曲線推進用目地開口調整装置について

はじめに

曲線推進施工において、推進管は曲線始点にくると掘進機が造成したトンネル孔に沿って管の継手部で曲線外側の目地が開口して屈曲します。
計画曲線に沿った線形を維持するためには、各継手部の目地が均等に開口していることが必要です。
トンネル孔に沿って推進管を追随させるための有効なシステムとして、管の継手部の上下（または左右）対称位置に塑性領域を利用したクッション材を装着する、センプラカーブシステムが多く採用されています。
しかし、推進管周辺の地盤が軟弱な土質の場合には、推進力の分力として発生する曲線外側への力に対して、これに対抗する側方からの地盤反力が得られず、１ヶ所の継手部で管端が外側にせり出し、継手部の目地開口長が許容値を超えてしまうという問題が発生することがあります。
特に曲線半径が小さくなる超急曲線推進施工では、外側への分力がより大きくなり顕著になります。
このような問題を解決するため、当社は関西電力(株)、(株)きんでんとの共同で、曲線推進施工において各推進管の継手部の目地開口長が均等となる曲線推進用目地開口調整装置を開発し、実用化しました。
この装置は、関西電力(株)発注の曲線半径Ｒ＝30ｍの曲線推進工事に採用され、各継手部の目地開口長を調整することによって、曲線形成を計画通りに完了することができました。
本装置は、3社によって特許出願がされ、平成10年に登録されました。以下に、曲線推進用目地開口調整装置の内容について説明します。

目地開きストッパー装置技術

特許の範囲

特許として登録されている技術の構成は次のとおりです。
推進管先端の段落部に配置された先端連結面と推進管後端のカラーの内部に挿入される先端連結面と対向して配置された内部連結面とが対向する周方向の複数個所には、先端連結面と内部連結面とを軸方向に許容範囲内で移動可能に連結するとともに許容範囲を変更できる連結手段を備えている曲線用推進管です。
上記は特許出願明細書の文で、分かり易く書きますと、推進管継手部の対向する管端面の周方向の複数個所に、軸方向に許容範囲内で移動可能に連結するとともに許容範囲を変更できる連結手段を備えている推進管です。
連結手段としては、各連結面を貫通して連結するボルトナット方式や連結面に切り欠きを設けて連結する連結棒方式、そして継手部を挟んで管の内壁に設けたアンカーボルトを長孔を設けたフラットバーで連結する方式等が考えられます。
（図－1、図－2、図－3）

ＭＡＸ推進管

曲線推進用目地開口調整装置が採用された推進管を以下に紹介します。

概要

推進工法は、施工技術の急速な進歩・発展に伴い、従来のシールド工法の領域である超長距離・超急曲線および多曲線まで可能となり、一方、耐震設計における推進管本体の断面照査では大きな抵抗曲げモーメントが必要となるケースも増えてきました。
このような要望に応えるために、鋼・コンクリート合成管であるＭＡＸ推進管を開発しました。
過酷な設計条件にも対応できるＭＡＸ推進管の採用が、より確実でしかも安全な超長距離・超急曲線推進施工を可能とします。

特長

高い外圧強度

JSWAS A-2規格の推進管に比べ、3倍（ＭＡＸ－3）および4倍（ＭＡＸ－4）の外圧強度を有しています。（表－1）

呼び径	MAX－３（３種管）　　kN/m｛kgf/m｝		MAX－４（４種管）　　kN/m｛kgf/m｝
呼び径	ひび割れ荷重	破壊荷重	ひび割れ荷重	破壊荷重
800	106｛10,800｝	174｛17,700｝	142｛14,400｝	232｛23,600｝
900	115｛11,700｝	195｛19,800｝	153｛15,600｝	259｛26,400｝
1000	124｛12,600｝	215｛21,900｝	165｛16,800｝	287｛29,200｝
1100	128｛13,050｝	236｛24,000｝	171｛17,400｝	314｛32,000｝
1200	133｛13,500｝	259｛26,400｝	177｛18,000｝	346｛35,200｝
1350	142｛14,400｝	295｛30,000｝	189｛19,200｝	393｛40,000｝
1500	151｛15,300｝	330｛33,600｝	201｛20,400｝	440｛44,800｝
1650	159｛16,200｝	365｛37,200｝	212｛21,600｝	487｛49,600｝
1800	168｛17,100｝	401｛40,800｝	224｛22,800｝	534｛54,400｝
2000	177｛18,000｝	424｛43,200｝	236｛24,000｝	565｛57,600｝
2200	186｛18,900｝	445｛45,300｝	248｛25,200｝	593｛60,400｝
2400	195｛19,800｝	465｛47,400｝	259｛26,400｝	620｛63,200｝
2600	203｛20,700｝	489｛49,800｝	271｛27,600｝	652｛66,400｝
2800	212｛21,600｝	509｛51,900｝	283｛28,800｝	679｛69,200｝
3000	221｛22,500｝	530｛54,000｝	295｛30,000｝	707｛72,000｝

表－1　　外圧強度

高い管軸方向剪断強度

超急曲線施工に使用する短尺管（Ｌ＝800mm以下）には、曲線部において管軸方向に曲げ、せん断応力が発生しますが、ＭＡＸ推進管はそれに耐える高い管軸方向せん断強度を有しています。（表－2）

有効長（mm）呼び径	管軸方向せん断強度　　（kN）			許容耐荷力Fa　　（kN｛tf｝）
有効長（mm）呼び径	400	600	800	50N｛500k｝	70N｛700k｝	90N｛900k｝
800	72	73	74	2,296｛230｝	3,091｛309｝	3,974｛397｝
900	83	84	85	2,986｛299｝	4,020｛402｝	5,169｛517｝
1000	94	95	97	3,767｛377｝	5,070｛507｝	6,519｛652｝
1100	100	101	103	4,374｛438｝	5,888｛589｝	7,570｛757｝
1200	111	113	114	5,309｛531｝	7,147｛715｝	9,189｛919｝
1350	117	119	120	6,239｛624｝	8,399｛840｝	10,799｛1080｝
1500	133	135	137	7,939｛794｝	10,688｛1069｝	13,741｛1374｝
1650	145	147	149	9,451｛945｝	12,722｛1272｝	16,357｛1636｝
1800	156	159	161	11,092｛1109｝	14,932｛1493｝	19,198｛1920｝
2000	173	176	179	13,642｛1364｝	18,364｛1837｝	23,611｛2361｝
2200	191	194	197	16,455｛1646｝	22,151｛2215｝	28,479｛2848｝
2400	202	205	209	18,966｛1897｝	25,532｛2553｝	32,827｛3283｝
2600	219	222	226	22,259｛2226｝	29,964｛2997｝
2800	236	240	244	25,815｛2582｝	34,752｛3475｝
3000	253	257	261	29,635｛2964｝	39,893｛3989｝

※
50N/mm2｛500kgf/cm2｝および70N/mm2｛700kgf/cm2｝はJSWAS A-2規格に、
90N/mm2｛90kgf/cm2｝はJSWAS A-8規格にそれぞれ準じます。

表－2　　管の軸方向せん断力と許容耐荷重力

高い止水性能

継手部は鋼製で、特にスピゴット部は鋼板をロール加工で一体成型しているので高精度であり、大深度推進時の高水圧にも十分対応します。
また、超急曲線部内での止水性を保持するために曲線推進用目地開口調整装置を、オプションで装備しています。
（写真－1）

形状と寸法

形状と寸法は下記のとおりです。（図－4、表－3）

呼び径	内径Ｄ	Ｄ₁	πＤ₂	厚さＴ	有効長Ｌ	ι₁	Ｌｃ₂	Ｔｃ	Ｄｃ	πＤ₀	参考質量（kg）
呼び径	内径Ｄ	Ｄ₁	πＤ₂	厚さＴ	有効長Ｌ	ι₁	Ｌｃ₂	Ｔｃ	Ｄｃ	πＤ₀	400L	600L	800L	1200L	2430L
800	800±4	942±2	2992±3	80⁺⁴_-2	400⁺⁴_-2 600⁺⁴_-2 800⁺⁴_-2 1200⁺⁴_-2 2430⁺⁴_-2	180⁺²_-0	180⁺²_-1	4.5	951	3016±3	271	394	517	763	1520
900	900±4	1062±2	3299±3	90⁺⁴_-2					1071	3393±3	339	492	646	953	1900
1000	1000±4	1182±2	3676±3	100⁺⁴_-2					1191	3770±3	413	600	788	1160	2320
1100	1100±4	1292±2	4021±3	105⁺⁴_-2					1301	4115±3	473	688	902	1330	2650
1200	1200±4	1412±2	4398±3	115⁺⁴_-2					1421	4492±3	569	824	1080	1590	3150
1350	1350±5	1576±2	4901±3	125⁺⁵_-2				6.0	1588	5027±3	688	1000	1320	1950	3900
1500	1500±5	1756±2	5466±3	140⁺⁵_-2					1768	5592±3	854	1240	1630	2410	4810
1650	1650±5	1926±2	6000±3	150⁺⁵_-2					1938	6126±3	1000	1460	1910	2820	5620
1800	1800±5	2096±2	6535±3	160⁺⁵_-2					2108	6660±3	1170	1700	2220	3280	6510
2000	2000±5	2326±2	7257±3	175⁺⁵_-2					2338	7383±3	1400	2030	2660	3930	7830
2200	2200±5	2556±2	7980±3	190⁺⁵_-2					2568	8105±3	1670	2430	3180	4680	9300
2400	2400±6	2778±2	8671±3	205⁺⁵_-2		190⁺²_-0	190⁺²_-1	9.0	2792	8828±3	2100	3010	3910	5730	11300
2600	2600±6	3008±2	9393±3	220⁺⁶_-2					3022	9550±3	2420	3470	4520	6610	13100
2800	2800±6	3238±2	10116±3	235⁺⁶_-2					3252	10273±3	2740	3940	5140	7530	14900
3000	3000±6	3468±2	10839±3	250⁺⁶_-2					3482	10996±3	3170	4530	5890	8600	17000

※１：πＤ2は、管のシール材用溝の底部外周長を示します
※２：πＤ0は、管の外周長を示します。ただし、Ｄ0=Ｄｃ＋２Ｔｃです
※３：有効長(Ｌ)は、上記表の標準サイズ以外に300mm、500mm、700mmも製造できます
※４：止水剤用注入孔を必要に応じて設けることができます

表－3　寸法表

曲線推進用目地開口調整装置を用いた施工例

工事概要

施工場所	：	大阪市内
推進管	：	呼び径 1200mm 推進用ヒューム管および急曲線対応推進管（鋼管）
推進延長	：	Ｌ＝252.6ｍ
曲線半径	：	平面曲線　140ｍ、30ｍ、縦断曲線　100ｍ
土質	：	砂混りシルト　Ｎ＝1～2

急曲線推進の課題と対応

シールド掘進機

シールド掘進機の構造は、曲線半径30ｍに対応する折れ角（θ0）が　3.13°となります。
使用するシールド掘進機の機能としての折れ角（θ）は、θ≧θ0とすると、4.695°となります。
本工事では、曲線半径15ｍに対応する機能を有した折れ角θ＝8.622°のシールド掘進機を製作しました。

急曲線対応推進管

従来の推進用ヒューム管では、その管長および許容折れ角よりＲ＝30ｍの急曲線線形に追随していくことは不可能であるため、別途急曲線対応の推進管（鋼製）を検討しました。
急曲線対応推進管の構造については、推進用ヒューム管の優れた継手・止水構造を取り入れ、許容折れ角急曲線線形に応じた管長を設定しています。
また、目地開き調整については、計画線形より算定されます。
急曲線部の最大目地開き長さに応じて調整可能な曲線推進用目地開口調整装置を採用しました。（図－5）
φ1200mm管の計算折れ角は1°36’であり、急曲線用の推進管長はＬ＝695.4mmとなり、それ以下の長さであれば止水性が確保できます。
今回使用する急曲線用推進管長は600mmとしました。

推進結果

推進管の継手部に挿入したクッション材（センプラリング）によって、推進管列はシールド掘進機の造成したトンネル孔に追随し、推進管理値として設定した上下、左右±100mm以内に入る高精度で施工が完了できました。
急曲線区間の各継手部は、曲線推進用目地開口調整装置によって許容開口長が定められていることから、均等な開口長を維持できました。（写真－2）

おわりに

以上、曲線推進用目地開口調整装置について報告しました。
側方の地盤反力に期待ができない場合や急曲線推進施工の場合には、継手部・1ヶ所づつの許容開口長が設定できるため、計画線形通りの正確な曲線推進施工が可能となりました。
なお、本装置は特許登録されており、使用に際しては共同開発3社の許諾を必要とします。