JP4070530B2 - シールド機、シールド工法及びシールド機を用いるトンネル拡幅工法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド機、シールド工法及びシールド機を用いるトンネル拡幅工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地下鉄の駅のホーム部を備えるトンネルの区間など、トンネルの軸方向における前後の部分と比べて広い幅を有するトンネルの一部区間を構築する際には開削工法を用いるのが一般的である。しかしながら、この開削工法には、地上部を広範囲にわたって長期間占有する必要があるため、地上交通が妨げられるという問題があった。
【０００３】
この問題を解決すべく、シールド工法を用いて駅のホーム部を構築する場合がある。即ち、まず、主シールド機によって駅間のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。次に、駅部分となるべき区間では、駅部分の始端位置に設けた立坑において主シールド機の両側部に副シールド機を装着することにより、いわゆる３連円型シールド機を形成する。次に、この３連円型シールド機によって、ホーム部を備えた駅部分のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。そして駅部分の終端位置に設けた立坑において副シールド機を取り外し、主シールド機によって駅間のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなシールド工法によって駅のホーム部を構築する場合には、主シールド機の側部に副シールド機を脱着するのに手間がかかり、ホーム部を構築する施工期間が長くなっていた。
【０００５】
本発明の課題は、手間をかけずに容易にトンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができるシールド機、シールド工法及びシールド機を用いるトンネル拡幅工法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接し前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うシールド機１であって、
前記シールド機本体２は、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部に揺動自在に設けられ、前端部に複数のカッタビット６，…を有する揺動カッタ部４とを備え、
前記外殻部３及び揺動カッタ部４のそれぞれの一方の側の側部は、前記既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、
前記揺動カッタ部４の少なくとも前記一方の側の側部は、前記既設セグメントリングＳ１の周方向に揺動し、
前記外殻部３の前記前端部における前記一方の側の側部から離間した部分のうち、前記揺動カッタ部の側方の部分には、複数の回転軸５１，…が前方に突出して設けられ、
これら複数の回転軸５１，…の先端部には、前端部に複数のカッタビット６，…を有する回動カッタ部５が偏心して、前記複数の回転軸５１，…を介してパラレルリンク運動するように設けられていることを特徴とする。
【０００７】
ここで、回動カッタ部は、回動カッタ部の形状とほぼ相似なシールド坑を掘削することができるものである。また、回動カッタ部は、揺動カッタ部と比べて高い速度で掘削することができるものである。
請求項１記載の発明によれば、外殻部及び揺動カッタ部のそれぞれの一方の側の側部は既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、揺動カッタ部の少なくとも前記一方の側の側部は既設セグメントリングの周方向に揺動するので、外殻部の前記一方の側の側部を既設セグメントリングの外周面に隣接させてシールド機本体を設置し、揺動カッタ部を揺動させて掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングを破壊することなく、既設セグメントリングの外周面に沿ってトンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて揺動カッタ部の形状を設定することによってシールド坑を任意の断面形状に掘削することができる。
また、揺動カッタ部と比べて高い速度で掘削する回動カッタ部が設けられているので、揺動カッタ部のみで掘削を行う場合と比べ、高い速度で掘削を行うことができる。従って、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
また、回動カッタ部は、その形状とほぼ相似な断面形状のシールド坑を掘削することができるので、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて回動カッタ部の形状を設定することによって、この回動カッタ部と揺動カッタ部とで外殻部の前方を任意の断面形状に掘削することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接し前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うシールド機１であって、
前記シールド機本体２は、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部に設けられ、前記既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って掘削を行うカッタ部（例えば、揺動カッタ部４）とを備え、
前記外殻部３の一方の側の側部は、前記既設セグメントリングＳ１の外周面に沿う形状に形成されており、
前記外殻部３の内部の後部には、セグメントＳ２を組み付けるエレクタ２１が設けられ、前記外殻部３の前記一方の側の側部には、前記外殻部の後端から少なくとも前記エレクタより前方まで延在して切欠部３０が形成されており、
前記エレクタ２１は、前記セグメントＳ２を前記外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、前記切欠部３０によって挟まれる内側の部分から前記セグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングＳ１に当接させ、
前記外殻部３の前記一方の側の側部における前記切欠部３０より前方の部分には、前記セグメントＳ２と当接するべき前記既設セグメントリングＳ１のそれぞれの部位に前記既設トンネルＴ１の軸方向に延在し、前記セグメントＳ２の側端部と互いに係合する係合溝（例えば、溝Ｍ）を形成する切削カッタ部３１１，３１１が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、外殻部の一方の側の側部は既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、カッタ部は既設セグメントリングの外周面に沿って掘削を行うので、外殻部の前記一方の側の側部を既設セグメントリングの外周面に隣接させてシールド機本体を設置し掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングを破壊することなく、既設セグメントリングの外周面に沿ってトンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、外殻部の後部の内部に設けられたエレクタはセグメントを外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、外殻部の切欠部によって挟まれる内側の部分からセグメントの側端部を、互いに離間した２点で既設セグメントリングに当接させるので、既設トンネルと平行な新たなトンネルを、既設トンネルに隣接して構築することができる。従って、セグメントと当接した既設セグメントリングの前記２点で挟まれる内側の部分を取り除き、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させることにより、既設トンネルを拡幅することができる。
また、切削カッタ部によって、セグメントと当接するべき既設セグメントリングのそれぞれの部位に、既設トンネルの軸方向に延在し、セグメントの側端部と互いに係合する係合溝を形成することができるので、シールド機本体により既設トンネルに隣接して構築される新たなトンネルのセグメントと既設トンネルの既設セグメントリングとを強固に接続することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、請求項２記載のシールド機であって、
前記外殻部３の前記一方の側の側部には、前記既設セグメントリングＳ１と当接して前記外殻部３の内部への土砂の浸入を防止する側部シール部３３２が前記切欠部３０の周縁部に設けられ、
前記外殻部３の後部の内周面には、前記セグメントＳ２と当接して前記外殻部３の内部への土砂の浸入を防止するテールシール部３３１が前記外殻部３の周方向に沿ってこの外殻部３の内周面に設けられ、
前記側部シール部３３２と前記テールシール部３３１とは、前記切欠部３０の後部において連続することにより環状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、シールド坑の内周面とセグメントとの間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部の後端部及び切欠部から外殻部の内部に浸入することを、テールシール部及び側部シール部によって防止することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、例えば図１〜図１０に示すように、請求項１〜３の何れか一項に記載のシールド機１を用いるシールド工法であって、
前記既設トンネルＴ１の前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接してこの既設トンネルＴ１の側方に少なくとも前記シールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設け、
次に、前記側部を前記既設セグメントリングＳ１側に向けて前記シールド機１を前記立坑内に設置し、このシールド機１によって前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、既設セグメントリングの外周面に沿って既設トンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、例えば図１〜図１０に示すように、請求項２または３記載のシールド機１を用いて既設トンネルＴ１を拡幅するトンネル拡幅工法であって、
前記既設トンネルＴ１の前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接してこの既設トンネルＴ１の側方に少なくとも前記シールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設け、
次に、前記外殻部の前記一方の側の側部を前記既設セグメントリングＳ１側に向けて前記シールド機１を前記立坑内に設置し、
次に、このシールド機１によって前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行い、かつ、セグメントＳ２を前記外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、前記切欠部３０によって挟まれる内側の部分から前記セグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングＳ１に当接させ、
次に、前記セグメントＳ２の側端部と当接した前記既設セグメントリングＳ１の前記２点で挟まれる内側の部分を取り除くことを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、立坑内にシールド機を設置し、このシールド機を用いて既設セグメントリングの外周面に隣接してトンネルの軸方向に掘進を行うことにより、既設セグメントリングの外周面に沿って既設トンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、セグメントを前記外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、切欠部によって挟まれる内側の部分から前記セグメントの側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングに当接させることにより、既設トンネルに隣接して、この既設トンネルと平行な新たなトンネルを構築することができる。
更に、セグメントの側端部と当接した既設セグメントリングの前記２点で挟まれる内側の部分を取り除くことにより、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させ、既設トンネルを拡幅することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るシールド機１の実施の形態を具体的に説明する。
本実施の形態のシールド機１１は、図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面両側部に隣接し、既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うものである。なお、本実施の形態においては、既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１を、図８に示すように、軸方向に垂直な断面形状が略円形状のものとして説明を行う。
【００２１】
シールド機本体２は、図１及び図２に示すように、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部において既設セグメントリングＳ１に隣接する側の部位に揺動自在に設けられた揺動カッタ部４と、外殻部３の前端部において既設セグメントリングＳ１と離間する側の部位に回動自在に設けられた回動カッタ部５等とを備えている。
【００２２】
揺動カッタ部４は、図３に示すように、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿うように湾曲した正面視円弧状のものであり、前端部に複数のカッタビット６，…を備えている。この揺動カッタ部４は、油圧ジャッキ（図示せず）等により駆動されることにより、外殻部３の前方を既設セグメントリングＳ１の周方向に沿って円弧状に掘削する。
【００２３】
回動カッタ部５は、図３に示すように、前端部に複数のカッタビット６，…を備える正面視矩形状のものである。この回動カッタ部５は、いわゆるＤＰＬＥＸカッタ部である。即ち、回動カッタ部５は、外殻部３の前端部のうち、揺動カッタ部４の側方の部分から突出して設けられた複数の回転軸５１と偏心した位置のクランク軸５２に支持されており、回転軸５１とクランク軸５２とはアーム部５３によって接続されている。このように複数の回転軸５１に偏心して取り付けられた回動カッタ部５は、複数の回転軸５１を介してパラレルリンク運動可能し、外殻部３の前方を回動カッタ部５より大きい矩形状に掘削する。なお、回動カッタ部５の外殻部３への取付剛性は、揺動カッタ部４の外殻部３への取付剛性よりも高くなっている。
【００２４】
外殻部３は、図１、図４及び図５に示すように、軸方向に垂直な断面形状が略凸字状のものである。この外殻部３は、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿うように湾曲して形成された板状の第一外殻部３１と、この第一外殻部３１の既設セグメントリングＳ１から離間する側の部位に設けられた、略コ字状の断面形状を有する第二外殻部３２などとから構成されている。
【００２５】
第一外殻部３１はその前端部で揺動カッタ部４を支持している。この第一外殻部３１の上下端部から離間した部分には、第一外殻部３１の後端から前方に向かってコ字状の切欠部３０が設けられている。この切欠部３０の互いに対向する壁面、つまり切欠部３０の上下壁面は、第二外殻部３２の上下内面と面一となっている。
【００２６】
第二外殻部３２はその前端部に複数の回転軸５１，…、複数のアーム部５３，…及び複数のクランク軸５２，…と、回転軸５１をそれぞれ回動させる複数の駆動源５４，…などとを備え、回転軸５１及びアーム部５３を介してクランク軸５２の前端部で回動カッタ部５を支持している。なお、回動カッタ部５の第二外殻部３２への取付剛性は、揺動カッタ部４の第一外殻部３１への取付剛性より大きくなっている。
【００２７】
上記のように構成された外殻部３の前部〜中間部には、図１，２に示すように、既設セグメントリングＳ１を切削する切削カッタ部３１１と、シールド機本体２の掘進方向を制御する方向制御部３２１と、掘削された土砂が外殻部３に侵入するのを防ぐためのシールド隔壁部３５と、掘削された土砂を外部に搬出するスクリューコンベア３４等とが設けられている。
【００２８】
切削カッタ部３１１，３１１は、図１に示すように、既設トンネルＴ１の軸方向に延在する溝部Ｍを既設セグメントリングに形成するものであり、第一外殻部３１の外面における切欠部３０の両隅部の前方の部位に設けられている。溝部Ｍは、既設セグメントリングＳ１に当接して組み付けられるセグメントＳ２の側端部と互いに係合するものである。
【００２９】
方向制御部３２１は、図２に示すように、第二外殻部３２の上下壁部および側壁部に、これら壁部を貫通してそれぞれ２つ設けられている。この方向制御部３２１は、前端部から後端部に向かって厚みを増すように形成された縦断面視台形状の板状部材３２２と、外殻部３の内部に固定されて板状部材３２２を外殻部３の外部に押し出す油圧ジャッキなどの駆動源３２３とを備えている。このような方向制御部３２１は、板状部材３２２を外殻部３の外部に押し出すことにより、掘進に伴う抵抗力の、外殻部３の表面に垂直な分力を利用してシールド機本体２の掘進方向を制御するものである。
【００３０】
シールド隔壁部３５は、外殻部３の前端部を覆うように設けられ、回動カッタ部５及び揺動カッタ部４との間に、土砂等を溜めるためのチャンバ３６を形成している。このチャンバ３６内には、掘削した土砂と、揺動カッタ部４及び回動カッタ部５の前方に加泥された泥漿材とが取り込まれるようになっている。これにより、チャンバ３６内には切羽面の土圧に対抗する土圧が発生し、切羽を安定化させることができるようになっている。なお、チャンバ３６内には、チャンバ３６内の泥漿材と土砂とを撹拌して塑性流動化させるための攪拌機（図示せず）が設けられている。
このシールド隔壁部３５には、回動カッタ部５を回動させる複数の回転軸５１，…と、スクリューコンベア３４の前端部が貫通して設けられている。
【００３１】
スクリューコンベア３４は、内部に螺旋状のスクリューを備える筒状の装置であり、外殻部３の内部に前端部側が低くなるように傾斜して配設されている。スクリューコンベア３４の前端部は、チャンバ３６内で開口している。このスクリューコンベア３４は、その回転によってチャンバ３６内で塑性流動化させた土砂を後方へ排出するとともに、チャンバ３６内の土圧を管理する。
【００３２】
外殻部３の中間部〜後部には、図２、図４及び図５に示すように、既設セグメントリングＳ１またはセグメントＳ２と当接して外殻部３の内部への土砂の浸入を防止するための２つのシール部３３，３３が、互いに隣接して設けられている。各シール部３３は、外殻部３の外周面に設けられた側部シール部３３２と、外殻部３の後端部の内周面に設けられたテールシール部３３１とからなる。側部シール部３３２は、切欠部３０の周縁部に設けられている。テールシール部３３１は、外殻部３の周方向に沿って設けられている。これら側部シール部３３２とテールシール部３３１とは、切欠部３０の後端部においてこの切欠部３０の上下壁面に延出して連続することにより環状に形成されている。更に、これら側部シール部３３２及びテールシール部３３１からなるシール部３３は、より詳細には図６に示すように、互いに離間して外殻部３の表面に当接した板状の２つの板状部３３３と、これら板状部３３３と連続した略Ｃ字状のＣ字部３３４とから断面視略ひ字状に形成されている。このＣ字部３３４と外殻部３の表面との間にはグリス３３５が封入され、外殻部３の内部への土砂や裏込材の侵入を防止している。
【００３３】
また、外殻部３の内部の後部には、外殻部３の内部でセグメントＳ２を組み付けるエレクタ２１と、組み付けられたセグメントＳ２からシールド機本体２が掘進する際の反力を取る複数の推進ジャッキ２２，…と、シールド機本体２が掘進する方向を制御する複数の方向修正ジャッキ２３，…と、セグメントＳ２の外面とシールド坑の内周面との間にモルタル等の裏込を注入するための裏込注入部２６等とが設けられている。
【００３４】
エレクタ２１は、図８に示すように、セグメントＳ２を外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、切欠部３０によって挟まれる内側の部分からセグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で既設セグメントリングＳ１に当接させるものである。なお、エレクタ２１の上方には、組み付けられたセグメントＳ２を上方に押し上げるセグメント押し上げ装置２４が設けられている。またなお、組み付けられたセグメントＳ２によって囲まれる内側の部分には、このセグメントＳ２が土圧によってたわまないよう、セグメントＳ２を上下に押圧することによりセグメントＳ２の断面形状を保持するための２つの形状保持装置２５，２５が上下に延在して設けられている。
【００３５】
推進ジャッキ２２は、外殻部３の軸方向と平行に伸縮可能なものであり、第二外殻部３２の周方向に所定間隔ごとに複数設けられている。
方向修正ジャッキ２３は、外殻部３の軸方向と平行に伸縮可能なものであり、第一外殻部３１における既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接する部分に、上下方向に沿って所定間隔ごとに複数設けられている。この方向修正ジャッキ２３は、既設セグメントリングＳ１に沿って設けられる反力受け部材（図示せず）を後方に押すことにより、シールド機１の掘進方向を修正するものである。なお、この反力受け部材は、シールド機１の掘進方向の修正が必要となった際に作業者によって仮設されるものである。
【００３６】
裏込注入部２６は、図５（ｂ）に示すように、第一外殻部３１の後端部に設けられており、既設セグメントリングＳ１に沿って形成された余掘り部分に裏込を注入可能となっている。
【００３７】
次に、以上のようなシールド機１を用い、既設トンネルＴ１を拡幅し、図１０に示すような地下鉄の駅のホーム部を構築する手順について説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、既設セグメントリングＳ１の両側部に隣接して、ホーム部が構築されるべき区間の両端部にシールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設ける。なお、本実施の形態においては、ＮＡＴＭ工法を用いて既設トンネルＴ１の内部から側方に向かって立坑Ｔ３を設けている。またなお、この立坑Ｔ３を設けるに先立ち、薬液注入工法などを用いて既設トンネルＴ１の周囲の地盤を改良している。またなお、立坑Ｔ３の内壁面は、立坑内での作業の安全性を確保するとともにシールド機１によって容易に掘削されるように、繊維補強コンクリートなどによって覆われている。
【００３８】
次に、図７（ｂ）に示すように、既設トンネルＴ１の内部においてシールド機１を２つ組み立てる。次に、これらシールド機１，１を横方向に移動し、既設トンネルＴ１の軸方向における一方の側の２つの立坑Ｔ３，Ｔ３の内部にそれぞれ設置する。
次に、これら立坑Ｔ３，Ｔ３におけるシールド機１の後端側の側壁に、推進ジャッキ２２が反力を取るための反力受け部材Ｈをそれぞれ設ける。
【００３９】
次に、図７（ｃ）に示すように、各シールド機１によって既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行う。これにより、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って既設トンネルＴ１の軸方向にシールド坑を掘削する、即ち、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を掘削する。
【００４０】
この掘進と並行して、切削カッタによって既設セグメントリングＳ１の外周面に、既設トンネルＴ１の軸方向に延在する溝部を形成する。また、図７（ｄ）に示すように、エレクタ２１によってセグメントを外殻部３の内周面に沿わせるとともに切欠部３０によって囲まれる内側の部分から既設セグメントリングＳ１の溝部Ｍに沿ってセグメントの側端部を係合させる。これにより、図８及び図９に示すように、既設トンネルＴ１に隣接してこの既設トンネルＴ１と平行な新たなトンネルＴ２を構築する。なお、シールド機１の掘進方向がずれた場合には、必要に応じて既設セグメントリングＳ１に沿って反力受け部材（図示せず）を仮設する。そして、この反力受け部材を方向修正ジャッキ２３によって後方に押すことによりシールド機１の掘進方向を修正する。
【００４１】
次に、他方の立坑Ｔ３内に達したシールド機１を、既設トンネルＴ１の内部に移動し、この既設トンネルＴ１の内部で解体する。
そして、図１０に示すように、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を、例えば回転カッタ（図示せず）等を用いて取り除くことにより、既設トンネルＴ１の内部と新たなトンネルＴ２の内部とを連続させ、既設トンネルＴ１を拡幅する。なお、本実施の形態においては、新たなトンネルＴ２のセグメントと既設セグメントリングＳ１との接続部分に、この接続部分を補強するための補強柱を設けている。
【００４２】
以上のようなシールド機１によれば、外殻部３及び揺動カッタ部４における既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接する部分はこの外周面に沿う形状に形成されており、揺動カッタ部４の少なくとも既設セグメントリングＳ１に隣接する部分はこの既設セグメントリングＳ１の周方向に揺動するので、シールド機本体２を既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して設置し、揺動カッタ部４を揺動させて掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングＳ１を破壊することなく、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って既設トンネルＴ１の軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体２を独立して用い、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。よって、主シールド機は駅部を含むトンネルの全区間を連続して掘削することができるため、トンネルの全区間を連続して掘削し、複数の駅部のホーム部を並行して構築することができる。また、従来と異なり、主シールド機を副シールド機と脱着可能に構成する必要がないため、主シールド機の機械構造を単純化することができ、主シールド機の製造コストを低廉化することができる。
【００４３】
また、回動カッタ部５は、高い取付剛性で外殻部３に設けられているので、揺動カッタ部４のみで掘削を行う場合と比べ、高い速度で掘削を行うことができる。従って、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
【００４４】
また、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて揺動カッタ部４と回動カッタ部５との形状を設定することによってシールド坑を任意の断面形状に掘削することができる。
【００４５】
また、外殻部３の後部の内部に設けられたエレクタ２１はセグメントＳ２を外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、外殻部３の切欠部によって挟まれる内側の部分からセグメントＳ２の側端部を、互いに離間した溝部Ｍ，Ｍに沿って既設セグメントリングＳ１に当接させるので、既設トンネルＴ１に隣接して、この既設トンネルＴ１と平行な新たなトンネルＴ２を構築することができる。従って、既設セグメントリングＳ１における溝部Ｍ，Ｍで挟まれる部分を取り除き、既設トンネルＴ１の内部と新たなトンネルＴ２の内部とを連続させることにより、既設トンネルＴ１を拡幅し、拡幅された左右両側部を地下鉄の駅のホーム部等として利用することができる。
【００４６】
また、切削カッタ部３１１によって、既設セグメントリングＳ１におけるセグメントＳ２と当接するべきそれぞれの部位に、既設トンネルＴ１の軸方向に延在し、セグメントＳ２の側端部と互いに係合する係合溝を形成することができるので、シールド機本体２により既設トンネルＴ１に隣接して構築される新たなトンネルＴ２を、既設トンネルＴ１と一体化することができる。即ち、新たなトンネルＴ２のセグメントＳ２と既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１とを強固に接続することができる。
【００４７】
また、シールド坑の内周面とセグメントＳ２との間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部３の後端部及び切欠部から外殻部３の内部に浸入することを、シール部３３によって防止することができる。
また、第二外殻部３２の上下壁部及び側壁部に設けられた方向制御部３２１，…によってシールド機１の横方向へのずれを抑えることにより、シールド機１を既設セグメントリングＳ１から離間しないようにすることができる。従って、セグメントＳ２の側端部を、既設セグメントリングＳ１の溝部Ｍに確実に当接させ、これらセグメントＳ２と既設セグメントリングＳ１とを強固に接続することができる。
更に、従来の開削工法を用いる場合と異なり、シールド機が発進、到達する場所だけに立坑を設ければ良く、広範囲にわたって地上部を占有する必要がないため、地上交通を妨げずに工事を行うことができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態においては、回動カッタ部５をＤＰＬＥＸ型のカッタ部として説明したが、外殻部３の前方を掘削できる限りにおいて、１つの軸を中心に回動するカッタ部としても良い。また、外殻部３の前端部には回動カッタ部５と揺動カッタ部４とが設けられていることとして説明したが、揺動カッタ部４のみが設けられることとしても良い。
【００４９】
また、立坑Ｔ３を設けるのにＮＡＴＭ工法を用いることとして説明したが、シールド機１を設置可能な立坑Ｔ３を設けることができる限りにおいて、開削工法など他の工法を用いて立坑Ｔ３を設けることとしても良い。
また、２つのシールド機１，１を並行して用いることによって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することとして説明したが、１つのシールド機１をＵターンさせて用いることによって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することとしても良い。具体的には、まず、シールド機１によって既設トンネルＴ１の一方の側部に新たなトンネルＴ２を構築する。次に、立坑Ｔ３内に達したシールド機１を、既設トンネルＴ１を介して、既設トンネルＴ１の他方の側部に設けられた立坑Ｔ３の内部に移動する。このとき、シールド機１の前後の向きを反転させる。そして、このシールド機１によって、既設トンネルＴ１の他方の側部に新たなトンネルＴ２を構築する。以上のような場合には、１つのシールド機１によって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することができるので、シールド機１を複数組み立てる必要がない分、施工コストを低廉化することができる。
更に、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を、回転カッタ（図示せず）等を用いて取り除くこととして説明したが、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を予め取り外し可能なセグメントで形成し、このセグメントを新たなトンネルＴ２の内部から取り外すこととしても良い。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
【００５２】
請求項２記載の発明によれば、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、既設トンネルと平行な新たなトンネルを既設トンネルに隣接して構築することができる。また、シールド機本体により既設トンネルに隣接して構築される新たなトンネルのセグメントと既設トンネルの既設セグメントリングとを強固に接続することができる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、シールド坑の内周面とセグメントとの間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部の後端部及び切欠部から外殻部の内部に浸入することを、テールシール部及び側部シール部によって防止することができる。
【００５５】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
【００５６】
請求項５記載の発明によれば、請求項２または３記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、既設トンネルに隣接して、この既設トンネルと平行な新たなトンネルを構築することができる。更に、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させ、既設トンネルを拡幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド機を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るシールド機の、軸方向と平行な鉛直断面図である。
【図３】本発明に係るシールド機を示す図であり、（ａ）はシールド機の正面図であり、（ｂ）はシールド機の、軸方向と垂直な断面図である。
【図４】本発明に係るシールド機の、揺動カッタ部側の側面図である。
【図５】本発明に係るシールド機を示す図であり、（ａ）はシールド機の背面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図６】シール部の断面を示す図である。
【図７】本発明に係るトンネル拡幅工法を説明するための平面図である。
【図８】既設トンネルの既設セグメントリングと新たに構築されたトンネルのセグメントとを示す斜視図である。
【図９】側部に新たなトンネルが構築された状態を示す横断面図である。
【図１０】ホーム部が設けられたトンネルを示す横断面図である。
【符号の説明】
１ シールド機
２ シールド機本体
３ 外殻部
４ 揺動カッタ部
５ 回動カッタ部
６ カッタビット
２１ エレクタ
３０ 切欠部
３３ シール部
５１ 回転軸
３１１ 切削カッタ部
３３１ テールシール部
３２２ 側部シール部
Ｍ 係合溝
Ｓ１ 既設セグメントリング
Ｓ２ セグメント
Ｔ１ 既設トンネル
Ｔ３ 立坑
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド機、シールド工法及びシールド機を用いるトンネル拡幅工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地下鉄の駅のホーム部を備えるトンネルの区間など、トンネルの軸方向における前後の部分と比べて広い幅を有するトンネルの一部区間を構築する際には開削工法を用いるのが一般的である。しかしながら、この開削工法には、地上部を広範囲にわたって長期間占有する必要があるため、地上交通が妨げられるという問題があった。
【０００３】
この問題を解決すべく、シールド工法を用いて駅のホーム部を構築する場合がある。即ち、まず、主シールド機によって駅間のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。次に、駅部分となるべき区間では、駅部分の始端位置に設けた立坑において主シールド機の両側部に副シールド機を装着することにより、いわゆる３連円型シールド機を形成する。次に、この３連円型シールド機によって、ホーム部を備えた駅部分のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。そして駅部分の終端位置に設けた立坑において副シールド機を取り外し、主シールド機によって駅間のトンネルを構築するためのシールド坑を掘削する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなシールド工法によって駅のホーム部を構築する場合には、主シールド機の側部に副シールド機を脱着するのに手間がかかり、ホーム部を構築する施工期間が長くなっていた。
【０００５】
本発明の課題は、手間をかけずに容易にトンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができるシールド機、シールド工法及びシールド機を用いるトンネル拡幅工法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接し前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うシールド機１であって、
前記シールド機本体２は、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部に揺動自在に設けられ、前端部に複数のカッタビット６，…を有する揺動カッタ部４とを備え、
前記外殻部３及び揺動カッタ部４のそれぞれの一方の側の側部は、前記既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、
前記揺動カッタ部４の少なくとも前記一方の側の側部は、前記既設セグメントリングＳ１の周方向に揺動し、
前記外殻部３の前記前端部における前記一方の側の側部から離間した部分のうち、前記揺動カッタ部の側方の部分には、複数の回転軸５１，…が前方に突出して設けられ、
これら複数の回転軸５１，…の先端部には、前端部に複数のカッタビット６，…を有する回動カッタ部５が偏心して、前記複数の回転軸５１，…を介してパラレルリンク運動するように設けられていることを特徴とする。
【０００７】
ここで、回動カッタ部は、回動カッタ部の形状とほぼ相似なシールド坑を掘削することができるものである。また、回動カッタ部は、揺動カッタ部と比べて高い速度で掘削することができるものである。
請求項１記載の発明によれば、外殻部及び揺動カッタ部のそれぞれの一方の側の側部は既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、揺動カッタ部の少なくとも前記一方の側の側部は既設セグメントリングの周方向に揺動するので、外殻部の前記一方の側の側部を既設セグメントリングの外周面に隣接させてシールド機本体を設置し、揺動カッタ部を揺動させて掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングを破壊することなく、既設セグメントリングの外周面に沿ってトンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて揺動カッタ部の形状を設定することによってシールド坑を任意の断面形状に掘削することができる。
また、揺動カッタ部と比べて高い速度で掘削する回動カッタ部が設けられているので、揺動カッタ部のみで掘削を行う場合と比べ、高い速度で掘削を行うことができる。従って、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
また、回動カッタ部は、その形状とほぼ相似な断面形状のシールド坑を掘削することができるので、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて回動カッタ部の形状を設定することによって、この回動カッタ部と揺動カッタ部とで外殻部の前方を任意の断面形状に掘削することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接し前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うシールド機１であって、
前記シールド機本体２は、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部に設けられ、前記既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って掘削を行うカッタ部（例えば、揺動カッタ部４）とを備え、
前記外殻部３の一方の側の側部は、前記既設セグメントリングＳ１の外周面に沿う形状に形成されており、
前記外殻部３の内部の後部には、セグメントＳ２を組み付けるエレクタ２１が設けられ、前記外殻部３の前記一方の側の側部には、前記外殻部の後端から少なくとも前記エレクタより前方まで延在して切欠部３０が形成されており、
前記エレクタ２１は、前記セグメントＳ２を前記外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、前記切欠部３０によって挟まれる内側の部分から前記セグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングＳ１に当接させ、
前記外殻部３の前記一方の側の側部における前記切欠部３０より前方の部分には、前記セグメントＳ２と当接するべき前記既設セグメントリングＳ１のそれぞれの部位に前記既設トンネルＴ１の軸方向に延在し、前記セグメントＳ２の側端部と互いに係合する係合溝（例えば、溝Ｍ）を形成する切削カッタ部３１１，３１１が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、外殻部の一方の側の側部は既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、カッタ部は既設セグメントリングの外周面に沿って掘削を行うので、外殻部の前記一方の側の側部を既設セグメントリングの外周面に隣接させてシールド機本体を設置し掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングを破壊することなく、既設セグメントリングの外周面に沿ってトンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、外殻部の後部の内部に設けられたエレクタはセグメントを外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、外殻部の切欠部によって挟まれる内側の部分からセグメントの側端部を、互いに離間した２点で既設セグメントリングに当接させるので、既設トンネルと平行な新たなトンネルを、既設トンネルに隣接して構築することができる。従って、セグメントと当接した既設セグメントリングの前記２点で挟まれる内側の部分を取り除き、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させることにより、既設トンネルを拡幅することができる。
また、切削カッタ部によって、セグメントと当接するべき既設セグメントリングのそれぞれの部位に、既設トンネルの軸方向に延在し、セグメントの側端部と互いに係合する係合溝を形成することができるので、シールド機本体により既設トンネルに隣接して構築される新たなトンネルのセグメントと既設トンネルの既設セグメントリングとを強固に接続することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、請求項２記載のシールド機であって、
前記外殻部３の前記一方の側の側部には、前記既設セグメントリングＳ１と当接して前記外殻部３の内部への土砂の浸入を防止する側部シール部３３２が前記切欠部３０の周縁部に設けられ、
前記外殻部３の後部の内周面には、前記セグメントＳ２と当接して前記外殻部３の内部への土砂の浸入を防止するテールシール部３３１が前記外殻部３の周方向に沿ってこの外殻部３の内周面に設けられ、
前記側部シール部３３２と前記テールシール部３３１とは、前記切欠部３０の後部において連続することにより環状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、シールド坑の内周面とセグメントとの間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部の後端部及び切欠部から外殻部の内部に浸入することを、テールシール部及び側部シール部によって防止することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、例えば図１〜図１０に示すように、請求項１〜３の何れか一項に記載のシールド機１を用いるシールド工法であって、
前記既設トンネルＴ１の前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接してこの既設トンネルＴ１の側方に少なくとも前記シールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設け、
次に、前記側部を前記既設セグメントリングＳ１側に向けて前記シールド機１を前記立坑内に設置し、このシールド機１によって前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、既設セグメントリングの外周面に沿って既設トンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、例えば図１〜図１０に示すように、請求項２または３記載のシールド機１を用いて既設トンネルＴ１を拡幅するトンネル拡幅工法であって、
前記既設トンネルＴ１の前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接してこの既設トンネルＴ１の側方に少なくとも前記シールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設け、
次に、前記外殻部の前記一方の側の側部を前記既設セグメントリングＳ１側に向けて前記シールド機１を前記立坑内に設置し、
次に、このシールド機１によって前記既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して前記既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行い、かつ、セグメントＳ２を前記外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、前記切欠部３０によって挟まれる内側の部分から前記セグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングＳ１に当接させ、
次に、前記セグメントＳ２の側端部と当接した前記既設セグメントリングＳ１の前記２点で挟まれる内側の部分を取り除くことを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、立坑内にシールド機を設置し、このシールド機を用いて既設セグメントリングの外周面に隣接してトンネルの軸方向に掘進を行うことにより、既設セグメントリングの外周面に沿って既設トンネルの軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルを拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
また、セグメントを前記外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、切欠部によって挟まれる内側の部分から前記セグメントの側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングに当接させることにより、既設トンネルに隣接して、この既設トンネルと平行な新たなトンネルを構築することができる。
更に、セグメントの側端部と当接した既設セグメントリングの前記２点で挟まれる内側の部分を取り除くことにより、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させ、既設トンネルを拡幅することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るシールド機１の実施の形態を具体的に説明する。
本実施の形態のシールド機１１は、図１〜図５に示すように、シールド機本体２が既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１の外周面両側部に隣接し、既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行うものである。なお、本実施の形態においては、既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１を、図８に示すように、軸方向に垂直な断面形状が略円形状のものとして説明を行う。
【００２１】
シールド機本体２は、図１及び図２に示すように、筒状の外殻部３と、この外殻部３の前端部において既設セグメントリングＳ１に隣接する側の部位に揺動自在に設けられた揺動カッタ部４と、外殻部３の前端部において既設セグメントリングＳ１と離間する側の部位に回動自在に設けられた回動カッタ部５等とを備えている。
【００２２】
揺動カッタ部４は、図３に示すように、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿うように湾曲した正面視円弧状のものであり、前端部に複数のカッタビット６，…を備えている。この揺動カッタ部４は、油圧ジャッキ（図示せず）等により駆動されることにより、外殻部３の前方を既設セグメントリングＳ１の周方向に沿って円弧状に掘削する。
【００２３】
回動カッタ部５は、図３に示すように、前端部に複数のカッタビット６，…を備える正面視矩形状のものである。この回動カッタ部５は、いわゆるＤＰＬＥＸカッタ部である。即ち、回動カッタ部５は、外殻部３の前端部のうち、揺動カッタ部４の側方の部分から突出して設けられた複数の回転軸５１と偏心した位置のクランク軸５２に支持されており、回転軸５１とクランク軸５２とはアーム部５３によって接続されている。このように複数の回転軸５１に偏心して取り付けられた回動カッタ部５は、複数の回転軸５１を介してパラレルリンク運動可能し、外殻部３の前方を回動カッタ部５より大きい矩形状に掘削する。なお、回動カッタ部５の外殻部３への取付剛性は、揺動カッタ部４の外殻部３への取付剛性よりも高くなっている。
【００２４】
外殻部３は、図１、図４及び図５に示すように、軸方向に垂直な断面形状が略凸字状のものである。この外殻部３は、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿うように湾曲して形成された板状の第一外殻部３１と、この第一外殻部３１の既設セグメントリングＳ１から離間する側の部位に設けられた、略コ字状の断面形状を有する第二外殻部３２などとから構成されている。
【００２５】
第一外殻部３１はその前端部で揺動カッタ部４を支持している。この第一外殻部３１の上下端部から離間した部分には、第一外殻部３１の後端から前方に向かってコ字状の切欠部３０が設けられている。この切欠部３０の互いに対向する壁面、つまり切欠部３０の上下壁面は、第二外殻部３２の上下内面と面一となっている。
【００２６】
第二外殻部３２はその前端部に複数の回転軸５１，…、複数のアーム部５３，…及び複数のクランク軸５２，…と、回転軸５１をそれぞれ回動させる複数の駆動源５４，…などとを備え、回転軸５１及びアーム部５３を介してクランク軸５２の前端部で回動カッタ部５を支持している。なお、回動カッタ部５の第二外殻部３２への取付剛性は、揺動カッタ部４の第一外殻部３１への取付剛性より大きくなっている。
【００２７】
上記のように構成された外殻部３の前部〜中間部には、図１，２に示すように、既設セグメントリングＳ１を切削する切削カッタ部３１１と、シールド機本体２の掘進方向を制御する方向制御部３２１と、掘削された土砂が外殻部３に侵入するのを防ぐためのシールド隔壁部３５と、掘削された土砂を外部に搬出するスクリューコンベア３４等とが設けられている。
【００２８】
切削カッタ部３１１，３１１は、図１に示すように、既設トンネルＴ１の軸方向に延在する溝部Ｍを既設セグメントリングに形成するものであり、第一外殻部３１の外面における切欠部３０の両隅部の前方の部位に設けられている。溝部Ｍは、既設セグメントリングＳ１に当接して組み付けられるセグメントＳ２の側端部と互いに係合するものである。
【００２９】
方向制御部３２１は、図２に示すように、第二外殻部３２の上下壁部および側壁部に、これら壁部を貫通してそれぞれ２つ設けられている。この方向制御部３２１は、前端部から後端部に向かって厚みを増すように形成された縦断面視台形状の板状部材３２２と、外殻部３の内部に固定されて板状部材３２２を外殻部３の外部に押し出す油圧ジャッキなどの駆動源３２３とを備えている。このような方向制御部３２１は、板状部材３２２を外殻部３の外部に押し出すことにより、掘進に伴う抵抗力の、外殻部３の表面に垂直な分力を利用してシールド機本体２の掘進方向を制御するものである。
【００３０】
シールド隔壁部３５は、外殻部３の前端部を覆うように設けられ、回動カッタ部５及び揺動カッタ部４との間に、土砂等を溜めるためのチャンバ３６を形成している。このチャンバ３６内には、掘削した土砂と、揺動カッタ部４及び回動カッタ部５の前方に加泥された泥漿材とが取り込まれるようになっている。これにより、チャンバ３６内には切羽面の土圧に対抗する土圧が発生し、切羽を安定化させることができるようになっている。なお、チャンバ３６内には、チャンバ３６内の泥漿材と土砂とを撹拌して塑性流動化させるための攪拌機（図示せず）が設けられている。
このシールド隔壁部３５には、回動カッタ部５を回動させる複数の回転軸５１，…と、スクリューコンベア３４の前端部が貫通して設けられている。
【００３１】
スクリューコンベア３４は、内部に螺旋状のスクリューを備える筒状の装置であり、外殻部３の内部に前端部側が低くなるように傾斜して配設されている。スクリューコンベア３４の前端部は、チャンバ３６内で開口している。このスクリューコンベア３４は、その回転によってチャンバ３６内で塑性流動化させた土砂を後方へ排出するとともに、チャンバ３６内の土圧を管理する。
【００３２】
外殻部３の中間部〜後部には、図２、図４及び図５に示すように、既設セグメントリングＳ１またはセグメントＳ２と当接して外殻部３の内部への土砂の浸入を防止するための２つのシール部３３，３３が、互いに隣接して設けられている。各シール部３３は、外殻部３の外周面に設けられた側部シール部３３２と、外殻部３の後端部の内周面に設けられたテールシール部３３１とからなる。側部シール部３３２は、切欠部３０の周縁部に設けられている。テールシール部３３１は、外殻部３の周方向に沿って設けられている。これら側部シール部３３２とテールシール部３３１とは、切欠部３０の後端部においてこの切欠部３０の上下壁面に延出して連続することにより環状に形成されている。更に、これら側部シール部３３２及びテールシール部３３１からなるシール部３３は、より詳細には図６に示すように、互いに離間して外殻部３の表面に当接した板状の２つの板状部３３３と、これら板状部３３３と連続した略Ｃ字状のＣ字部３３４とから断面視略ひ字状に形成されている。このＣ字部３３４と外殻部３の表面との間にはグリス３３５が封入され、外殻部３の内部への土砂や裏込材の侵入を防止している。
【００３３】
また、外殻部３の内部の後部には、外殻部３の内部でセグメントＳ２を組み付けるエレクタ２１と、組み付けられたセグメントＳ２からシールド機本体２が掘進する際の反力を取る複数の推進ジャッキ２２，…と、シールド機本体２が掘進する方向を制御する複数の方向修正ジャッキ２３，…と、セグメントＳ２の外面とシールド坑の内周面との間にモルタル等の裏込を注入するための裏込注入部２６等とが設けられている。
【００３４】
エレクタ２１は、図８に示すように、セグメントＳ２を外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、切欠部３０によって挟まれる内側の部分からセグメントＳ２の側端部を、互いに離間した２点で既設セグメントリングＳ１に当接させるものである。なお、エレクタ２１の上方には、組み付けられたセグメントＳ２を上方に押し上げるセグメント押し上げ装置２４が設けられている。またなお、組み付けられたセグメントＳ２によって囲まれる内側の部分には、このセグメントＳ２が土圧によってたわまないよう、セグメントＳ２を上下に押圧することによりセグメントＳ２の断面形状を保持するための２つの形状保持装置２５，２５が上下に延在して設けられている。
【００３５】
推進ジャッキ２２は、外殻部３の軸方向と平行に伸縮可能なものであり、第二外殻部３２の周方向に所定間隔ごとに複数設けられている。
方向修正ジャッキ２３は、外殻部３の軸方向と平行に伸縮可能なものであり、第一外殻部３１における既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接する部分に、上下方向に沿って所定間隔ごとに複数設けられている。この方向修正ジャッキ２３は、既設セグメントリングＳ１に沿って設けられる反力受け部材（図示せず）を後方に押すことにより、シールド機１の掘進方向を修正するものである。なお、この反力受け部材は、シールド機１の掘進方向の修正が必要となった際に作業者によって仮設されるものである。
【００３６】
裏込注入部２６は、図５（ｂ）に示すように、第一外殻部３１の後端部に設けられており、既設セグメントリングＳ１に沿って形成された余掘り部分に裏込を注入可能となっている。
【００３７】
次に、以上のようなシールド機１を用い、既設トンネルＴ１を拡幅し、図１０に示すような地下鉄の駅のホーム部を構築する手順について説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、既設セグメントリングＳ１の両側部に隣接して、ホーム部が構築されるべき区間の両端部にシールド機１の大きさより大きい立坑Ｔ３を設ける。なお、本実施の形態においては、ＮＡＴＭ工法を用いて既設トンネルＴ１の内部から側方に向かって立坑Ｔ３を設けている。またなお、この立坑Ｔ３を設けるに先立ち、薬液注入工法などを用いて既設トンネルＴ１の周囲の地盤を改良している。またなお、立坑Ｔ３の内壁面は、立坑内での作業の安全性を確保するとともにシールド機１によって容易に掘削されるように、繊維補強コンクリートなどによって覆われている。
【００３８】
次に、図７（ｂ）に示すように、既設トンネルＴ１の内部においてシールド機１を２つ組み立てる。次に、これらシールド機１，１を横方向に移動し、既設トンネルＴ１の軸方向における一方の側の２つの立坑Ｔ３，Ｔ３の内部にそれぞれ設置する。
次に、これら立坑Ｔ３，Ｔ３におけるシールド機１の後端側の側壁に、推進ジャッキ２２が反力を取るための反力受け部材Ｈをそれぞれ設ける。
【００３９】
次に、図７（ｃ）に示すように、各シールド機１によって既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して既設トンネルＴ１の軸方向に掘進を行う。これにより、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って既設トンネルＴ１の軸方向にシールド坑を掘削する、即ち、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を掘削する。
【００４０】
この掘進と並行して、切削カッタによって既設セグメントリングＳ１の外周面に、既設トンネルＴ１の軸方向に延在する溝部を形成する。また、図７（ｄ）に示すように、エレクタ２１によってセグメントを外殻部３の内周面に沿わせるとともに切欠部３０によって囲まれる内側の部分から既設セグメントリングＳ１の溝部Ｍに沿ってセグメントの側端部を係合させる。これにより、図８及び図９に示すように、既設トンネルＴ１に隣接してこの既設トンネルＴ１と平行な新たなトンネルＴ２を構築する。なお、シールド機１の掘進方向がずれた場合には、必要に応じて既設セグメントリングＳ１に沿って反力受け部材（図示せず）を仮設する。そして、この反力受け部材を方向修正ジャッキ２３によって後方に押すことによりシールド機１の掘進方向を修正する。
【００４１】
次に、他方の立坑Ｔ３内に達したシールド機１を、既設トンネルＴ１の内部に移動し、この既設トンネルＴ１の内部で解体する。
そして、図１０に示すように、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を、例えば回転カッタ（図示せず）等を用いて取り除くことにより、既設トンネルＴ１の内部と新たなトンネルＴ２の内部とを連続させ、既設トンネルＴ１を拡幅する。なお、本実施の形態においては、新たなトンネルＴ２のセグメントと既設セグメントリングＳ１との接続部分に、この接続部分を補強するための補強柱を設けている。
【００４２】
以上のようなシールド機１によれば、外殻部３及び揺動カッタ部４における既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接する部分はこの外周面に沿う形状に形成されており、揺動カッタ部４の少なくとも既設セグメントリングＳ１に隣接する部分はこの既設セグメントリングＳ１の周方向に揺動するので、シールド機本体２を既設セグメントリングＳ１の外周面に隣接して設置し、揺動カッタ部４を揺動させて掘進を行うことにより、掘進によって既設セグメントリングＳ１を破壊することなく、既設セグメントリングＳ１の外周面に沿って既設トンネルＴ１の軸方向にシールド坑を掘削することができる、即ち、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を掘削することができる。従って、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体２を独立して用い、既設トンネルＴ１を拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。よって、主シールド機は駅部を含むトンネルの全区間を連続して掘削することができるため、トンネルの全区間を連続して掘削し、複数の駅部のホーム部を並行して構築することができる。また、従来と異なり、主シールド機を副シールド機と脱着可能に構成する必要がないため、主シールド機の機械構造を単純化することができ、主シールド機の製造コストを低廉化することができる。
【００４３】
また、回動カッタ部５は、高い取付剛性で外殻部３に設けられているので、揺動カッタ部４のみで掘削を行う場合と比べ、高い速度で掘削を行うことができる。従って、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
【００４４】
また、掘削するべきシールド坑の形状に対応させて揺動カッタ部４と回動カッタ部５との形状を設定することによってシールド坑を任意の断面形状に掘削することができる。
【００４５】
また、外殻部３の後部の内部に設けられたエレクタ２１はセグメントＳ２を外殻部３の内周面に隣接してこの外殻部３の周方向に組み付け、外殻部３の切欠部によって挟まれる内側の部分からセグメントＳ２の側端部を、互いに離間した溝部Ｍ，Ｍに沿って既設セグメントリングＳ１に当接させるので、既設トンネルＴ１に隣接して、この既設トンネルＴ１と平行な新たなトンネルＴ２を構築することができる。従って、既設セグメントリングＳ１における溝部Ｍ，Ｍで挟まれる部分を取り除き、既設トンネルＴ１の内部と新たなトンネルＴ２の内部とを連続させることにより、既設トンネルＴ１を拡幅し、拡幅された左右両側部を地下鉄の駅のホーム部等として利用することができる。
【００４６】
また、切削カッタ部３１１によって、既設セグメントリングＳ１におけるセグメントＳ２と当接するべきそれぞれの部位に、既設トンネルＴ１の軸方向に延在し、セグメントＳ２の側端部と互いに係合する係合溝を形成することができるので、シールド機本体２により既設トンネルＴ１に隣接して構築される新たなトンネルＴ２を、既設トンネルＴ１と一体化することができる。即ち、新たなトンネルＴ２のセグメントＳ２と既設トンネルＴ１の既設セグメントリングＳ１とを強固に接続することができる。
【００４７】
また、シールド坑の内周面とセグメントＳ２との間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部３の後端部及び切欠部から外殻部３の内部に浸入することを、シール部３３によって防止することができる。
また、第二外殻部３２の上下壁部及び側壁部に設けられた方向制御部３２１，…によってシールド機１の横方向へのずれを抑えることにより、シールド機１を既設セグメントリングＳ１から離間しないようにすることができる。従って、セグメントＳ２の側端部を、既設セグメントリングＳ１の溝部Ｍに確実に当接させ、これらセグメントＳ２と既設セグメントリングＳ１とを強固に接続することができる。
更に、従来の開削工法を用いる場合と異なり、シールド機が発進、到達する場所だけに立坑を設ければ良く、広範囲にわたって地上部を占有する必要がないため、地上交通を妨げずに工事を行うことができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態においては、回動カッタ部５をＤＰＬＥＸ型のカッタ部として説明したが、外殻部３の前方を掘削できる限りにおいて、１つの軸を中心に回動するカッタ部としても良い。また、外殻部３の前端部には回動カッタ部５と揺動カッタ部４とが設けられていることとして説明したが、揺動カッタ部４のみが設けられることとしても良い。
【００４９】
また、立坑Ｔ３を設けるのにＮＡＴＭ工法を用いることとして説明したが、シールド機１を設置可能な立坑Ｔ３を設けることができる限りにおいて、開削工法など他の工法を用いて立坑Ｔ３を設けることとしても良い。
また、２つのシールド機１，１を並行して用いることによって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することとして説明したが、１つのシールド機１をＵターンさせて用いることによって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することとしても良い。具体的には、まず、シールド機１によって既設トンネルＴ１の一方の側部に新たなトンネルＴ２を構築する。次に、立坑Ｔ３内に達したシールド機１を、既設トンネルＴ１を介して、既設トンネルＴ１の他方の側部に設けられた立坑Ｔ３の内部に移動する。このとき、シールド機１の前後の向きを反転させる。そして、このシールド機１によって、既設トンネルＴ１の他方の側部に新たなトンネルＴ２を構築する。以上のような場合には、１つのシールド機１によって既設トンネルＴ１の両側部に新たなトンネルＴ２を構築することができるので、シールド機１を複数組み立てる必要がない分、施工コストを低廉化することができる。
更に、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を、回転カッタ（図示せず）等を用いて取り除くこととして説明したが、既設セグメントリングＳ１の溝部によって挟まれる部分を予め取り外し可能なセグメントで形成し、このセグメントを新たなトンネルＴ２の内部から取り外すこととしても良い。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、シールド坑の掘削を、短時間で容易に行うことができる。
【００５２】
請求項２記載の発明によれば、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、既設トンネルと平行な新たなトンネルを既設トンネルに隣接して構築することができる。また、シールド機本体により既設トンネルに隣接して構築される新たなトンネルのセグメントと既設トンネルの既設セグメントリングとを強固に接続することができる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、シールド坑の内周面とセグメントとの間に充填される裏込材や掘削した土砂などが外殻部の後端部及び切欠部から外殻部の内部に浸入することを、テールシール部及び側部シール部によって防止することができる。
【００５５】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、従来と異なり、主シールド機の側部に副シールド機を脱着することなく、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。
【００５６】
請求項５記載の発明によれば、請求項２または３記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、シールド機本体を独立して用い、トンネルを拡幅するためのシールド坑を手間をかけずに容易に掘削することができる。また、既設トンネルに隣接して、この既設トンネルと平行な新たなトンネルを構築することができる。更に、既設トンネルの内部と新たなトンネルの内部とを連続させ、既設トンネルを拡幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド機を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るシールド機の、軸方向と平行な鉛直断面図である。
【図３】本発明に係るシールド機を示す図であり、（ａ）はシールド機の正面図であり、（ｂ）はシールド機の、軸方向と垂直な断面図である。
【図４】本発明に係るシールド機の、揺動カッタ部側の側面図である。
【図５】本発明に係るシールド機を示す図であり、（ａ）はシールド機の背面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図６】シール部の断面を示す図である。
【図７】本発明に係るトンネル拡幅工法を説明するための平面図である。
【図８】既設トンネルの既設セグメントリングと新たに構築されたトンネルのセグメントとを示す斜視図である。
【図９】側部に新たなトンネルが構築された状態を示す横断面図である。
【図１０】ホーム部が設けられたトンネルを示す横断面図である。
【符号の説明】
１ シールド機
２ シールド機本体
３ 外殻部
４ 揺動カッタ部
５ 回動カッタ部
６ カッタビット
２１ エレクタ
３０ 切欠部
３３ シール部
５１ 回転軸
３１１ 切削カッタ部
３３１ テールシール部
３２２ 側部シール部
Ｍ 係合溝
Ｓ１ 既設セグメントリング
Ｓ２ セグメント
Ｔ１ 既設トンネル
Ｔ３ 立坑
Claims (5)
- シールド機本体が既設トンネルの既設セグメントリングの外周面に隣接し前記既設トンネルの軸方向に掘進を行うシールド機であって、
前記シールド機本体は、筒状の外殻部と、この外殻部の前端部に揺動自在に設けられ、前端部に複数のカッタビットを有する揺動カッタ部とを備え、
前記外殻部及び揺動カッタ部のそれぞれの一方の側の側部は、前記既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、
前記揺動カッタ部の少なくとも前記一方の側の側部は、前記既設セグメントリングの周方向に揺動し、
前記外殻部の前記前端部における前記一方の側の側部から離間した部分のうち、前記揺動カッタ部の側方の部分には、複数の回転軸が前方に突出して設けられ、
これら複数の回転軸の先端部には、前端部に複数のカッタビットを有する回動カッタ部が偏心して、前記複数の回転軸を介してパラレルリンク運動するように設けられていることを特徴とするシールド機。 - シールド機本体が既設トンネルの既設セグメントリングの外周面に隣接し前記既設トンネルの軸方向に掘進を行うシールド機であって、
前記シールド機本体は、筒状の外殻部と、この外殻部の前端部に設けられ、前記既設セグメントリングの外周面に沿って掘削を行うカッタ部とを備え、
前記外殻部の一方の側の側部は、前記既設セグメントリングの外周面に沿う形状に形成されており、
前記外殻部の内部の後部には、セグメントを組み付けるエレクタが設けられ、
前記外殻部の前記一方の側の側部には、前記外殻部の後端から少なくとも前記エレクタより前方まで延在して切欠部が形成されており、
前記エレクタは、前記セグメントを前記外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、前記切欠部によって挟まれる内側の部分から前記セグメントの側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングに当接させ、
前記外殻部の前記一方の側の側部における前記切欠部より前方の部分には、前記セグメントと当接するべき前記既設セグメントリングのそれぞれの部位に前記既設トンネルの軸方向に延在し、前記セグメントの側端部と互いに係合する係合溝を形成する切削カッタ部が設けられていることを特徴とするシールド機。 - 請求項２記載のシールド機であって、
前記外殻部の前記一方の側の側部には、前記既設セグメントリングと当接して前記外殻部の内部への土砂の浸入を防止する側部シール部が前記切欠部の周縁部に設けられ、
前記外殻部の後部の内周面には、前記セグメントと当接して前記外殻部の内部への土砂の浸入を防止するテールシール部が前記外殻部の周方向に沿ってこの外殻部の内周面に設けられ、
前記側部シール部と前記テールシール部とは、前記切欠部の後部において連続することにより環状に形成されていることを特徴とするシールド機。 - 請求項１〜３の何れか一項に記載のシールド機を用いるシールド工法であって、
前記既設トンネルの前記既設セグメントリングの外周面に隣接してこの既設トンネルの側方に少なくとも前記シールド機の大きさより大きい立坑を設け、
次に、前記外殻部の前記一方の側の側部を前記既設セグメントリング側に向けて前記シールド機を前記立坑内に設置し、このシールド機によって前記既設セグメントリングの外周面に隣接して前記既設トンネルの軸方向に掘進を行うことを特徴とするシールド工法。 - 請求項２または３記載のシールド機を用いて既設トンネルを拡幅するトンネル拡幅工法であって、
前記既設トンネルの前記既設セグメントリングの外周面に隣接してこの既設トンネルの側方に少なくとも前記シールド機の大きさより大きい立坑を設け、
次に、前記外殻部の前記一方の側の側部を前記既設セグメントリング側に向けて前記シールド機を前記立坑内に設置し、
次に、このシールド機によって前記既設セグメントリングの外周面に隣接して前記既設トンネルの軸方向に掘進を行い、かつ、前記セグメントを前記外殻部の内周面に隣接してこの外殻部の周方向に組み付け、前記切欠部によって挟まれる内側の部分から前記セグメントの側端部を、互いに離間した２点で前記既設セグメントリングに当接させ、
次に、前記セグメントの側端部と当接した前記既設セグメントリングの前記２点で挟まれる内側の部分を取り除くことを特徴とするトンネル拡幅工法。
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