トンネル用セグメント
【課題】広幅化、薄肉化を行うことによって生じる鋼殻のねじれ強度の低下に伴う製作誤差を発生させることなく、精度の高いトンネル用セグメントを提供する。
【解決手段】主桁と継手板と縦リブとスキンプレートで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内に斜材を有することを特徴とする。前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されることを特徴とする。
【解決手段】主桁と継手板と縦リブとスキンプレートで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内に斜材を有することを特徴とする。前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時に使用されるトンネル用セグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時には、地盤掘削後の空間確保のために、トンネル用セグメントを用いる。近年、トンネル施工時における掘削土量の低減、継手金具の削減、施工効率の向上、防水上の弱点となりやすい継目延長の削減等の観点から、トンネル用セグメントの薄肉化および広幅化が求められている。
【０００３】
トンネル用セグメントは、トンネル施工時に、トンネル軸方向に順次延長するように組み立てられる。そのため、トンネル用セグメントのトンネル軸方向の幅寸法を広幅化することができると、トンネル全体における組立工程を格段に低減できる施工工法となる。例えば、現状の大断面シールドトンネルの技術としては、トンネル用セグメントの幅（トンネルの軸方向）は最大で１６００mm程度、主桁高さ（トンネルの半径方向）は最小で３００mm程度、周方向８〜１０分割のものは存在している。これを、幅１８００mm、２０００mm、２４００mmに広幅化したトンネル用セグメントを用いて施工をした場合、使用するトンネル用セグメント数およびトンネル軸方向の組立工程数が格段に低減されることとなるため、施工コストおよび施工工期を格段に低減することができる。
【０００４】
そこで、本発明者らは特許文献１において、主桁フランジ部に配したずれ止めおよび鋼材により、トンネル周方向のコンクリートと鋼殻のずれを抑制すると共に、トンネル軸方向の曲げに対して抵抗可能な広幅化をした合成セグメントを提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７７８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記特許文献１に記載された発明によれば、トンネル用セグメントを広幅化および薄肉化した場合に、トンネル軸方向の曲げに対しては抵抗可能となるが、広幅化および薄肉化により生じるねじれ強度の低下に伴い、セグメントにねじれが生じ、トンネル用セグメントの製作誤差が生じるという問題点がある。
【０００７】
上記トンネル用セグメントの広幅化および薄肉化に伴う自重によるモーメントの発生およびねじれに対しては、一般的には、ねじれの軸から遠い部材を強化すれば対応できると思われていた。つまり、トンネル用セグメントにおいては、外枠にあたる主桁と継手板の剛性を上げればよいと考えられる。しかし、トンネル用セグメントにおいて主桁と継手板の剛性を上げることは、これらの重量を大きく増すことにつながり、施工効率の面で好ましくない。さらに、重量を増すことによってねじれが助長されることも考えられる。一方、縦リブの剛性を上げたとしても、ねじれの軸から近いため、ねじれ抑制の効果は薄く、スキンプレートについては、曲率を有しているため、トンネル用セグメントのねじれ強度に寄与していないと考えられる。そのため、主桁、継手板およびスキンプレートの剛性を上げることでは、上記問題点は解決することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、広幅化、薄肉化を行うことによって生じるセグメントのねじれ強度の低下に伴う製作誤差を発生させることなく、精度の高いトンネル用セグメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、少なくとも２本以上の対向する主桁と、前記主桁の長手方向両端部に渡って結合される継手板と、前記継手板の間において、各前記主桁を渡すように結合された１本以上の縦リブと、前記主桁と前記継手板の地山側を塞ぐように結合されたスキンプレートとで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内とに配置された斜材を有することを特徴とする、トンネル用セグメントが提供される。
【００１０】
前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されていることとする。
【００１１】
前記斜材の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであってもよい。
【００１２】
前記主桁の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであってもよい。
【００１３】
前記斜材の端部は、レ形形状、Ｌ形鋼付、円弧状鋼板付、曲げ鋼板付のいずれかであってもよい。
【００１４】
前記斜材の接合方法は、例えばボルトやドリルねじ等の乾式接合方式である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トンネル用セグメントを広幅化・薄肉化することにより生じる鋼殻のねじれ強度の低下を抑制し、ねじれ強度の低下に伴うトンネル用セグメントの製作誤差を発生させることなく、精度の高い広幅化・薄肉化されたトンネル用セグメントを提供することができる。さらに、その結果、広幅化・薄肉化されたトンネル用セグメントを用いて施工を行うことで不具合なく施工コストおよび施工工期を格段に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（a）本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメント１を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１（a）のトンネル用セグメント１の平面図である。
【図２】（a）４本の斜材４０と各斜材４０を接合する十字形の接合部材５０を示す説明図である。（b）交差部４１が切れ込み５５の入った２本の斜材４０によって構成される場合を示す説明図である。
【図３】（a）Ｌ形鋼付斜材４２を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）Ｌ形鋼付斜材４２を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図４】（a）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図５】（a）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図６】レ形形状斜材７０を溶接によって接合させた様子の説明図である。
【図７】（a）円弧状鋼板付斜材８０を溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）円弧状鋼板付斜材８０を溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図８】（a）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図９】（a）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式と溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式と溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図１０】（a）本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１０（a）のトンネル用セグメント１’の平面図である。
【図１１】（a）斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’’を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１１（a）のトンネル用セグメント１’’の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
図１（a）は本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメント１を斜め上方から見た斜視図である。また、図１（b）は、図１（a）のトンネル用セグメント１の平面図である。なお、トンネル用セグメント１の内部鋼殻構造を図示するために、図１（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１（b）においては図示していない。また、実際にはトンネル用セグメント１の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００１９】
トンネル用セグメント１の外郭は２本の対向するＩ形状の鋼材である主桁１０と、主桁長手方向両端部に渡って主桁１０と接合された２本の継手板２０により構成される。ここで、I形状の鋼材である主桁１０は、１つの主桁が２枚のフランジと一枚のウェブにより構成された形鋼となっている。主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内には、鋼板である縦リブ３０および斜材４０が設けられている。縦リブ３０は２本の主桁１０を渡すように配置され、縦リブ３０の両端部はそれぞれ２本の主桁１０に接合されている。なお、図１に示されるように、本実施の形態においては、縦リブ３０は３枚設けられ、継手板２０と縦リブ３０および縦リブ３０同士の主桁長手方向の間隔は均等となっている。また、図１に示されるように、斜材は主桁の長手方向に対して鋭角に配置されている。この鋭角とは長手方向に対して垂直でも平行でもない斜めの方向を意味する。
【００２０】
また、主桁１０と、互いに隣り合う継手板２０および縦リブ３０とによって囲まれる空間には、交差部４１において交差する斜材４０が設けられている。主桁１０と、互いに隣り合う縦リブ３０によって囲まれる空間にも上記同様に交差部４１において交差する斜材４０が設けられている。ここで、斜材４０の各端部は図１に示されるように主桁１０、継手板２０および縦リブ３０の各接合部に接合されている。交差部４１において斜材４０は４本の部材の溶接によって構成されている。
【００２１】
なお、トンネル用セグメント１において、縦リブ３０および斜材４０は、２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間の地山側上半分にのみ設けられる。即ち、図１に示すように、縦リブ３０および斜材４０の幅ｈは主桁１０および継手板２０の幅Ｈの１／２となっており、上述した縦リブ３０および斜材４０と主桁１０および継手板２０との接合は、主桁１０および継手板２０の地山側上半分の位置において接合されていることとなる。
【００２２】
スキンプレート１１はトンネル用セグメント１の地山側上面を覆うように配置され、主桁１０の地山側フランジと継手板２０の地山側端部に固着される。そして、合成構造セグメントである場合は、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間にコンクリート１２が充填されることによってトンネル用セグメント１が構成されている。このとき、縦リブ３０および斜材４０が２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間の地山側上半分にのみに設けられていれば、コンクリート１２は２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間内に均一に充填されることとなる。
【００２３】
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２４】
例えば、斜材４０の種類は鋼板としているが、これに限られるものではなく、斜材４０の種類としては様々なものが考えられ、例えば、鋼板・縞鋼板・孔開き鋼板・棒鋼・異形棒鋼が挙げられる。また、鋼板・縞鋼板・孔開き鋼板の形状に関しても、矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等が考えられる。斜材４０の形状をＩ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等にすることで、ねじれに対する剛性がより高まり、トンネル用セグメント１の製作精度向上が図られることとなる。また、主桁１０の形状についてはＩ形状としているが、これに限られるものではなく、矩形・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等様々な形状の場合が考えられる。
【００２５】
また、斜材４０の交差部４１における接合方法を上記実施の形態では溶接による接合としたが、接合方法はこれに限られるものではない。以下に図面を参照して、例を示す。
【００２６】
図２（a）は４本の斜材４０と各斜材４０を接合する十字形の接合部材５０を示す説明図である。接合部材５０は４枚の鋼板の溶接によって構成され、十字型の形状となっている。４箇所の各端部には、ボルト穴５１が設けられており、また、各斜材４０の端部にも前記ボルト穴５１に対応するボルト穴５１’が設けられている。
接合部材５０の各ボルト穴５１と各斜材４０のボルト穴５１’をボルトで接合することによって斜材４０同士が接合され、トンネル用セグメント１は上記実施の形態に示したような構成となる。この形態をとることで、斜材４０同士を直接溶接で交差させた場合に比べ、製作誤差を吸収することが可能となり、製作精度の向上を図ることが可能となる。
【００２７】
一方、図２（b）は交差部４１が切れ込み５５の入った２本の斜材４０によって構成される場合を示す説明図である。２本の斜材４０の長手方向中央には、それぞれ切れ込み５５が設けられている。切れ込み５５は斜材４０の幅方向に入っており、その長さは斜材４０の幅の１／２程度となっている。
上記切れ込み５５の入った２本の斜材４０を、各切れ込み５５をかみ合わせて接続することによって各斜材４０が容易に接合され、トンネル用セグメント１へ好適に利用することができる。この形態をとることで、斜材４０同士を直接溶接で交差させた場合に比べ、製作誤差を吸収することが可能となり、製作精度の向上を図ることが可能となる。
【００２８】
上記実施の形態においては、斜材４０を主桁１０と継手板２０の接合箇所もしくは主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の方法は溶接で行うとしたが、本発明はこれに限られるものではない。トンネル用セグメント１の製作精度を確保するためには、溶接だけではなく、例えばボルトやドリルねじ等の乾式接合方法を採ることも考えられる。そこで、以下に斜材４０の主桁１０と継手板２０の接合箇所もしくは主桁１０と縦リブ３０の接合箇所との接合方法を例示し、図面を参照して説明する。
【００２９】
図３は、端部にＬ形鋼材を取り付けた斜材４０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図３（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部にＬ形鋼材を溶接によって取り付けたＬ形鋼付斜材４２を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図３（ｂ）はＬ形鋼付斜材４２を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図３において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図３（ａ）ではＬ形鋼付斜材４２の鋼板部４３については鎖線で示した。
【００３０】
図３に示すように、Ｌ形鋼付斜材４２は鋼板部４３の端部にＬ形鋼材４４を溶接によって取り付けたものである。Ｌ形鋼材４４は一般的な鋼板を９０°の角度に折り曲げた形状であり、その折り曲げた部分の内側角部４５に鋼板部４３を接合させることでＬ形鋼付斜材４２は構成される。Ｌ形鋼付斜材４２の主桁１０および縦リブ３０への接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、Ｌ形鋼材４４の一方の外面を主桁１０に、他方の外面を縦リブ３０に当接させられるように配置し、図３に示す５箇所をボルト６０によって固定することで行われる。なお、ここではＬ形鋼付斜材４２の５箇所についてボルト６０を用いて固定するとしたが、ボルト６０を用いる場所や、その数については主桁１０とＬ形鋼付斜材４２との接合状況によって適宜変更することができる。また、Ｌ形鋼付斜材４２は縦リブ３０の両側面に取り付けられ、その場合２つのＬ形鋼付斜材４２のＬ形鋼材４４は、縦リブ３０の側面に共通のボルト６０で固着される。共通のボルト６０を用いることで、一度にＬ形鋼付斜材４２を２枚同時に設置することが可能となり、製作効率化が可能となる。
【００３１】
以上図３を参照して説明した接合方法によれば、溶接ではなくボルトを用いて接合を行うため、接合が簡易かつ効率的に行われる。また、主桁１０、縦リブ３０等と斜材４０との接合箇所において溶接による歪みの発生がなくなるだけでなく斜材製作誤差の吸収も可能となり、トンネル用セグメントの製作精度向上が容易に図られることとなる。
【００３２】
図４および図５はレ形形状に加工したレ形形状斜材７０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図４（ａ）および図５（ａ）はレ形形状斜材７０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図４（ｂ）および図５（ｂ）はレ形形状斜材７０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図４および図５において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図４（ａ）および図５（ａ）ではレ形形状斜材７０の鋼板部７２については鎖線で示した。
【００３３】
図４および図５に示すレ形形状斜材７０は鋼板を一箇所で鋭角に折り曲げ、一方を接続部７１とし、他方を鋼板部７２とした形状である。レ形形状斜材７０の接続部７１が、ボルト６０によって主桁１０または縦リブ３０に固着される。ここで、レ形形状斜材７０の接続部７１は、図４に示すように、主桁１０に接合されてもよく、また、図５に示すように縦リブ３０に接合されてもよい。
【００３４】
以上図４および図５を参照して説明した接合方法によれば、上記図３の場合同様、溶接ではなくボルトを用いて接合を行うため、接合が簡易かつ効率的に行われる。また、主桁１０、縦リブ３０等と斜材４０（レ形形状斜材７０）との接合箇所において溶接による歪みの発生がなくなるだけでなく斜材製作誤差の吸収も可能となり、トンネル用セグメントの製作精度向上が容易に図られることとなる。さらに、レ形形状斜材７０は１枚の鋼板を折り曲げるだけで製作可能であるため、トンネル用セグメントの製作効率の上昇に寄与することとなる。なお、ここでは、レ形形状斜材７０は鋼板を折り曲げて製作するとしたが、例えば２枚の鋼板を溶接して製作すること等も当然考えられる。
【００３５】
また、図３〜図５に示す接合方法においては、主桁１０と縦リブ３０との接合箇所への斜材４０の接合を例として説明したが、主桁１０と継手板２０との接合箇所への斜材４０の接合についても当然同様の方法で接合可能である。また、接合にはボルト６０を用いるとしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えばドリルねじ等の乾式接合方式であればよい。
【００３６】
さらにまた、レ形形状斜材７０を主桁１０に接合させる場合には、その接合方法は溶接であってもよい。図６には、レ形形状斜材７０を溶接によって接合させた様子の斜視図（図６（ａ））および断面図（図６（ｂ））を示す。図６に示すように、レ形形状斜材７０を主桁１０に溶接によって接合することにより、例えばボルトを用いた接合を行う場合のように主桁１０にボルト孔等を空ける必要がないため、主桁１０の断面欠損が抑制されるとともに、止水性を確保することが可能となる。
【００３７】
図７は、端部に曲率を有する円弧状の鋼板を取り付けた円弧状鋼板付斜材８０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図７（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部に円弧状の鋼板を溶接によって取り付けた円弧状鋼板付斜材８０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図７（ｂ）は円弧状鋼板付斜材８０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図７において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図７（ａ）では円弧状鋼板付斜材８０の鋼板部８３については鎖線で示した。
【００３８】
図７に示すように、円弧状鋼板付斜材８０は鋼板部８３の端部に円弧状鋼板部８４を溶接によって取り付けたものである。ここで、鋼板部８３の端部は円弧状鋼板部８４の任意の位置に取り付けられるが、好ましくは円弧状鋼板部８４の円周方向中心部近傍に取り付けられる。円弧状鋼板付斜材８０の主桁１０および縦リブ３０への接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、円弧状鋼板部８４の円周方向両端部がそれぞれ主桁１０と縦リブ３０に溶接されることによって行われる。
【００３９】
図８は、曲げ加工を施した鋼板を取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図８（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部に曲げ加工を施した鋼板を溶接によって取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図８（ｂ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図８において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図８（ａ）では曲げ鋼板付斜材９０の鋼板部９３については鎖線で示した。
【００４０】
図８に示すように、曲げ鋼板付斜材９０は鋼板部９３の端部に曲げ鋼板部９４を溶接によって取り付けたものである。ここで、鋼板部９３の端部は曲げ鋼板部９４の任意の位置に取り付けられるが、好ましくは曲げ鋼板部９４の長手方向中心部近傍に取り付けられる。曲げ鋼板付斜材９０の接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、曲げ鋼板部９４の長手方向両端部近傍がそれぞれ主桁１０と縦リブ３０にボルト６０によって接合されることで行われる。また、この場合、上記図３に示した場合と同様に、曲げ鋼板付斜材９０は縦リブ３０の両側面に取り付けられ、その場合２つの曲げ鋼板付斜材９０の曲げ鋼板部９４は、縦リブ３０の側面に共通のボルト６０で固着される。共通のボルト６０を用いることで、一度に曲げ鋼板付斜材９０を２枚同時に設置することが可能となり、製作効率化が可能となる。
【００４１】
また、ここで、曲げ鋼板付斜材９０長手方向端部の内、主桁１０に接合する側の一方の端部を溶接によって主桁１０に接合することがより好ましい。図９は、曲げ加工を施した鋼板を取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、主桁１０には溶接を用い、縦リブ３０にはボルト６０を用いて接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図９（ａ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図９（ｂ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図９において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図９（ａ）では曲げ鋼板付斜材９０の鋼板部９３については鎖線で示した。
【００４２】
上記図９に示す接合方法によれば、例えばボルトを用いた接合を行う場合のように主桁１０にボルト孔等を空ける必要がないため、主桁１０の断面欠損が抑制されるとともに、止水性を確保することが可能となる。
【００４３】
上述したように図３〜図９を参照して、主桁１０と縦リブ３０との接合箇所における斜材４０の接合方法について説明したが、これらの接合方法は主桁１０と継手板２０との接合箇所における斜材４０の接合にも適応させることができ、また、斜材４０を主桁１０、継手板２０、縦リブ３０の任意の箇所に接合する場合にも適応させることができる。
【００４４】
また、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内に斜材４０を設ける場合の斜材４０の設置形態は、上記実施の形態に示した形態に限られるものではなく、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内に設けられ、主桁１０、継手板２０および縦リブ３０に接合されるものであればよい。以下に図面を参照して例を示す。
【００４５】
図１０（a）は本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’を斜め上方から見た斜視図である。また、図１０（b）は、図１０（a）のトンネル用セグメント１’の平面図である。なお、トンネル用セグメント１’の内部鋼殻構造を図示するために、図１０（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１０（b）においては図示していない。また、実際には、トンネル用セグメント１’の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００４６】
図１０（a）および（b）に示すトンネル用セグメント１’の構成の説明のうち、斜材４０の設置形態を除いては、上記実施の形態と同様であるため省略する。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分および縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分には、それぞれ２本ずつの斜材４０が設けられている。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間内の斜材４０は、それぞれ継手板２０の一方の端部において主桁１０と継手板２０の接合部に接合され、各斜材のもう一方の端部は縦リブ３０の長手方向中央部に接続されている。また、縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間内の各斜材４０の一方の端部は、トンネル用セグメント１’の主桁長手方向中央部同士に接合された縦リブ３０の長手方向中央部に接合され、各斜材４０のもう一方の端部は縦リブ３０と主桁１０の接合部に接合されている。その様子を示したものが図１０（a）および（b）である。
【００４７】
上記図１０（a）および（b）に示す斜材４０の設置形態によって斜材４０を設置し、広幅化したトンネル用セグメント１’のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差ができ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。
【００４８】
図１１（a）は本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’’を斜め上方から見た斜視図である。また、図１１（b）は、図１１（a）のトンネル用セグメント１’’の平面図である。なお、トンネル用セグメント１’’の内部鋼殻構造を図示するために、図１１（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１１（b）においては図示していない。また、実際トンネル用セグメント１’’の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００４９】
図１１（a）および（b）に示すトンネル用セグメント１’’の構成は、斜材４０の設置形態を除いては上記実施の形態と同様であるため省略する。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分および縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分にはそれぞれ４本ずつの斜材４０が設けられている。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間内の斜材４０は、それぞれ継手板２０の一方の端部において主桁１０と継手板２０の接合部に接合され、各斜材のもう一方の端部は継手板２０と縦リブ３０の長手方向中央部に２本ずつ接続されている。
また、縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間内の各斜材４０の一方の端部は、トンネル用セグメント１’’の主桁長手方向中央部に接合された縦リブ３０の長手方向中央部に接合され、各斜材４０のもう一方の端部は縦リブ３０と主桁１０の接合部に接合されている。その様子を示したものが図１１（a）および（b）である。なお、この場合にも、縦リブ３０および斜材４０は、トンネル用セグメント１の地山側上半分の空間に配置されている。
【００５０】
上記図１１（a）および（b）に示す斜材４０の設置形態によって斜材４０を設置し、広幅化したトンネル用セグメント１’’のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差ができ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。
【実施例】
【００５１】
以上のように構成されたトンネル用セグメント１において、広幅化を実現するためには、次の方法によって測定されるねじれ強度が大きいことが要求される。ねじれ強度の測定方法としては、例えば、図１（a）において、トンネル用セグメント１の一方の主桁１０の端部である点αを固定し、一方の主桁１０における端部の点αと反対側の端部である点βと、点βにおいて主桁１０と接合している継手板２０における端部の点βと反対側の端部である点γのトンネル中心方向の変位差を、トンネル用セグメント１の幅で割った値によって測定する方法を用いた。
【００５２】
図１、図１０及び図１１に示された実施形態において、上述した測定方法によって、広幅化されたトンネル用セグメント１のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差が生じ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。つまり、斜材４０を設けることによってねじれ強度の大きい広幅化されたトンネル用セグメント１を実現することができ、トンネル施工時に、ねじれ強度の大きく製作精度の高い広幅化されたトンネル用セグメント１を用いることが可能になるとともに、施工工程および施工コストを低減し、施工効率を確実に上げることが可能となる。また、コンクリートを充填した合成セグメントにも同様の効果が発揮され、従来の合成セグメントよりねじれ強度が高く製作精度の高い、セグメントとすることが可能となる。
【００５３】
以下、上述した本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメントにおける、ねじれ強度の測定結果と、従来用いられていたトンネル用セグメントのねじれ強度の測定結果を比較した結果について表を用いて説明する。
【００５４】
表１に、従来用いられていた斜材を設けていないトンネル用セグメントのねじれ強度を、比較例として示す。このとき、測定対象のセグメント幅が１５００mm、１８００mm、２４００mmの場合をそれぞれ比較例１〜３とした。なお、ねじれ強度としては、フランジ変位差をセグメント幅で割ったものを指標として用い、その値が大きいほどねじれ強度が弱いこととなる。
【表１】
【００５５】
表２は、実施例として、幅の異なる斜材を図１（a）、（b）に示した設置形態で設けたトンネル用セグメントのねじれ強度を測定した測定値を示すものである。
実施例１〜４として、セグメント幅は、本発明はセグメントを広幅化したものであるため、２４００mmで一定とし、斜材の幅を各々４mm、８mm、１６mm、１９mmとした場合のねじれ強度を表２に示す。
【表２】
【００５６】
本発明者らは、トンネル用セグメントの鋼殻の幅方向対角線上に斜材を設け、対角線方向の力を支持することで、ねじれ強度を強化できることから本発明を創案した。従来用いられていたセグメント幅は１５００mm程度のものであり、そのねじれ強度は表１の比較例１に示す通り０．０２５２であった。セグメントのセグメント幅を広幅化した場合においても、施工時に問題なく施工するためには比較例１と同程度のねじれ強度を示すものでなくてはならない。しかし、斜材を設けずにセグメントの広幅化を行った場合、表１の比較例２および比較例３に示されるように、広幅化するにつれてねじれ強度が下がっていることがわかった。
【００５７】
一方、セグメント幅を２４００mmと広幅化し、斜材を図１（a）、（b）に示す設置形態で設けた場合のねじれ強度は、いずれも表２の実施例１〜４に示すように、従来のセグメント幅１５００mmでのねじれ強度（比較例１）よりも小さい値となった。つまり、斜材を設けたことによって、セグメント幅２４００mmでも十分なねじれ強度を持ったトンネル用セグメントの実現が可能となった。
【００５８】
また、斜材の設置形態を図１０（a）、（b）および図１１（a）、（b）とした場合のトンネル用セグメントのねじれ強度を測定した結果をそれぞれ表３、表４に示す。なお、表３および表４におけるセグメント幅は、本発明はセグメントを広幅化したものであるため、２４００mmで一定とし、斜材４０の幅を各々４mm、８mm、１６m、１９mmとした。
【表３】
【表４】
【００５９】
斜材を図１０（a）、（b）および図１１（a）、（b）に示す設置形態で設けた場合のトンネル用セグメントのねじれ強度は、表３および表４の実施例５〜１２と比較例３を比べるとわかるように、斜材を設けない場合と比べて上昇していることがわかった。さらに、実施例５〜１２のねじれ強度の値は、従来のセグメント幅１５００mmでのねじれ強度（比較例１）よりも小さい値となった。つまり、斜材を設けたことによって、セグメント幅２４００mmでも十分なねじれ強度を持ったトンネル用セグメントの実現が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時に使用されるトンネル用セグメントに適用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１…トンネル用セグメント
１０…主桁
２０…継手板
３０…縦リブ
４０…斜材
４２…Ｌ形鋼付斜材
６０…ボルト
７０…レ形形状斜材
８０…円弧状鋼板付斜材
９０…曲げ鋼板付斜材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時に使用されるトンネル用セグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時には、地盤掘削後の空間確保のために、トンネル用セグメントを用いる。近年、トンネル施工時における掘削土量の低減、継手金具の削減、施工効率の向上、防水上の弱点となりやすい継目延長の削減等の観点から、トンネル用セグメントの薄肉化および広幅化が求められている。
【０００３】
トンネル用セグメントは、トンネル施工時に、トンネル軸方向に順次延長するように組み立てられる。そのため、トンネル用セグメントのトンネル軸方向の幅寸法を広幅化することができると、トンネル全体における組立工程を格段に低減できる施工工法となる。例えば、現状の大断面シールドトンネルの技術としては、トンネル用セグメントの幅（トンネルの軸方向）は最大で１６００mm程度、主桁高さ（トンネルの半径方向）は最小で３００mm程度、周方向８〜１０分割のものは存在している。これを、幅１８００mm、２０００mm、２４００mmに広幅化したトンネル用セグメントを用いて施工をした場合、使用するトンネル用セグメント数およびトンネル軸方向の組立工程数が格段に低減されることとなるため、施工コストおよび施工工期を格段に低減することができる。
【０００４】
そこで、本発明者らは特許文献１において、主桁フランジ部に配したずれ止めおよび鋼材により、トンネル周方向のコンクリートと鋼殻のずれを抑制すると共に、トンネル軸方向の曲げに対して抵抗可能な広幅化をした合成セグメントを提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７７８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記特許文献１に記載された発明によれば、トンネル用セグメントを広幅化および薄肉化した場合に、トンネル軸方向の曲げに対しては抵抗可能となるが、広幅化および薄肉化により生じるねじれ強度の低下に伴い、セグメントにねじれが生じ、トンネル用セグメントの製作誤差が生じるという問題点がある。
【０００７】
上記トンネル用セグメントの広幅化および薄肉化に伴う自重によるモーメントの発生およびねじれに対しては、一般的には、ねじれの軸から遠い部材を強化すれば対応できると思われていた。つまり、トンネル用セグメントにおいては、外枠にあたる主桁と継手板の剛性を上げればよいと考えられる。しかし、トンネル用セグメントにおいて主桁と継手板の剛性を上げることは、これらの重量を大きく増すことにつながり、施工効率の面で好ましくない。さらに、重量を増すことによってねじれが助長されることも考えられる。一方、縦リブの剛性を上げたとしても、ねじれの軸から近いため、ねじれ抑制の効果は薄く、スキンプレートについては、曲率を有しているため、トンネル用セグメントのねじれ強度に寄与していないと考えられる。そのため、主桁、継手板およびスキンプレートの剛性を上げることでは、上記問題点は解決することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、広幅化、薄肉化を行うことによって生じるセグメントのねじれ強度の低下に伴う製作誤差を発生させることなく、精度の高いトンネル用セグメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、少なくとも２本以上の対向する主桁と、前記主桁の長手方向両端部に渡って結合される継手板と、前記継手板の間において、各前記主桁を渡すように結合された１本以上の縦リブと、前記主桁と前記継手板の地山側を塞ぐように結合されたスキンプレートとで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内とに配置された斜材を有することを特徴とする、トンネル用セグメントが提供される。
【００１０】
前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されていることとする。
【００１１】
前記斜材の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであってもよい。
【００１２】
前記主桁の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであってもよい。
【００１３】
前記斜材の端部は、レ形形状、Ｌ形鋼付、円弧状鋼板付、曲げ鋼板付のいずれかであってもよい。
【００１４】
前記斜材の接合方法は、例えばボルトやドリルねじ等の乾式接合方式である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トンネル用セグメントを広幅化・薄肉化することにより生じる鋼殻のねじれ強度の低下を抑制し、ねじれ強度の低下に伴うトンネル用セグメントの製作誤差を発生させることなく、精度の高い広幅化・薄肉化されたトンネル用セグメントを提供することができる。さらに、その結果、広幅化・薄肉化されたトンネル用セグメントを用いて施工を行うことで不具合なく施工コストおよび施工工期を格段に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（a）本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメント１を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１（a）のトンネル用セグメント１の平面図である。
【図２】（a）４本の斜材４０と各斜材４０を接合する十字形の接合部材５０を示す説明図である。（b）交差部４１が切れ込み５５の入った２本の斜材４０によって構成される場合を示す説明図である。
【図３】（a）Ｌ形鋼付斜材４２を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）Ｌ形鋼付斜材４２を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図４】（a）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図５】（a）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）レ形形状斜材７０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図６】レ形形状斜材７０を溶接によって接合させた様子の説明図である。
【図７】（a）円弧状鋼板付斜材８０を溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）円弧状鋼板付斜材８０を溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図８】（a）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図９】（a）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式と溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。 （b）曲げ鋼板付斜材９０を乾式接合方式と溶接によって主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。
【図１０】（a）本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１０（a）のトンネル用セグメント１’の平面図である。
【図１１】（a）斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’’を斜め上方から見た斜視図である。（b）図１１（a）のトンネル用セグメント１’’の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
図１（a）は本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメント１を斜め上方から見た斜視図である。また、図１（b）は、図１（a）のトンネル用セグメント１の平面図である。なお、トンネル用セグメント１の内部鋼殻構造を図示するために、図１（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１（b）においては図示していない。また、実際にはトンネル用セグメント１の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００１９】
トンネル用セグメント１の外郭は２本の対向するＩ形状の鋼材である主桁１０と、主桁長手方向両端部に渡って主桁１０と接合された２本の継手板２０により構成される。ここで、I形状の鋼材である主桁１０は、１つの主桁が２枚のフランジと一枚のウェブにより構成された形鋼となっている。主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内には、鋼板である縦リブ３０および斜材４０が設けられている。縦リブ３０は２本の主桁１０を渡すように配置され、縦リブ３０の両端部はそれぞれ２本の主桁１０に接合されている。なお、図１に示されるように、本実施の形態においては、縦リブ３０は３枚設けられ、継手板２０と縦リブ３０および縦リブ３０同士の主桁長手方向の間隔は均等となっている。また、図１に示されるように、斜材は主桁の長手方向に対して鋭角に配置されている。この鋭角とは長手方向に対して垂直でも平行でもない斜めの方向を意味する。
【００２０】
また、主桁１０と、互いに隣り合う継手板２０および縦リブ３０とによって囲まれる空間には、交差部４１において交差する斜材４０が設けられている。主桁１０と、互いに隣り合う縦リブ３０によって囲まれる空間にも上記同様に交差部４１において交差する斜材４０が設けられている。ここで、斜材４０の各端部は図１に示されるように主桁１０、継手板２０および縦リブ３０の各接合部に接合されている。交差部４１において斜材４０は４本の部材の溶接によって構成されている。
【００２１】
なお、トンネル用セグメント１において、縦リブ３０および斜材４０は、２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間の地山側上半分にのみ設けられる。即ち、図１に示すように、縦リブ３０および斜材４０の幅ｈは主桁１０および継手板２０の幅Ｈの１／２となっており、上述した縦リブ３０および斜材４０と主桁１０および継手板２０との接合は、主桁１０および継手板２０の地山側上半分の位置において接合されていることとなる。
【００２２】
スキンプレート１１はトンネル用セグメント１の地山側上面を覆うように配置され、主桁１０の地山側フランジと継手板２０の地山側端部に固着される。そして、合成構造セグメントである場合は、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間にコンクリート１２が充填されることによってトンネル用セグメント１が構成されている。このとき、縦リブ３０および斜材４０が２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間の地山側上半分にのみに設けられていれば、コンクリート１２は２本の主桁１０と２本の継手板２０によって囲まれる空間内に均一に充填されることとなる。
【００２３】
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２４】
例えば、斜材４０の種類は鋼板としているが、これに限られるものではなく、斜材４０の種類としては様々なものが考えられ、例えば、鋼板・縞鋼板・孔開き鋼板・棒鋼・異形棒鋼が挙げられる。また、鋼板・縞鋼板・孔開き鋼板の形状に関しても、矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等が考えられる。斜材４０の形状をＩ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等にすることで、ねじれに対する剛性がより高まり、トンネル用セグメント１の製作精度向上が図られることとなる。また、主桁１０の形状についてはＩ形状としているが、これに限られるものではなく、矩形・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状等様々な形状の場合が考えられる。
【００２５】
また、斜材４０の交差部４１における接合方法を上記実施の形態では溶接による接合としたが、接合方法はこれに限られるものではない。以下に図面を参照して、例を示す。
【００２６】
図２（a）は４本の斜材４０と各斜材４０を接合する十字形の接合部材５０を示す説明図である。接合部材５０は４枚の鋼板の溶接によって構成され、十字型の形状となっている。４箇所の各端部には、ボルト穴５１が設けられており、また、各斜材４０の端部にも前記ボルト穴５１に対応するボルト穴５１’が設けられている。
接合部材５０の各ボルト穴５１と各斜材４０のボルト穴５１’をボルトで接合することによって斜材４０同士が接合され、トンネル用セグメント１は上記実施の形態に示したような構成となる。この形態をとることで、斜材４０同士を直接溶接で交差させた場合に比べ、製作誤差を吸収することが可能となり、製作精度の向上を図ることが可能となる。
【００２７】
一方、図２（b）は交差部４１が切れ込み５５の入った２本の斜材４０によって構成される場合を示す説明図である。２本の斜材４０の長手方向中央には、それぞれ切れ込み５５が設けられている。切れ込み５５は斜材４０の幅方向に入っており、その長さは斜材４０の幅の１／２程度となっている。
上記切れ込み５５の入った２本の斜材４０を、各切れ込み５５をかみ合わせて接続することによって各斜材４０が容易に接合され、トンネル用セグメント１へ好適に利用することができる。この形態をとることで、斜材４０同士を直接溶接で交差させた場合に比べ、製作誤差を吸収することが可能となり、製作精度の向上を図ることが可能となる。
【００２８】
上記実施の形態においては、斜材４０を主桁１０と継手板２０の接合箇所もしくは主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の方法は溶接で行うとしたが、本発明はこれに限られるものではない。トンネル用セグメント１の製作精度を確保するためには、溶接だけではなく、例えばボルトやドリルねじ等の乾式接合方法を採ることも考えられる。そこで、以下に斜材４０の主桁１０と継手板２０の接合箇所もしくは主桁１０と縦リブ３０の接合箇所との接合方法を例示し、図面を参照して説明する。
【００２９】
図３は、端部にＬ形鋼材を取り付けた斜材４０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図３（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部にＬ形鋼材を溶接によって取り付けたＬ形鋼付斜材４２を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図３（ｂ）はＬ形鋼付斜材４２を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図３において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図３（ａ）ではＬ形鋼付斜材４２の鋼板部４３については鎖線で示した。
【００３０】
図３に示すように、Ｌ形鋼付斜材４２は鋼板部４３の端部にＬ形鋼材４４を溶接によって取り付けたものである。Ｌ形鋼材４４は一般的な鋼板を９０°の角度に折り曲げた形状であり、その折り曲げた部分の内側角部４５に鋼板部４３を接合させることでＬ形鋼付斜材４２は構成される。Ｌ形鋼付斜材４２の主桁１０および縦リブ３０への接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、Ｌ形鋼材４４の一方の外面を主桁１０に、他方の外面を縦リブ３０に当接させられるように配置し、図３に示す５箇所をボルト６０によって固定することで行われる。なお、ここではＬ形鋼付斜材４２の５箇所についてボルト６０を用いて固定するとしたが、ボルト６０を用いる場所や、その数については主桁１０とＬ形鋼付斜材４２との接合状況によって適宜変更することができる。また、Ｌ形鋼付斜材４２は縦リブ３０の両側面に取り付けられ、その場合２つのＬ形鋼付斜材４２のＬ形鋼材４４は、縦リブ３０の側面に共通のボルト６０で固着される。共通のボルト６０を用いることで、一度にＬ形鋼付斜材４２を２枚同時に設置することが可能となり、製作効率化が可能となる。
【００３１】
以上図３を参照して説明した接合方法によれば、溶接ではなくボルトを用いて接合を行うため、接合が簡易かつ効率的に行われる。また、主桁１０、縦リブ３０等と斜材４０との接合箇所において溶接による歪みの発生がなくなるだけでなく斜材製作誤差の吸収も可能となり、トンネル用セグメントの製作精度向上が容易に図られることとなる。
【００３２】
図４および図５はレ形形状に加工したレ形形状斜材７０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図４（ａ）および図５（ａ）はレ形形状斜材７０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図４（ｂ）および図５（ｂ）はレ形形状斜材７０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図４および図５において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図４（ａ）および図５（ａ）ではレ形形状斜材７０の鋼板部７２については鎖線で示した。
【００３３】
図４および図５に示すレ形形状斜材７０は鋼板を一箇所で鋭角に折り曲げ、一方を接続部７１とし、他方を鋼板部７２とした形状である。レ形形状斜材７０の接続部７１が、ボルト６０によって主桁１０または縦リブ３０に固着される。ここで、レ形形状斜材７０の接続部７１は、図４に示すように、主桁１０に接合されてもよく、また、図５に示すように縦リブ３０に接合されてもよい。
【００３４】
以上図４および図５を参照して説明した接合方法によれば、上記図３の場合同様、溶接ではなくボルトを用いて接合を行うため、接合が簡易かつ効率的に行われる。また、主桁１０、縦リブ３０等と斜材４０（レ形形状斜材７０）との接合箇所において溶接による歪みの発生がなくなるだけでなく斜材製作誤差の吸収も可能となり、トンネル用セグメントの製作精度向上が容易に図られることとなる。さらに、レ形形状斜材７０は１枚の鋼板を折り曲げるだけで製作可能であるため、トンネル用セグメントの製作効率の上昇に寄与することとなる。なお、ここでは、レ形形状斜材７０は鋼板を折り曲げて製作するとしたが、例えば２枚の鋼板を溶接して製作すること等も当然考えられる。
【００３５】
また、図３〜図５に示す接合方法においては、主桁１０と縦リブ３０との接合箇所への斜材４０の接合を例として説明したが、主桁１０と継手板２０との接合箇所への斜材４０の接合についても当然同様の方法で接合可能である。また、接合にはボルト６０を用いるとしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えばドリルねじ等の乾式接合方式であればよい。
【００３６】
さらにまた、レ形形状斜材７０を主桁１０に接合させる場合には、その接合方法は溶接であってもよい。図６には、レ形形状斜材７０を溶接によって接合させた様子の斜視図（図６（ａ））および断面図（図６（ｂ））を示す。図６に示すように、レ形形状斜材７０を主桁１０に溶接によって接合することにより、例えばボルトを用いた接合を行う場合のように主桁１０にボルト孔等を空ける必要がないため、主桁１０の断面欠損が抑制されるとともに、止水性を確保することが可能となる。
【００３７】
図７は、端部に曲率を有する円弧状の鋼板を取り付けた円弧状鋼板付斜材８０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図７（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部に円弧状の鋼板を溶接によって取り付けた円弧状鋼板付斜材８０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図７（ｂ）は円弧状鋼板付斜材８０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図７において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図７（ａ）では円弧状鋼板付斜材８０の鋼板部８３については鎖線で示した。
【００３８】
図７に示すように、円弧状鋼板付斜材８０は鋼板部８３の端部に円弧状鋼板部８４を溶接によって取り付けたものである。ここで、鋼板部８３の端部は円弧状鋼板部８４の任意の位置に取り付けられるが、好ましくは円弧状鋼板部８４の円周方向中心部近傍に取り付けられる。円弧状鋼板付斜材８０の主桁１０および縦リブ３０への接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、円弧状鋼板部８４の円周方向両端部がそれぞれ主桁１０と縦リブ３０に溶接されることによって行われる。
【００３９】
図８は、曲げ加工を施した鋼板を取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を、ボルト６０を用いて主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図８（ａ）は上記実施の形態に示した、鋼板である斜材４０の端部に曲げ加工を施した鋼板を溶接によって取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図８（ｂ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図８において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図８（ａ）では曲げ鋼板付斜材９０の鋼板部９３については鎖線で示した。
【００４０】
図８に示すように、曲げ鋼板付斜材９０は鋼板部９３の端部に曲げ鋼板部９４を溶接によって取り付けたものである。ここで、鋼板部９３の端部は曲げ鋼板部９４の任意の位置に取り付けられるが、好ましくは曲げ鋼板部９４の長手方向中心部近傍に取り付けられる。曲げ鋼板付斜材９０の接合は、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、曲げ鋼板部９４の長手方向両端部近傍がそれぞれ主桁１０と縦リブ３０にボルト６０によって接合されることで行われる。また、この場合、上記図３に示した場合と同様に、曲げ鋼板付斜材９０は縦リブ３０の両側面に取り付けられ、その場合２つの曲げ鋼板付斜材９０の曲げ鋼板部９４は、縦リブ３０の側面に共通のボルト６０で固着される。共通のボルト６０を用いることで、一度に曲げ鋼板付斜材９０を２枚同時に設置することが可能となり、製作効率化が可能となる。
【００４１】
また、ここで、曲げ鋼板付斜材９０長手方向端部の内、主桁１０に接合する側の一方の端部を溶接によって主桁１０に接合することがより好ましい。図９は、曲げ加工を施した鋼板を取り付けた曲げ鋼板付斜材９０を、主桁１０と縦リブ３０の接合箇所において、主桁１０には溶接を用い、縦リブ３０にはボルト６０を用いて接合する場合の接合の様子を、接合部を拡大して示す説明図である。図９（ａ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を斜め上方から見た斜視図である。また、図９（ｂ）は曲げ鋼板付斜材９０を主桁１０と縦リブ３０の接合箇所に接合する様子を上方から見た断面図である。なお、説明のために、図９において、主桁１０のフランジ部については図示せず、また、図９（ａ）では曲げ鋼板付斜材９０の鋼板部９３については鎖線で示した。
【００４２】
上記図９に示す接合方法によれば、例えばボルトを用いた接合を行う場合のように主桁１０にボルト孔等を空ける必要がないため、主桁１０の断面欠損が抑制されるとともに、止水性を確保することが可能となる。
【００４３】
上述したように図３〜図９を参照して、主桁１０と縦リブ３０との接合箇所における斜材４０の接合方法について説明したが、これらの接合方法は主桁１０と継手板２０との接合箇所における斜材４０の接合にも適応させることができ、また、斜材４０を主桁１０、継手板２０、縦リブ３０の任意の箇所に接合する場合にも適応させることができる。
【００４４】
また、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内に斜材４０を設ける場合の斜材４０の設置形態は、上記実施の形態に示した形態に限られるものではなく、主桁１０と継手板２０に囲まれた空間内に設けられ、主桁１０、継手板２０および縦リブ３０に接合されるものであればよい。以下に図面を参照して例を示す。
【００４５】
図１０（a）は本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’を斜め上方から見た斜視図である。また、図１０（b）は、図１０（a）のトンネル用セグメント１’の平面図である。なお、トンネル用セグメント１’の内部鋼殻構造を図示するために、図１０（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１０（b）においては図示していない。また、実際には、トンネル用セグメント１’の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００４６】
図１０（a）および（b）に示すトンネル用セグメント１’の構成の説明のうち、斜材４０の設置形態を除いては、上記実施の形態と同様であるため省略する。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分および縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分には、それぞれ２本ずつの斜材４０が設けられている。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間内の斜材４０は、それぞれ継手板２０の一方の端部において主桁１０と継手板２０の接合部に接合され、各斜材のもう一方の端部は縦リブ３０の長手方向中央部に接続されている。また、縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間内の各斜材４０の一方の端部は、トンネル用セグメント１’の主桁長手方向中央部同士に接合された縦リブ３０の長手方向中央部に接合され、各斜材４０のもう一方の端部は縦リブ３０と主桁１０の接合部に接合されている。その様子を示したものが図１０（a）および（b）である。
【００４７】
上記図１０（a）および（b）に示す斜材４０の設置形態によって斜材４０を設置し、広幅化したトンネル用セグメント１’のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差ができ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。
【００４８】
図１１（a）は本発明にかかるトンネル用セグメント１の実施の形態において、斜材４０の設置形態を変更した場合のトンネル用セグメント１’’を斜め上方から見た斜視図である。また、図１１（b）は、図１１（a）のトンネル用セグメント１’’の平面図である。なお、トンネル用セグメント１’’の内部鋼殻構造を図示するために、図１１（a）においてスキンプレート１１は一点鎖線で示し、図１１（b）においては図示していない。また、実際トンネル用セグメント１’’の内部にはコンクリート１２が充填される場合もあるが、内部鋼殻構造を示すために、コンクリート１２は省略した状態で示す。
【００４９】
図１１（a）および（b）に示すトンネル用セグメント１’’の構成は、斜材４０の設置形態を除いては上記実施の形態と同様であるため省略する。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分および縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間の地山側上半分にはそれぞれ４本ずつの斜材４０が設けられている。継手板２０、縦リブ３０および主桁１０で囲まれる空間内の斜材４０は、それぞれ継手板２０の一方の端部において主桁１０と継手板２０の接合部に接合され、各斜材のもう一方の端部は継手板２０と縦リブ３０の長手方向中央部に２本ずつ接続されている。
また、縦リブ３０同士と主桁１０で囲まれる空間内の各斜材４０の一方の端部は、トンネル用セグメント１’’の主桁長手方向中央部に接合された縦リブ３０の長手方向中央部に接合され、各斜材４０のもう一方の端部は縦リブ３０と主桁１０の接合部に接合されている。その様子を示したものが図１１（a）および（b）である。なお、この場合にも、縦リブ３０および斜材４０は、トンネル用セグメント１の地山側上半分の空間に配置されている。
【００５０】
上記図１１（a）および（b）に示す斜材４０の設置形態によって斜材４０を設置し、広幅化したトンネル用セグメント１’’のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差ができ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。
【実施例】
【００５１】
以上のように構成されたトンネル用セグメント１において、広幅化を実現するためには、次の方法によって測定されるねじれ強度が大きいことが要求される。ねじれ強度の測定方法としては、例えば、図１（a）において、トンネル用セグメント１の一方の主桁１０の端部である点αを固定し、一方の主桁１０における端部の点αと反対側の端部である点βと、点βにおいて主桁１０と接合している継手板２０における端部の点βと反対側の端部である点γのトンネル中心方向の変位差を、トンネル用セグメント１の幅で割った値によって測定する方法を用いた。
【００５２】
図１、図１０及び図１１に示された実施形態において、上述した測定方法によって、広幅化されたトンネル用セグメント１のねじれ強度を測定した結果、斜材４０を設けた場合と設けない場合では、ねじれ強度に大きな差が生じ、斜材４０を設けた場合のほうが、よりねじれ強度が大きいものとなる。つまり、斜材４０を設けることによってねじれ強度の大きい広幅化されたトンネル用セグメント１を実現することができ、トンネル施工時に、ねじれ強度の大きく製作精度の高い広幅化されたトンネル用セグメント１を用いることが可能になるとともに、施工工程および施工コストを低減し、施工効率を確実に上げることが可能となる。また、コンクリートを充填した合成セグメントにも同様の効果が発揮され、従来の合成セグメントよりねじれ強度が高く製作精度の高い、セグメントとすることが可能となる。
【００５３】
以下、上述した本発明の実施の形態にかかるトンネル用セグメントにおける、ねじれ強度の測定結果と、従来用いられていたトンネル用セグメントのねじれ強度の測定結果を比較した結果について表を用いて説明する。
【００５４】
表１に、従来用いられていた斜材を設けていないトンネル用セグメントのねじれ強度を、比較例として示す。このとき、測定対象のセグメント幅が１５００mm、１８００mm、２４００mmの場合をそれぞれ比較例１〜３とした。なお、ねじれ強度としては、フランジ変位差をセグメント幅で割ったものを指標として用い、その値が大きいほどねじれ強度が弱いこととなる。
【表１】
【００５５】
表２は、実施例として、幅の異なる斜材を図１（a）、（b）に示した設置形態で設けたトンネル用セグメントのねじれ強度を測定した測定値を示すものである。
実施例１〜４として、セグメント幅は、本発明はセグメントを広幅化したものであるため、２４００mmで一定とし、斜材の幅を各々４mm、８mm、１６mm、１９mmとした場合のねじれ強度を表２に示す。
【表２】
【００５６】
本発明者らは、トンネル用セグメントの鋼殻の幅方向対角線上に斜材を設け、対角線方向の力を支持することで、ねじれ強度を強化できることから本発明を創案した。従来用いられていたセグメント幅は１５００mm程度のものであり、そのねじれ強度は表１の比較例１に示す通り０．０２５２であった。セグメントのセグメント幅を広幅化した場合においても、施工時に問題なく施工するためには比較例１と同程度のねじれ強度を示すものでなくてはならない。しかし、斜材を設けずにセグメントの広幅化を行った場合、表１の比較例２および比較例３に示されるように、広幅化するにつれてねじれ強度が下がっていることがわかった。
【００５７】
一方、セグメント幅を２４００mmと広幅化し、斜材を図１（a）、（b）に示す設置形態で設けた場合のねじれ強度は、いずれも表２の実施例１〜４に示すように、従来のセグメント幅１５００mmでのねじれ強度（比較例１）よりも小さい値となった。つまり、斜材を設けたことによって、セグメント幅２４００mmでも十分なねじれ強度を持ったトンネル用セグメントの実現が可能となった。
【００５８】
また、斜材の設置形態を図１０（a）、（b）および図１１（a）、（b）とした場合のトンネル用セグメントのねじれ強度を測定した結果をそれぞれ表３、表４に示す。なお、表３および表４におけるセグメント幅は、本発明はセグメントを広幅化したものであるため、２４００mmで一定とし、斜材４０の幅を各々４mm、８mm、１６m、１９mmとした。
【表３】
【表４】
【００５９】
斜材を図１０（a）、（b）および図１１（a）、（b）に示す設置形態で設けた場合のトンネル用セグメントのねじれ強度は、表３および表４の実施例５〜１２と比較例３を比べるとわかるように、斜材を設けない場合と比べて上昇していることがわかった。さらに、実施例５〜１２のねじれ強度の値は、従来のセグメント幅１５００mmでのねじれ強度（比較例１）よりも小さい値となった。つまり、斜材を設けたことによって、セグメント幅２４００mmでも十分なねじれ強度を持ったトンネル用セグメントの実現が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、例えば、鉄道や自動車のトンネルまたは水路等に用いるトンネルの施工時に使用されるトンネル用セグメントに適用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１…トンネル用セグメント
１０…主桁
２０…継手板
３０…縦リブ
４０…斜材
４２…Ｌ形鋼付斜材
６０…ボルト
７０…レ形形状斜材
８０…円弧状鋼板付斜材
９０…曲げ鋼板付斜材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２本以上の対向する主桁と、
前記主桁の長手方向両端部に渡って結合される継手板と、
前記継手板の間において、各前記主桁を渡すように結合された１本以上の縦リブと、
前記主桁と前記継手板の地山側を塞ぐように結合されたスキンプレートとで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、
前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内とに配置された斜材を有することを特徴とする、トンネル用セグメント。
【請求項２】
前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されていることを特徴とする、請求項１に記載のトンネル用セグメント。
【請求項３】
前記斜材の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載のトンネル用セグメント。
【請求項４】
前記主桁の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【請求項５】
前記斜材の端部は、レ形形状、Ｌ形鋼付、円弧状鋼板付、曲げ鋼板付のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【請求項６】
前記斜材の接合方法が、乾式接合方式であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【請求項１】
少なくとも２本以上の対向する主桁と、
前記主桁の長手方向両端部に渡って結合される継手板と、
前記継手板の間において、各前記主桁を渡すように結合された１本以上の縦リブと、
前記主桁と前記継手板の地山側を塞ぐように結合されたスキンプレートとで形成される鋼製のトンネル用セグメントであって、
前記主桁と前記継手板および前記縦リブに囲まれた空間内と、前記主桁と前記縦リブ同士に囲まれた空間内とに配置された斜材を有することを特徴とする、トンネル用セグメント。
【請求項２】
前記斜材の少なくとも一方の端部が、前記主桁と前記継手板の接合箇所もしくは前記主桁と前記縦リブとの接合箇所に接合されていることを特徴とする、請求項１に記載のトンネル用セグメント。
【請求項３】
前記斜材の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載のトンネル用セグメント。
【請求項４】
前記主桁の断面形状は矩形・Ｉ形状・逆Ｔ形状・Ｃ形状・Ｌ形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【請求項５】
前記斜材の端部は、レ形形状、Ｌ形鋼付、円弧状鋼板付、曲げ鋼板付のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【請求項６】
前記斜材の接合方法が、乾式接合方式であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のトンネル用セグメント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２８１１３２（Ｐ２００９−２８１１３２Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９３３７５（Ｐ２００９−９３３７５）
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【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１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【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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