JP3545368B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、円形断面のトンネルとそれ以上の広い空間部分とを一台で掘削することができ、たとえば地下鉄路線を、駅間（駅と駅との間）と駅（ホーム）の部分とを交互に掘進（掘り進め）しながら効率的に形成することができるシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地下鉄や道路等のトンネルの多くが、シールド掘進機を使用するシールド工法によって形成されることはよく知られている。シールド掘進機は、地山を削るカッターと、土壁の崩壊を防ぐ筒状のシールド（楯）、あるいはさらに、それらを前進させるための推進手段（シールドジャッキ）などを主要部分とし、地中に貫入して地表上には影響を及ぼさず、安全・確実にトンネルを掘ることができる。
【０００３】
しかし、カッターの機能やシールドの形状等から、シールド掘進機のほとんどは専ら円形断面のトンネルを掘るように構成されているため、たとえば地下鉄路線を掘削するにあたっては、駅の部分などを形成するのに特殊な方策が必要である。
【０００４】
特開平４−１７９７９６号公報には、そうした駅の部分を含む地下鉄路線の合理的な掘削方法が提案されている。すなわち、通常のシールド掘進機によって駅間のトンネル（円形断面）を掘削するとともに、駅部分では、駅の始端位置に設けた立坑においてその掘進機に別のシールド掘進機を付加し、たとえば三連円（三心円）形のシールド掘進機に改造するのである。改造したシールド掘進機によって駅としての広い空間（三連円形などの断面の部分）を形成するが、駅の終端位置に設けた立坑に達したときには、付加された掘進機をそこで取り外し、円形断面用の元のシールド掘進機に戻す。
【０００５】
同公報の方法によれば、駅部分の全長にわたって開削工法（地上から溝状に掘削する工法）をとるよりも工事ははるかに簡単で、また、駅間と駅部分とのそれぞれに別のシールド掘進機を使用するという設備的な不都合もない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報の提案にしたがって地下鉄路線等を掘削する場合、シールド掘進機の構成が実際上の大きな課題になる。すなわち、通常の掘進機に対して別の掘進機をいかにして連結し、かつ分離するか−である。両者を溶接によって一体化することは取り外しの困難さから当然に不適当であるが、それに代わる手段によって、結合強度の十分な連結状態を実現しなければならない。両者を連結した場合にも、掘進中は、土砂等の圧力や推進力、または掘削抵抗などとして各方向に大きな力がかかるため、ボルト・ナットを用いて単に組み付けただけでは必要な強度を有しない場合があるからである。また、取り付け位置の調整などを要して連結のたびに時間がかかるようでは、工事の円滑な進行が妨げられることになる。
【０００７】
その点、前記公報は、地下鉄路線の掘削方法を概念的に示すものであって、実際にその掘削に使用するシールド掘進機の望ましい構成については明らかにしていない。
【０００８】
本発明の目的は、通常の掘進機に対して別の掘進機（補助掘進体）を連結・分離するにあたり、結合強度面および着脱容易性の面で実用性のあるシールド掘進機を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のシールド掘進機は、円形断面のトンネルを掘進する主シールド機（前記したいわゆる通常のシールド掘進機）に対して、その周囲に広がる部分を掘進すべくカッターとシールドとを含む補助掘進体（前記にいう別の掘進機）を、ボルトによって側部に連結し、かつ分離するシールド掘進機であって、a)主シールド機の周壁部には、対向面が外方へ向けてテーパ状に広がった凹部を設け、b)補助掘進体には、上記の連結をなすためその凹部にはめ入れられる凸部を設けるとともに、 c) 前記凹部および前記凸部のテーパ状対向面を、前記周壁部の周方向（上下または左右方向）および軸方向（掘進方向）にそれぞれ二面ずつ設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
またこのシールド掘進機には、請求項２に記載したように、d)前記主シールド機の周壁部に設けられた凹部に、その周壁部の円筒面に適応する曲面状に形成したカバー類を取り付けて前記凹部を塞げるようにするとよい。
【００１１】
【作用】
本発明のシールド掘進機では、主シールド機に対して補助掘進体が、上記a)の凹部に上記b)の凸部をはめ入れ、かつボルトで締結されることによって連結される。両者間のこうした連結には、つぎのような作用がある。
【００１２】
１） 凹部と凸部との組み合わせにより、特定の方向（凹部における上記の対向面と交差する方向）にはボルトに剪断力がはたらかない。その方向の力（のほとんど）は、組み合わさった凹部と凸部とに作用するため、剪断力としてボルトにかかる力はごく小さいのである。たとえば、主シールド機の左右側方に補助掘進体を連結するものとし、対向面である二面を上下に有する凹部を形成してこれに補助掘進体の凸部をはめ入れる（図１（ａ）参照）ときは、土砂等から上下方向にはたらく荷重はこの凹部と凸部とに作用し、ボルトの剪断力とはならない。したがって、剪断力に抗し得る強大なボルトを極めて多数使用するまでもなく（このことは、補助掘進体の着脱が容易であることでもある）、主シールド機・補助掘進体間には十分な結合強度があることになる。なお、通常は、掘進中に主シールド機と補助掘進体との間を引き離そうとする力は生じにくいので、ボルトにはたらく引張力も極めて小さい。
【００１３】
2) 上記の凹部は対向面が外方へ向けてテーパ状に広がったものであり、一方の凸部も同様の面を有してその凹部にはめ入れられることから、主シールド機に補助掘進体を連結する際は、少なくとも上記対向面と交差する方向での連結位置の調整が不要である。テーパ状の面を合わせるように上記凹部に凸部をはめ入れれば、凹部（すなわち主シールド機）に対する凸部（すなわち補助掘進体）の、上記方向における位置や取り付け角度等は自ずと定まるからである。そうして凹部と凸部とをはめ合わせたうえボルトの締結をすれば、連結が完了する。
【００１４】
また、主シールド機の円筒状の周壁部に設ける上記の凹部は、上記c)の周壁部の周方向（上下または左右方向）および軸方向（掘進方向）にそれぞれ二面ずつ対向面がある。つまり、そのような面を四方に有する凹部と凸部とをはめ合わせて主シールド機と補助掘進体とを連結すれば、土砂の圧力や掘削抵抗・推進力など、いずれの方向の力によってもボルトに剪断力が作用しない。
【００１５】
3) 主シールド機から補助掘進体を分離するときは、請求項２に記載のように、ボルトやナットを外して凹部より凸部を抜き出したうえ、凹部にカバー類を取り付けるとよい。上記d)のカバー類を、シールドの円筒面に連続する曲面状に形成しているので、補助掘進体を分離した単独の主シールド機にて円形断面のトンネルを掘進するうえで極めて好ましい。このようにカバー類を取り付けて円滑な掘進ができるのは、凸部でなく凹部を主シールド機の側に設けたことによる特有の作用と言える。
【００１６】
【実施例】
図１〜図４に、本発明の一実施例であるシールド掘進機１を示す。この掘進機１は、円形断面のトンネル部分と、より広い断面をもつ駅（地下駅）の空間部分とを交互に一台で掘削することにより、地下鉄路線を効率的に形成できるようにしたものである。そのため図４（ａ）・（ｄ）のように、円筒状の主シールド機１０の左右側方に、それぞれ半円筒状の補助掘進体２０を連結したり分離したりすることができる（その詳細は後述する）よう構成してある。円筒状の主シールド機１０の両側に半円筒状の補助掘進体２０を連結するので、その際には、三つの円が重複し合って水平に連なる三連円の断面をもつ空間を、駅の部分として掘削できる。
【００１７】
主シールド機１０そのものは、一部（後述する連結のための部分）を除いて、公知の一般的なシールド掘進機と差異がないため、単体での構造説明を省略するが、二台の補助掘進体２０と連結された状態でのシールド掘進機１の構造は、概ね、図１および図２のとおりである。すなわち、その連結状態での掘進機１は、三連円のトンネルを掘削するもので、図１のように前面に三つのカッター１１・２１（カッター２１は二つ。以下同様に、補助掘進体２０の関連部分はそれぞれ二つ）が配置され、各輪郭線に沿って円筒状のシールド１２と円弧面状のシールド２２が設けられている。カッター１１・２１は、言うまでもなく地山を削るもので、それぞれが多数のカッタービット１１ａ・２１ａを備える。またカッター１１・２１で掘削された土砂を撹拌するためにアジテータ１１ｐ・２１ｐも配置されている。一方、シールド１２・２２の内側であって隔壁１５で前部と仕切られた後ろの部分には、図１（ｂ）または図２のように、シールドジャッキ１３・２３やセグメントエレクター１４・２４などが備わっている。ジャッキ１３・２３は、エレクター１４・２４にてトンネルの内面に構築したセグメントＡ（図２）を押して掘進機１を推進する手段である。ただしジャッキ１３のうち、図１（ｂ）において外周部以外に配置されているものは、掘進機１が三連円の状態（補助掘進体２０を連結した状態）にある際には機能しない。
【００１８】
主シールド機１０が有するカッター１１は、トンネルの三連円のうち中央の大径の円形部分を掘削するもので、図１（ａ）のように３６０°にわたり全面的にカッタービット１１ａ（一部は図示省略）を配されて一定の向きに連続的に回転する回転式カッターである。図２のように、カッター１１は環状のドラム１１ｂと一体化されており、そのドラム１１ｂがモータ１１ｃによって回転駆動される。
【００１９】
一方、補助掘進体２０のカッター２１は、三連円のうち外側に突出した比較的小径の半円形部分を掘削するものだが、回転式ではなく揺動式のものである。カッター２１については、まず図１（ａ）のように、２１５°の扇形の範囲でシャフト２１ｂから放射状に９本のアームが延び、その前面に複数のカッタービット２１ａ（一部は図示省略）が備えられている。そして図２のとおり、カッター２１は、カッター１１との接触を避けるようそれよりもやや後方に、カッター１１と平行に配置され、軸受２１ｃ等によってシャフト２１ｂが支持されたうえ、そのシャフト２１ｂの中ほどに油圧シリンダ２１ｄの伸縮端が連結されている。シリンダ２１ｄは、カッター２１について一対あるが、それらが交互に伸縮することにより、カッター２１はシャフト２１ｂを中心に図１（ａ）の状態から正・逆の方向へ３０°ずつ揺動する。カッター２１が、半円状の掘削範囲のほぼ全体をカバーする２１５°の広さをもち、またその９本のアームの間隔が一部範囲を除いて約３０°であることから、上記した±３０°の揺動によって、所要範囲の掘削が十分に行える。
【００２０】
さて、以上に述べた三連円の状態のシールド掘進機１は、中央の主シールド機１０の左右に一台ずつ補助掘進体２０を連結してなるものだが、その連結はつぎのとおりに行っている。すなわち、
イ） 主シールド機１０から補助掘進体２０を切り離すことを可能にすべく、複数のボルト（およびナット）１６ｎ（図１（ａ）または図２）の締結によって連結する。
【００２１】
ロ） 土砂等による上部からの荷重に基づいてボルト１６ｎに剪断力がかからないよう、図１（ａ）のとおり、主シールド機１０の周壁部に設けた凹部１６と補助掘進体２０の側部に設けた凸部２６とをはめ合わせることにより連結する。凹部１６は、同（ａ）のとおり、外側に開いたテーパ状の二つの対向面１６ａとそれにつながる底面１６ｂとを主シールド機１０の周壁部（シールド１２）の一部に形成したものである。一方の凸部２６は、上記の対向面１６ａに密着し得るテーパ状の対向面２６ａと、底面１６ｂとはわずかの隙間を介して接合し得る突出端面２６ｂとを、補助掘進体２０のシールド２２に続けて形成している。
【００２３】
以上に説明した連結を解いて補助掘進体２０を切り離したとき、側方視する主シールド機１０の外形は図３のようになる。凹部１６とボルト１６ｎ（ボルト穴１６ｍ）、キー１６ｘ（またはキー溝１６ｅ）などが見える。円形断面のトンネルは、このような主シールド機１０のみの状態の掘進機１によって掘削することができる。ただし運転にあたっては、凹部１６と後方の開口部１７とをそれぞれカバー１８・１９（図４参照）で覆っておく方がシールド１２の機能上、好ましい。
【００２４】
このシールド掘進機１による地下鉄路線の掘削は、つぎの要領にしたがって進めることができる。図４に基づいて説明すると、
▲１▼ カバー１８・１９を取り付けた状態の主シールド機１０（図４（ａ））によって、駅間の円形断面のトンネルを掘進する。
【００２５】
▲２▼ 駅の部分の両端（始端および終端）に相当する箇所には地表からやや広めの立坑（図示せず）を掘っておくが、掘進機１（主シールド機１０）が駅の始端の立坑に到達したとき、カバー１８・１９を取り外して（図４（ｂ））、二台の補助掘進体２０を両側に連結する（図４（ｃ））。この作業は、地表とつながる立坑内のやや広めのスペースを利用して行う。主シールド機１０に対して補助掘進体２０は、前述のとおり凹部１６と凸部２６とをはめ合わせたうえボルト１６ｎ（図２参照）によって連結するが、凹部１６・凸部２６間にテーパ状の対向面１６ａ・２６ａ（図１（ａ）参照）があるため、連結位置や軸心の平行度（角度）等の調整は不要である。
【００２６】
▲３▼ 主シールド機１０に補助掘進体２０を連結した状態（図４（ｄ））で、水平三連円の断面を有する駅空間の掘削を行う。
【００２７】
▲４▼ 駅の終端に設けた立坑に達すると、その立坑内で以上とは逆に補助掘進体２０を分離し、かつカバー１８・１９を取り付けて主シールド機１０のみの状態（図４（ａ））に戻し、再び駅間の円形断面のトンネルを掘進する。
【００２８】
以上、一実施例を紹介したが、本発明はこのほか下記のように実施することも可能である。
【００２９】
ａ） 主シールド機に連結する補助掘進体は、上記実施例のように断面が半円形でカッターが揺動式のものに限ることはない。駅などとして必要な空間の断面（三連円以外の場合もある）に合わせて他の形状のものにするのもよく、また、その断面形状や主シールド機との組み合わせによっては、揺動式以外（たとえば回転式・往復動式）のカッターを採用するのもよい。
【００３０】
ｂ） 一台の主シールド機に連結する補助掘進体は、二台ばかりとは限らず、必要な空間の断面に合わせてその数を定めればよい。また、補助掘進体の連結位置も、主シールド機の側方（水平位置）のみには限らない。たとえば、円形断面のトンネルの上部に空調ダクトや配線等のための拡張空間を形成したい場合には、主シールド機の上部に、補助掘進体を連結することになる。
【００３１】
ｃ） 補助掘進体には、カッターとシールドとが必要であるが、シールドジャッキなどの推進手段は必ずしも不可欠でない。十分な結合強度をもって主シールド機と連結されるので、主シールド機の推進力に余裕があれば、補助掘進体には推進手段の不要な場合もある。掘進速度は多少低下するが、連結状態での掘進距離が短いときには問題にならないことが多い。
【００３２】
ｄ） 地下鉄路線の掘削ばかりではなく、たとえば、一部に待避車線や追い越し車線等を含む自動車道路用のトンネルを掘削する場合にも使用できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明のシールド掘進機には、つぎのような効果がある。
【００３４】
１） 主シールド機の凹部と補助掘進体の凸部との組み合わせに基づき、特定の方向にはボルトに剪断力がはたらかないので、強大なボルトを多数使用するまでもなく、主シールド機・補助掘進体間に十分な結合強度がもたらされる。
【００３５】
２） はめ合わせられる凹部と凸部にはテーパ状の対向面があるので、主シールド機に対し、特定方向には連結位置等の調整をせずに、容易に補助掘進体を連結することができる。このことは、上記１）によってボルトの着脱作業が容易であることと相俟って、掘進工事の円滑化を図るうえで好ましい。
【００３６】
３） 主シールド機の側に凹部があるので、主シールド機のみで円形断面のトンネルを掘る場合に掘進の円滑化を図りやすい。
【００３７】
さらに、
4) 主シールド機の円筒状の周壁部に設ける凹部のテーパ状対向面を、前記周壁部の周方向（上下または左右方向）および軸方向（掘進方向）にそれぞれ二面ずつ設けている。つまり、そのような面を四方に有する主シールド掘進機側凹部とこれに対応する補助掘進体側凸部とをはめ合わせて主シールド機と補助掘進体とを連結すれば、土砂の圧力や掘削抵抗・推進力など、いずれの方向の力によってもボルトに剪断力が作用しないという効果がある。
【００３８】
請求項２のシールド掘進機にはさらに、
5) 主シールド機から補助掘進体を分離するときは、ボルトやナットを外して凹部より凸部を抜き出したうえ、凹部にカバー類を取り付けることができるが、そのカバー類を、シールドの円筒面に連続する曲面状に形成してあるから、補助掘進体を分離した単独の主シールド機にて円形断面のトンネルを掘進するうえで極めて好ましい。

【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施例としてのシールド掘進機１につき概要を示す正面図であり、同（ｂ）は、その掘進機１の背面図である。
【図２】図１（ａ）のＩＩ−ＩＩにおけるシールド掘進機１の断面図である。
【図３】シールド掘進機１について主シールド機１０のみの状態を示す側面図である。
【図４】シールド掘進機１による地下鉄路線の掘削要領を示す概念図である。
【符号の説明】
１ シールド掘進機
１０ 主シールド機
２０ 補助掘進体
１１・２１ カッター
１２・２２ シールド
１６ 凹部
１６ａ 対向面
１６ｘ キー（抗剪断部材）
２６ 凸部
２６ａ 対向面

Claims (2)

1. 円形断面のトンネルを掘進する主シールド機に対して、その周囲に広がる部分を掘進すべくカッターとシールドとを含む補助掘進体を、ボルトによって側部に連結し、かつ分離するシールド掘進機であって、
   主シールド機の周壁部には、対向面が外方へ向けてテーパ状に広がった凹部を設け、補助掘進体には、上記の連結をなすためその凹部にはめ入れられる凸部を設けるとともに、
   前記凹部および前記凸部のテーパ状対向面を、前記周壁部の周方向および軸方向にそれぞれ二面ずつ設けた
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記主シールド機の周壁部に設けられた凹部に、その周壁部の円筒面に適応する曲面状に形成したカバー類を取り付けて前記凹部を塞げるようにした請求項１記載のシールド掘進機。

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