JP7166137B2 - シールド機の推力伝達構造及び推力伝達方法。 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル施工に用いるシールド機を立坑内から発進させるための推力伝達構造及び推力伝達方法に関する。

円形シールドトンネル構築に用いられるシールド機の後方部には、油圧ジャッキが円周状に配置されており、リング状に組立てられたセグメントにこの油圧ジャッキを押し当て、ジャッキ推力を伝達させることで、シールド機全体は前進できる。すなわち、シールド工法とは、セグメントから反力を得たシールド機の先端部を切羽地盤に押し付けながらカッターヘッドを回転させて地山を掘削して前進し、前進して伸長した油圧ジャッキを縮長して生じたスペースにセグメントを組立てる一連のサイクルの繰り返しによってトンネルを構築する方法を言う。
セグメントに伝達されるシールド機のジャッキ推力は、トンネルがある程度の延長に達していれば、セグメントとセグメント周面地山との摩擦を介して当該周面地山に伝達されるが、シールド機の発進時点では、トンネルが形成されていないため、その推力は、一般にジャッキ背面に設置された仮組セグメントや反力鋼材、反力壁等を介して背面地山に伝達される。

例えば、特許文献１には、シールド機の後端に配備される仮組セグメント、鋼製反力（反力鋼材）、反力壁及び竪坑壁（立坑壁）を介して竪坑壁背面の地山にシールド機のジャッキ推力を伝達することで、所定の反力を確保しつつ、シールド機を発進する形態が開示されている。
シールド機の推力伝達は、シールド機後方に円周状に配置された全周の油圧ジャッキを使いながら、各ジャッキ間で極端な偏りが生じないように、理想的には均等に推力を伝達させることが望ましい。特許文献１に記載のジャッキ推力も、全周のジャッキを使いながら、最終的には竪坑壁背面に施された地盤改良を介して地山に伝達される。
特許文献２には、シールド機を用いて地盤を掘削しながら、掘進した部分に順次セグメントを敷設することにより、道路等をアンダーパスするトンネルを構築するトンネル構築工法のシールド機の発進方法であって、トンネルへのアプローチとなる部分に地上発進部を設け、その地盤上にシールド機発進時の反力をとる反力手段を設ける形態が開示されている。当該反力手段は、地上発進部の地盤上に設置される架台であって、架台はシールド機の発進時の反力をとる反力受台と、シールド機の発進時の自重を支持する発進受台とから構成される。反力受台及び発進受台は、地盤に打設した複数の杭によって支持され、シールド機の自重によって沈下するのが防止される。
すなわち、特許文献２に記載のシールド機は、地上からの発進を想定したものであるため、シールド機背面に竪坑壁や地山等が存在せず、地盤に打設した複数の杭にトラス型の反力受台を固定することによって、ジャッキ推力が杭周辺の地山に伝達される点で、特許文献１と異なる発進方法である。

特開２００７－２３７７０号公報 特開２００６－１６９６０号公報

しかしながら、昨今の既設構造物が輻輳した都市部におけるシールドトンネルの大深度化、大断面化施工に伴い、狭隘な施工用地に築造した立坑からのシールド機発進を余儀なくされ、特許文献１及び２のようにシールド機背面に反力設備を設けるための十分な空間を確保できないケースが多くなってきている。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、シールド機背面に反力設備を配置できる十分なスペースのない施工環境下であっても周辺の既設構造物等への影響を抑えながらシールド機を発進することができるシールド機の推力伝達構造及び推力伝達方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明のシールド機の推力伝達構造は、シールド機の推進ジャッキと既設躯体との間に仮組セグメントを備えるシールド機の推力伝達構造であって、前記仮組セグメントは複数のセグメントリングからなり、前記セグメントリングは複数のセグメントピースからなり、前記セグメントピースは高剛性ピース及び低剛性ピースとからなり、前記既設躯体側のセグメントリングを構成するセグメントピースのうち、該躯体に推力を伝達できる範囲に前記高剛性ピースが配置されていることを特徴とする。
また、前記仮組セグメントを構成する低剛性ピースが既設躯体に向けて拡張するように配置されていても良く、前記高剛性ピースがコンクリート系セグメント及び前記低剛性ピースが鋼製セグメントであっても良い。さらに、前記仮組セグメントと前記躯体との間に鋼製部材が配置されていても良い。

本発明のシールド機の推力伝達方法は、シールド機の推進ジャッキと既設躯体との間に仮組セグメントを備え、該シールド機の推力を該推進ジャッキから該仮組セグメントを介して該既設躯体に伝達させるシールド機の推力伝達方法であって、前記仮組セグメントは複数のセグメントリングからなり、前記セグメントリングは複数のセグメントピースからなり、前記セグメントピースは高剛性ピースと低剛性ピースとからなり、前記既設躯体側のセグメントリングを構成するセグメントピースのうち、該躯体に推力を伝達できる範囲に前記高剛性ピースが配置された状態で前記シールド機から推力を伝達させることを特徴とする。

本発明のシールド機の推力伝達構造及びその推力伝達方法によれば、既設躯体に推力を伝達できる範囲に高剛性のセグメントピースが配置されていれば、シールド機背面に推力を伝達するための反力鋼材（梁材）等を設置する十分なスペースが無くても、既設構造物等への影響を抑えながらシールド機を発進させることができる。
また、仮組セグメントを構成する低剛性ピースが既設躯体に向けて拡張するように配置されていれば、シールド機のジャッキ推力の大部分が、剛性の高い高剛性ピースに伝達されるので、伝達可能な既設躯体の範囲に推力を集中することができる。
高剛性ピースがコンクリート系セグメントであって、低剛性ピースが鋼製セグメントであれば、推力による軸剛性の違いをより明確にできる。詳細は後述するが、本実施形態で適用した鋼製セグメントに対するコンクリート系セグメント（合成セグメント）との軸剛性は約３倍と大きいので、より確実に集中的に推力をコンクリート系セグメントに伝達できる。
ここで、コンクリート系セグメントとは、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリート製セグメント）や合成セグメント（コンクリート中詰め鋼製セグメント）を言う。

本発明のシールド機の推力伝達構造の側面図である（図２のＣ－Ｃ矢視）。 本発明のシールド機の推力伝達構造の平面図である（図１のＡ－Ａ矢視）。 本発明のシールド機の推力伝達構造の正面図である（図１のＢ－Ｂ矢視）。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
＜シールド機の推力伝達構造＞
図１に、図２のＣ－Ｃ矢視である本発明のシールド機の推力伝達構造の側面図を示す
本実施形態では、上層に比較的柔らかい地盤からなる表層ＳＧと、下層に第三紀の固結シルトからなる岩盤Ｒとの２層地盤内に、立坑躯体１及び立坑躯体１の背面に連結されるカルバート３がそれぞれ形成され、立坑躯体１内にシールド機６の発進のための設備を設けシールド機６を発進させる。
シールド機６のカッター６２で切削可能なグラウンドアンカーＧＡ，ＧＡ・・・を敷設しながら山留壁ＥＷの内部を床付け面まで掘削し、掘削面ＤＳ上に基礎コンクリート１１、底版１２、側壁１３、頂版１４の順で立坑躯体１が構築されている。
なお、山留壁ＥＷは、ＳＭＷ工法（ソイルミキシングウォール工法）にて構築する。ＳＭＷ工法とは、不図示の多軸混練オーガー機で原地盤を削孔し、その先端よりセメントスラリーを吐出して削孔した地山と混練することで、ＳＭＷ壁体（ソイルセメント壁体）を造るものである。本実施形態では、各削孔ごとに芯材（Ｈ形鋼）が埋設された状態でＳＭＷ壁体を硬化させることで、芯材の周囲をＳＭＷ壁体が覆った状態で一体化されるので、止水性を兼ねた備えた剛性の高い山留壁ＥＷが構築される。

カルバート３は、立坑躯体１の構築の進捗に合わせ、掘削面ＤＳ上に不図示の基礎コンクリートを敷設し、外防水５を施しながら構築されている。立坑躯体１とカルバート３との接続部下方の隅角部には、カルバート３の構築に先立って、充填材１６が充填されている。カルバート３の直下には、岩盤Ｒが露頭しており、カルバート３の地耐力確保のために、充填材１６には岩盤Ｒと同等程度以上の剛性を有する充填材が用いられている。本実施形態ではコンクリートが採用されているが、所定の剛性を有すれば、モルタルであっても流動化処理土であっても特に限定されない。
また、本実施形態では、耐震設計上の観点から、挙動の異なる立坑躯体１とカルバート３との間には可とう継手４が設けられている。これにより立坑躯体１とカルバート３は、構造上の縁が切れている状態である。
カルバート３の構築及び外防水５の施工完了後、カルバート３の側部及び上部を含む周囲には、埋戻土ＢＳが被覆されている。埋戻土ＢＳには掘削残土が使用され、薄層に撒き出し、転圧しながら造成されている。埋戻土ＢＳには、掘削残土を利用した流動化処理土等を使用しても良く、掘削残土に限定されない。

底版１２上には、シールド機６を組立て、発進させるための支持部材となる架台２が設置されている。複数に分割された部材が不図示のトレーラーによって場内に搬入され、クレーン等の楊重機を用いて頂版１４に設けられた開口部１５から立坑躯体１内に投入され、シールド機６が組み立てられている。シールド機６は、少なくとも円筒形の胴体６１と、その前面に回転可能なカッター６２と、胴体６１の内部後方に配置されているセグメントに推力を伝達するための複数の油圧ジャッキ６３，６３・・・を具備している。
立坑躯体１の背面側の側壁１３の内空側に沿って反力壁７が設置されており、シールド機６と反力壁７との間には、仮組セグメント８が設置されている。
仮組セグメント８は、６つのセグメントリングからなり、セグメントリングは、複数のセグメントピースから構成され、セグメントピースは、高剛性ピース８１，８１・・・と低剛性ピース８２，８２・・・とからなる。
高剛性ピース８１はコンクリート系セグメント、低剛性ピース８２が鋼製セグメントであれば、推力伝達方向である軸剛性の違いをより明確にできる。ここで、コンクリート系セグメントとは、ＲＣセグメント（鉄筋コンクリート製セグメント）や合成セグメント（コンクリート中詰め鋼製セグメント）を言うが、軸剛性の違いを明確にできれば、これらのセグメントに限定されない。

ここで、可とう継手４の可とう性（特に、推力伝達方向の伸縮性）を一時的にブロックするための固定ピースを可とう継手４内に設置すれば、シールド機６の発進時の推力をカルバート３に伝達させることができる。しかしこの場合、カルバート３の変状によって、外防水５が損傷を受ける可能性があるため、本実施形態では、シールド機６の推力は、カルバート３に伝達させてはならないという制約が設けられている。

前述の通り、カルバート３の直下には、岩盤Ｒが露頭しており、立坑躯体１との接続部下方の隅角部についても、岩盤Ｒと同等程度以上の剛性を有する充填材１６によって充填されているので、側壁１３のうち、推力伝達範囲１３１にジャッキ推力を伝達できれば、シールド機６の発進に必要な反力は確保できる。
しかしながら、推力伝達範囲１３１は、仮組セグメント８のスプリングラインよりも下方に位置するため、全周の油圧ジャッキ６３，６３・・・を使って、仮組セグメント８に推力を伝達させようとする場合、仮組セグメントから推力伝達範囲１３１に向かって推力を集中的に伝達させるための反力鋼材（梁材）等が別途必要になるが、本実施形態では、そのような鋼材を配置するスペースが無い。それでは、推力伝達範囲１３１に相当する範囲の油圧ジャッキ６３，６３・・・にのみ推力を載荷するのでは、載荷しない範囲の仮組セグメント８の境界部に過大なせん断力が作用して損傷の原因を招いたり、シールド機６の姿勢制御上も望ましくない。
そこで、本実施形態では、仮組セグメント８のセグメントリングを構成するセグメントピースに、軸剛性の大きく異なる高剛性ピース８１，８１・・・と低剛性ピース８２，８２・・・とを適用し、その配置上の工夫をすることで、推力伝達範囲１３１に重点的に推力を伝達することを可能にしている。
具体的には、セグメントの千鳥配置の応力伝達機構を考慮して、油圧ジャッキ６３，６３・・・直背面の２列分のセグメントリングは、全周高剛性ピース８１，８１・・・のみで構成され、３列目以降のセグメントリングから高剛性ピース８１，８１を推力伝達範囲１３１に向かって段階的に漸減させる。本実施形態は、6列目のセグメントリングの高剛性ピース８１の上端から鋼製の反力壁内の推力分散角α（＝４５度）を考慮して、推力が推力伝達範囲１３１に集中的に伝達できるよう高剛性ピース８１が配置されている。

ここで、本実施形態で用いた鋼製セグメントと合成セグメントとの推力伝達方向の軸剛性の比較を行った。鋼製セグメントの主断面は不図示のスキンプレートの有効幅２５ｔ（中主桁位置では５０ｔ，ｔ：腐食代１ｍｍを考慮したスキンプレート厚さ）と主桁及び縦リブの断面積を考慮し、合成セグメントはこの鋼製セグメントの主断面に、中詰めしたコンクリートの剛性を考慮して計算を行った。その結果、鋼製セグメントに対する合成セグメントの軸剛性は２．８８倍の約３倍となった。
この条件でＦＥＭによる数値解析を行ったところ、カルバート３に影響を与えず、推力伝達範囲１３１に集中的に推力を伝達できることを確認している。

図２に、図１のＡ－Ａ矢視である本発明のシールド機の推力伝達構造の平面図及び図３に、図１のＢ－Ｂ矢視である本発明のシールド機の推力伝達構造の正面図をそれぞれ示す。
図２より、前述の通り、油圧ジャッキ６３，６３・・・直背面の２列分のセグメントリングは、全周高剛性ピース８１，８１・・・のみで構成され、３列目以降の低剛性ピース８２，８２・・・がカルバート３に向けて拡張するように配置されている。
また、図３は、図１のＢ－Ｂ矢視である６列目のセグメントリングの断面であり、仮組セグメント８のスプリングラインより概ね上部が低剛性ピース８２，８２・・・、下部が高剛性ピース８１，８１・・・により構成されていることを示している。この最背面の６列目のセグメントリングに接続される反力壁７は、セグメントリングの全面接触できるように水平材、鉛直材及び斜材を組み合わせて構成されている。
＜シールド機の推力伝達方法＞
図１～３より、本実施形態のシールド機の推力伝達方法を以下に示す。
シールド機６の推力を油圧ジャッキ６３，６３・・・と既設躯体である立坑躯体１の側壁１３との間に、仮力壁７と仮組セグメント８とを備えている。シールド機６の推力を油圧ジャッキ６３，６３・・・から仮組セグメント８を介して推力伝達範囲１３１に伝達させるために、仮組セグメント８のセグメントリングを構成するセグメントピースは、高剛性ピース８１，８１・・・と低剛性ピース８２，８２・・・とからなり、側壁１３側のセグメントリングを構成するセグメントピースのうち、側壁１３に推力を伝達できる範囲である推力伝達範囲１３１に高剛性ピース８１，８１・・・が配置された状態でシールド機６から推力を伝達させる。

本実施形態のシールド機の推力伝達構造及びその推力伝達方法によれば、既設躯体に推力を伝達できる範囲に高剛性のセグメントピースが配置されていれば、シールド機背面に推力を伝達するための反力鋼材（梁材）等を設置する十分なスペースが無くても、既設構造物等への影響を抑えながらシールド機を発進させることができる。
また、仮組セグメントを構成する低剛性ピースが既設躯体に向けて拡張するように配置されていれば、シールド機のジャッキ推力の大部分が、剛性の高い高剛性ピースに伝達されるので、伝達可能な既設躯体の範囲に推力を集中することができる。
高剛性ピースがコンクリート系セグメントであって、低剛性ピースが鋼製セグメントであれば、推力による軸剛性の違いをより明確にできる。詳細は後述するが、本実施形態で適用した鋼製セグメントに対するコンクリート系セグメント（合成セグメント）との軸剛性は約３倍と大きいので、より確実に集中的に推力をコンクリート系セグメントに伝達できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、推力伝達範囲１３１は、仮組セグメント８のスプリングラインより下方に位置しているが、推力を伝達できる範囲に集中的に推力を伝達できるように高剛性ピース８１，８１・・・を配置できれば良く、その伝達範囲は、下方に限定されず、側方であっても上方であって、そのいずれかの組合せであっても良い。

ＳＧ 表層
Ｒ 岩盤
ＥＷ 山留壁
ＤＳ 掘削面
ＢＳ 埋戻土
α 推力分散角
ＧＡ グランウンドアンカー
１ 立坑躯体
１１ 基礎コンクリート
１２ 底版
１３ 側壁
１３１ 推力伝達範囲
１４ 頂版
１５ 開口部
１６ 充填材
２ 架台
３ カルバート
４ 可とう継手
５ 外防水
６ シールド機
６１ 胴体
６２ カッター
６３ 油圧ジャッキ
７ 反力壁
８ 仮組セグメント
８１ 高剛性ピース
８２ 低剛性ピース

Claims (5)

1. シールド機の推進ジャッキと既設躯体との間に仮組セグメントを備えるシールド機の推力伝達構造であって、
   前記仮組セグメントは複数のセグメントリングからなり、
   前記セグメントリングは複数のセグメントピースからなり、
   前記セグメントピースは高剛性ピース及び低剛性ピースとからなり、
   前記既設躯体側のセグメントリングを構成するセグメントピースのうち、該躯体に推力を伝達できる範囲に前記高剛性ピースが配置されていることを特徴とするシールド機の推力伝達構造。
2. 前記仮組セグメントを構成する低剛性ピースが既設躯体に向けて拡張するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシールド機の推力伝達構造。
3. 前記高剛性ピースがコンクリート系セグメント及び前記低剛性ピースが鋼製セグメントであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシールド機の推力伝達構造。
4. 前記仮組セグメントと前記躯体との間に鋼製部材が配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のシールド機の推力伝達構造。
5. シールド機の推進ジャッキと既設躯体との間に仮組セグメントを備え、該シールド機の推力を該推進ジャッキから該仮組セグメントを介して該既設躯体に伝達させるシールド機の推力伝達方法であって、
   前記仮組セグメントは複数のセグメントリングからなり、
   前記セグメントリングは複数のセグメントピースからなり、
   前記セグメントピースは高剛性ピースと低剛性ピースとからなり、
   前記既設躯体側のセグメントリングを構成するセグメントピースのうち、該躯体に推力を伝達できる範囲に前記高剛性ピースが配置された状態で前記シールド機から推力を伝達させることを特徴とするシールド機の推力伝達方法。

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