JP4299233B2 - シールド機 - Google Patents

Description

本発明は、道路トンネルにおける合流部・分岐部などのトンネル断面に部分拡幅部を備えるトンネルを構築するために用いるシールド機に関する。

シールドトンネルは、発進立坑から到達まで同じ断面で掘削するのが一般的である。そして、道路トンネルの非常駐車帯のように途中でトンネル断面拡幅が必要な場合には、例えば初めから全線にわたって拡幅部の断面を包括する断面が大断面で掘削するのが従来一般的であった。
しかし、当該拡幅区間はトンネル全線において極かぎられた１区間でありながらトンネル全線の断面が大きくなることから、掘削土量が多く、環境への負荷が大きくなり、覆工及びシールド機も大きくなり、不経済であるなどの問題があった。

このため、部分的にトンネルを拡幅する工法として、例えばＥＳ−Ｔｕｂｅ工法、クレセント工法等がある。
ＥＳ−Ｔｕｂｅ工法は、カッタビットの径を伸縮させる伸縮カッタ機構と、シールド機胴体の両側部を一時的に張出すシールド断面拡大機構とを備えるシールド機を使って、道路トンネルの非常駐車帯などを施工する技術である（非特許文献１参照）。
クレセント工法は、シールド機胴体に組み込んだ球体に内蔵したカッタ装置により非常駐車帯などを掘削していき、本体セグメント外側に三日月形セグメントを組み立て、本線部と拡幅部を結合する技術である（非特許文献２参照）。
シールドの掘削断面を自在に拡大・縮小できる「ＥＳ−Ｔｕｂｅ（イー・エス チューブ）」工法を開発〜大深度地下に建設する電力・ガス用などの長距離シールド工事で威力を発揮〜「２０００年８月３日掲載」＜http://www.shimz.co.jp/news_release2000/364.html＞ 非常駐車帯と本線トンネルを１台のシールド機で構築−拡幅分岐シールド「クレセント」工法の開発−「２００３年５月２２日掲載」＜http://www.taisei.co.jp/release/2003/may/may04.html＞

しかし、ＥＳ−Ｔｕｂｅ工法では、カッタビットの径を伸縮させる伸縮カッタ機構を備えることから、シールド機前面のカッタ部分が複雑で高価なものとなってしまう問題がある。
また、クレセント工法では、球体に内蔵したカッタ装置を前胴に対し回転可能に組み込むことから、複雑で高価なものとなってしまう問題がある。

本発明の課題は、トンネルの拡幅部を含む部分拡幅部を掘削するシールド機であって、部分拡幅用カッタを突出動作させるための構成を簡単で安価なものにすることである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１から図３、図５から図７に示すように、本体前面にカッタ４を備えたシールド機であって、本体周面の開口にカッタ面を前方へ向けて格納可能で、後側を支点に前側が回動して本体周面（スキンプレート）１から外側に突出可能な部分拡幅用カッタ２０と、この部分拡幅用カッタ２０の前側部と本体内部との間に設けられ、部分拡幅用カッタ２０を本体周面（スキンプレート）１から外側に突出動作させ且つ本体内に格納動作させるカッタ突出動作機構３１と、例えば図１、図５から図８に示すように、前部に形成されるチャンバ２２に設けるカッタ支持面板軸受２３に支持されるカッタ支持面板２１の前面に前記部分拡幅用カッタ２０を設けるとともに、当該部分拡幅用カッタ２０を駆動するカッタ駆動機構２５を内蔵する回動ケース３０と、前記本体周面の開口内に設けられ、前記回動ケース３０及び前記カッタ突出動作機構３１を格納する格納ケース４０とを備え、格納動作時は、前記格納ケースの後部で前記本体外面側に設けられた回動軸３２を支点として前記回動ケースが回動して、前記格納ケースに前記回動ケース及び前記カッタ突出動作機構を格納するとともに、前記部分拡幅用カッタを前方へ向けて格納することを特徴とする。

このように、本体周面から突出する部分拡幅用カッタとその突出格納動作を行うカッタ突出動作機構を備えるシールド機なので、前面カッタ部分の変更が不要で、球体に内蔵したカッタ装置を前胴部分に組み込む必要もなく、前面カッタにより掘進しながら、本体周面から部分拡幅用カッタを突出させて部分的に部分拡幅部を掘削できる。また、所定の部分拡幅部掘削後は、カッタ突出動作機構により部分拡幅用カッタを本体内に格納できる。
そして、本体内にカッタ面を前方へ向けて格納状態の部分拡幅用カッタを、その前側と本体内部との間に設けたカッタ突出動作機構の駆動で後側の支点回りに前側を回動させることにより本体周面から外側に突出させる動作方式のため、前面カッタによる掘進中での部分拡幅用カッタの突出動作が容易に行えて、シールド掘進中に部分拡幅部を確実に掘削できる。
しかも、部分拡幅用カッタを本体に対し後側の支点回りに前側が回動して本体周面から外側に突出するように組み付け、その部分拡幅用カッタの前側と本体内部との間にカッタ突出動作機構を設けるため、構成が簡単にして安価なものとなる。
また、部分拡幅用カッタの突出・格納が繰り返し行えることにより、複数の拡幅部を施工することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のシールド機であって、例えば図１及び図５に示すように、前記カッタ突出動作機構３１は、前記部分拡幅用カッタ２０の前側部と前記本体内部との間に架設された複動ジャッキであることを特徴とする。

このように、部分拡幅用カッタの前側部と本体内部との間に架設した複動ジャッキの駆動により、前面カッタによる掘進中に部分拡幅用カッタが前側から確実に突出動作する。また、掘削中に部分拡幅用カッタが地山から受ける外力は複動ジャッキにより受け止められる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のシールド機であって、例えば図５に示すように、前記回動ケース３０の回動動作時に前記格納ケース４０の内周面と前記回動ケース３０の外周面とに当接して案内するスクレーパ３５・４３を備えることを特徴とする。

このように、前面に部分拡幅用カッタを支持してカッタ駆動機構を内蔵した回動ケースの回動動作時に、その回動ケース及びカッタ突出動作機構の格納ケースの内周面と回動ケースの外周面とにスクレーパが当接して案内するので、回動ケース外周面及び格納ケース内周面に付着する土砂をスクレーパにより引き剥がして、土砂が本体内部へ入り込むのを防止できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機であって、例えば図９に示すように、前記部分拡幅用カッタ２０の前記本体に対する回動支点部に止水シール構造（回動軸３２・軸受４２・軸受メタル４６・止水シール４７）を備えることを特徴とする。

このように、部分拡幅用カッタの本体に対する回動支点部において、止水シール構造により泥水が本体内部へ入り込むのを防止できる。

本発明によれば、特に前面カッタによる掘進中での部分拡幅用カッタの突出動作が容易に行えて、シールド掘進中に部分拡幅部を確実に掘削できる上、部分拡幅用カッタを本体周面から外側に突出させるための構成を簡単で安価にできるといった利点が得られる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
実施形態において、シールド機は、図１に示すように、スキンプレート１、隔壁２、前面のカッタ支持面板３、カッタ４、コピーカッタ５、チャンバ６、アジテータ７、カッタ支持面板軸受８、カッタ駆動用電動モータ９、土砂シール１０、テールシール１１、シールドジャッキ１２、エレクタ装置１３、送泥管１４、排泥管１５、後方作業台１６、セグメント形状保持装置１７、上部用連結セグメント押込装置１８、下部用連結セグメント押込装置１９、部分拡幅用カッタ２０等を備える。

部分拡幅用カッタ２０は、シールド機本体内に組み込まれたもので、図３に示すように、スキンプレート１の前部の上部と下部に突出・格納動作可能に備えられている。
すなわち、部分拡幅用カッタ２０は、図５に拡大して示すように、カッタ支持面板２１の前面に設けられている。カッタ支持面板２１は、回動ケース３０の前部に形成されるチャンバ２２に設けたカッタ支持面板軸受２３に支持されており、回動ケース３０内にギヤ機構２４及びカッタ駆動機構２５が組み込まれている。カッタ駆動機構２５は実施形態ではカッタ駆動用油圧モータである。

回動ケース３０は、図６から図８にも示すように、シールド機本体のスキンプレート１に開口する格納ケース４０に組み込まれており、回動ケース３０と格納ケース４０との間にカッタ突出動作機構３１が設けられている。カッタ突出動作機構３１は実施形態では油圧式の複動ジャッキである。
回動ケース３０は、図示例では後上部において、左右両側の回動軸３２を格納ケース４０に設けた軸受４１により前側が上下方向に首振りするよう回動自在に支持されている。回動軸３２には複数の通孔が設けられ、部分拡幅用カッタ２０が回転するに必要な油圧源の供給、送排泥水の流通孔として使用される。図５中、２６は送泥管・排泥管、２７は油圧配管である。

図５において、回動ケース３０の後上部が回動軸３２を中心とする円弧面３３となっていて、格納ケース４０内の開口部側には、円弧面３３に当接するスクレーパ４３が設けられている。
そして、複動ジャッキ３１は、格納ケース４０内の底部の後部に設けたブラケット４４と、回動ケース３０の下面の前側に設けたブラケット３４との間に架設されている。複動ジャッキ１は、図８に示すように、横方向に３本並べて配置されており、格納時は、実線で示したように収縮状態となっており、これにより回動ケース３０及び部分拡幅用カッタ２０が格納ケース４０内に格納状態にある。
また、格納ケース４０の前面は回動軸３２の軸受４２を中心とする円弧面４５となっていて、ブラケット３４の前部には、円弧面４５に当接するスクレーパ３５が設けられている。
ここで、回動ケース３０のカッタ突出・格納時における格納ケース４０と摺動することによる配管類の保護として、管のホース化や回転継手の採用によりフレキシブル対応としている。図８中、２８は送泥管・排泥管２６のホース、２９は回転継手であり、図示は送排泥水管の対応であるが、油圧配管も同様の機構で対応できる。

図９は図８に矢印Ａで示される軸受部の止水シール構造を拡大して断面で示したもので、回動軸３２の軸受４２の内周において、軸受メタル４６の両側にＯリングやパッキングによる止水シール４７が設けられている。

以上のようにして部分拡幅用カッタ２０を備えるシールド機に装備される後方作業台１６には、図１に示したように、上部用連結セグメント押込装置１８及び下部用連結セグメント押込装置１９が備えられている。上部用連結セグメント押込装置１８は後方作業台１６上に固定式のもので、下部用連結セグメント押込装置１９は後方作業台１６の下方に配置される可動式のものであり、図４にも示すように、前後方向及び左右方向いずれも複数の油圧ジャッキにより構成されている。

次に、以上のシールド機によるトンネルの合流部・分流部構築手順を説明する。
まず、通常は前面のカッタ４によりトンネルを掘進していくとともに、後側のエレクタ装置１３によりセグメントを組立ててセグメントリング１０１を覆工していく。
そして、合流部・分流部を施工する開始時点に達すると、前面のカッタ４による掘進は継続するとともに、複動ジャッキ３１を伸張動作させて、スキンプレート１前部の部分拡幅用カッタ２０を上下に同期して突出動作させて地山に張出すとともに、カッタ駆動用油圧モータ２５の駆動でギヤ機構２４を介して回転駆動されるカッタ支持面板２１の部分拡幅用カッタ２０により上下の部分拡幅部掘削を開始する。

部分拡幅部掘削は、図１及び図５に仮想線で示したように、複動ジャッキ３１の伸張動作により回動ケース３０が回動軸３２を支点とし上方に回動して、部分拡幅用カッタ２０が回転しながらスキンプレート１から上下に突出し始める。この時、部分拡幅用カッタ２０が地山から受ける推進方向に対する外力は横並び３本の複動ジャッキ３１と両側の回動軸３２及び軸受４２により受け止められる。なお、部分拡幅用カッタ２０の突出を容易にするため、カッタ支持面板２１にはコピーカッタを備えても良い。
そして、部分拡幅用カッタ２０による上下の部分拡幅部掘削施工に対応する区間において、エレクタ装置１３により上下に鋼製セグメント１０２をセグメントリング１０１と同形体を覆工していく。鋼製セグメント１０２は連結セグメント１０３を上下方向にスライド動作可能に組み込んだものである。

続いて、後方作業台１６において、シールド機が進行するに伴いシールドテール（シール）１１から放出された（地山に残置された）時点で、即時に上部用連結セグメント押込装置１８及び下部用連結セグメント押込装置１９の油圧ジャッキの伸張動作によって、上下の鋼製セグメント１０２内から連結セグメント１０３を掘削部分拡幅部に押し込んでいく。
以上の部分拡幅部掘削を伴う掘進及び覆工は所定区間、すなわち、合流部・分流部の設計長に到達するまで継続して行われる。

そして、合流部・分流部の設計長に到達した時点で、部分拡幅用カッタ２０を複動ジャッキ３１の収縮動作によりスキンプレート１内に格納して、通常の掘進を行うとともに、鋼製セグメント１０２を用いない通常のセグメントだけを組立ててセグメントリング１０１を覆工していく。

以上の部分拡幅部掘削を伴う掘進及び覆工は、同様構成で例えばサイズが大小異なるシールド機を用いて、本線トンネルの隣にランプトンネルを並べて施工する。
図１０はトンネル合流部・分流部の施工例を示すもので、Ｔは本線トンネル、Ｒはランプトンネルである。

まず、覆工の完了した当該拡幅区間において、覆工トンネル内部より、本線トンネルＴとランプトンネルＲの間において、上下の地山に対して薬液注入工１１１を施す。
次に、上下の薬液注入工１１１において、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの連結セグメント１０３の間に長尺鋼管フォアパイリングによるアーチ状の支保工１１２を施工する。
そして、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの間において、上下の支保工１１２間の地山を掘削する。

次に、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの連結セグメント１０３にわたって鋼殻１１３を設置するとともに、その鋼殻１１３内へのコンクリート打設工を施工する。
その後、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲのセグメントリング１０１の互いに隣接するセグメントを撤去して、図示のように、本線トンネルＴとランプトンネルＲを横方向に連続させる。
こうしてシールドトンネルの合流部・分流部の施工を終える。

なお、以上の実施形態においては、本線トンネルトランプトンネルの合流部・分流部の施工用としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、非常駐車帯等の拡幅部の施工であっても良い。
また、実施形態では、泥水式シールドとしたが、土圧式シールドであっても良く、その他、シールド機の具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した一実施形態の構成を示すもので、シールド機の縦断側面図である。 図１の前面カッタの正面図である。 図１の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の縦断正面図である。 図１のセグメント押込装置が組み込まれた部分の縦断正面図である。 図１の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の拡大図である。 図５の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の平面図である。 図５の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の正面図である。 図５の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の背面図である。 図８に矢印Ａで示される軸受部の止水シール構造を示した拡大断面図である。 トンネル合流部・分流部の施工例を示す縦断正面図である。

符号の説明

１ スキンプレート
４ 前面カッタ
１８・１９ 連結セグメント押込装置
２０ 部分拡幅用カッタ
２１ カッタ支持面板
２２ チャンバ
２３ カッタ支持面板軸受
２４ ギヤ機構
２５ カッタ駆動機構（カッタ駆動用油圧モータ）
２６ 送泥管・排泥管
２７ 油圧配管
２８ ホース
２９ 回転継手
３０ 回動ケース
３１ カッタ突出動作機構（複動ジャッキ）
３２ 回動軸
３３ 円弧面
３４ ブラケット
３５ スクレーパ
４０ 格納ケース
４２ 軸受
４３ スクレーパ
４４ ブラケット
４５ 円弧面
４６ 軸受メタル
４７ 止水シール
１０１ セグメントリング
１０２ 鋼製セグメント
１０３ 連結セグメント
１１３ 鋼殻
Ｔ 本線トンネル
Ｒ ランプトンネル

Claims (4)

1. 本体前面にカッタを備えたシールド機であって、
   本体周面の開口にカッタ面を前方へ向けて格納可能で、後側を支点に前側が回動して本体周面から外側に突出可能な部分拡幅用カッタと、
   この部分拡幅用カッタの前側部と本体内部との間に設けられ、部分拡幅用カッタを本体周面から外側に突出動作させ且つ本体内に格納動作させるカッタ突出動作機構と、
   前部に形成されるチャンバに設けるカッタ支持面板軸受に支持されるカッタ支持面板の前面に前記部分拡幅用カッタを設けるとともに、当該部分拡幅用カッタを駆動するカッタ駆動機構を内蔵する回動ケースと、
   前記本体周面の開口内に設けられ、前記回動ケース及び前記カッタ突出動作機構を格納する格納ケースとを備え、
   格納動作時は、前記格納ケースの後部で前記本体外面側に設けられた回動軸を支点として前記回動ケースが回動して、前記格納ケースに前記回動ケース及び前記カッタ突出動作機構を格納するとともに、前記部分拡幅用カッタを前方へ向けて格納することを特徴とするシールド機。
2. 前記カッタ突出動作機構は、前記部分拡幅用カッタの前側部と前記本体内部との間に架設された複動ジャッキであることを特徴とする請求項１に記載のシールド機。
3. 前記回動ケースの回動動作時に前記格納ケースの内周面と前記回動ケースの外周面とに当接して案内するスクレーパを備えることを特徴とする請求項１に記載のシールド機。
4. 前記部分拡幅用カッタの前記本体に対する回動支点部に止水シール構造を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機。

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