トンネル掘削装置
【課題】掘削断面を上下複数段に分割してトンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、推進用のジャッキの本数を削減したトンネル掘削装置を提供する。
【解決手段】トンネル掘削装置１０は、掘削断面を上下３段に分割して各段に掘削機３０，４０，５０を配設して掘削、推進を行う。上段、中段に配設された上段、中段掘削機３０，４０は上段、中段掘削機推進ジャッキ３１，４１を伸張して装置本体７０に対して推進する。下段掘削機５０は、装置本体７０に一体化して配設され、本体推進ジャッキ７４を伸張して既設の函体Ｓを反力として装置本体７０と共に推進する。
【解決手段】トンネル掘削装置１０は、掘削断面を上下３段に分割して各段に掘削機３０，４０，５０を配設して掘削、推進を行う。上段、中段に配設された上段、中段掘削機３０，４０は上段、中段掘削機推進ジャッキ３１，４１を伸張して装置本体７０に対して推進する。下段掘削機５０は、装置本体７０に一体化して配設され、本体推進ジャッキ７４を伸張して既設の函体Ｓを反力として装置本体７０と共に推進する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削装置、特に鉄道の軌道や道路等（以下、「軌道等」という）を横断してトンネルを掘削するトンネル掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に大掘削断面のトンネルを掘削する場合、切羽を安定化させるため、掘削断面を上下複数段に分割して掘削することが好ましい。
【０００３】
例えば特許文献１には、上下２段左右３列に掘削断面を分割した区画毎に、カッター刃を前端に備えた主シールドを配設したシールド機が開示されている。各主シールドは、それぞれ独立して胴体から出没自在に構成されている。
【０００４】
このシールド機を用いて掘削を行うとき、まず、上段の主シールドを順次して推進させて掘削断面の上段を掘削し、次に、下段の主シールドを順次推進させて掘削断面の下段掘削し、その後、胴体を推進させ、各主シールドを胴体内に格納する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたシールド機においては、上下段各主シールド推進用のジャッキと、胴体推進用のジャッキとを必要とするため、推進用のジャッキの本数が多くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、掘削断面を上下複数段に分割してトンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、推進用のジャッキの本数を削減したトンネル掘削装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、掘削断面を上下複数段に分割して各段に掘削機を配設して掘削、推進を行うトンネル掘削装置であって、最下段に配設された下段掘削機以外の掘削機は、各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して前記装置本体に対して推進し、前記下段掘削機は、装置本体に一体化して配設され、本体推進ジャッキを伸張して既設の地下構造物を反力として前記装置本体と共に推進することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、下段掘削機以外の掘削機を各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して装置本体に対して推進させて、掘削断面の各段を順次掘削した後、下段掘削機によって掘削断面の下段を掘削しながら、装置本体に一体化された下段掘削機を本体推進ジャッキを伸張させて推進させる。よって、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキを伸張させて下段掘削機を推進させる場合に比べて、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキが削減されるので、装置が簡略し安価となる。
【００１０】
また、本発明において、前記装置本体は、前記下段掘削機を配設固定する前胴体、前記本体推進ジャッキを配設する後胴体、及び前記前胴体と前記後胴体とを接続する内殻からなることが好ましい。
【００１１】
この場合、本体推進ジャッキが後胴体に配設されているので、下段掘削機と一体化された装置本体を推進するとき、既設の地下構造物に反力を均等に作用させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図２】図１におけるII−II線方向矢視模式部分後面図。
【図３】図１におけるIII−III線方向矢視模式部分後面図。
【図４】トンネル構築システムの後方を示す模式縦断側面図。
【図５】上段掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図６】側部掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図７】中段掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図８】掘削工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係るトンネル構築システム１００について説明する。トンネル構築システム１００は、軌道等の直下を低土被りで掘削してトンネルを構築する際に使用することに特に適している。
【００１４】
図１乃至図３に示すように、トンネル構築システム１００は、矩形断面の掘削を行うトンネル掘削装置１０、及びトンネル覆工体である函体Ｓを組立てる函体組立装置２０を備えている。なお、以下の説明では、トンネル掘削方向を前方向（図１中左方向、図２及び図３中紙面奥向き方向）、トンネル掘削方向と直交するトンネル断面の水平方向を横方向（図１中紙面に直交する方向、図２及び図３中左右方向）とする。
【００１５】
トンネル掘削装置１０は、複数段、ここでは、上・中・下段の３段に分割してトンネル断面を掘削するように構成されている。上段の断面を掘削する上段掘削機３０は、独立して掘削可能な複数、ここでは１６に分割された矩形領域を、それぞれ掘削可能に構成されている。そして、中、下段の断面をそれぞれ掘削する中段掘削機４０、下段掘削機５０は、それぞれ、独立して掘削可能な複数、ここでは３に左右方向に分割された矩形領域を、それぞれ機械化メッセル方式により掘削可能に構成されている。
【００１６】
トンネル掘削装置１０は、左右両側部の断面を掘削する側部掘削機６０も備えている。側部掘削機５０は、左右それぞれ複数、ここでは前後方向に段差を有し縦方向に３個並設され、これら並設された３個が左右それぞれ３組あり、各組が各々独立して掘削する。
【００１７】
このように、トンネル掘削装置１０は、１６台の上段掘削機３０、３台の中段掘削機４０、３台の下段掘削機５０及び１８台の側部掘削機６０を備えている。
【００１８】
トンネル構築システム１００は、下段掘削機５０を配設固定する前胴体（フード部）７１、函体組立装置２０を配設固定する矩形状の後胴体（テール部）７２、及び前胴体７１と後胴体７２とを接続する内殻（ガーダー部）７３からなる装置本体７０を備えている。装置本体７０は、鋼材から形成されており、前胴体７１、後胴体７２及び内殻７３は一体化して構成されている。
【００１９】
内殻７３には、上段、中段、側部掘削機３０，４０，６０を推進するための上段、中段、側部掘削機ジャッキ３１，４１，６１の基部が固定されている。後胴体７２の四隅には、トンネル掘削装置１０全体を推進するための本体推進ジャッキ７４の基部がそれぞれ固定されている。本体推進ジャッキ７４のピストン先端部は、既設の連接された函体（地下構造物）Ｓの四隅に当接しており、トンネル掘削装置１０の推進時の反力が函体Ｓ全周に均等に作用するように構成されている。
【００２０】
各上段掘削機３０は、複数本、ここでは４本の上段掘削機推進ジャッキ３１により、各々独立に装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっている。３台の中段掘削機４０は、複数本、ここでは、６本の中段掘削機推進ジャッキ４１により、装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっており、中段の断面を一括して掘削する。３台の下段掘削機５０は、装置本体７０の前胴体７１と一体化されており、装置本体７０の推進と伴って推進し、下段の断面を一括して掘削する。３台からなる各組の側部掘削機６０は、それぞれ複数本、ここでは、２本の側部掘削機推進ジャッキ６１により。装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっており、左右側部の断面をそれぞれ各組毎に一括して掘削する。
【００２１】
なお、各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４のストロークＳＴは、ここでは２個の函体Ｓの厚み、例えば１ｍ程度であり、同じである。各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４は、図示しない油圧回路に接続されており、各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４が所定の協働動作をするように構成されている。
【００２２】
各上段掘削機３０は、地盤を掘削するカッター刃３２を先端に有するスクリューオーガ３３を備えており、スクリューオーガ３３の回転によりカッター刃３２が掘削した掘削土砂を排土する。さらに、上段掘削機３０は、スクリューオーガ３３を駆動する図示しない駆動源を有する掘削機本体３４と、掘削機本体３４が配設固定される矩形筒状の胴体３５と、胴体３５に対して上段掘削機推進ジャッキ３１を介して摺動可能に設けられ、既設の函体Ｓの上面上にテール部（後端部）が位置する摺動部材３６と、胴体３５の上面に固定され摺動部材３６の上面をテール部まで覆う平鋼板製のフリクションプレート（上面縁切板）３７とを備えている。フリクションプレート３７の幅は、胴体３５の上面の幅と同じ、もしくは少し小さい。
【００２３】
また、上段掘削機３０には、切羽土圧を管理するために図示しない土圧計を配設されており、土圧バランスを保ちながら、掘削と排土との両立を行う。上段掘削機推進ジャッキ３１を伸張させて前方向に推進させながら、スクリューオーガ３３を回転させることによって、上段掘削機３０による掘削と排土を行う。上段掘削機３０は、ストロークＳＴ分だけ推進する。掘削土砂は、胴体３５内に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００２４】
側部掘削機６０は、詳細は図示しないが、地盤を掘削するカッター刃６２を先端に備えており、カッター刃６２の回転により掘削した掘削土砂を、胴体６３内に配置された図示しない排土機構によって排土する。３個の上下に並設された側部掘削機６０は、組をなし、各組の側部掘削機６０の胴体６３は一体化されている。そして、この側部掘削機６０の各組毎に、それぞれ、一体化された胴体６３の外側面に固定され、胴体６３内への切削土砂の流入を防止する土留板６４と、土留板６４に固定され装置本体７０の外側面をテール部（後端部）まで覆う平鋼板製のフリクションプレート（側面縁切板）６５とを備えている。なお、図１などの図面では、簡略化のため、上段の組の側部掘削機６０に側部掘削機推進ジャッキ６１を、中段の組の側部掘削機６０に土留板６４を、下段の組の側部掘削機６０にフリクションプレート６５を付して描いている。
【００２５】
側部掘削機推進ジャッキ６１を伸張させて前方向に推進させながら、カッター刃６２を回転させることによって、側部掘削機６０による掘削と排土を行う。側部掘削機６０は、ストロークＳＴ分だけ推進する。土留板６４は、側部掘削機６０の推進に伴って移動する。掘削土砂は、胴体６３内に配置された図示しないスクリューコンベア等の排出機構により、後方に排土する。
【００２６】
さらに、側部掘削機６０は各組毎に独立して掘削、推進を行うことが可能であるので、側部掘削機６０を各組毎に順次掘削、推進させることにより、側部掘削時の切羽を安定化している。
【００２７】
各中段推進機４０は、トンネル断面を横方向に３分割した掘削作業区間を独立して掘削する開放型の推進掘削機であり、機械化メッセル工法を採用している。各掘削作業区間は、鋼製の一体化された中段フレーム４２によって区画されており、中段フレーム４２の先端にはメッセル鋼矢板と呼ばれる特殊鋼矢板４３が固定されている。
【００２８】
中段の各掘削作業区間には、図示しないが１台ずつ掘削車両が配備されている。掘削車両は、例えば、無限軌道や車輪を有する電動式バックホウであり、中段フレーム４２を構成する床板４４の上面を自由に走行可能となっている。中段フレーム４２には、中段掘削機推進ジャッキ４１のピストン先端部が固定されている。
【００２９】
中段掘削機推進ジャッキ４１を伸張させることにより、特殊鋼矢板４３を前方に押し込み、特殊鋼矢板４３と上段掘削機３０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。中段掘削機４０はストロークＳＴ分推進する。掘削土砂は、床板４４の上面に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００３０】
下段掘削機５０は、中段掘削機４０と同様に、断面を横方向に３分割した掘削作業区間を独立して掘削する開放型の推進掘削機であり、機械化メッセル工法を採用している。各掘削作業区間は、鋼製の一体化された下段フレーム５２によって区画されており、中段フレーム５２の先端にはメッセル鋼矢板と呼ばれる特殊鋼矢板５３が固定されている。
【００３１】
下段の各掘削作業区間には、図示しないが１台ずつ掘削車両が配備されている。掘削車両は、例えば、無限軌道や車輪を有する電動式バックホウであり、下段フレーム５２を構成する床板５４の上面を自由に走行可能となっている。下段フレーム５２は、装置本体７０の前胴体７１に固定されている。
【００３２】
本体推進ジャッキ７４を伸張させ、既設の函体Ｓに反力をとって装置本体７０を前方に推進させることにより、特殊鋼矢板５３を前方に押し込み、特殊鋼矢板５３と中段フレーム４２の床版４４とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。下段掘削機５０及び装置本体７０はストロークＳＴ分推進する。掘削土砂は、床板５４の上面に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００３３】
上記のように、トンネル掘削装置１０は、トンネル断面を分割して掘削するように構成されており、切羽面を上段、側部、中段、下段の順に分割掘削することによって切羽面の開放を段階的に行うので、切羽が安定化する。
【００３４】
さらに、下段掘削機５０以外の掘削機３０，４０，６０を各段に配設された推進ジャッキ３１，４１，６１をそれぞれ伸張して装置本体７０に対して推進させて、掘削断面の上段、側部、中断を順次掘削した後、下段掘削機５０によって掘削断面の下段を掘削しながら、装置本体７０に一体化された下段掘削機５０を本体推進ジャッキ７４を伸張させて推進させている。よって、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキを伸張させて下段掘削機を推進させる上記従来の場合に比べて、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキが削減されるので、装置が簡略し安価となる。
【００３５】
さらに、本体推進ジャッキ７４が後胴体７２に配設されているので、下段掘削機５０と一体化された装置本体７０を推進するとき、既設の地下構造物Ｓに反力を均等に作用させることが可能となる。
【００３６】
さらに、他の掘削機４０，５０，６０に先駆けて上段掘削機３０による掘削、推進を行うことにより、上段掘削機３０自体をいわば上段ルーフとした先受け効果によって、その後の中、下段掘削時の切羽面の緩みが抑制されるので、切羽が安定化する。
【００３７】
さらに、各上段掘削機３０は独立して掘削、推進を行うことが可能であり、各上段掘削機３０を順次掘削、推進させることにより、上段掘削時の上部地盤の変形が防止されるので、切羽が安定化する。
【００３８】
さらに、胴体３５の上面に固定され装置本体７０と共に移動する摺動部材３６の上面がテール部までフリクションプレート３７で覆われている共に、装置本体７０の外側面がテール部までフリクションプレート６５で覆われている。そして、装置本体７０が前方に推進するとき、フリクションプレート３７，６５は周囲地盤に対して移動しない。そのため、装置本体７０の上面及び側面の全面に亘って周囲地盤と接する場合に比べて、周囲地盤と装置本体７０との間の摩擦抵抗が低減される。よって、掘削断面が大断面であっても、装置本体７０の推進により、周囲地盤が周辺摩擦力で剪断破壊して引き込みが起こって、地盤が沈下、変形することを防止できる。
【００３９】
これらによって、０．３ｍ乃至１．０ｍ程度の低土被りでも上部地盤に影響なく、軌道等の直下を安全に掘削、推進を行うことが可能となる。
【００４０】
函体組立装置２０は、矩形状の後胴体７２の内方に配設固定されている。函体組立装置２０は、ここでは、トンネル断面を横方向に２分割した作業区間毎に１台ずつ、計２台設けられている。函体組立装置２０により掘削したトンネルの内面に函体Ｓが連接して組立てられ、函体Ｓによる内壁が構築される。
【００４１】
函体Ｓは、ここでは、工場等で予め成形されたコンクリートからなるプレキャストボックスカルバートであり、底版Ｓ１、頂版Ｓ２、２つの側壁Ｓ３の４つの部材（セグメント）から構成されている。ここでは、底版Ｓ１は、函体Ｓの底辺を構成する部分とその左右両端部の上方に延在する部分とからなっている。そして、頂版Ｓ２は、函体Ｓの上辺を構成する部分とその左右両端部の下方に延在する部分からなっており、底版Ｓ１と同形状である。側壁Ｓ２は、底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に位置し、函体Ｓの側辺の大部分を構成する直方体形状となっている。
【００４２】
各函体組立装置２０は、頂版Ｓ２を持上げて保持可能な２台のリフター８０と、側壁Ｓ３を把持して９０度回転可能な１台のエレクター９０とから構成されている。
【００４３】
各リフター８０は、装置本体７０の後胴体７２に設置された縦梁８１と、縦梁８１に対して摺動可能に設置され装置本体７０から後方に突出するフォーク８２と、フォーク８２を縦梁８１に対して昇降させるシリンダやチェーン等からなる図示しない昇降機構とを備えている。なお、昇降機構は、図示しない駆動源により駆動する。
【００４４】
左右一対のリフター８０は、フォーク８２が共動して昇降するように構成されており、下方で左右のフォーク８２上に載置された頂版Ｓ２を所定の高さ、具体的には、頂版Ｓ２が設置されるべき高さを超えて頂版Ｓ２を持上げ、その位置で頂版Ｓ２を保持可能なように構成されている。
【００４５】
エレクター９０は、後胴体７２の底板の上面に左右方向に延びるように設置されたレールに対して複数の車輪を介して摺動可能に配置された台車部９１と、台車部９１に固定された本体部９２と、側壁Ｓ３を把持、解放、持上げ可能な把持部９３と、把持部９３を先端に有し本体部９２に対して左右各９０度回転可能な回転部９４とを備えている。また、把持部９３は、回転部９４に対して、前後方向に、函体Ｓの厚み分だけ摺動可能なように構成されている。なお、把持部９３や回転部９４は、図示しない駆動源により駆動される。
【００４６】
エレクター９０は、掘削されたトンネル底面に載置された側壁Ｓ３を把持部で把持して持上げた後、右又は左方向に９０度回転部９４を回転させた状態で、台車部９１をスライド移動させることができるように構成されている。エレクター９０の把持部９３は、前後方向に函体Ｓの厚み分だけ摺動可能に構成されているので、２つの函体Ｓを組立てることができる。
【００４７】
なお、リフター８０は、縦梁８１を後胴体７２に対して前後方向に函体Ｓの厚み分だけ摺動可能に構成されてもよい。これにより、フォーク８２の長さを短縮でき、作業空間が増加すると共に、フォーク８２に対する頂版Ｓ２の載置面が縦梁８１に近づくので、昇降機構及び駆動源を小型化することが可能となる。
【００４８】
さらに、図４に示すように、トンネル構築システム１００の後方には、各作業空間に、函体Ｓを構成する部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を坑口から搬入する部材搬入機構１１０が設けられている。部材搬入機構１１０は、ここでは、図示しない部材運搬台車、例えば、軌条を走行するサーボコロ、及び部材吊下搬入装置とから構成されている。部材吊下搬入装置は、例えば、ダブルレールホイストクレーン１１１と移動式ガーター１１２とから構成されている。
【００４９】
部材運搬台車を用いて移動式ガーター１１２の後方まで搬入し、そこで、ダブルレールホイストクレーン１１２を用いて部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を吊り下げて、後胴体７２の後方まで搬入する。移動式ガーター１１２を備えるので、トンネル構築システム１００が推進しても、後胴体７２後方の適切な位置まで部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を搬入することができる。
【００５０】
なお、底版Ｓ１や頂版Ｓ２の長さが作業区間の左右方向の幅に対して余裕がないとき、底版Ｓ１や頂版Ｓ２の長手方向を前後方向として、部材運搬台車やホイストクレーン１１２で後胴体７２の後方近くまで搬入し、長手方向が左右方向となるように旋回させながら移動させて底版Ｓ１や頂版Ｓ２を掘削されたトンネル底面の設置位置に仮置きする。
【００５１】
さらに、トンネル構築システム１００の後方には、各作業空間に、図示しない坑内排土機構が設けられている。坑内排土機構は、トンネル構築システム１００から掘削土砂を受け取り、その掘削土砂をトンネル外部に排出する。坑内排土機構は、例えば、移動式、固定式等の排出コンベアを単数、又は複数組み合わせて構成されている。また、フレックスコンベアや土砂ホッパーを設け、土砂ホッパーを介してダンプ運搬により掘削土砂を排出してもよい。
【００５２】
また、図示しない裏込注入機構が設けられている。裏込注入機構は、函体Ｓの各部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とトンネル掘削面との間に裏込注入材を注入する。これにより、トンネル構築システム１００の推進方向に順次函体Ｓが連接されて矩形断面のトンネル内壁を構築することができる。
【００５３】
以下、トンネル構築システム１００を用いた本発明の一実施形態に係るトンネル構築方法について説明する。トンネル構築方法は、主として、トンネル掘削装置１０を用いた掘削工程と、函体組立装置２０を用いた函体組立工程とから構成されており、これらの工程を交互に行う。
【００５４】
掘削工程は、上段掘削・推進工程、側部掘削・推進工程、中段掘削・推進工程、及び下段掘削・推進工程から構成されており、この順序で工程が進行する。
【００５５】
上段掘削・推進工程においては、図１に示す状態から、上段掘削機３０により掘削断面上段の掘削を行う。上段掘削機推進ジャッキ３１を伸張させながら、スクリューオーガ３３を回転させることによって、掘削と排土を行い、ストロークＳＴ分だけ上段掘削機３０を推進させる。各上段掘削機３０を、順次掘削、推進させ、左右方向に分割した区画毎に掘削を行い、図５に示す状態となる。
【００５６】
側部掘削・推進工程においては、側部掘削機６０により掘削断面側部の掘削を行う。側部掘削機推進ジャッキ６１を伸張させながら、カッター刃６２を回転させることによって、掘削と排土を行う。ストロークＳＴ分だけ側部掘削機６０を推進する。各組の側部掘削機４０を、順次掘削、推進させ、図６に示す状態となる。
【００５７】
中段掘削・推進工程においては、中段掘削機４０により掘削断面中段の掘削を行う。中段掘削機推進ジャッキ４１を伸張させて、特殊鋼矢板４３を前方に押し込む。そして、特殊鋼矢板４３と上段掘削機３０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。ストロークＳＴ分だけ中段掘削機４０を推進させる。全ての中段掘削機４０を同時に推進させ、掘削車両による掘削は区画毎に行い、図７に示す状態となる。
【００５８】
下段掘削・推進工程においては、下段掘削機５０により掘削断面下段の掘削を行う。本体推進ジャッキ７４を伸張させて、特殊鋼矢板５３を前方に押し込む。そして、特殊鋼矢板５３と上段掘削機４０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。ストロークＳＴ分だけ下段掘削機５０及び下段掘削機５０が固定された装置本体７０を推進させる。全ての下段掘削機５０を同時に推進させ、掘削車両による掘削は区画毎に行い、図８に示す状態となる。
【００５９】
掘削工程が完了することにより、トンネル構築システム１００全体がストロークＳＴ分だけ推進した状態となる。これにより、既設の連接された函体Ｓの前方に２組の函体Ｓを接続可能な空間が存在することになる。
【００６０】
このように、掘削工程においては、切羽面を上段、側部、中段、下段の順に分割掘削するので、切羽面の開放を段階的に行うことにより、切羽が安定化する。
【００６１】
さらに、掘削断面の側部、中段及び下段を掘削する前に上段を掘削するので、上段掘削機３０自体をいわば上段ルーフとした先受け効果によって、その後の中、下段掘削時の切羽面の緩みが抑制され、切羽が安定化する。
【００６２】
さらに、各上段掘削機３０を順次掘削、推進させるので、上段掘削時の上部地盤の変形が防止され、切羽が安定化する。
【００６３】
さらに、胴体３５の上面に固定され装置本体７０と共に移動する摺動部材３６の上面がテール部までフリクションプレート３７で覆われる共に、装置本体７０の外側面がテール部まで覆うフリクションプレート６５で覆われている。そして、装置本体７０が前方に推進するとき、フリクションプレート３７，６５は周囲地盤に対して移動しない。そのため、装置本体７０の上面及び側面全面に亘って周囲地盤と接する場合に比べて、周囲地盤と装置本体７０との間の摩擦抵抗が低減される。よって、掘削断面が大断面であっても、装置本体７０の推進により、周囲地盤が周辺摩擦力で剪断破壊して引き込みが起こって、地盤が沈下、変形することを防止できる。
【００６４】
これらによって、０．３ｍ乃至１．０ｍ程度の低土被りでも上部地盤に影響なく、軌道直下を安全に掘削、推進を行うことが可能となる。
【００６５】
函体組立工程は、底部敷モルタル設置工程、底版据付工程、頂版持上げ工程、側壁据付工程、頂版据付工程、及び裏込注入工程から構成されており、各作業空間に各工程を適宜進行することができる。
【００６６】
底部敷モルタル設置工程においては、掘削工程において掘削されたトンネル底面に、敷きモルタルを設置し、不陸調整を行う。
【００６７】
底版据付工程においては、敷きモルタルが設置されたトンネル底面に底版Ｓ１を据付ける。図４を参照して、坑外から部材搬入機構１１０を用いて底版Ｓ１を搬入し、ダブルレールホイストクレーン１１１を用いて、既設の連接された函体Ｓの前面と接触するように底版Ｓ１を据付ける。
【００６８】
頂版持上げ工程においては、図３を参照して、頂版Ｓ２を持上げ保持する。坑外から部材搬入機構１１０を用いて頂版Ｓ２を搬入し、頂版Ｓ２を設置位置下方に仮置きする。そして、リフター８０のフォーク８２の上に頂版Ｓ２を載置させ、設置位置を超える高さに頂版Ｓ２が位置するまでフォーク８２を上昇させてその位置で保持する。
【００６９】
側壁据付工程においては、側壁Ｓ３を底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に据付ける。坑外から部材搬入機構１１０を用いて側壁Ｓ３を搬入し、ダブルレールホイストクレーン１１１を用いて、側壁Ｓ３を底版Ｓ１の上に仮置きする。次に、エレクター９０の把持部９３で側壁Ｓ３を把持して持上げた後、回転部９４を９０度回転させる。そして、台車部９１をスライド移動させて、側壁Ｓ３を底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に挿入する。側壁Ｓ３の微位置調整を行ってから、把持部９３による側壁Ｓ３の把持を解放する。側壁Ｓ３は左右２本あるので、側壁Ｓ３を据付ける位置の違いにより、回転部９４の回転方向と台車部９１の移動方向とが異なる。
【００７０】
裏込注入工程においては、裏込注入機構により、函体Ｓの各部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とトンネル掘削面との間に裏込注入材を注入する。
【００７１】
これにより、既設の連接された函体の前方向に１個の函体Ｓが接続されることになる。そして、さらに１個の函体Ｓを接続させるため、頂版持上げ工程から裏込注入工程までの工程を繰り返し行う。
【００７２】
なお、フリクションプレート３７，６５は少なくとも掘削機本体７０の後胴体７２まで延伸していることが好ましい。ただし、掘削機本体７０の内殻まで延伸しているものであってもよい。これにより、上部地盤への影響が少ない。
【符号の説明】
【００７３】
１０…トンネル掘削装置、２０…函体組立装置、３０…上段掘削機、３１…上段掘削機ジャッキ、３７…フリクションプレート（上面縁切板）、４０…中段掘削機、４１…中段掘削機ジャッキ、５０…下段掘削機、６０…側部掘削機、６１…側部掘削機ジャッキ、６４…土留板、６５…フリクションプレート（側面縁切板）、７０…装置本体、７１…前胴体、７２…後胴体、７３…内殻、７４…本体推進ジャッキ、１００…トンネル構築システム、Ｓ…函体（地下構造物）、Ｓ１…底版、Ｓ２…頂版、Ｓ３…側壁、８０…リフター、９０…エレクター、９１…台車部、９２…本体部、９３…把持部、９４…回転部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削装置、特に鉄道の軌道や道路等（以下、「軌道等」という）を横断してトンネルを掘削するトンネル掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に大掘削断面のトンネルを掘削する場合、切羽を安定化させるため、掘削断面を上下複数段に分割して掘削することが好ましい。
【０００３】
例えば特許文献１には、上下２段左右３列に掘削断面を分割した区画毎に、カッター刃を前端に備えた主シールドを配設したシールド機が開示されている。各主シールドは、それぞれ独立して胴体から出没自在に構成されている。
【０００４】
このシールド機を用いて掘削を行うとき、まず、上段の主シールドを順次して推進させて掘削断面の上段を掘削し、次に、下段の主シールドを順次推進させて掘削断面の下段掘削し、その後、胴体を推進させ、各主シールドを胴体内に格納する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたシールド機においては、上下段各主シールド推進用のジャッキと、胴体推進用のジャッキとを必要とするため、推進用のジャッキの本数が多くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、掘削断面を上下複数段に分割してトンネルを掘削するトンネル掘削装置であって、推進用のジャッキの本数を削減したトンネル掘削装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、掘削断面を上下複数段に分割して各段に掘削機を配設して掘削、推進を行うトンネル掘削装置であって、最下段に配設された下段掘削機以外の掘削機は、各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して前記装置本体に対して推進し、前記下段掘削機は、装置本体に一体化して配設され、本体推進ジャッキを伸張して既設の地下構造物を反力として前記装置本体と共に推進することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、下段掘削機以外の掘削機を各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して装置本体に対して推進させて、掘削断面の各段を順次掘削した後、下段掘削機によって掘削断面の下段を掘削しながら、装置本体に一体化された下段掘削機を本体推進ジャッキを伸張させて推進させる。よって、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキを伸張させて下段掘削機を推進させる場合に比べて、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキが削減されるので、装置が簡略し安価となる。
【００１０】
また、本発明において、前記装置本体は、前記下段掘削機を配設固定する前胴体、前記本体推進ジャッキを配設する後胴体、及び前記前胴体と前記後胴体とを接続する内殻からなることが好ましい。
【００１１】
この場合、本体推進ジャッキが後胴体に配設されているので、下段掘削機と一体化された装置本体を推進するとき、既設の地下構造物に反力を均等に作用させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図２】図１におけるII−II線方向矢視模式部分後面図。
【図３】図１におけるIII−III線方向矢視模式部分後面図。
【図４】トンネル構築システムの後方を示す模式縦断側面図。
【図５】上段掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図６】側部掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図７】中段掘削・推進工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【図８】掘削工程が完了した状態におけるトンネル構築システムを示す模式縦断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係るトンネル構築システム１００について説明する。トンネル構築システム１００は、軌道等の直下を低土被りで掘削してトンネルを構築する際に使用することに特に適している。
【００１４】
図１乃至図３に示すように、トンネル構築システム１００は、矩形断面の掘削を行うトンネル掘削装置１０、及びトンネル覆工体である函体Ｓを組立てる函体組立装置２０を備えている。なお、以下の説明では、トンネル掘削方向を前方向（図１中左方向、図２及び図３中紙面奥向き方向）、トンネル掘削方向と直交するトンネル断面の水平方向を横方向（図１中紙面に直交する方向、図２及び図３中左右方向）とする。
【００１５】
トンネル掘削装置１０は、複数段、ここでは、上・中・下段の３段に分割してトンネル断面を掘削するように構成されている。上段の断面を掘削する上段掘削機３０は、独立して掘削可能な複数、ここでは１６に分割された矩形領域を、それぞれ掘削可能に構成されている。そして、中、下段の断面をそれぞれ掘削する中段掘削機４０、下段掘削機５０は、それぞれ、独立して掘削可能な複数、ここでは３に左右方向に分割された矩形領域を、それぞれ機械化メッセル方式により掘削可能に構成されている。
【００１６】
トンネル掘削装置１０は、左右両側部の断面を掘削する側部掘削機６０も備えている。側部掘削機５０は、左右それぞれ複数、ここでは前後方向に段差を有し縦方向に３個並設され、これら並設された３個が左右それぞれ３組あり、各組が各々独立して掘削する。
【００１７】
このように、トンネル掘削装置１０は、１６台の上段掘削機３０、３台の中段掘削機４０、３台の下段掘削機５０及び１８台の側部掘削機６０を備えている。
【００１８】
トンネル構築システム１００は、下段掘削機５０を配設固定する前胴体（フード部）７１、函体組立装置２０を配設固定する矩形状の後胴体（テール部）７２、及び前胴体７１と後胴体７２とを接続する内殻（ガーダー部）７３からなる装置本体７０を備えている。装置本体７０は、鋼材から形成されており、前胴体７１、後胴体７２及び内殻７３は一体化して構成されている。
【００１９】
内殻７３には、上段、中段、側部掘削機３０，４０，６０を推進するための上段、中段、側部掘削機ジャッキ３１，４１，６１の基部が固定されている。後胴体７２の四隅には、トンネル掘削装置１０全体を推進するための本体推進ジャッキ７４の基部がそれぞれ固定されている。本体推進ジャッキ７４のピストン先端部は、既設の連接された函体（地下構造物）Ｓの四隅に当接しており、トンネル掘削装置１０の推進時の反力が函体Ｓ全周に均等に作用するように構成されている。
【００２０】
各上段掘削機３０は、複数本、ここでは４本の上段掘削機推進ジャッキ３１により、各々独立に装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっている。３台の中段掘削機４０は、複数本、ここでは、６本の中段掘削機推進ジャッキ４１により、装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっており、中段の断面を一括して掘削する。３台の下段掘削機５０は、装置本体７０の前胴体７１と一体化されており、装置本体７０の推進と伴って推進し、下段の断面を一括して掘削する。３台からなる各組の側部掘削機６０は、それぞれ複数本、ここでは、２本の側部掘削機推進ジャッキ６１により。装置本体７０の内殻７３に反力をとって、装置本体７０に対して推進することが可能となっており、左右側部の断面をそれぞれ各組毎に一括して掘削する。
【００２１】
なお、各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４のストロークＳＴは、ここでは２個の函体Ｓの厚み、例えば１ｍ程度であり、同じである。各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４は、図示しない油圧回路に接続されており、各ジャッキ３１，４１，５１，６１，７４が所定の協働動作をするように構成されている。
【００２２】
各上段掘削機３０は、地盤を掘削するカッター刃３２を先端に有するスクリューオーガ３３を備えており、スクリューオーガ３３の回転によりカッター刃３２が掘削した掘削土砂を排土する。さらに、上段掘削機３０は、スクリューオーガ３３を駆動する図示しない駆動源を有する掘削機本体３４と、掘削機本体３４が配設固定される矩形筒状の胴体３５と、胴体３５に対して上段掘削機推進ジャッキ３１を介して摺動可能に設けられ、既設の函体Ｓの上面上にテール部（後端部）が位置する摺動部材３６と、胴体３５の上面に固定され摺動部材３６の上面をテール部まで覆う平鋼板製のフリクションプレート（上面縁切板）３７とを備えている。フリクションプレート３７の幅は、胴体３５の上面の幅と同じ、もしくは少し小さい。
【００２３】
また、上段掘削機３０には、切羽土圧を管理するために図示しない土圧計を配設されており、土圧バランスを保ちながら、掘削と排土との両立を行う。上段掘削機推進ジャッキ３１を伸張させて前方向に推進させながら、スクリューオーガ３３を回転させることによって、上段掘削機３０による掘削と排土を行う。上段掘削機３０は、ストロークＳＴ分だけ推進する。掘削土砂は、胴体３５内に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００２４】
側部掘削機６０は、詳細は図示しないが、地盤を掘削するカッター刃６２を先端に備えており、カッター刃６２の回転により掘削した掘削土砂を、胴体６３内に配置された図示しない排土機構によって排土する。３個の上下に並設された側部掘削機６０は、組をなし、各組の側部掘削機６０の胴体６３は一体化されている。そして、この側部掘削機６０の各組毎に、それぞれ、一体化された胴体６３の外側面に固定され、胴体６３内への切削土砂の流入を防止する土留板６４と、土留板６４に固定され装置本体７０の外側面をテール部（後端部）まで覆う平鋼板製のフリクションプレート（側面縁切板）６５とを備えている。なお、図１などの図面では、簡略化のため、上段の組の側部掘削機６０に側部掘削機推進ジャッキ６１を、中段の組の側部掘削機６０に土留板６４を、下段の組の側部掘削機６０にフリクションプレート６５を付して描いている。
【００２５】
側部掘削機推進ジャッキ６１を伸張させて前方向に推進させながら、カッター刃６２を回転させることによって、側部掘削機６０による掘削と排土を行う。側部掘削機６０は、ストロークＳＴ分だけ推進する。土留板６４は、側部掘削機６０の推進に伴って移動する。掘削土砂は、胴体６３内に配置された図示しないスクリューコンベア等の排出機構により、後方に排土する。
【００２６】
さらに、側部掘削機６０は各組毎に独立して掘削、推進を行うことが可能であるので、側部掘削機６０を各組毎に順次掘削、推進させることにより、側部掘削時の切羽を安定化している。
【００２７】
各中段推進機４０は、トンネル断面を横方向に３分割した掘削作業区間を独立して掘削する開放型の推進掘削機であり、機械化メッセル工法を採用している。各掘削作業区間は、鋼製の一体化された中段フレーム４２によって区画されており、中段フレーム４２の先端にはメッセル鋼矢板と呼ばれる特殊鋼矢板４３が固定されている。
【００２８】
中段の各掘削作業区間には、図示しないが１台ずつ掘削車両が配備されている。掘削車両は、例えば、無限軌道や車輪を有する電動式バックホウであり、中段フレーム４２を構成する床板４４の上面を自由に走行可能となっている。中段フレーム４２には、中段掘削機推進ジャッキ４１のピストン先端部が固定されている。
【００２９】
中段掘削機推進ジャッキ４１を伸張させることにより、特殊鋼矢板４３を前方に押し込み、特殊鋼矢板４３と上段掘削機３０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。中段掘削機４０はストロークＳＴ分推進する。掘削土砂は、床板４４の上面に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００３０】
下段掘削機５０は、中段掘削機４０と同様に、断面を横方向に３分割した掘削作業区間を独立して掘削する開放型の推進掘削機であり、機械化メッセル工法を採用している。各掘削作業区間は、鋼製の一体化された下段フレーム５２によって区画されており、中段フレーム５２の先端にはメッセル鋼矢板と呼ばれる特殊鋼矢板５３が固定されている。
【００３１】
下段の各掘削作業区間には、図示しないが１台ずつ掘削車両が配備されている。掘削車両は、例えば、無限軌道や車輪を有する電動式バックホウであり、下段フレーム５２を構成する床板５４の上面を自由に走行可能となっている。下段フレーム５２は、装置本体７０の前胴体７１に固定されている。
【００３２】
本体推進ジャッキ７４を伸張させ、既設の函体Ｓに反力をとって装置本体７０を前方に推進させることにより、特殊鋼矢板５３を前方に押し込み、特殊鋼矢板５３と中段フレーム４２の床版４４とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。下段掘削機５０及び装置本体７０はストロークＳＴ分推進する。掘削土砂は、床板５４の上面に配置された図示しないベルトコンベア等の排出機構により、後方に排出する。
【００３３】
上記のように、トンネル掘削装置１０は、トンネル断面を分割して掘削するように構成されており、切羽面を上段、側部、中段、下段の順に分割掘削することによって切羽面の開放を段階的に行うので、切羽が安定化する。
【００３４】
さらに、下段掘削機５０以外の掘削機３０，４０，６０を各段に配設された推進ジャッキ３１，４１，６１をそれぞれ伸張して装置本体７０に対して推進させて、掘削断面の上段、側部、中断を順次掘削した後、下段掘削機５０によって掘削断面の下段を掘削しながら、装置本体７０に一体化された下段掘削機５０を本体推進ジャッキ７４を伸張させて推進させている。よって、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキを伸張させて下段掘削機を推進させる上記従来の場合に比べて、下段掘削機用の掘削機推進ジャッキが削減されるので、装置が簡略し安価となる。
【００３５】
さらに、本体推進ジャッキ７４が後胴体７２に配設されているので、下段掘削機５０と一体化された装置本体７０を推進するとき、既設の地下構造物Ｓに反力を均等に作用させることが可能となる。
【００３６】
さらに、他の掘削機４０，５０，６０に先駆けて上段掘削機３０による掘削、推進を行うことにより、上段掘削機３０自体をいわば上段ルーフとした先受け効果によって、その後の中、下段掘削時の切羽面の緩みが抑制されるので、切羽が安定化する。
【００３７】
さらに、各上段掘削機３０は独立して掘削、推進を行うことが可能であり、各上段掘削機３０を順次掘削、推進させることにより、上段掘削時の上部地盤の変形が防止されるので、切羽が安定化する。
【００３８】
さらに、胴体３５の上面に固定され装置本体７０と共に移動する摺動部材３６の上面がテール部までフリクションプレート３７で覆われている共に、装置本体７０の外側面がテール部までフリクションプレート６５で覆われている。そして、装置本体７０が前方に推進するとき、フリクションプレート３７，６５は周囲地盤に対して移動しない。そのため、装置本体７０の上面及び側面の全面に亘って周囲地盤と接する場合に比べて、周囲地盤と装置本体７０との間の摩擦抵抗が低減される。よって、掘削断面が大断面であっても、装置本体７０の推進により、周囲地盤が周辺摩擦力で剪断破壊して引き込みが起こって、地盤が沈下、変形することを防止できる。
【００３９】
これらによって、０．３ｍ乃至１．０ｍ程度の低土被りでも上部地盤に影響なく、軌道等の直下を安全に掘削、推進を行うことが可能となる。
【００４０】
函体組立装置２０は、矩形状の後胴体７２の内方に配設固定されている。函体組立装置２０は、ここでは、トンネル断面を横方向に２分割した作業区間毎に１台ずつ、計２台設けられている。函体組立装置２０により掘削したトンネルの内面に函体Ｓが連接して組立てられ、函体Ｓによる内壁が構築される。
【００４１】
函体Ｓは、ここでは、工場等で予め成形されたコンクリートからなるプレキャストボックスカルバートであり、底版Ｓ１、頂版Ｓ２、２つの側壁Ｓ３の４つの部材（セグメント）から構成されている。ここでは、底版Ｓ１は、函体Ｓの底辺を構成する部分とその左右両端部の上方に延在する部分とからなっている。そして、頂版Ｓ２は、函体Ｓの上辺を構成する部分とその左右両端部の下方に延在する部分からなっており、底版Ｓ１と同形状である。側壁Ｓ２は、底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に位置し、函体Ｓの側辺の大部分を構成する直方体形状となっている。
【００４２】
各函体組立装置２０は、頂版Ｓ２を持上げて保持可能な２台のリフター８０と、側壁Ｓ３を把持して９０度回転可能な１台のエレクター９０とから構成されている。
【００４３】
各リフター８０は、装置本体７０の後胴体７２に設置された縦梁８１と、縦梁８１に対して摺動可能に設置され装置本体７０から後方に突出するフォーク８２と、フォーク８２を縦梁８１に対して昇降させるシリンダやチェーン等からなる図示しない昇降機構とを備えている。なお、昇降機構は、図示しない駆動源により駆動する。
【００４４】
左右一対のリフター８０は、フォーク８２が共動して昇降するように構成されており、下方で左右のフォーク８２上に載置された頂版Ｓ２を所定の高さ、具体的には、頂版Ｓ２が設置されるべき高さを超えて頂版Ｓ２を持上げ、その位置で頂版Ｓ２を保持可能なように構成されている。
【００４５】
エレクター９０は、後胴体７２の底板の上面に左右方向に延びるように設置されたレールに対して複数の車輪を介して摺動可能に配置された台車部９１と、台車部９１に固定された本体部９２と、側壁Ｓ３を把持、解放、持上げ可能な把持部９３と、把持部９３を先端に有し本体部９２に対して左右各９０度回転可能な回転部９４とを備えている。また、把持部９３は、回転部９４に対して、前後方向に、函体Ｓの厚み分だけ摺動可能なように構成されている。なお、把持部９３や回転部９４は、図示しない駆動源により駆動される。
【００４６】
エレクター９０は、掘削されたトンネル底面に載置された側壁Ｓ３を把持部で把持して持上げた後、右又は左方向に９０度回転部９４を回転させた状態で、台車部９１をスライド移動させることができるように構成されている。エレクター９０の把持部９３は、前後方向に函体Ｓの厚み分だけ摺動可能に構成されているので、２つの函体Ｓを組立てることができる。
【００４７】
なお、リフター８０は、縦梁８１を後胴体７２に対して前後方向に函体Ｓの厚み分だけ摺動可能に構成されてもよい。これにより、フォーク８２の長さを短縮でき、作業空間が増加すると共に、フォーク８２に対する頂版Ｓ２の載置面が縦梁８１に近づくので、昇降機構及び駆動源を小型化することが可能となる。
【００４８】
さらに、図４に示すように、トンネル構築システム１００の後方には、各作業空間に、函体Ｓを構成する部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を坑口から搬入する部材搬入機構１１０が設けられている。部材搬入機構１１０は、ここでは、図示しない部材運搬台車、例えば、軌条を走行するサーボコロ、及び部材吊下搬入装置とから構成されている。部材吊下搬入装置は、例えば、ダブルレールホイストクレーン１１１と移動式ガーター１１２とから構成されている。
【００４９】
部材運搬台車を用いて移動式ガーター１１２の後方まで搬入し、そこで、ダブルレールホイストクレーン１１２を用いて部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を吊り下げて、後胴体７２の後方まで搬入する。移動式ガーター１１２を備えるので、トンネル構築システム１００が推進しても、後胴体７２後方の適切な位置まで部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を搬入することができる。
【００５０】
なお、底版Ｓ１や頂版Ｓ２の長さが作業区間の左右方向の幅に対して余裕がないとき、底版Ｓ１や頂版Ｓ２の長手方向を前後方向として、部材運搬台車やホイストクレーン１１２で後胴体７２の後方近くまで搬入し、長手方向が左右方向となるように旋回させながら移動させて底版Ｓ１や頂版Ｓ２を掘削されたトンネル底面の設置位置に仮置きする。
【００５１】
さらに、トンネル構築システム１００の後方には、各作業空間に、図示しない坑内排土機構が設けられている。坑内排土機構は、トンネル構築システム１００から掘削土砂を受け取り、その掘削土砂をトンネル外部に排出する。坑内排土機構は、例えば、移動式、固定式等の排出コンベアを単数、又は複数組み合わせて構成されている。また、フレックスコンベアや土砂ホッパーを設け、土砂ホッパーを介してダンプ運搬により掘削土砂を排出してもよい。
【００５２】
また、図示しない裏込注入機構が設けられている。裏込注入機構は、函体Ｓの各部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とトンネル掘削面との間に裏込注入材を注入する。これにより、トンネル構築システム１００の推進方向に順次函体Ｓが連接されて矩形断面のトンネル内壁を構築することができる。
【００５３】
以下、トンネル構築システム１００を用いた本発明の一実施形態に係るトンネル構築方法について説明する。トンネル構築方法は、主として、トンネル掘削装置１０を用いた掘削工程と、函体組立装置２０を用いた函体組立工程とから構成されており、これらの工程を交互に行う。
【００５４】
掘削工程は、上段掘削・推進工程、側部掘削・推進工程、中段掘削・推進工程、及び下段掘削・推進工程から構成されており、この順序で工程が進行する。
【００５５】
上段掘削・推進工程においては、図１に示す状態から、上段掘削機３０により掘削断面上段の掘削を行う。上段掘削機推進ジャッキ３１を伸張させながら、スクリューオーガ３３を回転させることによって、掘削と排土を行い、ストロークＳＴ分だけ上段掘削機３０を推進させる。各上段掘削機３０を、順次掘削、推進させ、左右方向に分割した区画毎に掘削を行い、図５に示す状態となる。
【００５６】
側部掘削・推進工程においては、側部掘削機６０により掘削断面側部の掘削を行う。側部掘削機推進ジャッキ６１を伸張させながら、カッター刃６２を回転させることによって、掘削と排土を行う。ストロークＳＴ分だけ側部掘削機６０を推進する。各組の側部掘削機４０を、順次掘削、推進させ、図６に示す状態となる。
【００５７】
中段掘削・推進工程においては、中段掘削機４０により掘削断面中段の掘削を行う。中段掘削機推進ジャッキ４１を伸張させて、特殊鋼矢板４３を前方に押し込む。そして、特殊鋼矢板４３と上段掘削機３０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。ストロークＳＴ分だけ中段掘削機４０を推進させる。全ての中段掘削機４０を同時に推進させ、掘削車両による掘削は区画毎に行い、図７に示す状態となる。
【００５８】
下段掘削・推進工程においては、下段掘削機５０により掘削断面下段の掘削を行う。本体推進ジャッキ７４を伸張させて、特殊鋼矢板５３を前方に押し込む。そして、特殊鋼矢板５３と上段掘削機４０とで区画される断面矩形状の地盤を、作業者が掘削車両を運転して掘削を行う。ストロークＳＴ分だけ下段掘削機５０及び下段掘削機５０が固定された装置本体７０を推進させる。全ての下段掘削機５０を同時に推進させ、掘削車両による掘削は区画毎に行い、図８に示す状態となる。
【００５９】
掘削工程が完了することにより、トンネル構築システム１００全体がストロークＳＴ分だけ推進した状態となる。これにより、既設の連接された函体Ｓの前方に２組の函体Ｓを接続可能な空間が存在することになる。
【００６０】
このように、掘削工程においては、切羽面を上段、側部、中段、下段の順に分割掘削するので、切羽面の開放を段階的に行うことにより、切羽が安定化する。
【００６１】
さらに、掘削断面の側部、中段及び下段を掘削する前に上段を掘削するので、上段掘削機３０自体をいわば上段ルーフとした先受け効果によって、その後の中、下段掘削時の切羽面の緩みが抑制され、切羽が安定化する。
【００６２】
さらに、各上段掘削機３０を順次掘削、推進させるので、上段掘削時の上部地盤の変形が防止され、切羽が安定化する。
【００６３】
さらに、胴体３５の上面に固定され装置本体７０と共に移動する摺動部材３６の上面がテール部までフリクションプレート３７で覆われる共に、装置本体７０の外側面がテール部まで覆うフリクションプレート６５で覆われている。そして、装置本体７０が前方に推進するとき、フリクションプレート３７，６５は周囲地盤に対して移動しない。そのため、装置本体７０の上面及び側面全面に亘って周囲地盤と接する場合に比べて、周囲地盤と装置本体７０との間の摩擦抵抗が低減される。よって、掘削断面が大断面であっても、装置本体７０の推進により、周囲地盤が周辺摩擦力で剪断破壊して引き込みが起こって、地盤が沈下、変形することを防止できる。
【００６４】
これらによって、０．３ｍ乃至１．０ｍ程度の低土被りでも上部地盤に影響なく、軌道直下を安全に掘削、推進を行うことが可能となる。
【００６５】
函体組立工程は、底部敷モルタル設置工程、底版据付工程、頂版持上げ工程、側壁据付工程、頂版据付工程、及び裏込注入工程から構成されており、各作業空間に各工程を適宜進行することができる。
【００６６】
底部敷モルタル設置工程においては、掘削工程において掘削されたトンネル底面に、敷きモルタルを設置し、不陸調整を行う。
【００６７】
底版据付工程においては、敷きモルタルが設置されたトンネル底面に底版Ｓ１を据付ける。図４を参照して、坑外から部材搬入機構１１０を用いて底版Ｓ１を搬入し、ダブルレールホイストクレーン１１１を用いて、既設の連接された函体Ｓの前面と接触するように底版Ｓ１を据付ける。
【００６８】
頂版持上げ工程においては、図３を参照して、頂版Ｓ２を持上げ保持する。坑外から部材搬入機構１１０を用いて頂版Ｓ２を搬入し、頂版Ｓ２を設置位置下方に仮置きする。そして、リフター８０のフォーク８２の上に頂版Ｓ２を載置させ、設置位置を超える高さに頂版Ｓ２が位置するまでフォーク８２を上昇させてその位置で保持する。
【００６９】
側壁据付工程においては、側壁Ｓ３を底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に据付ける。坑外から部材搬入機構１１０を用いて側壁Ｓ３を搬入し、ダブルレールホイストクレーン１１１を用いて、側壁Ｓ３を底版Ｓ１の上に仮置きする。次に、エレクター９０の把持部９３で側壁Ｓ３を把持して持上げた後、回転部９４を９０度回転させる。そして、台車部９１をスライド移動させて、側壁Ｓ３を底版Ｓ１と頂版Ｓ２との間に挿入する。側壁Ｓ３の微位置調整を行ってから、把持部９３による側壁Ｓ３の把持を解放する。側壁Ｓ３は左右２本あるので、側壁Ｓ３を据付ける位置の違いにより、回転部９４の回転方向と台車部９１の移動方向とが異なる。
【００７０】
裏込注入工程においては、裏込注入機構により、函体Ｓの各部材Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とトンネル掘削面との間に裏込注入材を注入する。
【００７１】
これにより、既設の連接された函体の前方向に１個の函体Ｓが接続されることになる。そして、さらに１個の函体Ｓを接続させるため、頂版持上げ工程から裏込注入工程までの工程を繰り返し行う。
【００７２】
なお、フリクションプレート３７，６５は少なくとも掘削機本体７０の後胴体７２まで延伸していることが好ましい。ただし、掘削機本体７０の内殻まで延伸しているものであってもよい。これにより、上部地盤への影響が少ない。
【符号の説明】
【００７３】
１０…トンネル掘削装置、２０…函体組立装置、３０…上段掘削機、３１…上段掘削機ジャッキ、３７…フリクションプレート（上面縁切板）、４０…中段掘削機、４１…中段掘削機ジャッキ、５０…下段掘削機、６０…側部掘削機、６１…側部掘削機ジャッキ、６４…土留板、６５…フリクションプレート（側面縁切板）、７０…装置本体、７１…前胴体、７２…後胴体、７３…内殻、７４…本体推進ジャッキ、１００…トンネル構築システム、Ｓ…函体（地下構造物）、Ｓ１…底版、Ｓ２…頂版、Ｓ３…側壁、８０…リフター、９０…エレクター、９１…台車部、９２…本体部、９３…把持部、９４…回転部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削断面を上下複数段に分割して各段に掘削機を配設して掘削、推進を行うトンネル掘削装置であって、
最下段に配設された下段掘削機以外の掘削機は、各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して装置本体に対して推進し、前記下段掘削機は、前記装置本体に一体化して配設され、本体推進ジャッキを伸張して既設の地下構造物を反力として前記装置本体と共に推進することを特徴とするトンネル掘削装置。
【請求項２】
前記装置本体は、前記下段掘削機を配設固定する前胴体、前記本体推進ジャッキを配設する後胴体、及び前記前胴体と前記後胴体とを接続する内殻からなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削装置。
【請求項１】
掘削断面を上下複数段に分割して各段に掘削機を配設して掘削、推進を行うトンネル掘削装置であって、
最下段に配設された下段掘削機以外の掘削機は、各段に配設された掘削機推進ジャッキをそれぞれ伸張して装置本体に対して推進し、前記下段掘削機は、前記装置本体に一体化して配設され、本体推進ジャッキを伸張して既設の地下構造物を反力として前記装置本体と共に推進することを特徴とするトンネル掘削装置。
【請求項２】
前記装置本体は、前記下段掘削機を配設固定する前胴体、前記本体推進ジャッキを配設する後胴体、及び前記前胴体と前記後胴体とを接続する内殻からなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−８０２９９（Ｐ２０１１−８０２９９Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３４５７７（Ｐ２００９−２３４５７７）
【出願日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
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