JP2010121405A - 曲線施工用トンネル掘削機及びそれを用いたトンネルの構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で即ち低コストで急カーブトンネルを構築できる曲線施工用トンネル掘削機及びそれを用いたトンネルの構築方法を提供する。
【解決手段】切羽を切削するカッタ２が前部に設けられた直線状の前胴３と、内部にてセグメント４がリング状に組み立てられる直線状の後胴５と、後胴５と前胴３とを屈曲可能に接続する中折れ機構６とを備えた曲線施工用トンネル掘削機１であって、前胴３（又は後胴５）を軸方向に前後に分割し、これら分割体３ａ、３ｂ同士の間に、分割体３ａ、３ｂ同士を角度を付けて接続する筒状のテーパー部材７を、着脱可能に介設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、急カーブトンネルを構築するのに好適な曲線施工用トンネル掘削機及びそれを用いたトンネルの構築方法に関する。

曲線施工用トンネル掘削機（曲線施工用シールド掘進機）として、切羽を切削するカッタが前部に設けられた直線状の前胴と、内部にてセグメントが組み立てられる直線状の後胴と、後胴と前胴とを屈曲可能に接続する中折れ機構とを備えたものが知られている（特許文献１、２、３参照）。

中折れ機構は、例えば、前胴の後部に後胴の前部を差し込み、これら前胴後部と後胴前部との間に止水シールを設け、一端が前胴に他端が後胴に接続された中折れジャッキを設けて構成され、中折れジャッキを伸縮させることで前胴と後胴とを屈曲させるものである。

この曲線施工用シールド掘進機は、中折れ機構によって前胴と後胴とを屈曲させた状態で、後胴内に設けられたシールドジャッキを後胴内にて組み立てられたセグメントに押し付けて伸長させ、前胴及び後胴を一体的に前進させつつカッタで切羽を切削することでカーブ掘進し、カーブトンネルを構築する。

特開２００４−１４３８１５号公報 特開平８−１４４６８９号公報 特開平８−１２１０７８号公報

上記曲線施工用トンネル掘削機によって急カーブトンネルを構築する場合、中折れ機構による前胴と後胴との屈曲角を大きくする必要がある。しかし、屈曲角を大きくすると、前胴と後胴との接続部の止水性が低下し易い。止水性を低下させることなく前胴と後胴との屈曲角を大きくするには、中折れ装置を複雑で大掛かりなものとする必要があり、コストアップを招く。

また、急カーブトンネルを構築する技術として、カッタをカーブの内側に偏芯させ、その状態で掘進させることで、急カーブトンネルを構築する手法も知られている。しかし、この手法では、カッタを偏芯させるために複雑な装置が必要となり、コストアップを招く。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、簡単な構造で即ち低コストで急カーブトンネルを構築できる曲線施工用トンネル掘削機及びそれを用いたトンネルの構築方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、切羽を切削するカッタが前部に設けられた直線状の前胴と、内部にてセグメントが組み立てられる直線状の後胴と、該後胴と上記前胴とを屈曲可能に接続する中折れ機構とを備えた曲線施工用掘進機であって、上記前胴又は後胴を軸方向に前後に分割し、これら分割体同士の間に、分割体同士を角度を付けて接続する筒状のテーパー部材を、着脱可能に介設したものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の曲線施工用掘進機を用いたトンネルの構築方法であって、上記曲線施工用掘進機を発進立坑から発進させ急カーブトンネルを構築して到達立坑に導き、該到達立坑内にて上記テーパー部材を取り外して上記分割体同士を直接接続することで上記前胴及び後胴を直線状に改変し、改変された中折れ機構付きの掘進機を上記到達立坑から発進させてストレート状又は緩カーブ状のトンネルを構築するようにしたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の曲線施工用掘進機を用いたトンネルの構築方法であって、上記曲線施工用掘進機を用い、２つの立坑の間に複数の急カーブトンネルをカーブ半径方向に隣接させて構築するに際して、カーブ半径方向の内外にて曲率半径が異なる各急カーブトンネルを、上記中折れ機構により上記前胴と上記後胴との中折れ角を変更して構築するようにしたものである。

本発明に係る曲線施工用トンネル掘削機及びそれを用いたトンネルの構築方法によれば、簡単な構造で即ち低コストで急カーブトンネルを構築できる。また、テーパー部材と中折れ機構とにより、トンネル掘削機全体としての折れ角を大きくしているので、余掘り量（カーブ内側の地山を掘削する量）を減らすことができる。

本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る曲線施工用トンネル掘削機の平断面図である。
この曲線施工用トンネル掘削機（曲線施工用シールド掘進機）１は、切羽を切削するカッタ２が前部に設けられた直線状（直線中空状）の前胴３と、内部にてセグメント４が組み立てられる直線状の後胴５と、後胴５と前胴３とを屈曲可能に接続する中折れ機構６とを備えている。前胴３、後胴５は、円筒状に限られず、角筒状でもよい。

前胴３は、軸方向に前後に、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとに分割されており、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとの間には、分割体３ａ、３ｂ同士を角度を付けて接続するテーパー部材７が、ボルトナット等の締結部材８により着脱可能に介設されている。テーパー部材７は、円筒状に限られず、角筒状でもよい。

前胴前部分割体３ａの内部の前部には、隔壁９が設けられており、隔壁９には、カッタ２が取り付けられている。カッタ２は、隔壁９に回転可能に支持されたカッタフレーム１０と、カッタフレーム１０の前面に設けられ切羽を切削するビット１１と、カッタフレーム１０の内部に収容され径方向外方に出没するコピーカッタ１２とを有し、カッタフレーム１０が図示しない駆動装置によって回転駆動されるようになっている。コピーカッタ１２は、カーブ掘進の際にカーブの内側の地山を余掘りするものである。

中折れ機構６は、前胴後部分割体３ａの後部に設けられ内周面に凹球面が形成されたリング状の凹曲面部１３と、後胴５の前部に設けられ外周面に上記凹球面に屈曲可能に係合する凸球面が形成されたリング状の凸曲面部１４と、一端が前胴後部分割体３ｂに設けられたフランジ１５に接続され他端が後胴５に設けられたフランジ１６に接続された中折れジャッキ１７とを有する。中折れジャッキ１７は、両端に球面継手１８を有し、後胴５の周方向に間隔を隔てて複数配設されている。凹曲面部１３には、凸曲面部１４に接触する止水シール１９が設けられている。凹曲面部１３及び凸曲面部１４の曲率中心は、後胴５の中心線Ｌ上に位置しており、上下左右のあらゆる方向に屈曲可能となっている。

後胴５の内部には、セグメント４を後胴５の内周面に沿って組み立てるエレクタ（図示せず）が収容されている。また、後胴５の内部には、エレクタによって組み立てられたセグメント（既設セグメント）４に反力を取って後胴５を前方に押し出すシールドジャッキ２０が設けられている。シールドジャッキ２０は、後胴５の周方向に間隔を隔てて複数配設され、後胴５に設けられたフランジ２１に装着されている。後胴５の後部には、既設セグメント４の外周面に押し付けられ、既設セグメント４の外周面と後胴５の内周面との間を止水するテールシール２２が設けられている。

前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとの間には、テーパー部材７が介設されている。テーパー部材７は、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとを角度を付けて連通するテーパー体２３と、テーパー体２３の前部に設けられ前胴前部分割体３ａの後端に設けられたフランジ２４に重なる前部フランジ２５と、テーパー体２３の後部に設けられ前胴後部分割体３ｂの前端に設けられたフランジ２６に重なる後部フランジ２７とを有する。これらフランジ２４、２５同士、フランジ２６、２７同士は、ボルトナット等の締結具８によって着脱可能に締結されている。テーパー体２３は、図１に示すように上方から見て、直線中空体の両端を斜めにカットした二等辺三角形状、又は直線中空体の一端を斜めにカットした直角三角形状となっている。

図２は、図１の曲線施工用シールド掘進機１からテーパー部材７を取り外し、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとを直接接続したシールド掘進機（トンネル掘削機）１ａを示す。

このシールド掘進機１ａにおいては、前胴前部分割体３ａの後端のフランジ２４と前胴後部分割体３ｂの前端のフランジ２６とが重ね合わせられ、これらフランジ２４、２６同士がボルトナット等の締結具８によって着脱可能に締結されている。これにより、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとが直線状に連結され、前胴３が直線状となる。

図３は、上記曲線施工用シールド掘進機１を用いて構築された急カーブトンネルＴａの概略平面図である。

この急カーブトンネルＴａは、図３の発進立坑２８に図１に示す曲線施工用シールド掘進機１を運び込み、発進させることで構築される。発進立坑２８から発進する曲線施工用シールド掘進機１は、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとがテーパー部材７によって屈曲されており、前胴後部分割体３ｂと後胴５とが中折れ機構６によって同じ方向に屈曲されている。よって、この状態でカッタ２を回転させつつシールドジャッキ２０を伸長させることで、屈曲方向に沿って急カーブ掘進し、急カーブトンネルが構築される。また、急カーブ掘進中に、中折れ機構６の中折れジャッキ１７を適宜伸縮することで、方向制御やカーブ半径の調節（微調節）が可能となる。

かかる曲線施工用シールド掘進機１においては、前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとがテーパー部材７によって予め屈曲されているので、前胴後部分割体３ｂと後胴５との屈曲角（中折れ角）を過剰に大きくしなくても、全体として大きな屈曲角を得ることができ、急カーブ掘進が可能となる。

このように、前胴後部分割体３ｂと後胴５との屈曲角を過剰に大きくする必要がないので、これらを接続する凹曲面部１３と凸曲面部１４との間の止水シール１９に過大な負担が加わることが回避され止水性が大幅に低下することはない。よって、従来と同様の構成の中折れ機構６を転用しつつ急カーブ掘進を達成でき、コストアップなしで急カーブトンネルＴａの構築が可能となる。

また、テーパー部材７と中折れ機構６とにより、掘進機１全体を多角形状に屈曲させて全体としての折れ角を大きくしているので、コピーカッタ１２による余掘り量（カーブ内側の地山を掘削する量）を減らすことができる。

また、本実施形態では、急カーブ施工のために、カッタ２をカーブの内側に偏芯させる必要もないので、カッタ２を偏芯させるための複雑な装置が不要となり、コストアップが生じない。

こうして急カーブ掘進した曲線施工用シールド掘進機１は、図３の到達立坑２９に到達する。その後、到達立坑２９内にてテーパー部材７を取り外し、図２に示すように前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとを直接接続することで、前胴３を直線状に改変する。後胴５は元々直線状であるから、中折れジャッキ１７を適宜伸縮して前胴３と後胴５との屈曲角をゼロとすることで、全体としてストレート状の中折れ機構６付きのシールド掘進機１ａとなる。このシールド掘進機１ａを到達立坑２９から発進させ、ストレート状或いは中折れジャッキ１７を作動させて緩カーブ状のトンネルＴｂを構築する。

これにより、急カーブトンネルＴａとこれに繋がるストレート或いは緩カーブトンネルＴｂとを１台のシールド掘進機で構築できる。

図４は、上記曲線施工用シールド掘進機１を用いて、２つの立坑３０、３１の間に構築された複数の急カーブトンネルＴ１、Ｔ２、Ｔ３の概略平面図である。

これら急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３は、２つの立坑３０、３１の間にカーブ半径方向に隣接して構築されており、次のようにして構築される。

先ず、一方の立坑（第１立坑）３０に図１の曲線施工用シールド掘進機１を運び込んで発進させ、カーブ半径方向内側の第１急カーブトンネルＴ１を構築し、他方の立坑（第２立坑）３１に導く。第２立坑３１内にて、テーパー部材７を一旦取り外して逆向きに取り付け直すことで前胴３の屈曲方向を反対とし、中折れ機構６により前胴３と後胴５とを逆向きに屈曲させる。掘進カーブ方向が逆向きとなることに対応するためである。かかるシールド掘進機１をカーブ半径方向外側にずらして発進させ、既設の第１急カーブトンネルＴ１の近傍に沿ってカーブ半径方向中程の第２急カーブトンネルＴ２を構築し、第１立坑３０に導く。第１立坑３０内にて、再びテーパー部材７を一旦取り外して逆向きに取り付け直すことで前胴３の屈曲方向を反対とし、中折れ機構６により前胴３と後胴５とを逆向きに屈曲させる（一番最初と同じ屈曲方向）。かかるシールド掘進機１をカーブ半径方向外側にずらして発進させ、既設の第２急カーブトンネルＴ２の近傍に沿ってカーブ半径方向外側の第３急カーブトンネルＴ３を構築し、第２立坑３１に導く。

第１乃至第３急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３は、夫々のカーブ半径が第１から第３にかけて徐々に大きくなっている。よって、第１急カーブトンネルＴ１を構築するときに中折れ機構６によって前胴３と後胴５との屈曲角（中折れ角）を大きく（屈曲の度合いを強く）しておき、第２急カーブトンネルＴ２を構築するときに中折れ機構６によって前胴３と後胴５との屈曲角を中くらいにしておき、第３急カーブトンネルＴ３を構築するときに中折れ機構６によって前胴３と後胴５との屈曲角を小さく（屈曲の度合いを弱く）することで、第１乃至第３急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３のカーブ半径の違いに対応しつつ、夫々の急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３を１台の曲線施工用シールド掘進機１のみで適切に構築できる。すなわち、カーブ半径方向の内外にて曲率半径が異なる各急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３を、中折れ機構６により前胴３と後胴５との中折れ角を変更して構築する。なお、各急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３の掘進中に、中折れ機構６の中折れジャッキ１７を適宜伸縮することで、方向制御の微調節が可能となる。

こうして構築された第１乃至第３急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３を幅方向に連通することで、急カーブの大断面トンネルが得られる。なお、曲線施工用シールド掘進機１を断面矩形シールドとし、第１乃至第３急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３を夫々断面矩形トンネルとすれば、それらを幅方向に連通することで断面矩形の急カーブ大断面トンネルが得られる。

第３急カーブトンネルＴ３を構築して第２立坑３１に導かれたシールド掘進機１は、第２立坑３１内にて、テーパー部材７が取り外され、図２に示すように前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとが直接接続され、前胴３が直線筒状に改変される。この中折れ機構６付きのシールド掘進機１ａを第２立坑３１から発進させ、ストレート状の或いは中折れジャッキ１７を作動させて緩カーブ状のトンネルＴ４を構築する。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態（後述する変形例も含めて）では、図１、図２に示すように、前胴３を軸方向に前後に前胴前部分割体３ａと前胴後部分割体３ｂとに分割し、これらの間に、それらを連通するテーパー部材７を着脱可能に介設したが、後胴５を軸方向に前後に後胴前部分割筒と後胴後部分割筒とに分割し、これら後胴前部分割筒と後胴後部分割筒との間に、それらを連通するテーパー部材を着脱可能に介設してもよい。こうしても、中折れ機構６による前胴３と後胴５との屈曲と相俟って、全体としての屈曲角を大きくできるので、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

また、図３の到達立坑２９にて、テーパー部材７を逆向きに取り付け直すことで前胴３の屈曲方向を反対とし、中折れ機構６により前胴３と後胴５とを逆向きに屈曲させれば、到達立坑２９から逆向きに急カーブトンネルを構築することも可能である。すなわち、到達立坑２９にて、テーパー部材７の取付向きを任意に変更することで前胴の屈曲方向を任意に変更し、その方向に合わせて中折れ機構６で前胴３と後胴５との屈曲方向を変更することで、到達立坑２９から任意の方向の急カーブトンネルを構築できる。

また、図４の急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３の構築順序は、カーブの外側から内側に順次構築してもよい。また、急カーブトンネルＴ１〜Ｔ３は、３本に限られず、２本以上であれば何本でもよい。

また、上述した実施形態では、曲線施工用トンネル掘削機として、内部にシールドジャッキを有してしてそれ自身で掘進するシールド掘進機を説明したが、これに限らず、発進立坑に設けられた元押しジャッキによって後胴５に接続された鋼管を前方に押し出す所謂元押し推進式のトンネル掘削機にも本発明を適用できる。

本発明の一実施形態に係る曲線施工用トンネル掘削機（シールド掘進機）の平断面図である。 上記曲線施工用シールド掘進機からテーパー部材を取り外し、前胴前部分割体と前胴後部分割体とを直接接続したシールド掘進機（トンネル掘削機）の平断面図である。 上記曲線施工用シールド掘進機を用いて構築された急カーブトンネルの概略平面図である。 上記曲線施工用シールド掘進機を用いて、２つの立坑の間に構築された複数の急カーブトンネルの概略平面図である。

符号の説明

１ 曲線施工用トンネル掘削機としての曲線施工用シールド掘進機
２ カッタ
３ 前胴
３ａ 前胴前部分割体
３ｂ 前胴後部分割体
４ セグメント
５ 後胴
６ 中折れ機構
７ テーパー部材
２８ 発進立坑
２９ 到達立坑
３０、３１ ２つの立坑
Ｔａ 急カーブトンネル
Ｔｂ ストレート状又は緩カーブ状のトンネル
Ｔ１〜Ｔ３ 急カーブトンネル

Claims (3)

1. 切羽を切削するカッタが前部に設けられた直線状の前胴と、内部にてセグメントが組み立てられる直線状の後胴と、該後胴と上記前胴とを屈曲可能に接続する中折れ機構とを備えた曲線施工用トンネル掘削機であって、
   上記前胴又は後胴を軸方向に前後に分割し、これら分割体同士の間に、分割体同士を角度を付けて接続する筒状のテーパー部材を、着脱可能に介設したことを特徴とする曲線施工用トンネル掘削機。
2. 請求項１に記載の曲線施工用トンネル掘削機を用いたトンネルの構築方法であって、
   上記曲線施工用トンネル掘削機を発進立坑から発進させ急カーブトンネルを構築して到達立坑に導き、
   該到達立坑内にて上記テーパー部材を取り外して上記分割体同士を直接接続することで上記前胴及び後胴を直線状に改変し、
   改変された中折れ機構付きのトンネル掘削機を上記到達立坑から発進させてストレート状又は緩カーブ状のトンネルを構築するようにした
   ことを特徴とするトンネルの構築方法。
3. 請求項１に記載の曲線施工用トンネル掘削機を用いたトンネルの構築方法であって、
   上記曲線施工用トンネル掘削機を用い、２つの立坑の間に複数の急カーブトンネルをカーブ半径方向に隣接させて構築するに際して、
   カーブ半径方向の内外にて曲率半径が異なる各急カーブトンネルを、上記中折れ機構により上記前胴と上記後胴との中折れ角を変更して構築するようにした
   ことを特徴とするトンネルの構築方法。

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