内空側に表面板を有する合成セグメントおよびトンネル
【課題】メンテナンス性を向上させるとともに充填材との一体化による合成効果を確保して高性能化が実現できる内空側に表面板を有する合成セグメント、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルを提供すること。
【解決手段】内空側表面板１５の内空側リブ材１６によって中詰めコンクリート１２の抜け出しが防止でき、鋼殻１１と中詰めコンクリート１２とを一体的に挙動させる合成効果が得られることから、合成セグメント１０の剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。また、トンネル内空Ｓ側に設けた内空側表面板１５は目視等で点検することができ、そのメンテナンス性を向上させることができる。
【解決手段】内空側表面板１５の内空側リブ材１６によって中詰めコンクリート１２の抜け出しが防止でき、鋼殻１１と中詰めコンクリート１２とを一体的に挙動させる合成効果が得られることから、合成セグメント１０の剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。また、トンネル内空Ｓ側に設けた内空側表面板１５は目視等で点検することができ、そのメンテナンス性を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセグメントピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、内空側に表面板を有する合成セグメント、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主桁と、主桁の両端部に渡って固定される継手板と、トンネル地山側にて対向する主桁に渡って設けられる地山側のスキンプレートとを有し、それらの内部に中詰めコンクリートを充填して構成される合成セグメントが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された合成セグメントでは、対向する主桁に渡ってＨ形鋼からなるずれ止めが複数架設され、このずれ止めにおけるフランジとウェブとで囲まれた中詰めコンクリートが拘束されることにより、ずれ止めを介して主桁と中詰めコンクリートとの間で応力が確実に伝達できるように構成されている。このように主桁などの鋼材と中詰めコンクリートとのずれを防止し、外力に対して一体的に挙動させる合成効果が得られることで、剛性や耐力を向上させつつ薄型化が可能な高性能の合成セグメントが実現できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されるように従来の合成セグメントは、地下水などの漏水を地山に接するトンネルの地山側で防止するという設計思想からトンネル地山側にスキンプレートが設けられることが通例である。トンネルに発生する外力による曲げモーメントはトンネル内空側へ曲げられる正曲げが大きく、トンネル地山側に曲げられる負曲げはトンネル周囲が地盤で囲まれるため、設計上、大きな問題とはならない。セグメント断面性能の観点からすれば、正曲げ時に引張材として外力に対抗でき得る位置、すなわちトンネル内空側にスキンプレートを配置したほうが効率的に部材耐力を発揮する。さらにスキンプレートをトンネル内空側に配置することでトンネル供用時におけるスキンプレートの目視点検が容易に行なえ、メンテナンス性能を向上させ得る長所も生まれる。
しかしながら、トンネル内空側にスキンプレートを配置する際の大きな課題として外力が作用した場合にスキンプレートがトンネル内空側へと剥離する挙動が発生してしまい、スキンプレートを有効に機能させることが出来ないことが挙げられる。
他方、従来の合成セグメントとしては、Ｈ形鋼を用いたずれ止め構造を持つセグメントが提案されているが、鋼材とコンクリートとを一体化することができるものの、使用する鋼材量や接合のための溶接量が多大になってしまう課題がある。そこで、Ｈ形鋼に代えて平板等を用いる簡便な構造であって、使用鋼材量や溶接量を低減しつつ、ずれ止めとして充填材（コンクリート）との一体化をも可能とする合成セグメントの実現が望まれていた。
【０００５】
本発明の目的は、今後、我が国のインフラ構造物が共通して直面するであろう公共事業費削減と維持管理問題の双方を解決するために、充填材との一体化による合成効果を確保して高性能化を実現可能とする内空側に表面板を有する合成セグメント、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルを提供することと、将来に渡る長期供用下におけるメンテナンス性能の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントは、鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル内空側にて前記主桁に渡って設けられる内空側表面板とを少なくとも備え、これらの主桁、継手板および内空側表面板で５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記内空側表面板におけるトンネル径方向地山側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の内空側リブ材が設けられ、前記複数のリブ材のうち、互いに隣り合う一対のリブ材同士は、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられ、前記内空側表面板に固着されていることを特徴とする。
【０００７】
以上の本発明によれば、内空側表面板に複数のリブ材を設け、そのうち互いに隣り合う一対の内空側リブ材同士が内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている。すなわち隣り合う内空側リブ材の先端側の間隔距離が基端側よりも小さく設定されているので、隣り合う内空側リブ材と充填される充填材（例えば、コンクリート）とを楔状に係合させることができる。従って、内空側表面板と充填材とが互い離れる方向に移動する抜け出しが防止でき、前記内空側リブ材を介して前記鋼殻と充填材とを一体的に挙動させる合成効果が得られることで、合成セグメントの剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。
また、トンネル内空側にて対向する主桁に渡って内空側表面板を設けたことで、この内空側表面板を目視等で点検することができ、メンテナンス性を向上させることもできる。
【０００８】
ここで、従来の合成セグメントのように、トンネル地山側の表面板に平板からなるリブ材を固定するようにすれば、それらのリブ材がトンネル径方向内空側に向くことで、外力により地山側の表面板と充填材とが互いに離れる方向に抜け出そうとしても、隣り合うリブ材と充填される充填材とは楔状に係合されるため、充填材と表面板との抜け止めとして機能させることができる。それに対して本発明の合成セグメントでは、トンネル内空側に内空側表面板を設けた構成であるため、当該内空側表面板と直交してリブ材を設けても、例えば前記地山側表面板の例のごとくリブ構造を構成したとしても、そのリブ材がトンネル径方向地山側に突出するために、隣り合うリブ材間に充填される充填材とは逆楔状になってしまい係合させることができない。すなわち、本発明の合成セグメントは、セグメントの性能を向上させるためにトンネル内空側に内空側表面板を設けた場合であっても、その内空側表面板に設けた内空側リブ材と充填材とを楔状に係合させることで、充填材の抜け出しを防止して鋼殻と一体化し、これによって合成効果を確保して高性能な合成セグメントを実現することと、メンテナンス性を向上させることができる点に特徴を有する。
【０００９】
この際、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記複数の内空側リブ材は、それぞれ平板材から構成されていることが好ましい。
ここで、従来、断面Ｔ形やＬ形形状を呈する複雑な断面形状のリブ材が採用されているが、リブ材自体の加工や製造コストが掛かることに加え、リブ材を内空側表面板に溶接固定する際に溶接棒が溶接箇所に届かない、或いは溶接姿勢が困難となるなど、加工時間の増大、固着性能に問題を生じるなどの課題があった。
これに対して本発明の構成によれば、リブ材を平板材から構成することで、その加工や溶接手間が大幅に低減できるとともに、使用する鋼材量や接合のための溶接量を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記複数の内空側リブ材のうち、トンネル周方向両端部の少なくとも片方の端部に設けられる内空側リブ材と前記継手板との間には、前記主桁、継手板および内空側表面板のうちの少なくともいずれかに固着されるとともに前記鋼殻の内部側に突出する突出部材が設けられていることが好ましい。
ここで、前記継手板はトンネル径方向に配置されることが通例であるため、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている少なくとも１つの端部のリブ材と継手板とは逆楔状になってしまい、鋼殻と充填材とを係合させることができない。
これに対して本発明の構成によれば、複数の内空側リブ材のうちの両端部の内空側リブ材と継手板との間に突出部材を設けたことで、この突出部材と充填材とが機械的に係合することによって、突出部材を抜け止めとして機能させることができる。従って、両端部の内空側リブ材と継手板とがトンネル径方向地山側に向かって互いに開くような角度で設けられていても、突出部材によって充填材と内空側表面板および主桁との一体性を確保することができる。
【００１１】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記突出部材は、前記内空側表面板に固定されるジベル、前記主桁に内設されてトンネル軸方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるリング間継手部材、および前記継手板に内設されてトンネル周方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるピース間継手部材、の少なくとも１つで構成されることが好ましい。
このような構成によれば、頭付きスタッドボルトを代表とするジベルやリング間継手部材、ピース間継手部材で突出部材を構成することで、比較的容易に端部側の抜け止めを構成することができる。ここで、継手部材としては、合成セグメントのセグメントピース間ボルトボックスやセグメントピース間継手定着材などが利用でき、このような継手部材を抜け止めとして併用することで、別途の抜け止めを省略することもでき、使用鋼材量や溶接量をさらに低減させることができる。
【００１２】
また、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記鋼殻は、トンネル地山側にて前記主桁に渡って設けられる地山側表面板を備えて構成されることが好ましい。
このような構成によれば、前記内空側表面板に加えて地山側表面板を備えることで、鋼殻の６面が囲まれた閉断面鋼殻を構成することができ、セグメント部材耐力の向上と併せてその内部への地下水等の浸入をより確実に防止することができる。
【００１３】
この際、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側表面板におけるトンネル内空側表面には、当該表面から突出する複数の地山側リブ材が設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、地山側表面板に地山側リブ材を設けることで充填材との一体性をより一層向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材は内空側表面板に設けられるリブ材とトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、内空側および地山側に設けられたリブ材をトンネル径方向に対向させないことによって、ひび割れ誘発点となるリブ材の相互距離が長く確保されることから、ひび割れ長さを長くすることができ、セグメントの性能が向上する。
【００１５】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材はトンネル軸方向に沿って延びる複数の平板材から構成され、これら複数の地山側リブ材は、トンネル径方向内空側に向かって突出して設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、平板材から構成される地山側リブ材をトンネル径方向内空側に向かって突出して設けたことで、この地山側リブ材を充填材と地山側表面板との抜け止めとして機能させることができるとともに、リブ材を平板材から構成することで、その加工や溶接手間が大幅に低減でき、さらには使用する鋼材量や接合のための溶接量を抑制することができる。
【００１６】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材と前記内空側リブ材とを連結するせん断補強材が設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、内空側と地山側のリブ材同士をせん断補強材で連結したことで、このせん断補強材によって充填材をせん断補強することができ、合成セグメント全体の強度を向上させて、さらなる高性能化および薄型化を実現することができる。
【００１７】
一方、本発明のトンネルは、前記いずれかの内空側に表面板を有する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、前述のように合成効果を確保して高性能化および薄型化した合成セグメントを組み合わせることで、地山の掘削工事における掘削量が削減でき、施工コスト低減および工期短縮を図ることができる。あるいは、従来の合成セグメントを用いたトンネル覆工と比較して、トンネル内空の内径を拡大してトンネルの有効利用を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントによれば、その内空側表面板に設けたリブ材と充填材との係合によって充填材の抜け出しが防止でき、鋼殻と充填材との一体化によって合成効果を確保して合成セグメントの高性能化を実現することができる。その結果、セグメントの薄壁構造が実現でき、地山の掘削量を削減して施工コスト低減および工期短縮を図ることができるか、トンネル内空を拡大して有効利用を促進させることができる。
さらに、本発明のトンネルによれば、トンネル内空側に内空側表面板を設けたことによって防蝕メンテナンス性や補修性を向上させることができ、将来に渡る長期供用下におけるメンテナンス性能の向上が図られ維持管理費用の低減に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る合成セグメントを示す斜視図である。
【図３】前記合成セグメントを示す断面図である。
【図４】第１実施形態の変形例に係る合成セグメントを示す断面図である。
【図５】第２実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。
【図６】前記合成セグメントの変形例を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る合成セグメントを示す斜視図である。
【図８】前記合成セグメントを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材、および同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態の構成部材と同じ符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。
【００２１】
図１は、本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工１とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。
トンネル覆工１は、掘削した地山Ｇの内部にて複数のセグメントピースＰを組み合わせて構成されている。なお、以下の説明において、トンネル軸方向をＸ方向と表現し、トンネル径方向をＲ方向と表現し、トンネル周方向をθ方向と表現することとする。地山Ｇを掘削するシールドマシンＭは、その後方に複数のジャッキＪを有し、ジャッキＪでトンネル覆工１を押してＸ方向に前進し、前進しつつ掘削した空間にてセグメントピースＰが円筒状に組み立てられてトンネル覆工１が構築される。このトンネル覆工１は、地山Ｇとトンネル内空Ｓとを仕切り、地山Ｇからの土圧や水圧に抵抗してトンネル内空Ｓの空間を確保するようになっている。
以下、セグメントピースＰを構成する各形態の合成セグメント１０，２０，３０に関し、その構造を詳しく説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図２は、第１実施形態に係る合成セグメント１０を示す斜視図であり、図３は、合成セグメント１０を示す断面図である。
図２、図３において、合成セグメント１０は、５つの面が囲まれてＲ方向地山Ｇ側が開放された鋼殻１１と、この鋼殻１１内部に充填される充填材としての中詰めコンクリート１２とを有し、これらの鋼殻１１および中詰めコンクリート１２が一体化されて構成されている。鋼殻１１は、θ方向に沿って延びて互いに対向する主桁１３，１３と、これら主桁１３，１３のθ方向両端部同士を連結する一対の継手板１４，１４と、トンネル内空Ｓ側にて主桁１３，１３に渡って設けられる内空側表面板１５とを備え、これらの主桁１３、継手板１４および内空側表面板１５を互いに溶接固定して一体化することで箱状に形成されている。なお、本実施形態では主桁１４が２枚のみで構成される２主桁構造を示すが、３枚以上で構成される多主桁構造であっても互いに対向する主桁が複数存在する構造を呈することに他ならないので、本発明の効果は変わらず発揮される。
【００２３】
主桁１３は、Ｘ方向に直交してＲ方向およびθ方向に沿った円弧板状の鋼板から構成され、主桁１３の途中位置複数箇所には、Ｘ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材としてのリング間ボルトボックス１３Ａが一体的に固定されている。すなわち、隣り合う他の合成セグメント１０にも同様のリング間ボルトボックス１３Ａが固定されており、これらのリング間ボルトボックス１３Ａ同士を図示しない接合材（接合用の短ボルト）で係合固定することで、Ｘ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が機械的に連結されるようになっている。また、主桁１３のθ方向両端部近傍の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材１３Ｂが固定されている。この突出部材１３Ｂは、適宜な形状の鋼材を溶接して主桁１３の内面に固定したものでよく、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。
【００２４】
継手板１４は、Ｘ方向およびＲ方向に沿った直板状の鋼板から構成され、その内面の途中位置２箇所には、鋼殻１１の内方に突出してピース間ボルトボックス１４Ａが固定されている。これらのピース間ボルトボックス１４Ａは、θ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材であって、隣り合う他の合成セグメント１０にも同様のピース間ボルトボックス１４Ａが固定されており、これらのピース間ボルトボックス１４Ａ同士を図示しない接合材（接合用の短ボルト）で固定することで、θ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が機械的に連結されるようになっている。また、継手板１４の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材１４Ｂが固定されている。この突出部材１４Ｂは、適宜な形状の鋼材を溶接して継手板１４の内面に固定したものでよく、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。
【００２５】
内空側表面板１５は、Ｒ方向に略直交してＸ方向およびθ方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、そのトンネル径方向地山側表面には、複数（本実施形態では、４枚）の内空側リブ材１６が鋼殻１１の内方に突出して固定されている。これらの内空側リブ材１６は、平板状の鋼材から構成され、Ｘ方向に延びるとともに内空側表面板１５の内面に溶接固定され、その両端部がそれぞれ主桁１３の内面に溶接固定されている。あるいは内空側内空側リブ材１６の内空側表面板１５に当接する位置に図示しないフランジ材を突出させ、内空側表面板１５とボルトもしくはドリルネジ（いずれも図示せず）により係合した後に螺合部を止水処理することでもよい。また、内空側表面板１５のθ方向両端部近傍の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材としての頭付きスタッドボルト１５Ａが溶植されている。この頭付きスタッドボルト１５Ａは、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。もちろん頭つきスタッドボルト１５Ａに代わりＬ形鋼や溝形鋼など一般的に使用されるジベルであれば本発明の効果は発揮される。
【００２６】
内空側リブ材１６は、図３に示すように、内空側表面板１５に対する各固定位置におけるＲ方向に対して所定の傾斜角度を有して固定されている。一般的に鋼殻と中詰めコンクリートとの一体性、さらには骨材を含有する中詰めコンクリート１２の充填性を念頭にすれば、このＲ方向に対する各内空側リブ材１６との傾斜角度は、３度〜６０度の範囲に設定すれば充分効果が得られる。そして、互いに隣り合う一対の内空側リブ材１６同士は、内空側表面板１５に固定される基端部から突出先端側（Ｒ方向地山側）に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている。具体的には、４枚の内空側リブ材１６のうち、内側２枚の内空側リブ材１６Ａは、それぞれ図３中の破線Ａに沿って突出しており、これらの破線Ａは、Ｒ方向地山側（つまり地山Ｇ側）に延長した位置で交差し、Ｒ方向内空側（つまりトンネル内空Ｓ側）では交差しないようになっている。また、４枚の内空側リブ材１６のうち、外側２枚の内空側リブ材１６Ｂは、それぞれ図３中の破線Ｂに沿って突出しており、互いに隣り合う破線Ａと破線Ｂとは、Ｒ方向地山側に延長した位置で交差し、Ｒ方向内空側では交差しないようになっている。本実施形態はセグメントピースのθ方向中央に向かって内空側リブ材１６Ａ、１６Ｂが傾斜する例を示しているが、前記のような内空側リブ材間の相互関係が成立していれば良く、例えば全ての内空側リブ材がθ方向片側に向かって傾斜していても本発明の効果は発揮される。
【００２７】
以上のように内空側リブ材１６を傾斜させて固定したことにより、隣り合う内空側リブ材１６およびその延長線（破線Ａ，Ｂ）で挟まれる位置の中詰めコンクリート１２は、トンネル内空Ｓ側つまり内空側表面板１５側に向かって角度が大きくなる楔状に形成されることとなる。従って、当該合成セグメント１０に外力が作用し、破線Ａ，Ｂに沿って中詰めコンクリート１２にひび割れが発生し、内空側表面板１５から離隔する方向の力が作用した場合であっても、隣り合う内空側リブ材１６によって中詰めコンクリート１２の移動が拘束されるようになっている。このように内空側リブ材１６がずれ止めとして機能することで、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できるようになっている。一方、外側の内空側リブ材１６Ｂと継手板１４との間に位置する中詰めコンクリート１２は、突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａによって移動が拘束されているため、継手板１４側においても内空側表面板１５との剥離が防止できるようになっている。
【００２８】
以上のような本実施形態の合成セグメント１０によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、互いに隣り合う一対の内空側リブ材１６同士がＲ方向地山側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられているので、隣り合う内空側リブ材１６と中詰めコンクリート１２とを楔状に係合させ、これにより中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できる。また、継手板１４側においても突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａによって、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できる。従って、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５とが互いに離れる方向に移動する抜け出しが防止でき、内空側表面板１５を介して主桁１３と中詰めコンクリート１２とを一体的に挙動させる合成効果が得られることから、合成セグメント１０の剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。
【００２９】
また、同時にトンネル内空Ｓ側に内空側表面板１５が設けられているので、この内空側表面板１５を目視等で点検することができ、そのメンテナンス性を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施形態の合成セグメントにおいて、θ方向端部側（継手板１４側）におけるずれ止めとしては、突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａに代えて、図４に示すようなピース間継手１４Ｃを突出部材として採用することもできる。
図４に示す合成セグメント１０Ａでは、継手板１４の内面の途中位置２箇所には、ピース間継手１４Ｃが固定され、ピース間継手１４Ｃには、鋼殻１１の内側に突出して中詰めコンクリート１２に定着される定着材１４Ｄが固定されている。これらのピース間継手１４Ｃは、θ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材であって、隣り合う他の合成セグメント１０にも略同様で雄雌逆のピース間継手１４Ｃが固定されており、これらのピース間継手１４Ｃ同士を機械的に嵌め合わせることで、θ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が連結されるようになっている。
【００３１】
以上のような合成セグメント１０Ａにおいて、隣り合う内空側リブ材１６間では前述の合成セグメント１０と同様に、傾斜させた内空側リブ材１６が中詰めコンクリート１２の抜け出し防止として機能し、継手板１４側では、ピース間継手１４Ｃおよび定着材１４Ｄが中詰めコンクリート１２の抜け止めとして機能するようになっている。従って、前記突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａを省略したとしても、合成セグメント１０Ａの全体に渡って中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５とを一体化することができ、前述と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る合成セグメント２０を図５に基づいて説明する。
合成セグメント２０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻２１および中詰めコンクリート２２を有し、鋼殻２１は、合成セグメント１０と同様に、主桁２３，２３、一対の継手板２４，２４、内空側表面板２５および内空側リブ材２６を有して構成されている。この合成セグメント２０は、トンネル地山Ｇ側に設けられる地山側表面板２７を備える点が第１実施形態と相違する。以下、相違点について詳しく説明する。
【００３３】
地山側表面板２７は、Ｒ方向に略直交してＸ方向およびθ方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、その四周端縁が主桁２３，２３および一対の継手板２４，２４にそれぞれ溶接固定されている。地山側表面板２７のトンネル径方向内空側表面には、複数（本実施形態では、７枚）の地山側リブ材２８が内空側表面板２５に向かってＲ方向に沿って突出して固定されている。これらの地山側リブ材２８は、平板状の鋼材から構成され、Ｘ方向に延びるとともに地山側表面板２７の内面に溶接固定され、その両端部がそれぞれ主桁２３の内面に溶接固定されている。このような地山側リブ材２８で挟まれる位置の中詰めコンクリート２２は、地山Ｇ側に向かって角度が大きくなる楔状に形成されることから、隣り合う地山側リブ材２８によって中詰めコンクリート２２の移動が拘束されるようになっている。
【００３４】
なお、合成セグメント２０では、７枚の地山側リブ材２８のうち、４枚の地山側リブ材２８が内空側表面板２５の内空側リブ材２６とＲ方向に対向して設けられ、これら４枚の地山側リブ材２８の間に他の３枚の地山側リブ材２８が設けられているが、地山側リブ材２８は、図６に示すように設けられていてもよい。
すなわち、図６に示す合成セグメント２０Ａでは、地山側表面板２７に５枚の地山側リブ材２８が固定されており、これら５枚の地山側リブ材２８は、それぞれ内空側表面板２５の内空側リブ材２６とＲ方向に対向しない位置に設けられている。具体的には、地山側リブ材２８は、４枚の内空側リブ材２６の各中間位置に対向する３枚の地山側リブ材２８と、端部側の内空側リブ材２６と継手板２４との中間位置に対向する２枚の地山側リブ材２８とで構成されている。
【００３５】
以上のような本実施形態の合成セグメント２０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
すなわち、内空側表面板２５に加えて地山Ｇ側に地山側表面板２７が設けられ、６つの面が囲まれた閉断面の鋼殻２１を構成することにより、鋼殻２１の内部への地下水等の浸入をより確実に防止することができる。さらに、地山側表面板２７に設けた地山側リブ材２８によって中詰めコンクリート２２の移動を拘束することで、この地山側リブ材２８を中詰めコンクリート２２の抜け止めとして機能させることができ、中詰めコンクリート２２と鋼殻２１との一体性をより一層向上させることができる。さらに、内空側表面板２５の内空側リブ材２６と地山側表面板２７の地山側リブ材２８とを、Ｒ方向に対向しないずれた位置に設ければ、内空側リブ材２６および地山側リブ材２８を起点としたひび割れが重ならないようにでき、ひび割れ長さを長くすることができるため、中詰めコンクリート１２の強度を高めることができる。
【００３６】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る合成セグメント３０を図７、図８に基づいて説明する。
合成セグメント３０は、前記第２実施形態の合成セグメント２０と同様の鋼殻３１および中詰めコンクリート３２を有し、鋼殻３１は、合成セグメント２０と同様に、主桁３３，３３、一対の継手板３４，３４、内空側表面板３５、内空側リブ材３６、地山側表面板３７および地山側リブ材３８を有して構成されている。この合成セグメント３０は、内空側表面板３５の内空側リブ材３６と地山側表面板３７の地山側リブ材３８とを連結するせん断補強材３９を備える点が第２実施形態と相違する。以下、相違点について詳しく説明する。
【００３７】
合成セグメント３０では、４枚の内空側リブ材３６とＲ方向に対向して４枚の地山側リブ材３８が設けられ、互いに対向する内空側リブ材３６と地山側リブ材３８との間に複数のせん断補強材３９が設けられている。せん断補強材３９は、両端にフックを有した鉄筋で構成され、その両端のフックがそれぞれ内空側リブ材３６の貫通孔および地山側リブ材３８の貫通孔に挿通されている。
このような本実施形態の合成セグメント３０によれば、内空側表面板３５の内空側リブ材３６と地山側表面板３７の地山側リブ材３８とをせん断補強材３９で連結したことで、このせん断補強材３９によって中詰めコンクリート３２のせん断強度を高めることができ、合成セグメント３０全体の強度を向上させて、さらなる高性能化および薄型化を実現することができる。
【００３８】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、内空側リブ材１６，２６，３６として平板状の鋼材を用いたが、リブ材として用いる鋼材は、屈折状や屈曲状のものでもよく、また表面に凹凸を有したものや複数の孔を有したものなどでもよい。さらに、リブ材としては、平板状の鋼材を複数組み合わせて、例えばＶ字形やＴ字形に形成したものなどが利用可能である。
また、充填材としては、コンクリートに限らず、適宜な強度および剛性を有したものであればよく、無収縮モルタルなども利用可能である。
また、前記実施形態では、突出部材１３Ｂ，１４Ｂおよび頭付きスタッドボルト１５Ａをずれ止めとして用いたが、ずれ止めとしての突出部材としては、前記実施形態のものに限らず、適宜な形状のものが利用可能であるとともに、その個数も特に限定されない。さらに、突出部材は本発明の必須要件ではなく適宜に省略することができる。
【００３９】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…トンネル覆工、１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０…合成セグメント、１１，２１，３１…鋼殻、１２，２２，３２…中詰めコンクリート（充填材）、１３，２３，３３…主桁、１３Ｂ，１４Ｂ…突出部材、１４，２４，３４…継手板、１４Ｃ…ピース間継手（継手部材）、１４Ｄ…定着材（突出部材）、１５，２５，３５…内空側表面板、１５Ａ…頭付きスタッドボルト（突出部材）、１６，２６，３６…内空側リブ材、２７，３７…地山側表面板、２８，３８…地山側リブ材、３９…せん断補強材、Ｇ…地山、Ｓ…トンネル内空。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセグメントピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、内空側に表面板を有する合成セグメント、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主桁と、主桁の両端部に渡って固定される継手板と、トンネル地山側にて対向する主桁に渡って設けられる地山側のスキンプレートとを有し、それらの内部に中詰めコンクリートを充填して構成される合成セグメントが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された合成セグメントでは、対向する主桁に渡ってＨ形鋼からなるずれ止めが複数架設され、このずれ止めにおけるフランジとウェブとで囲まれた中詰めコンクリートが拘束されることにより、ずれ止めを介して主桁と中詰めコンクリートとの間で応力が確実に伝達できるように構成されている。このように主桁などの鋼材と中詰めコンクリートとのずれを防止し、外力に対して一体的に挙動させる合成効果が得られることで、剛性や耐力を向上させつつ薄型化が可能な高性能の合成セグメントが実現できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されるように従来の合成セグメントは、地下水などの漏水を地山に接するトンネルの地山側で防止するという設計思想からトンネル地山側にスキンプレートが設けられることが通例である。トンネルに発生する外力による曲げモーメントはトンネル内空側へ曲げられる正曲げが大きく、トンネル地山側に曲げられる負曲げはトンネル周囲が地盤で囲まれるため、設計上、大きな問題とはならない。セグメント断面性能の観点からすれば、正曲げ時に引張材として外力に対抗でき得る位置、すなわちトンネル内空側にスキンプレートを配置したほうが効率的に部材耐力を発揮する。さらにスキンプレートをトンネル内空側に配置することでトンネル供用時におけるスキンプレートの目視点検が容易に行なえ、メンテナンス性能を向上させ得る長所も生まれる。
しかしながら、トンネル内空側にスキンプレートを配置する際の大きな課題として外力が作用した場合にスキンプレートがトンネル内空側へと剥離する挙動が発生してしまい、スキンプレートを有効に機能させることが出来ないことが挙げられる。
他方、従来の合成セグメントとしては、Ｈ形鋼を用いたずれ止め構造を持つセグメントが提案されているが、鋼材とコンクリートとを一体化することができるものの、使用する鋼材量や接合のための溶接量が多大になってしまう課題がある。そこで、Ｈ形鋼に代えて平板等を用いる簡便な構造であって、使用鋼材量や溶接量を低減しつつ、ずれ止めとして充填材（コンクリート）との一体化をも可能とする合成セグメントの実現が望まれていた。
【０００５】
本発明の目的は、今後、我が国のインフラ構造物が共通して直面するであろう公共事業費削減と維持管理問題の双方を解決するために、充填材との一体化による合成効果を確保して高性能化を実現可能とする内空側に表面板を有する合成セグメント、この合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えるトンネルを提供することと、将来に渡る長期供用下におけるメンテナンス性能の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントは、鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル内空側にて前記主桁に渡って設けられる内空側表面板とを少なくとも備え、これらの主桁、継手板および内空側表面板で５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、前記内空側表面板におけるトンネル径方向地山側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の内空側リブ材が設けられ、前記複数のリブ材のうち、互いに隣り合う一対のリブ材同士は、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられ、前記内空側表面板に固着されていることを特徴とする。
【０００７】
以上の本発明によれば、内空側表面板に複数のリブ材を設け、そのうち互いに隣り合う一対の内空側リブ材同士が内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている。すなわち隣り合う内空側リブ材の先端側の間隔距離が基端側よりも小さく設定されているので、隣り合う内空側リブ材と充填される充填材（例えば、コンクリート）とを楔状に係合させることができる。従って、内空側表面板と充填材とが互い離れる方向に移動する抜け出しが防止でき、前記内空側リブ材を介して前記鋼殻と充填材とを一体的に挙動させる合成効果が得られることで、合成セグメントの剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。
また、トンネル内空側にて対向する主桁に渡って内空側表面板を設けたことで、この内空側表面板を目視等で点検することができ、メンテナンス性を向上させることもできる。
【０００８】
ここで、従来の合成セグメントのように、トンネル地山側の表面板に平板からなるリブ材を固定するようにすれば、それらのリブ材がトンネル径方向内空側に向くことで、外力により地山側の表面板と充填材とが互いに離れる方向に抜け出そうとしても、隣り合うリブ材と充填される充填材とは楔状に係合されるため、充填材と表面板との抜け止めとして機能させることができる。それに対して本発明の合成セグメントでは、トンネル内空側に内空側表面板を設けた構成であるため、当該内空側表面板と直交してリブ材を設けても、例えば前記地山側表面板の例のごとくリブ構造を構成したとしても、そのリブ材がトンネル径方向地山側に突出するために、隣り合うリブ材間に充填される充填材とは逆楔状になってしまい係合させることができない。すなわち、本発明の合成セグメントは、セグメントの性能を向上させるためにトンネル内空側に内空側表面板を設けた場合であっても、その内空側表面板に設けた内空側リブ材と充填材とを楔状に係合させることで、充填材の抜け出しを防止して鋼殻と一体化し、これによって合成効果を確保して高性能な合成セグメントを実現することと、メンテナンス性を向上させることができる点に特徴を有する。
【０００９】
この際、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記複数の内空側リブ材は、それぞれ平板材から構成されていることが好ましい。
ここで、従来、断面Ｔ形やＬ形形状を呈する複雑な断面形状のリブ材が採用されているが、リブ材自体の加工や製造コストが掛かることに加え、リブ材を内空側表面板に溶接固定する際に溶接棒が溶接箇所に届かない、或いは溶接姿勢が困難となるなど、加工時間の増大、固着性能に問題を生じるなどの課題があった。
これに対して本発明の構成によれば、リブ材を平板材から構成することで、その加工や溶接手間が大幅に低減できるとともに、使用する鋼材量や接合のための溶接量を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記複数の内空側リブ材のうち、トンネル周方向両端部の少なくとも片方の端部に設けられる内空側リブ材と前記継手板との間には、前記主桁、継手板および内空側表面板のうちの少なくともいずれかに固着されるとともに前記鋼殻の内部側に突出する突出部材が設けられていることが好ましい。
ここで、前記継手板はトンネル径方向に配置されることが通例であるため、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている少なくとも１つの端部のリブ材と継手板とは逆楔状になってしまい、鋼殻と充填材とを係合させることができない。
これに対して本発明の構成によれば、複数の内空側リブ材のうちの両端部の内空側リブ材と継手板との間に突出部材を設けたことで、この突出部材と充填材とが機械的に係合することによって、突出部材を抜け止めとして機能させることができる。従って、両端部の内空側リブ材と継手板とがトンネル径方向地山側に向かって互いに開くような角度で設けられていても、突出部材によって充填材と内空側表面板および主桁との一体性を確保することができる。
【００１１】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記突出部材は、前記内空側表面板に固定されるジベル、前記主桁に内設されてトンネル軸方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるリング間継手部材、および前記継手板に内設されてトンネル周方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるピース間継手部材、の少なくとも１つで構成されることが好ましい。
このような構成によれば、頭付きスタッドボルトを代表とするジベルやリング間継手部材、ピース間継手部材で突出部材を構成することで、比較的容易に端部側の抜け止めを構成することができる。ここで、継手部材としては、合成セグメントのセグメントピース間ボルトボックスやセグメントピース間継手定着材などが利用でき、このような継手部材を抜け止めとして併用することで、別途の抜け止めを省略することもでき、使用鋼材量や溶接量をさらに低減させることができる。
【００１２】
また、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記鋼殻は、トンネル地山側にて前記主桁に渡って設けられる地山側表面板を備えて構成されることが好ましい。
このような構成によれば、前記内空側表面板に加えて地山側表面板を備えることで、鋼殻の６面が囲まれた閉断面鋼殻を構成することができ、セグメント部材耐力の向上と併せてその内部への地下水等の浸入をより確実に防止することができる。
【００１３】
この際、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側表面板におけるトンネル内空側表面には、当該表面から突出する複数の地山側リブ材が設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、地山側表面板に地山側リブ材を設けることで充填材との一体性をより一層向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材は内空側表面板に設けられるリブ材とトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、内空側および地山側に設けられたリブ材をトンネル径方向に対向させないことによって、ひび割れ誘発点となるリブ材の相互距離が長く確保されることから、ひび割れ長さを長くすることができ、セグメントの性能が向上する。
【００１５】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材はトンネル軸方向に沿って延びる複数の平板材から構成され、これら複数の地山側リブ材は、トンネル径方向内空側に向かって突出して設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、平板材から構成される地山側リブ材をトンネル径方向内空側に向かって突出して設けたことで、この地山側リブ材を充填材と地山側表面板との抜け止めとして機能させることができるとともに、リブ材を平板材から構成することで、その加工や溶接手間が大幅に低減でき、さらには使用する鋼材量や接合のための溶接量を抑制することができる。
【００１６】
さらに、本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントでは、前記地山側リブ材と前記内空側リブ材とを連結するせん断補強材が設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、内空側と地山側のリブ材同士をせん断補強材で連結したことで、このせん断補強材によって充填材をせん断補強することができ、合成セグメント全体の強度を向上させて、さらなる高性能化および薄型化を実現することができる。
【００１７】
一方、本発明のトンネルは、前記いずれかの内空側に表面板を有する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、前述のように合成効果を確保して高性能化および薄型化した合成セグメントを組み合わせることで、地山の掘削工事における掘削量が削減でき、施工コスト低減および工期短縮を図ることができる。あるいは、従来の合成セグメントを用いたトンネル覆工と比較して、トンネル内空の内径を拡大してトンネルの有効利用を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明の内空側に表面板を有する合成セグメントによれば、その内空側表面板に設けたリブ材と充填材との係合によって充填材の抜け出しが防止でき、鋼殻と充填材との一体化によって合成効果を確保して合成セグメントの高性能化を実現することができる。その結果、セグメントの薄壁構造が実現でき、地山の掘削量を削減して施工コスト低減および工期短縮を図ることができるか、トンネル内空を拡大して有効利用を促進させることができる。
さらに、本発明のトンネルによれば、トンネル内空側に内空側表面板を設けたことによって防蝕メンテナンス性や補修性を向上させることができ、将来に渡る長期供用下におけるメンテナンス性能の向上が図られ維持管理費用の低減に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る合成セグメントを示す斜視図である。
【図３】前記合成セグメントを示す断面図である。
【図４】第１実施形態の変形例に係る合成セグメントを示す断面図である。
【図５】第２実施形態に係る合成セグメントを示す断面図である。
【図６】前記合成セグメントの変形例を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る合成セグメントを示す斜視図である。
【図８】前記合成セグメントを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材、および同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態の構成部材と同じ符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。
【００２１】
図１は、本発明の合成セグメントを用いたトンネル覆工１とそのセグメントが現場架設される状況を示す概略斜視図である。
トンネル覆工１は、掘削した地山Ｇの内部にて複数のセグメントピースＰを組み合わせて構成されている。なお、以下の説明において、トンネル軸方向をＸ方向と表現し、トンネル径方向をＲ方向と表現し、トンネル周方向をθ方向と表現することとする。地山Ｇを掘削するシールドマシンＭは、その後方に複数のジャッキＪを有し、ジャッキＪでトンネル覆工１を押してＸ方向に前進し、前進しつつ掘削した空間にてセグメントピースＰが円筒状に組み立てられてトンネル覆工１が構築される。このトンネル覆工１は、地山Ｇとトンネル内空Ｓとを仕切り、地山Ｇからの土圧や水圧に抵抗してトンネル内空Ｓの空間を確保するようになっている。
以下、セグメントピースＰを構成する各形態の合成セグメント１０，２０，３０に関し、その構造を詳しく説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図２は、第１実施形態に係る合成セグメント１０を示す斜視図であり、図３は、合成セグメント１０を示す断面図である。
図２、図３において、合成セグメント１０は、５つの面が囲まれてＲ方向地山Ｇ側が開放された鋼殻１１と、この鋼殻１１内部に充填される充填材としての中詰めコンクリート１２とを有し、これらの鋼殻１１および中詰めコンクリート１２が一体化されて構成されている。鋼殻１１は、θ方向に沿って延びて互いに対向する主桁１３，１３と、これら主桁１３，１３のθ方向両端部同士を連結する一対の継手板１４，１４と、トンネル内空Ｓ側にて主桁１３，１３に渡って設けられる内空側表面板１５とを備え、これらの主桁１３、継手板１４および内空側表面板１５を互いに溶接固定して一体化することで箱状に形成されている。なお、本実施形態では主桁１４が２枚のみで構成される２主桁構造を示すが、３枚以上で構成される多主桁構造であっても互いに対向する主桁が複数存在する構造を呈することに他ならないので、本発明の効果は変わらず発揮される。
【００２３】
主桁１３は、Ｘ方向に直交してＲ方向およびθ方向に沿った円弧板状の鋼板から構成され、主桁１３の途中位置複数箇所には、Ｘ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材としてのリング間ボルトボックス１３Ａが一体的に固定されている。すなわち、隣り合う他の合成セグメント１０にも同様のリング間ボルトボックス１３Ａが固定されており、これらのリング間ボルトボックス１３Ａ同士を図示しない接合材（接合用の短ボルト）で係合固定することで、Ｘ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が機械的に連結されるようになっている。また、主桁１３のθ方向両端部近傍の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材１３Ｂが固定されている。この突出部材１３Ｂは、適宜な形状の鋼材を溶接して主桁１３の内面に固定したものでよく、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。
【００２４】
継手板１４は、Ｘ方向およびＲ方向に沿った直板状の鋼板から構成され、その内面の途中位置２箇所には、鋼殻１１の内方に突出してピース間ボルトボックス１４Ａが固定されている。これらのピース間ボルトボックス１４Ａは、θ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材であって、隣り合う他の合成セグメント１０にも同様のピース間ボルトボックス１４Ａが固定されており、これらのピース間ボルトボックス１４Ａ同士を図示しない接合材（接合用の短ボルト）で固定することで、θ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が機械的に連結されるようになっている。また、継手板１４の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材１４Ｂが固定されている。この突出部材１４Ｂは、適宜な形状の鋼材を溶接して継手板１４の内面に固定したものでよく、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。
【００２５】
内空側表面板１５は、Ｒ方向に略直交してＸ方向およびθ方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、そのトンネル径方向地山側表面には、複数（本実施形態では、４枚）の内空側リブ材１６が鋼殻１１の内方に突出して固定されている。これらの内空側リブ材１６は、平板状の鋼材から構成され、Ｘ方向に延びるとともに内空側表面板１５の内面に溶接固定され、その両端部がそれぞれ主桁１３の内面に溶接固定されている。あるいは内空側内空側リブ材１６の内空側表面板１５に当接する位置に図示しないフランジ材を突出させ、内空側表面板１５とボルトもしくはドリルネジ（いずれも図示せず）により係合した後に螺合部を止水処理することでもよい。また、内空側表面板１５のθ方向両端部近傍の内面には、鋼殻１１の内方に突出した突出部材としての頭付きスタッドボルト１５Ａが溶植されている。この頭付きスタッドボルト１５Ａは、中詰めコンクリート１２とのずれ止めとして機能するようになっている。もちろん頭つきスタッドボルト１５Ａに代わりＬ形鋼や溝形鋼など一般的に使用されるジベルであれば本発明の効果は発揮される。
【００２６】
内空側リブ材１６は、図３に示すように、内空側表面板１５に対する各固定位置におけるＲ方向に対して所定の傾斜角度を有して固定されている。一般的に鋼殻と中詰めコンクリートとの一体性、さらには骨材を含有する中詰めコンクリート１２の充填性を念頭にすれば、このＲ方向に対する各内空側リブ材１６との傾斜角度は、３度〜６０度の範囲に設定すれば充分効果が得られる。そして、互いに隣り合う一対の内空側リブ材１６同士は、内空側表面板１５に固定される基端部から突出先端側（Ｒ方向地山側）に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられている。具体的には、４枚の内空側リブ材１６のうち、内側２枚の内空側リブ材１６Ａは、それぞれ図３中の破線Ａに沿って突出しており、これらの破線Ａは、Ｒ方向地山側（つまり地山Ｇ側）に延長した位置で交差し、Ｒ方向内空側（つまりトンネル内空Ｓ側）では交差しないようになっている。また、４枚の内空側リブ材１６のうち、外側２枚の内空側リブ材１６Ｂは、それぞれ図３中の破線Ｂに沿って突出しており、互いに隣り合う破線Ａと破線Ｂとは、Ｒ方向地山側に延長した位置で交差し、Ｒ方向内空側では交差しないようになっている。本実施形態はセグメントピースのθ方向中央に向かって内空側リブ材１６Ａ、１６Ｂが傾斜する例を示しているが、前記のような内空側リブ材間の相互関係が成立していれば良く、例えば全ての内空側リブ材がθ方向片側に向かって傾斜していても本発明の効果は発揮される。
【００２７】
以上のように内空側リブ材１６を傾斜させて固定したことにより、隣り合う内空側リブ材１６およびその延長線（破線Ａ，Ｂ）で挟まれる位置の中詰めコンクリート１２は、トンネル内空Ｓ側つまり内空側表面板１５側に向かって角度が大きくなる楔状に形成されることとなる。従って、当該合成セグメント１０に外力が作用し、破線Ａ，Ｂに沿って中詰めコンクリート１２にひび割れが発生し、内空側表面板１５から離隔する方向の力が作用した場合であっても、隣り合う内空側リブ材１６によって中詰めコンクリート１２の移動が拘束されるようになっている。このように内空側リブ材１６がずれ止めとして機能することで、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できるようになっている。一方、外側の内空側リブ材１６Ｂと継手板１４との間に位置する中詰めコンクリート１２は、突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａによって移動が拘束されているため、継手板１４側においても内空側表面板１５との剥離が防止できるようになっている。
【００２８】
以上のような本実施形態の合成セグメント１０によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、互いに隣り合う一対の内空側リブ材１６同士がＲ方向地山側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられているので、隣り合う内空側リブ材１６と中詰めコンクリート１２とを楔状に係合させ、これにより中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できる。また、継手板１４側においても突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａによって、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５との剥離が防止できる。従って、中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５とが互いに離れる方向に移動する抜け出しが防止でき、内空側表面板１５を介して主桁１３と中詰めコンクリート１２とを一体的に挙動させる合成効果が得られることから、合成セグメント１０の剛性や耐力を向上させつつ薄型化を図ることができる。
【００２９】
また、同時にトンネル内空Ｓ側に内空側表面板１５が設けられているので、この内空側表面板１５を目視等で点検することができ、そのメンテナンス性を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施形態の合成セグメントにおいて、θ方向端部側（継手板１４側）におけるずれ止めとしては、突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａに代えて、図４に示すようなピース間継手１４Ｃを突出部材として採用することもできる。
図４に示す合成セグメント１０Ａでは、継手板１４の内面の途中位置２箇所には、ピース間継手１４Ｃが固定され、ピース間継手１４Ｃには、鋼殻１１の内側に突出して中詰めコンクリート１２に定着される定着材１４Ｄが固定されている。これらのピース間継手１４Ｃは、θ方向に隣り合う他の合成セグメント１０と接合するための継手部材であって、隣り合う他の合成セグメント１０にも略同様で雄雌逆のピース間継手１４Ｃが固定されており、これらのピース間継手１４Ｃ同士を機械的に嵌め合わせることで、θ方向に隣り合う合成セグメント１０同士が連結されるようになっている。
【００３１】
以上のような合成セグメント１０Ａにおいて、隣り合う内空側リブ材１６間では前述の合成セグメント１０と同様に、傾斜させた内空側リブ材１６が中詰めコンクリート１２の抜け出し防止として機能し、継手板１４側では、ピース間継手１４Ｃおよび定着材１４Ｄが中詰めコンクリート１２の抜け止めとして機能するようになっている。従って、前記突出部材１３Ｂ，１４Ｂや頭付きスタッドボルト１５Ａを省略したとしても、合成セグメント１０Ａの全体に渡って中詰めコンクリート１２と内空側表面板１５とを一体化することができ、前述と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る合成セグメント２０を図５に基づいて説明する。
合成セグメント２０は、前記第１実施形態の合成セグメント１０と同様の鋼殻２１および中詰めコンクリート２２を有し、鋼殻２１は、合成セグメント１０と同様に、主桁２３，２３、一対の継手板２４，２４、内空側表面板２５および内空側リブ材２６を有して構成されている。この合成セグメント２０は、トンネル地山Ｇ側に設けられる地山側表面板２７を備える点が第１実施形態と相違する。以下、相違点について詳しく説明する。
【００３３】
地山側表面板２７は、Ｒ方向に略直交してＸ方向およびθ方向に沿った板状の湾曲鋼板から構成され、その四周端縁が主桁２３，２３および一対の継手板２４，２４にそれぞれ溶接固定されている。地山側表面板２７のトンネル径方向内空側表面には、複数（本実施形態では、７枚）の地山側リブ材２８が内空側表面板２５に向かってＲ方向に沿って突出して固定されている。これらの地山側リブ材２８は、平板状の鋼材から構成され、Ｘ方向に延びるとともに地山側表面板２７の内面に溶接固定され、その両端部がそれぞれ主桁２３の内面に溶接固定されている。このような地山側リブ材２８で挟まれる位置の中詰めコンクリート２２は、地山Ｇ側に向かって角度が大きくなる楔状に形成されることから、隣り合う地山側リブ材２８によって中詰めコンクリート２２の移動が拘束されるようになっている。
【００３４】
なお、合成セグメント２０では、７枚の地山側リブ材２８のうち、４枚の地山側リブ材２８が内空側表面板２５の内空側リブ材２６とＲ方向に対向して設けられ、これら４枚の地山側リブ材２８の間に他の３枚の地山側リブ材２８が設けられているが、地山側リブ材２８は、図６に示すように設けられていてもよい。
すなわち、図６に示す合成セグメント２０Ａでは、地山側表面板２７に５枚の地山側リブ材２８が固定されており、これら５枚の地山側リブ材２８は、それぞれ内空側表面板２５の内空側リブ材２６とＲ方向に対向しない位置に設けられている。具体的には、地山側リブ材２８は、４枚の内空側リブ材２６の各中間位置に対向する３枚の地山側リブ材２８と、端部側の内空側リブ材２６と継手板２４との中間位置に対向する２枚の地山側リブ材２８とで構成されている。
【００３５】
以上のような本実施形態の合成セグメント２０によれば、前記第１実施形態と略同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
すなわち、内空側表面板２５に加えて地山Ｇ側に地山側表面板２７が設けられ、６つの面が囲まれた閉断面の鋼殻２１を構成することにより、鋼殻２１の内部への地下水等の浸入をより確実に防止することができる。さらに、地山側表面板２７に設けた地山側リブ材２８によって中詰めコンクリート２２の移動を拘束することで、この地山側リブ材２８を中詰めコンクリート２２の抜け止めとして機能させることができ、中詰めコンクリート２２と鋼殻２１との一体性をより一層向上させることができる。さらに、内空側表面板２５の内空側リブ材２６と地山側表面板２７の地山側リブ材２８とを、Ｒ方向に対向しないずれた位置に設ければ、内空側リブ材２６および地山側リブ材２８を起点としたひび割れが重ならないようにでき、ひび割れ長さを長くすることができるため、中詰めコンクリート１２の強度を高めることができる。
【００３６】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る合成セグメント３０を図７、図８に基づいて説明する。
合成セグメント３０は、前記第２実施形態の合成セグメント２０と同様の鋼殻３１および中詰めコンクリート３２を有し、鋼殻３１は、合成セグメント２０と同様に、主桁３３，３３、一対の継手板３４，３４、内空側表面板３５、内空側リブ材３６、地山側表面板３７および地山側リブ材３８を有して構成されている。この合成セグメント３０は、内空側表面板３５の内空側リブ材３６と地山側表面板３７の地山側リブ材３８とを連結するせん断補強材３９を備える点が第２実施形態と相違する。以下、相違点について詳しく説明する。
【００３７】
合成セグメント３０では、４枚の内空側リブ材３６とＲ方向に対向して４枚の地山側リブ材３８が設けられ、互いに対向する内空側リブ材３６と地山側リブ材３８との間に複数のせん断補強材３９が設けられている。せん断補強材３９は、両端にフックを有した鉄筋で構成され、その両端のフックがそれぞれ内空側リブ材３６の貫通孔および地山側リブ材３８の貫通孔に挿通されている。
このような本実施形態の合成セグメント３０によれば、内空側表面板３５の内空側リブ材３６と地山側表面板３７の地山側リブ材３８とをせん断補強材３９で連結したことで、このせん断補強材３９によって中詰めコンクリート３２のせん断強度を高めることができ、合成セグメント３０全体の強度を向上させて、さらなる高性能化および薄型化を実現することができる。
【００３８】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、内空側リブ材１６，２６，３６として平板状の鋼材を用いたが、リブ材として用いる鋼材は、屈折状や屈曲状のものでもよく、また表面に凹凸を有したものや複数の孔を有したものなどでもよい。さらに、リブ材としては、平板状の鋼材を複数組み合わせて、例えばＶ字形やＴ字形に形成したものなどが利用可能である。
また、充填材としては、コンクリートに限らず、適宜な強度および剛性を有したものであればよく、無収縮モルタルなども利用可能である。
また、前記実施形態では、突出部材１３Ｂ，１４Ｂおよび頭付きスタッドボルト１５Ａをずれ止めとして用いたが、ずれ止めとしての突出部材としては、前記実施形態のものに限らず、適宜な形状のものが利用可能であるとともに、その個数も特に限定されない。さらに、突出部材は本発明の必須要件ではなく適宜に省略することができる。
【００３９】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…トンネル覆工、１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０…合成セグメント、１１，２１，３１…鋼殻、１２，２２，３２…中詰めコンクリート（充填材）、１３，２３，３３…主桁、１３Ｂ，１４Ｂ…突出部材、１４，２４，３４…継手板、１４Ｃ…ピース間継手（継手部材）、１４Ｄ…定着材（突出部材）、１５，２５，３５…内空側表面板、１５Ａ…頭付きスタッドボルト（突出部材）、１６，２６，３６…内空側リブ材、２７，３７…地山側表面板、２８，３８…地山側リブ材、３９…せん断補強材、Ｇ…地山、Ｓ…トンネル内空。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、
前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル内空側にて前記主桁に渡って設けられる内空側表面板とを少なくとも備え、これらの主桁、継手板および内空側表面板で５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、
前記内空側表面板におけるトンネル径方向地山側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の内空側リブ材が設けられ、
前記複数のリブ材のうち、互いに隣り合う一対のリブ材同士は、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられ、前記内空側表面板に固着されていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項２】
請求項１に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記複数の内空側リブ材は、それぞれ平板材から構成されていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記複数の内空側リブ材のうち、トンネル周方向両端部の少なくとも片方の端部に設けられる内空側リブ材と前記継手板との間には、前記主桁、継手板および内空側表面板のうちの少なくともいずれかに固着されるとともに前記鋼殻の内部側に突出する突出部材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項４】
請求項３に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記突出部材は、前記内空側表面板に固定されるジベル、前記主桁に内設されてトンネル軸方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるリング間継手部材、および前記継手板に内設されてトンネル周方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるピース間継手部材、の少なくとも１つで構成されることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記鋼殻は、トンネル地山側にて前記主桁に渡って設けられる地山側表面板を備えて構成されることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項６】
請求項５に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側表面板におけるトンネル内空側表面には、当該表面から突出する複数の地山側リブ材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項７】
請求項６に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材は内空側表面板に設けられる内空側リブ材とトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材はトンネル軸方向に沿って延びる複数の平板材から構成され、これら複数の地山側リブ材は、トンネル径方向内空側に向かって突出して設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材と前記内空側リブ材とを連結するせん断補強材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とするトンネル。
【請求項１】
鋼殻と、その内部に充填される充填材とを有して構成されるとともに、複数のピースを組み合わせてトンネル覆工に利用される合成セグメントであって、
前記鋼殻は、トンネル周方向に沿って延びて互いに対向する主桁と、これら主桁のトンネル周方向両端部同士を連結する一対の継手板と、トンネル内空側にて前記主桁に渡って設けられる内空側表面板とを少なくとも備え、これらの主桁、継手板および内空側表面板で５面が囲まれた内部に前記充填材が充填され、
前記内空側表面板におけるトンネル径方向地山側表面には、当該表面から突出するとともにトンネル軸方向に沿って延びる複数の内空側リブ材が設けられ、
前記複数のリブ材のうち、互いに隣り合う一対のリブ材同士は、前記内空側表面板側の基端部から突出先端側に向かって互いに接近する方向に傾斜して設けられ、前記内空側表面板に固着されていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項２】
請求項１に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記複数の内空側リブ材は、それぞれ平板材から構成されていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記複数の内空側リブ材のうち、トンネル周方向両端部の少なくとも片方の端部に設けられる内空側リブ材と前記継手板との間には、前記主桁、継手板および内空側表面板のうちの少なくともいずれかに固着されるとともに前記鋼殻の内部側に突出する突出部材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項４】
請求項３に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記突出部材は、前記内空側表面板に固定されるジベル、前記主桁に内設されてトンネル軸方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるリング間継手部材、および前記継手板に内設されてトンネル周方向に隣接する他の合成セグメントとの接合に用いられるピース間継手部材、の少なくとも１つで構成されることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記鋼殻は、トンネル地山側にて前記主桁に渡って設けられる地山側表面板を備えて構成されることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項６】
請求項５に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側表面板におけるトンネル内空側表面には、当該表面から突出する複数の地山側リブ材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項７】
請求項６に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材は内空側表面板に設けられる内空側リブ材とトンネル径方向に対向しないずれた位置に設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材はトンネル軸方向に沿って延びる複数の平板材から構成され、これら複数の地山側リブ材は、トンネル径方向内空側に向かって突出して設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントにおいて、
前記地山側リブ材と前記内空側リブ材とを連結するせん断補強材が設けられていることを特徴とする内空側に表面板を有する合成セグメント。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の内空側に表面板を有する合成セグメントを組み合わせたトンネル覆工を備えることを特徴とするトンネル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２４２３９７（Ｐ２０１０−２４２３９７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９２９３１（Ｐ２００９−９２９３１）
【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２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【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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