JPH06137085A - トンネル覆工 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セグメント間継ぎ手の挙動が把握しやすく、
セグメント本体および継ぎ手の設計が有利で、変形が少
なく、かつ施工性、経済性に優れたトンネル覆工構造を
提供する。 【構成】 セグメント２をリング状に組み立ててセグメ
ントリング１を形成するに当り、セグメントリング１を
剛体とみなした場合の曲げモーメントが最小となる位置
近傍に、セグメントリング１の分割位置３を設ける。こ
の曲げモーメントが最小となる分割位置３にセグメント
間継ぎ手を設け、これを隣り合うセグメントリング１ど
うしについて揃えることで、イモ継ぎ配置としてトンネ
ル軸方向の連結を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主にシールド工法等で
施工されるセグメントを用いたトンネル覆工の構造、特
にセグメントリング内の分割、およびセグメントリング
相互の連結構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法によってトンネルを構築す
る場合、通常、複数の覆工材（セグメント）をリング状
に組み立てながら、トンネル軸方向に連結して行く方法
が採られる。なお、リングを形成する継ぎ手をセグメン
ト間継ぎ手、セグメントリング相互をつなぐ継ぎ手をリ
ング間継ぎ手と呼ぶ。

【０００３】この場合のセグメントリング内の分割、お
よびセグメントリング相互の連結方法であるが、図７に
示すように、Ａ、ＢおよびＫセグメントの３種類のセグ
メント２を閉合してセグメントリング１を構築し（図７
に示したものは７ピースのセグメント２により構成され
ているが、５〜１０ピースの範囲内で用いられることが
多い）、組み上がったセグメントリング１を図８のよう
にトンネル軸方向にセグメント２が互い違いになるよう
に配置する方法（千鳥組み配置と呼ぶ）、または図９の
ようにセグメント２をトンネル軸方向に揃えて配置する
方法（イモ継ぎ配置と呼ぶ）がある。なお、図中、３は
セグメントリング分割位置、４はセグメントリング連結
位置を示す。

【０００４】また、セグメントとしては、鉄筋コンクリ
ート製および鋼製のセグメントが一般的であるが、この
他にも鋼板とコンクリートを一体化させた合成セグメン
ト等がある。

【０００５】なお、以下の説明において、セグメントリ
ング内の分割を単にセグメントリングの分割、またセグ
メントリング相互の連結を単にセグメントリングの連結
と呼ぶこととする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般的にセグメントリ
ングの分割および連結方法は、図８に示した千鳥組み配
置が用いられている。これはセグメントリングを設計す
る際の断面力算定に当り、セグメントリングを曲げ剛性
一様なリングと考える、いわゆる慣用計算法が今まで多
く用いられていたことに起因している。

【０００７】この計算法は簡便に設計できるようリング
の剛性を一様としているが、実際にはセグメントリング
は継ぎ手の存在によって剛性が低下するので、セグメン
ト単体と同じ剛性を持つリングと比べて変形しやすい。
これに対処するため、隣接するセグメントへの添接効果
を得るべく、トンネル軸方向にもボルト等を用いて結合
し、千鳥組み配置としているのである。すなわち、設計
モデルを曲げ剛性一様リングとする慣用計算法では千鳥
組み配置が事実上不可欠となっているのである。

【０００８】しかし、現在、簡便という理由で多く用い
られているこの慣用計算法は、セグメントリングの挙動
を忠実に表現しているとはいい難く、特に継ぎ手部の剛
性低下に伴うセグメントリング全体の曲げ剛性の有効
率、並びに千鳥組みによる添接効果によって生じる曲げ
モーメントの配分を考慮した設計用曲げモーメント（曲
げモーメントの割増率）をどのように設定すべきなの
か、現状では実験と経験によって推定するほかないのが
実情である。

【０００９】また、最近はシールドトンネルの断面形状
に関し、楕円形や矩形、さらにこれらに類する形状のも
のの他、多連形のものも研究、開発され、一部実用化さ
れている。これらの設計においても、従来の円形で用い
られてきた慣用計算法が適用できるのか問題となるとこ
ろである。

【００１０】そこで、この慣用計算法に代わる新たな設
計計算法として、セグメントリングを形成するセグメン
ト間継ぎ手を回転バネとし、セグメントリング相互を連
結するリング間継ぎ手をせん断バネで評価する、いわゆ
る「梁バネモデル計算法」が近年の電子計算機の急速な
発達のもと、合理的な設計方法として最近用いられるよ
うになってきた。

【００１１】そこで、この梁バネモデル計算法の考え方
に立って、セグメントリングの分割および連結方法を検
討した結果、従来の千鳥組み配置には以下の問題点があ
ることが判った。

【００１２】 千鳥組みのため、どうしてもトンネル
に生じる曲げモーメントの大きなところにセグメント間
継ぎ手を設置せざるを得ず、継ぎ手の設計が強度面、剛
性面ともに厳しくなる。

【００１３】 そのため、大口径や異径断面トンネル
のように曲げモーメントが多く発生する場合には、セグ
メント間継ぎ手を強固にする必要がある。しかし、ボル
トの本数を増加してもセグメント高さの中央付近に配置
したボルトは曲げに対して有効に働かないことが多く、
またボルトを多く配置するため、継ぎ手ボックスが大き
くなり、箱抜きによる本体の断面欠損が懸念される。

【００１４】 また、千鳥組みのため、トンネルに生
じる曲げモーメントはセグメント間継ぎ手を通して全て
は伝達されず、その一部は隣接するセグメントを経て伝
達される。そのため、該当部のセグメント間継ぎ手の挙
動が把握し難い状況にある。

【００１５】 さらに、セグメント本体に着目する
と、千鳥組みによりセグメント間継ぎ手部に生じた曲げ
モーメントが本体部に流入してくるため、本体の設計も
厳しくなる。

【００１６】 施工の際、セグメントを互い違いに組
んでいくため、イモ継ぎに比べ作業が煩雑になる。

【００１７】 異径断面（２つ以上の異なった曲率を
有する断面、例えば楕円形に近い断面）のような円形以
外のトンネル断面の場合や、メガネ形のような複断面の
場合等は、千鳥組みにすると、異なった形状を有するセ
グメントピースが多種必要となる。さらに、鋼製または
合成セグメントの場合は１ピース内に曲率の異なるスキ
ンプレート、主桁が必要になるため、ロールベンダー加
工ができない等、セグメント製作コストの増大を招く。

【００１８】本発明は、上記問題点を解決し、セグメン
ト間継ぎ手の挙動が把握しやすく、セグメント本体およ
び継ぎ手の設計が有利で、変形が少なく、かつ施工性、
経済性に優れたトンネル覆工構造を提供することを目的
としたものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のトンネル覆工
は、セグメント間継ぎ手が位置するセグメントリング分
割位置の少なくとも一部を、セグメントリングを剛体と
みなした場合の曲げモーメントが最小となる位置近傍に
配置したこと、およびこの分割位置をイモ継ぎとしたこ
と、すなわち隣り合うセグメントリング間についてトン
ネル軸方向に揃えたことを特徴とするものである。

【００２０】

【作用】本発明は、前項で述べたようにトンネルに生じ
る曲げモーメントの最小位置近傍にセグメントリングの
分割位置を設定し、さらにこの分割位置をイモ継ぎとし
たものであり、以下に上記構成を採用した理由を述べ
る。

【００２１】まず、曲げモーメントの最小位置近傍に分
割位置を設定した理由を以下に示す。

【００２２】 セグメントリング分割位置に存在して
いるセグメント間継ぎ手には曲げモーメントがほとんど
作用せず、軸圧縮力のみとなるため継ぎ手の設計が非常
に有利となる。

【００２３】 よって、継ぎ手ボックスは比較的小型
のもので対応でき、本体の断面欠損が少なくて済む。

【００２４】 また、先に述べたように、セグメント
間継ぎ手には曲げモーメントがほとんど作用していない
ことから、セグメントリングの変形も抑えることができ
る。

【００２５】 さらに、異径断面を有するトンネルを
考えた場合、分割位置近傍が概ねセグメントリングの変
曲点に位置しているため、該分割位置に継ぎ手を設置す
ることによってセグメント単体は単一の曲率からなる形
状を呈することとなる。これにより、鋼製もしくは合成
セグメントを使用する場合、スキンプレートおよび主桁
の曲げ加工を従来から一般に用いられてきたロールベン
ダーで行うことができ、異径断面化によるセグメント製
作費の増大を抑えることができる。

【００２６】次に、曲げモーメントの最小位置近傍に設
置した分割位置を、イモ継ぎとした理由を以下に示す。

【００２７】 千鳥組みによる添接作用が起こらない
ため、セグメント間継ぎ手部から本体部への曲げモーメ
ントの流入が起こらず、本体の設計が有利となる。

【００２８】 また、添接作用が生じないため、分割
位置に作用する断面力が全てセグメント間継ぎ手を通し
て伝達され、継ぎ手部の挙動が把握しやすい。

【００２９】 施工の際、セグメントを互い違いに組
む必要がないため、施工性が良い。

【００３０】 異径断面のような円形以外のトンネル
を構築する場合、セグメントの形状が千鳥組みに比べて
少ない種類で対応できるため、セグメントの製作コスト
の削減が図れる。

【００３１】以上が本発明の構成を採用した主な理由で
ある。なお、イモ継ぎに関しては、原則としてセグメン
トリングの曲げモーメント最小位置近傍に対して行い、
それ以外の部分においてもセグメントリングを分割する
必要がある場合には、その部分について千鳥組み配置等
を併用することもある。すなわち、円形や異径断面のト
ンネルの場合、曲げモーメントが最小になる点は通常４
箇所であるため、本発明を適用するに当り、セグメント
リングは４分割が望ましいが、トンネルの大口径化に伴
うセグメント重量の増大、並びにＫセグメントの設置
等、分割数を増やさなければならない状況も多々あり、
このような場合には、曲げモーメントの最小位置である
４箇所をイモ継ぎとして、この他に比較的曲げモーメン
トの小さな部分を選定し、該部分のみ千鳥組み配置とす
ることも考えられる。

【００３２】また、逆に曲げモーメントが最小になる４
箇所全てに分割位置を設けてイモ継ぎにしなくても、数
箇所に採用すれば本発明の効果が期待できる場合には、
この限りではない。すなわち、本発明は、従来の千鳥組
み一辺倒の配置から脱し、セグメントリングの分割位置
をリングに生じる曲げモーメントの最小位置に積極的に
設け、しかも該分割位置をイモ継ぎとすることにより、
セグメント間継ぎ手および本体設計を有利に展開するこ
とに主眼をおいたものである。よって、本発明はこの主
旨を逸脱しない範囲内で種々の改変を施し得るものであ
る。

【００３３】

【実施例】次に、図示した実施例について説明する。

【００３４】図１〜図５および表１は異径断面トンネル
に本発明を用いた際の実施例および従来の千鳥組み配置
による比較例を示したものである。

【００３５】図１は、所定の土質条件の地盤に設置した
長径：短径＝３：２の比率を有するセグメントリング１
に対し、セグメントリングを剛体とみなした場合のリン
グに発生する曲げモーメントの分布を示したものであ
る。本発明は、この図において、曲げモーメントが最小
になる点（Ｊ１〜Ｊ４）に分割位置を設けて、その分割
位置を隣り合うセグメントリング１どうしについてイモ
継ぎ配置とするものであり、その実施例を図２に示す。

【００３６】実際にトンネルを構築して行く際には、図
２(a) 、(b) に示したセグメントリング１を交互に連結
して行くことによりなされる。なお、図２には、曲げモ
ーメントの最小位置４箇所の他、Ｋセグメントの配置の
ためＪ５、Ｊ６が設けられ、さらにこの２点に関しては
千鳥組み配置とした分割例を示したものである。

【００３７】図３は、図２に示した本発明の効果を検証
するために、従来の千鳥組み配置の分割例を示したもの
で、図３(a) 、(b) の配置のものを交互に連結してい
る。

【００３８】以上の図２、図３に示した分割方法に対
し、セグメントリング１に発生した曲げモーメントの分
布図を図４（本発明：イモ継ぎ配置）、図５（従来例：
千鳥組み配置）に示す。また、これらの図から、セグメ
ント２本体およびセグメント間継ぎ手に発生する曲げモ
ーメントの最大値、並びに図示していないがその位置で
の軸力、さらにセグメントリング１全体の変形量を、従
来の千鳥組み配置の値を１００として、下の表１にまと
めた。なお、以上の計算はセグメントリングの挙動を実
際に近い状態でシミュレートできる前述の「梁バネモデ
ル計算法」を用いて算出した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１からセグメント本体および継ぎ手に発
生する曲げモーメント、軸力は、正曲げ、負曲げともに
本発明であるイモ継ぎ配置のほうが千鳥組み配置より小
さな値を示し、特に正曲げ時において、本体および継ぎ
手の設計を有利にできることが明らかとなった。なお、
表１の負曲げ時において、本発明の効果があまり見られ
ない結果となったが、これはＫセグメントの設置のた
め、負曲げ区間に千鳥組み配置（Ｊ５、Ｊ６）を設けた
ことによる。また、リング全体の変形量はイモ継ぎ配置
にすることにより千鳥組み配置に比べ１０〜２０％程度
抑えられることも示された。以上のことから、上記分割
および連結方法を利用した本発明のトンネル覆工は、従
来の千鳥組み配置のトンネル覆工に比べ、設計上非常に
有利であることが実証された。

【００４１】図６は、従来から一般的に用いられている
円形断面トンネルに本発明を採用する際、参考となる曲
げモーメント分布図である。この図において曲げモーメ
ントが最小となる点ｊ１〜ｊ４に分割位置を設け、イモ
継ぎにすることによって本発明の効果が得られる。

【００４２】

【発明の効果】本発明のトンネル覆工は上述のような構
成からなり、曲げモーメントの最小位置近傍にセグメン
トリングの分割位置を設け、さらにその分割位置をイモ
継ぎとしたことで、セグメント間継ぎ手の挙動が把握し
やすく、また継ぎ手に作用する曲げモーメントが小さ
く、大口径、異径断面トンネルの場合でもトンネルの変
形を抑えることができる。さらに、継ぎ手に強固なもの
を必要としないことから、継ぎ手ボックスを小さくで
き、よって本体の断面欠損も抑えることができる。ま
た、本体の設計も有利になる他、千鳥組みの際問題とな
っていた、セグメント組立施工の煩雑さ、並びに円形以
外のトンネル断面に対するセグメント製作コストの増大
を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セグメントリングを剛体とみなした場合の異径
断面トンネルに発生する曲げモーメント分布図である。

【図２】本発明を異径断面トンネルに適用した場合のセ
グメントリング分割図である。

【図３】従来の千鳥組み配置を、図２の場合と同様の異
径断面トンネルに適用した場合のセグメントリング分割
図である。

【図４】図２に示した分割方法に対して、セグメントリ
ングに発生した曲げモーメント分布図である。

【図５】図３に示した分割方法に対して、セグメントリ
ングに発生した曲げモーメント分布図である。

【図６】円形断面トンネルに発生する曲げモーメントの
分布を、セグメントリングを剛体とみなした場合につい
て示した曲げモーメント分布図である。

【図７】従来の円形断面トンネルの一般的なセグメント
リングの分割図である。

【図８】セグメントの千鳥組み配置を示すトンネル斜視
図である。

【図９】セグメントのイモ継ぎ配置を示すトンネル斜視
図である。

【符号の説明】

１…セグメントリング、２…セグメント、３…セグメン
トリング分割位置、４…セグメントリング連結位置

フロントページの続き (72)発明者 山本 尚 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セグメントをリング状に組み立ててセグ
   メントリングを形成し、前記セグメントリング相互をト
   ンネル軸方向に連結してなるトンネル覆工において、セ
   グメントリング内のセグメント間継ぎ手が位置するセグ
   メントリング分割位置の少なくとも一部を、前記セグメ
   ントリングを剛体とみなした場合の曲げモーメントが最
   小となる位置近傍に配置し、かつ前記曲げモーメントが
   最小となる位置近傍に配置したセグメントリング分割位
   置を隣り合うセグメントリング間についてトンネル軸方
   向に揃えたことを特徴とするトンネル覆工。