覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法
【課題】より現実に近い状態で試験を行なうことにより、覆工セグメントの火災に対する信頼性を向上させることが可能で、且つこのような試験で得られた結果に基づき経済的な設計を可能にした覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法を提供する。
【解決手段】覆工セグメントの試験体Ａに対し、トンネルの火災時に加熱される内面に相当する試験体Ａの一面Ａ１に沿う方向に所定の軸力Ｎをかけるとともに、一面Ａ１側に圧縮力、一面Ａ１と対向する他面Ａ２側に引張力が生じるように、または一面Ａ１側に引張力、他面Ａ２側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントＭをかけて、トンネル火災前の覆工セグメントに相当するように試験体Ａを曲げ変形させ、この初期状態を維持しつつ試験体Ａを一面Ａ１側から加熱して、試験体Ａの曲げモーメントＭの変化を計測する。
【解決手段】覆工セグメントの試験体Ａに対し、トンネルの火災時に加熱される内面に相当する試験体Ａの一面Ａ１に沿う方向に所定の軸力Ｎをかけるとともに、一面Ａ１側に圧縮力、一面Ａ１と対向する他面Ａ２側に引張力が生じるように、または一面Ａ１側に引張力、他面Ａ２側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントＭをかけて、トンネル火災前の覆工セグメントに相当するように試験体Ａを曲げ変形させ、この初期状態を維持しつつ試験体Ａを一面Ａ１側から加熱して、試験体Ａの曲げモーメントＭの変化を計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの覆工セグメントの耐火性能を評価するために行なう覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばシールド工法等により掘削したトンネル掘削面には、この掘削面の曲率半径と略等しい曲率半径を備えた複数の円弧状のセグメント（覆工セグメント）が周方向に連続して設けられ、周方向の掘削面を被覆して支持する環状のセグメントリング体が形成される。そして、このような周方向の掘削面を支持するセグメントリング体がトンネル軸方向に連続するように接続されて、掘削面を被覆支持するトンネルの覆工が形成される。また、この種のセグメントには、一般に、鋼製セグメントやコンクリート製セグメント、これら鋼とコンクリートを複合した合成セグメントが用いられ、隣接するセグメント同士が一体に接合される。
【０００３】
一方、道路トンネルや鉄道トンネルなどでは、トンネル火災が発生した際に、火災による熱でセグメントが損傷されないように、トンネルの内側に耐火層（耐火コンクリートや耐火パネル）を備えた耐火セグメントが用いられている場合がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。そして、このような耐火セグメントの耐火性能を評価する際には、実際のトンネルに設置した状態に極力合わせるように、試験体（耐火セグメント）に火災時に加熱される面に沿う方向の軸力をかけ、この状態で加熱して試験を行なうようにしている。
【特許文献１】特開２００４−３２３３３０号公報
【特許文献２】特開２００５−１８７２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、トンネルに設置した状態の耐火セグメントには、軸力に加えて曲げモーメントが作用している。このため、上記のように耐火セグメントに軸力のみをかけた状態で加熱する試験方法では、より現実に近い状態での耐火性能を評価することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情を鑑み、より現実に近い状態で試験を行なうことにより、覆工セグメントの火災に対する信頼性を向上させることが可能で、且つこのような試験で得られた結果に基づき経済的な設計を可能にした覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００７】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験方法は、トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するための覆工セグメントの耐火性試験方法であって、前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるとともに、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけ、トンネル火災前の前記覆工セグメントに相当するように前記試験体を曲げ変形させて、この初期状態を維持しつつ前記試験体を前記一面側から加熱し、前記試験体の曲げモーメントの変化を計測することを特徴とする。
【０００８】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験装置は、トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するために用いる覆工セグメントの耐火性試験装置であって、前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるための軸力導入手段と、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけるための曲げモーメント導入手段とを備えるとともに、前記試験体を前記一面側から加熱するための加熱手段と、該加熱手段で加熱することにより変化する前記試験体の軸力を計測する軸力計測手段と、前記試験体の曲げモーメントを計測する曲げモーメント計測手段及び変位を計測する変位計側手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の覆工セグメントの設計方法は、複数の覆工セグメントで形成されるトンネルの覆工セグメントの設計方法であって、前記覆工セグメントの構造仕様及び荷重条件を設定し、前記構造仕様及び前記荷重条件の設定値に基づき、想定したトンネル火災に相当する加熱により変化する前記トンネルの覆工各部の内部温度を非定常熱伝導解析によって解析し、前記設定値と前記非定常熱伝導解析の解析値に基づき、前記覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析によって解析して、前記覆工各部を構成する前記覆工セグメントのうち少なくとも一つの前記覆工セグメントを抽出するとともに、前記弾塑性熱応力変形解析で求めた前記少なくとも一つの覆工セグメントの加熱前の初期状態における軸力及び曲げモーメントを、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法の前記所定の軸力及び前記所定の曲げモーメントとし、且つ前記非定常熱伝導解析時と同様に前記試験体を加熱して、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法による耐火性試験を行ない、
前記試験体の加熱により変化する曲げモーメントの実測値と前記熱応力変形解析による曲げモーメントの解析値とを比較し、相関があることを確認して、前記覆工セグメントの構造仕様を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置によれば、覆工セグメントの試験体に所定の軸力をかけるとともに所定の曲げモーメントをかけた状態で加熱して、曲げモーメントの変化を計測するため、従来の軸力のみをかけて耐火性試験を行なう場合と比較して、実際のトンネル火災を受けた場合により近い状態で試験を行なうことができる。これにより、覆工セグメントの耐火性能を高精度で確認することができる。
【００１１】
また、本発明の覆工セグメントの設計方法においては、上記のように高精度の試験結果を基に、火災時に発生する覆工セグメントの熱応力変形の解析値の妥当性を確認した上で覆工セグメントの構造仕様を決定するため、確実に所望の耐火性を備えた覆工セグメントを設計することができる。そして、このように正確に所望の耐火性を備えた覆工セグメントを設計できることによって、覆工セグメントに、例えば安全性の配慮から本来必要とされる耐火性よりも過剰に高い耐火性を付与するようなことがなく、覆工セグメントを経済的に設計することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図５を参照し、本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置について説明する。本実施形態は、例えばシールド工法などによって構築される道路トンネルの覆工セグメントの耐火性を評価するために行う耐火性試験方法及び耐火性試験装置に関する。
【００１３】
はじめに、本実施形態の覆工セグメントＡは、図１に示すように、シールドマシンによって掘削したトンネルＴの掘削面の曲率半径と略等しい曲率半径を備える円弧盤状に形成され、周方向の周長が、設置した状態でトンネルＴの軸Ｏ１と平行する覆工セグメントＡの軸Ｏ２方向の幅よりも大きく形成されるとともに、径方向の厚さが周方向に沿って一定に形成されている。そして、このように形成された複数の覆工セグメントＡは、トンネルＴの掘削面に沿ってトンネルＴの周方向に連続して設けられ、周方向の掘削面を被覆しつつ支持する環状のセグメントリング体１を形成している。また、トンネルＴの軸Ｏ１方向に、セグメントリング体１が連続するように隣接されて、シールドマシンで掘削した掘削面が複数の覆工セグメントＡで被覆されつつ支持されトンネルＴの覆工が形成される。なお、各覆工セグメントＡは、図示せぬリング間継手とセグメント間継手によって相互に接合される。
【００１４】
そして、本実施形態では、このような覆工セグメントＡが、図２に示すように、トンネルに設置した状態でトンネル内側に開口する略箱状の鋼材部２と、鋼材部２の内部に充填して設けられたコンクリート部３とを備えて構成されている。鋼材部２は、トンネル周方向に延び、トンネル曲率に合わせた曲率を有して平行に配置された断面Ｈ形状の２つの鋼材２ａと、２つの鋼材２ａに連架して地山Ｇ側及び周方向の両端側を閉塞するように設置された複数の鋼板２ｂとで構成されている。また、２つの鋼材２ａのトンネル内側を向くフランジ面には、鋼材２ａが加熱されることを防止するための耐火被覆４が被覆して設けられている。一方、コンクリート部３には、その内部に、２つの鋼材２ａのトンネル内側のそれぞれのフランジに両端のそれぞれを接続して２つの鋼材２ａの間隔（幅）を保持する複数の幅止筋５と、周方向に所定の間隔をあけて複数並設した幅止筋５のそれぞれに接続しつつ支持されたメッシュ状の金網６とが埋設状態で設置されている。そして、本実施形態の覆工セグメントＡにおいては、例えば、２つの鋼材２ａの端部を結ぶ幅Ｌが１５００ｍｍ、幅Ｌ方向に直交する方向の厚さＢが２７０ｍｍで形成されている。また、鋼材２ａの幅ｂ１が２５０ｍｍであり、コンクリート部３がトンネル内側に２０ｍｍ（ｂ２）増打ちして形成されて、覆工セグメントＡの厚さＢが２７０ｍｍとされている。
【００１５】
また、覆工セグメントＡのコンクリート部３は、例えば、水セメント比４０％以下で、且つ直径１０〜２００μｍ、長さ１〜２０ｍｍのポリアセタールやポリプロピレンなどの有機繊維を０．０５容積％〜０．３容積％混入して形成されている。このようなコンクリート部３を備えた覆工セグメントＡは、トンネル火災で加熱された際に、有機繊維が分解してコンクリート内に微細な空隙をつくり、この空隙がコンクリート表層の熱膨張力や内部で膨張した気体の圧力を緩和して、コンクリート表層の剥離・飛散を防止する。これにより、本実施形態の覆工セグメントＡは、鋼材部２が耐火被覆４によって、コンクリート部３が有機繊維の混入などによって優れた耐火性を備えるように形成されている。
【００１６】
そして、上記のような覆工セグメントＡの耐火性能を評価するために用いる本実施形態の覆工セグメントＡの耐火性試験装置（以下、耐火性試験装置Ｃという）は、図３及び図４に示すように、応力導入部１０と加熱炉部（加熱手段）２０とから構成されている。
【００１７】
応力導入部１０は、略矩形枠状の軸力導入フレーム１１と、軸力導入ジャッキ（軸力導入手段）１２と、曲げモーメント導入ジャッキ（曲げモーメント導入手段）１３とを備えて構成されている。軸力導入ジャッキ１２は、水平方向に複数並設され、軸力導入フレーム１１の内側に挿入設置した覆工セグメントの試験体Ａに対し、一端が軸力導入フレーム１１の内側を向く内面（一面）に接続されて支持され、他端が荷重受け梁１４及び複数のピンジョイント１５を介して試験体Ａの一側面を押圧可能に設けられている。また、軸力導入ジャッキ１２には、例えばロードセルなどの軸力計測手段１６ａやジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１６ｂが具備されている。ここで、軸力導入フレーム１１の内側に挿入した試験体Ａは、一側面側の一端が軸力導入ジャッキ１２、荷重受け梁１４、複数のピンジョイント１５によって支持され、この一側面側の一端と反対に位置する他端が、側近に位置する軸力導入フレーム１１の側面（他面）に複数のピンジョイント１７を介して接続して支持されている。そして、このような軸力導入ジャッキ１２を駆動することにより、試験体Ａに、トンネルの火災時に加熱される内面に相当する試験体の下面（一面、加熱面）Ａ１に沿う方向の軸力Ｎをかけることができ、このとき、試験体Ａの軸力Ｎの大きさが軸力計測手段１６ａによって検知され、この軸力計測手段１６ａを備えることで軸力Ｎの大きさを調整することができる。
【００１８】
曲げモーメント導入ジャッキ１３は、試験体Ａの上面（他面、非加熱面、トンネルに設置した状態で地山側を向く外面）Ａ２の一端と他端の両端側（軸力Ｎ方向両端側）にそれぞれ下端を接続しつつ上方に突設した一対のモーメントブロック１８に支持されて設けられている。このとき、曲げモーメント導入ジャッキ１３は、水平方向に配され、両端がそれぞれ一対のモーメントブロック１８のそれぞれに接続して設けられている。また、曲げモーメント導入ジャッキ１３には、例えばロードセルなどの曲げモーメント計測手段１９ａやジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１９ｂが具備されている。そして、このような曲げモーメント導入ジャッキ１３を駆動することにより、一対のモーメントブロック１８がそれぞれ外側に押圧され、試験体Ａには、これら一対のモーメントブロック１８を通じ、下面Ａ１側に圧縮力が、上面Ａ２側に引張力が生じるように曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけることができる。また、このとき、試験体Ａの曲げモーメントＭの大きさが曲げモーメント計測手段１９ａによって検知され、この曲げモーメント計測手段１９ａを具備することで曲げモーメントＭの大きさを調整することができる。
【００１９】
この他に、試験体Ａの曲げモーメント付加による曲げ変形を計測する変位計測手段（変位計）２３や、さらに変位計２３や各ロードセル１６ａ、１９ａの計測信号を基に、軸力導入ジャッキ１２や曲げモーメント導入ジャッキ１３のシリンダを伸縮させる各ジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１６ｂ、１９ｂを制御する制御装置２４が備えられている。なお、この制御装置２４に、軸力計測手段１６ａ及び曲げモーメント計測手段１９ａの計測値が表示されるが、別途に計測値表示装置があってもよい。また、変位計２３は、試験体Ａのほぼ中央部付近を計測できるように固定して設けられている。
【００２０】
一方、加熱炉部２０は、上面が開口する略矩形箱状の炉２１と、炉２１の内側面から内部に向けて火炎Ｓを噴出するように設けられた複数のバーナー２２とを備えて構成されている。そして、この加熱炉部２０は、試験体Ａの下面（加熱面、一面）Ａ１で加熱炉部２０の開口する上面が閉塞されるように、試験体Ａひいては応力導入部１０の下方に配置されている。このように構成した加熱炉部２０は、バーナー２２によってその内空温度を１２００℃以上にすることができ、且つこの内空温度を自在に変化させることができ、任意の温度で試験体Ａを下面Ａ１側（一面側）から加熱することができる。
【００２１】
そして、上記のように構成した耐火性試験装置Ｃを用いて試験体（覆工セグメント）Ａの耐火性の試験を行う際には、試験体Ａに、軸力導入ジャッキ１２を駆動することによりトンネル火災前に覆工セグメントＡに作用している所定の軸力Ｎをかけるとともに、曲げモーメント導入ジャッキ１３を駆動することにより、同じくトンネル火災前に覆工セグメントＡに作用している所定の曲げモーメントＭをかける。これにより、試験体Ａに、トンネル火災前の覆工セグメントＡに相当する初期状態の応力が発生し、この応力に応じて試験体Ａがトンネル火災前の覆工セグメントＡに相当するように曲げ変形する。そして、この曲げ変形が一定に維持されるようにしておく。
【００２２】
ついで、加熱炉部２０のバーナー２２から火炎Ｓを噴出させて炉２１の内空温度を上昇させるとともに試験体Ａを下面Ａ１側から加熱する。このとき、本実施形態においては、道路トンネルの耐火性能試験で多用されるＲＡＢＴ（ドイツ交通省、道路トンネルの設備と運用に関する指針）に基づくＲＡＢＴ加熱（ＲＡＢＴ曲線Ｚ）で試験体Ａを加熱する。すなわち、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、加熱開始から５分で１２００℃に至らしめ、５５分間１２００℃を維持し、除冷開始から１１０分間で常温に戻すように試験体Ａを加熱する。ここで、トンネル火災が発生した際に、トンネルの覆工の軸力Ｎは加熱によってほぼ変化することがない（詳細は第２実施形態で示す）。このため、図５（ｂ）に示すように、軸力計測手段１６ａの検知結果を基に軸力導入ジャッキ１２の駆動を制御して、試験を行なっている間、試験体Ａの軸力Ｎを常時初期状態の軸力Ｎで維持する。
【００２３】
ここで、具体的に曲げ変形を一定にする制御と軸力Ｎを一定にする制御について説明する。曲げ変形については、変位計２３の計測信号が制御装置２４に伝達されると、制御装置２４では、最初の設定変形（変位）が記憶されていて、その値よりも変形が小さく（試験体Ａが真っ直ぐになる方向）なれば、変位を大きくするべく曲げモーメント導入ジャッキ１３を伸長させる信号をジャッキ駆動装置１９ｂに送り、逆に変位が大きくなれば、変位を小さくするべく曲げモーメント導入ジャッキ１３を縮退させる信号をジャッキ駆動装置１９ｂに送るような制御が逐次行なわれて、変形が一定に維持される。軸力Ｎについては、曲げ変形を一定にする制御に伴って、曲げモーメント導入ジャッキ１３の加力状態が変化するが、この加力状態は、曲げモーメント計測手段１９ａ（この計測手段１９ａは、軸力計測手段１６ａと同様に荷重計である。曲げモーメントＭの計測値は、この曲げモーメント導入ジャッキ１３と試験体Ａとの偏芯距離から換算されるものである。）によって計測されている。例えば、曲げモーメント計測手段１９ａの導入力値が１０Ｎだった場合には、試験体Ａへの導入軸力Ｎは、当初導入軸力Ｎに比べ、ほぼその値だけ減じられることになるので、減じられないように（軸力Ｎが変化しないように）その分だけ加力する、つまり、制御装置２４は、曲げモーメント計測手段１９ａの計測値信号を受けて、その計測値分だけ軸力導入ジャッキ１２のジャッキ駆動装置１６ｂに伸長信号を送り、ジャッキ駆動装置１６ｂを駆動させる。この際、軸力計測手段１６ａの計測値も制御装置２４に送られているので、この数値が、当初導入軸力Ｎに曲げモーメントＭを導入するための力を加算した数値になるまでジャッキ駆動装置１６ｂを駆動させる制御を制御装置２４が行なう。
【００２４】
そして、上記のように軸力Ｎを一定に維持した状態でＲＡＢＴ加熱された試験体Ａは、例えば図５（ｃ）に示すように曲げモーメントＭが経時的に変化し、この加熱により変化する曲げモーメントＭが曲げモーメント計測手段１９ａによって計測される。本実施形態では、図５（ｃ）に示すように、初期状態の曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけた状態で加熱を開始すると、徐々に負の曲げモーメントＭが増大してゆき、１２００℃の加熱温度を維持している間に、そのピークを迎えるとともに徐々に負の曲げモーメントＭが減少してゆく。そして、除冷を開始してから常温に戻る間に急激に負の曲げモーメントＭが減少し始め、ほぼ常温に戻った段階から今度は正の曲げモーメントＭが試験体Ａに発生する。
【００２５】
このように、本実施形態では、試験体Ａの曲げモーメントＭの経時的変化が試験データとして得られ、このとき、トンネル火災前の覆工セグメントＡに相当するように、試験体Ａに所定の軸力Ｎをかけるとともに所定の曲げモーメントＭをかけて試験を行なっているため、従来の軸力のみをかけて耐火性試験を行なう場合と比較して、実際のトンネル火災を受けた場合により近い状態での試験データを得ることができる。
【００２６】
したがって、本実施形態の耐火性試験装置Ｃ及び耐火性試験方法によれば、より実際に近い状態でのトンネル火災に対する覆工セグメントＡの影響を試験データとして取得することができ、覆工セグメントＡの耐火性能を正確に且つ高精度で確認することが可能になる。
【００２７】
以上、本発明に係る覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、試験体Ａの加熱にＲＡＢＴ加熱を用いるものとしたが、例えば実際に火災を受けた特定のトンネルの受熱履歴などに基づいて加熱条件を設定してもよく、特に加熱条件を限定する必要はない。
【００２８】
また、本実施形態では、鋼材部２とコンクリート部３を備えるとともに、コンクリート部３に有機繊維を混入した覆工セグメント（耐火セグメント）Ａの耐火性を試験するものとして説明を行なったが、本発明は、本実施形態の覆工セグメントＡと異なる構成を備えた覆工セグメントＡの耐火性を試験するために用いられてもよい。
【００２９】
ついで、以下に、図６から図１２を参照し、本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法について説明する。本実施形態は、例えばシールド工法などによって構築される道路トンネルの覆工セグメントを設計する方法に関するものである。なお、第１実施形態と共通する構成に対しては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
本実施形態の覆工セグメントＡの設計方法では、はじめに、覆工セグメントＡの構造仕様及び荷重条件を設定する。この構造仕様及び荷重条件の設定では、例えばトンネル外径や内径、覆工セグメントＡの幅Ｌや厚さＢ、覆工セグメントＡの鋼材部２やコンクリート部３の使用材料の力学特性などの構造仕様を設定するとともに、トンネル構築に伴い事前に行なわれる地山調査結果に基づいて荷重条件を設定する。荷重条件としては、例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）及び表１に示すように、トンネルの覆工に作用する荷重に係る、土被りＨ、地下水位Ｈｗ、鉛直土圧Ｐｖｃ、頂部側方土圧ｑｅ１、底部側方土圧ｑｅ２、頂部水圧Ｐｗ１、底部水圧Ｐｗ２、自重ｇ、地盤反力係数ｋ、側方土圧係数λを設定する。
【００３１】
【表１】
【００３２】
ついで、このように設定した構造仕様及び荷重条件の設定値に基づき、トンネルＴ内で火災が発生した際の加熱条件（想定したトンネル火災に相当する加熱条件）としてＲＡＢＴ加熱を用い、加熱によって変化する覆工各部の内部温度（覆工の内部温度の分布）を周知の非定常熱伝導解析によって解析する。なお、本実施形態では、図７に示すように、トンネルＴの対象性を考慮して右半分の覆工各部に対してのみ解析を行い、また、このとき、クラウン部ＣＬを基点として１３５°〜１８０°に位置する部分は、道路面Ｒよりも下方に位置して火災時に直接加熱されることがないものとして扱っている。
【００３３】
そして、構造仕様及び荷重条件の設定値と非定常熱伝導解析の解析値に基づいて、トンネルＴの覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析により解析する。すなわち、図８に示すような、はり−ばねモデルを用い、荷重条件値（外部荷重や自重、地山拘束力）をばねの各節点に与えて覆工の応力、ひずみを解析する。このとき、非定常熱伝導解析の結果を反映させるとともに覆工セグメントＡの力学特性の温度依存性を考慮して解析を行なう。そして、この弾塑性熱応力変形解析によって、ＲＡＢＴ加熱に基づく経過時間毎（０分から１８０分）の覆工の変形、覆工の曲げモーメントＭ、覆工の軸力Ｎが、図９から図１１に示すように得られる。ここで、図９が覆工の変形、図１０が覆工の曲げモーメントＭ、図１１が覆工の軸力Ｎを示しており、加熱によって覆工に作用する曲げモーメントＭが経時的に変化するのに対し、覆工に作用する軸力Ｎは、加熱による変化がほぼ生じないことが分かる。
【００３４】
ついで、トンネルＴの覆工各部を構成する複数の覆工セグメントＡのうち、少なくとも一つの覆工セグメントＡを抽出する。そして、弾塑性熱応力変形解析で求めたこの抽出した覆工セグメントＡの加熱前の初期状態、すなわち加熱時間０分における軸力Ｎ及び曲げモーメントＭを、第１実施形態で示した覆工セグメントＡの耐火性試験方法における所定の軸力Ｎ及び所定の曲げモーメントＭとして、第１実施形態に示した耐火性試験を行なう。また、この耐火性試験において、試験体Ａは、本実施形態の構造仕様を備えるように形成し、試験体Ａの加熱条件を、本実施形態の非定常熱伝導解析に用いた加熱条件と同様にすなわちＲＡＢＴ加熱として耐火性試験を行なう。これにより、第１実施形態の図５（ｃ）に示したような、試験体（抽出した覆工セグメント）Ａの加熱に伴い変化する曲げモーメントＭの実測値が得られる。
【００３５】
そして、試験体Ａの実測値と熱応力変形解析値とを比較する。図１２に示すように、このように比較した結果、実測値と熱応力変形解析値、すなわち試験結果と解析結果とが相関係数０．５（好ましくは０．８）以上、及び／又は試験結果と解析結果の差異が±１０％（好ましくは±５％）以下を示してほぼ一致する場合には、熱応力変形解析の妥当性が高いものと判断される。なお、この相関があることについては数値計算による他、相関係数の基準が低い場合は目視によって判断することも可能である。これにより、他の部分の覆工ひいてはトンネルＴ全体の覆工に対する熱応力変形解析の信憑性が得られ、この熱応力変形解析から、覆工（覆工セグメントＡ）が所望の耐火性を具備していると判断できる場合には、初期に設定した覆工セグメントＡの構造仕様が好適であると判断される。そして、第１実施形態に示したように、覆工セグメントＡの耐火性能を正確に且つ高精度で確認できる耐火性試験の実測値を基に、熱応力変形解析の妥当性が確認されるため、本実施形態の設計方法を基に構造仕様を定めて製作した覆工セグメントＡは、確実に所望の耐火性を備えることになる。
【００３６】
したがって、本実施形態の覆工セグメントＡの設計方法においては、上記のように高精度の試験結果を基に、火災時に発生する覆工セグメントＡの熱応力変形の解析値の妥当性を確認して覆工セグメントＡの構造仕様を定めるため、確実に所望の耐火性を備えた覆工セグメントＡを設計・製作することができ、覆工セグメントＡの火災に対する信頼性を向上させることができる。また、このように高精度で所望の耐火性を備えた覆工セグメントＡを設計できることによって、覆工セグメントＡに、例えば安全性の配慮から本来必要とされる耐火性よりも過剰に高い耐火性を付与するようなことがなくなり、覆工セグメントＡの経済的な設計を可能にする。
【００３７】
以上、本発明に係る覆工セグメントの設計方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、非定常熱伝導解析を行う際にＲＡＢＴ加熱を用いるものとしたが、第１実施形態と同様に、例えば実際に火災を受けた特定のトンネルの受熱履歴などに基づいて加熱条件を設定してもよく、特に加熱条件を限定する必要はない。
【００３８】
また、本実施形態では、試験体Ａの上面（他面）Ａ２に設けた曲げモーメント導入ジャッキ１３を伸ばし、一対のモーメントブロック１８をそれぞれ外側に押圧するようにして（一対のモーメントブロック１８が離れるように押圧して）、上面Ａ２側に引張力、下面（一面）Ａ１側に圧縮力が生じるように曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけたが、トンネルの断面形状や断面位置によっては、覆工セグメントに生じる曲げモーメントは必ずしも負の曲げモーメントばかりではない。覆工セグメントの初期応力状態が正の曲げモーメントになっている場合には、本実施形態とは逆に、曲げモーメント導入ジャッキ１３を縮め、一対のモーメントブロック１８をそれぞれ内側に引っ張って近づけるようにして、試験体Ａの上面Ａ２側に圧縮力、下面Ａ１側に引張力が生じるように曲げモーメント（正の曲げモーメント）Ｍをかけることになる。このようにした場合でも、覆工セグメントの設計方法は前述の通りで変わることがなく、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントが設置されるトンネルを示す斜視図である。
【図２】図１のＹ−Ｙ線矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験装置を示す断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法における加熱条件と、覆工セグメント（試験体）の軸力及び曲げモーメントの経時変化を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法における荷重条件の設定例を説明するために用いた図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において非定常熱伝導解析及び弾塑性熱応力変形解析により解析する範囲を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析時に用いたはり−ばねモデルを示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の変形を経時的に示した図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の曲げモーメントの変化を経時的に示した図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の軸力の変化を経時的に示した図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において、本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法による実測値と、弾塑性熱応力変形解析の解析値を比較した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 応力導入部
１１ 軸力導入フレーム
１２ 軸力導入ジャッキ（軸力導入手段）
１３ 曲げモーメント導入ジャッキ（曲げモーメント導入手段）
１６ａ 軸力計測手段
１６ｂ ジャッキ駆動装置
１８ モーメントブロック
１９ａ 曲げモーメント計測手段
１９ｂ ジャッキ駆動装置
２０ 加熱炉部（加熱手段）
２１ 炉
２２ バーナー
２３ 変位計（変位計測手段）
２４ 制御装置
Ａ 覆工セグメント（試験体）
Ａ１ 下面（加熱面、一面）
Ａ２ 上面（非加熱面、他面）
Ｃ 覆工セグメントの耐火性試験装置
Ｍ 曲げモーメント
Ｎ 軸力
Ｔ トンネル
Ｚ ＲＡＢＴ曲線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの覆工セグメントの耐火性能を評価するために行なう覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばシールド工法等により掘削したトンネル掘削面には、この掘削面の曲率半径と略等しい曲率半径を備えた複数の円弧状のセグメント（覆工セグメント）が周方向に連続して設けられ、周方向の掘削面を被覆して支持する環状のセグメントリング体が形成される。そして、このような周方向の掘削面を支持するセグメントリング体がトンネル軸方向に連続するように接続されて、掘削面を被覆支持するトンネルの覆工が形成される。また、この種のセグメントには、一般に、鋼製セグメントやコンクリート製セグメント、これら鋼とコンクリートを複合した合成セグメントが用いられ、隣接するセグメント同士が一体に接合される。
【０００３】
一方、道路トンネルや鉄道トンネルなどでは、トンネル火災が発生した際に、火災による熱でセグメントが損傷されないように、トンネルの内側に耐火層（耐火コンクリートや耐火パネル）を備えた耐火セグメントが用いられている場合がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。そして、このような耐火セグメントの耐火性能を評価する際には、実際のトンネルに設置した状態に極力合わせるように、試験体（耐火セグメント）に火災時に加熱される面に沿う方向の軸力をかけ、この状態で加熱して試験を行なうようにしている。
【特許文献１】特開２００４−３２３３３０号公報
【特許文献２】特開２００５−１８７２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、トンネルに設置した状態の耐火セグメントには、軸力に加えて曲げモーメントが作用している。このため、上記のように耐火セグメントに軸力のみをかけた状態で加熱する試験方法では、より現実に近い状態での耐火性能を評価することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情を鑑み、より現実に近い状態で試験を行なうことにより、覆工セグメントの火災に対する信頼性を向上させることが可能で、且つこのような試験で得られた結果に基づき経済的な設計を可能にした覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置並びに覆工セグメントの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００７】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験方法は、トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するための覆工セグメントの耐火性試験方法であって、前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるとともに、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけ、トンネル火災前の前記覆工セグメントに相当するように前記試験体を曲げ変形させて、この初期状態を維持しつつ前記試験体を前記一面側から加熱し、前記試験体の曲げモーメントの変化を計測することを特徴とする。
【０００８】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験装置は、トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するために用いる覆工セグメントの耐火性試験装置であって、前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるための軸力導入手段と、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけるための曲げモーメント導入手段とを備えるとともに、前記試験体を前記一面側から加熱するための加熱手段と、該加熱手段で加熱することにより変化する前記試験体の軸力を計測する軸力計測手段と、前記試験体の曲げモーメントを計測する曲げモーメント計測手段及び変位を計測する変位計側手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の覆工セグメントの設計方法は、複数の覆工セグメントで形成されるトンネルの覆工セグメントの設計方法であって、前記覆工セグメントの構造仕様及び荷重条件を設定し、前記構造仕様及び前記荷重条件の設定値に基づき、想定したトンネル火災に相当する加熱により変化する前記トンネルの覆工各部の内部温度を非定常熱伝導解析によって解析し、前記設定値と前記非定常熱伝導解析の解析値に基づき、前記覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析によって解析して、前記覆工各部を構成する前記覆工セグメントのうち少なくとも一つの前記覆工セグメントを抽出するとともに、前記弾塑性熱応力変形解析で求めた前記少なくとも一つの覆工セグメントの加熱前の初期状態における軸力及び曲げモーメントを、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法の前記所定の軸力及び前記所定の曲げモーメントとし、且つ前記非定常熱伝導解析時と同様に前記試験体を加熱して、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法による耐火性試験を行ない、
前記試験体の加熱により変化する曲げモーメントの実測値と前記熱応力変形解析による曲げモーメントの解析値とを比較し、相関があることを確認して、前記覆工セグメントの構造仕様を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置によれば、覆工セグメントの試験体に所定の軸力をかけるとともに所定の曲げモーメントをかけた状態で加熱して、曲げモーメントの変化を計測するため、従来の軸力のみをかけて耐火性試験を行なう場合と比較して、実際のトンネル火災を受けた場合により近い状態で試験を行なうことができる。これにより、覆工セグメントの耐火性能を高精度で確認することができる。
【００１１】
また、本発明の覆工セグメントの設計方法においては、上記のように高精度の試験結果を基に、火災時に発生する覆工セグメントの熱応力変形の解析値の妥当性を確認した上で覆工セグメントの構造仕様を決定するため、確実に所望の耐火性を備えた覆工セグメントを設計することができる。そして、このように正確に所望の耐火性を備えた覆工セグメントを設計できることによって、覆工セグメントに、例えば安全性の配慮から本来必要とされる耐火性よりも過剰に高い耐火性を付与するようなことがなく、覆工セグメントを経済的に設計することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図５を参照し、本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置について説明する。本実施形態は、例えばシールド工法などによって構築される道路トンネルの覆工セグメントの耐火性を評価するために行う耐火性試験方法及び耐火性試験装置に関する。
【００１３】
はじめに、本実施形態の覆工セグメントＡは、図１に示すように、シールドマシンによって掘削したトンネルＴの掘削面の曲率半径と略等しい曲率半径を備える円弧盤状に形成され、周方向の周長が、設置した状態でトンネルＴの軸Ｏ１と平行する覆工セグメントＡの軸Ｏ２方向の幅よりも大きく形成されるとともに、径方向の厚さが周方向に沿って一定に形成されている。そして、このように形成された複数の覆工セグメントＡは、トンネルＴの掘削面に沿ってトンネルＴの周方向に連続して設けられ、周方向の掘削面を被覆しつつ支持する環状のセグメントリング体１を形成している。また、トンネルＴの軸Ｏ１方向に、セグメントリング体１が連続するように隣接されて、シールドマシンで掘削した掘削面が複数の覆工セグメントＡで被覆されつつ支持されトンネルＴの覆工が形成される。なお、各覆工セグメントＡは、図示せぬリング間継手とセグメント間継手によって相互に接合される。
【００１４】
そして、本実施形態では、このような覆工セグメントＡが、図２に示すように、トンネルに設置した状態でトンネル内側に開口する略箱状の鋼材部２と、鋼材部２の内部に充填して設けられたコンクリート部３とを備えて構成されている。鋼材部２は、トンネル周方向に延び、トンネル曲率に合わせた曲率を有して平行に配置された断面Ｈ形状の２つの鋼材２ａと、２つの鋼材２ａに連架して地山Ｇ側及び周方向の両端側を閉塞するように設置された複数の鋼板２ｂとで構成されている。また、２つの鋼材２ａのトンネル内側を向くフランジ面には、鋼材２ａが加熱されることを防止するための耐火被覆４が被覆して設けられている。一方、コンクリート部３には、その内部に、２つの鋼材２ａのトンネル内側のそれぞれのフランジに両端のそれぞれを接続して２つの鋼材２ａの間隔（幅）を保持する複数の幅止筋５と、周方向に所定の間隔をあけて複数並設した幅止筋５のそれぞれに接続しつつ支持されたメッシュ状の金網６とが埋設状態で設置されている。そして、本実施形態の覆工セグメントＡにおいては、例えば、２つの鋼材２ａの端部を結ぶ幅Ｌが１５００ｍｍ、幅Ｌ方向に直交する方向の厚さＢが２７０ｍｍで形成されている。また、鋼材２ａの幅ｂ１が２５０ｍｍであり、コンクリート部３がトンネル内側に２０ｍｍ（ｂ２）増打ちして形成されて、覆工セグメントＡの厚さＢが２７０ｍｍとされている。
【００１５】
また、覆工セグメントＡのコンクリート部３は、例えば、水セメント比４０％以下で、且つ直径１０〜２００μｍ、長さ１〜２０ｍｍのポリアセタールやポリプロピレンなどの有機繊維を０．０５容積％〜０．３容積％混入して形成されている。このようなコンクリート部３を備えた覆工セグメントＡは、トンネル火災で加熱された際に、有機繊維が分解してコンクリート内に微細な空隙をつくり、この空隙がコンクリート表層の熱膨張力や内部で膨張した気体の圧力を緩和して、コンクリート表層の剥離・飛散を防止する。これにより、本実施形態の覆工セグメントＡは、鋼材部２が耐火被覆４によって、コンクリート部３が有機繊維の混入などによって優れた耐火性を備えるように形成されている。
【００１６】
そして、上記のような覆工セグメントＡの耐火性能を評価するために用いる本実施形態の覆工セグメントＡの耐火性試験装置（以下、耐火性試験装置Ｃという）は、図３及び図４に示すように、応力導入部１０と加熱炉部（加熱手段）２０とから構成されている。
【００１７】
応力導入部１０は、略矩形枠状の軸力導入フレーム１１と、軸力導入ジャッキ（軸力導入手段）１２と、曲げモーメント導入ジャッキ（曲げモーメント導入手段）１３とを備えて構成されている。軸力導入ジャッキ１２は、水平方向に複数並設され、軸力導入フレーム１１の内側に挿入設置した覆工セグメントの試験体Ａに対し、一端が軸力導入フレーム１１の内側を向く内面（一面）に接続されて支持され、他端が荷重受け梁１４及び複数のピンジョイント１５を介して試験体Ａの一側面を押圧可能に設けられている。また、軸力導入ジャッキ１２には、例えばロードセルなどの軸力計測手段１６ａやジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１６ｂが具備されている。ここで、軸力導入フレーム１１の内側に挿入した試験体Ａは、一側面側の一端が軸力導入ジャッキ１２、荷重受け梁１４、複数のピンジョイント１５によって支持され、この一側面側の一端と反対に位置する他端が、側近に位置する軸力導入フレーム１１の側面（他面）に複数のピンジョイント１７を介して接続して支持されている。そして、このような軸力導入ジャッキ１２を駆動することにより、試験体Ａに、トンネルの火災時に加熱される内面に相当する試験体の下面（一面、加熱面）Ａ１に沿う方向の軸力Ｎをかけることができ、このとき、試験体Ａの軸力Ｎの大きさが軸力計測手段１６ａによって検知され、この軸力計測手段１６ａを備えることで軸力Ｎの大きさを調整することができる。
【００１８】
曲げモーメント導入ジャッキ１３は、試験体Ａの上面（他面、非加熱面、トンネルに設置した状態で地山側を向く外面）Ａ２の一端と他端の両端側（軸力Ｎ方向両端側）にそれぞれ下端を接続しつつ上方に突設した一対のモーメントブロック１８に支持されて設けられている。このとき、曲げモーメント導入ジャッキ１３は、水平方向に配され、両端がそれぞれ一対のモーメントブロック１８のそれぞれに接続して設けられている。また、曲げモーメント導入ジャッキ１３には、例えばロードセルなどの曲げモーメント計測手段１９ａやジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１９ｂが具備されている。そして、このような曲げモーメント導入ジャッキ１３を駆動することにより、一対のモーメントブロック１８がそれぞれ外側に押圧され、試験体Ａには、これら一対のモーメントブロック１８を通じ、下面Ａ１側に圧縮力が、上面Ａ２側に引張力が生じるように曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけることができる。また、このとき、試験体Ａの曲げモーメントＭの大きさが曲げモーメント計測手段１９ａによって検知され、この曲げモーメント計測手段１９ａを具備することで曲げモーメントＭの大きさを調整することができる。
【００１９】
この他に、試験体Ａの曲げモーメント付加による曲げ変形を計測する変位計測手段（変位計）２３や、さらに変位計２３や各ロードセル１６ａ、１９ａの計測信号を基に、軸力導入ジャッキ１２や曲げモーメント導入ジャッキ１３のシリンダを伸縮させる各ジャッキ駆動装置（油圧ポンプ）１６ｂ、１９ｂを制御する制御装置２４が備えられている。なお、この制御装置２４に、軸力計測手段１６ａ及び曲げモーメント計測手段１９ａの計測値が表示されるが、別途に計測値表示装置があってもよい。また、変位計２３は、試験体Ａのほぼ中央部付近を計測できるように固定して設けられている。
【００２０】
一方、加熱炉部２０は、上面が開口する略矩形箱状の炉２１と、炉２１の内側面から内部に向けて火炎Ｓを噴出するように設けられた複数のバーナー２２とを備えて構成されている。そして、この加熱炉部２０は、試験体Ａの下面（加熱面、一面）Ａ１で加熱炉部２０の開口する上面が閉塞されるように、試験体Ａひいては応力導入部１０の下方に配置されている。このように構成した加熱炉部２０は、バーナー２２によってその内空温度を１２００℃以上にすることができ、且つこの内空温度を自在に変化させることができ、任意の温度で試験体Ａを下面Ａ１側（一面側）から加熱することができる。
【００２１】
そして、上記のように構成した耐火性試験装置Ｃを用いて試験体（覆工セグメント）Ａの耐火性の試験を行う際には、試験体Ａに、軸力導入ジャッキ１２を駆動することによりトンネル火災前に覆工セグメントＡに作用している所定の軸力Ｎをかけるとともに、曲げモーメント導入ジャッキ１３を駆動することにより、同じくトンネル火災前に覆工セグメントＡに作用している所定の曲げモーメントＭをかける。これにより、試験体Ａに、トンネル火災前の覆工セグメントＡに相当する初期状態の応力が発生し、この応力に応じて試験体Ａがトンネル火災前の覆工セグメントＡに相当するように曲げ変形する。そして、この曲げ変形が一定に維持されるようにしておく。
【００２２】
ついで、加熱炉部２０のバーナー２２から火炎Ｓを噴出させて炉２１の内空温度を上昇させるとともに試験体Ａを下面Ａ１側から加熱する。このとき、本実施形態においては、道路トンネルの耐火性能試験で多用されるＲＡＢＴ（ドイツ交通省、道路トンネルの設備と運用に関する指針）に基づくＲＡＢＴ加熱（ＲＡＢＴ曲線Ｚ）で試験体Ａを加熱する。すなわち、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、加熱開始から５分で１２００℃に至らしめ、５５分間１２００℃を維持し、除冷開始から１１０分間で常温に戻すように試験体Ａを加熱する。ここで、トンネル火災が発生した際に、トンネルの覆工の軸力Ｎは加熱によってほぼ変化することがない（詳細は第２実施形態で示す）。このため、図５（ｂ）に示すように、軸力計測手段１６ａの検知結果を基に軸力導入ジャッキ１２の駆動を制御して、試験を行なっている間、試験体Ａの軸力Ｎを常時初期状態の軸力Ｎで維持する。
【００２３】
ここで、具体的に曲げ変形を一定にする制御と軸力Ｎを一定にする制御について説明する。曲げ変形については、変位計２３の計測信号が制御装置２４に伝達されると、制御装置２４では、最初の設定変形（変位）が記憶されていて、その値よりも変形が小さく（試験体Ａが真っ直ぐになる方向）なれば、変位を大きくするべく曲げモーメント導入ジャッキ１３を伸長させる信号をジャッキ駆動装置１９ｂに送り、逆に変位が大きくなれば、変位を小さくするべく曲げモーメント導入ジャッキ１３を縮退させる信号をジャッキ駆動装置１９ｂに送るような制御が逐次行なわれて、変形が一定に維持される。軸力Ｎについては、曲げ変形を一定にする制御に伴って、曲げモーメント導入ジャッキ１３の加力状態が変化するが、この加力状態は、曲げモーメント計測手段１９ａ（この計測手段１９ａは、軸力計測手段１６ａと同様に荷重計である。曲げモーメントＭの計測値は、この曲げモーメント導入ジャッキ１３と試験体Ａとの偏芯距離から換算されるものである。）によって計測されている。例えば、曲げモーメント計測手段１９ａの導入力値が１０Ｎだった場合には、試験体Ａへの導入軸力Ｎは、当初導入軸力Ｎに比べ、ほぼその値だけ減じられることになるので、減じられないように（軸力Ｎが変化しないように）その分だけ加力する、つまり、制御装置２４は、曲げモーメント計測手段１９ａの計測値信号を受けて、その計測値分だけ軸力導入ジャッキ１２のジャッキ駆動装置１６ｂに伸長信号を送り、ジャッキ駆動装置１６ｂを駆動させる。この際、軸力計測手段１６ａの計測値も制御装置２４に送られているので、この数値が、当初導入軸力Ｎに曲げモーメントＭを導入するための力を加算した数値になるまでジャッキ駆動装置１６ｂを駆動させる制御を制御装置２４が行なう。
【００２４】
そして、上記のように軸力Ｎを一定に維持した状態でＲＡＢＴ加熱された試験体Ａは、例えば図５（ｃ）に示すように曲げモーメントＭが経時的に変化し、この加熱により変化する曲げモーメントＭが曲げモーメント計測手段１９ａによって計測される。本実施形態では、図５（ｃ）に示すように、初期状態の曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけた状態で加熱を開始すると、徐々に負の曲げモーメントＭが増大してゆき、１２００℃の加熱温度を維持している間に、そのピークを迎えるとともに徐々に負の曲げモーメントＭが減少してゆく。そして、除冷を開始してから常温に戻る間に急激に負の曲げモーメントＭが減少し始め、ほぼ常温に戻った段階から今度は正の曲げモーメントＭが試験体Ａに発生する。
【００２５】
このように、本実施形態では、試験体Ａの曲げモーメントＭの経時的変化が試験データとして得られ、このとき、トンネル火災前の覆工セグメントＡに相当するように、試験体Ａに所定の軸力Ｎをかけるとともに所定の曲げモーメントＭをかけて試験を行なっているため、従来の軸力のみをかけて耐火性試験を行なう場合と比較して、実際のトンネル火災を受けた場合により近い状態での試験データを得ることができる。
【００２６】
したがって、本実施形態の耐火性試験装置Ｃ及び耐火性試験方法によれば、より実際に近い状態でのトンネル火災に対する覆工セグメントＡの影響を試験データとして取得することができ、覆工セグメントＡの耐火性能を正確に且つ高精度で確認することが可能になる。
【００２７】
以上、本発明に係る覆工セグメントの耐火性試験方法及び耐火性試験装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、試験体Ａの加熱にＲＡＢＴ加熱を用いるものとしたが、例えば実際に火災を受けた特定のトンネルの受熱履歴などに基づいて加熱条件を設定してもよく、特に加熱条件を限定する必要はない。
【００２８】
また、本実施形態では、鋼材部２とコンクリート部３を備えるとともに、コンクリート部３に有機繊維を混入した覆工セグメント（耐火セグメント）Ａの耐火性を試験するものとして説明を行なったが、本発明は、本実施形態の覆工セグメントＡと異なる構成を備えた覆工セグメントＡの耐火性を試験するために用いられてもよい。
【００２９】
ついで、以下に、図６から図１２を参照し、本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法について説明する。本実施形態は、例えばシールド工法などによって構築される道路トンネルの覆工セグメントを設計する方法に関するものである。なお、第１実施形態と共通する構成に対しては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
本実施形態の覆工セグメントＡの設計方法では、はじめに、覆工セグメントＡの構造仕様及び荷重条件を設定する。この構造仕様及び荷重条件の設定では、例えばトンネル外径や内径、覆工セグメントＡの幅Ｌや厚さＢ、覆工セグメントＡの鋼材部２やコンクリート部３の使用材料の力学特性などの構造仕様を設定するとともに、トンネル構築に伴い事前に行なわれる地山調査結果に基づいて荷重条件を設定する。荷重条件としては、例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）及び表１に示すように、トンネルの覆工に作用する荷重に係る、土被りＨ、地下水位Ｈｗ、鉛直土圧Ｐｖｃ、頂部側方土圧ｑｅ１、底部側方土圧ｑｅ２、頂部水圧Ｐｗ１、底部水圧Ｐｗ２、自重ｇ、地盤反力係数ｋ、側方土圧係数λを設定する。
【００３１】
【表１】
【００３２】
ついで、このように設定した構造仕様及び荷重条件の設定値に基づき、トンネルＴ内で火災が発生した際の加熱条件（想定したトンネル火災に相当する加熱条件）としてＲＡＢＴ加熱を用い、加熱によって変化する覆工各部の内部温度（覆工の内部温度の分布）を周知の非定常熱伝導解析によって解析する。なお、本実施形態では、図７に示すように、トンネルＴの対象性を考慮して右半分の覆工各部に対してのみ解析を行い、また、このとき、クラウン部ＣＬを基点として１３５°〜１８０°に位置する部分は、道路面Ｒよりも下方に位置して火災時に直接加熱されることがないものとして扱っている。
【００３３】
そして、構造仕様及び荷重条件の設定値と非定常熱伝導解析の解析値に基づいて、トンネルＴの覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析により解析する。すなわち、図８に示すような、はり−ばねモデルを用い、荷重条件値（外部荷重や自重、地山拘束力）をばねの各節点に与えて覆工の応力、ひずみを解析する。このとき、非定常熱伝導解析の結果を反映させるとともに覆工セグメントＡの力学特性の温度依存性を考慮して解析を行なう。そして、この弾塑性熱応力変形解析によって、ＲＡＢＴ加熱に基づく経過時間毎（０分から１８０分）の覆工の変形、覆工の曲げモーメントＭ、覆工の軸力Ｎが、図９から図１１に示すように得られる。ここで、図９が覆工の変形、図１０が覆工の曲げモーメントＭ、図１１が覆工の軸力Ｎを示しており、加熱によって覆工に作用する曲げモーメントＭが経時的に変化するのに対し、覆工に作用する軸力Ｎは、加熱による変化がほぼ生じないことが分かる。
【００３４】
ついで、トンネルＴの覆工各部を構成する複数の覆工セグメントＡのうち、少なくとも一つの覆工セグメントＡを抽出する。そして、弾塑性熱応力変形解析で求めたこの抽出した覆工セグメントＡの加熱前の初期状態、すなわち加熱時間０分における軸力Ｎ及び曲げモーメントＭを、第１実施形態で示した覆工セグメントＡの耐火性試験方法における所定の軸力Ｎ及び所定の曲げモーメントＭとして、第１実施形態に示した耐火性試験を行なう。また、この耐火性試験において、試験体Ａは、本実施形態の構造仕様を備えるように形成し、試験体Ａの加熱条件を、本実施形態の非定常熱伝導解析に用いた加熱条件と同様にすなわちＲＡＢＴ加熱として耐火性試験を行なう。これにより、第１実施形態の図５（ｃ）に示したような、試験体（抽出した覆工セグメント）Ａの加熱に伴い変化する曲げモーメントＭの実測値が得られる。
【００３５】
そして、試験体Ａの実測値と熱応力変形解析値とを比較する。図１２に示すように、このように比較した結果、実測値と熱応力変形解析値、すなわち試験結果と解析結果とが相関係数０．５（好ましくは０．８）以上、及び／又は試験結果と解析結果の差異が±１０％（好ましくは±５％）以下を示してほぼ一致する場合には、熱応力変形解析の妥当性が高いものと判断される。なお、この相関があることについては数値計算による他、相関係数の基準が低い場合は目視によって判断することも可能である。これにより、他の部分の覆工ひいてはトンネルＴ全体の覆工に対する熱応力変形解析の信憑性が得られ、この熱応力変形解析から、覆工（覆工セグメントＡ）が所望の耐火性を具備していると判断できる場合には、初期に設定した覆工セグメントＡの構造仕様が好適であると判断される。そして、第１実施形態に示したように、覆工セグメントＡの耐火性能を正確に且つ高精度で確認できる耐火性試験の実測値を基に、熱応力変形解析の妥当性が確認されるため、本実施形態の設計方法を基に構造仕様を定めて製作した覆工セグメントＡは、確実に所望の耐火性を備えることになる。
【００３６】
したがって、本実施形態の覆工セグメントＡの設計方法においては、上記のように高精度の試験結果を基に、火災時に発生する覆工セグメントＡの熱応力変形の解析値の妥当性を確認して覆工セグメントＡの構造仕様を定めるため、確実に所望の耐火性を備えた覆工セグメントＡを設計・製作することができ、覆工セグメントＡの火災に対する信頼性を向上させることができる。また、このように高精度で所望の耐火性を備えた覆工セグメントＡを設計できることによって、覆工セグメントＡに、例えば安全性の配慮から本来必要とされる耐火性よりも過剰に高い耐火性を付与するようなことがなくなり、覆工セグメントＡの経済的な設計を可能にする。
【００３７】
以上、本発明に係る覆工セグメントの設計方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、非定常熱伝導解析を行う際にＲＡＢＴ加熱を用いるものとしたが、第１実施形態と同様に、例えば実際に火災を受けた特定のトンネルの受熱履歴などに基づいて加熱条件を設定してもよく、特に加熱条件を限定する必要はない。
【００３８】
また、本実施形態では、試験体Ａの上面（他面）Ａ２に設けた曲げモーメント導入ジャッキ１３を伸ばし、一対のモーメントブロック１８をそれぞれ外側に押圧するようにして（一対のモーメントブロック１８が離れるように押圧して）、上面Ａ２側に引張力、下面（一面）Ａ１側に圧縮力が生じるように曲げモーメント（負の曲げモーメント）Ｍをかけたが、トンネルの断面形状や断面位置によっては、覆工セグメントに生じる曲げモーメントは必ずしも負の曲げモーメントばかりではない。覆工セグメントの初期応力状態が正の曲げモーメントになっている場合には、本実施形態とは逆に、曲げモーメント導入ジャッキ１３を縮め、一対のモーメントブロック１８をそれぞれ内側に引っ張って近づけるようにして、試験体Ａの上面Ａ２側に圧縮力、下面Ａ１側に引張力が生じるように曲げモーメント（正の曲げモーメント）Ｍをかけることになる。このようにした場合でも、覆工セグメントの設計方法は前述の通りで変わることがなく、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントが設置されるトンネルを示す斜視図である。
【図２】図１のＹ−Ｙ線矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験装置を示す断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法における加熱条件と、覆工セグメント（試験体）の軸力及び曲げモーメントの経時変化を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法における荷重条件の設定例を説明するために用いた図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において非定常熱伝導解析及び弾塑性熱応力変形解析により解析する範囲を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析時に用いたはり−ばねモデルを示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の変形を経時的に示した図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の曲げモーメントの変化を経時的に示した図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において弾塑性熱応力変形解析から得たトンネル覆工の軸力の変化を経時的に示した図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る覆工セグメントの設計方法において、本発明の第１実施形態に係る覆工セグメントの耐火性試験方法による実測値と、弾塑性熱応力変形解析の解析値を比較した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 応力導入部
１１ 軸力導入フレーム
１２ 軸力導入ジャッキ（軸力導入手段）
１３ 曲げモーメント導入ジャッキ（曲げモーメント導入手段）
１６ａ 軸力計測手段
１６ｂ ジャッキ駆動装置
１８ モーメントブロック
１９ａ 曲げモーメント計測手段
１９ｂ ジャッキ駆動装置
２０ 加熱炉部（加熱手段）
２１ 炉
２２ バーナー
２３ 変位計（変位計測手段）
２４ 制御装置
Ａ 覆工セグメント（試験体）
Ａ１ 下面（加熱面、一面）
Ａ２ 上面（非加熱面、他面）
Ｃ 覆工セグメントの耐火性試験装置
Ｍ 曲げモーメント
Ｎ 軸力
Ｔ トンネル
Ｚ ＲＡＢＴ曲線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するための覆工セグメントの耐火性試験方法であって、
前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるとともに、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけ、トンネル火災前の前記覆工セグメントに相当するように前記試験体を曲げ変形させて、この初期状態を維持しつつ前記試験体を前記一面側から加熱し、前記試験体の曲げモーメントの変化を計測することを特徴とする覆工セグメントの耐火性試験方法。
【請求項２】
トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するために用いる覆工セグメントの耐火性試験装置であって、
前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるための軸力導入手段と、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけるための曲げモーメント導入手段とを備えるとともに、前記試験体を前記一面側から加熱するための加熱手段と、該加熱手段で加熱することにより変化する前記試験体の軸力を計測する軸力計測手段と、前記試験体の曲げモーメントを計測する曲げモーメント計測手段及び変位を計測する変位計側手段とを備えていることを特徴とする覆工セグメントの耐火性試験装置。
【請求項３】
複数の覆工セグメントで形成されるトンネルの覆工セグメントの設計方法であって、
前記覆工セグメントの構造仕様及び荷重条件を設定し、
前記構造仕様及び前記荷重条件の設定値に基づき、想定したトンネル火災に相当する加熱により変化する前記トンネルの覆工各部の内部温度を非定常熱伝導解析によって解析し、
前記設定値と前記非定常熱伝導解析の解析値に基づき、前記覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析によって解析して、
前記覆工各部を構成する前記覆工セグメントのうち少なくとも一つの前記覆工セグメントを抽出するとともに、前記弾塑性熱応力変形解析で求めた前記少なくとも一つの覆工セグメントの加熱前の初期状態における軸力及び曲げモーメントを、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法の前記所定の軸力及び前記所定の曲げモーメントとし、且つ前記非定常熱伝導解析時と同様に前記試験体を加熱して、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法による耐火性試験を行ない、
前記試験体の加熱により変化する曲げモーメントの実測値と前記熱応力変形解析による曲げモーメントの解析値とを比較し、相関があることを確認して、前記覆工セグメントの構造仕様を決定することを特徴とする覆工セグメントの設計方法。
【請求項１】
トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するための覆工セグメントの耐火性試験方法であって、
前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるとともに、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけ、トンネル火災前の前記覆工セグメントに相当するように前記試験体を曲げ変形させて、この初期状態を維持しつつ前記試験体を前記一面側から加熱し、前記試験体の曲げモーメントの変化を計測することを特徴とする覆工セグメントの耐火性試験方法。
【請求項２】
トンネル火災に対する覆工セグメントの耐火性能を評価するために用いる覆工セグメントの耐火性試験装置であって、
前記覆工セグメントの試験体に対し、前記トンネルの火災時に加熱される内面に相当する前記試験体の一面に沿う方向に所定の軸力をかけるための軸力導入手段と、前記一面側に圧縮力、前記一面と対向する他面側に引張力が生じるように、または前記一面側に引張力、前記他面側に圧縮力が生じるように所定の曲げモーメントをかけるための曲げモーメント導入手段とを備えるとともに、前記試験体を前記一面側から加熱するための加熱手段と、該加熱手段で加熱することにより変化する前記試験体の軸力を計測する軸力計測手段と、前記試験体の曲げモーメントを計測する曲げモーメント計測手段及び変位を計測する変位計側手段とを備えていることを特徴とする覆工セグメントの耐火性試験装置。
【請求項３】
複数の覆工セグメントで形成されるトンネルの覆工セグメントの設計方法であって、
前記覆工セグメントの構造仕様及び荷重条件を設定し、
前記構造仕様及び前記荷重条件の設定値に基づき、想定したトンネル火災に相当する加熱により変化する前記トンネルの覆工各部の内部温度を非定常熱伝導解析によって解析し、
前記設定値と前記非定常熱伝導解析の解析値に基づき、前記覆工各部の応力変形状態を弾塑性熱応力変形解析によって解析して、
前記覆工各部を構成する前記覆工セグメントのうち少なくとも一つの前記覆工セグメントを抽出するとともに、前記弾塑性熱応力変形解析で求めた前記少なくとも一つの覆工セグメントの加熱前の初期状態における軸力及び曲げモーメントを、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法の前記所定の軸力及び前記所定の曲げモーメントとし、且つ前記非定常熱伝導解析時と同様に前記試験体を加熱して、請求項１記載の覆工セグメントの耐火性試験方法による耐火性試験を行ない、
前記試験体の加熱により変化する曲げモーメントの実測値と前記熱応力変形解析による曲げモーメントの解析値とを比較し、相関があることを確認して、前記覆工セグメントの構造仕様を決定することを特徴とする覆工セグメントの設計方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２８６５９３（Ｐ２００８−２８６５９３Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３０５６３（Ｐ２００７−１３０５６３）
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（５０５４１３２５５）阪神高速道路株式会社 (46)
【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２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（５０５４１３２５５）阪神高速道路株式会社 (46)
【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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