JP3217710B2 - シールド工法およびシールド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数円の連なった
断面をもつトンネルを一度に掘削するシールド工法（ト
ンネル掘削方法）と、その実施のために使用するシール
ド掘進機とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機は前部に回転式カッター
を有し、それにより原則として円形断面のトンネルを掘
削する装置である。掘削ずみの部分に対しては後端のテ
ール付近の内側において支保としてのセグメントの壁を
順次構築していき、その壁の端面をシールドジャッキで
後方へ押すことにより前向きの推進力を得る。

【０００３】近年、複数円（複数のほぼ円形の部分）が
連なった形の断面をもつトンネルを一度に掘削するシー
ルド掘進機が実用化されつつある。そのような断面のト
ンネルは、電車用の複線軌道を敷設したり多数車線の自
動車道路を通したりするのに好都合だからである。その
ためのシールド掘進機は、基本的には、回転式カッター
を前部に並列に配置したものとして構成される。カッタ
ーそれぞれが円形部分を掘削することにより、全体とし
ては、複数円の連なった断面のトンネルを同時に形成す
るのである。

【０００４】複数円のトンネルを掘削するそのようなシ
ールド掘進機には、掘進機自身に、ローリング−すな
わち前後方向に沿った中心線のまわりで回転すること
−をさせる機能が備わっていることが多い。それはつ
ぎのような理由による。第一には、回転式カッターが複
数存在する以上、各カッターの付近の土質や各カッター
間の回転速度の差異等によってシールド掘進機が予定外
のローリングをすることがあるが、それを修正するため
にはローリング角度の調整が必要だからである。とく
に、たとえば二円が上下（鉛直方向）に配置されたトン
ネルを掘削すべく、二つの回転式カッターがいわゆる縦
二連の状態に配置された場合、シールド掘進機は横幅に
比べて全高の大きい不安定な姿勢を保つ必要があるた
め、ローリング角度の調整機能が不可欠である。第二
に、そのようなシールド掘進機を自在にローリングさせ
ることができれば、各回転式カッター間の位置関係を適
宜変更し、トンネル断面における各円形部分の位置関係
（横断面内での角度）を水平・鉛直などに自在に変更で
きるからである。各円の関係をこのように変更できれ
ば、たとえば、掘進経路に制約のない場所では二円が水
平に並んだ横二連のトンネルを掘削し、掘進可能部分の
狭い場所では、二円が上下にある縦二連のトンネルを掘
削することなどが可能になり、きわめて都合がよい。

【０００５】複数円のトンネルを掘削するシールド掘進
機であってローリング機能を有するもの、またはそれに
よるシールド工法は、特公平７−６５４５８号公報や特
公平４−１１７１８号公報に記載されている。前者は主
として上記第一の理由によりシールド掘進機をローリン
グさせる例であり、後者は、主として上記第二の理由に
よりローリングさせる例である。後者の技術は、トンネ
ル断面の各円の位置関係を積極的に変更すべくシールド
掘進機をローリングさせるもので、前面にカッターをも
つ円筒状の二つの前胴が、各側面の一部を接合したまま
相互間の角度を変更し得るよう、横断面がまゆ形または
８の字形をした後胴の前部に並列に接続されている。前
胴同士が螺旋の一部を形成するように角度変更させ、そ
のうえでシールド掘進機を前進させれば、当該掘進機は
全体を螺旋状にローリングさせながら進むことができ
る。そのローリングの角度を調整することにより、トン
ネル断面の二円の位置関係を任意に定め得るのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ローリング機能を有す
るシールド掘進機は、ローリングの角度を調整すること
によりトンネル断面の複数円の位置関係を変更等するも
のであるため、当然ながらローリング角度を検出するこ
とができる。しかし、そのような機能をもつシールド掘
進機にも、従来、ローリング中心の位置を把握する機能
は備わっていなかった。

【０００７】ローリング機能のあるシールド掘進機にお
いて、ローリング中心の位置を知ることは、そのローリ
ングの角度を知ることと同様に極めて重要である。掘進
機のローリング角度を知ることによってトンネル断面の
円形部分間の相対的な位置関係を知ることはできるが、
ローリング中心の位置を把握できなければ、各円形部分
の絶対的な位置を正確に知ることはできないからであ
る。たとえば、二つの前胴１０・２０をもつシールド掘
進機をローリングさせる場合、ローリング中心を前胴１
０の軸心におくのと前胴２０の軸心におくのとでは、二
つの前胴の絶対的な位置つまりシールド掘進機の進路
（すなわちトンネルの線形）はかなり違ってしまう。ま
た仮に、ローリング中心が一方の前胴１０の軸心から大
きく離れている場合、その前胴１０の外周部分はローリ
ングによって大きく変位するので、シールド掘進機の後
端部（テール）の一部（前胴１０寄りの部分）がセグメ
ントの壁に当たってしまう不都合が生じ得る。

【０００８】この出願の発明は、上記のようなシールド
掘進機を用いて複数円の連なった断面のトンネルを掘削
するにあたり、ローリング中心の位置を把握・制御する
ことによってトンネルの正しい線形を確保し、またテー
ルの過剰な変位を防止できるシールド工法を提供するこ
と、およびその工法を実施できるシールド掘進機を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のシール
ド工法は、前面にそれぞれカッターを備える複数の前胴
が各側面の一部を接合したまま相互間の角度を変更し得
るよう後胴の前部に接続されたシールド掘進機を用い、
当該掘進機のローリング角度を制御しながら、複数円の
連なった断面のトンネルを一度に掘削するシールド工法
であって、上記の角度変更にともない後胴の軸心と各前
胴の軸心とがなす中折れ角度をもとに、シールド掘進機
のローリング中心の位置を知り、かつ制御する−つま
り、中折れ角度から演算してローリング中心の位置を知
るとともに、中折れ角度を操作することによりローリン
グ中心の位置を調整する−ことを特徴とする。

【００１０】このシールド工法では、まず、上記のよう
な複数の前胴をもつシールド掘進機を用いるため、複数
円の連なった断面のトンネルを掘削することができる。
またそれらの前胴を相互に角度変更することができるの
で、シールド掘進機の全体をローリングさせながら前進
させることができる。複数の前胴について、上記のよう
に各側面の一部を接合させたまま相互間の角度を変更
し、そのうえでシールド掘進機を進めると、それぞれの
角度の方向に前胴が進み、後胴がそれに従うことから、
シールド掘進機の全体が螺旋状に（つまりネジのよう
に）ローリングしながら前進するのである。そしてこの
工法では、そのローリングの角度を制御することによ
り、前胴間の位置関係（角度）を調整し、トンネル断面
の複数円の位置関係を任意に定めることができる。

【００１１】このシールド工法ではとくに、上記した中
折れ角度をもとにシールド掘進機のローリング中心の位
置を知り、かつ制御する。中折れ角度に基づいてローリ
ング中心の位置を知り制御し得ることは、発明者らが理
論解析と実験とを通じて見い出した技術的事実である
（その事実についての技術的根拠は後述する）が、ロー
リング中心の位置を制御することによってつぎのような
作用がある。

【００１２】第一に、計画された線形どおりにトンネル
を掘削することが可能になる。ローリング角度を制御す
るとともにローリング中心の位置を知り、その位置を計
画どおりに制御すれば、トンネル断面内の複数円につい
て、相対的な位置関係（各円間の角度）だけでなく絶対
的な位置をも計画どおりに定め、所定の線形に正確に沿
わせることができるのである。

【００１３】第二に、シールド掘進機のテール付近で行
うセグメントの組み立てを、常に円滑に行い得るように
なる。ローリング中心の位置を知り制御できれば、ある
前胴からローリング中心が予定外に極端に離れてしまう
事態を避けられるので、ローリングにともない一部が極
端に大きく変位してテール付近の一部が既設のセグメン
ト壁に接触するという不都合を防止できるからである。
またこのため、既設のセグメント壁を損傷してしまう不
都合も起こりにくい。

【００１４】請求項２のシールド工法は、前胴の数が２
であり、それらの横断面の外形が上記接合の面をはさん
で対称であるシールド掘進機を用い、前胴間の上記接合
の面から各前胴の軸心までの距離Ｒ₀ と、前胴１０・２
０の各中折れ角度θ₁ 、θ₂とをもとに、 Ｅ ＝ Ｒ₀（ｔａｎθ₁−ｔａｎθ₂）／（ｔａｎθ₁＋ｔ
ａｎθ₂） なる基本偏心量Ｅを算出し、この基本偏心量Ｅを基準に
して上記接合の面から上記ローリング中心までの距離を
知ること−をも特徴とする。ただし中折れ角度θ₁ 、
θ₂ の正・負は、進行方向に対してシールド掘進機を右
回りさせる向きを正とし、逆を負とする。また、上記接
合の面に対してローリング中心がずれている向きについ
ては、基本偏心量Ｅが正なら前胴２０寄りであり、Ｅが
負なら前胴１０寄りであるとする。

【００１５】請求項２のこのシールド工法によれば、シ
ールド掘進機に固有の距離Ｒ₀ を定数にとるとともに二
つの前胴それぞれの中折れ角度θ₁ とθ₂ を変数として
上の式から基本偏心量Ｅを演算し、そのＥを（必要な場
合にはそのＥにさらに多少の補正を加えた偏心量Ｌ_s
を）上記接合の面から上記ローリング中心までの距離と
して簡単に把握することができる。上記接合の面は、シ
ールド掘進機ごとに定まった位置にある（そして一般的
にはその接合面の中央にローリング中心がおかれる）の
で、その面からの偏心量Ｅ（またはＬ_s ）を知れば直ち
にローリング中心の位置を知り得ることになる。なお、
偏心量Ｌ_s を求めるための基本偏心量Ｅに対する補正は
必要に応じて行うが、一般的には、シールド掘進機の構
造および運転条件ならびに掘削部分の土質等を考慮して
補正係数ｋ₁ 、ｋ₂ をとり、 Ｌ_s ＝ ｋ₁ Ｅ＋ｋ₂ というＥの一次式によってＬ_s を求めることができる。

【００１６】このように、定まった手法で簡単にローリ
ング中心の位置を知ることができれば、迅速かつ的確に
その位置を制御することも可能になる。望ましい位置へ
ローリング中心を移すために必要な中折れ角度の操作量
も、ＥおよびＬ_s に関する上記の式に基づいて容易に知
ることができるからである。

【００１７】請求項３に記載したシールド掘進機は、複
数円の連なった断面のトンネルを一度に掘削すべく、前
面にそれぞれカッターを備える複数の前胴が後胴の前部
に並列に接続され、また、自身の（つまり当該シールド
掘進機の）ローリング角度を制御すべく、前胴が各側面
の一部を接合したまま相互間の角度を変更し得るように
なったものであって、上記の角度変更にともない後胴の
軸心と各前胴の軸心とがなす中折れ角度を検出する測定
手段と、検出された中折れ角度からシールド掘進機のロ
ーリング中心の位置を求める演算手段とを有することを
特徴とする。

【００１８】このシールド掘進機を使用すれば、請求項
１に記載したシールド工法を円滑に実施することができ
る。すなわち、上記のように複数の前胴をもつため、複
数円の断面をもつトンネルを掘削できるほか、前胴相互
間を角度変更し得るので、ローリング角度を制御するこ
とによってトンネル断面の複数円の位置関係を調整する
ことができる。また、上記の測定手段により、後胴の軸
心と各前胴の軸心とがなす中折れ角度を検出し、さらに
上記の演算手段によって、検出された中折れ角度からロ
ーリング中心の位置を知るのである。中折れ角度を操作
するのにともない、上記の各手段が新たな中折れ角度を
検出し、新たなローリング中心の位置を求めるので、ロ
ーリング中心の位置を制御することも可能である。

【００１９】後胴に対する各前胴の中折れ角度の検出
は、何らかの角度センサによって行うことができるほ
か、後胴の一部に対し前胴の一部が直線距離にしてどれ
だけ変位したかを直線変位センサで測定する（その変位
を中折れ角度に換算する）ことによっても行うことがで
きる。また、そうして求めた中折れ角度をもとにローリ
ング中心を求める演算手段としても、簡単なコンピュー
タ（マイコン）があれば足りる。したがって、この請求
項３のシールド掘進機は、上記のとおり測定手段と演算
手段とを有するとはいえ、それによって構成が複雑化し
たり設備的コストが上昇したりする程度は極めてわずか
である。

【００２０】請求項４のシールド掘進機は、上記シール
ド掘進機に対してさらに、あらかじめ入力された望まし
いローリング中心位置と、上記の演算手段により求めら
れたローリング中心の位置とから、ローリング中心位置
の修正のために必要な各前胴の中折れ角度を求めて出力
する修正出力手段を設けたものである。なお、前胴の数
が２であってそれらの横断面の外形が上記接合面をはさ
んで対称であるシールド掘進機では、一般的には前胴間
の接合面上の位置が、上記した望ましいローリング中心
位置とされる。

【００２１】このような修正出力手段を有するシールド
掘進機は、ローリング中心の位置を極めて容易に制御す
ることができる。入力されているローリング中心位置
（計画された位置）と、上記の演算手段にて求められる
ローリング中心位置とがずれ始めた場合、修正出力手段
が各前胴の適切な中折れ角度を出力するので、その出力
にしたがって運転者もしくは自動的な操作手段が前胴を
角度変更させることにより、ローリング中心を計画どお
りの位置へ移せるからである。したがって、前述のよう
にトンネルの線形を確保することも、セグメントの組み
立てを円滑化することも容易に行える。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１〜図３に、発明の実施につい
ての一形態を示す。図１はシールド掘進機１の動作等を
説明するとともにその制御機器の概要を示す斜視図であ
る。また、図２(ａ)・(ｂ)はその掘進機１における中折
れ角度やローリング中心等を示す模式図である。そして
図３は、シールド掘進機１の構造を示す縦断面図（図３
(ａ)）および正面図（同(ｂ)）である。

【００２３】シールド掘進機１は、同一径の円が一部を
重ねて二つ連なった形の断面のトンネルを掘削するよ
う、図３(ａ)・(ｂ)に示すとおり、二組の前胴１０およ
び２０を前部に並列に連結したものである。前胴１０・
２０の各横断面の外形は、両者の接合面１４・２４（後
述）をはさんで対称である。概ね円筒形状をした前胴１
０・２０の各前方には回転式のカッター１１・２１を配
置し、また図３(ａ)のとおりそれぞれに駆動源（油圧モ
ータ）１２・２２を接続している。各カッター１１・２
１には、図３(ｂ)のように多数のカッタービット１１ａ
・２１ａおよびコピーカッタ１１ｂ・２１ｂなどを組み
込んでおり、回転中に接触しあうことがないよう各位置
を図３(ａ)のとおり前後にずらせている。カッター１１
・２１のすぐ後ろには共通の空間としてカッターチャン
バー２を形成しており、そこへ向けて後方から送水管３
および排泥管４を接続している。

【００２４】図１および図３(ａ)のように、各前胴１０
・２０は、側面の一部に平坦な接合面１４・２４を形成
しそれらを重ねて接合するとともに、後方部分には共通
の後胴３０を接続している。後胴３０の内側には、後端
部のテール３６の付近においてトンネルの内面にセグメ
ントＳを組みつけるエレクター（図示省略）を設け、ま
た、組みつけたセグメントＳの端面に先端スプレッダ３
２を押し付けることにより掘進機１に推進力をもたらす
複数のシールドジャッキ３１も配置している。またテー
ル３６の内側には、組みつけたセグメントＳとテール３
６との間からの泥水等の侵入を防止するためにシール部
材３７を取り付けている。

【００２５】前胴１０・２０のそれぞれは、後胴３０に
対し、上記の接合面１４・２４と平行な面内でいわゆる
中折れ（屈曲）をし得るように接続している。すなわち
図３(ａ)に示すように、後胴３０の前部には、接合面１
４・２４と垂直な一直線上に複数の中折れピン３３を配
置し、前胴の後部に設けたブラケット１６・２６をこれ
らのピン３３に対し回転し得るように結合している。そ
して前胴１０と後胴３０との間および前胴２０と後胴３
０との間に、それぞれ中折れのための力を出す中折れジ
ャッキ１８・２８を設けている。各前胴１０・２０ごと
に、それら各ジャッキの伸縮量に差を付けることによっ
て、後胴３０に対し前胴１０・２０をそれぞれ中折れさ
せるのである。また、中折れの際もシールド掘進機１の
内部（駆動源１２・２２やエレクター等を配置した空
間）に泥水が浸入することのないようにするため、ピン
３３の延長線上を含む位置で後胴３０の外周に球面状の
曲面３４を形成し、かつ、その曲面３４に常に接触する
ようパッキン１７・２７を前胴１０・２０の後部にそれ
ぞれ設けてある。

【００２６】中折れのための前記のジャッキ１８・２８
は前胴１０・２０ごとに独立して駆動するものとしたの
で、前胴１０と２０とは後胴３０に対しそれぞれ独立に
中折れをし、相互間の角度を変更することができる。た
だし、前胴１０・２０は上述した中折れピン３３を中心
に接合面１４・２４と平行な面内でそれぞれ中折れを
し、それら接合面１４・２４間は接合ピン１５で連結し
ているので、その角度変更の間も接合面１４・２４間の
接合状態が保たれる。なお、その接合ピン１５の部分で
は接合面１４・２４同士が相当の距離をスライドして移
動するため、接合面１４・２４における接合ピン１５の
貫通穴はそのスライド方向にそれぞれ長く形成してい
る。すなわち、図２(ｂ)に示すように、接合面１４・２
４のうち接合ピン１５を通す部分に、中折れピン３３を
曲率中心とする曲線に沿う長穴１５ａをあけたうえ、そ
の長穴１５ａのうちに、一端に大径の頭部を有するとと
もに他端にはナットを嵌める接合ピン１５を通してい
る。

【００２７】後胴３０に対し前胴１０・２０を揃って同
じ方向に中折れさせた場合には、シールド掘進機１の全
体を一定の曲線に沿って進行させ、全体的にカーブした
トンネルを形成することができるが、上記の構成に基づ
いて前胴１０・２０をそれぞれ独立に中折れさせる場合
には、シールド掘進機１をローリングさせることができ
る。二つの前胴１０・２０のうち一方のみを後胴３０に
対して中折れさせ、または双方を異なる方向（螺旋の一
部を形成する向き）に中折れさせることによって前胴１
０・２０間の相対角度を変更すると、異なる方向（螺旋
状）に前胴１０・２０が進み、あたかもスクリューのご
とくシールド掘進機１の全体が回転しながら前進するか
らである。こうしてローリングさせると、シールド掘進
機１は、二つの前胴１０・２０が互いに水平に並んだ横
２連の状態や上下に並んだ縦２連の状態などに変化しな
がら、断面の二円の関係を適宜に変更した望ましいトン
ネルを掘削することができる。

【００２８】上記のようにシール掘進機１をローリング
させる場合、またはその掘進機１が土質等の関係で不意
にローリングをし始めるのに対してそれを修正する場合
等には、ローリングの角度（すなわち掘進機１の姿勢）
とともにローリング中心の位置を制御することが重要で
ある。図１は、それらの制御のためにシールド掘進機１
（または、図示を省略した後続の台車）に搭載した機器
類を模式的に示した図である。図中、検出器５７は傾斜
計などからなり、シールド掘進機１のローリング角度を
検出するものであるが、中折れジャッキ１８・２８に接
続して設けた符号５１〜５６の各機器は、ローリング中
心の位置を制御するためのものである。

【００２９】すなわち、まず、ジャッキ１８・２８のそ
れぞれに付設したストローク検知器５１は、各ジャッキ
１８・２８の伸縮長さを検知する。検知器５１に接続し
た算出器５２は、各ストローク検知器５１によって知り
得る複数のジャッキの伸縮量の分布から前胴１０・２０
のそれぞれについて中折れ角度を算出するもので、検知
器５１とともに中折れ角度の測定手段を構成する。演算
手段５３は、算出器５２（つまり上記の測定手段）から
の信号である中折れ角度の値などから、シールド掘進機
１の現在のローリング中心の位置を求める手段である。
求められたローリング中心位置についてのデータは修正
出力手段５４に送られ、同手段５４は、掘削計画に沿っ
てあらかじめ入力されている値（設定値）とそのデータ
とを比較し、ローリング中心の位置を修正するためにと
るべき中折れ角度を演算して操作盤５５に出力する。操
作盤５５は、シールド掘進機１の掘進について種々の操
作をなし得るように構成されたものであるが、ローリン
グに関しても自動もしくは手動によって掘進機１を操作
できるようになっている。すなわち操作盤５５は、検出
されたローリング角度のほか、中折れ角度やそれより演
算されたローリング中心の位置、さらにその修正に必要
な中折れ角度などを表示するとともに、ローリングにつ
いて自動運転するための切換スイッチ、ならびに手動に
切換えた際に必要な各種操作ボタンなどを備えている。
操作盤５５の出力は、中折れジャッキ１８・２８を伸縮
させるための油圧ユニット５６などに伝えられ、中折れ
角度が適宜に変更される。

【００３０】前胴１０・２０の各中折れ角度をもとに演
算手段５３が掘進機１のローリング中心の位置を求める
原理は、以下のとおり説明される。

【００３１】図１または図２(ｂ)のように、シールド掘
進機１が進行方向に対し右回りにローリングする向きに
二つの前胴１０・２０が中折れをしたとする。すなわ
ち、図２(ａ)のように上下に軸心Ｇ₁ ・Ｇ₂ を有してい
て横断面が８の字の形状になった後胴３０に対し、上の
前胴１０を右方に、下の前胴２０を左方にそれぞれ中折
れさせて、図２(ｂ)のように各中折れ角度−すなわち
各前胴１０・２０の軸心Ｆ₁ ・Ｆ₂ が後胴３０の各軸心
Ｇ₁ ・Ｇ₂ の前方延長線に対してなす角度−がθ₁ お
よびθ₂ になったとする。

【００３２】その図２(ｂ)の状態で、前述のシールドジ
ャッキ３１（図３(ａ)参照）を伸長させることによりシ
ールド掘進機１を距離Ｌ（たとえば接合ピン１５と中折
れピン３３との間隔に等しい距離）だけ前進させると、
たとえば、中折れピン３３の延長線上を前後位置とする
軸心Ｇ₁ 上の点は、図２(ｂ)に示す変位Δ₁ だけ右方へ
移動し、同じ前後位置にある下側の軸心Ｇ₂ にある点は
変位Δ₂ だけ左方へ移動する。これらΔ₁ 、Δ₂ の大き
さは、 Δ₁ ＝ Ｌ×ｔａｎθ₁ ‥‥ Δ₂ ＝ Ｌ×ｔａｎθ₂ ‥‥ である。

【００３３】一方、図２(ａ)においてローリング中心
が、前記接合面１４・２４の延長面から軸心Ｇ₂ （前胴
２０に続くもの）寄りに偏心量Ｅ（理論上の偏心量であ
るためこのＥを基本偏心量という）だけ隔たった軸Ｏ上
にあるとし、それを中心にしてシールド掘進機１がロー
リングすると考える。図のように後胴３０（実線と仮想
線とで図示）の上下の軸心Ｇ₁ ・Ｇ₂ は、接合面１４・
２４（の延長面）から上下に等しくＲ₀ だけ離れている
が、ローリング中心であるこの軸ＯからはそれぞれＲ
₁ 、Ｒ₂ の距離にあることになる。したがってこれらの
軸心Ｇ₁ ・Ｇ₂ は、前進にともなうローリングによっ
て、それぞれ右方に変位ｄ₁ 、左方に変位ｄ₂だけ移動
する。シールド掘進機１（の後胴３０）が、１ｍ前進す
るごとに右回りに角度Ｓｐ（スパイラル度といい、単位
はｒａｄ／ｍ）だけローリングするとして、前記と同じ
距離Ｌを前進すると、それら変位の大きさは、 ｄ₁ ＝ Ｒ₁×Ｌ×Ｓｐ ‥‥ ｄ₂ ＝ Ｒ₂×Ｌ×Ｓｐ ‥‥ となる。

【００３４】Δ₁ ＝ ｄ₁ Δ₂ ＝ ｄ₂ であるから、上の式・および式・より、 ｔａｎθ₁ ＝ Ｒ₁×Ｓｐ ｔａｎθ₂ ＝ Ｒ₂×Ｓｐ Ｓｐが同一であることから、 ｔａｎθ₁／Ｒ₁ ＝ ｔａｎθ₂／Ｒ₂ ‥‥ 図２(ａ)のように Ｒ₁＝Ｒ₀＋Ｅ、 Ｒ₂＝Ｒ₀−Ｅ であ
るから、これらをに代入してＥの式にすると、 Ｅ ＝ Ｒ₀（ｔａｎθ₁−ｔａｎθ₂）／（ｔａｎθ₁＋ｔａｎθ₂） ‥‥ となる。なお、中折れ角度θ₁ 、θ₂ は、進行方向に対
してシールド掘進機を右回りさせる向きのとき正である
とし、左回りさせる向きのとき負であるとする。また、
接合面１４・２４に対しローリング中心たる軸Ｏが偏心
している向きについては、基本偏心量Ｅが正なら前胴２
０寄りであり、Ｅが負なら前胴１０寄りである。

【００３５】上記の式によると、たとえば単純なケー
スとして、 θ₁＝θ₂ のとき Ｅ＝０ となってローリング中心である軸Ｏが接合面１４・２４
上にくることも、また θ₁＞０ かつ θ₂＝０ のとき Ｅ＝Ｒ_０ となって前胴２０と同心の軸心Ｇ_２ 上にローリング中
心の軸Ｏがくることも、容易にかつ速やかに把握され
る。

【００３６】式によって求められる基本偏心量Ｅは、
上記したように、トンネルの掘削計画において最も一般
的にローリング中心が設定される接合面１４・２４（の
延長面）上から、実際のローリング中心が理論的に隔た
っている距離を表している。しかし現実の偏心量は、こ
の基本偏心量Ｅに、シールド掘進機の構造（形状や重心
位置など）や運転条件、掘削部分の土質等に基づく補正
を加えることによって知り得る場合が多い。すなわち、
現実の偏心量（接合面１４・２４からローリング中心ま
での距離）Ｌ_s は、補正係数ｋ₁ 、ｋ₂ を考慮した、 Ｌ_s ＝ ｋ₁ Ｅ＋ｋ₂ という、基本偏心量Ｅの一次式によって一般的には求め
ることができる。補正係数ｋ₁ 、ｋ₂ としては、上記し
たシールド掘進機の構造や運転条件、掘削部分の土質等
に応じて経験的に定めた値を用いる。

【００３７】図２(ａ)・(ｂ)の状態において、仮に、ロ
ーリング中心たる軸Ｏが所定の位置よりも下（つまり後
胴３０の軸心Ｇ₂ もしくは前胴２０の軸心Ｆ₂ に近い
側）にあったとき、このシールド掘進機１の対応はつぎ
のとおりである。まず図１の演算手段５３が、偏心量Ｌ
_s として、設定値よりも大きすぎる値を算出し、修正出
力手段５４に伝える。同手段５４は、その偏心量Ｌ_s を
設定値に合わすべく、 a) 上方にある前胴１０の中折れ角度θ₁ を適正値にま
で小さくするか、 b) 下方にある前胴２０の中折れ角度θ₂ を適正値にま
で大きくするか、 c) θ₁ を適切に小さくするとともにθ₂ を適切に大き
くする、 のいずれかの指示信号を操作盤５５に出力する。操作盤
５５に表示されたその指示信号にしたがってオペレータ
が中折れ角度を修正するか、または当該指示信号にした
がって操作盤５５が油圧ユニット５６等を自動操作をす
ることにより、ローリング中心は円滑に所定の位置に戻
される。

【００３８】以上のように、このシールド掘進機１で
は、ローリングの角度だけでなく、ローリング中心であ
る軸Ｏの位置をも把握し制御することができる。したが
って、トンネル断面として形成される二円につき、相互
間の位置関係（つまり、一方の円に対して他方の円がど
のような角度の位置にあるか）だけではなく、二円それ
ぞれの絶対的な位置をも正確に定めることができる。二
円の絶対的な位置が正確に定まると、計画どおりの線形
に沿ってトンネルを掘削することができる。また掘進機
１の後部において、図３(ａ)に示されるテール３６と既
設のセグメントＳとの間に全周的に常に隙間を確保する
ことができ、新たなセグメントＳの組みつけを円滑に行
うことも可能になる。

【００３９】以上、実施の一形態を紹介したが、出願に
係る発明は以上の形態に限って実施できるものではな
い。たとえば、後胴３０に対する前胴１０・２０の中折
れ角度θ₁ 、θ₂ をもとにシールド掘進機１のローリン
グ中心の位置を知るとはいえ、中折れ角度θ₁ 、θ₂ の
値そのものを算出し表示することは不可欠ではない。上
記の形態においても、とくに中折れ角度θ₁ 、θ₂ を求
めることなく、各検出器５１（図１）が検出した中折れ
ジャッキ１８・２８の伸縮量から直接に偏心量Ｅまたは
Ｌ_s を演算してもよい。ただしその場合も、ジャッキ１
８・２８の伸縮量は中折れ角度θ₁ 、θ₂ に結び付いた
数値であるため、実質的には、中折れ角度θ₁ 、θ₂ を
もとにローリング中心の位置を知ることに相違ない。ま
た、前胴１０・２０を中折れさせるために、上記した中
折れジャッキ１８・２８のみならず他の手段を使用する
こともできる。一例として、前胴１０・２０の接合面１
４・２４の間を、左右（つまり前胴１０・２０の首振り
の方向）に向けて配置した油圧シリンダ等により接続し
ておき、当該シリンダを伸縮させることによって後胴３
０に対し前胴１０・２０を中折れさせる、といった手段
をとることも可能である。なお、以上に述べた技術的思
想に基づき、前胴の数が３以上のシールド掘進機につい
てもローリング角度とともにローリング中心の位置を制
御することが可能であることは、言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】請求項１に記載のシールド工法では、複
数の前胴を備えるシールド掘進機についてローリング角
度とともにローリング中心の位置を知り、かつ制御する
ことから、以下のような効果がもたらされる。

【００４１】1) トンネル断面内の複数円について、円
同士の相対的な位置関係だけでなく各円の絶対的な位置
をも自在に調整しながら掘削することができるので、計
画された線形どおりにトンネルを掘削できるようにな
る。

【００４２】2) ローリングにともないシールド掘進機
の一部（ローリング中心から遠い部分）が極端に大きく
変位してテール付近が既設のセグメント壁に接触すると
いう不都合を防止できるため、当該テール付近で行うセ
グメントの組み立てを常に円滑に行うことができる。既
設のセグメント壁を損傷してしまう不都合も起こりにく
い。

【００４３】請求項２のシールド工法によれば、さら
に、 3) 二つの前胴の各中折れ角度θ₁ とθ₂ とをもとに、
所定の式によって前胴間の接合の面からローリング中心
までの距離を簡単に求められ、ローリング中心の位置を
直ちに知ることができる。またそのために、迅速かつ的
確にその位置を制御することができる。

【００４４】請求項３に記載したシールド掘進機は、ロ
ーリング角度とともにローリング中心の位置を制御し得
るため、請求項１に記載したシールド工法を円滑に実施
して上記1)・2)の効果をもたらす。また、測定手段や演
算手段として簡単なものを使用できるため、構成が複雑
化したり設備的コストが上昇したりする程度はわずかで
ある。

【００４５】請求項４のシールド掘進機は、中折れ角度
についての修正出力手段を有するため、ローリング中心
の位置を的確かつ容易に制御する。したがって、この掘
進機によれば、トンネルの線形を確保することもセグメ
ントの組み立てを円滑化することも極めて容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、発明の第一の実施形態であるシールド
掘進機１について、全体構成および動作とともに制御機
器の概要を示す斜視図である。

【図２】図２(ａ)・(ｂ)はシールド掘進機１における中
折れ角度やローリング中心等を示す模式図で、同(ａ)は
掘進機１を後方から見た図（同(ｂ)におけるａ−ａ矢視
図）、同(ｂ)は掘進機１を上方から見た図である。

【図３】図３(ａ)はシールド掘進機１の構造を示す縦断
面図であり、同(ｂ)はその正面図である。

【符号の説明】

１ シールド掘進機 １０・２０ 前胴 １１・２１ カッター １４・２４ 接合面 １８・２８ 中折れジャッキ ３０ 後胴 ５３ 演算手段 ５４ 修正出力手段 Ｆ₁ ・Ｆ₂ （各前胴の）軸心 Ｇ₁ ・Ｇ₂ （後胴の）軸心 Ｏ （ローリング中心である）軸 θ₁ 、θ₂ 中折れ角度 Ｅ 基本偏心量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 京力 裕文 兵庫県神戸市中央区東川崎町１丁目１番 ３号 川崎重工業株式会社 神戸本社内 (72)発明者 吉村 宗男 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 氷澤 幸彦 大阪府大阪市西区阿波座一丁目３番15号 鹿島建設株式会 社関西支店内 (72)発明者 上木 泰裕 東京都港区元赤坂一丁目３番８号 鹿島 建設株式会社 東京支店内 (56)参考文献 特開 平４−76192（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−11718（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−65458（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/08 E21D 9/06 301

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 前面にそれぞれカッターを備える複数の
   前胴が各側面の一部を接合したまま相互間の角度を変更
   し得るよう後胴の前部に接続されたシールド掘進機を用
   い、当該掘進機のローリング角度を制御しながら、複数
   円の連なった断面のトンネルを一度に掘削するシールド
   工法であって、 上記の角度変更にともない後胴の軸心と各前胴の軸心と
   がなす中折れ角度をもとに、シールド掘進機のローリン
   グ中心の位置を知り、かつ制御することを特徴とするシ
   ールド工法。
2. 【請求項２】 前胴の数が２であり、それらの横断面の
   外形が上記接合の面をはさんで対称であるシールド掘進
   機を用い、前胴間の上記接合の面から各前胴の軸心まで
   の距離Ｒ₀ と、前胴（１０、２０）の各中折れ角度
   θ₁、θ₂とをもとに、 Ｅ ＝ Ｒ₀（ｔａｎθ₁−ｔａｎθ₂）／（ｔａｎθ₁＋ｔ
   ａｎθ₂） なる基本偏心量Ｅを算出し、この基本偏心量Ｅを基準に
   して上記接合の面から上記ローリング中心までの距離を
   知る請求項１に記載のシールド工法。ただし、中折れ角
   度θ₁、θ₂の正・負は、進行方向に対してシールド掘進
   機を右回りさせる向きを正とし、逆を負とする。また、
   上記接合の面に対しローリング中心が偏心している向き
   については、基本偏心量Ｅが正なら前胴（２０）寄りで
   あり、Ｅが負なら前胴（１０）寄りであるとする。
3. 【請求項３】 複数円の連なった断面のトンネルを一度
   に掘削すべく、前面にそれぞれカッターを備える複数の
   前胴が後胴の前部に並列に接続され、また、自身のロー
   リング角度を制御すべく、前胴が各側面の一部を接合し
   たまま相互間の角度を変更し得るようになったシールド
   掘進機であって、 上記の角度変更にともない後胴の軸心と各前胴の軸心と
   がなす中折れ角度を検出する測定手段と、検出された中
   折れ角度からシールド掘進機のローリング中心の位置を
   求める演算手段とを有することを特徴とするシールド掘
   進機。
4. 【請求項４】 あらかじめ入力された望ましいローリン
   グ中心位置と上記の演算手段により求められたローリン
   グ中心の位置とから、ローリング中心位置の修正のため
   に必要な各前胴の中折れ角度を求めて出力する修正出力
   手段を設けた請求項３に記載のシールド掘進機。