JP2003232186A - シールドマシン及び拡大シールド工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 到達立坑を確保できない場合でも、小さな断
面から大きな断面へ拡大することのできるシールドマシ
ン及び拡大シールド工法を提供することを目的とする。 【解決手段】 メインシールド１０の前端部にメインカ
ッタ１３と拡縮可能なコピーカッタ１６とを有する。メ
インシールド１０のボックス部１２に補助カッタ２１を
有する胴体シールド２０を収納する。胴体シールド２０
でメインシールド１０の円形本体１１外周を周回掘削
し、掘削した周回掘削部に拡張ブロック４０を組み込ん
で拡大掘削部４１を形成し、掘削断面の径を拡大するよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールドマシン及
び拡大シールド工法に関するもので、特にシールド掘削
の掘進途中で掘削断面の径を拡大することができるシー
ルドマシン及び拡大シールド工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールドマシンは、先端に取り付けたカ
ッターヘッドが回転することにより切羽面の地山を掘削
し、掘削土砂をコンベア等でトンネル後方へ搬出すると
ともに、掘削した坑内壁にセグメントを組み立ててトン
ネルを構築するものである。シールドマシンでトンネル
を掘削していくとき、トンネルの断面を変える必要が生
じる。従来、トンネルの断面を変える施工方法として、
親子シールドまたは２段シールドと呼ばれる工法があ
る。これら工法は、大きな断面から小さな断面へ縮小す
る施工方法で、例えば大きな断面のトンネルａから小さ
な断面のトンネルｂへ向かい、立坑ｃに到達する場合な
どである(図７参照)。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、小さな断面
から大きな断面へ拡大しようとする場合は、掘削断面の
変更場所に中間立坑を新たに構築し、掘削断面の大きな
別のシールドマシンに替えるか、拡大区間を開削工事に
より行うことになる。しかし中間立坑を新たに構築し、
掘削断面の大きな別のシールドマシンに替えたり、拡大
区間を開削工事により行う場合は、工期がかかり、コス
トも高くつく。

【０００４】

【発明の目的】本発明は上記したような従来の問題点に
鑑みて考えられたもので、中間立坑を確保できない場合
でも、小さな断面から大きな断面へ拡大することのでき
るシールドマシン及び拡大シールド工法を提供すること
を目的とする。また、本発明は、シールドマシンを替え
ることなく、１台のシールドマシンで小さな断面から大
きな断面へ拡大することのできるシールドマシン及び拡
大シールド工法を提供することを目的とする。本発明
は、これらの目的の少なくとも一つを達成するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明のシールドマシンは、シールド掘削
の掘進途中で、掘削断面の径を拡大することができるシ
ールドマシンであって、前端部にメインカッタと拡縮可
能なコピーカッタとを有するメインシールドと、前記メ
インシールドのボックス部に収納され、該メインシール
ドの円形本体外周を周回掘削可能な補助カッタを有する
胴体シールドと、掘削後の前記周回掘削部に組み込む拡
張ブロックと、からなるものである。

【０００６】また、本発明のシールドマシンのメインシ
ールドは、円形本体にボックス部を結合して形成すると
ともに、該ボックス部の両側から円形本体に向けて掘削
可能なブロック体を取り付けて、全体の形状を略卵形と
したことを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の拡大シールド工法は、シー
ルド掘削の掘進途中で、掘削断面の径を拡大することが
できる拡大シールド工法であって、前記したシールドマ
シンを使用し、前記メインシールドによる掘進途中でボ
ックス部にあらかじめ収納された胴体シールドをメイン
シールドから発進し、前記胴体シールドの補助カッタに
よって前記メインシールドの円形本体外周を周回掘削
し、掘削後、前記周回掘削部に拡張ブロックを組み込ん
で拡大掘削部を形成して行うものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明に係る実施の形態について説明する。図１は、本発明
のシールドマシンで小断面トンネルを掘削する状況を示
す説明図である。図２は、大断面トンネルを掘削するこ
とができるように、本発明のシールドマシンを大トンネ
ルマシンに艤装した状況を示す説明図で、図３は艤装状
況を示す説明図である。

【０００９】＜イ＞シールドマシン シールドマシン１は、略卵形に形成したメインシールド
１０と、このメインシールド１０のボックス部１２に収
納された胴体シールド２０とからなる。メインシールド
１０の切羽側前端部にメインカッタ１３を有し、またメ
インカッタ１３とは別に拡縮可能なコピーカッタ１６を
有し、これらメインカッタ１３とコピーカッタ１６で略
卵形の小断面トンネル(以下、小トンネルという)５０を
掘削する。胴体シールド２０は、メインシールド１０の
円形本体１１外周を周回掘削可能な補助カッタ２１を有
し、この補助カッタ２１で掘削した周回掘削部に拡張ブ
ロック４０を組み込んで、大断面トンネル(以下、大ト
ンネルという)６０を掘削するための大トンネルマシン
を艤装する(図２参照)。

【００１０】＜ロ＞メインシールド メインシールド１０は、円形本体１１にボックス部１２
を結合して鍵穴形状に形成するとともに、このボックス
部１２の両側から円形本体１１に向けて掘削可能なブロ
ック体３０、３０を取り付けて、全体の形状を略卵形に
形成する（図１及び図３参照）。円形本体１１には、図
示していないが、通常のシールドマシンと同様にメイン
カッタ１３やコピーカッタ１６を回転駆動する駆動装置
や制御装置、掘削土砂の排出装置等を設け、後方部分に
セグメントの組立装置やシールドジャッキ等を設けてい
る。ボックス部１２は、胴体シールド２０を収納した
り、あるいは胴体シールド２０を発進するためのもの
で、本例では、ボックス部１２を円形本体１１の下方周
面に結合しているが、円形本体１１の周面であればどこ
に結合してもよい。円形本体１１とボックス部１２は、
鋼製で構成する。

【００１１】ブロック体３０は、小トンネル５０を略卵
形に構築するためのものである。卵形以外の断面形状と
する場合は、その断面形状に応じた形状にブロック体３
０を形成して取り付ける。ブロック体３０は、例えば炭
素繊維などの繊維強化プラスチック板で形状を作り、内
部にモルタルなどを充填して掘削可能に構成する。また
はモルタルなどを充填することなく、内部の空間をリブ
で補強するだけでもよく、後述する補助カッタ２１で掘
削できるように構成してあればよい。なお、ブロック体
３０は掘削してしまうため、その内部にはモータ類や機
械類を装備していない。

【００１２】このようにメインシールド１０は、メイン
カッタ１３及びコピーカッタ１６の背面に略卵形の空間
を確保するために掘削可能なブロック体３０を取り付け
てなるもので、後述するようにメインカッタ１３及びコ
ピーカッタ１６で切羽面を掘削しながらセグメント５１
を組み立てて、略卵形の小トンネル５０を構築すること
ができる(図５参照)。なお、図示していないが、メイン
シールド１０のテール後部(坑口側)に略卵形のテールシ
ールを設け、テール内周部とセグメント５１外周部との
隙間から裏込め材や、掘削により生ずる地下水、泥水等
がメインシールド１０内に入り込むのを阻止する。

【００１３】＜ハ＞メインカッタ メインシールド１０の円形本体１１前面にメインカッタ
１３を装備し、このメインカッタ１３を回転しながら切
羽面の地山を連続して掘削する。本例では、メインカッ
タ１３は、円形本体１１の外径と略等しい長さとしたス
ポーク１４にカッタビット１５を取り付けたスポークタ
イプを示しているが、カッタビット１５を面板に取り付
けた面板タイプとしてもよい。各スポーク１４の先端か
ら大形のコピーカッタ１６が突出するように、各スポー
ク１４には、コピーカッタ１６を拡縮自在に設ける。コ
ピーカッタ１６の拡縮動作は、例えばジャッキ等の油圧
装置によって行うことができる。ジャッキを伸長するこ
とによってコピーカッタ１６がスポーク１４先端から突
出し、ジャッキを縮退することによってコピーカッタ１
６をスポーク１４内に収納する。メインカッタ１３で円
形部分を掘削し、コピーカッタ１６を拡縮し、メインカ
ッタ１３による掘り残し部をコピーカッタ１６で掘削す
ることによって、略卵形の小トンネル５０を掘削するこ
とができる。

【００１４】＜ニ＞胴体シールド 胴体シールド２０は、メインシールド１０の円形本体１
１外周をぐるりと１周、周回掘削するためのもので、胴
体シールド２０の一方の側面に補助カッタ２１を装備す
る。補助カッタ２１は、本例では図４に示すようにトン
ネル軸方向へスライドするスライド方式としたが、円板
カッタを複数配置したり、多軸揺動型のカッタを用いる
など、公知の方法が使える。上記のように構成した胴体
シールド２０をボックス部１２に収納した状態では、補
助カッタ２１面は掘削可能なブロック体３０で覆われて
いる。図示していないが、ボックス部１２内にマシン分
割体を設置し、このマシン分割体に胴体シールド２０の
ジャッキを押し当てて反力をとり、胴体シールド２０を
ボックス部１２から発進する。次いで、後述する拡張ブ
ロック４０に反力をとり、円形本体１１の外周をぐるり
と１周、周回掘進するようになっている。胴体シールド
２０が再びボックス部１２に到達したときには、この内
部に引き込んで収納する。本発明では、小トンネル５０
を掘削する際は、胴体シールド２０をシールドマシン１
(ボックス部１２)に収納しており、大トンネル６０の構
築位置に達した時点で胴体シールド２０を周回掘進し、
掘削径を拡大するようにしたことが重要である。

【００１５】なお、胴体シールド２０は、円形本体１１
の外周面にガイドレールなどを形成し、このガイドレー
ルを案内にして周回掘進するように構成するのが好まし
い。また、円形本体１１の外周所要部とそれに対向する
胴体シールド２０外周部との間には、胴体シールド２０
の掘進時に摺動するシール部材を設け、土砂や水等がメ
インシールド１０内に侵入しないようにするのが好まし
い。

【００１６】＜ホ＞拡張ブロック 拡張ブロック４０は、鋼製のセグメント状の多数のブロ
ック体である。胴体シールド２０の掘進に伴って、形成
される掘削空間に拡張ブロック４０を順次組み付けて、
円形本体１１の外周部分に拡大掘削部４１を形成する
(図２参照)。この作業は、地上の道路側から何ら作業を
行うことなく施工できるため、交通渋滞を引き起こす心
配がない。また、拡大掘削のための発進基地を新たに構
築する必要がなく、任意の箇所で施工できるので、設計
変更によりシールド掘進作業の途中で拡大掘削すること
が簡単にできる。

【００１７】次に、本発明のシールドマシンを使用し
て、小トンネル５０から大トンネル６０を構築する場合
を説明する。図７の立坑ｃを発進基地として小トンネル
区間を掘削し、次いで大トンネル区間を構築する。

【００１８】＜イ＞小トンネルの掘削 小トンネル５０の掘削時は、図１に示すように胴体シー
ルド２０をボックス部１２内に収納した状態のままで、
シールドマシン１を掘進する。メインカッタ１３を回転
駆動し、コピーカッタ１６を拡縮しながら切羽面の地山
を略卵形に掘削する。掘削した坑内にセグメント５１を
周方向に組み立てて、断面略卵形のリング状の覆工体を
形成し、小トンネル５０を構築する(図５、図６(Ａ)参
照)。小トンネル５０の掘削中に拡幅工事区間にさしか
かると、胴体シールド２０を発進し、後述するようにシ
ールドマシン１を大トンネルマシンとして艤装する。

【００１９】＜ロ＞シールドマシンの艤装 次に、大トンネル６０を構築する場合は、胴体シールド
２０をボックス部１２から発進し、補助カッタ２１で円
形本体１１の外周をぐるりと１周、周回掘削する(図
３、図６(Ｂ)参照)。補助カッタ２１は、先ず掘削可能
なブロック体３０を掘削し、次いで周囲の地山を掘削す
る。図３に示すように掘削した空間部に拡張ブロック４
０を順次組み込んでいく。胴体シールド２０は、組み込
んだ拡張ブロック４０に反力を取りながら掘進する。胴
体シールド２０が１周し、再びボックス部１２に収納さ
れ、掘削した空間部に拡張ブロック４０をすべて組み込
むことによって、円形本体１１の外周部分に拡大掘削部
４１が形成される(図２参照)。なお、図示していない
が、拡大された空間に隔壁を溶接等で設置し、シールド
マシン１の端部１７を切り離し、シールドジャッキを配
置し、テールシールを取り付けて、シールドマシン１を
大トンネル６０が掘削可能な大トンネルマシンとして艤
装する(図６(Ｃ)参照)。

【００２０】＜ハ＞大トンネルの掘削 各スポーク１４の先端からコピーカッタ１６をそれぞれ
突出し、メインカッタ１３(カッタビット１５)とコピー
カッタ１６で掘削し、拡大セグメント６１を組み立て
て、それを反力にシールドマシン１を掘進し、大トンネ
ル６０を構築する(図６(Ｄ)参照)。この場合の大トンネ
ル６０は円形を呈し、下方で小トンネル５０と接合して
いる(図５参照)。急曲線施工を行う際には、余堀が必要
となるため、シールド外周面から出没自在にコピーカッ
タ４４を設ける(図２参照)。所定の区間、大トンネル６
０を構築したら、拡張ブロック４０を取り外し、コピー
カッタ１６を元の状態に縮退して艤装を解体する。以
後、再び小トンネル５０を構築することができる。

【００２１】本発明のシールドマシン１によれば、小ト
ンネル工事区間と大トンネル工事区間の掘削を１台のシ
ールドマシンによって行うことができるので、工期の短
縮及び工費の低減を図ることができ、さらに大トンネル
工事区間における掘削作業を効率的に行うことができる
ものである。また、このトンネルの拡幅および縮小が任
意の場所、区間で行えるという利点もある。さらに従来
の拡大シールド工法では、拡大を必要とする区間以外の
余分な区間までも拡大しなければならず、利用上不経済
な部分が生じていたが、本発明によればメインシールド
１０による掘進途中で胴体シールド２０を発進し、円形
本体１１の外周を周回掘削し、周回掘削部に拡張ブロッ
ク４０を組み込んで大トンネルマシンとして艤装するの
で、必要区間だけを経済的に拡大掘削することができ
る。

【００２２】

【本発明の効果】本発明は、以上説明したようになるか
ら次のような効果を得ることができる。 ＜イ＞メインシールドによる掘進途中で胴体シールドを
発進し、メインシールドの円形本体外周を周回掘削し、
周回掘削部に拡張ブロックを組み込んで大トンネルマシ
ンを構成するので、１台のシールドマシンで小さな断面
から大きな断面へ拡大することのできる。 ＜ロ＞従来の拡大シールド工法では、断面変換点で中間
立坑を新たに構築したり、拡大を必要とする区間以外の
余分な区間までも拡大しなければならなかったが、本発
明では中間立坑を新たに構築することなく拡大を必要と
する区間だけの部分的な拡大掘削ができるので、工期の
短縮、コスト低減を可能とした経済的な施工とすること
ができる。 ＜ハ＞拡大掘削のための断面変換作業が、道路上から何
ら作業を行うことなく施工できるため、交通渋滞を引き
起こす心配がない。 ＜ニ＞小さな立坑から発進し、大容量のトンネルを構築
することができるため、到達立坑を確保することができ
ない場合などは極めて有効となる。 ＜ホ＞小トンネルと大トンネルの接合は、用途に応じて
上下、左右のいずれにも設計できるので、多様なニーズ
に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシールドマシンで小トンネルを掘削す
る状況を示す説明図。

【図２】大トンネルを掘削することができるように、本
発明のシールドマシンを大トンネルマシンに艤装した状
況を示す説明図。

【図３】艤装状況を示す説明図。

【図４】胴体シールドを示す説明図。

【図５】小トンネルと大トンネルのセグメントを重ね合
わせた説明図。

【図６】シールドマシンを小トンネルから大トンネルを
掘削できるように艤装する手順を示す説明図。

【図７】大トンネル、小トンネル、立坑との位置関係を
示す説明図。

【符号の説明】

１・・・・シールドマシン １０・・・メインシールド １１・・・円形本体 １２・・・ボックス部 １３・・・メインカッタ １６・・・コピーカッタ ２０・・・胴体シールド ２１・・・補助カッタ ３０・・・ブロック体 ４０・・・拡張ブロック ４１・・・拡大掘削部 ５０・・・小トンネル ５１・・・セグメント ６０・・・大トンネル ６１・・・拡大セグメント

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド掘削の掘進途中で、掘削断面の径
   を拡大することができるシールドマシンであって、 前端部にメインカッタと拡縮可能なコピーカッタとを有
   するメインシールドと、 前記メインシールドのボックス部に収納され、該メイン
   シールドの円形本体外周を周回掘削可能な補助カッタを
   有する胴体シールドと、 掘削後の前記周回掘削部に組み込む拡張ブロックと、か
   らなる、 シールドマシン。
2. 【請求項２】請求項１に記載するシールドマシンにおい
   て、前記メインシールドは、円形本体にボックス部を結
   合して形成するとともに、該ボックス部の両側から円形
   本体に向けて掘削可能なブロック体を取り付けて、全体
   の形状を略卵形としたことを特徴とする、シールドマシ
   ン。
3. 【請求項３】シールド掘削の掘進途中で、掘削断面の径
   を拡大することができる拡大シールド工法であって、 前記請求項１または請求項２に記載するシールドマシン
   を使用し、 前記メインシールドによる掘進途中でボックス部にあら
   かじめ収納された胴体シールドをメインシールドから発
   進し、 前記胴体シールドの補助カッタによって前記メインシー
   ルドの円形本体外周を周回掘削し、 掘削後、前記周回掘削部に拡張ブロックを組み込んで拡
   大掘削部を形成して行う、 拡大シールド工法。