JPH0759876B2 - 地中外殻体の築造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明はトンネルや下水道に代表されるトンネル体に
おける外殻体の築造方法とその装置に関する。

（ロ）従来の技術 トンネル体を築造する代表的な従来工法として、シール
ド工法と推進工法が良く知られている。

シールド工法は列車用トンネルなどの比較的大口径のト
ンネル体の築造に適用されることが多く、その工法要素
部材として、筒形状の掘進機、掘進機の掘進跡を内張り
するセグメント、およびセグメントを推進土台として掘
進機を前進させるジャッキ等を用いる。推進工法では、
推進刃口とヒューム管等の推進管、および立抗内に設置
されて推進管を地中に押込むジャッキ等を工法要素部材
としており、比較的小口径のトンネル体の築造に適用さ
れることが多い。この場合も、シールド工法の掘進機に
類似した機械刃口で推進刃口を構成することが多い。

いずれにしろ、従来工法ではトンネル体の全断面を掘削
し排土しながら前進し、掘進跡にセグメントやヒューム
管等の外殻体を配設することにより、地圧に対抗して掘
進孔形状を維持する。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 上記のように従来工法では、トンネル体の全断面を掘削
しながら前進する。このため、切羽のふくれ出しやテー
ルボイドでの沈降等の地盤変動を生じやすく、地表に設
けられた道路や建物、あるいは地中で隣接する構造物等
に変状を来しやすい。

掘削、排土、ジャッキ推進、セグメント施工等の一連の
作業が、最も危険度の高い切羽付近に集中する為、作業
の安全性を確保しにくい点で問題がある。特に、地山の
自立性が不足する悪条件下では、地盤改良工法を併用し
たり、特殊な機能や構造を備えた掘進機が必要になるな
ど、安全性を確保する為の施工費が嵩みやすい。

また、全断面掘削、排土、掘削機の前進、一次覆工体の
築造と、異質の作業を断続的に繰返しながらトンネル体
を前進成長させるので、作業に連続性がなくロスを生じ
やすい。このため、掘進速度に限界があり、工事期間が
長期にわたる傾向が強い。さらに、全断面掘削を行うこ
とから単位掘進距離当りの排土量が多く、処理能力の大
きな排土設備が必要なうえ、排土に要する労力も大き
く、全体として排土費用が嵩みやすい。

この発明は上記のような問題点を解消するものであっ
て、掘進に伴う地盤変動を防止し、他の構造体や地山に
変状を来たすことなく地中に外殻体を築造することを主
たる目的とする。

この発明の他の目的は、トンネル体内での人力作業を伴
うことなく、地中に外殻体を自己増殖的に成長形成でき
るものとして、トンネル体築造時の作業の安全性を飛躍
的に向上し、人的費用および人的保護費用を著しく低減
することにある。

この発明の他の目的は、地中に外殻体のみを自己増殖的
に先行形成できるものとして、外殻体の築造工期を短縮
することにある。

この発明の他の目的は、外殻体の完成後に、その内部に
詰った状態で残っている土砂を掘削し排土することによ
り、トンネル体断面の主要部を占める土砂の排土作業を
能率良くしかも安全に行えるようにすることにある。

この発明の他の目的は、外殻体の断面形状を円形、矩
形、多角形、アーチ形等の任意形状に形成できるように
することにある。

この発明の他の目的は、既設のトンネル体の周囲に外殻
体を形成できるものとして、トンネル体を敷設した状態
のままでもその更新・拡大を行えるようにすることにあ
る。

この発明の他の目的は、外殻体と地山との間にテールボ
イドが形成されるのを確実に防止できるようにすること
にある。

（ニ）問題を解決するための手段 この発明では、地中において外殻体が占める空間に相当
する部分だけを掘進機で掘削し、この掘進跡にコンクリ
ート等の覆工材を充填して、自己増殖的に外殻体を地中
に連続して形成する点に最大の特徴がある。つまり、従
来工法はトンネル体の全断面に等しい空間を確保しなが
ら外殻体を築造していたものであるのに対して、本発明
では、外殻体の肉壁断面に相当する空間だけを形成して
外殻体を築造する。

具体的には、地中を掘進機で掘削前進して、外殻体の肉
壁と実質的に同一断面形状の覆工材充填用空隙部を掘進
機後方に形成し、この覆工材充填用空隙部に覆工材を充
填して地中に外殻体を連続的に形成する点に第１発明の
特徴がある。

第２の発明では、内外二重のスキンプレートを有し、外
殻体の肉壁と実質的に同一断面形状の機体と、 両スキンプレート間に形成される機室と、 機室の前部において前記肉壁の断面形と実質的に同一形
の切羽面を形成する掘削手段と、 機室の後部に配置されて機体に前進力を付与する推進ジ
ャッキと、 機体の掘削前進によって機体後方に形成される覆工材充
填用空隙部に覆工材を充填する手段とで地中外殻体の築
造装置を構成する。

第３の発明では、地中を掘進機で掘削前進して、外殻体
の肉壁と実質的に同一断面形状の覆工材充填用空隙部を
掘進機後方に形成し、覆工材充填用空隙部に該空隙部を
前後に貫通する状態で型管を配置してコンクリートを打
設し、地中に外殻体を連続的に形成し、その肉壁内に型
管の抜跡を連続形成して立抗と連通する通路を形成する
ことにより地中外殻体を築造する。

なお、機体や覆工材充填用空隙部等が外殻体の肉壁と実
質的に同一断面形であるということは、築造された外殻
体の表面の凹凸や膨れ出しを無視した状態の肉壁断面形
を基準にした形状にほぼ一致していることをいうのであ
って、絶対的な形状の一致をいうものではない。

（ホ）第１実施例 第１図ないし第11図は本発明を下水道の築造に適用した
第１実施例を示している。

第２図において築造システムは、立抗１を発進基点とし
て地中を掘削する掘進機２と、立抗１の近傍あるいはそ
の内部に配設される地上設備とからなり、地上設備とし
て動力源発生装置３、覆工材となるコンクリート４を圧
送するコンクリート圧送管理設備５、排土処理設備６、
掘進機中央制御管理設備７などを設置する。

掘進機２は地中をリング状に掘削しながら、前進してそ
の後方に覆工材充填用空隙部９を形成し、覆工材充填用
空隙部９にコンクリート４を充填した後、再び掘削前進
して覆工材充填状空隙部９を形成する。つまり、掘削前
進とコンクリート充填を断続的に繰返し行って、地中に
トンネル体の外殻を構成する外殻体10を自己増殖的に連
続して形成する。掘進機２は外殻体10の肉壁の断面形と
実質的に同一形の切羽面11を形成しながら掘削し、外殻
体10で囲まれる土砂部分52は残したままで前進する。掘
進機２の駆動、掘削土砂の排土、充填用コンクリート４
の供給等、掘進機２と地上設備との物的連絡は、外殻体
10の肉壁内に形成した通路12（第１図）を介して行う。
以下、掘進機２の詳細構造を説明する。

第１図に示すように、掘進機２は内外二重に配設したス
キンプレート15,16を基本構造体として外殻体10の肉壁
と実質的に同一断面形のリング状の機体17を構成し、両
プレート15,16間に機室18を形成し、この機室18内を隔
壁19で前方の掘削室20と後方のジャッキ室21とに区画
し、掘削室20に掘削手段22を配置し、ジャッキ室21に推
進ジャッキ23を配置している。

第３図および第５図において、掘削手段22は掘削室20の
前端開口に配設される一群の掘削ビット25と、これを駆
動する一群の油圧モータ26と、３個の掘削ビット25を一
組として連動駆動するチェーン伝動機構27などからな
る。第５図に示すように、油圧モータ26は隔壁19に固定
してあり、その出力軸に掘削ビット25を連結して前方に
突設し、この掘削ビット25と周方向に隣接する掘削ビッ
ト25,25とをチェーン伝動機構27で連動連結している。
掘削ビット25とチェーン伝動機構27との間は、切羽土圧
の保持、および切羽泥水圧の保持のために、バルクヘッ
ド28で区画してある。切羽への泥水あるいは清水供給の
ために、隔壁19とバルクヘッド28を前後に貫通する状態
で送泥管29を配設し、同様に排泥管30を配設している。
第３図に示すように、送泥管29は掘削室20の中央上端位
置に、排泥管30は掘削室20の中央下端位置にそれぞれ配
置する。

推進ジャッキ23は油圧ジャッキとして構成されており、
第４図および第６図のように２個を一組としてジャッキ
室21の周方向８ケ所に配設され、各ロッドの突端を隔壁
19に固定し、シリンダ側の端部をプレス隔板32に固定し
ている。プレス隔板32は内外の両スキンプレート15,16
に密接する状態でジャッキ室21を前後に区画しており、
推進ジャッキ23が伸縮するとき、シリンダに同行してジ
ャッキ室21内を前後移動する。

プレス隔板32のジャッキ設置箇所の間８箇所に、外殻体
10の肉壁内に通路12を形成する型管33が設けられてい
る。第８図に示すように、型管33はプレス隔板32の前後
移動ストロークＬより長い鋼管で形成してあり、その前
端寄りがプレス隔板32を前後に貫通する状態で、プレス
隔板32に固定した軸受34に回転自在に支持されている。
この型管33をプレス隔板後方空隙部39内に位置させてコ
ンクリート４を打設することにより、型管33の占める空
間が通路12として残される。

コンクリート打設後に型管33をプレス隔板32に同行して
抜き外す必要があるが、この抜取りを容易に行うために
回転機構35が設けられる。回転機構35は、プレス隔板32
にブラケットを介して固定される油圧モータ36と、この
モータ36の出力軸に固定される駆動ギヤ37と、型管33の
前端に固定される従動ギヤ38とからなり、型管33を回転
駆動してコンクリート４から型管33を解離する。

通路12と型管33を介して、油圧ホース40、送泥ホース4
1、排泥ホース42、コンクリートパイプ43および制御用
電気ケーブル等が機室18内に導入される。各ホースは第
４図に示すように分散状に配置され、送泥ホース41と排
泥ホース42を機室18の中央の上下端に対向状に配設し、
機室18の過半上部の左右２箇所にコンクリートパイプ43
を配設し、機室18の過半下部の４箇所に油圧ホース40を
配設している。掘削手段22の油圧モータ26、推進ジャッ
キ23、回転機構35の油圧モータ36が、それぞれ油圧ホー
ス40を介して地上の動力源発生装置３と接続されてお
り、必要に応じて個別に回転駆動できるようにしてあ
る。送泥ホース41は送泥管29に、排泥ホース42は排泥管
30にそれぞれ接続する。なお、第５図、第６図、第９図
において、油圧ホース40、コンクリートパイプ43および
その開口は、説明の便宜上プレス隔板32の型締用環状突
出部31位置に作図されているが、実際には、これらは、
第４図のように環状突出部31が形成されないプレス隔板
32の周方向所望位置に配置される。

第８図において、コンクリートパイプ43はジャッキ室21
内においてＵ字形に折曲げられ、その開口端がホルダ44
で固定されて、プレス隔板32に通設した充填口45に臨ま
せてある。図示していないが、コンクリートパイプ43は
適当な固定手段で前後動不能に姿勢保持してある。前記
充填口45を開閉操作するゲート機構47がプレス隔板32に
装着してある。ゲート機構47は、往復移動して充填口45
を開閉するゲート板48と、ゲート板48を切換操作する油
圧シリンダ49とからなり、ゲート板48にコンクリートパ
イプ43と充填口45を連通する開口50を通設している。図
示状態から矢印方向にゲート板48を移動操作すると、ゲ
ート板48がコンクリートパイプ43の開口と充填口45を同
時に塞ぐ。

（ヘ）動作説明 以下トンネル体の築造手順とともに掘進機２の動作を説
明する。

立抗１の土留壁を掘進機２の断面形に合致させてリング
状に除去し、掘進機２の前部を地盤中に位置させた後、
立抗１内に設置した初期反力体を推進土台にして掘進機
２を掘進前進させ、掘進機２の後方に形成される覆工材
充填用空隙部９にコンクリート４を充填する。

第１図において、推進ジャッキ23を伸長操作してプレス
隔板32を外殻体10に押付け、その押圧反力を前進力とし
て機体17に付与し、同時に一群の掘削ビット25を回転駆
動することにより、掘進機２が土中に外殻体10の肉壁と
実質的に同一断面形の覆工材充填用空隙部９を形成す
る。推進ジャッキ23の伸長ストロークが最大値になった
状態で、一旦掘削ビット25の駆動を停止し、推進ジャッ
キ23を縮小方向に操作して、プレス隔板32を前方に引寄
せる。

第９図はプレス隔板32が前方へ移動した状態を示してい
る。プレス隔板32の移動でその後面と既設の外殻体10と
の間にプレス隔板後方空隙部39が形成される。この状態
で第８図のようにゲート機構47を開き操作して、コンク
リート圧送管理設備５からコンクリート４を圧送し、コ
ンクリートパイブ43を介してプレス隔板後方空隙部39内
に流し込む。空隙部39にコンクリート４が充満した状態
でゲート機構47を閉じ操作して充填口45を塞ぐ。この後
第10図のように推進ジャッキ23を伸長方向に操作して、
未硬化状態のコンクリート４を推進土台として機体17に
前進力を付与し、同時に掘削ビット25を回転駆動して掘
削前進する。

コンクリート充填後に機体17を前進させるとき、未硬化
状態のコンクリート４は推進反力を受けてプレス隔板32
で加圧される。この加圧力によってコンクリート４は内
・外側スキンプレート15,16の前進で生ずる空隙とプレ
ス隔板後方空隙部39の隅々にまで行きわたる。従って、
外殻体10は地盤と密着した状態に形成され、テールボイ
ドが生じることはない。

このように、本明細書の覆工材充填用空隙部９は、プレ
ス隔板後方空隙部39はもちろん内・外側スキンプレート
15,16の前進で生ずる空隙も含むものであり、要する
に、掘進機２の掘削前進により生ずる空隙の総和を指
し、これが外殻体10の肉壁と実質的に同一断面形状を有
することになる。

以後、掘削前進とコンクリート打設を交互に繰返し行う
ことにより、地中に筒状の外殻体10を連続的に形成する
ことができる。

第11図のように掘進機２の掘削前進に併行して、外殻体
10内に詰っている残存土砂52を排土し、外殻体10の内面
に必要に応じて二次覆工体53を形成することにより、ト
ンネル体が完成する。二次覆工が不要な場合は、排土後
の外殻体10が、完成したトンネル体そのものになる。

残存土砂52の排土は、土圧に対抗する外殻体10の内部で
連続的に行うことができる。従って地盤の崩落等を懸念
することなく、安全にしかも能率よく排土作業を行え
る。また、掘進機２に追尾して掘進作業と同時併行的に
排土作業と二次覆工作業を行うことができるので、工期
を短縮できる。

（ト）第２実施例 第12図および第13図は掘進機２の第２実施例を示してい
る。これでは、掘削手段22をスキンプレート15,16と同
心円状に配設されるブレード枠55と、ブレード枠55の周
方向適当間隔おきに配設される一群の掘削ブレード56
と、ブレード枠55の後端に設けられたリングギヤ57を介
してブレード枠55を回転駆動する油圧モータ26とで構成
する点が先の実施例と異なる。ブレード枠55は前後方向
の二重の隔壁を備えたバルクヘッド28に回転自在に支持
されている。油圧モータ26は第12図に示すように、リン
グギヤ57の周方向４箇所に配設されている。

（チ）第３実施例 第14図は掘進機２の第３実施例を示している。これは、
既設トンネル体59の周囲に外殻体10を築造する場合を示
している。掘進機２は、その内側スキンプレート15の直
径が、既設トンネル体59の外面直径よりやや大きめに設
定してあることと、内側スキンプレート15の前端と後端
に、既設トンネル体59に外接する環状のシール体60,61
が設けられることを除けば、第１実施例で説明した掘進
機２と同じ構造にしてある。

このように、本発明の掘進機２では、既設トンネル体59
を敷設した状態のままで、その周囲に新規な外殻体10を
築造できるので、老朽化したトンネル体の更新や拡張を
行う場合に、短い工期で外殻体10を築造することができ
る。

（リ）変形実施例 第15図ないし第17図は、それぞれ第１実施例で説明した
掘進機２の変形実施例を示している。

第15図に示す掘進機２は、上下水道やガス管、電力、通
信用ケーブル等を敷設するための共同溝の築造に適用さ
れるものであって、刃口の断面形を共同溝の断面形と同
じ偏平八角形状に形成したものである。これでは第１実
施例で説明したように、一群の掘削ビット25で掘削を行
うことにより、偏平八角形状の覆工材充填用空隙部９を
容易に掘削することができる。この場合、各掘削ビット
25のそれぞれを個別に油圧モータ26で回転駆動してもよ
く、第１実施例と同様にチェーン伝動機構27を介してグ
ループ毎に駆動してもよい。

この実施例から理解されるように、刃口形状は矩形や多
角形状に形成することもでき、必ずしも円形である必要
はない。

さらに、刃口形状は必ずしも無端環状である必要はな
く、第16図に示すように門形に形成したり、第17図に示
すようにアーチ形に形成することもできる。

（ヌ）発明の効果 以上説明したようにこの発明では、外殻体10が地中に占
めるのに必要な部分だけを掘進機２で掘削して覆工材充
填用空隙部を形成し、この覆工材充填用空隙部にコンク
リート等の覆工材を充填して地中に外殻体10を連続的に
形成するので、地中に空洞を生じることなく外殻体10を
築造することができる。従って、掘進に伴う地盤の変動
を解消し、他の構造体や地山に変状を来たすことなく、
地中に外殻体10を築造することができ、しかも地山の自
立性の有無に拘らず地盤改良等の補助工法を要すること
なく外殻体10を築造することができる。

掘進機２の掘削前進と、覆工材の充填を交互に繰返し行
うことにより、地中において外殻体10を自己増殖的に連
続して形成することができるので、外殻体10を築造する
際の坑内作業が一切不要となり無人化を実現することが
できる。これにより、トンネル体築造時の作業の安全性
を飛躍的に向上し、人的費用および人的保護費用を著し
く低減することが可能となる。

外殻体10の築造に必要な部分の土砂のみを掘削除去して
外殻体10を築造するので、外殻体10を築造するのに必要
な工期を著しく短縮できるのはもちろん、外殻体10の完
成後に、その内部に詰っている土砂を連続的にしかも外
殻体10の保護の下で安全かつ能率良く排土することがで
きる。従って、外殻体10の築造からその内部仕上げに至
るトンネル体の築造工期を大幅に短縮できる。

掘進機２の掘削前進後、未硬化状態のコンクリート４を
推進土台として掘進機２を掘削前進させるので、覆工材
充填用空隙部９内の隅々までコンクリート４を行きわた
らせて空洞が生じるのを防止でき、外殻体10を地山に密
着させてテールボイドを一掃できる。従って、裏込め注
入作業を不要とし、地山変動を防止できる。

円環状の掘進機２を用いれば、断面円形の既設トンネル
体を敷設した状態のままで、その周囲に新規な外殻体10
を形成できるので、老朽化した既設トンネル体の更新や
拡張を行う場合に、短期間で外殻体10を形成して更新等
を行うことができる。

一群の掘削ビット25を刃口に配列して掘削手段22を構成
するものでは、刃口形状を円環状以外の矩形や多角形、
あるいは門形やアーチ形等に自由に設定することができ
るので、トンネル体の最終仕上げ形状に対応した無駄の
ない外殻体10を築造することができ、トンネル体の用途
に応じた任意断面形の外殻体10を形成できる点で有利で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第11図は本発明の第１実施例を示してお
り、第１図は掘進機使用時の縦断側面図、第２図は外殻
体築造システムの概要を示す縦断側面図、第３図は掘進
機の横断正面図、第４図は掘進機内の主としてホース部
材の配置を示す横断正面図、第５図、第６図、第７図は
それぞれ第３図におけるＡ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線、Ｂ−Ｂ線
に沿う部分断面図、第８図はコンクリートパイプとその
周辺構造を示す要部の断面図、第９図と第10図はそれぞ
れ掘進機の異なる動作状態を示す第１図と同等の縦断側
面図、第11図は外殻体完成後の作業の概略を示す縦断側
面図である。 第12図と第13図は本発明の第２実施例を示しており、第
12図は掘進機の横断正面図、第13図は第12図におけるＤ
−Ｄ線断面図である。 第14図は本発明の第３実施例を示す縦断側面図である。 第15図、第16図、第17図は、それぞれ第１実施例におけ
る掘進機の刃口形状の変形実施例を示す横断正面図であ
る。 １……立抗、２……掘進機、４……コンクリート、９…
…覆工材充填用空隙部、10……外殻体、11……切羽面、
12……通路、15……内側スキンプレート、16……外側ス
キンプレート、17……機体、18……機室、22……掘削手
段、23……推進ジャッキ、33……型管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内外二重のスキンプレートを有し、外殻体
   の肉壁と実質的に同一断面形状の機体と、 両スキンプレート間に形成される機室と、 機室の前部において前記肉壁の断面形と実質的に同一形
   の切羽面を形成する掘削手段と、 機室の後部に配置されて機体に前進力を付与する推進ジ
   ャッキと、 機体の掘削前進によって機体後方に形成される覆工材充
   填用空隙部に覆工材を充填する手段とからなる地中外殻
   体の築造装置。