JP6268523B2

JP6268523B2 - 大断面トンネルの構築方法

Info

Publication number: JP6268523B2
Application number: JP2014023392A
Authority: JP
Inventors: 松本　伸; 伸松本; 正登高橋; 潤上田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: JP2015151675A

Description

本発明は、複数本からなる小径シールドトンネルを用いて大断面トンネルを構築する際に適用される大断面トンネルの構築方法に関する。

シールド工法でトンネル掘削を行うにあたっては、トンネルの分岐合流部、典型的には本線トンネルとランプトンネルとの接合箇所における分岐合流部でトンネル断面を拡幅する必要がある。

トンネルの分岐合流部は、道路トンネルであれば、幅が２０ｍを上回る大断面となることも多く、直径が１５ｍを超えるシールドマシンも製作されるようになってきたとはいえ、分岐合流部という限られた区間をシールドマシンで全断面掘削することは現実的ではない。

このような状況下、シールドトンネルの断面を拡幅可能な技術として、ルーフシールドと呼ばれる小径のシールドトンネルを、本体のシールドトンネルにおける分岐合流部を取り囲むようにそのトンネル軸線方向に沿って複数本配置し、それらを周方向に相互連結する形で拡幅部の外殻を構築した後、該外殻の内側領域を掘削する構築工法が開発されている。

ここで、上述した外殻は、各ルーフシールド内ではそれらを貫通するように、ルーフシールド間ではそれらの隙間に延設されるように連続的に構築されるが、ルーフシールド間に外殻を構築する際には、それらの隙間に拡がる地盤を凍結や薬液注入で地盤改良することにより、周辺地盤からの土圧及び水圧を仮受けする必要がある。

特開２００７−２１７９１１号公報

しかしながら、特許文献１記載の工法では、どの断面位置でも同じ本数のルーフシールドで取り囲む構成となっているため、断面の大きさが変化すると、それに伴ってルーフシールド間の間隔も変動し、横断面積が大きい断面位置では、ルーフシールドの配置間隔が粗くなり、ルーフシールド間にはおのずと大きな隙間が発生する。

そのため、ルーフシールドの配置間隔が粗い断面位置では、土圧及び水圧を仮受けするための地盤改良工事が大がかりになるという問題を生じていた。

また、ルーフシールドが密に配置される断面位置であっても、シールド工事で一般的に行われる裏込めだけで上記箇所の止水性を確保することは困難であり、その場合にもやはり地盤改良が必要になるという問題も生じていた。

ちなみに、一般的な裏込めだけではルーフシールド間の止水性確保が難しいという上述の問題は、シールドトンネルを拡幅させる場合のみならず、複数本からなる小径シールドトンネルを用いて大断面トンネルを構築する一般的な場合にも同様に生じる。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、複数本からなる小径シールドトンネルを用いて大断面トンネルを構築する際、裏込めだけでルーフシールド間の止水性を確保することが可能な大断面トンネルの構築方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る大断面トンネルの構築方法は請求項１に記載したように、大断面トンネルの構築予定領域を取り囲むように該大断面トンネルのトンネル軸線方向に沿って複数本からなる小径シールドトンネルを延設し、該複数本の小径シールドトンネルを先受け構造体として外殻を構築した後、該外殻で囲まれた内側領域を掘削する大断面トンネルの構築方法において、
前記小径シールドトンネルのうち、前記構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線の湾曲部分に沿って互いに隣接配置される２つの小径シールドトンネルであってそれらの裏込め領域に、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出する２本の突条をトンネル軸線方向に沿ってそれぞれ設けるとともに、前記２つの角度位置のうち、湾曲中心に近い側の角度位置と前記基準角度位置とがなす角度θ₁が、湾曲中心から遠い側の角度位置と前記基準角度位置とがなす角度θ₂よりも大きくなるように、該２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続するものである。

また、本発明に係る大断面トンネルの構築方法は請求項２に記載したように、大断面トンネルの構築予定領域を取り囲むように該大断面トンネルのトンネル軸線方向に沿って複数本からなる小径シールドトンネルを延設し、該複数本の小径シールドトンネルを先受け構造体として外殻を構築した後、該外殻で囲まれた内側領域を掘削する大断面トンネルの構築方法において、
前記小径シールドトンネルのうち、前記構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線の湾曲部分に沿って互いに隣接配置される２つの小径シールドトンネルであってそれらの裏込め領域に、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出する２本の突条をトンネル軸線方向に沿ってそれぞれ設けるとともに、前記２つの裏込め領域に設けられた突条のうち、湾曲中心から遠い側の各突条が湾曲中心から近い側の各突条よりそれらの大きさ若しくは突出長さでそれぞれ大きくなるように、該２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続するものである。

また、本発明に係る大断面トンネルの構築方法は、前記大断面トンネルをシールドトンネルに形成される拡幅部、その拡幅予定領域を前記構築予定領域とするとともに、該拡幅予定領域の横断面積が最大となる断面位置を基準断面位置とし、該基準断面位置では、前記複数本からなる小径シールドトンネルが前記拡幅予定領域の横断面輪郭線に沿ってすべて配置され、前記基準断面位置よりも横断面積が小さな断面位置では、前記複数本からなる小径シールドトンネルのうち、前記基準断面位置での配置間隔とほぼ同等になるために必要な本数だけが前記横断面輪郭線に沿って配置され、残りがその背後に配置されるように該複数本からなる小径シールドトンネルを延設することで前記先受け構造体を構築するとともに、前記拡幅予定領域の横断面積が単調増加する区間においては、前記横断面輪郭線から離間した状態の小径シールドトンネルを、前記横断面輪郭線に沿って配置された小径シールドトンネルの間に形成されたスペースに進入させて前記横断面輪郭線に沿った状態へと配置変更するものである。

本発明に係る大断面トンネルの構築方法においては、小径シールドトンネルのうち、構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線の湾曲部分に沿って互いに隣接配置される２つの小径シールドトンネルであってそれらの裏込め領域に、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出する２本の突条をトンネル軸線方向に沿ってそれぞれ設けるとともに、２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続する。

このようにすると、小径シールドトンネル同士の隙間は、先端近傍同士が接続された二対の突条によって確実に閉じられ、かくして上記箇所における止水性確保を裏込めのみによって行いやすくなるとともに、地盤改良工事が別途必要になるとしても、その改良範囲や改良程度を最小限に抑えることが可能となる。

本発明が適用可能な大断面トンネルは、横断面輪郭線が円形や楕円形である場合をはじめ、横断面輪郭線の一部に湾曲部分を含む場合、例えば底部と頂部が平板で構成され、それらをつなぐ各側部が半円筒状である場合も包摂される。

一方の裏込め領域に設けられた２本の突条を他方の裏込め領域に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続するにあたり、構築予定領域の外縁が平面状、換言すれば該構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線が直線状であれば、各裏込め領域の２本の突条は、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置に沿ったラインを対称軸線として、構築予定領域に近い側と遠い側で対称とすることができるが、本願発明のように構築予定領域の外縁が曲面状、換言すれば該構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線が湾曲状であれば、湾曲中心に近い側では、対向する２つの突条の離間距離が短くなり、逆に湾曲中心から遠い側では、対向する２つの突条の離間距離が長くなる。

そのため、本発明では、
(a) ２つの角度位置のうち、湾曲中心に近い側の角度位置と基準角度位置とがなす角度θ₁が、湾曲中心から遠い側の角度位置と前記基準角度位置とがなす角度θ₂よりも大きくなるように、又は
(b) ２つの裏込め領域に設けられた突条のうち、湾曲中心から遠い側の各突条が湾曲中心から近い側の各突条よりそれらの大きさ若しくは突出長さでそれぞれ大きくなるように、
２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続するものとする。

ここで、突条は、シールドマシンで前方地山を掘削する際、側方地山に溝状凹部を切削形成し、該溝状凹部に裏込め材を充填することで構成することが可能であるが、(a)の場合においては例えば、半円状の断面を有する溝状凹部を切削可能なサイドカッターをシールドマシンに４つ設けるとともに、その４つのサイドカッターを横断面輪郭線の曲率の大きさに応じて互いの角度位置を調整しかつ全体を機軸回りに適宜旋回自在に構成すればよいため、(b)の場合よりもシールドマシン側での対応が容易となる。

本発明は、複数本からなる小径シールドトンネルを用いて大断面トンネルを構築するすべての場合に適用することが可能であって、どの断面位置でも横断面の大きさが一定である場合はもちろん、断面位置によって横断面の大きさが変化する場合、例えばシールドトンネルに拡幅部を形成する場合にも適用することができる。

シールドトンネルに拡幅部を形成するにあたり、複数本からなる小径シールドトンネルで拡幅予定領域を単に取り囲む構成では、小径シールドトンネルが粗く配置された箇所での隙間が過大になり、該箇所に本発明を適用することは難しくなるが、複数本からなる小径シールドトンネルを、拡幅予定領域の横断面積が最大となる基準断面位置では、その横断面輪郭線に沿ってすべて配置され、基準断面位置よりも横断面積が小さな断面位置では、基準断面位置での配置間隔とほぼ同等になるために必要な本数だけが横断面輪郭線に沿って配置され、残りがその背後に配置されるようにそれらを延設する場合に適用したならば、横断面輪郭線に沿った小径シールドトンネルがすべての断面位置で等ピッチで配置されるため、これに裏込め領域に関する構成を加えることで、地盤改良工事の必要性がさらに減少する。

すなわち、上記構成においては、横断面輪郭線から離間した状態からそれに沿った状態、又はその逆の状態に移ろうとする移行区間を除けば、小径シールドトンネルはわずかな隙間で互いに近接され、これら小径シールドトンネルで土圧や水圧を概ね支持することができるとともに、小径シールドトンネル同士の隙間についは、上述したように先端近傍同士が接続された二対の突条によって確実に閉じられるため、上記箇所における止水性は、裏込めのみによって実現可能となり、かくしてシールドトンネルの拡幅部を形成する際の地盤改良工事を大幅に低減することが可能となる。

このように、本発明に係る大断面トンネルの構築方法は、横断面輪郭線に沿った小径シールドトンネルをすべての断面位置で等ピッチで配置することができる構成に適用することにより、その作用がいかんなく発揮される。

拡幅部は、シールドトンネルの分岐合流部、特に本線トンネルとランプトンネルとの接合箇所における分岐合流部として形成される場合が典型例となるが、緊急避難ゾーン、非常駐車帯その他任意の目的で構築される拡幅部が包摂される。

また、拡幅部は、シールドトンネルの外側近傍に位置決めされた小径シールドマシンの発進エリアを基端側とし、該基端側から横断面積が単調増加しつつ横断面積が最大となる断面位置（基準断面位置）で終端となるようにシールドトンネルのトンネル軸線方向に沿って延びる円錐状拡幅部が典型例となるが、例えば横断面積が単調増加してから単調減少する形状であって基端側と終端側で横断面積が小さくなりそれらの中間近傍で基準断面位置となる形状でもかまわない。

この場合、拡幅予定領域の横断面積が単調減少する区間においては、横断面輪郭線に沿った状態の小径シールドトンネルのうち、任意の小径シールドトンネルを、それに隣接する小径シールドトンネルから抜け出すようにして横断面輪郭線から離間した状態へと配置変更すればよい。

拡幅部を形成するにあたり、複数本からなる小径シールドトンネルは、それぞれの断面位置における拡幅予定領域の横断面輪郭線との配置関係が上述した内容である限り、どの小径シールドトンネルをどの断面位置で横断面輪郭線から離間した状態から拡幅予定領域の横断面輪郭線に沿った状態へと配置変更し、逆にどの断面位置で拡幅予定領域の横断面輪郭線に沿った状態から横断面輪郭線から離間した状態へと配置変更し、さらにはどの小径シールドトンネルを終始一貫して拡幅予定領域の横断面輪郭線に沿った配置とするのかは任意である。

本発明の先受け構造体を仮設構造体として利用するか本設構造体として利用するかは任意であるとともに、一部を仮設構造体、それ以外を本設構造体として利用する形態も可能であり、例えば小径シールドトンネルのセグメントを本設構造体の一部として利用するようにしてもかまわない。

本実施形態に係る大断面トンネルの構築方法において、複数本の小径シールドトンネルからなる先受け構造体をそれらの中間部分を省略して描いた斜視図であって、(a)は全体斜視図、(b)は基端側に設けられた発進エリア６ａ，６ｂのうち、発進エリア６ｂだけを示した部分斜視図。小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８の配置状況を示した図であり、(a)は断面位置を示した平面図、(b)はＡ１−Ａ１、(c)はＡ２−Ａ２、(d)はＡ３−Ａ３、(e)はＡ４−Ａ４の各断面線に沿う横断面図。同じく上述した小径シールドトンネルの配置状況を示した図であり、(a)はＡ５−Ａ５、(b)はＡ６−Ａ６、(c)はＡ７−Ａ７、(d)はＡ８−Ａ８、(e)はＡ９−Ａ９、(f)はＡ１０−Ａ１０の各断面線に沿う横断面図。小径シールドトンネル４−１〜４−１８の配置状況を示した全体斜視図。小径シールドトンネル４−１〜４−１８が配置されないスペース３１に小径シールドトンネル５−１〜５−１８を進入させる様子を示した全体斜視図。第１のトンネル群である小径シールドトンネル４−１〜４−１８によって形成されたスペース３１に対し、第２のトンネル群である小径シールドトンネル５−１〜５−１８をどのように進入させるのかを示した模式図。小径シールドトンネル４−１の裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂを、小径シールドトンネル５−１の裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂにそれらの先端近傍で各々接続する様子を示した斜視図。突条７２ａ，７２ａ及び突条７２ｂ，７２ｂの接続構造と横断面輪郭線１１の曲率との関係を示した説明図。断面位置Ａ１０における裏込め領域７１の形成状況を示した横断面図。小径シールドトンネルを先受け構造体として外殻８１を構築する様子を示した断面図。一般的な大断面トンネルへの適用例を示した横断面図。

以下、本発明に係る大断面トンネルの構築方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、シールドトンネルとしての本線トンネル１をランプトンネル２と接合するための分岐合流部を設けるべく、該本線トンネルに大断面トンネルとしての拡幅部を形成する場合に本発明を適用した例であって、複数本の小径シールドトンネルからなる先受け構造体をそれらの中間部分を省略し基端側と終端側だけを示した全体斜視図である。

同図に示すように、本実施形態に係る大断面トンネルの構築方法は、まず、掘削後に拡幅部となる構築予定領域としての拡幅予定領域３を取り囲むように本線トンネル１のトンネル軸線方向に沿って計３６本からなる小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８を先行構築する。

これら３６本の小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、拡幅予定領域３の掘削前に必要となる外殻（後述）を構築する際の先受け構造体となる。

本線トンネル１の外側近傍には、そのトンネル軸線方向に沿って互いに離間するように２つの発進エリア６ａ，６ｂをそれぞれ設けてあり、小径シールドトンネル４−１〜４−１８は発進エリア６ａから、小径シールドトンネル５−１〜５−１８は発進エリア６ｂからそれぞれ発進する小径シールドマシンによって構築される。

発進エリア６ａ，６ｂはそれぞれ、本線トンネル１の覆工セグメント（図示せず）を内側から一部切り開いて円周トンネル掘削機を挿入設置し、該円周トンネル掘削機で本線トンネル１の外側に拡がる周辺地盤を矩形断面の環状空間が形成されるように掘削形成した後、残りの覆工セグメントを切り開いて環状のトレンチとして露出させて構成することが可能であり、該環状のトレンチから小径シールドマシンを発進させることができる。

拡幅予定領域３を掘削除去することで形成される拡幅部は、本実施形態では、発進エリア６ａ，６ｂが設けられた基端側からランプトンネル２が接合される終端側に向けて横断面積が単調増加する円錐状拡幅部となっており、終端となる断面位置では、横断面積が最大となる。以下、この断面位置を基準断面位置と呼ぶ。

ここで、図１では、図面の便宜上、上述したように中間部分を省略して描いてあるが、発進エリア６ａから延びる計１８本の小径シールドトンネル４−１〜４−１８は、終端ではランプトンネル２の側、図１では左半分に到達し、発進エリア６ｂから延びる計１８本の小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、本線トンネル１の側、図１では右半分に到達する。

小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８は図２及び図３の断面図で示すように、基準断面位置（図３(f)）では、拡幅予定領域３の横断面輪郭線１１に沿って全て配置され、基準断面位置よりも横断面積が小さな断面位置（図２(b)〜図３(e)）では、基準断面位置での配置間隔とほぼ同等になるために必要な本数だけ横断面輪郭線１１に沿って配置され、残りがその背後に配置してある。

具体的に説明すると、小径シールドトンネル４−１〜４−１８は、図２及び図３に第１のトンネル群としてハッチングを施したことからもわかる通り、すべての断面位置で横断面輪郭線１１に沿った配置となるように、互いに隣接されながら基端側である発進エリア６ａから基準断面位置に向けて延設される一方、基準断面位置が近づくにつれて横断面輪郭線１１の周長が徐々に長くなる分、本線トンネル１の側には図４に示すように、小径シールドトンネル４−１〜４−１８が配置されないスペース３１が形成される。

一方、小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、図２及び図３に第２のトンネル群として白抜きで描いたことからもわかる通り、横断面輪郭線１１から離間した状態から該横断面輪郭線に沿った状態へと配置変更されるように、横断面輪郭線１１に沿った小径シールドトンネルに次々に進入させる形で上述のスペース３１に向けて延設される。

図５(a)は、小径シールドトンネル５−１〜５−３の３本が、同図(b)はさらに小径シールドトンネル５−４〜５−５が、同図(c)はさらに小径シールドトンネル５−６〜５−８がそれぞれ発進エリア６ｂからスペース３１に向けて延設される様子を示したものであり、上述した図４にも、１８本の小径シールドトンネル４−１〜４−１８に加えて、小径シールドトンネル５−１がスペース３１に向けて延設される様子を併せて描いてある。

図６は、第１のトンネル群である小径シールドトンネル４−１〜４−１８によって形成されたスペース３１に対し、第２のトンネル群である小径シールドトンネル５−１〜５−１８がどのように延設されるのかを、スペース３１への進入位置とともに示した模式図であり、図２及び図３において、それらの右方向を０゜、反時計回りを正としたとき、±１８０゜となる側で切り開いてこれを０゜側から見た外周展開図として描いていある。

ここで、同図(a)は小径シールドトンネル４−１〜４−１８だけを、同図(b)は小径シールドトンネル５−１〜５−１８だけを描いてあり、同図(b)においては、横断面輪郭線１１から離間した配置状態を実線で、横断面輪郭線１１に沿った配置状態を破線でそれぞれ示してあるとともに、スペース３１への進入位置を黒丸で示してある。

同図(a)でわかるように、小径シールドトンネル４−１〜４−９は、０゜から１８０゜の範囲で発進エリア６ａから延設され、９０゜から１８０゜の範囲で基準断面位置に到達し、小径シールドトンネル４−１８〜４−１０は、０゜から−１８０゜の範囲で発進エリア６ａから延設され、−９０゜から−１８０゜の範囲で基準断面位置に到達する。

一方、これらによって形成されたスペース３１に対し、小径シールドトンネル５−１は同図(b)に示すように、断面位置Ａ１を過ぎたところでスペース３１に進入する、すなわち横断面輪郭線１１から離間した状態から横断面輪郭線１１に沿った状態へと配置変更され、その後、小径シールドトンネル４−１に寄り添うように基準断面位置まで延設される。

また、小径シールドトンネル５−２は、発進エリア６ｂから小径シールドトンネル５−１とその上方で交差するように延設され、断面位置Ａ２を過ぎたところでスペース３１に進入し、その後、小径シールドトンネル５−１に寄り添うように基準断面位置まで延設され、小径シールドトンネル５−３は、小径シールドトンネル５−１，５−２とその上方で交差するように延設された後、断面位置Ａ３を過ぎたところでスペース３１に進入し、その後、小径シールドトンネル５−２に寄り添うように基準断面位置まで延設され、以下、小径シールドトンネル５−９まで同様に延設される。

小径シールドトンネル５−１８〜５−１０についても同様であるが、０゜方向から見たときに小径シールドトンネル５−１〜５−９と上下が対称となる点を除き、該小径シールドトンネルと概ね同様に配置されるので、ここではその説明を省略する。

このように、小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、スペース３１への進入による配置変更が行われる位置を、本線トンネル１のトンネル軸線に沿って基端側から終端側にかけて順次シフトさせつつ、５−１と５−１８、５−２と５−１７、５−３と５−１６という具合に２本ずつまとめてスペース３１に進入し、基準断面位置まで延設される。

なお、小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、基本的には任意の順序で構築することが可能であり、例えば小径シールドトンネル４−１〜４−１８を先行して延設した後、小径シールドトンネル５−１〜５−１８を、それらのスペース３１への進入位置が基端側に近いものから順次、上述の実施形態であれば、５−１，５−１８から開始して５−９，５−１０まで順次延設するようにしてもかまわないし、逆に進入位置が終端側に近いものから順次、上述の実施形態であれば、５−９，５−１０から開始して５−１，５−１８まで順次延設するようにしてもかまわない。

前者の場合、小径シールドトンネル５−１〜５−１８は、横断面輪郭線１１に沿って先行配置された分を乗り越えながら、それらの間に割り込む形でスペース３１に進入し、後者の場合においては、横断面輪郭線１１に沿って先行配置された分をくぐり抜けるようにしながら、該先行配置分に寄り添わせるようにしてスペース３１に進入することになる。

小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８を延設するにあたっては、横断面輪郭線１１に沿って互いに隣接配置された２つの小径シールドトンネル、例えば基準断面位置における小径シールドトンネル４−２，４−１においては、図７に示すように小径シールドトンネル４−２の裏込め領域７１に、小径シールドトンネル４−１との離間距離が最短となる角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出した２本の突条７２ａ，７２ｂをトンネル軸線方向に沿って設けるとともに、小径シールドトンネル４−１の裏込め領域７１に、小径シールドトンネル４−２との離間距離が最短となる角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出した２本の突条７２ａ，７２ｂをトンネル軸線方向に沿って設け、小径シールドトンネル４−２の裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂを、小径シールドトンネル４−１の裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂにそれらの先端近傍で各々接続する。

小径シールドトンネル４−１の反対側では、上述したと同様、その裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂを、小径シールドトンネル５−１の裏込め領域７１に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂにそれらの先端近傍で各々接続し、以下、同様にして横断面輪郭線１１に沿って互いに隣接配置された２つの小径シールドトンネルを上述したように構成する。

突条７２ａ，７２ｂは図７でわかる通り、隣接する小径シールドトンネルに対向するよう、左右に２つずつ、計４つが各小径シールドトンネルに設けられるが、横断面輪郭線１１が仮に直線状の場合、裏込め領域７１の突条７２ａ，７２ｂは、図８(a)に示すように、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる角度位置に対し、それぞれの角度位置がなす角度θ₁、θ₂を、
θ₁＝θ₂
とすれば足りるが、本実施形態のように横断面輪郭線１１が湾曲状になっている場合、湾曲中心に近い側、すなわち拡幅予定領域３の側では、対向する２つの突条７２ｂ，７２ｂの離間距離が短くなり、逆に湾曲中心から遠い側では、対向する２つの突条７２ａ，７２ａの離間距離が長くなるため、２つの突条７２ａ，７２ａは、同図(b)に示すように互いに接続されない状態となる。

そのため、本実施形態では、同図(c)に示すように、基準角度位置に対し、湾曲中心に近い側の角度位置がなす角度θ₁を、同じく湾曲中心から遠い側の角度位置がなす角度θ₂よりも大きくする、すなわち、
θ₁＞θ₂
とした状態で、２つの裏込め領域７１，７１のうち、一方に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂを他方に設けられた２本の突条７２ａ，７２ｂにそれらの先端近傍で各々接続する。

ここで、θ₁とθ₂の上記関係は、隣接する２つの小径シールドトンネル間に注目した定義となるが、これを各小径シールドトンネルごとに見た場合、同図(d)に示したように、突条７２ａ，７２ａが突設された角度位置がなす角度αと突条７２ｂ，７２ｂが突設された角度位置がなす角度βで置き換えることが可能であり、この場合には、
α＞β
となる。

裏込め領域７１は例えば、筒状胴体の前方に配置されたカッターヘッドと該筒状胴体の周面から一部が突出するように配置され機軸回りに旋回自在に構成された４つのサイドカッターとを備えたシールドマシンを用いて形成することが可能であり、同シールドマシンにおいては、筒状胴体の前方に配置されたカッターヘッドで前方地山を掘削しつつ、その後端でセグメントを組み立てては該セグメントから反力をとって前進しながら、４つのサイドカッターで側方地山を切削して該側方地山に４つの溝状凹部をトンネル軸線に沿って形成する一方、これら掘削及び切削を行いながら、セグメントの背面に裏込め材を注入する。

このようにすれば、注入された裏込め材は、セグメントの外周面に沿って充填されるとともに４つの溝状凹部にも行き渡り、固化後は、セグメントの外周面に沿って円筒状に形成された円筒部と該円筒部から径方向に突出した外側の突条７２ａ，７２ａ及び内側の突条７２ｂ，７２ｂからなる裏込め領域７１が形成される。

また、このように先行構築された小径シールドトンネルに近接してあらたな小径シールドトンネルを掘進する際、先行する小径シールドトンネル側の突条７２ａ，７２ｂの各先端をそれぞれ一部切削しながら、あらたな小径シールドトンネルを掘進し、そのときに形成されたあらたな小径シールドトンネル側の溝状凹部に裏込め材を注入すれば、その裏込め材は、先行する小径シールドトンネル側の突条７２ａ，７２ｂと一体化した状態で固化するので、外側で対向する突条７２ａ，７２ａ及び内側で対向する突条７２ｂ，７２ｂを互いに接続することができる。

なお、例えば小径シールドトンネル４−１を例にとると、断面位置Ａ１では隣接する小径シールドトンネルが上下に位置するが（図２(b)）、終端方向に延設されるにしたがい、隣接する小径シールドトンネルの相対位置が回転し、断面位置Ａ４では、ほぼ斜め４５゜になり（図２(e)）、断面位置Ａ１０、すなわち終端では、ほぼ左右に小径シールドトンネルが隣接する（図３(f)）。

また、横断面輪郭線１１は、断面位置Ａ１では曲率が大きいが、終端側にいくほど曲率が小さくなるので、（α−β）の大きさを基端側では大きく、終端側では小さくする必要がある。

そのため、上述の例であれば、シールドマシンの進行に応じて、４つのサイドカッター相互の角度位置を調整しながら、それら全体の角度位置を機軸回りに少しずつ旋回させることで、４つの溝状凹部をトンネル軸線廻りに捩るように形成する。

このようにすれば、裏込め材が固化した後は、４つの突条７２ａ，７２ａ，７２ｂ，７２ｂがトンネル軸線廻りに同じく捩られるように形成され、図７で説明した突条７２ａ，７２ａ及び突条７２ｂ，７２ｂの先端接続構造が各断面位置で実現される。

図９は、断面位置Ａ１０における裏込め領域７１の形成状況を示したものであり、小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径５−１〜５−１８の周囲に形成された各裏込め領域７１の突条７２ａ，７２ａ，７２ｂ，７２ｂがそれらの先端で互いに一体化状態で接続されているのがわかる。

このように計３６本からなる小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８を拡幅予定領域３を取り囲むように本線トンネル１のトンネル軸線方向に沿って構築したならば、次に、これらを先受け構造体として図１０に示すように外殻８１を構築する。

図１０は、同図(a)に示すように横断面輪郭線１１から離間した状態（断面位置Ａ９）の２本の小径シールドトンネル５−９，５−１０が、同図(b)に示した移行区間を経て、同図(c)に示すように小径シールドトンネル５−８，５−１１の間に割り込むように進入し、横断面輪郭線１１に沿った状態へと配置変更されるとともに、それらの箇所で外殻８１が構築される様子を示したものである。

外殻８１は、小径シールドトンネルのセグメントを適宜切り開いて該小径シールドトンネルの内部空間を互いに連通させながら、鉄筋コンクリート躯体として適宜構築することが可能であり、特に本実施形態では、同図(b)に示した移行区間を除き、小径シールドトンネル同士が近接配置されるため、それらで土圧や水圧を概ね支持することができるとともに、小径シールドトンネル同士の隙間も、裏込め領域７１に設けられた突条７２ａ，７２ａ，７２ｂ，７２ｂの先端接続構造によってほぼ完全に閉じられるため、地盤改良を行うことなく、止水性を確保することが可能となる。

一方、同図(b)に示した移行区間だけは、小径シールドトンネル５−９，５−１０と、小径シールドトンネル５−８，５−１１との間に隙間が生じるが、この場合には、凍結や薬液注入といった地盤改良工事を適宜行えばよい。

外殻８１が構築されたならば、該外殻で囲まれた内側領域である拡幅予定領域３を掘削して拡幅部を形成し、次いで、該拡幅部に本線トンネル１とランプトンネル２の分岐合流部を構築する。

以上説明したように、本実施形態に係る大断面トンネルの構築方法によれば、拡幅予定領域３の横断面積が最大となる断面位置を基準断面位置とし、該基準断面位置では、小径シールドトンネル４−１〜４−１８及び小径シールドトンネル５−１〜５−１８が拡幅予定領域３の横断面輪郭線１１に沿って全て配置されるように、基準断面位置よりも横断面積が小さな断面位置では、それらの小径シールドトンネルのうち、基準断面位置での配置間隔とほぼ同等になるために必要な本数だけ横断面輪郭線１１に沿って配置され、残りがその背後に配置されるように上述の小径シールドトンネルを延設することで先受け構造体を構築するとともに、横断面輪郭線１１から離間した状態の小径シールドトンネル５−１〜５−１８を、該横断面輪郭線に沿って配置された小径シールドトンネル４−１〜４−１８の間に形成されたスペース３１に進入させて横断面輪郭線１１に沿った状態へと配置変更するようにしたので、拡幅予定領域３の横断面輪郭線１１に沿った本数は、どの断面位置でも配置間隔がほぼ同等になるように増減される、換言すれば、拡幅予定領域３の横断面輪郭線１１に沿った小径シールドトンネルの配置密度は、どの断面位置でもほぼ同等になる。

そのため、横断面輪郭線１１から離間した状態からそれに沿った状態に移ろうとする移行区間を除けば、小径シールドトンネルはわずかな隙間で互いに近接され、土圧や水圧を支持する機能は十分に発揮されることとなり、かくして従来のように、断面位置によってルーフシールドの配置密度にばらつきが生じ、粗く配置された断面位置では、ルーフシールド間の隙間が大きくなって土圧及び水圧を支持するための地盤改良工事が大がかりになり、凍結や薬液注入が不可欠になるといった事態は未然に回避される。

また、本実施形態に係る大断面トンネルの構築方法によれば、横断面輪郭線１１に沿った小径シールドトンネル同士の隙間は、先端近傍同士が接続された二対の突条、すなわち突条７２ａ，７２ａと突条７２ｂ，７２ｂによって確実に閉じられる。

そのため、移行区間を除けば、裏込めのみによって止水性を確保することが可能となり地盤改良工事が不要になるか、あるいは別途必要になるとしても、その改良範囲や改良程度を最小限に抑えることが可能となる。

本実施形態では特に言及しなかったが、発進エリア６ａ，６ｂを構築する時に本線トンネル１が少なくともその地点まで掘進されている必要がある以外は、本線トンネル１及びランプトンネル２の進捗状況とは無関係に各小径シールドトンネルの構築工事を進めることが可能であり、先行構築された本線トンネル１を取り囲むように各小径シールドトンネルを構築してもよいし、各小径シールドトンネルを構築した後、それらに囲まれた拡幅予定領域３に本線トンネル１が入り込むようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、シールドトンネルとしての本線トンネル１をランプトンネル２と接合するための分岐合流部を設けるべく、該本線トンネルに大断面トンネルとしての拡幅部を形成する場合に本発明を適用した例を説明したが、本発明は、複数本からなる小径シールドトンネルを用いて大断面トンネルを構築するすべての場合に適用することが可能であって、横断面の大きさが断面位置で一定の場合にももちろん適用することが可能である。

例えば、図１１に示したように、大断面トンネルの掘削予定領域９３を取り囲むように、計３６本からなる小径シールドトンネルを延設し、これらを先受け構造体として外殻８１と同様の外殻を構築し、しかる後、該外殻で囲まれた内側領域である掘削予定領域９３を掘削することにより、大断面トンネルを構築することができる。

これら小径シールドトンネルの周囲に形成された各裏込め領域には、突条７２ａ，７２ａ，７２ｂ，７２ｂと同様の突条９２ａ，９２ａ，９２ｂ，９２ｂを設けてあるとともに、掘削予定領域９３の外側で対向する突条９２ａ，９２ａ及び内側で対向する突条９２ｂ，９２ｂをそれらの先端でそれぞれ互いに接続してあるが、他の構成や作用については、上述の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。

１本線トンネル（シールドトンネル）
２ランプトンネル
３拡幅予定領域
４−１〜４−１８小径シールドトンネル
５−１〜５−１８小径シールドトンネル
６ａ，６ｂ発進エリア
１１横断面輪郭線
７１裏込め領域
７２ａ，７２ａ，７２ｂ，７２ｂ
突条
８１外殻
９２ａ，９２ａ，９２ｂ，９２ｂ
突条
９３大断面トンネルの掘削予定領域

Claims

大断面トンネルの構築予定領域を取り囲むように該大断面トンネルのトンネル軸線方向に沿って複数本からなる小径シールドトンネルを延設し、該複数本の小径シールドトンネルを先受け構造体として外殻を構築した後、該外殻で囲まれた内側領域を掘削する大断面トンネルの構築方法において、
前記小径シールドトンネルのうち、前記構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線の湾曲部分に沿って互いに隣接配置される２つの小径シールドトンネルであってそれらの裏込め領域に、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出する２本の突条をトンネル軸線方向に沿ってそれぞれ設けるとともに、前記２つの角度位置のうち、湾曲中心に近い側の角度位置と前記基準角度位置とがなす角度θ₁が、湾曲中心から遠い側の角度位置と前記基準角度位置とがなす角度θ₂よりも大きくなるように、該２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続することを特徴とする大断面トンネルの構築方法。
大断面トンネルの構築予定領域を取り囲むように該大断面トンネルのトンネル軸線方向に沿って複数本からなる小径シールドトンネルを延設し、該複数本の小径シールドトンネルを先受け構造体として外殻を構築した後、該外殻で囲まれた内側領域を掘削する大断面トンネルの構築方法において、
前記小径シールドトンネルのうち、前記構築予定領域の外縁を形成する横断面輪郭線の湾曲部分に沿って互いに隣接配置される２つの小径シールドトンネルであってそれらの裏込め領域に、隣接する小径シールドトンネルとの離間距離が最短となる基準角度位置を挟む２つの角度位置から径方向に突出する２本の突条をトンネル軸線方向に沿ってそれぞれ設けるとともに、前記２つの裏込め領域に設けられた突条のうち、湾曲中心から遠い側の各突条が湾曲中心から近い側の各突条よりそれらの大きさ若しくは突出長さでそれぞれ大きくなるように、該２つの裏込め領域のうち、一方に設けられた２本の突条を他方に設けられた２本の突条にそれらの先端近傍で各々接続することを特徴とする大断面トンネルの構築方法。
前記大断面トンネルをシールドトンネルに形成される拡幅部、その拡幅予定領域を前記構築予定領域とするとともに、該拡幅予定領域の横断面積が最大となる断面位置を基準断面位置とし、該基準断面位置では、前記複数本からなる小径シールドトンネルが前記拡幅予定領域の横断面輪郭線に沿ってすべて配置され、前記基準断面位置よりも横断面積が小さな断面位置では、前記複数本からなる小径シールドトンネルのうち、前記基準断面位置での配置間隔とほぼ同等になるために必要な本数だけが前記横断面輪郭線に沿って配置され、残りがその背後に配置されるように該複数本からなる小径シールドトンネルを延設することで前記先受け構造体を構築するとともに、前記拡幅予定領域の横断面積が単調増加する区間においては、前記横断面輪郭線から離間した状態の小径シールドトンネルを、前記横断面輪郭線に沿って配置された小径シールドトンネルの間に形成されたスペースに進入させて前記横断面輪郭線に沿った状態へと配置変更する請求項１又は請求項２記載の大断面トンネルの構築方法。