☆白郁宇 譯
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一、前言 日本的潛盾工法，從1960年左右開始的十年時間內，被看作振興期。此段時間，採用潛盾工法用的環片襯砌，存在著各式各樣的形式，隋著使用經驗的日益累積和技術上的突飛猛進，對於管片的形狀、材質、接頭構造、製作方法、設計方法、運輸和拼裝方法等方面，走在世界前列的日本潛盾技術，越發處在活躍的狀態中。針對長距離快速施工和占環片費用30%∼40%的接頭簡化，以環片拼裝的自動化和省力化為對像，尤其著重在開發經濟性方面的環片產品，本文將陸續介紹十二種日本新開發的環片產品。 二薄型化、高強度管片襯砌 (一)開發目的在大斷面隧道和有內水壓力作用的隧道中，要求以掘削斷面較小、環片厚度不大、有較高的環向勁度為目的而開發的環片襯砌結構。 (二)環片襯砌、接頭型式 1.隧道橫斷面形狀：圓形 2.環片的平面形狀：矩形 3.環片的材質:鋼骨鋼筋混凝土 4.接頭構造： 5.材質： (三)環片主體的特徵 鋼骨鋼筋混凝土的特徵，係利用混凝土材料具有耐蝕、不易損壞、強度高等優點，可製造成薄型化環片，因此可以提高經濟指標。 接頭構造直接和主體鋼骨連接，以形成高勁度，能適應某種荷載條件下的結構。現將環片主體結構和環片接頭的特徵詳述如下： 1.環片主體結構特徵 在使用鋼骨鋼筋混凝土作為環片結構材料時，最為擔心的是：認為在荷載作用下，混凝土會產生裂縫的分散性，比鋼筋混凝土的情況還差。為了解這個問題，在鋼骨翼緣設置突出物，提高混凝土與鋼骨翼緣之間的黏著力。鋼骨翼緣的突形狀，要根據各種形狀的零件試驗決定，認為波形突出形狀是最為有效果的，此種形狀的零件能得到和通常鋼筋混凝土結構同等的裂縫發生狀態。波形突出零件可以通過對平板壓延軋製造出來，用此種技術的生產成本是低微的。除此之外，將鋼骨腹板部份加工成格柵(lattice)形狀，可提高製作環片時澆置混凝土的澆置性能。 2.環片接頭的特徵 SRC環片接頭的特徵是直接和環片的主體鋼骨連接，這種接頭是從以往所使用的螺栓型、容易在環片拼裝自動化以及接頭部份斷面缺損較少的楔塊接合方式的楔型連接件的兩種類型中選定的。螺栓接頭是把接頭部份的補強板、連接板和鋼骨通過電焊焊接成為整體，把螺栓的拉力直接傳遞到鋼骨的結構體(圖一)中。 楔型連接接頭是通過一對F鐵件，用摩擦接合的螺栓從兩側把主體鋼骨的腹板部進行連接，在其開口部份，插入M鐵件(H形)，將環片部件接合起來的接頭型式。楔型連接件F鐵件和M鐵件的製作材料為球墨鑄鐵，這是適合於任何一種荷載條件下的連接方式(圖二)。
1.確認基本性能的試驗 為了確認SRC構造的基本特性、強度和理論值的適用性，對計算中設定的相同抵抗彎矩的RC構造(厚度700mm)和SRC構造(厚度550mm)的直線梁的試件，再1994年進行了整體抗彎試驗和引入軸向力的接頭抗彎試驗。根據這次試驗結果，在確認SRC環片主體構造和接頭構造的高勁度性的同時，S部份和RC部份合併使用斷面的設計匹配性亦得到確認。 但是，SRC構造比RC構造來，由於彎曲受拉力的作用，在混凝土產生的裂縫分散性較差，所產生的裂縫寬度、深度都比較大。此外，在螺栓型接頭的場合下，SRC構造的厚度可控製得較薄。在對應環片主體的接頭勁度(為主體的60%)，環片厚度隨之變低，接頭螺栓根數增加。特別要考慮到在自動化拼裝等現場施工，令人感到不滿意的問題亦有時出現。 2.提高裂縫的分散性和楔型連接接頭的開發 為了解決裂縫分散性問題，在鋼骨翼緣上設置了突起，提高和混凝土的黏接性。1995年進行了各種突起形狀(圖三)的鋼板和異形的鋼筋零件試驗(黏著性試驗，是預埋在混凝土梁的彎曲試驗)。其結果表明，在裝有突形的翼緣，能接性能提高了，確認這是由於靠近翼形鋼筋附近的緣故。此外，考慮環片的自動化拼裝容易，且屬接頭斷面缺損少的合理接頭，研究出楔塊接合方式的楔型連接。進行M鐵件插入試驗和鐵件的拉力試驗，在確認基本性能不存在問題之後，即可獲得設計的基本資料。 3.SRC環片全尺寸試驗 在進行了前面所述的各種零件試驗之後，製造了實際大小的環片(外徑8900mm、寬度1200mm、厚度550mm)試件，根據SRC環片的製作，進行了確認性能的試驗(照片一)。
通過前面所述的一系列試驗已經證明SRC環片襯砌的高勁度化和基本理論。在東京都下水道局發包的北多摩2號干線工程中，在到達井附近13區段，進行了SRC環片襯砌的實際施工。該工程全長615m，在覆土厚度為9∼12m的砂層中掘進，環片襯砌的外徑為6000mm，完工後的內徑5000mm。 鋼骨鋼筋混凝土環片的接頭，是採用楔型連接件，楔型連接件的M鐵件必須與斷面相稱所定的插入力，本工程中以12 tf的插入力，按擠入形式進行的。 三、夾層型複合環片襯砌 (一)開發目的夾層型複合環片襯砌是在地下河流、地下道路、地下鐵道等大中型直徑隧道中，以通過對環片厚度的減薄、環片重量的減輕來降低製造成本，並以自動化拼裝、快速施工等為目的而開發的環片襯砌。對隧道內壁的光滑度及不帶螺栓接頭的課題亦正在開發中。 (二)環片襯砌及接頭狀況 1.隧道橫斷面的形狀：圓形、撱圓形 、矩形 2.環片平面的形狀：矩形 3.環片的材質：鋼板、混凝土 4.接頭的構造：短螺栓連接方式(塊間、環間接頭) (三)環片的特徵 
1.環片的主體構造夾層型複合環片，是使靠地層的側鋼板、內部空間側鋼板和混凝土成為整體化的複合環片結構。為達到整體化，在鋼板上採用了具有菱格形的突出部份，並同時採用了抗剪結合柱螺栓(圖六)。 環片的主體性能是通過單塊環片的抗彎試驗和千斤頂頂力試驗得到確認的。單塊環片的抗彎試驗，在外包鋼板中，採用了平面鋼板和菱格形突出板2種形式，試驗結果表明，在平面鋼板的情形下，即便處在設計荷重級別以下，亦會發生鋼板與混凝土之間的剝離，抗彎鋼度不高；可是採用了菱格形突出鋼板後，直到設計荷重作用為止，顯示了和設計值一致的性能(圖七)。此處所謂的計算值，是把鋼板換算成鋼筋混凝土斷面理論計算出來的值。此外，不是像圖中所示，而是考率隧道圓周方向的壓縮和張拉軸向力，通過導入軸向力和單塊環片彎曲試驗來確認環片的容許強度，打鋼板換算成鋼筋斷面來說明承載強度。 
對千斤頂頂力試驗，通常的潛盾機設計最大頂力為200tf，確認其有1000tf的承載強度，這是由於用鋼板覆蓋了混凝土，認為具有約束的效應，從而提高了實際的強度。因此，在隧道平面曲線小半徑處，即使千斤頂頂力在極為偏心的情況下，也不會造成對環片損壞的後果(圖八)。根據對這類環片本身性能的調查，證實外包鋼板和混凝土形成整體，體現出複合環片的高強度性，且具有相當的軔性。把這類環片的研究成果和通常的鋼筋混凝土結構環片作比較時，夾層型複合環片具有以下優點： (1)薄型化：壁薄、重量輕，可以使潛盾機等其他機械設備小型化，減小挖掘土量； (2)由於可提高環片斷面的鋼板量，有利於用作彎矩大的隧道(矩形隧道等)； (3)在平面曲線半徑較小地段和特殊荷載(在大形建築物的正下方和地下河流隧道中出現內水壓力等)條件下，盡可加厚環片的外包鋼板厚度，而不需要加厚環片厚度； (4)由於該環片具有較強的軔性，即實是由於地震等因素造成過大的荷載作用時，環片強度也不致急劇下降； (5)由於環片本身係鋼板覆蓋表面，在環片運輸拼裝過程中，能防止外力對環片的損傷，且具有防止漏水的功能。
環片塊間接頭和襯砌環之間的接頭，基本上全為螺旋連接方式。此外，接頭螺栓手孔是用鋼材製成並和地層側、內側的外包鋼板通過焊接方式接合。對於接頭手孔和環片本身的接合方法，通過接頭張拉試驗調查表明，在採用同一容許應力的設計條件下，和錨固筋構造相比，採用焊接構造方式，接頭變形、強度等均優於前者(圖九)。 在其他方面，還進行接頭的抗彎試驗和接頭的抗剪試驗，確認以下內容： (1)接頭手孔的抗拉拔強度，要確保在螺栓的強度之上； (2)環片接頭的旋轉彈性係數，可按照日本學者村上－小泉理論加以說明； 3.涂漆(油漆) 鋼板的塗漆方法可根據隧道的用途而有所不同，在省去二次襯砌型的地下河流隧道的情況下，要考慮在耐磨耗性能等條件的不利場合下，須進行著重防蝕的塗漆技術。 (四)實驗概況 正如前述，環片的主體結構和接頭部份的各種零件，均通過各種試驗來確定其設計方法。但是在採用修正慣用設計法來設計環片的斷面力時，必須具有抗彎勁度有效係數η和彎矩分配係數ξ等。這些係數是通過對梁－彈簧模型設計法和修正慣用設計法比較，計算出分析值，在通過拼接抗彎試驗來驗證(照片二)。 根據試驗表明，夾層型複合環片η＝75%，ξ＝25%，這是通過一連串的試驗來證明其力學性能的。 (五)現場施工 當採用省略二次襯砌型的潛盾機現場是處在小半徑平面曲線上時，採用夾層型複合結構環片，其拼裝性能、止水性能等，可證明均屬良好狀況(照片三)。
用省略二次襯砌環片，能使隧道內部表面光滑，新型的不帶螺栓的接頭正在開發中。 《未完待續》 |
