JP7121638B2 - 円周シールド掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、円周シールド掘削機に関する。

従来、大規模な道路トンネル等では、シールド工法により施工される本線トンネルとランプトンネルの分岐合流部に大断面の地中空洞が構築されている。このような大断面の地中空洞の施工方法として、例えば特許文献１に示されるように、構築される分岐合流部の外殻部に覆工躯体構造を先行して施工し、その後で覆工躯体構造の内側を掘削することにより施工している。
このような覆工躯体構造としては、分岐合流部の外殻部においてシールド工法により複数の外殻トンネルを分岐合流部の周方向に間隔をあけて施工し、さらに凍結工法により地盤防護工を施工してから隣り合う外殻トンネル同士の間を切り開いて、鉄筋や型枠を組み立てた後、コンクリートを打設することにより構築されるものが知られている。

また、分岐合流部を施工する際には、先行して掘削した本線トンネルとランプトンネルを囲うようにして、これらのトンネル軸方向に略平行な方向を中心軸とした円周方向に沿って延びる矩形断面の円周トンネルをシールド工法により施工し、この円周トンネルを発進基地として外殻シールド掘削機を発進させて上述した外殻トンネルを掘削する工法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４９５８０３５号公報 特開２０１４－４３７３８号公報

しかしながら、水平方向を中心とした円周方向に沿うトンネル線形とする円周トンネルをシールド掘削機で掘削する場合には、掘進中のシールド掘削機を下向き姿勢や上向き姿勢に変えながら掘進させることになる。ここで、シールド掘削機が下向き姿勢になるときには、重力により切羽に近づこうとする。一方、上向き姿勢になるときには、その逆となってシールド掘削機が切羽から離れようとするため、切羽の地盤を安定して保持するためにシールド掘削機の姿勢に応じた制御方法が求められていた。

そして、一般的には土砂を排泥するための土砂取込口が隔壁の下部に配置されている。つまり、シールド掘削機が上向きの姿勢になるときには、下部に位置する土砂取込口によって効率よく排泥することができる。一方で、シールド掘削機が下向きの姿勢になるときには、下部に位置する土砂取込口が隔壁の上部に位置してしまうことから、十分に排泥できない場合があり、排泥効率が低下するという問題があることから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、上下方向に延在する円周方向の掘削中の姿勢に応じて適切な切羽保持力を確保し、好適な排泥ができ、排泥効率を向上させることができる円周シールド掘削機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る円周シールド掘削機は、泥土圧式及び泥水式の少なくとも一方の送排泥装置を備え、トンネル線形が一定の円周曲線を描くように円周方向に掘進される円周シールド掘削機であって、前記送排泥装置は、切羽側のチャンバーとシールド機本体内とを区画する隔壁の外周側に設けられる複数の土砂取込口と、複数の前記土砂取込口のそれぞれに接続される排泥管と、前記排泥管の前記土砂取込口に配置されるスクリューコンベアと、を備え、前記土砂取込口のうち少なくとも２つが前記円周方向における外周側と内周側に配置され、複数の前記排泥管は、前記シールド機本体の姿勢に対応させて前記チャンバーとの連通状態が切り替え可能に設けられていることを特徴としている。

本発明では、円周シールド掘削機によって円周方向に掘削する際に、シールド機本体の姿勢に応じて円周方向における外周側と内周側とのそれぞれの土砂取込口に接続される排泥管の開閉状態を切り替えて、効率よく排泥することができる。すなわち、シールド機本体が円周方向の内周側が外周側よりも下方に位置する姿勢の場合には、外周側の土砂取込口に接続される排泥管（外周側排泥管という）を閉止し、内周側の土砂取込口に接続される排泥管（内周側排泥管という）をチャンバーと連通させることで、内周側排泥管がチャンバーの下部に位置することから、内周側排泥管を通じて掘削土砂を効率よく排出することができる。また、シールド機本体が円周方向の外周側が内周側よりも下方に位置する姿勢の場合には、内周側排泥管を閉止し、外周側排泥管をチャンバーと連通させることで、外周側排泥管がチャンバーの下部に位置することから、外周側排泥管を通じて掘削土砂を効率よく排出することができる。

また、本発明では、各排泥管内にスクリューコンベアが設けられているので、泥水式シールドの場合だけでなく、泥土圧式シールドの場合にもスクリューコンベアを用いてチャンバー内の掘削土砂を引き上げて排出することができる。

さらに、シールド機本体が下向き姿勢の場合には、シールド機本体が切羽側に落ち込む挙動となる。そして、シールド機本体が下向き姿勢の場合には、泥水式シールドにして排泥方式を流体輸送として負圧を与えることにより、確実な排泥を行うことができることから、流体であることで緻密な圧力管理が可能な泥水式シールドとすることが好適である。

また、本発明に係る円周シールド掘削機は、泥土圧式及び泥水式の前記送排泥装置を備え、複数の前記排泥管のそれぞれにおいて排泥方法を泥土圧式と泥水式に切り替え可能であることを特徴としてもよい。

この場合には、円周シールド掘削機の姿勢に応じて排泥方法を泥土圧式と泥水式に切り替えて掘進することができ、排泥効率の向上を図ることができる。そのため、シールド掘削機の姿勢に応じた制御が可能となり、切羽の地盤を安定して保持することができる。

また、本発明に係る円周シールド掘削機は、前記排泥管における前記連通状態を変更することにより、前記シールド機本体が上向き姿勢のときに泥土圧式シールドで掘削し、下向き姿勢のときに泥水式シールドで掘削するように切り替え可能に設けられていることを特徴としてもよい。

この場合には、シールド機本体が上向き姿勢のときには泥土圧式シールドとし、下向き姿勢のときには泥水式シールドに切り替えることにより、切羽をより確実に安定した状態で保持することができる。

また、本発明に係る円周シールド掘削機は、前記シールド機本体の姿勢に関わらず、下側に位置する前記排泥管が使用されて排泥が行われる構成としたことを特徴としてもよい。

この場合には、シールド機本体のいずれの姿勢においても、下側に位置する排泥管を使用して排泥することで、効率よく排泥することができる。

本発明の円周シールド掘削機によれば、上下方向に延在する円周方向の掘削中の姿勢に応じて適切な切羽保持力を確保し、好適な排泥ができ、排泥効率を向上させることができる。

本発明の実施形態による分岐合流部の概略施工状態を示す斜視図である。 図１に示す分岐合流部のトンネル線形を示す図である。 図２に示すＡ－Ａ線断面図である。 （ａ）は図２に示すＢ－Ｂ線断面図、（ｂ）は（ａ）の外殻躯体構造の内側を掘削して構築された分岐合流部の断面図である。 図３に示すＣ－Ｃ線断面図であって、複円形円周シールド掘削機を発進させた後の円周シールド発進基地を示す図である。 円周トンネルをトンネル軸方向から見た断面図である。 円周トンネルの施工状態を示す図であって、掘進中の複円形円周シールド掘削機の各姿勢を示した図である。 複円形円周シールド掘削機の構成を示す側面図である。 複円形円周シールド掘削機を前方から見た正面図である。

以下、本発明の実施形態による円周シールド掘削機について、図面に基づいて説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態による複円形円周シールド掘削機１（円周シールド掘削機）（図７及び図８参照）は、例えば大規模な道路トンネルにおいて、予め地中にシールド工法により施工されている本線トンネル１１に対してランプトンネル１２が合流・分岐する箇所に大断面の分岐合流部１０を構築する施工に適用される。

分岐合流部１０は、本線トンネル１１とランプトンネル１２の外側を取り囲むように、分岐合流部１０に平行に延在するように施工された複数の外殻トンネル１３、１３、…を外殻部の一部としたものである。この分岐合流部１０は、周方向に隣り合う外殻トンネル１３、１３同士の間を掘削して連結することにより周方向に連続する外殻躯体構造１０Ａを形成し、さらにその外殻躯体構造１０Ａの内側を掘削することにより構築される。分岐合流部１０の施工にあたっては、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）に示すように、先ず本線トンネル１１とランプトンネル１２が予め施工されており、外殻躯体構造１０Ａの内側を掘削する際に、外殻躯体構造１０Ａの内側に構築されている本線トンネル１１とランプトンネル１２のセグメントが解体される。
複数の外殻トンネル１３は、分岐合流部１０の一部に予め施工されている円周トンネル１５を発進基地（外殻シールド発進基地１５０）として外殻シールド掘削機１４を掘進させることにより施工される。

外殻シールド掘削機１４は、本線トンネル１１及びランプトンネル１２の外側において、外殻シールド発進基地１５０から分岐合流部１０の延在方向に沿うようにして掘進される。

外殻シールド発進基地１５０（円周トンネル１５）は、図２及び図５に示すように、断面視でメガネ形状をなす複円形円周シールド掘削機１（図７及び図８参照）により施工され、一対の円形トンネル１５Ａ、１５Ｂを中央部分で重ねた断面メガネ形状の円周トンネル１５により構成され、本線トンネル１１の中心軸に平行な軸線を中心とする円周方向Ｅに沿ってリング状に施工されている。

外殻シールド発進基地１５０は、図６に示すように、複円形円周シールド掘削機１の掘進時に構築されるメガネ形状の円周セグメント１５１と、円周セグメント１５１における断面視で左右方向中央の上下のくびれ部分１５ａ、１５ａ同士を連結して上下方向に延在する中柱１５２と、を有している。

ここで、図５に示すように、外殻シールド発進基地１５０をなす円周トンネル１５において、一対の円形トンネル１５Ａ、１５Ｂのそれぞれのトンネル中心Ｏ１、Ｏ２を通る直線の延在方向を左右方向Ｘといい、断面視で左右方向Ｘに直交する方向を上下方向という。

図６に示すように、円周トンネル１５（外殻シールド発進基地１５０）の一方の発進側円形トンネル１５Ａは、外殻シールド掘削機１４の発進スペースとして使用され、発進後のシールド内に資材を送り込むための資材搬入スペースや掘削土の搬出スペースとして利用される。
他方の基端側円形トンネル１５Ｂは、外殻シールド掘削機１４の発進時の反力受け設備の配置スペースとして使用され、発進後にはシールド内に資材を送り込むための資材搬入スペースや掘削土の搬出スペースとして利用される。なお、図６の符号１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、外殻シールド掘削機１４の発進後の資材搬入スペースや掘削土の搬出スペースの一例を示している。

一対の円形トンネル１５Ａ、１５Ｂの径寸法は、外殻シールド掘削機１４が発進可能な寸法に設定されている。また、発進側円形トンネル１５Ａのうち外殻シールド掘削機１４の発進部分の切羽側の壁面１５ｂは、複円形円周シールド掘削機１の掘進時において円周セグメント１５１による外壁が形成されているが、適宜なタイミングで一般的なシールド工法と同様に外殻シールド掘削機１４の切削カッタで切削可能な例えば炭素繊維入りコンクリート等の材料により施工される。なお、カッタで切削可能な材料からなる壁面１５ｂが組み込まれているセグメントを使用することも可能である。

複円形円周シールド掘削機１は、図７に示すように、ランプトンネル１２を拡幅掘削することにより構築された円周シールド発進基地１７から円周方向Ｅの一方（図７の符号Ｅ１に示す反時計回り）に向けて発進し、図７の符号１Ａ、１Ｂ、…１Ｆの順で円周方向Ｅ１に１周して円周シールド発進基地１７を到達基地として到達される。このように複円形円周シールド掘削機１は、トンネル線形が一定の円周曲線を描くように掘進させることができ、複円形円周シールド掘削機１の後部においてメガネ形状に組み立てられる円周セグメント１５１がトンネル掘進とともに順次組み立てられる。

複円形円周シールド掘削機１は、図８及び図９に示すように、外殻を形成するメガネ形状のスキンプレート２０を有するシールド機本体２と、シールド機本体２の前側に設けられ複数のカッタビットを有するカッタヘッド３と、カッタヘッド３に泥水を送り込むとともに掘削土を排泥する送排泥装置４と、円周セグメント１５１を組み立てるエレクタ装置５と、を備えている。
ここで、複円形円周シールド掘削機１において、掘削機中心線に沿う方向を前後方向Ｚといい、前後方向Ｚに沿う切羽側を前側、前方といい、その反対側（発進側）を後側、後方という。

シールド機本体２は、図８に示すように、断面視でメガネ形状をなし前胴プレート２０Ａと後胴プレート２０Ｂに前後方向Ｚに分割接合された前記スキンプレート２０と、前胴プレート２０Ａに設けられ切羽側のチャンバー３Ａとシールド機内とを区画する隔壁２１と、隔壁２１の外周部から後方に向けて突出する本体リング２２と、本体リング２２の後部に外周に沿って間隔をあけて配置された複数の推進ジャッキ２３と、本体リング２２から地山側に向けて突出可能な地山グリッパー２４と、を備えている。

スキンプレート２０は、外形の断面形状で左右中央部にくびれ部２０ａ（図９参照）が形成されたメガネ形状をなす筒状体であって、前胴プレート２０Ａが後胴プレート２０Ｂに対して円周方向Ｅにおける内周側に、複円形円周シールド掘削機１による線形の曲率に合わせた所定の角度で屈折接合され、円周方向Ｅの内周側に位置する部分が外周側に位置する部分よりも前後方向Ｚの長さが小さい形状で一体形成されている。

前胴プレート２０Ａは、内側に隔壁２１、本体リング２２、及び地山グリッパー２４が配置されている。前胴プレート２０Ａには、地山グリッパー２４が外方に向けて突出可能な開口部が形成されており、この開口部から地山グリッパー２４を適宜な突出量で突出させることで、掘削壁面Ｇの地山に反力を取ることで、掘削時における複円形円周シールド掘削機１の方向制御を行うことができ、シールド機本体２が円周方向Ｅの軌道から外れることを防ぐことができる。
隔壁２１の前方で前胴プレート２０Ａに囲まれた内側には、送排泥装置４により送り込まれた泥水と掘削土砂とが攪拌される空間（チャンバー３Ａ）が形成されている。

後胴プレート２０Ｂの内側には、掘進とともに円周セグメント１５１がエレクタ装置５によって組み立てられる。後胴プレート２０Ｂの後部には、組み立てられた円周セグメント１５１の外周面との間隙をシールするテールシール２０１が後胴プレート２０Ｂの全周にわたって取り付けられている。ここでは、テールシール２０１は、ワイヤブラシからなり、スキンプレート２０の長さ方向（前後方向Ｚ）に３列で配設されている。

なお、スキンプレート２０には、掘削した地山壁面との間に掘進と同時に裏込め材を注入するための裏込め同時注入装置（図示省略）を装備しておいてもよい。本実施形態のように複円形円周シールド掘削機１を使用して円周方向Ｅ１に掘進する場合には、ほぼ水平方向に掘進する場合に比べて掘削機の姿勢の変化が大きく、カッタで掘削した直後の掘削地山の壁面が崩れやすい、そのため、裏込め同時注入装置を設けておくことで、掘削直後に早期に掘削地山との間の隙間に裏込め材が充填され、地山を安定させることができる。したがって、掘削地山の崩落に伴うシールド掘削機の姿勢制御がし易くなり、方向制御が難しい円周方向Ｅの掘進の方向制御を精度よく行うことができる。

隔壁２１は、切羽の水や土砂がシールド機本体２の内側（シールド機内）に流入しないように切羽側とシールド機内側を隔離する区画壁である。隔壁２１は、図９に示すように、二つの円形部２１Ａ、２１Ｂの一部を重ねた形状であり、各円形部２１Ａ、２１Ｂの中心Ｃ１、Ｃ２にカッタ回転軸３１が回転可能に支持されている。各円形部２１Ａ、２１Ｂには、後述するカッタ回転用のリングギア３２が円形部２１Ａ、２１Ｂの中心Ｃ１、Ｃ２回りに回転可能に支持されている。
また、隔壁２１には、図８に示すように、シールド機内からチャンバー３Ａ内に連通する送泥用の泥水注入口２１１、及び土砂取込口２１２が設けられている。これら泥水注入口２１１及び土砂取込口２１２には、送排泥装置４の各配管（後述する送泥管４１及び排泥管４２）が接続されている。

本体リング２２は、推進ジャッキ２３が固定される外周リング２２Ａと、外周リング２２Ａの内側に設けられカッタ駆動モータ２５が固定される内周リング２２Ｂと、を備えている。外周リング２２Ａの前後方向Ｚの長さは、円周方向Ｅにおける外周側の長さが内周側よりも長くなるように形成されている。

外周リング２２Ａは、隔壁２１の外周部に沿ったメガネ形状に形成され、後端面２２ａがスキンプレート２０の前胴プレート２０Ａの後端部（前胴プレート２０Ａと後胴プレート２０Ｂとの境界の屈折部）に一致している。外周リング２２Ａの後端面２２ａには、外周に沿って複数の推進ジャッキ２３、２３、…がジャッキ押圧面２３ａを後方に向けた状態で固定されている。外周リング２２Ａには、複円形円周シールド掘削機１のトンネル軸方向に直交する方向で地山側に向けて突出可能な地山グリッパー２４が設けられている。

推進ジャッキ２３は、伸縮ロッドが本体リング２２の後端面２２ａより後方に向けて突出可能となるように本体リング２２に固定されている。推進ジャッキ２３の伸縮ロッドを伸張させることで、スキンプレート２０の後胴プレート２０Ｂの内側に順次組み立てられたセグメント１５１の前面に押し付けて反力をとってシールド機本体２の推進力が得られている。なお、推進ジャッキ２３には、ローリング防止制御装置が装備されていてもよい。

地山グリッパー２４は、シールド機本体２の姿勢制御手段であって、外方に突出される反力面２４ａが前方から後方に向かうに従い漸次、突出長が大きくなるように傾斜している。地山グリッパー２４は、反力面２４ａを掘削地山Ｇに押し付けた状態で複円形円周シールド掘削機１を掘進させることで、複円形円周シールド掘削機１が円周方向Ｅから外れて外周側または内周側に向かおうとする力に対する反力を地山に取ることができるようになっている。

内周リング２２Ｂは、隔壁２１の円形部２１Ａ、２１Ｂの中心Ｃ１、Ｃ２と同軸に設けられた円形リング状に形成されている。内周リング２２Ｂには、周方向に間隔をあけて複数の電動式のカッタ駆動モータ２５が設けられている。内周リング２２Ｂの内側には、カッタリング３２が各中心Ｃ１、Ｃ２回りに回転可能に支持されている。

カッタヘッド３は、図８及び図９に示すように、隔壁２１の円形部２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの中心Ｃ１、Ｃ２に設けられたカッタ回転軸３１と、隔壁２１に支持され、一対のカッタ回転軸３１のそれぞれを中心に回転可能に設けられたカッタリング３２と、カッタ回転軸３１の先端に設けられたセンターカッタ３３と、カッタリング３２に支持され、センターカッタ３３に中心部が固定されたスポーク式のカッタスポーク３４Ａ、３４Ｂと、カッタスポーク３４Ａ、３４Ｂの外周端に設けられたコピーカッタ３５と、を備えている。

センターカッタ３３を備えたカッタ回転軸３１は、隔壁２１に設けられたロータリージョイント（図示省略）によって回転可能に支持されている。
カッタリング３２は、図８に示すように、隔壁２１の内周リング２２Ｂに支持されるとともに、前端には連結材３６を介してカッタスポーク３４Ａ、３４Ｂが一体的に支持されている。カッタリング３２の外周部にはリングギア３２ａが形成され、複数のカッタ駆動モータ２５のモータ回転軸２５ａが噛合され、カッタ駆動モータ２５の駆動によってカッタ回転軸３１とともに回転可能に設けられている。

一対のカッタスポーク３４Ａ、３４Ｂは、図９に示すように、切羽側からみてＸ状となるようにカッタ回転軸３１で交差した状態で配置されている。カッタスポーク３４Ａ、３４Ｂの前面には、スポークの長さ方向に沿って多数のカッタビットが取り付けられている。各円形部２１Ａ、２１Ｂに設けられるカッタスポーク３４、３４同士は、互いに干渉しないようにカッタ回転軸３１回りに回転することで、メガネ形状の断面を掘削できるように回転が制御されている。

コピーカッタ３５は、カッタスポーク３４Ａ、３４Ｂの一部のスポーク先端部３４ａからスポーク軸の外方に向けて出没可能に設けられている。コピーカッタ３５は、所定のカッタ回転位置で地山側に所定の突出量で張り出すことで、スキンプレート２０の外周面よりも外側を掘削するものである。すなわち、コピーカッタ３５は、地山グリッパー２４と同様にシールド機本体２の姿勢制御手段として機能している。

送排泥装置４は、切羽のチャンバー３Ａ内に泥水を送るための送泥管４１と、泥水と混合された掘削土砂を排出するための一対の排泥管４２（４２Ａ、４２Ｂ）と、排泥管４２内の取込口に設けられるスクリューコンベア４３と、を備えている。
送泥管４１は、隔壁２１の各円形部２１Ａ、２１Ｂの中央部に設けられる泥水注入口２１１に接続されている。掘進中は、送泥管４１よりチャンバー３Ａ内に泥水が注入され、切羽を一定の圧力に保持するとともに、掘削した土砂と混合されて適度な粘性とした排泥状態とすることができる。

排泥管４２Ａ、４２Ｂは、隔壁２１の各円形部２１Ａ、２１Ｂにおける外周側と内周側に設けられる土砂取込口２１２に接続されている。これら一対の排泥管４２Ａ、４２Ｂは、それぞれシールド機内において土砂取込口２１２から後方に向かうに従い断面中央となるように傾斜して設けられ、断面中央に配設されている土砂排出管４４に合流するように接続されている。各排泥管４２Ａ、４２Ｂ内の先端部分には、スクリューコンベア４３が装備されている。スクリューコンベア４３は、スクリュー先端が土砂取込口２１２より突出してチャンバー３Ａ内に位置するように配置され、掘削時にスクリューを回転させることで、掘削土砂を排泥管４２内に取り込み土砂排出管４４を通して排出する。

一対の排泥管４２Ａ、４２Ｂは、土砂排出管４４に対して交互に切り替え可能に設けられている。あるいは、一対の排泥管４２Ａ、４２Ｂの両方を同時に土砂排出管４４と連通させた状態にすることも可能である。

エレクタ装置５は、隔壁２１のシールド機内側で各円形部２１Ａ、２１Ｂ毎に設けられている。各エレクタ装置５は、それぞれ円形部２１Ａ、２１Ｂを中心としたリング状の旋回フレーム５１と、旋回フレーム５１に支持された把持装置５２と、を有している。把持装置５２は、円周セグメント１５１のセグメントピースを着脱自在な把持部を備え、旋回フレーム５１に対して前後方向Ｚにスライド可能に設けられている。さらに把持装置５２は、把持した円周セグメント１５１のセグメントピースの姿勢を例えば円周方向、前後方向、径方向等にスライド可能に設けられており、所定位置にセグメントピースを組み立てることができる。

次に、上述した複円形円周シールド掘削機１を用いて円周トンネル１５を施工する方法と、さらに円周トンネル１５を使用して外殻トンネル１３を掘削して分岐合流部１０を施工する方法について、図面に基づいて説明する。
先ず、図１及び図７に示すように、ランプトンネル１２の側壁の一部に円周トンネル１０を掘削するための複円形円周シールド掘削機１の発進基地（円周シールド発進基地１７）を施工する。

具体的には、ランプトンネル１２の所定位置にカッタヘッドをランプトンネル１２の径方向の外側に向けた状態で推進機１８をセットし、推進工法により推進する。ここで、推進機１８による推進時には、円周シールド発進基地１７の設置位置及びその周囲の施工領域の地山を凍結工法で凍結する地盤改良を行って凍土改良部１００を形成しておく。このとき、推進機１８から複数の凍結管１６を放射状に配設して凍土改良部１００を設ける。その後、この凍土改良部１００の内側の地山を在来工法により掘削することで略長方箱型の領域を有する円周シールド発進基地１７が設けられる。そして、推進が完了した推進機１８を解体し撤去する。施工される円周シールド発進基地１７は、図１及び図２に示すように、鉄筋コンクリート造で箱型に構築され、複円形円周シールド掘削機１が発進可能な大きさに設定されている。

なお、ここで実施する地盤改良は、凍結工法による凍土改良部１００を形成することに限定されず、他の地盤改良工法を採用してもよい。例えば推進機１６の後方から目的の改良領域に向けて注入管を打設し、薬液を注入することによる薬液注入工等、他の地盤改良を採用することも可能である。あるいは、地山が自立可能な硬い地盤の場合には、地盤改良を省略することも可能である。

次に、図７に示すように、円周シールド発進基地１７内において、複円形円周シールド掘削機１を組み立てるとともに、反力受けや掘進に必要な後続設備なども設置して発進の準備を行う。複円形円周シールド掘削機１は、円周方向Ｅ１に沿って掘進するため、カッタヘッド３を下向きにした状態で円周シールド発進基地１７にセットされる。ここで、円周シールド発進基地１７の発進坑口部１７ａは、複円形円周シールド掘削機１で掘削可能な材料により施工しておく。

次いで、複円形円周シールド掘削機１を発進させ、従来のシールド工法と同様に掘削とともにシールド機本体２の後胴プレート２０Ｂ内でメガネ形状の円周セグメント１５１を組み立てる。そして、セグメント１５１と掘削した地山との間に裏込め材を注入する作業を順次繰り返し、図３及び図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本線トンネル１１及びランプトンネル１２の外側に円周方向Ｅに掘進させて再び円周シールド発進基地１７に到達させることで、断面視でメガネ形状の円周トンネル１５が施工される。

複円形円周シールド掘削機１は、図８に示すように、スキンプレート２０がトンネル線形に合わせて前胴プレート２０Ａが後胴プレート２０Ｂよりも円周方向Ｅの径方向で内側に向けて屈折接合されているので、推進ジャッキ２３のストロークも内周側より外周側が長くなるように伸長させて掘進することにより、円周方向Ｅのトンネル線形で掘進して円周トンネル１５が施工される。具体的には、図７に示す符号１Ａ～１Ｅの順で紙面で反時計回り（矢印Ｅ１方向）に掘進される。つまり、複円形円周シールド掘削機１は、先ず円周シールド発進基地１７から下向き姿勢（符号１Ａ、１Ｂの姿勢）で掘進が開始され、最下部を通過した後、徐々に上向き姿勢（符号１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの姿勢）に変えながら最上部に向かい、最上部を通過した後、再び下向き姿勢（符号１Ｆ、１Ａ）に変えながら掘進し、再び円周シールド発進基地１７に到達させることで円周方向Ｅに１周する掘進により断面メガネ形状の円周トンネル１５が施工される。

さらに、複円形円周シールド掘削機１では、図８に示すように、隔壁２１の外周部に設けられる地山グリッパー２４を掘削した地山側に向けて突出させた状態で掘進することで、シールド機本体２が外周側に向かおうとする力を抑制することができ、掘進方向の制御を容易に行うことができる。なお、このときの地山グリッパー２４の突出量は、掘進中の地山の硬さ、地質等の状態や、シールド機本体２の位置、姿勢等に応じてリアルタイムに変更されることが好ましい。

次に、図１及び図２に示すように、施工した円周トンネル１５を外殻シールド発進部１５０とし、外殻シールド発進部１５０の発進側円形トンネル部１５Ａにおける円周方向Ｅの所定位置に円形断面の外殻シールド掘削機１４を配置し掘進する。外殻シールド発進部１５０の基端側円形トンネル部１５Ｂには、外殻シールド掘削機１４を発進させるための反力壁や後続設備等が配置される。なお、外殻シールド掘削機１４は、外殻シールド発進部１５０を使用して複数同時に掘進させるようにしてもよい。外殻シールド掘削機１４による掘進時の掘削土砂は掘削した外殻トンネル１３内を発進側に搬送して外殻シールド発進部１５０から円周シールド発進基地１７及びランプトンネル１２を介して外部へ排出する。また、掘進に必要なセグメント等の資材類はランプトンネル１２内から円周シールド発進基地１７、及び外殻シールド発進部１５０を介して掘削中の外殻トンネル１３内に搬入される。

このように外殻シールド掘削機１４によって掘削される複数の外殻トンネル１３は、円周方向Ｅに所定の間隔をあけて施工され、これら複数の外殻トンネル１３によって本線トンネル１１及びランプトンネル１２の周囲に外殻躯体構造体１０Ａの一部を構築する。なお、外殻シールド掘削機１４は、外殻トンネル１３を掘進し、分岐合流部１０の褄壁予定地点に到達させて解体、回収し、再び外殻シールド発進部１５０で組み立てて発進させ、別の外殻トンネル１３を施工するように繰り返し使用するようにしても良い。

続いて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、円周方向Ｅに隣り合う外殻トンネル１３、１３同士の間を凍結工法、薬液注入工法等により地盤改良を行う。その後、外殻トンネル１３、１３同士の間を切り開いて外殻トンネル１３、１３同士の間を内外周部に配置される鋼製パネル（図示省略）で連結し、その内外周の鋼製パネル同士の間にコンクリートを充填することで、外殻躯体構造１０Ａとして一体化を図り、これにより支保機能、及び止水機能を有する外殻躯体構造１０Ａを形成する。
その後、外殻躯体構造１０Ａの内側を掘削し、外殻躯体構造１０Ａによって覆われる箇所の本線トンネル１１及びランプトンネル１２のセグメントを解体、撤去することにより大空間をなす分岐合流部１０を構築することができる。

次に、円周シールド掘削機の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態では、図７に示すように、複円形円周シールド掘削機１によって円周方向Ｅ１に掘削する際に、図８及び図９に示すように、シールド機本体２の姿勢に応じて円周方向Ｅ１における外周側と内周側とのそれぞれの土砂取込口２１２Ａ、２１２Ｂに接続される排泥管４２Ａ、４２Ｂの開閉状態を切り替えて、効率よく排泥することができる。

すなわち、シールド機本体２が円周方向Ｅ１の内周側が外周側よりも下方に位置する姿勢の場合（図７に示す符号１Ｄ、１Ｅ、１Ｆの姿勢）には、外周側の土砂取込口２１２Ａに接続される外周側排泥管４２Ａを閉止し、内周側の土砂取込口２１２Ｂに接続される内周側排泥管４２Ｂをチャンバー３Ａと連通させることで、内周側排泥管４２Ｂがチャンバー３Ａの下部に位置することから、内周側排泥管４２Ｂを通じて掘削土砂を効率よく排出することができる。

また、シールド機本体２が円周方向Ｅ１の外周側が内周側よりも下方に位置する姿勢の場合（図７に示す符号１Ａ、１Ｂ、１Ｃの姿勢）には、内周側排泥管４２Ｂを閉止し、外周側排泥管４２Ａをチャンバー３Ａと連通させることで、外周側排泥管４２Ａがチャンバー３Ａの下部に位置することから、外周側排泥管４２Ａを通じて掘削土砂を効率よく排出することができる。

さらに、本実施形態では、各排泥管４２内にスクリューコンベア４３が設けられているので、泥水式シールドの場合だけでなく、泥土圧式シールドの場合にもスクリューコンベア４３を用いてチャンバー３Ａ内の掘削土砂を引き上げて排出することができる。すなわち、複円形円周シールド掘削機１が上向き姿勢（図７に示す符号１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの姿勢）のときには泥土圧式シールドとし、下向き姿勢（図７に示す符号１Ｆ、１Ａ、１Ｂの姿勢）のときには泥水式シールドに切り替えることにより、切羽をより確実に安定した状態で保持することができる。

すなわち、複円形円周シールド掘削機１が符号１Ａの姿勢から円周シールド発進基地から発進し、符号１Ｂの姿勢においでは泥水式で外周排泥管４２Ａを用いて掘削し、カッタヘッド３が円周の下端付近で略水平方向を向いた時点で外周排泥管の排泥方式を泥土式に切り替え、複円形円周シールド掘削機１が符号１Ｃの姿勢での掘削を行う。その後複円形円周シールド掘削機１が略鉛直方向上を向いた時点で排泥を内周排泥管４２Ｂに行うように切り替え、泥土圧式で複円形円周シールド掘削機１が符号１Ｄ、１Ｅの姿勢での掘削を行う。さらに、カッタヘッド３が円周の上端付近で略水平方向を向いた状態で内周排泥管４２Ｂの排泥方式を泥水式に切り替え、複円形円周シールド掘削機１が符号１Ｆの姿勢の掘削を行い、円周シールド発進基地に到達し、円周シールドの掘削を完了する。

このような施工においては、複円形円周シールド掘削機１が下向き姿勢の場合には、複円形円周シールド掘削機１が切羽側に落ち込む挙動となる。そして、複円形円周シールド掘削機１が下向き姿勢の場合には、泥水式シールドにして排泥方式を流体輸送とすることにより負圧を与えることにより、確実な排泥を行うことができ、流体であることで緻密な圧力管理が可能な泥水式シールドとすることが好適である。
なお、泥水式のシールド掘削機の場合には、上向きに排泥することも比較的容易となる。

上述したように、複円形円周シールド掘削機１の姿勢に応じて排泥方法を泥土圧式と泥水式に切り替えて掘進することができ、排泥効率の向上を図ることができる。そのため、複円形円周シールド掘削機１の姿勢に応じた制御が可能となり、切羽の地盤を安定して保持することができる。

上述のように本実施形態による円周シールド掘削機では、上下方向に延在する円周方向の掘削中の姿勢に応じて適切な切羽保持力を確保し、好適な排泥ができ、排泥効率を向上させることができる。

以上、本発明による円周シールド掘削機の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、複数の排泥管４２を備えた円周シールド掘削機としてメガネ形状の複円形円周シールド掘削機１を採用しているが、メガネ断面のシールド掘削機であることに限定されることはなく、円形断面、あるいは矩形断面で円周方向に掘削されるシールド掘削機に適用することも可能である。

また、本実施形態では、外周側排泥管４２Ａと内周側排泥管４２Ｂとが一対で設けられた構成とされているが、２本であることに限定されることはなく、３つ以上の排泥管が設けられる構成であってもかまわない。
また、本実施形態では、泥水式シールドを対象とした送排泥装置４を用いているが、泥土圧式シールドであってもよい。

さらに、例えば、複円形円周シールド掘削機１の断面形状、大きさ、スキンプレート２０の屈折角度等は、円周トンネル１５のトンネル線形、外殻トンネル１３を掘削するための外殻シールド掘削機１４の外径等の条件に応じて適宜、設定することができる。例えば、スキンプレート２０の前胴プレート２０Ａと後胴プレート２０Ｂとの前後方向Ｚの長さ寸法も変更することが可能である。

また、本実施形態では、スキンプレート２０の前胴プレート２０Ａに地山に向けて突出可能な地山グリッパー２４が設けられているが、このような地山グリッパー２４を省略することも可能であるし、また他の形状の地山グリッパーを適用してもよい。

また、複円形円周シールド掘削機１を発進するための円周シールド発進基地１７の位置、大きさ、施工方法等は、本線トンネル１１やランプトンネル１２の外径、配置、地盤条件等に応じて適宜、設定することが可能である。また、排泥する管や排泥方式をどの時点でどのように切り替えるかは地盤条件その他によって適宜選択することが可能である。
さらに、分岐合流部１０を構成する外殻部（外殻躯体構造１０Ａ）の大きさ、躯体構造、施工方法に関しては上述した実施形態に限定されることはなく、設定される道路トンネル、地盤条件等の仕様に応じて適宜、設定されるものである。

さらに、本実施形態では大断面の道路トンネルを施工する場合の適用例であるが、上述したような大断面の地中空洞を有する様々な規模、用途、形態のトンネルを施工する場合全般に広く適用できるものであるし、施工対象のトンネルにおける地中空洞の規模や形態に応じて、また周辺環境等の諸条件を考慮して様々な設計的変更が可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 複円形円周シールド掘削機（円周シールド掘削機）
２ シールド機本体
３ カッタヘッド
３Ａ チャンバー
４ 送排泥装置
１０ 分岐合流部
１１ 本線トンネル
１２ ランプトンネル
１３ 外殻トンネル
１４ 外殻シールド掘削機
１５ 円周トンネル
１５Ａ 発進側円形トンネル
１５Ｂ 基端側円形トンネル
１７ 円周シールド発進基地
２０ スキンプレート
２０Ａ 前胴プレート
２０Ｂ 後胴プレート
２１ 隔壁
２４ 地山グリッパー
４１ 送泥管
４２ 排泥管
４２Ａ 外周側排泥管
４２Ｂ 内周側排泥管
４３ スクリューコンベア
４４ 土砂排出管
１５０ 外殻シールド発進基地
１５１ 円周セグメント
２１２Ａ、２１２Ｂ 土砂取込口
Ｅ、Ｅ１ 円周方向
Ｚ 前後方向
Ｃ１、Ｃ２ 隔壁の円形部の中心
Ｏ１、Ｏ２ 円形トンネルの中心

Claims (4)

1. 泥土圧式及び泥水式の少なくとも一方の送排泥装置を備え、トンネル線形が一定の円周曲線を描くように円周方向に掘進される円周シールド掘削機であって、
   前記送排泥装置は、
   切羽側のチャンバーとシールド機本体内とを区画する隔壁の外周側に設けられる複数の土砂取込口と、
   複数の前記土砂取込口のそれぞれに接続される排泥管と、
   前記排泥管の前記土砂取込口に配置されるスクリューコンベアと、を備え、
   前記土砂取込口のうち少なくとも２つが前記円周方向における外周側と内周側に配置され、
   複数の前記排泥管は、前記シールド機本体の姿勢に対応させて前記チャンバーとの連通状態が切り替え可能に設けられていることを特徴とする円周シールド掘削機。
2. 泥土圧式及び泥水式の前記送排泥装置を備え、
   複数の前記排泥管のそれぞれにおいて排泥方法を泥土圧式と泥水式に切り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の円周シールド掘削機。
3. 前記排泥管における前記連通状態を変更することにより、前記シールド機本体が上向き姿勢のときに泥土圧式シールドで掘削し、下向き姿勢のときに泥水式シールドで掘削するように切り替え可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の円周シールド掘削機。
4. 前記シールド機本体の姿勢に関わらず、下側に位置する前記排泥管が使用されて排泥が行われる構成としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円周シールド掘削機。

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