102
図 4 ナ ッ ク ル 継 手
図 5 C 形 嵌 合 継 手
水膨張性シール 非膨張性シール
非膨張性シール
目地コーキング
20R47
R53
75
75
Do=2300 150
Di=2000
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止 水 材 は ， ナ ッ ク ル の 接 触 部 近 傍 に 貼 付 す る 水 膨 張 性 シ ー ル 材 の ほ か ， 内 縁 側 の 非 膨 張 性 の シ ー ル と 目 地 コ ー キ ン グ に よ り ， 継 手 の 回 転 に 追 随 し て 確 保 で き る 構 造 と し て い る ． さ ら に ， ナ ッ ク ル 部 の 外 縁 側 に は 隙 間 の 形 状 に 成 型 し た 硬 質 の ス ポ ン ジ シ ー ル 材 を 設 け ， 外 縁 の 隙 間 へ の 裏 込 め 材 や 土 砂 の 目 詰 ま り に 対 処 し て い る ．
剛 結 合 と す る Ｂ - Ｋ 間 の 継 手 は ，図 5 に 示 す よ う に 相 対 す る Ｃ 型 の 金 具 を 嵌 合 さ せ ， 水 平 ス ペ ー サ を 挿 入 す る こ と に よ り 結 合 す る 構 造 と し た ． 上 下 方 向 の 位 置 合 わ せ が 容 易 で あ り ， か つ Ｋ 型 セ グ メ ン ト の 軸 方 向 挿 入 に よ り 自 動 的 に 嵌 合 す る 機 構 を 採 用 し ， 組 立 て の 施 工 性 を 確 保 し て い る ．
こ の 継 手 は 外 荷 重 に よ っ て 軸 力 が 作 用 す る こ と を 前 提 と し ， そ れ 自 身 に よ る 締 付 け 力 を 期 待 し な い 構 造 と し て い る ． 曲 げ モ ー メ ン ト は 継 手 部 に 軸 力 が 作 用 し て い る 状 態 で 平 面 保 持 の 仮 定 が 成 立 す る も の と し て ， コ ン ク リ ー ト の 圧 縮 力 と Ｃ 形 金 物 の 引 張 力 に よ り 伝 達 さ れ る 構 造 と し て い る ． Ｃ 形 金 物 の 引 張 力 は 水 平 ス ペ ー サ か ら の 反 力 に よ っ て 生 じ ， 金 物 の 軸 力 伝 達 部 を 迂 回 し て 左 右 の ア ン カ ー 筋 に 伝 達 さ れ る ． ま た ， せ ん 断 力 に つ い て も 同 様 に ， 軸 力 が 作 用 し て い る 状 態 に お い て ， 左 右 両 側 の 金 物 の 噛 み 合 わ せ 部 に よ り 金 物 全 体 に 伝 達 さ れ る 構 造 と し て い る ．
4 ) リ ン グ 継 手
リ ン グ 継 手 は ， 内 面 平 滑 型 セ グ メ ン ト に 用 い ら れ る ピ ン 挿 入 型 の 継 手 を 基 本 と し て い る ． リ ン グ 継 手 に 要 求 さ れ る 性 能 は ， 組 立 て 時 の セ グ メ ン ト の 安 定 性 ， 止 水 性 の 確 保 ， お よ び 曲 線 施 工 の 安 全 性 が 確 保 さ れ る 引 張 り 抵 抗 力 と ， 千 鳥 組 に よ っ て 生 じ る せ ん 断 力 に 抵 抗 で き る 抵 抗 力 を 有 す る こ と な ど で あ る ． 要 求 性 能 は リ ン グ 継 手 の 剛 性 に よ っ て も 変 化 す る が ，表 2 は 仕 上 り 内 径 φ 2 , 0 0 0 m m の リ ン グ 継 手 に 要 求 さ れ る 性 能 の 試 算 結 果 を 示 し た も の で あ る ． 表 中 の 「 千 鳥 組 解 析 時 の せ ん 断 力 」 は ， 後 述 す る リ ン グ 継 手 の せ ん 断 試 験 結 果 よ り 得 ら れ た せ ん 断 ば ね 定 数 を 用 い て 算 出 し た も の で あ る ．
表 2 リ ン グ 継 手 に 要 求 さ れ る 性 能 の 試 算 結 果
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本 工 法 で は ， こ れ ま で に 実 績 が あ る も の の う ち ， 前 述 の 性 能 が 確 保 さ れ ， か つ 本 セ グ メ ン ト へ の 設 置 に 支 障 の な い 「 ノ ブ 型 継 手 」 と 「 カ ッ プ ラ 型 継 手 」 を 採 用 可 能 と し て い る ． ノ ブ 型 継 手 は ，図 6 に 示 す よ う に ， ド ア の ノ ブ の よ う な 形 状 の 雄 金 具 と 爪 を 内 蔵 し た 筒 状 の 頭 部 を 持 つ 雌 金 具 か ら 構 成 さ れ て い る ． 雌 金 具 の 円 筒 状 の 頭 部 に は ， 爪 と 円 錐 ば ね が ４ 個 ず つ 内 蔵 さ れ て お り ， 組 立 て 時 に 目 開 き が 発 生 し た 場 合 で も 最 低 ２ 個 の 爪 で 継 手 間 の 引 張 力 に 抵 抗 で き る 構 造 と し て い る ． カ ッ プ ラ 型 継 手 は ，図 7 に 示 す よ う に ， ソ ケ ッ ト お よ び プ ラ グ と 呼 ぶ 凹 凸 金 物 か ら 構 成 さ れ て お り ， プ ラ グ を ソ ケ ッ ト に 挿 入 す る と プ ラ グ の 頭 部 が ソ ケ ッ ト 内 部 の チ ャ ッ ク に か み 込 み ， こ れ に よ り 締 結 す る 構 造 と し て い る ．
こ れ ら の 継 手 は ， 施 工 実 績 を 有 し て い る も の の ， 構 造 が 複 雑 で コ ス ト が 高 い と い う 欠 点 を 有 し て い る ． こ の た め ， リ ン グ 継 手 の コ ス ト の 縮 減 の 観 点 か ら ，図 8 に 示 す よ う に ， 市 販 品 の 埋 込 み イ ン サ ー ト を 応 用 し た 「 ホ ー ク カ ッ ト ア ン カ ー 式 継 手 」 を 開 発 し た ．
図 6 ノ ブ 型 継 手 雄金具 雌金具
爪、円錐バネ
図 7 カ ッ プ ラ 型 継 手
105 5 - 3 - 2 セ グ メ ン ト リ ン グ の 組 立 て 形 態
ボ ル ト な ど で 接 合 す る 標 準 セ グ メ ン ト で は ， 継 手 部 の 剛 性 低 下 を 隣 接 セ グ メ ン ト の 添 接 効 果 で 補 う こ と を 期 待 し て 「 千 鳥 組 」 に 組 み 立 て る こ と を 原 則 と し て い る ． 本 セ グ メ ン ト は ， 3 ヒ ン ジ の 静 定 構 造 で あ る た め ， 各 リ ン グ が 独 立 し て 安 定 し た ト ン ネ ル 構 造 を 形 成 し て い る ． こ の た め ， セ グ メ ン ト 継 手 が ト ン ネ ル 軸 方 向 に 連 続 す る
「 い も 継 ぎ 」 と し て も ， ト ン ネ ル と し て の 構 造 系 か ら の 制 約 は 発 生 し な い ． し か し ， ヒ ン ジ 部 は 引 張 り に 抵 抗 で き な い 構 造 で あ る た め ， 完 成 後 の 近 接 施 工 に と も な う 荷 重 の 変 化 や 異 常 時 に お け る 内 水 圧 の 作 用 な ど へ の 対 応 を 図 る 必 要 が あ る ． さ ら に ， 組 立 て 直 後 に ， シ ー ル ド テ ー ル 内 で ジ ャ ッ キ 推 力 を 受 け る 時 点 で の リ ン グ の 安 定 性 の 向 上 を 図 る た め ， リ ン グ 間 の 拘 束 効 果 が 得 ら れ る 「 千 鳥 組 」 を 採 用 す る こ と と し た ． 5 - 3 - 3 設 計 手 法 の 検 討 課 題
以 上 の よ う に ， コ ン パ ク ト セ グ メ ン ト は 4 分 割 3 ヒ ン ジ の 静 定 構 造 物 を ， 千 鳥 組 に 組 み 立 て る こ と を 基 本 方 針 と し た ． ト ン ネ ル 構 造 の 安 定 性 の 確 保 の 観 点 か ら ， 静 定 構 造 を 導 入 し た が ， 近 接 施 工 や 施 工 時 へ の 対 応 な ど か ら 千 鳥 組 を 選 択 し た こ と に よ り ， 静 定 構 造 物 と し て の 取 扱 い が 可 能 か 否 か に つ い て の 検 証 が 必 要 と な っ た ． そ こ で ， こ の よ う な 構 造 系 に 対 し て 合 理 的 な 設 計 法 を 提 案 す る こ と と し た ．
設 計 法 の 検 討 に あ た り ， こ れ ま で に 一 般 に 用 い ら れ て い る セ グ メ ン ト の 設 計 法 に つ い て ， コ ン パ ク ト セ グ メ ン ト の 構 造 系 を 踏 ま え て 検 討 を 加 え た ． な お ， 設 計 法 の 検 討
図 8 ホ ー ク カ ッ ト ア ン カ ー 式 継 手
クリアランス 挿入ガイドテーパー
メス側孔（逆テーパー）
ホークカットアンカー アンカー
ウレタンカバー
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に は ， セ グ メ ン ト に 作 用 す る 荷 重 の 算 定 お よ び 断 面 力 を 算 定 す る 構 造 モ デ ル の 設 定 を 組 み 合 わ せ て 論 ず る 必 要 が あ る ． し か し ， そ の 相 互 作 用 が 複 雑 で あ る こ と か ら ， 本 研 究 で は ， こ れ ら を 切 り 離 し て 扱 う こ と と し ， 作 用 土 圧 の 算 定 は 「 ト ン ネ ル 標 準 示 方 書
（ シ ー ル ド 工 法 編 ）・ 同 解 説 3 )」に も と づ く も の と し て ，構 造 モ デ ル の 設 定 に つ い て 論 ず る こ と と す る ．
従 来 か ら 使 わ れ て い る セ グ メ ン ト の 設 計 法 は ， 以 下 の ３ つ に 大 別 さ れ る ． 1 ) セ グ メ ン ト リ ン グ を 曲 げ 剛 性 一 様 な リ ン グ と 考 え る 方 法
い わ ゆ る 慣 用 計 算 法 と い わ れ ， 通 常 用 い ら れ て い る 方 法 で ， 継 手 部 の 曲 げ 剛 性 の 低 下 を 考 慮 す る か し な い か に よ っ て つ ぎ の よ う に 分 け ら れ る ．
① セ グ メ ン ト の 継 手 部 分 の 曲 げ 剛 性 の 低 下 を 考 慮 せ ず ， セ グ メ ン ト リ ン グ を セ グ メ ン ト 単 体 と 同 一 の 曲 げ 剛 性 を も つ ， 曲 げ 剛 性 一 様 な リ ン グ と し て 考 え る 方 法
② 継 手 部 分 の 曲 げ 剛 性 の 低 下 に と も な う 変 形 量 の 増 加 を ， リ ン グ 全 体 の 曲 げ 剛 性 を 低 下 （ 曲 げ 剛 性 の 有 効 率 ） さ せ て 考 慮 し ， さ ら に 千 鳥 組 に よ る 継 手 部 の 曲 げ モ ー メ ン ト の 配 分 を ， 曲 げ モ ー メ ン ト の 割 増 率 と し て 考 慮 す る 方 法
本 コ ン パ ク ト セ グ メ ン ト の ヒ ン ジ 部 の 曲 げ 剛 性 は ゼ ロ で あ る た め ， 本 設 計 法 を 適 用 す る こ と は で き な い ．
2 ) セ グ メ ン ト リ ン グ を 多 ヒ ン ジ 系 リ ン グ と 考 え る 方 法
セ グ メ ン ト 継 手 を 積 極 的 に ヒ ン ジ 構 造 と し て 評 価 す る も の で あ る ． 英 国 や ロ シ ア に お い て 良 好 な 地 山 の 場 合 に 用 い ら れ る 方 法 で あ る ．
本 セ グ メ ン ト は 3 ヒ ン ジ の 静 定 構 造 で あ る こ と ， ま た ， リ ン グ 継 手 の 評 価 が で き な い こ と か ら ， 本 設 計 法 は 採 用 で き な い も の と 判 断 し た ．
3 ) セ グ メ ン ト リ ン グ を 回 転 ば ね を 持 つ リ ン グ と し て 考 え ， 千 鳥 組 に よ る 添 接 効 果 を せ ん 断 ば ね で 評 価 す る 方 法
い わ ゆ る 「 は り － ば ね モ デ ル に よ る 計 算 法 」 で あ り ，図 9 に 示 す よ う に ， セ グ メ ン ト 本 体 を 円 弧 ば り ま た は 直 線 ば り に 置 換 し ， セ グ メ ン ト 継 手 を 曲 げ モ ー メ ン ト に 対 す る 回 転 ば ね で 評 価 す る と と も に ， リ ン グ 継 手 を せ ん 断 ば ね で 評 価 し て ， 千 鳥 組 に よ る 添 接 効 果 を 考 慮 す る も の で あ る ．
こ の 設 計 法 に よ れ ば ， ヒ ン ジ 部 の 回 転 ば ね を ゼ ロ と し ， リ ン グ 継 手 の せ ん 断 ば ね を 考 慮 す る こ と に よ り ，本 セ グ メ ン ト の 特 徴 で あ る「 千 鳥 組 さ れ た 4 分 割 3 ヒ ン ジ 構 造 」 を 適 切 に 評 価 で き る も の と 判 断 し た ．
107 5 - 3 - 4 設 計 手 法 の 提 案
以 上 の 検 討 よ り ， コ ン パ ク ト セ グ メ ン ト の 設 計 法 と し て ， 3 ヒ ン ジ お よ び リ ン グ 継 手 の 添 接 効 果 を 積 極 的 に 評 価 す る も の と し て ， 以 下 の 設 計 法 を 提 案 す る こ と と し た ． ① 構 造 モ デ ル に は 「 は り － ば ね モ デ ル に よ る 計 算 法 」 を 適 用 す る ．
② ヒ ン ジ 部 は Ｉ - Ａ ，Ｉ - Ｂ お よ び Ａ - Ｋ 間 の ナ ッ ク ル 継 手 を ヒ ン ジ と み な し ，回 転 ば ね 定 数 は ゼ ロ と す る ．
③ 剛 結 合 部 で あ る Ｂ - Ｋ 間 の 継 手（ Ｃ 形 嵌 合 継 手 ）は ，本 体 と 同 等 の 曲 げ 剛 性 を 持 つ も の と 評 価 し ， そ の 回 転 ば ね 定 数 は 無 限 大 と す る ．
④ リ ン グ 継 手 の せ ん 断 ば ね 定 数 は ， 使 用 す る リ ン グ 継 手 の せ ん 断 試 験 に よ り 得 ら れ た 値 を 基 本 と し て 用 い る こ と と す る ．
5 - 4 セ グ メ ン ト リ ン グ の 実 物 大 実 験
提 案 し た 設 計 法 は ， セ グ メ ン ト 継 手 の １ つ を 剛 結 合 ， 残 り の ３ つ を ヒ ン ジ 構 造 と し て 評 価 し た も の で あ る ． ま た ， リ ン グ 継 手 の せ ん 断 剛 性 は 試 験 に よ り 求 め る こ と と し て い る ． そ こ で ， 要 素 試 験 な ら び に 実 物 大 の 供 試 体 を 用 い た 載 荷 試 験 を 実 施 し ， 継 手 の 剛 性 お よ び リ ン グ の 挙 動 を 確 認 し た ． さ ら に ， 得 ら れ た 結 果 を も と に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 解 析 を 行 い ， 本 設 計 法 の 妥 当 性 を 検 証 す る こ と と し た ．表 3 は そ の 検 討 手 順 を 示 し た も の で あ る ．
図 9 は り － ば ね モ デ ル