JP7747263B2 - 鋼管ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管ねじ継手に関する。

従来、軟弱地盤でのトンネル掘削時には、崩落防止を目的としてＡＧＦ工法（Ａｌｌ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆａｓｔｅｎ、長尺鋼管先受け工法）が用いられている。このようなＡＧＦ工法では、トンネルの切羽の断面に例えば外径１１４．３ｍｍ、肉厚６ｍｍ、全長１２．５ｍの長さとなるように複数本の鋼管が打ち込まれる。例えば、１本当たり約３ｍの長さの鋼管を通称ドリルジャンボと呼ばれる掘削機械上で人力によって締結し、掘削しながら全長１２．５ｍに仕上げていく。
上述したような従来のＡＧＦ工法で用いられる杭用鋼管としては、施工のし易さの観点から、鋼管端部の接合部に鋼管ねじ継手が加工されたものが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような鋼管部材の先端部には地盤を掘削するためのドリルビットがあり、インナービットおよびインナーロッドを介して掘削機械の回転動力がドリルビットに伝達される。そして、鋼管部材の挿入性を上げるために、またドリルビットに動力を伝えるインナービットを周辺地盤から保護するために、ドリルビットと鋼管との間にはケーシングシューと呼ばれる保護部材が配置される。トンネルの補強部材としての役割を果たすのは先頭管およびそれに連なる中間管以降の鋼管である。このとき、インナービットの外側にケーシングシューが配置され、ケーシングシューと先頭管が鋼管ねじ継手で連結されているため、ドリルビットが地盤を掘削するに伴い先頭管以降の鋼管も地盤内に入り込み、最終的に補強部材として地盤内に残置される。

特開２０１５－１１０９９４号公報

しかしながら、従来の鋼管ねじ継手では、以下のような問題があった。
すなわち、ケーシングシューは一般的に鋼管から製造され、鋼管部材と鋼管ねじ継手を介して連結されるが、この継手には引張強度に代表される一般的な構造性能をさらに向上させたねじ継手が求められていた。
とくに、ケーシングシューと先頭管を締結する鋼管ねじ継手は掘削中に破断しやすく、掘削を中断させてしまう。このように掘削の中断による施工効率が低下するという問題があり、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、引張強度の向上させることで、施工効率の低下を抑制できる鋼管ねじ継手を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る鋼管ねじ継手では、トンネル補強工法で地盤に打ち込まれる鋼管と、前記鋼管と地盤掘削用のドリルビットとの間に配置されるケーシングシューと、に加工された鋼管ねじ継手であって、前記鋼管の内側に雌ねじ加工されたボックスと、前記ケーシングシューの外側に雄ねじ加工されたピンと、を有し、前記ボックスと前記ピンとに形成されるねじ列は、前記鋼管の管軸に対してテーパーを形成し、前記ボックスは、雌ねじ山の高さが前記鋼管の径方向中心に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部を有し、前記不完全ねじ部の少なくとも一部が前記ピンの雄ねじと嵌合し、前記ケーシングシューの材料引張強度は、前記鋼管の材料引張強度よりも高く設定され、前記ドリルビットは、前記鋼管の内側に配置されるインナービットに固定され、前記ケーシングシューは、管軸方向で掘削先端側に位置するケーシング本体と、前記ケーシング本体の基端側に連設される前記ピンと、を有し、前記ケーシング本体の管軸方向の中央には、前記鋼管より厚肉となる管厚部を有し、前記管厚部には、管軸方向で前記基端側から前記インナービットが衝突する衝突面が形成され、前記ピンの材料引張強度Ｔｐおよび危険断面積Ａｐ、前記ボックスの材料引張強度Ｔｂおよび危険断面積Ａｂは、（１）式および（２）式の関係式を満たすことを特徴としている。

本発明に係る鋼管ねじ継手によれば、鋼管ねじ継手部分の引張強度が鋼管の管体よりも高く、破断位置がケーシングシューではなく鋼管側とすることができるため、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手の破断を抑制することができる。
つまり、本発明では、テーパーねじからなる鋼管ねじ継手を使用することで、引張強度に密接に関係する継手断面積を確保しやすくなる。さらに、本発明では、ケーシングシューに雄ねじを有するピンを設け、鋼管に雌ねじを有するボックスを設けているので、ケーシングシュー側にボックスが設けられ、鋼管側にピンが設けられる場合のように、管軸方向に引張荷重が作用したときにピンが径方向内側に縮径し、ねじの嵌合がはずれて早期に破断するいわゆる「ジッパー効果」を防止することができる。

また、本発明では、ボックスが不完全ねじ部を有し、ボックスの不完全ねじ部とピンの完全ねじ部とが嵌合することから、ねじ継手の引張強度を向上させることができ、これによりボックスの縮径をより効果的に抑制できる。
さらにまた、本発明では、ケーシングシューの材料引張強度が鋼管の材料引張強度よりも高いことから、ねじ継手をボックスの危険断面から破断させることができ、ケーシングシューの内側に配置される部材をより確実に保護することができる。

また、この場合には、（１）式および（２）式の関係を満たすことにより、鋼管ねじ継手の引張強度を鋼管よりも確実に高めることができ、引張荷重が作用したときの破断位置を鋼管ねじ継手の位置ではなく、鋼管の管体の位置とすることができる。

また、本発明に係る鋼管ねじ継手では、前記ピンの雄ねじ山の高さは、径方向外側に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部を有することを特徴としてもよい。

このような構成とすることにより、ボックスとピンの両方に不完全ねじ部を有することにより、耐衝撃性を向上させることができ、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手の破断を抑制することができる。そのため、本発明では、ドリルビットが回転しながらケーシングシューに与える衝撃荷重に対する耐久力に優れた鋼管ねじ継手を実現できる。したがって、ケーシングシューと鋼管とを締結する鋼管ねじ継手が掘削中に破断して掘削を中断させることを抑制でき、掘削の中断による施工効率の低下を抑えることができる。

また、本発明に係る鋼管ねじ継手では、前記衝突面は、前記ピンにおける前記ボックスの先端部を向くショルダー部よりも管軸方向で前記ケーシングシューの前記掘削先端側に位置することを特徴としてもよい。

このような構成とすることにより、ケーシングシューにおけるインナービットとの衝突面がピンのショルダー部よりも先端側に配置されているので、耐衝撃性を向上させることができ、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手の破断を抑制することができる。そのため、本発明では、ドリルビットが回転しながらケーシングシューに与える衝撃荷重に対する耐久力に優れた鋼管ねじ継手を実現できる。したがって、ケーシングシューと鋼管とを締結する鋼管ねじ継手が掘削中に破断して掘削を中断させることを抑制でき、掘削の中断による施工効率の低下を抑えることができる。

本発明の鋼管ねじ継手によれば、引張強度の向上させることで、施工効率の低下を抑制できる。

本発明の実施形態による鋼管ねじ継手を備えたトンネル補強部材を示す縦断面図である。 図１に示す鋼管ねじ継手の拡大図である。 変形例による鋼管ねじ継手の構成を示す縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１実施例による解析モデルを示す図である。 第１実施例による解析モデルを示す図である。 第１実施例による解析結果を示す図である。 第１実施例による解析結果を示す図であって、解析ケース毎の相当ひずみの相対比較を示した図である。 第３実施例による試験装置の概略構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態による鋼管ねじ継手について、図面に基づいて説明する。

図１に示す本実施形態による鋼管ねじ継手１は、トンネル補強工法で地盤に打ち込まれ、地盤を補強するための鋼管２を備えたトンネル補強部材１０に適用されている。本実施形態のトンネル補強部材１０は、トンネル掘削時に切羽の鏡面の崩壊防止を目的として、鏡面の上方の地盤に対して略水平方向（斜め上方）に打ち込まれて施工され、地盤への密着性と引張強度が同時に要求される長尺鏡ボルト工法や天端崩落を防止する長尺フォアパイル工法として使用されている。トンネル補強部材１０の鋼管２は、１本が例えば略３ｍであり、複数本が接続継手で直列に接続される。

ここで、トンネル補強部材１０において、鋼管２の中心軸（管軸Ｏ）に沿う方向を管軸方向Ｘとし、管軸Ｏに直交する方向を径方向といい、管軸方向Ｘから見て管軸Ｏ回りに周回する方向を周方向とする。管軸方向Ｘにおいて、トンネル補強部材１０を打ち込む前進側を前側、前方、先端側Ｘ１といい、その反対側を後側、後方、基端側Ｘ２という。そして、径方向で管軸Ｏ側を内側、内側の反対側で管軸Ｏから離れる側を外側として、以下説明する。

トンネル補強部材１０は、トンネル補強工法で地盤に打ち込まれる上述した鋼管２と、鋼管２の地盤掘削用のドリルビット３と、鋼管２とドリルビット３との間に配置されるケーシングシュー４と、鋼管２の内側に配置されドリルビット３を後方から固定するインナービット５と、を備えている。本実施形態の鋼管ねじ継手１は、鋼管２と、ケーシングシュー４と、に加工されている。

ドリルビット３は、ケーシングシュー４の前方に設けられ、管軸Ｏを中心にしてケーシングシュー４に対して回転可能に設けられている。ドリルビット３は、前方から見て円形に形成され、先端部の外周縁に沿って複数の切削ビット３１を有している。ドリルビット３は、インナービット５の先端部に固定されている。

インナービット５は、トンネル補強部材１０を地盤に打ち込む際の回転駆動力をドリルビット３に伝達するためのものであり、ドリルビット３と一体に設けられている。インナービット５は、鋼管２及びケーシングシュー４の内側に配置されている。インナービット５は、ドリルビット３を後方から固定して支持する固定部５１と、固定部５１と後方の回転駆動源（ここでは、例えばドリルジャンボの駆動装置）とを連結されるインナーロッド５２と、とを備えている。インナーロッド５２は、鋼管２よりも細い外径であり、回転しても鋼管２に接触しないようになっている。鋼管２の継ぎ足しとともに、インナーロッド５２も延長される。
ドリルビット３およびインナービット５は、鋼管２およびケーシングシュー４とは切り離された状態で一体的に回転する。

図２に示すように、インナービット５の固定部５１は、後部が前部５１Ｂより大径となる大径部５１Ａを有している。大径部５１Ａの外周側の前端面には、ケーシングシュー４の衝突面４０ａ（後述する）を向く被衝突面５１ａが設けられている。被衝突面５１ａは、径方向で外側から内側に向けて漸次、前方となるテーパー面が形成されている。
ドリルビット３は、地盤に対して切削する際の回転によって、硬い岩盤に対して管軸方向Ｘに前後に脈動する。この際にインナービット５の被衝突面５１ａはケーシングシュー４の衝突面４０ａに繰り返し衝突することになる。

トンネル補強部材１０の鋼管２は、先端側Ｘ１において内面に雌ねじ加工された雌ねじ２２を有するボックス２１を備えている。鋼管２として、例えば、ＪＩＳ Ｇ３４４４に規定される一般構造用炭素鋼鋼管、建築構造用炭素鋼鋼管などを用いることができる。鋼管２は、例えば７６．３ｍｍ～１１４．３ｍｍの外径のものが採用される。

ボックス２１に形成される雌ねじ２２のねじ列は、鋼管２の管軸Ｏに対してテーパーを形成している。ボックス２１のテーパーは、先端側Ｘ１に向かうに従い漸次、径方向の内側から外側に傾くように形成されている。雌ねじ２２のねじ列のテーパーとしては、例えば、１／６～１／２４の範囲に設定される。

ボックス２１は、雌ねじ山の高さが径方向中心（内側）に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部２２Ａを有している。不完全ねじ部２２Ａの少なくとも一部は、ピン４１の雄ねじ４３（後述する）と嵌合される。

なお、トンネル補強部材１０として使用される鋼管２は、上述したように複数本が雄ねじと雌ねじからなる継手によって連結され、管軸方向Ｘに直列に接続される。鋼管２同士の継手については、一般的な継手を採用することが可能であるので、ここでは詳しい説明は省略する。

ケーシングシュー４は、鋼管２の先端部に対して鋼管ねじ継手１によって回転不能な状態で連結されている。ケーシングシュー４は、先端側Ｘ１にケーシング本体４０が設けられ、ケーシング本体４０の後方の基端側Ｘ２にピン４１が設けられている。ケーシング本体４０は、管軸方向Ｘの中央部分で管厚が大きくなるとともに、前部４０Ａ及び後部４０Ｂよりも内径が小さくなる管厚部４０Ｃとなっている。ケーシング本体４０の後部４０Ｂの内径はピン４１の内径と同径であり、後部４０Ｂとピン４１の内面が面一で連設している。
ケーシング本体４０の外面側における後部４０Ｂとピン４１との境界部には、ピン４１の外面との間で段差を形成するショルダー部４２を有している。

また、ケーシング本体４０の内面にいて、後部４０Ｂと管厚部４０Ｃとの境界部分には、インナービット５の外面の一部（後述する被衝突面５１ａ）が後方から衝突する衝突面４０ａがケーシング本体４０の全周にわたって設けられている。衝突面４０ａは、管軸方向Ｘでショルダー部４２よりも先端側Ｘ１に位置している。衝突面４０ａは、径方向で外側から内側に向けて漸次、先端側Ｘ１となるように傾くテーパー面が形成されている。このような衝突面４０ａを設けることにより、インナービット５の先端側Ｘ１への移動が規制され、インナービット５およびドリルビット３がケーシングシュー４に対して先端側Ｘ１に突出することを防止できる。

ケーシングシュー４の後部４０Ｂには、鋼管２のボックス２１に螺合し、外面に雄ねじ加工された雄ねじ４３を有するピン４１が設けられている。ピン４１に形成される雄ねじ４３のねじ列は、鋼管２の管軸Ｏに対してテーパーを形成している。ピン４１のテーパーは、先端側Ｘ１から基端側Ｘ２に向かうに従い漸次、径方向で外側から内側に傾いている。なお、雄ねじ４３のねじ列のテーパーとしては、例えば、１／６～１／２４の範囲に設定される。

ピン４１は、雄ねじ山の高さが径方向外側に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部４３Ａを有している。不完全ねじ部４３Ａの少なくとも一部は、ボックス２１の雌ねじ２２と嵌合している。

また、ケーシングシュー４の材料引張強度は、鋼管２の材料引張強度よりも高くなるように設定されている。

本実施形態による鋼管ねじ継手１は、ピン４１の材料引張強度Ｔｐおよび危険断面積Ａｐ、ボックス２１の材料引張強度Ｔｂおよび危険断面積Ａｂは、（１）式および（２）式の関係式を満たすように設定されている。ここで、ピン４１の危険断面積Ａｐは、図２に示す符号Ｑ１の危険断面における断面積である。ボックス２１の危険断面積Ａｂは、図２に示す符号Ｑ２の危険断面における断面積である。

ボックス２１の危険断面Ｑ２及びピン４１の危険断面Ｑ１は、鋼管ねじ継手１で切削加工がなされるが、ＪＩＳ Ｂ０４０５に定められた削り加工品の普通寸法公差（中級）を考慮すると、危険断面Ｑ１、Ｑ２の肉厚には－０．１～＋０．１ｍｍのばらつきが存在し得る。ボックス２１及びピン４１ともに危険断面Ｑ１、Ｑ２の肉厚が元の鋼管２に限りなく等しいケースを考えると、外径７６．３～１１４．３ｍｍの一般構造用鋼管の最小肉厚が２．８ｍｍになるため、危険断面Ｑ１、Ｑ２の肉厚は２．７～２．９ｍｍまでのばらつきが存在し得る。このときそれぞれの危険断面積Ａｐ、Ａｂは肉厚２．７ｍｍで約６６８ｍｍ^２、２．９ｍｍで約６２４．３ｍｍ^２となり７％の差となる。不可避的に７％の危険断面積の差が存在し得ることから、上記（１）式の関係を安定的に満たすために１０％を確保し、（２）式で示すＴｐ＞１．１Ｔｂを設定している。

なお、ケーシングシュー４のピン４１は、ピン４１の内面側にインナービット５が通過するため、危険断面積（上記Ａｐ）を増やす場合は内径側には増やせないため、ねじ長さを長くして対応する必要がある。そのため、ピン４１の危険断面積Ａｐを大きくする場合にはケーシングシュー４の長さを長くする必要があり、継手の生産性・コストが増大することから、ピン４１の危険断面積Ａｐは引張強度が確保できる範囲で極力小さくすることが好ましい。

次に、上述した鋼管ねじ継手１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図２に示すように、本実施形態による鋼管ねじ継手１によれば、鋼管ねじ継手部分の引張強度が鋼管２の管体よりも高く、破断位置がケーシングシュー４ではなく鋼管２側とすることができるため、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手１の破断を抑制することができる。

つまり、本実施形態では、テーパーねじからなる鋼管ねじ継手１を使用することで、引張強度に密接に関係する継手断面積を確保しやすくなる。さらに、本実施形態では、ケーシングシュー４に雄ねじ４３を有するピン４１を設け、鋼管２に雌ねじ２２を有するボックス２１を設けているので、ケーシングシュー４側にボックスが設けられ、鋼管２側にピンが設けられる場合のように、管軸方向Ｘに引張荷重が作用したときにピンが径方向内側に縮径し、ねじの嵌合がはずれて早期に破断するいわゆる「ジッパー効果」を防止することができる。

また、本実施形態では、ボックス２１が不完全ねじ部２２Ａを有し、ボックス２１の不完全ねじ部２２Ａとピン４１の完全ねじ部４３Ｂとが嵌合することから、鋼管ねじ継手１の引張強度を向上させることができ、これによりボックス２１の縮径をより効果的に抑制できる。
さらにまた、本実施形態では、ケーシングシュー４の材料引張強度が鋼管２の材料引張強度よりも高いことから、鋼管ねじ継手をボックス２１の危険断面Ｑ２から破断させることができ、ケーシングシュー４の内側に配置される部材をより確実に保護することができる。

また、本実施形態では、上述した（１）式および（２）式の関係を満たすことにより、鋼管ねじ継手１の引張強度を鋼管２よりも確実に高めることができ、引張荷重が作用したときの破断位置を鋼管ねじ継手１の位置ではなく、鋼管２の管体の位置とすることができる。

また、本実施形態では、ボックス２１とピン４１の両方に不完全ねじ部２２Ａ、４３Ａを有することにより、耐衝撃性を向上させることができ、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手１の破断を抑制することができる。そのため、本実施形態では、ドリルビット３が回転しながらケーシングシュー４に与える衝撃荷重に対する耐久力に優れた鋼管ねじ継手１を実現できる。したがって、ケーシングシュー４と鋼管２とを締結する鋼管ねじ継手１が掘削中に破断して掘削を中断させることを抑制でき、掘削の中断による施工効率の低下を抑えることができる。

また、本実施形態では、ケーシングシュー４におけるインナービット５との衝突面４０ａがピンのショルダー部４２よりも先端側に配置されているので、耐衝撃性を向上させることができ、トンネル補強工法の施工中における鋼管ねじ継手の破断を抑制することができる。そのため、本実施形態では、ドリルビット３が回転しながらケーシングシュー４に与える衝撃荷重に対する耐久力に優れた鋼管ねじ継手１を実現できる。したがって、ケーシングシュー４と鋼管２とを締結する鋼管ねじ継手１が掘削中に破断して掘削を中断させることを抑制でき、掘削の中断による施工効率の低下を抑えることができる。

また、本実施形態では、ケーシングシュー４とインナービット５との衝突面４０ａがピン４１のショルダー部４２よりもピン先端側に配置されているので、耐衝撃性を向上させることができる。

上述した本実施形態による鋼管ねじ継手では、引張強度の向上させることで、施工効率の低下を抑制できる。

次に、図３に示す変形例による鋼管ねじ継手１Ａは、ケーシングシュー４の衝突面４１ａの位置を変えたものである。すなわち、変形例による衝突面４１ａは、インナービット５の被衝突面５１ａが後方から衝突され、ケーシングシュー４のショルダー部４２の位置よりも管軸方向Ｘでケーシングシュー４の基端側Ｘ２に位置し、管軸方向Ｘでピン４１の内面における中間部分に配置されている。この場合、ピン４１の衝突面４１ａより先端側Ｘ１の部分は、基端側Ｘ２の部分よりも径方向内側となるように厚みが大きく、そのピン４１の先端側Ｘ１の部分の内面がケーシング本体４０の後部４０Ｂの内面と面一となっている。

変形例による鋼管ねじ継手１Ａでは、ケーシングシュー４の雄ねじ４３の危険断面付近について、応力およびひずみの集中をさらに抑制することができる。すなわち、ケーシングシュー４におけるインナービット５が通過する範囲では、インナービット５の外径よりもケーシングシュー４の内径を大きくする必要がある。そのため、ピン４１の厚さに制約があるが、本変形例のようにピン４１の危険断面Ｑ１をケーシングシュー４の通過範囲から外すことで、上述した実施形態の衝突面４０ａを有する図２に示す鋼管ねじ継手１と比較してピンの危険断面Ｑ１をより厚く確保することができる。このように変形例による鋼管ねじ継手１Ａでは、耐衝撃性の向上を図ることができる。
さらに、本変形例による鋼管ねじ継手１Ａでは、ケーシングシュー４の全長を上述した実施形態の鋼管ねじ継手１よりも短くすることができる。そのため、より低コストでケーシングシュー４を製造できる。

次に、上述した実施形態による鋼管ねじ継手の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

（第１実施例）
第１実施例では、数値シミュレーション解析（有限要素解析）を使用して、鋼管ねじ継手に管軸方向の引張荷重を与え、鋼管ねじ継手の応力とひずみ集中の状態を確認し、耐衝撃性について評価した。すなわち、地盤の掘削時にドリルビットの回転に起因してインナービットがケーシングシューに対して衝撃的に繰り返し接触し、ケーシングシューの危険断面付近から破断するおそれがある。これを防止するためには、危険断面付近（図１に示す符号Ｑ１部分）の応力およびひずみ集中を抑制する必要があり、第１実施例ではこれを検証した。

第１実施例では、３つの解析ケース（解析ケース１、解析ケース２、解析ケース３）で解析モデルを作成し、数値シミュレーション解析を行った。第１実施例において、解析ケース２は、上述した実施形態の鋼管ねじ継手１に相当する構成である。解析ケース１は、解析ケース２においてピンの形状を変更した構成であり、解析ケース３は、解析ケース１、２に対する比較例としたものである。各解析ケース１～３の具体的な構成は以下の通りである。

図４に示す解析ケース１は、上述した実施形態で示すテーパー状の鋼管ねじ継手１において、ケーシングシュー４のピン４１の雄ねじ４３における危険断面Ｑ１を完全ねじ部としたものである。このとき、ボックス２１の雌ねじ２２は不完全ねじ部２２Ａ（図２参照）である。
解析ケース２は、図２に示すように上述した実施形態で示すテーパー状の鋼管ねじ継手１において、ケーシングシュー４のピン４１の雄ねじ４３における危険断面Ｑ１を不完全ねじ部４３Ａとしたものである。このとき、ボックス２１の雌ねじ２２は不完全ねじ部２２Ａ（図２参照）である。
図５に示す解析ケース３は、ボックス２１とピン４１のねじ継手として一般的な平行ねじを採用した構成である。

第１実施例では、解析ケース１～３のそれぞれの鋼管ねじ継手に管体降伏強度の５０％に相当する引張荷重を与えた際の相当応力を解析により求めた。図６は、解析ケース１～３のそれぞれの解析モデルの解析結果による相当応力の分布をコンター図として示している。
図６に示すように、解析ケース３、解析ケース１、解析ケース２の順で高応力部の面積が減少していることが確認され、その順で応力が緩和されていることがわかる。ここで、図６において、各解析ケース１、２、３における高応力部をそれぞれ符号Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３で示している。

解析ケース３では、ピン４１のショルダー部４２側において高応力部Ｋ３が広範囲に拡大していることがわかる。具体的には、高応力部Ｋ３がピンの先端側Ｘ１で大きく、さらに先端側Ｘ１から基端側Ｘ２に向けてピンの広範囲にわたって応力が高くなっていることが確認された。
解析ケース１では、ピン４１の完全ねじ部４３Ｂの終端部（先端部）において高応力部Ｋ１が発生している。高応力部Ｋ１は、ピン４１の危険断面Ｑ１における雄ねじのねじ底の範囲で応力が高くなっていることが確認された。
また、解析ケース２では、ピン４１の不完全ねじ部４３Ａとボックス２１の雌ねじ２２の接触部のみで高応力部Ｋ２が発生していることが確認された。

また、図７は、第１実施例において、解析ケース１、２、３における塑性ひずみの大きさを比較した結果を示している。図７は、解析ケース１、２、３の鋼管ねじ継手に管体降伏強度相当の引張荷重を与えた際に、鋼管ねじ継手に生じる最大の相当塑性ひずみの大きさを、一般的な平行ねじを使用した解析ケース３を１００％としたときに、解析ケース１、２の比率を比較したものである。
この結果、解析ケース１の鋼管ねじ継手が略７５％であり、解析ケース２の鋼管ねじ継手が２０％以下であり、最もひずみ量が緩和されていることがわかる。

第１実施例では、解析ケース１～３のいずれも、ねじ底において大きな応力及びひずみが発生しているものの、ピンに不完全ねじ部を設けることでねじ底を浅くし、危険断面付近でのねじ底の応力及びひずみ集中を抑制できていることがわかる。

（第２実施例）
第２実施例では、上述した鋼管ねじ継手の引張強度を引張試験により確認した。第２実施例では、表１に示すように実施例１～３と比較例１～３の６つの試験ケースにおいて、それぞれ以下に示す条件の試験体を作成して引張試験を行った。表１は、第２実施例で使用した６つの試験毎の試験体の条件と引張試験結果を示している。

表１に示すように、試験で使用する鋼管は、実施例１～３及び比較例１～３の６つの試験体ともに、直径が１１４．３ｍｍ、肉厚が６ｍｍである。
実施例１～３の試験体は、テーパーねじの鋼管ねじ継手であり、かつボックスが不完全ねじ部を有している。また、実施例１～３の試験体は、上述した（１）式の関係（すなわち、ピンの材料引張強度Ｔｐ×危険断面積Ａｐ＞ボックス２１の材料引張強度Ｔｂ×危険断面積Ａｂ）を満たしている。ここで、表１において、「〇」は（１）式を満たしていることを示し、「×」は（１）式を満たしていないことを示している。実施例１～３は、それぞれ同じ条件の鋼管ねじ継手の試験体を作成して試験を行ったものである。

比較例１の試験体は、テーパーねじの鋼管ねじ継手であり、かつボックスが不完全ねじ部を有するが、（１）式の関係を満たしていない（表１で「×」）ものである。比較例２の試験体は、平行ねじの鋼管ねじ継手であり、かつボックスには不完全ねじ部がなく、（１）式を満たしている。また、比較例３の試験体は、ねじ部を有さない管体のみの試験体であり、実施例１～３と比較例１、２で使用した鋼管と同じ材料規格の鋼管を用いたものである。

引張試験毎の引張結果は、実施例１～３及び比較例１、２において、比較例３を１．００としたときの比率を求めて評価した。つまり、この比率が１．００を超える場合には比較例３よりも引張強度が大きいと判断される。さらに本試験では、継手の破断位置を目視により確認した。

表１に示す第２実施例の試験の結果、実施例１～３ではいずれも引張強度の比率が１．０７となり、比較例３、すなわち管体を上回る引張強度となった。一方、比較例１では引張強度の比率が０．９６となり、比較例２では引張強度の比率が０．５６となり、比較例１、２共に比較例３の引張強度を下回った。また、各試験の破断の位置は、実施例１～３がすべて管体であることに対して、比較例１ではピンであり、比較例２ではボックスであった。

このように、比較例１では、（１）式を満たしていないことで、ねじ継手の引張強度が鋼管の管体よりも低下するうえ、破断位置がピンの位置になっている。そのため、実施例１～３のように（１）式を満たすことで、破断位置を管体にすることができることを確認できた。
さらに、比較例２の結果より、（１）式も満たしていても、平行ねじでボックスに不完全ねじを有さない場合には、引張強度が比較例３の管体の半分近くまで低下し、破断位置もボックスになることが確認できた。
このような結果により、実施例１～３の条件であるテーパーねじの鋼管ねじ継手で、ボックスに不完全ねじを有するとともに、（１）式を満たす条件とすることで、破断位置を管体とした引張強度の高いねじ継手を実現できることがわかった。

（第３実施例）
第３実施例は、上述した鋼管ねじ継手の耐衝撃性について図８に示す試験装置１００を使用して確認したものである。第３実施例では、表２に示すように実施例１、２と比較例の３つの試験ケースにおいて、それぞれ以下に示す条件の試験体を作成して耐衝撃性の試験を行った。表２は、第３実施例で使用した３つの試験毎の試験体の条件と耐衝撃性の試験結果を示している。

表２に示すように、試験で使用する鋼管は、実施例１及び比較例１の試験体において直径が１１４．３ｍｍ、肉厚が６ｍｍであり、実施例２の試験体において直径が７６．３ｍｍ、肉厚が５．２ｍｍである。
実施例１、２の試験体は、テーパーねじの鋼管ねじ継手であり、ボックスが不完全ねじ部を有し、かつピンが不完全ねじ部を有している。また、実施例１、２の試験体は、上述した（１）式の関係（すなわち、ピンの材料引張強度Ｔｐ×危険断面積Ａｐ＞ボックス２１の材料引張強度Ｔｂ×危険断面積Ａｂ）を満たしている。ここで、表２において、「〇」は（１）式を満たしていることを示している。また、実施例１、２の試験体におけるケーシングシューの衝突面の位置は、ピンショルダーと先端の中間（上述した実施形態の図２に示す位置）である。

比較例１の試験体は、平行ねじの鋼管ねじ継手であり、ボックス及びピンには不完全ねじ部がなく、かつ（１）式を満たしている。また、比較例１の試験体におけるケーシングシューの衝突面は設けられていない。

図８に示すように、第３実施例の耐衝撃性を試験する試験装置１００は、実際のトンネル施工に使用する機械を採用し、上述した実施例１、２及び比較例１の試験体である鋼管２にドリルビット３、ケーシングシュー４、インナービットを備えたトンネル補強部材に相当する部材（補強部材１０という）を水平方向に向け、その補強部材１０の管軸方向Ｘの基端側Ｘ２を動力機械１０１で保持する。動力機械１０１は、保持した補強部材１０に対して回転力を与えつつ先端側Ｘ１に移動させる。補強部材１０の先端側Ｘ１には、補強部材１０で削孔するコンクリート壁１０２を設けている。
本試験では、ケーシングシュー４等を先端に取り付けた鋼管２を動力機械１０１により回転させ、コンクリート壁１０２に繰り返し接触させることで鋼管ねじ継手に衝撃荷重を与えた。なお、コンクリート壁１０２への接触回数は、１５００～２０００回／分である。
そして、本試験結果として、試験時間（分）と、試験時間経過後の継手の状態を目視により確認した。

表２に示す第３実施例の試験の結果、比較例１の平行ねじによる鋼管ねじ継手の場合には、衝撃荷重を３５分加えたときにねじ部から破断した。これに対して、実施例１、２のテーパーねじによる鋼管ねじ継手の場合には、衝撃荷重をそれぞれ４８分間、６９分間加えてもねじ部における損傷が確認されなかった。
このような結果により、実施例１、２の条件であるテーパーねじの鋼管ねじ継手で、ボックス及びピンに不完全ねじを有するとともに、（１）式を満たす条件とし、さらにピンにおけるショルダー部と先端部との中間に衝突面を設けることで、耐衝撃性が向上されることが確認できた。

以上、本発明による鋼管ねじ継手の実施形態について説明したが、本発明は前記の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、ピン４１の材料引張強度Ｔｐおよび危険断面積Ａｐ、ボックス２１の材料引張強度Ｔｂおよび危険断面積Ａｂが上述した（１）式および（２）式の関係式を満たすことを条件としているが、この（１）式および（２）式の関係式を満たすことに限定されることはない。

また、本実施形態では、ピン４１に不完全ねじ部４３Ａを有する構成としているが、ボックス２１の不完全ねじ部２２Ａは必須であるが、ピン４１の不完全ねじ部４３Ａは省略することも可能である。

さらに、本実施形態では、ケーシングシュー４の内面において、インナービット５が後方から衝突する衝突面４０ａが設けられた構成としているが、この衝突面４０ａは省略することも可能である。また、本実施形態では、衝突面４０ａがショルダー部４２よりも先端側Ｘ１に位置しているが、衝突面の位置はこの位置に限定されず、例えば上述した変形例のようにピン４１の管軸方向Ｘで中間部分（ショルダー部４２よりも基端側Ｘ２の位置）に設ける構成としてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、１Ａ 鋼管ねじ継手
２ 鋼管
３ ドリルビット
４ ケーシングシュー
５ インナービット
２１ ボックス
２２ 雌ねじ
２２Ａ ボックスの不完全ねじ部
４０ ケーシング本体
４０ａ 衝突面
４１ ピン
４１ａ 衝突面
４２ ショルダー部
４３ 雄ねじ
４３Ａ ピンの不完全ねじ部
４３Ｂ ピンの完全ねじ部
５１ａ 被衝突面
１０ トンネル補強部材
Ｑ１ ピンの危険断面
Ｑ２ ボックスの危険断面
Ｘ 管軸方向
Ｘ１ 先端側
Ｘ２ 基端側

Claims (3)

1. トンネル補強工法で地盤に打ち込まれる鋼管と、前記鋼管と地盤掘削用のドリルビットとの間に配置されるケーシングシューと、に加工された鋼管ねじ継手であって、
   前記鋼管の内側に雌ねじ加工されたボックスと、
   前記ケーシングシューの外側に雄ねじ加工されたピンと、を有し、
   前記ボックスと前記ピンとに形成されるねじ列は、前記鋼管の管軸に対してテーパーを形成し、
   前記ボックスは、雌ねじ山の高さが前記鋼管の径方向中心に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部を有し、
   前記不完全ねじ部の少なくとも一部が前記ピンの雄ねじと嵌合し、
   前記ケーシングシューの材料引張強度は、前記鋼管の材料引張強度よりも高く設定され、
   前記ドリルビットは、前記鋼管の内側に配置されるインナービットに固定され、
   前記ケーシングシューは、管軸方向で掘削先端側に位置するケーシング本体と、前記ケーシング本体の基端側に連設される前記ピンと、を有し、
   前記ケーシング本体の管軸方向の中央には、前記鋼管より厚肉となる管厚部を有し、
   前記管厚部には、管軸方向で前記基端側から前記インナービットが衝突する衝突面が形成され、
   前記ピンの材料引張強度Ｔｐおよび危険断面積Ａｐ、前記ボックスの材料引張強度Ｔｂおよび危険断面積Ａｂは、（１）式および（２）式の関係式を満たすことを特徴とする鋼管ねじ継手。
   
2. 前記ピンの雄ねじ山の高さは、径方向外側に向かうに従い漸次、小さくなる不完全ねじ部を有することを特徴とする請求項１に記載の鋼管ねじ継手。
3. 前記衝突面は、前記ピンにおける前記ボックスの先端部を向くショルダー部よりも、管軸方向で前記ケーシングシューの前記掘削先端側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管ねじ継手。