JP3739982B2

JP3739982B2 - トンネル施工方法及びトンネル掘削機

Info

Publication number: JP3739982B2
Application number: JP30907999A
Authority: JP
Inventors: 雅彦杉山; 幸司多田; 武久吉沢; 彰宇佐美; 毅柳楽; 清一松下; 徹谷口; 潤高橋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toda Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toda Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001132395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的大断面のトンネルを構築するトンネル施工方法、並びにこのトンネル施工方法に用いられるトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、比較的大断面のトンネルを構築する施工方法として、シールド掘削機により断面が矩形の小トンネルを複数個掘削し、この小トンネルを四角い枠状に連結して中央部の土砂を排出することで、大断面トンネルを構築する方法が知られている。
【０００３】
このトンネル施工方法では、この小トンネル同士の連結工事を容易にするため、シールド掘進機が小トンネルを掘削するとき、併せて隣接する小トンネル同士の空間部も掘削し、掘削後にこの空間部にセメント及び裏込め剤を充填することで、隣接する小トンネル間の接続工事を行っている。また、隣接する小トンネルの接続工事を安全に施工するため、矩形に組付けられた小トンネルの鋼枠に向けて、隣接する小トンネルの鋼枠からスライド鋼板を押し出し、隣接する小トンネルの連結部の両側にこのスライド鋼板を沿わせて固定することで、連結工事時の土圧防護及びトンネル連結部の強度部材とする工法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来のトンネル施工方法にあっては、シールド掘進機とは別にスライド鋼板を圧入するスライド鋼板圧入装置を組み立てられた鋼枠内に独立して設けており、シールド掘進機による小トンネル掘削後、つまり、鋼枠を矩形に組付けて小トンネルを形成した後、既設の小トンネル内に位置するスライド鋼板圧入装置により隣接する小トンネルの鋼枠に向けてスライド鋼板を押し出して側部に沿わせるようにしていた。
【０００５】
そのため、スライド鋼板圧入装置が大掛かりなものとなり、既設の小トンネル（鋼枠）内に配設すると、小トンネル内の作業空間を阻害してしまって他の作業に支承をきたしてしまう。また、このスライド鋼板圧入装置では、小トンネル内から外部に位置するスライド鋼板を移動させなければならず、小トンネルを構成する鋼枠にスリットを形成し、スライド鋼板圧入装置のアームをこのスリットから小トンネルの外方に突出させ、アーム先端部によりスライド鋼板を保持して移動させている。そのため、作業中にこのスリットを通して外部から掘削土砂や泥水が浸入する虞があるが、これを機械的に止水することが困難で、別途止水対策を施す必要があり、コスト高になってしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、装置の小型軽量化及び低コスト化を図ると共に作業性の向上を図ったトンネル施工方法及びトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明のトンネル施工方法は、施工計画トンネルの外周部長手方向を掘削機により掘削しながら覆工部材を順次組立てると共に、該掘削機のテール部に内蔵する押出装置により連結部材を隣接する前記覆工部材の側面に沿うようにトンネル長手方向に直交する水平方向にシール付き出口用スリットを通して押し出し、隣接する前記覆工部材同士を相互に連結する工程を繰り返すことで、前記施工計画トンネルの外周全面を前記覆工部材により取り囲んだ後、該覆工部材で取り囲まれた部分の土砂を取り除くことにより大断面のトンネルを構築することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のトンネル掘削機は、矩形筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体の前部に駆動回転自在に装着されたカッタと、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の後部に装着された既設トンネルの内壁面に覆工部材を組立てるエレクタ装置と、前記掘削機本体のテール部の側部に形成された連結部材のシール付き出口用スリットと、前記掘削機本体のテール部内に側方に沿って配設されて前記連結部材を前記シール付き出口用スリットからトンネル長手方向に直交する水平方向に押し出す押出装置とを具えたことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の断面概略、図２に図１のII−II断面、図３にシールド掘削機に装着された押出装置としての押出ジャッキの支持構造を表す掘削機本体の要部断面、図４に連結部材としてのスライド鋼板の出口用スリットを表す掘削機本体の要部断面、図５に本発明のトンネル施工方法によって構築された大断面トンネルの概略を示す。
【００１１】
本実施形態では、図５に示すように、後述したシールド掘削機１０を用いて複数の小トンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３を枠状に掘削形成し、その後、内部の土砂を排出することで、この内部に大トンネルＴを構築する。
【００１２】
このシールド掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は矩形筒状をなし、前端部にバルクヘッド１２が固定され、掘削機本体１１内への掘削土砂の侵入を阻止している。掘削機本体１１にはこのバルクヘッド１２を貫通して掘削方向前後に延びる円筒状の支持フレーム１３が固定されており、この支持フレーム１３の先端部には支持シャフト１４が固結され、この支持シャフト１４には、中央に主取付ブラケット１５が固定され、その両側には副取付ブラケット１６が固定されている。そして、この主取付ブラケット１５及び副取付ブラケット１６に、掘進方向にほぼ直交する横方向に沿った上下一対の水平軸心をもって、上部ドラムカッタ１７と下部ドラムカッタ１８とが回転自在に支持されており、このドラムカッタ１７，１８とバルクヘッド１２との間にチャンバ１９が形成されている。
【００１３】
この上部ドラムカッタ１７及び下部ドラムカッタ１８はほぼ同様の構成をなし、且つ、それぞれ左右対称となっており、掘削機本体１１の前方の前面部に位置している。そして、この上部ドラムカッタ１７及び下部ドラムカッタ１８にはそれぞれ周方向に沿って所定間隔をあけてカッタスポーク２０，２１が固定され、各カッタスポーク２０，２１には多数のカッタビット２２，２３が取付けられている。この場合、上部ドラムカッタ１７と下部ドラムカッタ１８におけるカッタビット２２，２３の先端部の回転軌跡は所定の長さだけオーバーラップしているが、各カッタビット２２，２３の取付位置が回転方向でずれているため、カッタビット２２，２３同士が干渉しないようになっている。そして、各ドラムカッタ１７，１８は内蔵された駆動モータにより回転駆動することができる。
【００１４】
また、掘削機本体１１の後部内周辺には円周方向に複数のシールドジャッキ２４が並設されており、このシールドジャッキ２４が掘進方向後方に伸長して後述する既設の覆工部材としての鋼枠Ｓに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１、即ち、シールド掘削機全体を前進することができる。更に、掘削機本体１１の後部には旋回リング２５が旋回自在に支持され、この旋回リング２５に昇降台２６が支持され、この昇降台２６にエレクタ装置２７が支持されており、このエレクタ装置２７はシールドジャッキ２４によって前進した掘削機本体１１と既設の鋼枠Ｓとの間の空所に新しい鋼枠Ｓを装着することができる。なお、掘削機本体１１に形成されたチャンバ１９には一端がシールド掘削機の外部に延設された図示しない送泥管及び排泥管の他端が開口しており、排泥管の開口部分の近傍には掘削土砂と泥水とを攪拌、混合するアジテータが設置されている。
【００１５】
ところで、本実施形態にあっては、掘削機本体１１のテール部３１に、鋼枠Ｓを組み立てて構成した隣接する小トンネル同士を強固に連結するための連結部材としてのスライド鋼板Ｃを圧入するための装置が設けられている。
【００１６】
即ち、図１乃至図３に示すように、テール部３１は掘削機本体１１とほぼ同断面形状をなし、上部内面及び下部内面の左右両側には、押出装置としてのそれぞれ４本の押出ジャッキ３２，３３がトンネル長手方向に直交する水平方向に沿って配設されている。この各押出ジャッキ３２，３３は基端部がテール部３１に固定されたブラケット３４，３５に連結軸３６，３７により連結される一方、各駆動ロッド３８，３９の先端部には圧入アタッチメント４０，４１が連結され、この圧入アタッチメント４０，４１にはスライド鋼板Ｃを係止する切欠４２が形成されている。また、押出ジャッキ３２，３３に隣接して、この押出ジャッキ３２，３３の圧入アタッチメント４０，４１側を鋼枠Ｓの外周面側に押し付けるスプリングを有する押出ジャッキ押付装置４３，４４が設けられている。
【００１７】
一方、スライド鋼板Ｃは、矩形に組み立てられた鋼枠Ｓ（小トンネル）の上面及び下面の左右両側に配設され、ガイド４５によりトンネル長手方向に直交する水平方向に沿って移動自在に支持されている。即ち、スライド鋼板Ｃの内側に前述した押出ジャッキ３２，３３が位置することとなる。また、テール部３１の左右側部の上部及び下部には、スライド鋼板Ｃに対応してこのスライド鋼板Ｃを掘削機本体１１の外方に押し出すための出口用スリット４６，４７が形成されている。そして、図４に詳細に示すように、この出口用スリット４６，４７の周囲にはこのスリット４６，４７から内部への土砂や泥水の浸入を阻止するための主シール４８と、補助シール４９，５０が設けられており、この主シール４８及び補助シール４９，５０はほぼ切れ目なく配設されている。
【００１８】
また、テール部３１の左右側部内面には、それぞれ６つの鋼枠サポートジャッキ５１，５２が設けられており、この鋼枠サポートジャッキ５１，５２を伸長することで、テール部３１と鋼枠Ｓとを一体とし、押出ジャッキ３２，３３によりスライド鋼板Ｃの押出反力を得ることができるようになっている。更に、図１にて、テール部３１の内周面には、押出ジャッキ３２，３３の前側及び後側に位置して主テールシール５３及び補助テールシール５４とが周方向に連続して装着されている。また、掘削機本体１１の後部には油圧供給源５５が搭載されており、油圧配管５６を通して各押出ジャッキ３２，３３に連結されている。なお、この油圧供給源５５をシールドジャッキ２４やエレクタ装置２７を駆動するために使用してもよく、この場合、機外に配管するのに比べて配管系統が簡素化する。
【００１９】
なお、上述の実施形態において、押出ジャッキ３２，３３をテール部３１の上下及び左右のそれぞれ４本ずつ設けたのは、押し出すスライド鋼板Ｃの位置に応じて適正な２本の押出ジャッキ３２，３３を用いればよいからであり、また、大きな押出力を得るために４本の押出ジャッキ３２，３３を用いてもよい。そして、押出ジャッキを所定数だけテール部３１に着脱自在に設け、必要時に、使用する位置に装着して使用するようにしても良い。更に、押出ジャッキ３２，３３の圧入アタッチメント４０，４１の形状も、スライド鋼板Ｃを確実に係止して押し出せればよく、切欠４２に限定されるものではない。
【００２０】
また、この押出ジャッキ３２，３３により押し出すスライド鋼板Ｃの出口用スリット４６，４７が形成されている。そして、図４に詳細に示すように、この出口用スリット４６，４７の周囲に、主シール４８及び補助シール４９，５０を設けることで、内部への土砂や泥水の浸入を阻止するようにしたが、スライド鋼板Ｃを押し出さないときは、出口用スリット４６，４７に図示しない蓋を設けてもよい。更に、押出ジャッキ押付装置４３，４４をスプリングを有する構造としたが、油圧ジャッキとしてもよい。
【００２１】
以下、このように構成された本実施形態のシールド掘削機１０によるトンネル構築作業について説明する。
【００２２】
まず、図１及び図２に示すように、内蔵された駆動モータにより上下のドラムカッタ１７，１８を回転駆動しながら、シールドジャッキ２４を所定ストローク伸長すると、既設の鋼枠Ｓへの押付反力によって掘削機本体１１が前進し、互いに逆方向に回転駆動するドラムカッタ１７，１８が前方の地盤を掘削する。そして、シールドジャッキ２４のいずれか一つ、あるいは複数を収縮し、既設の鋼枠Ｓとの間の空所を形成し、エレクタ装置２７がこの空所に新しい鋼枠Ｓを装着する。この作動の繰り返しにより矩形断面のトンネルを連続して構築することができる。
【００２３】
このようなシールド掘削機１０の作動により、図５に示すように、まず、下部の３つのトンネルＴ１を構築し、続いて左右の３つのトンネルＴ２を構築し、最後に上部のトンネルＴ３を構築することで、小トンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３を枠状に形成し、その後、内部の土砂を排出することで、この内部に大トンネル（施工計画トンネル）Ｔを構築する。
【００２４】
このように複数の小トンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３を隣接して枠状に形成する場合、隣接するトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３（鋼枠Ｓ）同士をテールボイドＢで接合すると共に、スライド鋼板Ｃにより強度を向上させる。
【００２５】
即ち、図２及び図３に示すように、ドラムカッタ１７，１８により前方の地盤を掘削して掘削機本体１１が前進すると共に、エレクタ装置２７が鋼枠Ｓを組み付けていく。この作業の後に、図示しないボイド充填装置により隣接するトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３（鋼枠Ｓ）のテールボイドＢに裏込め材を充填して両者を接合する。また、鋼枠Ｓの外側に予め用意されたスライド鋼板Ｃに対して対応する押出ジャッキ３２，３３を伸長し、圧入アタッチメント４０，４１を介してスライド鋼板Ｃを移動し、このスライド鋼板Ｃを、出口用スリット４６，４７を通してテール部３１の外部に押し出す。すると、スライド鋼板Ｃは、図５に示すように、隣接するトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３（鋼枠Ｓ）の両側に圧入され、図示しない締結装置によりスライド鋼板ＣとトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３の鋼枠Ｓとをボルトまたは溶接等により締結する。この作業を枠状のトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３全てにわたって実施する。
【００２６】
なお、上述の実施形態では、各トンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３の断面形状が異なっているが、これは断面形状の異なる複数のシールド掘削機を同時、または時間差をつけて作動した場合について説明したものである。本発明では、この実施形態に限らず、各トンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３を同じ断面形状で構築することも可能である。
【００２７】
このように本実施形態のシールド掘削機１０を用いたトンネル施工方法にあっては、従来の方法に比べて以下に示す作用効果を奏することができる。
【００２８】
（１）スライド鋼板Ｃを押し出す押出ジャッキ３２，３３を掘削機本体１１のテール部に内蔵したので、押出反力を掘削機本体１１自体が確実に受け止めることができ、押出ジャッキ３２，３３の周辺構造を小型軽量化できると共に低コスト化できる。
（２）押出ジャッキ３２，３３をスライド鋼板Ｃと対応するテール部の内面に装着したので、圧入アタッチメント４０，４１の支持構造が容易となる。
（３）押出ジャッキ３２，３３等の前後に主テールシール５３及び補助テールシール５４を設けたので、スライド鋼板Ｃや押出ジャッキ３２，３３等がほぼ止水された環境内に配設されることとなり、作業の安全性が向上する。
（４）スライド鋼板Ｃをガイド４５により鋼枠Ｓの外周面に移動自在に支持したので、所定の位置に容易に圧入することができる。
（５）押出ジャッキ３２，３３の圧入アタッチメント４０，４１側を鋼枠Ｓの外周面側に押し付ける押出ジャッキ押付装置４３，４４を設けたので、圧入アタッチメント４０，４１のセットが容易となる。
（６）スライド鋼板Ｃを外部に押し出すスリット４６，４７をテール部３１の両側に設け、このスリット４６，４７を被覆する主シール４８及び補助シール４９，５０を設けたので、土砂や泥水の浸入を確実に阻止することができると共に、各位置で押出ジャッキ３２，３３を共用することで低コスト化が図れる。
【００２９】
なお、上述の実施形態では、トンネルの覆工部材を鋼枠ＳとしてトンネルＴ１，Ｔ２，Ｔ３を構築したが、覆工部材としては、ＲＣセグメントなどを用いてもよい。また、連結部材としてスライド鋼板Ｃを用いたが、これと同等の強度、機能を有する部材であってもよい。更に、押出装置として押出ジャッキ３２，３３を用いたが、モータ等を利用してもよい。また、掘削機本体の前部に装着されたカッタをドラムカッタ１７，１８としたが、円盤状のカッタヘッドであってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル施工方法によれば、施工計画トンネルの外周部長手方向を掘削機により掘削しながら覆工部材を順次組立てると共に、該掘削機のテール部に内蔵する押出装置により連結部材を隣接する前記覆工部材の側面に沿うようにトンネル長手方向に直交する水平方向にシール付き出口用スリットを通して押し出し、隣接する前記覆工部材同士を相互に連結する工程を繰り返すことで、前記施工計画トンネルの外周全面を前記覆工部材により取り囲んだ後、該覆工部材で取り囲まれた部分の土砂を取り除くことにより大断面のトンネルを構築するようにしたので、トンネルの構築作業を連続して実施することができ、特に、覆工部材の組み立て作業に平行して覆工部材の連結作業を行うことができ、且つ、この作業も掘削機内で行うことができ、作業性及び安全性を向上することができる。
【００３１】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、矩形筒状をなす掘削機本体の前部に駆動回転自在なカッタを装着し、推進ジャッキによって掘削機本体を前進可能とし、掘削機本体の後部に既設トンネルの内壁面に覆工部材を組立てるエレクタ装置を設け、掘削機本体のテール部の側部に連結部材のシール付き出口用スリットを形成し、押出装置により連結部材をシール付き出口用スリットからトンネル長手方向に直交する水平方向に押し出し可能としたので、従来のように大掛かりな連結部材の圧入装置を用いる必要はなく、装置の小型軽量化及び低コスト化を図ることができると共に、トンネル内に大きなスペースが確保でき、作業性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の断面概略図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】シールド掘削機に装着された押出ジャッキの支持構造を表す掘削機本体の要部断面図である。
【図４】スライド鋼板の出口用スリットを表す掘削機本体の要部断面図である。
【図５】本発明のトンネル施工方法によって構築された大断面トンネルの概略図である。
【符号の説明】
１１掘削機本体
１７，１８ドラムカッタ（カッタ）
２４シールドジャッキ（推進ジャッキ）
２７エレクタ装置
３１テール部
３２，３３押出ジャッキ（押出装置）
４０，４１圧入アタッチメント
４２切欠
４３，４４押出ジャッキ押付装置
４６，４７スリット
５１，５２鋼枠サポートジャッキ
Ｓ鋼枠（覆工部材）
Ｃスライド鋼板（連結部材）
Ｔ施工計画トンネル

Claims

施工計画トンネルの外周部長手方向を掘削機により掘削しながら覆工部材を順次組立てると共に、該掘削機のテール部に内蔵する押出装置により連結部材を隣接する前記覆工部材の側面に沿うようにトンネル長手方向に直交する水平方向にシール付き出口用スリットを通して押し出し、隣接する前記覆工部材同士を相互に連結する工程を繰り返すことで、前記施工計画トンネルの外周全面を前記覆工部材により取り囲んだ後、該覆工部材で取り囲まれた部分の土砂を取り除くことにより大断面のトンネルを構築することを特徴とするトンネル施工方法。
矩形筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体の前部に駆動回転自在に装着されたカッタと、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の後部に装着された既設トンネルの内壁面に覆工部材を組立てるエレクタ装置と、前記掘削機本体のテール部の側部に形成された連結部材のシール付き出口用スリットと、前記掘削機本体のテール部内に側方に沿って配設されて前記連結部材を前記シール付き出口用スリットからトンネル長手方向に直交する水平方向に押し出す押出装置とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。