項1のコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、セグメントのトンネル半径方向の高さH、縦リブと中詰めコンクリートの間の摩擦係数μ、セグメントの幅B、縦リブの配置間隔の中心角θ、中詰めコンクリートの断面積Ac、中詰めコンクリートのヤング率Ec、主桁の断面積As、主桁のヤング率Esおよび中詰めコンクリートのトンネル半径方向の高さhcを用いて、縦リブのトンネル半径方向の高さhrが下記式で定められる範囲となるように縦リブのトンネル半径方向の高さhrを設定し、

かつ、前記縦リブの板厚trが、縦リブ1枚が主桁に伝達する荷重をPrとし、鋼材の種類により定まる許容せん断応力度をτsaとした場合に、下記式

を満足するように縦リブの板厚trを設定したことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項3】
請求項1または請求項2のコンクリート中詰め鋼製セグメントであって、縦リブの表面に凹凸を付与することにより、縦リブと中詰めコンクリートとの間の摩擦係数μを向上させたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項4】
請求項1または請求項2の縦リブとして、断面T字状または断面L字状の縦リブを用いたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項5】
請求項1または請求項2の縦リブに貫通孔を設けたことを特徴とするコンクリート中詰め鋼製セグメント。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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【図18】
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【図19】
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【図20】
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【図21】
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