JP4172020B2 - シールド掘削機、シールドトンネルの拡大構築方法及びシールドトンネルの縮小築造方法 - Google Patents

Description

本発明は、標準断面坑と拡幅坑の双方を掘進可能な拡大機能を備えたシールド掘削機に関する。

一般のシールド工法では、シールド掘削機本体の前方にカッターとその駆動装置を、後方にセグメントで覆工を構築するセグメント組立機を、そして中間部に掘削機を前進させる推進装置等を備え、これらの装置をリングガーダーで補剛された略円筒状のスキンプレートで覆っていて、前方でカッターを駆動装置で回転させて推進装置でシールド掘削機を前進させ、後方でセグメントを組立てて覆工を構築しながらシールドトンネルを築造している。

こうしたシールドトンネルは、とりわけ都市部における道路や鉄道等のトンネル構造において重要性が増してきており、ますます長距離掘進、大深度化が求められているが、シールドトンネルでは、その途中で部分的に拡幅されたドンネルが必要となることが多い。例えば、地下鉄等の鉄道トンネルの場合は５００ｍ〜１０００ｍ毎に駅部を設けねばならず、また道路トンネルの場合は約５００ｍ毎に非常駐車帯を設けたり分岐のための加減速車線を設けなければならない、といった事情等によるものである。

従来、トンネル内に拡幅部を築造する方法としては、開削工法、所定断面をなす標準坑のシールドトンネルを築造後に部分的にセグメントを取り外して拡幅坑を掘削・覆工する工法、あるいは拡幅坑専用のシールド掘削機を用いる工法、等が実施されてきた。
特許第２６７７９０３号公報

このような中、開削工法においては、地上用地を長期間占有するなど、周辺環境に与える影響は大きく、工事が非常に大規模となってしまう。また、シールドトンネルを築造後に部分的にセグメントを取り外して拡幅坑を掘進・覆工する工法においては、一旦覆工したセグメントを取り外すために無駄が多いとともに、土水圧に対する地盤改良を必要とする。更に、拡幅坑専用のシールド掘削機を用いる工法においては、シールド掘削機の分解・搬送及び組立てといった作業を伴わなければならない。このように従来の方法では、多大な労力、工費を要するとともに、工期の長期化を招く結果となっている。こうしたことから、トンネル路線のうち、任意の一部を所定必要断面に拡大し、必要延長を掘進後元の断面に戻る機能を備えた経済的なシールド掘削機の開発が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、トンネルの深度、作用土圧・水圧などの如何にかかわらず、安全かつ経済的な標準トンネル及び拡大トンネルの築造を容易として、工期の短縮及び工費の節減を図ることのできるシールド掘削機、シールドトンネルの拡大構築方法及びシールドトンネルの縮小築造方法を提供することを目的としている。

請求項１記載のシールド掘削機は、所要断面が標準坑に築造される標準トンネル部と、該標準トンネル部と比較して所要断面が拡大した拡幅坑に築造される拡大トンネル部を、トンネルの掘進方向に連続して築造するシールド掘削機であって、前部に前記標準トンネル部及び拡大トンネル部の両者を掘進するカッター、中間部に該カッターの駆動装置、及びシールド掘削機を前進させる推進装置、後部にセグメントで覆工を構築するセグメント組立機を備えるとともに、シールド掘削機本体の外周面を覆う略円筒状のスキンプレート、及びスキンプレート内周面に沿って配置されるリングガーターよりなる外郭と、該シールド掘削機の前部と中間部を区画する隔壁とを備えており、該外郭は、その断面を跨ぐように配置される分割線と外郭との交点を結ぶ２本の切断線で二つに分割され、前記隔壁も外郭の断面を跨ぐように配置される分割線で二つに分割されており、該分割線と外郭との交点を結ぶ一方の切断線に、シールド掘削機軸線方向に延在するヒンジが配置され、分割された前記外郭が前記ヒンジを介して連結されることで、該ヒンジを介して外殻の断面が拡大縮小自在に構成されることを特徴としている。

請求項２記載のシールド掘削機は、前記分割線と外郭との他方の交点を結ぶ切断線が、前記分割線と外郭との一方の交点を結ぶ切断線に設置されたヒンジの軸を中心とする円弧に形成された前記外殻の範囲内に配置されることを特徴としている。

請求項３記載のシールド掘削機は、前記外郭が、１対の前記切断線を介して左右に２分割されており、前記一方の切断線に配された前記ヒンジを介して連結された第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体により構成され、該第１の外郭分割体及び該第２の外郭分割体の各々に、カッターが分割して備えられ、前記シールド掘削機は左右二つのシールド掘削機分割体に分割され、前記ヒンジを介して連結されていることを特徴としている。

請求項４記載のシールド掘削機は、前記分割された外郭が拡大された時に外郭に形成される開口部を閉塞するために、前記外郭には長手方向の形状及び部材長を前記ヒンジを中心とする円弧に形成した複数の肋材が備えられており、該肋材は、前記外殻の内周面上で、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に、長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第１の外郭分割体及び前記第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置されるとともに、前記第１の外郭分割体の内周面と重なる肋材の部分を該外殻分割体に固定する該肋材と、前記第２の外郭分割体の内周面と重なる肋材の部分を該外殻分割体に固定する別の該肋材とをトンネル掘削機軸線方向に交互にトンネル掘削機の全長に亘って複数連接することを特徴としている。

請求項５記載のシールド掘削機は、前記肋材に、周方向への押圧力を作用させる動力装置が備えられていることを特徴としている。

請求項６記載のシールド掘削機は、前記分割された外郭が拡大された時に外郭に形成される開口部を閉塞するために、前記外郭には長手方向を、前記ヒンジを中心とする円弧に形成したカバープレートが備えられており、該カバープレートが、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に、長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置されることを特徴としている。

請求項７記載のシールド掘削機は、前記第１の外郭分割体と、前記第２の外郭分割体の間に、該分割体に周方向への押圧力を作用させる動力装置が備えられていることを特徴としている。

請求項８記載のシールド掘削機は、前記隔壁が第一の隔壁分割体と第二の隔壁分割体とに分割され、前記分割された外郭が拡大された時に、拡大に伴って分割される隔壁に形成される開口部を閉塞するために、前記隔壁の背面には、長手方向の形状と部材長を、その設置位置と前記ヒンジとの距離を半径とする円弧に形成した複数の曲線梁が備えられており、該曲線梁が、前記隔壁の背面の前記肋材上で、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第一の隔壁分割体及び前記第二の隔壁分割体の両者とラップするように積み重ねて配置されるとともに、前記第一の隔壁分割体の背面と重なる曲線梁の部分を該隔壁分割体に固定する曲線梁と、前記第二の隔壁分割体の背面と重なる曲線梁の部分を該隔壁分割体に固定する別の曲線梁とを鉛直方向に交互に隔壁背面の全高に亘って複数連接することを特徴としている。

請求項９記載のシールド掘削機は、前記分割線と外郭との一方の交点が、外郭の頂部に設けられるとともに、他方の交点が、前記トンネルのインバート部に相当する外郭上に設けられることを特徴としている。

請求項１０記載のシールドトンネルの拡大構築方法は、シールド掘削機の外郭に設けられたヒンジを介して拡大可能な外郭分割体とシールド掘削機前部にカッターを有するシールド掘削機を用いるシールドトンネルの拡大築造方法であって、拡大にあたりあらかじめ前記カッターで拡大断面部に沿って余堀掘進するとともに、その余堀部に充填材を充填した後、外郭分割体をセグメントの端面厚さよりも小さい量だけ拡幅して拡大し、拡幅坑用セグメントをセグメントの端面厚さよりも小さい量だけ拡大して組立てシールド掘削機を掘進させることにより、外郭分割体の拡大と前記セグメントの組立てとシールド掘削機の掘進とを所定の拡大断面になるまで順次繰り返すことを特徴としている。

請求項１１記載のシールドトンネルの縮小構築方法は、シールド掘削機の外郭に設けられたヒンジを介して縮小可能な外郭分割体とシールド掘削機前部にカッターを有するシールド掘削機を用いるシールドトンネルの縮小築造方法であって、縮小にあたり、縮幅坑用セグメントをセグメントの端面厚さより小さい量だけ縮小して組立て、外郭分割体を縮小するとともに、充填材を縮小にあたって生じる空隙部分に充填してシールド掘削機を掘進することにより、前記セグメントの縮小組立てと外郭分割体の縮小とシールド掘削機の掘進とを所定の縮小断面になるまで順次繰り返すことを特徴としている。

請求項１記載のシールド掘削機によれば、分割された外郭がヒンジを介して連結されることで外郭の断面が拡大自在に構成されているので、拡大・縮小が回転によるものとなり、拡大の縮小の動作をスムーズに行うことが可能となる。

請求項２記載のシールド掘削機によれば、前記分割線と外郭との他方の交点を結ぶ切断線が、一方の交点を結ぶ切断線上に設置されたヒンジの軸を中心とする円弧に形成された外殻の範囲内に配置されるから、前記ヒンジ構造を中心としてシールド掘削機の左右の略半円筒状の部分を外側、あるいは内側に回転させたとしても当該ヒンジ構造とシールド掘削機底部のスキンプレートの距離は変わらないことから、周方向の長さは変わるもののインバート部自身の形状は変わらない。したがって、トンネルのアーチ部及びアーチ脚部に加えて、インバート部においても、標準坑と拡大坑で同一形状のセグメントが使用することが可能となる。

請求項３記載のシールド掘削機によれば、外郭分割体が左右二分割されているので、ほぼ断面全体に左右方向に拡大縮小する場合に好適に用いることが可能となる。

請求項４記載のシールド掘削機によれば、外郭が拡大された時の開口部を、前記第１の外郭分割体及び前記第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置され、トンネル掘削機の全長に亘って複数連接する肋材で閉塞する構成としたため、シールド掘削機を拡大したときに生じる外殻の開放部を覆うことができ、掘削時に発生する泥水や泥水、地下水等のシールド掘削機内への漏洩を防止することが可能となる。また、該開放部に肋材が配置されることにより、外殻の補剛部材として機能することとなり、開断面を組み合わせた形状となっているスキンプレートの剛性及び耐荷力を向上することが可能となる。

請求項５記載のシールド掘削機によれば、前記肋材に、周方向への押圧力を作用する動力装置が備えられているから、二つに分割されたシールド掘削機に作用する土圧、水圧を釣合わせ、ヒンジ構造の軸を中心に回転させるとともに、円弧の部材に導入された軸力が次第にスキンプレート、ひいては外殻に移行することで、当該シールド掘削機のスキンプレートを殼構造として設計可能となるよう境界条件を整え、スキンプレートの剛性・耐荷力を高めることが可能となる。

請求項６記載のシールド掘削機によれば、外郭が拡大された時の開口部を、前記第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置されるカバープレートで閉塞する構成としたため、シールド掘削機を拡大したときに生じる外殻の開放部を覆うことができ、掘削時に発生する泥水や泥水、地下水等のシールド掘削機内への漏洩を防止することが可能となる。

請求項７記載のシールド掘削機によれば、前記カバープレートに、周方向への押圧力を作用する動力装置が備えられているから、二つに分割されたシールド掘削機に作用する土圧、水圧を釣合わせ、ヒンジ構造の軸を中心に回転させるとともに、円弧の部材に導入された軸力が次第にスキンプレート、ひいては外殻に移行することで、当該シールド掘削機のスキンプレートを殼構造として設計可能となるよう境界条件を整え、スキンプレートの剛性・耐荷力を高めることが可能となる。

請求項８記載のシールド掘削機によれば、前記分割線と外郭との一方の交点が、外郭の頂部に設けられ、他方の交点が、前記トンネルのインバート部に相当する外郭上に設けられるから、前記ヒンジがクラウン部に備えられていることから、二つの略半円筒状の部分に分割された第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体に作用する土圧、水圧等の一部は、前記ヒンジ構造を介して釣合うことが可能となる。

請求項９記載のシールド掘削機によれば、外郭分割体が水平方向の左右に拡大縮小できるので、拡大断面が左右に広くなり、道路トンネル等の非常駐車帯、分岐合流部用として好適に用いられることとなる。

請求項１０記載のシールドトンネルの拡大築造方法によれば、隣接するリング間の断面拡大量がセグメント端面厚さよりも小さいので、拡幅坑用セグメントの端面に開口が生じず、この開口を塞ぐための別途の対策を必要としない。

請求項１１記載のシールドトンネルの縮小築造方法によれば、隣接するリング間の断面縮小量がセグメント端面厚さよりも小さいので、縮幅坑用セグメントの端面に開口が生じず、この開口を塞ぐための別途の対策を必要としない。

本発明に係るシールド掘削機について、図１から図１３に示す図を参照して、以下に詳述する。本発明は、所要断面積の標準坑から拡大坑にいたる大きさの異なる断面を掘削し、標準坑から拡大坑までの大きさの異なる覆工をシールド掘削機後方の内部で構築し、これらの一連の作業を連続して円滑に行える機能を有するシールド掘削機を示すものである。

以下、シールド掘削機の掘進方向のシールド掘削機の軸線をシールド掘削機軸線と称し、また、シールド掘削機軸線に垂直な断面をシールドトンネル掘削機の断面と称す。

(シールド掘削機の各部の名称)
図１（ａ）に示すように、シールド掘削機Ａは、前部Ａｆに該シールド掘削機Ａの前方の土層を掘進するカッター１、後部Ａｒにセグメント２を組立てることにより覆工Ｂを構築するセグメント組立機３及び組立て直後の覆工の形状を保持するためのセグメント形状保持装置４、中間部Ａｍに前記カッター１を駆動するカッター駆動装置５、及び覆工Ｂを押圧してその反力でシールド掘削機Ａを前進させる推進装置６を備えている。

一方、上述するシールド掘削機Ａの外側は外郭７で覆われており、外郭７はシールド掘削機Ａの外側を覆う略円筒状のスキンプレート８、該スキンプレート８の前方、及び中央に設置されていて、該スキンプレート８を内側から補剛し、推進装置６等が設置されている前方及び中間のリングガーダー９ｆ、９ｍを備えている。
また、該シールド掘削機Ａは、前記外郭７の内方をシールド掘削機Ａの前面にて前記カッター１で掘削を行うフード部（前部）Ａｆと、シールド掘削機Ａの後部にあって前記セグメント組立機３で覆工Ｂを構築するテール部（後部）Ａｒと、その中間にあって前記カッター駆動装置５や推進装置６が設置されている中間部Ａｍとに区分され、フード部Ａｆと中間部Ａｍとは、前方のリングガーダー９ｆに支持されている隔壁１０で区画されている。

図１（ｂ）に示すように、上述する前記シールド掘削機Ａを構成する外郭７の頂部をクラウン部Ａｃ、該クラウン部に接続する左右の円弧状の部分をアーチ部Ａａｘ、Ａａｙ、底部をインバート部Ａｉ、アーチ部Ａａｘ、Ａａｙとインバート部Ａｉを接続する左右の部分をアーチ脚部Ａｓｘ、Ａｓｙと称す。
一般に、シールド掘削機Ａの外郭７を構成するスキンプレート８の形状は、シールド掘削機Ａが深い土中に置かれて周辺地盤からの土圧、水圧等の強い外力が作用することから、円形の閉断面構造を採用する例が多い。シールド掘削機Ａの外郭７を構成するスキンプレート８の形態は円形ではないが、前記アーチ部Ａａｘ、Ａａｙの断面形状は円弧状とし、インバート部Ａｉにおけるスキンプレート８の断面形状も前記クラウン部Ａｃを中心とする半径Ｒｉの円弧としている。そして、これらアーチ部Ａａｘ、Ａａｙの円弧状の部分とインバート部Ａｉの円弧を接続するアーチ脚部Ａｓｘ、Ａｓｙの断面形状は、二つの曲線を滑らかに結ぶ円弧状の曲線としている。

（シールド掘削機Ａの拡大機能）
上述する形状の略円筒形のスキンプレート８を備える外郭７は、図２（ａ）に示すように、該外郭７の断面を跨ぐように配置された分割線１１と外郭７との一方の交点１１ｃｃをクラウン部Ａｃ上に、他方の交点１１ｃｉをインバート部Ａｉ上に配置し、該外郭７に配置される連続した交点をそれぞれ連結して得られる二本の切断線１２ｃｃ、１２ｃｉで、シールド掘削機軸線方向にそって切断されている。このように、スキンプレート８のみでなく、これを内側から補剛している前方及び中間のリングガーダー９ｆ、９ｍも同じ位置で切断することで、外郭７は、半円筒状の第１の外郭分割体７ｘと、第２の外郭分割体７ｙの二つの部分に分割される。従って、該外郭７を構成するスキンプレート８も第１のスキンプレート８ｘと第２のスキンプレート８ｙに、前方及び中間のリングガーダー９ｆ、９ｍもそれぞれ第１の前方のリングガーダー９ｆｘ、第２の前方のリングガーダー９ｆｙ、及び第１の中間のリングガーダー９ｍｘ、第２の中間のリングガーダー９ｍｙに分割される。また、前記シールド掘削機Ａも、該第１の外郭分割体７ｘ、第２の外郭分割体７ｙの各々に、前述したカッター１、カッター駆動装置５、推進装置６等が分割して備えられていることから、第一のシールド掘削機分割体Ａｘと第二のシールド掘削機分割体Ａｙに分割されることとなる。当然のことながら、シールド掘削機Ａのフード部Ａｆと中間部Ａｍとを区分する隔壁１０も分割線１１で第一の隔壁分割体１０ｘ、及び第二の隔壁分割体１０ｙに分割される。

シールド掘削機Ａにおいて、クラウン部Ａｃに配置された切断線１２ｃｃには、該シールド掘削機Ａの軸方向に延在するヒンジ１３が配置されており、分割された前記第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙは該ヒンジ１３を介して連結されており、従って、第一のシールド掘削機分割体Ａｘ、及び第二のシールド掘削機分割体Ａｙも該ヒンジ１３を介して連結されることとなる。
なお、上記では分割線１１と該外郭７との一方の交点１１ｃｃをクラウン部Ａｃに、他方の交点１１ｃｉをインバート部Ａｉ上に配置するとしているが、実態としては一方の交点１１ｃｃはクラウン部Ａｃに設置されているヒンジ１３の軸に配置されることとなる。また、該シールド掘削機Ａのクラウン部Ａｃにある該ヒンジ１３の軸は、前記インバート部Ａｉにおけるスキンプレート８の断面形状を形成する円弧の中心と同じ位置に配置することとする。

上記では、分割線１１と該外郭７との一方の交点１１ｃｃをクラウン部Ａｃ、即ちヒンジ１３の軸に配置し、他方の交点１１ｃｉをインバート部Ａｉ上に配置するとしているが、該外郭７の断面を跨ぐように配置される分割線１１は、前記他方の交点１１ｃｉが、一方の交点１１ｃｃ、即ちヒンジ１３の軸を中心とする円弧に形成された外郭７の範囲内に配置されていれば、何れの位置に配置しても良い。また、図２（ｂ）に示すように、交点１１ｃｃ、即ちヒンジ１３の軸を通る分割線１１の他方の交点１１ｃｉが、外郭７上の一方の交点１１ｃｃ、即ちヒンジ１３の軸を中心とする円弧に形成された範囲内に配置されていれば、複数本あって差し支えない。更に、図３に示すように、交点１１ｃｃ、即ちヒンジ１３の軸と交点１１ｃｉの組合せも、それぞれを結ぶ分割線１１がスキンプレート８の内側で交差しなければ幾組あっても差し支えない。
なお、前記外郭７を分割する分割線１１とインバート部Ａｉのスキンプレート８との交点１１ｃｉと、前記隔壁１０を分割する分割線１１とインバート部Ａｉのスキンプレート８との交点１１ｃｉとは必ずしも同じ位置でなくてよい。

図４（ａ）に示すように、前記外郭７を構成する第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙの各々に備えられた第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙのクラウン部Ａｃに位置する端辺８ｘｔ、８ｙｔは、クラウン部Ａｃに挿入されたヒンジ１３の両側に接続されることとなる。また、該第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙの各々に備えられており、スキンプレート８を内側から補剛している前記リングガーダー９ｆ、９ｆを二つに分割した第１及び第２の前方のリングガーダー９ｆｘ、９ｆｙ、及び第１及び第２の中間のリングガーダー９ｍｘ、９ｍｙのクラウン部Ａｃに位置する端辺も、前記ヒンジ１３の両側に接続されることとなる。
このことにより、左右の外郭分割体の切断線１２ｃｃに作用している力は当該ヒンジ１３を介して釣合うこととなる。このとき、二つに分割された前記第１及び第２の前方のリングガーダー９ｆｘ、９ｆｙ、及び第１及び第２の中間のリングガーダー９ｍｘ、９ｍｙに作用する力を、当該ヒンジ構造１３を介して円滑に伝達し釣合わせる必要があるため、図５（ａ）（ｂ）に示すように、該第１及び第２のリングガーダー９ｆ、９ｍのヒンジ１３に接続する端部は、順次桁高を小さくし桁幅を大きく設定している。

図４（ｂ）に示すように、二つに分割された略半円筒状の第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙ及び第１及び第２の前方のリングガーダー９ｆｘ、９ｆｙ及び第１及び第２の中間のリングガーダー９ｍｘ、９ｍｙよりなる第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙは、クラウン部Ａｃに挿入したヒンジ１３を介して接続することで、該ヒンジ１３の軸を中心として回転可能となり、外側に回転させることで外殻７の形状の拡大が、内側に回転させることで外殻７の形状の縮小が実施されることとなる。これに伴い、シールド掘削機Ａを二つに分割した第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙはヒンジ１３を介して接続され、その断面の拡大及び縮小を自在とする構成を備えることとなる。

該シールド掘削機Ａは、上述の如くその断面の拡大・縮小を自在とする構造を備えることが可能となったが、しかし、図４（ｂ）に示すようにシールド掘削機Ａの断面を拡大すると、外郭７の切断線１２ｃｉ、即ち第１の外郭分割体７ｘと第２の外郭分割体７ｙの間には開口部ＧＳが生じ、また、隔壁１０の０分割線、即ち隔壁分割体１０ｘと１０ｙの間にも開口部ＧＢが生じるため、当該シールド掘削機Ａを実用可能なものとするためには開口部ＧＳ、ＧＢを閉塞することが不可欠である。

（外郭の開口部を閉塞する第一の実施の形態）
前記分割線１１と外郭７のインバート部Ａｉでの交点１１ｃｉ、即ち、切断線１２ｃｉをインバート部Ａｉの中央部に設置した場合の開口部ＧＳの閉塞方法の一つを以下に示す。
シールド掘削機Ａの外郭７には、図６（ａ）に示すように、その長さがシールド掘削機Ａのインバート部Ａｉの円弧の長さに略等しく、且つその形状がヒンジ１３の軸を中心とする半径Ｒｒの部材でその下縁の形状が当該部分のスキンプレート８の上縁と同じである肋材１４が備えられている。該肋材１４は、長手方向をシールド掘削機軸線に直行する方向、つまり、外郭７の周方向に沿うように向けて、インバート部Ａｉにおける第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙを構成する第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙの両者に跨るように、これらの上面に配置されている。
このとき、該肋材１４は、前記第一の外郭分割体７ｘの内周面と重なっている肋材の部分１４ｅｆｘを該外郭分割体７ｘに固定している肋材１４ｅと、前記第二の外郭分割体７ｙの内周面と重なっている肋材の部分１４ｆｆｘを該外郭分割体７ｙに固定している別の肋材１４ｆとを、互いに干渉しない位置でシールド掘削機軸線方向に該シールド掘削機の全長に亘って所定の隙間間隔をもって交互に連接されている。

これにより、第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙがヒンジ１３を中心に外側に回転して両者の間に開口部ＧＳが生じた際にも、該開口部ＧＳは全長に亘って連接された複数の肋材１４ｅ、１４ｆが構成する曲面によって覆われることとなる。
即ち、図６（ｂ）に示すように、前記シールド掘削機Ａを構成するシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙは、前記ヒンジ１３の軸を中心にインバート部Ａｉに形成される開放部ＧＳの幅を、前記肋材１４の長さの半分を限度として外側に回転された場合にも、前記インバート部Ａｉに位置する第１の外郭分割体７ｘと前記第２の外郭分割体７ｙとの間の開口部ＧＳは、前記肋材１４が構成する曲面で覆われて閉塞されるため、シールド掘削機Ａの第１のスキンプレート８ｘと第２のスキンプレート８ｙの間には、開口部が生じることはない。

なお、隣り合う肋材１４e、１４ｆの隙間から、シールド掘削機Ａでの掘削作業により発生する泥水や地下水等が、シールド掘削機Ａの内部へ進入することを防止する目的で、該肋材１４には、図示しないシール構造が採用されており、隣り合う肋材１４e、１４ｆの隙間は、該シール構造を設置するのに必要にして十分な最小寸法を確保することとする。
また、図６（ａ）（ｂ）に示すように、スキンプレート８ｘ、８ｙに固定されている肋材１４ｅ、１４ｆの部分１４ｅｆｘ、１４ｆｆｘの端部は、アーチ脚部Ａｓｘ，Ａｓｙ、若しくは該アーチ脚部Ａｓｘ、Ａｓｙに接続しているアーチ部Ａａｘ，Ａａｙの部分でその部材高を減少させることとし、更に、セグメント２を組立てるシールド掘削機Ａのテール部Ａｒのインバート部Ａｉに用いられる肋材１４については、その上縁も前記ヒンジ構造１３の軸を中心とする円弧とする。

上記では、シールド掘削機Ａの断面の拡大・縮小を可能とするため、シールド掘削機Ａを第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙに分割する構成としており、スキンプレート８を備える外郭７を、第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙの二つの半円筒状の部分に分割した開断面の部材の組合せとしている。このため、シールド掘削機Ａは全体としての曲げ剛性やせん断剛性、並びに捩れ剛性が低下することとなる。特に、インバート部分Ａｉにおける前記第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙは、フード部Ａｆやテール部Ａｒでは２辺が自由端となり、また、中間部Ａｍでは１辺が自由端となる板構造となるため、円筒形の閉断面構造となっている一般のシールド掘削機Ａにおけるインバー卜部分のスキンプレートに比較して、剛性及び耐荷力の低下は著しい。
しかし、本実施の形態では、図６に示すように、インバート部分Ａｉにおける前記第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙに対して、それぞれ肋材１４ｅ、１４ｆをトンネル掘削機Ａ軸方向に複数設置し固定して該外郭７を構成している。このため、本実施の形態におけるシールド掘削機Ａのインバート部分Ａｉにおける肋材１４は、シールド掘削機Ａの開放部ＧＳを閉塞する機能だけでなく、インバート部分Ａｉにおけるスキンプレート８の補剛効果をも有することとなる。

当然のことながら、該肋材１４はシールド掘削機Ａのインバート部Ａｉに作用する土圧や地下水圧によって変形することとなるが、交互に配置される肋材１４ｅ、１４ｆが固定されている第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙが略左右対称となっていることから、該肋材１４ｅ、１４ｆの変形も略左右対称となる。このため、該肋材１４ｅ、１４ｆは、荷重が作用することで肋材１４が構成する曲面の面外への変形が生じるだけでなく、隣り合う曲線梁１４ｅ、１４ｆの面外方向の変形にずれが生じることとなる
このことは、前記のシール構造の機能を損なう可能性があるため、隣り合う肋材１４ｅ、１４ｆの間の面外への変形のずれをお互いに拘束する構造としておく必要がある。一方、このような隣り合う肋材１４ｅ、１４ｆのそれぞれを拘束する機構は肋材１４の剛性を増す機能を有しており、ひいては、インバート部Ａｉの外殻の剛性を高め、耐荷力を向上させる効果をもつこととなる。

前記肋材１４には、肋材１４ｅの前記第１のスキンプレート８ｘに固定されていない一方の端部１４ｅｆｒと、これと隣り合う肋材１４ｆの第２のスキンプレート８ｙに固定されている１４ｆｆｘとの間に、前記シールド掘削機Ａのシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙを、前記ヒンジ構造１３の軸を中心に回転させるための動力装置１５を設置することとする。
このことにより、二つに分割された第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙ各々を構成する第１の外郭分割体７ｘと前記第２の外郭分割体７ｙに作用する土圧・水圧は、シールド掘削機Ａのクラウン部Ａｃに挿入した前記ヒンジ構造１３及びインバート部Ａｉに配置された複数の前記肋材１４に設置した動力装置１５を介して釣合うこととなる。

また、インバート部Ａｉにおいて、前記第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙに交互に固定した前記肋材１４ｅ、１４ｆは、インバート部Ａｉにおける前記第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙに係る補剛効果だけでなく、前記動力装置１５を介して１４ｅ、１４ｆに導入された軸力が、徐々に第１及び第２のスキンプレート８ｘ、８ｙ、ひいては前記第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙに移行する。これにより、シールド掘削機Ａ全体の剛性を高め、前記第１の外郭分割体７ｘと前記第２の外郭分割体７ｙの耐荷力を著しく向上させることとなる。

（外郭の開口部を閉塞する第二の実施の形態）
外郭７の開口部を閉塞する第１の実施の形態では、前記シールド掘削機Ａについて、第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙの両者を外側に回転した際に、前記第１の外郭分割体７ｘと第２の外郭分割体７ｙとの間の開口部ＧＳを、複数の前記肋材１４を介して閉鎖する構成を示した。外郭７の開口部を閉塞する第２の実施の形態では、該肋材１４に代わり、前記第１の外郭分割体７ｘと第２の外郭分割体７ｙとの間に、両者を跨ぐかたちで板構造を設置し開口部ＧＳを塞ぐ構成を以下に示す。
なお、この実施の形態では前記分割線１１とインバー部での外郭７との交点１１ｃｉ、即ち、切断線１２ｃｉの位置はインバートＡｉの中央に限定する必要はない。

前記第１の外郭分割体７ｘと第２の外郭分割体７ｙとの間に生じる開口部ＧＳを閉塞するためのもう一つの方法として、図７（ａ）に示すようにカバープレート１６を用いることができる。該カバープレート１６は、長手方向に前記スキンプレート８のインバート部Ａｉと同様の円弧が形成されており、奥行き方向は、前記外郭７の全長と同様に形成されている。
この場合、分割線１１と外郭７との他方の交点１１ｃｉ、即ち、切断線１２ｃｉがインバート部Ａｉのスキンプレートの中央近傍にある場合は、図示しない装置で支持したカバープレート１６を、長手方向を第１の外郭分割体７ｘを構成するスキンプレート８ｘと前記第２の外郭分割体７ｙを構成するスキンプレート８ｙの両者の周方向に沿わせて、また両者に跨るように配置する。
また、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、分割線１１と外郭７との他方の交点１１ｃｉ、即ち、切断線１２ｃｉがインバートＡｉのアーチ脚部Ａｓｙ近傍にある場合は、アーチ脚部Ａｓｙ側のスキンプレート８ｙの切断部分にシールド掘削機Ａの内側、若しくは外側に所定の寸法の段差を設けるために部材１７を取付け、該部材１７にカバープレート１６をインバート部Ａｉのスキンプレート８に平行に取付けるものとする。
なお、該カバープレート１６は、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、これらスキンプレート８の内周面側もしくは外周面側の何れに設置する構成としても良く、また内周面と外周面の両者に配置する構成としても良い。

該カバープレート１６は、インバート部Ａｉのスキンプレート８と所要の間隔をもったラップ構造を形成し、このラップ構造に図示しないシール構造を配置することでシールド掘削機Ａへの泥水や地下水の等の漏洩を防ぐものである。
したがって、前記外殻７にカバープレート１６を配置する際の両者の間隔は、ラップ構造における泥水・泥水や地下水のシールド掘削機内への漏洩を防止するのに必要にして十分な最小寸法に設定しておくものとする。

また、該カバープレート１６の曲面方向、つまり前記外郭７の周方向の部材長は、前記スキンプレート８のインバート部Ａｉの長さを上限とするが、この場合における該シールド掘削機Ａのトンネル断面の拡幅量Δｒは、前記カバープレート１６の曲面方向、つまり前記外郭７の周方向の部材長を上限とすることになる。
なお、該シールド掘削機Ａの第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙを、前記ヒンジ構造１３の軸を中心に回転させるためには、この実施の形態においても第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙ分割体との間に図示しない動力装置を設置する必要があるが。

このような構成により、前記シールド掘削機Ａの構成するシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙは、前記カバープレート１６の曲面方向、つまり前記外殻７の周方向の部材長を限度として外側に回転された場合にも、外殻分割体７ｘと７ｙの間に生じる開口部ＧＳは、前記カバープレート１６で覆われて閉鎖されるため、シールド掘削機Ａのインバート分Ａｉに開口部が生じることはない。
なお、外郭分割体７ｘ及び７ｙ間の開口部ＧＢの閉塞方法は上記の二つの方法に限るものではない。

（隔壁の開口部を閉塞する第１の実施の形態）
前記隔壁の分割線１１とインバート部Ａｉでの外郭７との交点１１ｃｉをインバート部Ａｉの中央部に設置した場合の隔壁１０の開口部ＧＢの閉塞方法の一つを以下に示す。
シールド掘削機Ａの左右の第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙの背面には、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、その長さがシールド掘削機Ａの該部材が設置されている位置での外郭７の内法寸法に略等しく、且つその形状が前記ヒンジ１３の軸を中心として、該ヒンジ１３の軸と該部材が設置されている位置との距離を半径とする曲線梁１８が備えられている。
該曲線梁１８は、長手方向をシールド掘削機軸線に直交する方向、つまりインバート部Ａｉにおける外郭７の周方向に平行な方向に、隔壁１０の第一の隔壁分割体１０ｘと、第二の隔壁分割体１０ｙの両者にラップするように、隔壁１０の背後のインバート部Ａｉの肋材１４の上縁から該隔壁１０の上端まで積み重ねられている。
このとき、該曲線梁１８は、図８（ｃ）に示すように、前記第一の隔壁分割体１０ｘの内周面と重なっている曲線梁の部分１８ｍｆｘを該第１の隔壁分割体１０ｘに固定している曲線梁１８ｍと、前記第二の隔壁分割体１０ｙの内周面と重なっている曲線梁の部分１８ｎｆｙを該第２の隔壁分割体１０ｙに固定している別の曲線梁１８ｎとを、互いに干渉しない位置でシールド掘削機Ａの隔壁１０の高さ方向に該隔壁１０の全高に亘って所定の隙間間隔をもって交互に連接されている。

このことにより、第一の外郭分割体７ｘ及び第二の外郭分割体７ｙが、ヒンジ１３を中心に外側に回転して両者の間に開口部ＧＢが生じた際にも、図８（ｄ）に示すように、該開口部ＧＢは全高さに亘って連接された複数の曲線梁１８が構成する平面によって覆われることとなる。
なお、第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙの開口部ＧＢを閉塞する曲線梁１８ｍ、１８ｎの上下に重なり合う部分の幅は、曲線梁１８ｍ、１８ｎの第１及び第２の隔壁分割体７ｘ、７ｙから突出している部分の長さを上限とするところから、シールド掘削機Ａが出来るだけ拡幅幅の大きい拡大坑を掘削可能とするためには、曲線梁１８の長さはシールド掘削機Ａの他の構造部分と干渉しない範囲内で出来るだけ長くすることが望ましい。

一般のシールド掘削機において、カッター及びカッター駆動装置は、隔壁並びに隔壁を支持しているリングガーダーに装置されているが、該シールド掘削機Ａにおいても、カッター１及びカッター駆動装置５は、隔壁１０、詳しくは第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙと、隔壁１０を支持している前方のリングガーダー９ｆに装置されることとなる。従って、曲線梁１８ｍ、１８ｎによって隔壁分割体７ｘ、７ｙの開口部ＧＢを閉塞する場合には、該曲線梁１８の梁高は上記のカッター駆動装置５が装置可能な高さとし、同時に、第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙへのカッター１及びカッター駆動装置５の配置においては、曲線梁１８ｍ、１８ｎと干渉することのないような注意が必要である。
また、外郭分割体７ｘ及び７ｙが、ヒンジ構造１３を中心に外側に回転して、隣り合う曲線梁１８ｍ、１８ｎの隙間から、シールド掘削機Ａにおける掘削作業により発生する泥水や地下水等が、シールド掘削機Ａの内部へ進入することを防止する目的で、曲線梁１８には、図示しないシール構造が採用されており、該シール構造を設置するのに必要にして十分な最小寸法を確保することとする。

当然のことながら、該曲線梁１８は、シールド掘削機Ａのフード部Ａｆに貯留される泥土、泥水等の圧力によって曲線梁１８ｍ、１８ｎによって構成される平面の面外に変形することとなり、隣り合う曲線梁１８ｍ、１８ｎの面外方向の変形にずれが生じることとなる。このことは、前記のシール構造の機能を損なう可能性があるため、隣り合う曲線梁１８ｍ、１８ｎの間の面外への変形のずれを抑制する機構を装置する必要がある。そこで、曲線梁１８ｍ、１８ｎの重なり合う面には該曲線梁の面外変形が略同じとなるような図示しない機構を装置するものとする。例えば、曲線梁１８ｍ、１８ｎの重なり合う面に梁の延長方向にそれぞれ凹凸を形成して嵌合させ、摺動自在となるようにしてもよい。
このような隣り合う曲線梁１８ｍ、１８ｎのそれぞれの変形を拘束する機構は曲線梁１８の剛性を増す機能も有しており、ひいては、隔壁１０の耐荷力を向上させる効果をもつこととなる。したがって、隔壁の開口部を閉塞する第１の実施の方式は、大断面のシールド掘削機に対応することができる。

（隔壁の開口部を閉塞する第二の実施の形態）
隔壁の開口部を閉塞する第１の実施の形態では、前記シールド掘削機Ａについて、シールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙの両者を外側に回転した際に、前記第１の隔壁分割体１０ｘと第２の隔壁分割体１０ｙとの間に生じる開口部ＧＢを、複数の曲線梁１８を介して閉鎖する構成を示したが、それに代わり、可能であれば、前記第１の隔壁分割体７ｘと第２の隔壁分割体７ｙとの間に、折りたたみ可能な折板構造２１を設置し開口部ＧＢを塞ぐようにしても良く、参考までにその場合の構成例を第二の実施の形態として以下に示す。
なお、この実施の形態では前記隔壁１０の分割線１１とインバー部Ａｉでの外郭７との交点１１ｃｉの位置はインバートＡｉの中央部に限定する必要はない。

前記隔壁１０の開口部ＧＢには、図９（ａ）（ｂ）に示すような隔壁の背面に位置する肋材１４の上縁と同じ半径を有する扇形であって、その先端が半径ｒで切除されている複数の部材１９のそれぞれの半径方向の辺をヒンジ２０で連結した折板構造２１が備えられていて、該折板構造２１の一方の端辺２１ｘを一方の隔壁分割体１０ｘの切断端辺に、該折板構造２１の他方の端辺２１ｙを他方の隔壁分割体１０ｙの切断端辺にヒンジ構造２２ｘ、２２ｙを介して連結し、開放部ＧＢが閉じられた状態では、折板構造２１は折畳まれ、第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙがヒンジ１３を中心に外側に回転して開口部ＧＢが開放されている状態では、折板構造２１は展開されて開口部ＧＢを閉塞することとなる。
なお、該折板構造２１は、シールド掘削機Ａのフード部Ａｆに貯留される泥土、泥水等の圧力によって後方に変形しようとするが、これに対しては該折板構造２１の変形を拘束する機構が別途必要である。

この実施の方法では、該折板構造２１の先端部分は半径ｒで切除されていて別途の開口部が生じるが、この開口部の閉塞は第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙの該当する部位の隔壁部分をヒンジ１３を中心として周方向に延伸し、ラップ構造とすること等の方法で閉塞することができる。また、該折板構造２１と肋材１４との間には図示しないシール構造が採用される。
また、カッター１及びカッター駆動装置５は第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙと、隔壁１０を支持しているリングガーダー９ｆｘ、９ｆｙに装置されることとなるが、隔壁の開口部を閉塞する第二の実施の方法によれば、該装置等が装置される部分における開口部ＧＢを閉塞する装置等との干渉の可能性は少ない。。
もちろん、隔壁分割体１０ｘと１０ｙの間の開口部ＧＢの閉塞方法は上記二つの方法に限るものではない。

(シールド掘削機に使用するカッターの例)
ところで、シールド掘削機Ａの前方には、所要断面積の標準坑と拡大坑の両者を掘進できるカッター１が備えられている。該カッター１としては、円形断面を掘削する場合に使用される面版式カッターに外周余掘り機構を装置したもの、任意断面の掘削が可能とするスポーク式カッター、及び外周及び中心部の余掘り機構を装置した偏心多軸の並進回転するフレーム式カッター等、一般に用いられているカッターを一部改良したものが適用可能と考えられるが、上記カッターの何れを採用するかは、拡幅坑の標準坑に対する拡大の比率、隔壁１０を分割する分割線の配置位置、並びに隔壁１０の開口部の閉塞方法等によって異なることになる。
上述の如く、該シールド掘削機Ａは、標準坑掘削に連続して拡大坑を掘削するために、該シールド掘削機Ａのクラウン部Ａｃ及びそれと対向するインバート部Ａｉの中央の二箇所において、シールド掘削機軸線方向に沿って切断し、このうちのクラウン部Ａｃの切断箇所にヒンジ１３を挿入して、二つに分割された第１及び第２のシールド掘削機分割Ａｘ及びＡｙをそれぞれヒンジ１３の両側に連結することで、該第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ及びＡｙはヒンジ１３の軸を中心に回転可能とし、シールド掘削機Ａの断面の拡大・縮小を可能としているが、これによって、カッター１やカッター駆動装置５を取付ける隔壁１０も第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙに分割されることから、特に大断面の掘削を目的としたシールド掘削機Ａにおいてはカッター１やカッター駆動装置５も二つに分割して、それぞれを第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙに装置して所要の機能を発揮できるものが望ましい。
以下では、前記隔壁１０の開口部を閉塞する第一の実施の形態を採用した拡大比率の大きい大断面のシールド掘削機Ａに適していると思われる余掘り機構を装置した偏心多軸の並進回転するフレーム式カッター１ｆを採用した場合の構成を詳述する。

一般に、偏心多軸の並進回転するフレーム式カッター１ｆは、掘削断面に略相似な形状のフレームに、カッタービットを装着したカッターヘッドを配置し、カッターを複数の回転軸で偏心して支持し、回転軸を同一方向に回転させることでカッターヘッドを並進回転して所要の断面形状のトンネルを掘削するものである。
そこで、該シールド掘削機Ａにおいては、図１０に示すように、偏心多軸の並進回転するフレーム式カッター１ｆを左右二つの拡幅坑掘削用カッター１ｆｘ、１ｆｙに分割し、それぞれに余掘り機構を装着するとともに、それらを駆動するカッター駆動装置５も左右二つのカッター駆動装置５ｘ、５ｙに分割して、それぞれ左右二つに分割された第１及び第２の隔壁分割体１０ｘ、１０ｙに取付ける構成とする。

即ち、標準坑と略相似な形状のフレームに、図示しないカッタービットを装着したカッターヘッドを左右二つに分割し、該カッターヘッドに外周余堀り機構として、前記トンネル掘削機Ａのアーチ部Ａａｘ，Ａａｙとアーチ脚部Ａｓｘ，Ａｓｙと同様の形状を有するフレームにカッタービットを装着したオーバーカッターを上記カッターヘッドに取付け、上端を左右に回転可能なようなヒンジとし、下端に当該オーバーカッターを適宜角度まで回転可能とする動力装置を取付け、第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙをヒンジ１３を中心に外側に回転した際に掘削不可となる部分を掘削するために、該カッターヘッドに外周余掘り機構と同様な機能を有する中心部余彫り機構を装着したフレーム式カッター１ｆｘと１ｆｙをそれぞれ複数の回転軸で偏心して支持し、回転軸を同一方向に回転させることでカッターヘッドを並進回転して所要の断面を掘削するものである。
なお、該隔壁１０の開口部を前記第一の実施の形態を採用して閉塞した場合、第１の隔壁分割体１０ｘと曲線梁１８ｆ、及び第２の隔壁分割体１０ｙと曲線梁１８ｅが重なり合う部分では、その位置関係が相対的に変化することとなるため、この部分についてはカッター駆動装置を装置することができない。
また、拡大坑の掘削におけるフレーム式カッターヘッド１ｆの外周部及び中心部の掘削については、該フレーム式カッターヘッド１ｆｘ及び１ｆｙの方式に限るものではなく、該フレーム式カッターヘッド以外に設けた掘削装置等で余彫り部分を掘削する構成としても良い。

（拡幅坑の施工）
前述するシールド掘削機Ａを用いて、標準坑を掘進した後、連続して掘削断面を拡大もしくは縮小して掘削する掘削方法を以下に示す。

（標準坑の掘削）
該シールド掘削機Ａで標準坑を掘削する場合には、図１（ａ）や図１０に示すように、まず、第１の工程としてフレーム式カッター１ｆの形状を標準断面が掘削できる形状に調整し、次に、第２の工程として、カッター駆動動力装置５でフレーム式カッター１ｆを駆動させ、シールド掘削機Ａの推進装置６で既設の覆工Ｂを押圧して標準坑に使用するセグメント２ｓの幅に相当する長さを掘進し、第３の工程として、掘削機Ａの後方のテール部Ａｒでセグメント組立機３を用いて標準坑用のセグメント２ｓを組立て、セグメント形状保持装置４で覆工Ｂの形状を保持して覆工Ｂを構築する１サイクルを完了する。
なお、図１１（ａ）に示すように、標準坑用のセグメン２ｓはトンネルのクラウン部Ａｃに位置する頂部セグメント２ｓｃ、トンネルのインバート部Ａｉに位置に配置するインバート部セグメント２ｓｉ、トンネルのアーチ部及びアーチ脚部に位置するアーチ部セグメント２ｓａ、アーチ脚部セグメント２ｓｓにより構成されている。

（掘削断面の拡大）
該シールド掘削機による掘削断面の拡大は、前述のように、二つに分割した第１及び第２の外郭分割体Ａｘ、Ａｙをクラウン部Ａｃに挿入したヒンジ１３を介して接続し、該ヒンジ１３の軸を中心として該外郭分割体を外側に回転させることで、シールド掘削機Ａの第１及び第２の外郭分割体Ａｘ、Ａｙの断面の拡大を行うものである。従って、シールド掘削機各部の拡幅量はクラウン部Ａｃに挿入したヒンジ１３からの距離に比例することになり、アーチ脚部で最大となる。
該シールド掘削機Ａは覆工の１リング分を掘進する間に該シールド掘削機Ａのアーチ脚部における拡幅量（拡大量）は該箇所におけるスキンプレート８と覆工の間の隙間の閉塞を目的として設置されている図示しないテールシールの調整可能な範囲としており１リング当たりの拡幅量は、全幅でおよそ５ｃｍ〜１０ｃｍ程度である。
この程度の拡幅（拡大）量であれば、セグメント２の端面における厚さよりも小さいので、拡大にあたって隣接するセグメントリング間でセグメント端面にズレが生じても開口が生じない。したがって、セグメント端面に開口を塞ぐ妻部材等の別途の対策を施す必要がない。また、テールシールの調整可能な範囲にあるので、第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙを拡大する前に拡幅用セグメント２ｅを組立てることもできるので、この場合には拡幅工程が簡略化される。

以下に、シールド掘削機Ａを用いて、上述の標準断面の掘削に引く続き連続して掘削断面の拡大を行う場合の手順を図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。
第１段階として以下の工程を実施する。
第一の工程として、シールド掘削機Ａの外郭の拡大を行うことなく、覆工Ｂの１リング当たりの拡幅量に相当する分だけ、前記フレーム式カッター１ｆの外周余掘り機構を伸張し、シールド掘削機Ａの推進装置６で既設の標準坑用の覆工Ｂを押圧して、カッター１をカッター駆動動力装置５で並進回転させて所要の断面積を掘削し、セグメント２ｓの幅に相当する長さを掘進したのち、掘削機Ａの後方のテール部Ａｒでセグメント組立機３を用いて標準坑用のセグメント２ｓを組立て、セグメント形状保持装置４で覆工Ｂの形状を保持して覆工Ｂを構築する１サイクルを完了する。
以下、同様の作業を、シールド掘削機Ａのトンネル軸線方向の長さをＬ、標準坑用のセグメント２ｓの幅をｂとした場合にＬ／ｂ回だけ繰り返す。なお、Ｌ／ｂが整数でないときは、Ｌ／ｂの値として、Ｌ／ｂを上回る最小の整数倍をもちいればよい。

この結果、シールド掘削機Ａの前先端近傍の側面では、セグメント２の１リング当たりの拡幅量のＬ／ｂ倍の余掘りが、シールド掘削機Ａの後方端部近傍の側面では、セグメント２の１リング当たりの拡幅量相当分の余掘りがなされたことになる。なお、余掘りの結果生じるシールド掘削機Ａの側面と土層の間の空隙部分には、充填材Ｚを注入して土層の崩落を防止することとする。
なお、該シールド掘削機Ａで拡幅坑を掘進する場合の単位長さ当りの最大拡幅巾は、テールクリアランスをセグメント２Ｓの１リング長で除した程度の値となる。しかし、トンネル断面拡大のための余堀を前記のように１リングの長さ毎に段階的に拡大することではなく、掘進とともに拡大断面を包含するように徐々に拡大することでもよい。

次に、シールド掘削機Ａの後方端部近傍でのシールド掘削機Ａの側面と、土層の間の空隙部分がセグメント２ｓの１リング当たりの拡幅量となった時点以降の第二段階としては、以下の工程を実施する。
まず、第１の工程では、シールド掘削機Ａを構成する前記シールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙを、前記ヒンジ構造１３の軸を中心にして外側にセグメント１リング当たりの拡幅量相当分だけ回転させることによりシールド掘削機Ａの断面は１リング拡幅量相当分だけ拡大されることとなる。また、この時シールド掘削機Ａのスキンプレート８と土層の間に注入された図示しない充填材Ｚは、拡幅相当分をシールド掘削機Ａ内に取り込むものとし、第二の工程では、拡大されたシールド掘削機Ａのテール部Ａｒでセグメント組立機３を使用して、１リング当たりの拡幅量相当分だけ断面が拡大された拡幅坑用セグメント２ｅを組立て、セグメント形状保持装置４を用いて形状を保持して覆工Ｂｅの構築を行い、そして第三の工程では、新たに構築した覆工Ｂｅを推進装置６で押圧して拡幅坑用セグメント２ｅの１リング分だけ掘進し、以上の工程を完了して拡幅坑構築の１サイクルを完了する。
以下、シールド掘削機Ａの第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙの拡大と、セグメント２の拡大組み立てと、シールド掘削機Ａの掘進とを、所定の拡大断面になるまで繰り返す。ちなみに、前記繰返し工程であるが、１リング当たりの拡大量がテールシールの調整範囲内にあるので、先にセグメント２の拡大組立てを行ってから、第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙの拡大を行うかあるいは拡大を行いつつ、シールド掘削機Ａを掘進させるようようにしても良い。
なお、シールド掘削機Ａを構成する前記第１及び第２のシールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙを、前記ヒンジ構造１３の軸を中心にして外側にセグメント１リング当たりの拡幅量相当分だけ回転させる毎に二つに分割しフレーム式カッター１ｆも同時に外側に回転することとなるので、新たに該カッター１ｆの外周余掘り機構を伸張する必要はない

前記の拡幅坑用セグメント２ｅも、図１１（ｂ）に示すように、標準坑のセグメント２ｓと同様で頂部セグメント２ｅｃ、底部セグメント２ｅｉ、アーチ部セグメント２ｅａ、及びアーチ脚部セグメント２ｅｓからなり、このうち、頂部セグメント２ｅはヒンジ１３を中心に第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙを回転させることで標準坑の頂部セグメント２ｓとは多少の差異が生じ、底部セグメント２ｅｉもヒンジ１３を中心に外郭分割体を回転させることで標準坑よりその周方向の延長は増大し、セグメント２ｅｉの一部のものについてその長さを長くする必要がある。
また、アーチ部セグメント２ｅａ及びアーチ脚部セグメント２ｅｓについては、先行する同位置の覆工セグメントに比して、ヒンジ１３からの距離に比例して各位置の拡幅量に応じたずれを生じることとなる。したがって、拡幅坑用セグメント２ｅにおいて、上述のずれが強度上や、施工中や覆工構築後の止水性能上の問題がなければ、アーチ部セグメント２ｅｃ、底部セグメント２ｅｉ、及びアーチ脚部セグメント２ｅｓは、特にセグメント端面に妻部材等の別途の対策を施していない標準坑用のセグメント２ｓと同一の構造・寸法のものが使用できる。
しかし、拡幅坑用セグメント２ｅが上述のずれに強度上あるいは止水性能上の問題が生じた場合は、その部分の拡幅坑セグメント２ｅについては、幅、長さは同じであっても、厚さ及び止水シールの位置に必要な対応処置を講じたものを使用する必要がある。

次に、シールド掘削機Ａの前方での掘削面積が所定の断面となった時点以降の第三段階としては、以下の工程を実施する。
即ち、第二段階の最初の工程に先立って、フレーム式カッター１ｆの外周余掘り機構を１リング拡幅量相当分だけ縮小したのち、第二段階と同じ工程を該フレーム式カッター１ｆの外周余掘り機構が標準坑掘削の状態に復元するまで繰り返す。該フレーム式カッター１ｆの外周余掘り機構が標準坑掘削の状態に復元した時点で、シールド掘削機Ａの全長に亘ってシールド掘削機Ａの側面と土層の間の空隙部分はなくなり、以降、シールド掘削機Ａは目的とする拡幅坑を連続して掘進可能なものとなる。

（掘削断面の縮小）
拡大もしくは縮小可能なシールド掘削機Ａを用いて、上述の拡大断面の掘削に引き続き連続して掘削断面の縮小を行う場合の手順を図１３（ａ）〜（ｆ）に示す。
まず、第１の工程では、拡大されたシールド掘削機Ａのテール部Ａｒでセグメント組立機３を使用して、直前に構築された覆工より１リング当たりの縮幅量相当分だけ断面が縮小された拡幅坑用セグメント（縮幅用セグメント）２ｅを組立て、セグメント形状保持装置４を用いて形状を保持して覆工Ｂｅの構築を行う。
ここで、１リング当たりの縮幅（縮小）量相当分とは、前記の拡幅時における１リング当たりの拡幅量（拡大量）とほぼ同じであり、シールド掘削機Ａのテールシールの調整可能な範囲であり、全幅でおよそ５cm〜10cm程度である。この程度の拡幅量であれば、セグメント２の端面における厚さよりも小さいので、縮幅にあたって隣接するセグメントリング間でセグメント端面にズレが生じても開口が生じない。したがって、セグメント端面に開口を塞ぐ妻部材等の別途の対策を施す必要がない。また、テールシールの調整可能な範囲にあるので、第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙを縮小する前に縮幅用セグメント２ｅを組立てることができるので、縮幅工程が簡略化される。
第二の工程では、シールド掘削機Ａを若干前進させてテール部後端Ａｒが縮小された拡幅坑用セグメント２ｅまで達したら、シールド掘削機Ａを構成する前記シールド掘削機分割体Ａｘ、Ａｙを、前記ヒンジ構造の軸を中心にして外側にセグメント１リング当たりの縮幅量相当分だけ内側に回転させることによりシールド掘削機Ａの断面を１リング拡幅量相当分だけ縮小させる。そして、並行して、カッター１を駆動装置で回転し、新たに構築した覆工Ｂｅを推進装置６で押圧して掘進して拡幅坑用セグメント２ｅの１リング分だけ掘進する。上記の作業において、シールド掘削機Ａの断面の縮小と掘進とを同時並行作業としてもよい。なお、この時シールド掘削機Ａのスキンプレート８と土層の間には空隙が生じるが、この空隙は通常の裏込材としての充填材Ｚを注入し充填するものとする。

以下、セグメント２の縮小組立てと、第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙの縮小と、シールド掘削機Ａの掘進とを、所定の縮小断面になるまで繰り返す。

上述する構成によれば、シールド掘削機Ａは、外郭７を分割した第１及び第２の外郭分割体７ｘ、７ｙがヒンジ１３を介して連結されることで外郭７の断面が拡大自在に構成されているので、拡大・縮小が回転によるものとなり、拡大の縮小の動作をスムーズに行うことが可能となる。

また、前記分割線１１と外郭７との他方の交点１１ｃｉを結ぶ切断線が、一方の交点１１ｃｃを結ぶ切断線１２ｃｃ上に設置されたヒンジ１３の軸を中心とする円弧に形成された外殻７の範囲内に配置されるから、前記ヒンジ構造を中心としてシールド掘削機Ａの左右の略半円筒状の第１のシールド掘削機分割体Ａｘ、及び第２のシールド掘削機分割体Ａｙを外側、あるいは内側に回転させたとしても当該ヒンジ構造とシールド掘削機底部のスキンプレートの距離は変わらないことから、周方向の長さは変わるもののインバート部自身の形状は変わらない。したがって、トンネルのアーチ部及びアーチ脚部に加えて、インバート部においても、標準坑と拡大坑で同一形状のセグメントが使用することが可能となる。

さらに、外郭分割体が、第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙの左右に二分割されているので、ほぼ断面全体に左右方向に拡大縮小する場合に好適に用いることが可能となる。

また、外郭７が拡大された時の開口部を、前記第１の外郭分割体７ｘ及び前記第２の外郭分割体７ｙの両者を跨ぐように配置されトンネル掘削機Ａの全長に亘って複数連接する肋材１４、もしくは、前記第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙの両者を跨ぐように配置されるカバープレート１６で閉塞する構成したため、シールド掘削機Ａを拡大したときに生じる外殻７の開放部を覆うことができ、掘削時に発生する泥水や泥水、地下水等のシールド掘削機Ａ内への漏洩を防止することが可能となる。また、該開放部に肋材１４が配置されることにより、外殻７の補剛部材として機能することとなり、開断面を組み合わせた形状となっているスキンプレート８の剛性及び耐荷力を向上することが可能となる。

このとき、前記肋材１４及びカバープレート１６に、周方向への押圧力を作用する動力装置１５が備えられているから、二つに分割されたシールド掘削機Ａに作用する土圧、水圧を釣合わせ、ヒンジ構造の軸を中心に回転させるとともに、円弧の部材に導入された軸力が次第にスキンプレート８、ひいては外殻７に移行することで、当該シールド掘削機Ａのスキンプレート８を殼構造として設計可能となるよう境界条件を整え、スキンプレート８の剛性・耐荷力を高めることが可能となる。

また、シールド掘削機Ａの分割線１１と外郭７との一方の交点１１ｃｃが、外郭７の頂部に設けられ、他方の交点１１ｃｉが、前記トンネルのインバート部に相当する外郭７上に設けられるから、前記ヒンジ１３がクラウン部に備えられていることから、二つの略半円筒状の部分に分割された第１の外郭分割体７ｘ及び第２の外郭分割体７ｙに作用する土圧、水圧等の一部は、前記ヒンジ構造を介して釣合うことが可能となる。

シールド掘削機Ａを構成する第１の外郭分割体Ａｘ及び第２の外郭分割体Ａｙが水平方向の左右に拡大縮小できるので、拡大断面が左右に広くなり、道路トンネル等の非常駐車帯、分岐合流部用として好適に用いられることとなる。

シールドトンネルの拡大築造方法によれば、隣接するリング間の断面拡大量がセグメント２端面厚さよりも小さいので、拡幅坑用セグメント２ｅの端面に開口が生じず、この開口を塞ぐための別途の対策を必要としない。

シールドトンネルの縮小築造方法によれば、隣接するリング間の断面縮小量がセグメント２端面厚さよりも小さいので、縮幅坑用セグメント２ｅの端面に開口が生じず、この開口を塞ぐための別途の対策を必要としない。

本発明に係るシールド掘削機の概略を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外殻の断面を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外殻の変形状況を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機の正面を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外殻のクラウン部を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外殻に備えられた肋材を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外殻に備えられたカバープレートを示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成する外郭分割体に備えられた曲線梁の詳細を示す図である。 本発明に係わるシールド掘削機を構成する隔壁に備えられた折板構造を示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を構成するカッターの詳細を示す図である。 本発明に係るセグメントを示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を用いたシールドトンネルの拡大築造方法示す図である。 本発明に係るシールド掘削機を用いたシールドトンネルの縮小築造方法示す図である。

符号の説明

１ カッター
２ セグメント
３ セグメント組立機
４ セグメント形状保持装置
５ カッター駆動装置
６ シールド掘削機推進装置
７ 外郭
８ スキンプレート
９ リングガーダー
９ｆ 前方のリングガーダー
９ｍ 中間のリングガーダー
１０ 隔壁
１１ 分割線
１１ｃｃ クラウン部における分割線と外郭との交点
１１ｃｉ インバート部における分割線と外郭との交点
１２ｃｃ クラウン部での外郭の切断線
１２ｃｉ インバート部での外郭の切断線
１３ ヒンジ
１４ 肋材
１５ 動力装置
１６ カバープレート
１７ スキンプレートとカバープレートを連結する部材
１８ 曲線梁
１９ 隔壁開口部閉塞部材
２０ ヒンジ
２１ 折板構造
２２ｘ、２２ｙ ヒンジ

Ａ シールド掘削機
Ａｆ シールド掘削機のフード部（前部）
Ａｍ シールド掘削機の中間部
Ａｒ シールド掘削機のテール部（後部）
Ａｃ シールド掘削機のクラウン部
Ａａｘ、Ａａｙ
シールド掘削機のアーチ部
Ａｓｘ、Ａｓｙ
シールド掘削機のアーチ脚部
Ａｉ シールド掘削機のインバート部
Ｂ 覆工
Ｚ 充填材

Claims (11)

1. 所要断面が標準坑に築造される標準トンネル部と、該標準トンネル部と比較して所要断面が拡大した拡幅坑に築造される拡大トンネル部を、トンネルの掘進方向に連続して築造するシールド掘削機であって、
   前部に前記標準トンネル部及び拡大トンネル部の両者を掘進するカッター、中間部に該カッターの駆動装置、及びシールド掘削機を前進させる推進装置、後部にセグメントで覆工を構築するセグメント組立機を備えるとともに、シールド掘削機本体の外周面を覆う略円筒状のスキンプレート、及びスキンプレート内周面に沿って配置されるリングガーターよりなる外郭と、該シールド掘削機の前部と中間部を区画する隔壁とを備えており、
   該外郭は、その断面を跨ぐように配置される分割線と外郭との交点を結ぶ２本の切断線で二つに分割され、前記隔壁も外郭の断面を跨ぐように配置される分割線で二つに分割されており、該分割線と外郭との交点を結ぶ一方の切断線に、シールド掘削機軸線方向に延在するヒンジが配置され、分割された前記外郭が前記ヒンジを介して連結されることで、該ヒンジを介して外殻の断面が拡大縮小自在に構成されることを特徴とするシールド掘削機。
2. 請求項１に記載のシールド掘削機において、
   前記分割線と外郭との他方の交点を結ぶ切断線が、前記分割線と外郭との一方の交点を結ぶ切断線に設置されたヒンジの軸を中心とする円弧に形成された前記外殻の範囲内に配置されることを特徴とするシールド掘削機。
3. 請求項１または２に記載のシールド掘削機において、
   前記外郭が、１対の前記切断線を介して左右に２分割されており、前記一方の切断線に配された前記ヒンジを介して連結された第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体により構成され、
   該第１の外郭分割体及び該第２の外郭分割体の各々に、カッターが分割して備えられ、前記シールド掘削機は左右二つのシールド掘削機分割体に分割され、前記ヒンジを介して連結されていることを特徴とするシールド掘削機。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のシールド掘削機において、
   前記分割された外郭が拡大された時に外郭に形成される開口部を閉塞するために、前記外郭には長手方向の形状及び部材長を前記ヒンジを中心とする円弧に形成した複数の肋材が備えられており、
   該肋材は、前記外殻の内周面上で、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に、長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第１の外郭分割体及び前記第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置されるとともに、
   前記第１の外郭分割体の内周面と重なる肋材の部分を該外殻分割体に固定する該肋材と、前記第２の外郭分割体の内周面と重なる肋材の部分を該外殻分割体に固定する別の該肋材とをトンネル掘削機軸線方向に交互にトンネル掘削機の全長に亘って複数連接することを特徴とするシールド掘削機。
5. 請求項４に記載のシールド掘削機において、
   前記肋材に、周方向への押圧力を作用させる動力装置が備えられていることを特徴とするシールド掘削機。
6. 請求項１から３のいずれかに記載のシールド掘削機において、前記分割された外郭が拡大された時に外郭に形成される開口部を閉塞するために、前記外郭には長手方向を、前記ヒンジを中心とする円弧に形成したカバープレートが備えられており、
   該カバープレートが、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に、長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第１の外郭分割体及び第２の外郭分割体の両者を跨ぐように配置されることを特徴とするシールド掘削機。
7. 請求項６に記載のシールド掘削機において、
   前記第１の外郭分割体と、前記第２の外郭分割体の間に、該分割体に周方向への押圧力を作用させる動力装置が備えられていることを特徴とするシールド掘削機。
8. 請求項１から３のいずれかに記載のシールド掘削機において、
   前記隔壁が第一の隔壁分割体と第二の隔壁分割体とに分割され、前記分割された外郭が拡大された時に、拡大に伴って分割される隔壁に形成される開口部を閉塞するために、前記隔壁の背面には、長手方向の形状と部材長を、その設置位置と前記ヒンジとの距離を半径とする円弧に形成した複数の曲線梁が備えられており、
   該曲線梁が、前記隔壁の背面の前記肋材上で、前記ヒンジを中心とする円弧に形成した所定部位に長手方向を前記外郭の周方向に沿わせて、前記第一の隔壁分割体及び前記第二の隔壁分割体の両者とラップするように積み重ねて配置されるとともに、
   前記第一の隔壁分割体の背面と重なる曲線梁の部分を該隔壁分割体に固定する曲線梁と、前記第二の隔壁分割体の背面と重なる曲線梁の部分を該隔壁分割体に固定する別の曲線梁とを鉛直方向に交互に隔壁背面の全高に亘って複数連接することを特徴とするシールド掘削機。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のシールド掘削機において、
   前記分割線と外郭との一方の交点が、外郭の頂部に設けられるとともに、他方の交点が、前記トンネルのインバート部に相当する外郭上に設けられることを特徴とするシールド掘削機。
10. シールド掘削機の外郭に設けられたヒンジを介して拡大可能な外郭分割体とシールド掘削機前部にカッターを有するシールド掘削機を用いるシールドトンネルの拡大築造方法であって、
    拡大にあたりあらかじめ前記カッターで拡大断面部に沿って余堀掘進するとともに、その余堀部に充填材を充填した後、外郭分割体をセグメントの端面厚さよりも小さい量だけ拡幅して拡大し、拡幅坑用セグメントをセグメントの端面厚さよりも小さい量だけ拡大して組立て、シールド掘削機を掘進させることにより、外郭分割体の拡大と前記セグメントの組立てとシールド掘削機の掘進とを所定の拡大断面になるまで順次繰り返すことを特徴とするシールドトンネルの拡大構築方法。
11. シールド掘削機の外郭に設けられたヒンジを介して縮小可能な外郭分割体とシールド掘削機前部にカッターを有するシールド掘削機を用いるシールドトンネルの縮小築造方法であって、
    縮小にあたり、縮幅坑用セグメントをセグメントの端面厚さより小さい量だけ縮小して組立て、外郭分割体を縮小するとともに、充填材を縮小にあたって生じる空隙部分に充填してシールド掘削機を掘進することにより、前記セグメントの縮小組立てと外郭分割体の縮小とシールド掘削機の掘進とを所定の縮小断面になるまで順次繰り返すことを特徴とするシールドトンネルの縮小築造方法。

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