トンネル構造物
【課題】コンクリート躯体を構成する床版の鉛直変位を抑制するとともに、セグメント連結体に負荷される応力そのものを小さくする。
【解決手段】鉛直壁版２１と、鉛直壁版２１の上端から略水平方向に設けられた上床版２２ａと、鉛直壁版２１の下端から略水平方向に設けられた下床版２２ｂとからなる断面略コ字型のコンクリート躯体２と、セグメント３５をトンネル周方向に連結させてなるとともに、その両端がコンクリート躯体２における上床版２２ａ及び下床版２２ｂにそれぞれ接合され、コンクリート躯体２よりも低剛性とされたセグメント連結体３とを備え、コンクリート躯体２は、セグメント３５が接合された接合部１２の剛性をより低く、接合部１２以外の非接合部１１の剛性をより高く設定している。
【解決手段】鉛直壁版２１と、鉛直壁版２１の上端から略水平方向に設けられた上床版２２ａと、鉛直壁版２１の下端から略水平方向に設けられた下床版２２ｂとからなる断面略コ字型のコンクリート躯体２と、セグメント３５をトンネル周方向に連結させてなるとともに、その両端がコンクリート躯体２における上床版２２ａ及び下床版２２ｂにそれぞれ接合され、コンクリート躯体２よりも低剛性とされたセグメント連結体３とを備え、コンクリート躯体２は、セグメント３５が接合された接合部１２の剛性をより低く、接合部１２以外の非接合部１１の剛性をより高く設定している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面略コ字型のコンクリート躯体にセグメント連結体を接合することにより、特にトンネル分岐合流部を構成する場合やトンネル拡幅部を構成する場合に適用されるトンネル構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年における都市部の地下道路網の整備が進展するにつれて、２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部等において、既設のトンネル断面を拡幅したトンネル拡幅部が必要となるケースが増加している。従来における拡幅部トンネルの構築方法は、例えば、特許文献１において開示されている。
【０００３】
この特許文献１における開示技術では、先ず図１８に示すように、複数の既設セグメントトンネル６６の間に新たに空間６９を構築する。既設トンネルセグメント６６間の空間６９の構築は、地表面より鋼矢板等の土留め壁６７と支保工材６８ａおよび腹起こし材６８ｂを構築しながら既設トンネルセグメント６６で挟まれた部分の土砂を排除し掘り下げる開削工法や、図１９に示すように、既設トンネルセグメント６６内より構築しようとする空間６９を囲むように凍結管を地中に挿入して、周辺の地盤を凍土７０としておき、囲まれた土砂を排除する非開削工法などが一般的である。
【０００４】
このとき、図２０に示すように、構築した空間に面する既設トンネルセグメント６６の撤去部セグメント６１を撤去する。その場合、残置部セグメント６２には内部空間構築による偏荷重が作用するため、予めトンネル内に図示しない支保工を配置する等、残置部セグメント６２を補強する措置を施しておく。
【０００５】
次に、構築した内部空間に鉄筋コンクリート製あるいは鋼製あるいは鉄骨鉄筋コンクリート製等の床６４ａおよび中柱６４ｂ等よりなるコンクリート躯体６４を構築するとともに、残置部セグメント６２とコンクリート躯体６４とを連結部６３にて確実に接合することで図２１に示すような拡幅部トンネル断面が完成する。
【０００６】
ここで、既設トンネルセグメント６６に使用するセグメントは、通常、セグメントの現場組立管理を簡略化するため、セグメント構造およびセグメント仕様を同一セグメントリング内の部位に拘わらず統一している。
【特許文献１】特開２００３−０４１９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献１の開示技術では、コンクリート躯体６４が左右略対称な構造とされており、しかもその両側においてそれぞれ残置部セグメント６２が左右略対称となるように設けられた構成とされている。従って、このような拡幅部トンネル６に対して外荷重は左右対称に負荷されることになる。その結果、外荷重に基づく床６４ａにおける鉛直変形では、あたかもやじろべえのように左右で互いにキャンセルし合うため、拡幅部トンネル６の左右の何れかに応力が集中してしまうのを軽減させることができる。
【０００８】
これに対して、図２２に示すように、中柱７４ｂと床７４ａとからなる断面略コ字型のコンクリート躯体７４の片側に残置部セグメント６２を連結する拡幅部トンネル７では、左右非対称に構成されている。このような拡幅部トンネル７に対して、外荷重は左右非対称に負荷されることになり、特許文献１の開示技術のように荷重を左右で互いにキャンセルすることができない。その結果、図２２中点線で示すように、中柱７４ｂに水平方向の曲がりが発生し、コンクリート躯体７４における床７４ａの鉛直変位が大きくなり、ひいては残置部セグメント６２に発生する応力も大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
図２３は、この拡幅部トンネル７における曲げモーメントの分布図を示している。図中“○”は、最大正曲げモーメントを、また図中“□”は、最大負曲げモーメントを表している。拡幅部トンネル７を構成するコンクリート躯体６４の剛性は均一化されていることから、特に中柱７４ｂ近傍の点７６において負の曲げモーメントを大きくすることができず、その結果、床７４ａの先端の点７７において正曲げモーメントが大きくなり、床７４ａが下向きに大きく撓んでしまうことになる。また、この床７４ａによる撓みを受けて、これに接合されている残置部セグメント６２にも大きな正曲げモーメントが負荷され、内側に大きく撓むことになる。
【００１０】
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、その目的とするところは、断面略コ字型のコンクリート躯体にセグメント連結体を接合することにより構成されるトンネル構造物において、コンクリート躯体を構成する床版の鉛直変位を抑制するとともに、セグメント連結体に負荷される応力そのものを小さくすることが可能なトンネル構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願請求項１に記載の発明は、上述した課題を解決するために、鉛直壁版と、上記鉛直壁版の上端から略水平方向に設けられた上床版と、上記鉛直壁版の下端から略水平方向に設けられた下床版とからなる断面略コ字型のコンクリート躯体と、セグメントをトンネル周方向に連結させてなるとともに、その上下両端が上記コンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、上記コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、上記コンクリート躯体は、上記セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、上記接合部以外の非接合部の剛性をより高くしたことを特徴とする。
【００１２】
本願請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記接合部は、上記セグメントを連結することにより形成される仮想円中心を通る鉛直線から−４５°〜＋４５°の範囲を含むことを特徴とする。
【００１３】
本願請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記コンクリート躯体は、上床版と下床版の間隔が、上記鉛直壁版から上記接合部にかけて拡大されてなることを特徴とする。
【００１４】
本願請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の耐力をより高くしたことを特徴とする。
【００１５】
本願請求項５に記載の発明は、請求項１〜４記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の桁高をより低くしたことを特徴とする。
【００１６】
本願請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、少なくともその両端のセグメントについて鋼殻セグメントで構成し、当該鋼殻セグメントを上記コンクリート躯体に埋設することによりこれを接合することを特徴とする。
【００１７】
本願請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍においてセグメント間継手をトンネル軸方向に向けて直線状に連続して配置されてなることを特徴とする。
【００１８】
本願請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体を構成する各セグメントは、鋼殻セグメント、鉄筋コンクリートセグメント又は鋼コンクリート合成セグメントであることを特徴とする。
【００１９】
本願請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフの始端と終端とが更に接続されてなり、その接続部を構成するセグメントは、鋼殻セグメントであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明を適用したトンネル構造物は、断面略コ字型のコンクリート躯体と、両端がコンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、コンクリート躯体は、セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、接合部以外の非接合部の剛性をより高く設定している。即ち、本発明を適用したトンネル構造物１では、セグメント連結体、接合部、非接合部の順で剛性が高くなるように構成しているため、コンクリート躯体とセグメント連結体とを接合した左右非対称な構成とされている場合においてもコンクリート躯体における上床版、下床版の鉛直変位を小さくすることが可能となり、セグメント連結体に発生する応力を低く抑えることが可能となる。
【００２１】
また、トンネル断面の設計許容変位を満足することができるトンネル断面の設計自由度（トンネル適用寸法）を広げることが可能となる。これに加えて、セグメントの仕様を小さくすることができ、工費縮減を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、既設のトンネル断面を拡幅したトンネル構造物について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明を適用したトンネル構造物１は、例えば図１に示すように、コンクリート躯体２と、セグメント連結体３とを備えている。
【００２４】
コンクリート躯体２は、鉛直方向に向けて延長されている鉛直壁版２１と、鉛直壁版２１の上端から略水平方向に設けられた上床版２２ａと、鉛直壁版２１の下端から略水平方向に設けられた下床版２２ｂとにより構成されている。このコンクリート躯体２は、断面略コ字型により構成されている。また、このコンクリート躯体２は、少なくともコンクリートで構成されていればよく、また鉄筋・鉄骨部材の有無は問わない。また断面略コ字型で構成されているということは、即ち、鉛直壁版２１に対して上床版２２ａ、下床版２２ｂが直角に折れ曲がるようにして構成され、外側隅部２１ａが面取りされて丸く構成されているのではなく、あくまで直角に角ばった状態で構成されている。これに対して内側隅部２１ｂは、面取りされていてもよく、直角に折れ曲げられていなくてもよい。
【００２５】
セグメント連結体３は、周方向に向けてセグメント３５を連結することにより構成されている。このセグメント連結体３は、点線で示されている撤去部３２において既に設けられていたセグメント３５を撤去することによる残置部３１のみで構成されており、円環状のセグメントリング構造の一部を欠損させた断面形状として構成されている。その結果、このセグメント連結体３の両端には、それぞれ端部３ａ並びに端部３ｂが形成されている。そして、このセグメント連結体３の端部３ａは、コンクリート躯体２における上床版２２ａに、またセグメント連結体３の端部３ｂは、コンクリート躯体２における下床版２２ｂに接合されている。
【００２６】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５をいわゆる鋼殻セグメントで構成した例を図２に示す。セグメント３５は、両側面を構成する２本の主桁３６と、トンネル周方向に隣接する他のセグメント３５との間で当接されることを前提とした継手板３７と、主桁３６間において、セグメント３１の地山側から内空面側に向けて突出するように配設される縦リブ３９と地山側にスキンプレート４５を備えている。主桁３６には、トンネル軸方向に隣接する他のセグメント３５を連結するためのリングボルト孔４０が形成されている。また、継手板３７は、トンネル周方向に隣接する他のセグメント３５を連結するためのピースボルト孔３８が形成されている。このような鋼殻セグメントとして構成されるセグメント３５は、縦リブ３９が形成されていることにより、シールド掘進時におけるシールドマシン推進反力をスムーズに伝達させることが可能となる。ちなみに、この縦リブ３９は、上端においてフランジが形成されているものであってもよい。
【００２７】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５として内部を鉄筋コンクリートとした鋼殻セグメントで構成した例を図３に示す。この図３において上述した図２と同一の構成につい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。コンクリート中詰め鉄系セグメントとしてのセグメント３５には、中詰めコンクリート４３がセグメント主桁高さを覆う高さ以上に亘って充填されている。また、この中詰めコンクリート４３には鉄筋４１が埋設されている。ちなみに、この中詰めコンクリート４３には、リングボルト孔４０、ピースボルト孔３８に応じた位置においてボルトボックス４２が形成されている。
【００２８】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５をいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した例を図４に示す。この図４において上述した図２、３と同一の構成につい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。コンクリート中詰め鉄系セグメントとしての別形態のセグメント３５は、地山側並びに内空面側にそれぞれスキンプレート４５、４６がそれぞれ配設されている。また、このスキンプレート４５には、棒状のズレ止め４８が所定間隔をおいて複数個突設されており、更にこのスキンプレート４５、４６の間には、同様に中詰めコンクリート４３が充填されている。その結果、このズレ止め４８は、中詰めコンクリート４３内に埋設させて強固に固定されることになり、実質的にスキンプレート４５がずれてしまうのを防止することが可能となる。本セグメントは断面耐力面において優れていることから、トンネルスペースを有効に活用する観点からは最も有利な構成となる。また、ずれ止めは本実施形態に示されるような棒状のものに限定されるものではなく、板状の鋼材を適用してもよい。
【００２９】
ちなみに図１に示すように、コンクリート躯体２における上床版２２ａの、セグメント連結体３の端部３ａの接合位置は、当該上床版２２ａの先端近傍とされている。また、コンクリート躯体２における下床版２２ｂの、セグメント連結体３の端部３ｂの接合位置は、当該下床版２２ｂの先端近傍とされている。以下、この上床版２２ａにおいて、このセグメント連結体３が接合されている領域を接合領域２３ａとし、また下床版２２ｂにおいて、このセグメント連結体３が接合されている領域を接合領域２３ｂとする。また、上床版２２ａ、下床版２２ｂにおいて、この接合領域２３ａ、２３ｂをそれぞれ含む部位を接合部１２とする。また、このコンクリート躯体２において接合部１２以外の部位を非接合部１１とする。ちなみに、この接合部１２は、少なくともこの接合領域２３ａ、２３ｂを含むものであればよい。図１では、上床版２２ａ、下床版２２ｂにおけるセグメント連結体３側の約半分を接合部１２とし、それ以外を非接合部１１としている。しかしながら、この接合部１２、非接合部１１の境界１３はこれに限定されるものではなく、上床版２２ａ、下床版２２ｂのいかなる箇所において設定されていてもよい。
【００３０】
なお、セグメント連結体３を構成する各セグメント３５の桁高は４００〜１０００ｍｍ程度であってもよく、またコンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２ｂの高さは、２〜３ｍ程度であってもよい。
【００３１】
セグメント連結体３は、コンクリート躯体２よりも低剛性とされている。また、セグメント連結体３よりも高剛性とされたコンクリート躯体２は、接合部１２の剛性をより低く、非接合部１１の剛性をより高く設定している。その結果、このトンネル構造物１は、セグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成されている。コンクリート躯体２は、内部に鉄筋を配置した鉄筋コンクリート構造としたり、鉄骨を配置して鉄骨鉄筋コンクリート構造としたりして補強する。コンクリート躯体２の剛性は上床版２２ａ、下床版２２ｂの梁せいを寸法的に変化させる、内部の補強仕様を変化させる、あるいはコンクリートの発現強度（弾性率）を変化させることによりコントロールすることが可能となる。接合部１２は非接合部１１に比べて剛性を低く設定することから、必然的に内部の補強仕様が少なくなり、セグメント連結体３との連結構造を形成する上でずれ止めとの干渉が少なくなり有利なものとなる。もちろん、本発明の効果とするところの連結部に発生する断面力自体を低減できるので、連結構造仕様の低減に繋がる。
【００３２】
図５(a)は、コンクリート躯体２における非接合部１１について内部を鉄骨部材１７で構成した例を示している。即ち。この非接合部１１のみについて鉄骨部材１７をコンクリートで埋設して構成し、残りの接合部１２については、鉄骨部材１７が内部に形成されていない形態としている。このようなコンクリート躯体２では、鉄骨部材１７が内部に形成されている非接合部１１の剛性を、鉄骨部材１７が内部に形成されていない接合部１２の剛性よりも高くすることが可能となる。ちなみに、この図５(a)の例では、コンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２のはりせいは、全て同一である。また図５(b)は、鉄筋コンクリート部材の例を示している。この鉄筋コンクリート部材では接合部１２において、主鉄筋１７ｅをトンネル地山側に１段配置し、トンネル内空側にも１段配置している。さらに主鉄筋１７ｅ同士を連結するようにせん断補強鉄筋１７ａで構成されている。これに対して、非接合部１１では、主鉄筋１７ｂあるいは主鉄筋１７ｇをトンネル地山側に２段配置し、トンネル内空側にも２段配置している。さらに主鉄筋１７ｅあるいは主鉄筋１７ｇ同士を連結するようにせん断補強鉄筋１７ａが配設されている。更にこの非接合部１１においては、隅角部補強鉄筋１７ｃも配設されている。
【００３３】
このように、図５(b)の構成では、主鉄筋１７ｅ、１７ｃあるいは主鉄筋１７ｅの本数や径を、接合部１２から非接合部１１にかけて徐々に変化させて、換言すれば徐々に本数を増加させる又は太径化させることにより剛性の強弱を付与したものである。鉄筋コンクリート部材と鉄骨部材とを併用することで鉄骨鉄筋コンクリート部材とすることが可能となり、極めて高い部材剛性を実現することが可能となる。
【００３４】
図６は、コンクリート躯体２における接合部１２の径（高さ）を非接合部１１の径（高さ）よりも低く設定した例を示している。即ち、この接合部１２について先端に向かうにつれて細くなるように構成している。その結果、先端に向かうにつれて梁せい（高さ）が縮小されることになる。このような図６に示すコンクリート躯体２では、梁せい（高さ）が縮小されていない非接合部１１の剛性を、梁せい（高さ）が縮小された接合部１２の剛性よりも高くすることが可能となる。
【００３５】
ちなみに、セグメント連結体３に対する接合部１１の位置関係は、図７に示すように、セグメント３５を連結することにより形成される仮想円１９との関係において最適化されていてもよい。セグメント３５を連結することにより構成されるセグメント連結体３は、断面円形ではないが、仮にセグメント３５をそのまま周方向に連結させていくことにより、仮想円１９が形成される。この仮想円１９の中心１９ａを通る鉛直線αから−４５°方向に傾けた直線をβとし、鉛直線αから＋４５°方向に傾けた直線をγとしたとき、この直線βから直線γに至るまでの斜線で示される区間を接合部１１が含むようにすることが望ましい。その理由として、接合部１１が直線αから−４５°を超える位置を含むようにしたとき、トルクアームが長く構成されてしまい、負荷される荷重に対してセグメント連結体３が耐えられなくなる。また接合部１１が直線αから＋４５°を超える位置を含むようにしたとき、コンクリート躯体２がトンネル必要内空を多く侵してしまい、トンネル構造として効果的に機能させることができなくなることやコンクリート躯体２の打設量が多くなり不経済になるためである。
【００３６】
このようにセグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成したトンネル構造物１は、以下に説明するような効果を奏する。
【００３７】
図８は、トンネル構造物１に対して上下から荷重が負荷された場合における曲げモーメントの分布図を示している。図中“○”は、最大正曲げモーメントを、また図中“□”は、最大負曲げモーメントを表している。
【００３８】
この非接合部１１の剛性をより高くしていることから、負曲げモーメントは、特に隅部２１ａにおいて最大となる。この隅部２１ａにおける最大負曲げモーメントは、図２３における点７６と比較してより高くなるのが分かる。これは、非接合部１１の剛性が、接合部１２の剛性よりも高いことから、非接合部１１は、接合部１２よりも大きな荷重を担うためである。そして、この隅部２１ａにおける負曲げモーメントをより高くすることができることから、接合領域２３ａにおける正曲げモーメントを小さくすることができる。その結果、上床版２２ａの先端に位置する最大正曲げモーメントは、図２３における点７７と比較してより低く抑えることが可能となる。
【００３９】
図９は、トンネル構造物１に対して上下から荷重が負荷された場合における変形挙動を示している。図中２点鎖線が、荷重を負荷した後におけるトンネル構造物１の位置を示している。非接合部１１の剛性を、接合部１２の剛性よりも高くしていることから、上下から荷重が負荷されても非接合部１１は殆ど変形しない。そして、この間、非接合部１１は、より大きな荷重を担うことになり、負曲げモーメントが大きくなる。また、接合部１２は、その分わずかな曲げモーメントしか負荷されないことになるため、図９に示すようにその変形量は僅かになる。
【００４０】
そして、この接合部１２の変形量を僅かに抑えることができることから、これに接合されるセグメント連結体３の変形量も僅かに抑えることが可能となる。図８に示す曲げモーメント図に示されるように、このセグメント連結体３に対しては、殆ど曲げモーメントが負荷されていないのが分かる。
【００４１】
特にこのセグメント連結体３と接合部１２との間で剛性を比較しても、後者の接合部１２の方について剛性を高く設定していることから、セグメント連結体３に負荷される曲げモーメントの大きさを低く抑えることが可能となる。
【００４２】
このように、本発明を適用したトンネル構造物１では、セグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成しているため、コンクリート躯体２とセグメント連結体３とを接合した左右非対称な構成とされている場合においてもコンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２ｂの鉛直変位を小さくすることが可能となり、セグメント連結体３に発生する応力を低く抑えることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明を適用したトンネル構造物１は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１０に示すように、コンクリート躯体２は、上床版２２ａと下床版２２ｂの間隔が、鉛直壁版２１から接合領域２３ａ、２３ｂにかけて拡大されてなるように構成されていてもよい。
【００４４】
この構成によると、上床版２２ａと下床版２２ｂに対して斜め方向から荷重が作用する形態となるため、上床版２２ａと下床版２２ｂの部材軸方向に軸力成分として力が流れる効果が生まれることから、上床版２２ａと下床版２２ｂが鉛直方向に変形しようとする挙動に対して抗する効果が発揮され、結果的に鉛直壁版２１が配置される非接合部１１の方に荷重負担が多く掛かることになり同様の変形抑制効果が得られる。 また図１１は、セグメント連結体３について、接合部１２近傍の耐力をより高くした例を示している。図１１斜線で示される、接合部１２近傍のセグメント３５ａは、それ以外のセグメントよりも機械的強度や構造寸法・形状等の力学的な特性が優れたものとして構成されている。セグメント連結体３に負荷される曲げモーメントは、特に接合部１２近傍において高くなるが、セグメント３５ａの耐力を向上させることによりこれに対抗することができ、ひいてはセグメント連結体３の発生応力を設計許容応力以内に抑制することが可能となる。
【００４５】
また図１２は、セグメント連結体３について、接合部１２近傍の桁高をより低くした例を示している。図１２斜線で示される、接合部１２近傍のセグメント３５ａは、それ以外のセグメントよりも桁高が低いものとして構成されている。これにより、セグメント３５ａはいわゆるピン構造に近づけた効果を発揮することになる。接合部１２近傍の鉛直変位はコンクリート躯体２の剛性に支配され、換言すれば剛性の低いセグメント３５ａの鉛直変位は自身のセグメント剛性に拘わらずコンクリート躯体２の性能に依存する。従って、セグメント３５ａの桁高さを低く設定することでセグメントの部材高さ縁端に発生する曲げ応力が小さくなり、セグメント３５ａの仕様を軽減する効果が生まれる。また図１３(a)は、コンクリート躯体２に対するセグメント連結体３の連結構造における他の形態を示している。接合部１２近傍のセグメント連結部はコンクリート躯体２に埋設して拘束する形態とはせず、連結部が自由に回転挙動できるようにすることで負荷される曲げモーメントが軽減される。図１３(b)は、実際にこのセグメント３５ｂに対するセグメント３５ａの連結形態を示している。このセグメント３５ａ同士では互いに千鳥状となるように配置されることになるが、セグメント３５ｂに対しては、トンネル軸方向に対して直線状に配列されることになる。また、セグメント３５ｂも千鳥状に配置されることなく、互いにトンネル軸方向に対して直線状に配列される。このように、いわゆるイモ継ぎ配置とされたセグメント３５ｂとセグメント３５ａとを互いにボルト１１３とナット１１４により連結させる。この連結においては、セグメント３５ａ並びにセグメント３５ｂにおける継手板３７に形成されたボルト孔１１２を介して実行していくことになる。
【００４６】
いわゆるイモ継ぎ配置を採用する本実施形態においても、セグメント３５ａは回転剛性を低く設定したいわゆるピン構造に近づけた効果を発揮することになり、ひいてはこれに負荷される曲げモーメントを小さくすることが可能になる。
【００４７】
図１４は、セグメント３５を図２に示すような鋼殻セグメントにより構成した場合において、その内部にコンクリート躯体２におけるコンクリートを充填した例を示している。コンクリート躯体２を構成するコンクリート中において鋼殻セグメントを埋設すれば固定できることから、施工性に優れているといえる。ちなみに、このセグメント３５において、スキンプレート４５は、接合部１２に埋設される部位に関しては省略される形にされていてもよい。
【００４８】
次に、上述した構成からなるトンネル構造物１を開削工法に基づいて構築する場合を例にとり説明をする。
【００４９】
この開削工法では、図１５に示すように、シールド工法に基づいてセグメント連結体３を構築する。また、これとともに内部空間１４８を地中に形成させる。この内部空間１４８の構築は、地表面４９より鋼矢板等の土留め壁５０と支保工材５１を構築しながらセグメント連結体３に至るまで土砂を排除し掘り下げる。ちなみに、この内部空間１４８には、図中２点鎖線で示される箇所において事後的にコンクリート躯体２を構築することを考慮して、予めその底面において床部５２を形成させておくことが望ましい。
【００５０】
次に、図１６に示すように、この内部空間１４８において撤去部３２を構成するセグメントを撤去する。そして、コンクリート躯体２の構築を開始する。このとき、例えば鉄骨部材１７を形成し、次にこれを覆うようにして断面略コ字型に形成した図示しない型枠にコンクリートを打設、固化させて非接合部１１を形成していく。そして、このセグメント連結体３の端部３ａ並びに端部３ｂをコンクリートにより埋設することで接合部１２を構築していく。これにより、本発明を適用したトンネル構造物１が完成することになる。
【００５１】
また、上述した構成からなるトンネル構造物１をパイプルーフにより構築する例を図１７に示す。この例では、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフ１２１の始端１２１ａと終端１２１ｂをセグメント連結体３に接続する。このセグメント連結体３への接続は、当該セグメント連結体３を構成する鋼殻セグメントとしてのセグメント３５ｄにパイプルーフ１２１の始端１２１ａと終端１２１ｂを埋め込んで埋設するようにしてもよい。その後、パイプルーフの周囲を地盤改良あるいは地盤凍結により強固な抵抗地盤壁体を構築する。このパイプルーフ１２１内において内空空間１３１を作り出し、その内空空間１３１においてコンクリート躯体２の構築を開始する。これ以後の施工手順は上述した開削工法と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を適用したトンネル構造物の断面図である。
【図２】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼殻セグメントで構成した例を示す図である。
【図３】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した例を示す図である。
【図４】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した別形態の例を示す図である。
【図５】(a)は、コンクリート躯体における非接合部について内部を鉄骨部材で構成した例を示す図であり、(b)は、コンクリート躯体における非接合部について内部を鉄筋コンクリート部材で構成した例を示す図である。
【図６】コンクリート躯体における接合部の径（高さ）を非接合部の径（高さ）よりも低く設定した例を示す図である。
【図７】セグメント連結体に対するコンクリート躯体の接合部の位置関係について説明するための図である。
【図８】トンネル構造物に対して上下から荷重が負荷された場合における曲げモーメントの分布図である。
【図９】トンネル構造物に対して上下から荷重が負荷された場合における変形挙動を示す図である。
【図１０】コンクリート躯体を、上床版と下床版の間隔が拡大されてなるように構成された例を示す図である。
【図１１】セグメント連結体について、接合部近傍の耐力をより高くした例を示す図である。
【図１２】セグメント連結体について、接合部近傍の桁高をより低くした例を示す図である。
【図１３】コンクリート躯体に対するセグメント連結体の連結構造における他の形態を示す図である。
【図１４】セグメントを鋼殻セグメントにより構成した場合の接合例を示す図である。
【図１５】本発明を適用したトンネル構造物を開削工法に基づいて構築する方法について説明するための図である。
【図１６】本発明を適用したトンネル構造物を開削工法に基づいて構築する方法について説明するための他の図である。
【図１７】本発明を適用したトンネル構造物をパイプルーフにより構築する例を示す図である。
【図１８】特許文献１における開示技術の例について説明するための図である。
【図１９】非開削工法の例について示す図である。
【図２０】構築した空間に面する既設トンネルセグメントから撤去部セグメントを撤去する工程について説明するための図である。
【図２１】左右対称に構成したトンネルの例を示す図である。
【図２２】従来技術における問題点について示す図である。
【図２３】拡幅部トンネルにおける曲げモーメントの分布図を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ トンネル構造物
２ コンクリート躯体
３ セグメント連結体
１１ 非接合部
１２ 接合部
１７ 鉄骨部材
１９ 仮想円
２１ 鉛直壁版
２２ａ 上床版
２２ｂ 下床版
２３ 接合領域
３１ 残置部
３２ 撤去部
３５ セグメント
３６ 主桁
３７ 継手板
３８ ピースボルト孔
４０ リングボルト孔
４１ 鉄筋
４２ ボルトボックス
４３ 中詰めコンクリート
４５、４６ スキンプレート
４８ ズレ止め
６９ 空間
１２１ パイプルーフ
１２１ａ パイプルーフの始点
１２１ｂ パイプルーフの終点
１３１ 内空間
１４８ 内部空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面略コ字型のコンクリート躯体にセグメント連結体を接合することにより、特にトンネル分岐合流部を構成する場合やトンネル拡幅部を構成する場合に適用されるトンネル構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年における都市部の地下道路網の整備が進展するにつれて、２本のトンネルが分岐又は合流するトンネル分岐合流部等において、既設のトンネル断面を拡幅したトンネル拡幅部が必要となるケースが増加している。従来における拡幅部トンネルの構築方法は、例えば、特許文献１において開示されている。
【０００３】
この特許文献１における開示技術では、先ず図１８に示すように、複数の既設セグメントトンネル６６の間に新たに空間６９を構築する。既設トンネルセグメント６６間の空間６９の構築は、地表面より鋼矢板等の土留め壁６７と支保工材６８ａおよび腹起こし材６８ｂを構築しながら既設トンネルセグメント６６で挟まれた部分の土砂を排除し掘り下げる開削工法や、図１９に示すように、既設トンネルセグメント６６内より構築しようとする空間６９を囲むように凍結管を地中に挿入して、周辺の地盤を凍土７０としておき、囲まれた土砂を排除する非開削工法などが一般的である。
【０００４】
このとき、図２０に示すように、構築した空間に面する既設トンネルセグメント６６の撤去部セグメント６１を撤去する。その場合、残置部セグメント６２には内部空間構築による偏荷重が作用するため、予めトンネル内に図示しない支保工を配置する等、残置部セグメント６２を補強する措置を施しておく。
【０００５】
次に、構築した内部空間に鉄筋コンクリート製あるいは鋼製あるいは鉄骨鉄筋コンクリート製等の床６４ａおよび中柱６４ｂ等よりなるコンクリート躯体６４を構築するとともに、残置部セグメント６２とコンクリート躯体６４とを連結部６３にて確実に接合することで図２１に示すような拡幅部トンネル断面が完成する。
【０００６】
ここで、既設トンネルセグメント６６に使用するセグメントは、通常、セグメントの現場組立管理を簡略化するため、セグメント構造およびセグメント仕様を同一セグメントリング内の部位に拘わらず統一している。
【特許文献１】特開２００３−０４１９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献１の開示技術では、コンクリート躯体６４が左右略対称な構造とされており、しかもその両側においてそれぞれ残置部セグメント６２が左右略対称となるように設けられた構成とされている。従って、このような拡幅部トンネル６に対して外荷重は左右対称に負荷されることになる。その結果、外荷重に基づく床６４ａにおける鉛直変形では、あたかもやじろべえのように左右で互いにキャンセルし合うため、拡幅部トンネル６の左右の何れかに応力が集中してしまうのを軽減させることができる。
【０００８】
これに対して、図２２に示すように、中柱７４ｂと床７４ａとからなる断面略コ字型のコンクリート躯体７４の片側に残置部セグメント６２を連結する拡幅部トンネル７では、左右非対称に構成されている。このような拡幅部トンネル７に対して、外荷重は左右非対称に負荷されることになり、特許文献１の開示技術のように荷重を左右で互いにキャンセルすることができない。その結果、図２２中点線で示すように、中柱７４ｂに水平方向の曲がりが発生し、コンクリート躯体７４における床７４ａの鉛直変位が大きくなり、ひいては残置部セグメント６２に発生する応力も大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
図２３は、この拡幅部トンネル７における曲げモーメントの分布図を示している。図中“○”は、最大正曲げモーメントを、また図中“□”は、最大負曲げモーメントを表している。拡幅部トンネル７を構成するコンクリート躯体６４の剛性は均一化されていることから、特に中柱７４ｂ近傍の点７６において負の曲げモーメントを大きくすることができず、その結果、床７４ａの先端の点７７において正曲げモーメントが大きくなり、床７４ａが下向きに大きく撓んでしまうことになる。また、この床７４ａによる撓みを受けて、これに接合されている残置部セグメント６２にも大きな正曲げモーメントが負荷され、内側に大きく撓むことになる。
【００１０】
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、その目的とするところは、断面略コ字型のコンクリート躯体にセグメント連結体を接合することにより構成されるトンネル構造物において、コンクリート躯体を構成する床版の鉛直変位を抑制するとともに、セグメント連結体に負荷される応力そのものを小さくすることが可能なトンネル構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願請求項１に記載の発明は、上述した課題を解決するために、鉛直壁版と、上記鉛直壁版の上端から略水平方向に設けられた上床版と、上記鉛直壁版の下端から略水平方向に設けられた下床版とからなる断面略コ字型のコンクリート躯体と、セグメントをトンネル周方向に連結させてなるとともに、その上下両端が上記コンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、上記コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、上記コンクリート躯体は、上記セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、上記接合部以外の非接合部の剛性をより高くしたことを特徴とする。
【００１２】
本願請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記接合部は、上記セグメントを連結することにより形成される仮想円中心を通る鉛直線から−４５°〜＋４５°の範囲を含むことを特徴とする。
【００１３】
本願請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記コンクリート躯体は、上床版と下床版の間隔が、上記鉛直壁版から上記接合部にかけて拡大されてなることを特徴とする。
【００１４】
本願請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の耐力をより高くしたことを特徴とする。
【００１５】
本願請求項５に記載の発明は、請求項１〜４記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の桁高をより低くしたことを特徴とする。
【００１６】
本願請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、少なくともその両端のセグメントについて鋼殻セグメントで構成し、当該鋼殻セグメントを上記コンクリート躯体に埋設することによりこれを接合することを特徴とする。
【００１７】
本願請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、上記接合部近傍においてセグメント間継手をトンネル軸方向に向けて直線状に連続して配置されてなることを特徴とする。
【００１８】
本願請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体を構成する各セグメントは、鋼殻セグメント、鉄筋コンクリートセグメント又は鋼コンクリート合成セグメントであることを特徴とする。
【００１９】
本願請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のうち何れか１項記載の発明において、上記セグメント連結体は、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフの始端と終端とが更に接続されてなり、その接続部を構成するセグメントは、鋼殻セグメントであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明を適用したトンネル構造物は、断面略コ字型のコンクリート躯体と、両端がコンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、コンクリート躯体は、セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、接合部以外の非接合部の剛性をより高く設定している。即ち、本発明を適用したトンネル構造物１では、セグメント連結体、接合部、非接合部の順で剛性が高くなるように構成しているため、コンクリート躯体とセグメント連結体とを接合した左右非対称な構成とされている場合においてもコンクリート躯体における上床版、下床版の鉛直変位を小さくすることが可能となり、セグメント連結体に発生する応力を低く抑えることが可能となる。
【００２１】
また、トンネル断面の設計許容変位を満足することができるトンネル断面の設計自由度（トンネル適用寸法）を広げることが可能となる。これに加えて、セグメントの仕様を小さくすることができ、工費縮減を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、既設のトンネル断面を拡幅したトンネル構造物について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明を適用したトンネル構造物１は、例えば図１に示すように、コンクリート躯体２と、セグメント連結体３とを備えている。
【００２４】
コンクリート躯体２は、鉛直方向に向けて延長されている鉛直壁版２１と、鉛直壁版２１の上端から略水平方向に設けられた上床版２２ａと、鉛直壁版２１の下端から略水平方向に設けられた下床版２２ｂとにより構成されている。このコンクリート躯体２は、断面略コ字型により構成されている。また、このコンクリート躯体２は、少なくともコンクリートで構成されていればよく、また鉄筋・鉄骨部材の有無は問わない。また断面略コ字型で構成されているということは、即ち、鉛直壁版２１に対して上床版２２ａ、下床版２２ｂが直角に折れ曲がるようにして構成され、外側隅部２１ａが面取りされて丸く構成されているのではなく、あくまで直角に角ばった状態で構成されている。これに対して内側隅部２１ｂは、面取りされていてもよく、直角に折れ曲げられていなくてもよい。
【００２５】
セグメント連結体３は、周方向に向けてセグメント３５を連結することにより構成されている。このセグメント連結体３は、点線で示されている撤去部３２において既に設けられていたセグメント３５を撤去することによる残置部３１のみで構成されており、円環状のセグメントリング構造の一部を欠損させた断面形状として構成されている。その結果、このセグメント連結体３の両端には、それぞれ端部３ａ並びに端部３ｂが形成されている。そして、このセグメント連結体３の端部３ａは、コンクリート躯体２における上床版２２ａに、またセグメント連結体３の端部３ｂは、コンクリート躯体２における下床版２２ｂに接合されている。
【００２６】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５をいわゆる鋼殻セグメントで構成した例を図２に示す。セグメント３５は、両側面を構成する２本の主桁３６と、トンネル周方向に隣接する他のセグメント３５との間で当接されることを前提とした継手板３７と、主桁３６間において、セグメント３１の地山側から内空面側に向けて突出するように配設される縦リブ３９と地山側にスキンプレート４５を備えている。主桁３６には、トンネル軸方向に隣接する他のセグメント３５を連結するためのリングボルト孔４０が形成されている。また、継手板３７は、トンネル周方向に隣接する他のセグメント３５を連結するためのピースボルト孔３８が形成されている。このような鋼殻セグメントとして構成されるセグメント３５は、縦リブ３９が形成されていることにより、シールド掘進時におけるシールドマシン推進反力をスムーズに伝達させることが可能となる。ちなみに、この縦リブ３９は、上端においてフランジが形成されているものであってもよい。
【００２７】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５として内部を鉄筋コンクリートとした鋼殻セグメントで構成した例を図３に示す。この図３において上述した図２と同一の構成につい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。コンクリート中詰め鉄系セグメントとしてのセグメント３５には、中詰めコンクリート４３がセグメント主桁高さを覆う高さ以上に亘って充填されている。また、この中詰めコンクリート４３には鉄筋４１が埋設されている。ちなみに、この中詰めコンクリート４３には、リングボルト孔４０、ピースボルト孔３８に応じた位置においてボルトボックス４２が形成されている。
【００２８】
セグメント連結体３を構成するセグメント３５をいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した例を図４に示す。この図４において上述した図２、３と同一の構成につい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。コンクリート中詰め鉄系セグメントとしての別形態のセグメント３５は、地山側並びに内空面側にそれぞれスキンプレート４５、４６がそれぞれ配設されている。また、このスキンプレート４５には、棒状のズレ止め４８が所定間隔をおいて複数個突設されており、更にこのスキンプレート４５、４６の間には、同様に中詰めコンクリート４３が充填されている。その結果、このズレ止め４８は、中詰めコンクリート４３内に埋設させて強固に固定されることになり、実質的にスキンプレート４５がずれてしまうのを防止することが可能となる。本セグメントは断面耐力面において優れていることから、トンネルスペースを有効に活用する観点からは最も有利な構成となる。また、ずれ止めは本実施形態に示されるような棒状のものに限定されるものではなく、板状の鋼材を適用してもよい。
【００２９】
ちなみに図１に示すように、コンクリート躯体２における上床版２２ａの、セグメント連結体３の端部３ａの接合位置は、当該上床版２２ａの先端近傍とされている。また、コンクリート躯体２における下床版２２ｂの、セグメント連結体３の端部３ｂの接合位置は、当該下床版２２ｂの先端近傍とされている。以下、この上床版２２ａにおいて、このセグメント連結体３が接合されている領域を接合領域２３ａとし、また下床版２２ｂにおいて、このセグメント連結体３が接合されている領域を接合領域２３ｂとする。また、上床版２２ａ、下床版２２ｂにおいて、この接合領域２３ａ、２３ｂをそれぞれ含む部位を接合部１２とする。また、このコンクリート躯体２において接合部１２以外の部位を非接合部１１とする。ちなみに、この接合部１２は、少なくともこの接合領域２３ａ、２３ｂを含むものであればよい。図１では、上床版２２ａ、下床版２２ｂにおけるセグメント連結体３側の約半分を接合部１２とし、それ以外を非接合部１１としている。しかしながら、この接合部１２、非接合部１１の境界１３はこれに限定されるものではなく、上床版２２ａ、下床版２２ｂのいかなる箇所において設定されていてもよい。
【００３０】
なお、セグメント連結体３を構成する各セグメント３５の桁高は４００〜１０００ｍｍ程度であってもよく、またコンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２ｂの高さは、２〜３ｍ程度であってもよい。
【００３１】
セグメント連結体３は、コンクリート躯体２よりも低剛性とされている。また、セグメント連結体３よりも高剛性とされたコンクリート躯体２は、接合部１２の剛性をより低く、非接合部１１の剛性をより高く設定している。その結果、このトンネル構造物１は、セグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成されている。コンクリート躯体２は、内部に鉄筋を配置した鉄筋コンクリート構造としたり、鉄骨を配置して鉄骨鉄筋コンクリート構造としたりして補強する。コンクリート躯体２の剛性は上床版２２ａ、下床版２２ｂの梁せいを寸法的に変化させる、内部の補強仕様を変化させる、あるいはコンクリートの発現強度（弾性率）を変化させることによりコントロールすることが可能となる。接合部１２は非接合部１１に比べて剛性を低く設定することから、必然的に内部の補強仕様が少なくなり、セグメント連結体３との連結構造を形成する上でずれ止めとの干渉が少なくなり有利なものとなる。もちろん、本発明の効果とするところの連結部に発生する断面力自体を低減できるので、連結構造仕様の低減に繋がる。
【００３２】
図５(a)は、コンクリート躯体２における非接合部１１について内部を鉄骨部材１７で構成した例を示している。即ち。この非接合部１１のみについて鉄骨部材１７をコンクリートで埋設して構成し、残りの接合部１２については、鉄骨部材１７が内部に形成されていない形態としている。このようなコンクリート躯体２では、鉄骨部材１７が内部に形成されている非接合部１１の剛性を、鉄骨部材１７が内部に形成されていない接合部１２の剛性よりも高くすることが可能となる。ちなみに、この図５(a)の例では、コンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２のはりせいは、全て同一である。また図５(b)は、鉄筋コンクリート部材の例を示している。この鉄筋コンクリート部材では接合部１２において、主鉄筋１７ｅをトンネル地山側に１段配置し、トンネル内空側にも１段配置している。さらに主鉄筋１７ｅ同士を連結するようにせん断補強鉄筋１７ａで構成されている。これに対して、非接合部１１では、主鉄筋１７ｂあるいは主鉄筋１７ｇをトンネル地山側に２段配置し、トンネル内空側にも２段配置している。さらに主鉄筋１７ｅあるいは主鉄筋１７ｇ同士を連結するようにせん断補強鉄筋１７ａが配設されている。更にこの非接合部１１においては、隅角部補強鉄筋１７ｃも配設されている。
【００３３】
このように、図５(b)の構成では、主鉄筋１７ｅ、１７ｃあるいは主鉄筋１７ｅの本数や径を、接合部１２から非接合部１１にかけて徐々に変化させて、換言すれば徐々に本数を増加させる又は太径化させることにより剛性の強弱を付与したものである。鉄筋コンクリート部材と鉄骨部材とを併用することで鉄骨鉄筋コンクリート部材とすることが可能となり、極めて高い部材剛性を実現することが可能となる。
【００３４】
図６は、コンクリート躯体２における接合部１２の径（高さ）を非接合部１１の径（高さ）よりも低く設定した例を示している。即ち、この接合部１２について先端に向かうにつれて細くなるように構成している。その結果、先端に向かうにつれて梁せい（高さ）が縮小されることになる。このような図６に示すコンクリート躯体２では、梁せい（高さ）が縮小されていない非接合部１１の剛性を、梁せい（高さ）が縮小された接合部１２の剛性よりも高くすることが可能となる。
【００３５】
ちなみに、セグメント連結体３に対する接合部１１の位置関係は、図７に示すように、セグメント３５を連結することにより形成される仮想円１９との関係において最適化されていてもよい。セグメント３５を連結することにより構成されるセグメント連結体３は、断面円形ではないが、仮にセグメント３５をそのまま周方向に連結させていくことにより、仮想円１９が形成される。この仮想円１９の中心１９ａを通る鉛直線αから−４５°方向に傾けた直線をβとし、鉛直線αから＋４５°方向に傾けた直線をγとしたとき、この直線βから直線γに至るまでの斜線で示される区間を接合部１１が含むようにすることが望ましい。その理由として、接合部１１が直線αから−４５°を超える位置を含むようにしたとき、トルクアームが長く構成されてしまい、負荷される荷重に対してセグメント連結体３が耐えられなくなる。また接合部１１が直線αから＋４５°を超える位置を含むようにしたとき、コンクリート躯体２がトンネル必要内空を多く侵してしまい、トンネル構造として効果的に機能させることができなくなることやコンクリート躯体２の打設量が多くなり不経済になるためである。
【００３６】
このようにセグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成したトンネル構造物１は、以下に説明するような効果を奏する。
【００３７】
図８は、トンネル構造物１に対して上下から荷重が負荷された場合における曲げモーメントの分布図を示している。図中“○”は、最大正曲げモーメントを、また図中“□”は、最大負曲げモーメントを表している。
【００３８】
この非接合部１１の剛性をより高くしていることから、負曲げモーメントは、特に隅部２１ａにおいて最大となる。この隅部２１ａにおける最大負曲げモーメントは、図２３における点７６と比較してより高くなるのが分かる。これは、非接合部１１の剛性が、接合部１２の剛性よりも高いことから、非接合部１１は、接合部１２よりも大きな荷重を担うためである。そして、この隅部２１ａにおける負曲げモーメントをより高くすることができることから、接合領域２３ａにおける正曲げモーメントを小さくすることができる。その結果、上床版２２ａの先端に位置する最大正曲げモーメントは、図２３における点７７と比較してより低く抑えることが可能となる。
【００３９】
図９は、トンネル構造物１に対して上下から荷重が負荷された場合における変形挙動を示している。図中２点鎖線が、荷重を負荷した後におけるトンネル構造物１の位置を示している。非接合部１１の剛性を、接合部１２の剛性よりも高くしていることから、上下から荷重が負荷されても非接合部１１は殆ど変形しない。そして、この間、非接合部１１は、より大きな荷重を担うことになり、負曲げモーメントが大きくなる。また、接合部１２は、その分わずかな曲げモーメントしか負荷されないことになるため、図９に示すようにその変形量は僅かになる。
【００４０】
そして、この接合部１２の変形量を僅かに抑えることができることから、これに接合されるセグメント連結体３の変形量も僅かに抑えることが可能となる。図８に示す曲げモーメント図に示されるように、このセグメント連結体３に対しては、殆ど曲げモーメントが負荷されていないのが分かる。
【００４１】
特にこのセグメント連結体３と接合部１２との間で剛性を比較しても、後者の接合部１２の方について剛性を高く設定していることから、セグメント連結体３に負荷される曲げモーメントの大きさを低く抑えることが可能となる。
【００４２】
このように、本発明を適用したトンネル構造物１では、セグメント連結体３、接合部１２、非接合部１１の順で剛性が高くなるように構成しているため、コンクリート躯体２とセグメント連結体３とを接合した左右非対称な構成とされている場合においてもコンクリート躯体２における上床版２２ａ、下床版２２ｂの鉛直変位を小さくすることが可能となり、セグメント連結体３に発生する応力を低く抑えることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明を適用したトンネル構造物１は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１０に示すように、コンクリート躯体２は、上床版２２ａと下床版２２ｂの間隔が、鉛直壁版２１から接合領域２３ａ、２３ｂにかけて拡大されてなるように構成されていてもよい。
【００４４】
この構成によると、上床版２２ａと下床版２２ｂに対して斜め方向から荷重が作用する形態となるため、上床版２２ａと下床版２２ｂの部材軸方向に軸力成分として力が流れる効果が生まれることから、上床版２２ａと下床版２２ｂが鉛直方向に変形しようとする挙動に対して抗する効果が発揮され、結果的に鉛直壁版２１が配置される非接合部１１の方に荷重負担が多く掛かることになり同様の変形抑制効果が得られる。 また図１１は、セグメント連結体３について、接合部１２近傍の耐力をより高くした例を示している。図１１斜線で示される、接合部１２近傍のセグメント３５ａは、それ以外のセグメントよりも機械的強度や構造寸法・形状等の力学的な特性が優れたものとして構成されている。セグメント連結体３に負荷される曲げモーメントは、特に接合部１２近傍において高くなるが、セグメント３５ａの耐力を向上させることによりこれに対抗することができ、ひいてはセグメント連結体３の発生応力を設計許容応力以内に抑制することが可能となる。
【００４５】
また図１２は、セグメント連結体３について、接合部１２近傍の桁高をより低くした例を示している。図１２斜線で示される、接合部１２近傍のセグメント３５ａは、それ以外のセグメントよりも桁高が低いものとして構成されている。これにより、セグメント３５ａはいわゆるピン構造に近づけた効果を発揮することになる。接合部１２近傍の鉛直変位はコンクリート躯体２の剛性に支配され、換言すれば剛性の低いセグメント３５ａの鉛直変位は自身のセグメント剛性に拘わらずコンクリート躯体２の性能に依存する。従って、セグメント３５ａの桁高さを低く設定することでセグメントの部材高さ縁端に発生する曲げ応力が小さくなり、セグメント３５ａの仕様を軽減する効果が生まれる。また図１３(a)は、コンクリート躯体２に対するセグメント連結体３の連結構造における他の形態を示している。接合部１２近傍のセグメント連結部はコンクリート躯体２に埋設して拘束する形態とはせず、連結部が自由に回転挙動できるようにすることで負荷される曲げモーメントが軽減される。図１３(b)は、実際にこのセグメント３５ｂに対するセグメント３５ａの連結形態を示している。このセグメント３５ａ同士では互いに千鳥状となるように配置されることになるが、セグメント３５ｂに対しては、トンネル軸方向に対して直線状に配列されることになる。また、セグメント３５ｂも千鳥状に配置されることなく、互いにトンネル軸方向に対して直線状に配列される。このように、いわゆるイモ継ぎ配置とされたセグメント３５ｂとセグメント３５ａとを互いにボルト１１３とナット１１４により連結させる。この連結においては、セグメント３５ａ並びにセグメント３５ｂにおける継手板３７に形成されたボルト孔１１２を介して実行していくことになる。
【００４６】
いわゆるイモ継ぎ配置を採用する本実施形態においても、セグメント３５ａは回転剛性を低く設定したいわゆるピン構造に近づけた効果を発揮することになり、ひいてはこれに負荷される曲げモーメントを小さくすることが可能になる。
【００４７】
図１４は、セグメント３５を図２に示すような鋼殻セグメントにより構成した場合において、その内部にコンクリート躯体２におけるコンクリートを充填した例を示している。コンクリート躯体２を構成するコンクリート中において鋼殻セグメントを埋設すれば固定できることから、施工性に優れているといえる。ちなみに、このセグメント３５において、スキンプレート４５は、接合部１２に埋設される部位に関しては省略される形にされていてもよい。
【００４８】
次に、上述した構成からなるトンネル構造物１を開削工法に基づいて構築する場合を例にとり説明をする。
【００４９】
この開削工法では、図１５に示すように、シールド工法に基づいてセグメント連結体３を構築する。また、これとともに内部空間１４８を地中に形成させる。この内部空間１４８の構築は、地表面４９より鋼矢板等の土留め壁５０と支保工材５１を構築しながらセグメント連結体３に至るまで土砂を排除し掘り下げる。ちなみに、この内部空間１４８には、図中２点鎖線で示される箇所において事後的にコンクリート躯体２を構築することを考慮して、予めその底面において床部５２を形成させておくことが望ましい。
【００５０】
次に、図１６に示すように、この内部空間１４８において撤去部３２を構成するセグメントを撤去する。そして、コンクリート躯体２の構築を開始する。このとき、例えば鉄骨部材１７を形成し、次にこれを覆うようにして断面略コ字型に形成した図示しない型枠にコンクリートを打設、固化させて非接合部１１を形成していく。そして、このセグメント連結体３の端部３ａ並びに端部３ｂをコンクリートにより埋設することで接合部１２を構築していく。これにより、本発明を適用したトンネル構造物１が完成することになる。
【００５１】
また、上述した構成からなるトンネル構造物１をパイプルーフにより構築する例を図１７に示す。この例では、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフ１２１の始端１２１ａと終端１２１ｂをセグメント連結体３に接続する。このセグメント連結体３への接続は、当該セグメント連結体３を構成する鋼殻セグメントとしてのセグメント３５ｄにパイプルーフ１２１の始端１２１ａと終端１２１ｂを埋め込んで埋設するようにしてもよい。その後、パイプルーフの周囲を地盤改良あるいは地盤凍結により強固な抵抗地盤壁体を構築する。このパイプルーフ１２１内において内空空間１３１を作り出し、その内空空間１３１においてコンクリート躯体２の構築を開始する。これ以後の施工手順は上述した開削工法と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を適用したトンネル構造物の断面図である。
【図２】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼殻セグメントで構成した例を示す図である。
【図３】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した例を示す図である。
【図４】セグメント連結体を構成するセグメントをいわゆる鋼コンクリート合成セグメントで構成した別形態の例を示す図である。
【図５】(a)は、コンクリート躯体における非接合部について内部を鉄骨部材で構成した例を示す図であり、(b)は、コンクリート躯体における非接合部について内部を鉄筋コンクリート部材で構成した例を示す図である。
【図６】コンクリート躯体における接合部の径（高さ）を非接合部の径（高さ）よりも低く設定した例を示す図である。
【図７】セグメント連結体に対するコンクリート躯体の接合部の位置関係について説明するための図である。
【図８】トンネル構造物に対して上下から荷重が負荷された場合における曲げモーメントの分布図である。
【図９】トンネル構造物に対して上下から荷重が負荷された場合における変形挙動を示す図である。
【図１０】コンクリート躯体を、上床版と下床版の間隔が拡大されてなるように構成された例を示す図である。
【図１１】セグメント連結体について、接合部近傍の耐力をより高くした例を示す図である。
【図１２】セグメント連結体について、接合部近傍の桁高をより低くした例を示す図である。
【図１３】コンクリート躯体に対するセグメント連結体の連結構造における他の形態を示す図である。
【図１４】セグメントを鋼殻セグメントにより構成した場合の接合例を示す図である。
【図１５】本発明を適用したトンネル構造物を開削工法に基づいて構築する方法について説明するための図である。
【図１６】本発明を適用したトンネル構造物を開削工法に基づいて構築する方法について説明するための他の図である。
【図１７】本発明を適用したトンネル構造物をパイプルーフにより構築する例を示す図である。
【図１８】特許文献１における開示技術の例について説明するための図である。
【図１９】非開削工法の例について示す図である。
【図２０】構築した空間に面する既設トンネルセグメントから撤去部セグメントを撤去する工程について説明するための図である。
【図２１】左右対称に構成したトンネルの例を示す図である。
【図２２】従来技術における問題点について示す図である。
【図２３】拡幅部トンネルにおける曲げモーメントの分布図を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ トンネル構造物
２ コンクリート躯体
３ セグメント連結体
１１ 非接合部
１２ 接合部
１７ 鉄骨部材
１９ 仮想円
２１ 鉛直壁版
２２ａ 上床版
２２ｂ 下床版
２３ 接合領域
３１ 残置部
３２ 撤去部
３５ セグメント
３６ 主桁
３７ 継手板
３８ ピースボルト孔
４０ リングボルト孔
４１ 鉄筋
４２ ボルトボックス
４３ 中詰めコンクリート
４５、４６ スキンプレート
４８ ズレ止め
６９ 空間
１２１ パイプルーフ
１２１ａ パイプルーフの始点
１２１ｂ パイプルーフの終点
１３１ 内空間
１４８ 内部空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直壁版と、上記鉛直壁版の上端から略水平方向に設けられた上床版と、上記鉛直壁版の下端から略水平方向に設けられた下床版とからなる断面略コ字型のコンクリート躯体と、
セグメントをトンネル周方向に連結させてなるとともに、その上下両端が上記コンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、上記コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、
上記コンクリート躯体は、上記セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、上記接合部以外の非接合部の剛性をより高くしたこと
を特徴とするトンネル構造物。
【請求項２】
上記接合部は、上記セグメントを連結することにより形成される仮想円中心を通る鉛直線から−４５°〜＋４５°の範囲を含むこと
を特徴とする請求項１記載のトンネル構造物。
【請求項３】
上記コンクリート躯体は、上床版と下床版の間隔が、上記鉛直壁版から上記接合部にかけて拡大されてなること
を特徴とする請求項１又は２記載のトンネル構造物。
【請求項４】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の耐力をより高くしたこと
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項５】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の桁高をより低くしたこと
を特徴とする請求項１〜４記載のトンネル構造物。
【請求項６】
上記セグメント連結体は、少なくともその両端のセグメントについて鋼殻セグメントで構成し、当該鋼殻セグメントを上記コンクリート躯体に埋設することによりこれを接合すること
を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項７】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍においてセグメント間継手をトンネル軸方向に向けて直線状に連続して配置されてなること
を特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項８】
上記セグメント連結体を構成する各セグメントは、鋼殻セグメント、鉄筋コンクリートセグメント又は鋼コンクリート合成セグメントの何れかであること
を特徴とする請求項１〜７のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項９】
上記セグメント連結体は、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフの始端と終端とが更に接続されてなり、その接続部を構成するセグメントは、鋼殻セグメントであること
を特徴とする請求項１〜８のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項１】
鉛直壁版と、上記鉛直壁版の上端から略水平方向に設けられた上床版と、上記鉛直壁版の下端から略水平方向に設けられた下床版とからなる断面略コ字型のコンクリート躯体と、
セグメントをトンネル周方向に連結させてなるとともに、その上下両端が上記コンクリート躯体における上床版及び下床版にそれぞれ接合され、上記コンクリート躯体よりも低剛性とされたセグメント連結体とを備え、
上記コンクリート躯体は、上記セグメントが接合された接合部の剛性をより低く、上記接合部以外の非接合部の剛性をより高くしたこと
を特徴とするトンネル構造物。
【請求項２】
上記接合部は、上記セグメントを連結することにより形成される仮想円中心を通る鉛直線から−４５°〜＋４５°の範囲を含むこと
を特徴とする請求項１記載のトンネル構造物。
【請求項３】
上記コンクリート躯体は、上床版と下床版の間隔が、上記鉛直壁版から上記接合部にかけて拡大されてなること
を特徴とする請求項１又は２記載のトンネル構造物。
【請求項４】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の耐力をより高くしたこと
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項５】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍の桁高をより低くしたこと
を特徴とする請求項１〜４記載のトンネル構造物。
【請求項６】
上記セグメント連結体は、少なくともその両端のセグメントについて鋼殻セグメントで構成し、当該鋼殻セグメントを上記コンクリート躯体に埋設することによりこれを接合すること
を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項７】
上記セグメント連結体は、上記接合部近傍においてセグメント間継手をトンネル軸方向に向けて直線状に連続して配置されてなること
を特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項８】
上記セグメント連結体を構成する各セグメントは、鋼殻セグメント、鉄筋コンクリートセグメント又は鋼コンクリート合成セグメントの何れかであること
を特徴とする請求項１〜７のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【請求項９】
上記セグメント連結体は、地盤内にパイプを埋設することにより形成したパイプルーフの始端と終端とが更に接続されてなり、その接続部を構成するセグメントは、鋼殻セグメントであること
を特徴とする請求項１〜８のうち何れか１項記載のトンネル構造物。
【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２３】
【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２３】
【公開番号】特開２００９−２４９８８４（Ｐ２００９−２４９８８４Ａ）
【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２００８−９７８３５（Ｐ２００８−９７８３５）
【出願日】平成２０年４月４日（２００８．４．４）
【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４日（２００８．４．４）
【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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