シールド掘進方法及びシールド掘進機
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、シールド掘進方法及びシールド掘進機に関し、特にトンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを組付ける際に、土水圧荷重を効果的に支持できるようにしたシールド掘進技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】 各種のシールド坑（上下水道用トンネル、地下鉄用トンネル、通信ケーブル用トンネル、共同溝用トンネルなど）をシールド工法により構築する為の掘削装置としてシールド掘進機が広く実用に供されている。このシールド掘進機は、一般に、掘進機本体と、この掘進機本体の前端部に回転可能に設けられたカッターヘッドと、カッターヘッドを正逆回転駆動する駆動機構と、掘進機本体の外面部の後胴内に配設されトンネル軸方向に所定長さ掘削する毎に、トンネル内面を複数のセグメントで順次覆工していく為のエレクターと、複数のシールドジャッキと、排土設備等を有する。シールドジャッキは、既設セグメントの前端に反力をとりシールド掘進機を掘進させる。排土設備は、カッターヘッドで掘削した掘削土やその掘削土を含む泥水を地上へ搬出する機能を有する。
【０００３】前記セグメントとして、従来はトンネル軸心方向に所定長さでトンネル内周面を周方向に複数分割（一般的に６分割または７分割）した大きさのコンクリート製セグメントまたは鋼製のスキンプレートと桁部材とリブ等からなる鋼製セグメントが適用されている。これらコンクリート製セグメントおよび鋼製セグメントは、外圧である土水圧に耐えるため、所定長さ（例えば、１００〜１７５ｍｍ程度）のものが適用されている。
【０００４】前記セグメントをトンネル内周面に組付ける際には、トンネルを所定長さ（１リング分）掘削する毎にトンネルの掘削を停止し、この停止状態でセグメント組付け位置のシールドジャッキのロッド部のみを退入させてセグメント組付け位置に間隙を形成する。その他のシールドジャッキは既設セグメントに反力をとって土水圧荷重を支える。複数のシールドジャッキのうちの大部分は、カッターヘッドに作用する土水圧荷重でシールド掘進機が後退しないように支持する。
【０００５】次に、セグメントをエレクターで把持し、シールドジャッキのロッド部を収縮させた位置に組付け、次にそのセグメントに対応するシールドジャッキにより後方へ押圧し、既設セグメントの前端に当接させる。このように複数のセグメントをトンネル内周面に順次組付けて、１リング分のセグメントリングが組付けられ、その後トンネル掘進が再開される。尚、周方向および軸方向に隣接するセグメント同士は、ボルト・ナットで連結される。
【０００６】一方、特開平１０−１４８０９８号公報には、セグメントの組付けを著しく簡単化することのできるシールド掘進機が記載されている。即ち、このシールド掘進機では、トンネル軸心方向に所定長さを有し周方向の１箇所で分断されたリング状の鋼管セグメント（以後、単に鋼管セグメントという）が適用され、この鋼管セグメントでトンネル内面を順次覆工する。このシールド掘進機では、この後胴内部を挿通してトンネルの中心部を後方に延びるグリッパー支持管と、このグリッパー支持管に外嵌状に設けられ鋼管セグメントを径拡大方向に拡張させる拡張装置と、グリップ装置とが設けられている。
【０００７】前記グリップ装置は、後胴の後端よりも後方へ張り出したグリッパー支持管の後部に外嵌状に設けられた２組のグリッパーと、それらグリッパーをグリッパー支持管に軸方向移動可能に支持する筒体と、この筒体の軸方向の位置を切換える位置切換え機構とを有する。筒体はグリッパー支持管に摺動可能に外嵌され２組のグリッパーがグリップ機能状態になると弾性変形してグリッパー支持管に固定状態となる。２組のグリッパーは、夫々筒体の外周部の周方向４等分位置に放射状に固定された油圧シリンダと、それら油圧シリンダのロッド先端部に連結されたグリップ部材とを有する。
【０００８】前記油圧シリンダのピストンロッドを伸長させると、４つのグリップ部材が既設の鋼管セグメントの内面に密着するとともに筒体が弾性変形してグリップ状態となり、既設の鋼管セグメントに対してグリッパー支持管が強固に固定されるので、土水圧荷重はグリッパー支持管から筒体に伝達され、油圧シリンダを介してグリップ部材に伝達され、既設の鋼管セグメントに伝達される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】 上述したようにトンネル周方向に複数分割されたセグメントを適用する場合は、トンネルを所定長さ掘進する毎に、複数のセグメントを１個ずつ、トンネル内面に持ち上げて位置決めし、軸方向および周方向に隣接するセグメントに対して夫々ボルトで接合しなければならない。このように、セグメントの分割数が多いため、セグメント組付け作業とボルト接合作業の負荷が多くなり、セグメント組立作業の作業時間が長くかかり、トンネル掘削の能率が低下し、工期が長くなり不利となる。
【００１０】前記セグメントは、所定厚さのものが適用されるので、所望のセグメントリングの内径寸法にするには、掘削するトンネル内径を、この厚さ分を見込んでセグメントリングの内径よりも例えば２００ｍｍ〜３５０ｍｍ程度大きくしなければならない。それ故、掘削する掘削土の量が多くなり、大型のシールド掘進機が必要となり掘削効率が低下する。しかも、セグメントを所期の組付け位置に組付け、隣接の既設セグメントにボルト連結するのを順々に繰り返していって１リング分のセグメントを組付けるため、既設セグメントから制約を受けてセグメント組立て精度が低下し易く、セグメント同士の継ぎ目のシール性を確保しにくくなり、トンネル内面の仕上がり外観を高めるのが難しい。
【００１１】前記特開平１０−１４８０９８号公報に記載のシールド掘進機では、掘進停止中、土水圧荷重により掘進機本体が後退するのを防止するため、グリップ装置の油圧シリンダのピストンロッドを伸長させ４つのグリップ部材を覆工済み鋼管セグメントの内面に押圧密着させることで強固にグリップし、土水圧荷重を最終的に覆工済み鋼管セグメントに伝達している。しかし、土水圧荷重は、地上からの深さによって異なるが、トンネル直径が例えば２〜３ｍクラスのシールド坑では、１００〜３００トンもの大きさになる。
【００１２】この場合、グリッパーの押圧力は、グリッパーの摩擦係数を０．２として約５００〜１５００トンになる。このような大きな押圧力で鋼管セグメントの内面を直交状に押圧すると、鋼管セグメントが変形し鋼管セグメント同士を連結する継手部より漏水が発生するという問題がある。更に、グリップ装置は、そのグリップ装置の前後における作業者のアクセスを悪くしているのでセグメントの組立てに支障を来すという問題がある。
【００１３】本発明の目的は、セグメントの組付け作業を簡単化し能率を高めること、掘削土の量を少なくすること、セグメントを変形させることなく土水圧荷重を覆工済みの既設セグメントで支持すること、セグメント組立て精度を高めること、エレクターの付近における作業者のアクセスを良好にすること、等である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】 請求項１のシールド掘進方法は、シールド掘進機によりトンネルを掘削し、そのトンネルの内面にエレクターによりセグメントを覆工するシールド掘進方法において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内周を覆工する際に、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させる第１工程と、前記覆工済みセグメントよりも前側において、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターにより複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てる第２工程と、前記リング状に組立てたセグメントリングを、複数のシールドジャッキにより後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる第３工程とを踏んで覆工することを特徴とするものである。
【００１５】トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキで覆工済みの既設セグメントの前端に反力をとりながら掘削していく。軸方向にセグメントリングの１リング分掘進する毎に、掘削したトンネルの内面にエレクターにより断面円弧状の鋼管分割体セグメントで覆工していく。
【００１６】鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内面を覆工する際には、掘削を停止し、第１工程において、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持機構を夫々有する複数の荷重支持機構を介して既設セグメントに支持させる。次に第２工程において、複数の鋼管分割体セグメントを、既設セグメントよりも前側で、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターによりリング状に組立てる。次に第３工程において、複数のシールドジャッキのロッド部を伸長してリング状に組立てたセグメントリングを、後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる。
【００１７】トンネル内周を周方向に複数分割したセグメントを適用するため、エレクターによるセグメント組付け回数が低減し、セグメント同士を連結するボルト連結作業が低減し、セグメント組立作業の作業時間が短くなる。前記土水圧荷重を、荷重支持機構を介して覆工済みセグメントに支持させるので、確実に且つ安全に支持することができる。鋼管分割体セグメントをエレクターによりリング状のセグメントリングに組立てておいてこのセグメントリングを複数のシールドジャッキにより移動させて覆工するのでセグメント組付け作業が簡単化するうえ、セグメントの組付け精度を容易に高めることができる。
【００１８】
【００１９】第２工程において、複数本の荷重支持ジャッキのうち、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際にこの鋼管分割体セグメント及びエレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部のみを退入して、鋼管分割体セグメントを周方向の所望の位置に移動させ、その後退入したロッド部を伸長する。
【００２０】このように、エレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部の退入、鋼管分割体セグメントの周方向への移動、退入したロッド部の伸長という一連の動作を複数回行って複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てることができる。鋼管分割体セグメントの把持位置をその移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングの組立作業を能率的に行うことができる。
【００２１】請求項２のシールド掘進方法は、請求項１の発明において、前記鋼管分割体セグメントの後端部に、既設セグメントの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片を予め形成しておき、セグメントリングを既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることを特徴とするものである。既設セグメントとセグメントリングとのボルト連結作業が不要となりセグメント組付け作業が簡単化する。
【００２２】請求項３のシールド掘進機は、掘進機本体と、掘進機本体の外面部の胴部材と、カッターヘッドと、カッターヘッドを回転駆動するヘッド駆動手段と、複数のシールドジャッキとを備えたシールド掘進機において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、前記シールドジャッキ間にシールドジャッキと平行に夫々配設されたシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して、セグメントの組付け時にシールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたものである。
【００２３】トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキで既設セグメントの前端に反力をとりながらヘッド駆動手段によりカッターヘッドを回転駆動して掘削していく。セグメントのトンネル軸心方向長さに等しい１リング分掘削する毎に、鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工する際には、掘削を停止し、土水圧荷重を、シールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して既設セグメントに安全確実に伝達して支持することができる。こうして、シールド掘進機が後退しないように支持した状態で、鋼管分割体セグメントをエレクターにより組立てることができる。
【００２４】請求項４のシールド掘進機は、請求項３の発明において、前記荷重支持ジャッキはそのロッド部を後方向きにして配設され、前記各荷重支持機構は、荷重支持ジャッキと、この荷重支持ジャッキのロッド部の後端部に連結されてトンネル径方向外側へ延びた着脱金具と、この着脱金具の外端部に連結されたスプレッダーと、既設セグメントの内面に固着されてスプレッダーを後方から受け止めるストッパ部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００２５】鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内面を覆工する際には、各荷重支持ジャッキのロッド部に着脱金具及びスプレッダーを取付けておいてそのロッド部を伸長させ、スプレッダーにストッパ部材を後方から当接させる。土水圧荷重は、荷重支持ジャッキから着脱金具を経由してスプレッダーに伝達され、スプレッダーを介してストッパ部材で受け止められる。鋼管分割体セグメントの内面に大きな押圧力を作用させて土水圧荷重を支持する必要がないので、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用可能となり、掘削土量も少なくできる。トンネル掘進の際には、着脱金具とストッパ部材とが干渉しないように、着脱金具をロッド部から外し、荷重支持ジャッキのロッド部を退入する。
【００２６】請求項５のシールド掘進機は、請求項３又は４の発明において、前記荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されたことを特徴とするものである。鋼管分割体セグメントを間隙内に自由に通過させることができ、その間隙を活用して鋼管分割体セグメントをリング状に組み立てることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係るシールド掘進機について図面を参照して説明する。但し、以下の説明はシールド掘進方法についての説明をも含む。尚、掘進方向に向かって前後左右方向をそれぞれ前後左右として説明する。
【００２８】図１、図２、図３に示すように、シールド掘進機１は、掘進機本体２と、この掘進機本体２の外面部の胴部材２ａと、掘進機本体２の前端部に回転可能に設けられたカッターヘッド３と、このカッターヘッド３を回転駆動する為のヘッド駆動機構４と、例えば１０本のシールドジャッキ５と、エレクター６と、４組の荷重支持機構７と、排土設備８等を有する。カッターヘッド３には、複数のカッタースポーク３ａと、カッタースポーク３ａの前端部に付設された多数のカッタービット３ｂと、余掘りの為のコピーカッター３ｃ等が設けられている。ヘッド駆動機構４は複数の油圧駆動モータ４ａ等からなり、掘進機本体２の前端即ち胴部材２ａ内部の鉛直の隔壁９に固定されてカッターヘッド３を正逆回転駆動する。
【００２９】図１、図３に示すように、胴部材２ａの後側内面に沿ってリングフレーム１０ａが固着され、リングフレーム１０ａよりも前方には、周方向適当間隔おきに支持ブラケット１０ｂが固着されている。例えば１０本のシールドジャッキ５が周方向適当間隔おきに後方向きに配設され、各シールドジャッキ５のジャッキ本体は、リングフレーム１０ａに貫通状に固定されてジャッキ本体の前端が支持ブラケット１０ｂで受け止められている。
【００３０】これらシールドジャッキ５は掘進時に覆工済みセグメントの前端に反力をとりシールド掘進機１を掘進させる。シールドジャッキ５のロッド部の後端部には、偏心金具１１を介してスプレッダー１３が連結されている。一方、セグメントの断面円弧に沿う略円弧状（本実施形態の場合、１／３円円弧状）に形成されたプレスリング１２が設けられ、４本又は３本のシールドジャッキ５の推力が、偏心金具１１からスプレッダー１３とプレスリング１２を介してセグメントに伝達される。
【００３１】図１、図３に示すように、エレクター６は、エレクター本体１４と、エレクター本体１４を支持してトンネル軸心回りに回転させる為のエレクタードラム１５と、エレクタードラム１５を回転駆動する為のドラム駆動用モータ１６とを有する。エレクタードラム１５は、複数のブラケットに支持部材を介して取り付けられた複数の鍔付き案内ローラで回転自在に支持され、エレクタードラム１５の被案内部１５ａが複数の鍔付き案内ローラで支承されている。エレクタードラム１５の内周面にはチェーン部材１５ｂが固定され、ドラム駆動用モータ１６のスプロケット１６ａはこのチェーン部材１５ｂに噛合してエレクタードラム１５を回転駆動する。
【００３２】エレクター本体１４は、エレクタードラム１５に連結部材１７を介して連結され、可動フレーム１８とセグメント把持部１９とを有する。エレクター本体１４には、連結部材１７に固定された左右１対のガイド筒２０が設けられ、可動フレーム１８をトンネル内面側へ移動させる為の油圧シリンダ２１が各ガイド筒２０の後側面に設けられている。
【００３３】可動フレーム１８は、可動フレーム本体１８ａと左右１対のガイドロッド１８ｂとを有し、可動フレーム本体１８ａはトンネル軸心と直交する方向に向き、左右１対のガイドロッド１８ｂが可動フレーム本体１８ａの左右両端に設けられ、可動フレーム本体１８ａとトンネル軸心方向の双方に直交する状態に突設されている。これら１対のガイドロッド１８ｂは、夫々ガイド筒２０に摺動案内され、可動フレーム本体１８ａは油圧シリンダ２１のロッド部に連結されている。
【００３４】従って、可動フレーム１８は、油圧シリンダ２１により移動駆動され、ガイドロッド１８ｂがガイド筒２０に摺動案内され、可動フレーム本体１８ａがトンネル径方向（図３では上下方向）に移動する。セグメント把持部１９は、可動フレーム本体１８ａに油圧シリンダ２２により前後方向に位置調整可能に設けられ、搬送台車等により搬送されたセグメントを把持してトンネル内面に組立てる。
【００３５】図１、図３〜図８に示すように、セグメントの組付けの際にシールド掘進機１の前端に切羽から作用する土水圧荷重を支持する際に、トンネル内周を略４等分する位置に、４組の荷重支持機構７が設けられている。各荷重支持機構７は、前後方向向きの荷重支持ジャッキ２３と、この荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａに着脱可能な着脱金具２４と、スプレッダー２９と、セグメントの内面に溶接接合されたストッパ部材２５とを有する。各荷重支持ジャッキ２３は、シールドジャッキ５の間に配設され、リングフレーム１０ａに後方向きに固定されている。
【００３６】図６〜図８に示すように、着脱金具２４はトンネル径方向向きに配設され、その内端がロッド部２３ａの先端のボス部２６に嵌合され、ボス部２６の孔部２６ａに着脱可能な連結ピン２７を嵌合させて連結されている。着脱金具２４の外端は、連結ピン２８を介してスプレッダー２９に連結され、スプレッダー２９はストッパ部材２５により後方から支持される。尚、スプレッダー２９とストッパ部材２５とは当接離隔自在になっている。シールド掘進機１の前端に作用する土水圧荷重は、４本の荷重支持ジャッキ２３に伝達され、着脱金具２４とスプレッダー２９とストッパ部材２５を介して覆工済みセグメントＳａに支持される。
【００３７】図１、図３に示すように、排土設備８は、カッターヘッド３で掘削した掘削土を地上へ搬出する為のスクリューコンベヤ３０を有する。スクリューコンベヤ３０の前端は、隔壁９に前方下がり傾斜状に固定されてチャンバー３１に連通され、スクリューコンベヤ３０の後端側には、スクリュー３０ａを回転駆動する油圧モータ３２が設けられている。尚、スクリューコンベヤ３０の油圧モータ３２より後側の最後端部には、排土口３０ｂが形成され、この排土口３０ｂを開閉駆動する油圧シリンダ３３が設けられている。カッターヘッド３で掘削した掘削土砂は、チャンバー３１内からスクリューコンベヤ３０に導入され、油圧シリンダ３３により開放された排土口３０ｂから搬送コンベヤ（図示略）へ排出され、この搬送コンベヤ等によりトンネル内を後方へ搬送され、立坑から地上へ搬出される。尚、シールド掘進機が泥水用シールド掘進機の場合には、排土設備８の代わりに排泥設備等が設けられる。
【００３８】図４に示すように、リング状のセグメントＳは、トンネル内周を周方向に略均等に３分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK （以下、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK という）からなり、これらセグメントＳA ，ＳB ，ＳK は、例えば１９ｍｍの厚さの鋼板を曲げ加工して製作され、夫々のセグメントＳA ，ＳB ，ＳK の内面には、ストッパ部材２５が径方向内方に向けて溶接接合されている。セグメントＳA は、図４におけるトンネルの内周の下部に配設され、セグメントＳB 及びセグメントＳK よりもやや円弧長さが長く、セグメントＳB とセグメントＳK とはトンネル内周の左右に夫々配設される。セグメントＳA ，ＳB ，ＳK が反時計回りもしくは時計回りに順次配設されて１つのリング状のセグメントリングＳが組立てられる。
【００３９】図４に示すように、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の周方向における両端部にはフランジ継手部３４が形成され、隣接するフランジ継手部３４が複数のボルト３５により接合される。尚、各セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の内面側周方向中央部には、覆工後にセグメントの外側へモルタルを充填する為の充填用金具４６が設けられている。エレクター６でセグメントを把持する際には、エレクター６のセグメント把持部１９で充填用金具４６を把持する。
【００４０】図９、図１０に示すように、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の後端部には、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片３６が予め溶接接合され、この内嵌係合片３６を覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングＳと覆工済みセグメントＳａの内面の連続性が確保される。尚、内嵌係合片３６の外周面には合成樹脂製のシール部材３６ａも設けられているため、セグメントの継ぎ目をシールできる。
【００４１】次に、前記シールド掘進機１の作用を説明する。トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキ５により、覆工済みセグメントＳａの前端にプレスリング１３を介して反力をとりながら、それらシールドジャッキ５を伸長させつつ、複数の油圧駆動モータ４ａを駆動させてカッターヘッド３を回転させ掘削していく。セグメントリングＳの１リング分掘進する毎に、油圧駆動モータ４ａの駆動を停止し掘削を停止し、掘削したトンネルの内面にエレクター６によりセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を覆工していく。
【００４２】次に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を用いてトンネル内面を覆工する際に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を組付ける手順について説明する。第１工程において、１リング分の掘削が終了したとき掘削を中断後、各荷重支持機構７において、荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａに着脱金具２４とスプレッダー２９を連結した状態でロッド部２３ａを伸長させ、スプレッダー２９を覆工済みセグメントＳａのストッパ部材２５に前方から当接させる。シールド掘進機１に作用する土水圧荷重は、カッターヘッド３から胴部材２ａ、荷重支持ジャッキ２３、着脱金具２４、スプレッダー２９の順に伝達され、スプレッダー２９からストッパ部材２５に伝達されストッパ部材２５で受け止められる。
【００４３】覆工済みセグメントＳａのストッパ部材２５によりスプレッダー２９を後方から受け止めて土水圧荷重を支持する構造になっているため、覆工済みセグメントＳａの内面に大きな押圧力を作用させて土水圧荷重を支持する必要がない。その結果、薄肉のセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を適用可能となり、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の厚さの減少分だけ掘削土量を低減でき、シールド掘進機１の小型化を図ることができ、シールド掘進機１の設備費と、トンネル掘削のランニングコストとを低減できるため、非常に有利である。
【００４４】次に、第２工程において、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を、覆工済みセグメントＳａよりも前側において、エレクター６によりリング状のセグメントリングＳに組立てる。具体的には、先ずセグメントＳA を搬送台車でエレクター６の下方位置まで供給する。尚、供給されるセグメントＳA とエレクター６とが干渉しないように、エレクター６は所定の回転位置に待機している。
【００４５】セグメントＳA の供給後、セグメント把持部１９が下方位置になるようにドラム駆動用モータ１６を回転させ、次にエレクター６の油圧シリンダ２１を駆動してガイドロッド１８ｂを移動し、可動フレーム本体１８ａをトンネル径方向に移動する。更に、セグメント把持部１９にセグメントＳA を把持して周方向の所定の位置まで回転させる。この時、４本の荷重支持ジャッキ２３のうち、セグメントＳA やエレクター６と干渉する荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａのみを退入させて、セグメントＳA を所定の組付け対象位置に向けて移動し、非干渉となった時点で、退入したロッド部２３ａを伸長する。尚、ロッド部２３ａの退入時には、着脱金具２４及びスプレッダー２９が新設するセグメントＳA のストッパ部材２５に干渉しないように、着脱金具２４をロッド部２３ａから外しておく等の配慮が必要である。
【００４６】以下、同様にセグメントＳB をセグメントＳA に周方向に隣接する所定位置に移動し、これらセグメントＳA ，ＳB のフランジ継手部３４同士をボルト３５により仮締結する。次にセグメントＳK を所定位置に移動して仮組みした後、セグメントＳA ，ＳK のフランジ継手部３４同士およびセグメントＳB ，ＳK のフランジ継手部３４同士をボルト３５により仮締結する。こうして、セグメントＳA，ＳB ，ＳK をセグメントリングに組立てからセグメント把持部１９をセグメントＳK から離脱させる。
【００４７】このように、セグメントＳA やエレクター６と干渉する荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａの退入、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の周方向への移動、退入したロッド部２３ａの伸長という一連の動作を複数回行ってセグメントＳA ，ＳB ，ＳK をリング状のセグメントリングＳに組立てることができる。セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の把持位置をその周方向への移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングＳの組立作業を能率的に行うことができる。
【００４８】次に、第３工程において、１０本のシールドジャッキ５のロッド部を一斉に伸長させ、偏心金具１１とスプレッダー１３を介してプレスリング１２を新設したセグメントリングＳの前端に当接させ、さらにロッド部を伸長させてセグメントリングＳを後方へ押動させ、セグメントリングＳの後端部の内嵌係合片３６を、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させる。その結果、セグメントリングＳの組付けが完了するので、覆工済みセグメントＳａとセグメントリングＳとのボルト接合作業が不要となりセグメント組付け作業が簡単化する。
【００４９】以上説明したシールド掘進機１及びシールド掘進方法によれば、次のような効果が得られる。鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK は、３つのセグメントでセグメントリングＳを構成できるため、セグメント組付け回数が低減し、セグメント同士の連結の為のボルト連結作業も低減する等セグメント組つけの作業負荷が低減するため、セグメント組付けの作業能率が向上し、トンネル掘削費を低減することができる。
【００５０】既設セグメントＳａの前側にセグメントリングＳを組立てから、このセグメントリングＳを複数のシールドジャッキ５で後方へ移動させて既設セグメントＳａに連結するため、セグメントの組付け制度を高め易く、トンネル内面を綺麗に覆工することができ、セグメントリング同士の継ぎ目からの漏水も発生しにくくなる。特に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の後端部に内嵌係合片３６とシール部材３６ａを設け、それら内嵌係合片３６を既設セグメントＳａの内面に係合させるため、セグメントリング同士の継ぎ目の連続性を高め、その継ぎ目からの漏水も発生しにくくなる。
【００５１】セグメント組付けの際、４組の荷重支持機構７により、シールド掘進機１に作用する土水圧の荷重を、既設セグメントＳａの内面に固定したストッパ部材２５で支持するように構成したため、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の肉厚や剛性をさ程大きくする必要がなく、約１０〜３０ｍｍ程度の厚さの鋼板製の鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を適用可能になった。この種のセグメントＳA ，ＳB，ＳK は、従来のコンクリート製セグメントや鋼製セグメントに比べて簡単安価に制作することができるから、トンネル覆工に用いるセグメント費用を低減することができる。
【００５２】しかも、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の厚さ低減の分だけトンネルの掘削径を小さくできるから、シールド掘進機１を小型化し、掘削土量を低減でき，トンネル掘削費用を低減することだできる。また、荷重支持ジャッキ２３をシールドジャッキ５の間に前後方向向きに配設するため、荷重支持ジャッキ２３とエレクター６との干渉を極力避けつつ、荷重支持ジャッキ２３により土水圧荷重の支持が可能となった。
【００５３】また、荷重支持ジャッキ２３のストロークをセグメントＳA ，ＳB ，ＳK のトンネル軸心方向長さよりも大きくしたため、セグメント組立の際にセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を周方向へ移動させる際に、荷重支持ジャッキ２３のロッド部の退入と伸長とを介して、荷重支持ジャッキ２３とエレクター６との干渉を回避することができ、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の組立て作業の作業能率の低下を防止できる。
【００５４】次に、前記シールド掘進機１を部分的に変更したシールド掘進機１Ａと、そのシールド掘進機によるシールド掘進方法について、図１１〜図３４に基づいて説明する。このシールド掘進機１Ａは、荷重支持機構が前記実施形態のものと異なるだけであるので、前記実施形態のものと同様の構成要素に同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】図１１、図１２に示すように、このシールド掘進機１Ａにおいては、掘進機本体の外面部に、前胴部材２ｂと、後胴部材２ｃと、これら胴部材２ｂ，２ｃを中折れ可能に連結する中折れ部２ｄとが設けられ、左右両側部には複数の中折れジャッキ４５も設けられている。シールド掘進機１Ａの前端に作用する土水圧荷重を覆工済みセグメントＳａに伝達する２組の荷重支持機構４０は、左側部と右側部とに設けられている。各荷重支持機構４０は、荷重支持ジャッキ４１と、この荷重支持ジャッキ４１のロッド部４１ａに着脱可能な着脱金具４２と、スプレッダー４３と、ストッパ部材３８とを有する。各荷重支持ジャッキ４１は、シールドジャッキ５同士の間に前後方向向き且つ後方向きに配設され、そのジャッキ本体はリングフレーム１０ａに固定されている。
【００５６】各荷重支持ジャッキ４１は、胴部材の内面との間にセグメントＳC を通過可能な間隙δを以て配設され、各荷重支持ジャッキ４１は、セグメントＳC のトンネル軸心方向長さより短いストローク（例えば、約５０ｍｍ）のジャッキ本体４１ａと、トンネル軸心方向にセグメントＳc よりも長いロッド部４１ｂとを有する。尚、着脱金具４２とスプレッダー４３に関しては前記実施形態と同様である。尚、荷重支持ジャッキ４１を介して、荷重の伝達、伝達解除が可能であるし、前記ストッパ部材２５と同様のストッパ部材３８との当接具合調整を行うことができる。
【００５７】図３３〜図３４に示すように、セグメントリングＳは、円を３等分した１２０度円弧断面状のセグメントＳC を３個組合わせてリング状に連結することで形成される。各セグメントＳC の内面には、前記充填用金具４６と同様の充填用金具を含めて、セグメントＳC をエレクター６のセグメント把持部１９で把持する為の複数の把持部材３７が突設され、セグメントＳC の内面には、ストッパ部材３８（図１１参照）が溶接接合され、セグメントＳC の周方向における両端部にはフランジ継手部３９が形成され、隣接するセグメントＳC のフランジ継手部３９同士がボルト連結される。
【００５８】セグメントＳC の後端部には、前記実施形態と同様に、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片が予め溶接接合され、これら内嵌係合片を覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングＳと覆工済みセグメントＳａの内面の連続性が確保される。
【００５９】次に、掘削済みのトンネル内面にセグメントＳC を覆工する手順について、図１１〜図３４を参照しつつ説明する。図１１に示すように、セグメントＳC を組付ける際には、掘削を停止した状態で、第１工程において、各荷重支持機構４０において、荷重支持ジャッキ４１のロッド部４１ａに着脱金具４２とスプレッダー４３を取付けておき、１対の荷重支持機構４０の１対のロッド部４１ｂを伸長させ、スプレッダー４３を覆工済みセグメントＳａのストッパ部材３８で後方から支持する。土水圧荷重は、カッターヘッド３から胴部材２ｂ、中折れジャッキ４５、荷重支持ジャッキ４１、着脱金具４２、スプレッダー４３の順に伝達され、スプレッダー４３からストッパ部材３８に伝達されストッパ部材３８で支持される。
【００６０】次に、第２工程において、図１１に示すように、セグメントＳC を、覆工済みセグメントＳａよりも前側で且つ前記間隙δを活用して、エレクター６によりリング状のセグメントリングＳに組立てる。この場合、図１３に示すように、先ずセグメントＳC を搬送台車でエレクター６の下方位置まで搬入する。次に、図１４R>４に示すように、セグメント把持部１９が下方位置になるように回転させ、その後、エレクター６の油圧シリンダ２１を駆動して可動フレーム本体１８ａをトンネル径方向に移動させ、セグメント把持部１９にセグメントＳC を把持する。
【００６１】次に、図１５に示すように、ドラム駆動用モータを回転させてセグメントＳCを周方向の所定の組立位置へ向けて回転させる。セグメントＳC の回転途中において、セグメント把持部１９と１本の荷重支持ジャッキ４１とが干渉するため、図１６に示すように、セグメント把持位置の切換え作業を行う。この場合セグメントＳC の周方向の別の把持部材３７をセグメント把持部１９で把持する。
【００６２】次に、図１７に示すように、ドラム駆動用モータを回転させてセグメントＳCを周方向の所定の組立位置まで回転させる。以下、図１８〜図３４に示すように、セグメントＳC の供給、把持、回転、把持位置切換え作業等を前記と同様に繰り返し行って最終的にリング状のセグメントリングＳに組立てる。ここで、図３２に示すように、セグメント把持部１９の左右近傍に夫々拡張ジャッキ４４が設けられ、セグメントＳC をセグメント把持部１９に把持した状態で、これら１対の拡張ジャッキ４４のロッド部を等しく伸長させると、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC が左右対象に保持され、また、１対の拡張ジャッキ４４の一方のロッド部を退入させることで、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC を一方側へ傾けた状態に保持することができる。セグメントリングを組立てる際に、さいごの３番目のセグメントを組立てる際には、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC を何れか一方向へ傾けてリング状に組立てるものとする。
【００６３】以上説明したシールド掘進機１Ａとシールド掘進方法によれば、基本的には前記実施形態と同様の効果が得られるが、異なる効果について以下に説明する。セグメントＳC を間隙δ内に自由に通過させることができ、その間隙δを活用してセグメントＳC をリング状に組み立てる関係上、荷重支持ジャッキ４１としてストロークの非常に小さなジャッキを適用することができ、荷重支持ジャッキ４１の制作費を低減できる。
【００６４】しかも、荷重支持ジャッキ４１の数も少ないので、荷重支持ジャッキ４１の制作費の面で一層有利である。但し、荷重支持ジャッキ４１のストロークは小さくても、荷重支持ジャッキ４１により荷重伝達、伝達解除の切換え、ストッパ部材３８との当接具合の調整等を行うことができるので、セグメント組立ての作業能率を確保することができる。
【００６５】１）前記実施形態ではトンネル内面を周方向に３分割したセグメントを用いる場合を例として説明したが、トンネル内面を周方向に２分割、４分割、５分割等の複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを適用することも可能である。尚、３分割又は４分割が経済性等で望ましく、その中でも３分割が最もよい。
２）前記実施形態では複数のシールドジャッキ５によりプレスリング１３を介してセグメントを移動させる場合を例として説明したが、プレスリング１３を用いることなく複数のスプレッダー２９で直接セグメントを押圧してもよい。
【００６６】３）前記実施形態において、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の組立て時にエレクター６と荷重支持ジャッキ２３の干渉が生じたとき、荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａの退入、伸長等を行うことなく、必要に応じてセグメント把持位置の切換え作業を行うこともある。
４）荷重支持ジャッキ２３の本数は、シールド径や深度に応じた土水圧荷重の大きさにより決められ、５本以上設けてもよく、２本〜４本設けてもよい。尚、その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施することも可能であることは勿論である。
【００６７】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、トンネル内周を周方向に複数分割したセグメントを適用するため、エレクターによるセグメントの組付け回数が低減し、セグメント同士を連結するボルト連結作業が低減し、セグメント組立作業の作業能率が向上する。シールド掘進機に前方から作用する土水圧荷重を、シールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させるので、土水圧荷重を確実に且つ安全に支持することができる。
【００６８】鋼管分割体セグメントをエレクターによりリング状のセグメントリングに組立てておいて、そのセグメントリングを複数のシールドジャッキにより移動させて覆工するので、セグメント組付け作業が簡単化するうえ、セグメントの組付け精度を容易に高めることができ、トンネル内面の仕上がり外観を高め、セグメントリング同士の接続部のシール性を確保する上で有利である。そして、エレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部の退入、エレクターによる鋼管分割体セグメントの周方向への移動、退入したロッド部の伸長という一連の動作を複数回行ってセグメントリングを組立てることができ、鋼管分割体セグメントのエレクターによる把持位置をその移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングの組立作業の能率を高め、工期短縮を図ることができる。
【００６９】
【００７０】請求項２の発明によれば、セグメントリングを既設セグメントの前端に当接させる際に、内嵌係合片を既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングと切換セグメントの内面の連続性を確保でき、既設セグメントとセグメントリングとのボルト連結作業が不要となり、セグメント組付け作業が簡単化する。その他請求項１と同様の効果を奏する。
【００７１】請求項３の発明によれば、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、シールド掘進機に作用する土水圧荷重をシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたため、セグメントの組立て中には、複数の荷重支持ジャッキを介して土水圧荷重を安全確実に支持することができる。それ故、セグメントの組付けの際、既設セグメントの前側においてセグメントリングを組立てから、そのセグメントリングを後方へ押動させて既設セグメントに連結することが可能となる。この場合、セグメント組付け作業が簡単化し、セグメントの組付け精度を容易に高め、トンネル内面の仕上がり外観を高め、セグメントリング同士の接続部のシール性を確保する等を達成可能になる。しかも、特開平１０−１４８０９８号公報に記載のようなグリッパ装置を適用する必要がないため、トンネル内の下部のアクセス通路を確保しやすくなる。
【００７２】請求項４の発明によれば、前記土水圧荷重は、荷重支持ジャッキから着脱金具を経由してスプレッダーに伝達され、スプレッダーがセグメントの内面に固着のストッパ部材で後方から受け止められる。従って、鋼管分割体セグメントの内面に大きな押圧力を作用させ、摩擦力を介して土水圧荷重を支持する必要がないので、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用しても、セグメントの変形や漏水等は起こらない。従って、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用することができ、セグメントの厚さの低減の分だけ掘削土量も少なくでき、シールド掘進機を小型化できる。その他請求項３と同様の効果を奏する。
【００７３】請求項５の発明によれば、荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されているので、その間隙を活用して、鋼管分割体セグメントをリング状に組立てることができる。その組立時に、荷重支持ジャッキのロッド部を伸縮させる必要がないので、土水圧荷重を安定して支持することができる。その他請求項３又は４と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】図１のIII −III 線断面図である。
【図４】図１の要部IV−IV線断面図である。
【図５】図４の要部拡大図である。
【図６】図１の荷重支持機構の拡大図である。
【図７】図６の要部拡大図である。
【図８】図１の荷重支持機構の作動状態を示す説明図である。
【図９】図１のセグメントの平面図である。
【図１０】図９の要部拡大図である。
【図１１】変更形態に係るシールド掘進機の要部縦断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】セグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図１４】セグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図１５】セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図１６】セグメント把持位置の切換え状態を示す図１２R>２相当図である。
【図１７】セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図１８】次のセグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図１９】次のセグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図２０】次のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２１】次のセグメント位置決め状態を示す図１２相当図である。
【図２２】セグメント同士の仮組み状態を示す図１２相当図である。
【図２３】セグメント把持位置の切換え状態を示す図１２R>２相当図である。
【図２４】一体セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２５】最後のセグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図２６】最後のセグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図２７】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２８】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図２９】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図３０】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図３１】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図３２】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図３３】各セグメントの組立て状態を示す図１２相当図である。
【図３４】セグメントリングの完成状態を示す図１２相当図である。
【符号の説明】
１，１Ａ シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ カッターヘッド
４ ヘッド駆動機構
５ シールドジャッキ
６ エレクター
７ 荷重支持機構
８ 排土設備
２３ 荷重支持ジャッキ
２３ａ ロッド部
２４ 着脱金具
２５ ストッパ部材
２９ スプレッダー
３６ 内嵌係合片
３８ ストッパ部材
４０ 荷重支持機構
４１ 荷重支持ジャッキ
４１ｂ ロッド部
４２ 着脱金具
４３ スプレッダー
Ｓ セグメントリング
ＳA ，ＳB ，ＳK 鋼管分割体セグメント
Ｓａ 既設セグメント
ＳC 鋼管分割体セグメント
δ 間隙
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、シールド掘進方法及びシールド掘進機に関し、特にトンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを組付ける際に、土水圧荷重を効果的に支持できるようにしたシールド掘進技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】 各種のシールド坑（上下水道用トンネル、地下鉄用トンネル、通信ケーブル用トンネル、共同溝用トンネルなど）をシールド工法により構築する為の掘削装置としてシールド掘進機が広く実用に供されている。このシールド掘進機は、一般に、掘進機本体と、この掘進機本体の前端部に回転可能に設けられたカッターヘッドと、カッターヘッドを正逆回転駆動する駆動機構と、掘進機本体の外面部の後胴内に配設されトンネル軸方向に所定長さ掘削する毎に、トンネル内面を複数のセグメントで順次覆工していく為のエレクターと、複数のシールドジャッキと、排土設備等を有する。シールドジャッキは、既設セグメントの前端に反力をとりシールド掘進機を掘進させる。排土設備は、カッターヘッドで掘削した掘削土やその掘削土を含む泥水を地上へ搬出する機能を有する。
【０００３】前記セグメントとして、従来はトンネル軸心方向に所定長さでトンネル内周面を周方向に複数分割（一般的に６分割または７分割）した大きさのコンクリート製セグメントまたは鋼製のスキンプレートと桁部材とリブ等からなる鋼製セグメントが適用されている。これらコンクリート製セグメントおよび鋼製セグメントは、外圧である土水圧に耐えるため、所定長さ（例えば、１００〜１７５ｍｍ程度）のものが適用されている。
【０００４】前記セグメントをトンネル内周面に組付ける際には、トンネルを所定長さ（１リング分）掘削する毎にトンネルの掘削を停止し、この停止状態でセグメント組付け位置のシールドジャッキのロッド部のみを退入させてセグメント組付け位置に間隙を形成する。その他のシールドジャッキは既設セグメントに反力をとって土水圧荷重を支える。複数のシールドジャッキのうちの大部分は、カッターヘッドに作用する土水圧荷重でシールド掘進機が後退しないように支持する。
【０００５】次に、セグメントをエレクターで把持し、シールドジャッキのロッド部を収縮させた位置に組付け、次にそのセグメントに対応するシールドジャッキにより後方へ押圧し、既設セグメントの前端に当接させる。このように複数のセグメントをトンネル内周面に順次組付けて、１リング分のセグメントリングが組付けられ、その後トンネル掘進が再開される。尚、周方向および軸方向に隣接するセグメント同士は、ボルト・ナットで連結される。
【０００６】一方、特開平１０−１４８０９８号公報には、セグメントの組付けを著しく簡単化することのできるシールド掘進機が記載されている。即ち、このシールド掘進機では、トンネル軸心方向に所定長さを有し周方向の１箇所で分断されたリング状の鋼管セグメント（以後、単に鋼管セグメントという）が適用され、この鋼管セグメントでトンネル内面を順次覆工する。このシールド掘進機では、この後胴内部を挿通してトンネルの中心部を後方に延びるグリッパー支持管と、このグリッパー支持管に外嵌状に設けられ鋼管セグメントを径拡大方向に拡張させる拡張装置と、グリップ装置とが設けられている。
【０００７】前記グリップ装置は、後胴の後端よりも後方へ張り出したグリッパー支持管の後部に外嵌状に設けられた２組のグリッパーと、それらグリッパーをグリッパー支持管に軸方向移動可能に支持する筒体と、この筒体の軸方向の位置を切換える位置切換え機構とを有する。筒体はグリッパー支持管に摺動可能に外嵌され２組のグリッパーがグリップ機能状態になると弾性変形してグリッパー支持管に固定状態となる。２組のグリッパーは、夫々筒体の外周部の周方向４等分位置に放射状に固定された油圧シリンダと、それら油圧シリンダのロッド先端部に連結されたグリップ部材とを有する。
【０００８】前記油圧シリンダのピストンロッドを伸長させると、４つのグリップ部材が既設の鋼管セグメントの内面に密着するとともに筒体が弾性変形してグリップ状態となり、既設の鋼管セグメントに対してグリッパー支持管が強固に固定されるので、土水圧荷重はグリッパー支持管から筒体に伝達され、油圧シリンダを介してグリップ部材に伝達され、既設の鋼管セグメントに伝達される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】 上述したようにトンネル周方向に複数分割されたセグメントを適用する場合は、トンネルを所定長さ掘進する毎に、複数のセグメントを１個ずつ、トンネル内面に持ち上げて位置決めし、軸方向および周方向に隣接するセグメントに対して夫々ボルトで接合しなければならない。このように、セグメントの分割数が多いため、セグメント組付け作業とボルト接合作業の負荷が多くなり、セグメント組立作業の作業時間が長くかかり、トンネル掘削の能率が低下し、工期が長くなり不利となる。
【００１０】前記セグメントは、所定厚さのものが適用されるので、所望のセグメントリングの内径寸法にするには、掘削するトンネル内径を、この厚さ分を見込んでセグメントリングの内径よりも例えば２００ｍｍ〜３５０ｍｍ程度大きくしなければならない。それ故、掘削する掘削土の量が多くなり、大型のシールド掘進機が必要となり掘削効率が低下する。しかも、セグメントを所期の組付け位置に組付け、隣接の既設セグメントにボルト連結するのを順々に繰り返していって１リング分のセグメントを組付けるため、既設セグメントから制約を受けてセグメント組立て精度が低下し易く、セグメント同士の継ぎ目のシール性を確保しにくくなり、トンネル内面の仕上がり外観を高めるのが難しい。
【００１１】前記特開平１０−１４８０９８号公報に記載のシールド掘進機では、掘進停止中、土水圧荷重により掘進機本体が後退するのを防止するため、グリップ装置の油圧シリンダのピストンロッドを伸長させ４つのグリップ部材を覆工済み鋼管セグメントの内面に押圧密着させることで強固にグリップし、土水圧荷重を最終的に覆工済み鋼管セグメントに伝達している。しかし、土水圧荷重は、地上からの深さによって異なるが、トンネル直径が例えば２〜３ｍクラスのシールド坑では、１００〜３００トンもの大きさになる。
【００１２】この場合、グリッパーの押圧力は、グリッパーの摩擦係数を０．２として約５００〜１５００トンになる。このような大きな押圧力で鋼管セグメントの内面を直交状に押圧すると、鋼管セグメントが変形し鋼管セグメント同士を連結する継手部より漏水が発生するという問題がある。更に、グリップ装置は、そのグリップ装置の前後における作業者のアクセスを悪くしているのでセグメントの組立てに支障を来すという問題がある。
【００１３】本発明の目的は、セグメントの組付け作業を簡単化し能率を高めること、掘削土の量を少なくすること、セグメントを変形させることなく土水圧荷重を覆工済みの既設セグメントで支持すること、セグメント組立て精度を高めること、エレクターの付近における作業者のアクセスを良好にすること、等である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】 請求項１のシールド掘進方法は、シールド掘進機によりトンネルを掘削し、そのトンネルの内面にエレクターによりセグメントを覆工するシールド掘進方法において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内周を覆工する際に、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させる第１工程と、前記覆工済みセグメントよりも前側において、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターにより複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てる第２工程と、前記リング状に組立てたセグメントリングを、複数のシールドジャッキにより後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる第３工程とを踏んで覆工することを特徴とするものである。
【００１５】トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキで覆工済みの既設セグメントの前端に反力をとりながら掘削していく。軸方向にセグメントリングの１リング分掘進する毎に、掘削したトンネルの内面にエレクターにより断面円弧状の鋼管分割体セグメントで覆工していく。
【００１６】鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内面を覆工する際には、掘削を停止し、第１工程において、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持機構を夫々有する複数の荷重支持機構を介して既設セグメントに支持させる。次に第２工程において、複数の鋼管分割体セグメントを、既設セグメントよりも前側で、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターによりリング状に組立てる。次に第３工程において、複数のシールドジャッキのロッド部を伸長してリング状に組立てたセグメントリングを、後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる。
【００１７】トンネル内周を周方向に複数分割したセグメントを適用するため、エレクターによるセグメント組付け回数が低減し、セグメント同士を連結するボルト連結作業が低減し、セグメント組立作業の作業時間が短くなる。前記土水圧荷重を、荷重支持機構を介して覆工済みセグメントに支持させるので、確実に且つ安全に支持することができる。鋼管分割体セグメントをエレクターによりリング状のセグメントリングに組立てておいてこのセグメントリングを複数のシールドジャッキにより移動させて覆工するのでセグメント組付け作業が簡単化するうえ、セグメントの組付け精度を容易に高めることができる。
【００１８】
【００１９】第２工程において、複数本の荷重支持ジャッキのうち、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際にこの鋼管分割体セグメント及びエレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部のみを退入して、鋼管分割体セグメントを周方向の所望の位置に移動させ、その後退入したロッド部を伸長する。
【００２０】このように、エレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部の退入、鋼管分割体セグメントの周方向への移動、退入したロッド部の伸長という一連の動作を複数回行って複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てることができる。鋼管分割体セグメントの把持位置をその移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングの組立作業を能率的に行うことができる。
【００２１】請求項２のシールド掘進方法は、請求項１の発明において、前記鋼管分割体セグメントの後端部に、既設セグメントの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片を予め形成しておき、セグメントリングを既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることを特徴とするものである。既設セグメントとセグメントリングとのボルト連結作業が不要となりセグメント組付け作業が簡単化する。
【００２２】請求項３のシールド掘進機は、掘進機本体と、掘進機本体の外面部の胴部材と、カッターヘッドと、カッターヘッドを回転駆動するヘッド駆動手段と、複数のシールドジャッキとを備えたシールド掘進機において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、前記シールドジャッキ間にシールドジャッキと平行に夫々配設されたシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して、セグメントの組付け時にシールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたものである。
【００２３】トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキで既設セグメントの前端に反力をとりながらヘッド駆動手段によりカッターヘッドを回転駆動して掘削していく。セグメントのトンネル軸心方向長さに等しい１リング分掘削する毎に、鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工する際には、掘削を停止し、土水圧荷重を、シールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して既設セグメントに安全確実に伝達して支持することができる。こうして、シールド掘進機が後退しないように支持した状態で、鋼管分割体セグメントをエレクターにより組立てることができる。
【００２４】請求項４のシールド掘進機は、請求項３の発明において、前記荷重支持ジャッキはそのロッド部を後方向きにして配設され、前記各荷重支持機構は、荷重支持ジャッキと、この荷重支持ジャッキのロッド部の後端部に連結されてトンネル径方向外側へ延びた着脱金具と、この着脱金具の外端部に連結されたスプレッダーと、既設セグメントの内面に固着されてスプレッダーを後方から受け止めるストッパ部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００２５】鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内面を覆工する際には、各荷重支持ジャッキのロッド部に着脱金具及びスプレッダーを取付けておいてそのロッド部を伸長させ、スプレッダーにストッパ部材を後方から当接させる。土水圧荷重は、荷重支持ジャッキから着脱金具を経由してスプレッダーに伝達され、スプレッダーを介してストッパ部材で受け止められる。鋼管分割体セグメントの内面に大きな押圧力を作用させて土水圧荷重を支持する必要がないので、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用可能となり、掘削土量も少なくできる。トンネル掘進の際には、着脱金具とストッパ部材とが干渉しないように、着脱金具をロッド部から外し、荷重支持ジャッキのロッド部を退入する。
【００２６】請求項５のシールド掘進機は、請求項３又は４の発明において、前記荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されたことを特徴とするものである。鋼管分割体セグメントを間隙内に自由に通過させることができ、その間隙を活用して鋼管分割体セグメントをリング状に組み立てることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係るシールド掘進機について図面を参照して説明する。但し、以下の説明はシールド掘進方法についての説明をも含む。尚、掘進方向に向かって前後左右方向をそれぞれ前後左右として説明する。
【００２８】図１、図２、図３に示すように、シールド掘進機１は、掘進機本体２と、この掘進機本体２の外面部の胴部材２ａと、掘進機本体２の前端部に回転可能に設けられたカッターヘッド３と、このカッターヘッド３を回転駆動する為のヘッド駆動機構４と、例えば１０本のシールドジャッキ５と、エレクター６と、４組の荷重支持機構７と、排土設備８等を有する。カッターヘッド３には、複数のカッタースポーク３ａと、カッタースポーク３ａの前端部に付設された多数のカッタービット３ｂと、余掘りの為のコピーカッター３ｃ等が設けられている。ヘッド駆動機構４は複数の油圧駆動モータ４ａ等からなり、掘進機本体２の前端即ち胴部材２ａ内部の鉛直の隔壁９に固定されてカッターヘッド３を正逆回転駆動する。
【００２９】図１、図３に示すように、胴部材２ａの後側内面に沿ってリングフレーム１０ａが固着され、リングフレーム１０ａよりも前方には、周方向適当間隔おきに支持ブラケット１０ｂが固着されている。例えば１０本のシールドジャッキ５が周方向適当間隔おきに後方向きに配設され、各シールドジャッキ５のジャッキ本体は、リングフレーム１０ａに貫通状に固定されてジャッキ本体の前端が支持ブラケット１０ｂで受け止められている。
【００３０】これらシールドジャッキ５は掘進時に覆工済みセグメントの前端に反力をとりシールド掘進機１を掘進させる。シールドジャッキ５のロッド部の後端部には、偏心金具１１を介してスプレッダー１３が連結されている。一方、セグメントの断面円弧に沿う略円弧状（本実施形態の場合、１／３円円弧状）に形成されたプレスリング１２が設けられ、４本又は３本のシールドジャッキ５の推力が、偏心金具１１からスプレッダー１３とプレスリング１２を介してセグメントに伝達される。
【００３１】図１、図３に示すように、エレクター６は、エレクター本体１４と、エレクター本体１４を支持してトンネル軸心回りに回転させる為のエレクタードラム１５と、エレクタードラム１５を回転駆動する為のドラム駆動用モータ１６とを有する。エレクタードラム１５は、複数のブラケットに支持部材を介して取り付けられた複数の鍔付き案内ローラで回転自在に支持され、エレクタードラム１５の被案内部１５ａが複数の鍔付き案内ローラで支承されている。エレクタードラム１５の内周面にはチェーン部材１５ｂが固定され、ドラム駆動用モータ１６のスプロケット１６ａはこのチェーン部材１５ｂに噛合してエレクタードラム１５を回転駆動する。
【００３２】エレクター本体１４は、エレクタードラム１５に連結部材１７を介して連結され、可動フレーム１８とセグメント把持部１９とを有する。エレクター本体１４には、連結部材１７に固定された左右１対のガイド筒２０が設けられ、可動フレーム１８をトンネル内面側へ移動させる為の油圧シリンダ２１が各ガイド筒２０の後側面に設けられている。
【００３３】可動フレーム１８は、可動フレーム本体１８ａと左右１対のガイドロッド１８ｂとを有し、可動フレーム本体１８ａはトンネル軸心と直交する方向に向き、左右１対のガイドロッド１８ｂが可動フレーム本体１８ａの左右両端に設けられ、可動フレーム本体１８ａとトンネル軸心方向の双方に直交する状態に突設されている。これら１対のガイドロッド１８ｂは、夫々ガイド筒２０に摺動案内され、可動フレーム本体１８ａは油圧シリンダ２１のロッド部に連結されている。
【００３４】従って、可動フレーム１８は、油圧シリンダ２１により移動駆動され、ガイドロッド１８ｂがガイド筒２０に摺動案内され、可動フレーム本体１８ａがトンネル径方向（図３では上下方向）に移動する。セグメント把持部１９は、可動フレーム本体１８ａに油圧シリンダ２２により前後方向に位置調整可能に設けられ、搬送台車等により搬送されたセグメントを把持してトンネル内面に組立てる。
【００３５】図１、図３〜図８に示すように、セグメントの組付けの際にシールド掘進機１の前端に切羽から作用する土水圧荷重を支持する際に、トンネル内周を略４等分する位置に、４組の荷重支持機構７が設けられている。各荷重支持機構７は、前後方向向きの荷重支持ジャッキ２３と、この荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａに着脱可能な着脱金具２４と、スプレッダー２９と、セグメントの内面に溶接接合されたストッパ部材２５とを有する。各荷重支持ジャッキ２３は、シールドジャッキ５の間に配設され、リングフレーム１０ａに後方向きに固定されている。
【００３６】図６〜図８に示すように、着脱金具２４はトンネル径方向向きに配設され、その内端がロッド部２３ａの先端のボス部２６に嵌合され、ボス部２６の孔部２６ａに着脱可能な連結ピン２７を嵌合させて連結されている。着脱金具２４の外端は、連結ピン２８を介してスプレッダー２９に連結され、スプレッダー２９はストッパ部材２５により後方から支持される。尚、スプレッダー２９とストッパ部材２５とは当接離隔自在になっている。シールド掘進機１の前端に作用する土水圧荷重は、４本の荷重支持ジャッキ２３に伝達され、着脱金具２４とスプレッダー２９とストッパ部材２５を介して覆工済みセグメントＳａに支持される。
【００３７】図１、図３に示すように、排土設備８は、カッターヘッド３で掘削した掘削土を地上へ搬出する為のスクリューコンベヤ３０を有する。スクリューコンベヤ３０の前端は、隔壁９に前方下がり傾斜状に固定されてチャンバー３１に連通され、スクリューコンベヤ３０の後端側には、スクリュー３０ａを回転駆動する油圧モータ３２が設けられている。尚、スクリューコンベヤ３０の油圧モータ３２より後側の最後端部には、排土口３０ｂが形成され、この排土口３０ｂを開閉駆動する油圧シリンダ３３が設けられている。カッターヘッド３で掘削した掘削土砂は、チャンバー３１内からスクリューコンベヤ３０に導入され、油圧シリンダ３３により開放された排土口３０ｂから搬送コンベヤ（図示略）へ排出され、この搬送コンベヤ等によりトンネル内を後方へ搬送され、立坑から地上へ搬出される。尚、シールド掘進機が泥水用シールド掘進機の場合には、排土設備８の代わりに排泥設備等が設けられる。
【００３８】図４に示すように、リング状のセグメントＳは、トンネル内周を周方向に略均等に３分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK （以下、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK という）からなり、これらセグメントＳA ，ＳB ，ＳK は、例えば１９ｍｍの厚さの鋼板を曲げ加工して製作され、夫々のセグメントＳA ，ＳB ，ＳK の内面には、ストッパ部材２５が径方向内方に向けて溶接接合されている。セグメントＳA は、図４におけるトンネルの内周の下部に配設され、セグメントＳB 及びセグメントＳK よりもやや円弧長さが長く、セグメントＳB とセグメントＳK とはトンネル内周の左右に夫々配設される。セグメントＳA ，ＳB ，ＳK が反時計回りもしくは時計回りに順次配設されて１つのリング状のセグメントリングＳが組立てられる。
【００３９】図４に示すように、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の周方向における両端部にはフランジ継手部３４が形成され、隣接するフランジ継手部３４が複数のボルト３５により接合される。尚、各セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の内面側周方向中央部には、覆工後にセグメントの外側へモルタルを充填する為の充填用金具４６が設けられている。エレクター６でセグメントを把持する際には、エレクター６のセグメント把持部１９で充填用金具４６を把持する。
【００４０】図９、図１０に示すように、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の後端部には、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片３６が予め溶接接合され、この内嵌係合片３６を覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングＳと覆工済みセグメントＳａの内面の連続性が確保される。尚、内嵌係合片３６の外周面には合成樹脂製のシール部材３６ａも設けられているため、セグメントの継ぎ目をシールできる。
【００４１】次に、前記シールド掘進機１の作用を説明する。トンネル掘進の際には、複数のシールドジャッキ５により、覆工済みセグメントＳａの前端にプレスリング１３を介して反力をとりながら、それらシールドジャッキ５を伸長させつつ、複数の油圧駆動モータ４ａを駆動させてカッターヘッド３を回転させ掘削していく。セグメントリングＳの１リング分掘進する毎に、油圧駆動モータ４ａの駆動を停止し掘削を停止し、掘削したトンネルの内面にエレクター６によりセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を覆工していく。
【００４２】次に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を用いてトンネル内面を覆工する際に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を組付ける手順について説明する。第１工程において、１リング分の掘削が終了したとき掘削を中断後、各荷重支持機構７において、荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａに着脱金具２４とスプレッダー２９を連結した状態でロッド部２３ａを伸長させ、スプレッダー２９を覆工済みセグメントＳａのストッパ部材２５に前方から当接させる。シールド掘進機１に作用する土水圧荷重は、カッターヘッド３から胴部材２ａ、荷重支持ジャッキ２３、着脱金具２４、スプレッダー２９の順に伝達され、スプレッダー２９からストッパ部材２５に伝達されストッパ部材２５で受け止められる。
【００４３】覆工済みセグメントＳａのストッパ部材２５によりスプレッダー２９を後方から受け止めて土水圧荷重を支持する構造になっているため、覆工済みセグメントＳａの内面に大きな押圧力を作用させて土水圧荷重を支持する必要がない。その結果、薄肉のセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を適用可能となり、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の厚さの減少分だけ掘削土量を低減でき、シールド掘進機１の小型化を図ることができ、シールド掘進機１の設備費と、トンネル掘削のランニングコストとを低減できるため、非常に有利である。
【００４４】次に、第２工程において、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を、覆工済みセグメントＳａよりも前側において、エレクター６によりリング状のセグメントリングＳに組立てる。具体的には、先ずセグメントＳA を搬送台車でエレクター６の下方位置まで供給する。尚、供給されるセグメントＳA とエレクター６とが干渉しないように、エレクター６は所定の回転位置に待機している。
【００４５】セグメントＳA の供給後、セグメント把持部１９が下方位置になるようにドラム駆動用モータ１６を回転させ、次にエレクター６の油圧シリンダ２１を駆動してガイドロッド１８ｂを移動し、可動フレーム本体１８ａをトンネル径方向に移動する。更に、セグメント把持部１９にセグメントＳA を把持して周方向の所定の位置まで回転させる。この時、４本の荷重支持ジャッキ２３のうち、セグメントＳA やエレクター６と干渉する荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａのみを退入させて、セグメントＳA を所定の組付け対象位置に向けて移動し、非干渉となった時点で、退入したロッド部２３ａを伸長する。尚、ロッド部２３ａの退入時には、着脱金具２４及びスプレッダー２９が新設するセグメントＳA のストッパ部材２５に干渉しないように、着脱金具２４をロッド部２３ａから外しておく等の配慮が必要である。
【００４６】以下、同様にセグメントＳB をセグメントＳA に周方向に隣接する所定位置に移動し、これらセグメントＳA ，ＳB のフランジ継手部３４同士をボルト３５により仮締結する。次にセグメントＳK を所定位置に移動して仮組みした後、セグメントＳA ，ＳK のフランジ継手部３４同士およびセグメントＳB ，ＳK のフランジ継手部３４同士をボルト３５により仮締結する。こうして、セグメントＳA，ＳB ，ＳK をセグメントリングに組立てからセグメント把持部１９をセグメントＳK から離脱させる。
【００４７】このように、セグメントＳA やエレクター６と干渉する荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａの退入、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の周方向への移動、退入したロッド部２３ａの伸長という一連の動作を複数回行ってセグメントＳA ，ＳB ，ＳK をリング状のセグメントリングＳに組立てることができる。セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の把持位置をその周方向への移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングＳの組立作業を能率的に行うことができる。
【００４８】次に、第３工程において、１０本のシールドジャッキ５のロッド部を一斉に伸長させ、偏心金具１１とスプレッダー１３を介してプレスリング１２を新設したセグメントリングＳの前端に当接させ、さらにロッド部を伸長させてセグメントリングＳを後方へ押動させ、セグメントリングＳの後端部の内嵌係合片３６を、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させる。その結果、セグメントリングＳの組付けが完了するので、覆工済みセグメントＳａとセグメントリングＳとのボルト接合作業が不要となりセグメント組付け作業が簡単化する。
【００４９】以上説明したシールド掘進機１及びシールド掘進方法によれば、次のような効果が得られる。鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK は、３つのセグメントでセグメントリングＳを構成できるため、セグメント組付け回数が低減し、セグメント同士の連結の為のボルト連結作業も低減する等セグメント組つけの作業負荷が低減するため、セグメント組付けの作業能率が向上し、トンネル掘削費を低減することができる。
【００５０】既設セグメントＳａの前側にセグメントリングＳを組立てから、このセグメントリングＳを複数のシールドジャッキ５で後方へ移動させて既設セグメントＳａに連結するため、セグメントの組付け制度を高め易く、トンネル内面を綺麗に覆工することができ、セグメントリング同士の継ぎ目からの漏水も発生しにくくなる。特に、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の後端部に内嵌係合片３６とシール部材３６ａを設け、それら内嵌係合片３６を既設セグメントＳａの内面に係合させるため、セグメントリング同士の継ぎ目の連続性を高め、その継ぎ目からの漏水も発生しにくくなる。
【００５１】セグメント組付けの際、４組の荷重支持機構７により、シールド掘進機１に作用する土水圧の荷重を、既設セグメントＳａの内面に固定したストッパ部材２５で支持するように構成したため、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の肉厚や剛性をさ程大きくする必要がなく、約１０〜３０ｍｍ程度の厚さの鋼板製の鋼管分割体セグメントＳA ，ＳB ，ＳK を適用可能になった。この種のセグメントＳA ，ＳB，ＳK は、従来のコンクリート製セグメントや鋼製セグメントに比べて簡単安価に制作することができるから、トンネル覆工に用いるセグメント費用を低減することができる。
【００５２】しかも、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の厚さ低減の分だけトンネルの掘削径を小さくできるから、シールド掘進機１を小型化し、掘削土量を低減でき，トンネル掘削費用を低減することだできる。また、荷重支持ジャッキ２３をシールドジャッキ５の間に前後方向向きに配設するため、荷重支持ジャッキ２３とエレクター６との干渉を極力避けつつ、荷重支持ジャッキ２３により土水圧荷重の支持が可能となった。
【００５３】また、荷重支持ジャッキ２３のストロークをセグメントＳA ，ＳB ，ＳK のトンネル軸心方向長さよりも大きくしたため、セグメント組立の際にセグメントＳA ，ＳB ，ＳK を周方向へ移動させる際に、荷重支持ジャッキ２３のロッド部の退入と伸長とを介して、荷重支持ジャッキ２３とエレクター６との干渉を回避することができ、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の組立て作業の作業能率の低下を防止できる。
【００５４】次に、前記シールド掘進機１を部分的に変更したシールド掘進機１Ａと、そのシールド掘進機によるシールド掘進方法について、図１１〜図３４に基づいて説明する。このシールド掘進機１Ａは、荷重支持機構が前記実施形態のものと異なるだけであるので、前記実施形態のものと同様の構成要素に同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】図１１、図１２に示すように、このシールド掘進機１Ａにおいては、掘進機本体の外面部に、前胴部材２ｂと、後胴部材２ｃと、これら胴部材２ｂ，２ｃを中折れ可能に連結する中折れ部２ｄとが設けられ、左右両側部には複数の中折れジャッキ４５も設けられている。シールド掘進機１Ａの前端に作用する土水圧荷重を覆工済みセグメントＳａに伝達する２組の荷重支持機構４０は、左側部と右側部とに設けられている。各荷重支持機構４０は、荷重支持ジャッキ４１と、この荷重支持ジャッキ４１のロッド部４１ａに着脱可能な着脱金具４２と、スプレッダー４３と、ストッパ部材３８とを有する。各荷重支持ジャッキ４１は、シールドジャッキ５同士の間に前後方向向き且つ後方向きに配設され、そのジャッキ本体はリングフレーム１０ａに固定されている。
【００５６】各荷重支持ジャッキ４１は、胴部材の内面との間にセグメントＳC を通過可能な間隙δを以て配設され、各荷重支持ジャッキ４１は、セグメントＳC のトンネル軸心方向長さより短いストローク（例えば、約５０ｍｍ）のジャッキ本体４１ａと、トンネル軸心方向にセグメントＳc よりも長いロッド部４１ｂとを有する。尚、着脱金具４２とスプレッダー４３に関しては前記実施形態と同様である。尚、荷重支持ジャッキ４１を介して、荷重の伝達、伝達解除が可能であるし、前記ストッパ部材２５と同様のストッパ部材３８との当接具合調整を行うことができる。
【００５７】図３３〜図３４に示すように、セグメントリングＳは、円を３等分した１２０度円弧断面状のセグメントＳC を３個組合わせてリング状に連結することで形成される。各セグメントＳC の内面には、前記充填用金具４６と同様の充填用金具を含めて、セグメントＳC をエレクター６のセグメント把持部１９で把持する為の複数の把持部材３７が突設され、セグメントＳC の内面には、ストッパ部材３８（図１１参照）が溶接接合され、セグメントＳC の周方向における両端部にはフランジ継手部３９が形成され、隣接するセグメントＳC のフランジ継手部３９同士がボルト連結される。
【００５８】セグメントＳC の後端部には、前記実施形態と同様に、覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片が予め溶接接合され、これら内嵌係合片を覆工済みセグメントＳａの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングＳと覆工済みセグメントＳａの内面の連続性が確保される。
【００５９】次に、掘削済みのトンネル内面にセグメントＳC を覆工する手順について、図１１〜図３４を参照しつつ説明する。図１１に示すように、セグメントＳC を組付ける際には、掘削を停止した状態で、第１工程において、各荷重支持機構４０において、荷重支持ジャッキ４１のロッド部４１ａに着脱金具４２とスプレッダー４３を取付けておき、１対の荷重支持機構４０の１対のロッド部４１ｂを伸長させ、スプレッダー４３を覆工済みセグメントＳａのストッパ部材３８で後方から支持する。土水圧荷重は、カッターヘッド３から胴部材２ｂ、中折れジャッキ４５、荷重支持ジャッキ４１、着脱金具４２、スプレッダー４３の順に伝達され、スプレッダー４３からストッパ部材３８に伝達されストッパ部材３８で支持される。
【００６０】次に、第２工程において、図１１に示すように、セグメントＳC を、覆工済みセグメントＳａよりも前側で且つ前記間隙δを活用して、エレクター６によりリング状のセグメントリングＳに組立てる。この場合、図１３に示すように、先ずセグメントＳC を搬送台車でエレクター６の下方位置まで搬入する。次に、図１４R>４に示すように、セグメント把持部１９が下方位置になるように回転させ、その後、エレクター６の油圧シリンダ２１を駆動して可動フレーム本体１８ａをトンネル径方向に移動させ、セグメント把持部１９にセグメントＳC を把持する。
【００６１】次に、図１５に示すように、ドラム駆動用モータを回転させてセグメントＳCを周方向の所定の組立位置へ向けて回転させる。セグメントＳC の回転途中において、セグメント把持部１９と１本の荷重支持ジャッキ４１とが干渉するため、図１６に示すように、セグメント把持位置の切換え作業を行う。この場合セグメントＳC の周方向の別の把持部材３７をセグメント把持部１９で把持する。
【００６２】次に、図１７に示すように、ドラム駆動用モータを回転させてセグメントＳCを周方向の所定の組立位置まで回転させる。以下、図１８〜図３４に示すように、セグメントＳC の供給、把持、回転、把持位置切換え作業等を前記と同様に繰り返し行って最終的にリング状のセグメントリングＳに組立てる。ここで、図３２に示すように、セグメント把持部１９の左右近傍に夫々拡張ジャッキ４４が設けられ、セグメントＳC をセグメント把持部１９に把持した状態で、これら１対の拡張ジャッキ４４のロッド部を等しく伸長させると、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC が左右対象に保持され、また、１対の拡張ジャッキ４４の一方のロッド部を退入させることで、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC を一方側へ傾けた状態に保持することができる。セグメントリングを組立てる際に、さいごの３番目のセグメントを組立てる際には、セグメント把持部１９に対してセグメントＳC を何れか一方向へ傾けてリング状に組立てるものとする。
【００６３】以上説明したシールド掘進機１Ａとシールド掘進方法によれば、基本的には前記実施形態と同様の効果が得られるが、異なる効果について以下に説明する。セグメントＳC を間隙δ内に自由に通過させることができ、その間隙δを活用してセグメントＳC をリング状に組み立てる関係上、荷重支持ジャッキ４１としてストロークの非常に小さなジャッキを適用することができ、荷重支持ジャッキ４１の制作費を低減できる。
【００６４】しかも、荷重支持ジャッキ４１の数も少ないので、荷重支持ジャッキ４１の制作費の面で一層有利である。但し、荷重支持ジャッキ４１のストロークは小さくても、荷重支持ジャッキ４１により荷重伝達、伝達解除の切換え、ストッパ部材３８との当接具合の調整等を行うことができるので、セグメント組立ての作業能率を確保することができる。
【００６５】１）前記実施形態ではトンネル内面を周方向に３分割したセグメントを用いる場合を例として説明したが、トンネル内面を周方向に２分割、４分割、５分割等の複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを適用することも可能である。尚、３分割又は４分割が経済性等で望ましく、その中でも３分割が最もよい。
２）前記実施形態では複数のシールドジャッキ５によりプレスリング１３を介してセグメントを移動させる場合を例として説明したが、プレスリング１３を用いることなく複数のスプレッダー２９で直接セグメントを押圧してもよい。
【００６６】３）前記実施形態において、セグメントＳA ，ＳB ，ＳK の組立て時にエレクター６と荷重支持ジャッキ２３の干渉が生じたとき、荷重支持ジャッキ２３のロッド部２３ａの退入、伸長等を行うことなく、必要に応じてセグメント把持位置の切換え作業を行うこともある。
４）荷重支持ジャッキ２３の本数は、シールド径や深度に応じた土水圧荷重の大きさにより決められ、５本以上設けてもよく、２本〜４本設けてもよい。尚、その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施することも可能であることは勿論である。
【００６７】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、トンネル内周を周方向に複数分割したセグメントを適用するため、エレクターによるセグメントの組付け回数が低減し、セグメント同士を連結するボルト連結作業が低減し、セグメント組立作業の作業能率が向上する。シールド掘進機に前方から作用する土水圧荷重を、シールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させるので、土水圧荷重を確実に且つ安全に支持することができる。
【００６８】鋼管分割体セグメントをエレクターによりリング状のセグメントリングに組立てておいて、そのセグメントリングを複数のシールドジャッキにより移動させて覆工するので、セグメント組付け作業が簡単化するうえ、セグメントの組付け精度を容易に高めることができ、トンネル内面の仕上がり外観を高め、セグメントリング同士の接続部のシール性を確保する上で有利である。そして、エレクターと干渉する荷重支持ジャッキのロッド部の退入、エレクターによる鋼管分割体セグメントの周方向への移動、退入したロッド部の伸長という一連の動作を複数回行ってセグメントリングを組立てることができ、鋼管分割体セグメントのエレクターによる把持位置をその移動途中で切換える必要がないので、セグメントリングの組立作業の能率を高め、工期短縮を図ることができる。
【００６９】
【００７０】請求項２の発明によれば、セグメントリングを既設セグメントの前端に当接させる際に、内嵌係合片を既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることで、セグメントリングと切換セグメントの内面の連続性を確保でき、既設セグメントとセグメントリングとのボルト連結作業が不要となり、セグメント組付け作業が簡単化する。その他請求項１と同様の効果を奏する。
【００７１】請求項３の発明によれば、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、シールド掘進機に作用する土水圧荷重をシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたため、セグメントの組立て中には、複数の荷重支持ジャッキを介して土水圧荷重を安全確実に支持することができる。それ故、セグメントの組付けの際、既設セグメントの前側においてセグメントリングを組立てから、そのセグメントリングを後方へ押動させて既設セグメントに連結することが可能となる。この場合、セグメント組付け作業が簡単化し、セグメントの組付け精度を容易に高め、トンネル内面の仕上がり外観を高め、セグメントリング同士の接続部のシール性を確保する等を達成可能になる。しかも、特開平１０−１４８０９８号公報に記載のようなグリッパ装置を適用する必要がないため、トンネル内の下部のアクセス通路を確保しやすくなる。
【００７２】請求項４の発明によれば、前記土水圧荷重は、荷重支持ジャッキから着脱金具を経由してスプレッダーに伝達され、スプレッダーがセグメントの内面に固着のストッパ部材で後方から受け止められる。従って、鋼管分割体セグメントの内面に大きな押圧力を作用させ、摩擦力を介して土水圧荷重を支持する必要がないので、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用しても、セグメントの変形や漏水等は起こらない。従って、比較的小さな厚さの鋼管分割体セグメントを適用することができ、セグメントの厚さの低減の分だけ掘削土量も少なくでき、シールド掘進機を小型化できる。その他請求項３と同様の効果を奏する。
【００７３】請求項５の発明によれば、荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されているので、その間隙を活用して、鋼管分割体セグメントをリング状に組立てることができる。その組立時に、荷重支持ジャッキのロッド部を伸縮させる必要がないので、土水圧荷重を安定して支持することができる。その他請求項３又は４と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】図１のIII −III 線断面図である。
【図４】図１の要部IV−IV線断面図である。
【図５】図４の要部拡大図である。
【図６】図１の荷重支持機構の拡大図である。
【図７】図６の要部拡大図である。
【図８】図１の荷重支持機構の作動状態を示す説明図である。
【図９】図１のセグメントの平面図である。
【図１０】図９の要部拡大図である。
【図１１】変更形態に係るシールド掘進機の要部縦断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】セグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図１４】セグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図１５】セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図１６】セグメント把持位置の切換え状態を示す図１２R>２相当図である。
【図１７】セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図１８】次のセグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図１９】次のセグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図２０】次のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２１】次のセグメント位置決め状態を示す図１２相当図である。
【図２２】セグメント同士の仮組み状態を示す図１２相当図である。
【図２３】セグメント把持位置の切換え状態を示す図１２R>２相当図である。
【図２４】一体セグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２５】最後のセグメント供給状態を示す図１２相当図である。
【図２６】最後のセグメント把持状態を示す図１２相当図である。
【図２７】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図２８】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図２９】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図３０】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図３１】最後のセグメント旋回状態を示す図１２相当図である。
【図３２】最後のセグメント把持位置の切換え状態を示す図１２相当図である。
【図３３】各セグメントの組立て状態を示す図１２相当図である。
【図３４】セグメントリングの完成状態を示す図１２相当図である。
【符号の説明】
１，１Ａ シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ カッターヘッド
４ ヘッド駆動機構
５ シールドジャッキ
６ エレクター
７ 荷重支持機構
８ 排土設備
２３ 荷重支持ジャッキ
２３ａ ロッド部
２４ 着脱金具
２５ ストッパ部材
２９ スプレッダー
３６ 内嵌係合片
３８ ストッパ部材
４０ 荷重支持機構
４１ 荷重支持ジャッキ
４１ｂ ロッド部
４２ 着脱金具
４３ スプレッダー
Ｓ セグメントリング
ＳA ，ＳB ，ＳK 鋼管分割体セグメント
Ｓａ 既設セグメント
ＳC 鋼管分割体セグメント
δ 間隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シールド掘進機によりトンネルを掘削し、そのトンネルの内面にエレクターによりセグメントを覆工するシールド掘進方法において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内周を覆工する際に、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させる第１工程と、前記覆工済みセグメントよりも前側において、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターにより複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てる第２工程と、前記リング状に組立てたセグメントリングを、複数のシールドジャッキにより後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる第３工程とを踏んで覆工することを特徴とするシールド掘進方法。
【請求項２】 前記鋼管分割体セグメントの後端部に、既設セグメントの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片を予め形成しておき、セグメントリングを既設セグメントの前端に当接させる際に、前記内嵌係合片を既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進方法。
【請求項３】 掘進機本体と、掘進機本体の外面部の胴部材と、カッターヘッドと、カッターヘッドを回転駆動するヘッド駆動手段と、複数のシールドジャッキとを備えたシールド掘進機において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、前記シールドジャッキ間にシールドジャッキと平行に夫々配設されたシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して、セグメントの組付け時にシールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項４】 前記荷重支持ジャッキはそのロッド部を後方向きにして配設され、前記各荷重支持機構は、荷重支持ジャッキと、この荷重支持ジャッキのロッド部の後端部に連結されてトンネル径方向外側へ延びた着脱金具と、この着脱金具の外端部に連結されたスプレッダーと、既設セグメントの内面に固着されてスプレッダーを後方から受け止めるストッパ部材とを備えたことを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
【請求項５】 前記荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されたことを特徴とする請求項３又は４に記載のシールド掘進機。
【請求項１】 シールド掘進機によりトンネルを掘削し、そのトンネルの内面にエレクターによりセグメントを覆工するシールド掘進方法において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントを用いてトンネル内周を覆工する際に、前記シールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を、掘進機本体の周方向複数箇所にシールドジャッキとは独立に且つシールドジャッキ間に配設した荷重支持ジャッキを夫々有する複数の荷重支持機構を介して覆工済みの既設セグメントに支持させる第１工程と、前記覆工済みセグメントよりも前側において、鋼管分割体セグメントを周方向へ移動させる際に鋼管分割体セグメントと干渉する荷重支持ジャッキにおけるロッド部の退入と伸長を介して干渉を防止しつつ、エレクターにより複数の鋼管分割体セグメントをリング状に組立てる第２工程と、前記リング状に組立てたセグメントリングを、複数のシールドジャッキにより後方へ移動させて覆工済みセグメントの前端に当接させる第３工程とを踏んで覆工することを特徴とするシールド掘進方法。
【請求項２】 前記鋼管分割体セグメントの後端部に、既設セグメントの前端部の内面に内嵌可能な内嵌係合片を予め形成しておき、セグメントリングを既設セグメントの前端に当接させる際に、前記内嵌係合片を既設セグメントの前端部の内面に内嵌させることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進方法。
【請求項３】 掘進機本体と、掘進機本体の外面部の胴部材と、カッターヘッドと、カッターヘッドを回転駆動するヘッド駆動手段と、複数のシールドジャッキとを備えたシールド掘進機において、トンネル内周を周方向に複数分割した周方向長さを有する断面円弧状の鋼管分割体セグメントをトンネル内面に覆工するエレクターを設け、前記シールドジャッキ間にシールドジャッキと平行に夫々配設されたシールドジャッキとは独立の複数の荷重支持ジャッキを介して、セグメントの組付け時にシールド掘進機に掘進方向前方から作用する土水圧荷重を既設セグメントに伝達する複数の荷重支持機構を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項４】 前記荷重支持ジャッキはそのロッド部を後方向きにして配設され、前記各荷重支持機構は、荷重支持ジャッキと、この荷重支持ジャッキのロッド部の後端部に連結されてトンネル径方向外側へ延びた着脱金具と、この着脱金具の外端部に連結されたスプレッダーと、既設セグメントの内面に固着されてスプレッダーを後方から受け止めるストッパ部材とを備えたことを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
【請求項５】 前記荷重支持ジャッキは、胴部材の内面との間に、鋼管分割体セグメントを通過可能な間隙を以て配設されたことを特徴とする請求項３又は４に記載のシールド掘進機。
【図１】
【図５】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【図２０】
【図２５】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図５】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【図２０】
【図２５】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【特許番号】特許第３２６３０４１号（Ｐ３２６３０４１）
【登録日】平成１３年１２月２１日（２００１．１２．２１）
【発行日】平成１４年３月４日（２００２．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−６３２２３
【出願日】平成１１年３月１０日（１９９９．３．１０）
【公開番号】特開２０００−２５７３９９（Ｐ２０００−２５７３９９Ａ）
【公開日】平成１２年９月１９日（２０００．９．１９）
【審査請求日】平成１１年３月１０日（１９９９．３．１０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（０００００１２５８）川崎製鉄株式会社 (8,589)
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【参考文献】
【文献】特開 平６−１１７１８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−２７２４７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−２４４７９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 昭５７−１３７６９７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実公 平７−１６７９８（ＪＰ，Ｙ２）
【登録日】平成１３年１２月２１日（２００１．１２．２１）
【発行日】平成１４年３月４日（２００２．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年３月１０日（１９９９．３．１０）
【公開番号】特開２０００−２５７３９９（Ｐ２０００−２５７３９９Ａ）
【公開日】平成１２年９月１９日（２０００．９．１９）
【審査請求日】平成１１年３月１０日（１９９９．３．１０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（０００００１２５８）川崎製鉄株式会社 (8,589)
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【参考文献】
【文献】特開 平６−１１７１８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−２７２４７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−２４４７９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 昭５７−１３７６９７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実公 平７−１６７９８（ＪＰ，Ｙ２）
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