コンクリート中詰め鋼製セグメント
【課題】主桁近傍のコンクリートへのひび割れ発生をより強固に防止する。
【解決手段】両側面を形成する外主桁１１と、外主桁１１間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁１１の端部間を結合する継手板１３と上記外主桁間を結合する縦リブを有する鋼殻１０の内部にコンクリート２３が中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、コンクリート２３の高さは、少なくとも外主桁１１への接触面において外主桁１１の高さ以下である。
【解決手段】両側面を形成する外主桁１１と、外主桁１１間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁１１の端部間を結合する継手板１３と上記外主桁間を結合する縦リブを有する鋼殻１０の内部にコンクリート２３が中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、コンクリート２３の高さは、少なくとも外主桁１１への接触面において外主桁１１の高さ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントに関し、特に、シールドマシン掘進時の推進反力がセグメントに作用した際に主桁近傍のコンクリートへのひび割れ発生を防止可能な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】
シールドトンネル等の円筒状構造物を構成するセグメントの一種に、主桁、スキンプレート、継手板及び縦リブを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントが知られている。かかるコンクリート中詰め鋼製セグメントは、シールドマシン推進時のジャッキ推力による圧縮荷重に対してはコンクリートが抵抗するとともに、完成時の土水圧などの荷重に対しては鋼殻及びコンクリートが抵抗することにより高強度かつ高剛性を得ることが可能となる。
【０００３】
図１７は、このコンクリート中詰め鋼製セグメント７の構成例を示している。この鋼製セグメント７は、主桁７１間を所定間隔を開けて配置する複数の縦リブ７２で結合すると共に、主桁７１の端部間を継手板７３で結合し、さらに主桁７１と継手板７３の外側にスキンプレート７４を結合して鋼殻７０を形成している。この鋼殻７０の内部には中詰めコンクリート７５が充填されている。
【０００４】
ところで、このようなコンクリート中詰め鋼製セグメント７を実際に製作する際には、主桁７１や縦リブ７２、継手板７３及びスキンプレート７４を互いの接触面において溶接により固着させることにより、鋼殻７０を形成していくことになる。このとき、溶接により実際に鋼殻７０が熱歪みにより変形してしまう。図１８（a）は、図１７に示す主桁７１と縦リブ７２との交差位置（Ｂ部）の側断面図を、また図１８(b)は、縦リブ７２ａと隣り合う縦リブ７２ｂとの中間部の主桁７１とコンクリートとの接触部（Ｉ部）における側断面図を示しており、セグメント組み立て時の隣接リングのセグメントとの接触状態を示している。
【０００５】
実際に鋼殻７０を形成させる上で例えば縦リブ７２と主桁７１とを溶着させる際に熱収縮による熱歪みが生じるが、Ｂ部では、図１８(a)に示すように、主桁７１は、これに溶接されたスキンプレート７４及び縦リブ７２に変形が拘束される。一方、I部では、図１８(b)の点線で示すように外周面側はスキンプレート７４に溶接されていることから、熱歪みに基づく変形が拘束されるが、内空面側はスキンプレート７４が存在しないため、図１８（b）の２点鎖線に示すように主桁７１の内空面側が凹むように変形が生じてしまう。
【０００６】
図１９は、複数のコンクリート中詰め鋼製セグメント７をトンネル軸方向Ｃに連結させる際の平面的な形態を略図で示しており、千鳥状に接合、組み立てられたセグメント７（７ａ、７ｂ、７ｃ）をトンネル内面側から見た図である。主桁７１は、縦リブ７２、継手板７３及びスキンプレート７４と溶接により連結される構成とされている。この図１９には縦リブ７２及び継手板７３と主桁７１との溶接による熱ひずみによる主桁７１のトンネル内面側の変形が波状になる様子が波状の曲線で示されている。溶接の熱ひずみにより、特にＩ部において主桁７１の内空面側が凹むように変形するため、トンネル軸方向Ｃに隣り合って配置されるセグメント７ａ及び７ｂ、７ｃの主桁７１ａ、７１ｂ、７１ｃ同士が、接触されるように配置される。
【０００７】
このため、図１８に示すように主桁７１において変形が入った状態のコンクリート中詰め鋼製セグメント７を軸方向Ｃに向けて互いに連結しようとしたとき、かかる主桁７１の変形により、互いに面接触させるはずの隣接する主桁７１が、Ｂ部を介して線接触することになる。さらに加工精度によっては点接触する場合もある。そして、鋼製セグメント７間を軸方向Ｃに連結させる際にジャッキ推力を負荷すると、点接触又は線接触されたＢ断面の主桁７１の内空側端面付近のコンクリート７５と主桁７１との接触部において応力集中Ｄが発生し、ひいては中詰めコンクリート７５に対してひび割れ７６や欠けが生じてしまうことになる。また、このような応力集中Ｄが生じた状態の下で鋼製セグメント７を軸方向Ｃに連結させてしまうと、トンネル内の応力分布が不均一になり、トンネル全体の耐力を低下させてしまう問題が生じる可能性もある。
【０００８】
なお、図示省略するが、鋼板から切り出した主桁７１を曲げ加工した場合は、主桁７１のトンネル外周側よりもトンネル内周側が厚くなるように変形してしまうが、これも上述した断面Bにおいて主桁７１のトンネル内空側端面付近が接触する効果を助長する場合がある。
【０００９】
また、図２０、２１に示すようなウエブ８１と内空面側のフランジ８２ａ、外周面側のフランジ８２ｂとからなる主桁８を有する場合には、主桁８と縦リブ８３が接合される部位(Ｂ’部)では主桁８に、溶接部位８８を介して溶接された縦リブ８３及びスキンプレート８４により主桁８の変形は拘束される。これに対して、Ｂ’部と断面Ｂ’部の中間における主桁８とコンクリート８５の接触面Ｈ’部では外周面側のフランジ８２ｂはスキンプレート８４により変形自体が拘束されるものの、図２１(b)の２点鎖線に示すように内空面側のフランジ８２ａは変形してしまい、シールドマシン掘進時のジャッキ推力が作用した場合、図２１(a)に示すように、その近傍にある中詰めコンクリート８５に応力集中Ｄが生じてしまう。その結果、当該応力集中Ｄが生じた箇所からひび割れ８６等が生じてしまうことになる。なお、上述した問題点は外周面側のフランジ８２ｂがなく、内周面側のフランジ８２ａ、ウエブ８１、スキンプレート８４、及び縦リブ８３が溶接部位８８を介した溶接によって接合された場合でも溶接部位８８に対する溶接により熱ひずみによる変形が生じて、同様の問題点が生じる。
【００１０】
さらに、内空面側にフランジ８２ａを有する場合は、外周面側のフランジ８２ｂの有無によらず、溶接部位８８の熱歪みによる変形を矯正して、その変形を防止できた場合であっても、シールドマシン掘進時のジャッキ推力によるトンネル軸方向Ｃの圧縮力による応力が作用した場合、内周面側フランジ８２ａの端面８２ｃと接触しているコンクリート、特に端面８２ｃの角部に応力集中が生じるため、ひび割れを生じることがある。
【００１１】
このようなコンクリートセグメントに対するひび割れの発生を防止するために、例えば特許文献１に開示されている技術が提案されている。
【００１２】
即ち、この特許文献１における開示技術は、図２２に示すように、軸方向の両端部に形成された接続面９５ａと、周方向の両端部に形成された接続面９５ｂとを備え、例えば鋼板等のコンクリートより延性の高い材料からなる応力分散板９１をセグメント本体９５の軸方向の接続面９５ａの外周側に設けている。この応力分散板９１における径方向の幅は、セグメント本体９５の径方向の幅の半分程度に形成されている。応力分散板９１は、セグメント本体９５の曲率とほぼ同じであり、湾曲するように形成されている。
【００１３】
特許文献１の開示技術では、セグメント本体の端面に集中力が作用した場合においてもかかる応力分散板９１自体が変形することにより、応力を分散させ、ひいてはセグメント本体のひび割れや欠け等の発生を防止することが可能となると示されている。
【特許文献１】特開２００４−３５３３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記特許文献１の開示技術では、あくまでセグメント外面に鋼板などの応力分散板９１を貼り付ける構成としているため、ハンドリングの際に応力分散板９１が脱落してしまう場合や疵が入ってしまう場合もある。かかる場合には、上述した応力分散板９１本来の機能を発揮させることができず、セグメントのひび割れ等を防止することができなくなるという問題点がある。さらに、応力分散板としてはハンドリング時の衝撃荷重等に抵抗するため、コンクリートより固い材料、例えば鋼板など、が用いられるので、ジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力に対しては、上記応力分散板の角部付近のコンクリートに生じる応力集中によりコンクリートにひび割れが生じやすい問題がある。
【００１５】
また、コンクリートセグメントよりもハンドリング時の接触などによる外荷重に対してひび割れが生じにくいセグメントとしては、セグメントの外面を構成するスキンプレート（多くはトンネル外面のみに形成）や主桁、継手板及びセグメント内部に縦リブが溶接されて組み立てられた鋼殻の内部にコンクリートを充填したコンクリート中詰め鋼製セグメント等が既に供用されている。
【００１６】
上記コンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、コンクリートの打設高さは、セグメントトンネル内面側の鋼材、すなわち主桁や継手板縦リブ、スキンプレート等の鋼材の防食性確保や、完成時のトンネル内面の平滑性の確保等のために、主桁、継手板、縦リブよりも高い位置まで打設されている。
【００１７】
しかしながら、このような構成では、セグメントの運搬、組み立てといったハンドリング時のひび割れを防止する効果を奏するものの、シールドマシン掘進時のジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力による主桁鋼板の角部や主桁のフランジ鋼板角部、特に主桁に溶接による熱歪みによる変形により、主桁と継手板との溶接部位の主桁のトンネル内周面側付近のコンクリートの応力集中が生じ、主桁内面近傍のコンクリートのひび割れやひび割れに起因するコンクリートの剥落が生じる問題があった。
【００１８】
すなわち、上記コンクリートセグメントやコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、鋼材やコンクリートより延性の高い応力分散板とコンクリートとが接触し、ジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力により、鋼材や応力分散板の角部付近のコンクリートに生じる応力集中によりコンクリートにひび割れが生じる構成となっており、これを解決する構成が従来より望まれていた。
【００１９】
そこで、本発明は上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、シールドマシン推進時のジャッキ推力による主桁内面近傍のコンクリートへのひび割れ発生を強固に防止す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】
【００２０】
本発明者は、上述した課題を解決するために、鋼殻の内部にコンクリートを中詰めする際に、そのコンクリートの高さを、少なくとも外主桁への接触面において外主桁の高さ以下に調整することにより、主桁近傍のコンクリートへのひび割れ発生をより強固に防止できることを見出した。
【００２１】
即ち、請求項１に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記外主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２２】
請求項２に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１記載の発明において、上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、上記コンクリートの高さは、上記中主桁への接触面において、上記中主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１又は２記載の発明において、上記コンクリートの高さは、上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位周囲において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２４】
請求項４に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記内空面側に形成されたフランジの鋼殻内側下面以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項５に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、上記コンクリートと上記外主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２６】
請求項６に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５記載の発明において、上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、上記コンクリートは、上記中主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２７】
請求項７に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５又は６記載の発明において、少なくとも上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位近傍に上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２８】
請求項８に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５〜７のうち何れか１項記載の発明において、上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、上記コンクリートと上記内空面側に形成されたフランジの少なくとも側端部との間で弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２９】
請求項９に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５〜８のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、アクリルゴム樹脂、ポリブタジエンゴム系樹脂、クロロプレンゴム系樹脂およびポリエステル樹脂の何れかであることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜９のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートの打設高さは、上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面以外において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以上に亘り充填されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１１に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜１０のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートの打設高さは、少なくとも上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面において上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さより１〜５ｍｍ低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
上述した構成からなる本発明では、主桁のトンネル内面側、すなわちトンネル内空面側においてコンクリートが接触されていない状態とされている。このため、主桁のトンネル内面側において波状の変形が生じた場合においても、当該トンネル内面側の鋼板角部にはコンクリートが接触されていない、又は当該トンネル内面側の鋼板角部とコンクリートの接触面を含む近傍にコンクリートよりも低弾性率の弾性材が介装されていることから、当該コンクリートへの応力集中が無くなる。その結果、従来技術の如く主桁のトンネル内面側と接触するコンクリートに対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリートに対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００３３】
また本発明では、コンクリートと主桁との接触面において応力集中が存在しない状態の下でセグメントを軸方向Ｅに連結させることができることから、トンネル内の応力分布が均一になり、トンネル全体の耐力を向上させることができる。
【００３４】
さらに、本発明では、鋼板等の応力分散板を設ける場合において発生していたハンドリング時における脱落等のリスクや応力分散板角部付近のコンクリートの応力集中も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
本発明の対象となるコンクリート中詰め鋼製セグメントは、鋼板を組立て製造された鋼殻内に中詰めコンクリートを充填させた鋼製セグメント、並びに鋼殻の内部にコンクリートを充填してなる合成セグメントである。
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、複数のセグメントを千鳥状に連結するためのセグメントの連結構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントが適用されるシールドトンネル３の例を示している。この図１に示すように、シールドトンネル３は、複数の円弧状のセグメント４をセグメント継手部６５においてリング状に連結した覆工体をトンネル内面に組み立てて構築される。このシールドトンネルにおいては、シールドトンネル３全体の構造耐力及び剛性を向上させるべく、隣接するセグメントリング間でセグメント４を千鳥配置に連結し、かつセグメントリング間を軸方向Ｅへ向けて結合することで、かかる連結をより強固にしている。実際にシールドトンネル３を構成するためには、底部においてコンクリートが打設されて平坦な床ｆが構成されることもある。
【００３９】
セグメント４は、図２に示すように両側面を形成する２本の外主桁１１と、外主桁１１間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁１１の端部間を結合する継手板１３とを有し、外主桁１１間には縦リブ１４が設けられている鋼殻１０を備えている。また、この鋼殻の周囲には、周方向、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔９８が設けられている。この鋼殻１０内には後述するようにコンクリートが中詰めされることになる。
【００４０】
外主桁１１は、上記セグメントリング２の周方向に分割した形状で構成され、所定の曲率で湾曲した形状からなる。この外主桁１１は、鋼板を加工することによって得られる。この外主桁１１には、軸方向に隣接する他のセグメント４との間で連結を行うためのボルト挿入孔や図示しない継手等が所定ピッチで形成されていてもよい。
【００４１】
継手板１３は、２本の外主桁１１に対して略垂直方向に延長され、当該外主桁１１の端部間を連結可能な長さに予め加工され、それぞれ溶接により固着されている。この継手板１３には、周方向に隣接する他のセグメント４との間で連結することでセグメントリングを構成するためのボルト挿通孔２１が設けられている。
【００４２】
スキンプレート１２は、外主桁１１、継手板１３及び縦リブ１４に対して溶接により固定されている。このスキンプレート１２は、セグメントリングの外周側鋼板をなすものであって、円筒周面形状に湾曲された形状で構成されている。
【００４３】
縦リブ１４は、外主桁１１間を所定間隔を開けて配置されるものである。この縦リブ１４は、継手板１３に対して略平行となる方向で配置される。この縦リブ１４は、外主桁１１及びスキンプレート１２に対して溶接により固着されている。図２に示す例において、この縦リブ１４の高さは、外主桁１１や継手板１３に対して低くなるように設定した場合を示しているがこれに限定されるものではなく、略同一高さとなるように構成するようにしてもよい。
【００４４】
図３は、上述の如き構成からなる鋼殻１０に対してコンクリート２３を中詰めした状態を示している。また、図４は、この図３におけるＦ−Ｆ´断面を示している。ちなみに、このＦ−Ｆ´断面は、縦リブ１４が設けられた位置に沿った断面の構成を示しているが、仮にこのＦ−Ｆ´断面が縦リブ１４と離間した位置にある場合には図４において縦リブ１４の構成は省略されるものとなる。
【００４５】
コンクリート２３は、鋼殻１０における内空面側から打設され、固化させることにより鋼殻１０内に充填されるものである。また、トンネル軸方向、周方向に隣接する他のセグメントとの間でボルト接合するためのボルトボックス９９がそれぞれ形成されている。このとき、図４に示すように、充填されるコンクリート２３のスキンプレート１２からの高さをｈ１とし、さらに、このコンクリート２３の外主桁１１との接触面１１ａにおける高さをｈ２とする。また、外主桁１１の高さをｈ３とする。このとき、少なくともコンクリート２３の高さｈ２は、外主桁１１の高さｈ３以下に構成されているものとする。即ち、このコンクリート２３における外主桁１１の接触面１１ａのトンネル内面側は、いわゆる面取りが施された状態となる。ちなみに、この面取りの形態としては、図４に示すように外主桁１１が立設されている略鉛直方向に対して斜めに傾斜された形で構成されていてもよい。また、この面取りの形態としては、例えば図５に示すように、外主桁１１における接触面１１ａから水平方向に向けてセグメント内側へと延長される水平面２３ａと、この水平面２３ａから上方に傾斜された傾斜面２３ｂとが形成されるようにコンクリート２３を充填するようにしてもよい。その結果、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態を作り出すことが可能となる。
【００４６】
このような構成からなる本発明では、以下に説明するような効果を奏する。上述の構成からなるセグメントを組み立てる際に、外主桁１１は、縦リブ１４や継手板１３、スキンプレート１２に対して溶接されて互いに固着させて鋼殻１０の一構成要素となり得る。このとき、溶接により実際に鋼殻１０が熱歪みにより変形してしまう。この状態を図６（a）〜（d）により説明する。図６（a）、（c）は、図２においてコンクリートを充填した状態のＦ−Ｆ’断面、すなわち図３におけるＦ−Ｆ’断面であり、溶接部位１０８に対する溶接により縦リブ１４と外主桁１１及びスキンプレート１２が溶接されている。一方、図６（b）、（d）は図２においてコンクリートを充填した状態のＧ−Ｇ’断面、すなわち図３におけるＧ−Ｇ’断面が変形した状態を示している。ちなみに、図６（a）、（b）は、図４に示す面取りの形態に対応するものであり、図６（c）、（d）は、図５に示す面取りの形態に対応するものである。
【００４７】
図６（a）、（c）に示すＦ−Ｆ’断面では外主桁１１は溶接部位１０８に対する溶接による熱ひずみにより変形しようとするがスキンプレート１２及び縦リブ１４により変形を拘束されているため外主桁１１の変形は微小である。
【００４８】
これに対して、図６（b）、（d）に示すＧ−Ｇ’断面では外主桁１１のトンネル内空面側はＦ−Ｆ’断面における外主桁１１と縦リブ１４との溶接による熱歪みによって外主桁１１はセグメント内側に面外変形を起こす。ちなみに、この図６(b),(d)では、外主桁１１について溶接前の状態を点線で表示し、溶接後の状態を実線で表している。これに対し、トンネル外周面側にはスキンプレート１２が結合されていることから、熱歪みに基づく変形が拘束される。従って、図６(b),(d)に示すように外主桁１１のトンネル内面側のみがセグメント内側に変形してしまう。
【００４９】
しかしながら、本発明においては、外主桁１１のトンネル内面側のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態とされている。このため、外主桁１１が面外に変形した場合においても、当該トンネル内面側のトンネル内面側角部１１ｂにはコンクリート２３が接触されていないことから、シールドマシン掘進時のジャッキ推力が作用した場合に、Ｆ−Ｆ‘断面近傍においてコンクリート２３は、外主桁１１と縦リブ１４とは面接触となる。このとき、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂはコンクリートと接触しない。その結果、従来技術の如く外主桁のトンネル内面側と接触するコンクリート２３に対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリート２３に対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００５０】
また本発明では、コンクリート２３と外主桁１１との接触面１１ａにおいて応力集中が存在しない状態の下でセグメント４を軸方向Ｅに連結させることができることから、トンネル内の応力分布が均一になり、トンネル全体の耐力を向上させることができる。
【００５１】
さらに、本発明では、応力を分散させる上で、応力分散板等をはじめとした特段の構成を設ける必要もなくなることから、製造労力を低減でき、製作コスト低減にも寄与する。また、鋼板等の応力分散板を設ける場合において発生していたハンドリング時における脱落等のリスクや応力分散板角部付近のコンクリートの応力集中も生じない。
【００５２】
なお、シールドトンネルの掘進に伴い、ジャッキ推力が負荷された場合、従来技術において生じていたコンクリート２３と外主桁１１との接触面１１ａにおいて応力集中の根源となるジャッキ推力に基づく荷重はそれほど大きなものではない。このため、本発明の如く外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態とし、当該箇所において荷重を負担することができない構造としても、上述したジャッキ推力に基づく荷重自体がそれほど大きなものではないため、実際のところ特段の不都合は生じない。
【００５３】
なお、本発明においては、コンクリートの高さｈ２が、外主桁１１の高さｈ３以下に構成されていることを要件としているが、上述した所期の効果を確実に奏するためには、ｈ２がｈ３に対して１〜５ｍｍ程度低いことが望ましい。これにより、熱歪みにより主桁１１に波状の変形が発生した場合においても、当該トンネル内面側角部１１ｂよりも１〜５ｍｍ程度まで高さｈ２を低く設定したコンクリート２３に対しては応力集中が生じることなく、ひいては、ひび割れ等の発生もより効果的に低減させることが可能となる。
【００５４】
図７は、鋼殻１０の中央において周方向に延長された中主桁１８を設けた形態を示している。この図７において、上述した図２と同一の構成要素、部材に関しては同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。この中主桁１８は、外主桁１１間において外主桁１１と並行に配置されたものである。この中主桁１８は、外主桁１１と同様に、セグメントリング２の周方向に分割した形状で構成され、所定の曲率で湾曲した形状からなる。
【００５５】
図８は、この中主桁１８を設けた鋼殻１０に対してコンクリート２３を充填した状態を示している。充填されるコンクリート２３のスキンプレート１２からの高さをｈ１とし、さらに、このコンクリート２３の中主桁１８との接触面１８ａにおける高さをｈ４とする。また、中主桁１８の高さをｈ５とする。このとき、コンクリート２３の高さｈ４は、少なくとも中主桁１８の高さｈ５以下に構成されているものとする。即ち、このコンクリート２３における中主桁１８の接触面１８ａの上端も同様に面取りが施された状態となる。ちなみに、この面取りの形態としては、図８に示すように中主桁１８が立設されている略鉛直方向に対して斜めに傾斜された形で構成されていてもよい。また、この面取りの形態としては、例えば図９に示すように、中主桁１８における接触面１８ａから水平方向に向けて内側へと延長される水平面２３ａと、この水平面２３ａから上方に傾斜された傾斜面２３ｂとが形成されるようにコンクリート２３を充填するようにしてもよい。その結果、中主桁１８のトンネル内面側角部１８ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態を作り出すことが可能となる。
【００５６】
中主桁１８は継手板１３や縦リブ１４と左右対称に溶接されるよう設計されるため、実際は加工時の手順や溶接精度に起因する入熱が中主桁１８の左右で多少異なるようなことがあっても溶接による熱ひずみは外主桁より小さい。このように中主桁１８の熱ひずみによる変形は小さいが、中主桁１８はトンネル内面側角部１８ｂ近傍でコンクリート２３と接触している場合は、コンクリート２３と縦リブ１４や継手板１３との剛性の違いから、コンクリート２３にはジャッキ推力による応力集中が作用することになり、やはりコンクリート２３にひび割れが生じやすい。これに対し、本発明では、中主桁１８はトンネル内面側角部１８ｂ近傍でコンクリート２３と接触していないため、同様にコンクリート２３に対して応力集中が大幅に軽減され、コンクリート２３に対してひび割れ等が生じるのを防止することが可能となる。
【００５７】
図１０は、コンクリート２３を低くした溝部３１を所定間隔で形成させた例を示している。溝部３１は、少なくとも縦リブ１４と外主桁１１間の溶接部位周囲のみにおいて形成されている。外主桁１１における外側への変形は、外主桁１１における縦リブ１４の連結部位において所定間隔で生じる。また、トンネル軸方向に隣接する他のセグメントとの間でボルト接合するためのボルトボックス９９がそれぞれ形成されている。このため、かかる外主桁１１と縦リブ１４との連結部位周囲のみに焦点を当てて当該箇所について溝部３１を設ける。このとき、この溝部３１における主桁１１の接触位置が主桁１１の高さ以下とされていることが条件となる。これにより、コンクリート２３の高さは、少なくとも縦リブ１４の溶接部位周囲のみにおいて、外主桁１１の高さ以下とすることが可能となる。かかる構成においても、同様に外主桁１１において発生した熱歪みに基づく変形が起きても、コンクリート２３に対してひび割れ等が発生するのを防止することが可能となる。なお、この溝部３１の幅は、縦リブ１４から２０〜５０ｍｍ程度で構成されていてもよい。
【００５８】
なお、本発明は、図１１に示すようなウエブ４１と内空面側のフランジ４２ａ、外周面側のフランジ４２ｂとからなる外主桁４０を有する場合においても適用可能である。鋼殻３９は、この外主桁４０の外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁４０端部間を結合する図示しない継手板とを備えており、この鋼殻３９内においてコンクリート２３が充填されている。ちなみに、この図１１（a）は、縦リブ１４が設けられた位置に沿った断面の構成を示しており、図１１（b）は縦リブ１４と離間した位置にある断面を示している。図１１(b)に示すこの外主桁４０において、溶接前の状態を点線で、また溶接後の状態を実線で示している。この外主桁４０は、トンネル内周面側にフランジ４２ａがあるため、このようなフランジ４２aが無い外主桁１１と比べるとその変形量は小さいが、縦リブ１４と離間した位置においては、ほぼ同様に変形してしまう。
【００５９】
ここで、コンクリート２３の主桁４０と接触する部位におけるスキンプレート１２からの高さをｈ７とし、内空面側のフランジ４２ａの下面を構成する鋼殻内側下面４６におけるスキンプレート１２からの高さをｈ８としたとき、コンクリート２３の高さｈ７は、鋼殻内側下面４６の高さｈ８以下とされている。
【００６０】
ちなみに、コンクリート２３は、フランジ４２ａから離間する方向へ向けて水平に延長され、その後上方に傾斜される構成としているがこれに限定されるものではない。図１２は、上述した外主桁４０に接触する中詰めコンクリート２３の形態の他の例を示している。図１２(a)では、フランジ４２ａの鋼殻内側かつ下側の角部４２ｄから直接コンクリート２３を上方に傾斜させたものであり、図１２(b)の例では、フランジ４２ａの鋼殻内面下側４６からコンクリート２３をそのまま水平に延長した構成としたものである。
【００６１】
このようなウエブ４１とフランジ４２とを有する外主桁４０は、図１２（a）、（b）に示したように、内面側フランジ４２ａのコンクリート側の角部４２ｃ及び角部４２ｄとコンクリート２３との当接部では応力集中が生じやすい、また図１１（b）に示したように、縦リブ１４と隣接する縦リブ１４の間の断面では内空面側のフランジ４２ａ及びウエブ４１が熱歪みにより変形するため外主桁４０はやはり波状に変形してしまう。しかしながら、本発明においてコンクリート２３は、かかるフランジ４２ａにおける鋼殻内面４６を超える高さにまで充填されていないことから、フランジ４２ａ及びウエブ４１の該変形に基づくコンクリート２３のひび割れの発生を抑えることが可能となる。
【００６２】
なお、安全率の観点から、このコンクリート２３の高さｈ７は、鋼殻内側下面４６の高さｈ８よりも１〜２ｍｍ程度低く設定することが望ましい。
【００６３】
なお、本発明は、上述した構成の代替として、外主桁１１とコンクリート２３との間に弾性体を介装させるようにしてもよい。
【００６４】
図１３は、かかる弾性材を介装させるセグメント５の斜視図を、また図１４(a)は、図１３のＨ−Ｈ´断面を示している。このセグメント５において上述したセグメント４と同一の構成要素、部材に関しては、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００６５】
弾性体３２は、外主桁１１の内空面側のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３の間に介装される。即ち、外主桁１１におけるトンネル内面側角部１１ｂがコンクリート２３と直接接触することが無いように、弾性体３２がこれらの間に介装されている必要がある。
【００６６】
弾性体３２は、防食効果を発揮するエポキシ樹脂、ウレタンエラストマー、ウレタンフォーム、ポリエチレンの何れかで構成されている場合を想定しているが、これらに限定されるものではなく、弾性係数が小さい弾性材であればいかなるものを適用するようにしてもよい。ちなみに、コンクリート２３はアルカリ性であることから、これに対応すべく弾性体３２は対アルカリ性であることが望ましい。また、この弾性体３２としては、例えばエラストマーやフォーム等の有機樹脂シートを適用するようにしてもよい。ちなみに、この弾性体の断面形状は、本実施形態において矩形状としているがこれに限定されることなくいかなる断面形状で具体化されていてもよいことは勿論である。
【００６７】
また、図１４(a)に示すように、この弾性体３２は、コンクリート２３内に埋め込まれているが、これに限定されることなく、弾性体３２とコンクリート２３とが互いに同一表面を共有する形態とされていてもよい。
【００６８】
実際にこの弾性体３２を配設する際には、コンクリート２３を充填する前に予めこの弾性体３２を外主桁１１に対して貼着させておいてもよい。
【００６９】
図１４(b)は、中主桁１８を有する鋼殻１０に対する弾性体３２の配設例を示している。中主桁１８に対しても同様に、弾性体３２は中主桁１８のトンネル内面側角部１８ｂとコンクリート２３との間に介装される。
【００７０】
このような構成からなる本発明を適用したセグメント５では、以下に説明するような効果を奏する。即ち、このセグメント５は、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３との間にはコンクリートよりも低弾性率の弾性体３２が介在された状態となっている。このため、コンクリート２３は外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂに対して直接的に接触されていない状態となっている。このため、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３との間に介装されている弾性体３２が弾性変形をすることにより当該変形を吸収することができる。このため、コンクリート２３に対して主桁１１の波状の変形に基づく応力集中が大幅に軽減される。その結果、従来技術の如く外主桁のトンネル内面側角部１１ｂと接触するコンクリートに対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリート２３に対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。中主桁１８が配設されている場合も同様であり、仮にトンネル内面側角部１８ｂの周囲に設けられた弾性体３２がこれを吸収することが可能となり、ひいては、コンクリート２３に応力集中が生じるのを防止することが可能となる。
【００７１】
また、このセグメント５では、図１５(a)に示すように弾性体３２を局所的に設けることにより、弾性体３２に寄与する材料コストを抑えるようにしてもよい。この例において弾性体３２は、少なくとも縦リブ１４と外主桁１１間の溶接部位周囲のみにおいて形成されている。外主桁１１における外側への変形は、外主桁１１における縦リブ１４の連結部位において所定間隔で生じる。このため、かかる外主桁１１と縦リブ１４との連結部位周囲のみに焦点を当てて当該箇所について弾性体３２を設ける。なお、この図１５(a)の例では、弾性体３２の表面と、コンクリート２３における内空面側表面とが同一面を構成する場合を想定している。
【００７２】
図１５(b)は、かかる弾性体３２の形成位置における拡大斜視図を示している。弾性体３２は、縦リブ１４のトンネル内面側でかつ外主桁１１におけるトンネル内面側角部１１ｂに接触して設けられている。このため、縦リブ１４のトンネル内面側が完全に弾性体３２により被覆されている状態となり、縦リブ１４と外主桁１１が交差する部位の主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂ近傍のコンクリート２３において、ジャッキ推力により作用する応力を分散し応力集中が大幅に軽減される。この構成においても上述した本発明の所期の効果を奏することになる。ちなみに、この弾性体３２を介在させた外主桁１１とコンクリート２３の間隔は、１〜１０ｍｍ程度となるように構成されていることが望ましい。その理由として、応力分散を十分に行うためには、この弾性体３２を介在させた外主桁１１とコンクリート２３の間隔をほぼ１〜１０ｍｍ程度とすれば十分であるためである。
【００７３】
なお、この弾性体３２を設けるセグメント５は、図１６に示すようなウエブ４１と内空面側のフランジ４２ａ、外周面側のフランジ４２ｂとからなる外主桁４０を有する場合においても同様に適用可能である。
【００７４】
かかる場合において内空面側のフランジ４２ａの側端部４７とコンクリート２３との間で弾性体３２が介装されている。このとき、弾性体３２は、フランジ４２ａの側端部４７の角部４２ｃや下端角部４２ｄがコンクリートに埋没する部分において被覆されていればよい。すなわち、図１６の例においては少なくとも下端角部４２ｄにおいて被覆されていればよい。
【００７５】
このようなウエブ４１とフランジ４２とを有する外主桁４０は、ウエブ４１及び内空面側のフランジ４２ａが熱歪みにより変形し、セグメント幅方向に波状に変形することになるが、本発明では、少なくとも側端部４７は弾性体３２により被覆され、当該弾性体３２は、側端部４７とコンクリート２３との間に介装されている構成とされているため、かかる側端部４７の変形は弾性体３２を介して吸収されることになる。これにより、フランジ４２ａの変形に基づくコンクリート２３のひび割れの発生を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントが適用されるシールドトンネルの例を示す図である。
【図２】発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントを構成する鋼殻の構成について説明するための図である。
【図３】上述の如き構成からなる鋼殻に対してコンクリートを中詰めした状態を示す図である。
【図４】図３におけるＦ−Ｆ´断面図である。
【図５】面取りの他の形態について説明するための図である。
【図６】外主桁において熱歪みが発生した状態を示す図である。
【図７】鋼殻の中央において周方向に延長された中主桁を設けた形態を示す図である。
【図８】中主桁を設けた鋼殻に対してコンクリートを充填した状態を示す断面図である。
【図９】中主桁を設けた鋼殻に対してコンクリートを充填した状態を示す他の断面図である。
【図１０】コンクリートを低くした溝部を所定間隔で形成させた例を示す図である。
【図１１】本発明をＮＭセグメントに適用した例について示す図である。
【図１２】上述した外主桁に接触する中詰めコンクリートの形態の他の例を示す図である。
【図１３】弾性材を介装させるセグメントの斜視図である。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ´断面図である。
【図１５】弾性体を局所的に設けた構成について説明するための図である。
【図１６】本発明をＮＭセグメントに適用する際に弾性体を設ける構成について説明するための図である。
【図１７】コンクリート中詰め鋼製セグメントの構成例について示す図である。
【図１８】主桁と縦リブとの交差位置における側断面図である。
【図１９】コンクリート中詰め鋼製セグメントを軸方向Ｃに連結させる際の平面的な形態を示す図である。
【図２０】内空面側、外周面側にそれぞれフランジを有する主桁の場合の従来技術の問題点について説明するための図である。
【図２１】ＮＭセグメントにおける応力集中Ｄが生じた箇所からひび割れ７６等が生じた例について示す図である。
【図２２】応力分散板をセグメント本体の外周側に設けた例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
２ セグメントリング
３ シールドトンネル
４、５ セグメント
７ コンクリート中詰め鋼製セグメント
８ 主桁
１０ 鋼殻
１１、４０ 外主桁
１１ａ 外主桁のコンクリートとの接触面
１１ｂ 外主桁のトンネル内面側角部
１２ スキンプレート
１３ 継手板
１４ 縦リブ
１８ 中主桁
１８ａ 中主桁のコンクリートとの接触面
１８ｂ 中主桁のトンネル内面側角部
２１ ボルト挿通孔
２３ コンクリート
３１ 溝部
３２ 弾性体
４１、８１ ウエブ
４２ フランジ
４２ａ トンネル内空側フランジ
４２ｂ トンネル外周側フランジ
４２ｃ トンネル内空側フランジの鋼殻内側の上部の角部
４２ｄ トンネル内空側フランジの鋼殻内側の下部の角部
４６ 鋼殻内側下面
４７ 側端部
６５ セグメント継手部
７０ 鋼殻
７１ 主桁
７２ 縦リブ
７３ 継手板
７４ スキンプレート
７５ 中詰めコンクリート
８２ａ 内空面側のフランジ
８２ｂ 外周面側のフランジ
８８ 溶接部位
８３ 縦リブ
８４ スキンプレート
８８ 溶接部
９１ 応力分散板
９５ａ、９５ｂ 接続面
９８ ボルト孔
９９ ボルトボックス
１０８ 溶接部位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントに関し、特に、シールドマシン掘進時の推進反力がセグメントに作用した際に主桁近傍のコンクリートへのひび割れ発生を防止可能な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】
シールドトンネル等の円筒状構造物を構成するセグメントの一種に、主桁、スキンプレート、継手板及び縦リブを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントが知られている。かかるコンクリート中詰め鋼製セグメントは、シールドマシン推進時のジャッキ推力による圧縮荷重に対してはコンクリートが抵抗するとともに、完成時の土水圧などの荷重に対しては鋼殻及びコンクリートが抵抗することにより高強度かつ高剛性を得ることが可能となる。
【０００３】
図１７は、このコンクリート中詰め鋼製セグメント７の構成例を示している。この鋼製セグメント７は、主桁７１間を所定間隔を開けて配置する複数の縦リブ７２で結合すると共に、主桁７１の端部間を継手板７３で結合し、さらに主桁７１と継手板７３の外側にスキンプレート７４を結合して鋼殻７０を形成している。この鋼殻７０の内部には中詰めコンクリート７５が充填されている。
【０００４】
ところで、このようなコンクリート中詰め鋼製セグメント７を実際に製作する際には、主桁７１や縦リブ７２、継手板７３及びスキンプレート７４を互いの接触面において溶接により固着させることにより、鋼殻７０を形成していくことになる。このとき、溶接により実際に鋼殻７０が熱歪みにより変形してしまう。図１８（a）は、図１７に示す主桁７１と縦リブ７２との交差位置（Ｂ部）の側断面図を、また図１８(b)は、縦リブ７２ａと隣り合う縦リブ７２ｂとの中間部の主桁７１とコンクリートとの接触部（Ｉ部）における側断面図を示しており、セグメント組み立て時の隣接リングのセグメントとの接触状態を示している。
【０００５】
実際に鋼殻７０を形成させる上で例えば縦リブ７２と主桁７１とを溶着させる際に熱収縮による熱歪みが生じるが、Ｂ部では、図１８(a)に示すように、主桁７１は、これに溶接されたスキンプレート７４及び縦リブ７２に変形が拘束される。一方、I部では、図１８(b)の点線で示すように外周面側はスキンプレート７４に溶接されていることから、熱歪みに基づく変形が拘束されるが、内空面側はスキンプレート７４が存在しないため、図１８（b）の２点鎖線に示すように主桁７１の内空面側が凹むように変形が生じてしまう。
【０００６】
図１９は、複数のコンクリート中詰め鋼製セグメント７をトンネル軸方向Ｃに連結させる際の平面的な形態を略図で示しており、千鳥状に接合、組み立てられたセグメント７（７ａ、７ｂ、７ｃ）をトンネル内面側から見た図である。主桁７１は、縦リブ７２、継手板７３及びスキンプレート７４と溶接により連結される構成とされている。この図１９には縦リブ７２及び継手板７３と主桁７１との溶接による熱ひずみによる主桁７１のトンネル内面側の変形が波状になる様子が波状の曲線で示されている。溶接の熱ひずみにより、特にＩ部において主桁７１の内空面側が凹むように変形するため、トンネル軸方向Ｃに隣り合って配置されるセグメント７ａ及び７ｂ、７ｃの主桁７１ａ、７１ｂ、７１ｃ同士が、接触されるように配置される。
【０００７】
このため、図１８に示すように主桁７１において変形が入った状態のコンクリート中詰め鋼製セグメント７を軸方向Ｃに向けて互いに連結しようとしたとき、かかる主桁７１の変形により、互いに面接触させるはずの隣接する主桁７１が、Ｂ部を介して線接触することになる。さらに加工精度によっては点接触する場合もある。そして、鋼製セグメント７間を軸方向Ｃに連結させる際にジャッキ推力を負荷すると、点接触又は線接触されたＢ断面の主桁７１の内空側端面付近のコンクリート７５と主桁７１との接触部において応力集中Ｄが発生し、ひいては中詰めコンクリート７５に対してひび割れ７６や欠けが生じてしまうことになる。また、このような応力集中Ｄが生じた状態の下で鋼製セグメント７を軸方向Ｃに連結させてしまうと、トンネル内の応力分布が不均一になり、トンネル全体の耐力を低下させてしまう問題が生じる可能性もある。
【０００８】
なお、図示省略するが、鋼板から切り出した主桁７１を曲げ加工した場合は、主桁７１のトンネル外周側よりもトンネル内周側が厚くなるように変形してしまうが、これも上述した断面Bにおいて主桁７１のトンネル内空側端面付近が接触する効果を助長する場合がある。
【０００９】
また、図２０、２１に示すようなウエブ８１と内空面側のフランジ８２ａ、外周面側のフランジ８２ｂとからなる主桁８を有する場合には、主桁８と縦リブ８３が接合される部位(Ｂ’部)では主桁８に、溶接部位８８を介して溶接された縦リブ８３及びスキンプレート８４により主桁８の変形は拘束される。これに対して、Ｂ’部と断面Ｂ’部の中間における主桁８とコンクリート８５の接触面Ｈ’部では外周面側のフランジ８２ｂはスキンプレート８４により変形自体が拘束されるものの、図２１(b)の２点鎖線に示すように内空面側のフランジ８２ａは変形してしまい、シールドマシン掘進時のジャッキ推力が作用した場合、図２１(a)に示すように、その近傍にある中詰めコンクリート８５に応力集中Ｄが生じてしまう。その結果、当該応力集中Ｄが生じた箇所からひび割れ８６等が生じてしまうことになる。なお、上述した問題点は外周面側のフランジ８２ｂがなく、内周面側のフランジ８２ａ、ウエブ８１、スキンプレート８４、及び縦リブ８３が溶接部位８８を介した溶接によって接合された場合でも溶接部位８８に対する溶接により熱ひずみによる変形が生じて、同様の問題点が生じる。
【００１０】
さらに、内空面側にフランジ８２ａを有する場合は、外周面側のフランジ８２ｂの有無によらず、溶接部位８８の熱歪みによる変形を矯正して、その変形を防止できた場合であっても、シールドマシン掘進時のジャッキ推力によるトンネル軸方向Ｃの圧縮力による応力が作用した場合、内周面側フランジ８２ａの端面８２ｃと接触しているコンクリート、特に端面８２ｃの角部に応力集中が生じるため、ひび割れを生じることがある。
【００１１】
このようなコンクリートセグメントに対するひび割れの発生を防止するために、例えば特許文献１に開示されている技術が提案されている。
【００１２】
即ち、この特許文献１における開示技術は、図２２に示すように、軸方向の両端部に形成された接続面９５ａと、周方向の両端部に形成された接続面９５ｂとを備え、例えば鋼板等のコンクリートより延性の高い材料からなる応力分散板９１をセグメント本体９５の軸方向の接続面９５ａの外周側に設けている。この応力分散板９１における径方向の幅は、セグメント本体９５の径方向の幅の半分程度に形成されている。応力分散板９１は、セグメント本体９５の曲率とほぼ同じであり、湾曲するように形成されている。
【００１３】
特許文献１の開示技術では、セグメント本体の端面に集中力が作用した場合においてもかかる応力分散板９１自体が変形することにより、応力を分散させ、ひいてはセグメント本体のひび割れや欠け等の発生を防止することが可能となると示されている。
【特許文献１】特開２００４−３５３３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記特許文献１の開示技術では、あくまでセグメント外面に鋼板などの応力分散板９１を貼り付ける構成としているため、ハンドリングの際に応力分散板９１が脱落してしまう場合や疵が入ってしまう場合もある。かかる場合には、上述した応力分散板９１本来の機能を発揮させることができず、セグメントのひび割れ等を防止することができなくなるという問題点がある。さらに、応力分散板としてはハンドリング時の衝撃荷重等に抵抗するため、コンクリートより固い材料、例えば鋼板など、が用いられるので、ジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力に対しては、上記応力分散板の角部付近のコンクリートに生じる応力集中によりコンクリートにひび割れが生じやすい問題がある。
【００１５】
また、コンクリートセグメントよりもハンドリング時の接触などによる外荷重に対してひび割れが生じにくいセグメントとしては、セグメントの外面を構成するスキンプレート（多くはトンネル外面のみに形成）や主桁、継手板及びセグメント内部に縦リブが溶接されて組み立てられた鋼殻の内部にコンクリートを充填したコンクリート中詰め鋼製セグメント等が既に供用されている。
【００１６】
上記コンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、コンクリートの打設高さは、セグメントトンネル内面側の鋼材、すなわち主桁や継手板縦リブ、スキンプレート等の鋼材の防食性確保や、完成時のトンネル内面の平滑性の確保等のために、主桁、継手板、縦リブよりも高い位置まで打設されている。
【００１７】
しかしながら、このような構成では、セグメントの運搬、組み立てといったハンドリング時のひび割れを防止する効果を奏するものの、シールドマシン掘進時のジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力による主桁鋼板の角部や主桁のフランジ鋼板角部、特に主桁に溶接による熱歪みによる変形により、主桁と継手板との溶接部位の主桁のトンネル内周面側付近のコンクリートの応力集中が生じ、主桁内面近傍のコンクリートのひび割れやひび割れに起因するコンクリートの剥落が生じる問題があった。
【００１８】
すなわち、上記コンクリートセグメントやコンクリート中詰め鋼製セグメントでは、鋼材やコンクリートより延性の高い応力分散板とコンクリートとが接触し、ジャッキ推力作用時のトンネル軸方向の圧縮力により、鋼材や応力分散板の角部付近のコンクリートに生じる応力集中によりコンクリートにひび割れが生じる構成となっており、これを解決する構成が従来より望まれていた。
【００１９】
そこで、本発明は上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、シールドマシン推進時のジャッキ推力による主桁内面近傍のコンクリートへのひび割れ発生を強固に防止す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】
【００２０】
本発明者は、上述した課題を解決するために、鋼殻の内部にコンクリートを中詰めする際に、そのコンクリートの高さを、少なくとも外主桁への接触面において外主桁の高さ以下に調整することにより、主桁近傍のコンクリートへのひび割れ発生をより強固に防止できることを見出した。
【００２１】
即ち、請求項１に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記外主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２２】
請求項２に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１記載の発明において、上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、上記コンクリートの高さは、上記中主桁への接触面において、上記中主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１又は２記載の発明において、上記コンクリートの高さは、上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位周囲において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以下であることを特徴とする。
【００２４】
請求項４に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記内空面側に形成されたフランジの鋼殻内側下面以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項５に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、上記コンクリートと上記外主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２６】
請求項６に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５記載の発明において、上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、上記コンクリートは、上記中主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２７】
請求項７に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５又は６記載の発明において、少なくとも上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位近傍に上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２８】
請求項８に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５〜７のうち何れか１項記載の発明において、上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、上記コンクリートと上記内空面側に形成されたフランジの少なくとも側端部との間で弾性材を介装させてなることを特徴とする。
【００２９】
請求項９に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項５〜８のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、アクリルゴム樹脂、ポリブタジエンゴム系樹脂、クロロプレンゴム系樹脂およびポリエステル樹脂の何れかであることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜９のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートの打設高さは、上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面以外において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以上に亘り充填されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１１に記載のコンクリート中詰め鋼製セグメントは、請求項１〜１０のうち何れか１項記載の発明において、上記コンクリートの打設高さは、少なくとも上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面において上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さより１〜５ｍｍ低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
上述した構成からなる本発明では、主桁のトンネル内面側、すなわちトンネル内空面側においてコンクリートが接触されていない状態とされている。このため、主桁のトンネル内面側において波状の変形が生じた場合においても、当該トンネル内面側の鋼板角部にはコンクリートが接触されていない、又は当該トンネル内面側の鋼板角部とコンクリートの接触面を含む近傍にコンクリートよりも低弾性率の弾性材が介装されていることから、当該コンクリートへの応力集中が無くなる。その結果、従来技術の如く主桁のトンネル内面側と接触するコンクリートに対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリートに対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００３３】
また本発明では、コンクリートと主桁との接触面において応力集中が存在しない状態の下でセグメントを軸方向Ｅに連結させることができることから、トンネル内の応力分布が均一になり、トンネル全体の耐力を向上させることができる。
【００３４】
さらに、本発明では、鋼板等の応力分散板を設ける場合において発生していたハンドリング時における脱落等のリスクや応力分散板角部付近のコンクリートの応力集中も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
本発明の対象となるコンクリート中詰め鋼製セグメントは、鋼板を組立て製造された鋼殻内に中詰めコンクリートを充填させた鋼製セグメント、並びに鋼殻の内部にコンクリートを充填してなる合成セグメントである。
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、複数のセグメントを千鳥状に連結するためのセグメントの連結構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントが適用されるシールドトンネル３の例を示している。この図１に示すように、シールドトンネル３は、複数の円弧状のセグメント４をセグメント継手部６５においてリング状に連結した覆工体をトンネル内面に組み立てて構築される。このシールドトンネルにおいては、シールドトンネル３全体の構造耐力及び剛性を向上させるべく、隣接するセグメントリング間でセグメント４を千鳥配置に連結し、かつセグメントリング間を軸方向Ｅへ向けて結合することで、かかる連結をより強固にしている。実際にシールドトンネル３を構成するためには、底部においてコンクリートが打設されて平坦な床ｆが構成されることもある。
【００３９】
セグメント４は、図２に示すように両側面を形成する２本の外主桁１１と、外主桁１１間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁１１の端部間を結合する継手板１３とを有し、外主桁１１間には縦リブ１４が設けられている鋼殻１０を備えている。また、この鋼殻の周囲には、周方向、軸方向に隣接するセグメントを連結するためのボルト孔９８が設けられている。この鋼殻１０内には後述するようにコンクリートが中詰めされることになる。
【００４０】
外主桁１１は、上記セグメントリング２の周方向に分割した形状で構成され、所定の曲率で湾曲した形状からなる。この外主桁１１は、鋼板を加工することによって得られる。この外主桁１１には、軸方向に隣接する他のセグメント４との間で連結を行うためのボルト挿入孔や図示しない継手等が所定ピッチで形成されていてもよい。
【００４１】
継手板１３は、２本の外主桁１１に対して略垂直方向に延長され、当該外主桁１１の端部間を連結可能な長さに予め加工され、それぞれ溶接により固着されている。この継手板１３には、周方向に隣接する他のセグメント４との間で連結することでセグメントリングを構成するためのボルト挿通孔２１が設けられている。
【００４２】
スキンプレート１２は、外主桁１１、継手板１３及び縦リブ１４に対して溶接により固定されている。このスキンプレート１２は、セグメントリングの外周側鋼板をなすものであって、円筒周面形状に湾曲された形状で構成されている。
【００４３】
縦リブ１４は、外主桁１１間を所定間隔を開けて配置されるものである。この縦リブ１４は、継手板１３に対して略平行となる方向で配置される。この縦リブ１４は、外主桁１１及びスキンプレート１２に対して溶接により固着されている。図２に示す例において、この縦リブ１４の高さは、外主桁１１や継手板１３に対して低くなるように設定した場合を示しているがこれに限定されるものではなく、略同一高さとなるように構成するようにしてもよい。
【００４４】
図３は、上述の如き構成からなる鋼殻１０に対してコンクリート２３を中詰めした状態を示している。また、図４は、この図３におけるＦ−Ｆ´断面を示している。ちなみに、このＦ−Ｆ´断面は、縦リブ１４が設けられた位置に沿った断面の構成を示しているが、仮にこのＦ−Ｆ´断面が縦リブ１４と離間した位置にある場合には図４において縦リブ１４の構成は省略されるものとなる。
【００４５】
コンクリート２３は、鋼殻１０における内空面側から打設され、固化させることにより鋼殻１０内に充填されるものである。また、トンネル軸方向、周方向に隣接する他のセグメントとの間でボルト接合するためのボルトボックス９９がそれぞれ形成されている。このとき、図４に示すように、充填されるコンクリート２３のスキンプレート１２からの高さをｈ１とし、さらに、このコンクリート２３の外主桁１１との接触面１１ａにおける高さをｈ２とする。また、外主桁１１の高さをｈ３とする。このとき、少なくともコンクリート２３の高さｈ２は、外主桁１１の高さｈ３以下に構成されているものとする。即ち、このコンクリート２３における外主桁１１の接触面１１ａのトンネル内面側は、いわゆる面取りが施された状態となる。ちなみに、この面取りの形態としては、図４に示すように外主桁１１が立設されている略鉛直方向に対して斜めに傾斜された形で構成されていてもよい。また、この面取りの形態としては、例えば図５に示すように、外主桁１１における接触面１１ａから水平方向に向けてセグメント内側へと延長される水平面２３ａと、この水平面２３ａから上方に傾斜された傾斜面２３ｂとが形成されるようにコンクリート２３を充填するようにしてもよい。その結果、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態を作り出すことが可能となる。
【００４６】
このような構成からなる本発明では、以下に説明するような効果を奏する。上述の構成からなるセグメントを組み立てる際に、外主桁１１は、縦リブ１４や継手板１３、スキンプレート１２に対して溶接されて互いに固着させて鋼殻１０の一構成要素となり得る。このとき、溶接により実際に鋼殻１０が熱歪みにより変形してしまう。この状態を図６（a）〜（d）により説明する。図６（a）、（c）は、図２においてコンクリートを充填した状態のＦ−Ｆ’断面、すなわち図３におけるＦ−Ｆ’断面であり、溶接部位１０８に対する溶接により縦リブ１４と外主桁１１及びスキンプレート１２が溶接されている。一方、図６（b）、（d）は図２においてコンクリートを充填した状態のＧ−Ｇ’断面、すなわち図３におけるＧ−Ｇ’断面が変形した状態を示している。ちなみに、図６（a）、（b）は、図４に示す面取りの形態に対応するものであり、図６（c）、（d）は、図５に示す面取りの形態に対応するものである。
【００４７】
図６（a）、（c）に示すＦ−Ｆ’断面では外主桁１１は溶接部位１０８に対する溶接による熱ひずみにより変形しようとするがスキンプレート１２及び縦リブ１４により変形を拘束されているため外主桁１１の変形は微小である。
【００４８】
これに対して、図６（b）、（d）に示すＧ−Ｇ’断面では外主桁１１のトンネル内空面側はＦ−Ｆ’断面における外主桁１１と縦リブ１４との溶接による熱歪みによって外主桁１１はセグメント内側に面外変形を起こす。ちなみに、この図６(b),(d)では、外主桁１１について溶接前の状態を点線で表示し、溶接後の状態を実線で表している。これに対し、トンネル外周面側にはスキンプレート１２が結合されていることから、熱歪みに基づく変形が拘束される。従って、図６(b),(d)に示すように外主桁１１のトンネル内面側のみがセグメント内側に変形してしまう。
【００４９】
しかしながら、本発明においては、外主桁１１のトンネル内面側のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態とされている。このため、外主桁１１が面外に変形した場合においても、当該トンネル内面側のトンネル内面側角部１１ｂにはコンクリート２３が接触されていないことから、シールドマシン掘進時のジャッキ推力が作用した場合に、Ｆ−Ｆ‘断面近傍においてコンクリート２３は、外主桁１１と縦リブ１４とは面接触となる。このとき、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂはコンクリートと接触しない。その結果、従来技術の如く外主桁のトンネル内面側と接触するコンクリート２３に対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリート２３に対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００５０】
また本発明では、コンクリート２３と外主桁１１との接触面１１ａにおいて応力集中が存在しない状態の下でセグメント４を軸方向Ｅに連結させることができることから、トンネル内の応力分布が均一になり、トンネル全体の耐力を向上させることができる。
【００５１】
さらに、本発明では、応力を分散させる上で、応力分散板等をはじめとした特段の構成を設ける必要もなくなることから、製造労力を低減でき、製作コスト低減にも寄与する。また、鋼板等の応力分散板を設ける場合において発生していたハンドリング時における脱落等のリスクや応力分散板角部付近のコンクリートの応力集中も生じない。
【００５２】
なお、シールドトンネルの掘進に伴い、ジャッキ推力が負荷された場合、従来技術において生じていたコンクリート２３と外主桁１１との接触面１１ａにおいて応力集中の根源となるジャッキ推力に基づく荷重はそれほど大きなものではない。このため、本発明の如く外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態とし、当該箇所において荷重を負担することができない構造としても、上述したジャッキ推力に基づく荷重自体がそれほど大きなものではないため、実際のところ特段の不都合は生じない。
【００５３】
なお、本発明においては、コンクリートの高さｈ２が、外主桁１１の高さｈ３以下に構成されていることを要件としているが、上述した所期の効果を確実に奏するためには、ｈ２がｈ３に対して１〜５ｍｍ程度低いことが望ましい。これにより、熱歪みにより主桁１１に波状の変形が発生した場合においても、当該トンネル内面側角部１１ｂよりも１〜５ｍｍ程度まで高さｈ２を低く設定したコンクリート２３に対しては応力集中が生じることなく、ひいては、ひび割れ等の発生もより効果的に低減させることが可能となる。
【００５４】
図７は、鋼殻１０の中央において周方向に延長された中主桁１８を設けた形態を示している。この図７において、上述した図２と同一の構成要素、部材に関しては同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。この中主桁１８は、外主桁１１間において外主桁１１と並行に配置されたものである。この中主桁１８は、外主桁１１と同様に、セグメントリング２の周方向に分割した形状で構成され、所定の曲率で湾曲した形状からなる。
【００５５】
図８は、この中主桁１８を設けた鋼殻１０に対してコンクリート２３を充填した状態を示している。充填されるコンクリート２３のスキンプレート１２からの高さをｈ１とし、さらに、このコンクリート２３の中主桁１８との接触面１８ａにおける高さをｈ４とする。また、中主桁１８の高さをｈ５とする。このとき、コンクリート２３の高さｈ４は、少なくとも中主桁１８の高さｈ５以下に構成されているものとする。即ち、このコンクリート２３における中主桁１８の接触面１８ａの上端も同様に面取りが施された状態となる。ちなみに、この面取りの形態としては、図８に示すように中主桁１８が立設されている略鉛直方向に対して斜めに傾斜された形で構成されていてもよい。また、この面取りの形態としては、例えば図９に示すように、中主桁１８における接触面１８ａから水平方向に向けて内側へと延長される水平面２３ａと、この水平面２３ａから上方に傾斜された傾斜面２３ｂとが形成されるようにコンクリート２３を充填するようにしてもよい。その結果、中主桁１８のトンネル内面側角部１８ｂにおいてコンクリート２３が接触されていない状態を作り出すことが可能となる。
【００５６】
中主桁１８は継手板１３や縦リブ１４と左右対称に溶接されるよう設計されるため、実際は加工時の手順や溶接精度に起因する入熱が中主桁１８の左右で多少異なるようなことがあっても溶接による熱ひずみは外主桁より小さい。このように中主桁１８の熱ひずみによる変形は小さいが、中主桁１８はトンネル内面側角部１８ｂ近傍でコンクリート２３と接触している場合は、コンクリート２３と縦リブ１４や継手板１３との剛性の違いから、コンクリート２３にはジャッキ推力による応力集中が作用することになり、やはりコンクリート２３にひび割れが生じやすい。これに対し、本発明では、中主桁１８はトンネル内面側角部１８ｂ近傍でコンクリート２３と接触していないため、同様にコンクリート２３に対して応力集中が大幅に軽減され、コンクリート２３に対してひび割れ等が生じるのを防止することが可能となる。
【００５７】
図１０は、コンクリート２３を低くした溝部３１を所定間隔で形成させた例を示している。溝部３１は、少なくとも縦リブ１４と外主桁１１間の溶接部位周囲のみにおいて形成されている。外主桁１１における外側への変形は、外主桁１１における縦リブ１４の連結部位において所定間隔で生じる。また、トンネル軸方向に隣接する他のセグメントとの間でボルト接合するためのボルトボックス９９がそれぞれ形成されている。このため、かかる外主桁１１と縦リブ１４との連結部位周囲のみに焦点を当てて当該箇所について溝部３１を設ける。このとき、この溝部３１における主桁１１の接触位置が主桁１１の高さ以下とされていることが条件となる。これにより、コンクリート２３の高さは、少なくとも縦リブ１４の溶接部位周囲のみにおいて、外主桁１１の高さ以下とすることが可能となる。かかる構成においても、同様に外主桁１１において発生した熱歪みに基づく変形が起きても、コンクリート２３に対してひび割れ等が発生するのを防止することが可能となる。なお、この溝部３１の幅は、縦リブ１４から２０〜５０ｍｍ程度で構成されていてもよい。
【００５８】
なお、本発明は、図１１に示すようなウエブ４１と内空面側のフランジ４２ａ、外周面側のフランジ４２ｂとからなる外主桁４０を有する場合においても適用可能である。鋼殻３９は、この外主桁４０の外周面側を被覆するスキンプレート１２と、外主桁４０端部間を結合する図示しない継手板とを備えており、この鋼殻３９内においてコンクリート２３が充填されている。ちなみに、この図１１（a）は、縦リブ１４が設けられた位置に沿った断面の構成を示しており、図１１（b）は縦リブ１４と離間した位置にある断面を示している。図１１(b)に示すこの外主桁４０において、溶接前の状態を点線で、また溶接後の状態を実線で示している。この外主桁４０は、トンネル内周面側にフランジ４２ａがあるため、このようなフランジ４２aが無い外主桁１１と比べるとその変形量は小さいが、縦リブ１４と離間した位置においては、ほぼ同様に変形してしまう。
【００５９】
ここで、コンクリート２３の主桁４０と接触する部位におけるスキンプレート１２からの高さをｈ７とし、内空面側のフランジ４２ａの下面を構成する鋼殻内側下面４６におけるスキンプレート１２からの高さをｈ８としたとき、コンクリート２３の高さｈ７は、鋼殻内側下面４６の高さｈ８以下とされている。
【００６０】
ちなみに、コンクリート２３は、フランジ４２ａから離間する方向へ向けて水平に延長され、その後上方に傾斜される構成としているがこれに限定されるものではない。図１２は、上述した外主桁４０に接触する中詰めコンクリート２３の形態の他の例を示している。図１２(a)では、フランジ４２ａの鋼殻内側かつ下側の角部４２ｄから直接コンクリート２３を上方に傾斜させたものであり、図１２(b)の例では、フランジ４２ａの鋼殻内面下側４６からコンクリート２３をそのまま水平に延長した構成としたものである。
【００６１】
このようなウエブ４１とフランジ４２とを有する外主桁４０は、図１２（a）、（b）に示したように、内面側フランジ４２ａのコンクリート側の角部４２ｃ及び角部４２ｄとコンクリート２３との当接部では応力集中が生じやすい、また図１１（b）に示したように、縦リブ１４と隣接する縦リブ１４の間の断面では内空面側のフランジ４２ａ及びウエブ４１が熱歪みにより変形するため外主桁４０はやはり波状に変形してしまう。しかしながら、本発明においてコンクリート２３は、かかるフランジ４２ａにおける鋼殻内面４６を超える高さにまで充填されていないことから、フランジ４２ａ及びウエブ４１の該変形に基づくコンクリート２３のひび割れの発生を抑えることが可能となる。
【００６２】
なお、安全率の観点から、このコンクリート２３の高さｈ７は、鋼殻内側下面４６の高さｈ８よりも１〜２ｍｍ程度低く設定することが望ましい。
【００６３】
なお、本発明は、上述した構成の代替として、外主桁１１とコンクリート２３との間に弾性体を介装させるようにしてもよい。
【００６４】
図１３は、かかる弾性材を介装させるセグメント５の斜視図を、また図１４(a)は、図１３のＨ−Ｈ´断面を示している。このセグメント５において上述したセグメント４と同一の構成要素、部材に関しては、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００６５】
弾性体３２は、外主桁１１の内空面側のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３の間に介装される。即ち、外主桁１１におけるトンネル内面側角部１１ｂがコンクリート２３と直接接触することが無いように、弾性体３２がこれらの間に介装されている必要がある。
【００６６】
弾性体３２は、防食効果を発揮するエポキシ樹脂、ウレタンエラストマー、ウレタンフォーム、ポリエチレンの何れかで構成されている場合を想定しているが、これらに限定されるものではなく、弾性係数が小さい弾性材であればいかなるものを適用するようにしてもよい。ちなみに、コンクリート２３はアルカリ性であることから、これに対応すべく弾性体３２は対アルカリ性であることが望ましい。また、この弾性体３２としては、例えばエラストマーやフォーム等の有機樹脂シートを適用するようにしてもよい。ちなみに、この弾性体の断面形状は、本実施形態において矩形状としているがこれに限定されることなくいかなる断面形状で具体化されていてもよいことは勿論である。
【００６７】
また、図１４(a)に示すように、この弾性体３２は、コンクリート２３内に埋め込まれているが、これに限定されることなく、弾性体３２とコンクリート２３とが互いに同一表面を共有する形態とされていてもよい。
【００６８】
実際にこの弾性体３２を配設する際には、コンクリート２３を充填する前に予めこの弾性体３２を外主桁１１に対して貼着させておいてもよい。
【００６９】
図１４(b)は、中主桁１８を有する鋼殻１０に対する弾性体３２の配設例を示している。中主桁１８に対しても同様に、弾性体３２は中主桁１８のトンネル内面側角部１８ｂとコンクリート２３との間に介装される。
【００７０】
このような構成からなる本発明を適用したセグメント５では、以下に説明するような効果を奏する。即ち、このセグメント５は、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３との間にはコンクリートよりも低弾性率の弾性体３２が介在された状態となっている。このため、コンクリート２３は外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂに対して直接的に接触されていない状態となっている。このため、外主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂとコンクリート２３との間に介装されている弾性体３２が弾性変形をすることにより当該変形を吸収することができる。このため、コンクリート２３に対して主桁１１の波状の変形に基づく応力集中が大幅に軽減される。その結果、従来技術の如く外主桁のトンネル内面側角部１１ｂと接触するコンクリートに対して応力集中が生じるのを防止することが可能となり、ひいてはコンクリート２３に対してひび割れや欠けが生じてしまうのを防止することが可能となる。中主桁１８が配設されている場合も同様であり、仮にトンネル内面側角部１８ｂの周囲に設けられた弾性体３２がこれを吸収することが可能となり、ひいては、コンクリート２３に応力集中が生じるのを防止することが可能となる。
【００７１】
また、このセグメント５では、図１５(a)に示すように弾性体３２を局所的に設けることにより、弾性体３２に寄与する材料コストを抑えるようにしてもよい。この例において弾性体３２は、少なくとも縦リブ１４と外主桁１１間の溶接部位周囲のみにおいて形成されている。外主桁１１における外側への変形は、外主桁１１における縦リブ１４の連結部位において所定間隔で生じる。このため、かかる外主桁１１と縦リブ１４との連結部位周囲のみに焦点を当てて当該箇所について弾性体３２を設ける。なお、この図１５(a)の例では、弾性体３２の表面と、コンクリート２３における内空面側表面とが同一面を構成する場合を想定している。
【００７２】
図１５(b)は、かかる弾性体３２の形成位置における拡大斜視図を示している。弾性体３２は、縦リブ１４のトンネル内面側でかつ外主桁１１におけるトンネル内面側角部１１ｂに接触して設けられている。このため、縦リブ１４のトンネル内面側が完全に弾性体３２により被覆されている状態となり、縦リブ１４と外主桁１１が交差する部位の主桁１１のトンネル内面側角部１１ｂ近傍のコンクリート２３において、ジャッキ推力により作用する応力を分散し応力集中が大幅に軽減される。この構成においても上述した本発明の所期の効果を奏することになる。ちなみに、この弾性体３２を介在させた外主桁１１とコンクリート２３の間隔は、１〜１０ｍｍ程度となるように構成されていることが望ましい。その理由として、応力分散を十分に行うためには、この弾性体３２を介在させた外主桁１１とコンクリート２３の間隔をほぼ１〜１０ｍｍ程度とすれば十分であるためである。
【００７３】
なお、この弾性体３２を設けるセグメント５は、図１６に示すようなウエブ４１と内空面側のフランジ４２ａ、外周面側のフランジ４２ｂとからなる外主桁４０を有する場合においても同様に適用可能である。
【００７４】
かかる場合において内空面側のフランジ４２ａの側端部４７とコンクリート２３との間で弾性体３２が介装されている。このとき、弾性体３２は、フランジ４２ａの側端部４７の角部４２ｃや下端角部４２ｄがコンクリートに埋没する部分において被覆されていればよい。すなわち、図１６の例においては少なくとも下端角部４２ｄにおいて被覆されていればよい。
【００７５】
このようなウエブ４１とフランジ４２とを有する外主桁４０は、ウエブ４１及び内空面側のフランジ４２ａが熱歪みにより変形し、セグメント幅方向に波状に変形することになるが、本発明では、少なくとも側端部４７は弾性体３２により被覆され、当該弾性体３２は、側端部４７とコンクリート２３との間に介装されている構成とされているため、かかる側端部４７の変形は弾性体３２を介して吸収されることになる。これにより、フランジ４２ａの変形に基づくコンクリート２３のひび割れの発生を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントが適用されるシールドトンネルの例を示す図である。
【図２】発明に係るコンクリート中詰め鋼製セグメントを構成する鋼殻の構成について説明するための図である。
【図３】上述の如き構成からなる鋼殻に対してコンクリートを中詰めした状態を示す図である。
【図４】図３におけるＦ−Ｆ´断面図である。
【図５】面取りの他の形態について説明するための図である。
【図６】外主桁において熱歪みが発生した状態を示す図である。
【図７】鋼殻の中央において周方向に延長された中主桁を設けた形態を示す図である。
【図８】中主桁を設けた鋼殻に対してコンクリートを充填した状態を示す断面図である。
【図９】中主桁を設けた鋼殻に対してコンクリートを充填した状態を示す他の断面図である。
【図１０】コンクリートを低くした溝部を所定間隔で形成させた例を示す図である。
【図１１】本発明をＮＭセグメントに適用した例について示す図である。
【図１２】上述した外主桁に接触する中詰めコンクリートの形態の他の例を示す図である。
【図１３】弾性材を介装させるセグメントの斜視図である。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ´断面図である。
【図１５】弾性体を局所的に設けた構成について説明するための図である。
【図１６】本発明をＮＭセグメントに適用する際に弾性体を設ける構成について説明するための図である。
【図１７】コンクリート中詰め鋼製セグメントの構成例について示す図である。
【図１８】主桁と縦リブとの交差位置における側断面図である。
【図１９】コンクリート中詰め鋼製セグメントを軸方向Ｃに連結させる際の平面的な形態を示す図である。
【図２０】内空面側、外周面側にそれぞれフランジを有する主桁の場合の従来技術の問題点について説明するための図である。
【図２１】ＮＭセグメントにおける応力集中Ｄが生じた箇所からひび割れ７６等が生じた例について示す図である。
【図２２】応力分散板をセグメント本体の外周側に設けた例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
２ セグメントリング
３ シールドトンネル
４、５ セグメント
７ コンクリート中詰め鋼製セグメント
８ 主桁
１０ 鋼殻
１１、４０ 外主桁
１１ａ 外主桁のコンクリートとの接触面
１１ｂ 外主桁のトンネル内面側角部
１２ スキンプレート
１３ 継手板
１４ 縦リブ
１８ 中主桁
１８ａ 中主桁のコンクリートとの接触面
１８ｂ 中主桁のトンネル内面側角部
２１ ボルト挿通孔
２３ コンクリート
３１ 溝部
３２ 弾性体
４１、８１ ウエブ
４２ フランジ
４２ａ トンネル内空側フランジ
４２ｂ トンネル外周側フランジ
４２ｃ トンネル内空側フランジの鋼殻内側の上部の角部
４２ｄ トンネル内空側フランジの鋼殻内側の下部の角部
４６ 鋼殻内側下面
４７ 側端部
６５ セグメント継手部
７０ 鋼殻
７１ 主桁
７２ 縦リブ
７３ 継手板
７４ スキンプレート
７５ 中詰めコンクリート
８２ａ 内空面側のフランジ
８２ｂ 外周面側のフランジ
８８ 溶接部位
８３ 縦リブ
８４ スキンプレート
８８ 溶接部
９１ 応力分散板
９５ａ、９５ｂ 接続面
９８ ボルト孔
９９ ボルトボックス
１０８ 溶接部位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、
上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記外主桁の高さ以下であること
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】
上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、
上記コンクリートの高さは、上記中主桁への接触面において、上記中主桁の高さ以下であること
を特徴とする請求項１記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項３】
上記コンクリートの高さは、上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位周囲において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以下であること
を特徴とする請求項１又は２記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項４】
上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、
上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記内空面側に形成されたフランジの鋼殻内側下面以下であること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項５】
両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、
上記コンクリートと上記外主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなること
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６】
上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、
上記コンクリートは、上記中主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項７】
少なくとも上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位近傍に上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５又は６記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項８】
上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、
上記コンクリートと上記内空面側に形成されたフランジの少なくとも側端部との間で弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項９】
上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、アクリルゴム樹脂、ポリブタジエンゴム系樹脂、クロロプレンゴム系樹脂およびポリエステル樹脂の何れかであること
を特徴とする請求項５〜８のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項１０】
上記コンクリートの打設高さは、上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面以外において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以上に亘り充填されていること
を特徴とする請求項１〜９のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項１１】
上記コンクリートの打設高さは、少なくとも上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面において上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さより１〜５ｍｍ低いこと
を特徴とする請求項１〜１０のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項１】
両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、
上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記外主桁の高さ以下であること
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】
上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、
上記コンクリートの高さは、上記中主桁への接触面において、上記中主桁の高さ以下であること
を特徴とする請求項１記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項３】
上記コンクリートの高さは、上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位周囲において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以下であること
を特徴とする請求項１又は２記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項４】
上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、
上記コンクリートの高さは、少なくとも上記外主桁への接触面において上記内空面側に形成されたフランジの鋼殻内側下面以下であること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項５】
両側面を形成する外主桁と、上記外主桁間の少なくとも外周面側を被覆するスキンプレートと、上記外主桁の端部間を結合する継手板と、上記外主桁間を結合する縦リブとを有する鋼殻の内部にコンクリートが中詰めされたコンクリート中詰め鋼製セグメントにおいて、
上記コンクリートと上記外主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなること
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６】
上記鋼殻は、上記外主桁間において上記外主桁と並行に配置された中主桁を有し、
上記コンクリートは、上記中主桁の内空面側角部との間に、当該コンクリートより低弾性率の弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項７】
少なくとも上記縦リブ及び／又は継手板と上記外主桁及び／又は中主桁との溶接部位近傍に上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５又は６記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項８】
上記外主桁は、ウエブと当該ウエブの少なくとも内空面側に形成されたフランジとを有し、
上記コンクリートと上記内空面側に形成されたフランジの少なくとも側端部との間で弾性材を介装させてなること
を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項９】
上記コンクリートよりも低弾性率の弾性材は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、アクリルゴム樹脂、ポリブタジエンゴム系樹脂、クロロプレンゴム系樹脂およびポリエステル樹脂の何れかであること
を特徴とする請求項５〜８のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項１０】
上記コンクリートの打設高さは、上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面以外において、上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さ以上に亘り充填されていること
を特徴とする請求項１〜９のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【請求項１１】
上記コンクリートの打設高さは、少なくとも上記外主桁及び／又は上記中主桁への接触面において上記外主桁及び／又は上記中主桁の高さより１〜５ｍｍ低いこと
を特徴とする請求項１〜１０のうち何れか１項記載のコンクリート中詰め鋼製セグメント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００９−２４９８４１（Ｐ２００９−２４９８４１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９５９１４（Ｐ２００８−９５９１４）
【出願日】平成２０年４月２日（２００８．４．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２日（２００８．４．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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