鋼製セグメント，鋼製セグメントの製造方法
【課題】 同程度の断面性能をより少ない本数の主桁で実現可能な鋼製セグメントを提供すること。
【解決手段】 鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレート１２と，スキンプレート１２の内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁１４と，スキンプレート１２の周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板１６と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメント１０が提供される。この鋼製セグメント１０は，その内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジ２２と，内フランジ２２とスキンプレート１２の内周面とを連結する複数の連結リブ２４とからなる補強部材２０を１本又は２本以上備えることを特徴とする。これにより，主桁の有効断面を増加させて，断面性能を向上できるので，主桁本数の少ない鋼製セグメントであっても，より多い本数の主桁を備えた鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮できるようになる。
【解決手段】 鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレート１２と，スキンプレート１２の内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁１４と，スキンプレート１２の周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板１６と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメント１０が提供される。この鋼製セグメント１０は，その内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジ２２と，内フランジ２２とスキンプレート１２の内周面とを連結する複数の連結リブ２４とからなる補強部材２０を１本又は２本以上備えることを特徴とする。これにより，主桁の有効断面を増加させて，断面性能を向上できるので，主桁本数の少ない鋼製セグメントであっても，より多い本数の主桁を備えた鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮できるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鋼製セグメント及びその製造方法に関し，特に，シールドトンネルに使用される鋼製セグメントとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，上下水道，電力・通信ケーブル共同溝，鉄道・道路等に用いられる地下トンネルを構築する方法として，掘削穴の内面に円弧状のセグメントを組み立てて筒状壁体を構築するシールド工法が多用されている。かかるシールド工法では，シールド掘削機によって地盤を掘削しながら，掘削穴内において，複数のセグメントをトンネルの円周方向およびトンネルの軸方向（以下では単に「周方向」，「軸方向」という。）に相互に接合して，断面が円形，矩形等の筒状壁体であるシールドトンネルが構築される。
【０００３】
このようなシールドトンネルに用いられるセグメントのうち鋼製セグメントは，鋼板及び平鋼などを溶接して組み立てられた箱型構造を有するセグメントである。この鋼製セグメントは，一般的に，その外周側に配設される断面円弧状のスキンプレートと，スキンプレートの内側に周方向に沿って配置される複数本（通常２〜３本）の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って配設される一対の継手板とを，一面が開放された箱型に組み立てて，その内側に主桁間を軸方向に連結する縦リブを設置し，これら各部材の接合部を隅肉溶接により接合して製造される。さらに，合成セグメントにあっては，このように製造された鋼製セグメントの内部に，コンクリートを充填して構成される。
【０００４】
かかる鋼製セグメントを用いてシールドトンネルを構築する場合には，軸方向及び周方向に隣接する鋼製セグメント同士の主桁と継手板を，ボルトを用いて相互に連結することによって，複数の鋼製セグメントを隙間無く接合して，トンネル内面が一次覆工される。さらに，二次覆工する場合には，上記一次覆工された鋼製セグメントリングの内周側に，コンクリートが充填される。
【０００５】
このような鋼製セグメントを設計する場合，セグメントリングの耐荷機構としての設計検討に関しては，主桁の有効断面の断面性能を利用して算定していた。つまり，鋼製セグメントの強度は，主として，主桁の有効断面積に依存しており，この主桁の有効断面積は，設計上要求されるセグメントリングの軸力Ｎや曲げモーメントＭの大きさに基づいて決定される。さらに，この主桁の有効断面には，主桁にスキンプレートが強固に溶接されていることを条件として，主桁が接合される箇所周辺のスキンプレートの断面も算入できる。
【０００６】
そこで，鋼製セグメントにおいて，上記のような主桁の断面性能を高めたいときには，主桁の設置本数を増やしたり，主桁の板厚やスキンプレートの板厚を増加させたりしていた。また，断面性能をさらに高めたいときには，主桁の内周側にフランジを取り付けたりもしていた。
【０００７】
ところが，従来の鋼製セグメントでは，主桁の有効断面に着目すると，スキンプレートには当該有効断面に算入されない部分（強度上役に立たない遊び部分）が多く，スキンプレートが強度面では十分に有効利用されていないという問題があった。かかる問題を解決すべく，特許文献１には，スキンプレートを過不足無く有効利用するために，鋼製セグメントのリング幅（セグメント幅）Ｌ，主桁の本数ｎ及びスキンプレートの厚さｔの寸法関係を調整する技術について記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１２０１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで，中小口径のシールドトンネルでは，主桁が２本設置された２本主桁の鋼製セグメントを用いた施工実績が多い。この２本主桁の鋼製セグメントは，主桁本数が少ないため，加工作業が容易であり安価に製造できるので，生産性が良好であり，大量生産に適した構造である。
【００１０】
一方，主桁が３本設置された３本主桁の鋼製セグメントは，上記２本主桁の鋼製セグメントよりも，主桁の設置数が多く断面性能が高いので，外荷重に対する安定性の面では優れている。しかし，この３本主桁の鋼製セグメントは，中主桁を設置する必要があるため，加工作業が高度かつ複雑化して加工コスト及び材料コストが高くなるので，生産性が良好とは云い難く，また，二次覆工をする場合もコンクリートの充填性がやや劣るという短所がある。
【００１１】
このように，主桁本数が多い鋼製セグメントの方が，断面性能が高いが，加工作業が困難で製造コストが高いため，生産性の面で劣るという問題がある。従って，より少ない主桁本数で，高い断面性能を有する鋼製セグメントが希求されていた。主桁本数を増やすことなく，断面性能を高める手法としては，上述した特許文献１に記載のように，強度計算上の無駄が多いスキンプレートの断面を有効利用して，当該断面を主桁の有効断面に極力多く算入できるように設計することが考えられる。
【００１２】
しかし，上述した特許文献１に記載の技術は，３本主桁以上の鋼製セグメントを対象として，主桁の有効断面にスキンプレートを有効利用しようとするものであり，２本主桁の鋼製セグメントに当該技術を適用しようとすると，スキンプレート厚を過度に大きくするか，セグメント幅を非常に狭くする必要があり，施工性を考慮すると非現実的であった。
【００１３】
そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現することによって，製造加工が容易で，加工コストおよび材料コストを削減することが可能な，新規かつ改良された鋼製セグメントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者らは，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現するという技術的課題について，主桁の有効断面に算入できるスキンプレートの断面を増加させるという点に着目して，鋭意研究した結果，以下のような本願発明に想到した。
【００１５】
即ち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメントが提供される。この鋼製セグメントは，１本又は複数本の補強部材を備え，この補強部材は，鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなることを特徴とする。なお，周方向とは，鋼製セグメントを用いて構築されるセグメントリングの円周方向（シールドトンネルの円周方向）であり，軸方向とは，鋼製セグメントを用いて構築されるセグメントリングの軸方向（シールドトンネルの軸方向）である。
【００１６】
かかる構成により，鋼製セグメントの構造設計に用いられる主桁の有効断面に，補強部材の内フランジの断面だけではなく，当該内フランジに対して連結リブを介して連結されている箇所周辺のスキンプレートの断面を算入できるようになる。従って，主桁の有効断面積を増加させて，主桁の断面性能を向上させることができる。よって，主桁本数の少ない鋼製セグメントであっても，より多い主桁本数の鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮できるようになる。この結果，主桁の設置本数を低減できるので，鋼製セグメントの製造時の加工作業が容易になり，加工コストおよび材料コストを低減できる。
【００１７】
また，上記スキンプレートの軸方向両端部に２本の主桁が設置された２本主桁の鋼製セグメントであり，上記補強部材の内フランジは，２本の主桁間に，当該主桁と略平行に設置されるようにしてもよい。２本主桁の鋼製セグメントは，製造コスト及び材料コスト増の原因となる中主桁を具備していないので，３本主桁の鋼製セグメントと比べて，加工作業が容易であり，加工コストおよび材料コストが安価である。このため，２本主桁の鋼製セグメントに上記補強部材を取り付けることによって，３本主桁の鋼製セグメントと同等以上の断面性能を有する２本主桁の鋼製セグメントを，低コストで製造できる。なお，この場合，複数本の補強部材を，２本の主桁間に所定間隔で相互に平行に取り付けてもよく，これにより，スキンプレートの広い範囲を均等に有効利用できる。
【００１８】
また，上記鋼製セグメントは，スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する主桁を相互に連結する複数の縦リブをさらに備え，上記内フランジは，当該各縦リブにそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，鋼製セグメントの内周側に内フランジを安定的に取り付けることができる。
【００１９】
また，上記各縦リブは，スキンプレートに接合される起立部と，起立部に対して略垂直な平坦部とからなる断面略Ｌ字形の構造を有し，内フランジは，各縦リブの平坦部にそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，内フランジと各縦リブの平坦部とを広い面積で接触させて，相互に隅肉溶接等で固定することにより，内フランジをより安定的に固定できる。
【００２０】
また，上記複数の縦リブは，スキンプレートの内周面に所定間隔で配置されており，各連結リブは，複数の縦リブ間でそれぞれ，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結するようにしてもよい。これにより，複数の連結リブを周方向に沿って均等に配置して，スキンプレートと内フランジとを均等に接合できる。
【００２１】
また，上記内フランジの長手方向両端部は，各継手板にそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，鋼製セグメントの内周に沿って湾曲した形状の帯状鋼板である内フランジを，鋼製セグメントの内周側に安定して固定できる。
【００２２】
また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，（１）鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板とからなる箱型構造の鋼製セグメントを組み立てる工程と；（２）鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を組み立てる工程と；（３）上記組み立てられた補強部材を，上記組み立てられた鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付ける工程と；を含むことを特徴とする，鋼製セグメントの製造方法が提供される。これにより，少ない主桁本数で高い断面性能を発揮する鋼製セグメントを，容易に製造できるとともに，材料使用量と製造コストとを削減できる。従って，高い耐荷性能を有する鋼製セグメントの生産性を向上できる。なお，上記（１）工程と（２）工程は，いずれが先に実行されてもよい。
【００２３】
また，上記取り付け工程では，各連結リブとスキンプレートの内周面とが隅肉溶接され，内フランジの長手方向両端部と前記各継手板とが隅肉溶接されるようにしてもよい。これにより，補強部材を鋼製セグメントに対して，容易かつ安定的に取り付けることができる。
【００２４】
また，上記前記鋼製セグメントは，スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する主桁を連結する複数の縦リブを備え，上記取り付け工程では，内フランジと各縦リブとが隅肉溶接されるようにしてもよい。これにより，補強部材を鋼製セグメントに対して，より安定的に取り付けることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように本発明によれば，鋼製セグメントに補強部材を取り付けることによって，主桁の有効断面を増大させて断面性能を高めることができる。このため，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現することができるので，鋼製セグメントの製造が容易になり，加工コストおよび材料コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，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。
【００２７】
（第１の実施形態）
最初に，本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメントおよびその製造方法について説明する。
【００２８】
まず，図１に基づいて，本実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されるシールドトンネルの全体構成について説明する。なお，図１は，本実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されたセグメントリングを示す正面図である。
【００２９】
図１に示すように，シールドトンネルは，断面が例えば円形の筒状壁体であるセグメントリング１を，トンネル軸方向に複数連結して構築される。このセグメントリング１は，例えば３種類の鋼製セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋを組み合わせて構築される。図１の例のセグメントリング１の寸法は，例えば，セグメント外径ＤＯ＝２０００ｍｍ，セグメント幅ｂ＝７５０ｍｍである。かかるセグメントリング１は，例えば，２つのＡセグメント１０Ａと，２つのＢセグメント１０Ｂと，１つのＫセグメント１０Ｋとから構成される。各セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋの中心角θＡ，θＢ，θＫは，それぞれ，例えば８０°，８０°，４０°である。また，各セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋの軸方向の両端面には，複数のボルト孔１１が所定ピッチで形成されている。このボルト孔１１にボルト（図示せず。）を挿入することで，軸方向に相隣接するセグメントを相互に連結できる。図１の例では，このボルトの設置本数は１８本であり，ボルトピッチ中心角θＰは２０°である。
【００３０】
また，Ｂセグメント１０Ｂの周方向の一端面と，Ｋセグメント１０Ｋの周方向の両端面面には，所定の継手角度αｒ（例えば２３°）で傾斜したテーパ面１３が形成されており，２つのＢセグメント１０Ｂの間にＫセグメント１０Ｋを半径方向又は軸方向に挿入できるようになっている。
【００３１】
なお，上記図１の例のセグメントリング１は，５つの鋼製セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋに５分割（２Ａ＋２Ｂ＋Ｋ）された構成であるが，本発明はかかる例に限定されない。例えば，セグメントリングは，セグメント外径ＤＯ（例えば１８００〜８３００ｍｍ）の大きさに応じて，例えば，６分割（３Ａ＋２Ｂ＋Ｋ），７分割（４Ａ＋２Ｂ＋Ｋ），８分割（５Ａ＋２Ｂ＋Ｋ）など，任意の数に分割されてもよい。また，ボルトの設置本数も，例えば１８〜５８本など任意に設定可能である。
【００３２】
次に，図２Ａ〜Ｃに基づいて，本実施形態にかかる鋼製セグメントの構成について説明する。図２Ａ〜Ｃは，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図，組立斜視図，Ａ−Ａ線断面図である。なお，以下では，鋼製セグメント１０として，上記Ａセグメント１０Ａの構成例について説明するが，他のＢセグメント１０Ｂ，Ｋセグメント１０Ｋ等も下記のＡセグメント１０Ａと同様にして構成可能であるので，詳細説明は省略する。
【００３３】
図２Ａ〜Ｃに示す鋼製セグメント１０は，鋼板と平鋼を溶接して組み立てられた箱型構造を有し，例えば２本の主桁１４Ａ，１４Ｂを備えた２本主桁の鋼製セグメントとして構成されている。この鋼製セグメント１０は，その外周面を構成するスキンプレート１２と，このスキンプレート１２の軸方向両端部に周方向に沿って設置される一対の外主桁１４Ａ，１４Ｂ（以下では，「主桁１４」と総称する場合もある。）と，スキンプレート１２の周方向両端部に軸方向に沿って配設される一対の継手板１６と，スキンプレート１２の内周面１２ａに軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する２本の主桁１４を連結する複数（例えば３本）の縦リブ１８と，鋼製セグメント１０を補強するための例えば２本の補強部材２０と，から構成される。以下に，この鋼製セグメント１０を構成する各部について詳述する。
【００３４】
スキンプレート１２は，セグメント外径ＤＯに応じた所定の曲率で湾曲した矩形状の鋼板で構成される。このスキンプレート１２の板厚ｔは，例えば３〜５ｍｍであり，その軸方向の幅（セグメント幅ｂ）は，例えば７５０〜１２００ｍｍであり，その周方向の長さ（鋼製セグメント１０の外周弧長Ｓｏ）は，例えば１２００〜３６００ｍｍである。かかるスキンプレート１２は，鋼製セグメント１０の外周側に配設され，トンネル内面の土砂の崩壊を抑えて，外荷重を主桁１４，縦リブ１８に伝達するとともに，該外荷重の一部を支持する機能を有する。
【００３５】
主桁１４（外主桁１４Ａ，１４Ｂ）は，断面が例えば略矩形状の鋼板であり，スキンプレート１２の曲率に応じて湾曲した円弧形状を有する。この主桁１４の厚さｔｒは，例えば１０〜３２ｍｍであり，高さｈは，例えば７５〜３５０ｍｍである。この主桁１４は，スキンプレート１２の内周面１２ａにおける軸方向両側の端部に，周方向に沿って溶接固定される。かかる主桁１４は，鋼製セグメント１０の耐荷機構における主メンバーをなし，スキンプレート１２，縦リブ１８から伝達される荷重を最終的に支持する機能を有する。
【００３６】
また，本実施形態にかかる２本の主桁１４は，鋼製セグメント１０の軸方向の両端に配置されており，その外側面１４ａは，軸方向に隣接する他の鋼製セグメント１０との接合端面となる。さらに，主桁１４には，複数（例えば４つ）のボルト孔１１が所定間隔で貫通形成されている。このため，かかるボルト孔１１に挿通されるボルトによって，トンネルの軸方向に相隣接する２つの鋼製セグメント１０を，相互にボルト接合することができる。
【００３７】
継手板１６は，断面が例えば略矩形状の平坦な鋼板である。この継手板１６の厚さｔｊ及び高さｈｊは，例えば，上記主桁１４の厚さｔｒ及び高さｈと同程度である。この継手板１６は，スキンプレート１２の内周面１２ａにおける周方向両端部に軸方向に沿って溶接固定される。かかる継手板１６は，鋼製セグメント１０の軸方向の両端に配置されており，その外側面１６ａは，周方向に隣接する他の鋼製セグメント１０との接合端面となる。さらに，継手板１６には，複数（例えば４つ）のボルト孔１５が所定間隔で貫通形成されている。このため，かかるボルト孔１５に挿通されるボルトによって，トンネルの周方向に相隣接する２つの鋼製セグメント１０を，相互にボルト接合することができる。
【００３８】
縦リブ１８は，例えば断面略Ｌ字状に折り曲げ加工された鋼板である。この縦リブ１８は，図２Ｃに示すように，例えば，スキンプレート１２に対して略垂直に接合される起立部１８ａと，この起立部１８ａに対して略垂直な平坦部１８ｂとからなる断面略Ｌ字形の構造を有する。この縦リブ１８の厚さｔＳは，例えば７〜１２ｍｍであり，幅ｂＳ（平坦部１８ｂの幅）は，例えば７２〜８９ｍｍである。また，縦リブ１８の高さｈＳ（起立部１８ａの高さ）は，例えば６８〜３４３ｍｍであり，主桁１４の高さｈよりも所定長（例えば７ｍｍ程度）だけ低くなるように調整されている。これにより，スキンプレート１２の内周面１２ａ上に，主桁１４及び縦リブ１８を起立させて配設した場合には，縦リブ１８の平坦部１８ｂ上面が，主桁１４の内周側の端面１４ｃよりも上記所定長だけ窪んだ位置（スキンプレート１２側）に位置付けられる。この結果，後述する補強部材２０を設置したときに，内フランジ２２が，主桁の端面１４ｃよりも突出しないように，例えば，内フランジ２２の内周面と主桁の端面１４ｃとを相互に面一にすることができる。
【００３９】
かかる構成の複数の縦リブ１８は，スキンプレート１２の内周面１２ａ上に，主桁１４に対して垂直な方向（即ち，軸方向）に延びるように配設され，軸方向両側に配置され相互に対向する２本の主桁１４を軸方向に連結する。この際，複数本（図２の例では３本）の縦リブ１８が，スキンプレート１２に沿って所定間隔で，相互に平行に配列される。なお，縦リブ１８の設置本数は，上記３本の例に限定されず，セグメント外径ＤＯ，要求される鋼製セグメント１０の強度等に応じて，任意の複数本の縦リブ１８を設置してもよい。
【００４０】
以上のような縦リブ１８は，シールド掘削機のシールド推進のためのジャッキの反力を受ける機能のみならず，セグメントリング１の耐荷機構として，荷重の伝達部材及び座屈防止材としても機能する。また，この縦リブ１８は，後述する補強部材２０の内フランジ２２を溶接固定するための支持台としても機能する。
【００４１】
以上のようなスキンプレート１２，主桁１４，継手板１６，及び縦リブ１８を相互に接合することによって，内周側の一面が開放された箱型構造を有する鋼製セグメント１０が組み立てられる。
【００４２】
さらに，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，図２Ａ〜Ｃに示すように，鋼製セグメント１０の内周側に，２本の補強部材２０が取り付けられる点が特徴的である。以下に，この補強部材２０について詳細に説明する。
【００４３】
補強部材２０は，鋼製セグメント１０の内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジ２２と，内フランジ２２の外周面２２ａとスキンプレート１２の内周面１２ａとを連結する複数の連結リブ２４と，から構成される。
【００４４】
内フランジ２２は，例えば，鋼製セグメント１０の内径に応じた曲率で湾曲した帯状鋼板で構成される。この内フランジ２２の板厚ｔｆは，例えば３〜２０ｍｍ（特に６〜８ｍｍ）である。また，内フランジ２２の長手方向の長さ（周方向に沿った長さ）は，鋼製セグメント１０の内周弧長Ｓｉと同程度であり，例えば１１００〜３３００ｍｍである。また，内フランジ２２の幅ｔｆは，例えば８０〜２００ｍｍ程度であり，内フランジ１２の板厚ｔｆの例えば１２．５倍程度とすることができる。
【００４５】
かかる内フランジ２２は，鋼製セグメント１０の内周側における２つの主桁１４間に，該主桁１４と例えば平行となるように配設される。具体的には，内フランジ２２は，鋼製セグメント１０の周方向両端に配置された一対の継手板１６を，鋼製セグメント１０の内周側で連結するようにして架け渡され，この一対の継手板１６間に平行に配列された複数の縦リブ１８に接合される。このように配設するために，例えば，内フランジ２２の長手方向の両端面２２ｂは，上記各継手板１６の内側面１６ｂにそれぞれ溶接固定され，内フランジ２２のうち上記各縦リブ１８の平坦部１８ｂに接触する部分は，当該各平坦部１８ｂに対して溶接固定されている。
【００４６】
連結リブ２４は，例えば略矩形状の鋼板で構成され，上記内フランジ２２とスキンプレート１２とを連結する機能を有する。この連結リブ２４の板厚は，例えば３〜２０ｍｍ（特に６〜８ｍｍ）であり，連結リブ２４の高さは，例えば上記縦リブの高さｈＳと同程度であり，連結リブ２４の幅は，例えば，相隣接する縦リブ１８の間隔未満である。
【００４７】
また，かかる連結リブ２４は，内フランジ２２の湾曲形状に応じて湾曲した第１の端面２４ａと，この第１の端面２４ａと対向し，スキンプレート１２の湾曲形状に応じて湾曲した第２の端面２４ｂとを有する。この連結リブ２４は，第１の端面２４ａ側で内フランジ２２の外周面２２ａに溶接固定され，第２の端面２４ｂ側でスキンプレート１２の内周面１２ａに溶接固定される。
【００４８】
この連結リブ２４は，例えば，内フランジ２２の外周面２２ａに，所定間隔で複数設置される。この連結リブ２４の設置数は，例えば上記縦リブ１８の設置数に応じて決定され，具体的には，縦リブ１８の設置数＋１に決定される。例えば，図２の例では，縦リブ１８の設置数が３本であり，この３本の縦リブ１８によって，箱型構造の鋼製セグメント１０の内部空間は，４つの小空間（相隣接する縦リブ１８間の空間，或いは，縦リブ１２と継手板１６との間の空間）に区分されている。そこで，該４つの小空間内でそれぞれ，内フランジ２２とスキンプレート１２とを連結するために，４つの連結リブ２４が設置されている。勿論，縦リブ１８の設置数は，上記例に限定されず，縦リブ１８の設置数に応じて，例えば，２つ，３つ，５つ以上であってもよい。
【００４９】
また，内フランジ２２に対する各縦リブ１８の設置位置は，図２Ｂ及びＣに示すように，補強部材２０を鋼製セグメント１０に取り付けた時に，各縦リブ１８が，上記各小空間の中央部（つまり，相隣接する縦リブ１８間の中央部，縦リブ１２と継手板１６との間の中央部）に配置されるように調整されている。また，各連結リブ２４は，主桁１４と平行となるような向きで周方向に沿って一列に配設される。
【００５０】
このような設置数及び配置で各連結リブ２４を設置することにより，内フランジ２２とスキンプレート１２とを周方向に沿って均等に連結できる。なお，連結リブ２４は，内フランジ２２に対し，主桁１４と垂直となるような向きで配設されてもよいし，或いは，周方向に沿って複数列で又はジグザグに並ぶように配設されてもよい。
【００５１】
以上のような内フランジ２２および連結リブ２４からなる補強部材２０は，鋼製セグメント１０の内周側に周方向に沿って，例えば，主桁１４と平行となるようにして，１又は２本以上取り付けられる。図２の例では，２本の補強部材２０が，鋼製セグメント１０の内周側における２本の主桁１４間に，軸方向に均等な間隔で取り付けられている。
【００５２】
以上，第１の実施形態にかかる鋼製セグメント１０の構成について説明した。上記のように，第１の実施形態では，例えば２本の補強部材２０を鋼製セグメント１０の内周側の主桁１４間に取り付けている。これにより，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，主桁の有効断面に算入することができるようになる（後述の図５（ｃ）参照）。従って，鋼製セグメント１０における主桁の断面性能を向上させることができる。
【００５３】
次に，上記のような鋼製セグメント１０の製造方法について説明する。
【００５４】
まず，上述した鋼製セグメント１０の基本メンバーであるスキンプレート１２と，例えば２本の主桁１４と，一対の継手板１６と，複数本の縦リブ１８とを，例えば隅肉溶接により相互に接合することによって，内周側の一面が開放された箱型構造を有する鋼製セグメント１０を組み立てる（図２Ａ参照）。
【００５５】
具体的には，まず，スキンプレート１２，２本の主桁１４及び２本の継手板１６を，一面が開放された箱形に組み立てて，スキンプレート１２と各主桁１４との接合部，スキンプレート１２と各継手板１６との接合部，並びに各主桁１４と各継手板１６との接合部を，隅肉溶接によりそれぞれ固定する。次いで，この箱型構造の内部に，例えば３本の縦リブ１８を，主桁１４に対して垂直な方向（軸方向）に，相互に所定間隔で配置し，各縦リブ１８の起立部１８ａの端面と，スキンプレート１２の内周面１２ａとを，隅肉溶接により固定するとともに，各縦リブ１８の軸方向両側の端面１８ｃと，各主桁１４の内側面１４ｂとを，隅肉溶接により固定する。
【００５６】
さらに，上記内フランジ２２と複数の連結リブ２４とからなる補強部材２０を，取り付け本数分だけ組み立てる（図２Ａ参照）。具体的には，図２Ａに示すように，上記内フランジ２２の外周面２２ａの所定位置に，複数の連結リブ２４の第１の端面２４ａ側を，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合して，例えば２本の補強部材２０を組み立てる。
【００５７】
なお，上記のような鋼製セグメント１０の箱型構造の組立工程と，上記補強部材２０の組立工程は，どちらを先に行ってもよい。
【００５８】
その後，上記のように組み立てられた２本の補強部材２０を，上記のように箱型に組み立てられた鋼製セグメント１０の内周側の主桁１４間に，周方向に沿って取り付ける。
【００５９】
具体的には，内フランジ２２の長手方向の両端面２２ｂを上記継手板１６の内側面１６ｂに対して，例えば隅肉溶接により接合するとともに，内フランジ２２の胴体部の各箇所を上記各縦リブ１８の平坦部１８ｂに対して，例えば隅肉溶接により接合する。さらに，各連結リブ２４の第２の端面２４ｂ側を，相隣接する縦リブ１８間に位置するスキンプレート１２の内周面１２ａに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合する。この際，２本の内フランジ２２によって鋼製セグメント１０の内周側の面全体が塞がれているわけではなく，２本の内フランジ２２の間，および各内フランジと主桁１４との間には隙間が空いている。このため，作業員は，当該隙間を利用して，スキンプレート１２に対する連結リブ２４の溶接作業を行うことが可能である。なお，上記のような内フランジ２２の溶接工程と，各連結リブ２４の溶接工程の先後は問わない。
【００６０】
このような補強部材２０の取り付け作業は，上記複数箇所を隅肉溶接するだけでよいので，溶接部材数及び溶接箇所数が少なく，容易かつ迅速に実行することができる。従って，当該補強部材２０を備えた鋼製セグメント１０の製造作業は，より多い本数の主桁１４，特に中主桁を備えた鋼製セグメント１０を製造する作業と比して，作業員の加工手間，難易度，及び加工コストを大幅に低減することができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
次に，図３Ａ，Ｂに基づいて，本発明の第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０について説明する。図３Ａ，Ｂは，第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図と，組立斜視図である。なお，第２の実施形態は，上述した第１の実施形態と比べて，補強部材２０の設置本数が異なるのみであり，その他の機能構成および製造方法は，上記第１の実施形態と同一であるので，詳細説明は省略する。
【００６２】
図３Ａ，Ｂに示すように，第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，２本主桁の鋼製セグメントであり，この鋼製セグメント１０の内周側には，１本の補強部材２０が周方向に沿って取り付けられている。この１本の補強部材２０は，２本の主桁１４（外主桁１４Ａ，１４Ｂ）間の軸方向中心に位置するように配設されている。
【００６３】
このように，補強部材２０を１本のみ設置した場合であっても，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，当該補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，有効断面に算入することができるので，鋼製セグメント１０の主桁１４の断面性能を向上させることができる。この際，内フランジ２２の断面積を大きくしたり，スキンプレート１２の板厚ｔを厚くしたりすれば，主桁の有効断面が増加するので，断面性能をさらに向上させることが可能である。また，この第２の本実施形態では，補強部材２０を１本しか取り付けないので，上記第１の実施形態と比べると，主桁の断面性能は低下するが，補強部材２０の取り付け本数が少ないので，作業員の加工手間をより省力化できるとともに，加工コスト及び材料コストをより低減できる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に，図４Ａ，Ｂに基づいて，本発明の第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０について説明する。図４Ａ，Ｂは，第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図，組立斜視図である。なお，第３の実施形態は，上述した第１の実施形態と比べて，主桁１４の設置本数と縦リブの設置態様が異なるのみであり，その他の機能構成および製造方法は，上記第１の実施形態と同一であるので，詳細説明は省略する。
【００６５】
図４Ａ，Ｂに示すように，第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，相互に平行な３本の主桁１４Ａ〜Ｃを備えた３本主桁の鋼製セグメントである。これら３本の主桁１４Ａ〜Ｃうち，スキンプレート１２の軸方向両端部に配された２本の主桁１４Ａ，Ｂは，上記第１の実施形態の外主桁１４Ａ，１４Ｂと同様の外主桁を構成し，真ん中の１本の主桁１４Ｃは中主桁を構成する。この中主桁１４Ｃの長手方向両端は，一対の継手板１６の内側面１６ｂに，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。
【００６６】
また，中主桁１４Ｃと一方の外主桁１４Ａとの間には，セグメント幅ｂの約半分の長さの複数の縦リブ１８Ａが所定間隔で平行に配設され，さらに，中主桁１４Ｃと他方の外主桁１４Ｂとの間には，セグメント幅ｂの約半分の長さの複数の縦リブ１８Ｂが，上記縦リブ１８Ａと同列に配設されている。これらの各縦リブ１８Ａ，１８Ｂの一端は，中主桁１４Ｃの各側面１４ｄに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合され，各縦リブ１８Ａ，１８Ｂの他端は，外主桁１４の内側面１４ｂに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。また，これらの各縦リブ１８Ａ，１８Ｂは，上述した縦リブ１８と同様，鋼板を折り曲げ加工して形成され，起立部１８ａと平坦部１８ｂとからなる断面略Ｌ字形の構造を有している。
【００６７】
このような３本主桁の鋼製セグメント１０の内周側に，２本の補強部材２０が取り付けられている。一方の補強部材２０は，中主桁１４Ｃと一方の外主桁１４Ａとの間の中央に，他方の補強部材２０は，中主桁１４Ｃと他方の外主桁１４Ｂとの間の中央に，周方向に沿ってそれぞれ取り付けられている。各補強部材２０の内フランジ２２は，各縦リブ１８Ａ又は１８Ｂの平坦部１８ｂと，継手板１６に対して，例えば隅肉溶接により接合されている。また，各補強部材２０の各連結リブ２４は，相隣接する縦リブ１８Ａ又は１８Ｂ間，若しくは縦リブ１８Ａ又は１８Ｂと継手板１６との間において，スキンプレート１２の内周面１２ａに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。
【００６８】
このようにして，３本主桁の鋼製セグメント１０の相対向する主桁１４間に，補強部材２０をそれぞれ１本ずつ，合計２本取り付けることによって，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，当該補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，有効断面に算入することができる。このため，主桁の有効断面積が増加するので，鋼製セグメント１０の主桁の断面性能を向上させることができる。第３の本実施形態では，３本主桁の鋼製セグメント１０に強部材２０を２本取り付けるので，上記第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０と比べて，より高い断面性能を発揮することが可能である。
【００６９】
以上，本発明の第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０についてそれぞれ説明した。上記実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，鋼製セグメント１０の内周側において，主桁１４自体に直接的に内フランジを取り付けるのではなく，主桁１４の間で主桁１４と離隔した箇所に，１本又は複数本の内フランジ２２を取り付け，該内フランジ２２とスキンプレート１２を複数の連結リブ２４で連結している。これにより，補強材としての内フランジ２２の断面だけではなく，当該内フランジ２２に対して連結リブ２４を介して連結されている部分（主桁１４から離隔した部分）のスキンプレート１２の断面をも有効利用して，主桁の有効断面を増大させることができる。従って，鋼製セグメント１０の主桁の断面性能を向上させ，セグメントリング１の耐荷性能を向上できる。
【００７０】
（主桁の応力計算）
次に，上記のような第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０の断面性能が向上されていることを説明するため，鋼製セグメントの設計における主桁の応力計算の手法について説明する。
【００７１】
鋼製セグメントには，スキンプレートの外側から土水圧などの荷重が作用するが，この外荷重は，主に，主桁が受け持つことになる。そこで，鋼製セグメントの設計時には，主桁を，上記荷重による曲げモーメントＭと軸力Ｎを受ける真直梁として考えて，下記の主桁の応力計算式（数式１）に基づいて，最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）が計算される。
【００７２】
【数１】
・・・（数式１）
【００７３】
この数式１において，
σｏ ：外縁応力度（Ｎ／ｍｍ２）
σｉ ：内縁応力度（Ｎ／ｍｍ２）
Ｎ ：セグメントリングの軸力（Ｎ）
Ｍ ：セグメントリングの曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）
Ａ ：主桁の有効断面積（ｍｍ２）
ＺＯ ：外縁側断面係数（ｍｍ３）
Ｚｉ ：内縁側断面係数（ｍｍ３）
である。
【００７４】
また，上記数式式１における外縁側断面係数ＺＯ及び内縁側断面係数Ｚｉは，断面二次モーメントＩ，外縁側図心距離ｙＯ及び内縁側図心距離ｙｉを用いて，下記の数式２で算出される。
【００７５】
【数２】
・・・（数式２）
【００７６】
この場合，上記数式１によって算出される最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）が，それぞれ，鋼製セグメント１０の材料特性等によって定まる許容応力度σｏｍａｘ，σｉｍａｘ以下となるように設計しなければならない。当該最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）を小さくするためには，数式１によれば，主桁の有効断面積Ａを大きくする，外縁側断面係数ＺＯを大きくする，或いは，内縁側断面係数Ｚｉを小さくする必要であることが分かる。
【００７７】
また，上記数式１に基づく主桁の応力計算に用いる主桁の断面性能は，「トンネル標準示方書（シールド工法編）第５１条」の規定に従って，図５（ａ）（ｂ）に示す斜線部分を有効断面として定める。つまり，数式１における主桁の有効断面積Ａは，図５（ａ）（ｂ）に示す斜線部分の面積の合計に決定される。なお，図５（ａ）は，従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０の軸方向（セグメント幅方向）の断面を示し，図５（ｂ）は，従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０の軸方向の断面を示す。
【００７８】
また，この図５において，
ｂ ：セグメント幅
ｈ ：主桁の高さ
ｔｒ ：主桁の厚さ
ｔ ：スキンプレートの厚さ
ＹＯ ：外縁側図心距離
Ｙｉ ：内縁側図心距離
ｎ−ｎ：主桁有効断面の図心線
ｆ ：内フランジの高さ
ｔｆ ：内フランジの厚さ
である。
【００７９】
具体的には，図５（ａ）に示す従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０の場合，主桁の有効断面積Ａには，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面積（ｈ×ｔｒ）だけでなく，スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）が含まれる。このスキンプレート１２の両側部分１２ｂは，各外主桁１４Ａ，１４Ｂが接合されているスキンプレート１２の端部から，軸方向に所定幅（２５ｔ）の範囲内にある部分である。
【００８０】
さらに，図５（ｂ）に示す従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０の場合，主桁の有効断面積Ａには，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面及び１本の中主桁１４Ｃの断面だけでなく，上記スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）と，スキンプレート１２の中央部分１２ｃの断面積（５０ｔ×ｔ）とが含まれる。このスキンプレート１２の中央部分１２ｃは，中主桁１４Ｃが接合されているスキンプレート１２の中央部両側で，所定幅（５０ｔ）の範囲内にある部分である。
【００８１】
このように，主桁の有効断面には，スキンプレート１２と主桁１４とが溶接などにより強固に固定されていることを条件として，スキンプレート１２の一部１２ｂ，１２ｃの断面を算入できる。この理由は，主桁１４にスキンプレート１２が固定されているときは，そうでないときよりも，主桁１４の強度が向上するからである。また，このように有効断面に算入できるスキンプレート１２の部分１２ｂ，１２ｃの寸法は，スキンプレート１２の厚さｔが大きいほど大きくなる。
【００８２】
ところで，上述したように，主桁の最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）を小さくして断面性能を向上させるための手法の一つとしては，図５に示したような主桁の有効断面積Ａを大きくする手法が考えられる。有効断面積Ａを大きくするためには，主桁１４の厚さｔｒやスキンプレート１２の厚さｔを大きくすればよいが，材料コスト面や設置スペース面での制約があり，無制限に大きくすることはできない。また，主桁１４の設置本数を増加させる手法も考えられるが，図５（ｂ）に示すような中主桁１４Ｃを有する鋼製セグメント２１０は，製造加工が困難であり，製造コストが増加するという問題があった。
【００８３】
そこで，上述した本発明の第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，主桁厚ｔｒやスキンプレート厚ｔ，主桁設置数を増加させるのではなく，補強部材２０を取り付けることによって，主桁の有効断面積Ａを増大させ，主桁の断面性能を向上させている。
【００８４】
具体的には，図５（ｃ）は，上記第１の実施形態にかかる２本の補強部材２０が取り付けられた２本主桁の鋼製セグメント１０の断面を示す。図５（ｃ）に示すように，鋼製セグメント１０に，内フランジ２２及び連結リブ２４からなる補強部材２０を取り付けることによって，主桁の有効断面積には，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面積（ｈ×ｔｒ），スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）だけでなく，２本の内フランジ２２の断面積（ｆ×ｔｆ），さらには，当該内フランジ２２と連結リブ２４を介して連結されているスキンプレート１２の部分１２ｄの断面積（２５ｔ×ｔ）もが含まれるようになる。このスキンプレート１２の部分１２ｄは，スキンプレート１２における連結リブ２４の接合箇所から軸方向両側に，所定の有効幅（例えば２５ｔ）の範囲内にある部分である。このスキンプレート１２の部分１２ｄは，主桁１４Ａ，１４Ｂから離隔した箇所にあり，図５（ａ）の従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０では，有効断面に算入されなかった部分である。
【００８５】
このように，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，主桁の有効断面に，内フランジ２２の断面と，この補強部材２０に対応するスキンプレート１２の部分１２ｄの断面とを算入することができる。このため，例えば，主桁１４及びスキンプレート１２の寸法が同一である場合に，図５（ｃ）の例の補強部材２０付きの鋼製セグメント１０の有効断面積Ａは，図５（ａ）に示す従来の２本主桁の鋼製セグメント１０の有効断面積Ａと比べて約１．５倍程度と大幅に大きくなっており，図５（ｂ）に示す従来の３本主桁の鋼製セグメント１０の有効断面積Ａと比べても同程度となっている。
【００８６】
なお，ここでは，当該スキンプレート１２の部分１２ｄの有効幅として，本願発明者らによる実験及び研究により得られた値である「２５ｔ」の例を挙げた。しかし，この有効幅「２５ｔ」の「２５」という係数値は，最低限確保可能な有効幅を示す値であり，本発明はかかる例に限定されない。例えば，当該部分１２ｄの有効幅「βｔ」を表す計数値βは，より大きい値（例えば，β＝３０，３５，４０又は５０など）に設定することも可能である。
【００８７】
このように，本実施形態では，主桁を追加設置する場合と比べて設置が容易な補強部材２０を取り付けるだけで，主桁の有効断面積Ａを増大させることができる。このため，簡易な構造により，主桁の断面性能を向上させ，鋼製セグメント１０の耐荷性能を高めることができる。
【００８８】
従って，鋼製セグメント１０の主桁１４の設置数を減少させたとしても，上記補強部材２０の補強作用により，主桁設置数が多い鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。例えば，図２Ｂに示したような２本の補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０であっても，補強部材２０が取り付けられていない３本主桁の鋼製セグメント２１０（図５（ｂ）参照）と比べて，同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。同様に，図３Ｂに示したような２本の補強部材２０付きの３本主桁の鋼製セグメント１０であっても，補強部材２０が取り付けられていない４本主桁の鋼製セグメント（図示せず。）と比べて，同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。
【００８９】
よって，鋼製セグメント１０の主桁１４の設置数を低減することができるので，鋼製セグメント１０の製造加工作業を容易かつ迅速に実行でき，加工コストを低減できる。さらに，鋼製セグメント１０の重量及び鋼材使用量も低減でき，材料コストを低減できる。よって，加工作業が容易な鋼製セグメント１０を低コストで製造できるので，生産性を大幅に向上させることができる。特に，２本主桁の鋼製セグメント１０に補強部材２０を取り付けた場合には，中主桁を有さない簡易な構造であるにもかかわらず，十分な強度が得られるので，加工作業が困難で加工精度も求められる３本主桁の鋼製セグメント２１０と比べて，加工作業の容易さ，加工コスト及び材料コストの面で大いに有益である。
【実施例】
【００９０】
次に，本発明の実施例について説明する。以下の実施例は，上記第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０（実施例），従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０（比較例１），及び従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０（比較例２）を，相互に同程度の断面性能を有するように設計した結果を示すものである。なお，以下の実施例に使用した各数値は，あくまで参考値であり，本発明は，以下の実施例に限定されるものではない。
【００９１】
まず，本実施例の設計条件について説明する。本実施例では，主桁１４やスキンプレート１２等の各部材の寸法を多様に変化させて，当該各寸法に基づいて算出される上記有効断面積Ａ，外縁側断面係数ＺＯ，内縁側断面係数Ｚｉと，設定した軸力Ｎと曲げモーメントＭとを用いて，上記数式１に従って外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉをそれぞれ算出して，発生応力度照査を行った。そして，この外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉが，上記許容応力度度σｏｍａｘ，σｉｍａｘ以下となるように，上記各部材の寸法を設計した。この設計では，比較例１，２，及び本実施例にかかる鋼製セグメント１０における主桁の有効断面を，上記図５（ａ）〜（ｃ）の斜線部分の断面に設定して，設計を行った。
【００９２】
なお，上記設計では，設定する軸力Ｎと曲げモーメントＭの大きさによって，発生応力度に対して有効断面積Ａが大きく影響するか，或いは，断面係数ＺＯ，Ｚｉが大きく影響するかは様々である。このため，下記表２に示す各設計値は，ある程度の傾向を表す一例にすぎず，本発明は，以下の実施例に限定されるものではない。
【００９３】
このようにして，本主桁の鋼製セグメント１１０（比較例１）と，従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０（比較例２）と，本実施例に係る２本の補強部材２０が取り付けられた２本主桁の鋼製セグメント１０（実施例）を設計した。この設計は，下記の表１に示すようなセグメント外径ＤＯが異なる４種類のタイプ（Ｓ３７，Ｓ４９，Ｓ６３，Ｓ７２〜の鋼製セグメントについて，それぞれ行った。なお，この鋼製セグメント１０のタイプＳ３７，Ｓ４９，Ｓ６３，Ｓ７２は，土木学会・日本下水道協会共編「シールド工事用標準セグメント」（平成１３年７月１日改正）の規定による標準鋼製セグメントの形状・寸法に従う物である。以上のような設計結果を表２に示す。
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【００９６】
以下に，表２に基づいて，相互にほぼ同一の断面性能を有するように設計された比較例１，２の鋼製セグメント１１０，２１０と，本実施例の鋼製セグメント１０とを比較する。
【００９７】
まず，本実施例にかかる補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０と，比較例１にかかる２本主桁の鋼製セグメント１１０とを比較する。表２に示すように，本実施例の鋼製セグメント１０では，比較例１の鋼製セグメント１１０と比べて，主桁１４の厚さｔｒが約半分程度で済む。この結果，補強部材２０を追加設置したとしても，本実施例の鋼製セグメント１０の１リング当たりの重量は，比較例１と比べて，約８５〜９３％（平均で約８７．５％）あり，大幅に低減されている。従って，２本主桁の鋼製セグメントを製造する場合には，比較例１のような厚い主桁１４を用いるよりも，本実施例のように補強部材２０を取り付けた方が，鋼材使用量を低減して，材料コストを大幅に削減できるので，経済性に優れるといえる。
【００９８】
次に，本実施例にかかる補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０と，比較例２にかかる３本主桁の鋼製セグメント２１０とを比較する。まず，特筆すべきは，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント１０と比べて，主桁設置本数が一本少ないにもかかわらず，同等の断面性能を発揮している点である。上述したように，中主桁１４Ｃを備えた３本主桁の鋼製セグメント２１０は，主桁１４の設置本数が多いばかりか，縦リブ１８の設置本数も多いため，溶接箇所数が増え，各部材の加工精度も要求される。このため，３本主桁の鋼製セグメント２１０は，２本主桁の鋼製セグメント１１０と比べて，製造加工が困難であり，加工コストが増大するという短所があった。
【００９９】
しかし，本実施例のように，２本主桁の鋼製セグメント１０で，３本主桁の鋼製セグメント２１０と同程度の断面性能を発揮することができれば，中主桁１４Ｃを設置しなくて済むので，溶接箇所数を削減でき，加工精度も３本主桁の場合ほど要求されなくなる。従って，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント２１０よりも，鋼製セグメントの製造加工作業が容易になり，加工コストを削減することができ，製作性に優れるといえる。
【０１００】
さらに，本実施例の鋼製セグメント１０は，比較例２の鋼製セグメント２１０と比べて，スキンプレート厚ｔが同程度であるにもかかわらず，主桁厚ｔｒが１３〜３４％程度も薄くなっており，さらに，主桁１４の設置数も１本少ない。この結果，補強部材２０を追加設置したとしても，本実施例の鋼製セグメント１０の１リング当たりの重量は，比較例２と比べて，約９６％前後であり，若干低減されている。従って，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント２１０よりも，鋼材使用量を低減して，材料コストを削減でき，経済性に優れるといえる。
【０１０１】
以上の実施例で説明したように，本発明の第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０によれば，構造設計における主桁１４の有効断面に算入できるスキンプレート１２の部分を増加させて，セグメントリング１の耐荷性能を向上させることができる。従って，加工コスト及び材料コスト増の原因となる中主桁１４Ｃを有する３本主桁構造の鋼製セグメント２１０と，同等以上の断面性能を有する２本主桁構造の鋼製セグメント１０を実現できる。この２本主桁構造の鋼製セグメント１０は，３本主桁構造の鋼製セグメント２１０よりも，製造加工作業が容易で，より少ない鋼材使用量及び製造コストで製造できるという利点がある。
【０１０２】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想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。
【０１０３】
例えば，縦リブ１８の断面形状は，上記実施形態のような略Ｌ字形の例に限定されず，内フランジ２２を溶接固定可能な形状であれば，例えば，Ｔ字形，コの字形，くの字形，円弧形，鈎形，直線形など，任意の形状であってもよい。
【０１０４】
また，上記実施形態では，鋼製セグメント１０に対する補強部材２０の設置数は１，２本であったが，かかる例に限定されず，鋼製セグメント１０に３本以上の補強部材２０を取り付けて，主桁の断面性能を更に向上させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されたセグメントリングを示す正面図である。
【図２Ａ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図２Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図２Ｃ】図２ＡのＡ−Ａ線での断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図３Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図４Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図５】従来の２本主桁の鋼製セグメント（ａ），従来の３本主桁の鋼製セグメント（ｂ），及び本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメント（ｃ）を示す軸方向の断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ セグメントリング
１０ 鋼製セグメント
１０Ａ Ａセグメント
１０Ｂ Ｂセグメント
１０Ｋ Ｋセグメント
１１ ボルト孔
１２ スキンプレート
１２ａ スキンプレートの内周面
１３ テーパ面
１４ 主桁
１４Ａ，１４Ｂ 外主桁
１４Ｃ 中主桁
１５ ボルト孔
１６ 継手板
１８ 縦リブ
１８ａ 起立部
１８ｂ 平坦部
２０ 補強部材
２２ 内フランジ
２４ 連結リブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鋼製セグメント及びその製造方法に関し，特に，シールドトンネルに使用される鋼製セグメントとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，上下水道，電力・通信ケーブル共同溝，鉄道・道路等に用いられる地下トンネルを構築する方法として，掘削穴の内面に円弧状のセグメントを組み立てて筒状壁体を構築するシールド工法が多用されている。かかるシールド工法では，シールド掘削機によって地盤を掘削しながら，掘削穴内において，複数のセグメントをトンネルの円周方向およびトンネルの軸方向（以下では単に「周方向」，「軸方向」という。）に相互に接合して，断面が円形，矩形等の筒状壁体であるシールドトンネルが構築される。
【０００３】
このようなシールドトンネルに用いられるセグメントのうち鋼製セグメントは，鋼板及び平鋼などを溶接して組み立てられた箱型構造を有するセグメントである。この鋼製セグメントは，一般的に，その外周側に配設される断面円弧状のスキンプレートと，スキンプレートの内側に周方向に沿って配置される複数本（通常２〜３本）の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って配設される一対の継手板とを，一面が開放された箱型に組み立てて，その内側に主桁間を軸方向に連結する縦リブを設置し，これら各部材の接合部を隅肉溶接により接合して製造される。さらに，合成セグメントにあっては，このように製造された鋼製セグメントの内部に，コンクリートを充填して構成される。
【０００４】
かかる鋼製セグメントを用いてシールドトンネルを構築する場合には，軸方向及び周方向に隣接する鋼製セグメント同士の主桁と継手板を，ボルトを用いて相互に連結することによって，複数の鋼製セグメントを隙間無く接合して，トンネル内面が一次覆工される。さらに，二次覆工する場合には，上記一次覆工された鋼製セグメントリングの内周側に，コンクリートが充填される。
【０００５】
このような鋼製セグメントを設計する場合，セグメントリングの耐荷機構としての設計検討に関しては，主桁の有効断面の断面性能を利用して算定していた。つまり，鋼製セグメントの強度は，主として，主桁の有効断面積に依存しており，この主桁の有効断面積は，設計上要求されるセグメントリングの軸力Ｎや曲げモーメントＭの大きさに基づいて決定される。さらに，この主桁の有効断面には，主桁にスキンプレートが強固に溶接されていることを条件として，主桁が接合される箇所周辺のスキンプレートの断面も算入できる。
【０００６】
そこで，鋼製セグメントにおいて，上記のような主桁の断面性能を高めたいときには，主桁の設置本数を増やしたり，主桁の板厚やスキンプレートの板厚を増加させたりしていた。また，断面性能をさらに高めたいときには，主桁の内周側にフランジを取り付けたりもしていた。
【０００７】
ところが，従来の鋼製セグメントでは，主桁の有効断面に着目すると，スキンプレートには当該有効断面に算入されない部分（強度上役に立たない遊び部分）が多く，スキンプレートが強度面では十分に有効利用されていないという問題があった。かかる問題を解決すべく，特許文献１には，スキンプレートを過不足無く有効利用するために，鋼製セグメントのリング幅（セグメント幅）Ｌ，主桁の本数ｎ及びスキンプレートの厚さｔの寸法関係を調整する技術について記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１２０１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで，中小口径のシールドトンネルでは，主桁が２本設置された２本主桁の鋼製セグメントを用いた施工実績が多い。この２本主桁の鋼製セグメントは，主桁本数が少ないため，加工作業が容易であり安価に製造できるので，生産性が良好であり，大量生産に適した構造である。
【００１０】
一方，主桁が３本設置された３本主桁の鋼製セグメントは，上記２本主桁の鋼製セグメントよりも，主桁の設置数が多く断面性能が高いので，外荷重に対する安定性の面では優れている。しかし，この３本主桁の鋼製セグメントは，中主桁を設置する必要があるため，加工作業が高度かつ複雑化して加工コスト及び材料コストが高くなるので，生産性が良好とは云い難く，また，二次覆工をする場合もコンクリートの充填性がやや劣るという短所がある。
【００１１】
このように，主桁本数が多い鋼製セグメントの方が，断面性能が高いが，加工作業が困難で製造コストが高いため，生産性の面で劣るという問題がある。従って，より少ない主桁本数で，高い断面性能を有する鋼製セグメントが希求されていた。主桁本数を増やすことなく，断面性能を高める手法としては，上述した特許文献１に記載のように，強度計算上の無駄が多いスキンプレートの断面を有効利用して，当該断面を主桁の有効断面に極力多く算入できるように設計することが考えられる。
【００１２】
しかし，上述した特許文献１に記載の技術は，３本主桁以上の鋼製セグメントを対象として，主桁の有効断面にスキンプレートを有効利用しようとするものであり，２本主桁の鋼製セグメントに当該技術を適用しようとすると，スキンプレート厚を過度に大きくするか，セグメント幅を非常に狭くする必要があり，施工性を考慮すると非現実的であった。
【００１３】
そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現することによって，製造加工が容易で，加工コストおよび材料コストを削減することが可能な，新規かつ改良された鋼製セグメントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者らは，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現するという技術的課題について，主桁の有効断面に算入できるスキンプレートの断面を増加させるという点に着目して，鋭意研究した結果，以下のような本願発明に想到した。
【００１５】
即ち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメントが提供される。この鋼製セグメントは，１本又は複数本の補強部材を備え，この補強部材は，鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなることを特徴とする。なお，周方向とは，鋼製セグメントを用いて構築されるセグメントリングの円周方向（シールドトンネルの円周方向）であり，軸方向とは，鋼製セグメントを用いて構築されるセグメントリングの軸方向（シールドトンネルの軸方向）である。
【００１６】
かかる構成により，鋼製セグメントの構造設計に用いられる主桁の有効断面に，補強部材の内フランジの断面だけではなく，当該内フランジに対して連結リブを介して連結されている箇所周辺のスキンプレートの断面を算入できるようになる。従って，主桁の有効断面積を増加させて，主桁の断面性能を向上させることができる。よって，主桁本数の少ない鋼製セグメントであっても，より多い主桁本数の鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮できるようになる。この結果，主桁の設置本数を低減できるので，鋼製セグメントの製造時の加工作業が容易になり，加工コストおよび材料コストを低減できる。
【００１７】
また，上記スキンプレートの軸方向両端部に２本の主桁が設置された２本主桁の鋼製セグメントであり，上記補強部材の内フランジは，２本の主桁間に，当該主桁と略平行に設置されるようにしてもよい。２本主桁の鋼製セグメントは，製造コスト及び材料コスト増の原因となる中主桁を具備していないので，３本主桁の鋼製セグメントと比べて，加工作業が容易であり，加工コストおよび材料コストが安価である。このため，２本主桁の鋼製セグメントに上記補強部材を取り付けることによって，３本主桁の鋼製セグメントと同等以上の断面性能を有する２本主桁の鋼製セグメントを，低コストで製造できる。なお，この場合，複数本の補強部材を，２本の主桁間に所定間隔で相互に平行に取り付けてもよく，これにより，スキンプレートの広い範囲を均等に有効利用できる。
【００１８】
また，上記鋼製セグメントは，スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する主桁を相互に連結する複数の縦リブをさらに備え，上記内フランジは，当該各縦リブにそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，鋼製セグメントの内周側に内フランジを安定的に取り付けることができる。
【００１９】
また，上記各縦リブは，スキンプレートに接合される起立部と，起立部に対して略垂直な平坦部とからなる断面略Ｌ字形の構造を有し，内フランジは，各縦リブの平坦部にそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，内フランジと各縦リブの平坦部とを広い面積で接触させて，相互に隅肉溶接等で固定することにより，内フランジをより安定的に固定できる。
【００２０】
また，上記複数の縦リブは，スキンプレートの内周面に所定間隔で配置されており，各連結リブは，複数の縦リブ間でそれぞれ，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結するようにしてもよい。これにより，複数の連結リブを周方向に沿って均等に配置して，スキンプレートと内フランジとを均等に接合できる。
【００２１】
また，上記内フランジの長手方向両端部は，各継手板にそれぞれ接合されるようにしてもよい。これにより，鋼製セグメントの内周に沿って湾曲した形状の帯状鋼板である内フランジを，鋼製セグメントの内周側に安定して固定できる。
【００２２】
また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，（１）鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板とからなる箱型構造の鋼製セグメントを組み立てる工程と；（２）鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，内フランジとスキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を組み立てる工程と；（３）上記組み立てられた補強部材を，上記組み立てられた鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付ける工程と；を含むことを特徴とする，鋼製セグメントの製造方法が提供される。これにより，少ない主桁本数で高い断面性能を発揮する鋼製セグメントを，容易に製造できるとともに，材料使用量と製造コストとを削減できる。従って，高い耐荷性能を有する鋼製セグメントの生産性を向上できる。なお，上記（１）工程と（２）工程は，いずれが先に実行されてもよい。
【００２３】
また，上記取り付け工程では，各連結リブとスキンプレートの内周面とが隅肉溶接され，内フランジの長手方向両端部と前記各継手板とが隅肉溶接されるようにしてもよい。これにより，補強部材を鋼製セグメントに対して，容易かつ安定的に取り付けることができる。
【００２４】
また，上記前記鋼製セグメントは，スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する主桁を連結する複数の縦リブを備え，上記取り付け工程では，内フランジと各縦リブとが隅肉溶接されるようにしてもよい。これにより，補強部材を鋼製セグメントに対して，より安定的に取り付けることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように本発明によれば，鋼製セグメントに補強部材を取り付けることによって，主桁の有効断面を増大させて断面性能を高めることができる。このため，同程度の断面性能を有する鋼製セグメントを，より少ない本数の主桁で実現することができるので，鋼製セグメントの製造が容易になり，加工コストおよび材料コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，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。
【００２７】
（第１の実施形態）
最初に，本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメントおよびその製造方法について説明する。
【００２８】
まず，図１に基づいて，本実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されるシールドトンネルの全体構成について説明する。なお，図１は，本実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されたセグメントリングを示す正面図である。
【００２９】
図１に示すように，シールドトンネルは，断面が例えば円形の筒状壁体であるセグメントリング１を，トンネル軸方向に複数連結して構築される。このセグメントリング１は，例えば３種類の鋼製セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋを組み合わせて構築される。図１の例のセグメントリング１の寸法は，例えば，セグメント外径ＤＯ＝２０００ｍｍ，セグメント幅ｂ＝７５０ｍｍである。かかるセグメントリング１は，例えば，２つのＡセグメント１０Ａと，２つのＢセグメント１０Ｂと，１つのＫセグメント１０Ｋとから構成される。各セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋの中心角θＡ，θＢ，θＫは，それぞれ，例えば８０°，８０°，４０°である。また，各セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋの軸方向の両端面には，複数のボルト孔１１が所定ピッチで形成されている。このボルト孔１１にボルト（図示せず。）を挿入することで，軸方向に相隣接するセグメントを相互に連結できる。図１の例では，このボルトの設置本数は１８本であり，ボルトピッチ中心角θＰは２０°である。
【００３０】
また，Ｂセグメント１０Ｂの周方向の一端面と，Ｋセグメント１０Ｋの周方向の両端面面には，所定の継手角度αｒ（例えば２３°）で傾斜したテーパ面１３が形成されており，２つのＢセグメント１０Ｂの間にＫセグメント１０Ｋを半径方向又は軸方向に挿入できるようになっている。
【００３１】
なお，上記図１の例のセグメントリング１は，５つの鋼製セグメント１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｋに５分割（２Ａ＋２Ｂ＋Ｋ）された構成であるが，本発明はかかる例に限定されない。例えば，セグメントリングは，セグメント外径ＤＯ（例えば１８００〜８３００ｍｍ）の大きさに応じて，例えば，６分割（３Ａ＋２Ｂ＋Ｋ），７分割（４Ａ＋２Ｂ＋Ｋ），８分割（５Ａ＋２Ｂ＋Ｋ）など，任意の数に分割されてもよい。また，ボルトの設置本数も，例えば１８〜５８本など任意に設定可能である。
【００３２】
次に，図２Ａ〜Ｃに基づいて，本実施形態にかかる鋼製セグメントの構成について説明する。図２Ａ〜Ｃは，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図，組立斜視図，Ａ−Ａ線断面図である。なお，以下では，鋼製セグメント１０として，上記Ａセグメント１０Ａの構成例について説明するが，他のＢセグメント１０Ｂ，Ｋセグメント１０Ｋ等も下記のＡセグメント１０Ａと同様にして構成可能であるので，詳細説明は省略する。
【００３３】
図２Ａ〜Ｃに示す鋼製セグメント１０は，鋼板と平鋼を溶接して組み立てられた箱型構造を有し，例えば２本の主桁１４Ａ，１４Ｂを備えた２本主桁の鋼製セグメントとして構成されている。この鋼製セグメント１０は，その外周面を構成するスキンプレート１２と，このスキンプレート１２の軸方向両端部に周方向に沿って設置される一対の外主桁１４Ａ，１４Ｂ（以下では，「主桁１４」と総称する場合もある。）と，スキンプレート１２の周方向両端部に軸方向に沿って配設される一対の継手板１６と，スキンプレート１２の内周面１２ａに軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する２本の主桁１４を連結する複数（例えば３本）の縦リブ１８と，鋼製セグメント１０を補強するための例えば２本の補強部材２０と，から構成される。以下に，この鋼製セグメント１０を構成する各部について詳述する。
【００３４】
スキンプレート１２は，セグメント外径ＤＯに応じた所定の曲率で湾曲した矩形状の鋼板で構成される。このスキンプレート１２の板厚ｔは，例えば３〜５ｍｍであり，その軸方向の幅（セグメント幅ｂ）は，例えば７５０〜１２００ｍｍであり，その周方向の長さ（鋼製セグメント１０の外周弧長Ｓｏ）は，例えば１２００〜３６００ｍｍである。かかるスキンプレート１２は，鋼製セグメント１０の外周側に配設され，トンネル内面の土砂の崩壊を抑えて，外荷重を主桁１４，縦リブ１８に伝達するとともに，該外荷重の一部を支持する機能を有する。
【００３５】
主桁１４（外主桁１４Ａ，１４Ｂ）は，断面が例えば略矩形状の鋼板であり，スキンプレート１２の曲率に応じて湾曲した円弧形状を有する。この主桁１４の厚さｔｒは，例えば１０〜３２ｍｍであり，高さｈは，例えば７５〜３５０ｍｍである。この主桁１４は，スキンプレート１２の内周面１２ａにおける軸方向両側の端部に，周方向に沿って溶接固定される。かかる主桁１４は，鋼製セグメント１０の耐荷機構における主メンバーをなし，スキンプレート１２，縦リブ１８から伝達される荷重を最終的に支持する機能を有する。
【００３６】
また，本実施形態にかかる２本の主桁１４は，鋼製セグメント１０の軸方向の両端に配置されており，その外側面１４ａは，軸方向に隣接する他の鋼製セグメント１０との接合端面となる。さらに，主桁１４には，複数（例えば４つ）のボルト孔１１が所定間隔で貫通形成されている。このため，かかるボルト孔１１に挿通されるボルトによって，トンネルの軸方向に相隣接する２つの鋼製セグメント１０を，相互にボルト接合することができる。
【００３７】
継手板１６は，断面が例えば略矩形状の平坦な鋼板である。この継手板１６の厚さｔｊ及び高さｈｊは，例えば，上記主桁１４の厚さｔｒ及び高さｈと同程度である。この継手板１６は，スキンプレート１２の内周面１２ａにおける周方向両端部に軸方向に沿って溶接固定される。かかる継手板１６は，鋼製セグメント１０の軸方向の両端に配置されており，その外側面１６ａは，周方向に隣接する他の鋼製セグメント１０との接合端面となる。さらに，継手板１６には，複数（例えば４つ）のボルト孔１５が所定間隔で貫通形成されている。このため，かかるボルト孔１５に挿通されるボルトによって，トンネルの周方向に相隣接する２つの鋼製セグメント１０を，相互にボルト接合することができる。
【００３８】
縦リブ１８は，例えば断面略Ｌ字状に折り曲げ加工された鋼板である。この縦リブ１８は，図２Ｃに示すように，例えば，スキンプレート１２に対して略垂直に接合される起立部１８ａと，この起立部１８ａに対して略垂直な平坦部１８ｂとからなる断面略Ｌ字形の構造を有する。この縦リブ１８の厚さｔＳは，例えば７〜１２ｍｍであり，幅ｂＳ（平坦部１８ｂの幅）は，例えば７２〜８９ｍｍである。また，縦リブ１８の高さｈＳ（起立部１８ａの高さ）は，例えば６８〜３４３ｍｍであり，主桁１４の高さｈよりも所定長（例えば７ｍｍ程度）だけ低くなるように調整されている。これにより，スキンプレート１２の内周面１２ａ上に，主桁１４及び縦リブ１８を起立させて配設した場合には，縦リブ１８の平坦部１８ｂ上面が，主桁１４の内周側の端面１４ｃよりも上記所定長だけ窪んだ位置（スキンプレート１２側）に位置付けられる。この結果，後述する補強部材２０を設置したときに，内フランジ２２が，主桁の端面１４ｃよりも突出しないように，例えば，内フランジ２２の内周面と主桁の端面１４ｃとを相互に面一にすることができる。
【００３９】
かかる構成の複数の縦リブ１８は，スキンプレート１２の内周面１２ａ上に，主桁１４に対して垂直な方向（即ち，軸方向）に延びるように配設され，軸方向両側に配置され相互に対向する２本の主桁１４を軸方向に連結する。この際，複数本（図２の例では３本）の縦リブ１８が，スキンプレート１２に沿って所定間隔で，相互に平行に配列される。なお，縦リブ１８の設置本数は，上記３本の例に限定されず，セグメント外径ＤＯ，要求される鋼製セグメント１０の強度等に応じて，任意の複数本の縦リブ１８を設置してもよい。
【００４０】
以上のような縦リブ１８は，シールド掘削機のシールド推進のためのジャッキの反力を受ける機能のみならず，セグメントリング１の耐荷機構として，荷重の伝達部材及び座屈防止材としても機能する。また，この縦リブ１８は，後述する補強部材２０の内フランジ２２を溶接固定するための支持台としても機能する。
【００４１】
以上のようなスキンプレート１２，主桁１４，継手板１６，及び縦リブ１８を相互に接合することによって，内周側の一面が開放された箱型構造を有する鋼製セグメント１０が組み立てられる。
【００４２】
さらに，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，図２Ａ〜Ｃに示すように，鋼製セグメント１０の内周側に，２本の補強部材２０が取り付けられる点が特徴的である。以下に，この補強部材２０について詳細に説明する。
【００４３】
補強部材２０は，鋼製セグメント１０の内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジ２２と，内フランジ２２の外周面２２ａとスキンプレート１２の内周面１２ａとを連結する複数の連結リブ２４と，から構成される。
【００４４】
内フランジ２２は，例えば，鋼製セグメント１０の内径に応じた曲率で湾曲した帯状鋼板で構成される。この内フランジ２２の板厚ｔｆは，例えば３〜２０ｍｍ（特に６〜８ｍｍ）である。また，内フランジ２２の長手方向の長さ（周方向に沿った長さ）は，鋼製セグメント１０の内周弧長Ｓｉと同程度であり，例えば１１００〜３３００ｍｍである。また，内フランジ２２の幅ｔｆは，例えば８０〜２００ｍｍ程度であり，内フランジ１２の板厚ｔｆの例えば１２．５倍程度とすることができる。
【００４５】
かかる内フランジ２２は，鋼製セグメント１０の内周側における２つの主桁１４間に，該主桁１４と例えば平行となるように配設される。具体的には，内フランジ２２は，鋼製セグメント１０の周方向両端に配置された一対の継手板１６を，鋼製セグメント１０の内周側で連結するようにして架け渡され，この一対の継手板１６間に平行に配列された複数の縦リブ１８に接合される。このように配設するために，例えば，内フランジ２２の長手方向の両端面２２ｂは，上記各継手板１６の内側面１６ｂにそれぞれ溶接固定され，内フランジ２２のうち上記各縦リブ１８の平坦部１８ｂに接触する部分は，当該各平坦部１８ｂに対して溶接固定されている。
【００４６】
連結リブ２４は，例えば略矩形状の鋼板で構成され，上記内フランジ２２とスキンプレート１２とを連結する機能を有する。この連結リブ２４の板厚は，例えば３〜２０ｍｍ（特に６〜８ｍｍ）であり，連結リブ２４の高さは，例えば上記縦リブの高さｈＳと同程度であり，連結リブ２４の幅は，例えば，相隣接する縦リブ１８の間隔未満である。
【００４７】
また，かかる連結リブ２４は，内フランジ２２の湾曲形状に応じて湾曲した第１の端面２４ａと，この第１の端面２４ａと対向し，スキンプレート１２の湾曲形状に応じて湾曲した第２の端面２４ｂとを有する。この連結リブ２４は，第１の端面２４ａ側で内フランジ２２の外周面２２ａに溶接固定され，第２の端面２４ｂ側でスキンプレート１２の内周面１２ａに溶接固定される。
【００４８】
この連結リブ２４は，例えば，内フランジ２２の外周面２２ａに，所定間隔で複数設置される。この連結リブ２４の設置数は，例えば上記縦リブ１８の設置数に応じて決定され，具体的には，縦リブ１８の設置数＋１に決定される。例えば，図２の例では，縦リブ１８の設置数が３本であり，この３本の縦リブ１８によって，箱型構造の鋼製セグメント１０の内部空間は，４つの小空間（相隣接する縦リブ１８間の空間，或いは，縦リブ１２と継手板１６との間の空間）に区分されている。そこで，該４つの小空間内でそれぞれ，内フランジ２２とスキンプレート１２とを連結するために，４つの連結リブ２４が設置されている。勿論，縦リブ１８の設置数は，上記例に限定されず，縦リブ１８の設置数に応じて，例えば，２つ，３つ，５つ以上であってもよい。
【００４９】
また，内フランジ２２に対する各縦リブ１８の設置位置は，図２Ｂ及びＣに示すように，補強部材２０を鋼製セグメント１０に取り付けた時に，各縦リブ１８が，上記各小空間の中央部（つまり，相隣接する縦リブ１８間の中央部，縦リブ１２と継手板１６との間の中央部）に配置されるように調整されている。また，各連結リブ２４は，主桁１４と平行となるような向きで周方向に沿って一列に配設される。
【００５０】
このような設置数及び配置で各連結リブ２４を設置することにより，内フランジ２２とスキンプレート１２とを周方向に沿って均等に連結できる。なお，連結リブ２４は，内フランジ２２に対し，主桁１４と垂直となるような向きで配設されてもよいし，或いは，周方向に沿って複数列で又はジグザグに並ぶように配設されてもよい。
【００５１】
以上のような内フランジ２２および連結リブ２４からなる補強部材２０は，鋼製セグメント１０の内周側に周方向に沿って，例えば，主桁１４と平行となるようにして，１又は２本以上取り付けられる。図２の例では，２本の補強部材２０が，鋼製セグメント１０の内周側における２本の主桁１４間に，軸方向に均等な間隔で取り付けられている。
【００５２】
以上，第１の実施形態にかかる鋼製セグメント１０の構成について説明した。上記のように，第１の実施形態では，例えば２本の補強部材２０を鋼製セグメント１０の内周側の主桁１４間に取り付けている。これにより，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，主桁の有効断面に算入することができるようになる（後述の図５（ｃ）参照）。従って，鋼製セグメント１０における主桁の断面性能を向上させることができる。
【００５３】
次に，上記のような鋼製セグメント１０の製造方法について説明する。
【００５４】
まず，上述した鋼製セグメント１０の基本メンバーであるスキンプレート１２と，例えば２本の主桁１４と，一対の継手板１６と，複数本の縦リブ１８とを，例えば隅肉溶接により相互に接合することによって，内周側の一面が開放された箱型構造を有する鋼製セグメント１０を組み立てる（図２Ａ参照）。
【００５５】
具体的には，まず，スキンプレート１２，２本の主桁１４及び２本の継手板１６を，一面が開放された箱形に組み立てて，スキンプレート１２と各主桁１４との接合部，スキンプレート１２と各継手板１６との接合部，並びに各主桁１４と各継手板１６との接合部を，隅肉溶接によりそれぞれ固定する。次いで，この箱型構造の内部に，例えば３本の縦リブ１８を，主桁１４に対して垂直な方向（軸方向）に，相互に所定間隔で配置し，各縦リブ１８の起立部１８ａの端面と，スキンプレート１２の内周面１２ａとを，隅肉溶接により固定するとともに，各縦リブ１８の軸方向両側の端面１８ｃと，各主桁１４の内側面１４ｂとを，隅肉溶接により固定する。
【００５６】
さらに，上記内フランジ２２と複数の連結リブ２４とからなる補強部材２０を，取り付け本数分だけ組み立てる（図２Ａ参照）。具体的には，図２Ａに示すように，上記内フランジ２２の外周面２２ａの所定位置に，複数の連結リブ２４の第１の端面２４ａ側を，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合して，例えば２本の補強部材２０を組み立てる。
【００５７】
なお，上記のような鋼製セグメント１０の箱型構造の組立工程と，上記補強部材２０の組立工程は，どちらを先に行ってもよい。
【００５８】
その後，上記のように組み立てられた２本の補強部材２０を，上記のように箱型に組み立てられた鋼製セグメント１０の内周側の主桁１４間に，周方向に沿って取り付ける。
【００５９】
具体的には，内フランジ２２の長手方向の両端面２２ｂを上記継手板１６の内側面１６ｂに対して，例えば隅肉溶接により接合するとともに，内フランジ２２の胴体部の各箇所を上記各縦リブ１８の平坦部１８ｂに対して，例えば隅肉溶接により接合する。さらに，各連結リブ２４の第２の端面２４ｂ側を，相隣接する縦リブ１８間に位置するスキンプレート１２の内周面１２ａに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合する。この際，２本の内フランジ２２によって鋼製セグメント１０の内周側の面全体が塞がれているわけではなく，２本の内フランジ２２の間，および各内フランジと主桁１４との間には隙間が空いている。このため，作業員は，当該隙間を利用して，スキンプレート１２に対する連結リブ２４の溶接作業を行うことが可能である。なお，上記のような内フランジ２２の溶接工程と，各連結リブ２４の溶接工程の先後は問わない。
【００６０】
このような補強部材２０の取り付け作業は，上記複数箇所を隅肉溶接するだけでよいので，溶接部材数及び溶接箇所数が少なく，容易かつ迅速に実行することができる。従って，当該補強部材２０を備えた鋼製セグメント１０の製造作業は，より多い本数の主桁１４，特に中主桁を備えた鋼製セグメント１０を製造する作業と比して，作業員の加工手間，難易度，及び加工コストを大幅に低減することができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
次に，図３Ａ，Ｂに基づいて，本発明の第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０について説明する。図３Ａ，Ｂは，第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図と，組立斜視図である。なお，第２の実施形態は，上述した第１の実施形態と比べて，補強部材２０の設置本数が異なるのみであり，その他の機能構成および製造方法は，上記第１の実施形態と同一であるので，詳細説明は省略する。
【００６２】
図３Ａ，Ｂに示すように，第２の実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，２本主桁の鋼製セグメントであり，この鋼製セグメント１０の内周側には，１本の補強部材２０が周方向に沿って取り付けられている。この１本の補強部材２０は，２本の主桁１４（外主桁１４Ａ，１４Ｂ）間の軸方向中心に位置するように配設されている。
【００６３】
このように，補強部材２０を１本のみ設置した場合であっても，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，当該補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，有効断面に算入することができるので，鋼製セグメント１０の主桁１４の断面性能を向上させることができる。この際，内フランジ２２の断面積を大きくしたり，スキンプレート１２の板厚ｔを厚くしたりすれば，主桁の有効断面が増加するので，断面性能をさらに向上させることが可能である。また，この第２の本実施形態では，補強部材２０を１本しか取り付けないので，上記第１の実施形態と比べると，主桁の断面性能は低下するが，補強部材２０の取り付け本数が少ないので，作業員の加工手間をより省力化できるとともに，加工コスト及び材料コストをより低減できる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に，図４Ａ，Ｂに基づいて，本発明の第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０について説明する。図４Ａ，Ｂは，第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０を示す分解斜視図，組立斜視図である。なお，第３の実施形態は，上述した第１の実施形態と比べて，主桁１４の設置本数と縦リブの設置態様が異なるのみであり，その他の機能構成および製造方法は，上記第１の実施形態と同一であるので，詳細説明は省略する。
【００６５】
図４Ａ，Ｂに示すように，第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０は，相互に平行な３本の主桁１４Ａ〜Ｃを備えた３本主桁の鋼製セグメントである。これら３本の主桁１４Ａ〜Ｃうち，スキンプレート１２の軸方向両端部に配された２本の主桁１４Ａ，Ｂは，上記第１の実施形態の外主桁１４Ａ，１４Ｂと同様の外主桁を構成し，真ん中の１本の主桁１４Ｃは中主桁を構成する。この中主桁１４Ｃの長手方向両端は，一対の継手板１６の内側面１６ｂに，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。
【００６６】
また，中主桁１４Ｃと一方の外主桁１４Ａとの間には，セグメント幅ｂの約半分の長さの複数の縦リブ１８Ａが所定間隔で平行に配設され，さらに，中主桁１４Ｃと他方の外主桁１４Ｂとの間には，セグメント幅ｂの約半分の長さの複数の縦リブ１８Ｂが，上記縦リブ１８Ａと同列に配設されている。これらの各縦リブ１８Ａ，１８Ｂの一端は，中主桁１４Ｃの各側面１４ｄに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合され，各縦リブ１８Ａ，１８Ｂの他端は，外主桁１４の内側面１４ｂに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。また，これらの各縦リブ１８Ａ，１８Ｂは，上述した縦リブ１８と同様，鋼板を折り曲げ加工して形成され，起立部１８ａと平坦部１８ｂとからなる断面略Ｌ字形の構造を有している。
【００６７】
このような３本主桁の鋼製セグメント１０の内周側に，２本の補強部材２０が取り付けられている。一方の補強部材２０は，中主桁１４Ｃと一方の外主桁１４Ａとの間の中央に，他方の補強部材２０は，中主桁１４Ｃと他方の外主桁１４Ｂとの間の中央に，周方向に沿ってそれぞれ取り付けられている。各補強部材２０の内フランジ２２は，各縦リブ１８Ａ又は１８Ｂの平坦部１８ｂと，継手板１６に対して，例えば隅肉溶接により接合されている。また，各補強部材２０の各連結リブ２４は，相隣接する縦リブ１８Ａ又は１８Ｂ間，若しくは縦リブ１８Ａ又は１８Ｂと継手板１６との間において，スキンプレート１２の内周面１２ａに対して，例えば隅肉溶接によりそれぞれ接合されている。
【００６８】
このようにして，３本主桁の鋼製セグメント１０の相対向する主桁１４間に，補強部材２０をそれぞれ１本ずつ，合計２本取り付けることによって，当該補強部材２０の内フランジ２２の断面と，当該補強部材２０に対応する部分のスキンプレート１２の断面を，有効断面に算入することができる。このため，主桁の有効断面積が増加するので，鋼製セグメント１０の主桁の断面性能を向上させることができる。第３の本実施形態では，３本主桁の鋼製セグメント１０に強部材２０を２本取り付けるので，上記第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０と比べて，より高い断面性能を発揮することが可能である。
【００６９】
以上，本発明の第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０についてそれぞれ説明した。上記実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，鋼製セグメント１０の内周側において，主桁１４自体に直接的に内フランジを取り付けるのではなく，主桁１４の間で主桁１４と離隔した箇所に，１本又は複数本の内フランジ２２を取り付け，該内フランジ２２とスキンプレート１２を複数の連結リブ２４で連結している。これにより，補強材としての内フランジ２２の断面だけではなく，当該内フランジ２２に対して連結リブ２４を介して連結されている部分（主桁１４から離隔した部分）のスキンプレート１２の断面をも有効利用して，主桁の有効断面を増大させることができる。従って，鋼製セグメント１０の主桁の断面性能を向上させ，セグメントリング１の耐荷性能を向上できる。
【００７０】
（主桁の応力計算）
次に，上記のような第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０の断面性能が向上されていることを説明するため，鋼製セグメントの設計における主桁の応力計算の手法について説明する。
【００７１】
鋼製セグメントには，スキンプレートの外側から土水圧などの荷重が作用するが，この外荷重は，主に，主桁が受け持つことになる。そこで，鋼製セグメントの設計時には，主桁を，上記荷重による曲げモーメントＭと軸力Ｎを受ける真直梁として考えて，下記の主桁の応力計算式（数式１）に基づいて，最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）が計算される。
【００７２】
【数１】
・・・（数式１）
【００７３】
この数式１において，
σｏ ：外縁応力度（Ｎ／ｍｍ２）
σｉ ：内縁応力度（Ｎ／ｍｍ２）
Ｎ ：セグメントリングの軸力（Ｎ）
Ｍ ：セグメントリングの曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）
Ａ ：主桁の有効断面積（ｍｍ２）
ＺＯ ：外縁側断面係数（ｍｍ３）
Ｚｉ ：内縁側断面係数（ｍｍ３）
である。
【００７４】
また，上記数式式１における外縁側断面係数ＺＯ及び内縁側断面係数Ｚｉは，断面二次モーメントＩ，外縁側図心距離ｙＯ及び内縁側図心距離ｙｉを用いて，下記の数式２で算出される。
【００７５】
【数２】
・・・（数式２）
【００７６】
この場合，上記数式１によって算出される最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）が，それぞれ，鋼製セグメント１０の材料特性等によって定まる許容応力度σｏｍａｘ，σｉｍａｘ以下となるように設計しなければならない。当該最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）を小さくするためには，数式１によれば，主桁の有効断面積Ａを大きくする，外縁側断面係数ＺＯを大きくする，或いは，内縁側断面係数Ｚｉを小さくする必要であることが分かる。
【００７７】
また，上記数式１に基づく主桁の応力計算に用いる主桁の断面性能は，「トンネル標準示方書（シールド工法編）第５１条」の規定に従って，図５（ａ）（ｂ）に示す斜線部分を有効断面として定める。つまり，数式１における主桁の有効断面積Ａは，図５（ａ）（ｂ）に示す斜線部分の面積の合計に決定される。なお，図５（ａ）は，従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０の軸方向（セグメント幅方向）の断面を示し，図５（ｂ）は，従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０の軸方向の断面を示す。
【００７８】
また，この図５において，
ｂ ：セグメント幅
ｈ ：主桁の高さ
ｔｒ ：主桁の厚さ
ｔ ：スキンプレートの厚さ
ＹＯ ：外縁側図心距離
Ｙｉ ：内縁側図心距離
ｎ−ｎ：主桁有効断面の図心線
ｆ ：内フランジの高さ
ｔｆ ：内フランジの厚さ
である。
【００７９】
具体的には，図５（ａ）に示す従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０の場合，主桁の有効断面積Ａには，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面積（ｈ×ｔｒ）だけでなく，スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）が含まれる。このスキンプレート１２の両側部分１２ｂは，各外主桁１４Ａ，１４Ｂが接合されているスキンプレート１２の端部から，軸方向に所定幅（２５ｔ）の範囲内にある部分である。
【００８０】
さらに，図５（ｂ）に示す従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０の場合，主桁の有効断面積Ａには，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面及び１本の中主桁１４Ｃの断面だけでなく，上記スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）と，スキンプレート１２の中央部分１２ｃの断面積（５０ｔ×ｔ）とが含まれる。このスキンプレート１２の中央部分１２ｃは，中主桁１４Ｃが接合されているスキンプレート１２の中央部両側で，所定幅（５０ｔ）の範囲内にある部分である。
【００８１】
このように，主桁の有効断面には，スキンプレート１２と主桁１４とが溶接などにより強固に固定されていることを条件として，スキンプレート１２の一部１２ｂ，１２ｃの断面を算入できる。この理由は，主桁１４にスキンプレート１２が固定されているときは，そうでないときよりも，主桁１４の強度が向上するからである。また，このように有効断面に算入できるスキンプレート１２の部分１２ｂ，１２ｃの寸法は，スキンプレート１２の厚さｔが大きいほど大きくなる。
【００８２】
ところで，上述したように，主桁の最大応力度（外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉ）を小さくして断面性能を向上させるための手法の一つとしては，図５に示したような主桁の有効断面積Ａを大きくする手法が考えられる。有効断面積Ａを大きくするためには，主桁１４の厚さｔｒやスキンプレート１２の厚さｔを大きくすればよいが，材料コスト面や設置スペース面での制約があり，無制限に大きくすることはできない。また，主桁１４の設置本数を増加させる手法も考えられるが，図５（ｂ）に示すような中主桁１４Ｃを有する鋼製セグメント２１０は，製造加工が困難であり，製造コストが増加するという問題があった。
【００８３】
そこで，上述した本発明の第１〜第３の実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，主桁厚ｔｒやスキンプレート厚ｔ，主桁設置数を増加させるのではなく，補強部材２０を取り付けることによって，主桁の有効断面積Ａを増大させ，主桁の断面性能を向上させている。
【００８４】
具体的には，図５（ｃ）は，上記第１の実施形態にかかる２本の補強部材２０が取り付けられた２本主桁の鋼製セグメント１０の断面を示す。図５（ｃ）に示すように，鋼製セグメント１０に，内フランジ２２及び連結リブ２４からなる補強部材２０を取り付けることによって，主桁の有効断面積には，２本の外主桁１４Ａ，１４Ｂの断面積（ｈ×ｔｒ），スキンプレート１２の両側部分１２ｂの断面積（２５ｔ×ｔ）だけでなく，２本の内フランジ２２の断面積（ｆ×ｔｆ），さらには，当該内フランジ２２と連結リブ２４を介して連結されているスキンプレート１２の部分１２ｄの断面積（２５ｔ×ｔ）もが含まれるようになる。このスキンプレート１２の部分１２ｄは，スキンプレート１２における連結リブ２４の接合箇所から軸方向両側に，所定の有効幅（例えば２５ｔ）の範囲内にある部分である。このスキンプレート１２の部分１２ｄは，主桁１４Ａ，１４Ｂから離隔した箇所にあり，図５（ａ）の従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０では，有効断面に算入されなかった部分である。
【００８５】
このように，本実施形態にかかる鋼製セグメント１０では，主桁の有効断面に，内フランジ２２の断面と，この補強部材２０に対応するスキンプレート１２の部分１２ｄの断面とを算入することができる。このため，例えば，主桁１４及びスキンプレート１２の寸法が同一である場合に，図５（ｃ）の例の補強部材２０付きの鋼製セグメント１０の有効断面積Ａは，図５（ａ）に示す従来の２本主桁の鋼製セグメント１０の有効断面積Ａと比べて約１．５倍程度と大幅に大きくなっており，図５（ｂ）に示す従来の３本主桁の鋼製セグメント１０の有効断面積Ａと比べても同程度となっている。
【００８６】
なお，ここでは，当該スキンプレート１２の部分１２ｄの有効幅として，本願発明者らによる実験及び研究により得られた値である「２５ｔ」の例を挙げた。しかし，この有効幅「２５ｔ」の「２５」という係数値は，最低限確保可能な有効幅を示す値であり，本発明はかかる例に限定されない。例えば，当該部分１２ｄの有効幅「βｔ」を表す計数値βは，より大きい値（例えば，β＝３０，３５，４０又は５０など）に設定することも可能である。
【００８７】
このように，本実施形態では，主桁を追加設置する場合と比べて設置が容易な補強部材２０を取り付けるだけで，主桁の有効断面積Ａを増大させることができる。このため，簡易な構造により，主桁の断面性能を向上させ，鋼製セグメント１０の耐荷性能を高めることができる。
【００８８】
従って，鋼製セグメント１０の主桁１４の設置数を減少させたとしても，上記補強部材２０の補強作用により，主桁設置数が多い鋼製セグメントと同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。例えば，図２Ｂに示したような２本の補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０であっても，補強部材２０が取り付けられていない３本主桁の鋼製セグメント２１０（図５（ｂ）参照）と比べて，同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。同様に，図３Ｂに示したような２本の補強部材２０付きの３本主桁の鋼製セグメント１０であっても，補強部材２０が取り付けられていない４本主桁の鋼製セグメント（図示せず。）と比べて，同等以上の断面性能を発揮することが可能となる。
【００８９】
よって，鋼製セグメント１０の主桁１４の設置数を低減することができるので，鋼製セグメント１０の製造加工作業を容易かつ迅速に実行でき，加工コストを低減できる。さらに，鋼製セグメント１０の重量及び鋼材使用量も低減でき，材料コストを低減できる。よって，加工作業が容易な鋼製セグメント１０を低コストで製造できるので，生産性を大幅に向上させることができる。特に，２本主桁の鋼製セグメント１０に補強部材２０を取り付けた場合には，中主桁を有さない簡易な構造であるにもかかわらず，十分な強度が得られるので，加工作業が困難で加工精度も求められる３本主桁の鋼製セグメント２１０と比べて，加工作業の容易さ，加工コスト及び材料コストの面で大いに有益である。
【実施例】
【００９０】
次に，本発明の実施例について説明する。以下の実施例は，上記第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０（実施例），従来の２本主桁の鋼製セグメント１１０（比較例１），及び従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０（比較例２）を，相互に同程度の断面性能を有するように設計した結果を示すものである。なお，以下の実施例に使用した各数値は，あくまで参考値であり，本発明は，以下の実施例に限定されるものではない。
【００９１】
まず，本実施例の設計条件について説明する。本実施例では，主桁１４やスキンプレート１２等の各部材の寸法を多様に変化させて，当該各寸法に基づいて算出される上記有効断面積Ａ，外縁側断面係数ＺＯ，内縁側断面係数Ｚｉと，設定した軸力Ｎと曲げモーメントＭとを用いて，上記数式１に従って外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉをそれぞれ算出して，発生応力度照査を行った。そして，この外縁応力度σｏ，内縁応力度σｉが，上記許容応力度度σｏｍａｘ，σｉｍａｘ以下となるように，上記各部材の寸法を設計した。この設計では，比較例１，２，及び本実施例にかかる鋼製セグメント１０における主桁の有効断面を，上記図５（ａ）〜（ｃ）の斜線部分の断面に設定して，設計を行った。
【００９２】
なお，上記設計では，設定する軸力Ｎと曲げモーメントＭの大きさによって，発生応力度に対して有効断面積Ａが大きく影響するか，或いは，断面係数ＺＯ，Ｚｉが大きく影響するかは様々である。このため，下記表２に示す各設計値は，ある程度の傾向を表す一例にすぎず，本発明は，以下の実施例に限定されるものではない。
【００９３】
このようにして，本主桁の鋼製セグメント１１０（比較例１）と，従来の３本主桁の鋼製セグメント２１０（比較例２）と，本実施例に係る２本の補強部材２０が取り付けられた２本主桁の鋼製セグメント１０（実施例）を設計した。この設計は，下記の表１に示すようなセグメント外径ＤＯが異なる４種類のタイプ（Ｓ３７，Ｓ４９，Ｓ６３，Ｓ７２〜の鋼製セグメントについて，それぞれ行った。なお，この鋼製セグメント１０のタイプＳ３７，Ｓ４９，Ｓ６３，Ｓ７２は，土木学会・日本下水道協会共編「シールド工事用標準セグメント」（平成１３年７月１日改正）の規定による標準鋼製セグメントの形状・寸法に従う物である。以上のような設計結果を表２に示す。
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【００９６】
以下に，表２に基づいて，相互にほぼ同一の断面性能を有するように設計された比較例１，２の鋼製セグメント１１０，２１０と，本実施例の鋼製セグメント１０とを比較する。
【００９７】
まず，本実施例にかかる補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０と，比較例１にかかる２本主桁の鋼製セグメント１１０とを比較する。表２に示すように，本実施例の鋼製セグメント１０では，比較例１の鋼製セグメント１１０と比べて，主桁１４の厚さｔｒが約半分程度で済む。この結果，補強部材２０を追加設置したとしても，本実施例の鋼製セグメント１０の１リング当たりの重量は，比較例１と比べて，約８５〜９３％（平均で約８７．５％）あり，大幅に低減されている。従って，２本主桁の鋼製セグメントを製造する場合には，比較例１のような厚い主桁１４を用いるよりも，本実施例のように補強部材２０を取り付けた方が，鋼材使用量を低減して，材料コストを大幅に削減できるので，経済性に優れるといえる。
【００９８】
次に，本実施例にかかる補強部材２０付きの２本主桁の鋼製セグメント１０と，比較例２にかかる３本主桁の鋼製セグメント２１０とを比較する。まず，特筆すべきは，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント１０と比べて，主桁設置本数が一本少ないにもかかわらず，同等の断面性能を発揮している点である。上述したように，中主桁１４Ｃを備えた３本主桁の鋼製セグメント２１０は，主桁１４の設置本数が多いばかりか，縦リブ１８の設置本数も多いため，溶接箇所数が増え，各部材の加工精度も要求される。このため，３本主桁の鋼製セグメント２１０は，２本主桁の鋼製セグメント１１０と比べて，製造加工が困難であり，加工コストが増大するという短所があった。
【００９９】
しかし，本実施例のように，２本主桁の鋼製セグメント１０で，３本主桁の鋼製セグメント２１０と同程度の断面性能を発揮することができれば，中主桁１４Ｃを設置しなくて済むので，溶接箇所数を削減でき，加工精度も３本主桁の場合ほど要求されなくなる。従って，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント２１０よりも，鋼製セグメントの製造加工作業が容易になり，加工コストを削減することができ，製作性に優れるといえる。
【０１００】
さらに，本実施例の鋼製セグメント１０は，比較例２の鋼製セグメント２１０と比べて，スキンプレート厚ｔが同程度であるにもかかわらず，主桁厚ｔｒが１３〜３４％程度も薄くなっており，さらに，主桁１４の設置数も１本少ない。この結果，補強部材２０を追加設置したとしても，本実施例の鋼製セグメント１０の１リング当たりの重量は，比較例２と比べて，約９６％前後であり，若干低減されている。従って，本実施例の２本主桁の鋼製セグメント１０は，比較例２の３本主桁の鋼製セグメント２１０よりも，鋼材使用量を低減して，材料コストを削減でき，経済性に優れるといえる。
【０１０１】
以上の実施例で説明したように，本発明の第１の実施形態にかかる２本主桁の鋼製セグメント１０によれば，構造設計における主桁１４の有効断面に算入できるスキンプレート１２の部分を増加させて，セグメントリング１の耐荷性能を向上させることができる。従って，加工コスト及び材料コスト増の原因となる中主桁１４Ｃを有する３本主桁構造の鋼製セグメント２１０と，同等以上の断面性能を有する２本主桁構造の鋼製セグメント１０を実現できる。この２本主桁構造の鋼製セグメント１０は，３本主桁構造の鋼製セグメント２１０よりも，製造加工作業が容易で，より少ない鋼材使用量及び製造コストで製造できるという利点がある。
【０１０２】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想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。
【０１０３】
例えば，縦リブ１８の断面形状は，上記実施形態のような略Ｌ字形の例に限定されず，内フランジ２２を溶接固定可能な形状であれば，例えば，Ｔ字形，コの字形，くの字形，円弧形，鈎形，直線形など，任意の形状であってもよい。
【０１０４】
また，上記実施形態では，鋼製セグメント１０に対する補強部材２０の設置数は１，２本であったが，かかる例に限定されず，鋼製セグメント１０に３本以上の補強部材２０を取り付けて，主桁の断面性能を更に向上させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメントを用いて構築されたセグメントリングを示す正面図である。
【図２Ａ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図２Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図２Ｃ】図２ＡのＡ−Ａ線での断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図３Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態にかかる鋼製セグメントを示す分解斜視図である。
【図４Ｂ】同実施形態にかかる鋼製セグメントを示す組立斜視図である。
【図５】従来の２本主桁の鋼製セグメント（ａ），従来の３本主桁の鋼製セグメント（ｂ），及び本発明の第１の実施形態にかかる鋼製セグメント（ｃ）を示す軸方向の断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ セグメントリング
１０ 鋼製セグメント
１０Ａ Ａセグメント
１０Ｂ Ｂセグメント
１０Ｋ Ｋセグメント
１１ ボルト孔
１２ スキンプレート
１２ａ スキンプレートの内周面
１３ テーパ面
１４ 主桁
１４Ａ，１４Ｂ 外主桁
１４Ｃ 中主桁
１５ ボルト孔
１６ 継手板
１８ 縦リブ
１８ａ 起立部
１８ｂ 平坦部
２０ 補強部材
２２ 内フランジ
２４ 連結リブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，前記スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，前記スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメントであって：
前記鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を備えることを特徴とする，鋼製セグメント。
【請求項２】
前記スキンプレートの軸方向両端部に２本の前記主桁が設置された２本主桁の鋼製セグメントであり，
前記補強部材の前記内フランジは，前記２本の主桁間に，当該主桁と略平行に設置されることを特徴とする，請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項３】
前記スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する前記主桁を連結する複数の縦リブをさらに備え，
前記内フランジは，前記各縦リブにそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項１または２に記載の鋼製セグメント。
【請求項４】
前記各縦リブは，前記スキンプレートの内周面に接合される起立部と，前記起立部に対して略垂直な平坦部とからなる断面略Ｌ字形の構造を有し，
前記内フランジは，前記各縦リブの前記平坦部にそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項３に記載の鋼製セグメント。
【請求項５】
前記複数の縦リブは，前記スキンプレートの内周面に所定間隔で配置されており，
前記各連結リブは，前記複数の縦リブ間でそれぞれ，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結することを特徴とする，請求項３または４のいずれかに記載の鋼製セグメント。
【請求項６】
前記内フランジの長手方向両端部は，前記各継手板にそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項の１〜５のいずれかに記載の鋼製セグメント。
【請求項７】
鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，前記スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，前記スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板とからなる箱型構造の鋼製セグメントを組み立てる工程と；
前記鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を組み立てる工程と；
前記組み立てられた補強部材を，前記組み立てられた鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付ける工程と；
を含むことを特徴とする，鋼製セグメントの製造方法。
【請求項１】
鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，前記スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，前記スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板と，を組み立てて構成される箱型構造の鋼製セグメントであって：
前記鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を備えることを特徴とする，鋼製セグメント。
【請求項２】
前記スキンプレートの軸方向両端部に２本の前記主桁が設置された２本主桁の鋼製セグメントであり，
前記補強部材の前記内フランジは，前記２本の主桁間に，当該主桁と略平行に設置されることを特徴とする，請求項１に記載の鋼製セグメント。
【請求項３】
前記スキンプレートの内周面に軸方向に沿って設置され，軸方向に相対向する前記主桁を連結する複数の縦リブをさらに備え，
前記内フランジは，前記各縦リブにそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項１または２に記載の鋼製セグメント。
【請求項４】
前記各縦リブは，前記スキンプレートの内周面に接合される起立部と，前記起立部に対して略垂直な平坦部とからなる断面略Ｌ字形の構造を有し，
前記内フランジは，前記各縦リブの前記平坦部にそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項３に記載の鋼製セグメント。
【請求項５】
前記複数の縦リブは，前記スキンプレートの内周面に所定間隔で配置されており，
前記各連結リブは，前記複数の縦リブ間でそれぞれ，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結することを特徴とする，請求項３または４のいずれかに記載の鋼製セグメント。
【請求項６】
前記内フランジの長手方向両端部は，前記各継手板にそれぞれ接合されることを特徴とする，請求項の１〜５のいずれかに記載の鋼製セグメント。
【請求項７】
鋼製セグメントの外周面を構成するスキンプレートと，前記スキンプレートの内周面に周方向に沿って設置される複数本の主桁と，前記スキンプレートの周方向両端部に軸方向に沿って設置される一対の継手板とからなる箱型構造の鋼製セグメントを組み立てる工程と；
前記鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付けられる内フランジと，前記内フランジと前記スキンプレートの内周面とを連結する複数の連結リブとからなる１本又は複数本の補強部材を組み立てる工程と；
前記組み立てられた補強部材を，前記組み立てられた鋼製セグメントの内周側に周方向に沿って取り付ける工程と；
を含むことを特徴とする，鋼製セグメントの製造方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【公開番号】特開２００７−４６３４６（Ｐ２００７−４６３４６Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３２３４４（Ｐ２００５−２３２３４４）
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【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１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【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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