JP3003534B2 - 地下空間の外殻構造体及びトンネル掘削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、地下空間の外殻構造
体及びトンネル掘削装置に関し、特に、大規模の地下空
間を地中に構築する際に設けられる地下空間の外殻構造
体及び側方に突出する張り出し部分を有する断面のトン
ネルを掘削形成するためのトンネル掘削装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地中の領域を有効に活用すべく、
各種のトンネル工法等により地下地盤を掘削して地下空
間を形成し、これを道路や鉄道、電力施設や下水施設、
あるいは地下街等の各種の施設として使用することが検
討、実施されている。そして、かかる地下空間を地中に
設ける工法としては、開削工法やトンネル工法等が採用
されているが、地中の相当の深部に地下空間を設ける場
合、特に都市部においては、シールド工法等のトンネル
工法を用いるのが一般的である。

【０００３】一方、上記地下施設の大型化の要望に応え
るとともに地中領域をさらに有効活用することを目的と
して、大規模の地下空間を地中に構築形成することが望
まれているが、シールド工法等のトンネル掘進用の機械
を用いたトンネル工法では、掘進機械の断面の大きさに
限界があるため、かかる掘進機械を用いた単独の工法で
は、所望の大きさの地下空間を掘削形成するのは困難な
場合が多い。また、地下空間を掘削形成する予定の地盤
を予め薬液注入工法や地下水位低下工法等の補助工法を
用いて改良固化した後に、山岳トンネル工法と同様の方
法で地下空間を掘削形成する方法も考えられているが、
かかる補助工法を大規模に施工するには多大な工費及び
工期を必要とするとともに、精度良く施工することが困
難なため、地下水の漏水や地山の崩落等を招いて掘削作
業に障害が生じる場合も多い。

【０００４】そして、このような地下空間を形成する際
の困難性を鑑みて、トンネル工法を組み合わせた工法と
して、例えば、構築予定の大規模地下空間の両端部に立
坑を形成し、これらの立坑を発進用あるいは到達用の立
坑として、多数の外殻トンネルを地下空間の周方向に連
続設置することにより地下空間の周囲を覆う外殻を形成
し、しかる後に形成した外殻の内部を掘削して地下空間
とする方法が提案されている。

【０００５】この方法によれば、地下空間を掘削形成す
る予定の地盤は、掘削作業に先立って、その周囲が外殻
トンネルを連接して形成した外殻によって予め強固に覆
われていることになるため、地下空間の掘削作業を容易
かつ確実に行なうことができることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ト
ンネル工法を組み合わせた地下空間の構築方法によれ
ば、外殻を形成する外殻トンネルは、構築予定の地下空
間の周囲の地盤を防護する外殻体としての強度及び止水
性を担保すべく、互いに密接して多数連続配置する必要
があるため、工期及び工費が嵩むことになるとともに、
かかる外殻トンネルを形成する際の掘削土量が多大なも
のになるため、地下空間の周囲を覆う外殻構造体を効率
良く構築することができないという問題があった。

【０００７】そこで、この発明はかかる従来の課題に着
目してなされたもので、必要な外殻トンネルの本数を低
減しつつ効率良く構築するすることのできる強固かつ信
頼性の高い地下空間の外殻構造体を提供することを目的
とするものである。

【０００８】また、この発明は、特に上記各外殻トンネ
ルを構築するのに好適なトンネル掘削装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するためになされたもので、その要旨は、地下空間
の水平軸方向に延長して設けられた多数の外殻トンネル
により、地下空間の周囲を覆って形成される地下空間の
外殻構造体であって、前記各外殻トンネルが、トンネル
本体部とこのトンネル本体部の両側に翼状に突出形成さ
れる張出し部とからなり、前記各外殻トンネルを、前記
各張出し部が前記地下空間の周方向に沿って突出するよ
うに配設しつつ、前記地下空間の外周部分に連設配置す
ることにより、前記張出し部を介して各外殻トンネル間
の土圧を支持させつつ前記地下空間の周囲を覆って当該
地下空間を防護することを特徴とする地下空間の外殻構
造体にある。

【００１０】なお、上記記載において、地下空間の水平
軸方向とは、立坑等の主として縦方向に掘削形成された
地下空間の軸である垂直軸方向と区別するために用いる
概念で、完全に水平方向に延長している軸方向の他、例
えば水平方向とある程度の傾きをもって横方向に延長す
る軸方向や、斜坑における斜め軸方向等をも含むもので
ある。

【００１１】また、この発明の地下空間の外殻構造体
は、前記各張出し部の先端部分の地盤には、各隣接する
外殻トンネルの張出し部を接合する改良地盤を形成する
ことが好ましい。

【００１２】さらにまた、この発明の地下空間の外殻構
造体は、隣接する外殻トンネルの張出し部をラップさせ
つつ外殻トンネルを連設配置してもよい。なお、この場
合、全ての隣接箇所においてラップさせる必要は必ずし
もなく、一部の箇所においてラップさせることもでき
る。

【００１３】そして、この発明の他の要旨は、先端にカ
ッターヘッドを有するとともにこのカッターヘッドの後
方に隔室を備えた筒状の掘進機本体と、該掘進機本体か
ら側方に張り出して設けられた、螺旋状のカッタービッ
トを備えるヘリカルドラム掘進装置とからなり、掘進機
本体のカッターヘッドにより切削した土砂を隔室に取り
込むとともに、ヘリカルドラム掘進装置のカッタービッ
トにより切削した土砂を横送りして隔室に取り込みつ
つ、側方に突出する張り出し部分を有する断面のトンネ
ルを掘削形成することを特徴とするトンネル掘削装置に
ある。

【００１４】ここで、ヘリカルドラムとは、一般に、中
心軸の周囲に鋼板等の板部材を螺旋状に取り付け、全体
として円筒形状をなす部材で、内部に取り込んだ土砂や
その他の資材や廃材等を螺旋形状に沿って送り出すこと
ができるような構成を有する機材をいい、例えばアルフ
ァルトフィニッシャーにおけるアスファルト合材の敷均
し装置や、舗装面破砕工事における破砕された路材の集
積装置として用いられているヘリカルドラムを一部改良
してこの発明に用いることができる。すなわち、これら
の装置の外周部分に土砂切削用のビットを適宜取り付け
て、この発明を構成するヘリカルドラムとして用いるこ
とができる。

【００１５】

【作用】そして、この発明の地下空間の外殻構造体によ
れば、各外殻トンネルは、トンネル本体部とこのトンネ
ル本体部の両側に翼状に突出形成される張出し部とから
なり、各張出し部が地下空間の周方向に沿って突出する
ように配設されるので、隣接するトンネル本体部の間に
位置する地山からの土圧は、張出し部によって支持され
るととも当該張出し部を介してトンネル本体部に伝達さ
れ、このトンネル本体部によって強固に支持される。す
なわち、張出し部は、縦方向の掘削壁面等に用いる親杭
横矢板工法における横矢板に相当するものとして作用す
る一方で、トンネル本体部は親杭に相当するものとして
作用することになるため、外殻トンネルを、トンネル本
体部を密接配置することなく相当の間隔を設けつつ設置
することにより、設置本数を低減しつつ効率良く周囲の
地盤からの土圧等を支持することができるとともに、外
殻構造体を設ける際に発生する掘削土砂を低減すること
ができる。また、各隣接するトンネル本体部間の相当の
大きさの間隔部分に位置する張出し部は、トンネル本体
部と一体となった外殻トンネルの一部として強固に形成
することができるため、トンネル本体部の間隔部分を強
固に覆って所定の強度及び止水性を付与することによ
り、外殻トンネルの設置本数を低減した場合においても
信頼性に富んだ強固な外殻構造体を構成することにな
る。

【００１６】また、前記各張出し部の先端部分の地盤
に、各隣接する外殻トンネルの張出し部を接合する改良
地盤を形成すれば、外殻構造体による止水性をより確実
にすることができるとともに、かかる改良地盤の造成作
業は、隣接するトンネル本体部から突出する各張出し部
間の狭小な領域に対して容易かつ精度良く行なうことが
できる。

【００１７】さらに、隣接する外殻トンネルの張出し部
を適宜ラップさせつつ外殻トンネルを連設配置すれば、
かかる張出し部の重複により、地下空間を二重に覆って
さらに強固に防護することができるとともに、ラップ長
を変化させることにより、トンネルの分枝部等において
地下空間の断面が変化する場合でも容易に対応すること
ができる。

【００１８】そして、この発明のトンネル掘削装置によ
れば、掘進機本体のカッターヘッドにより切削した土砂
を隔室に取り込むとともに、ヘリカルドラム掘進装置の
カッタービットにより切削した土砂を横送りして隔室に
取り込みつつ、側方に突出する張出し部を有する断面の
外殻トンネルを容易に掘削形成することができる。

【００１９】

【実施例】次に、この発明の実施例について、添付図面
を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この発明の一実
施例にかかる地下空間の外殻構造体１０を示すもので、
この外殻構造体１０は、地下空間としての径２０ｍ程度
の半円状の大規模トンネル１４を掘削形成する際に、こ
の大規模トンネル１４を形成する予定の地盤１１を覆っ
て予め形成されるものである。

【００２０】そして、この実施例の地下空間の外殻構造
体１０は、図１に示すように、後述するトンネル掘削装
置としてのシールド掘進機２０を用いて、大規模トンネ
ル１４の水平軸方向に延長形成された外殻トンネル１５
を、大規模トンネル１４の外周部分に多数連設して構成
されるとともに、各外殻トンネル１５は、円形断面のト
ンネル本体部１６とこのトンネル本体部１６の両側に翼
状に突出形成される張出し部１７とからなり、また、各
外殻トンネル１５は、その張出し部１７が大規模トンネ
ル１４の周方向に沿って突出するように配設されること
により、当該張出し部１７によって隣接するトンネル本
体部１６の間の間隔部分を略覆って、大規模トンネル１
４の全周を防護する一体となった外殻構造体１０を構成
するようになっている。

【００２１】また、この実施例の地下空間の外殻構造体
１０によれば、各張出し部１７の先端部分の地盤には、
各隣接する外殻トンネル１５の張出し部１７を接合する
ようにして、改良地盤１９が形成されている。

【００２２】そして、上記構成を有する地下空間の外殻
構造体１０を地中に形成するには、図４に示すように、
大規模トンネル１４の両端部を区画すべく、大規模トン
ネル１４を形成する予定の地盤１１を挟んでその前後
に、例えば地中連続壁工法等を用いて立坑４０を予め構
築し、これらの立坑４０を発進立坑あるいは到達立坑と
して、図３に示すシールド掘進機２０を往復掘進させる
ことにより、大規模トンネル１４を掘削形成する予定の
地盤１１の周囲に、外殻トンネル１５を多数連設配置す
る。

【００２３】すなわち、かかる作業に用いるシールド掘
進機２０は、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、
円筒状の泥土圧式のシールド掘進機本体２１と、この掘
進機本体２１の側面から互いに背向しつつ径方向外方に
翼状に張り出して設けられた一対のヘリカルドラム掘進
装置２２とからなり、掘進機本体２１のカッターヘッド
２５により切削した土砂をこれの後方の隔室としての土
圧室２３に取り込むとともに、シールド掘進機２０の推
進力をコントロールして土圧室２３の泥土圧を調整しつ
つ、かつスクリューコンベア４１により土圧室２３内の
掘削土砂を排出しつつ外殻トンネル１５の掘進作業を行
なってゆくものである。また、ヘリカルドラム掘進装置
２２は土圧室２３と連通するヘリカルドラム２４を備
え、スクリュー状のカッタービット２６により切削した
張り出し部分の掘削土砂を、土圧室２３の内部に送り込
むことができるようになっている。そして、このシール
ド掘進機２０によれば、掘進機本体２１の後方には、ス
キンプレート４２の内部において円筒状にセグメント２
７を組み立てて外殻トンネル１５の内部を覆工するとと
もに、このセグメント２７から推進ジャッキ２９ａによ
り推進反力を得、また、ヘリカルドラム掘進装置２２の
後方には、スキンプレート４２の張り出し部分４３の掘
削溝４４に、例えばＰＣコンクリートや現場打ちコンク
リート等からなる張出し版２８を設置するとともに、こ
の張出し版２８から推進ジャッキ２９ｂによりヘリカル
ドラム掘進装置２２の推進反力を得ることにより、バラ
ンスよくシールド掘進機２０を前進させて行くことがで
きるようになっている。

【００２４】また、かかる掘進作業に伴って、例えばヘ
リカルドラム掘進装置２２の先端部分や張り出し部分の
掘削溝４４の先端部分、あるいは設置した張出し版２８
の先端部分から、各種のセメント系あるいは樹脂系の地
盤改良材を注入固化することにより、各隣接する外殻ト
ンネル１５の張出し部１７を接合する改良地盤１９を容
易に形成することができる。

【００２５】そして、この実施例によれば、上述のよう
にして形成された外殻構造体１０によって周囲を覆われ
た地盤１１を掘削して大規模トンネル１４を形成する。
すなわち、かかる作業は、例えばトンネルの水平軸方向
１０ｍ程度の距離を１スパンとして、各スパン毎にトン
ネル１４の掘削作業及び掘削内周面への覆工体１２の構
築作業を順次繰り返しつつ、トンネル１４を構築して行
くことにより行なう（図１参照）。

【００２６】ここで、トンネル１４の周囲は、トンネル
本体部１６と張出し部１７とからなる外殻トンネル１５
を多数連接してなる外殻構造体１０によって強固に覆わ
れているため、１スパン分の地盤が掘削されて覆工体１
２が構築されるまでの間、周囲の地盤は、各外殻トンネ
ル１５のトンネル本体部１６及び張出し部１７によって
効率よく支持されるととともに、各外殻トンネル１５は
改良地盤１９を介して一体化されることにより高い止水
性が付与されているので、各スパンの地盤の掘削作業及
び覆工体１２の構築作業を迅速かつ安定して行なうこと
が可能になる。また、外殻構造体１０は、覆工体１２が
構築された後も、これの外周において、引き続いて周囲
の地盤からの土圧等を支持することができるため、覆工
体１２の構造を簡易なものとすることもできる。すなわ
ち、覆工体１２は、外殻トンネル１５を連接してなる外
殻構造体１０に対するリング状の梁として作用すること
になり、これらが一体となって、効率良くかつ強固にト
ンネル空間１４を覆うことになる。なお、覆工体１２が
構築された後、この覆工体１２と外殻構造１０との間の
隙間には、裏込め土砂や発砲モルタルなどからなる裏込
め材を適宜充填する。

【００２７】図２は、この発明の他の実施例にかかる地
下空間の外殻構造３０により周囲を覆われた地盤３１の
内部を、覆工体３２を形成して外殻構造３０を支持しつ
つ所定のスパン毎に順次掘削して行くことにより、地下
空間としての幅２０ｍ，高さ５ｍ程度の矩形状の大規模
トンネル３４を形成する状況を示すものである。かかる
実施例によれば、地下水の存在しない比較的堅固な地盤
３１において、上述のシールド掘進機２０やその他のト
ンネル掘削装置を用いて、トンネル本体部３６と張出し
部３７からなる多数の外殻トンネル３５を掘削設置する
とともに、隣接する張出し部３７の間には改良地盤を形
成することなく外殻構造３０を構築したものである。こ
のように、地盤の地質によっては、改良地盤を形成する
ことなく外殻構造３０を構成することもできる。

【００２８】また、図５に示すように、外殻トンネル１
５は、隣接する外殻トンネル１５の張出し部１７を互い
にラップさせた状態で連設配置することもできる。外殻
トンネル１５をこのように配置すれば、張出し部１５に
よりトンネル空間１４，３４を二重に覆ってより強固に
防護することができるとともに、ラップ長を変化させて
トンネルの断面形状の変化に対応することもできる。

【００２９】なお、上記実施例においては、先端にカッ
ターヘッドを有するとともにこのカッターヘッドの後方
に隔室を備えた筒状の掘進機本体と、該掘進機本体から
側方に張り出して設けられた、螺旋状のカッタービット
を備えるヘリカルドラム掘進装置とからなるトンネル掘
削装置として、泥土圧式のシールド掘進機を掘進機本体
２１とするものを採用したが、この発明のトンネル掘削
装置は、かかる実施例に限定されるものではなく、泥水
式のシールド掘進機を掘進機本体としたり、泥水式や土
圧式の推進機を掘進機本体として採用することもでき
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の地下空
間の外殻構造体によれば、地下空間の周囲に連接配置さ
れる外殻トンネルが、トンネル本体部とこのトンネル本
体部の両側に翼状に突出形成される張出し部とからな
り、各張出し部が前記地下空間の周方向に沿って突出す
るように配設されるので、この張出し部を介して各外殻
トンネル間の土圧を支持させることにより、必要な外殻
トンネルの本数を容易に低減することができるととも
に、強固かつ信頼性の高い外殻構造体を効率良く構成す
ることができる。

【００３１】また、前記各張出し部の先端部分の地盤
に、各隣接する外殻トンネルの張出し部を接合する改良
地盤を形成すれば、外殻構造体による止水性をより確実
にすることができる。

【００３２】さらに、隣接する外殻トンネルの張出し部
をラップさせて配置すれば、地下空間をより強固に防護
することができるとともに、地下空間の断面形状の変化
にも容易に対応することができる。

【００３３】そして、この発明のトンネル掘削装置によ
れば、掘進機本体のカッターヘッドにより切削した土砂
を隔室に取り込むとともに、ヘリカルドラム掘進装置の
カッタービットにより切削した土砂を横送りして隔室に
取り込みつつ、側方に突出する張り出し部分を有する断
面のトンネルを容易に掘削形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる地下空間の外殻構
造体の構成を状況を示す断面図である。

【図２】この発明の他の実施例にかかる地下空間の外殻
構造体の構成を示す断面図である。

【図３】各外殻トンネルを掘削形成するためのトンネル
掘削装置の一例としてのシールド掘進機を示すもので、
（ａ）は平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は正面図
である。

【図４】大規模トンネルを挟んで形成した立坑からシー
ルド掘進機を発進させて外殻トンネルを形成する状況を
示す説明図である。

【図５】隣接する外殻トンネルの張出し部をラップさせ
て配置する状況を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，３０ 外殻構造体 １１，３１ 地盤（地下空間を掘削形成する地盤） １２，３２ 覆工体 １４，３４ 大規模トンネル（地下空間） １５，３５ 外殻トンネル １６，３６ トンネル本体部 １７，３７ 張出し部 １９ 改良地盤 ２０ シールド掘進機（トンネル掘削装置） ２１ シールド掘進機本体 ２２ ヘリカルドラム掘進装置 ２３ 土圧室（隔室） ２５ カッターヘッド ２６ カッタービット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−93792（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 13/02 E21D 9/06 301 E21D 13/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地下空間の水平軸方向に延長して設けら
   れた多数の外殻トンネルにより、地下空間の周囲を覆っ
   て形成される地下空間の外殻構造体であって、前記各外
   殻トンネルが、トンネル本体部とこのトンネル本体部の
   両側に翼状に突出形成される張出し部とからなり、前記
   各外殻トンネルを、前記各張出し部が前記地下空間の周
   方向に沿って突出するように配設しつつ、前記地下空間
   の外周部分に連設配置することにより、前記張出し部を
   介して各外殻トンネル間の土圧を支持させつつ前記地下
   空間の周囲を覆って当該地下空間を防護することを特徴
   とする地下空間の外殻構造体。
2. 【請求項２】 前記各張出し部の先端部分の地盤には、
   各隣接する外殻トンネルの張出し部を接合する改良地盤
   を形成することを特徴とする請求項１に記載の地下空間
   の外殻構造体。
3. 【請求項３】 隣接する外殻トンネルの張出し部をラッ
   プさせつつ外殻トンネルを連設配置することを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の地下空間の外殻構造体。
4. 【請求項４】 先端にカッターヘッドを有するとともに
   このカッターヘッドの後方に隔室を備えた筒状の掘進機
   本体と、該掘進機本体から側方に張り出して設けられ
   た、螺旋状のカッタービットを備えるヘリカルドラム掘
   進装置とからなり、掘進機本体のカッターヘッドにより
   切削した土砂を隔室に取り込むとともに、ヘリカルドラ
   ム掘進装置のカッタービットにより切削した土砂を横送
   りして隔室に取り込みつつ、側方に突出する張り出し部
   分を有する断面のトンネルを掘削形成することを特徴と
   するトンネル掘削装置。