JP3046583B2 - 弧状断面トンネル構築方法及び地中掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、道路等の大断面
トンネルの構築時、その大断面トンネルの上部覆工の外
殻となる弧状断面トンネルの構築方法及び地中掘削機に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から提案されている技術としては、
全断面をシールド工法により施工する方法、ＮＡＴ
Ｍにより施工する方法、開削工法により施工する方
法、小断面のシールドにより大断面トンネルの外殻を
構築する方法等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
では、大断面トンネルや扁平断面トンネルの構築時に、
いずれも下記の問題点があった。

【０００４】 全断面をシールド工法により施工する
場合 シールド及びそれに付随する設備が大きくなり、工事費
が高価となる。また、覆工のセグメントは二次製品であ
り、大断面になるほど重量が大きくなるため、現地への
運搬費等を含めて高価となる。

【０００５】 ＮＡＴＭにより施工する場合 山岳工法に適した地山強度が必要である。また、扁平断
面のトンネルでは、地山の安定を図るのが困難である。

【０００６】 開削工法により施工する場合 地上を占有する必要がある。また、開削部分が大きくな
るため、都市部や大深度の施工に適さない。

【０００７】 小断面のシールドにより大断面トンネ
ルの外殻を構築する場合 小断面のシールドによって構築した多数の小断面トンネ
ル間を連結する必要があり、連結作業に手間がかかる。
また、シールドの施工台数が多いため、施工コスト及び
作業手間がかかる。

【０００８】そこで、この発明は、大断面トンネルを構
築する場合でも設備等を小型化でき、地山の安定を図
り、地上を占有する面積が小さく、大深度の施工も良好
に行え、地中掘削機の連結等の手間が掛からず、施工コ
ストも削減できる弧状断面トンネル構築方法及び地中掘
削機を提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、推進部にて掘削部を前
進させながら、当該掘削部にて地山を掘削して、弧状断
面の坑を掘削しつつ、後部側にてセグメントを順次組み
立てて弧状断面トンネルを構築し、該弧状断面トンネル
は、同形状の複数の弧状セグメントと、該隣接する弧状
セグメントの間に配設されて当該両者を連結する弧状断
面の外周側に配置された外周側連結セグメント及び内周
側に配置された内周側連結セグメントとを有し、前記外
周側連結セグメントの断面形状が前記内周側連結セグメ
ントの断面形状より大きく形成された弧状断面トンネル
構築方法としたことを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載された発明は、地山を掘削
する掘削部と、該掘削部により掘削された掘削土砂を排
出する排土装置と、前記掘削部を前進させる推進部と、
セグメントを組み立てるセグメント組立部とを有し、前
記掘削部は、シールドカッタを有し、該シールドカッタ
は正面視において内側の円弧の径と外側の円弧の径とが
同一の中心を有する円弧形状とし、その円弧形状両端が
半円形に形成され、該円弧形状のシールドカッタが複数
の回転軸に偏心して回転自在に取り付けられ平行リンク
運動をするように構成されることにより、前記円弧状の
シールドカッタより全体的に大きな弧状断面の坑を掘削
するように構成され、前記排土装置は、複数配設され、
その内少なくとも一つは前記弧状断面の坑の端部に対応
する位置に配置され、前記セグメント組立部は、前記弧
状断面の坑内にセグメントを組み立てて弧状断面トンネ
ルを構築するように構成した地中掘削機としたことを特
徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００１４】［発明の実施の形態１］ 図１乃至図８には、この発明の実施の形態１を示す。

【００１５】まず構成について説明すると、この実施の
形態の地中掘削機２０は、円弧形状の弧状断面トンネル
２１を構築するように正面から見てそのトンネル２１に
略適合した円弧形状に形成されている。

【００１６】具体的には、この地中掘削機２０は、断面
が円弧形状の筒状を呈するシールド筒２２を有し、この
シールド筒２２の前面にはシールド隔壁２３が設けられ
ている。このシールド筒２２は、図３に示すように、内
面側に複数の円弧部２２ａが形成されている。

【００１７】そして、シールド隔壁２３の前側には、図
１及び図２に示すように、クランク２４に支持されて
「掘削部」としての円弧形状のシールドカッタ２５が配
設されている。このクランク２４は、回転駆動軸２６が
シールド隔壁２３に設けられたカッタ駆動部２７により
回転されるようになっており、その回転駆動軸２６と偏
心した位置のクランク軸２８にクランク軸受け２９を介
してシールドカッタ２５が支持されている。円弧形状の
シールドカッタ２５は、正面視において内側の円弧の径
と外側の円弧の径とが同一の中心を有する円弧形状と
し、その円弧形状両端に半円形部９２を形成している。
このシールドカッタ２５には、地山Ｇを切削するカッタ
ビット３１が配設されており、このシールドカッタ２５
がクランク２４を介して平行リンク運動をするように構
成されている。そのカッタ駆動部２７には、図示してい
ないが、駆動モータ、減速歯車、ピニオン歯車、軸受
け、軸等が設けられている。

【００１８】また、シールド筒２２の前記シールド隔壁
２３より前方には、シールドフード部３０が突出して設
けられ、このシールドフード部３０は断面が円弧形状の
筒状を呈している。

【００１９】さらに、シールド筒２２内には、シールド
ジャッキ３２が挿通される取付孔が形成されたリングガ
ーダー３３が取り付けられ、このリングガーダー３３の
取付孔にシールドジャッキ３２が配設されて反力受け部
３４に当接されている。そして、このシールドジャッキ
３２のスプレッダ３５にて詳細は後述する弧状セグメン
ト４１が押圧されるようになっている。これらシールド
ジャッキ３２等で地中掘削機２０を前進させる「推進
部」が構成されている。

【００２０】さらにまた、シールド筒２２の後端部の内
面には、弧状セグメント４１の外周面との間をシールす
るテールシール３７が配設されている。このテールシー
ル３７より前側のシールド筒２２内のセグメント組立部
（詳細は省略）で弧状セグメント４１等が組み立てられ
るようになっている。

【００２１】なお、シールド筒２２内には、掘削された
土砂（掘削土砂）を排出する５台の排土装置３８（スク
リューコンベア）が等間隔で配設されると共に、図示し
ていないが、セグメント４１の外側に裏込め５７を注入
する裏込め注入装置が設けられている。それら排土装置
３８は、その内の両側の２つが、弧状断面の坑の端部に
対応する位置に配置されている。

【００２２】次に、かかる地中掘削機２０を用いて大断
面トンネル５１を構築する場合について説明する。

【００２３】まず、図５に示すように、地上から３列の
坑を掘り、この両側の列に地中連続壁であるトンネル本
体構造側壁５２を設け、これらの間の列に地中連続壁で
あるトンネル本体構造中柱５３を設け、これらの上に埋
め戻し土５６を入れて埋め戻す。

【００２４】次いで、図６に示すように、地中掘削機２
０により、上記トンネル本体構造側壁５２及びトンネル
本体構造中柱５３の間の上部側を連結するように円弧断
面トンネル２１を掘削する。

【００２５】すなわち、複数のシールドジャッキ３２の
スプレッダ３５で、弧状セグメント４１を押すことによ
り、この反力で地中掘削機２０を前進させて、カッタビ
ット３１を地山Ｇの切羽に押し付ける。これと共に、各
カッタ駆動部２７を同期駆動させてクランク２４を介し
てシールドカッタ２５を平行リンク運動させる。これに
より、多数のカッタビット３１がそれぞれ所定の半径で
回転運動して、弧状断面の横坑が掘削される。この場合
には、図６に示したように、トンネル本体構造側壁５２
及びトンネル本体構造中柱５３の一部もシールドカッタ
２５の両端の半円形部９２によって略半円弧状の曲面９
３を形成するように掘削される。

【００２６】そして、所定位置まで掘り進んだら、シー
ルドジャッキ３２のスプレッダ３５を所定位置まで前進
させる。次いで、テールシール３７より前方のセグメン
ト組立部において、弧状セグメント４１，上部連結セグ
メント４４及び下部連結セグメント４５を組み合わせる
と共に、これら上部連結セグメント４４及び下部連結セ
グメント４５の間に支柱セグメント４６を配設する。こ
のようにして弧状断面トンネル４３を構築する。それら
セグメント４１…は、鉄筋コンクリート製、鋼製或いは
鋳鉄製である。

【００２７】この弧状断面トンネル２１は、内側縁部と
外側縁部との曲率半径が異なるため、上部連結セグメン
ト４４より下部連結セグメント４５の方の大きさを小さ
くすることにより、各弧状セグメント４１は、すべて同
じ形状のものが使用できるようにしている。

【００２８】このように組み合わされた弧状セグメント
４１をスプレッダ３５で押して前述と同様に掘削して前
進させ、これを繰り返すことにより、掘り進むと同時
に、各セグメント４１にて弧状断面トンネル２１を構築
して行く。

【００２９】この場合には、テールシール３７と上記の
ように組み立てられた弧状セグメント４１とでシールさ
れることにより、土や水等が地中掘削機２０内側へ崩れ
るようなことがない。

【００３０】その後、図４に示すように裏込め５７を施
し、各セグメント４１，４４，４５，４６内を作業空間
として、図７に示すようにトンネル本体構造側壁５２及
びトンネル本体構造中柱５３の削り取った部分に設けら
れた裏込め５７及び弧状セグメント４１の一部５７ａ，
４１ａを除去し、これら弧状断面トンネル４３の空間内
に、コンクリート５９及びこの上側に必要に応じて低強
度のモルタル６０等を充填する。これにより、大断面ト
ンネル構造体６１の頂板６２を構築する。

【００３１】次いで、図８に示すように、そのように構
築された頂板６２、側壁５２及び中柱５３を支保とし
て、その内部６３を掘削し、トンネル本体構造底板６５
を構築して、大断面トンネル５１を構築する。

【００３２】なお、内部６３を掘削する前に必要に応じ
て水位を低下させ、トンネル本体構造側壁５２，中柱５
３の根入れを深くすることにより、ボイリング等を防止
するようにすることもできる。

【００３３】このように弧状断面トンネル２１を形成し
て、大断面トンネル５１の頂板６２を構築しており、他
の部分は側壁５２，中柱５３及び底板６５等で構成する
ことにより、大断面トンネル５１を構築を簡単に行うこ
とができる。

【００３４】また、弧状断面トンネル２１は扁平で断面
が小さいため、地中掘削機２０及びそれに付随する設備
が小さくできる。

【００３５】さらに、弧状断面トンネル２１に曲率があ
るため、大断面トンネル構造体６１の頂板６２をアーチ
形状に形成でき、大断面トンネル構造体６１の厚さを薄
くすることができると共に、セグメント４１…自体の厚
さを薄くできる。

【００３６】さらにまた、頂板６２を円弧形状に形成す
ることにより、圧力に対して強度を向上させることがで
き、地山の安定が図れ、安全に内部掘削の施工が可能と
なる。

【００３７】しかも、地中掘削機２０により大断面トン
ネル構造体６１の頂板６２を施工できるため、地上の占
有空間を少なくできるか、あるいは必要とせずに、大断
面や扁平断面のトンネルを都市部や山岳部において、低
コストで、かつ安全に構築できる。

【００３８】［発明の実施の形態２］ 図９には、この発明の実施の形態２を示す。

【００３９】上記発明の実施の形態１の地中掘削機２０
は、一体の円弧状のシールドカッタ２５が平行リンク運
動をするものであったが、この発明の実施の形態２の地
中掘削機６７は、十字状の複数のシールドカッタ６８が
それぞれ回転駆動軸６９を介して回転駆動されるように
構成されている。

【００４０】これらシールドカッタ６８は、円弧状に配
置されて歯車のように噛み合っており、これらの内、隣
接するもの同士は、互いに反対方向に回転するように設
定されており、各シールドカッタ６８の前面には、地山
を掘削するカッタビット７０が設けられている。

【００４１】かかる地中掘削機６７を用いることによ
り、円弧形状の弧状断面トンネル２１を構築することが
できる。

【００４２】他の構成及び作用は実施の形態１と同様で
ある。

【００４３】［発明の実施の形態３］ 図１０には、この発明の実施の形態３を示す。

【００４４】この発明の実施の形態３は、実施の形態１
と異なる形状の弧状セグメント７２，上部連結セグメン
ト７３，下部連結セグメント７４及び支柱セグメント７
５から構成されている。

【００４５】これら弧状セグメント７２（弧状の両端部
のものを除く），上部連結セグメント７３及び下部連結
セグメント７４は、曲率半径が大きく、略台形状を呈し
ている。

【００４６】これら各セグメント７２…を組み立てるた
めの装置のシールド筒２２内面には、円弧部２２ａが形
成されていないものを使用する。

【００４７】［発明の実施の形態４］ 図１１には、この発明の実施の形態４を示す。

【００４８】この発明の実施の形態４も、実施の形態１
と異なる形状の弧状セグメント７７，上部連結セグメン
ト７８，下部連結セグメント７９及び支柱セグメント８
０から構成されている。

【００４９】これら弧状セグメント７７（両端部のもの
を除く），上部連結セグメント７８及び下部連結セグメ
ント７９は、外面の曲率半径が大きく、内面の曲率半径
が小さい円弧形状に形成されている。

【００５０】これら各セグメント７７…を組み立てるた
めの装置のシールド筒２２内面には、円弧部２２ａが形
成されていないものを使用する。

【００５１】［発明の実施の形態５］ 図１２乃至図１５には、この発明の実施の形態５を示
す。

【００５２】この発明の実施の形態５は、実施の形態１
の大断面トンネル５１と異なる大断面トンネル８２を構
築する場合について示す。

【００５３】すなわち、まず、図１２に示すように、地
中掘削機２０を用いて、２つの半円が連続した形状の弧
状断面トンネル８２を構築し、次に、図１３に示すよう
に、小断面の２つの側壁導坑８３及び中柱導坑８４をＮ
ＡＴＭ等により構築する。これら弧状断面トンネル８２
又は、小断面の２つの側壁導坑８３及び中柱導坑８４の
施工順序は、いずれが先でも良い。

【００５４】そして、図１４に示すように、弧状断面ト
ンネル２１，側壁導坑８３及び中柱導坑８４を作業空間
として、側壁導坑８３及び中柱導坑８４に対応する部分
の弧状セグメント４１及び裏込め５７の一部４１ａ，５
７ａを撤去し、この空間内にコンクリート５９及び低強
度のモルタル６０を充填する。

【００５５】これにより、大断面トンネル構造体８６の
上半部８７，側壁８８及び中柱８９を構築する。

【００５６】そして、それら上半部８７，側壁８８及び
中柱８９を支保として、その内部９０を掘削し、底板９
１を構築して、大断面トンネル構造体８６を構築する。

【００５７】

【発明の効果】以上説明してきたように、各請求項に記
載の発明によれば、弧状断面トンネルは扁平で断面が小
さいため、地中掘削機及びそれに付随する設備が小さく
できる。また、弧状断面トンネルに曲率があるため、大
断面トンネル構造体の頂板や上半部をアーチ形状に形成
でき、大断面トンネル構造体の厚さを薄くすることがで
きると共に、セグメント自体の厚さを薄くでき、アーチ
形状にすることで、地山の安定が図れ、安全に内部掘削
の施工が可能となる。さらに、地中掘削機によりトンネ
ル構造体の頂板や上半部を施工できるため、地上の占有
空間を少なくできるか、あるいは必要とせずに、大断面
や扁平断面のトンネルを都市部や山岳部において、低コ
ストで、かつ安全に構築できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る図２のＢーＢ線
に沿う断面図である。

【図２】同実施の形態１に係る図１のＡ−Ａ線に沿う断
面図である。

【図３】同実施の形態１に係る図２のＣーＣ線に沿う断
面図である。

【図４】同実施の形態１に係る図２のＤーＤ線に沿う断
面図である。

【図５】同実施の形態１に係る大断面トンネルを構築す
る場合を示す、トンネル本体構造側壁及びトンネル本体
構造中柱の構築状態を示す断面図である。

【図６】同実施の形態１に係る大断面トンネルを構築す
る場合を示す、弧状断面トンネルの構築状態を示す断面
図である。

【図７】同実施の形態１に係る大断面トンネルを構築す
る場合を示す、大断面トンネル構造体の頂板の構築状態
を示す断面図である。

【図８】同実施の形態１に係る大断面トンネルを構築す
る場合を示す、大断面トンネルの構築完了状態を示す断
面図である。

【図９】この発明の実施の形態２に係る図１に相当する
断面図である。

【図１０】この発明の実施の形態３に係る図４に相当す
る断面図である。

【図１１】この発明の実施の形態４に係る図４に相当す
る断面図である。

【図１２】この発明の実施の形態５に係る大断面トンネ
ルを構築する場合を示す、弧状断面トンネルの構築状態
を示す断面図である。

【図１３】同実施の形態５に係る大断面トンネルを構築
する場合を示す、側壁導坑及び中柱導坑の構築状態を示
す断面図である。

【図１４】同実施の形態５に係る大断面トンネルを構築
する場合を示す、大断面トンネル構造体の上半部及び側
壁の構築状態を示す断面図である。

【図１５】同実施の形態５に係る大断面トンネルを構築
する場合を示す、大断面トンネルの構築完了状態を示す
断面図である。

【符号の説明】

20,67 地中掘削機 22 シールド筒 23 シールド隔壁 24 クランク 25,68 シールドカッタ（掘削部） 26,69 回転駆動軸 31,70 カッタビット（掘削部） 32 シールドジャッキ（推進部） 37 テールシール 41,72 弧状セグメント 43,82 弧状断面トンネル 44,73,78 上部連結セグメント（外周側連結セグメン
ト） 45,74,79 下部連結セグメント（内周側連結セグメン
ト） 46,75,80 支柱セグメント 51,81 大断面トンネル 92 半円形部 93 曲面

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 13/02 E21D 9/06 301 E21D 9/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 推進部にて掘削部を前進させながら、当
   該掘削部にて地山を掘削して、弧状断面の坑を掘削しつ
   つ、後部側にてセグメントを順次組み立てて弧状断面ト
   ンネルを構築し、該弧状断面トンネルは、同形状の複数
   の弧状セグメントと、該隣接する弧状セグメントの間に
   配設されて当該両者を連結する弧状断面の外周側に配置
   された外周側連結セグメント及び内周側に配置された内
   周側連結セグメントとを有し、前記外周側連結セグメン
   トの断面形状が前記内周側連結セグメントの断面形状よ
   り大きく形成されたことを特徴とする弧状断面トンネル
   構築方法。
2. 【請求項２】 地山を掘削する掘削部と、該掘削部によ
   り掘削された掘削土砂を排出する排土装置と、前記掘削
   部を前進させる推進部と、セグメントを組み立てるセグ
   メント組立部とを有し、 前記掘削部は、シールドカッタを有し、該シールドカッ
   タは正面視において内側の円弧の径と外側の円弧の径と
   が同一の中心を有する円弧形状とし、その円弧形状両端
   が半円形に形成され、該円弧形状のシールドカッタが複
   数の回転軸に偏心して回転自在に取り付けられ平行リン
   ク運動をするように構成されることにより、前記円弧状
   のシールドカッタより全体的に大きな弧状断面の坑を掘
   削するように構成され、 前記排土装置は、複数配設され、その内少なくとも一つ
   は前記弧状断面の坑の端部に対応する位置に配置され、 前記セグメント組立部は、前記弧状断面の坑内にセグメ
   ントを組み立てて弧状断面トンネルを構築するように構
   成したことを特徴とする地中掘削機。