JP4461274B2 - シールド掘進機及びそれを用いた地下空間の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、道路用トンネルや地下鉄道用トンネル等の地下空間を構築するためのシールド掘進機及びそれを用いた地下空間の構築方法に関する。

本願出願人は、先に特許文献１に示すような地下空間体の構築工法を提供した。

この地下空間体の構築工法は、適宜間隔をもって構築された複数の立坑間の地中に地下空間体を構築する際に、立坑間に矩形断面のシールド掘進機を用いて複数の矩形断面の外部トンネルを適宜間隔毎に並行して断面環状に構築し、これら並行する外部トンネル間の地山を掘削して形成した間隙部を利用して相隣る外部トンネル同士を連結具で連結するとともに、間隙部にコンクリートを打設することにより断面視において無端状に連結・一体化された外部構造体を構築し、この外部構造体で囲まれた内側の地山を掘削・覆工して内部トンネルを構築するようにしている。
特公平８−１９８２５号公報

このような地下空間体の構築方法にあっては、例えば、図９に示すように、少なくとも４つの外部トンネル１００を掘削しなければならず、掘進回数が多く、しかも、この４つの外部トンネル１００を連結して外部構造体を構築するためには、少なくとも４ヶ所において外部トンネル１００同士を連結具１０２で連結して、間隙部にコンクリートを打設する作業が必要となり、連結作業が多く、それだけ工期が長期化し、施工コストも高くなってしまう。

また、連結作業個所が多いと、狭隘空間での鉄筋組立作業が増えることとなり、作業効率及び作業環境も好ましくない。

さらに、この地下空間体の構築工法においては、縦型及び横型の２種類のシールド機が必要となり、シールド機に要する費用が高くなってしまうというものである。

本発明の目的は、掘進回数及び連結個所を削減し、作業効率及び作業環境を向上させ、工期の短縮、施工コストの削減、シールド機費用の削減を行うことができるシールド掘進機及びそれを用いた地下空間の構築方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明のシールド掘進機は、所定間隔を置いて配設した一対の断面矩形の第１の掘進機と、
前記一対の第１の掘進機の対向面同士を前記対向面と隣接する一方の側面側で連結する第２の掘進機とを有し、
前記一対の第１の掘進機と前記第２の掘進機とが分割可能とされ、
前記各第１の掘進機は、本体部と、前記第２の掘進機の駆動部とを有し、前記本体部と前記第２の掘進機の駆動部を含む前記第２の掘進機との連結部とに分割可能にされ、
前記第２の掘進機は、前記連結部を介して前記第１の掘進機の対向面で隣接する他方の側面側に取り付け可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、一対の第１の掘進機とこの一対の第１の掘進機を隣接する一方の側面側で連結する第２の掘進機とでコ字状のシールド掘進機とすることができ、このコ字状のシールド掘進機を用いて、一度の掘進でコ字状のトンネルを構築することができ、しかも、開放端を対向させた状態で少なくとも２度の掘進で環状のトンネルを構築することができ、しかも、連結個所は少なくとも２個所あれば足り、掘進回数及び連結個所を削減して作業効率向上、作業環境の向上をなすことができるとともに、工期の短縮及び施工コストの削減が可能となる。

また、シールド掘進機は１台で済むため、シールド機費用の削減を行うことができる。

また、第１の掘進機内に第２の掘進機の駆動部を設けることで、第２の掘進機をコンパクトにすることができる。

さらに、第２の掘進機の位置を変えて反復利用を容易にすることができる。

本発明においては、前記一対の第１の掘進機は、横方向に所定間隔を置いて配設され、
前記第２の掘進機は、第１の掘進機の対向面同士を前記対向面と隣接する一方の側面側で水平方向に掛け渡されて連結し、
前記各連結部は、前記一対の本体部に対して上下反転した状態で前記一方の側面側と反対の側面側に取り付け可能とされ、
前記第２の掘進機は、上下反転して前記連結部に連結可能にすることができる。

このような構成とすることにより、第２の掘進機の第１の掘進機に対する取り付け位置を容易かつ確実に変えて反復利用を行うことができる。

本発明の地下空間の構築方法は、請求項１に記載のシールド掘進機を用いて上または下開放のコ字状の第１のトンネルを掘削する工程と、
前記コ字状のトンネルの開放端側に第２のトンネルを掘削する工程と、
前記コ字状の第１のトンネルと前記開放端側の第２のトンネルとを連結して閉断面のトンネルを構築する工程と、
前記閉断面のトンネルに囲まれた地盤を掘削して地下空間を構築する工程とを含み、
前記開放端側の第２のトンネルは、請求項１に記載のシールド掘進機の形状を上下反転させて掘削形成した、開放端同士が前記コ字状の第１のトンネルと対向するコ字状のトンネルとされ、
前記第１及び第２のトンネル同士の連結工程では、前記開放端同士を連結することを特徴とする

本発明によれば、第１のトンネルと第２のトンネルを掘削することで閉断面のトンネルを構築することができ、しかも、連結個所は対向する開放端側の２ヶ所で済み、掘進回数及び連結個所の削減ができ、作業効率、作業環境の向上、工期の短縮化及び施工コストの削減が可能となる。

また、２度の掘進で第１のトンネル及び第２のトンネルを開放端同士が対向するコ字状のトンネルとすることで、開放端同士の２ヶ所を連結するだけで閉断面のトンネルを容易に構築することができ、作業効率、作業環境の向上ができ、工期短縮、施工コスト削減ができる。

また、シールド掘進機も１台で済むため、シールド機費用の削減も可能となる。

この場合、前記シールド掘進機の形状を反転させる工程では、
前記第２の掘進機を取り外し、前記第１の掘進機の本体部と連結部を分割する工程と、
前記各連結部を前記一対の本体部に対して上下反転した状態で前記一方の側面側と反対の側面側に取り付ける工程と、
前記第２の掘進機を上下反転して前記連結部に連結する工程と、
を含むものとすることができる。

このような構成とすることにより、容易、確実にシールド掘進機の第２の掘進機の位置を変えて反復利用できることとなる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１〜図５は、本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機を示す図である。

図１は本実施の形態に係るシールド掘進機の正面図、図２はその平面図、図３は第１の掘進機の縦断面図、図４は第２の掘進機の縦断面図、図５は第２の掘進機の取付位置を変更する状態を示す背面図である。

このシールド掘進機１０は、図１及び図２に示すように、所定間隔をおいて配設した一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂと、この一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂを連結する第２の掘進機１４とを有している。

一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂは、図１に示すように、矩形断面の本体部１６ａ、１６ｂを有するシールド機とされ、前面にプラネタリーカッタ１８を取り付けた面盤２０を有し、このプラネタリーカッタ１８により本体部１６ａ、１６ｂの断面形状に沿って切羽を掘削可能とされている。

また、各本体部１６ａ、１６ｂの内部には、図３に示すように、面盤２０を回転させる駆動モータ２２、掘削土砂を排出するスクリューコンベア２４、ベルトコンベア２６、セグメント２８組み立て用のエレクター３０等が配設されている。

さらに、この本体部１６ａ、１６ｂの対向する側面には、第２の掘進機１４を連結するための連結部３２ａ、３２ｂが設けられている。

この連結部３２ａ、３２ｂは、一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面と隣接する一方の側面（上面）側に設けられ、一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面と隣接する一方の側面側で第２の掘進機１４が一対の掘進機１２ａ、１２ｂを連結するようになっている。

また、連結部３２ａ、３２ｂは、一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面と隣接する他方の側面（下面）側にも取り付け可能とされ、第２の掘進機１４を一対の第１の掘進機１２ａ、１２ｂ間の下部側に取り付けることも可能となっている。

第２の掘進機１４は、図２及び図４に示すように、第１の掘進機１２ａ、１２ｂよりも短く、かつ薄型に形成されたもので、ボックス状の本体部３４と、その前面に設けられた円筒形状のドラムカッタ３６とから構成されている。

このドラムカッタ３６の駆動モータ３８を含む駆動部４０は、第２の掘進機１４の本体部３４内に設けられず、第１の掘進機１２ａ、１２ｂ内に連結部３２ａ、３２ｂと一体に設けられた状態となっている。

このように、ドラムカッタ３６の駆動部４０を第１の掘進機１２ａ、１２ｂの本体部１６ａ、１６ｂ内に設けることにより、駆動部４０の点検等を作業者が本体部３４内に入って作業を行う必要がなく、本体部３４を薄型に形成することが可能となる。

次に、このシールド掘進機１０における第２の掘進機１４の位置を変更する状態を図５に示す。

同図（Ａ）は、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面の上部側に第２の掘進機１４を取り付けた状態を示している。
同図（Ａ）の組み立ては、例えば発進立坑内で行うようにしている。

この状態から、第２の掘進機１４を第１の掘進機１２ａ、１２ｂの下部側に取り付けるには、まず、第２の掘進機１４と連結部３２ａ、３２ｂとを分割するとともに、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの本体部１６ａ、１６ｂから第２の掘進機１４の駆動部４０を含む連結部３２ａ、３２ｂを分割する。
この作業は、例えばシールド掘進機１０が到達立坑に到達した時点で、シールド掘進機１０を到達立坑内に引き出して、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの上下、左右の位置関係をそのままに発進立坑側に方向変換し、到達立坑内で前記分解作業を行うようにしている。

次いで、同図（Ｂ）に示すように、駆動部４０を含む連結部３２ａを上下反転して第１の掘進機１２ｂの対向面下部に取り付けるとともに、連結部３２ｂを第１の掘進機１２ａの対向面下部に上下反転して取り付ける。
この作業も到達立坑内で行われる。

そして、同図（Ｃ）に示すように、第２の掘進機１４を上下反転してそれぞれの連結部３２ａ、３２ｂに取り付けることで、第１の掘進機１２ａ、１２ｂをそのままの状態にして、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの上部側から下部側へと第２の掘進機１４を移設することができる。
この作業も到達立坑内で行われ、第２の掘進機１４を上下反転して掘進方向を発進立坑側に向けることで、発進立坑側への掘進が可能となる。

次に、このようなシールド掘進機１０を用いた地下空間の構築方法について図６〜図８を参照して説明する。

図６は、２車線の地下空間を構築する場合を示したもので、同図（Ａ）に示すように、まず、図５（Ｃ）に示すような第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面間の下部側に第２の掘進機１４を取り付けた状態のシールド掘進機１０を用いて上方側が開口するコ字状の第１のトンネル５０を構築する。

次いで、シールド掘進機１０の第２の掘進機１４と、駆動部４０を含む連結部３２ａ、３２ｂをそれぞれ分割し、第１の掘進機１２ａ側の連結部３２ｂを上下反転して第２の掘進機１２ｂの対向面上部側に取り付け、第１の掘進機１２ｂ側の連結部３２ａを上下反転して第１の掘進機１２ａの対向面上部側に取り付けるとともに、第２の掘進機１４を上下反転して連結部３２ａ、３２ｂと連結することで、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの対向面間上部に第２の掘進機１４が位置するシールド掘進機１０とした状態で、第１のトンネル５０の上方を掘進して、下側が開口するコ字状の第２のトンネル５２（同図（Ｂ）参照）を形成する。

この場合、地盤条件によっては、第２のトンネル５２の施工前に第１のトンネルの開放端外方側から上載地盤の改良工を行って地盤改良部６５を形成する。

次いで、同図（Ｂ）に示すように、第１のトンネル５０及び第２のトンネル５２の開放端外側部をスライド鋼板５４で接続し、側壁部５６の配筋を行い、底版５８、頂版６０の鋼殻部とともに側壁部５６に高流動コンクリートを打設し、一体化して閉断面のトンネル６２を構築する。

そして、閉断面のトンネル６２によって囲まれた内部土砂を掘削、除去しながら、内側の四隅の鋼殻を撤去して２車線の地下空間６３を完成させる。

このように、この実施の形態に係るシールド掘進機１０を用いることで、２度の掘進で環状のトンネル６２を構築することができ、しかも、第１のトンネル５０と第２のトンネル５２との連結部分は２ヶ所で済むこととなり、掘削効率がよく、連結作業も少なくてすむため、工期の短縮、コストの削減、狭隘空間での連結作業の削減による作業環境の向上がなし得ることとなる。

図７は、横方向４車線の地下空間の構築状態を示すもので、同図（Ａ）に示すように、図６における下側の第１のトンネル５０と、上側の第２のトンネル５２を構築した後、その横方向右側に第１のトンネル５０及び第２のトンネル５２と同様に、下側の第３のトンネル６４と上側の第４のトンネル６６とを構築する。

この場合、地盤条件によっては、第１〜第４のトンネル５０、５２、６４、６６の外側の接続部分に地盤の改良工を行って地盤改良部６５を形成する。

次いで、第１〜第４のトンネル５０、５２、６４、６６のそれぞれをスライド鋼板５４にて接続する。

その後、同図（Ｂ）に示すように、側壁部５６の配筋を行い、底版５８、頂版６０とともに高流動コンクリートを打設し、閉断面のトンネル６２を構築する。

そして、内部土砂を掘削、除去しながら、トンネル６２内の四隅の鋼殻を撤去してそれぞれ２車線の２つの地下空間６３を構築する。

このように、１台のシールド掘進機１０で、しかも、上下左右の４回の掘進で、横方向４車線のトンネルの構築ができ、接続工が、側壁部２ヶ所、頂部１ヶ所、底部１ヶ所、中壁部１ヶ所の計５ヶ所ですみ、工期の短縮化、施工コストの削減、作業効率の向上等が可能となる。

図８は、縦方向４車線のトンネルの構築状態を示すもので、同図（Ａ）に示すように、１台のシールド掘進機１０で、底部及び頂部の第１のトンネル５０及び第２のトンネル５２の構築を行い、第１のトンネル５０と第２のトンネル５２の間に、第２の掘進機１４及び連結部３２ａ、３２ｂを取り外した第１の掘進機１２ａ、１２ｂを用いて中間部に２本のシールド掘進を行って２つの単ボックストンネル６８を構築する。

次いで、適宜地盤改良部６５を形成した後、第１のトンネル５０と、単ボックストンネル６８、第２のトンネル５２と単ボックストンネル６８とをスライド鋼板５４にて接続する。

次に、同図（Ｂ）に示すように、第１のトンネル５０、第２のトンネル５２、単ボックストンネル６８それぞれの間に側壁部５６の配筋を行い、底版５８及び頂版６０とともに高流動コンクリートを打設し、縦方向に長いトンネル７０を構築する。

その後、内部土砂を掘削、除去して中間スラブ７２を構築することで上下に２車線ずつ、合計４車線の地下空間６３を有するトンネルを構築することができる。

このように、掘進回数は４回で、接続工が側壁部４ヶ所のみとなり、工期の短縮、施工コストの削減、作業効率の向上が可能となる。

また、第１のトンネル５０と第２のトンネル５２との間に、第１の掘進機１２ａ、１２ｂの中央部に第２の掘進機１４を取り付けたシールド掘進機を用いてシールド掘進を行うことで第３のトンネルを構築し、この第３のトンネルを中間スラブとして用いるようにしてとも良い。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。

例えば、前記実施の形態では、シールド掘進機の第２の掘進機の取り付け位置を変えることで、対向するコ字状のトンネルの掘進を行うようにしているが、第２の掘進機の取り付け位置を変えるとなく、シールド掘進機自体を反転させて対向するコ字状のトンネルの掘進を行うようにすることも可能である。

また、前記実施の形態では、コ字状のトンネル同士の組み合わせについて説明したが、コ字状のトンネルと直線のトンネルとの組み合わせとすることも可能である。

さらに、前記実施の形態では、第１の掘進機を断面矩形のものとしているが、この第１の掘進機を断面円形とすることも可能である。

本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機の正面図である。 図１のシールド掘進機の平面図である。 図１及び図２におけるシールド掘進機の第１の掘進機の縦断面図である。 図１及び図２のシールド掘進機における第２の掘進機の縦断面図である。 （Ａ）は第２の掘進機を上部側に取り付けたシールド掘進機の背面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から第２の掘進機及び連結部を取り外し、連結部を下部側に付け替えた状態を示す背面図、（Ｃ）は（Ｂ）の状態から第２の掘進機を取り付けた状態を示す背面図である。 ２車線のトンネルの構築状態を示すもので、（Ａ）は第１のトンネルの構築後第２のトンネルの掘進を行う状態を示す断面図、（Ｂ）は第１のトンネル及び第２のトンネルを接続した後内部土砂を掘削して地下空間を形成する状態を示す断面図である。 横方向４車線のトンネルを構築する状態を示すもので、（Ａ）は上下左右に４つのトンネルを構築した状態を示す断面図であり、（Ｂ）は上下左右４つのトンネルを接続して内部土砂を掘削して左右に２つのトンネルを構築した状態を示す断面図である。 縦方向４車線のトンネルを構築する状態を示すもので、（Ａ）は上下２つのコ字状のトンネル間に２つの単ボックストンネルを構築した状態を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から各トンネルを接続し、内部土砂を掘削した後、中間スラブを構築して上下に２つのトンネルを構築した状態を示す断面図である。 従来の複数のトンネルを連結して大断面のトンネルを構築する状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ シールド掘進機
１２ａ、１２ｂ 第１の掘進機
１４ 第２の掘進機
１６ａ、１６ｂ 本体部
３２ａ、３２ｂ 連結部
３８ 駆動モータ
４０ 駆動部
５０ 第１のトンネル
５２ 第２のトンネル
６２ 閉断面のトンネル
６３ 地下空間

Claims (4)

1. 所定間隔を置いて配設した断面矩形の一対の第１の掘進機と、
   前記一対の第１の掘進機の対向面同士を前記対向面と隣接する一方の側面側で連結する第２の掘進機とを有し、
   前記一対の第１の掘進機と前記第２の掘進機とが分割可能とされ、
   前記各第１の掘進機は、本体部と、前記第２の掘進機の駆動部とを有し、前記本体部と前記第２の掘進機の駆動部を含む前記第２の掘進機との連結部とに分割可能にされ、
   前記第２の掘進機は、前記連結部を介して前記第１の掘進機の対向面で隣接する他方の側面側に取り付け可能とされていることを特徴とするシールド掘進機。
2. 請求項１において、
   前記一対の第１の掘進機は、横方向に所定間隔を置いて配設され、
   前記第２の掘進機は、第１の掘進機の対向面同士を前記対向面と隣接する一方の側面側で水平方向に掛け渡されて連結し、
   前記各連結部は、前記一対の本体部に対して上下反転した状態で前記一方の側面側と反対の側面側に取り付け可能とされ、
   前記第２の掘進機は、上下反転して前記連結部に連結可能にされていることを特徴とするシールド掘進機。
3. 請求項１に記載のシールド掘進機を用いて上または下開放のコ字状の第１のトンネルを掘削する工程と、
   前記コ字状のトンネルの開放端側に第２のトンネルを掘削する工程と、
   前記コ字状の第１のトンネルと前記開放端側の第２のトンネルとを連結して閉断面のトンネルを構築する工程と、
   前記閉断面のトンネルに囲まれた地盤を掘削して地下空間を構築する工程とを含み、
   前記開放端側の第２のトンネルは、請求項１に記載のシールド掘進機の形状を上下反転させて掘削形成した、開放端同士が前記コ字状の第１のトンネルと対向するコ字状のトンネルとされ、
   前記第１及び第２のトンネル同士の連結工程では、前記開放端同士を連結することを特徴とする地下空間の構築方法。
4. 請求項３において、
   前記シールド掘進機の形状を反転させる工程では、
   前記第２の掘進機を取り外し、前記第１の掘進機の本体部と連結部を分割する工程と、
   前記各連結部を前記一対の本体部に対して上下反転した状態で前記一方の側面側と反対の側面側に取り付ける工程と、
   前記第２の掘進機を上下反転して前記連結部に連結する工程と、
   を含むことを特徴とする地下空間の構築方法。

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