JP7308005B2 - シールド工法によるトンネル構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法によるトンネル構築方法に関し、特に、六角形セグメントを環状に組み立ててトンネルを構築する技術に関するものである。

シールド掘進機は、切羽の安定を図りながら切羽に押し当てられたカッタ盤を回転させることにより地山を掘削する一方、掘削された坑の内周にセグメントを環状に組み立てることによりトンネルを構築する機器である。

シールド掘進機の機器本体は、前胴部と後胴部とを備えている。前胴部は、後胴部の前方端部に屈折自在の状態で接続されている。この機器本体内において前胴部と後胴部との間には中折れジャッキが、後胴部には推進ジャッキが、それぞれ機器本体の周方向に沿って複数配置されている。

そして、シールド掘進機でトンネルを構築する場合には、湾曲したセグメントをエレクタで把持して後胴部内で環状に組み立ててセグメントリングを形成し、形成したセグメントリングの切羽側を推進ジャッキで載荷して反力をとって推進しながら、中折れジャッキで推進方向を制御している。また、掘進作業においては、シールド掘進機を１セグメント分だけ推進させた後、推進によりシールド掘進機の後部と掘削坑の先端のセグメントリングとの間に生じた空き領域に新たなセグメントを組み付けている。

なお、セグメント形状保持装置については、例えば、特許文献１に記載があり、円形以外の異形断面トンネル内に覆工されたセグメントを内側から押さえるセグメント形状保持装置において、複数の保形ユニットをシールド坑の軸方向に直列状に配置した構成が開示されている。また、特許文献２には、上下拡張式のセグメント形状保持装置が開示されている。また、特許文献３には、セグメント内径の変化に対応可能な上下拡張式のセグメント形状保持装置が開示されている。

特開２０００－３２８８９８号公報 特開２００３－１２０１９８号公報 特開２００１－２５４５９９号公報

セグメントには、平面視で矩形の形状を呈する矩形セグメントの他に、平面視で六角形の形状を呈する六角形セグメントが知られている。この六角形セグメントは、対向して形成された長辺接合部および長辺接合部の両側に突出形成されたＶ字状の傾斜接合部を備えている。そして、長辺接合部を掘削坑の前後に向けて配置して千鳥状に組み立てて掘削坑の内周面を覆うトンネルを構築する。

そして、六角形セグメントを掘削坑の周方向に千鳥状に組み立てたセグメントリングにおいては、切羽に近い凸部と、この凸部から六角形セグメントＳＧの半分の幅分窪んだ台形状の凹部とが周方向に沿って交互に形成される。

ここで、シールド掘進機では、推進ジャッキのシャフトの中心線とセグメントの厚さ方向の中心線とが一致することが理想である。しかしながら、セグメントは後胴部の内壁に近接して配置されるのに対して、推進ジャッキは後胴部の内側に設置されることから、推進ジャッキのシャフトの中心線の方がセグメントの厚さ方向の中心線よりもトンネルの中心に近くなる。そのため、推進ジャッキでセグメントを押すことにより、セグメントの端面をトンネルの径方向外側に押し広げようとする力が発生する。

そして、矩形セグメントでは、周方向に配置されたセグメント同士がボルトで連結されているために前述した押し広げようとする力による変形は発生しにくい。しかしながら、千鳥状に組み立てられる六角形セグメントでは軸方向に半リング分突き出た凸部が周方向に対してボルトで連結されていないので、前述した押し広げようとする力により切羽側が径方向に開くような変形を起こし、これが隙間や段差の原因となる。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、環状に組み立てられた六角形セグメントを推進ジャッキで載荷したときに切羽側が径方向に開く変形を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載のシールド工法によるトンネル構築方法は、カッタヘッドを備えた前胴部、周方向に複数の推進ジャッキを備えて前記前胴部の後方端部に設けられた後胴部を有するシールド掘進機を用い、相互に対向して形成された長辺接合部および前記長辺接合部の両側に突出形成されたＶ字状の傾斜接合部を備えた六角形セグメントの前記長辺接合部を掘削坑の前後に向けて千鳥状に組み立てて当該掘削坑の内周面を覆うトンネルを構築するシールド工法によるトンネル構築方法であって、環状に組み立てられた前記六角形セグメントの切羽側を前記推進ジャッキで押圧し、前記推進ジャッキのストロークが所定長になったならば当該推進ジャッキを除荷し、その後再度当該推進ジャッキを載荷しながら前記シールド掘進機を推進させるようにし、１つの前記六角形セグメントを複数台の前記推進ジャッキで押圧し、トンネルの径方向中央よりも上に位置する前記六角形セグメントについては、切羽に向かって開く変形が発生しているときには当該六角形セグメントを押圧する全ての前記推進ジャッキを同時に除荷し、前記変形が発生していないときには当該六角形セグメントを押圧する前記推進ジャッキを１本ずつ除荷する、ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明のシールド工法によるトンネル構築方法は、請求項１記載の発明において、１つの前記六角形セグメントを複数台の前記推進ジャッキで押圧し、トンネルの径方向中央よりも下に位置する前記六角形セグメントについては、前記推進ジャッキを１本ずつ除荷する、ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明のシールド工法によるトンネル構築方法は、請求項１または２記載の発明において、前記推進ジャッキを除荷した後に再度載荷して所定長ストロークさせる操作を複数回実行する、ことを特徴とする。

本発明によれば、推進ジャッキを最終ストロークまでストロークさせる途中で六角形セグメントに加えられた荷重を取り除くことにより六角形セグメントに作用する力が解放されるので、六角形セグメントを推進ジャッキで載荷したときに切羽側が径方向に開く変形を抑制することが可能になる。

本発明の一実施の形態であるシールド工法において使用されるシールド掘進機の内部を側面から透かして見た構成図である。 本実施の形態で組み立てられる六角形セグメントの平面図である。 図２の六角形セグメントの正面図である。 図２の六角形セグメントの側面図である。 図２の六角形セグメントを組み立てて構築されたリング状の覆工体を側面から示す図である。 推進ジャッキで六角形セグメントを押したときに当該六角形セグメントに発生するトンネル径方向に押し広げようとする力を表した説明図であり、（ａ）はシャフトの伸びが短いときの力の大きさを示し、（ｂ）はシャフトの伸びが長いときの力の大きさを示す。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の一実施の形態であるシールド工法において使用されるシールド掘進機の内部を側面から透かして見た構成図である。

図１に示すように、本実施の形態のシールド掘進機１は、カッタヘッド２により掘削された土砂に添加材を注入して練り混ぜることで不透水性と塑性流動性とを持つ泥土を生成し、その泥土をカッタヘッド２と機器本体３との間の室内に充満した状態で掘進することで泥土圧を発生させ、その泥土圧を切羽の土圧に対抗させた状態で掘削坑を構築する機器である。

カッタヘッド２は、地山の切羽を掘削する部材であり、カッタヘッド２の周方向に沿って回転自在の状態で機器本体３の前面に設置されている。このカッタヘッド２には、切羽を掘削するための様々なタイプのビット４が装着されている。

機器本体３は、前述したカッタヘッド２を備えた前胴部３ａと、その後方の後胴部３ｂとを備えている。前胴部３ａおよび後胴部３ｂは、例えば円筒状の鋼製板により形成されており、機器本体３の外形を形成するとともに、機器本体３の内部に中空空間を形成する部材である。

前胴部３ａの前面側において、その前面から機器本体３の内方に後退した位置には、機器本体３内の中空空間を切羽側と機内側とに分ける隔壁７が設けられている。この隔壁７の切羽側、すなわちカッタヘッド２と隔壁７との間には、カッタヘッド２により掘削された土砂等が取り込まれる空間であるチャンバ６が設けられている。また、隔壁７の機内側には、添加材注入部５ｂ、カッタ駆動体８、中折れジャッキ９ａ、推進ジャッキ９ｂ、スクリューコンベア１０、エレクタ１１などが設けられている。

ここで、添加材注入部５ｂは、機器本体３の外回りやチャンバ６内に向けて添加材を注入する機器である。カッタ駆動体８は、カッタヘッド２を回転させる駆動源である。中折れジャッキ９ａは、前胴部３ａと後胴部３ｂとを屈曲自在に連結するとともに、シールド掘進機１の推進方向を制御する機器である。推進ジャッキ９ｂは、機器本体３の後方に設置されたセグメントＳＧに反力をとってシールド掘進機１を推進させるための推進力を発生させる機器であり、図１に示すように、機器本体３の後胴部３ｂに、シールド掘進機１の周方向に沿って複数個並んで配置されている。スクリューコンベア１０は、チャンバ６内に取り込まれた土砂を機外に排出するための機器である。エレクタ１１は、セグメントを把持して環状の覆工体に組み立てるための機器である。

さて、本実施の形態では、以上の構成を有するシールド掘進機１を用い、六角形セグメントを千鳥状に組み立てて環状の覆工体とし、これを連続させることで掘削坑の内周面を覆うトンネルが構築される。

ここで、トンネルの施工に用いられる六角形セグメントについて、図２～図４を用いて説明する。

これらの図面に示すように、六角形セグメントＳＧは、トンネル周方向に湾曲して平面六角形状に形成されており、相互に対向して形成されて平面視で平行になった２つの長辺接合部Ｊ１、および長辺接合部Ｊ１の両側に突出形成されたＶ字状の傾斜接合部Ｊ２を有している。また、内面の中央部には、エレクタ１１で把持されるときのアンカ（図示せず）が挿入される把持孔Ｈ１が形成されている。

この六角形セグメントＳＧ内には、傾斜接合部Ｊ２の一方の傾斜面と平行に、斜辺間継手ボルトが貫通するシース管Ｔが埋設され、一方の長辺接合部Ｊ１には、斜辺間継手ボルトを締め付けるための締付孔Ｈ２がシース管Ｔと連続して形成されている。また、傾斜接合部Ｊ２の他方の傾斜面と平行に、接合される他の六角形セグメントＳＧのシース管Ｔを貫通した斜辺間継手ボルトとねじ結合するインサートアンカＦ１が埋設されている。さらに、他方の長辺接合部Ｊ１から内部に向けて、六角形セグメントＳＧを吊す際に用いられる吊り用インサートＦ２が埋設されている。

そして、六角形セグメントＳＧの外周面には、他の六角形セグメントＳＧと凹凸嵌合して位置合わせを行うための部位として、凹部であるリング間ソケットＲ１ならびに凸部であるリング間プラグＲ２が形成されている。

なお、六角形セグメントＳＧは、本実施の形態では鉄筋コンクリート製であるが、鋼製であってもよい。

このような六角形セグメントＳＧを掘削坑の周方向に千鳥状に組み立てて、図５に示す環状の覆工体Ｂが構築される。覆工体Ｂにおいて、六角形セグメントＳＧの長辺接合部Ｊ１が掘削坑の前後（つまり、切羽側と坑口側）を向くように配置されており、前後方向に位置する六角形セグメントＳＧにおける傾斜接合部Ｊ２同士が交互に連結されることで、切羽に近い凸部と、この凸部から六角形セグメントＳＧの半分の幅分窪んだ台形状の凹部とが周方向に沿って交互に形成（凹凸形成）される。そして、形成された凹部に次の六角形セグメントＳＧの前半部を軸挿入して嵌合されている。

また、六角形セグメントＳＧを組み立てる際には、既に環状に組み立てられた六角形セグメントからなる覆工体Ｂの切羽側を推進ジャッキ９ｂで載荷して反力をとりながらシールド掘進機１を六角形セグメントＳＧの幅分だけ推進させて組み立てスペースを形成する。また、中折れジャッキ９ａでシールド掘進機１の推進方向を制御する。

ここで、図１に示すように、推進ジャッキ９ｂは後胴部３ｂの内側に設置されているために、当該推進ジャッキ９ｂのシャフト９ｂａの中心線（載荷重心）Ｌ１の方が六角形セグメントＳＧの厚さ方向の中心線Ｌ２よりもトンネルの中心に近くなる。そのため、推進ジャッキ９ｂで六角形セグメントＳＧを押すことにより、六角形セグメントＳＧの端面をトンネルの径方向外側に押し広げようとする力が発生する。

そして、千鳥状に組み立てられる六角形セグメントＳＧでは、六角形セグメントＳＧの半分の幅分突出した台形状の凸部が周方向に対して長辺接合部Ｊ１の長さおきに形成されており、当該凸部は、周方向に対してボルトで連結されていない（図５参照）。

すると、図６に示すように、六角形セグメントＳＧは、前述した押し広げようとする力Ｆｗにより切羽側が径方向に開くような変形を起こす。そして、この押し広げようとする力Ｆｗは、推進ジャッキ９ｂのシャフト９ｂａが伸びるほど大きくなる。

ここで、図６（ａ）は六角形セグメントＳＧを組み立てたときのシャフト９ｂａの伸びが短い状態における力Ｆｗの大きさを示しており、図６（ｂ）は六角形セグメントＳＧ１リング分シャフト９ｂａが伸びたときのシャフト９ｂａの伸びが長い状態における力Ｆｗの大きさを示している。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、推進ジャッキ９ｂのシャフト９ｂａが六角形セグメントＳＧをトンネルの軸方向に押す力Ｆｄは、シャフト９ｂａの伸びた長さに関係なく同じである。しかしながら、シャフト９ｂａが伸びていくにつれて偏芯量が大きくなるから（図６（ａ）（ｂ）の偏芯イメージ線ＥＬ参照）、六角形セグメントＳＧの端面をトンネルの径方向外側に押し広げようとする力Ｆｗは、シャフト９ｂａの伸びが短いとき（図６（ａ））よりも、シャフト９ｂａの伸びが長いとき（図６（ｂ））の方が大きくなる。

そして、この状態を放置すると、六角形セグメントＳＧが徐々に外周に張り出していくので、六角形セグメントＳＧ間で隙間や段差が生じることになる。

そこで、本実施の形態においては、このような変形を抑制するために、次のようにしてシールド掘進機１を推進させている。

すなわち、環状に組み立てられた六角形セグメントＳＧの切羽側を推進ジャッキ９ｂで押圧して荷重を加える（載荷する）際、推進ジャッキ９ｂのストロークが所定長になったならば、一旦推進ジャッキ９ｂ（のシャフト９ｂａ）を縮小させて当該六角形セグメントＳＧに加えられている荷重を取り除く（除荷する）。その後、推進ジャッキ９ｂ（のシャフト９ｂａ）を伸長させて再度載荷しながら推進させている。

具体的には、推進ジャッキ９ｂのシャフト９ｂａの先端が六角形セグメントＳＧの切羽側に当たった原点から最終的に１５００ｍｍストロークさせる場合（つまり、シールド掘進機１を１５００ｍｍ推進させる場合）、原点から４００ｍｍストロークさせてから推進ジャッキ９ｂを除荷する。その後、再度推進ジャッキ９ｂを４００ｍｍ（原点から８００ｍｍ）ストロークさせてから推進ジャッキ９ｂを除荷する。最後に、推進ジャッキ９ｂを７００ｍｍ（原点から１５００ｍｍ）ストロークさせる。このようにして、推進ジャッキ９ｂを１５００ｍｍストロークさせてシールド掘進機１を推進させたならば、シャフト９ｂａを最短にまで縮小して推進ジャッキ９ｂと六角形セグメントＳＧとの間にスペースを形成し、次の六角形セグメントＳＧを取り付ける。推進ジャッキ９ｂを除荷する時間は僅か（１～２秒程度）である。

なお、推進ジャッキ９ｂを除荷した後に再度載荷して所定長ストロークさせる操作は、ここでは２回実行しているが、１回または３回以上実行してもよい。また、推進ジャッキ９ｂを除荷した後に再度載荷する操作のタイミング（推進ジャッキ９ｂのストローク位置）は自由に設定することができる。さらに、前述した推進ジャッキ９ｂの最終ストローク長（１５００ｍｍ）や除荷位置（原点から４００ｍｍ、８００ｍｍ）などの数値は一例であり、これに限定されないことはもちろんである。

このように、推進ジャッキ９ｂを最終ストローク（ここでは１５００ｍｍ）までストロークさせる途中で六角形セグメントＳＧに加えられた荷重を取り除くことにより、当該六角形セグメントＳＧに作用する力が解放され、前述した切羽側が径方向に開くような変形（拡径方向の変形）を抑制することができる。そして、六角形セグメントＳＧ同士はボルトで接合されており、拡径方向の変形によってボルトには余分な応力がかかっており、シールド掘進機１が通過した後は六角形セグメントＳＧには外側から土圧や水圧がかかり、推進ジャッキ９ｂを除荷することで最も応力の小さい形である本来の形状に戻る。

トンネルの径方向中央よりも上に位置する六角形セグメントＳＧについては、切羽に向かって開く変形が発生しているときには当該六角形セグメントＳＧを押圧する全ての推進ジャッキ９ｂを同時に除荷する。これにより、六角形セグメントＳＧに作用する力が解放されて変形が抑制され、本来の形状に戻すことができる。一方、変形が発生していないときには、六角形セグメントＳＧを押圧する全ての推進ジャッキ９ｂを同時に除荷すると、当該六角形セグメントＳＧの自重により、反対に切羽側が径方向に閉じるような変形をおこすことが考えられる。そこで、変形が発生していないときには、六角形セグメントＳＧを押圧する推進ジャッキ９ｂを１本ずつ除荷するようにする。

また、トンネルの径方向中央よりも下に位置する六角形セグメントＳＧについては、自重による下向き（重力方向）の力が作用している。このため、切羽に向かって開く変形が発生しているときに全ての推進ジャッキ９ｂを同時に除荷しても本来の形状には戻らず、逆に自重によって沈んでしまう（つまり、さらに径方向に開くように変形する）。そこで、当該位置の六角形セグメントＳＧについては、変形の有無にかかわらず、推進ジャッキ９ｂを１本ずつ除荷して沈まないようにする。

以上説明したように、本実施の形態によれば、環状に組み立てられた六角形セグメントＳＧの切羽側を推進ジャッキ９ｂで押圧し、推進ジャッキ９ｂのストロークが所定長（ここでは、原点から４００ｍｍ、８００ｍｍ）になったならば推進ジャッキ９ｂを除荷し、その後再度推進ジャッキ９ｂを載荷しながらシールド掘進機１を推進させるようにしている。このように、推進ジャッキ９ｂを最終ストローク（ここでは１５００ｍｍ）までストロークさせる途中で六角形セグメントＳＧに加えられた荷重を取り除くことにより、六角形セグメントＳＧに作用する力が解放されるので、六角形セグメントＳＧを推進ジャッキ９ｂで載荷したときに切羽側が径方向に開くような変形を抑制することが可能になる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

以上の説明では、本発明を泥土圧式のシールド掘進機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、カッタヘッドの後方の機器本体内に設けられた泥水室に送泥ポンプにより泥水を圧送し、泥水室内の泥水の圧力を切羽の土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽の安定を図りながらカッタヘッドを切羽に押し当て回転させることにより地山に掘削坑を形成する泥水式のシールド掘進機等、他のシールド掘進機にも適用が可能である。

１ シールド掘進機
２ カッタヘッド
３ 機器本体
３ａ 前胴部
３ｂ 後胴部
６ チャンバ
７ 隔壁
９ａ 中折れジャッキ
９ｂ 推進ジャッキ
９ｂａ シャフト
１１ エレクタ
Ｂ 覆工体
Ｆｗ 六角形セグメントの端面をトンネルの径方向外側に押し広げようとする力
Ｊ１ 長辺接合部
Ｊ２ 傾斜接合部
ＳＧ 六角形セグメント

Claims (3)

1. カッタヘッドを備えた前胴部、周方向に複数の推進ジャッキを備えて前記前胴部の後方端部に設けられた後胴部を有するシールド掘進機を用い、
   相互に対向して形成された長辺接合部および前記長辺接合部の両側に突出形成されたＶ字状の傾斜接合部を備えた六角形セグメントの前記長辺接合部を掘削坑の前後に向けて千鳥状に組み立てて当該掘削坑の内周面を覆うトンネルを構築するシールド工法によるトンネル構築方法であって、
   環状に組み立てられた前記六角形セグメントの切羽側を前記推進ジャッキで押圧し、前記推進ジャッキのストロークが所定長になったならば当該推進ジャッキを除荷し、その後再度当該推進ジャッキを載荷しながら前記シールド掘進機を推進させるようにし、
   １つの前記六角形セグメントを複数台の前記推進ジャッキで押圧し、
   トンネルの径方向中央よりも上に位置する前記六角形セグメントについては、切羽に向かって開く変形が発生しているときには当該六角形セグメントを押圧する全ての前記推進ジャッキを同時に除荷し、前記変形が発生していないときには当該六角形セグメントを押圧する前記推進ジャッキを１本ずつ除荷する、
   ことを特徴とするシールド工法によるトンネル構築方法。
2. トンネルの径方向中央よりも下に位置する前記六角形セグメントについては、前記推進ジャッキを１本ずつ除荷する、
   ことを特徴とする請求項１記載のシールド工法によるトンネル構築方法。
3. 前記推進ジャッキを除荷した後に再度載荷して所定長ストロークさせる操作を複数回実行する、
   ことを特徴とする請求項１または２記載のシールド工法によるトンネル構築方法。

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