プレキャスト コンクリート トンネル セグメントの設計、製造、建設の主要な側面に関する ACI 533.5R ガイド

メフディ・バクシとヴェリヤ・ナスリ著

TBM による機械化トンネル掘削は、過去 10 年間、軟弱な地盤、弱い岩盤、割れた硬い岩盤などのさまざまな地盤条件において最も主流の掘削方法でした。 プレキャスト コンクリート セグメントは、掘削をサポートし、永久的な地面と地下水の負荷に耐え、水密性を提供するために TBM の後ろに設置されます。 さらに、プレキャスト セグメントは、生産、輸送、建設時の一時的な負荷に耐えられるように設計されています。

ACI 533 ガイドが発行されるまで、地元または国際当局から設計者や請負業者に提供されるガイダンスはほとんどありませんでした。 この記事の著者らが主導する ACI 533.5R の出版は、国際規格機関が発行する世界初のガイドとして、このニーズに対処し、セグメントの設計、製造、構築のすべての主要な側面を 1 冊の出版物でまとめてカバーしています。 このガイドでは、構造概念と詳細設計、シールとガスケットの設計、接続設計、耐久性設計、およびへたりおよび許容誤差の監視に必要な手順を説明します。 この文書は、世界的な協力、トンネル掘削の経験、入手可能な国内外の推奨事項に基づいて起草されました。 設計の一般的な側面に加えて、TBM トンネル覆工技術に関連する設計の最新の開発と最新技術が紹介されます。

コンクリート プレキャスト トンネル セグメントは、負荷抵抗係数設計 (LRFD) 法を使用して設計する必要があります。 表 1 は、プレキャスト コンクリート トンネル セグメントの設計に適用される支配的な荷重ケースと係数化された荷重の組み合わせを示しています。 ACI 318-19 と ACI 544.7R-16 の強度低減係数は、それぞれ鉄筋コンクリートと繊維強化コンクリート (FRC) の設計に必要です。

トンネルの使用目的とクライアント要件に応じた内部スペース要件によって、トンネル イントラドの寸法が決まります。 ACI 533.5R では、トンネルを鉄道および地下鉄、道路、公共施設、上下水トンネルの 4 つの主要なカテゴリに分類しています。 各カテゴリの内部スペース要件については、「ガイド」で説明されています。 図 1 は、道路トンネルの典型的なレイアウトを概略的に示しています。ACI 533.5R では、さまざまなトンネル サイズに対する内径 (ID) とライニングの厚さの比の範囲が提供されています。 これには、内径 13 ～ 18 フィートのトンネルでは 15 ～ 25 インチの範囲が含まれ、内径 18 フィートを超えるトンネルでは 18 ～ 25 インチの範囲が含まれます。 トンネル直径が 19 ～ 23 フィートの場合、リング長は 5 フィートが推奨されますが、直径が 30 フィートを超えるトンネルの場合は、リング長が 6.5 フィートに増加します。

図 1: 道路トンネルの内部空間の概略図: a) 低点ポンプ場の断面図、a) 典型的な断面図。

パラレル リング、補正リング付きパラレル リング、右/左テーパー リング、ユニバーサル リング システム (図 2 を参照) などは、さまざまなセグメント リング システムに含まれます。 平行リング (図 2(a)) は本質的に曲線には適していません。 右/左のリング (図 2(b)) では、通常、各リングの一方の円周面はトンネル軸に対して垂直にテーパが付けられ、もう一方の面はトンネル軸に対して傾斜しています。 右テーパーリングと左テーパーリングを順番に交互に配置することで、直進ドライブが生成されます。 このリングタイプでは水密性を保証できますが、異なるタイプの型枠セットが必要になることが欠点です。 現在、ユニバーサル リング システム (図 2(c)) が最も従来型のシステムであり、多くの場合、各リングの 2 つの円周面がトンネル軸に対して傾斜しており、セグメント リングの回転によって位置合わせを調整できます。 このシステムの主な利点は、必要な型枠セットが 1 種類だけであることです [3]。

図 2: さまざまなリング システム、テーパリングおよびカーブ ネゴシエーションの概略図: a) 平行リング、b) 右/左リング、c) ユニバーサル リング。

リングには通常、セグメントの細さ比が 8 ～ 13 になる多数のセグメントが含まれています。 直径が最大 20 フィートのトンネルの一般的な推奨事項は、リングを 6 つのセグメントに分割し、5+1 または 4+2 構成を使用することです (後者の数字はキー セグメントの数を表します)。 トンネル直径が 20 ～ 26 フィートの場合は 7 セグメント リング、26 ～ 36 フィートの場合は 8 セグメント リングを採用できます。 トンネル直径が 36 ～ 46 フィートの場合は、9 セグメントのリングを採用できます。 最後に、46 フィートを超えるトンネルの場合、9+1 構成が最も一般的な構成です。

図 3: セグメント形状の主なシステム: a) 六角形、b) 長方形、c) 台形、d) 菱形システム。

図 3 に示すように、個々のセグメントの形状は、六角形、長方形、台形、菱形の 4 つの主要なカテゴリまたはシステムに分類できます。 六角形のセグメント (図 3(a)) はガスケットの効果的な使用を妨げるため、ライニングの水密性が損なわれるため、現在ではほとんど使用されていません。 長方形システム (図 3(b)) では、縦方向の千鳥状の接合が常に保証されるわけではなく、十字接合が存在して漏れが発生する可能性があります。 台形システム (図 3(c)) では、縦方向のジョイントが互い違いに配置されているため、十字ジョイントを作成する可能性は排除されますが、取り付けプロセスにより、カウンター キー セグメントの間にいくつかのキー セグメントを配置することが困難になります。 菱形システム (図 3(d)) は、十字ジョイントを排除し、良好なシール性能を備え、連続的なリングの勃起を可能にするため、現在最も一般的なシステムです。 他の主な利点は、角度の付いたセグメントジョイントにより、セグメント挿入時のガスケットの擦れが防止され、円周ジョイントでの迅速な接続ダボの使用が容易になることです。

鋳造と初期硬化の後、セグメントが型枠から剥がされます。 設計では、セグメントが自重 (w) で剥がされるとき (たとえば、鋳造後 6 時間後) に必要な強度を考慮する必要があります。セグメントの型からの脱型に続いて、セグメントの保管が行われ、必要な強度を得るためにセグメントが積み重ねられてから、建設現場に輸送されます。サイト。 一般に、完全なリングを構成するすべてのセグメントは 1 つのスタックに積み重ねられます。 設計では、スタック サポートの位置と上部セグメントのサポートの間の偏心 e = 4 インチで上に配置されたセグメントの自重と死荷重が考慮されています。

セグメントの取り扱いは、機械式クランプ、バキュームリフター、フォークリフトなど、特別に設計された昇降装置によって実行されます。 メカニカルクランプとバキュームリフターによる取り扱いには、セグメントの脱型に利用される設計手順が採用され、フォークリフトによる取り扱いには、セグメント保管と同様の積載方式と偏心が採用されています。

セグメントの輸送段階では、プレキャスト セグメントが建設現場に輸送され、最終的には TBM トレーリング ギアに輸送されます。 各リングの半分またはすべてのセグメントが 1 台のキャリッジで TBM に搬送されます。 一般に、保管段階と同様の設計手順と 4 インチの偏心量が設計に推奨されます。

表 1 に示されている荷重係数に加えて、取り扱いおよび輸送の荷重ケースには 2.0 の動的衝撃係数が推奨されます。 図 4 は、上記の荷重ケースにおける荷重スキームとサポート条件を示しています。

図 4 a) 脱型時およびリフターによる取扱い時にセグメントに作用する力、b & c) 保管時、フォークリフトによる取扱い、および輸送中にセグメントに作用する力、d) フォークリフトによる取扱いのスキーム

ライニングへの荷重は、地面とセグメントの間の環状空間を半液体グラウトで充填する際に発生します。 これは、半径方向の圧力を適用することによってモデル化されます。半径方向の圧力は、トンネルのクラウンでの最小グラウト圧力からトンネルの底部での最大グラウト圧力まで直線的に変化します。 自重とグラウト圧力の荷重の組み合わせについては、表 1 に示すように、両方の荷重に対して荷重係数 1.25 が推奨されます。

図 5: TBM ジャッキ力の荷重ケース: a) 円周ジョイントを押すスラスト ジャッキの概略図、b) プレストレスト コンクリートのポストテンション後の定着ゾーンの簡略化された方程式を使用した場合の破裂引張力と対応するパラメーターの概略図、c)一般的な解析手法としての Iyengar (1962) の図、d) 3D FEA の結果。

表 1 (荷重ケース 8) に示されている荷重係数を使用して、必要な強度を計算できます。 この荷重ケースは、数ある方法の中でも、弾性方程式、梁バネモデル (図 6)、FEM、および離散要素法 (DEM) を使用して解析できます。

図 6 a) 地面をシミュレートするラジアル スプリングと、長手方向および円周方向のジョイントをシミュレートするジョイント スプリングを備えた二重リング ビーム スプリング モデル。 (b) リングジョイントのスキーム

ライニング内で発生するフープ力は、ガスケットと応力緩和溝が存在する長手方向の接合部に沿って減少した断面積を介して伝達されます。 TBM スラストジャッキ力の荷重ケースと同様に、解析方法には、簡略化されたバースト方程式 [2、4] (図 7)、Iyengar [5] 図の解析方法、および 2D/3D FEM シミュレーションが含まれます。

図 7: DAUB [4] によって推奨されている、簡略化された応力ブロック概念を使用した長手方向の接合部における力の伝達。

ACI 533.5R ガイド [1] には、プレキャスト コンクリート トンネル セグメントの推奨圧縮強度に関する国際当局による利用可能なガイドラインがまとめられています。 鉄筋は 3 つの異なるタイプに分類されます: a) 横鉄筋 – トンネル軸に対して垂直に配置される主鉄筋、b) 縦方向鉄筋 – トンネル軸に平行に配置され、最低温度および収縮鉄筋として設計されることが多い、c) 継手鉄筋 – 配置接合部の近くで破裂や剥離の応力に耐えます。 鉄筋のサイズ、推奨されるコンクリートのかぶりと鉄筋の最小間隔など、最も一般的な鉄筋の詳細は「ガイド」に記載されています。

トンネルセグメントにおけるSLSの検証には、応力検証、変形検証、亀裂検証が含まれます。 ひび割れは水の浸入の可能性による実用性の低下の主な原因となるため、特に注意が払われます。 設計では、曲げ亀裂の幅が「ガイド」に示されている許容亀裂幅を超えないようにする必要があります。

ワンパスセグメントライニングでは、トンネルの水密性は、セグメントと、長手方向および円周方向のジョイントのセグメント間に配置されるガスケットによって保証されます。 「ガイド」では、ガスケットの材質、さまざまな水圧に対する解決策、緩和を考慮した適切な安全係数、トンネルのサイズを考慮したガスケットのプロファイル、公差、および必要な建設ギャップ/オフセットを選択するための手順が提供されています。 水密性と荷重たわみ試験、およびガスケット溝の設計の詳細が示されています。 ガスケットの短期挙動について説明し、短期緩和後のガスケット荷重に対する接続システムの設計について議論します。 固定ガスケットや最近開発されたガスケット用ファイバー固定技術など、ガスケット システムの新たな開発が紹介されています。 ピンベースのキャビティを使用して点荷重を排除するソフトコーナーソリューション。 セグメントジョイントのポストシールのための新しい修理方法は、ガスケットプロファイルを介した直接穴あけと注入に基づいています。

リング内のセグメント間およびリング間の接続は、ボルト、ダボ、ガイド ロッドの 3 つのカテゴリに分類できます。 ボルト (図 8(a)) は通常、リング内のセグメント間、および長方形システムのリング間で使用されます。 組み立てプロセスの運動学のため、ダボ (図 8(b)) は円周ジョイントのリング間でのみ使用されます。 ガイド ロッド (図 8(c)) は、ロック機能を備えたセグメントの取り付け時にガイドとセンタリングを提供するセンタリング デバイスとして使用できます。 ガイドロッドは通常ダボと組み合わせて使用​​されます。 接続装置の最新の開発には、取り付け公差を減らし、作業者がよりスムーズな組み立てプロセスを行えるようにするために、ダボの片側にねじ込み可能なソケットが組み込まれています。 従来の締結システムは、ドリルで後から設置するアンカーであり、コンクリート、鉄筋、セグメントガスケットを損傷する可能性があり、構造挙動、シール性能、腐食防止、長期耐久性に悪影響を及ぼす可能性があります。 ACI 533.25 [1] は、耐久性と持続可能なソリューションとしてセグメント用の新しい鋳込み締結システムを提示しています。

図 8: セグメント接続デバイス: a) 縦方向ジョイントのボルト システム、b) 円周方向ジョイントのダボ システム、c) 縦方向ジョイントのガイド ロッド

公差は、個々のコンポーネントまたはシステムとしてのセグメントの設計寸法からの実際の寸法の許容偏差です。 ACI 533.5R ガイド [1] では、製造公差と建設公差の 2 つの主要なカテゴリで公差が説明されています。 ガイドラインと規格によって指定された製造セグメントの許容差が示され、さまざまな測定プログラムとその欠点について議論されます。 干渉計とトラッカー システムを使用した 3D レーザー測定がベスト プラクティスとして紹介されています。 システム公差管理方法としてテストリングを説明し、二大構造公差として楕円化と継手ずれを説明した。

トンネルは通常、100 ～ 125 年の耐用年数を想定して設計されています。 ボーリングトンネルでは、トンネルの耐久性はセグメントの耐久性に直接関係します。 最も頻繁に発生する劣化メカニズムについては、「ガイド」で説明されています。 これには、塩化物攻撃と炭酸化、硫酸塩と酸による攻撃、アルカリ骨材反応、凍害、凍結融解による損傷による補強材の腐食が含まれます。 鉄道/地下鉄トンネル特有の耐久性の大きな懸念事項である迷走電流による腐食について説明します。 さまざまな耐久性係数の軽減方法も示されています。 FRCセグメントの使用を含む漂遊電流腐食の軽減方法が提示され、迷走電流と他の従来の劣化要因との結合効果の下でのセグメントの耐久性が説明されます。 耐久性設計には、さまざまな環境暴露クラスを主なインプットとして考慮した規範的なアプローチが導入されています。 トンネルの一般的な耐用年数を確保するための推奨事項について、コンクリート強度、最大の水対セメント (w/c) 比、最小セメント含有量、最小空気含有量などについて説明します。

ACI 533.5R ガイド [1] には、プレキャスト セグメントの設計と建設のあらゆる側面に関する最新の開発、国際的なベスト プラクティス、最先端の情報が統合されており、セグメント トンネル覆工の一般的なガイドとして使用できます。 このガイドラインでは、構造設計ルールに加えて、セグメントリングの幾何学形状、形状、構成およびシステムの詳細、および具体的な設計上の考慮事項の詳細についても取り上げています。 ガスケットの設計、接続デバイス、公差、測定、寸法管理、耐久性についてすべて説明します。 作成された「ガイド」は、進化し続けるテクノロジー分野における現時点​​での実践の状況です。

[1] ACI 533.5R: プレキャスト コンクリート トンネル セグメントのガイド。 米国コンクリート協会 (ACI)、2020 年。[2] ACI 318: 構造コンクリートに関する建築基準法要件とその解説。 米国コンクリート協会 (ACI)、2019 年。[3] ÖVBB: コンクリートセグメントライニングシステムのガイドライン。 オーストリアコンクリート建設技術協会 (ÖVBB)、2011 年。[4] DAUB: ライニングセグメント設計: セグメントリングの設計、製造、取り付けに関する推奨事項。 ドイツトンネル委員会 (DAUB)、2013 年。[5] Iyengar, KT: ポストテンション梁における定着域応力の 2 次元理論。 ACI 59 (1962)、No. 10、1443 ～ 1466 ページ。

Mehdi Bakhshi 氏、AVP - リード トンネル エンジニア | エーコム Bakhshi 博士は、アリゾナ州立大学で土木工学の博士号を取得しています。 彼は、土木工学、構造物、トンネル、地下工学、および地盤工学の分野で、国内および国際プロジェクトにおいてリード トンネル エンジニアおよびシニア トンネル エンジニアとして 18 年以上の経験を持っています。 Mehdi は、トンネル工事とコンクリート構造物に関連する 75 以上の学術論文や査読済みの会議論文を出版しています。

Verya Nasri 氏、副社長兼チーフ トンネル エンジニア | エーコムナスリ博士は、エコール・セントラル・パリで地盤工学および構造工学の博士号を取得しています。 彼は、ニューヨーク市都市圏および北米、ヨーロッパ、アジア、アフリカ、中東全域の主要なトンネルプロジェクトの主任トンネル技術者として 30 年以上の経験を持っています。 ナスリ博士は、トンネルや地下構造物の設計と建設に関する 200 以上の雑誌や会議論文を執筆しています。