JPH06123199A - シールド機およびシールド工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大断面トンネルの掘削を安定して行ない、か
つ、工程の短縮化および設備の省略化を図ることのでき
るシールド機およびシールド工法を提供する。 【構成】 前部のカッタ装置３を、掘削されたトンネル
の内壁に沿って組み立てられる覆工用のセグメントの前
端部に反力をとって推進する外胴部１０と、シールド機
本体に反力をとって前記外胴部１０と独立して推進可能
な内胴部１１とに分割する構成とする。また、シールド
機の後方に組み立てたセグメントに反力を取ってカッタ
装置の外胴部１０の掘進を行ない、これと交互にシール
ド機本体に反力を取ってカッタ装置の内胴部１１の掘進
を行ない、かつ、内胴部の掘進と並行して前記セグメン
トの組立を行なう構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大断面トンネル工事に
好適なシールド機およびシールド工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネルの構築方法としては既に様々な
ものが提供されているが、特にシールド工法は硬岩以外
のあらゆる地山に適用でき、しかも地上施設に影響を与
えず、地下深部の施工が可能である等の利点を有するた
め、近年特にその施工実績が増加している。また近年で
は、地下の利用ニーズが高まり、それに伴いトンネルも
その大断面化が要求されてきている。

【０００３】上記のシールド工法は、シールド機本体の
前部に設けられたカッタ装置により地山を掘削しつつ、
掘削されたずりをトンネル後方に搬出するとともに、掘
削されたトンネルの内壁に沿って覆工用のセグメントを
組み立ててトンネルを覆工させていくもので、当該セグ
メントに推進ジャッキの反力を取りシールド機を掘進さ
せるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のシールド工法を大断面トンネルに適用する場合には
次のような解決すべき課題があった。

【０００５】第１にシールド工法では、切羽を安定させ
る必要があるが、特に大断面のトンネルの場合、断面の
上下において圧力差（水圧、土圧）が大きく、圧力管理
値の決定および管理が難しく、切羽の安定確保が難しい
こと、第２にシールド工法では、カッタ装置の回転の周
速が中心部分と外周部分とで大きく異なるため、特に大
断面トンネルの場合、土砂の切り込みおよび取り込みが
難しいこと、第３にシールド工法では、トンネルの掘削
工程の後にセグメントの組立工程を行ない、全体工程が
かかる過ぎること、第４にシールド工法では、大断面ト
ンネルの場合、設備が大規模となり、莫大な電力設備を
必要とすること、などである。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、大断面トンネルの掘削を安定して行ない、かつ、工
程の短縮化および設備の省略化を図ることのできるシー
ルド機およびシールド工法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１記載の
発明は、前部のカッタ装置により地山を掘削しつつ、掘
削されたトンネルの内壁に沿って覆工用のセグメントを
組み立てるようにしたシールド機において、前記カッタ
装置を、前記セグメントの前端部に反力をとって推進す
る外胴部と、シールド機本体に反力をとって前記外胴部
と独立して推進可能な内胴部とに分割する構成とした。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、シールド機
の後方に組み立てたセグメントに反力を取ってカッタ装
置の外胴部の掘進を行ない、これと交互にシールド機本
体に反力を取ってカッタ装置の内胴部の掘進を行ない、
かつ、内胴部の掘進と並行して前記セグメントの組立を
行なう構成とした。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明によれば、カッタ装置の外
胴部の掘進と内胴部の掘進とを交互に行なうことで、い
ずれかの掘進時に他方が切羽面を支持することなり、安
定した切羽が保証される。またカッタ装置の外胴部の掘
進と内胴部の掘進とを独自に行なうことでカッタ装置の
中心部と外周部の周速の違いを小さくできる。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、カッタ装置
の内胴部の掘進と並行してセグメントの組立を行なうこ
とにより、掘削およびシールド工事の全体工程が省略化
される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図５を参
照しながら説明する。図１は本発明のシールド機Ｓによ
り施工途中にあるトンネルＴの切羽近傍を示した図、図
２は同シールド機Ｓの正面図である。

【００１２】シールド機Ｓは、図１に示すように、シー
ルド機本体１の外殻を成す円筒状のスキンプレート２
と、シールド機本体１の前端部に装備され、駆動軸によ
り回転せしめられて地山を掘削するカッタ装置３と、ス
キンプレート２の内周面に基端が固定された推進ジャッ
キ４とを設備した基本構造とされ、カッタ装置３により
掘削した掘削土は排土装置によりトンネル後方へ搬送し
立て坑などから地上へ排出するようにしている。

【００１３】前記カッタ装置３は、シールド機Ｓの軸心
を通る線分を中心として遠心方向に２分割された外胴部
１０および内胴部１１から成る構成とされている。前者
の外胴部１０は、駆動軸１２により回転せしめられて地
山を掘削する構成とされ、前記した推進ジャッキ４の先
端を覆工用セグメント３０に定着させることにより自身
の推進反力を支持するようにしている。また、後者の内
胴部１１は、駆動軸１３により自身の回転軸１４を介し
て回転せしめられて外胴部１０と独立して地山を掘削す
る構成とされ、後端部に設けられた推進ジャッキ１５の
先端をシールド機本体１に定着させることにより自身の
推進反力を支持するようにしている。なお、外胴部１０
と内胴部１１との間隙にはシール２０が設けられてい
る。

【００１４】次に、以上のように構成されたシールド機
Ｓを用いて大断面トンネルを掘削する施工手順を図３な
いし図５を参照して説明する。

【００１５】（１）図３は、外胴部１０の掘進を停止
し、内胴部１１のみによる掘進状態を示している。この
掘進状態においては、外胴部１０が停止して前方の切羽
面を支持するので、内胴部１１が掘削する内側の切羽が
安定しており、大断面であっても切羽が崩壊するおそれ
はない。したがって、内胴部１１は切羽が安定した状態
での掘進が可能であり、後端の推進ジャッキ１５をシー
ルド機本体１に定着させて伸長し、自身の推進反力をシ
ールド機本体１に取りながら外胴部１０の切羽面まで掘
進する。また、内胴部１１の掘進に合わせて外胴部１０
の推進ジャッキ４を縮小し、この推進ジャッキ４と既設
の覆工用セグメント３０の先端との間に新たに覆工用セ
グメント３０を組み立てる。

【００１６】（２）内胴部１１のカッタ面が外胴部１０
の切羽面まで達したら、図４に示すように、外胴部１０
の掘進を行なう。この掘進状態においては、内胴部１１
が停止して前方の切羽面を支持するので、外胴部１０が
掘削する切羽圧が小さくなるとともに、切羽が崩壊する
おそれがなく安定が保証されている。したがって、外胴
部１０の掘進は内胴部１１の掘進と同様に安定した状態
での掘進が可能であり、外胴部１０は、後端の推進ジャ
ッキ４をセグメント３０の先端に定着させて伸長し、自
身の推進反力をセグメント３０に取りながら掘進する。
この外胴部１０の掘進に合わせて内胴部１１の推進ジャ
ッキ１５を縮小し、次の内胴部１１の掘進に備える。

【００１７】（３）外胴部１０の掘進を所定長（１セグ
メント以上）行なったら、外胴部１０を停止する一方、
図５に示すように、再び内胴部１１の掘進を開始し、内
胴部１１の掘進と並行してセグメント３０を組み立てて
いく。

【００１８】（４）このように内胴部１１の掘進と外胴
部１０の掘進を交互に行ないつつ、内胴部１１の掘進と
並行してセグメント３０を組み立てていき、トンネルＴ
の施工を継続実施する。

【００１９】ところで、本出願人らは、本発明のシール
ド機を用いて地山を掘進する場合の切羽形状に与える影
響について有限要素法（ＦＥＭ）を用いた解析を行っ
た。図６はその条件を示しており、シールド機の縦断方
向の断面を２次元のモデルとして、シールド機の凹み量
（図６中符号Ｘ）を０メートルから６メートルに段階的
に変えた場合の地盤の動きの変化を調べた。すなわち、
内胴部１１と外胴部１０の前端面が同一面にある場合
（従来型）、内胴部１１が外胴部１０に対し１メートル
後退している場合、後退量（凹み量）が２メートル、４
メートル、６メートルの場合の５通りについて調べた。
また、地山は砂質土、シールド機は泥水シールドを想定
し、したがって土の単位重量は水中重量とした。

【００２０】図７および図８は、凹み量が０メートルの
場合（従来型）と凹み量が６メートルの場合の有限要素
法による地盤の変位量の解析結果をそれぞれ示してい
る。これらの図に明らかなように、従来型に比較して内
胴部１１の凹み量が大きい方が地盤の変位量が小さく、
切羽面が安定化状態にあることが分かる。

【００２１】また、図９の表は凹み量が０メートル〜６
メートルにおける各地盤の代表的な箇所Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．３（図７参照）の変位量を表している。この表に示
すように、縦方向の沈下量は、内胴部１１の凹み量が１
メートルの場合では凹み量が０メートルの場合の７０％
にとどまることがわかった。同様に凹み量が２メートル
の場合では６０〜７０％、４メートルの場合では５５〜
６０％、６メートルの場合では４５〜５０％にとどまる
ことがわかった。

【００２２】この解析結果から、内胴部１１の凹み量が
１メートルとわずかであっても切羽面に対する影響をか
なり低減することができることがわかった（約３割
減）。また、凹み量を６メートルまで増やすほど周囲へ
の影響は小さくなることがわかった。以上の結果より、
シールド機のカッタ装置を外胴部１０と内胴部１１とに
分割した凹形のシールド機では、従来の面一形のシール
ド機よりも地盤の変形、変状に対し、効果があることが
判明した。

【００２３】本実施例によれば、以下の効果を奏する。 （イ）上記シールド機によれば、大断面のトンネルであ
っても、切羽が安定した状態での掘進が可能である。す
なわち、外胴部１０の掘進を先行させて外胴部１０によ
り切羽面をコ字型に支持し、したがって切羽の上部およ
び下部の切羽圧の差を小さくして内側の切羽を安定化で
き、安定した状態での内胴部１１の掘進が可能である。
また、推進ジャッキ４、１５の各ストローク量を数種類
用意することで、外胴部１０および内胴部１１の相対位
置を数段階にわたり得ることができ、切羽状況に応じた
きめ細かい対応が可能である。 （ロ）外胴部１０と内胴部１１を独立して掘進可能とし
たので、カッタ面の中心部と外周部の周速の違いを小さ
くすることができ、これにより全断面にわたっての土砂
の切り込みおよび土砂の取り込みを最良の状態で運転制
御することを容易にすることができるので、掘進性能を
向上させることができる。 （ハ）内胴部１１の掘進工程とセグメント３０の組立工
程との並行作業を実現でき、全体工程の合理化を図り、
工期の大幅な短縮を可能とする。 （ニ）外胴部１０の掘進と内胴部１１の掘進を交互に行
なうことで、掘進のために必要とする動力用の電力設備
の容量を半減できる。 （ホ）休日等の場合のように長時間の掘進中止をする場
合にコ字型状態で切羽面を支持できるので、従来よりも
掘進中止中の地盤沈下を少なくすることができ、近隣施
設等に対する悪影響を少なくできて安全である。

【００２４】なお、本実施例では、たとえば１セグメン
ト長さが２メートルの場合、外胴部１０を２メートル掘
進した後、内胴部１１を２メートル掘進しながらこれと
並行してセグメント３０の組立を行う場合を説明した
が、本発明はこれに限定されず、地山の状況に応じて外
胴部１０と内胴部１１の運転を適宜に制御できる。たと
えば、１セグメント長さが２メートルの場合、外胴部１
０を２メートル掘進した後、外胴部１０後方にセグメン
トを組み立てると同時に内胴部１１を１メートル掘進
し、この間にセグメントの組立を終了した場合には、つ
いで外胴部１０を１メートル掘進し、次にもう一度内胴
部１１を１メートル掘進してから、外胴部１０をさらに
１メートル掘進して最初の状態に戻る運転とすることも
できる。このような運転制御を行なうことで、外胴部１
０の前端部が内胴部１１の前端部の前方に常に位置し、
常にコ字型のシールド機の姿勢を形成するので、前記実
施例に比較して一層切羽面を常に安定化状態とできる。
またこの場合、シールド機の製作当初から内胴部１１の
掘進を１メートルとして設計することで、内胴部１１の
推進ジャッキ１５を外胴部１０の推進ジャッキ４よりも
小型化でき、製造費が安くなる利点もある。

【００２５】また、本発明のシールド機におけるカッタ
装置の断面形状は本実施例に限らず、外胴部１０から内
胴部１１にかけて中央付近が最大凹んだ猪口状型の場合
もある。この猪口状型では、内胴部１１が最大前進した
場合であっても外胴部１０の前端部が常に内胴部１１の
前方に位置するため、常に安定した切羽面が得られ、し
かも掘削土砂の取り込みが容易になる利点がある。ま
た、カッタ装置の断面形状としては、外胴部１０が傘状
型または傘状型と猪口状型の複合型で内胴部１１が猪口
状型の場合も可能であり、掘削地盤に応じて最適な形状
に設定される。

【００２６】さらに、本発明のシールド機は、本実施例
のようにカッタ装置３を外胴部１０と内胴部１１に２分
割する構造に限らず、たとえばシールド径を大きくする
場合には、外胴部１０と内胴部１１の間に中胴部を設け
る３分割構造、さらには４分割構造とするなど多重分割
構造としてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた効果を奏する。請求項１記載の発明によ
れば、前部のカッタ装置を、後方で組み立てたセグメン
トにより推進反力をとって推進可能な外胴部と、当該外
胴部と独立してシールド機本体により推進反力をとって
推進可能な内胴部とに分割する構成としたから、それら
外胴部および内胴部により切羽の支持および切羽の掘進
を交互に繰り返すことで、大断面のトンネルであっても
切羽を安定させた状態で掘進できる。さらに、外胴部お
よび内胴部を独立して掘進することで、カッタ装置の内
周部と外周部の周速の違いを小さくでき、土砂の切り込
みおよび土砂の取り込みを容易にすることができる。し
かも、外胴部および内胴部を交互に掘進可能とすること
で、必要な電力設備を半減できるとともに、これにより
工期の短縮および仮設費用のコストダウンを図ることが
できる。また、請求項２記載の発明によれば、シールド
機の後方に組み立てられたセグメントに反力を取ってカ
ッタ装置の外胴部の掘進を行ない、これと交互にシール
ド機本体に反力を取ってカッタ装置の内胴部の掘進を行
ない、かつ、内胴部の掘進と並行してセグメントの組立
を行なう構成としたから、トンネル工事の全体工程の合
理化を図ることができ、これにより工期の大幅な短縮を
図ることができ、さらにこれに伴うコストダウンが図ら
れることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシールド機により掘削途中にあるトン
ネルの切羽付近を示す図である。

【図２】同シールド機の正面図である。

【図３】同シールド機による施工手順を示す図である。

【図４】同シールド機による施工手順を示す図である。

【図５】同シールド機による施工手順を示す図である。

【図６】同シールド機で施工した場合の切羽形状に与え
る影響を解析するための条件を示す図である。

【図７】有限要素法によって解析された切羽形状の２次
元平面ひずみを表す図である。

【図８】有限要素法によって解析された切羽形状の２次
元平面ひずみを表す図である。

【図９】解析結果を表にまとめた図である。

【符号の説明】

１ シールド機本体 ２ スキンプレート ３ カッタ装置 ４ 推進ジャッキ １０ 外胴部 １１ 内胴部 ３０ セグメント Ｓ シールド機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 晋一 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 久保 裕之 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 川口 博行 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 川上 房男 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 後藤 徹 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 田中 大三 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 前部のカッタ装置により地山を掘削しつ
   つ、掘削されたトンネルの内壁に沿って覆工用のセグメ
   ントを組み立てるようにしたシールド機において、前記
   カッタ装置は、前記セグメントの前端部に反力をとって
   推進する外胴部と、シールド機本体に反力をとって前記
   外胴部と独立して推進可能な内胴部とに分割されている
   ことを特徴とするシールド機。
2. 【請求項２】 シールド機の後方に組み立てたセグメン
   トに反力を取ってカッタ装置の外胴部の掘進を行ない、
   これと交互にシールド機本体に反力を取ってカッタ装置
   の内胴部の掘進を行ない、かつ、内胴部の掘進と並行し
   て前記セグメントの組立を行なうことを特徴とするシー
   ルド工法。