JP4118996B2 - トンネル掘削装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大断面トンネルに繋げて小断面トンネルを掘削するトンネル掘削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネル断面を途中で変化させるようにしたトンネル掘削装置として、主シールド掘進機の側部に副シールド掘進機を着脱自在に設けたものが知られている。かかるトンネル掘削装置は、主シールド掘進機と副シールド掘進機とを束ねた状態で大断面トンネルを掘削し、その後、副シールド掘進機を取り外して主シールド掘進機のみで小断面トンネルを掘削するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このタイプでは、主シールド掘進機から副シールド掘進機を取り外すために、シールド掘進機の掘進計画路線上に中間立坑が必要となるが、中間立坑の構築は、工事費の増大および工期の長期化を招く。また、都市においては地上の都合によって掘進計画路線上に中間立坑が設けられない事態も考えられる。
【０００４】
また、互いに独立の主副シールド掘進機を単に束ねたのみでは、各掘進機同士が接触する部分のシールドフレームが干渉するため、セグメントを大断面状に組み立てられない。このため、シールドフレームの後端に各掘進機の束ねの外郭に沿ってテールプレートを設ける必要があり、機長が長くなっていた。
【０００５】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できると共に、機長の短縮化も図れるトンネル掘削装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係るトンネル掘削機は、シールド掘進機を複数束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進して、大断面トンネルに繋げて小断面トンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、尾部にテールプレートを有する筒体状のシールドフレームを外郭とするシールド掘進機を複数係脱自在に束ねると共に、各シールド掘進機同士が接触する部分のテールプレートを着脱自在とし、各シールド掘進機の前部に配設され、切羽を切削すべく回転するカッタが、その回転中心から外方に延出されたカッタスポークを備え、複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進した際に取り残されるシールド掘進機のカッタのカッタスポークは、その回転掘削域が発進するシールド掘進機側に食み出すと共に、カッタ回転角度を調節することで発進するシールド掘進機と干渉しないように形成され、上記各シールド掘進機同士が接触しない部分のテールプレートを内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、それら内筒及び外筒の内のいずれか一方に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに固定される固定手段と、上記内筒及び外筒の内の上記固定手段が取り付けられなかったものの内周面に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに接触されるテールシールとを備えたものである。
【０００７】
本発明によれば、シールド掘進機を複数束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、そこから１以上のシールド掘進機を発進させて小断面トンネルを掘削することにより、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できる。この際、シールド掘進機を複数束ねた状態では、各掘進機同士が接触する部分のテールプレートを取り外すことにより、機長を伸ばすことなくセグメントを大断面状に組み立てられる。また、その状態から個々のシールド掘進機を発進させるときには上記部分にテールプレートを取り付けることにより、その内側でセグメントを小断面状に組み立てられる。
【０００８】
また、上記各シールド掘進機同士が接触しない部分のテールプレートを内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、それら内筒及び外筒の内のいずれか一方に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに固定される固定手段と、上記内筒及び外筒の内の上記固定手段が取り付けられなかったものの内周面に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに接触されるテールシールとを備えているので、大断面トンネルと小断面トンネルとの接続部のシール性を確保できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１および図２に示すように、本実施形態に係るトンネル掘削装置は、筒体状のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃを外郭とするシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを３個並列に係脱自在に束ね、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、そこから中央の掘進機２ｂが発進して小断面トンネルを掘削するものである。各シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃは、スポット溶接やボルト等によって係脱される。
【００１１】
詳しくは、中央のシールド掘進機２ｂは、その外郭が断面略正方形状のシールドフレーム１ｂからなり、中央にメインカッタ３ｂを有する共に、四隅にサブカッタ４ｂを有している。両側のシールド掘進機２ａ、２ｃは、その外郭が断面略長方形状のシールドフレーム１ａ、１ｃからなり、その中央にメインカッタ３ａ、３ｃを有すると共に、外側の二隅にコーナカッタ４ａ、４ｃを有している。
【００１２】
両側のシールド掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃは、軸方向に前後に二分割され、それぞれ前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとから構成されている。前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとは、中折れジャッキ７ａ、７ｃ（図示せず）を介して接続され、相互に屈曲自在となっている。また、前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとの間には、中折れシール８ａ、８ｃが設けられている。他方、中央のシールド掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂは、図４に示すように前胴５ｂと後胴６ｂとからなる中折れ式となっており、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態における中折れを許容する。
【００１３】
各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの前部には、切羽側と坑内側とを仕切る隔壁９ａ、９ｂ、９ｃがそれぞれ設けられている。各隔壁９ａ、９ｂ、９ｃには、切羽を掘削するメインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃ、サブカッタ４ａおよびコーナカッタ４ｂ、４ｃがそれぞれ設けられている。これらカッタ３、４は、図示しないカッタモータによってそれぞれ回転駆動される。サブカッタ４ａおよびコーナカッタ４ｂ、４ｃは、メインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃと干渉しないようにその後方に配置されている。
【００１４】
各メインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃは、３本のカッタスポーク１０を有しており、それらが同一平面上で噛み合うように同期して回転駆動されるようになっている。図２に示すように、中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの断面形状は、中央のメインカッタ３ｂの回転域に合わせてそれをカバーするように設定される。図５および図６に示すように、中央の掘進機２ｂのみでの単独掘進を可能とするためである。
【００１５】
他方、両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃの断面形状は、両側のメインカッタ３ａ、３ｃの回転域の一部が中央の掘進機２ｂ側に食み出すように設定されるが、両側のメインカッタ３ａ、３ｃのカッタスポーク１０を図２の回転位置としたときには中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂと干渉しないようになっている。図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂを発進させるときに邪魔にならないようにするためである。
【００１６】
また、各シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの隔壁には、上記カッタ３ａ、３ｂ、３ｃで掘削された土砂を坑内側に搬送するスクリューコンベヤ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの取込口１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。両側の掘進機２ａ、２ｃの取込口１２ａ、１２ｃは、図２に示すように正面から見て幅方向内側に寄せられている。これは、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態では、中央の掘進機２ｂのスクリューコンベヤ１１ｂを使用せずに、両側の掘進機２ａ、２ｃのスクリューコンベヤ１１ａ、１１ｃのみで土砂を搬送するためである。
【００１７】
両側の掘進機２ａ、２ｃの後胴６ａ、６ｃの内部および中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後方には、図３にも示すように掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを前進させるためのシールドジャッキ１３が取り付けられている。シールドジャッキ１３は、既設セグメント１４の端面に当接するシュー１５を有しており、図３に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿って矩形状に配置されている。
【００１８】
図１および図３に示すように、中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてには、シールドジャッキ１３が取り付けられていない。３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが一体となっているときには、その部分にはセグメント１４が組み立てられないためである。この部分には、図５乃至図６に示すように中央の掘進機２ｂが発進するときに、シールドジャッキ１３が取り付けられることになる。
【００１９】
また、両側の掘進機２ａ、２ｃの後胴６ａ、６ｃの内部および中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後方には、セグメント１４を組み立てるためのエレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれぞれ設けられている。各エレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態においては、共同して作業を行い３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿ってセグメント１４を組み立て、矩形状の大断面のトンネルＴ１を構築する。また、図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂが発進したときには、中央のエレクタ１６ｂが単独で中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂに沿ってセグメント１７を組み立て、矩形状の小断面のトンネルＴ２を構築する（図１０参照）。
【００２０】
各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの尾部には、図１に示すように筒体状のテールプレート１８が設けられる。テールプレート１８の内周面には、既設セグメント１４との間をシールするブラシ状のテールシール１９が設けられる。本実施形態の特徴とするところは、各シールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のテールプレート１８（中央の掘進機２ｂの左右側部のテールプレート１８ｂ）を、シールドフレーム１ｂに対して着脱自在とした点である。
【００２１】
詳しくは、図１に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態では、中央の掘進機２ｂが両側の掘進機２ａ、２ｃと接触する部分のテールプレート１８ｂが取り外される。これは、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿ってセグメント１４を組み立て、大断面のトンネルＴ１を構築するためである。すなわち、トンネルＴ１を構築するセグメント１４の組み立ては、図１および図３に示す上述のエレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃによってなされるが、そのとき仮に上記テールプレート１８ｂが取り付けられていると、そのプレート１８ｂが邪魔になってセグメント１４を大断面状に組み立てられないのである。
【００２２】
また、その後図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂが発進するときには、上述のように取り外されていたテールプレート１８ｂが中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂに取り付けられる。この取り付けには、溶接やボルト止め等が用いられる。これは、取り付けられたテールプレート１８ｂの内側で小断面トンネルＴ２用のセグメント１７を組み立て、小断面のトンネルＴ２を構築するためである。すなわち、仮に上記テールプレート１８ｂを取り付けないとすると、中央の掘進機２ｂは外部の土砂からシールドされた状態でセグメント１７を組み立てることができないのである。
【００２３】
かかる構成によって、図１に示すトンネル掘削機の機長の短縮化を図ることができる。すなわち、仮に互いに独立の３個のシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを単に束ねたのみでは、セグメント１４を大断面状に組み立てる際に、各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの後端部が干渉するため、シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの後端部に各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃの束ねの外郭に沿って図示しないテールプレートを延長して設ける必要があり、機長が長くなってしまう。
【００２４】
これに対し、本実施形態のように、掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のテールプレート１８ｂを着脱自在とし、図１のように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねたときにはそのテールプレート１８ｂを取り外してセグメント１４の組立スペースを確保し、図５乃至図６のように中央の掘進機２ｂを発進させるときには上記テールプレート１８ｂを取り付けて側部土圧から内部を防護するようにすれば、機長を長くすることなく大断面トンネルＴ１と小断面トンネルＴ２とを適正に構築できるのである。
【００２５】
他方、図１に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態において、図１の紙面の裏表に位置する部分のテールプレート１８（上下のテールプレート）は、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃとも着脱自在ではなくそれぞれシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃに固定的に取り付けられている。この部分は、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態のみならず中央の掘進機２ｂが発進する状態でも、常に側部土圧から内部を防護する必要があり、またセグメント１４の組み立ての邪魔になることもないからである。
【００２６】
次に、本実施形態の第２の特徴は、図４および図９に示すように、各シールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触しない部分のテールプレート１８、すなわち中央の掘進機２ｂの上下部分のテールプレート１８を、内筒２０、２１と外筒とからなる二重筒構造とした点である。内筒２０は、図９(a),(b) にも示すように、シールドフレーム１ｂに固定され、その外側に外筒２１がスライド自在に被嵌されている。内筒２０と外筒２１とは、図示しないスポット溶接やボルト等によって係脱自在となっている。外筒２１の後部には、既設セグメント１４との間をシールするブラシ状のテールシール１９が取り付けられている。また、外筒２１には、当該外筒２１を既設セグメント１４に固定する固定手段として、固定ブラケット２２が着脱自在に取り付けられる。固定ブラケット２２は、図９(a) に示すようにセグメント１７の端部に一体的に設けてもよい。
【００２７】
中央の掘進機２ｂを発進させるときには、先ずスポット溶接やボルト等を外して内外筒２０、２１をフリーにした後、図９(a) に示すように固定ブラケット２２を取り付ける。そして、新たなセグメント１７を組み立て、それに中央の掘進機２ｂのシールドジャッキ１３のシュー１５を押し当てて中央の掘進機２ｂを掘進させる。なお、これに先立って、図３において取り外されていた中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてのシールドジャッキ１３が取り付けられるのは勿論である。そして、図９(b) に示すように内筒２９の内周面が坑内に露出したならば、その内周面に新たなテールシール２３を取り付けるようにする。
【００２８】
以上の構成からなるトンネル掘削機は、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが並列に束ねられた状態で地山を掘進し、その後方に３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態の輪郭に沿って長方形状の大断面のトンネルＴ１を構築する。この際、中央の掘進機２ｂの左右部のテールプレート１８ｂは、前述のようにセグメント１４の組み立ての邪魔にならないように取り外されている。このときの中央の掘進機２ｂの側断面を図４および図７(a) に示す。
【００２９】
その後、中央の掘進機２ｂを発進させるときには、先ず各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを固定しているスポット溶接やボルト等を取り外し、中央の掘進機２ｂをフリーにする。そして、図４に示すように中央の掘進機２ｂの上下部の二重筒構造のテールプレート１８のスポット溶接やボルト等を外し、図９に示すように内外筒２０、２１をフリーにする。そして、図７(b) および図９(a) に示すように、外筒２１に、当該外筒２１を既設セグメント１４に固定する固定ブラケット２２を取り付ける。固定ブラケット２２は、図９(a) に示すようにセグメント１７の端部に一体的に設けられている。
【００３０】
かかる作業に並行して、図５に示すように、中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後端の左右側部にテールプレート１８ｂを取り付ける。テールプレート１８ｂの内周面には、テールシール２４が設けられる。そして、図５に示すように、両側の掘進機２ｃのスクリューコンベヤ１１ｃを取り外し、それを中央の掘進機２ｂに取り付ける。両側の掘進機２ａ、２ｃは、埋め殺しにされその後は使用されないからである。
【００３１】
その後、図７(c) および図９(b) に示すように、中央の掘進機２ｂの内部にて新たなセグメント１７を組み立て、それに中央の掘進機２ｂのシールドジャッキ１３のシュー１５を押し当てて中央の掘進機２ｂのみを掘進させる。すると、外筒２１が取り残され、内筒２０が掘進機２ｂと一体的に掘進する。掘進中、内筒２０の径方向外側部分には、薬剤が注入されて地山が固められ、止水ゾーン２５が形成される。内外筒２０、２１の間を通って水が坑内に浸入するのを防止するためである。
【００３２】
そして、図８(d) および図９(b) に示すように内筒２０の内周面が坑内に露出したならば、その内周面に新たなテールシール２３を取り付ける。このとき、上記止水ゾーン２５によって坑内への水の噴出が防止されることになる。そして、図８(e),(f) に示すように新たなセグメント１７を次々と組み立て、中央の掘進機２ｂを推進させて小断面のトンネルＴ２を大断面のトンネルＴ１に繋げて構築していく。
【００３３】
ここで、図６に示すように、中央の掘進機２ｂの既設セグメント１７と両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃとの間には、シール部材２６が設けられる。中央の掘進機２ｂのテールプレート１８ｂが両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃから離脱すると、中央の掘進機２ｂのセグメント１７と両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃとの間に隙間が空くからである。中央の掘進機２ｂのよって構築されるトンネルＴ２は、図１０に示すように略正方形状となり、その周囲には薬剤が注入された止水ゾーン２５が形成される。
【００３４】
図１１乃至図１３は、中央の掘進機２ｂの上下部に配置された二重筒構造のテールプレート１８の内筒２０と外筒２１との変形例を示すものである。図１３(a),(b) に示すように、このテールプレート１８は、図９(a),(b) のものとは逆に、外筒２１が掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの固定され、内筒２０がスライドして切り離されるようになっている。こうすれば、図１３(b) において外筒２１の内周面と既設セグメント１７とのクリアランスＣが広くなるので（図９(b) 参照）、新たに取り付けられるテールシール２３を基台板２３ａに載せてユニットとして装着でき、作業時間を短縮できる。その他、基本的な動作は図７乃至図９に示した前述のものと同様であるので、詳しい説明を省略する。
【００３５】
図１４以降に、本発明の別の実施形態を示す。
【００３６】
図１４および図１５に示すように、この実施形態に係るトンネル掘削装置は、筒体状のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃを外郭とするシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを３個並列に係脱自在に束ね、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態で大断面トンネルＴ１を掘削した後、そこから先ず図１７および図２０に示すように中央と右側の掘進機２ａ、２ｃが一体的に発進して中断面トンネルＴ２を掘削し、その後、図２２に示すようにさらに右側の掘進機２ａが発進して小断面トンネルＴ３を掘削するものである。
【００３７】
基本的な構成は、図１乃至図１３に示したトンネル掘削装置と同様であるので、同様な機能の部材には同一符合を付して説明を省略する。かかるトンネル掘削装置は、先ず図１４に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態で掘進し、その後方に大断面のトンネルＴ１を構築する。このとき、中央の掘進機２ｂと両側の掘進機２ａ、２ｃとの間のテールプレート１８ｂは、セグメント１４の組み立ての邪魔にならないように取り外されている。
【００３８】
次に、図１７に示すように、中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとが一体的に発進するわけであるが、それに先立って、左側の掘進機２ｃのスクリューコンベヤ１１ｃを取り外し、中央の掘進機２ｂに取り付ける。そして、図１６において中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてシールドジャッキ１３を取り付ける。そして、図１７に示すように中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後端に、左側の掘進機２ｃとの間のテールプレート１８ｂを取り付ける。このテールプレート１８ｂは、中央の掘進機２ｂの左側側面のみに取り付けられる。そして、テールプレートの１８ｂ内面にテールシール２４を取り付ける。
【００３９】
以上の作業の後、中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとのシールドジャッキ１３を伸長させて、図１７に示すように中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとを一体的に発進させる。ここで、中央の掘進機２ｂの上下のテールプレート１８と右側の掘進機２ａの上下および右側部のテールプレート１８とは、図９(a), (b) に示すように、内筒２０と外筒２１とからなる二重筒構造になっている。そして、前述したように外筒２１に固定ブラケット２２を取り付けることにより、掘進に伴って外筒２１を置き去りにし、内筒２０のみを中央の掘進機２ｂおよび右側の掘進機２ａと一体的に前進させる。なお、この時、左側の掘進機２ｃのカッタ３ｃの回転位置を図１５の位置とし、発進する中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂと干渉しないようにする。
【００４０】
また、中央の掘進機２ｂおよび右側の掘進機２ａの掘進に応じて、図１８および図１９にも示すように、内筒２０の外側には薬剤が注入され、止水ゾーン２５が形成される。そして、図１７の位置まで前進したならば、内筒２０の内周面にテールシール２３を取り付ける（図９(b) 参照）。そして、図２０に示すように新たにセグメント１７を組み付けて中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとを一体的にさらに掘進させ、その後方に図１９に示す如き中断面のトンネルＴ２を構築する。なお、図２０に示すように、中央の掘進機２ｂの左側のセグメント１７と左側の掘進機２ｃのシールドフレーム１ｃとの間には、シール部材３０が設けられる。図２１は図２０の XXI-XXI線断面図である。
【００４１】
その後、図２２に示すように、右側の掘進機２ｂが発進するが、その発進のための準備を以下に説明する。先ず図２１の状態から図２３(a) に示すようにシールドジャッキ１３を取り外す。そして、取り外したシールドジャッキ１３を図２３(b) に示すようにトンネルＴ２内に組み立てられた反力受け架台３１に装着する。反力受け架台３１は、中断面トンネルＴ２をなすセグメント１７に固定されている。そして、各シールドジャッキ１３のシュー１５部分に押圧部材３２を取り付ける。押圧部材３２は、トンネルＴ３を構成すべく内筒２０内にて組み立てられるセグメント１７のリング体を前方へ押圧するものである。
【００４２】
そして、図２３(b) および図２５(a) に示すように内筒２０の内周面に逆向きにテールシール３３を取り付ける。そして、図２５(b) に示すように、内筒２０を右側の掘進機２ａのシールドフレーム１ａから切り離す。そして、図２４に示すように、押圧部材３２をシールドジャッキ１３によって前後移動させつつ、その前方のスペースに内筒２９内にてセグメント１７をリング状に組み立て、そのリング体を順次前方へ押し出す。これにより、右側の掘進機２ａが前方へ押し出される。この際、押し出しの反力は、上記反力受け架台３１に支持される。こうして、図２６に示すように、右側の掘進機２ａの後方に小断面のトンネルＴ３が構築される。
【００４３】
図２７乃至図３０は、前段で述べたようにシールドジャッキ１３を付け替えたことによる元押しによって右側掘進機２ａを前進させるのではなく、通常のシールドジャッキ１３をそのままにして前進させるようにしたものである。詳しくは、３個束ねられた掘進機２ａ、２ｂ、２ｃから中央および右側の２個掘進機２ａ、２ｂを発進させるときには、図１３に示すように内筒２０を取り残し外筒２１を掘進機２ａ、２ｂと一体的に掘進させる方式を採っている。その後、中央および右側の２個の掘進機２ａ、２ｂから右側の掘進機２ａを発進させるときには、図２８(a) および図３０(a) に示すようにテールシール２３の基台板２３ａを外筒２１に取り付けているスポット溶接やボルト３５を取り外し、基台板２３ａをフリーにする。
【００４４】
そして、図２８(b) および図３０(b) に示すように、基台板２３ａに固定ブラケット３６を取り付ける。固定ブラケット３６はセグメント１７に固設されている。そして、シールドジャッキ１３を伸長させて右側の掘進機２ａを掘進させ、上記基台板２３ａを掘進機２ａの後方に取り残す。すると、外筒２１の内周面が現れるので、そこに新たな基台板４０ａおよびテールシール４０を取り付けるのである。こうして、右側の掘進機２ａの上下面および右側側面のシール性が確保される。
【００４５】
また、中央の掘進機２ａの左側側面のシール性は、図２７に示すように、テールシール２４付きのテールプレート１８ｂを取り付けることによって、確保される。また、右側の掘進機２ａのセグメント１７と中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂとの間には、シール部材３６ａが設けられる。その後、右側の掘進機２ａのみを掘進させることにより、図２７および図２９に示すように小断面のトンネルＴ３が構築される。
【００４６】
以上説明したトンネル掘進機は、通常のシールド工法を用いたトンネル構築工事に用いてもよいのは勿論であるが、図３１に示すようなＭＭＳＴ（マルチマイクロシールドトンネル）工法に用いてもよい。ＭＭＳＴ工法は、従来のシールド工法に比べて合理的な断面形状が得られるため、大断面トンネルであっても排土量を大幅に減少できる上、仮設備や立坑規模を小さくできる等といった優れた特徴を有している。
【００４７】
ＭＭＳＴ工法は、先ず図３１(a) に示すように、断面矩形状の単体シールドを紙面裏表方向に掘進させ、複数の独立のトンネル５０を略ロ字状に配置する。そして、図３１(b) に示すように隣接するトンネル５０、５０を連結し、図３１ (c) に示すようにその内部にコンクリートを打設し、断面ロ字状のコンクリート製外郭部５１を構築する。その後、図３１(d) に示すようにコンクリート製外郭部５１内の土砂５２を通常の掘削機等を用いて掘削排土し、最後に図３１(e) に示すようにその内部に内壁５３、中床５４および隔壁５５等の内部構造物を構築する。
【００４８】
かかるＭＭＳＴ工法の全体平面図を図３２および図３３に示す。図示するように所定間隔が隔てられた立坑５６、５７の間を掘進機が折り返すように掘進し、図３１(a) に示す独立のトンネル５０が構築される。ここで、最終的なトンネル断面（コンクリート製外郭部５１の断面）を途中で変化させたい場合が考えられる。その際、図１乃至図１３に示すトンネル掘削機を用いれば、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態から中央の掘進機２ｂのみを発進させることにより、図３２に斜線５８で示すようにトンネルが延長されるので、隣接するトンネル５０、５０同士を接続してコンクリート打設する際のクリアランスが小さくなり、工事（図３１(a) から図３１(b) への工事）が容易になる。
【００４９】
また、図１４乃至図３０に示すトンネル掘削機を用いれば、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態から先ず中央と右側の掘進機２ａ、２ｂを発進させ、その後右側の掘進機２ａのみを発進させることにより、図３３に斜線５９で示すようにトンネルが延長されるので、隣接するトンネル５０、５０同士を接続してコンクリート打設する際のクリアランスがさらに小さくなり、工事が一層容易になる。
【００５０】
なお、図３２および図３３中にて屈曲したトンネルから最終的に立坑５７内に到着した掘進機は、その後、図３１(a) における下部のトンネル５０を構築する掘進機として用いられる。また、図３２および図３３を図３１(a) の下部のトンネル５０を示すとすれば、上記掘進機は図３１(a) の上部のトンネル５０を構築する掘進機として用いられることになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るトンネル掘削装置によれば、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できると共に、機長の短縮化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すトンネル掘削装置の平断面図である。
【図２】上記トンネル掘削装置の正面図である。
【図３】上記トンネル掘削装置の後面図である。
【図４】図１の IV-IV線断面図である。
【図５】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図６】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図７】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図８】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図９】テールプレートの拡大図である。
【図１０】図８(f) の X-X線断面図である。
【図１１】上記テールプレートの変形例を備えたトンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図１２】上記テールプレートの変形例を備えたトンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図１３】上記テールプレートの拡大図である。
【図１４】別の実施形態を示すトンネル掘削装置の平断面図である。
【図１５】上記トンネル掘削装置の正面図である。
【図１６】上記トンネル掘削装置の後面図である。
【図１７】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図１８】図１７の XVIII-XVIII線断面図である。
【図１９】図１８の XIX-XIX線断面図である。
【図２０】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図２１】図２０の XXI-XXI線断面図である。
【図２２】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図２３】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２４】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２５】図２４の要部を示す拡大図である。
【図２６】図２４の XXVI-XXVI線断面図である。
【図２７】上記トンネル掘削装置の変形例の作動を示す平断面図である。
【図２８】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２９】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図３０】上記トンネル掘削装置のテールプレートの部分を示す側断面図である。
【図３１】ＭＭＳＴ工法の工程を示す説明図（断面図）である。
【図３２】ＭＭＳＴ工法によって形成されるトンネルの平面図である。
【図３３】ＭＭＳＴ工法によって形成されるトンネルの平面図である。
【符号の説明】
１ａ シールドフレーム
１ｂ シールドフレーム
１ｃ シールドフレーム
２ａ シールド掘進機
２ｂ シールド掘進機
２ｃ シールド掘進機
１８ テールプレート
１８ｂ 各シールド掘進機同士が接触する部分のテールプレート
Ｔ１ 大断面トンネル
Ｔ２ 中断面トンネル
Ｔ３ 小断面トンネル
２０ 内筒
２１ 外筒
２２ 固定手段としての固定ブラケット
２３ テールシール
【発明の属する技術分野】
本発明は、大断面トンネルに繋げて小断面トンネルを掘削するトンネル掘削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネル断面を途中で変化させるようにしたトンネル掘削装置として、主シールド掘進機の側部に副シールド掘進機を着脱自在に設けたものが知られている。かかるトンネル掘削装置は、主シールド掘進機と副シールド掘進機とを束ねた状態で大断面トンネルを掘削し、その後、副シールド掘進機を取り外して主シールド掘進機のみで小断面トンネルを掘削するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このタイプでは、主シールド掘進機から副シールド掘進機を取り外すために、シールド掘進機の掘進計画路線上に中間立坑が必要となるが、中間立坑の構築は、工事費の増大および工期の長期化を招く。また、都市においては地上の都合によって掘進計画路線上に中間立坑が設けられない事態も考えられる。
【０００４】
また、互いに独立の主副シールド掘進機を単に束ねたのみでは、各掘進機同士が接触する部分のシールドフレームが干渉するため、セグメントを大断面状に組み立てられない。このため、シールドフレームの後端に各掘進機の束ねの外郭に沿ってテールプレートを設ける必要があり、機長が長くなっていた。
【０００５】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できると共に、機長の短縮化も図れるトンネル掘削装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係るトンネル掘削機は、シールド掘進機を複数束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進して、大断面トンネルに繋げて小断面トンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、尾部にテールプレートを有する筒体状のシールドフレームを外郭とするシールド掘進機を複数係脱自在に束ねると共に、各シールド掘進機同士が接触する部分のテールプレートを着脱自在とし、各シールド掘進機の前部に配設され、切羽を切削すべく回転するカッタが、その回転中心から外方に延出されたカッタスポークを備え、複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進した際に取り残されるシールド掘進機のカッタのカッタスポークは、その回転掘削域が発進するシールド掘進機側に食み出すと共に、カッタ回転角度を調節することで発進するシールド掘進機と干渉しないように形成され、上記各シールド掘進機同士が接触しない部分のテールプレートを内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、それら内筒及び外筒の内のいずれか一方に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに固定される固定手段と、上記内筒及び外筒の内の上記固定手段が取り付けられなかったものの内周面に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに接触されるテールシールとを備えたものである。
【０００７】
本発明によれば、シールド掘進機を複数束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、そこから１以上のシールド掘進機を発進させて小断面トンネルを掘削することにより、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できる。この際、シールド掘進機を複数束ねた状態では、各掘進機同士が接触する部分のテールプレートを取り外すことにより、機長を伸ばすことなくセグメントを大断面状に組み立てられる。また、その状態から個々のシールド掘進機を発進させるときには上記部分にテールプレートを取り付けることにより、その内側でセグメントを小断面状に組み立てられる。
【０００８】
また、上記各シールド掘進機同士が接触しない部分のテールプレートを内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、それら内筒及び外筒の内のいずれか一方に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに固定される固定手段と、上記内筒及び外筒の内の上記固定手段が取り付けられなかったものの内周面に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに接触されるテールシールとを備えているので、大断面トンネルと小断面トンネルとの接続部のシール性を確保できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１および図２に示すように、本実施形態に係るトンネル掘削装置は、筒体状のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃを外郭とするシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを３個並列に係脱自在に束ね、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、そこから中央の掘進機２ｂが発進して小断面トンネルを掘削するものである。各シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃは、スポット溶接やボルト等によって係脱される。
【００１１】
詳しくは、中央のシールド掘進機２ｂは、その外郭が断面略正方形状のシールドフレーム１ｂからなり、中央にメインカッタ３ｂを有する共に、四隅にサブカッタ４ｂを有している。両側のシールド掘進機２ａ、２ｃは、その外郭が断面略長方形状のシールドフレーム１ａ、１ｃからなり、その中央にメインカッタ３ａ、３ｃを有すると共に、外側の二隅にコーナカッタ４ａ、４ｃを有している。
【００１２】
両側のシールド掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃは、軸方向に前後に二分割され、それぞれ前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとから構成されている。前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとは、中折れジャッキ７ａ、７ｃ（図示せず）を介して接続され、相互に屈曲自在となっている。また、前胴５ａ、５ｃと後胴６ａ、６ｃとの間には、中折れシール８ａ、８ｃが設けられている。他方、中央のシールド掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂは、図４に示すように前胴５ｂと後胴６ｂとからなる中折れ式となっており、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態における中折れを許容する。
【００１３】
各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの前部には、切羽側と坑内側とを仕切る隔壁９ａ、９ｂ、９ｃがそれぞれ設けられている。各隔壁９ａ、９ｂ、９ｃには、切羽を掘削するメインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃ、サブカッタ４ａおよびコーナカッタ４ｂ、４ｃがそれぞれ設けられている。これらカッタ３、４は、図示しないカッタモータによってそれぞれ回転駆動される。サブカッタ４ａおよびコーナカッタ４ｂ、４ｃは、メインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃと干渉しないようにその後方に配置されている。
【００１４】
各メインカッタ３ａ、３ｂ、３ｃは、３本のカッタスポーク１０を有しており、それらが同一平面上で噛み合うように同期して回転駆動されるようになっている。図２に示すように、中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの断面形状は、中央のメインカッタ３ｂの回転域に合わせてそれをカバーするように設定される。図５および図６に示すように、中央の掘進機２ｂのみでの単独掘進を可能とするためである。
【００１５】
他方、両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃの断面形状は、両側のメインカッタ３ａ、３ｃの回転域の一部が中央の掘進機２ｂ側に食み出すように設定されるが、両側のメインカッタ３ａ、３ｃのカッタスポーク１０を図２の回転位置としたときには中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂと干渉しないようになっている。図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂを発進させるときに邪魔にならないようにするためである。
【００１６】
また、各シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの隔壁には、上記カッタ３ａ、３ｂ、３ｃで掘削された土砂を坑内側に搬送するスクリューコンベヤ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの取込口１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。両側の掘進機２ａ、２ｃの取込口１２ａ、１２ｃは、図２に示すように正面から見て幅方向内側に寄せられている。これは、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態では、中央の掘進機２ｂのスクリューコンベヤ１１ｂを使用せずに、両側の掘進機２ａ、２ｃのスクリューコンベヤ１１ａ、１１ｃのみで土砂を搬送するためである。
【００１７】
両側の掘進機２ａ、２ｃの後胴６ａ、６ｃの内部および中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後方には、図３にも示すように掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを前進させるためのシールドジャッキ１３が取り付けられている。シールドジャッキ１３は、既設セグメント１４の端面に当接するシュー１５を有しており、図３に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿って矩形状に配置されている。
【００１８】
図１および図３に示すように、中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてには、シールドジャッキ１３が取り付けられていない。３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが一体となっているときには、その部分にはセグメント１４が組み立てられないためである。この部分には、図５乃至図６に示すように中央の掘進機２ｂが発進するときに、シールドジャッキ１３が取り付けられることになる。
【００１９】
また、両側の掘進機２ａ、２ｃの後胴６ａ、６ｃの内部および中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後方には、セグメント１４を組み立てるためのエレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれぞれ設けられている。各エレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態においては、共同して作業を行い３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿ってセグメント１４を組み立て、矩形状の大断面のトンネルＴ１を構築する。また、図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂが発進したときには、中央のエレクタ１６ｂが単独で中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂに沿ってセグメント１７を組み立て、矩形状の小断面のトンネルＴ２を構築する（図１０参照）。
【００２０】
各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの尾部には、図１に示すように筒体状のテールプレート１８が設けられる。テールプレート１８の内周面には、既設セグメント１４との間をシールするブラシ状のテールシール１９が設けられる。本実施形態の特徴とするところは、各シールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のテールプレート１８（中央の掘進機２ｂの左右側部のテールプレート１８ｂ）を、シールドフレーム１ｂに対して着脱自在とした点である。
【００２１】
詳しくは、図１に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態では、中央の掘進機２ｂが両側の掘進機２ａ、２ｃと接触する部分のテールプレート１８ｂが取り外される。これは、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを一体として見たときの輪郭に沿ってセグメント１４を組み立て、大断面のトンネルＴ１を構築するためである。すなわち、トンネルＴ１を構築するセグメント１４の組み立ては、図１および図３に示す上述のエレクタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃによってなされるが、そのとき仮に上記テールプレート１８ｂが取り付けられていると、そのプレート１８ｂが邪魔になってセグメント１４を大断面状に組み立てられないのである。
【００２２】
また、その後図５乃至図６に示すように、中央の掘進機２ｂが発進するときには、上述のように取り外されていたテールプレート１８ｂが中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂに取り付けられる。この取り付けには、溶接やボルト止め等が用いられる。これは、取り付けられたテールプレート１８ｂの内側で小断面トンネルＴ２用のセグメント１７を組み立て、小断面のトンネルＴ２を構築するためである。すなわち、仮に上記テールプレート１８ｂを取り付けないとすると、中央の掘進機２ｂは外部の土砂からシールドされた状態でセグメント１７を組み立てることができないのである。
【００２３】
かかる構成によって、図１に示すトンネル掘削機の機長の短縮化を図ることができる。すなわち、仮に互いに独立の３個のシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを単に束ねたのみでは、セグメント１４を大断面状に組み立てる際に、各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの後端部が干渉するため、シールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃの後端部に各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃの束ねの外郭に沿って図示しないテールプレートを延長して設ける必要があり、機長が長くなってしまう。
【００２４】
これに対し、本実施形態のように、掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触する部分のテールプレート１８ｂを着脱自在とし、図１のように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねたときにはそのテールプレート１８ｂを取り外してセグメント１４の組立スペースを確保し、図５乃至図６のように中央の掘進機２ｂを発進させるときには上記テールプレート１８ｂを取り付けて側部土圧から内部を防護するようにすれば、機長を長くすることなく大断面トンネルＴ１と小断面トンネルＴ２とを適正に構築できるのである。
【００２５】
他方、図１に示すように、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態において、図１の紙面の裏表に位置する部分のテールプレート１８（上下のテールプレート）は、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃとも着脱自在ではなくそれぞれシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃに固定的に取り付けられている。この部分は、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態のみならず中央の掘進機２ｂが発進する状態でも、常に側部土圧から内部を防護する必要があり、またセグメント１４の組み立ての邪魔になることもないからである。
【００２６】
次に、本実施形態の第２の特徴は、図４および図９に示すように、各シールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃ同士が接触しない部分のテールプレート１８、すなわち中央の掘進機２ｂの上下部分のテールプレート１８を、内筒２０、２１と外筒とからなる二重筒構造とした点である。内筒２０は、図９(a),(b) にも示すように、シールドフレーム１ｂに固定され、その外側に外筒２１がスライド自在に被嵌されている。内筒２０と外筒２１とは、図示しないスポット溶接やボルト等によって係脱自在となっている。外筒２１の後部には、既設セグメント１４との間をシールするブラシ状のテールシール１９が取り付けられている。また、外筒２１には、当該外筒２１を既設セグメント１４に固定する固定手段として、固定ブラケット２２が着脱自在に取り付けられる。固定ブラケット２２は、図９(a) に示すようにセグメント１７の端部に一体的に設けてもよい。
【００２７】
中央の掘進機２ｂを発進させるときには、先ずスポット溶接やボルト等を外して内外筒２０、２１をフリーにした後、図９(a) に示すように固定ブラケット２２を取り付ける。そして、新たなセグメント１７を組み立て、それに中央の掘進機２ｂのシールドジャッキ１３のシュー１５を押し当てて中央の掘進機２ｂを掘進させる。なお、これに先立って、図３において取り外されていた中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてのシールドジャッキ１３が取り付けられるのは勿論である。そして、図９(b) に示すように内筒２９の内周面が坑内に露出したならば、その内周面に新たなテールシール２３を取り付けるようにする。
【００２８】
以上の構成からなるトンネル掘削機は、図１に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが並列に束ねられた状態で地山を掘進し、その後方に３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態の輪郭に沿って長方形状の大断面のトンネルＴ１を構築する。この際、中央の掘進機２ｂの左右部のテールプレート１８ｂは、前述のようにセグメント１４の組み立ての邪魔にならないように取り外されている。このときの中央の掘進機２ｂの側断面を図４および図７(a) に示す。
【００２９】
その後、中央の掘進機２ｂを発進させるときには、先ず各掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを固定しているスポット溶接やボルト等を取り外し、中央の掘進機２ｂをフリーにする。そして、図４に示すように中央の掘進機２ｂの上下部の二重筒構造のテールプレート１８のスポット溶接やボルト等を外し、図９に示すように内外筒２０、２１をフリーにする。そして、図７(b) および図９(a) に示すように、外筒２１に、当該外筒２１を既設セグメント１４に固定する固定ブラケット２２を取り付ける。固定ブラケット２２は、図９(a) に示すようにセグメント１７の端部に一体的に設けられている。
【００３０】
かかる作業に並行して、図５に示すように、中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後端の左右側部にテールプレート１８ｂを取り付ける。テールプレート１８ｂの内周面には、テールシール２４が設けられる。そして、図５に示すように、両側の掘進機２ｃのスクリューコンベヤ１１ｃを取り外し、それを中央の掘進機２ｂに取り付ける。両側の掘進機２ａ、２ｃは、埋め殺しにされその後は使用されないからである。
【００３１】
その後、図７(c) および図９(b) に示すように、中央の掘進機２ｂの内部にて新たなセグメント１７を組み立て、それに中央の掘進機２ｂのシールドジャッキ１３のシュー１５を押し当てて中央の掘進機２ｂのみを掘進させる。すると、外筒２１が取り残され、内筒２０が掘進機２ｂと一体的に掘進する。掘進中、内筒２０の径方向外側部分には、薬剤が注入されて地山が固められ、止水ゾーン２５が形成される。内外筒２０、２１の間を通って水が坑内に浸入するのを防止するためである。
【００３２】
そして、図８(d) および図９(b) に示すように内筒２０の内周面が坑内に露出したならば、その内周面に新たなテールシール２３を取り付ける。このとき、上記止水ゾーン２５によって坑内への水の噴出が防止されることになる。そして、図８(e),(f) に示すように新たなセグメント１７を次々と組み立て、中央の掘進機２ｂを推進させて小断面のトンネルＴ２を大断面のトンネルＴ１に繋げて構築していく。
【００３３】
ここで、図６に示すように、中央の掘進機２ｂの既設セグメント１７と両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃとの間には、シール部材２６が設けられる。中央の掘進機２ｂのテールプレート１８ｂが両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃから離脱すると、中央の掘進機２ｂのセグメント１７と両側の掘進機２ａ、２ｃのシールドフレーム１ａ、１ｃとの間に隙間が空くからである。中央の掘進機２ｂのよって構築されるトンネルＴ２は、図１０に示すように略正方形状となり、その周囲には薬剤が注入された止水ゾーン２５が形成される。
【００３４】
図１１乃至図１３は、中央の掘進機２ｂの上下部に配置された二重筒構造のテールプレート１８の内筒２０と外筒２１との変形例を示すものである。図１３(a),(b) に示すように、このテールプレート１８は、図９(a),(b) のものとは逆に、外筒２１が掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの固定され、内筒２０がスライドして切り離されるようになっている。こうすれば、図１３(b) において外筒２１の内周面と既設セグメント１７とのクリアランスＣが広くなるので（図９(b) 参照）、新たに取り付けられるテールシール２３を基台板２３ａに載せてユニットとして装着でき、作業時間を短縮できる。その他、基本的な動作は図７乃至図９に示した前述のものと同様であるので、詳しい説明を省略する。
【００３５】
図１４以降に、本発明の別の実施形態を示す。
【００３６】
図１４および図１５に示すように、この実施形態に係るトンネル掘削装置は、筒体状のシールドフレーム１ａ、１ｂ、１ｃを外郭とするシールド掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを３個並列に係脱自在に束ね、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態で大断面トンネルＴ１を掘削した後、そこから先ず図１７および図２０に示すように中央と右側の掘進機２ａ、２ｃが一体的に発進して中断面トンネルＴ２を掘削し、その後、図２２に示すようにさらに右側の掘進機２ａが発進して小断面トンネルＴ３を掘削するものである。
【００３７】
基本的な構成は、図１乃至図１３に示したトンネル掘削装置と同様であるので、同様な機能の部材には同一符合を付して説明を省略する。かかるトンネル掘削装置は、先ず図１４に示すように３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃが束ねられた状態で掘進し、その後方に大断面のトンネルＴ１を構築する。このとき、中央の掘進機２ｂと両側の掘進機２ａ、２ｃとの間のテールプレート１８ｂは、セグメント１４の組み立ての邪魔にならないように取り外されている。
【００３８】
次に、図１７に示すように、中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとが一体的に発進するわけであるが、それに先立って、左側の掘進機２ｃのスクリューコンベヤ１１ｃを取り外し、中央の掘進機２ｂに取り付ける。そして、図１６において中央の掘進機２ｂの上面から下面にかけてシールドジャッキ１３を取り付ける。そして、図１７に示すように中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂの後端に、左側の掘進機２ｃとの間のテールプレート１８ｂを取り付ける。このテールプレート１８ｂは、中央の掘進機２ｂの左側側面のみに取り付けられる。そして、テールプレートの１８ｂ内面にテールシール２４を取り付ける。
【００３９】
以上の作業の後、中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとのシールドジャッキ１３を伸長させて、図１７に示すように中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとを一体的に発進させる。ここで、中央の掘進機２ｂの上下のテールプレート１８と右側の掘進機２ａの上下および右側部のテールプレート１８とは、図９(a), (b) に示すように、内筒２０と外筒２１とからなる二重筒構造になっている。そして、前述したように外筒２１に固定ブラケット２２を取り付けることにより、掘進に伴って外筒２１を置き去りにし、内筒２０のみを中央の掘進機２ｂおよび右側の掘進機２ａと一体的に前進させる。なお、この時、左側の掘進機２ｃのカッタ３ｃの回転位置を図１５の位置とし、発進する中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂと干渉しないようにする。
【００４０】
また、中央の掘進機２ｂおよび右側の掘進機２ａの掘進に応じて、図１８および図１９にも示すように、内筒２０の外側には薬剤が注入され、止水ゾーン２５が形成される。そして、図１７の位置まで前進したならば、内筒２０の内周面にテールシール２３を取り付ける（図９(b) 参照）。そして、図２０に示すように新たにセグメント１７を組み付けて中央の掘進機２ｂと右側の掘進機２ａとを一体的にさらに掘進させ、その後方に図１９に示す如き中断面のトンネルＴ２を構築する。なお、図２０に示すように、中央の掘進機２ｂの左側のセグメント１７と左側の掘進機２ｃのシールドフレーム１ｃとの間には、シール部材３０が設けられる。図２１は図２０の XXI-XXI線断面図である。
【００４１】
その後、図２２に示すように、右側の掘進機２ｂが発進するが、その発進のための準備を以下に説明する。先ず図２１の状態から図２３(a) に示すようにシールドジャッキ１３を取り外す。そして、取り外したシールドジャッキ１３を図２３(b) に示すようにトンネルＴ２内に組み立てられた反力受け架台３１に装着する。反力受け架台３１は、中断面トンネルＴ２をなすセグメント１７に固定されている。そして、各シールドジャッキ１３のシュー１５部分に押圧部材３２を取り付ける。押圧部材３２は、トンネルＴ３を構成すべく内筒２０内にて組み立てられるセグメント１７のリング体を前方へ押圧するものである。
【００４２】
そして、図２３(b) および図２５(a) に示すように内筒２０の内周面に逆向きにテールシール３３を取り付ける。そして、図２５(b) に示すように、内筒２０を右側の掘進機２ａのシールドフレーム１ａから切り離す。そして、図２４に示すように、押圧部材３２をシールドジャッキ１３によって前後移動させつつ、その前方のスペースに内筒２９内にてセグメント１７をリング状に組み立て、そのリング体を順次前方へ押し出す。これにより、右側の掘進機２ａが前方へ押し出される。この際、押し出しの反力は、上記反力受け架台３１に支持される。こうして、図２６に示すように、右側の掘進機２ａの後方に小断面のトンネルＴ３が構築される。
【００４３】
図２７乃至図３０は、前段で述べたようにシールドジャッキ１３を付け替えたことによる元押しによって右側掘進機２ａを前進させるのではなく、通常のシールドジャッキ１３をそのままにして前進させるようにしたものである。詳しくは、３個束ねられた掘進機２ａ、２ｂ、２ｃから中央および右側の２個掘進機２ａ、２ｂを発進させるときには、図１３に示すように内筒２０を取り残し外筒２１を掘進機２ａ、２ｂと一体的に掘進させる方式を採っている。その後、中央および右側の２個の掘進機２ａ、２ｂから右側の掘進機２ａを発進させるときには、図２８(a) および図３０(a) に示すようにテールシール２３の基台板２３ａを外筒２１に取り付けているスポット溶接やボルト３５を取り外し、基台板２３ａをフリーにする。
【００４４】
そして、図２８(b) および図３０(b) に示すように、基台板２３ａに固定ブラケット３６を取り付ける。固定ブラケット３６はセグメント１７に固設されている。そして、シールドジャッキ１３を伸長させて右側の掘進機２ａを掘進させ、上記基台板２３ａを掘進機２ａの後方に取り残す。すると、外筒２１の内周面が現れるので、そこに新たな基台板４０ａおよびテールシール４０を取り付けるのである。こうして、右側の掘進機２ａの上下面および右側側面のシール性が確保される。
【００４５】
また、中央の掘進機２ａの左側側面のシール性は、図２７に示すように、テールシール２４付きのテールプレート１８ｂを取り付けることによって、確保される。また、右側の掘進機２ａのセグメント１７と中央の掘進機２ｂのシールドフレーム１ｂとの間には、シール部材３６ａが設けられる。その後、右側の掘進機２ａのみを掘進させることにより、図２７および図２９に示すように小断面のトンネルＴ３が構築される。
【００４６】
以上説明したトンネル掘進機は、通常のシールド工法を用いたトンネル構築工事に用いてもよいのは勿論であるが、図３１に示すようなＭＭＳＴ（マルチマイクロシールドトンネル）工法に用いてもよい。ＭＭＳＴ工法は、従来のシールド工法に比べて合理的な断面形状が得られるため、大断面トンネルであっても排土量を大幅に減少できる上、仮設備や立坑規模を小さくできる等といった優れた特徴を有している。
【００４７】
ＭＭＳＴ工法は、先ず図３１(a) に示すように、断面矩形状の単体シールドを紙面裏表方向に掘進させ、複数の独立のトンネル５０を略ロ字状に配置する。そして、図３１(b) に示すように隣接するトンネル５０、５０を連結し、図３１ (c) に示すようにその内部にコンクリートを打設し、断面ロ字状のコンクリート製外郭部５１を構築する。その後、図３１(d) に示すようにコンクリート製外郭部５１内の土砂５２を通常の掘削機等を用いて掘削排土し、最後に図３１(e) に示すようにその内部に内壁５３、中床５４および隔壁５５等の内部構造物を構築する。
【００４８】
かかるＭＭＳＴ工法の全体平面図を図３２および図３３に示す。図示するように所定間隔が隔てられた立坑５６、５７の間を掘進機が折り返すように掘進し、図３１(a) に示す独立のトンネル５０が構築される。ここで、最終的なトンネル断面（コンクリート製外郭部５１の断面）を途中で変化させたい場合が考えられる。その際、図１乃至図１３に示すトンネル掘削機を用いれば、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態から中央の掘進機２ｂのみを発進させることにより、図３２に斜線５８で示すようにトンネルが延長されるので、隣接するトンネル５０、５０同士を接続してコンクリート打設する際のクリアランスが小さくなり、工事（図３１(a) から図３１(b) への工事）が容易になる。
【００４９】
また、図１４乃至図３０に示すトンネル掘削機を用いれば、３個の掘進機２ａ、２ｂ、２ｃを束ねた状態から先ず中央と右側の掘進機２ａ、２ｂを発進させ、その後右側の掘進機２ａのみを発進させることにより、図３３に斜線５９で示すようにトンネルが延長されるので、隣接するトンネル５０、５０同士を接続してコンクリート打設する際のクリアランスがさらに小さくなり、工事が一層容易になる。
【００５０】
なお、図３２および図３３中にて屈曲したトンネルから最終的に立坑５７内に到着した掘進機は、その後、図３１(a) における下部のトンネル５０を構築する掘進機として用いられる。また、図３２および図３３を図３１(a) の下部のトンネル５０を示すとすれば、上記掘進機は図３１(a) の上部のトンネル５０を構築する掘進機として用いられることになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るトンネル掘削装置によれば、中間立坑を用いることなく地中作業のみでトンネル断面を途中で変化できると共に、機長の短縮化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すトンネル掘削装置の平断面図である。
【図２】上記トンネル掘削装置の正面図である。
【図３】上記トンネル掘削装置の後面図である。
【図４】図１の IV-IV線断面図である。
【図５】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図６】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図７】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図８】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図９】テールプレートの拡大図である。
【図１０】図８(f) の X-X線断面図である。
【図１１】上記テールプレートの変形例を備えたトンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図１２】上記テールプレートの変形例を備えたトンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図１３】上記テールプレートの拡大図である。
【図１４】別の実施形態を示すトンネル掘削装置の平断面図である。
【図１５】上記トンネル掘削装置の正面図である。
【図１６】上記トンネル掘削装置の後面図である。
【図１７】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図１８】図１７の XVIII-XVIII線断面図である。
【図１９】図１８の XIX-XIX線断面図である。
【図２０】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図２１】図２０の XXI-XXI線断面図である。
【図２２】上記トンネル掘削装置の作動を示す平断面図である。
【図２３】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２４】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２５】図２４の要部を示す拡大図である。
【図２６】図２４の XXVI-XXVI線断面図である。
【図２７】上記トンネル掘削装置の変形例の作動を示す平断面図である。
【図２８】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図２９】上記トンネル掘削装置の作動を示す側断面図である。
【図３０】上記トンネル掘削装置のテールプレートの部分を示す側断面図である。
【図３１】ＭＭＳＴ工法の工程を示す説明図（断面図）である。
【図３２】ＭＭＳＴ工法によって形成されるトンネルの平面図である。
【図３３】ＭＭＳＴ工法によって形成されるトンネルの平面図である。
【符号の説明】
１ａ シールドフレーム
１ｂ シールドフレーム
１ｃ シールドフレーム
２ａ シールド掘進機
２ｂ シールド掘進機
２ｃ シールド掘進機
１８ テールプレート
１８ｂ 各シールド掘進機同士が接触する部分のテールプレート
Ｔ１ 大断面トンネル
Ｔ２ 中断面トンネル
Ｔ３ 小断面トンネル
２０ 内筒
２１ 外筒
２２ 固定手段としての固定ブラケット
２３ テールシール
Claims (1)
- シールド掘進機を複数束ねた状態で大断面トンネルを掘削した後、複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進して、大断面トンネルに繋げて小断面トンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、
尾部にテールプレートを有する筒体状のシールドフレームを外郭とするシールド掘進機を複数係脱自在に束ねると共に、各シールド掘進機同士が接触する部分のテールプレートを着脱自在とし、
各シールド掘進機の前部に配設され、切羽を切削すべく回転するカッタが、その回転中心から外方に延出されたカッタスポークを備え、
複数束ねたシールド掘進機から１以上のシールド掘進機が発進した際に取り残されるシールド掘進機のカッタのカッタスポークは、その回転掘削域が発進するシールド掘進機側に食み出すと共に、カッタ回転角度を調節することで発進するシールド掘進機と干渉しないように形成され、
上記各シールド掘進機同士が接触しない部分のテールプレートを内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、
それら内筒及び外筒の内のいずれか一方に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに固定される固定手段と、
上記内筒及び外筒の内の上記固定手段が取り付けられなかったものの内周面に着脱自在に取り付けられ既設セグメントに接触されるテールシールとを備えた
ことを特徴とするトンネル掘削装置。
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-
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- 1998-02-26 JP JP04567198A patent/JP4118996B2/ja not_active Expired - Fee Related
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