JP7557948B2

JP7557948B2 - セグメント

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Publication number: JP7557948B2
Application number: JP2020044724A
Authority: JP
Inventors: 隆一山口; 亮一清水; 一博小林
Original assignee: IHI Construction Materials Co Ltd
Current assignee: IHI Construction Materials Co Ltd
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-09-30
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2021143576A

Description

本発明は、例えば地中の大深度区間に埋設されている道路トンネル等を含むシールドトンネルの筒状壁体を構成するセグメントにおいて、土圧等の外力が大きくても耐力を確保できるセグメントに関する。

一般に大深度区間に設けられたシールドトンネル等では、土圧や地下水圧、建築物の荷重等がかかるため、トンネル壁体を構成するセグメントに作用する外力が大きくなる。そのため、セグメント本体及び継手部に印加される圧縮応力度が増大する。一方、隣り合うセグメントを連結する継手部は引張部材であり、圧縮力を担保できない。
そのため、ＲＣセグメントを用いた場合には外力に耐え得るように厚さを厚くする必要があり、トンネル外径が大きくなることにより非経済的でコスト高になる。

このような外力に耐えると共にセグメント厚さを大きくしないようにしたセグメントとして、例えば特許文献１に記載された合成セグメントが提案されている。この合成セグメントでは、対向する継手面に露出する圧縮伝達材の間に、上下に配設された板状の鋼板を束材で連結した略Ｈ字状の主鋼材をコンクリートに埋設している。
そして、圧縮伝達材と主鋼材の間にくさび材を介在させて圧縮力を調整することで、外力により対向する端面にかかる圧縮力を圧縮伝達材から主鋼材に分散させることで受け止めることができる。そのため、セグメントに過大な圧縮力がかかることがなく、継手面の圧壊を防止できるとしている。

特許第５２８５９３３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された合成セグメントでは、圧縮伝達材と主鋼材の間にくさび材を逆方向からそれぞれ打ち込んで外力に対向する圧縮力を設定するため、くさび材による圧縮力の調整が煩雑であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、高圧縮力が作用する場合でも、耐圧縮力が大きく強度を補強できるようにしたセグメントを提供することを目的とする。

本発明に係るコンクリート部材は、対向する端面を有するコンクリート部材であって、対向する端面にそれぞれ露出して配設された圧縮伝達材と、対向する圧縮伝達材の間に配設されている鋼部材と、圧縮伝達材に連結されていて鋼部材の間に延びて配設された補強用鋼材と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、コンクリート部材の端面同士が連結された状態で圧縮力がかかった場合、圧縮伝達材に連結された補強用鋼材からコンクリートを介して鋼部材に伝達して分散させることができるので、端面のコンクリートが圧縮力で圧壊されることはなく耐圧縮力と強度が高い。しかも、圧縮伝達材に固定した補強用鋼材を鋼部材の間に配設しているだけなので、補強用鋼材が鋼部材と同一レベルの内外周面側に配設できてコンクリート部材の厚みを増大させることなく高強度が得られる。

また、補強用鋼材は鋼部材と重なる領域に孔が形成されていることが好ましい。
補強用鋼材は鋼部材と重なる領域に孔が形成されているため、荷重伝達効果が向上する上にコンクリートからの脱落防止効果を得られ、コンクリート部材端面近傍の補強効果を向上できる。しかも、補強用鋼材に孔を形成したため、コンクリートを充填する際に補強用鋼材の孔を通してコンクリート部材内部にスムーズに流動させることができる。

また、鋼部材と補強用鋼材の間にコンクリートが充填されていることが好ましい。
鋼部材と補強用鋼材の間にコンクリートを充填することができるため、コンクリートの充填と流動がスムーズで十分な充填ができると共に、荷重を補強用鋼材からコンクリートを介して鋼部材に分散できる。

また、端面にはその上下に圧縮伝達材が配設され、上下の圧縮伝達材にそれぞれ補強用鋼材が連結され、上下の圧縮伝達材及び補強用鋼材の間に継手が設置されていることが好ましい。
端面で連結されたコンクリート部材に圧縮力の荷重が上下いずれの方向から印加されたとしても、上下いずれかの補強用鋼材によって受け止めることができるため継手の周辺を高強度にして継手を保護できる。

本発明によるセグメントは、コンクリート製の継手面及び主桁面で複数個連結されることで略筒状壁体を構築する円弧版状のセグメントであって、対向する継手面にそれぞれ露出して配設された圧縮伝達材と、対向する圧縮伝達材の間に配設されている鋼部材と、圧縮伝達材に固定されていて鋼部材内に延びて配設された補強用鋼材と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、セグメントの端面同士が互いに連結された状態で圧縮力がかかった場合、圧縮伝達材に固定された補強用鋼材からコンクリートを介して鋼部材に伝達して分散させることができるので、大深度区間であっても端面のコンクリートが圧縮力で圧壊されることはなく耐圧縮力と強度が高い。しかも、圧縮伝達材に固定した補強用鋼材を鋼部材の間に挿入したので補強用鋼材を鋼部材と同一レベルの内外周面側に配設できてセグメントの厚みを増大させることなく高強度が得られる。

本発明に係るコンクリート部材及びセグメントによれば、コンクリートの端面を圧縮伝達材で補強できると共に、大きな圧縮力がかかった場合でも圧縮伝達材及び補強用鋼材からコンクリートを介して鋼部材に荷重を分散できるため耐圧縮力が大きく高強度である。
しかも、圧縮伝達材に固定した補強用鋼材を鋼部材の間に挿入したので補強用鋼材を鋼部材と同一レベルの内外周面側に配設できてコンクリート部材及びセグメントの厚みを増大させることなく耐圧縮力を向上できて高強度が得られる。

本発明の実施形態による大深度区間に設置されたトンネルの説明図である。図１に示すトンネルのセグメントを示す斜視図である。セグメントの継手面を示す正面図である。図３に示すセグメントのＡ－Ａ線断面図である。図３に示すセグメントのＢ－Ｂ線断面図である。図３に示すセグメントのＣ－Ｃ線断面図である。図３に示すセグメントのＤ－Ｄ線断面図である。図４のＥ－Ｅ線断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はセグメントの製造工程を示す図である。

以下、本発明の実施形態による大深度区間に適用可能なセグメントについて添付図面を参照して説明する。
図１乃至図９は本発明の実施形態による大深度区間に設置したトンネル１に用いるセグメント２を示すものである。図１に示すトンネル１は地上から例えば７０ｍ以上の深さに設置されており、地上には高層建築物Ｂが構築されている。トンネル１は図２から図８に示す本発明の実施形態によるセグメント２が周方向に連結されたセグメントリング３が軸方向に連結されて筒状壁体を形成している。

地中に埋設されたトンネル１には、土圧の影響に加えて地下水圧や建築物荷重の影響が付与されている。大深度区間では地表面から例えば深さ７０ｍ以上の土圧が印加されている。具体的には、トンネル１の上側と下側から頂部鉛直土圧及び底部鉛直土圧、側部から水平土圧が印加されている。更に、地中を流れる地下水の地下水位の荷重や、地上に設置された高層建築物Ｂの鉛直荷重や側圧が印加されている。
これらの荷重はトンネル１のセグメントリング３のセグメント２同士を連結する継手面７に曲げ圧縮荷重として印加される。各セグメント２はこれらの圧縮荷重に耐え得る構成を必要とされている。

図２及び図３に示すセグメント２はＲＣセグメントである。このセグメント２はコンクリート製のセグメント本体の内部に後述する鉄筋かご１６が配設されて補強されている。セグメント２の側面は略長方形状で平面内で略円弧状に湾曲形成された一対の主桁面６と、長方形に形成された一対の継手面７と、を備えている。セグメント２は全体に略四角形板状で円弧版状に湾曲して形成されている。
セグメント２の外周面８と内周面９はそれぞれ湾曲形成されたコンクリートＣの面である。両側の主桁面６には所定間隔で雄継手からなる継手部１１と雌継手からなる継手部１１がそれぞれ設置されている。両側の継手面７には雄継手としての例えば２組のＭ金物１２と、雌継手としての２組のＦ金物１３がそれぞれ装着されている。なお、継手面７の雄継手や雌継手は１組でもよい。

また、図３に示す継手面７には、Ｍ金物１２及びＦ金物１３を挟んでその上部と下部に鋼板１５が露出して固定されている。上側の鋼板１５は上部鋼板１５ａであり、下側の鋼板１５は下部鋼板１５ｂである。対向する継手面７の間にはコンクリートＣ中に図４、図５、図８に示す鉄筋かご１６が内蔵されている。図４及び図５には鉄筋かご１６の一部が示されている。
Ｍ金物１２及びＦ金物１３には鉄筋かご１６の内部に延びるアンカー筋１４がコンクリートＣ中に固定されている。アンカー筋１４は鉄筋かご１６に固定または接触していてもよいし、非接触でもよい。

図３、図４、図６～図８に示すように、鉄筋かご１６はセグメント２の外周面８側に主桁面６の方向に沿って複数の主鉄筋１８が所定間隔で配列され、内周面９側にも主桁面６の方向に沿って複数の主鉄筋１８が所定間隔で配列されている。これら上下に配列された主鉄筋１８は鋼部材であり、直交する方向に配列された配力筋１９によって囲われて互いに固定されている。配力筋１９は主鉄筋１８の長手方向に沿って所定間隔に複数組設けられている。

図８において、１組の配力筋１９は、上下に配列された複数の主鉄筋１８を全体に囲うように第一の配力筋１９ａが二重に配設されている。２本の第一の配力筋１９ａに接触させて左側の一部の主鉄筋１８を囲うように第二の配力筋１９ｂが配設されている。更に、別の組の第一の配力筋１９ａに接触させて右側の一部の主鉄筋１８を囲うように第三の配力筋１９ｃが配設されている。第一～第三の配力筋１９ａ、１９ｂ、１９ｃは主鉄筋１８に直交する方向にそれぞれ略四角形枠状に巻回されている。上下に配列された各主鉄筋１８と第一～第三の配力筋１９ａ、１９ｂ、１９ｃとは溶接等でそれぞれ連結されている。

継手面７の上下にそれぞれ固定された上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂには、その長手方向にそれぞれ孔あき鋼板ジベル２１、２２が補強用鋼材として溶接等で固定されている。孔あき鋼板ジベル２１、２２は例えば長方形板状であり、その自由端部近傍には脱落防止とコンクリートＣとの連結のために孔２１ａ、２２ａが形成されている。上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂは継手面７の一端から他端まで延びており、その内面に孔あき鋼板ジベル２１、２２が長手方向に沿って所定間隔で例えば櫛刃状に配列されている。
図６及び図７に示すように、上部鋼板１５ａに固定された孔あき鋼板ジベル２１は上部鋼板１５ａの上下方向中央に配設されて、鉄筋かご１６の主鉄筋１８の間に延びている。下部鋼板１５ｂに固定された孔あき鋼板ジベル２２は上部鋼板１５ａの上端部に配設されて、鉄筋かご１６の主鉄筋１８の間に延びている。上部鋼板１５ａと孔あき鋼板ジベル２１、下部鋼板１５ｂと孔あき鋼板ジベル２２は溶接等によって予め一体に連結しておくことが好ましい。

孔あき鋼板ジベル２１、２２は鉄筋かご１６と一部が被っていればよく長手方向の被り長さは適宜設定できるが、本実施形態では鋼板１５側から２本目の配力筋１９に重なる程度に延びている。しかも、孔あき鋼板ジベル２１、２２は鉄筋かご１６の主鉄筋１８及び配力筋１９と非接触に配設されているが、接触していてもよい。孔あき鋼板ジベル２１、２２は鉄筋かご１６と非接触に配設することで、コンクリートＣの打設時におけるコンクリートＣの流入がよりスムーズになる。
そのため、トンネル１のセグメントリング３において、互いに連結されたセグメント２の継手面７同士に外部から土圧等の荷重が印加された場合、互いに当接する上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂにかかる圧縮荷重は孔あき鋼板ジベル２１、２２からコンクリートＣを介して鉄筋かご１６に伝達され、荷重を分担して受けることができる。継手面７から主鉄筋１８の自由端までのコンクリートＣのみの構造について、孔あき鋼板ジベル２１，２２が主鉄筋１８と同等の働きをして補強される。なお、上述した説明では省略されているが、セグメント２の主桁面６と継手面７の上部鋼板１５ａには漏水を防止するためのシール溝とシール部材が設置されていてもよい。

本実施形態によるセグメント２は上述した構成を備えており、次にその製造方法を図９により説明する。
図９（ａ）に示す型枠２５は、セグメント２の内周面９に対向する凸状に湾曲した底盤部２５ａと、対向する主桁面６及び継手面７にそれぞれ対向する４面の側部２５ｂとを有している。型枠２５内に主鉄筋１８と配力筋１９とで格子状に形成された鉄筋かご１６を設置する。

主桁面６に対向する側部２５ｂには雄継手と雌継手をそれぞれネジ等で固定する。型枠２５の継手面７に対向する側部２５ｂの下側に、孔あき鋼板ジベル２２を予め溶接した下部鋼板１５ｂを取り付けてネジ等で固定する。
側部２５ｂの上側には、孔あき鋼板ジベル２１を予め溶接した上部鋼板１５ａを取り付けてネジ等で固定する。その際、孔あき鋼板ジベル２１、２２は鉄筋かご１６の主鉄筋１８の間に進入してその先端部分が主鉄筋１８及び配力筋１９に被るが、主鉄筋１８及び配力筋１９とは非接触に配置する。

次に、図９（ｂ）において、型枠２５内に設置した蓋部２６の中央開口を通してコンクリートＣを充填して打設する。その際、充填されたコンクリートＣは孔あき鋼板ジベル２１、２２と鉄筋かご１６との隙間を流通し、且つ孔あき鋼板ジベル２１、２２の孔２１ａ、２２ａ内を流通することで、型枠２５内で隙間なく充填される。
型枠２５内に充填されたコンクリートＣを養生した後、型枠２５から取り出すことで、図９（ｃ）に示すＲＣのセグメント２を製造できる。
なお、鉄筋かご１６は型枠２５に接触しない配置構成を基本とするが、接触してもよい。また、鉄筋かご１６と杭あき鋼板ジベル２１、２１は接触しないように配置することが製造上、有利である。

実施形態によるセグメント２を、地中深く掘削した大深度区画で継手面７同士をＭ金物１２及びＦ金物１３同士で連結して鋼板１５同士を当接させてセグメントリング３を構築する。更に、主桁面６同士を当接させて、継手部１１の雄継手と雌継手を連結させることでトンネル１を構築する。
このトンネル１には外側から土圧、建築物荷重及び地下水圧による荷重が、隣り合うセグメント２の継手面７同士に外側から印加される。そのため、特に継手面７の鋼板１５に大きな圧縮力荷重がかかる。しかし、この圧縮力荷重は鋼板１５及び孔あき鋼板ジベル２１、２２からコンクリートＣを介して鉄筋かご１６の主鉄筋１８及び配力筋１９に伝達されることで分散して荷重を受ける。

そのため、継手面７のコンクリートＣがクリープ破壊することを鋼板１５によって防止できる。また、継手面７にかかる圧縮力荷重は鋼板１５及び孔あき鋼板ジベル２１、２２からコンクリートＣを介して鉄筋かご１６の主鉄筋１８及び配力筋１９に分散されることでコンクリートＣの損傷を防止できる。
また、孔あき鋼板ジベル２１、２２をＭ金物１２及びＦ金物１３の上下にそれぞれ配設したため、上下方向に不均等な荷重が印加されたとしても、孔あき鋼板ジベル２１、２２で荷重を受ける。
また、高層建築物Ｂ等によって地中で上下方向に不均衡な荷重がかかって曲げ荷重が増大したとしても、上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂに連結された孔あき鋼板ジベル２１、２２で曲げ荷重を受けることができる。

上述のように本実施形態によれば、大深度区間においてトンネル１を構築するセグメント２の継手面７同士に大きな圧縮力荷重がかかったとしても、継手面７の上下に固定された上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂ及び孔あき鋼板ジベル２１、２２からコンクリートＣを介して鉄筋かご１６の主鉄筋１８及び配力筋１９に分散されるため、耐圧縮力と強度が高い。また、セグメント２の継手面７の強度を上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂによって補強でき、コンクリートＣのクリープ破壊を防止できる。
しかも、上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂに固定した孔あき鋼板ジベル２１、２２を鉄筋かご１６の主鉄筋１８の間に挿入したので、孔あき鋼板ジベル２１、２２を主鉄筋１８と同一レベルの外周面８及び内周面９側に配設できてセグメント２の厚みを増大させることなく高強度が得られる。また、孔あき鋼板ジベル２１、２２をＭ金物１２及びＦ金物１３の上下にそれぞれ配設したため、上下方向のいずれの向きの曲げ荷重がかかっても負荷や損傷を防止できる。

また、鉄筋かご１６等の圧縮部材が存在しない雄継手や雌継手の付近の領域を孔あき鋼板ジベル２１、２２によって補強することができる。しかも、鋼板１５に固定した孔あき鋼板ジベル２１、２２を鉄筋かご１６内に挿入するだけなので鋼板ジベルのサイズ変更が容易である。孔あき鋼板ジベル２１、２２は主鉄筋１８と重なる領域に孔２１ａ，２２ａが形成されているため、荷重伝達効果が向上する上にコンクリートからの脱落防止効果を得られ、セグメント２の主桁面７近傍の補強効果を向上できる。
また、孔あき鋼板ジベル２１、２２と鉄筋かご１６は非接触であるため、製造時にコンクリートＣを充填し易い上にこれらの部材の配置構成を調整しなくてもよく製造が容易である。

以上、本発明の実施形態によるセグメント２について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本実施形態の変形例等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

上述したセグメント２は地下の大深度区画にトンネル１を設置する場合に用いるセグメント２について説明したが、本実施形態によるセグメント２は大深度区画に限定されることなく、地下の適宜の浅い区画または地上等に施工する道路トンネル等の各種トンネル１に適用できる。
また、セグメント２の継手面７における上部鋼板１５ａに連結する孔あき鋼板ジベル２１は上部鋼板１５ａの上下方向中央、下部鋼板１５ｂに連結する孔あき鋼板ジベル２２は下部鋼板１５ｂの上端に溶接等で取り付けた。しかしながら、上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂに対する孔あき鋼板ジベル２１、２２の取り付け位置は適宜の位置を選択できる。

なお、本実施形態によるセグメント２はコンクリート部材に含まれる。コンクリート部材には円弧版状に湾曲していない平板状の部材やその他の適宜形状のものも含まれる。
また、本発明において孔あき鋼板ジベル２１、２２は平板状の鋼板が鉄筋かご１６の主鉄筋１８の間への挿入が容易であるが、棒状等や角柱状等でもよく、また、孔２１ａ、２２ａが形成されていなくてもよい。本発明において、これらの孔あき鋼板ジベル２１、２２は補強用鋼材に含まれる。また、端面は継手面７を含んでいる。
また、鋼板１５についてもその位置や形状を適宜選択でき、上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂの一方だけ設置してもよく、上部鋼板１５ａ、下部鋼板１５ｂは必ずしもセグメント２の上面、下面に到達していなくてもよい。これらの鋼板１５は圧縮伝達材に含まれる。
本発明によるトンネル１は、道路トンネルだけでなく鉄道トンネル、共同溝、下水道、上水道、地下河川、貯留管等にも適用できる。

１トンネル
２セグメント
３セグメントリング
６主桁面
７継手面
１２Ｍ金物
１３Ｆ金物
１５鋼板
１５ａ上部鋼板
１５ｂ下部鋼板
１６鉄筋かご
１８主鉄筋
１９配力筋
１９ａ第一の配力筋
１９ｂ第二の配力筋
１９ｃ第三の配力筋
２１、２２孔あき鋼板ジベル
Ｂ高層建築物
Ｃコンクリート

Claims

対向する継手面と対向する主桁面とを有するコンクリート製の円弧板状のセグメントであって、
対向する前記継手面にそれぞれ露出して配設された鋼板からなる圧縮伝達材と、
対向する前記圧縮伝達材の間において前記セグメントの周方向に延在し、且つ前記主桁面が対向する方向に沿って配設されている主鉄筋からなる複数の鋼部材と、
前記圧縮伝達材に連結されていて、前記主桁面が対向する方向に沿って配設された前記鋼部材の間に配設された鋼板からなる補強用鋼材と、
を備え、
前記補強用鋼材は、前記圧縮伝達材にかかった圧縮力荷重が、前記補強用鋼材から前記鋼部材に伝達されるよう、前記セグメントを組み立てて得られるトンネルの軸方向の視野から見て、前記鋼部材と重なるように配設されており、
前記補強用鋼材は前記鋼部材と重なる領域に孔が形成されており、
前記継手面には、前記セグメントの外周面側及び内周面側に前記圧縮伝達材が配設され、前記セグメントの外周面側及び内周面側の前記圧縮伝達材にそれぞれ前記補強用鋼材が連結され、前記セグメントの外周面側の前記圧縮伝達材及び前記補強用鋼材と、前記セグメントの内周面側の前記圧縮伝達材及び前記補強用鋼材との間に継手が設置されており、
前記セグメントの外周面側に配設された前記圧縮伝達材は、前記セグメントの外周面側端部に到達する、
セグメント。
前記鋼部材と前記補強用鋼材の間にコンクリートが充填されており、
前記補強用鋼材は、前記圧縮伝達材にかかった圧縮力荷重が、前記補強用鋼材からコンクリートを介して前記鋼部材に伝達されるよう、前記セグメントを組み立てて得られるトンネルの軸方向の視野から見て、前記鋼部材と重なるように配設されている、
請求項１に記載されたセグメント。