JP4163583B2 - シールド掘進機及びトンネル構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機及びトンネル構築方法に係り、特に、所定断面を有するメイントンネルと、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルとを構築するシールド掘進機及びトンネル構築方法に関するものである。

地下トンネルを構築する場合、トンネルの長手方向の一部に、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルを構築する場合がある。例えば、道路トンネルを構築する場合では、所定距離毎に車両の非常駐車帯を設ける必要があるからである。

従来、トンネルの長手方向の一部に拡幅トンネルを構築する場合、まず、シールド掘進機により所定断面のメイントンネルを掘削・構築し、次に、拡幅用のシールド掘削機によりメイントンネルから径方向外側に掘削して拡幅トンネルを構築していた。例えば、特許文献１にもそのような拡幅掘削装置が開示されている。しかしながら、この方法はトンネルを構築するのに二回の工程を必要とするため、コストが高く、かつ工期が長期化するという欠点がある。

特公昭６２−１０７３号公報

そこで近年、シールド掘進機のシールドフレームを拡幅可能に分割して構成し、メイントンネルを構築する途中でシールドフレームを拡幅して拡幅トンネルを連続的に構築するシールド掘進機の開発が進められている。

しかしながら、以下の理由から実用化には至っていなかった。

１）上記シールド掘進機では、図２２に示すように、メイントンネルを形成するメインセグメントＭＳの一部を拡幅セグメントＫＳに置き換えて周方向に一体的に組み立てて拡幅トンネルＫＴを構築するのであるが、このように部分的に変形（拡幅）したセグメントは強度が低く、土圧に充分対向できない虞がある。特に、大断面のトンネルを構築する場合にこの問題が生じる。

２）シールドフレームの強度が低下する。

３）拡幅トンネルとシールドフレームとの間の止水性の確保が困難である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、所定断面を有するメイントンネルと、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルとを構築できるシールド掘進機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、地山を掘削するカッタと、そのカッタが掘削した孔内にメインセグメントを組み立ててメイントンネルを構築するメインセグメント組立装置を有するメインシールドと、上記メインセグメント組立装置よりも前方に配置され上記メイントンネルよりも径方向外側の位置に拡幅部材を組み立てる拡幅部材組立装置を有する拡幅シールドとを備え、上記拡幅シールドが、上記メインシールドの径方向内側に位置する非作動位置と、少なくとも一部が上記メインシールドよりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドに対して径方向に移動可能に設けられたものである。

また、上記メイントンネルの断面と略等しい掘削面を有するメインカッタと、そのメインカッタの掘削面よりも径方向外側の部分を掘削する拡幅カッタとを備えても良い。

また、上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインカッタの掘削面内に位置する非作動位置と、掘削面の少なくとも一部が上記メインカッタの掘削面よりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられても良い。

また、上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインシールドの軸心とほぼ平行に位置する非作動位置と、掘削面が上記軸心に対して傾斜する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドに揺動可能に設けられても良い。

また、上記拡幅カッタが、上記メインシールドの径方向に出没可能に設けられたスクリューカッタからなっても良い。

また、上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインカッタの掘削面内に位置する非作動位置と、掘削面の少なくとも一部が上記メインカッタの掘削面よりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられると共に、上記作動位置において、上記メインシールドの周方向に揺動可能に設けられても良い。

また、上記拡幅カッタの回転軸に固定された揺動体と、該揺動体を囲むように形成され上記メインシールドの径方向に移動可能に備えられた揺動ガイドと、上記揺動体を上記揺動ガイドと一体的に上記メインシールドの径方向に移動させる第一駆動手段と、上記揺動ガイドの内面に沿って上記揺動体を上記メインシールドの周方向に揺動させる第二駆動手段とを備えても良い。

また、上記拡幅カッタは、地山を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドを支持すると共に上記カッタヘッドを上記メインシールドの周方向に揺動するブームとを備え、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられたブームカッタであっても良い。

更に本発明は、シールド掘進機のカッタで地山を掘削し、その掘削された孔内でメイントンネルを構築すると共に、メイントンネルの構築位置よりも前方で、メイントンネルよりも径方向外側の位置に拡幅部材を組み立てるトンネル構築方法において、上記カッタで掘削した孔の長手方向一部のみで上記メイントンネルの構築及び拡幅部材の組み立てを行い、それ以外の部分では上記メイントンネルの構築のみを行うようにしたものである。

また、上記メイントンネルと上記拡幅部材とを連通させて、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルとしても良い。

また、上記メイントンネルと上記拡幅部材とを連通させる前に、上記メイントンネル内に補強部材を設けても良い。

本発明によれば、以下に示す如く優れた効果を発揮するものである。
１）メイントンネルと拡幅トンネルとの連続構築を実現でき、コスト低減及び工期短縮が図れる。
２）高い止水性を確保できる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２は本実施形態に係るシールド掘進機の側面断面図、図３はその正面図、図４は図１の４−４線断面図、図５は本実施形態のシールド掘進機が構築するトンネルの断面図である。

本実施形態のシールド掘進機１は、図５（ａ）に示すように、円形断面を有するメイントンネルＭＴと、そのメイントンネルＭＴに隣接配置される断面三日月形状の筒体である拡幅セグメント（拡幅部材）ＫＳとを構築していくものである。

図１及び図２に示すように、本実施形態のシールド掘進機１は、構築すべきメイントンネルＭＴの断面とほぼ同じ（若干大きい）掘削面を有するメインカッタ２と、メインカッタ２が掘削した孔内にメインセグメントＭＳを組み立ててメイントンネルＭＴを構築するメインセグメント組立装置（エレクタ）３を備えたメインシールド５と、メイントンネルＭＴよりも径方向外側部分を掘削するための拡幅カッタ６と、拡幅カッタ６が掘削した領域に拡幅セグメントＫＳを組み立てる図示しない拡幅セグメント組立装置（拡幅部材組立装置）を備えた拡幅シールド７とを備える。

メインカッタ２は、メインシールド５のシールドフレーム８の前端部近傍に設けられた隔壁９に回転自在に設けられる。メインカッタ２は、その回転中心から放射状に延出した複数のスポーク１０と、そのスポーク１０に設けられた多数のカッタビット１１と、スポーク１０の外側端部に径方向に出没自在に設けられたコピーカッタ１２とを備える。メインカッタ２の後面側には回転軸１３及びリング体１５が設けられ、それら回転軸１３及びリング体１５が軸受けを介して隔壁９に支持される。隔壁９には、リング体１５を介してメインカッタ２を回転駆動するカッタ駆動モータ１６が設けられる。

メインカッタ２と隔壁９との間には、メインカッタ２が掘削した土砂を取り込むチャンバ１７が形成される。隔壁９には、チャンバ１７内に泥土を送り込む送泥管１８、チャンバ１７内の土砂及び泥土を混ぜ合わせるアジテータ１９、及びチャンバ１７内で泥土と混ぜ合わされた土砂を後方に排出する排泥管２０等が接続される。

メインシールド５のシールドフレーム８はメイントンネルＭＴとほぼ等しい（若干大きい）断面を有し、その長手方向ほぼ中央部（隔壁９よりも後方）に拡幅カッタ６及び拡幅シールド７が設けられる。メインシールド５の後部（拡幅カッタ６及び拡幅シールド７よりも後方）には、メインセグメントＭＳを組み立ててメイントンネルＭＴを構築するエレクタ３（メインセグメント組立装置）と、エレクタ３により組み立てられたメインセグメントＭＳに反力を取ってシールド掘進機１を推進させるシールドジャッキ２１が設けられる。メインシールド５の後端部には、既設されたメインセグメントＭＳとシールドフレーム８との間を止水するリング状のテールシール２２が設けられる。

拡幅カッタ６及び拡幅シールド７は、メインカッタ２よりも後方かつメインシールド５のエレクタ３よりも前方の位置で、メインシールド５に対して径方向（図３において左右方向）に移動可能に設けられる。具体的には、図１，図２及び図４に示すように、メインシールド５のシールドフレーム８の中央側面部に、径方向内側に略コ字状に窪んだガイド部２３が形成され、そのガイド部２３内に拡幅カッタ６及び拡幅シールド７がスライド可能に収容される。

拡幅カッタ６は、拡幅シールド７のシールドフレーム２４の前端部近傍に設けられた隔壁２５に回転自在に設けられ、回転中心から放射状に延出する複数（本実施形態では四本）のスポーク２６と、そのスポーク２６に設けられた多数のカッタビット２７と、スポーク２６の外側端部に径方向に出没自在に設けられたコピーカッタ２８とを備える。図３に示すように、拡幅カッタ６の掘削面は円形であり、その直径はメインカッタ２の掘削面の直径の約半分である。拡幅カッタ６と隔壁２５との間には、拡幅カッタ６が掘削した土砂を取り込むチャンバ２９が形成される。隔壁２５の後面には拡幅カッタ６を回転駆動するカッタ駆動モータ３０が設けられる。また、図では示されていないが、隔壁２５には、チャンバ２９内に泥土を送り込む送泥管、チャンバ２９内の土砂及び泥土を混ぜ合わせるアジテータ、チャンバ２９内で泥土と混ぜ合わされた土砂を後方に排出する排泥管等が接続される。

拡幅カッタ６は、拡幅シールド７に対して径方向に相対移動可能に取り付けられる。つまり、拡幅カッタ６は、その後面に形成された回転軸３１が、拡幅シールド７の隔壁２５に対して径方向に移動可能に取り付けられ、隔壁２５と回転軸３１との間に、拡幅カッタ６と拡幅シールド７とを相対的に移動させる駆動手段３２が設けられる。本実施形態では、駆動手段３２は、回転軸３１の両側部に対称配置された油圧ジャッキからなり、この油圧ジャッキ３２を収縮又は伸長させることで拡幅カッタ６と拡幅シールド７とを相対的に移動させることができる。

拡幅シールド７のシールドフレーム２４は、メインシールド５のシールドフレーム８のガイド部２３内に収容される略コ字状のスライド部２４ａと、そのスライド部２４ａに連続して形成され、拡幅セグメントＫＳの径方向外側表面とほぼ等しい曲率で湾曲した外壁部２４ｂとを備える。メインシールド５のガイド部２３と拡幅シールド７のスライド部２４ａとの間には適切なシール部材が設けられる。

拡幅シールド７のシールドフレーム２４の後部には、外壁部２４ｂに連続して形成され、拡幅セグメントＫＳの径方向内側表面とほぼ等しい曲率（メインシールド５のシールドフレーム８とほぼ等しい曲率）で湾曲した内壁部３３が設けられる。外壁部２４ｂと内壁部３３とで、既設された拡幅セグメントＫＳの全周を覆う拡幅フレーム３４が構成される。拡幅フレーム３４の後端部内面には、拡幅セグメントＫＳと拡幅フレーム３４との間を止水するテールシール３５が全周に渡って設けられる。

拡幅シールド７は更に、拡幅カッタ６が掘削した領域に拡幅セグメントＫＳを組み立てる拡幅セグメント組立装置（図示せず）と、その拡幅セグメント組立装置により組み立てられた拡幅セグメントＫＳに反力を取ってシールド掘進機１を推進させるシールドジャッキ３６とを備える。拡幅セグメント組立装置は、後方から搬送された拡幅セグメントＫＳを把持し、拡幅シールド７の径方向外側に移動させて掘削カッタ６が掘削した領域に配置する装置からなる。なお、拡幅セグメント組立装置としてエレクタを用いることもできる。

拡幅カッタ６及び拡幅シールド７は、図２及び図３（ｂ）に示すように、最も径方向内側に位置すると、メインシールド５のシールドフレーム８の径方向内側に完全に収容される。メイントンネルＭＴのみを構築する場合は、このように拡幅カッタ６及び拡幅シールド７をメインシールド５内に収容し、拡幅カッタ６による掘削および拡幅シールド７による拡幅セグメントＫＳの組み立ては行わない。拡幅カッタ６及び拡幅シールド７がメインシールド５内に収容された状態（位置）を拡幅カッタ６及び拡幅シールド７の「非作動位置」という。

拡幅カッタ６及び拡幅シールド７が非作動位置から径方向外側に移動すると、図１及び図３（ａ）に示すように、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７の一部がメインシールド５よりも径方向外側に位置する。従って、この状態で拡幅カッタ６を回転させると、拡幅カッタ６はメインカッタ２の掘削面（メインシールド５の断面）よりも径方向外側の部分を掘削する。このように、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７の少なくとも一部がメインシールド５よりも径方向外側に位置する状態（位置）を「作動位置」という。

次に、図６〜図１２を用いて、本実施形態のシールド掘進機１によるトンネル構築方法を説明する。

まず、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７を非作動位置に位置させた状態で地中掘削及びメイントンネルＭＴの構築を行う。このとき、拡幅シールド７の拡幅フレーム３４内に、中央部に穴を有さない蓋セグメントＨＳと、それに隣接する所定数（図では二個）の拡幅セグメントＨＳとを予め組み立て、シールドジャッキ３６が拡幅セグメントＫＳに反力を取れるようにしておく。また、蓋セグメントＨＳは、拡幅シールド７とメインシールド５との間をシールする機能も有している。

そして、シールド掘進機１が所定位置に到達したならば、図６に示すように、拡幅カッタ６を回転させながら拡幅シールド７に対して径方向外側に所定距離移動させ、コピーカッタ２８により拡幅シールド７の径方向外側部分を掘削する。これによって、拡幅カッタ６の掘削面の一部がメインカッタ２の掘削面よりも径方向外側に位置し、メイントンネルＭＴよりも径方向外側の部分の掘削が可能となる。この状態で、図７に示すように、シールド掘進機１を少なくとも拡幅シールド７の長さＬと同じ距離だけ推進させる。

次に、図８に示すように、油圧ジャッキ３２により拡幅シールド７（蓋セグメントＨＳと拡幅セグメントＫＳとを含む）を拡幅カッタ６側に引き寄せる。つまり、拡幅シールド７をメインシールド５の径方向外側に移動させて、拡幅カッタ６が掘削した領域内に位置させる。そして、図９に示すように、拡幅カッタ６を再度拡幅シールド７の径方向外側に移動させて、更に径方向外側部分の掘削を行う。かかる作業を、拡幅カッタ６が掘削する領域が、拡幅セグメントＫＳの断面とほぼ等しくなるまで繰り返す。この作業の間、メインカッタ２による地山掘削、及びエレクタ３によるメイントンネルＭＴの構築は常に行われる。

図１０に、拡幅カッタ６が掘削する領域が拡幅セグメントＫＳの断面とほぼ等しくなった状態を示す。図に示すように、拡幅カッタ６がそれまで掘削した領域Ｘ内には順次充填剤が充填される。そして、既設された拡幅セグメントＫＳに隣接させて新たな拡幅セグメントＫＳを順次組み立てていく。つまり、エレクタ３によるメイントンネルＭＴの構築と、拡幅セグメント組立装置による拡幅セグメントＫＳの組み立てとを同時進行していく。このとき、拡幅セグメント組立装置はエレクタ３よりも前方に配置されているので、拡幅セグメントＫＳの組立は常に、メイントンネルＭＴの構築位置よりも前方、つまり、メイントンネルＭＴが構築されていない領域で行われる。

次に、図１１に示すように、拡幅セグメントＫＳが必要長さ分組み立てられたならば、最先端の拡幅セグメントＫＳに隣接させて蓋セグメントＨＳを組み立て、図１２に示すように、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７をメインシールド５の径方向内側に移動させて、非作動位置に位置させる。拡幅カッタ６及び拡幅シールド７を移動させることにより生じた隙間Ｙには充填剤を充填する。その後は、メインカッタ２による地山掘削、およびエレクタ３によるメイントンネルＭＴの構築を継続する。

この結果、トンネルの長手方向一部において、図５（ａ）に示すように、メイントンネルＭＴの外側に拡幅セグメントＫＳが隣接配置される。

その後、拡幅セグメントＫＳとメイントンネルＭＴとの接続部の外側部分Ｚに、メイントンネルＭＴの内側から作業穴を介して薬品を注入して地盤改良を行う。そして、メイントンネルＭＴの内側に補強部材３７を掛け渡した後、拡幅セグメントＫＳの内側に位置するメインセグメントＭＳ１を取り外すと共に拡幅セグメントＫＳの内壁ＫＳ１を切断する。次に、拡幅セグメントＫＳとメイントンネルＭＴ（メインセグメントＭＳ）とを連結板等を介して溶接接合する。これによって、メイントンネルＭＴと拡幅セグメントＫＳとが連通され、図５（ｂ）に示すように、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルＫＴが構築される。なお、本実施形態では、拡幅セグメントＫＳの内壁ＫＳ１及び拡幅セグメントＫＳの内側に位置するメインセグメントＭＳ１はスチール製のものが用いられる。

このように、本実施形態のシールド掘進機１によれば、所定断面のメイントンネルＭＴと周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルＫＴとを連続的に構築できるため、低コストかつ短期間での構築が可能となる。

特に、拡幅トンネルＫＴを構築する際に、まず、メインセグメントＭＳと、拡幅セグメントＫＳとを別々に（独立して）組み立てるので、セグメントの強度不足の問題を回避できる。つまり、メインセグメントＭＳと拡幅セグメントＫＳとを別々に組み立てて、メインセグメントＭＳを補強部材３７で補強した後に、拡幅セグメントＫＳとメインセグメントＭＳとを連通することによって、メイントンネルＭＴと拡幅トンネルＫＴとの連続構築を実現可能としたものである。

また、拡幅セグメントＫＳの組立時において、メインセグメントＭＳの外周全域がメインシールド５のテールシール２２によりシールされ、拡幅セグメントＫＳの外周全域が拡幅シールド７のテールシール３５によりシールされるため、高い止水性を確保できる。

なお、上記実施形態では、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７を段階的に径方向外側へ移動させるとして説明したが、土質が柔らかい場合などでは、拡幅カッタ６及び拡幅シールド７を一度に必要な距離だけ移動させることもできる。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。

なお、以下の説明において、図１に示したシールド掘進機と同一の構成要素には同一の符号を付す。

まず、図１３及び図１４に示した形態は、拡幅カッタ３８を、メインカッタ２の後方（チャンバ１７内）に配置し、メインシールド５の隔壁９に回転自在に設けたものである。拡幅カッタ３８は、互いに対向させて配置された二本のスポーク３９と、スポーク３９に設けられた多数のビット４０と、スポーク３９の外側端部に径方向に出没自在に設けられたコピーカッタ（図示せず）とを備える。

拡幅カッタ３８の掘削面は図１４にラインＡで示すように円状である。拡幅カッタ３８の作動位置と非作動位置との間の移動は、拡幅カッタ３８の回動を制御することで行う。つまり、図１４に示すように、両スポーク３９がほぼ垂直に位置した状態で拡幅カッタ３８を停止すれば、拡幅カッタ３８がメインカッタ２の掘削面内に完全に位置する。従って、この状態が非作動位置となる。一方、拡幅カッタ３８を回転させると、両スポーク３９が順次メインカッタ２の掘削面よりも径方向外側に突出して、メインカッタ２よりも径方向外側の部分を掘削する。従って、拡幅カッタ３８を回転させた状態が作動位置である。

拡幅シールド７は、図１に示した形態と同様の構成であり、拡幅シールド７をメインシールド５に対して径方向に移動させるための油圧ジャッキなどの駆動手段（図示せず）が別途設けられる。

この形態によれば、拡幅カッタ３８をメインシールド５に対して径方向に移動させる必要がないため、シンプルかつ低コストな構造とできる。

次に、図１５及び図１６に示す形態は、拡幅カッタ４１をメインシールド５の側部に揺動可能に設けたものである。具体的にはメインシールド５のシールドフレーム８の側部に径方向内側に窪んだガイド部４２が形成され、そのガイド部４２内にスライド部４４がスライド自在に収容される。そして、そのスライド部４４に、外側面が球状の揺動体４３が揺動可能に設けられる。ガイド部４２とスライド部４４及びスライド部４４と揺動体４３との間は適切なシール部材によりシールされる。揺動体４３は、メインシールド５の軸心Ｃに対して傾斜する方向に揺動可能に設けられ、その揺動体４３に拡幅カッタ４１が回転可能に設けられる。拡幅カッタ４１は回転中心から放射状に延出したスポーク４５と、スポーク４５に設けられたビット４６とを備える。メインシールド５のシールドフレーム８には、拡幅カッタ４１との間にチャンバ４７を形成する隔壁４８が設けられる。スライド部４４は油圧ジャッキなどの駆動手段（図示せず）によりメインシールド５の径方向に移動される。また、揺動体４３も、油圧ジャッキなどの駆動手段（図示せず）によりメインシールド５の軸心Ｃに対して揺動される。スライド部４４の移動及び揺動体４３の揺動に伴って、拡幅カッタ４１が移動及び揺動する。

この形態では、拡幅カッタ４１の作動位置と非作動位置との間の移動は、スライド部４４の径方向の移動及び揺動体４３の揺動により行う。つまり、図１５に点線で示すように、拡幅カッタ４１の掘削面（スポーク４５）がメインシールド５の軸心Ｃとほぼ平行に位置するように揺動体４３を揺動させると共に、スライド部４４を径方向内側に最も移動させると、拡幅カッタ４１がメインカッタ２の掘削面内に完全に収容される。従って、この状態が非作動位置となる。一方、図１５に実線で示すように、また図１６に示すように、スライド部４４を径方向外側に移動させると共に、揺動体４３をメインシールド５の軸心Ｃに対して傾斜させると、拡幅カッタ４１の掘削面が前方側を向き、その掘削面の一部がメインカッタ２の掘削面よりも径方向外側に位置する。この状態が作動位置である。なお、拡幅シールド７は図１３の形態と同様の構成である。

この形態では、拡幅カッタ４１を傾斜させて回転することで径方向及び軸方向への掘削が可能となる。従って、拡幅セグメントＫＳを組み立てるのに必要な領域まで迅速に掘削でき、無駄な掘削を省くことができると共に充填剤の充填領域を少なくできる。

次に、図１７〜図１９に示した形態は、拡幅シールド４８のシールドフレーム４９をメインシールド５に対して揺動可能に設けたものである。即ち、メインシールド５のシールドフレーム８の側部に径方向内側に窪んだガイド部５０が形成され、そのガイド部５０内に拡幅シールド４８のシールドフレーム４９が収容される。シールドフレーム４９は、その上部がピン５１（図１８及び図１９参照）を介してメインシールド５のシールドフレーム８に回動（揺動）自在に取り付けられ、図示しない油圧ジャッキ等の駆動手段によりピン５１廻りに揺動される。拡幅シールド４８のシールドフレーム４９の下面４９ａと、メインシールド５のガイド部５０の下面５０ａとはほぼ同じ曲率で湾曲する（図１８参照）。シールドフレーム４９の後部には、図１に示した拡幅フレーム３４と同様の拡幅フレーム５２が設けられる。

この形態では、拡幅シールド４８の作動位置と非作動位置との移動は、シールドフレーム４９の揺動により行う。つまり、図１８に点線で示すように、また図１９（ａ）に示すように、シールドフレーム４９を径方向内側に揺動させると、拡幅シールド４８は完全にメインシールド５の径方向内側に収容される。従って、この位置が拡幅シールド４８の非作動位置である。そして、図１８に実線で示すように、また図１９（ｂ）に示すように、シールドフレーム４９をピン５１回りに径方向外側に回動すると、拡幅シールド４８の一部がメインシールド５の径方向外側に突出する。これが、拡幅シールド４８の作動位置である。

一方、拡幅カッタ５３は、拡幅シールド４８の直前の位置で、メインシールド５のシールドフレーム８に対して径方向に出没可能に設けられた複数のスクリューカッタ５４からなる。シールドフレーム８の側部には各スクリューカッタ５４の収容スペース５５が径方向内側に窪んで形成される。収容スペース５５は拡幅シールド４８とほぼ同じ高さに渡って上下に複数配置され、各収容スペース５５内にスクリューカッタ５４がそれぞれ配置される。各スクリューカッタ５４には駆動装置（油圧ジャッキ）５６がそれぞれ接続され、この油圧ジャッキ５６により各スクリューカッタ５４がそれぞれ独立して径方向に移動される。図１９（ａ）に示すように、各スクリューカッタ５４がメインシールド５の径方向内側に最も後退すると、全てのスクリューカッタ５４は完全にメインカッタ２の掘削面内に位置する。これが、拡幅カッタ５３の非作動位置である。そして、各スクリューカッタ５４が径方向外方に突出すると、メインカッタ２の掘削面よりも径方向外側に位置して掘削を行う。このとき、各スクリューカッタ５４は、図１９（ｂ）に示すように、拡幅シールド４８の形状に合わせてその突出距離が各々調節される。スクリューカッタ５４により掘削された土砂はメインシールド５に設けられたチャンバ５７内に取り込まれて後方へと排出される。

この形態では、拡幅セグメントＫＳの形状に合わせて各スクリューカッタ５４を突出することで、任意形状の掘削を行うことができるという利点を有する。

次に、図２３〜図２８に示した形態は、拡幅カッタ６０をメインカッタ２よりも後方に配置している。この拡幅カッタ６０は、回転中心から放射状に延出する複数（本実施形態では四本）のスポーク６１と、そのスポーク６１に設けられた多数のカッタビット６２と、スポーク６１の外側端部に径方向に出没自在に設けられたコピーカッタ６３とを備える。図２４に示すように、拡幅カッタ６０の掘削面は円形であり、その直径はメインカッタ２の直径の約半分である。

図２３に示すように、メインシールド５のシールドフレーム８の側面部には、径方向内側に略コ字形状に窪んだガイド部６４が形成されている。このガイド部６４には、スライド部６５がメインシールド５の径方向に移動可能に設けられる。スライド部６５の前面には、隔壁６６が配置されている。

隔壁６６と拡幅カッタ６０との間には、拡幅カッタ６０が掘削した土砂を取り込むチャンバ７４が形成される。隔壁６６と拡幅カッタ６０の回転軸７２との間は、シール部材７５によりシールされている。また、図では示されていないが、ガイド部６４には、チャンバ７４内に泥土を送り込む送泥管、チャンバ７４内の土砂及び泥土を混ぜ合わせるアジテータ、チャンバ７４内で泥土と混ぜ合わされた土砂を後方に排出する排泥管等が接続される。

スライド部６５の側面部には、スライド筒６７が設けられている。このスライド筒６７は、ガイド部６４を貫通して、シールドフレーム８内へ延出している。スライド筒６７とガイド部６４との間は、シール部材６８によりシールされている。

スライド部６５内には、揺動ガイド７０が設けられている。この揺動ガイド７０の内面の、メインシールド５の前後方向の厚さは、後述する揺動体７１の厚さと略同一に形成されている。一方、図２６（ｂ）に示すように、揺動ガイド７０の内面の、メインシールド５の径方向の長さは、揺動体７１の長さより大きく形成されている。また、揺動ガイド７０の内面であって、メインシールド５の径方向の外方側には、図２６（ｂ）中示した上下部にＲ部７０ａと、このＲ部７０ａを繋ぐ直線部７０ｂとが形成されている。

揺動ガイド７０内には、揺動体７１が収容されている。この揺動体７１は、拡幅カッタ６０の回転軸７２に固定されている。この揺動体７１の一端（図中の左側）に形成されたＲ部７１ａは、揺動ガイド７０のＲ部７０ａと略同一の曲率で形成されている。

図２３に示すように、スライド部６５の一端（図中の上方向）には、第一駆動手段６９が備えられている。本実施の形態においては、第一駆動手段６９は、二本のスライドジャッキ（油圧ジャッキ）であり、スライドジャッキ６９のシリンダ部は、ガイド部６４に固定されている。スライド部６５は、スライドジャッキ６９により、メインシールド５の径方向に移動される。このとき、揺動体７１は、揺動ガイド７０と一体的に、メインシールド５の径方向に移動される。

図２６（ｂ）に示すように、揺動体７１の径方向の内方側（図中の右方向）に複数の第二駆動手段７３が設けられている。各第二駆動手段７３は、その一端が揺動体７１の径方向の内方側の上下部にそれぞれ回転可能に接続される。本実施の形態においては、第二駆動手段７３は、シフトジャッキ（油圧ジャッキ）であり、その他端は、スライド部６５にそれぞれ回転可能に接続される。

図２７（ｂ）に示すように、上下のシフトジャッキ７３の長さを同じだけ延ばすと、揺動体７１が揺動ガイド７０の内面に沿って、メインシールド５の径方向に真直に移動される。このとき、揺動体７１のＲ部７１ａが、揺動ガイド７０の直線部７０ｂと接するまで移動させておく。この位置において、図２８（ａ）に示すように、上のシフトジャッキ７３の長さを縮退させて、下のシフトジャッキ７３の長さを伸長させると、揺動体７１が揺動ガイド７０の直線部７０ｂに沿って移動し、揺動体７１のＲ部７１ａが揺動ガイド７０の上部のＲ部７０ａと当接するまで、上方向に傾斜される。一方、図２８（ｂ）に示すように、上のシフトジャッキ７３の長さを伸長させて、下のシフトジャッキ７３の長さを縮退させると、揺動体７１が揺動ガイド７０の直線部７０ｂに沿って移動し、揺動体７１のＲ部７１ａが揺動ガイド７０の下部のＲ部７０ａと当接するまで、下方向に傾斜される。

ここで、図２６（ａ）に示すように、非作動位置においてスライド部６５は、メインフレーム８よりも内方に収容され、メインフレーム８との間に隙間７６が形成されている。この隙間７６に土砂が侵入すると、スライド部６５がメインシールド５の径方向の外方に移動されない。そのため、図２５に示すように、シールドフレーム８の内方には、外筒扉７６と、この外筒扉７６をメインシールド５の周方向にスライドするための扉用ジャッキ７７が備えられている。この外筒扉７６は、シールドフレーム８の曲率と略同一の曲率で形成されている。非作動位置において、外筒扉７６をメインシールド５の周方向にスライドして隙間７６を覆う。このとき、スライド部６５を拡幅カッタ６０と共に外部と区画して、メインシールド５の内部に収容することができる（図２６（ａ）の破線部分を外筒扉７６が覆う）。

図２３に示す拡幅シールド７は、図１に示した形態と同様の構成であり、拡幅シールド７をメインシールド５に対して径方向に移動させるための油圧ジャッキなどの駆動手段（図示せず）が別途設けられる。

この形態では、拡幅カッタ６０の作動位置と非作動位置との間の移動は、スライドジャッキ６９により行う。図２７（ｂ）に示すように、スライドジャッキ６９により、スライド部６５をメインシールド５の径方向に移動させると、拡幅カッタ６０が径方向に移動される。また、シフトジャッキ７３により、揺動体７１をメインシールド５の径方向に移動させることでも、拡幅カッタ６０が径方向に移動される。

一方、作動位置における拡幅カッタ６０のメインシールド５の周方向への揺動は、シフトジャッキ７３により行う。図２８（ａ）に示すように、シフトジャッキ７３により、揺動体７１を上方向に傾斜させると、拡幅カッタ６０がメインシールド５の周方向に略沿って、上方向に揺動される。一方、図２８（ｂ）に示すように、シフトジャッキ７３により、揺動体７１を下方向に傾斜させると、拡幅カッタ６０がメインシールド５の周方向に略沿って、下方向に揺動される。

図２４に示すように、拡幅カッタ６０を上方向に揺動すると、一点鎖線で示す位置Ｄに移動する。一方、拡幅カッタ６０を下方向に揺動すると、二点鎖線で示す位置Ｅに移動する。即ち、拡幅カッタ６０をメインシールド５の周方向に揺動することで、拡幅カッタ６０の掘削面よりも広範囲の地山（ハッチングで囲った部分の領域Ｆ）を掘削することができる。

ところで、拡幅カッタ６０をメインシールド５の周方向へ揺動させずに領域Ｆを掘削するためには、拡幅カッタ６０の掘削面を領域Ｆを含んだ大きさに拡大する必要がある。しかしながら、拡幅カッタ６０をメインシールド５の周方向に揺動することで、その掘削面を拡大することなく、領域Ｆを掘削することができる。即ち、拡幅カッタ６０の掘削面を拡大する必要がないので、拡幅カッタ６０を大きくすることはなく、拡幅カッタ６０の収容スペースを小さくすることを維持できる。

この形態では、メインシールド５の径方向に移動させる拡幅カッタ６０を、メインシールド５の周方向へも揺動させることにより、拡幅カッタ６０の掘削面よりも広範囲の地山を掘削することができるという利点を有する。また、拡幅カッタ６０の掘削面を拡大せずに、拡幅カッタ６０をメインシールド５の周方向へ揺動させる構造としたことにより、拡幅カッタ６０を大きくすることはなく、拡幅カッタ６０の収容スペースを小さくすることを維持できるという利点を有する。

次に、図２９〜図３０に示した形態は、拡幅カッタ８０をメインカッタ２よりも後方に配置している。この拡幅カッタ８０は、地山を掘削するカッタヘッド８１と、カッタヘッド８１を支持すると共に、カッタヘッド８１をメインシールド５の周方向に揺動するブーム８２とを備え、メインシールド５の径方向に移動可能に設けられたブームカッタである。

図３０（ａ）に示すように、メインシールド５のシールドフレーム８の側面部には、径方向内側に略コ字形状に窪んだガイド部８３が形成されている。このガイド部８３には、スライド部８４がメインシールド５の径方向に移動可能に設けられる。ガイド部８３とスライド部８４との間は、シール部材８５によりシールされている。

スライド部８４の側方（図中の左方向）には、拡幅カッタ（ブームカッタ）８０が掘削した土砂を取り込むチャンバ８６が形成される。また、スライド部８４には、チャンバ８６内に泥土を送り込む送泥管８７、チャンバ８６内の土砂及び泥土を混ぜ合わせるアジテータ（図示せず）、チャンバ８６内で泥土と混ぜ合わされた土砂を後方に排出する排泥管８８等が接続される。

スライド部８４の一端（図中の右方向）には、駆動手段８９が備えられている。本実施の形態においては、駆動手段８９は、二本のスライドジャッキ（油圧ジャッキ）であり、スライドジャッキ８９のシリンダ部は、ガイド部８３に固定されている。スライド部８４は、スライドジャッキ８９により、メインシールド５の径方向に移動される。

図２９に示すように、スライド部８４の側面部（図中の下方向）には、ブーム８２が接続されている。ブーム８２は、メインブーム９０と、メインブーム９０に接続された第一屈曲部（第一ジャッキ）９１と、第一ジャッキ９１に接続された第二屈曲部（第二ジャッキ）９２とを備えている。これら第一ジャッキ９１、及び第二ジャッキ９２は、屈曲手段（ロータリアクチュエータ）９３、９４によりそれぞれ屈曲される。

ロータリアクチュエータ９３、９４により、第一ジャッキ９１、及び第二ジャッキ９２を屈曲させると、メインブーム９０は、メインシールド５の周方向に揺動される。即ち、ブーム８２は、メインシールド５の周方向に屈曲可能に設けられている。本実施の形態のブーム８２は、二つの屈曲部（第一ジャッキ９１、及び第二ジャッキ９２）を備えているので、二段階に屈曲することが可能である。

ブーム８２は、スライド部８４に取り付けられたロッド９５ａに接続されている。このロッド９５ａは、スライド部８４に設けられた筒体９５ｂに挿入されており、駆動手段９６により、メインシールド５の径方向に移動される。駆動手段９６は、二本のシフトジャッキ（油圧ジャッキ）である。ブーム８２は、ロッド９５ａがメインシールド５の径方向に移動されることにより、メインシールド５の径方向に移動される。

メインブーム９０の長手方向の途中には、カッタヘッド８１が掘削した土砂をメインシールド５の内方へと取り込むスクリュー９７が、メインブーム９０の軸廻りに回転可能に設けられている。スクリュー９７は、図示しない駆動手段により、メインブーム９０の軸廻りに回転される。

メインブーム９０の先端部には、カッタヘッド８１がメインブームの軸廻りに回転可能に取り付けられている（支持されている）。カッタヘッド８１は、放射状に設けられた多数のカッタビット（図示せず）を備えている。カッタヘッド８１は、図示しない駆動手段により、メインブーム９０の軸廻りに回転される。

カッタヘッド８１は、二段階に屈曲可能なブーム８２により支持されているので、任意の位置に移動することができる。即ち、カッタヘッド８１は、任意形状の掘削を行うことができる
図３０（ｂ）に示すように、拡幅カッタ８０（カッタヘッド８１）の作動位置と非作動位置との間の移動（メインシールド５の周方向への移動）は、スライドジャッキ８９、及びシフトジャッキ９６により行う。

一方、作動位置における拡幅カッタ８０（カッタヘッド８１）のメインシールド５の周方向への揺動は、ブーム８２により行う。第一ジャッキ９１、又は第二ジャッキ９２により、ブーム８２を上方向又は下方向に屈曲させると、ブーム８２の屈曲に応じて、カッタヘッド８１が、上方向又は下方向に揺動される。

この形態では、拡幅セグメントＫＳ（図５参照）の形状に合わせて拡幅カッタ８０を移動することで、任意形状の掘削を行うことができるという利点を有する。

さて、本発明は以上説明した実施形態に限定されず、様々な変形例が考えられるものである。

例えば、拡幅カッタとして、図１に示すコピーカッタ１２の突出ストロークを大きくしたものを用いることもできる。

また、拡幅カッタは必ずしも設ける必要はない。例えば、図２０に示すように、メインカッタによりメイントンネルＭＴよりも大きな断面の孔Ｈを掘削し、その孔Ｈで拡幅セグメントＫＳ及びメイントンネルＭＴの組み立てを行っても良い。なお、この場合、拡幅セグメントＫＳ及びメイントンネルＭＴと孔Ｈとの間に充填剤を充填する。

また、掘削する地山が柔らかい場合などは、メインカッタでメイントンネルＭＴとほぼ同じ断面の孔を掘削すると共に、拡幅シールドを、側部の地山内に埋め込むように径方向に押し出して、拡幅セグメントＫＳを組み立てることも考えられる。

また、拡幅シールドをメインシールドの両側部に設けて、左右両側に拡幅した拡幅トンネルを構築するようにしても良い。更に、拡幅シールドを上又は下方向に移動可能に設け、上下方向に拡幅したトンネルを構築するようにしても良い。

また、図２１に示すように、円状のトンネルを複数接続した多円形トンネルＴＴを構築するシールド掘進機にも適用可能である。

更に、本発明のシールド掘進機は、トンネルの長手方向の一部に拡幅トンネルを構築する場合のみならず、トンネル全域に渡って拡幅トンネルを構築することもできる。また、拡幅セグメントを一つのトンネルとして、二つの並列したトンネルとすることもできる。

更に上記実施形態では、拡幅セグメントは筒体であると説明したが、周方向に複数分割された構造であっても良い。

また、上記実施形態で説明したカッタ、カッタ駆動手段及び泥土排出手段などは一例として示したものであり、本発明を限定するものではない。

本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の側面断面図であり、拡幅カッタ及び拡幅シールドが作動位置に位置した状態を示している。 本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の側面断面図であり、拡幅カッタ及び拡幅シールドが非作動位置に位置した状態を示している。 （ａ）は、図１のシールド掘進機の正面図であり、拡幅カッタ及び拡幅シールドが作動位置に位置した状態を示している。（ｂ）は、図１のシールド掘進機の正面図であり、拡幅カッタ及び拡幅シールドが非作動位に位置した状態を示している。 図１の４−４線断面図である。 （ａ）は、図１のシールド掘進機が構築するメイントンネルと拡幅セグメントとを示す断面図である。（ｂ）は、図５（ａ）のメイントンネルと拡幅セグメントとを連通させて拡幅トンネルとした状態の断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 図１のシールド掘進機のトンネル構築方法を説明する側面断面図である。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 図１３のシールド掘進機の正面図である。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 図１５のシールド掘進機の正面図である。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 図１７の１８−１８線断面図である。 図１７のシールド掘進機の拡幅カッタ及び拡幅シールドを示す図である。 メインカッタが掘削した孔内で拡幅セグメントとメイントンネルを構築する状態を示す図である。 多円形トンネルの両側部に拡幅セグメントを組み立てた状態を示す図である。 周方向に一体的に構築された拡幅トンネルを示す図である。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 図２３のシールド掘進機の正面図である。 図２３のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は、図２３のシールド掘進機の側面断面図であり、拡幅カッタが非作動位置に位置した状態を示している。（ｂ）は、図２３のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが非作動位置に位置した状態を示している。 （ａ）は、図２３のシールド掘進機の側面断面図であり、拡幅カッタが作動位置に位置した状態を示している。（ｂ）は、図２３のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが作動位置に位置した状態を示している。 （ａ）は、図２３のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが作動位置に位置すると共に、メインシールドの周方向の上側に揺動された状態を示している。（ｂ）は、図２３のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが作動位置に位置すると共に、メインシールドの周方向の下側に揺動された状態を示している。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 （ａ）は、図２９のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが非作動位置に位置した状態を示している。（ｂ）は、図２９のシールド掘進機の正面断面図であり、拡幅カッタが作動位置に位置した状態を示している。

符号の説明

１ シールド掘進機
２ メインカッタ
３ メインセグメント組立装置（エレクタ）
６ 拡幅カッタ
７ 拡幅シールド
ＫＳ 拡幅セグメント（拡幅部材）
ＭＳ メインセグメント
ＭＴ メイントンネル

Claims (11)

1. 地山を掘削するカッタと、該カッタが掘削した孔内にメインセグメントを組み立ててメイントンネルを構築するメインセグメント組立装置を有するメインシールドと、上記メインセグメント組立装置よりも前方に配置され上記メイントンネルよりも径方向外側の位置に拡幅部材を組み立てる拡幅部材組立装置を有する拡幅シールドとを備え、
   上記拡幅シールドが、上記メインシールドの径方向内側に位置する非作動位置と、少なくとも一部が上記メインシールドよりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドに対して径方向に移動可能に設けられたことを特徴とするシールド掘進機。
2. 上記メイントンネルの断面と略等しい掘削面を有するメインカッタと、該メインカッタの掘削面よりも径方向外側の部分を掘削する拡幅カッタとを備えた請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインカッタの掘削面内に位置する非作動位置と、掘削面の少なくとも一部が上記メインカッタの掘削面よりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられた請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインシールドの軸心とほぼ平行に位置する非作動位置と、掘削面が上記軸心に対して傾斜する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドに揺動可能に設けられた請求項２に記載のシールド掘進機。
5. 上記拡幅カッタが、上記メインシールドの径方向に出没可能に設けられたスクリューカッタからなる請求項２に記載のシールド掘進機。
6. 上記拡幅カッタは、その掘削面が上記メインカッタの掘削面内に位置する非作動位置と、掘削面の少なくとも一部が上記メインカッタの掘削面よりも径方向外側に位置する作動位置との間を移動できるように、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられると共に、上記作動位置において、上記メインシールドの周方向に揺動可能に設けられた請求項２に記載のシールド掘進機。
7. 上記拡幅カッタの回転軸に固定された揺動体と、該揺動体を囲むように形成され上記メインシールドの径方向に移動可能に備えられた揺動ガイドと、上記揺動体を上記揺動ガイドと一体的に上記メインシールドの径方向に移動させる第一駆動手段と、上記揺動ガイドの内面に沿って上記揺動体を上記メインシールドの周方向に揺動させる第二駆動手段とを備えた請求項６に記載のシールド掘進機。
8. 上記拡幅カッタは、地山を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドを支持すると共に上記カッタヘッドを上記メインシールドの周方向に揺動するブームとを備え、上記メインシールドの径方向に移動可能に設けられたブームカッタである請求項２に記載のシールド掘進機。
9. シールド掘進機のカッタで地山を掘削し、その掘削された孔内でメイントンネルを構築すると共に、メイントンネルの構築位置よりも前方で、メイントンネルよりも径方向外側の位置に拡幅部材を組み立てるトンネル構築方法において、
   上記カッタで掘削した孔の長手方向一部のみで上記メイントンネルの構築及び拡幅部材の組み立てを行い、それ以外の部分では上記メイントンネルの構築のみを行うことを特徴とするトンネル構築方法。
10. 上記メイントンネルと上記拡幅部材とを連通させて、周方向の一部が拡幅された拡幅トンネルとする請求項９に記載のトンネル構築方法。
11. 上記メイントンネルと上記拡幅部材とを連通させる前に、上記メイントンネル内に補強部材を設ける請求項１０に記載のトンネル構築方法

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