JP2018024995A - トンネル - Google Patents

Abstract

【課題】トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、当該エネルギーを吸収することができるトンネルを提供する。【解決手段】本発明に係るトンネルは、トンネル１の軸方向に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部分（覆工コンクリート部２Ａ，２Ａ…）と、トンネル１の軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方のトンネル覆工部分の端面２１と他方のトンネル覆工部分の端面２２とに連結されてトンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置３と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置を備えたトンネルに関する。

外側壁体と内側壁体とを有し、内側壁体を形成する互いに隣り合うリング体の接合部に、トンネル軸方向にスライドする変位を許容し得る伸縮継手を備えた構成のトンネルが知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−２３３６２６号公報

しかしながら、上記トンネルの伸縮継手は、トンネル軸方向にスライドする変位を許容し得るだけであって、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、当該エネルギーを吸収することができない。
本発明は、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、当該エネルギーを吸収することができて、トンネルの破壊を防止できるトンネルを提供するものである。

本発明に係るトンネルは、トンネルの軸方向に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部分と、トンネルの軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方のトンネル覆工部分の端面と他方のトンネル覆工部分の端面とに連結されてトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置と、を備えたので、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、当該エネルギーを吸収することができて、トンネルの破壊を防止できるトンネルを提供できる。
エネルギー吸収装置は、力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収部と、エネルギー吸収部をトンネル覆工部分の端面に連結する連結部とを備え、エネルギー吸収部は、トンネルの軸方向に変形してトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する部材により形成されたので、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、当該エネルギーを吸収することができて、トンネルの破壊を防止できるトンネルを提供できる。
エネルギー吸収部は、ゴムと鋼板とが交互に積層されて構成された積層ゴムにより形成され、当該積層ゴムは、積層方向の一端が一方の連結部を介して一方のトンネル覆工部分の端面に連結されるとともに積層方向の他端が他方の連結部を介して他方のトンネル覆工部分の端面に連結されて、積層方向が、トンネルの軸方向と直交するとともにトンネルの径方向に沿って延長するように配置されたので、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、積層ゴムがトンネルの軸方向に変形して当該エネルギーを吸収するので、トンネルに加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネルの破壊を防止できるようになるとともに、積層ゴムの積層方向の剛性により、地山から加わるトンネル径方向に沿った土圧に抵抗できる構成となる。
エネルギー吸収部は、ハニカムコアにより形成され、当該ハニカムコアは、ハニカムコアを構成する各セルの中心軸が、トンネルの軸方向と直交するように配置されたので、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、ハニカムコアがトンネルの軸方向に伸縮変形して当該エネルギーを吸収するので、トンネルに加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネルの破壊を防止できるようになる。
エネルギー吸収部は、板ばねにより形成され、当該板ばねは、伸縮方向とトンネルの軸方向とが一致するように配置されたので、トンネルの軸方向に力のエネルギーが加わった場合、板ばねがトンネルの軸方向に伸縮変形して当該エネルギーを吸収するので、トンネルに加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネルの破壊を防止できるようになる。

トンネルの軸方向に沿った断面図。 トンネルの径方向に沿った断面図。 トンネルの破断斜視図。 エネルギー吸収装置の動作説明図。 トンネルの破断斜視図。 トンネルの破断斜視図。 トンネルの破断斜視図。 トンネルの破断斜視図。

図１に示すように、実施形態１に係るトンネル１は、地山１０に形成された山岳トンネルであり、トンネル１の天井（アーチ）及び側壁となるトンネル覆工部分としての覆工コンクリートが、軸方向（軸に沿った方向）に所定の間隔を隔てて分断された構成とされ、当該トンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置３が、トンネル１の軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１と他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２とに連結された構成となっている。
即ち、トンネル１は、トンネル１の軸方向に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部分としての複数の覆工コンクリート部２Ａ，２Ａ…と、トンネル１の軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１と他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２とに連結されてトンネル１の軸方向に加わる力のエネルギー（図１に示す引張力Ｆ１又は圧縮力Ｆ２）を吸収するエネルギー吸収装置３とを備えて構成される。
各覆工コンクリート部２Ａ，２Ａ…は、セントルと呼ばれる半円筒形の型枠を用いて構築される。

図２，図３に示すように、エネルギー吸収装置３は、トンネル１の周方向に沿って間欠的に複数設けられる。
図４（ａ）に示すように、各エネルギー吸収装置３，３…は、それぞれ、トンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収部４と、エネルギー吸収部４を覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２に連結する連結部５とを備え、エネルギー吸収部４は、トンネル１の軸方向に変形してトンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する部材により形成される。

エネルギー吸収部４としては、例えば積層ゴム４Ａが使用される。当該積層ゴム４Ａは、図４（ａ）に示すように、鋼板４ａと薄いゴム層４ｂとを交互に重ねて接着した積層構造により、積層方向Ｔと直交する方向に力のエネルギーが加わった場合にゴムの変形により当該エネルギーを吸収し（図４（ｂ），（ｃ）参照）、積層方向Ｔに力のエネルギーが加わった場合にはゴムが変形し難いように構成されている。
即ち、積層ゴム４Ａは、積層方向Ｔと直交する方向には柔軟で、変形しても弾性により元の位置に戻り、積層方向Ｔには硬いという機能を備えた構成である。

図４（ａ）に示すように、連結部５は、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの一端４１とトンネル１の軸方向に互いに隣り合う一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１とを連結する一方の連結部材５Ａと、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの他端４２とトンネル１の軸方向に互いに隣り合う他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２とを連結する他方の連結部材５Ｂとを備えて構成される。
即ち、連結部材５Ａ，５Ｂは、各板部５１，５１が直交状態となった断面Ｌ字状の鋼製あるいはコンクリート製等の部材により構成される。
一方の連結部としての一方の連結部材５Ａは、一方の板部５１の外面５２と一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１とが連結され、他方の板部５１の内面５３と積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの一端４１とが連結される。
他方の連結部としての他方の連結部材５Ｂは、一方の板部５１の外面５２と他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２とが連結され、他方の板部５１の内面５３と積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの他端４２とが連結される。

エネルギー吸収装置３の設置方法について説明する。
例えば、予め、一方の連結部材５Ａに積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの一端４１が連結され、かつ、他方の連結部材５Ｂに積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの他端４２が連結されたエネルギー吸収装置３を用意しておく。
そして、一方の覆工コンクリート部２Ａを構築する際に一方の連結部材５Ａを一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１に連結した後に、他方の覆工コンクリート部２Ａを構築する際に他方の連結部材５Ｂを他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２に連結する。
あるいは、一方の覆工コンクリート部２Ａを構築した後に当該一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１と一方の連結部材５Ａとを連結し、さらに、他方の覆工コンクリート部２Ａを構築した後に当該他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２と他方の連結部材５Ｂとを連結する。
あるいは、一方の覆工コンクリート部２Ａ及び他方の覆工コンクリート部２Ａを構築した後に、一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１と他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２との間にエネルギー吸収装置３を挿入して、一方の連結部材５Ａを一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１に連結するとともに他方の連結部材５Ｂを他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２に連結する。
尚、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの両端にはフランジ４ｆが連結されており、当該フランジと連結部材５Ａ，５Ｂとがボルト等の連結具により連結される。また、連結部材５Ａ，５Ｂと覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２とがアンカーボルト等の連結具により連結される。

この場合、図２に示すように、トンネル１の周方向に沿って間欠的に複数設けられた各エネルギー吸収装置３のエネルギー吸収部４としての積層ゴム４Ａは、積層方向Ｔが、トンネル１の軸方向と直交するとともにトンネル１の径方向に沿って延長するように配置される。
即ち、積層ゴム４Ａは、積層方向Ｔの一端４１が一方の連結部材５Ａを介して一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１に連結されるとともに積層方向Ｔの他端４２が他方の連結部材５Ｂを介して他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２に連結されて、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔとトンネル１の軸方向とが一致するとともに、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔとトンネル１の径方向とが一致するように構成されたことによって、積層ゴム４Ａがトンネル１の軸方向に変形して、トンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収できるとともに、積層ゴム４Ａの積層方向Ｔの剛性により、地山１０から加わるトンネル径方向に沿った土圧Ｆ３に抵抗できる構成となる。

実施形態１のトンネル１によれば、トンネル１の軸方向（軸に沿った方向）に力のエネルギーが加わった場合、即ち、地震時において、トンネル１に、図４（ｂ）に示すようなトンネル１の軸方向の引張力Ｆ１が加わった場合、又は、図４（ｃ）に示すようなトンネル１の軸方向の圧縮力Ｆ２が加わった場合、積層ゴム４Ａがトンネル１の軸方向に変形して力のエネルギーを吸収するので、トンネル１に加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネル１の破壊を防止できるようになる。

実施形態２
エネルギー吸収部４として、図５，図６に示すような、ハニカムコア４Ｂを用いてもよい。当該ハニカムコア４Ｂは、六角形や、その他同一の立体図形であるセル４３を隙間なく隣り合うように複数並べた構造体である。当該ハニカムコア４Ｂは、例えば、金属により形成される。
この場合、図５，図６に示すように、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４と直交する方向の一端側に位置するセル４３の側壁側を上述した一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１に連結するとともに、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４と直交する方向の他端側に位置するセル４３の側壁側を上述した他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２に連結することにより構成されたエネルギー吸収装置３，３…を、トンネル１の周方向に沿って間欠的に複数配置する。
尚、図５に示すように、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４，４４…が、トンネル１の軸方向と直交するとともにトンネル１の径方向に沿って延長するように当該ハニカムコア４Ｂを配置してもよいし、あるいは、図６に示すように、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４，４４…が、トンネル１の軸方向と直交するとともにトンネル１の周方向に沿って延長するように当該ハニカムコア４Ｂを配置してもよい。

尚、ハニカムコア４Ｂと覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２との連結は、セル４３の側壁に図外の連結板を取付けて、当該連結板を覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２に連結してもよいし、あるいは、セル４３の側壁を覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２に直接連結してもよい。

実施形態２のトンネル１によれば、エネルギー吸収部４をハニカムコア４Ｂにより形成し、当該ハニカムコア４Ｂは、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４，４４…が、トンネル１の軸方向と直交するように配置された構成としたので、実施形態１と同様に、トンネル１の軸方向に力のエネルギーが加わった場合、ハニカムコア４Ｂがトンネル１の軸方向に伸縮変形して当該エネルギーを吸収するので、トンネル１に加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネル１の破壊を防止できるようになる。
また、図５に示すように、ハニカムコア４Ｂを構成する各セル４３，４３…の中心軸４４，４４…が、トンネル１の軸方向と直交するとともにトンネル１の径方向に沿って延長するように当該ハニカムコア４Ｂが配置された構成の場合、ハニカムコア４Ｂにおける各セル４３，４３…の中心軸４４に沿った方向の剛性により、地山１０から加わるトンネル径方向に沿った土圧Ｆ３（図２参照）に抵抗できる構成となる。

実施形態３
エネルギー吸収部４として、図７，図８に示すような、板ばね４Ｃを用いてもよい。当該板ばね４Ｃは、例えば板材を折り曲げた板により形成され、当該折り曲げられた板材が変形して伸縮可能に構成されている。
この場合、板ばね４Ｃの伸縮方向の一端側４ｘを上述した一方の覆工コンクリート部２Ａの端面２１に連結するとともに、板ばね４Ｃの伸縮方向の他端側４ｙを上述した他方の覆工コンクリート部２Ａの端面２２に連結することにより、板ばね４Ｃの伸縮方向（伸長方向Ｙ１及び短縮方向Ｙ２）とトンネル１の軸方向とが一致するように板ばね４Ｃが配置されて構成されたエネルギー吸収装置３，３…を、トンネル１の周方向に沿って間欠的に複数配置する。
尚、図７に示すように、板ばね４Ｃの板の曲がり方向Ｚとトンネル１の径方向とが一致するように板ばね４Ｃを配置してもよいし、図８に示すように、板ばね４Ｃの板の曲がり方向Ｚ１とトンネル１の周方向とが一致するように板ばね４Ｃを配置してもよい。

尚、板ばね４Ｃと覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２との連結は、板ばね４Ｃの伸縮方向の両端に取付けた連結板４ｇ，４ｇを覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２に連結してもよいし、板ばね４Ｃの伸縮方向の両端を覆工コンクリート部２Ａの端面２１，２２に直接連結してもよい。

実施形態３のトンネル１によれば、エネルギー吸収部４を板ばね４Ｃにより形成し、当該板ばね４Ｃは、伸縮方向とトンネル１の軸方向とが一致するように配置された構成としたので、実施形態１：２と同様に、トンネル１の軸方向に力のエネルギーが加わった場合、板ばね４Ｃがトンネル１の軸方向に伸縮変形して当該エネルギーを吸収するので、トンネル１に加わる軸方向の力のエネルギーが吸収されて、トンネル１の破壊を防止できるようになる。
また、図８に示すように、板ばね４Ｃの板面の曲がり方向Ｚとトンネル１の周方向とが一致するように板ばね４Ｃが配置された場合、板ばね４Ｃにおけるトンネル１の径方向に沿った板の剛性により、地山１０から加わるトンネル径方向に沿った土圧Ｆ３（図２参照）に抵抗できる構成となる。

尚、エネルギー吸収部４としての、積層ゴム４Ａ、ハニカムコア４Ｂ、板ばね４Ｃは、トンネル１の周方向に連続的に配置してもよい。

また、実施形態では、エネルギー吸収部４として、積層ゴム４Ａ、ハニカムコア４Ｂ、板ばね４Ｃを例示したが、エネルギー吸収部４は、トンネル１の軸方向に変形してトンネル１の軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する部材であればよい。

また、実施形態では、トンネル１の軸方向（軸に沿った方向）に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部としての覆工コンクリート部２Ａ，２Ａ…間にエネルギー吸収装置３を備えたトンネル１を例示したが、本発明は、トンネル１の軸方向に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部が、それぞれ、上述した覆工コンクリート部２Ａとトンネル底部となるインバートコンクリート部とを備えた構成のトンネルにも適用できる。
即ち、この場合、トンネルの軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方の覆工コンクリート部の端面と他方の覆工コンクリート部の端面とに連結されてトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する上述したエネルギー吸収装置３と、トンネルの軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方のインバートコンクリート部の端面と他方のインバートコンクリート部の端面とに連結されてトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する上述したエネルギー吸収装置３と、を備えた構成のトンネルとすればよい。

また、本発明は、山岳トンネルだけではなく、開削トンネルにも適用可能である。

１ トンネル、２Ａ 覆工コンクリート部（トンネル覆工部分）、
３ エネルギー吸収装置、４ エネルギー吸収部、
４Ａ 積層ゴム（エネルギー吸収部）、４Ｂ ハニカムコア（エネルギー吸収部）、
４Ｃ 板ばね（エネルギー吸収部）、
５ 連結部、２１ 一方の覆工コンクリート部の端面、
２２ 他方の覆工コンクリート部の端面、４３ セル、４４ セルの中心軸。

Claims (5)

1. トンネルの軸方向に所定の間隔を隔てて分断された複数のトンネル覆工部分と、
   トンネルの軸方向に沿った前後に互いに隣り合うように対向する一方のトンネル覆工部分の端面と他方のトンネル覆工部分の端面とに連結されてトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置と、
   を備えたことを特徴とするトンネル。
2. エネルギー吸収装置は、力のエネルギーを吸収するエネルギー吸収部と、エネルギー吸収部をトンネル覆工部分の端面に連結する連結部とを備え、
   エネルギー吸収部は、トンネルの軸方向に変形してトンネルの軸方向に加わる力のエネルギーを吸収する部材により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル。
3. エネルギー吸収部は、ゴムと鋼板とが交互に積層されて構成された積層ゴムにより形成され、当該積層ゴムは、積層方向の一端が一方の連結部を介して一方のトンネル覆工部分の端面に連結されるとともに積層方向の他端が他方の連結部を介して他方のトンネル覆工部分の端面に連結されて、積層方向が、トンネルの軸方向と直交するとともにトンネルの径方向に沿って延長するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル
4. エネルギー吸収部は、ハニカムコアにより形成され、当該ハニカムコアは、ハニカムコアを構成する各セルの中心軸が、トンネルの軸方向と直交するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル。
5. エネルギー吸収部は、板ばねにより形成され、当該板ばねは、伸縮方向とトンネルの軸方向とが一致するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル。

Images