JP4368762B2 - セグメントの連結装置及びトンネルの構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、セグメントを組み立てて構築される地中構造物同士を一体に連結するセグメントの連結装置及びこの連結装置を用いたトンネルの構築方法に関するものである。

道路トンネルにおいては、所定距離毎に車両の非常駐車帯を設ける必要がある。この非常駐車帯は、道路本線の脇に駐車スペースを形成するものであり、トンネルの長手方向の一部に沿って構築された拡幅トンネル内に形成されている。

従来、トンネルの長手方向の一部に沿って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道路本線を形成する主トンネルを掘削・構築し、次に、拡幅用のシールド掘削機により主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、この工法はトンネルを構築するのに２つ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った。

特公昭６２−１０７３号公報

そこで本発明者らは、図１０に示すように、主トンネル６０と拡幅トンネル６１とを並行に構築できるシールド掘進機６２を新規開発し、このシールド掘進機６２を用いて構築した主トンネル６０と拡幅トンネル６１とを一体に接合して連通させる技術を開発中である。

ところで、このトンネル構築方法にあっては、主トンネル６０と拡幅トンネル６１を接合する前に、予めトンネル６０、６１同士を連結して固定しておく必要があるが、地質は場所によって異なり、主トンネル６０の周囲と拡幅トンネル６１の周囲とで地質が異なる場合もあるため、主トンネル６０と拡幅トンネル６１とが必ずしも一定の位置関係にあるとは限らない。このため、多少の位置ズレを吸収しつつトンネル６０、６１同士を連結できる連結装置が必要となるが、既存のボルト・ナットではトンネル６０、６１同士の位置ズレを吸収できず、適当な連結装置が存在しないという課題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、トンネル等のセグメントを組み立てて構築される地中構造物同士の位置ズレを吸収して確実に地中構造物同士を連結できるセグメントの連結装置と、この連結装置を用いたトンネルの構築方法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、セグメントを組み立てて構築される地中構造物に、これに隣接して同じくセグメントを組み立てて構築される他の地中構造物を連結すべく、両構造物のセグメント同士をボルト・ナットで連結するためのセグメントの連結装置において、連結するセグメントに、それぞれ球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材には、ボルトをトンネル外に送り出す送出手段が設けられたものである。

また、シールド掘進機により、主トンネル孔を掘削すると共にその主トンネル孔の任意の位置に拡幅トンネル孔を掘削し、これら主トンネル孔と拡幅トンネル孔にセグメントを張設して主トンネルと拡幅トンネルとを構築したのち、これらトンネル同士のセグメントを互いに連結するためのセグメントの連結装置において、主トンネルのセグメントと拡幅トンネルのセグメントに、それぞれ球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材には、ボルトをトンネル外に送り出す送出手段が設けられたものである。

また、シールド掘進機により、主トンネル孔を掘削すると共にその主トンネル孔の任意の位置に拡幅トンネル孔を掘削し、これら主トンネル孔と拡幅トンネル孔にセグメントを張設して主トンネルと拡幅トンネルとを構築したのち、これらトンネル同士のセグメントを互いに連結して固定し、主トンネルと拡幅トンネルを連通させるトンネルの構築方法であって、主トンネルと拡幅トンネルを連結する前に、予め双方のセグメントに球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材にトンネル外にボルトを送り出す送出手段を設け、上記ボルト・ナットがそれぞれシールド掘進機の後方に至ったとき、上記送出手段でトンネル外にボルトを送り出し、ボルトとナットを締結して主トンネルと拡幅トンネルを連結するとよい。

本発明によれば、地中構造物同士の位置ズレを吸収して確実に地中構造物同士を連結することができる。

図４は、主トンネルと拡幅トンネルを構築するシールド掘進機の平面図であり、図５は図４のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図６は図４のＢ−Ｂ線矢視断面図であり、図７は図４のＣ−Ｃ線矢視断面図である。

図４に示すように、シールド掘進機１は、掘進方向前方部に主カッタ２を有するシールド本体３と、シールド本体３の側部に径方向外方に出没自在に設けられた拡幅カッタ４と、シールド本体３の側部に設けられ拡幅カッタ４で掘削された拡幅トンネル孔５内に出没する拡幅シールド部６とを備えて構成されている。シールド本体３は、主カッタ２で掘削した主トンネル孔７内に主セグメント８を張設して主トンネル９を構築するための主セグメント用エレクタ１０を後部に有する。図４及び図６に示すように、シールド本体３の側部には、後述する拡幅トンネル１１をガイドするためのガイド装置１２が径方向外方に出没自在に設けられており、拡幅トンネル１１に予め設けられた溝４２及び拡幅トンネル１１の上下端に係合することで、主トンネル９に対する拡幅トンネル１１の位置を一定に保つようになっている。拡幅カッタ４は、略円盤状に形成されたカッタ面部１３と、カッタ面部１３を前後傾動自在に枢支し掘削面の向きを変えるための回動機構１４とを備えて構成されており、カッタ面部１３を径方向外方に突出させてその掘削面を前方へ向けることで主トンネル孔７の側部に沿って拡幅トンネル孔５を掘削できるように構成されている。

図４及び図５に示すように、拡幅シールド部６は、拡幅カッタ４で掘削した拡幅トンネル孔５内に拡幅セグメント１５を張設して拡幅トンネル１１を構築するための拡幅セグメント用エレクタ１６を有すると共に、拡幅トンネル１１を後方に押し出すためのジャッキ１７を有する。拡幅シールド部６の外周部後端には組み立てた拡幅セグメント１５を送り出すための開口１８が形成されている。開口１８は、拡幅シールド部６を拡幅トンネル孔５に出没させる際、蓋状の妻セグメント１９で塞がれるようになっており、開口１８から機内に浸水しないようになっている。図４及び図８に示すように、妻セグメント１９には、径方向外方に延出して周辺地山を押さえる周辺押し当て装置２０が複数設けられると共に、掘進方向後方に延出して妻側の地山を押さえる妻側押し当て装置２１が複数設けられている。そして、妻セグメント１９は、拡幅トンネル孔５内で周辺押し当て装置２０と妻側押し当て装置２１をそれぞれ延出させることで地山から反力を得て、拡幅トンネル孔５内における位置を固定されるようになっている。

また、図７に示すように、主トンネル９の拡幅トンネル１１側の主セグメント８と、拡幅トンネル１１の主トンネル９側の拡幅セグメント１５とには、主トンネル９と拡幅トンネル１１を連結するための連結装置２２が予め組み立てる前に設けられており、シールド掘進機１の後方で主トンネル９と拡幅トンネル１１とを連結するようになっている。連結装置２２は、それぞれのトンネル９、１１のセグメント８、１５に、周方向に複数かつ軸方向に複数設けられており、主トンネル９と拡幅トンネル１１を三次元的に連結して強固に固定するようになっている。より具体的には、図４に示すように、主セグメント８の軸方向の長さは、拡幅セグメント１５の整数倍となっており、連結装置２２が設けられた拡幅セグメント１５を所定間隔おきに組み立てることにより、主セグメント８側の連結装置２２の設置間隔と拡幅セグメント１５側の連結装置２２の設置間隔とを合わせ、それぞれ対応する位置に配置できるようになっている。

図１に示すように、連結装置２２は、双方のセグメント８、１５に、それぞれ球面受座２３を形成し、その各球面受座２３に球状部材２４、２５を回転自在に取り付け、その球状部材２４、２５の一方にボルト２６を取り付け、他方にナット２７を取り付けて構成されている。球面受座２３は、略リング状に形成された受座本体２８の内周に球面を受ける凹面を形成してなるものであり、凹面には球状部材２４、２５との間をシールするためのシール２９が設けられている。また、受座本体２８は分割可能に形成されており、球状部材２４、２５の周囲を囲むように組み立てることで、球状部材と分離しないように構成されている。そしてこれにより球状部材２４、２５は、球面受座２３に任意の方向に回動自在に保持されるようになっている。

ボルト２６は、両端にねじ部３０、３１を有する連結ロッド３２と、連結ロッド３２の一端側にナット３３を螺合させて構成された頭部３４とを備えて構成されている。ボルト２６は、主セグメント８側の球状部材２５に軸方向摺動自在かつ周方向回転自在に挿通されており、頭部３４を主トンネル９の内側に位置させている。球状部材２５には、ボルト２６との間をシールするためのシール３５が設けられると共に、ボルト２６をトンネル外に送り出すための送出手段３６が設けられている。送出手段３６は、球状部材２５に設けられ主トンネル９の内側に向けて延びる送りねじ３７と、送りねじ３７に挿通されると共に連結ロッド３２の一端側に挿通され頭部３４を主トンネル９側に没入させないように押さえるための押え部材３８と、送りねじ３７に螺合され押え部材３８を頭部３４側へ送るための送りナット３９とを備えて構成されている。押え部材３８は、ねじ部３１にガイドされ、確実に頭部３４に当たるようになっている。

ナット２７は、拡幅セグメント１５側の球状部材２４に設けられている。ナット２７のねじ孔４０は、所定深さに形成されており、球状部材２４を貫通しないことで拡幅トンネル１１に地中の水等が浸入するのを防ぐようになっている。ねじ孔４０の深さは、ボルト２６に螺合する長さに土砂等を収容する長さを加味して決定されており、ねじ孔４０内に土砂等が残っても十分な強度でボルト２６とナット２７を連結できるようになっている。また、ナット２７の開口端側には、開口をテーパ状に拡げてなる導入部４１が形成されており、ナット２７に接近したボルト２６をナット２７に案内するようになっている。球状部材２４には、ボルト２６にナット２７を位置合わせするとき球状部材２４を回動させるためのハンドル２４ａが設けられている。

次にトンネルの構築方法について述べる。

図４に示すように、主トンネル９に沿って拡幅トンネル１１を構築する場合、まず、主トンネル孔７を掘削すると共にその主トンネル孔７の任意の位置に拡幅トンネル孔５を掘削し、これら主トンネル孔７と拡幅トンネル孔５にセグメント８、１５を張設して主トンネル９と拡幅トンネル１１とを構築する。

主トンネル孔７の掘削は主カッタ２にて行い、主セグメント用エレクタ１０で主トンネル孔７内に主セグメント８を張設することで主トンネル９を構築する。拡幅トンネル孔５の掘削は拡幅カッタ４にて行う。具体的には、拡幅カッタ４を駆動させながらシールド本体３から突出させ、前方へ傾けることで拡幅トンネル孔５を掘削し始める。このとき、拡幅トンネル孔５内に拡幅シールド部６を徐々に突出させ、拡幅セグメント１５を組み立てる準備をしておく。また同時に、シールド本体３からガイド装置１２を突出させ、拡幅シールド部６で組み立てられる拡幅セグメント１５をガイドする準備をしておく。

このようにして、拡幅シールド部６がシールド本体３から完全に突出されたら、拡幅シールド部６の開口１８に配置された妻セグメント１９に拡幅セグメント１５を組み付けつつ、妻側押し当て装置２１を後方に延出させる。妻側押し当て装置２１は地山に当たって地山を押さえることで妻セグメント１９を後押しし、拡幅トンネル孔５に対する妻セグメント１９の位置を固定する。妻セグメント１９に拡幅セグメント１５を組み付けたらジャッキ１７で拡幅セグメント１５を後方へ押す。妻セグメント１９と妻セグメント１９に組み付けられた拡幅セグメント１５は、シールド掘進機１の前進に応じて相対的に後方に押し出されることとなる。妻セグメント１９が拡幅シールド部６から完全に出たら、周辺押し当て装置２０をそれぞれ径方向外方に延出させ、妻セグメント１９の径方向の位置を固定する。妻セグメント１９に続いて拡幅セグメント１５が拡幅シールド部６から出たら、拡幅セグメント１５から地山にグラウンドアンカー４３を打ち込み、拡幅トンネル１１の後端部をさらに固定する。以降、拡幅セグメント１５を順次組み立てて拡幅シールド部６から押し出すことで拡幅トンネル１１を構築してゆく。

図６に示すように、シールド掘進機１が所定距離進むと、拡幅トンネル１１はシールド本体３から突出されたガイド装置１２に係合され、上下方向の位置をガイドされることとなる。このとき図２に示すように、ボルト２６を取り付けられた球状部材２５は、セグメント組立時にボルト２６が邪魔となるのを防ぐと共に、ボルト２６周辺からの浸水を確実に防ぐため、ボルト２６の先端を球面受座２３に向けて配置されている。ナット２７を取り付けられた球状部材２４、２５は、ナット２７の開口を任意の方向へ向けて配置されている。ナット２７内には、予めゲル状の潤滑油が封入されており、土砂などが詰まらないようになっている。また、球面受座２３と球状部材２４、２５との間はそれぞれシールされているため、トンネル９、１１内に連結装置２２から浸水することはない。

図１に示すように、構築した主トンネル９と拡幅トンネル１１とがシールド掘進機１の後方まで延び、互いに隣接されたら、隣接されたセグメント８、１５同士を互いに連結装置２２で連結して固定する。このとき、図３に示すように、主トンネル９に対して拡幅トンネル１１の位置がずれていることもあるが、球状部材２４、２５を適宜回動させることでシール性を失うことなくそれぞれの連結装置２２のボルト２６とナット２７を向かい合わせることができ、ボルト２６とナット２７の軸心をおおよそ合わせることができる。球状部材２４、２５の回動は、セグメント８、１５の内側に延びるボルト２６及びハンドル２４ａを操作することで容易にできる。この後、ボルト２６とナット２７を締結する。具体的には、送りナット３９を締めて押え部材３８をナット２７側へ押し込み、押え部材３８を介してボルト２６の頭部３４を押す。送りねじ３７と送りナット３９でボルト２６を押すため、トンネル９外の水圧が高くとも確実にボルト２６を押し出すことができる。ボルト２６は、導入部４１に入ることで先端を案内され、導入部４１から受ける力でそれぞれの球状部材２４、２５を回動させて自動的にナット２７と調心される。この後、ボルト２６を回転させてナット２７に螺合させる。ナット２７内には潤滑油が封入されているため、あまり土砂は入らないが、たとえ入ったとしてもナット２７の長さは土砂等を収容するための長さを加味して決定されているため、ナット２７とボルト２６を十分な強度で締結することができる。

拡幅セグメント１５を所定の距離組み立てたら、拡幅セグメント１５に妻セグメント１９を組み付けて拡幅トンネル１１の前端を塞ぐと共に、拡幅シールド部６の開口１８を妻セグメント１９で塞ぎ、拡幅カッタ４と拡幅シールド部６をシールド本体３内に没入させて拡幅トンネル１１の構築作業を終える。この後、セグメント８、１５の周辺部の止水用地盤改良を行う。

このようにして、拡幅トンネル１１を全長に渡って主トンネル９に連結し、止水作業が完了したら、主トンネル９と拡幅トンネル１１とが重なり合う部分を切り開き、主トンネル９と拡幅トンネル１１とを溶接等により接合して連通させる。

このように、主セグメント８と拡幅セグメント１５に、それぞれ球面受座２３を形成し、各球面受座２３に球状部材２４、２５を回転自在に取り付け、球状部材２４、２５の一方にボルト２６を取り付け、他方にナット２７を取り付けて連結装置２２を構成したため、主トンネル９と拡幅トンネル１１の位置ズレを吸収して確実に主トンネル９と拡幅トンネル１１を連結することができ、かつ、容易に止水できる。

ボルト２６が取り付けられた球状部材２５には、ボルト２６をトンネル９外に送り出す送出手段３６が設けられるものとしたため、トンネル９外の水圧が高くとも確実にボルト２６をトンネル９外に出すことができ、ボルト２６をナット２７に到達させることができる。

また、双方のセグメント８、１５に球面受座２３を形成し、各球面受座２３に球状部材２４、２５を回転自在に取り付け、その球状部材２４、２５の一方にボルト２６を取り付け、他方にナット２７を取り付け、ボルト２６・ナット２７がそれぞれシールド掘進機１の後方に至ったとき、球状部材２４、２５をそれぞれ回動させてボルト２６とナット２７の軸心を合わせ、ボルト２６とナット２７を締結して主トンネル９と拡幅トンネル１１を連結するようにしたため、シールド掘進機１後方で主トンネル９と拡幅トンネル１１の位置がずれていても確実に主トンネル９と拡幅トンネル１１を連結することができる。

なお、主セグメント８の長さは拡幅セグメント１５の整数倍に形成するものとしたが、これに限るものではなく、主セグメント８の長さと拡幅セグメント１５の長さに一定の関係があり、ボルト２６とナット２７の位置を容易に合わせられるようになっていればよい。

また、ボルト２６を主トンネル９側の球状部材２５に設け、ナット２７を拡幅トンネル１１側の球状部材２４に設けるものとしたが、逆にボルト２６を拡幅トンネル１１側に設け、ナット２７を主トンネル９側に設けてもよい。

またさらに、シールド掘進機１で主トンネル９と拡幅トンネル１１を構築しながら地中構造物たる主トンネル９と拡幅トンネル１１とを連結する実施の形態について述べたが、連結装置２２の用途はこれに限るものではなく、他の地中構造物同士を連結する装置として用いることができるのは勿論である。

連結装置２２で他の地中構造物同士を連結する他の実施の形態について述べる。なお、上述と同様の構成については同符号を付し、説明を省く。

図９に示すように、地中構造物５０は、一般にＭＭＳＴ（Multi-Micro Shield Tunneling）工法と呼ばれるトンネル施工法で用いられる鋼殻５１からなる。鋼殻５１は、小型のシールド掘進機（図示せず）内で複数のセグメント５２を組み立てて構築される。鋼殻５１は、地中に枠状に複数並べて構築され、それぞれ隣接するもの同士を結合することで大断面トンネルのトンネル壁を構成するようになっている。

鋼殻５１を構成するセグメント５２のうち、他の鋼殻５１と隣接するセグメント５２には、それぞれ組み立てる前に上述の連結装置２２が設けられている。すなわち、連結する鋼殻５１同士のセグメント５２に、それぞれ球面受座２３を形成し、その各球面受座２３に球状部材２４、２５を回転自在に取り付け、その球状部材２４、２５の一方にボルト２６を取り付け、他方にナット２７を取り付けている。セグメント５２は、掘進方向の長さをそれぞれ同じに形成されており、鋼殻５１同士が隣接したときそれぞれの鋼殻５１のセグメント５２同士も一対一に向き合うようになっている。また、球面受座２３はそれぞれセグメント５２の所定の位置に形成されており、連結すべきボルト２６とナット２７が略向き合って位置されるようになっている。

本実施の形態の作用を述べる。

複数の鋼殻５１を隣接して構築する場合、シールド掘進機を掘進させて所定区間に渡って鋼殻５１を構築したのち、この鋼殻５１に隣接してシールド掘進機を掘進させ、他の鋼殻５１を構築する。以降、既設の鋼殻５１に沿って順次シールド掘進機を掘進させ、複数の鋼殻５１を枠状に並べて構築する。既設の鋼殻５１に沿ってシールド掘進機を掘進させるとき、シールド掘進機で組み立てたセグメント５２がシールド掘進機から出たところで既設の鋼殻５１と連結する。セグメント５２同士の連結は、球状部材２４、２５を適宜回動させてボルト２６とナット２７の軸心を合わせたのち、ボルト２６をナット２７側に突出させ、ボルト２６を回転させてナット２７に螺合させることで行う。セグメント５２は、シールド掘進機から出た直後に既設の鋼殻５１に連結されるため、不安定な地質であっても隣接する鋼殻５１同士が大きく位置ズレを起こす前に鋼殻５１同士を連結することができる。

このようにして、鋼殻５１を枠状に並べて構築したら、隣接する鋼殻５１同士を鉄筋等で一体に接続し、鋼殻５１で囲まれる部分を通常の掘削機械で掘削して大断面トンネルを構築する。

このように、セグメント５２を組み立てて構築される地中構造物５０同士を連結する場合、連結するセグメント５２に、それぞれ球面受座２３を形成し、その各球面受座２３に球状部材２４、２５を回転自在に取り付け、その球状部材２４、２５の一方にボルト２６を取り付け、他方にナット２７を取り付けることで、地中構造物５０同士の位置ズレを吸収して確実に地中構造物５０同士を連結することができる。

本発明の好適実施の形態を示す連結装置の背面断面図である。 離脱された状態の連結装置の背面断面図である。 相対位置がずれたセグメント同士を連結する連結装置の背面断面図である。 主トンネルと拡幅トンネルを構築するシールド掘進機の平面図である。 図４のＡ−Ａ線矢視断面図である。 図４のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 図４のＣ−Ｃ線矢視断面図である。 拡幅トンネルの後端を塞ぐ妻セグメントの背面断面図である。 他の実施の形態を示す構築中のトンネルの正面断面図である。 開発中のシールド掘進機の概略説明図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
５ 拡幅トンネル孔
７ 主トンネル孔
８ 主セグメント（セグメント）
９ 主トンネル（地中構造物）
１１ 拡幅トンネル（地中構造物）
１５ 拡幅セグメント（セグメント）
２２ 連結装置
２３ 球面受座
２４ 球状部材
２５ 球状部材
２６ ボルト
２７ ナット
３６ 送出手段
５０ 地中構造物
５２ セグメント

Claims (3)

1. セグメントを組み立てて構築される地中構造物に、これに隣接して同じくセグメントを組み立てて構築される他の地中構造物を連結すべく、両構造物のセグメント同士をボルト・ナットで連結するためのセグメントの連結装置において、連結するセグメントに、それぞれ球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材には、ボルトをトンネル外に送り出す送出手段が設けられたことを特徴とするセグメントの連結装置。
2. シールド掘進機により、主トンネル孔を掘削すると共にその主トンネル孔の任意の位置に拡幅トンネル孔を掘削し、これら主トンネル孔と拡幅トンネル孔にセグメントを張設して主トンネルと拡幅トンネルとを構築したのち、これらトンネル同士のセグメントを互いに連結するためのセグメントの連結装置において、主トンネルのセグメントと拡幅トンネルのセグメントに、それぞれ球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材には、ボルトをトンネル外に送り出す送出手段が設けられたことを特徴とするセグメントの連結装置。
3. シールド掘進機により、主トンネル孔を掘削すると共にその主トンネル孔の任意の位置に拡幅トンネル孔を掘削し、これら主トンネル孔と拡幅トンネル孔にセグメントを張設して主トンネルと拡幅トンネルとを構築したのち、これらトンネル同士のセグメントを互いに連結して固定し、主トンネルと拡幅トンネルを連通させるトンネルの構築方法であって、主トンネルと拡幅トンネルを連結する前に、予め双方のセグメントに球面受座を形成し、その各球面受座に球状部材を回転自在に取り付け、その球状部材の一方にボルトを取り付け、他方にナットを取り付け、上記ボルトが取り付けられた球状部材にトンネル外にボルトを送り出す送出手段を設け、上記ボルト・ナットがそれぞれシールド掘進機の後方に至ったとき、上記送出手段でトンネル外にボルトを送り出し、ボルトとナットを締結して主トンネルと拡幅トンネルを連結することを特徴とするトンネルの構築方法。

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