特開 2025-9165 セグメントおよびセグメントの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025009165

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】セグメントおよびセグメントの製造方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 11/08 20060101AFI20250110BHJP

【ＦＩ】

E21D11/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023111980

(22)【出願日】2023-07-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１） 公開日 ：令和４年８月１日 ウェブサイトのアドレス：令和４年度土木学会全国大会 第７７回年次学術講演会 講演概要のウェブページ ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０２２／ｓｕｂｊｅｃｔ／ＩＩＩ－３４９／ｃａｔｅｇｏｒｙ？ｃｒｙｐｔｏＩｄ＝ （２） 開催日 ：令和４年９月１６日 令和４年度土木学会全国大会 第７７回年次学術講演会（京都大学吉田キャンパス）、公益社団法人土木学会、ＩＩＩ－３４９ 「継手特性を考慮したシールドトンネルの大変形挙動に関する実験的研究」

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】305027401

【氏名又は名称】東京都公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100217249

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 耕一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100221279

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 健吾

(74)【代理人】

【識別番号】100207686

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 恭宏

(74)【代理人】

【識別番号】100224812

【弁理士】

【氏名又は名称】井口 翔太

(72)【発明者】

【氏名】今福 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】石田 宗弘

(72)【発明者】

【氏名】中島 正整

(72)【発明者】

【氏名】砂金 伸治

(72)【発明者】

【氏名】河田 皓介

(72)【発明者】

【氏名】倉橋 和希

【テーマコード（参考）】

2D155

【Ｆターム（参考）】

2D155BB01

2D155KA00

2D155KB04

2D155KB13

2D155LA19

(57)【要約】

【課題】トンネル断面のうち発生断面力が厳しくなる部位を効率的に補強することで、大規模地震時にセグメントのコンクリートがトンネル内に落下することを低コストで抑制できるセグメントおよびセグメントの製造方法を提供する。
【解決手段】円形断面のトンネル１に設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出したセグメント１０であって、トンネル周方向でトンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲Ｄ１において、少なくともトンネル内面側の一部を含んで補強部材１１を設けた。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円形断面のトンネルに設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出したセグメントであって、
トンネル周方向でトンネル天頂部から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲において、少なくともトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けたセグメント。

【請求項2】

トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向の前記第１補強範囲にセグメント端部同士を連結する第１セグメント継手が配置され、
前記補強部材は、少なくともトンネル周方向に前記第１セグメント継手を含む範囲と、前記第１セグメント継手を含む範囲に対してトンネル軸方向に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられている、請求項１に記載のセグメント。

【請求項3】

トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向のセグメント端部同士を連結する第１セグメント継手が前記第１補強範囲に配置され、
前記補強部材は、前記第１補強範囲に配置される前記第１セグメント継手に対してトンネル軸方向に隣接するリングのみのセグメント本体に設けられている、請求項１に記載のセグメント。

【請求項4】

円形断面のトンネルに設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出したセグメントであって、
トンネル周方向でトンネル天頂部から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の第２補強範囲において、少なくともトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けたセグメント。

【請求項5】

トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向の前記第２補強範囲にセグメント端部同士を連結する第２セグメント継手が配置され、
前記補強部材は、少なくともトンネル周方向に前記第２セグメント継手を含む範囲と、前記第２セグメント継手を含む範囲に対してトンネル軸方向に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられている、請求項４に記載のセグメント。

【請求項6】

トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向の前記第２補強範囲にセグメント端部同士を連結する第２セグメント継手が配置され、
前記補強部材は、前記第２補強範囲に配置される前記第２セグメント継手に対してトンネル軸方向に隣接するリングのみのセグメント本体に設けられている、請求項４に記載のセグメント。

【請求項7】

前記補強部材におけるトンネル周方向に延びる補強長は、セグメント桁高さ以上、トンネル周方向の角度で３０°以下の範囲である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセグメント。

【請求項8】

前記補強部材の前記補強長は、セグメント桁高さの２倍以上４倍以下である、請求項７に記載のセグメント。

【請求項9】

前記補強部材の内周面は、前記トンネル内面と面一で設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセグメント。

【請求項10】

円形断面のトンネルに設けられ、トンネル周方向でトンネル天頂部から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲において、少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材が設けられるセグメントの製造方法であって、
内面にコンクリートの一部を露出するように円弧板状枠体の内部にコンクリートを打設する工程と、
前記第１補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けることにより補強する工程と、
を有する、セグメントの製造方法。

【請求項11】

円形断面のトンネルに設けられ、トンネル周方向でトンネル天頂部から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の第２補強範囲において、少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材が設けられるセグメントの製造方法であって、
内面にコンクリートの一部を露出するように円弧板状枠体の内部にコンクリートを打設する工程と、
前記第２補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けることにより補強する工程と、
を有する、セグメントの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セグメントおよびセグメントの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、トンネルの内面にコンクリートが露出している略円形断面のシールドトンネルでは、大規模地震が発生したときにセグメント内面のコンクリートに亀裂や破損が生じ、コンクリートが剥落するおそれがある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

具体的に地震発生時にトンネル断面には断面方向のせん断力が作用し、斜めの楕円形になるように変形する。このとき、トンネルの斜め上および斜め下には軸圧縮力に加えて地震力によって大きな負の曲げモーメントが発生する。負の曲げモーメントは、トンネル内面側が圧縮（引張）、トンネル外面側が引張（圧縮）となる。ＲＣセグメントや５面鋼殻タイプの合成セグメントなどのセグメントで構築されたシールドトンネルにおいては、トンネル内面にコンクリートが露出しているため、地震荷重の増加に伴い、まずこの部位において負の曲げモーメントとトンネル周方向の軸圧縮力が卓越してトンネル内空側のコンクリートの圧縮が卓越する。一方、これとは対角のトンネルの斜め上・斜め下は軸圧縮力と地震力による正の曲げモーメントが作用し、この部分のコンクリートにひび割れが発生するものの、上記負の曲げモーメントの作用部が最も厳しい条件となる。なお、地震荷重は繰り返し載荷となるため、トンネル左右の斜め上、斜め下には、正曲げ・負曲げが繰り返し作用する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開平７－２３０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した従来の内面にコンクリートが露出するセグメントでは、以下のような問題があった。
上述したように、シールドトンネルに大きな地震力が作用した際、トンネル横断方向には軸力と曲げモーメントが作用する。ＲＣセグメントや合成セグメントの場合、コンクリートがトンネル内面に露出しているが、コンクリートは変形性能が乏しいため、地震力によりコンクリートが破壊（圧縮破壊（以下、圧壊）や割裂破壊）し、コンクリートがトンネル内に落下するおそれがあり、避けねばならない事象となっている。発明者らは検討の結果、とくに、地震による繰り返し荷重によりトンネル左右の斜め上、斜め下（トンネルを断面の天頂部から斜め±４５°付近および±１３５°付近）はコンクリートが圧壊や割裂ひび割れによって破壊しやすく、特に斜め上はコンクリートが大規模にトンネル内に落下するおそれがあることを見出した。

【0006】

また、高強度材料からなるセグメントを使用することで、耐震性を向上させることは可能であるが、高価であるという問題があるうえ、セグメントのコンクリートの落下を確実に抑止することはできないことから、その点で改善の余地があった。

【0007】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、トンネル断面のうち発生断面力が厳しくなる部位を効率的に補強することで、大規模地震時にセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内に落下することを低コストで抑制できるセグメントおよびセグメントの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明に係るセグメントの態様１は、円形断面のトンネルに設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出したセグメントであって、トンネル周方向でトンネル天頂部から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲において、少なくともトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けたことを特徴としている。

【0009】

本発明では、シールドトンネルに大規模地震が作用した際に、トンネル横断にはトンネル周方向に軸力と曲げモーメントが作用し、軸力と曲げモーメントが卓越するトンネルの斜め上方を含む第１補強範囲となるセグメントの内面側の一部を含む範囲を補強するように例えば鋼板、ＦＲＰ板、炭素繊維シート、樹脂モルタル、及び繊維補強コンクリート等の補強部材が設けられている。したがって、補強部材によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、第１補強範囲におけるコンクリートの圧壊や割裂破壊を抑止することができる。また、万一、コンクリートに圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材によって支持されているため、第１補強範囲のセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【0010】

また、本発明では、トンネル周方向でトンネル天頂部から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲の少なくともトンネル内面側の一部に補強部材を設ける構成となり、トンネル周方向の全周にわたって補強するものではないことから、材料コストを抑制することができる。
また、本発明では、セグメント単体に対して補強部材を設ける構成であるので、セグメント製造時に補強部材を備えたセグメントを製造することができ、トンネル内でセグメントを組み立てた後でトンネルを補強する場合に比べて、効率よく、かつ効果的に補強することができる。
このように本発明では、効率的に補強することで、セグメントのコンクリートの落下を防止することで、コストを抑えて耐震補強を図ることができる。

【0011】

（２）本発明の態様２は、態様１のセグメントにおいて、トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向の前記第１補強範囲にセグメント端部同士を連結する第１セグメント継手が配置され、前記補強部材は、少なくともトンネル周方向に前記第１セグメント継手を含む範囲と、前記第１セグメント継手を含む範囲に対してトンネル軸方向に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられていることを特徴としてもよい。

【0012】

この場合には、第１セグメント継手を含む範囲と隣接するリングの範囲に対して補強部材によって確実に補強することができる。

【0013】

（３）本発明の態様３は、態様１のセグメントにおいて、トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向のセグメント端部同士を連結する第１セグメント継手が前記第１補強範囲に配置され、前記補強部材は、前記第１補強範囲に配置される前記第１セグメント継手に対してトンネル軸方向に隣接するリングのみのセグメント本体に設けられていることを特徴としてもよい。

【0014】

この場合には、セグメントを千鳥組することによって、本来セグメント継手が負担する曲げモーメントが小さくなり、隣接するリングのセグメント本体の曲げモーメントの負担が大きくなる（これを添接効果という）。すなわち、セグメント本体よりも第１セグメント継手（一般的なセグメント継手も同様）の方が曲げ剛性が小さいため、曲げ剛性が大きい方に力が流れやすくなる。そのため、一方のリングのセグメント継手面に隣接する他方のリングのコンクリートの圧壊や割裂破壊が生じやすい。従って一方のリングのセグメント継手面に隣接する他方のリングの補強範囲にのみ補強部材を設けることにより補強部材を削減しつつ効率的に補強できる。すなわち、効率よくかつ効果的に補強部材を配置することができる。

【0015】

（４）本発明に係るセグメントの態様４は、円形断面のトンネルに設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出したセグメントであって、トンネル周方向でトンネル天頂部から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の第２補強範囲において、少なくともトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けたことを特徴としている。

【0016】

本発明では、シールドトンネルに大規模地震が作用した際に、トンネル横断にはトンネル周方向に軸力と曲げモーメントが作用し、軸力と曲げモーメントが卓越するトンネルの斜め下方を含む第２補強範囲におけるセグメントの内面側の一部を含む範囲を補強するように例えば鋼板、ＦＲＰ板、炭素繊維シート、樹脂モルタル、及び繊維補強コンクリート等の補強部材を設ける。したがって、補強部材によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、第２補強範囲におけるコンクリートの圧壊や割裂破壊を抑止することができる。また、万一、コンクリートに圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材によって支持されているため、第２補強範囲のセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【0017】

（５）本発明の態様５は、態様４のセグメントにおいて、トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向のセグメント端部同士を連結する第２セグメント継手が前記第２補強範囲に配置され、前記補強部材は、少なくともトンネル周方向に前記第２セグメント継手を含む範囲と、前記第２セグメント継手を含む範囲に対してトンネル軸方向に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられていることを特徴としてもよい。

【0018】

この場合には、第２セグメント継手を含む範囲と隣接するリングの範囲に対して補強部材によって確実に補強することができる。

【0019】

（６）本発明の態様６は、態様４のセグメントにおいて、トンネルのセグメントが千鳥組であって、トンネル周方向のセグメント端部同士を連結する第２セグメント継手が前記第２補強範囲に配置され、前記補強部材は、前記第２補強範囲に配置される前記第２セグメント継手に対してトンネル軸方向に隣接するリングのみのセグメント本体に設けられていることを特徴としてもよい。

【0020】

この場合には、セグメントを千鳥組することによって、第３態様と同様に添接効果によって、一方のリングのセグメント継手面に隣接する他方のリングのコンクリートの圧壊や割裂破壊が生じやすい。従って一方のリングのセグメント継手面に隣接する他方のリングの補強範囲にのみ補強部材を設けることにより、効率よくかつ効果的に補強部材を配置することができる。

【0021】

（７）本発明の態様７は、態様１から態様６のいずれか一つのセグメントにおいて、前記補強部材におけるトンネル周方向に延びる補強長は、セグメント桁高さ以上、トンネル周方向の角度で３０°以下の範囲であることを特徴としてもよい。

【0022】

この場合には、補強長をこのような寸法にすることにより効率よくかつ効果的にトンネルを補強することができる。
すなわち、トンネル天頂部から±４５°を中心としてそれぞれトンネル周方向Ｘ１に最大でも３０°の範囲はほぼ同様の断面力が生じるため、この範囲を補強することが好ましい。例えばトンネル断面の天頂部から＋４５°付近を補強する場合、＋３０°～＋６０°の範囲を補強することが好ましい。
一方、トンネル周方向の最小の補強範囲はセグメントの桁高さと同一とすることが好ましく、これはトンネル内空側が圧縮となる負の曲げモーメントが作用した場合の圧壊の範囲が最小でセグメント桁高さとほぼ等しくなるため、このようにすることでトンネル内空側のコンクリートの圧壊を効率的に抑止できるからである。

【0023】

（８）本発明の態様８は、態様７のセグメントにおいて、前記補強部材の前記補強長は、前記セグメント桁高さの２倍以上４倍以下であることを特徴としてもよい。

【0024】

この場合には、補強長をこのような寸法にすることにより、より効率よくかつ効果的にトンネルを補強することができる。
すなわち、トンネルには地震の際に正負交番荷重が作用するため、トンネルを断面の天頂部から斜め±４５°付近および±１３５°付近には軸力（軸圧縮力）とともに、正および負の曲げモーメントが繰り返し作用する恐れがある。これらの繰り返し荷重に対してはトンネル内空側には繰り返し作用する応力により損傷が蓄積しやすくコンクリートのトンネル周方向の損傷範囲も大きくなり、その範囲は概ねセグメントの桁高さの２倍以上かつ４倍以下となる。従って、トンネル周方向Ｘ１の補強範囲としては、セグメント桁高さの２倍以上かつ４倍以下の範囲を補強することが効果的かつ経済的となり好ましい。

【0025】

（９）本発明の態様９は、態様１から態様６のいずれか一つのセグメントにおいて、前記補強部材の内周面は、前記トンネル内面と面一で設けられていることを特徴としてもよい。

【0026】

この場合には、被覆補強部材の内周面がセグメントのトンネル内面から突出しないので、セグメント搬送時に、被覆補強部材が他と干渉することや、損傷することを防止できる。

【0027】

（１０）本発明に係るセグメントの製造方法の態様１０は、円形断面のトンネルに設けられ、トンネル周方向でトンネル天頂部から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲において、少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材が設けられるセグメントの製造方法であって、内面にコンクリートの一部を露出するように円弧板状枠体の内部にコンクリートを打設する工程と、前記第１補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けることにより補強する工程と、を有することを特徴としている。

【0028】

（１１）本発明に係るセグメントの製造方法の態様１１は、円形断面のトンネルに設けられ、トンネル周方向でトンネル天頂部から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の第２補強範囲において、少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材が設けられるセグメントの製造方法であって、内面にコンクリートの一部を露出するように円弧板状枠体の内部にコンクリートを打設する工程と、前記第２補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を含んで補強部材を設けることにより補強する工程と、を有することを特徴としている。

【0029】

本発明では、シールドトンネルに大規模地震が作用した際に、トンネル横断にはトンネル周方向に軸力と曲げモーメントが作用し、軸力と曲げモーメントが卓越するトンネルの斜め４５°を含む第１補強範囲（第２補強範囲）となるセグメントの内面側の一部を含む範囲を補強するように例えば鋼板、ＦＲＰ板、炭素繊維シート、樹脂モルタル、及び繊維補強コンクリート等の補強部材を設けたセグメントを製造することができる。したがって、補強部材によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、第１補強範囲（第２補強範囲）におけるコンクリートの圧壊や割裂破壊を抑止することができる。また、万一、コンクリートに圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材によって支持されているため、第１補強範囲（第２補強範囲）のセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【発明の効果】

【0030】

本発明のセグメントおよびセグメントの製造方法によれば、トンネル断面のうち発生断面力が厳しくなる部位を効率的に補強することで、大規模地震時にセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内に落下することを低コストで抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の第１実施形態によるトンネルを示す斜視図である。

【図2】トンネルの補強範囲を示す断面図である。

【図3】トンネルの上半部分の展開図であって、セグメントの内面を示す図である。

【図4】補強部材を備えたセグメントの部分斜視図である。

【図5】補強部材を備えたセグメントの部分斜視図である。

【図6】第２実施形態によるトンネルの上半部分の展開図であって、セグメントの内面を示す図である。

【図7】図６に示す補強部材を備えたセグメントの部分斜視図である。

【図8】図６に示す補強部材を備えたセグメントの部分斜視図である。

【図9】第３実施形態によるトンネルの上半部分の展開図であって、セグメントの内面を示す図である。

【図10】図９に示すＸ－Ｘ線断面図である。

【図11】第１変形例による合成セグメントの部分斜視図である。

【図12】第２変形例による合成セグメントの部分斜視図である。

【図13】第３変形例による合成セグメントの部分斜視図である。

【図14】第４変形例による合成セグメントの部分斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明の実施形態によるセグメントおよびセグメントの製造方法について、図面に基づいて説明する。

【0033】

（第１実施形態）
図１および図２に示すように、本第１実施形態によるセグメント１０は、円形断面のトンネル１に設けられ、コンクリートがトンネル内面に露出した部分補強したセグメントである。本実施形態では、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリートセグメント）を一例として説明する。

【0034】

セグメント１０は、例えば、シールド工法における、地山に掘削されたトンネル１の掘削穴の内壁に沿ってトンネル周方向Ｘ１およびトンネル軸方向Ｘ２に複数連結されて筒状壁体を構築している。セグメント１０は、トンネル１の掘削穴の内面の曲率半径と略等しい曲率半径を備える円弧版状に形成されている。すなわち、セグメント１０は、トンネル外周面側で円弧上に湾曲された四角形枠体形状をなしている。

【0035】

セグメント１０は、トンネル軸方向Ｘ２に隣接するリングのトンネル周方向Ｘ１の接合位置はトンネル周方向Ｘ１にずらした千鳥配置により組み立てられている（これを千鳥組と呼ぶ）。以下では、隣接するリングのうち一方を甲リングＲ１と称し、他方を乙リングＲ２と称する。甲リングＲ１と乙リングＲ２とは、トンネル軸方向Ｘ２に交互に配置される。

【0036】

セグメント１０のコンクリートの内部には、内空側及び地山側にトンネル周方向Ｘ１に円弧状に延びる複数の主鉄筋が配筋されている。
セグメント１０は、円弧状のトンネル内面１０ａ及びトンネル外面１０ｂと、トンネル軸方向Ｘ２に所定の間隔をあけて対向配置される円弧状の一対のリング継手面１０ｄと、トンネル周方向Ｘ１に所定の間隔をあけて対向配置される一対のセグメント継手面１０ｃと、を有する。トンネル内面１０ａ及びトンネル外面１０ｂは、それぞれ一対のリング継手面１０ｄ及び一対のセグメント継手面１０ｃの内周側及び外周側に位置する。リング継手面１０ｄ及びセグメント継手面１０ｃは、ボルト等の継手（図示省略）を含むセグメント端面である。

【0037】

セグメント１０は、その大きさを、運搬性、組み立て性などによって適宜変更できる。セグメント１０の円弧状の曲率は、掘削するトンネル断面によって適宜決定される。
また、例えば、図１及び図２において、セグメント１０の組み立ての際にセグメント１０を最後に嵌め込めるように、セグメント継手面１０ｃの設置角度や、トンネル周方向Ｘ１の長さ寸法を適宜変更したいわゆるＫセグメント（図の符号１０Ｋ）を使用する。

【0038】

トンネル周方向Ｘ１及びトンネル軸方向Ｘ２のセグメント１０同士は、ボルト等の締結手段（図示省略）により固定される。

【0039】

図３に示すように、セグメント１０には、トンネル内面１０ａの少なくとも一部を補強する補強部材１１が設けられている。補強部材１１は、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲Ｄ１の少なくともトンネル内面側の一部（本実施形態では図３に示す第１補強範囲Ｄ１の全領域）と、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の第２補強範囲Ｄ２の少なくともトンネル内面側の一部（本実施形態では第２補強範囲Ｄ２の全領域）と、に配置されている。そのため、各セグメント１０の補強部材１１は、１リングのトンネル周方向Ｘ１に配置される位置によって補強範囲が異なっている。

【0040】

セグメント１０における第１補強範囲Ｄ１には、少なくともトンネル内面側の一部を含んで第１補強部材１１が設けられている。第１補強部材１１は、少なくともトンネル周方向Ｘ１に第１セグメント継手（セグメント継手面１０ｃに設けられる継手）を含む範囲と、第１セグメント継手を含む範囲に対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられている。

【0041】

セグメント１０における第２補強範囲Ｄ２には、少なくともトンネル内面側の一部に第２補強部材１２が設けられている。第２補強部材１２は、少なくともトンネル周方向Ｘ１に第２セグメント継手（セグメント継手面１０ｃに設けられる継手）を含む範囲と、第２セグメント継手を含む範囲に対してトンネル周方向に隣接するリングのセグメント本体に連設する範囲と、に設けられている。なお、上述した第１セグメント継手と第２セグメント継手は同一構成であることが一般的である。

【0042】

補強部材１１、１２は、セグメント１０のトンネル内面１０ａに沿う曲面状の部材である。補強部材１１としては、例えば、鋼板、ＦＲＰ板、炭素繊維シート、メッシュ、樹脂モルタル、繊維補強コンクリート等が挙げられる。補強部材１１は、セグメント本体に接着、溶接、ボルト／ナット、フック等の固着手段により固定されている。
セグメント本体は、本実施形態では充填されるコンクリートＣ、鉄筋や鋼板等の鋼材である。補強部材１１は、コンクリートＣと共に落下しないようにセグメント本体内の鉄筋などの鋼材に対して固着されることが好ましい。

【0043】

地震時に曲げモーメントと圧縮軸力によってトンネルに発生する圧縮ひずみがコンクリート材料の限界値を超えると、圧壊を生じることになるが、この圧縮ひずみ最大値は、トンネル内面１０ａあるいはトンネル外面１０ｂにおいて発生しコンクリートが圧壊する。このとき、トンネル内面１０ａで圧壊が生じると、コンクリートがトンネル内に落下する。従って、コンクリートの落下を防止するためには少なくともトンネル内面側のコンクリートを補強することが効果的である。

【0044】

補強部材１１として炭素繊維シートを採用する場合には、例えば図４に示すように、セグメント１０のトンネル内面１０ａに炭素繊維シートを配置し、コンクリートＣに対して接着することにより固定してもよい。この場合、補強部材１１の厚さを極めて薄く設定することができる。これにより、トンネル内空間を侵さないようにするとともに、トンネル内面１０ａに発生する圧縮ひずみ、圧縮応力の流れを阻害することなく、局所的な応力集中などを発生させることなく補強することが可能となり、コンクリートの局所的な圧壊発生を抑止しつつ、効率的に補強することができる。

【0045】

また、補強部材１１として樹脂モルタル板や繊維補強コンクリートを採用する場合には、例えば図５に示すように、セグメント１０のトンネル内面１０ａ側に樹脂モルタル板または繊維補強コンクリートを配置した後、セグメント本体のコンクリートＣを充填することにより設置できる。
あるいは、セグメント１０のトンネル外面１０ｂ側に空間を型枠などにより設け、コンクリートを打設する。そして、コンクリートが硬化した後に、前記空間に樹脂モルタル、繊維補強コンクリートを打設する、または別途製作した樹脂モルタル板、繊維補強コンクリート板を接着などにより固定することができる。この場合、補強部材１１をトンネル内面１０ａと面一に仕上げることができる。これにより、トンネルの内空間を侵すことがないためトンネル内空間を有効に活用できるだけでなく、トンネル内面１０ａに発生する圧縮ひずみ、圧縮応力の流れを滑らかに補強部材１１に伝達し、補強部材１１周辺における応力集中、局所的なコンクリート圧壊の発生を抑止することが可能となるため、より確実にコンクリートＣの落下を抑制することができる。

【0046】

補強部材１１が鋼板やＦＲＰ板の場合には、コンクリート内面に埋め込まれたナット（図示省略）に対してボルト（図示省略）等の接合手段により接合することができる。あるいは、セグメント１０のトンネル内面１０ａに、コンクリート内の鉄筋に溶接やフック等で定着することで鋼板を配置してもよい。この場合には、補強部材１１の内周面がセグメント１０のトンネル内面１０ａより僅かに突出している。この場合、補強部材１１をより強固にセグメント本体に連結することが可能となり、より確実にコンクリートＣの落下を抑制することができる。

【0047】

このとき、図２及び図３に示すように、補強部材１１、１２におけるトンネル周方向Ｘ１に延びる補強長Ｌは、セグメント桁高さＨ以上、トンネル周方向Ｘ１の補強角度θで３０°以下の範囲である。さらに好ましくは、補強部材１１、１２の補強長Ｌがセグメント桁高さＨの２倍以上４倍以下である。

【0048】

このように配置することで、地震によってトンネルに発生する断面力が最も大きくなる範囲、すなわち最大断面力が発生する範囲、特に軸力（軸圧縮力）と曲げモーメント（トンネル内空側が圧縮となる負の曲げモーメント）の合力としての断面力が最大となる範囲は、トンネル天頂部Ｐ０から斜め±４５°付近および±１３５°付近となることを研究の結果により発明者らは見出した。そこで、この近傍を補強することでコンクリートが圧壊や割裂破壊することを抑止する、あるいは万一、コンクリートに圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、この範囲のセグメントのコンクリートが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【0049】

すなわち、トンネル天頂部Ｐ０から±４５°を中心としてそれぞれトンネル周方向Ｘ１に最大でも３０°の範囲はほぼ同様の断面力が生じるため、この範囲を補強することが好ましい。例えばトンネル断面の天頂部から＋４５°付近を補強する場合、＋３０°～＋６０°の範囲を補強することが好ましい。

【0050】

一方、トンネル周方向の最小の補強範囲はセグメントの桁高さと同一とすることが好ましく、これはトンネル内空側が圧縮となる負の曲げモーメントが作用した場合の圧壊の範囲が最小でセグメント桁高さとほぼ等しくなるため、このようにすることでトンネル内空側のコンクリートの圧壊を効率的に抑止できるからである。

【0051】

さらに、トンネルには地震の際に正負交番荷重が作用するため、トンネルを断面の天頂部Ｐ０から斜め±４５°付近および±１３５°付近には軸力（軸圧縮力）とともに、正および負の曲げモーメントが繰り返し作用する恐れがある。これらの繰り返し荷重に対してはトンネル内空側には繰り返し作用する応力により損傷が蓄積しやすくコンクリートのトンネル周方向Ｘ１の損傷範囲も大きくなり、その範囲は概ねセグメントの桁高さの２倍以上かつ４倍以下となる。従って、トンネル周方向Ｘ１の補強範囲としては、セグメント桁高さの２倍以上かつ４倍以下の範囲を補強することが効果的かつ経済的となり好ましい。

【0052】

次に、上述した第１実施形態によるセグメント１０の製造方法について説明する。
先ず、円弧板状枠体の型枠を設置する。続いて、型枠内において、鉄筋や継手等を所定位置に配置する。
次に、補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を補強部材１１、１２で被覆するように配置する。すなわち、セグメント１０のトンネル内面１０ａを円弧形状に形成するように補強部材１１、１２を型枠の開口面を塞いで設ける。この時、補強部材１１、１２は補強範囲の少なくともセグメントのトンネル内面側の一部を被覆するように配置されていればよく、厚さは任意である。例えば、セグメントのトンネル内面側の一部を含んで、セグメント桁高さ方向の全体が樹脂モルタルなどで補強されている構成でも構わない。

【0053】

その後、セグメントのトンネル内面１０ａにコンクリートＣの一部を露出するように型枠の内部にコンクリートＣを打設する。そして、コンクリートＣが硬化し、所定の強度となることでセグメント１０が製造される。
これにより、円形断面のトンネル１に設けられ、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲Ｄ１の少なくとも一部を含んで配置されるセグメント１０を製造できる。

【0054】

以上説明したセグメント１０によれば、シールドトンネルに大規模地震が作用した際に、トンネル周方向Ｘ１に軸力と曲げモーメントが作用し、軸力圧縮力と曲げモーメントが卓越するトンネルの斜め上方を含む第１補強範囲Ｄ１（トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の範囲）となるセグメント１０のトンネル内面１０ａ側の一部を含む範囲に例えば鋼板、ＦＲＰ板、炭素繊維シート、樹脂モルタル、及び繊維補強コンクリート等の補強部材１１が設けられている。したがって、補強部材１１によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、第１補強範囲Ｄ１におけるコンクリートの圧壊や割裂破壊を抑止することができる。また、万一コンクリートＣ（図４及び図５参照）に圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材によって支持されているため、第１補強範囲Ｄ１のセグメントのコンクリートＣが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【0055】

しかも本実施形態では、大規模地震が作用した際に、トンネル１の斜め下方を含む第２補強範囲Ｄ２（トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の範囲）となるセグメント１０のトンネル内面１０ａ側の一部の範囲に補強部材１２を設けてもよい。したがって、補強部材１１によって強度が向上したり、変形性能が高められたりするため、第１補強範囲Ｄ１に加え、第２補強範囲Ｄ２におけるコンクリートの圧壊や割裂破壊を抑止することができる。また、万一コンクリートＣ（図４及び図５参照）に圧壊や割裂破壊が生じても、補強部材１２によって支持されているため、第２補強範囲Ｄ２のセグメントのコンクリートＣが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できる。

【0056】

また、本実施形態では、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の第１補強範囲Ｄ１の少なくともトンネル内面側の一部に補強部材１１を設ける構成となり、トンネル周方向Ｘ１の全周にわたって補強するものではないことから、材料コストを抑制することができる。

【0057】

また、本実施形態では、セグメント単体に対して補強部材１１を設ける構成であるので、セグメント製造時に補強部材１１を備えたセグメント１０を製造することができ、トンネル１内でセグメント１０を組み立てた後で補強トンネルを補強する場合に比べて、効率よく、かつ効果的に補強することができる。
このように本実施形態では、セグメント１０のコンクリートＣの落下を防止することで、コストを抑えて耐震補強を図ることができる。

【0058】

また、本実施形態では、補強部材１におけるトンネル周方向Ｘ１に延びる補強長Ｌは、セグメント桁高さＨ以上、トンネル周方向Ｘ１の角度で３０°以下の範囲であり、より好ましくはセグメント桁高さＨの２倍以上４倍以下である。この場合には、補強長Ｌをこのような寸法にすることにより効率よくかつ効果的に補強部材１１を配置することができる。

【0059】

また、本実施形態では、補強部材１１の内周面１１ａをセグメント１０のトンネル内面１０ａと面一で設けてもよい。この場合には、補強部材１１の内周面１１ａがセグメント１０のトンネル内面１０ａから突出しないので、セグメント搬送時に、補強部材１１が他と干渉したり、損傷することを防止できる。

【0060】

上述のように本実施形態によるセグメントおよびセグメントの製造方法では、大規模地震時にセグメント１０のコンクリートがトンネル１内に落下することを、効率的・効果的に抑制できる。すなわちトンネルに発生する曲げモーメントと軸力による圧縮応力が最も大きくなる断面であるトンネルの天頂部Ｐ０からトンネル周方向の３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の範囲あるいは１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の範囲のトンネル内面側を補強するだけでよい。さらに、予めセグメント１０のトンネル内面１０ａを工場で補強するため、現場での補強工事が不要なためコストを抑制できる。

【0061】

次に、他の実施形態によるセグメントおよびセグメントの製造方法について、添付図面に基づいて説明する。なお、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。

【0062】

（第２実施形態）
図６に示すように、第２実施形態によるセグメント１０Ａの補強部材１１Ａは、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から±４５°の近傍にセグメント継手面１０ｃが配置される場合に適用される一例を示している。

【0063】

補強部材１１Ａは、上記の第１実施形態による第１補強範囲Ｄ１（トンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の範囲）および図示省略する第２補強範囲Ｄ２（トンネル天頂部Ｐ０から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の範囲）において、甲リングＲ１のセグメント継手面１０ｃを含む第１範囲ｄ１と、第１範囲ｄ１に対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接する乙リングＲ２の第２範囲ｄ２と、乙リングＲ２のセグメント継手面１０ｃを含む第３範囲ｄ３と、第３範囲ｄ３に対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接する甲リングＲ１の第４範囲ｄ４と、に設けられている。

【0064】

本第２実施形態のように第１補強範囲Ｄ１及び第２補強範囲Ｄ２のそれぞれにおいて、セグメント継手面１０ｃが複数ある場合には、それぞれのセグメント継手面１０ｃにおいて上記第１実施形態と同様の補強長Ｌに設定される。すなわち、各セグメント継手面１０ｃにおける補強部材１１のトンネル周方向Ｘ１に延びる補強長Ｌは、セグメント桁高さＨ以上、トンネル周方向Ｘ１の補強角度θで３０°以下の範囲であり、さらに好ましくはセグメント桁高さＨの２倍以上４倍以下である。

【0065】

また、第２実施形態のように、第１補強範囲Ｄ１及び／または第２補強範囲Ｄ２にセグメント継手面１０ｃが複数ある場合には、図７及び図８に示すように、補強部材１１Ａを設置する。

【0066】

（第３実施形態）
図９に示すように、第３実施形態によるセグメント１０Ｃの補強部材１１Ｃは、トンネル周方向Ｘ１でトンネル天頂部Ｐ０から±４５°の近傍にセグメント継手面１０ｃが配置される場合に適用される一例を示している。そして、補強部材１１Ｃは、例えば、第１補強範囲Ｄ１（トンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の範囲）および図示省略する第２補強範囲Ｄ２（トンネル天頂部Ｐ０から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の範囲）にセグメント継手面１０ｃが配置される場合であって、セグメント継手面１０ｃが設けられる一方のリングに対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接する他方のリングの補強範囲のみに設けられている。

【0067】

具体的に補強部材１１Ｃは、甲リングＲ１のセグメント継手面１０ｃに対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接する乙リングＲ２の第２範囲ｄ２と、乙リングＲ２のセグメント継手面１０ｃに対してトンネル軸方向Ｘ２に隣接する甲リングＲ１の第４範囲ｄ４と、に設けられている。

【0068】

第３実施形態では、図１０に示すように、上記第１実施形態と同様の補強長Ｌに設定される。すなわち、各セグメント継手面１０ｃにおける補強部材１１Ｃのトンネル周方向Ｘ１に延びる補強長Ｌは、セグメント桁高さＨ以上、トンネル周方向Ｘ１の補強角度θで３０°以下の範囲であり、さらに好ましくはセグメント桁高さＨの２倍以上４倍以下である。

【0069】

第３実施形態のように第２範囲ｄ２及び第４範囲ｄ４に設けられる補強部材１１Ｃは、添接効果を考慮して、効率よくかつ効果的に補強部材１１Ｃを配置している。
添接効果とは、図９に示すように、セグメント１０Ｃを千鳥組することによって、本来セグメント継手面１０ｃのセグメント継手が負担する曲げモーメントが小さくなり、隣接するリングのセグメント本体の曲げモーメントの負担が大きくなることをいう。すなわち、セグメント本体よりも第１セグメント継手の方が曲げ剛性が小さいため、曲げ剛性が大きい方に力（図９の符号Ｆ）が流れやすくなる。そのため、一方のリングのセグメント継手面１０ｃに隣接する他方のリングの補強範囲のセグメント１０Ｃのセグメント本体に補強部材１１を設けることにより、効率よくかつ効果的に補強部材１１Ｃを配置することができる。
このように、第３実施形態では、一方のリングのセグメント継手面１０ｃに隣接する他方のリングの補強範囲（第２範囲ｄ２及び第４範囲ｄ４）に補強部材１１Ｃを設けている。

【0070】

以上、本発明によるセグメントおよびセグメントの製造方法の実施形態について説明したが、本発明は上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。

【0071】

例えば、上述した実施形態では補強部材１１を設けるセグメントとして、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリートセグメント）を適用しているが、これに限らず、例えば、図１１～図１４に示すような合成セグメント２０（２０Ａ～２０Ｄ）に適用することも可能である。要は、円形断面のトンネルに設けられ、第１補強範囲Ｄ１（トンネル天頂部Ｐ０から３０°～６０°及び－３０°～－６０°のうち少なくとも一方の範囲）または第２補強範囲Ｄ２（トンネル天頂部Ｐ０から１２０°～１５０°及び－１２０°～－１５０°のうち少なくとも一方の範囲）を含むトンネル内面がコンクリートであるセグメントであって、少なくともトンネル内面側の一部を含んでコンクリートを補強したセグメントであればよいのである。

【0072】

具体的に合成セグメント２０の一例としては、セグメントの内空面以外の５面を覆う鋼板から形成されている円弧板状枠体２１と、円弧板状枠体２１の内部に打設されたコンクリート２２と、を備えている。すなわち、円弧板状枠体２１は、トンネル軸方向Ｘ２の両端部にそれぞれ配された一対の主桁２３と、一対の主桁２３のトンネル周方向Ｘ１の両端部にそれぞれ接合された一対の継手板２４と、主桁２３および継手板２４のトンネルの地山側に接合された円筒周面形状に湾曲されたスキンプレート２５と、を備える。円弧板状枠体２１の内側には一般的にトンネル軸方向Ｘ２及びトンネル周方向Ｘ１に延在するリブ材が設けられている。
そして、合成セグメント２０には、内面のコンクリート２２の少なくとも一部を含む補強部材２６が設けられている。補強部材２６の補強範囲、位置、部材、形状等の構成、設置の考え方は、上述したセグメント１０、１０Ａ～１０Ｃと同様である。例えば、合成セグメント２０のトンネル内面側に鋼板を配置し、鋼板を鋼殻に溶接などで定着することで固定できる。

【0073】

図１１に示す第１変形例による合成セグメント２０Ａの補強部材２６Ａは、樹脂モルタル、繊維補強コンクリートをコンクリート２２の表面に設けた一例である。

【0074】

図１２に示す第２変形例による合成セグメント２０Ｂの補強部材２６Ｂは、鋼鈑をコンクリート２２と面一となるように円弧板状枠体２１に図示省略する溶接やボルトなどの固定手段で固定した一例である。

【0075】

図１３に示す第３変形例による合成セグメント２０Ｃの補強部材２６Ｃは、鋼鈑、ＦＲＰ板をコンクリート２２の表面２２ａに接着によって固定した構成の一例である。

【0076】

図１４に示す第４変形例による合成セグメント２０Ｄの補強部材２６Ｄは、補強範囲がトンネル内面側の表面のみではなく、少なくともトンネル内面側の表面を含み、かつセグメント厚さ（すなわちトンネル壁厚さ）方向に延在する構成の一例である。本発明では、圧壊や割裂破壊によってコンクリートが大規模にトンネル内空側に落下することを抑制できればよいので、被覆という手法に限らず、少なくとも内側表面を含んで補強することにより、トンネル内側のコンクリートが落下を抑制できるが、第４変形例のようにセグメント厚さ方向に延在する補強部材２６Ｄであっても同様の効果が得られる。なお、図１４に示す補強部材２６Ｄは、スキンプレート２５に達する位置まで延在する厚さになっているが、厚さ方向の中間までの厚さあってもかまわない。

【0077】

また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上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。

【符号の説明】

【0078】

１ トンネル
１０、１０Ａ～１０Ｃ セグメント
１０ａ トンネル内面
１０ｂ トンネル外面
１０ｃ セグメント継手面
１０ｄ リング継手面
１１、１１Ａ～１１Ｃ、１２ 補強部材
１１ａ 内周面
２０、２０Ａ～２０Ｄ 合成セグメント
２６、２６Ａ～２６Ｄ 補強部材
Ｐ０ トンネル天頂部
Ｒ１ 甲リング
Ｒ２ 乙リング
Ｘ１ トンネル周方向
Ｘ２ トンネル軸方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】