JP7450417B2 - コンクリート部材及びセグメント - Google Patents

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コンクリート部材及び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コンクリート部材及び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厚さを抑え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字状の主鋼板をコンクリートに埋設している。
そして、圧縮伝達材と主鋼板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板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、圧縮伝達材と主鋼板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コンクリート部材及び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、圧縮伝達材及び鋼部材の一方に進退可能に連結されていて他方に当接または固定されている定着具と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、コンクリート部材における圧縮伝達材及び鋼部材の一方に進退可能に連結された定着具を繰り出し調整して他方に当接または固定させることで、圧縮伝達材と定着具と鋼部材とを連続して配設でき、コンクリート部材の圧縮伝達材同士の当接部に圧力が印加されたとしても圧縮伝達材と定着具と鋼部材とコンクリートに分散して受け止めることができる。

また、定着具はナット部を有しており、鋼部材はナット部に螺合するネジ節鉄筋またはねじ部を有しており、ナット部はネジ節鉄筋またはねじ部に螺合した状態で進退可能とすることが好ましい。
コンクリート部材における端面の圧縮伝達材と鋼部材とが分離されていても、圧縮伝達材及び鋼部材の一方に螺合された定着具を進退させることで他方と当接または固定でき、圧縮伝達材と定着具と鋼部材とを連結することができる。

また、対向する圧縮伝達材の間に鋼部材を含む鉄筋かごが配設されていてもよい。
鋼部材が鉄筋かごの一部であると、圧縮伝達材に印加される圧縮力を鉄筋かごを介してコンクリートに分散して受け止めることができる。

また、端面にはその上下に圧縮伝達材が配設され、上下の圧縮伝達材の間に継手が設置されていてもよい。
上下方向のいずれから圧縮力が印加されたとしても上下に配置された圧縮伝達材で受け止めることができる。

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、圧縮伝達材及び鋼部材の一方に進退可能に連結されていて他方に当接または固定されている定着具と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、セグメントにおける圧縮伝達材及び鋼部材の一方に進退可能に連結された定着具を繰り出し調整して他方に当接または固定させることで、圧縮伝達材と定着具と鋼部材とを連続して配設でき、セグメントの圧縮伝達材同士の当接部に圧力が印加されたとしても圧縮伝達材と定着具と鋼部材とコンクリートに分散して受け止めることができる。

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から定着具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、くさび材を用いることなく、圧縮伝達材及び鋼部材の一方に定着具を進退可能に連結して他方に当接または固定したため調整作業が容易で低コストであり、Ｈ字状の主鋼板を用いないため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。 高ナットの第一変形例を用いた鋼板とネジ節鉄筋との連結構造の図である。 高ナットの第二変形例を用いた鋼板とネジ節鉄筋との連結構造の図である。 鋼板の変形例を用いた鋼板と主鉄筋との連結構造を示す図である。

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圧縮伝達材として鋼板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。上部鋼板１５ａと下部鋼板１５ｂは継手面７の幅と同一長さに亘って形成されている。
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の方向に沿って主鉄筋（鋼部材）として複数のネジ節鉄筋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ネジ節鉄筋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ネジ節鉄筋１８は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はネジ節鉄筋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４、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ネジ節鉄筋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。第一の配力筋１９ａに接触させて左側の一部のネジ節鉄筋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ネジ節鉄筋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はネジ節鉄筋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ネジ節鉄筋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、格子状に配列されている。

上下に対向して配設された複数のネジ節鉄筋１８の両端部にはそれぞれ定着具として高ナット２１が螺合されている。図６及び図７に示すように、高ナット２１は鋼板１５側に設けられた拡径されたフランジ部２２とネジ節鉄筋１８を螺合させたナット部２３とが一体に形成されている。そして、対向する鋼板１５の間に鉄筋かご１６のネジ節鉄筋１８を配設した状態で、ネジ節鉄筋１８の両端に螺合させた高ナット２１を進退させることでフランジ部２２を鋼板１５に当接させている。ナット部２３はネジ節鉄筋１８から繰り出した際に雌ねじ部が外れることなく鋼板１５に当接する程度の長い長さに設定されている。
しかも、各高ナット２１はネジ節鉄筋１８毎に装着されている。ネジ節鉄筋１８と高ナット２１と鋼板１５とは同一線状に配設されている。

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高ナット２１からネジ節鉄筋１８を含む鉄筋かご１６及びコンクリートＣに伝達され、荷重を分担して受けることができる。なお、継手面７からネジ節鉄筋１８の自由端までのコンクリートＣのみの構造について、高ナット２１を接続配置することによって主断面と同一の性能とすることができる。
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内にネジ節鉄筋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。各ネジ節鉄筋１８の両端部または一部のネジ節鉄筋１８には高ナット２１が螺合されている。

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、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、上部鋼板１５ａを取り付けてネジ等で固定する。そして、各ネジ節鉄筋１８の両端部に螺合させた高ナット２１を回転させることで緩めて高ナット２１のフランジ部２２を下部鋼板１５ｂ及び上部鋼板１５ａに当接させる。この状態で、高ナット２１のナット部２３はネジ節鉄筋１８と螺合状態に維持されている。
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は鉄筋かご１６の隙間を流通し、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。

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、軸方向にセグメント２の主桁面６同士を当接させ、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から高ナット２１と鉄筋かご１６のネジ節鉄筋１８及び配力筋１９とコンクリートＣ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、高ナット２１及び鉄筋かご１６のネジ節鉄筋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、鋼板１５及び高ナット２１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、鋼板１５及び高ナット２１で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及び下部鋼板１５ｂから高ナット２１を介して鉄筋かご１６のネジ節鉄筋１８及び配力筋１９とコンクリートＣ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。
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高ナット２１によって補強することができる。

しかも、鉄筋かご１６の主鉄筋にネジ節鉄筋１８を採用することにより高ナット２１による調整が可能になった。しかも、鉄筋かご１６のネジ節鉄筋１８に螺合した高ナット２１を上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂに当接するよう調節するだけなので、従来のくさびの打設と比較して耐圧縮力の調整が容易である。しかも、セグメント２の厚みを増大させることなく耐圧縮力を向上できる。
また、上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂは高ナット２１を介して鉄筋かご１６のネジ節鉄筋１８を同一線状に連続して配設したため、上部鋼板１５ａ及び下部鋼板１５ｂに印加される土圧等の圧縮荷重を受け止めることができる。

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。

図１０は高ナット２１の第一変形例を示すものである。
図１０において、第一変形例による高ナット２１Ａはフランジ部２２を備えておらず、長軸のナット部２３だけで構成されている。高ナット２１Ａはネジ節鉄筋１８に螺合した状態で鋼板１５側に進退可能である。
図１１は第二変形例による高ナット２１Ｂを示すものである。
本変形例では、高ナット２１Ｂはフランジ部２２を備えておらず、長軸のナット部２３だけで構成されている。しかもナット部２３の鋼板１５側端部の外周面には雄ねじ部２８が形成されている。鋼板１５の背面には高ナット２１Ｂの先端を受け入れる凹部２９が形成され、この凹部２９の内周面には高ナット２１Ｂの雄ねじ部２８と螺合される雌ねじ部２９ａが形成されている。主鉄筋１８Ａは例えば異形棒材で形成され、その端部に雄ねじ部が形成されている。

そのため、セグメント２の製造時に型枠２５の側部２５ｂに固定された鋼板１５に対して高ナット２１Ｂの位置を調整する際、ナット部２３の雄ねじ部２８を凹部２９の雌ねじ部２９ａに螺合する。これによって、高ナット２１Ｂはより高強度に鋼板１５に固定され、土圧等による圧縮力の伝達がより確実になる。

なお、鋼板１５の凹部２９に雌ねじ部２９ａを設けなくてもよく、この場合、高ナット２１Ｂに雄ねじ部２８を形成する必要もない。この場合でも、調整時に高ナット２１Ｂを鋼板１５の凹部２９内に嵌合できるため高ナット２１Ｂを位置決めできて保持強度が高い。

また、図１２は鋼板１５の変形例を示すものである。
本変形例では、鋼板１５の裏面に雄ねじ部３１が突出して連結または形成されている。この雄ねじ部３１に高ナット２１のナット部２３が螺合して位置調整可能とされている。そして、雄ねじ部３１に対する高ナット２１の位置を調整することで、例えば異形棒材等からなる主鉄筋１８Ｂの先端にフランジ部２２を当接させて保持できる。
本変形例の場合でも、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及び下部鋼板１５ｂから高ナット２１を介して鉄筋かご１６の主鉄筋１８Ｂ及び配力筋１９に分散されるため、耐圧縮力と強度が高い。

なお、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。
上述した実施形態によるセグメント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ない。例えば、セグメント２は地下の適宜の浅い区画または地上等に施工するトンネル１にも適用できる。また、本発明のトンネル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。
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、主鉄筋は必ずしもネジ節鉄筋１８に限定されるものではなく、柱状の棒材や異形棒材等の端部に雄ねじ部を形成したものを採用してもよい。また、端面は継手面７を含んでいる。高ナット２１、２１Ａ、２１Ｂは定着具に含まれる。

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
１２ Ｍ金物
１３ Ｆ金物
１５ 鋼板
１５ａ 上部鋼板
１５ｂ 下部鋼板
１６ 鉄筋かご
１８ ネジ節鉄筋
１８Ａ、１８Ｂ 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、２１Ａ、２１Ｂ 高ナット
２２ フランジ部
２３ ナット部
２９ 凹部
Ｂ 高層建築物
Ｃ コンクリート

Claims (5)

1. 対向する端面を有するコンクリート部材であって、
   対向する前記端面にそれぞれ露出して配設された圧縮伝達材と、
   対向する前記圧縮伝達材の間に配設されている鋼部材と、
   前記圧縮伝達材及び鋼部材の一方に螺合した状態で進退可能に連結されていて他方に当接されている定着具と、
   を備え、
   定着具は、前記圧縮伝達材及び鋼部材の一方から外れることなく前記圧縮伝達材及び鋼部材の他方に当接する長さを有する、
   ことを特徴とするコンクリート部材。
2. 前記定着具はナット部を有しており、鋼部材は前記ナット部に螺合するネジ節鉄筋またはねじ部を有しており、
   前記ナット部は前記ネジ節鉄筋またはねじ部に螺合した状態で進退可能とした請求項１に記載されたコンクリート部材。
3. 前記対向する圧縮伝達材の間に前記鋼部材を含む鉄筋かごが配設されている請求項１または２に記載されたコンクリート部材。
4. 前記端面にはその上下に前記圧縮伝達材が配設され、前記上下の圧縮伝達材の間に継手が設置されている請求項１から３のいずれか１項に記載されたコンクリート部材。
5. 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、
   対向する前記継手面にそれぞれ露出して配設された圧縮伝達材と、
   対向する前記圧縮伝達材の間に配設されている鋼部材と、
   前記圧縮伝達材及び鋼部材の一方に螺合した状態で進退可能に連結されていて他方に当接されている定着具と、
   を備え、
   定着具は、前記圧縮伝達材及び鋼部材の一方から外れることなく前記圧縮伝達材及び鋼部材の他方に当接する長さを有する、
   ことを特徴とするセグメント。

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