JP2009007869A - セグメントの継手構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シールドトンネルの曲線部施工などのように各セグメントで締結ボルトの挿入方向が変わる場合でも、ボルト・ナットで締結でき、比較的簡単な継手構造及び比較的容易な締結作業により必要な締結強度が得られるセグメントの継手構造を提供する。
【解決手段】各セグメントＳ内にセグメントを連結方向に貫通して設けられる締結孔１と、この締結孔１の一端に設けられる拡径部２と、この締結孔１内に一端の拡径部側から挿入される、ボルト部材３とボルト頭部としてのナット部材４が一体の通しボルト部材５とから構成し、ボルト部材３の先端を、接合するセグメントのナット部材４にねじ込み、ボルト部材３とナット部材４の遊び量（0.1Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1.5Ｈ、Ｄ：ナット部材の有効径、ｄ：ボルト部材の有効径、Ｈ：ねじ山高さ）で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結する
【選択図】図１

Description

本発明は、シールドトンネルの覆工セグメント等、セグメントが連続したセグメント連結構造物を形成するためのセグメントの継手構造に関するものである。

シールドトンネルの覆工セグメントの継手構造は、セグメント接合部におけるセグメント内面にボルトボックスを設け、セグメント内面側からボルト・ナットでセグメント同士を締結する方式が一般的である。しかし、下水道や共同溝工事などのシールドトンネルにおいては、セグメント内面が平滑で、ボルトボックスが表面に見えないものが求められている。

このため、セグメントの内部でボルト・ナットによりセグメント同士を締結する継手構造が開発されている（例えば特許文献１）。特許文献１の発明は、セグメントの内部にボルトが挿通可能なガイドパイプを一方の接合板と他方の接合板との間に配置し、接合板の内面には、ナットをナットホルダーで固定し、ボルトを、ガイドパイプ内を通して挿入し、ナットにねじ込んで、セグメント同士を締結するものである。短いボルトを使用して能率よく締結作業を行うことができる。

また、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３がある。特許文献２の発明は、セグメントの内部にシース管を一端面と他端面間に埋設し、長尺のボルトと、このボルト頭部に一端の凹部で係合し他端に雌ねじ孔を有するカプラーを用い、このボルトとカプラーをシース管内に係合凸部で抜け出しできないように配置し、カプラーを締結機で回転させることによりボルトを回転させ、ボルト先端を締結するセグメント側のカプラーの雌ねじ孔にねじ込んでセグメント同士を締結するものである。予めボルトがシース管内に配置されているため、長ボルトの挿入作業がなくなり、締結作業が容易となる。

特許文献３の発明は、中空構造物の湾曲部分のセグメント同士を曲がりボルトにより締結するものである。曲がりボルトを使用することにより、部材同士の応力伝達が接合面において均一となり、また中空構造物の外側からナット締め付け等の接合作業が容易となる。

特開２００６−２９１４９１号公報 特開平７−３１７４９６号公報 特開２００３−３２８６９４号公報

シールドトンネルの曲線部施工においては、セグメントの１リングずつ、曲率に合わせて角度が変わるため、締結ボルトの挿入する方向が変わり、通常のボルト・ナットでは容易に対応することができない。また、前述したガイドパイプ等を用いる継手構造では、構造が比較的複雑となり、また作業性が悪いなどの課題があった。

また、複数の曲面部材同士を曲がりボルトで締結する方法では、曲面部材に曲線の締結孔を加工する必要があり、加工が困難であると共に、曲がりボルトの挿入及び締結等の作業性が悪い。また、曲がりボルトが外部に露出するために、腐食環境に対する品質確保に対し、更なる処置が必要となる。

本発明は、上記のような課題を解消すべくなされたものであり、シールドトンネルの曲線部施工などのように各セグメントで締結ボルトの挿入方向が変わる場合でも、ボルト・ナットで締結することができると共に、比較的簡単な継手構造及び比較的容易な締結作業により必要な締結強度を得ることができるセグメントの継手構造を提供するものである。

本発明の請求項１の発明は、セグメント同士を雄ねじ部材と雌ねじ部材により締結してセグメントが連続したセグメント連結構造物を形成するためのセグメントの継手構造であり、各セグメントには、一方の接合端面から他方の接合端面に貫通する締結孔がセグメント連結方向に連続するように形成され、前記締結孔の少なくとも一方の接合端面側には、締結孔の内径よりも大きい内径の拡径部が形成され、前記締結孔内に拡径部側から挿通配置可能な雄ねじ部材と前記拡径部内に挿入配置されて拡径部の段差に係止可能な雌ねじ部材とを一体接続することにより、セグメントの連結方向の厚さ寸法よりも長い通しねじ部材が形成され、前記雌ねじ部材の有効径Ｄは前記雄ねじ部材の有効径ｄよりも大きく、連結される一対のセグメントの一方のセグメントの雄ねじ部材の先端が他方のセグメントの雌ねじ部材内にセグメント連結方向に対する傾斜角αで傾斜して螺入され、螺着されていることを特徴とするセグメントの継手構造である。

本発明は、覆工セグメントリングから構成されるシールドトンネルの曲線部、セグメントを曲線状に連結して構成される屈曲構造物（図９、図１０）などに適用され、さらに直線状のセグメント連結構造物において製作誤差等により締結孔が互いに傾斜（屈曲）している場合（図８）に適用される。また、セグメントとしては、ＲＣセグメント、鋼製セグメント、鋼合成セグメント、あるいは、コンクリートブロック、鋼殻、ケーソンブロック、その他のプレキャスト部材がある。

長尺の通しねじ部材（通しボルト部材）は、雄ねじ部材（ボルト部材）と雌ねじ部材（ナット部材）を一体加工により、あるいは別体の雄ねじ部材（ボルト部材）と雌ねじ部材（ナット部材）をねじ・接着剤・溶接などで一体的に接続するなどして得ることができる（図４参照）。いずれの場合も、ナット部材は、ボルト部材の軸部より大径のボルト頭部を形成するようにされ、締結孔の拡径部内に配置され、その段差に係止されることにより所定の締結力が得られるようにする（図１、図３参照）。締結孔及び拡径部は、シースや鞘管などで形成することができ、またプレキャストコンクリート製作時の型枠にシース形状の型枠を作り込むことによりシース等を不要とすることができる。

ナット部材は、セグメントの接合端面から突出させない場合（図１参照）と、セグメントの接合端面から突出させ、隣接する両セグメントに跨って配置される場合（図６参照）がある。前者の場合、拡径部は締結孔の片側に設けられる。後者の場合、拡径部は締結孔の両側に設けられ、接合面のせん断力を大径のナット部材で抵抗することができる。

以上のようなセグメント継手構造において、ボルト部材の先端には、先細りのテーパー部を形成し（図４参照）、ナット部材の有効径Ｄ＞ボルト部材の有効径ｄとすることにより（図２参照）、傾斜角αがあっても、ボルト部材の先端を、接合するセグメントのナット部材に容易にねじ込むことができ、ボルト部材とナット部材の遊び量で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結することができる。最終的には、複数の通しボルト部材が一本に繋がった継手構造が得られる。

本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材の有効径Ｄと雄ねじ部材の有効径ｄの関係は、0.1Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1.5Ｈ （Ｈ：ねじ山高さ）を満たすことを特徴とするセグメントの継手構造である。

傾斜角αは、例えば1.5度〜2度程度の微小角であり、図１１に示すように、有効径差（Ｄ−ｄ）が大きくなれば、傾斜角すなわち吸収角度差αは増加していくが、ねじ山の嵌合強度は徐々に低下していくため、上記範囲であれば、傾斜角αを吸収しつつ十分なねじ締結強度が得られる。より大きな吸収角度差αとより大きなねじ締結強度を得るためには、0.2Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1Ｈ とするのが好ましい。

本発明の請求項３の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材（ナット部材）の外形は多角形であり、雌ねじ部材と拡径部の内面との間に、雌ねじ部材の回転を阻止するストッパ部材が配置されていることを特徴とするセグメントの継手構造である。

本発明の請求項４の発明は、請求項３に記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材（ナット部材）とストッパ部材との間に、雌ねじ部材の外形の少なくとも一面に沿って配置されて雌ねじ部材の回転を阻止するロック部材が配置されていることを特徴とするセグメントの継手構造である。

図７に示すように、これらストッパ部材及びロック部材は、ナット部材の回転を阻止することにより、ナット部材及びボルト部材のボルトねじ込み時の供回りを防止し、また締結後の緩みを防止するものである。

板状のストッパ部材の一端を拡径部の内面に取り付け、他端をナット部材の外面あるいはロック部材の外面に当て、ナット部材の回転を阻止する。また、コ字状やロ字状などのロック部材を用い、ストッパ部材と併用することで、ナット部材の回転を阻止する。

このロック部材は、ナットの二面幅ｓ、ナットの最外径ｅ、ロック部材の内部二面幅ｈ、ロック部材の板厚ｔ、ナット軸心からストッパ部材までの距離Ｌとした場合、ｓ＜ｈ＜ｅかつｓ／２＋ｔ＜Ｌ＜ｅ／２＋ｔ を満たすようにする。なお、このロック部材は、フラットバーでもよい。

本発明の請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載のセグメントの継手構造において、雄ねじ部材（ボルト部材）と締結孔内面との間、雌ねじ部材（ナット部材）の拡径部の内面との間に、充填材が充填されていることを特徴とするセグメントの継手構造である。

ボルト部材及びナット部材は、セグメントの内部に配置されているため、外部環境に直接曝されることがないため、防錆防食に対して非常に有利であるが、図５に示すように、充填材（セメントモルタルや酸化防止剤など）を充填することにより、締結強度の向上や防錆防食効果の向上等を図ることができる。

本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。

(1) ボルト部材とナット部材の遊び量でセグメントの傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結することができ、シールドトンネルの曲線部施工などのように各セグメントで締結ボルトの挿入方向が変わる場合でも、ボルト・ナットで容易に締結することができる。

(2) ボルト部材とナット部材が一体の長い通しボルト部材を用い、前のセグメントの通しボルト部材に次のセグメントの通しボルト部材をそのまま挿入してねじ込むことができるため、簡単で安価な構造の継手が得られ、締結作業も容易であり、大幅なコストの低減が可能となる。

(3) 比較的簡単な構成のストッパ部材やロック部材によりナット部材及びボルト部材の緩み止めが可能となる。

(4）充填材を締結孔内や拡径部内に充填することにより、締結強度の向上や防錆防食効果の向上等を図ることができる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。この実施形態は、シールドトンネルの曲線部の覆工セグメントリング、アーチ状の中空構造物、その他の曲線部を有するセグメント連結構造物に適用した場合である。

図１は、本発明のセグメント継手構造をセグメント連結構造物の曲線部に適用した場合の基本構造の一例を断面にして示す斜視図であり、被締結部材としてのセグメントＳ_１〜Ｓ_３がそれぞれ連結方向に対して微小の傾斜角α（例えば1.5度〜2度程度）で傾斜した状態で連続配置され、本発明のセグメント継手構造により締結される。

本発明のセグメント継手構造は、主として、各セグメントＳ内にセグメントを連結方向に貫通して設けられる締結孔１と、この締結孔１の一端に設けられる拡径部２と、この締結孔１内に一端の拡径部側から挿入される、ボルト部材（雄ねじ部材）３とボルト頭部としてのナット部材（雌ねじ部材）４が一体の通しボルト部材５とから構成され、ボルト部材３の先端を、接合するセグメントのナット部材４にねじ込み、後述するようにボルト部材３とナット部材４の遊び量で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結するものである。最終的には、複数の通しボルト部材５が一本に繋がった継手構造となる。

図２は、ボルト部材３とナット部材４の雄ねじと雌ねじの関係を示す断面図であり、ナット部材４の有効径Ｄ、ボルト部材３の有効径ｄ、ねじ山高さＨとした場合、
0.1Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1.5Ｈ (式１)
を満たすようにする。図１１に示すように、有効径の差(Ｄ−ｄ)が大きくなれば、吸収角度差（傾斜角）αは増加し、ねじの嵌合強度は徐々に低下していくという背反の関係にあるため、上記の式１の範囲であれば、セグメントの角度差αを吸収しつつ、十分なねじ締結強度が得られる。実際には、0.2Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1Ｈ(式２)がより好ましい。より大きな吸収角度差αとより大きなねじ締結強度を得ることができる。

締結孔１は、図１に示すように、各セグメントＳの一方の接合端面から他方の接合端面に貫通するように形成され、また各セグメントＳの締結孔１がセグメント連結方向に連続するように形成される。隣り合うセグメントＳの締結孔１同士は角度差（傾斜角）αで折曲して連通する。この締結孔１の内径は、ボルト部材３の外径より大きく、ボルト部材３を挿通配置される。締結孔１の断面形状は、円形や矩形など種々の形状を用いることができる。

拡径部２は、締結孔１のボルト挿入側（セグメント組立装置側）の端部に中心軸を一致させて形成した正面視で円形等の凹部であり、締結孔１の内径より大きい内径を有している。後述するようにボルト部材３のボルト頭としてのナット４が配置され、拡径部２の段差２ａにナット４が係止されることにより、所定の締結力が得られる。図３は、拡径部２の段差２ａの形状の例を示す断面図であり、直角の段差あるいはテーパー付きの段差などが用いられる。

これら締結孔１及び拡径部２は、合成樹脂製や金属製等のシースや鞘管６により形成することができるが、セグメントに、ＲＣセグメントや鋼合成セグメント・コンクリート中詰ダクタイルセグメント等を用いる場合には、コンクリート打設時にシース形状の型枠を作り込むことにより、シースや鞘管が不要となり、コストの低減が可能となる。

図４は、ボルト部材３とナット部材４の一体構造の例を示す断面図であり、先端に先細りのテーパー部３ａと雄ねじ部３ｂを形成したボルト部材３の基端側にナット部材４を一体加工する。ナット部材４には凹部状の雌ねじ孔４ａが加工される。ナット部材４には、図３の拡径部２の段差２ａに対応した段差が形成される。あるいは、ボルト部材３とナット部材４を別体で製作し、ボルト部材３の基端にねじで取り付け、さらに緩み止め部材で固定し、または接着剤や溶接１０で固定する。このような一体構造のボルト部材３とナット部材４からなる通しボルト部材５の長さは、セグメントＳの連結方向の厚さ寸法より大きく、ボルト部材３の先端を隣接するセグメントのナット部材４に螺入することができる。

図５に示すように、ボルト部材３とナット部材４でセグメントＳを締結した後、締結孔１とボルト部材３との間隙、拡径部２とナット部材４との間隙、さらにナット部材４の内部におけるボルト間に、充填材（セメントモルタルや酸化防止剤など）７を充填し、締結強度の向上や防錆防食効果の向上を図る。

図６は、本発明のセグメント継手構造の基本構造の他の例を断面にして示す斜視図であり、ナット部材４をセグメントＳの接合面に跨って配置する場合である。セグメントＳの両側に拡径部２を形成する必要があるが、径の大きいナット部材４でせん断力に抵抗することができる。

さらに、セグメント継手では、継手ボルトにせん断力が卓越する継手があり、せん断抵抗を大きくするために、ハイテンションボルトを用いるケースがある。ボルト耐力を考えた場合、非常に無駄となるため、図１２に示すように、セグメント接合用のナット部材４−１と、せん断抵抗力をボルト本体ではなく抵抗断面積がより大きいナット部材４−２に持たせるダブルナット方式を用いることもできる。

図７は、ナット部材の緩みを防止する部材を示すセグメントの妻側から見た正面図である。拡径部２内のナット部材４の周囲に、板状のストッパ部材２０と、正面視がコの字状やロの字状等のロック部材２１を配置し、ストッパ部材２０のみ、あるいはストッパ部材２０とロック部材２１でナット部材４を拘束し、ボルト部材３及びナット部材４の回転を阻止し、ボルト部材ねじ込み時の供回りを防止し、また締結後の緩みを防止する。

ストッパ部材２０は、拡径部２の内面とナット部材４との間に配置し、一端をシース管や鞘管あるいはＲＣセグメントの突起等にねじ止めや溶接等で取り付け、他端をロック部材２１あるいはナット部材４の外面に当接させ、ナット部材４の回転を阻止する。

ロック部材２１は、ナット部材４の外面の平行２面に沿って配置されるプレート部２１ａを有し、この平行な２枚のプレート部２１ａでナット部材４を挟むことにより、ナット部材４の回転を拘束する。

ナット部材の二面幅ｓ、ナット部材の最外径ｅ、ロック部材の内部二面幅ｈ、ロック部材の板厚ｔ、ナット軸心からストッパ部材までの距離Ｌとした場合、
ｓ＜ｈ＜ｅ かつ ｓ／２＋ｔ＜Ｌ＜ｅ／２＋ｔ （式３）
を満たすようにする。なお、このロック部材２１は、コの字状に限らず、フラットバーでもよく、これをナット部材４とストッパ部材２０の間に配置するだけでも回転を阻止できる。

以上のような構成において、図１に示すように、前のセグメントに次のセグメントを締結孔同士が一致して連通するように組み付け、通しボルト部材５を締結孔２内に挿入し、ナット部材４を締結用治具で回転させることにより、ボルト部材３を前のセグメントのナット部材４にねじ込む。締結が完了すると、ナット部材４の周囲にストッパ部材２０、ロック部材２１を配置し、ナット部材４の回転を阻止する。必要に応じて、充填材７を充填する。

図８は、本発明が適用されるセグメント連結構造物の他の例を示す断面図であり、被締結部材としてのセグメントＳ_１〜Ｓ_３がそれぞれ連結方向に対して直線状に連続配置され、締結孔１自体が製作誤差等により互いに微小の傾斜角αで傾斜している場合である。この場合も、本発明のセグメント継手構造によるボルト部材３とナット部材４の遊び量で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結することができる。

図９は、本発明が適用されるセグメント連結構造物の屈曲構造物の例を示す平面図であり、建築物を避けてセグメントＳがＳ字状に連続配置されている迂回構造物の場合である。この場合にも、本発明のセグメント継手構造によるボルト部材３とナット部材４の遊び量で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結することができる。なお、シールドトンネルの場合はセグメントリングが建築物を避けて配置されることになる。

図１０は、本発明が適用されるセグメント連結構造物の屈曲構造物の他の例を示す正面図であり、セグメントＳがアーチ状に連続配置されている中空構造物の場合である。この場合にも、本発明のセグメント継手構造によるボルト部材３とナット部材４の遊び量で傾斜角αを吸収しつつセグメント同士をねじで強固に締結することができる。

なお、本発明は以上のような図示例に限定されないことはいうまでもない。

本発明のセグメント継手構造をセグメント連結構造物の曲線部に適用した場合の基本構造の一例を断面にして示す斜視図である。 本発明のボルト部材とナット部材の雄ねじと雌ねじの関係を示す断面図である。 本発明の拡径部の段差の形状の例を示す断面図である。 本発明のボルト部材とナット部材の一体構造の例を示す断面図である。 本発明の締結孔と拡径孔の充填材を示す断面図である。 本発明のセグメント継手構造の基本構造の他の例を断面にして示す斜視図である。 本発明のナット部材の緩みを防止する部材を示すセグメントの妻側から見た正面図である。 本発明が適用されるセグメント連結構造物の他の例を示す断面図である。 本発明が適用されるセグメント連結構造物の屈曲構造物の例を示す平面図である。 本発明が適用されるセグメント連結構造物の屈曲構造物の他の例を示す正面図である。 本発明のボルト部材とナット部材の有効径差に対する吸収角度差（傾斜角）αとねじの嵌合強度の関係を示すグラフである。 本発明のセグメント継手構造のナット部材にダブルナットを用いた場合の例を示す断面図である。

符号の説明

Ｓ……セグメント
１……締結孔
２……拡径孔
３……ボルト部材（雄ねじ部材）
３ａ…テーパー部
３ｂ…雄ねじ
４……ナット部材（雌ねじ部材）
４ａ…雌ねじ孔
５……通しボルト部材（通しねじ部材）
６……シースまたは鞘管
７……充填材
２０……ストッパ部材
２１……ロック部材
２１ａ…プレート部

Claims (5)

1. セグメント同士を雄ねじ部材と雌ねじ部材により締結してセグメントが連続したセグメント連結構造物を形成するためのセグメントの継手構造であり、
   各セグメントには、一方の接合端面から他方の接合端面に貫通する締結孔がセグメント連結方向に連続するように形成され、前記締結孔の少なくとも一方の接合端面側には、締結孔の内径よりも大きい内径の拡径部が形成され、前記締結孔内に拡径部側から挿通配置可能な雄ねじ部材と前記拡径部内に挿入配置されて拡径部の段差に係止可能な雌ねじ部材とを一体接続することにより、セグメントの連結方向の厚さ寸法よりも長い通しねじ部材が形成され、前記雌ねじ部材の有効径Ｄは前記雄ねじ部材の有効径ｄよりも大きく、連結される一対のセグメントの一方のセグメントの雄ねじ部材の先端が他方のセグメントの雌ねじ部材内にセグメント連結方向に対する傾斜角αで傾斜して螺入され、螺着されていることを特徴とするセグメントの継手構造。
2. 請求項１に記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材の有効径Ｄと雄ねじ部材の有効径ｄの関係は、
   0.1Ｈ≦Ｄ−ｄ≦1.5Ｈ （Ｈ：ねじ山高さ）
   を満たすことを特徴とするセグメントの継手構造。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材の外形は多角形であり、雌ねじ部材と拡径部の内面との間に、雌ねじ部材の回転を阻止するストッパ部材が配置されていることを特徴とするセグメントの継手構造。
4. 請求項３に記載のセグメントの継手構造において、雌ねじ部材とストッパ部材との間に、雌ねじ部材の外形の少なくとも一面に沿って配置されて雌ねじ部材の回転を阻止するロック部材が配置されていることを特徴とするセグメントの継手構造。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載のセグメントの継手構造において、雄ねじ部材と締結孔内面との間、雌ねじ部材の拡径部の内面との間に、充填材が充填されていることを特徴とするセグメントの継手構造。

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