JP7356944B2 - シールド掘削工法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘削工法に関し、特に、所定曲率半径の曲線線形部において、組み付けられたセグメントを補強するシールド掘削工法に関する。

シールド掘削機によるシールド線形内に曲率半径の小さい急曲線部分が含まれている場合、一般的な泥土圧方式のシールド掘削機においては、カーブする方向とは反対側の複数のジャッキをセグメントに押し当てて反力をとっている。また、カーブする場所においては、複数のジャッキを均等に伸長させるのではなく、カーブの方向に応じて、複数のジャッキのうち、数本を伸長させる。例えば、左カーブであれば、シールド掘削機の左側よりも右側のジャッキを多く伸長させ、鋼製セグメントに押し当てて反力を取っている。このようにして、鋼製セグメントに押し当てるジャッキの位置や本数を制御することにより、急曲線部分のシールド掘削抗を築造する。

ここで、急曲線部分において、カーブの外側に組み付けられた鋼製セグメントは、複数のジャッキにより押されるため、非常に大きな荷重がかかり、鋼製セグメントが変形して、必要な反力が得られないことがあった。そこで、鋼製セグメントの主桁板の間に掘進方向に延びる縦リブを設け、さらに、鋼製セグメント内に補強部材としてジャッキを入れることにより、鋼製セグメントの強度を確保し、変形を防止していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１４０６２２号公報

しかしながら、急曲線部を掘削する場合、急曲線部の内側では、鋼製セグメント同士が目開きする現象等が発生し、鋼製セグメントが変形するが、特許文献１に記載の技術では、目開き現象に対して対処することができない。そのため、シールド掘削機が、急曲線部を掘削する場合に、鋼製セグメントから適切な反力を得られないので、シールド掘削機による掘進が安定しないという問題があった。

上記目的を達成するため、本発明に係るシールド掘削工法は、
所定曲率半径を有する曲線線形部において、シールド掘削機により地盤を掘削してシールド抗を形成するシールド掘削工法であって、
シールド掘削機により地盤を掘削し、シールド抗を形成する工程と、
前記シールド抗の内壁面に複数個の鋼製セグメントを組み付ける工程と、
複数個の前記鋼製セグメントと前記シールド抗との対抗面間に裏込め材を注入する工程と、
複数個の前記鋼製セグメントのうち、前記曲線線形部の内側に組み付けられた前記鋼製セグメントに少なくとも１つのボルトを締結する工程と、
複数個の前記鋼製セグメントのうち、前記曲線線形部の内側に組み付けられた前記鋼製セグメントに少なくとも１つの第１補強部材を設置する工程と、
を含み、
前記第１補強部材は、隣接する前記鋼製セグメントの主桁板同士を外側から挟み込むことにより、前記主桁板同士を緊結可能な緊結治具である。

本発明のシールド掘削工法によれば、急曲線部において、セグメントから適切な反力を得られるので、掘進を安定させることができる。

本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘削工法におけるシール掘削機による曲線線形部の掘削について説明するための（ａ）シールド掘削区の上面図および（ｂ）ジャッキの伸長について説明するための図である。 本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘削工法における、内側の曲線線形部における鋼製セグメントの目開きを説明するための（ａ）上面模式図および（ｂ）部分拡大図である。 本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘削工法に用いられる鋼製セグメントの鋼製について説明するための図である。 本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘削工法に用いられる鋼製セグメントに（ａ）補助ジャッキを取り付けた状態および（ｂ）緊結治具を取り付けた状態を説明するための図である。 本発明の好ましい一実施形態に係るシールド掘削工法において、緊結治具、補助ジャッキおよび増しボルトの設置範囲を説明するための図である。

以下、図１～図５を参照して、本実施形態に係るシールド掘削工法について説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施形態に係るシールド掘削工法の詳細について説明する。

図１（ａ）に示したように、シールド掘削機４０は、所定曲率半径（Ｒ）を有する曲線線形部において、地盤を掘削してシールド抗を形成する掘削機である。なお、本実施形態において、所定曲率半径（Ｒ）は、１０ｍ～２５０ｍであり、このような曲率半径を有する曲線線形部を急曲線部とも称する。

シールド掘削機４０は、掘削機内の複数のジャッキ４２を鋼製セグメントに押し当てて反力を取りながら伸長させることにより掘進方向４４へ掘進する。シールド掘削機４０が左側にカーブしながら掘削をする場合、シールド掘削機４０は、全てのジャッキ４２のジャッキアーム４２ａを伸長させて、鋼製セグメント１０から反力を得ているわけではない。

図１（ｂ）に示したように、シールド掘削機４０は、複数あるジャッキのうち一部のジャッキを伸長させて、鋼製セグメント１０から反力を得ている。図１（ｂ）は、シールド掘削機４０を後側から見た模式図であり、シールド掘削機４０は、紙面手前から奥側に向かって、左に曲がりながら掘進している。シールド掘削機４０が、左に曲がるためには、全てのジャッキ４２を伸長させずに、ハッチングを施したジャッキ４２のみを伸長させている。

図１（ｂ）に示したように、シールド掘削機４０を左にカーブさせるためには、シールド掘削機４０を左に向ける必要があり、そのため、カーブする方向とは反対側のジャッキ４２を多めに伸長させる。すなわち、シールド掘削機４０の右側部分が左側部分よりも前に出るようにしなければならない。そのため、図１（ｂ）においては、例として、右側のジャッキ４２のジャッキアーム４２ａを４本伸長させ、左側のジャッキ４２のジャッキアーム４２ａを２本伸長させている。さらに、左側のジャッキ４２においては、１本間を開けてジャッキ４２のジャッキアーム４２ａを伸長させている。これにより、シールド掘削機４０の右側には大きな推進力が発生し、左側では、右側よりも弱い推進力となるので、シールド掘削機４０は、全体として、左側へカーブしながら掘進するようになる。なお、シールド掘削機４０に設けられたジャッキ４２のジャッキアーム４２ａうち、どの位置のジャッキ４２のジャッキアーム４２ａを伸長させるかは、曲線線形部の曲率半径に応じて決定される。

このように、シールド掘削機４０は、直線線形部や曲線線形部の地盤を掘削して、シールド抗２０を形成するが、シールド掘削機４０は、シールド抗２０を掘削しつつ、シールド抗２０の内壁面に複数個の鋼製セグメント１０を組み付けながら掘進する。鋼製セグメント１０を組み付けた後、シールド掘削機４０は、複数個の鋼製セグメント１０とシールド抗２０との対抗面間に裏込め材を注入する。

裏込め材を注入したら、隣接する鋼製セグメント１０を延在方向Ｅに密着させるため、隣接する鋼製セグメント１０の間の主桁板１０ａにボルト１１を締結する。ボルト１１では、隣接する鋼製セグメント１０同士の密着が不十分の場合、増しボルト１２を締結して、鋼製セグメント１０同士を隙間なく組み付ける。

次に、図２を参照して、緊結治具１３の緊結について説明する。図２（ｂ）に示したように、シールド抗２０の曲線線形部２１の内側２１ａにおいては、鋼製セグメント１０の主桁板１０ａの目開きが発生し易い。そのため、本実施形態においては、次のようにして、組み付けられた鋼製セグメント１０を補強する補強部材を取り付ける。

組み付けられた複数個の鋼製セグメント１０のうち、曲線線形部２１の内側２１ａに組み付けられた鋼製セグメント１０に少なくとも１つの補強部材を設置する。ここで、補強部材は、隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士を外側から挟み込むことにより、主桁板１０ａ同士を緊結可能な緊結治具１３である。緊結治具１３は、例えば、万力（バイス）などであるが、これには限定されない。

このように、曲線線形部２１の内側２１ａの鋼製セグメント１０については、図２（ｂ）に示すように、ボルト１１や緊結治具１３などで、隣接する主桁板１０ａ同士を密着させないと、主桁板１０ａの下部から上部にかけて、徐々に離れていく、目開きが発生する。そのため、鋼製セグメント１０の主桁板１０ａにボルト１１を締結して、主桁板１０ａ同士を密着させる。しかしながら、ボルト１１のみでは、主桁板１０ａ同士の締め付けは十分ではなく、目開きが発生する場合があるため、さらに、緊結治具１３を用いて、より強固に主桁板１０ａ同士を密着させている。

図３を参照して、本実施形態に用いられる鋼製セグメント１０の一例について説明する。鋼製セグメント１０は、シールド抗２０の内壁面に覆工体を形成するための部材である。また、鋼製セグメント１０は、シールド掘削機４０が掘進するときには、ジャッキ４２の反力を受ける部分でもある。覆工体は、複数個の鋼製セグメント１０がシールド抗２０の周方向Ｃおよび延在方向Ｅに沿って隣接した状態で配置されることによりシールド抗２０の内壁面を覆うように円環状に形成されている。

それぞれの鋼製セグメント１０は、スキンプレート１０ｅ、一対の主桁板１０ａ、一対の継手板１０ｂ、縦リブ１０ｃ、およびグラウトホール１０ｄを備えている。スキンプレート１０ｅは、シールド抗２０の内壁面に対向し、これを覆う部分であり、シールド抗２０の内壁面（周方向Ｃ）に沿って円弧状に形成されている。スキンプレート１０ｅは、その外周に形成された一対の主桁板１０ａと一対の継手板１０ｂとで囲まれて支持されている。

主桁板１０ａは、シールド抗２０に作用する外力に抵抗する部材であり、スキンプレート１０ｅの外周の一対の長辺（周方向Ｃに沿う辺）に沿って設けられている。主桁板１０ａは、スキンプレート１０ｅの厚さ方向に突き出すように立設されており、シールド抗２０の周方向Ｃに沿う鋼製セグメント１０の側壁部を形成している。

継手板１０ｂは、シールド抗２０の周方向Ｃに隣接する鋼製セグメント１０同士を繋ぐための板状部材であり、スキンプレート１０ｅの外周の一対の短辺（延在方向Ｅに沿う辺）に沿って設けられている。継手板１０ｂは、スキンプレート１０ｅの厚さ方向に突き出すように立設されており、シールド抗２０の延在方向Ｅに沿う鋼製セグメント１０の側壁部を形成している。

縦リブ１０ｃは、ジャッキ４２の推力に抵抗するとともに、スキンプレート１０ｅに作用する荷重を主桁板１０ａに伝達する部材であり、一対の主桁板１０ａの間を結ぶように延在方向Ｅに沿って延びた状態で設置されている。また、縦リブ１０ｃは、スキンプレート１０ｅに接するように設けられており、地盤の土水圧や裏込め材の圧力によりスキンプレート１０ｅが変形しないように補強する役割も有している。ここでは、縦リブ１０ｃとして、ボックス型鋼を用いているが、これには限定されず、例えば、Ｌ型鋼、Ｈ型鋼または丸型鋼であってもよい。

なお、１つの鋼製セグメント１０に取り付けられる縦リブ１０ｃの本数は、シールド抗２０の施工時に作用する荷重の大きさによって導き出される。ここでは、外部からスキンプレート１０ｅに作用する圧力に抵抗可能なように縦リブ１０ｃを設けているが、主桁板１０ａ、継手板１０ｂおよびスキンプレート１０ｅにより十分な抵抗力を得られる場合には、縦リブ１０ｃを設けなくてもよい。

グラウトホール１０ｄは、鋼製セグメント１０とシールド抗２０との対抗面間に裏込め材を注入するための穴である。裏込め材の注入後は漏出防止用のキャップ等を被せて、地下水や裏込め材が漏出しないようにする。

図４を参照して、ボルト１１、増しボルト１２、緊結治具１３および補助ジャッキ１４の取り付けについて説明する。まず、図４（ａ）を参照して、補助ジャッキ１４の取り付けについて説明する。補助ジャッキ１４は、曲線線形部２１の外側２１ｂに組み付けられた鋼製セグメント１０に設置される。

補助ジャッキ１４は、シールド抗２０の延在方向Ｅに沿って伸縮可能なジャッキであり、例えば、スチフナージャッキにより構成されている。そして、補助ジャッキ１４は、シールド抗２０の延在方向Ｅに隣接する鋼製セグメント１０のそれぞれにおいて、主桁板１０ａを挟んで、補助ジャッキ１４の同一部材同士が突き合わされるように設置される。シールド抗２０の延在方向Ｅに隣接する補助ジャッキ１４において、押し合う部分の面積が異なると補助ジャッキ１４の安定性が低下するためだからである。

また、このように伸縮自在の補助ジャッキ１４としたことで、例えば、曲線線形部２１のカーブがきつい、急曲線部に用いられるテーパーセグメントのように、他のセグメントとは幅（短方向寸法）や形状などが異なるセグメントに対しても柔軟に対応できる。なお、曲線線形部２１においては、テーパーセグメントと鋼製セグメント１０とを組み合わせて、曲線線形部２１の曲率半径に応じたセグメントの組み付けを行う。例えば、テーパーセグメントをＴとし、通常のストレートなセグメントをＳとすると、ある曲線線形部２１においては、ＴＳＴと並べたり、ＴＴＳＴＴと並べたりする。これにより、所望の曲率半径の曲線線形部２１において、ずれがなく、カーブの形状にフィットしたセグメントの組み付けを行うことができる。

次に、図４（ｂ）を参照して、緊結治具１３の取り付けについて説明する。緊結治具１３は、曲線線形部２１の内側２１ａに組み付けられた鋼製セグメント１０に設置される。緊結治具１３は、鋼製セグメント１０の内側から、鋼製セグメント１０の主桁板１０ａを挟持する治具であり、例えば、万力などである。緊結治具１３は、緊結力を自在に調整可能な治具であり、延在方向Ｅに隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士を挟持して、密着させ、結合させる。

ここで、ボルト１１および増しボルト１２の設置について説明する。シールド抗２０を掘削した後、鋼製セグメント１０をシールド抗２０の内壁面に組み付けるが、組み付けの際に裏込め材を注入して、鋼製セグメント１０とシールド抗２０の内壁面とを密着させる。このように、鋼製セグメント１０とシールド抗２０との対抗面同士は、裏込め材により密着させることができるが、隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士は、隣り合って配置されているだけである。

そこで、隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士の密着性、つまり、隣接する鋼製セグメント１０の延在方向Ｅの密着性を上げるため、隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａにボルト１１を挿入して、主桁板１０ａ同士を強固に密着させる。なお、ボルト１１では、主桁板１０ａ同士の密着性が十分でない場合、増しボルト１２を追加して、密着度を向上させる。なお、増しボルト１２の数は、１つには限定されず、隣接する鋼製セグメント１０の主桁板１０ａの密着具合に応じて、適宜選択される。鋼製セグメント１０同士が、密着することにより、シールド掘削機４０のジャッキ４２からの押圧力に対抗しすることができ、シールド掘削機４０の掘進のための反力を与えることができる。

そして、緊結治具１３は、図４（ｂ）の上段に示したように、ボルト１１および増しボルト１２の下部に設置しても、図４（ｂ）の下段に示したように、ボルト１１および増しボルト１２の間に設置してもよい。また、図示はしていないが、緊結治具１３は、ボルト１１および増しボルト１２の上部に設置してもよい。つまり、鋼製セグメント１０の主桁板１０ａの目開きの位置や大きさに応じて、緊結治具１３は、適切な位置に設置される。例えば、緊結治具１３は、縦リブ１０ｃのある位置に設置してもよい。また、緊結治具１３の設置数も１つには限定されない。このように、ボルト１１、増しボルト１２および緊結治具１３により、鋼製セグメント１０を補強するので、鋼製セグメント１０の剛性が増し、曲線線形部２１の施工時の大きな偏心荷重による鋼製セグメント１０の目開きや、縦リブ１０ｃの変形を防止できる。そのため、所定曲率半径の曲線線形部２１における線形精度を向上させることができる。

次に、図５を参照して、増しボルト１２、緊結治具１３および補助ジャッキ１４の設置範囲について説明する。図５は、シールド抗２０の断面模式図である。図５の左側が曲線線形部の内側（カーブの内側）であり、右側が曲線線形部の外側（カーブの外側）である。そして、図５は、シールド抗２０を後ろ側から見た図である。

緊結治具設置範囲３０は、図５の左側、つまり、シールド抗２０の曲線線形部の内側（カーブの内側２１ａ）の範囲である。すなわち、この範囲は、目開きによる鋼製セグメント１０同士の密着性の低下が顕著な範囲であるため、緊結治具１３により、より強固に鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士を密着させなければならない。

補助ジャッキ設置範囲３１は、図５の右側、つまり、シールド抗２０の曲線線形部の外側（カーブの外側２１ｂ）の範囲である。すなわち、この範囲は、シールド掘削機４０のジャッキ４２から大きな圧力を受ける範囲であり、シールド掘削機４０に適切な反力を提供しなければならない範囲である。そのため、ジャッキ４２からの圧力に対抗して、適切な反力を提供するため補助ジャッキ１４が設置される。

増しボルト設置範囲３２は、図５の左側、つまり、シールド抗２０の曲線線形部の内側（カーブの内側２１ａ）の範囲であり、緊結治具設置範囲３０よりも広い範囲となっている。この範囲では、鋼製セグメント１０の主桁板１０ａ同士を密着させるために、必要に応じて増しボルト１２が追加で設置される。緊結治具設置範囲３０と増しボルト設置範囲３２とが重なる範囲は、主桁板１０ａ同士の目開きが顕著に発生しやすい範囲となるので、増しボルト１２と緊結治具１３とで目開きの発生を抑制している。また、緊結治具設置範囲３０と増しボルト設置範囲３２とが重ならない範囲、すなわち、シールド抗２０の天井付近および底部付近においては、増しボルト１２で目開きの発生を抑制している。

以上説明したように、本発明に係るシールド掘削工法によれば、急曲線部において、セグメントから適切な反力を得られるので、掘進を安定させることができる。また、鋼製セグメントの主桁板を緊結治具により緊結するので、鋼製セグメントを延在方向において強固に密着させることができ、ジャッキからの圧力により、鋼製セグメントに目開きが発生したり、縦リブが変形したりすることがない。そのため、所定曲率半径の曲線線形部の線形精度を向上させることができる。さらに、曲線線形部の内側の鋼製セグメントに緊結治具を設置するだけなので、簡易、迅速に施工を進めることができる。

１０ 鋼製セグメント
１０ａ 主桁板
１０ｂ 継手板
１０ｃ 縦リブ
１０ｄ グラウトホール
１０ｅ スキンプレート
１１ ボルト
１２ 増しボルト
１３ 緊結治具
１４ 補助ジャッキ
２０ シールド抗
２１ 曲線線形部
２１ａ 内側
２１ｂ 外側
３０ 緊結治具設置範囲
３１ 補助ジャッキ設置範囲
３２ 増しボルト設置範囲
４０ シールド掘削機
４２ ジャッキ
４２ａ ジャッキアーム
４４ 掘進方向
Ｅ 延在方向
Ｃ 周方向

Claims (3)

1. 所定曲率半径を有する曲線線形部において、シールド掘削機により地盤を掘削してシールド抗を形成するシールド掘削工法であって、
   シールド掘削機により地盤を掘削し、シールド抗を形成する工程と、
   前記シールド抗の内壁面に複数個の鋼製セグメントを組み付ける工程と、
   複数個の前記鋼製セグメントと前記シールド抗との対抗面間に裏込め材を注入する工程と、
   複数個の前記鋼製セグメントのうち、前記曲線線形部の内側に組み付けられた前記鋼製セグメントに少なくとも１つのボルトを締結する工程と、
   複数個の前記鋼製セグメントのうち、前記曲線線形部の内側に組み付けられた前記鋼製セグメントに少なくとも１つの第１補強部材を設置する工程であって、隣接する前記鋼製セグメントの主桁板同士を外側から挟み込むことにより、前記主桁板同士を緊結可能で、緊結力を自在に調整可能な緊結治具を設置する工程と、
   を含み、
   前記第１補強部材は、隣接する前記鋼製セグメントの主桁板同士を外側から挟み込むことにより、前記主桁板同士を緊結可能な緊結治具である、シールド掘削工法。
2. 複数個の前記鋼製セグメントのうち、前記曲線線形部の外側に組み付けられた前記鋼製セグメントに第２補強部材を設置する工程をさらに含み、
   前記第２補強部材は、前記シールド抗の延在方向に沿って伸縮可能なジャッキであって、
   前記ジャッキは、前記鋼製セグメント内において前記延在方向に平行となるように設置され、伸長されることにより、前記鋼製セグメントの主桁板を内側から突っ張る、請求項１に記載のシールド掘削工法。
3. 前記所定曲率半径は、１０ｍ～２５０ｍである請求項１または２に記載のシールド掘削工法。