JP4472462B2 - 拡幅シールド掘進機 - Google Patents

Description

本願発明は、所定断面のトンネルから部分的に拡幅したトンネルを掘削できる拡幅シールド掘進機に関し、特に、道路トンネルの合流部や分岐部を形成する場合に好適な拡幅シールド掘進機に関する。

従来より、地下に、鉄道、電気通信、上下水道等のトンネルが設けられており、これらのトンネルを構築するためにシールド掘進機が多用されている。

一方、近年、地下にこのようなトンネルが構築された大都市等の地下を有効利用する方法として、より深い大深度地下空間の利用に関する技術開発が進められている。この大深度地下空間の利用としては、例えば、地下４０−１００ｍ程度の大深度地下に公共性の高い道路や鉄道などを構築することが考えられている。

道路を例にすると、通常の道路を形成する場合には、円形断面を掘削できるシールド掘進機で円形トンネルが掘削され、この円形トンネルの下半部に道路が形成されている。また、複数の道路を幅方向に形成する場合、矩形トンネルや横長楕円トンネル等が掘削され、その下部が横方向に広い道路が形成されている。

この種の従来技術として、シールド本体の側部に着脱可能に取り付けることができるサブシールド部材を設け、このサブシールド部材をシールド本体に取り付けてカッタスポークの伸縮量を調整することにより、横幅の異なる横断面の地下交通路を掘削できるようにしたシールド掘進機がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来技術として、前端部の第１カッタヘッドを有する第１掘進機と、この第１掘進機の本体内に内蔵された第２カッタヘッドを有する第２掘進機とを設け、この第２掘進機を出没手段で掘進方向と直交する方向に出没させて楕円断面形状等の拡幅掘削をするようにした拡大シールド掘進機がある（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、他の従来技術として、主カッタ機構を有する主掘削機本体と、その側方に設けた副カッタ機構を有する副掘削機本体とによって、地下鉄道などに使用する拡幅トンネルを掘削しようとしたトンネル掘削機がある（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１１−１５９２７７号公報（第２頁、図１，２） 特開２０００−６４７６９号公報（第２頁、図１，２） 特開２００３−４１８８３号公報（第２頁、図１）

ところで、前記した大深度地下においてトンネルの合流部や分岐部を構築する場合、従来から行われている方法としては、例えば、拡幅部分の地盤を改良した後に接合部分を掘削して拡幅するか、トンネルを構築した後に地上から開削して立坑を設け、この立坑内で拡幅する方法が一般的な方法である。

この地盤を改良する方法の場合には、多くの薬剤等が必要となり環境に悪影響を与えるおそれがあるとともに、改良が完了するまでに長期間を要するため、効率的なトンネル施工が難しい。しかも、この拡幅工事はシールド掘進機の外部での工事となり、大深度地下での水圧や土圧に耐え得るような地盤改良には非常に長期間を要してしまう。

また、立坑を設けて拡幅する方法の場合には、合流部や分岐部で広範囲の土地を長期間使用することは非常に困難であり、多くの場合が既設の構造物等によって確保することができない。

そのため、前記したように大深度地下に道路トンネルを構築する場合、そのランプ部や合流部は地上に構築するような方法も考えられている。しかし、ランプ部や合流部を地上に設けるためにはその土地が必要になるので、それらを設けるための場所が限られてしまうとともに、大深度地下と地上とを連結するトンネルを多く構築しなければならないため、費用の増大や工期の長期化を招いてしまう。

しかも、深度に比例して大きくなる水圧や土圧が作用している環境下で、前記した道路のランプ部のように異なる方向から合流又は異なる方向に分岐するようなトンネルを構築する場合に、その合流部や分岐部を地中で接合できるように拡幅して掘削することができるシールド掘進機に関する構成について具体的に示されたものもない。

なお、前記引用文献１は、サブシールド部材を取り付けた時にだけ横幅を拡大した断面を掘削するものであり、この引用文献では地中で拡幅するためのサブシールド部材を設けることはできず、地上からの立坑を設ける必要がある。

また、引用文献２は、第２掘進機が幅方向に突出するように構成されているが、第１掘進機で円形断面を掘削している時も常に土圧や水圧を受けながら掘進しているので、錆や掘削土砂の詰まり等によって拡幅時に突出させるのが困難になる。

さらに、引用文献３では、拡幅部を掘削することはできるが、道路トンネルのランプ部のように大きく方向が曲がるような円形トンネルから拡幅部を掘削したり、拡幅部を掘削した後に円形のトンネルを掘削することはできない。

そこで、本願発明は、大深度地下にトンネルを構築する場合でも、前記したようなトンネルの合流部や分岐部における複数のトンネルを接合する場合に好ましい形状のトンネルを形成できるトンネル掘削機を提供すること目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は、前部カッタヘッドを前面に備えた前部シールド機と、該前部シールド機の後部で前記前部カッタヘッドの掘削断面の外周部から掘進方向に直交する方向に突出して拡幅掘削する拡幅部カッタヘッドを突出可能に収納した拡幅部シールド機と、該拡幅部シールド機の後部で前記前部カッタヘッドの掘削断面にセグメントを組立てるエレクタを備えた後部シールド機とを設け、前記前部シールド機の後部に収納部ゲートを設けて前記拡幅部シールド機の外周をカバーするとともに、前記拡幅部シールド機に、前記前部シールド機のみを掘進させることによって前記収納部ゲートを前進させて前記拡幅部シールド機の外周を開放した後に該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドを掘進方向に直交する方向に突出させる突出機構と、該拡幅部カッタヘッドで掘削した土砂を排出する排泥機構とを具備させている。これにより、大深度地下であっても、所定断面のトンネルから掘進方向に直交する方向に拡幅部を形成した拡幅トンネルを連続的に掘削することができる。

また、前記拡幅シールド掘進機において、前記収納部ゲートとシールド機外周との間に、該収納部ゲートで拡幅部シールド機の外周をカバーした時にシール性を保つシール部材を設けるとともに、前記拡幅部シールド機と前記前部シールド機及び後部シールド機との間に、該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドを掘進方向に直交する方向に突出させる時にシール性を保つシール部材を設ければ、シール性を保ちながら拡幅部カッタヘッドを安定して突出させることができる。

さらに、これらの拡幅シールド掘進機において、前記前部カッタヘッドと拡幅部カッタヘッドとに余掘り機構を具備させ、該余掘り機構で前記拡幅部カッタヘッドの未掘削部を掘削できるように構成すれば、この余掘り機構で前部カッタヘッドと拡幅部カッタヘッドとの間での掘残しがないように安定して掘削することができる。

また、これらのいずれかの拡幅シールド掘進機において、前記拡幅部シールド機に設ける拡幅部カッタヘッドを、前記前部シールド機の外周部から異なる掘進方向に直交する方向に突出して拡幅断面を掘削する複数の拡幅部カッタヘッドで構成してもよい。

さらに、この拡幅シールド掘進機おいて、前記拡幅部シールド機に設ける拡幅部カッタヘッドを、前記前部シールド機の上下対称方向に突出するように構成すれば、上下対称形状の異形トンネルを形成することができる。

その上、これらのいずれかの拡幅シールド掘進機において、前記拡幅部シールド機に、該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドで掘削した異形断面部の全周にセグメントを組むことができる１台の多関節エレクタを設ければ、拡幅部も含めた周方向の全セグメントを１台のエレクタで安定して組むことができる。

さらに、これらのいずれかの拡幅シールド掘進機において、前記前部シールド機のテール部内周に収納ゲート連結材を切離し可能に設け、該収納ゲート連結材に前記収納部ゲートの前部を連結し、該収納ゲート連結材とともに収納部ゲートを前部シールド機から切り離し可能に構成すれば、拡幅トンネルを形成した後に収納部ゲートを容易に切り離して、前部シールド機のみで所定断面のトンネルを連続的に掘削することができる。

また、この拡幅シールド掘進機おいて、前記収納部ゲート連結材の外周に、前記前部シールド機のテール部内周に設ける前部テールシールを位置させ、該前部テールシールで収納部ゲート連結材の外周をシールした状態で前記前部シールド機が掘進できるように構成すれば、拡幅トンネルを形成した後に前部シールド機のみで所定断面のトンネルを掘削するときのシール性を安定して保つことができる。

本願発明は、以上説明したような手段により、前部シールド機で掘削するトンネルから拡幅部シールド機で掘削する拡幅トンネルへと連続的にトンネルを形成することができるので、大深度地下で任意断面形状の拡幅トンネルを形成することが可能となる。

以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示す拡幅シールド掘進機の縦断面図であり、図２は図１に示す拡幅シールド掘進機の下部を拡大した断面図、図３は図１に示す拡幅シールド掘進機の正面図、図４は図１に示すIV−IV断面図、図５は図４に示す断面位置における拡幅部シールド突出体の図面であり、(a) は収納した状態の断面図、(b) は突出させた状態の断面図である。図６は図５(b) に示す拡幅部シールド突出体のシール部を示す拡大断面図であり、(a) はＡ部拡大断面図、(b) はＢ部拡大断面図である。図７は図３に示す拡幅部カッタヘッド部分でのコピーカットの一例を示す正面図、図８(a) (b) は、図４に示す拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドの他の例を示す正面図、図９は図５(b) に示す状態で掘削したトンネルにセグメントを組む拡幅部エレクタの正面図である。なお、この実施形態では、送泥管と排泥管を備えた泥水排土方式の排泥機構を具備した拡幅シールド掘進機を例に説明するが、土圧排土方式の場合にはスクリューコンベヤが設けられる。

図１，２に示すように、この実施形態の拡幅シールド掘進機１は、円形断面の前部シールド機２と拡幅部シールド機３と後部シールド機４とで構成されており、これらが掘進方向の前部から順に配置されている。これらのシールド機２，３，４を掘進方向に連結した状態で円形断面のトンネルを掘削することができるように構成されている。

前部シールド機２は、前部シールド本体５の前端に前部カッタヘッド６が設けられ、前部シールド本体５内に設けられたカッタ駆動機７（例えば、電動機）によって旋回駆動されている。この前部カッタヘッド６で掘削して前部チャンバ８内へ取り込んだ掘削土砂は、前部チャンバ８の上部に設けられた送泥管９から給泥して下部の排泥管１０から排土するように構成されている。これらが排泥機構を構成している。また、前部シールド本体５内には、周囲に複数の前部推進ジャッキ１１が設けられている。

この前部シールド機２の後部には前部エレクタ１２が設けられている。この前部エレクタ１２は、周囲に設けられた複数の支持ローラ１３の内側で旋回するエレクタドラム１４とともに旋回して全周のセグメント１５を組立てるように構成されている。

さらに、前部シールド本体５の後部には前部テールシール１６が設けられており、その内周側には収納ゲート連結材１７が設けられている。この収納ゲート連結材１７の前端は前部シールド本体５の後部に着脱可能に固定されている。収納ゲート連結材１７の内側には、前記前部推進ジャッキ１１の掘削反力を受ける前部反力受け１８が設けられている。この前部反力受け１８は、前部推進ジャッキ１１の掘削反力を前記拡幅部シールド機３で受けることができるように、シールド中心に向けて円盤状に形成されている。この前部反力受け１８の前部シールド機用後部壁面１９で、拡幅部シールド機３に掘削反力を受けている。

このように前部シールド本体５の後部に設けた前部テールシール１６の内周に収納部ゲート連結材１７を設けることにより、後述するように収納部ゲート連結材１７を切り離して前部シールド機２のみで掘進する時に、当初から前部テールシール１６によって安定したシール性を発揮することができる。

また、前記後部シールド機４と拡幅部シールド機３とを通過してこの前部シールド機２にセグメント１５を搬送するためのセグメント搬送ホイスト２０が掘進方向（軸方向）に設けられている。このセグメント搬送ホイスト２０は、後述するように、前部シールド機２のみを掘進させる時に拡幅部シールド機３との間に組むセグメント１５を搬送するためのものである。

図３に示すように、前部カッタヘッド６には、放射状に配置された複数のカッタフレーム２１と、このカッタフレーム２１の外周部を連結するカッタリング２２とが設けられている。これらのカッタフレーム２１の側部には土砂取込み口２３が設けられており、この土砂取込み口２３の部分に多数のカッタビット２４が設けられている。

また、複数のカッタフレーム２１には、前記カッタリング２２から半径方向に突出してトンネルを部分的に拡大掘削するための前部コピーカッタ２５が設けられている。この前部コピーカッタ２５が前部カッタヘッド６に設けられた余掘り機構である。

図１，２に示すように、前記拡幅部シールド機３は、この状態ではその外周をカバーする収納部ゲート２６によって周囲が覆われている。この収納部ゲート２６の前部は前記前部シールド機２の収納部ゲート連結材１７に連結されており、これら収納部ゲート２６と収納部ゲート連結材１７とは一体的に構成されている。これにより、この収納部ゲート２６の前部は前記前部シールド機２に設けられた収納部ゲート連結材１７の外周に位置する前部テールシール１６によってシールされている。

また、この収納部ゲート２６の後部は前記後部シールド機４の前端部外周に位置し、この収納部ゲート２６の内周に設けられたシール部材２７によって後部シールド機４との間がシールされている。

このような収納部ゲート２６を拡幅部シールド機３の外周に設けることにより、前部シールド機２と拡幅部シールド機３と後部シールド機４とで一体的に掘削する時に拡幅部シールド機３の周囲をカバーするとともに、シール１６，２７によって収納部ゲート２６の前部と後部とから拡幅部シールド機３内に土砂や泥水が浸入するのを防止している。

図４に示すように、この拡幅部シールド機３は、その外周に設けられた収納部ゲート２６の内側に拡幅部シールド本体２８が設けられており、この拡幅部シールド本体２８には、図示する上下に開口部２９を備えた収納部３０が設けられている。これらの開口部２９は、収納部３０に収納した拡幅部カッタヘッド３１を有する拡幅部シールド突出体３２を拡幅部シールド本体２８の内部から突出させるための開口である。

この実施形態では、前記拡幅部シールド突出体３２を拡幅部シールド本体２８の中心から上下対称方向に突出させるように構成されており、図示する中心から左上向き約３０°と左下向き約３０°に向けて拡幅部シールド突出体３２を突出させるように構成されている。

図１には図４の下側に示す拡幅部シールド突出体３２を示している。この拡幅部シールド突出体３２には、前記拡幅部カッタヘッド３１を前部に設けた突出体本体３３と、拡幅部カッタヘッド３１を旋回させる拡幅部カッタ駆動機３４（例えば、電動機）とが設けられている。また、この拡幅部カッタヘッド３１で掘削して拡幅部チャンバ３５内へ取り込んだ掘削土砂は、拡幅部チャンバ３５の上部に設けられた送泥管３６から給泥して下部の排泥管３７から排土するように構成されている。

また、前記拡幅部シールド本体２８内には、周囲に複数の拡幅部ジャッキ３８が設けられている。この拡幅部推進ジャッキ３８は、図１に示す状態では、拡幅部シールド突出体３２の突出に支障のない範囲に設けられており、拡幅後、全数の推進ジャッキが取付けられる。この拡幅部推進ジャッキ３８としては、後述するように、後部シールド機４による施工完了後、後部シールド機４の後部推進ジャッキを転用して全数をセットしてもよい。

この拡幅部推進ジャッキ３８の後端は、拡幅部シールド本体２８の後端部内側に設けられた拡幅部反力受け３９に接している。図２に示すように、この拡幅部反力受け３９と拡幅部シールド本体２８との間には、拡幅部シールド機３での掘進時に用いる拡幅部テールシール４０が設けられている。なお、拡幅部シールド突出体３２と拡幅部シールド本体２８との間のスライド部における拡幅部テールシール４０は、拡幅部シールド突出体３２を突出させて拡幅した後に取付けられる。

このように拡幅部テールシール４０を拡幅部反力受け３９の外周に設けることにより、後述するように後部シールド機４を残して拡幅部シールド機３を掘進させる時に、当初から拡幅部テールシール４０によって安定したシール性を発揮することができる。

この拡幅部シールド機３の後部には、拡幅部エレクタ４１が設けられている。この拡幅部エレクタ４１は、図１に示す状態は分解された状態であり、拡幅部シールド突出体３２を突出させて拡幅部カッタヘッド３１で掘削する状態にした後に組立てられる。この拡幅部エレクタ４１は、後述するように、拡幅部カッタヘッド３１で掘削する異形断面の全周にセグメント４２を組むことができる多関節式エレクタで構成されている。

図４に示すように、このような拡幅部シールド突出体３２を開口部２９から掘進方向に直交する方向に突出させる構成としては、拡幅部シールド突出体３２がスライドするように拡幅部シールド突出体３２の側面が平行な壁面に形成され、この壁面に沿って拡幅部シールド突出体３２をスライドさせる突出ジャッキ４３が拡幅部シールド本体２８内に設けられている。

この突出ジャッキ４３は、拡幅部シールド突出体３２を掘削方向に直交する方向に突出させることができる力を有するものが用いられる。この例では、拡幅部シールド突出体３２を段階的に所定ストロークで突出させるように、所定高さの支持台４４を拡幅部シールド本体２８との間に挿入して突出ジャッキ４３で所定量ずつ突出させるように構成されている。

この突出ジャッキ４３によれば、図５(a) に示すように、拡幅部カッタヘッド３１の端部を拡幅部シールド機３の最外周よりも内側に収納した状態から、(b) に示すように、突出体本体３２の外面が拡幅部シールド本体２８の外面と滑らかに連続するような状態まで突出させることができる。

また、図４に示すように、この拡幅部シールド突出体３２には、突出させる時に、この拡幅部シールド突出体３２と前部シールド機２及び後部シールド機４との間で水密状態を保つ拡幅部シール４５が設けられている。この拡幅部シール４５は、拡幅部シールド突出体３２の拡幅部シールド本体中心側に設けられており、拡幅部シールド突出体３２を突出させるために収納部３０内をスライドさせている時にシール性を保つように構成されている。この拡幅部シール４５が接する前部シールド機２の後端壁面１９と後部シールド機４の前端壁面４６（図１）とは、拡幅部シール４５が接した状態で摺動することができるような平滑面に形成されている。この拡幅部シール４５によれば、図６(a),(b) に示すように、前記図５(b) に示すように拡幅部シールド突出体３２を突出させた状態で、前部シールド機２と後部シールド機４との間でシール性を保つことができる。

さらに、前記拡幅部シールド突出体３２とともに拡幅部シールド本体２８から突出する拡幅部カッタヘッド３１も、放射状に配置された複数のカッタフレーム４７とこのカッタフレーム４７の外周を連結するカッタリング４８とから形成されている。これらのカッタフレーム４７の側部には土砂取込み口４９が設けられており、この土砂取込み口４９の部分に複数のカッタビット５０が設けられている。また、このカッタフレーム４７にも、前記カッタリング４８から半径方向に突出して部分的に拡大掘削するための拡幅部コピーカッタ５１が設けられている。この拡幅部コピーカッタ５１が拡幅部カッタヘッド３１に設けられた余掘り機構である。

また、図７に示すように、前記拡幅部カッタヘッド３１は拡幅部1箇所毎に１個の円形カッタヘッド３１で回転掘削を行なっているので、１個の拡幅部カッタヘッド３１で拡幅部シールド突出体３２の前面を全て掘削することができない。そこで、図示するように、前部カッタヘッド６のコピーカッタ２５によるコピーカットと、拡幅部カッタヘッド３１のコピーカッタ５１によるコピーカットとを組合わせることにより、これらによる掘削断面が拡幅部シールド突出体３２の前面を掘削できるようにしている。

なお、この実施形態では、前部カッタヘッド６の左側上下から拡幅部カッタヘッド３１を突出させてトンネルを掘削することにより、円形断面のトンネルから上下に部分的に拡幅させたＤ形断面のトンネルを掘削する例を示しているが、この掘削断面は一例であり、１箇所のみを拡幅部カッタヘッド３１で掘削したトンネルや複数箇所で拡幅部カッタヘッド３１を突出させて異形断面のトンネルを掘削してもよく、掘削断面はＤ形に限定されるものではない。

なお、これらの図では２機の拡幅部シールド突出体３２を例に説明しているが、この拡幅部シールド突出体３２は、２機以外に（例えば、１機，４機）とすることも可能であり、例えば、４機設けて前部シールド機２の上下左右の４角から拡幅部カッタヘッド３１を突出させれば矩形断面を掘削することもできる。この場合、拡幅部シールド機３の前後軸方向に複数の拡幅部シールド突出体３２をずらして設けることにより可能である。

さらに、図８に示すように、前記拡幅部カッタヘッドの他の例としては、(a) に示すように、前記拡幅部カッタヘッド３１の側部に小径の拡幅部副カッタヘッド５２を設け、拡幅部1箇所毎にこれら円形のカッタヘッド３１，５２を複数組合せて回転掘削を行なったり、(b) に示すように、拡幅部1箇所毎に扇形の揺動カッタヘッド５３を設けて揺動掘削するようにしてもよい。この揺動カッタヘッド５３は、１点鎖線で示す駆動モータ５４を回転させることにより、リンク５５で揺動カッタヘッド５３を同一面内で揺動回転させて掘削するように構成されている。

なお、これらの例は一例であり、拡幅部１箇所毎に円形のカッタヘッドによる回転掘削と円形や扇形のカッタヘッドによる揺動回転掘削とを組合せても、他の形式であってもよく、拡幅部カッタヘッド３１の形状や掘削形式は前記した例に限定されるものではない。

図９に示す拡幅部エレクタ４１は、拡幅部シールド機３の拡幅部シールド突出体３２を突出させた後に組立てられた状態の拡幅部エレクタ４１を示している。図示するように、この拡幅部エレクタ４１は、前記拡幅部カッタヘッド３１を突出させて掘削した異形断面の全周にセグメント４２を組むことができるような多関節エレクタで構成されている。この拡幅部エレクタ４１は、拡幅部シールド本体２８の周方向に設けられた複数の支持ローラ５６の内側で旋回するエレクタドラム５７とともに旋回して全周のセグメント４２を組立てるように構成されている。

この拡幅部エレクタ４１は、エレクタドラム５７に軸支されたスイングアーム５８と、このスイングアーム５８を揺動させるブームジャッキ５９と、スイングアーム５８の先端に設けられたセグメント把持機６０と、このセグメント把持機６０の姿勢を制御する揺動フレーム６１と、この揺動フレーム６１を揺動させるスイングジャッキ６２とから構成されている。このように構成された多関節の拡幅部エレクタ４１によれば、前記したように拡幅部カッタヘッド３１で掘削した断面がＤ形断面であったとしても、エレクタドラム５７の旋回と、ブームジャッキ５９とスイングジャッキ６２とによるセグメント把持機６０の姿勢制御によって、全周のセグメント４２を順次組立てることができる。なお、図示する拡幅部エレクタ４１は一例であり、異形断面の全周にセグメント４２を組むことができるようなエレクタであれば、他の構成であってもよい。

図１，２に示すように、前記後部シールド機４は、後部シールド本体６３の前部壁面４６が前記拡幅部シールド機３の拡幅部反力受け３９からの掘削反力を受けるとともに、前記したように拡幅部シール４５が摺動する時にシール性を保つことができる平滑面に形成されている。

また、この前部壁面４６の後部には、拡幅シールド掘進機１を全体で掘進させる時の掘削反力をセグメント６４に取る後部推進ジャッキ６５が周方向に複数本設けられている。

この後部推進ジャッキ６５の内側には後部エレクタ６６が設けられている。この後部エレクタ６６も、周方向に設けられたリング状の内側に設けられた複数の支持ローラ６７の内側で旋回するエレクタドラム６８とともに旋回して全周のセグメント６４を組むことができるように構成されている。この後部エレクタ６６は、セグメントフィーダ６９によって搬送されてきたセグメント６４を把持し、周方向に旋回して所定位置に組込むように制御される。

この後部シールド本体６３の後端部内側には、後部エレクタ６６で組んだセグメント６４の外周に接する後部テールシール７０が設けられている。

このように、前部シールド機２、拡幅部シールド機３、後部シールド機４には各々推進ジャッキ１１，３８，６５、エレクタ１２，４１，６６、テールシール１６，４０，７０等が装備されている。

図１０は図１に示す拡幅シールド掘進機で拡幅部を掘削する前の状態を示す断面図であり、図１１は図１０に示す状態から拡幅部を掘削する工程を示す図面で、(a) は拡幅部を掘削する準備をする状態の断面図であり、(b) は拡幅部カッタヘッドを突出して拡幅部の掘削を開始した状態の断面図である。図１２は図１１に示す拡幅部を掘削する工程の次工程を示す図面で、(a) は図１１(b) に示す状態から更に拡幅部カッタヘッドを突出させた状態の断面図であり、(b) は更に拡幅部カッタヘッドを突出させた状態の断面図である。図１３は図１２に示す拡幅部を掘削する工程の次工程を示す図面で、(a) は拡幅部カッタヘッドの突出が完了して拡幅部の掘削を開始する状態の断面図であり、(b) は拡幅部を掘削した後に円形トンネルを掘削する状態の断面図である。以下、これらの図面に基づいて、前述した拡幅シールド掘進機１によって拡幅トンネルを掘削する手順の一例を説明する。なお、以下の説明では全体的な動作を説明し、エレクタ等の各構成の詳細な動作は省略して説明する。また、前部シールド機２と拡幅部シールド機３と後部シールド機４とによる単円掘削時を第一ステップ、前部シールド機２と拡幅部シールド機３とによる拡幅掘削時を第二ステップ、前部シールド機２による単円掘削時を第三ステップとして説明する。

まず、図１０に示すように、第一ステップの単円部掘進時には、前部シールド機２の前部カッタヘッド６で掘削し、後部シールド機４の後部推進ジャッキ６５で前部シールド機２と拡幅部シールド機３と後部シールド機４とを一体的に掘進させる。この時には、前部シールド機２に設けられた排泥機構によって掘削土砂が排出される。また、この掘削区間におけるセグメント６４の組立は、後部エレクタ６６によって行われる。この第一ステップの単円部掘進時には、拡幅部シールド機３の外周は前部シールド機２に連結されている収納部ゲート２６によってカバーされている。

そして、拡幅トンネルＴ２を形成する地点の所定距離手前に前部シールド機２が達したら、図１１(a) に示すように、前部シールド機２の前部カッタヘッド６に設けられた前部コピーカッタ２５を拡幅部となる箇所で突出させて拡幅余掘り部Ｃを事前にコピーカットする。この時、前部シールド機２の前部推進ジャッキ１１を伸長させることによって前部シールド機２のみを掘進させることにより、この前部シールド本体５に固定された収納ゲート連結材１７（図１，２）によって収納部ゲート２６も一体的に前進させられるので、前部シールド機２の掘進とともに拡幅部シールド機３の外周をカバーしている収納部ゲート２６が前進して開放させられる。この掘進量としては、収納部ゲート２６を開状態にできるストローク分（例えば、１０ｍ程度）掘進させられる。

また、このように前部シールド機２のみを掘進させる時の反力は、前部反力受け１８から拡幅部シールド機３と後部推進ジャッキ６５とを介してセグメント６４で受けられる。この時には、前部シールド機２に設けられた送泥管９，排泥管１０からなる排泥機構（図１）によって掘削土砂が排出され、前部シールド機２の前部エレクタ１２によって拡幅部シールド機３との間にセグメント１５が組立てられる。

このようにして拡幅部シールド機３の周囲をカバーしている収納部ゲート２６を開けることにより、拡幅部シールド機３の拡幅部シールド本体２８の外側を開放して突出させることができる状態にする。

次に、図１１(b) に示すように、収納部ゲート２６が開放させられた部分から拡幅部シールド機３の拡幅部シールド突出体３２を突出させる。この拡幅部シールド突出体３２を突出させることにより、この拡幅部シールド突出体３２の前部に設けられた拡幅部カッタヘッド３１も突出させられる。この拡幅部カッタヘッド３１の突出量としては、拡幅トンネルＴ２の拡幅量が大きい場合は、掘削する部分の地盤安定を考慮して、掘進しながら段階的に拡幅が進められる。

この段階的な拡幅としては、図１２(a),(b) に示すように、前記図１１(b) で所定量拡幅した後、拡幅部シールド突出体３２をさらに所定量突出させることにより行われる。この段階的に拡幅する方法としては、前述した図４に示すように、所定ストロークの突出ジャッキ４３によって支持台４４を介して拡幅部カッタヘッド３１を徐々に突出させればよい。この例では、前述した図５(a),(b) に示すように、拡幅部カッタヘッド３１を収納部３０の壁面に沿って平行に突出させるように、突出ジャッキ４３の伸長量が制御される。なお、拡幅量が小さい場合には、一度に拡幅させてもよい。

また、この拡幅部シールド突出体３２を突出させる時には、拡幅部シールド突出体３２と前部シールド機２と後部シールド機４との間に設けられた拡幅部シール４５によってシール性が保たれた状態で突出させられるので、拡幅部シールド本体２８内は常圧の状態で作業することができる。

さらに、このように拡幅部シールド突出体３２を突出させる時には、その突出部分が、前部シールド機２のコピーカッタ２５のみか、拡幅部シールド機３のコピーカッタ５１のみか、または両方のコピーカッタ２５，５１の組合せでコピーカットされる。

そして、図１３(a) に示すように、拡幅部シールド突出体３２を所定量突出させることが完了したら、その地点で拡幅部シールド突出体３２と拡幅部シールド本体２８とを溶接等により固定し、拡幅部シールド本体２８を前部反力受け１８にボルトや溶接等で固定して一体化する。

また、このように拡幅部シールド突出体３２を突出させて拡幅部カッタヘッド３１を所定位置固定した段階で、拡幅部シールド機用の内装部品の拡幅部エレクタ４１や拡幅部推進ジャッキ３８等が使用可能な状態に組立てられる。この拡幅部エレクタ４１としては、拡幅トンネルＴ２を掘削する地点で撤去される後部シールド機４に設けられている後部エレクタ６６が利用可能であれば転用してもよい。また、拡幅部推進ジャッキ３８も、予め全数の拡幅部推進ジャッキ３８を設けておくのではなく、前記したように一部の拡幅部推進ジャッキ３８を設けておき、後部シールド機４で分解した後部推進ジャッキ６５を拡幅部推進ジャッキ３８として転用してもよい。その他、拡幅部カッタヘッド３１等を突出させる時に使用したジャッキ等の仮説部品の撤去が行われ、拡幅部シールド機３が完成させられる。つまり、拡幅部カッタヘッド３１が突出した状態で固定される。

このようにして拡幅部シールド機３を完成させた後、図１３(b) に示すように、後部シールド機４を切り離し、この拡幅部シールド機３と前部シールド機２とを一体的に拡幅部シールド機３で掘進させて拡幅区間Ｌを掘削する。この掘削が第二ステップの拡幅掘削である。この掘進としては、前部シールド機２の前部カッタヘッド６と拡幅部シールド機３の拡幅部カッタヘッド３１とで掘削し、拡幅部シールド機３の拡幅部推進ジャッキ３８によって拡幅部反力受け３９を介して後部シールド機４に掘削反力を取って前部シールド機２と拡幅部シールド機３とを同時に掘進させる。この時には、前部シールド機２に設けられた送泥管９，排泥管１０からなる排泥機構と拡幅部シールド機３に設けられた送泥管３６，排泥管３７からなる排泥機構（図１）とによって掘削土砂が排出される。

また、この拡幅区間Ｌにおけるセグメント４２の組立は、拡幅部シールド３に設けられた拡幅部エレクタ４１によって行われる。

このようにして拡幅区間Ｌの掘進が完了した後は、前部シールド機２から収納部ゲート連結材１７を切り離して、前部シールド機２と拡幅部シールド機３との連結を解除する。この時、前記収納部ゲート２６は前部シールド機２のテール部に取付けた収納部ゲート連結材１７と連結されているので、拡幅が完了した後に前部シールド機２のテール部から収納部ゲート連結材１７を切り離すことによって拡幅部シールド機３の切り離しを容易に行って円形トンネルＴ３の掘削へと迅速に移行することができる。

そして、その後は、単体となった前部シールド機２単独で単円形トンネルＴ３を掘削する。この掘削が第三ステップの単円掘削である。この前部シールド機２は単独で掘進できるように前部推進ジャッキ１１や前部エレクタ１２等が予め備えられているので、前記拡幅部シールド機３で掘削した拡幅トンネルＴ２に連続して単円形トンネルＴ３を掘削することができる。この円形トンネルＴ３の掘削としては、前部シールド機２の前部カッタヘッド６で掘削し、前部推進ジャッキ１１でセグメント１５に掘削反力を取り、送泥管９，排泥管１０からなる排泥機構で掘削土砂を排出して、前部エレクタ１２でセグメント１５を組立てて掘進する。

したがって、前記したように構成された拡幅シールド掘進機１によれば、単円形断面のトンネル掘進時には拡幅部カッタヘッド３１を備えた拡幅部シールド突出体３２は拡幅部シールド機３の内部に収納して外部を開放可能な収納部ゲート２６でカバーしておき、拡幅トンネルＴ２を掘削する時に収納部ゲート２６を開放した後、拡幅部シールド突出体３２を突出させることで拡幅トンネルＴ２を構築することができるので、地盤改良などの土木工事を行うことなく、拡幅シールド掘進機１の内部で油圧ジャッキ等を操作することによって円形トンネルＴ１から拡幅トンネルＴ２へと連続したトンネルを構築することができる。

つまり、前記拡幅シールド掘進機１によれば、前部シールド機２と拡幅部シールド機３と後部シールド機４とを組合せた１台によって、円形トンネルＴ１を掘削し、拡幅部の前部で後部シールド機４を切り離して前部シールド機２と拡幅部シールド機３とによって拡幅部を有する拡幅トンネルＴ２とを掘進でき、さらに、拡幅部の掘削が完了すると、拡幅部シールド機３を切り離して前部シールド機２のみで円形トンネルＴ３を連続して掘削することができ、単円形トンネルＴ１〜拡幅トンネルＴ２〜単円形トンネルＴ３へと、断面が３段階で変化するトンネルを連続して掘削することができる。

しかも、拡幅部シールド突出体３２は突出時に拡幅部シール４５によってシールされた状態が保たれたまま突出されるので、拡幅シールド掘進機１の内部は大気圧下で拡幅させることができ、作業性よく行うことができる。

図１４は図１に示す拡幅シールド掘進機で掘削する拡幅トンネル断面の一例を示す図面であり、(a) は正面図、(b) は模式的な斜視図である。この例は、直径の異なる拡幅シールド掘進機１，１０１によって本線道路（図の右側）とランプ部道路（図の左側）とを掘削し、これらを連結することにより一体化したランプ部の道路を形成する一例を示している。

図示するように、前述した拡幅シールド掘進機１によって、拡幅部カッタヘッド３１を拡幅部シールド機３の内部に収納した状態では単円のトンネルを掘削し（図示する前部カッタヘッド６のみによる掘削）、ランプ部の手前から収納部ゲート２６を開けて拡幅部カッタヘッド３１を突出させて上下を部分的に拡幅させることにより、円形断面のトンネルから上下に部分的に拡幅させたＤ形断面の拡幅トンネルＴ２（図の右側）を掘削することができるので、ランプ部のトンネルを掘削する拡幅シールド掘進機１０１によってＤ形断面の垂直部が沿うように逆向きのＤ形断面の拡幅トンネルＴ２（図の左側）を沿うように掘削することにより、Ｄ形断面のトンネルが横方向に並設されたトンネルを掘削することができる。

そして、このように掘削された拡幅トンネルＴ２は、Ｄ形断面の垂直側を連結すると、図１４(a) に一点鎖線で示すように、横長楕円形状のトンネルを形成することができるので、図１４(b) に示すように、大深度地下における道路トンネルのランプ部でも強度的にも安定したトンネルを形成することができる。

なお、前述した実施形態では道路トンネルのランプ部を例に説明したが、このように構成された拡幅シールド掘進機１によれば、拡幅部シールド機３に設けられる拡幅部カッタヘッド３１の形状や、この拡幅部カッタヘッド３１を突出させる位置、個数等を設定することにより拡幅部の断面形状を任意に設定することができるので、例えば、道路のランプ個所の施工だけでなく、道路の待避所施工用や、上下線トンネルのトンネル間連絡部の施工等にも適用できる。つまり、拡幅前の掘削断面形状が円形や矩形であったとしても、これらの外板形状にとらわれずに拡幅部の断面形状を選定することが可能であるので、任意の拡幅断面の施工が可能である。

また、前述した実施形態では、送泥管９，３６と排泥管１０，３７とを備えた泥水排土方式の排泥機構を例に説明したが、スクリュウコンベヤ排土方式等でも同様に構成することができ、排泥機構は他の方式であってもよい。

さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本願発明に係る拡幅シールド掘進機は、円形断面のトンネルから部分的に拡幅したトンネルを掘削するような場合に適用でき、拡幅部形状の設定によって複数のトンネルを合流させたり分岐させる地下トンネルのランプ部等を形成する場合に利用できる。

本願発明の一実施形態を示す拡幅シールド掘進機の縦断面図である。 図１に示す拡幅シールド掘進機の下部を拡大した断面図である。 図１に示す拡幅シールド掘進機の正面図である。 図１に示すIV−IV断面図である。 図４に示す断面位置における拡幅部シールド突出体の作動状態を示す図面であり、(a) は収納した状態の断面図、(b) は突出させた状態の断面図である。 図５(b) に示す拡幅部シールド突出体のシール部を示す拡大断面図であり、(a) はＡ部拡大断面図、(b) はＢ部拡大断面図である。 図３に示す拡幅部カッタヘッド部分でのコピーカットの一例を示す正面図である。 (a) (b) は、図４に示す拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドの他の例を示す正面図である。 図５(b) に示す状態で掘削したトンネルにセグメントを組む拡幅部エレクタの正面図である。 図１に示す拡幅シールド掘進機で拡幅部を掘削する前の状態を示す断面図である。 図１０に示す状態から拡幅部を掘削する工程を示す図面で、(a) は拡幅部を掘削する準備をする状態の断面図であり、(b) は拡幅部カッタヘッドを突出して拡幅部の掘削を開始した状態の断面図である。 図１１に示す拡幅部を掘削する工程の次工程を示す図面で、(a) は図１２(b) に示す状態から更に拡幅部カッタヘッドを突出させた状態の断面図であり、(b) は更に拡幅部カッタヘッドを突出させた状態の断面図である。 図１２に示す拡幅部を掘削する工程の次工程を示す図面で、(a) は拡幅部カッタヘッドの突出が完了して拡幅部の掘削を開始する状態の断面図であり、(b) は拡幅部を掘削した後に円形トンネルを掘削する状態の断面図である。 図１に示す拡幅シールド掘進機で掘削する拡幅トンネル断面の一例を示す図面であり、(a) は正面図、(b) は模式的な斜視図である。

符号の説明

１…拡幅シールド掘進機
２…前部シールド機
３…拡幅部シールド機
４…後部シールド機
５…前部シールド本体
６…前部カッタヘッド
７…カッタ駆動機
８…前部チャンバ
９…送泥管
１０…排泥管
１１…前部推進ジャッキ
１２…前部エレクタ
１３…支持ローラ
１４…エレクタドラム
１５…セグメント
１６…前部テールシール
１７…収納ゲート連結材
１８…前部反力受け
１９…後部壁面（前部シールド機用）
２０…セグメント搬送ホイスト
２１…カッタフレーム
２２…カッタリング
２３…土砂取込み口
２４…カッタビット
２５…前部コピーカッタ
２６…収納部ゲート
２７…シール部材
２８…拡幅部シールド本体
２９…開口部
３０…収納部
３１…拡幅部カッタヘッド
３２…拡幅部シールド突出体
３３…突出体本体
３４…拡幅部カッタ駆動機
３５…拡幅部チャンバ
３６…送泥管
３７…排泥管
３８…拡幅部推進ジャッキ
３９…拡幅部反力受け
４０…拡幅部テールシール
４１…拡幅部エレクタ
４２…拡幅部用セグメント
４３…突出ジャッキ
４４…支持台
４５…拡幅部シール
４６…前端壁面（後部シールド機用）
４７…カッタフレーム
４８…カッタリング
４９…土砂取込み口
５０…カッタビット
５１…コピーカッタ
５２…拡幅部副カッタヘッド
５３…揺動カッタヘッド
５４…駆動モータ
５５…リンク
５６…支持ローラ
５７…エレクタドラム
５８…スイングアーム
５９…ブームジャッキ
６０…セグメント把持機
６１…揺動フレーム
６２…スイングジャッキ
６３…後部シールド本体
６４…セグメント
６５…後部推進ジャッキ
６６…後部エレクタ
６７…支持ローラ
６８…エレクタドラム
６９…セグメントフィーダ
７０…後部テールシール
１０１…拡幅シールド掘進機
Ｃ…拡幅余掘り部
Ｔ１…円形トンネル
Ｔ２…拡幅トンネル
Ｔ３…円形トンネル

Claims (8)

1. 前部カッタヘッドを前面に備えた前部シールド機と、該前部シールド機の後部で前記前部カッタヘッドの掘削断面の外周部から掘進方向に直交する方向に突出して拡幅掘削する拡幅部カッタヘッドを突出可能に収納した拡幅部シールド機と、該拡幅部シールド機の後部で前記前部カッタヘッドの掘削断面にセグメントを組立てるエレクタを備えた後部シールド機とを設け、前記前部シールド機の後部に収納部ゲートを設けて前記拡幅部シールド機の外周をカバーするとともに、前記拡幅部シールド機に、前記前部シールド機のみを掘進させることによって前記収納部ゲートを前進させて前記拡幅部シールド機の外周を開放した後に該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドを掘進方向に直交する方向に突出させる突出機構と、該拡幅部カッタヘッドで掘削した土砂を排出する排泥機構とを具備させた拡幅シールド掘進機。
2. 請求項１記載の拡幅シールド掘進機において、
   前記収納部ゲートとシールド機外周との間に、該収納部ゲートで拡幅部シールド機の外周をカバーした時にシール性を保つシール部材を設けるとともに、前記拡幅部シールド機と前記前部シールド機及び後部シールド機との間に、該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドを掘進方向に直交する方向に突出させる時にシール性を保つ拡幅部シールを設けた拡幅シールド掘進機。
3. 請求項１又は請求項２記載の拡幅シールド掘進機において、
   前記前部カッタヘッドと拡幅部カッタヘッドとに余掘り機構を具備させ、該余掘り機構で前記拡幅部カッタヘッドの未掘削部を掘削できるように構成した拡幅シールド掘進機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の拡幅シールド掘進機において、
   前記拡幅部シールド機に設ける拡幅部カッタヘッドを、前記前部シールド機の外周部から異なる掘進方向に直交する方向に突出して拡幅断面を掘削する複数の拡幅部カッタヘッドで構成した拡幅シールド掘進機。
5. 請求項４記載の拡幅シールド掘進機おいて、
   前記拡幅部シールド機に設ける拡幅部カッタヘッドを、前記前部シールド機の上下対称方向に突出するように構成した拡幅シールド掘進機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の拡幅シールド掘進機において、
   前記拡幅部シールド機に、該拡幅部シールド機の拡幅部カッタヘッドで掘削した異形断面部の全周にセグメントを組むことができる１台の多関節エレクタを設けた拡幅シールド掘進機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の拡幅シールド掘進機において、
   前記前部シールド機のテール部内周に収納ゲート連結材を切離し可能に設け、該収納ゲート連結材に前記収納部ゲートの前部を連結し、該収納ゲート連結材とともに収納部ゲートを前部シールド機から切り離し可能に構成した拡幅シールド掘進機。
8. 請求項７記載の拡幅シールド掘進機おいて、
   前記収納部ゲート連結材の外周に、前記前部シールド機のテール部内周に設ける前部テールシールを位置させ、該前部テールシールで収納部ゲート連結材の外周をシールした状態で前記前部シールド機が掘進できるように構成した拡幅シールド掘進機。
   

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