JP4222961B2 - トンネルの掘削方法及びそれに用いる親子シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、所定の間隔を隔てて形成された第一トンネルと第二トンネルとの間に新設トンネルを掘削構築するトンネルの掘削方法及びそれに用いる親子シールド掘進機に関するものである。

地中で互いに近接して複数本並列されている道路や鉄道の上り線用トンネル等の第一トンネルと下り線用トンネル等の第二トンネル間を掘削して接続し、分岐線用トンネル等の新設トンネルを新たに構築する場合、従来は、第一トンネルと第二トンネル間の接続掘削部分全長に渡って開削して、開放された空間で新設トンネルの接続部分を形成するようになっていた。そのため、大規模な開削工事が必要となる。

そこで、第一トンネルと第二トンネル間の接続部近傍まで道路等の円形全断面を掘削した後に、掘削断面を変形させて第一トンネルと第二トンネル間を掘削することができるシールド掘進機が要求されている。

掘削断面を掘進途中で小さくして掘進できるシールド掘進機としては、大きい円形の掘削断面を掘削する親シールド機から、小さい円形の掘削断面を掘削する子シールド機が発進する親子シールド掘進機があった（例えば特許文献１参照）。

特許第３２４７８５２号公報

しかしながら、上述のトンネルの掘削方法では、第一トンネルと第二トンネル間の掘削部分は、道路等の勾配や曲率を考慮すると非常に長距離となるため、開削区間が長く、開削工事が大規模となり、地上の道路での交通規制や施工費用等、多くの障害があった。

一方、上記特許文献１に記載の親子シールド掘進機は、地下鉄道の駅部分を親子シールド掘進機全体で掘削して、駅部分から続く車両走行用のトンネル部分を親シールド機から発進した子シールド機で掘削するものであるため、第一トンネルと第二トンネル間に新設トンネルを掘削構築する際には適用できなかった。

すなわち、上述の第一トンネルと第二トンネル間を掘削する際には、略矩形の異形断面を掘削することが要求されるが、上述の親子シールド掘進機では、上記異形断面は掘削できず、その他にも、円形断面を掘削した後に、第一トンネルと第二トンネル間の接続部の異形断面を掘削することができるシールド掘進機はなかった。

そこで、本発明の目的は、所定の間隔を隔てて設けられた第一トンネルと第二トンネルとの間に、開削工事を行うことなく異形断面の新設トンネルを掘削構築することができる新規なトンネルの掘削方法及びそれに用いる親子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、請求項１の発明は、所定の間隔を隔てて形成された第一トンネルと第二トンネルとの間に新設トンネルを掘削構築するトンネルの掘削方法において、親シールド機内に、上記第一トンネルと第二トンネル間を掘削する子シールド機を収容する親子シールド掘進機を形成し、該親子シールド掘進機で地上部から上記第一トンネルと第二トンネルとの接続部近傍まで掘削して新設トンネルを構築した後、上記子シールド機を親シールド機から発進させて上記第一トンネルと第二トンネルとの間を掘削し、第一トンネルと第二トンネルとを互いに結合させて新設トンネルの接続部を構築するようにしたトンネルの掘削方法である。

請求項２の発明は、上記親シールド機が、略円形断面形状のトンネルを掘削するように構成され、上記子シールド機が、上記第一トンネルと第二トンネル間の異形断面形状の接続部を掘削するように構成され、上記親子シールド掘進機で地上部から上記接続部近傍まで円形断面で掘削した後、上記子シールド機を発進させて、上記接続部を異形断面で掘削するトンネルの掘削方法である。

請求項３の発明は、略円形断面形状の上記親シールド機のシールドフレーム内に、異形断面形状の異形カッタを有する子シールド機を収容する親子シールド掘進機を形成し、地上部から上記第一トンネルと第二トンネルとの接続部近傍まで上記親子シールド掘進機で掘削する際に上記異形カッタを回転駆動させて円形断面の新設トンネルを掘削し、上記接続部近傍に到達した後に上記子シールド機で掘削する際に上記異形カッタを揺動駆動させて異形断面の新設トンネルの接続部を掘削するようにしたトンネルの掘削方法である。

請求項４の発明は、上記新設トンネルの接続部が掘削される上記第一トンネルと第二トンネルとの対向部分は、上記子シールド機で掘削可能な材料にて構築されているトンネルの掘削方法である。

請求項５の発明は、略円形断面に形成された親シールド機のシールドフレーム内に、該シールドフレーム内面の少なくとも一部に接触する接触面を有する異形断面のシールドフレームと、該シールドフレームの前方に回転駆動及び揺動駆動可能に設けられた異形断面形状の異形カッタとを有する子シールド機を収容し、該子シールド機が上記親シールド機から発進するものである親子シールド掘進機である。

請求項６の発明は、上記子シールド機のシールドフレームが、上記親シールド機のシールドフレーム内面の上部と下部にそれぞれ接する一対の円弧状フレームと、その一対の円弧状フレーム同士を連結する直線状フレームとで構成された親子シールド掘進機である。

請求項７の発明は、上記子シールド機の異形カッタが、上記子シールド機のシールドフレームの断面形状の上下左右４箇所を面取した略八角形断面形状に形成された異形カッタ面板からなり、その異形カッタ面板を所定角度で揺動駆動することで上記子シールド機のシールドフレームと略同形の断面形状を掘削するように構成された親子シールド掘進機である。

本発明によれば、所定の間隔を隔てて形成された第一トンネルと第二トンネルとの間に、大規模な開削工事を行うことなく一台のシールド掘進機で円形断面と異形断面の新設トンネルを掘削構築することができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図８及び図９に示すように、本実施の形態に係る親子シールド掘進機１は、地中で所定の間隔を隔てて複数並列されている道路や鉄道等の上り線用トンネル等の第一トンネル２ａと、下り線用トンネル等の第二トンネル２ｂとの間を掘削して接続すると共に地上まで延びる分岐線用トンネル等の新設トンネル３を新たに構築するためのものである。

なお、本実施の形態では、泥水式シールドを例示して、本発明に係る親子シールド掘進機１を説明する。

図１乃至図３に示すように、かかる親子シールド掘進機１は、略円形断面に形成された親シールド機５の親シールドフレーム６内に、この親シールドフレーム６内面の少なくとも一部に接触する接触面を有する異形断面の子シールドフレーム８と、この子シールドフレーム８の前方に回転駆動及び揺動駆動可能に設けられた異形断面形状の異形カッタ（本実施の形態では異形カッタ面板９）とを有する子シールド機７を発進可能に収容したことを特徴とする。なお、異形カッタとしては、異形カッタ面板９の他にスポークカッタであってもよい。

図１及び図５に示すように、子シールド機７の子シールドフレーム８は、上記親シールド機５のシールドフレーム６内面の上部と下部にそれぞれ接する接触面を外周に有する一対の円弧状フレーム１１ａ、１１ｂと、その一対の円弧状フレーム１１ａ、１１ｂ同士を連結する直線状フレーム１２ａ、１２ｂとで構成されている。

子シールドフレーム８は、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂ間の距離よりも第一及び第二トンネル２ａ、２ｂのセグメントの厚さ分程度長い幅を有している。円弧状フレーム１１ａ、１１ｂは、親シールドフレーム６と比較してその厚さ分、小径に形成されている。直線状フレーム１２ａ、１２ｂは、上下方向に一対の円弧状フレーム１１ａ、１１ｂの左右両端同士を繋ぐように設けられている。直線状フレーム１２ａ、１２ｂの後部には、後述するシールドジャッキ１４を設置するためのシールドジャッキ設置枠１５が形成されている。これら上下の円弧状フレーム１１ａ、１１ｂと左右の直線状フレーム１２ａ、１２ｂとで、子シールドフレーム８は上下が円弧状に形成された略矩形の断面形状に構成される。

親シールドフレーム６の内側後部のうち、子シールドフレーム８の直線状フレーム１２ａ、１２ｂの両外側部には、周方向に沿って所定ピッチでシールドジャッキ１４が複数設けられている。子シールドフレーム８の上下の円弧状フレーム１１ａ、１１ｂの内側後部には、周方向に沿って所定ピッチでシールドジャッキ１４が複数設けられている。直線状フレーム１２ａ、１２ｂの内側後部のジャッキ設置枠１５には、上下方向（長手方向）に沿って所定ピッチでシールドジャッキ１４が複数設けられる。このシールドジャッキ１４は、予め親シールドフレーム６に設置されていたシールドジャッキ１４を子シールド機７の発進時に、直線状フレーム１２ａ、１２ｂの内側に移し替えるものである。

なお、子シールド機７の発進時には、掘削断面が小さくなるため、子シールドフレーム８の上下に設けられたシールドジャッキ１４のみで、十分な推進力を得られる場合がある。この場合には、直線状フレーム１２ａ、１２ｂにシールドジャッキ１４を移し替えなくてもよい。

図２、図３、図６及び図７に示すように、子シールドフレーム８の前面には、子シールドフレーム８の断面と同形状のバルクヘッド１６ａが設けられている。親シールドフレーム６の前面のバルクヘッド１６ａの両外側部位置には、バルクヘット１６ａと接続されることで円形断面を形成する側部バルクヘッド（図示せず）がそれぞれ設けられている。バルクヘッド１６ａと側部バルクヘッドとは、分離して設けられており、その間にはシール部材（図示せず）が設けられている。

図３及び図７に示すように、子シールドフレーム８の前面に設けられたバルクヘッド１６ａには、その中心を貫通して前方に延出したカッタ回転軸１７が設けられている。このカッタ回転軸１７の先端には、異形カッタ面板９が設けられている。この異形カッタ面板９の前面には、複数のカッタビット１８が放射状に配列されている。バルクヘッド１６ａの後方の子シールドフレーム８内には、異形カッタ面板９を駆動させる駆動モータ１９が設けられている。駆動モータ１９は、油圧或いは電動モータにて構成されており、回転駆動及び揺動駆動を切替自在に行えるように構成されている。駆動モータ１９は、カッタ回転軸１７に同軸上に設けられたリングギヤ２１に噛合するように、リングギヤ２１の周方向に沿って複数設けられている。バルクヘッド１６ａの上部には送泥管２２が接続され、下部には先端にアジテータ２３が設けられた排泥管２４が接続されている。送泥管２２と排泥管２４は、機内後方に設けられエレクタ（図示せず）を支持する筒状のエレクタ支持部材２５の内部を通って掘進方向後方に延出している。

図２及び図６に示すように、異形カッタ面板９は、所定角度揺動することで上下に円弧状フレーム１１ａ、１１ｂを有する子シールドフレーム８の断面と同形の略矩形断面を掘削すべく、上下に円弧状部分１０を有すると共に、子シールドフレーム８の断面形状と同形の略矩形形状の上下左右４箇所に面取部２６を形成してなる略八角形の異形断面形状に形成されている。面取部２６の切断面はそれぞれ直線状に形成され、対角線上に位置する面取部２６の切断面同士が互いに平行になるように形成されている。

異形カッタ面板９がその揺動折返し点に位置したときに、対角線上に位置する面取部２６の切断面が互いに直線状フレーム１２ａ、１２ｂに平行になるようになっており、上記略矩形断面形状の直線状の側面部を形成する。よって、異形カッタ面板９を所定角度で揺動駆動することで、子シールド機７の子シールドフレーム８と略同形の断面形状が掘削される。

異形カッタ面板９の円弧状部分１０には、シールド径方向に出没するコピーカッタ２０が設けられている。このコピーカッタ２０は、異形カッタ面板９が回転駆動する際に、親シールドフレーム６の外周面部分まで伸長して、親シールドフレーム６の外周面と同径の円形断面を掘削するように構成されている。

次に、上記構成の親子シールド掘進機１を用いたトンネルの掘削方法について説明する。

図８及び図９に示すように、まず、親子シールド掘進機１を地上部から発進させて地山２７を掘削して、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂの近傍まで新設トンネル３を構築する。

このとき、親子シールド掘進機１は、異形カッタ面板９を回転駆動させて円形断面形状の新設トンネル３を掘削する。掘削の際には予め異形カッタ面板９のコピーカッタ２０を親シールドフレーム６の厚さ分伸長させて、親シールドフレーム６の外周面部分まで延出させておく。これによって、子シールド機７に設けた異形カッタ面板９で、親シールドフレーム６の断面と同径の円形断面を掘削することが可能となる。

そして、親子シールド掘進機１が、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂとの間に近接した後、親シールド機５から子シールド機７を発進させる。

このとき、子シールド機７を発進させる前に、図４に示すように、子シールド機７を若干前進させた後、シールドジャッキ１４を部分的に縮退させて、その部分に子シールド機７用のテールフレーム２８とテールシール２９を溶接等によって取り付ける。

テールフレーム２８とテールシール２９の取付けが終了したならば、断面円形に組み立てられた新設トンネル３の既設セグメント３３に続けて、セグメント３４を略矩形断面に組み立て、親シールドフレーム６に設置されていたシールドジャッキ１４を、直線状フレーム１２ａ、１２ｂの内側に移し替える。

一方、図９に示すように、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂの互いに向かい合う対向部分３１は、子シールド機７で地山と共に掘削されるので、シールド掘進機で掘削可能な材料で構築する。例えば、予め鉄筋が除去された無筋セグメント等にて対向部分３１を構築しておく。そして、各トンネル２ａ、２ｂの対向部分３１のトンネル内側部に、掘削時の土圧を一時的に保持するための隔壁３２をそれぞれ形成しておく。

なお、対向部分３１は、上記構成に限られるものではない。例えば、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂの構築時に、トンネル壁と共に、地山の土圧を保持できる隔壁を形成しておき、隔壁の外側部分（地山側）にコンクリート等の充填材を充填させておいてもよい。この充填されたコンクリートは、子シールド機７で、地山と共に掘削され、埋め戻し材として利用される。

そして、異形カッタ面板９を駆動モータ１９によって揺動駆動させながら、子シールド機７を発進させる。なお、異形カッタ面板９を揺動させるために、駆動モータ１９に代えて油圧ジャッキを揺動方向に合わせて適宜組み合わせて設置した駆動機構を形成し、その油圧ジャッキの伸縮によって揺動させるようにしてもよい。

この状態で、子シールド機７により第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂとの間の地山２７を各トンネル２ａ、２ｂの無筋の対向部分３１と共に所定長さ（例えば２００〜４００ｍ程度）掘削して、新設トンネル３の接続部分を構築していく。

その後、第一トンネル２ａ、新設トンネル３の接続部分及び第二トンネル２ｂの上下の地山２７に薬液を注入する等して、上下の地山２７を地盤改良する。そして、第一トンネル２ａ、新設トンネル３の接続部分及び第二トンネル２ｂを鉄筋コンクリート等で一体的に接続固定して、隔壁３２を除去した後に、その内部に、道路等を形成する。

以上のように、上記構成の親子シールド掘進機１を形成して、この親子シールド掘進機１で地上部から上記第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂとの接続部近傍まで掘削して新設トンネル３を構築した後、上記子シールド機７を親シールド機５から発進させて上記第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂとの間を掘削し、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂとを互いに結合させて新設トンネル３の接続部を構築するようにしたことによって、開削工事を行うことなく、一台の親子シールド掘進機１で、途中で掘削断面が変更される新設トンネル３を掘削構築することができる。よって、工事の施工効率が大幅に向上すると共に、施工費用の大幅な削減が達成される。

一方、地上から第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂの近傍までは、異形カッタ面板９を回転駆動させて円形断面を掘削しているので、掘削効率が高く掘削時間の短縮を達成できる。そして、その後は、異形カッタ面板９を揺動駆動するので、異形カッタ面板９の形状を変更することなく第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂ間の異形断面を掘削することが可能となる。従って、子シールド機７の発進時に、機外でカッタの変形作業を行う必要もない。

また、上記実施の形態では、親子シールド掘進機１を、略円形断面形状の親シールド機５と、略矩形断面形状の子シールド機７とで構成するようにしたが、子シールド機７の形状はこれに限られるものではない。異形カッタ面板９やコピーカッタ２０の形状を変形したり揺動角度を変えることによって、多角形や楕円形等の異形断面形状を掘削する子シールド機７とすることも可能である。

さらに、上記子シールド機７の子シールドフレーム８は、その上下に親シールドフレーム６内面に接触する接触面を有する異形断面に形成されているが、これに限られるものではない。例えば、上部或いは下部のみで親シールドフレーム６内面に接触する子シールドフレームのように、少なくとも一部で親シールドフレーム６内面に接触する接触面を有していればよい。

また、上記実施の形態では、上り線用トンネルを第一トンネル２ａ、下り線用トンネルを第二トンネル２ｂとして説明したがこれに限られるものではない。例えば、第一トンネル２ａと第二トンネル２ｂが共に上り線用トンネル或いは下り線用トンネルであってもよく、また、上下線両方を備えたトンネルであってもよい。

異形の子シールド機７は、新設トンネル３の掘削後、地上まで掘削させて回収することで、再利用が可能となる。経済性を求めれば、新設トンネル３の掘削後、地上から掘削してきた円形シールド掘進機との地中接合も可能である。

本発明に係る親子シールド掘進機の好適な実施の形態を示した背面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の好適な実施の形態を示した側面断面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の部分拡大断面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の子シールド機を示した背面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の子シールド機を示した正面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の子シールド機を示した側面断面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の掘削状態を示した側面断面図である。 本発明に係る親子シールド掘進機の掘削状態を示した正面断面図である。

符号の説明

１ 親子シールド掘進機
２ａ 第一トンネル
２ｂ 第二トンネル
３ 新設トンネル
５ 親シールド機
６ 親シールドフレーム（シールドフレーム）
７ 子シールド機
８ 子シールドフレーム（シールドフレーム）
９ 異形カッタ面板
１１ａ、１１ｂ 円弧状フレーム
１２ａ、１２ｂ 直線状フレーム
３１ 対向部分

Claims (7)

1. 所定の間隔を隔てて形成された第一トンネルと第二トンネルとの間に新設トンネルを掘削構築するトンネルの掘削方法において、親シールド機内に、上記第一トンネルと第二トンネル間を掘削する子シールド機を収容する親子シールド掘進機を形成し、該親子シールド掘進機で地上部から上記第一トンネルと第二トンネルとの接続部近傍まで掘削して新設トンネルを構築した後、上記子シールド機を親シールド機から発進させて上記第一トンネルと第二トンネルとの間を掘削し、第一トンネルと第二トンネルとを互いに結合させて新設トンネルの接続部を構築するようにしたことを特徴とするトンネルの掘削方法。
2. 上記親シールド機が、略円形断面形状のトンネルを掘削するように構成され、上記子シールド機が、上記第一トンネルと第二トンネル間の異形断面形状の接続部を掘削するように構成され、上記親子シールド掘進機で地上部から上記接続部近傍まで円形断面で掘削した後、上記子シールド機を発進させて、上記接続部を異形断面で掘削する請求項１記載のトンネルの掘削方法。
3. 略円形断面形状の上記親シールド機のシールドフレーム内に、異形断面形状の異形カッタを有する子シールド機を収容する親子シールド掘進機を形成し、地上部から上記第一トンネルと第二トンネルとの接続部近傍まで上記親子シールド掘進機で掘削する際に上記異形カッタを回転駆動させて円形断面の新設トンネルを掘削し、上記接続部近傍に到達した後に上記子シールド機で掘削する際に上記異形カッタを揺動駆動させて異形断面の新設トンネルの接続部を掘削するようにした請求項２記載のトンネルの掘削方法。
4. 上記新設トンネルの接続部が掘削される上記第一トンネルと第二トンネルとの対向部分は、上記子シールド機で掘削可能な材料にて構築されている請求項１〜３いずれかに記載のトンネルの掘削方法。
5. 略円形断面に形成された親シールド機のシールドフレーム内に、該シールドフレーム内面の少なくとも一部に接触する接触面を有する異形断面のシールドフレームと、該シールドフレームの前方に回転駆動及び揺動駆動可能に設けられた異形断面形状の異形カッタとを有する子シールド機を収容し、
   該子シールド機が上記親シールド機から発進するものであることを特徴とする親子シールド掘進機。
6. 上記子シールド機のシールドフレームが、上記親シールド機のシールドフレーム内面の上部と下部にそれぞれ接する一対の円弧状フレームと、その一対の円弧状フレーム同士を連結する直線状フレームとで構成された請求項５記載の親子シールド掘進機。
7. 上記子シールド機の異形カッタが、上記子シールド機のシールドフレームの断面形状の上下左右４箇所を面取した略八角形断面形状に形成された異形カッタ面板からなり、その異形カッタ面板を所定角度で揺動駆動することで上記子シールド機のシールドフレームと略同形の断面形状を掘削するように構成された請求項６記載の親子シールド掘進機。

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