以下、図面を参照して、外郭躯体構築方法及び外郭躯体の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、本発明に係る外郭躯体構築方法を、既設の本線シールドトンネルに新設の支線シールドトンネルを合流させるために、本線シールドトンネルと支線シールドトンネルとの合流領域に本線シールドトンネル及び支線シールドトンネルの双方を囲む大断面トンネルを施工する方法に適用したものである。また、本実施形態に係る外郭躯体は、このような方法により施工された大断面トンネルの外郭躯体である。但し、本発明の外郭躯体構築方法及び外郭躯体は、このような大断面トンネルの施工方法及び大断面トンネルに適用されるものに限定されない。全図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
まず、地下構造物について説明する。図1〜図3に示すように、本実施形態に係る地下構造物1は、本線シールドトンネル2と支線シールドトンネル3との合流領域に施工された、本線シールドトンネル2及び支線シールドトンネル3の双方を囲む大断面トンネルである。地下構造物1の内部には、地下構造物1の軸線方向に延びる地下空洞4が形成されており、地下構造物1は、複数のシールドトンネル11を連結してなる地下空洞4の外郭躯体12を備えている。
シールドトンネル11は、公知のシールド掘進工法又はシールド推進工法により施工されたトンネルである。すなわち、シールドトンネル11は、シールド掘進機で地中を掘進しながら、シールド掘進機の後方でトンネルの壁面となるセグメントを組み立てていくことや、シールド掘進機を推進管により推力を得て掘進して、推進管を組み立てていくことにより構築されるトンネルである。つまり、シールドトンネル11は、シールド掘進機を掘進して組み立てられたセグメントや掘進に伴い組み立てられた推進管によりトンネル覆工体またはトンネル躯体を構築することで延伸される。シールド掘進機を掘進して組み立てられたセグメント及び掘進に伴い組み立てられた推進管は、シールドトンネル11の外殻11Aとなる。地下構造物1では、地下構造物1の一方端部1a(図1における右上側の端部)と他方端部1b(図1における左下側の端部)との間において、軸方向に延伸される複数のシールドトンネル11が、本線シールドトンネル2及び支線シールドトンネル3の双方を囲むように、周方向に配置されている。
図4及び図5に示すように、外殻11Aは、複数のセグメント30を周方向にリング状に組立てたセグメントリングがトンネル軸方向に複数連結されたものにより構築される。外殻11Aを構成するセグメント30は、主桁31と、継手板32と、スキンプレート33と、を備える。主桁31は、シールドトンネル11の周方向に延びる部材であり、シールドトンネル11の軸方向に所定の長さを有する。主桁31は、例えば型鋼等の鋼材により構成されており、外殻11Aの構造物として機能する。継手板32は、シールドトンネル11の軸方向に延びる部材であり、シールドトンネル11の軸方向に所定の長さを有する。隣り合うセグメント30の継手板32は互いに接続可能で、周方向に複数のセグメント30が接続されて周方向に閉じたリング状のセグメントリングとなる。継手板32は、例えば板状の鋼材により構成されている。継手板32の間には、継手板と平行に延びる1又は複数のリブが設けられている。スキンプレート33は、シールドトンネル11の外周面をなす部材である。スキンプレート33は、主桁31の外周側に連結されて、シールドトンネル11の内空側と地山とを区分している。セグメントリングの主桁31と隣り合うセグメントリングの主桁31とは互いに接続可能で、トンネル軸方向に複数のセグメントリングが接続されてシールドトンネル11を構成する。主桁31と隣り合う主桁31、継手板32と隣り合う継手板32との接続は、例えば、ボルト締めにより行うことができる。スキンプレート33は、例えば円弧状断面を有する曲板状の鋼材により構成されており、外殻11Aと地山を区分する隔壁として機能する。
図1〜図3に示すように、複数のシールドトンネル11は、複数のシールドトンネル11のうちの一部のシールドトンネル11である先行シールドトンネル13と、複数のシールドトンネル11のうちの残りのシールドトンネル11である後行シールドトンネル14と、により構成される。先行シールドトンネル13の外殻11Aを、先行外殻13Aといい、後行シールドトンネル14の外殻11Aを、後行外殻14Aという。なお、先行外殻13A及び後行外殻14Aは、図4及び図5に示すように、複数のセグメント30により構築される。
先行シールドトンネル13は、一方端部1aから他方端部1bまで延伸されている。後行シールドトンネル14は、一方端部1aから他方端部1bまで延伸されている。つまり、先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14の両端は、一方端部1a及び他方端部1bに至っている。後行シールドトンネル14は、先行シールドトンネル13を延伸した後に延伸されるシールドトンネルである。後行シールドトンネル14は、隣り合う先行シールドトンネル13の間に配置されており、先行シールドトンネル13の先行外殻13Aが切削された状態で、先行シールドトンネル13に後行シールドトンネル14が重ねられている。隣り合う先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とは、一方端部1aから他方端部1bの全域において重なっている。先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とが重なる部分では、先行シールドトンネル13の先行外殻13Aは削り取られており、後行シールドトンネル14の後行外殻14Aは、図6に示すように、主桁31から継手板32、リブ及びスキンプレート33が取り外されて開口34が形成されている。
そして、隣り合う先行シールドトンネル13の中心軸線と後行シールドトンネル14の中心軸線との間隔が一方端部1aから他方端部1bに向けて狭くなることで、地下空洞4が本線シールドトンネル2及び支線シールドトンネル3の外形に沿うように、地下空洞4の断面積が一方端部1aから他方端部1bに向けて小さくなっている。また、地下空洞4の断面積が一方端部1aから他方端部1bに向けて小さくなるように、隣り合う先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14との重なり度合いが大きくなっている。
後行シールドトンネル14は、他方端部1bに向けて延伸された第一後行シールドトンネル141と、第一後行シールドトンネル141の先端と他方端部1bとの間に延伸された第二後行シールドトンネル142と、により構成されている。第一後行シールドトンネル141は、先行シールドトンネル13と同径のシールドトンネルであり、第二後行シールドトンネル142は、第一後行シールドトンネル141よりも小径のシールドトンネルである。第一後行シールドトンネル141は、一方端部1aから他方端部1bに向けて延伸されており、第二後行シールドトンネル142は、第一後行シールドトンネル141の先端から他方端部1bまで延伸されている。このため、一本の後行シールドトンネル14のうち、一方端部1a側の部分が大径の第一後行シールドトンネル141となり、他方端部1b側の部分が小径の第二後行シールドトンネル142となる。
上述したように、隣り合う先行シールドトンネル13の間隔は、一方端部1a側よりも他方端部1b側の方が狭くなるため、一方端部1aから他方端部1bまでの全域において後行シールドトンネル14が同径であると、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14との重なる量が過大となる。そこで、一方端部1a側では後行シールドトンネル14を大径の第一後行シールドトンネル141とし、他方端部1b側では後行シールドトンネル14を小径の第二後行シールドトンネル142とすることで、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14との重なる量を小さくして、後行シールドトンネル14構築時の、先行シールドトンネル13の切削量を低減している。
具体的に説明すると、シールドトンネル11は、18本の先行シールドトンネル13と、18本の後行シールドトンネル14と、の合計36本により構成される。つまり、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とは、同数である。地下構造物1は、地下構造物1の一方端部1aから他方端部1bに向けて第一領域A1及び第二領域A2の2領域に分けられている。先行シールドトンネル13は、第一領域A1と第二領域A2とで、同じ径となっている。後行シールドトンネル14は、第一領域A1では大径の第一後行シールドトンネル141となっており、第二領域A2では小径の第二後行シールドトンネル142となっている。そして、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とが交互に配置されており、後行シールドトンネル14が、隣り合う先行シールドトンネル13の間に配置されている。
図1〜図3及び図7に示すように、外郭躯体12は、地下空洞4の外郭を構成する略円弧状の躯体となる。外郭躯体12は、隣り合うシールドトンネル11を連結してなる。具体的には、外郭躯体12は、隣り合う先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14に打設された鉄筋コンクリートによりなる。そして、先行シールドトンネル13に打設された鉄筋コンクリートと後行シールドトンネル14に打設された鉄筋コンクリートとは、後行シールドトンネル14の後行外殻14Aの一部に形成された開口34(図6参照)を通じて一体化されている。
図1〜図3に示すように、地下構造物1の一方端部1aには、外郭躯体12の一方側面を封止(止水)する一方側褄壁15が構築されており、地下構造物1の他方端部1bには、外郭躯体12の他方側面を封止(止水)する他方側褄壁16が構築されている。
そして、一方側褄壁15及び他方側褄壁16に挟まれた外郭躯体12の内周側領域の一部又は全部の土砂が掘削除去されることで、地下構造物1の内部に地下空洞4が形成されている。
次に、上述した地下構造物1の施工方法について説明する。本実施形態に係る地下構造物の施工方法は、発進基地構築工程(S1)と、先行外殻13Aを有する先行シールドトンネル13を構築する先行シールドトンネル構築工程(S2)と、先行シールドトンネル13の一部を切削しながら、後行外殻14Aを有する後行シールドトンネル14を構築する後行シールドトンネル構築工程(S3)と、先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14にコンクリートを打設してなる外郭躯体12を構築する外郭躯体構築工程(S4)と、褄壁構築工程(S5)と、掘削工程(S6)と、を備える。
発進基地構築工程(S1)では、図8及び図9に示すように、シールドトンネル11を延伸させるための発進基地21を構築する。発進基地21は、支線シールドトンネル3から支線シールドトンネル3の半径方向外周側に延びる発進坑口22と、本線シールドトンネル2及び支線シールドトンネル3の双方を囲むように発進坑口22から円周状に延びる円周シールドトンネル23と、を備える。発進坑口22は、周知のシールド掘進機により施工することができ、円周シールドトンネル23は、周知の円周シールド掘進機により施工することができる。
先行シールドトンネル構築工程(S2)では、図1及び図10に示すように、地下構造物1の施工予定領域である地下構造物予定領域(不図示)の一方端部1aと他方端部1bとの間において、軸方向に延伸する複数の先行シールドトンネル13を周方向に構築する。なお、地下構造物予定領域の一方端部1a及び他方端部1bは、地下構造物1の一方端部1a及び他方端部1bと同じである。
なお、隣り合う先行シールドトンネル13が構築されていれば、全ての先行シールドトンネル13の延伸が終了する前に後行シールドトンネル構築工程(S3)を開始して、構築されている隣り合う先行シールドトンネル13の間に後行シールドトンネル14を延伸してもよい。
先行シールドトンネル構築工程(S2)では、先行シールドトンネル延伸工程(S21)と、先行シールドトンネル充填工程(S22)と、を行う。
先行シールドトンネル延伸工程(S21)では、図10〜図12に示すように、一方端部1aに施工された発進基地21から他方端部1bまで先行シールドトンネル13を延伸する。具体的には、先行シールドトンネル延伸工程(S21)では、18本の先行シールドトンネル13を、一方端部1aに施工された発進基地21から他方端部1bまで延伸する。このとき、隣り合う先行シールドトンネル13を同時に延伸せずに、隣り合う先行シールドトンネル13のうち、一方の先行シールドトンネル13を先行して延伸した後に、他方の先行シールドトンネル13を後行して延伸することが好ましい。また、先行シールドトンネル13の掘進には、2機以上のシールド掘進機を使用することが好ましい。2機以上のシールド掘進機を使用することで、複数の先行シールドトンネル13を並行して延伸できる。
また、先行シールドトンネル延伸工程(S21)では、一方端部1aから他方端部1bに向かうに従い、隣り合う先行シールドトンネル13の中心軸線が近接して行くように、複数の先行シールドトンネル13を延伸する。
ここで、先行シールドトンネル13は、後行シールドトンネル14を延伸するシールド掘進機等により切削可能である部分を含む必要がある。このため、先行シールドトンネル13の先行外殻13Aのうち、少なくとも後行シールドトンネル14の延伸により切削される部分のセグメント又は推進管は、切削可能なものとする。切削可能なセグメント又は推進管としては、例えば、特許文献1、特許文献2、特許第4851133号、特許第4939803号等に記載されたような繊維強化樹脂製の切削可能セグメント又は切削可能推進管を用いる。
先行シールドトンネル充填工程(S22)では、後行シールドトンネル14を延伸するシールド掘進機が先行シールドトンネル13と重なりながら掘進できるように、先行シールドトンネル13の内部を充填する。
ここで、図13に示すように、先行シールドトンネル13のうち後行シールドトンネル構築工程(S3)で切削する領域を切削予定領域13E及び切削予定領域13Fとする。切削予定領域13E及び切削予定領域13Fは、先行シールドトンネル13の両側に形成される。先行外殻13A内の領域のうち、外郭躯体構築工程(S4)でコンクリートを打設する領域を外郭躯体予定領域13Bとする。外郭躯体予定領域13Bの一端部は、切削予定領域13Eと重なり、外郭躯体予定領域13Bの他端部は、切削予定領域13Fと重なる。先行外殻13A内の領域のうち、切削予定領域13E、切削予定領域13E及び外郭躯体予定領域13B以外の領域であって、外郭躯体予定領域13Bに対して外郭躯体12の内周側に位置する領域を内周側領域13Cとする。また、先行外殻13A内の領域のうち、切削予定領域13E、切削予定領域13E及び外郭躯体予定領域13B以外の領域であって、外郭躯体予定領域13Bに対して外郭躯体12の外周側に位置する領域を外周側領域13Dとする。
図13〜図15に示すように、先行シールドトンネル充填工程(S22)では、先行シールドトンネル13の内部の充填として、支持ユニット40を配置するとともに、コンクリート及び切削可能充填材を打設(充填)する。
支持ユニット40は、先行シールドトンネルの半径方向中央部であって、外郭躯体予定領域13Bに配置する。なお、支持ユニット40の構成については後述する。
コンクリートは、コンクリート打設領域50Aと、コンクリート打設領域50Bと、に打設する。コンクリート打設領域50Aは、内周側領域13C内の領域であって、切削予定領域13E、切削予定領域13E及び外郭躯体予定領域13Bを除く領域である。コンクリート打設領域50Bは、外周側領域13D内の領域であって、切削予定領域13E、切削予定領域13E及び外郭躯体予定領域13Bを除く領域である。コンクリート打設領域50A,50Bは、後行シールドトンネル14(後行外殻14A)の掘削時にコンクリートが切削されないように、切削予定領域13E,13Fの近傍を除外して設定する。つまり、切削予定領域13E,13Fの近傍は、コンクリートを打設しない。
切削可能充填材は、切削可能充填材領域51Aと、切削可能充填材領域51Bと、に打設する。切削可能充填材領域51Aは、切削予定領域13Eを含む領域であって、先行外殻13A、支持ユニット40、及びコンクリート打設領域50A,50Bに囲まれる領域である。切削可能充填材領域51Bは、切削予定領域13Fを含む領域であって、先行外殻13A、支持ユニット40、及びコンクリート打設領域50A,50Bに囲まれる領域である。切削可能充填材領域51A,51Bは、後行シールドトンネル14(後行外殻14A)の掘削時の掘削誤差を許容するために、掘削(切削)が予定されている領域である切削予定領域13E,13Fより若干大きく設定する。
ところで、図20に示すように、後工程の後行シールドトンネル構築工程(S3)で先行シールドトンネル13が切削されると、先行外殻13Aを支持する主桁31(図4及び図5参照)も切削されて、先行外殻13Aが第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部13ABとに分離される。また、外郭躯体予定領域13Bにはコンクリートが打設されていない。このため、主桁31は、第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部13ABとの対向方向に作用する土圧を支持することができない。そこで、支持ユニット40を外郭躯体予定領域13Bに配置することで、後工程の後行シールドトンネル構築工程(S3)で先行シールドトンネル13が切削された際に、土圧や切削時の衝撃による荷重で先行シールドトンネル13が変形するのを抑制する。
図15〜図19に示すように、支持ユニット40は、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bと、第一支柱42A及び第二支柱42Bと、内周側支持桁43A及び外周側支持桁43Bと、内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bと、を備える。
第一隔壁41Aは、外郭躯体予定領域13Bを、切削予定領域13Eを含む側部13Gと切削予定領域13Eを含まない中央部13Jとに区分する。第二隔壁41Bは、外郭躯体予定領域13Bを、切削予定領域13Fを含む側部13Hと切削予定領域13Fを含まない中央部13Jとに区分する。第一隔壁41Aにより区分される側部13Gは、第一隔壁41Aの第二隔壁41Bとは反対側の領域である。第二隔壁41Bにより区分される側部13Hは、第二隔壁41Bの第一隔壁41Aとは反対側の領域である。第一隔壁41A及び第二隔壁41Bにより区分される中央部13Jは、先行シールドトンネル13の半径方向中央部に位置する領域であって、第一隔壁41Aと第二隔壁41Bとの間の領域である。
具体的には、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bは、平板状の鉄板により構成されており、第一隔壁41Aと第二隔壁41Bとを、外郭躯体予定領域13Bの周方向に対向するように配設する。そして、複数枚の第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを、先行シールドトンネル13の軸方向に沿って配設する。
第一支柱42Aは、第一隔壁41Aを支持するとともに先行外殻13Aを内周側から支持する。第二支柱42Bは、第二隔壁41Bを支持するとともに先行外殻13Aを内周側から支持する。
具体的には、第一支柱42A及び第二支柱42Bは、それぞれH型鋼等の鋼材により構成されており、第一支柱42Aと第二支柱42Bとを、外郭躯体予定領域13Bの周方向に並列するように配設する。第一支柱42A及び第二支柱42Bは、後行シールドトンネル構築工程(S3)で分離される第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部予定部との対向方向(コンクリート打設領域50Aとコンクリート打設領域50Bとの対向方向)に向ける。
また、第一支柱42Aに、第一隔壁41Aを着脱可能に接続するとともに、第二支柱42Bに、第二隔壁41Bを着脱可能に接続する。第一支柱42A及び第二支柱42Bに対する第一隔壁41A及び第二隔壁41Bの接続は、例えば、ボルト締めにより、または溶接により行うことができる。そして、複数本の第一支柱42A及び第二支柱42Bを、先行シールドトンネル13の軸方向に沿って配設する。
内周側支持桁43Aは、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50A側の先端を支える、外周側支持桁43Bは、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50B側の先端を支える。
具体的には、内周側支持桁43A及び外周側支持桁43Bは、それぞれH型鋼等の鋼材により構成されており、内周側支持桁43Aと外周側支持桁43Bとを、第一支柱42A及び第二支柱42Bに対応して外郭躯体予定領域13Bの周方向に並列するように配設する。内周側支持桁43Aは、外郭躯体予定領域13Bの周方向に沿って第一支柱42Aと第二支柱42Bとに架け渡して、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50A側の先端に結合する。外周側支持桁43Bは、外郭躯体予定領域13Bの周方向に沿って第一支柱42Aと第二支柱42Bとに架け渡して、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50B側の先端に結合する。
内周側遮蔽板44Aは、支持ユニット40のコンクリート打設領域50A側の遮蔽を行う。外周側遮蔽板44Bは、支持ユニット40のコンクリート打設領域50B側の遮蔽を行う。
具体的には、内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bは、平板状の鉄板により構成されており、内周側遮蔽板44Aと外周側遮蔽板44Bとを、外郭躯体予定領域13Bの半径方向に対向するように配設する。内周側遮蔽板44Aは、外郭躯体予定領域13Bの軸方向に沿って複数の内周側支持桁43Aに架け渡して、内周側支持桁43Aのコンクリート打設領域50A側の先端に結合する。外周側遮蔽板44Bは、外郭躯体予定領域13Bの軸方向に沿って複数の外周側支持桁43Bに架け渡して、外周側支持桁43Bのコンクリート打設領域50B側の先端に結合する。そして、複数枚の内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bを、先行シールドトンネル13の軸方向に沿って配設する。
このように構成される支持ユニット40では、第一支柱42A及び第二支柱42Bと内周側支持桁43A及び外周側支持桁43Bとが井桁状の枠体を構成する。そして、支持ユニット40の内部に、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bと内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bと囲まれた内部空間45が形成される。なお、内部空間45は、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bにより区分される中央部13Jと同じである。そして、第一隔壁41A、第二隔壁41B、内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bは、内部空間45の隔壁となって内部空間45を囲むため、先行シールドトンネル13の内部に打設されるコンクリート及び切削可能充填材は、内部空間45に入り込まない。このため、内部空間45は、空洞となっている。
また、コンクリートが、先行外殻13A内の、第一支柱42A及び第二支柱42Bの一端部と第一先行外殻部13AAとの間のコンクリート打設領域50Aに打設されるとともに、第一支柱42A及び第二支柱42Bの他端部と第二先行外殻部13ABとの間のコンクリート打設領域50Bに打設される。そして、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50A側の先端が、内周側支持桁43A及び内周側遮蔽板44Aを介して、内周側領域13Cのコンクリート打設領域50Aに打設されるコンクリートに接続され、第一支柱42A及び第二支柱42Bのコンクリート打設領域50B側の先端が、外周側支持桁43B及び外周側遮蔽板44Bを介して、外周側領域13Dのコンクリート打設領域50Bに打設されるコンクリートに接続される。これにより、第一支柱42A及び第二支柱42Bは、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを支持するともに、先行外殻13Aの第一先行外殻部13AA及び第二先行外殻部13ABを内周側から支持する。
先行シールドトンネル13の内部の充填は、例えば、次のように行うことができる。先行シールドトンネル13の延伸が終了すると、シールド掘進機の残置物を先行シールドトンネル13の先端に残置し、シールド掘削機の回収物を当該先行シールドトンネル13から一方端部1aの発進基地21に回収する。シールド掘削機の回収物とは、例えば、カッターモータやシールドジャッキや電装品などが該当する。シールド掘進機の内、カッター部分、及び外周鋼殻部分等などのシールド掘進機の外郭をなして地中の土砂の流入を防止する機能を有する部分は、地中に残置物として残置する。その際、先行シールドトンネル13の先端から一方端部1aに向かって順に、先行シールドトンネル13の内部を充填して行く。先行シールドトンネル13の内部の充填は、先行シールドトンネル13を複数のスパンに区切り、これから充填しようとするスパンの一方端部1a側に隔壁を構築する。そして、当該スパンに、支持ユニット40の配置、コンクリート及び切削可能充填材の打設を行う。
支持ユニット40の配置、コンクリート及び切削可能充填材の打設の順序、支持ユニット40の組み立て順序等は、特に限定されず、施工性等の観点から適宜設定される。また、これらの工程の一部を同時に行ってもよい。なお、コンクリート打設領域50A,50B及び切削可能充填材領域51A,51Bにコンクリート及び切削可能充填材を打設するために、適宜、支持ユニット40と先行外殻13Aとの間に型枠を配設する。
後行シールドトンネル構築工程(S3)では、図1及び図20〜図23に示すように、一方端部1aに施工された発進基地21から他方端部1bまで後行シールドトンネル14を延伸することで、地下構造物1の施工予定領域である地下構造物予定領域(不図示)の一方端部1aと他方端部1bとの間において、軸方向に延伸する複数の後行シールドトンネル14を周方向に構築する。具体的には、後行シールドトンネル構築工程(S3)では、18本の後行シールドトンネル14を、外郭躯体予定領域において、一方端部1aに施工された発進基地21から他方端部1bまで延伸する。このとき、シールドトンネル上部の土砂が緩みやすい傾向にあることから、上部を後からシールドトンネルで延伸するように、下方に配置される後行シールドトンネル14から順に延伸することが好ましい。また、先行シールドトンネル13の延伸と同様に、後行シールドトンネル14の掘進には、2機以上のシールド掘進機を使用することが好ましい。2機以上のシールド掘進機を使用することで、複数の後行シールドトンネル14を並行して延伸できる。
また、後行シールドトンネル構築工程(S3)では、一方端部1aから他方端部1bに向かうに従い、隣り合う後行シールドトンネル14の中心軸線が近接して行くとともに、隣り合う先行シールドトンネル13の中心軸線と後行シールドトンネル14の中心軸線とが近接して行くように、複数の後行シールドトンネル14を延伸する。これにより、地下空洞の断面積を、一方端部1aから他方端部1bに向けて小さくすることができる。また、後行シールドトンネル構築工程(S3)では、一方端部1aから他方端部1bの全域において、隣り合う先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とが重なるように、先行シールドトンネル13の一部を切削して後行シールドトンネル14を延伸する。
ここで、先行シールドトンネル13の一部を切削すると、先行外殻13Aを支持する主桁31(図4及び図5参照)も切削されて、先行外殻13Aが第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部13ABとに分離される。しかしながら、第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部13ABとの間に配置された支持ユニット40の第一支柱42A及び第二支柱42Bが、内周側支持桁43A及び外周側支持桁43Bと、内周側遮蔽板44A及び外周側遮蔽板44Bと、コンクリート打設領域50A,50Bに打設されたコンクリートと、を介して第一先行外殻部13AA及び第二先行外殻部13ABを内周側から支持している。このため、後行シールドトンネル構築工程(S3)において先行シールドトンネル13の一部を切削しても、先行シールドトンネル13は崩れない。
そして、後行シールドトンネル構築工程(S3)では、第一領域A1の後行シールドトンネル14として、他方端部1bに向けて第一後行シールドトンネル141を延伸する第一後行シールドトンネル構築工程(S31)と、第二領域A2の後行シールドトンネル14として、第一後行シールドトンネル141の先端と他方端部1bとの間に、第一後行シールドトンネル141よりも小径の第二後行シールドトンネル142を延伸する第二後行シールドトンネル構築工程(S32)と、を行う。第一後行シールドトンネル構築工程(S31)では、一方端部1aから第一後行シールドトンネル141を延伸し、第二後行シールドトンネル構築工程(S32)では、第一後行シールドトンネル141の先端から他方端部1bまで第二後行シールドトンネル142を延伸する。これにより、一方端部1aから他方端部1bに至る一本の後行シールドトンネル14を延伸する。
第一後行シールドトンネル141及び第二後行シールドトンネル142の延伸は、例えば、特開2005−194752号公報、特開平10−153083号公報、特開平10−096392号公報に記載された親子シールド機(親子シールド掘進機)を用いることで、容易に行うことができる。つまり、第一後行シールドトンネル構築工程(S31)では、親子シールド機の親シールド機により第一後行シールドトンネル141を延伸し、その後、親子シールド機から子シールド機を発進させ、この子シールド機により第一後行シールドトンネル141の先端から第二後行シールドトンネル142を延伸する。
なお、本実施形態では、他方端部1bに一方端部1aの発進基地21に対応する到達基地(内部空洞)が構築されていないが、他方端部1bに一方端部1aの発進基地21に対応する到達基地が構築されている場合は、他方端部1bに到達したシールド掘進機を、他方端部1bから一方端部1aに向けて掘進してもよい。この場合、シールド掘進機を他方端部1bから一方端部1aに移動する必要がなくなる。また、他方端部1bに一方端部1aの発進基地21に対応する到達基地が構築されている場合は、第二後行シールドトンネル構築工程(S32)において、他方端部1bの到達基地から第一後行シールドトンネル141の先端に向けて第二後行シールドトンネル142を延伸させてもよい。この場合、第一後行シールドトンネル141の延伸が終了する前に第二後行シールドトンネル142の延伸を開始することができる。
ところで、図24に示すように、先行シールドトンネル13の構築により、先行シールドトンネル13の内部の外郭躯体予定領域13Bには、支持ユニット40が配設されているとともに、切削可能充填材が打設されている。また、後行シールドトンネル14の構築により、隣り合う先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とが重なり合っているが、この重なり合う部分において、後行シールドトンネル14の後行外殻14Aが、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とを隔てている。
外郭躯体構築工程(S4)では、まず、図25に示すように、後行シールドトンネル14の後行外殻14Aの一部を撤去して、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とを連通させる。具体的には、図5及び図6に示すように、後行シールドトンネル14の後行外殻14Aのうち、先行シールドトンネル13と重なり合う部分において、主桁31は残置しておき、継手板32、リブ及びスキンプレート33を取り外す。継手板32、リブ及びスキンプレート33の取り外しは、後行シールドトンネル14側から行う。これにより、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とを連通させる開口34が形成される。なお、本実施形態では、主桁31は残置しておき、継手板32及びリブは撤去したが、主桁31も取り外して撤去してもよく、継手板32及びリブを残置してもよい。先行外殻13Aと後行外殻14Aとの一体化を図るために、スキンプレート33は取り外し撤去することが好ましい。
外郭躯体構築工程(S4)では、次に、先行シールドトンネル13の内部の切削可能充填材領域51A,51Bに打設された切削可能充填材を撤去する。切削可能充填材の撤去は、例えば、シールド掘進機のカッターにより開口34に相当する部分の切削可能充填材を切削することにより行う。この切削屑は、シールド掘進機による掘削残土とともに先行シールドトンネル13から排出される。
外郭躯体構築工程(S4)では、次に、図25及び図26に示すように、支持ユニット40の第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを撤去する。第一隔壁41A及び第二隔壁41Bの撤去は、開口34側から第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを第一支柱42A及び第二支柱42Bから取り外すことにより行うことができる。支持ユニット40の内部空間45は空洞になっているため、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを撤去することで、先行シールドトンネル13の外郭躯体予定領域13Bが、隣り合う後行シールドトンネル14の内部空間と一体的に連通される。なお、このときも、第一支柱42A及び第二支柱42Bは撤去しない。支持ユニット40の第一支柱42A及び第二支柱42Bが第一先行外殻部13AA及び第二先行外殻部13ABを内周側から支持しているため、先行シールドトンネル13の変形は防止できる。
外郭躯体構築工程(S4)では、次に、図27及び図28に示すように、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とにコンクリート62を打設して一体化する。具体的には、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とに、開口34を通って先行シールドトンネル13と後行シールドトンネルとに架け渡された鉄筋61を配設する(図27参照)。そして、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とに、コンクリート62を打設する(図28参照)。なお、図28では、コンクリート62の打設を分かりやすくするために、コンクリート打設領域50A,50Bに打設されたコンクリートの図示を省略している。これにより、先行シールドトンネル13に打設されたコンクリート62と後行シールドトンネル14に打設されたコンクリート62とは、開口34を介して直接的に一体的化するとともに、開口34を通って架け渡された鉄筋61を巻き込むことにより一体化され、強固な外郭躯体が構築される。
そして、このように一体化されるコンクリート62(鉄筋コンクリート)を全てのシールドトンネル11に打設することで、外郭躯体12が形成される。このとき、全てのシールドトンネル11に一気にコンクリート62を打設して一体化させれば、外郭躯体12の周方向に打継目が形成されないため好適である。但し、コンクリート材料の搬送性や打設作業性等を考慮して、全てのシールドトンネル11を複数のグループに分けて、この分けられたグループ毎に、コンクリート62を打設して一体化させてもよく、これにより、コンクリートの打継目の少ない外郭躯体12を構築できる。
なお、外郭躯体構築工程(S4)では、先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14内に地下水等が入り込まないように、凍結工法等により先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14の周囲に凍土を造成し、先行シールドトンネル13及び後行シールドトンネル14の周囲を凍結止水することが好ましい。
褄壁構築工程(S5)では、図29に示すように、地下構造物1の一方端部1aに、外郭躯体12の一方側面を封止(止水)する一方側褄壁15を構築し、地下構造物1の他方端部1bに、外郭躯体12の他方側面を封止(止水)する他方側褄壁16を構築する。一方側褄壁15及び他方側褄壁16の構築は、例えば、地下構造物1の一方端部1a及び他方端部1bを凍結止水し、一方側褄壁15及び他方側褄壁16を構築する領域を掘削して鉄筋コンクリートを打設する。これにより、一方側褄壁15及び他方側褄壁16を構築することができる。
掘削工程(S6)では、図30に示すように、一方側褄壁15及び他方側褄壁16に挟まれた外郭躯体12の内周側領域の一部又は全部を掘削して地下空洞4を形成する。つまり、一方側褄壁15及び他方側褄壁16に挟まれた外郭躯体12の内周側領域の一部又は全部を掘削し、掘削した土砂を排出することで、外郭躯体12の内周側に地下空洞4を形成する。そして、掘削した土砂を、本線シールドトンネル2や支線シールドトンネル3から排出する。
以上説明したように、本実施形態では、先行シールドトンネル構築工程(S2)で、先行シールドトンネル13の先行外殻13A内に当該先行外殻13Aを内周側から支持する第一支柱42A及び第二支柱42Bを設置するため、後行シールドトンネル構築工程(S3)で先行外殻13Aを切削しても、先行外殻13Aが変形するのを抑制することができる。そして、外郭躯体構築工程(S4)で、後行外殻14Aの一部、切削可能充填材、及び第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを撤去すると、隣り合う先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とが連通するため、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14とにコンクリートを打設して一体化することができる。これにより、シールドトンネル毎にコンクリートを打設して外郭躯体を構築する場合に比べて、外郭躯体12に形成される打継目を少なくすることができるため、工数及び工費を低減することができる。また、一体性に優れた強固な外郭躯体12を構築できる。
また、先行シールドトンネル構築工程で、第一支柱42A及び第二支柱42Bの一端部と第一先行外殻部13AAとの間のコンクリート打設領域50Aと第一支柱42A及び第二支柱42Bの他端部と第二先行外殻部13ABとの間のコンクリート打設領域50Bとにコンクリートを打設するため、先行シールドトンネル13の剛性を高めつつ、第一支柱42A及び第二支柱42Bにより先行外殻13Aを効率的に支持することができる。なお、本実施形態では、第一支柱42A及び第二支柱42Bはコンクリートを介して、第一先行外殻部13AAと第二先行外殻部13ABを支持しているが、第一支柱42Aまたは第二支柱42Bは、コンクリートを介さず第一先行外殻部13AAまたは第二先行外殻部13ABを直接支持してもよい。
また、先行シールドトンネル13の両側において当該先行シールドトンネル13の一部を切削しながら後行シールドトンネル14を構築するため、外郭躯体構築工程(S4)で、先行シールドトンネル13に打設されるコンクリート62とその両側に配置される後行シールドトンネル14に打設されるコンクリート62とを一体化することができる。これにより、外郭躯体12に形成される打継目を更に少なくすることができる。
また、先行シールドトンネル構築工程(S2)で、第一支柱42Aに支持された第一隔壁41Aと第二支柱42Bに支持された第二隔壁41Bとの間の内部空間45に空洞が形成されるため、外郭躯体構築工程(S4)で、後行外殻14Aの一部、切削可能充填材、第一隔壁41A及び第二隔壁41Bを撤去することで、先行シールドトンネル13とその両側に配置される後行シールドトンネル14とを連通することができる。しかも、先行シールドトンネル構築工程(S2)におけるコンクリート及び切削可能充填材の打設量を低減することができる。
また、後行外殻14Aのスキンプレート33を取り外すことで先行シールドトンネル13内の外郭躯体予定領域13Bと後行シールドトンネル14とを連通する開口34を形成することができるため、この開口34を通じて、先行シールドトンネル13と後行シールドトンネル14の間に鉄筋61が架け渡して配置される。これにより、先行シールドトンネル13に打設されるコンクリート62と後行シールドトンネル14に打設されるコンクリート62とを一体化することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、先行シールドトンネルの一方側にのみ後行シールドトンネルを重ねて構築してもよい。この場合、互いに重なり合って隣接する先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとに打設されるコンクリートは一体化されて打継面が形成されない。互いに重なり合わずに隣接する先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとは、例えば、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとの間に連結路を構築し、この連結路に鉄筋コンクリートを打設することで、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとに打設されるコンクリートとを連結することができる。
また、一方端部から他方端部までの間の一部において、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとが重なっていなくてもよい。この場合も、例えば、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとの間に連結路を構築し、この連結路に鉄筋コンクリートを打設することで、先行シールドトンネルと後行シールドトンネルとに打設されるコンクリートとを連結することができる。
また、支持ユニットは、必ずしも二つの隔壁及び支柱を備える必要は無く、少なくとも一つの隔壁及び支柱を備えればよい。この場合、支持ユニット内に内部空間が形成されないが、支柱から隔壁を取り外すことで、外郭躯体予定領域を連通させることができ、支柱により、第一先行外殻部と第二先行外殻部とを支持することができる。
また、後行シールドトンネルの後行外殻は、必ずしも主桁、継手板、リブ及びスキンプレートにより構成される必要は無く、後行シールドトンネルを構築した後に、先行シールドトンネルと連通する開口を形成できる構成であれば如何なる構成であってもよい。
また、各工程の一部を並行して行ってもよい。例えば、先行シールドトンネル構築工程が終了する前に後行シールドトンネル構築工程を開始してもよい。つまり、全ての先行シールドトンネルの構築が終了する前に後行シールドトンネルの構築を開始してもよい。また、第一後行シールドトンネル構築工程が終了する前に第二後行シールドトンネル構築工程を開始してもよい。つまり、全ての第一後行シールドトンネルの構築が終了する前に第二後行シールドトンネルの構築を開始してもよい。また、シールドトンネル構築工程が終了する前に外郭躯体構築工程を開始してもよい。つまり、全てのシールドトンネルの構築が終了する前に外郭躯体の構築を開始してもよい。また、外郭躯体構築工程が終了する前に掘削工程を開始してもよい。
また、外郭躯体は、後行シールドトンネルの後行外殻内の全領域に打設されたコンクリートにより形成されてもよく、後行シールドトンネルの後行外殻内のうち、先行シールドトンネルの外郭躯体予定領域から続く略円周状(略円弧状)の内周面及び外周面により形成される領域に打設されたコンクリートにより形成されてもよい。この場合、後行シールドトンネルの後行外殻内に、コンクリートを打設する領域に型枠を設置し、当該型枠の外側に切削可能充填材等を打設し、当該型枠の内側に外郭躯体となるコンクリートを打設してもよい。
また、シールドトンネルの断面形状、シールドトンネル、先行シールドトンネル及び後行シールドトンネルの本数等は特に限定されるものではない。