JP4131840B2 - シールド掘削機及び側壁掘削工法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘削機を用いたトンネル掘削において、本線の掘削途中においてトンネル断面の拡幅を可能としたシールド掘削機及び側壁掘削工法に関するものである。

従来からトンネル掘削に用いられているシールド掘削機は、円筒状のスキンプレートの前端部に円盤状のカッタヘッドを備えた構成を有している。同カッタヘッドを回転させつつ掘進させることで前記スキンプレートと略同径のトンネルを掘削することができる。

シールド掘削機を用いたトンネル掘削では、本線だけを掘削していくことは容易ではあるが、近年においてはトンネルの利用範囲が拡大するのに伴って、地下道路におけるランプや退避場所、地下鉄のプラットホームなど、道路や線路の合流・分岐、側道等の部分でのトンネル幅を拡幅することが求められてきている。しかも、工事期間の短縮、工事費用の低減等の要求から、トンネル幅の拡幅工事を本線のトンネル工事と並行して行うことが求められてきている。

この問題を解決するため、１台のトンネル掘進機でシールドトンネルの側壁部における必要箇所に拡幅範囲を構築できるようにしたシールド掘削機及び断面拡縮工法（例えば、特許文献１参照。）や拡大シールド掘進機（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

特許文献１に記載されたシールド掘削機及び断面拡縮工法では、図１１に示すようにシールド掘削機５１の前方部に配したカッタヘッド５２に径方向に伸縮制御できる伸縮カッタ５３を設け、スキンプレート５５の一部に張り出し部５４を出入可能に設ける。拡幅区間を構築するには、伸縮カッタ５３を突出させてシールド掘削機５１のカッタヘッド５２による掘削に伴って拡幅区間を先行切削して地盤を緩め、スキンプレート５５から地山保持材を吐出して置き換える。張り出し部５４を側方に張り出してシールド掘削機５１の一部を拡大し、この拡大状態にて拡幅範囲を掘進すると共に、張り出し部５４内で図示せぬ拡大セグメントを組み立てて順次連結する。拡幅範囲の構築後、伸縮カッタ５３及び張り出し部５４を引っ込めて縮径し、シールド掘削機５１で通常径のトンネル掘削を続行する。

特許文献２に記載された拡大シールド掘進機５９では、図１２に示すように前端部に第１カッタヘッド６０を有する第１掘削機６１と、この第１掘削機６１の本体に内蔵され、前端部に所定の角度範囲内で往復揺動される第２カッタヘッド６３を有する第２掘削機６４を備え、第２掘削機６４を第１掘削機６１の本体から掘進方向に直交する方向に出没させることでトンネルの拡幅掘削を行っている。

特許文献１に記載されたものでは、伸縮カッタ５３を突出させることで拡幅区間の掘削を行う構造であるため、伸縮カッタ５３の強度を保って所望の拡幅掘削を行うためには伸縮カッタ５３の突出量を制御したり、伸縮カッタ５３の強度を保ちながら拡幅部の地山を掘削するなど色々と注意しながら行わなければならなかった。更に、伸縮カッタ５３の強度面の制約により伸縮量を大きくすることが難しく、したがって、この機構を用いて充分な拡幅を行うことは困難であった。

特許文献２に記載されたものでは、第２掘削機６４及び同第２掘削機６４に付随するスキンプレート６５を別途構成することが必要となり、装置が大型化するとともにシールド掘削機の全長が長くなっていた。また、第２掘削機６４の掘削方向は第１掘削機６１の掘削方向と同じである（即ち、両掘削機のカッタヘッドの回転軸が平行である。）。換言すると、第２掘削機６４を第１掘削機６１の掘進方向に直交する方向（以下、「突出方向」と称する。）に突出させる際、突出方向のスキンプレート６５前面にある土砂を掘削する手段を待たない。

このため、第２掘削機６４による拡幅部の掘削は、第１掘削機６１が掘進しない状態では行うことができない。したがって、第２掘削機６４が突出を開始してから完全に突出し終わるまでに、第１掘削機６１はかなりの距離を掘削する必要があり、そのための時間も大いにかかることになる。更に、突出のための大きな推進力を得るために、出没用ジャッキが多数必要となり、出没用油圧ジャッキの場積確保が必要であった。
特開２００１−３２９７８１号公報 特開２０００−６４７６９号公報

本発明では、１台のシールド掘削機で本線のトンネル掘削と、所望の位置からシールドトンネルを拡幅し、利用目的に応じた任意の断面を有する拡幅区間の掘削を可能とし、しかも従来の拡幅工事とは異なる側壁掘削により、本線トンネルの掘削と側壁掘削とを効率的に行うことができ、工期の短縮並びに工事費用の低減を図ることのできる新規な掘削工法に基づいてシールド掘削機及び側壁掘削工法を提供することにある。

本願発明の課題は本願請求項１〜６に記載された各発明により達成することができる。
即ち、本願発明では請求項１に記載したように、スキンプレートの先端部にカッタヘッドを備えたシールド掘削機であって、前記スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、
前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、前記側壁カッタヘッドの外周部に設けたカッティングエッジを有するフードと、前記側壁カッタヘッドにより側壁に形成した穴や溝内に地山保持材を注入する地山保持材注入口と、を備えてなることを特徴とするシールド掘削機の構成を最も主要な特徴となしている。

また、本願発明では請求項２に記載したように、前記側壁カッタヘッドにより側壁に形成した穴や溝内に注入された地山保持材を排出する拡張用排泥管が、更に備えられてなること、請求項３に記載したように、前記側壁カッタヘッドが、コピーカッタを備えてなること、請求項４に記載したように、前記側壁カッタヘッドが、略ボックス断面の穴を掘削すること、を主要な特徴となしている。尚、略ボックス構造としては角部が円弧状に形成された構造であっても良い。
更に、本願発明では請求項５に記載したように、スキンプレートの先端部にカッタヘッドを備えたシールド掘削機であって、前記スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、を備えてなり、
前記側壁カッタヘッドが、少なくとも上下方向に二分割可能であることを特徴とするシールド掘削機の構成を他の最も主要な特徴となしている。

更にまた、本発明では請求項６に記載したように、スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、を備えてなるシールド掘削機を用い、前記カッタヘッドにより掘進する本線の掘削工程と、
前記往復動機構を作動させ、前記側壁カッタヘッドを前記スキンプレートから所望量突出させて、前記シールド掘削機の側壁部の掘削を行う側壁掘削工程と、前記側壁掘削工程による側壁の掘削終了後、前記往復動機構を作動させて前記側壁カッタヘッドを前記スキンプレート内に収納する収納工程と、を含み、
前記掘削工程における掘進を停止中、前記側壁掘削工程及び前記収納工程を行う拡幅工程と、及び前記拡幅工程終了後に前記掘削工程を再開して一定距離掘進させ、同一定距離掘進後に同掘削工程における掘進を停止する一定距離推進工程と、を交互に順次繰り返して行い、所定長さの側壁拡幅区間を形成することを特徴とする側壁掘削工法を別の最も主要な特徴となしている。

本願発明では、請求項１に記載した構成をシールド掘削機が備えているので、例えば、シールド掘削機の掘進を停止中に、側壁カッタヘッドをスキンプレートから外側に突出させることで、シールド掘削機側壁に略側壁カッタヘッドの断面形状を有する穴を掘削することができる。しかも、同穴の掘削後には側壁カッタヘッドを後退させてスキンプレート内に戻すことができる。

側壁カッタヘッドをスキンプレート内に戻した後で、シールド掘削機の掘進作業を再開し、側壁カッタヘッドにて掘削した穴の横幅の長さと同程度、あるいはそれ以下の距離だけ掘進させ、その後、シールド掘削機の掘進を停止させて、上述したように、側壁カッタヘッドをスキンプレートから外側に突出させることで、シールド掘削機側壁に略側壁カッタヘッドの断面形状を有する穴を掘削することができる。同穴の掘削後には、側壁カッタヘッドを後退させてスキンプレート内に戻すことができ、続けて、シールド掘削機の掘進作業を再開して、側壁カッタヘッドにて掘削した穴の横幅の長さと同程度、あるいはそれ以下の距離掘進させることができる。

しかも、側壁には側壁カッタヘッドのスキンプレートからの突出毎に、側壁カッタヘッドの外周断面形状と略同一の断面形状を有する穴を掘削形成することができる。側壁カッタヘッドによる掘削を、シールド掘削機の所定量掘進毎に繰り返して行うことにより、各穴が連続した状態となり、所望高さ、所望の奥行きを有する連続した溝を側壁に形成することができる。

特に、シールド掘削機の掘進作業停止中に側壁カッタヘッドによる穴を側壁に掘削形成することができるので、シールド掘削機の停止中に行うセグメントの組立て作業時間を側壁の掘削作業時間として有効に利用することができるようになり、工期が延びてしまうことがない。

側壁カッタヘッドの外周断面形状や側壁カッタヘッドの前面形状をシールドトンネルの利用目的に応じた任意の断面形状とすることによって、拡幅した側壁部を所望の断面形状に構築することが可能となる。側壁掘削カッタヘッドにより側壁に形成する穴の奥行きは、往復動機構による側壁カッタヘッドの突出量を調整することで任意の奥行きに形成することができる。

また、側壁カッタヘッドは、少なくとも１組以上をシールド掘削機内に内蔵させておくことができ、それぞれの側壁カッタヘッドを独立して作動させることも、連動して駆動させることもできる。これによって、例えば、シールド掘削機の側壁の片側だけに連続した溝を形成することも、あるいは側壁の両側にそれぞれ連続した溝を形成することができる。

側壁カッタヘッドの外周部に同外周部を囲み、かつ先端周縁部にカッティングエッジを有するフードを備えているので、カッティングエッジを側壁カッタヘッドに備えた円形カッタ等より先行させて、側壁内に嵌入させることができる。これにより、側壁カッタヘッドにより形成する穴の断面形状をフードの略外周形状とすることができる。
フードを備えることにより、側壁カッタヘッドにて掘削した土泥等が掘削済みの穴または穴が連続して形成された溝内に侵入するのを防止することができる。また、掘削済みの穴または穴が連続して形成された溝内には、地山保持材注入口から地山保持材等を注入しておくことによって、同穴又は溝内に地山が崩落するのを防止することもできる。地山保持材としては、側壁カッタヘッドのバルクヘッド内に充填する地山保持材を用いることができる。
このように、本発明では、側壁カッタヘッドとしてはシールド掘削機の本体に備えたカッタヘッドと同様な構成を有することができる。側壁カッタヘッドにて掘削した地山の土砂等を側壁カッタヘッド内に取り込むため、側壁カッタヘッドを隔壁で仕切られたバルクヘッドの前端部に設け、同バルクヘッドには請求項２に記載した拡張用排泥管や、送泥管、アジテータ等を配しておくことができる。

本線トンネルの掘削中に側壁カッタヘッドをスキンプレート内に後退させておくときには、側壁カッタヘッドのバルクヘッド内に土砂あるいは地山保持材等を充填させておくことによって、側壁の崩壊を防止することができる。地山保持材としては、例えばベントナイトと地下水に対して流出し難く流動性の高い物質とを混合したもの等を用いることができる。

あるいは、シールド掘削機の側壁部における崩落を防止するため、スキンプレートにおける側壁カッタヘッドを出没させる開口部を開閉自在に覆う蓋を側壁カッタヘッドあるいはスキンプレートに配設しておくこともできる。

側壁カッタヘッドの往復動機構としては、側壁カッタヘッドを摺動させる摺動面、側壁カッタヘッドの摺動方向を規制するガイド部材、及び側壁カッタヘッドをスキンプレートから出没させるスライドジャッキを備えた機構等で構成することができる。

同往復動機構により、側壁カッタヘッドのスキンプレートからの突出量を掘削する側壁の拡幅部の奥行きに応じて調整することができるようになる。また、側壁カッタヘッドの摺動面にはシール部材を配しておくことにより、土砂等が同摺動面からスキンプレート内に侵入するのを防止するとともに、側壁カッタヘッドの摺動が円滑に行えるようにすることができる。

側壁カッタヘッド前面には、円形のカッタを単体又は複数装備した構成とすることができる。円形のカッタを複数装備したときには、各円形のカッタが相互に干渉しないように配置することが必要である。また、側壁カッタヘッドの前面は、側壁カッタヘッドの出没方向に対して直交する平面形状に形成することも、同出没方向に対して交差する傾斜面に形成すること等、側壁の穴を掘削するに適した形状に形成することができる。

本願請求項３に記載の発明においては、前記側壁カッタヘッドが、コピーカッタを備えているので、側壁カッタヘッド前面に円形のカッタを単体又は複数装備し構成としたときでも、円形のカッタで掘削できない領域をコピーカッタで余掘り掘削を行うことができ、矩形断面形状等の所望の断面形状の穴又は同穴が連続した溝を側壁部に形成することができる。

例えば、側壁カッタヘッド及びフードの外形形状を矩形形状とすることにより、本願請求項４に記載した発明のように、側壁カッタヘッドによる掘削毎に、側壁には、一定幅、一定高さ及び一定奥行となった略ボックス断面の穴を掘削形成することができる。しかも、側壁カッタヘッドによる掘削を、シールド掘削機の所定量掘進毎に繰り返して行うことにより、各穴が連続した状態となった所望高さ、所望の奥行きを有する連続した溝を側壁に形成することができる。

また、側壁カッタヘッド及びフードの形状をシールドトンネルの利用目的に応じた任意の断面形状として選択することによって、拡幅した側壁部を所望の断面形状に構築することが可能となる。特に、矩形断面形状等に穴を掘削成形するときには、本願請求項３記載のコピーカッタが、矩形断面等の形成に威力を発揮させることができる。

本願請求項５に記載の発明においては、前記側壁カッタヘッドが、少なくとも上下方向に二分割可能であることにより、上部に配した側壁カッタヘッドが下部に配した側壁カッタヘッドに先行して穴の上部の掘削を行い、穴の上部の掘削が終了した時点で、前記下部に配した側壁カッタヘッドを掘進させて、穴の下部の掘削を行うことができる。

このような掘削作業を行うことにより、上下２個の側壁カッタヘッドを同時に掘進させる場合に比べて、掘進推力が少なくてすみ、しかも、穴の下部を掘削する場合には、上部に配した側壁カッタヘッドにより、穴の上部からの崩落を防止した状態で掘削作業を行うことができる。

本願請求項６に記載した拡幅掘削工法を用いることにより、シールド掘削機の間欠掘進送りにより側壁方向に側壁カッタヘッド穴を掘削することができる。しかも、側壁カッタヘッドをシールド掘削機の間欠掘進送りに合わせて、順次側壁の掘削を行うことにより、側壁に形成した穴同士が連接した溝として形成することができる。

また、側壁に形成する穴の奥行きを異ならせることにより、例えば、溝の一部に奥行きが異なった部分を有する溝に形成することもできる。側壁に溝を形成した拡幅区間を掘削した後は、側壁カッタヘッドをスキンプレート内に後退させることで本線のみのトンネル掘削を続行させることができる。

本願発明により、簡単な機構で連続的な拡幅溝を構築することができ、しかも、拡幅溝を構築するのに機械コストを低減することができる。しかも、側壁カッタヘッドによる穴の横幅を小さくすることにより、シールド掘削機の機長を伸ばすことなく側壁カッタヘッドをスキンプレート内に収納することができる。

本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。図１は、本発明の１実施例を示すシールド掘削機の側断面図である。図２はシールド掘削機のカッタヘッドを示す正面図である。図３は図１におけるＩ−Ｉ断面図、図４は側壁カッタヘッドの正面図を示している。図５は図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図、図６の右側は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図で左側は図１のＩＶ−ＩＶ断面図である。図７、図８及び図９、図１０は、本発明の１実施例を示すシールド掘削機での拡幅部の掘削状況を示す説明図をそれぞれ前半と後半との２つに分けて説明した図である。

図１は、従来から用いられていると同様の構成を備えたシールド掘削機１の側部に、スキンプレート１４側部からの突出及びスキンプレート１４内への後退を自在とした側壁カッタヘッドを備えた概略図を示している。シールド掘削機１本体には、スキンプレート１４の前端部において隔壁で仕切られたバルクヘッド３が設けられ、バルクヘッド３の前端には駆動モータ４により回転駆動されるカッタヘッド２が回動自在に取り付けられている。

バルクヘッド３は従来と同様の構成を備え、送泥管５、循環管６、排泥管９が接続され、また、アジテータ８等が設けられている。循環管６はバイパス管１０に接続され、バイパス管１０は送泥管５と排泥管９とに接続している。送泥管５及び排泥管９は図示せぬ機外のポンプ等と接続している。

シールド掘削機１の後部には、セグメントエレクタ１５や形状保持装置３８等が配備され、セグメント１８、１８’の組み付け組み立てや拡幅部の支持等を行うことができる。また、シールド掘削機１の後部側に配したシールドジャッキ１３を、トンネル周方向への組み立てが完了したセグメント１８に当接させ、その反力を得てシールド掘削機１を推進させることができる。

図２には、側壁カッタヘッド２７をスキンプレート１４内に後退させた状態におけるカッタヘッド２の正面図を示している。本願実施例におけるカッタヘッド２は、従来から用いられているカッタヘッドと同様な構成となっており、カッタヘッド２の前面部には掘削用カッタ２３が径方向に沿って配されている。また、カッタヘッド２の外周部には、径方向に出没自在なコピーカッタ２２が配されている。図２においては、コピーカッタ２２の配置を説明するため、カッタヘッド２の外周部から突出した状態を示しているが、カッタヘッド２による掘削作業中ではコピーカッタ２２はオーバカット量に応じてその突出量が調整されているものである。

図１、３の右側に示すように側壁カッタヘッド２７は、通常はスキンプレート１４内に収納され、側壁カッタヘッド２７が拡幅開始位置、即ち、側壁に溝を掘削する側壁掘削の開始位置に到達したときには、図３に示す側壁カッタヘッドスライドジャッキ３３の作動により、図１における紙面の垂直方向に突出させる。

側壁カッタヘッド２７前面には、図４に示すように回転カッタ２８が複数配設され、回転カッタ２８の端部には、図３に示すようにコピーカッタ２９が回転カッタ２８の半径方向へ出没自在に配設されている。回転カッタ２８は、図３に示す駆動モータ３９により回転駆動され、回転カッタ２８及び余堀りを行うコピーカッタ２９と共同して側壁カッタヘッド２７の外周部に周設したフード３０の周縁部に形成したカッティングエッジ３１とともに、断面矩形形状のボックス形状の穴を掘削することができる。側壁カッタヘッド２７にて掘削された土砂等は、バルクヘッド４３内に取り込まれ、排泥管３６によりシールド掘削機１の機外に排出される。

側壁カッタヘッド２７はフード３０とともに、側壁カッタヘッドスライドジャッキ３３の作動により、図１における紙面の垂直方向に出没させる構成となっているが、フード３０を出没させるジャッキ等を別途用意して、フード３０を側壁カッタヘッド２７とは独立して出没制御することもできる。

フード３０は掘削穴の断面形状を形成すると共に、側壁カッタヘッド２７にて掘削した土砂等が、既に掘削済みの穴や同穴を連続して形成した溝内に侵入するのをフード３０によって防ぐことができる。なお、側壁カッタヘッド２７にて側壁に掘削形成した穴や溝内には、図１に示す地山保持材注入口１１から地山保持材等を注入することができる。地山保持材としては、例えばベントナイトと地下水に対して流出し難く流動性の高い物質との混合材等を用いることができる。

図３に示すように、側壁カッタヘッド２７のスキンプレート１４からの突出及びスキンプレート１４内への後退は、シールド掘削機１内に配した側壁カッタヘッドスライドジャッキ３３の伸長動作、縮小動作により行うことができる。なお、側壁カッタヘッドスライドジャッキ３３のストローク長を短くするため、側壁カッタヘッドスライドジャッキ３３のピストンロッドの先端と側壁カッタヘッド２７との間に複数のスペーサ４２を介在させることもできる。

側壁カッタヘッド２７の摺動面４５は、シールド掘削機１に設けたガイド４４に沿って、その摺動方向が規制されて前後動できる構成となっている。ガイド４４と側壁カッタヘッド２７の摺動面４５との間には、図示せぬシール部材が配されており、土砂等がシールド掘削機１内に侵入するのを防いでいる。

側壁カッタヘッド２７は、隔壁により仕切られたバルクヘッド４３の先端部に回転自在に支持され、駆動モータ３９により回転駆動される。バルクヘッド４３には、送泥管３５、排泥管３６が接続されている。

また、側壁カッタヘッド２７は１セット以上シールド掘削機１内に収納することができ、所望セット数、所望のセット位置にそれぞれ側壁カッタヘッド２７をスキンプレート内に収納することができる。図３に示す実施例では、側壁カッタヘッド２７がシールド掘削機１の左右に配されている例を示し、図３の右側が側壁カッタヘッド２７をスキンプレート１４内に後退して収納した状態を示し、図３の左側が側壁カッタヘッド２７をスキンプレート１４から突出させて側壁に穴を掘削する状態を示している。

図３に示すように側壁カッタヘッド２７を左右一対配することにより、本線トンネルの両側壁に拡幅区間をそれぞれ所望の長さにわたって構築することができる。

側壁カッタヘッド２７がスキンプレート１４内に収納されているときには、バルクヘッド４３内に地山保持材等を充填しておくことにより、シールド掘削機１周辺の地山が崩壊して側壁カッタヘッド２７内に流れ込むのを防止することができる。あるいは、側壁カッタヘッド２７を出没させるスキンプレート１４の開口部あるいは側壁カッタロッドに、開口部を閉鎖し、開放時には前記開口部を開放して側壁カッタヘッド２７を出没させることのできる蓋体を配することにより、地山の側壁カッタヘッド２７への侵入を防止することもできる。

図５は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面を示しているもので、スキンプレート１４から拡幅溝内に張り出した状態の拡張スキンプレート１７（図５の左側）とスキンプレート１４内に収納した状態の拡張スキンプレート１７（図５の右側）とを示している。拡張スキンプレート１７は、本線トンネルの両側壁を拡幅するときには、左右に配した拡張スキンプレート１７がそれぞれの拡幅溝内に張り出されるものである。

拡張スキンプレート１７には、シールドジャッキ１３が設けられ、本線におけるセグメント１８に当接できるように１組配されている。このため、拡張スキンプレート１７には、シールドジャッキ１３のピストンロッド及びスプレッダを通す穴が２段にわたって形成され、拡張スキンプレート１７を拡幅方向に移動させたときには、本線トンネルのセグメント１８の位置から外れた前記穴（図５において点線で示す穴）は図示せぬ蓋等によりシールされる。また、拡張スキンプレート１７とスキンプレート１４間には、図示せぬシール部材が配されており、土砂等がシールド掘削機１内に侵入するのを防止している。

なお、本願発明では、シール部材は、土砂等がシールド掘削機１内に侵入するのを防止できる必要な箇所に必要な数だけシール部材を配設することができるものである。

図６には、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図とＩＶ−ＩＶ断面図とを左右に分けて１つの図面で示している。図６の右側に示すように、拡張スキンプレート１７部には、拡幅部におけるトンネルを形成するセグメント１８’を組み立てるセグメントエレクタ１５が配設されている。セグメントエレクタ１５は、拡幅部にセグメント１８’を組立てに使用しないときには、本線トンネルのセグメント１８の組み立てにも使用することができる。

図６の左側に示すように、拡張スキンプレート１７部には、形状保持装置３８が配置され、形状保持装置３８の一部は、拡張スキンプレート１７の突出に伴って拡幅溝側に突出することができる構成となっている。

図７、図８及び図９、図１０を用いて、側壁カッタヘッド２７が上下に二分割される構成となっている場合を例にして、側壁に穴を順次形成することで穴が連続した溝を形成する掘削工法について説明する。図７は側壁カッタヘッドによる掘削の前半部を説明し、図８では後半部を説明している。また、図９では、側壁カッタヘッドを突出させる工程を説明し、図１０では、突出させた側壁カッタヘッドを後退させる工程を説明している。

図７（ａ）では、側壁カッタヘッド２７によって既に側壁の掘削が行われており、掘削された溝、即ち側壁カッタヘッド２７により掘削された穴が連続した状態、の一部には拡幅用のセグメント１８’が組み立てられた状態を示している。そして、シールド掘削機１が所定量掘進を行って掘進の停止を行い、側壁カッタヘッド２７が次の掘削作業を開始する状態を示している。

図７（ｂ）に示すようにシールと掘削機１の左右からそれぞれ側壁カッタヘッド２７が突出し、側壁の掘削を行う。このとき、図９（ａ）に示すように、側壁カッタヘッド２７は、上部に配された上部側壁カッタヘッド２７ａと下部に配された下部側壁カッタヘッド２７ｂとに二分割されて構成されている。上部側壁カッタヘッド２７ａ及び下部側壁カッタヘッド２７ｂの外周部には、それぞれフード３０ａ、３０ｂが周設されている。

上部側壁カッタヘッド２７ａ及び下部側壁カッタヘッド２７ｂには、それぞれ回転カッタ２８及び図示せぬコピーカッタが形成され、駆動モータ３９により回転駆動される。また、コピーカッタは図示せぬ駆動機構により突出量の制御が行われる。更に、図９、図１０に示すように、上部側壁カッタヘッド２７ａ及び下部側壁カッタヘッド２７ｂにおける回転カッタ２８は、２つの異なる傾斜面に配設されており、側壁に形成する穴の奥行き形状にほぼ合わせた形状とすることができる。

以下において、側壁カッタヘッド３０が、上部側壁カッタヘッド２７ａ及び下部側壁カッタヘッド２７ｂに二分割されている実施例について説明を行うが、本願発明では、側壁カッタヘッド３０が二分割されている場合に限定されるものではなく、単一の側壁カッタヘッドの構成でも、二分割以上の多分割に分割されている場合をも包含しているものである。更に、側壁カッタヘッド３０を多分割して構成する場合には、上下方向の分割以外にも、左右方向の分割等で分割状態を構成することができるものである。しかも、多分割した側壁カッタヘッドをそれぞれ独立して突出及び後退制御を行わせることができるものである。

図９（ａ）に示すように、上部側壁カッタヘッド２７ａにおける回転カッタ及びコピーカッタとフード３０ａの先端部に形成したカッティングエッジにより先行掘削が行われ、穴の上半分における掘削作業を行う。上部に配された側壁カッタヘッド２７ａは、掘削した穴の上部が崩壊しないように突出した状態を維持したまま、次に、図９（ｂ）に示すように下部側壁カッタヘッド２７ｂが突出して、下部側壁カッタヘッド２７ｂにおける回転カッタ及びコピーカッタとフード３０ｂの先端部に形成したカッティングエッジにより、穴の下半分の掘削作業が行われる。

下部側壁カッタヘッド２７ｂによる穴の下半分の掘削作業が終了すると、図１０（ａ）に示すように下部側壁カッタヘッド２７ｂはスキンプレート１４内に後退する。下部側壁カッタヘッド２７ｂのスキンプレート１４内への後退が終了すると、図１０（ｂ）に示すように、上部側壁カッタヘッド２７ａはスキンプレート１４内に後退する。即ち、図８（ａ）における状態となり、側壁カッタヘッド３０の前方部に穴が形成され、既存の溝と連通することになる。

下部側壁カッタヘッド２７ｂの後退時あるいは後退後には、図１における地山保持材注入口１１から地山保持材が下部の穴に注入される。または、下部側壁カッタヘッド２７ｂと上部側壁カッタヘッド２７ａがスキンプレート１４内に後退後、図１における地山保持材注入口１１から地山保持材を掘削したばかりの穴に注入することもできる。なお、地山保持材１２の注入作業は、シールド掘削機１を次の側壁掘削位置に向かって掘進させている掘進作業工程において注入作業を行うこともできる。

地山保持材等を充填することによって掘削した拡幅溝内に地山が崩落するのを防止することができる。地山保持材としては、例えばベントナイトと地下水に対して流出し難く流動性の高い物質との混合材等を用いることができる。

図８（ｂ）は、側壁カッタヘッド３０による穴掘削が終了した状態で、次の穴掘削作業を行わせるために、シールド掘削機１の掘進を行わせている状態を示している。本願発明においては、側壁の拡幅作業を図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）の順番で、しかも、図７（ｂ）から図８（ａ）の作業を図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）に示す側壁カッタヘッド２７ａ、２７ｂを突出及び後退制御することで、側壁の掘削作業を行うことができるものである。

側壁カッタヘッド３０による掘削作業中には、図１に示すようにエレクタ１５を用いてセグメント１８、１８’の組み付け作業を行うことができるので、セグメント１８、１８’の組み立て作業中に側壁の穴掘削を行うことができるようになる。このため、側壁の拡幅を行うために、シールド掘削機１を間欠掘進させるときの１回分の掘進量は、少なくともセグメント１８，１８’１個分の長さ掘進させることが望ましい。

側壁カッタヘッド２７により掘削を行った拡幅溝に拡幅用のセグメント１８’（図７、８参照）を組み立てるため、同拡幅溝内に突出することのできる拡張スキンプレート１７が、図１に示すようにスキンプレート１４の側面部に配されている。同拡張スキンプレート１７内において、セグメントエレクタ１５を用いて拡幅用のセグメント１８’組み立てることができる。また、拡張スキンプレート１７の前面には、拡張用排泥管１９が配され、穴や溝内に注入した地山保持材を同拡張用排泥管１９を介して機外に排出することができる。

図７、図８に示すように、本願発明のシールド掘削機１においては、スキンプレート１４の前端部に設けたカッタヘッド２によって、本線トンネルの掘削を行うことができ、側壁の拡幅区間においては側壁カッタヘッド２７により穴を複数形成することによって拡幅溝を形成することができる。しかも、セグメント１８、１８’の組立て作業時間を利用して、側壁の掘削作業を行うことができるので、拡幅部を形成するトンネル掘削の作業工期を延長させるようなことなく行うことができる。

このとき、前記側壁カッタヘッド２７及びフードの外形形状に応じた連続的な側面溝を形成することができる。このため、側壁カッタヘッド２７及びフード３０の形状を拡幅区間の利用目的に応じた任意の断面となる外周面形状とすることにより、任意の断面形状の拡幅区間を構築することができるようになる。また、側壁カッタヘッド２７の突出の度合いに応じて、拡幅溝の奥行長を調整することもできる。また、拡幅用型ヘッドの形状を拡幅区間の利用目的に応じた任意の断面となる外周面形状とすることにより、任意の断面形状の拡幅区間を構築することができるようになる。

本願発明は、本線トンネルの拡幅区間を１台のシールド掘削機で掘削することができるものであり、途中に拡幅区間を有するパイプ内の清掃等に対して本願発明の技術を適用することもできる。

本発明の１実施例を示すシールド掘削機の側断面図である。（実施例） カッタヘッドの正面図である。（実施例） 側壁カッタヘッドの正面図である。（実施例） 図１におけるＩ−Ｉ断面図である。（実施例） 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。（実施例） 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図とＩＶ−ＩＶ断面図である。（実施例） 掘削状況を示す説明図その１である。（実施例） 掘削状況を示す説明図その２である。（実施例） 側壁カッタヘッドの作動を示す説明図その１である。（実施例） 側壁カッタヘッドの作動を示す説明図その２である。（実施例） シールド掘削機の概略斜視図である。（従来例１） シールド掘削機の概略斜視図である。（従来例２）

符号の説明

１ シールド掘削機
２ カッタヘッド
５ 送泥管
９ 排泥管
１１ 地山保持材注入口
１２ 地山保持材
１３ シールドジャッキ
１４ スキンプレート
１６ 上部保護部材
１７ 拡張スキンプレート
１８、１８’ セグメント
２２ コピーカッタ
２３ 掘削用カッタ
２７ 側壁カッタヘッド
２８ 回転カッタ
３０ フード
３３ 側壁カッタヘッドスライドジャッキ
３４ フード伸縮ジャッキ
３５ 送泥管
３６ 排泥管
３８ 形状保持装置
３９ 駆動モータ
４３ バルクヘッド
４４ ガイド
４５ 摺動面
５１ シールド掘削機
５２ カッタヘッド
５３ 伸縮カッタ
５４ 張り出し部
５５ スキンプレート
５９ 拡大シールド掘進機
６０ 第１カッタヘッド
６１ 第１掘削機
６３ 第２カッタヘッド
６４ 第２掘削機
６５ スキンプレート

Claims (6)

1. スキンプレートの先端部にカッタヘッドを備えたシールド掘削機であって、
   前記スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、
   前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、
   前記側壁カッタヘッドの外周部に設けたカッティングエッジを有するフードと、
   前記側壁カッタヘッドにより側壁に形成した穴や溝内に地山保持材を注入する地山保持材注入口と、
   を備えてなることを特徴とするシールド掘削機。
2. 前記側壁カッタヘッドにより側壁に形成した穴や溝内に注入された地山保持材等を排出する拡張用排泥管が、更に備えられてなることを特徴とする請求項１記載のシールド掘削機。
3. 前記側壁カッタヘッドが、コピーカッタを備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載のシールド掘削機。
4. 前記側壁カッタヘッドが、略ボックス断面の穴を掘削することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシールド掘削機。
5. スキンプレートの先端部にカッタヘッドを備えたシールド掘削機であって、前記スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、
   前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、
   を備えてなり、
   前記側壁カッタヘッドが、少なくとも上下方向に二分割可能であることを特徴とするシールド掘削機。
6. スキンプレート内に内蔵され、前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向への掘削を行う側壁カッタヘッドと、
   前記側壁カッタヘッドを前記シールド掘削機の掘進方向とは略直角方向に、前記スキンプレートから外側への突出と同内側への後退とに往復動させる往復動機構と、
   を備えてなるシールド掘削機を用い、
   前記カッタヘッドにより掘進する本線の掘削工程と、
   前記往復動機構を作動させ、前記側壁カッタヘッドを前記スキンプレートから所望量突出させて、前記シールド掘削機の側壁部の掘削を行う側壁掘削工程と、
   前記側壁掘削工程による側壁の掘削終了後、前記往復動機構を作動させて前記側壁カッタヘッドを前記スキンプレート内に収納する収納工程と、
   を含み、
   前記掘削工程における掘進を停止中、前記側壁掘削工程及び前記収納工程を行う拡幅工程と、及び
   前記拡幅工程終了後に前記掘削工程を再開して一定距離掘進させ、同一定距離掘進後に同掘削工程における掘進を停止する一定距離推進工程と、
   を交互に順次繰り返して行い、所定長さの側壁拡幅区間を形成することを特徴とする側壁掘削工法。

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