シールド機

【課題】トンネルの拡幅部を含む部分拡幅部を掘削するシールド機であって、部分拡幅用カッタを突出動作させるための構成を簡単で安価なものにする。
【解決手段】本体前面にカッタ４を備えたシールド機であって、本体内にカッタ面を斜め前方へ向けて格納可能で、斜め前方にスライド移動して本体周面（スキンプレート１）から外側に突出可能な部分拡幅用カッタ２０と、この部分拡幅用カッタ２０と本体内部との間に設けられ、部分拡幅用カッタ２０を本体周面から外側に突出動作させ且つ本体内に格納動作させるカッタ突出動作機構３１とを備える。カッタ突出動作機構３１は、部分拡幅用カッタ２０と本体内部との間に架設された複動ジャッキである。前面に部分拡幅用カッタ２０を支持するとともにそのカッタ駆動機構２５を内蔵したスライドケース３０と、本体内部に設けられ、スライドケース３０及びカッタ突出動作機構３１を格納する格納ケース４０とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路トンネルにおける合流部・分岐部などのトンネル断面に部分拡幅部を備えるトンネルを構築するために用いるシールド機に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールドトンネルは、発進立坑から到達まで同じ断面で掘削するのが一般的である。そして、道路トンネルの非常駐車帯のように途中でトンネル断面拡幅が必要な場合には、例えば初めから全線にわたって拡幅部の断面を包括する断面が大断面で掘削するのが従来一般的であった。
しかし、当該拡幅区間はトンネル全線において極かぎられた１区間でありながらトンネル全線の断面が大きくなることから、掘削土量が多く、環境への負荷が大きくなり、覆工及びシールド機も大きくなり、不経済であるなどの問題があった。
【０００３】
このため、部分的にトンネルを拡幅する工法として、例えばＥＳ−Ｔｕｂｅ工法、クレセント工法等がある。
ＥＳ−Ｔｕｂｅ工法は、カッタビットの径を伸縮させる伸縮カッタ機構と、シールド機胴体の両側部を一時的に張出すシールド断面拡大機構とを備えるシールド機を使って、道路トンネルの非常駐車帯などを施工する技術である（非特許文献１参照）。
クレセント工法は、シールド機胴体に組み込んだ球体に内蔵したカッタ装置により非常駐車帯などを掘削していき、本体セグメント外側に三日月形セグメントを組み立て、本線部と拡幅部を結合する技術である（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】シールドの掘削断面を自在に拡大・縮小できる「ＥＳ−Ｔｕｂｅ（イー・エスチューブ）」工法を開発〜大深度地下に建設する電力・ガス用などの長距離シールド工事で威力を発揮〜「２０００年８月３日掲載」＜http://www.shimz.co.jp/news_release2000/364.html＞
【非特許文献２】非常駐車帯と本線トンネルを１台のシールド機で構築−拡幅分岐シールド「クレセント」工法の開発−「２００３年５月２２日掲載」＜http://www.taisei.co.jp/release/2003/may/may04.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＥＳ−Ｔｕｂｅ工法では、カッタビットの径を伸縮させる伸縮カッタ機構を備えることから、シールド機前面のカッタ部分が複雑で高価なものとなってしまう問題がある。
また、クレセント工法では、球体に内蔵したカッタ装置を前胴に対し回転可能に組み込むことから、複雑で高価なものとなってしまう問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、トンネルの拡幅部を含む部分拡幅部を掘削するシールド機であって、部分拡幅用カッタを突出動作させるための構成を簡単で安価なものにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１から図３、図５から図７に示すように、本体前面にカッタ４を備えたシールド機であって、本体内にカッタ面を斜め前方へ向けて格納可能で、斜め前方にスライド移動して本体周面（スキンプレート１）から外側に突出可能な部分拡幅用カッタ２０と、この部分拡幅用カッタ２０と本体内部との間に設けられ、部分拡幅用カッタ２０を本体周面（スキンプレート１）から外側に突出動作させ且つ本体内に格納動作させるカッタ突出動作機構３１とを備えることを特徴とする。
【０００７】
このように、本体周面から突出する部分拡幅用カッタとその突出格納動作を行うカッタ突出動作機構を備えるシールド機なので、前面カッタ部分の変更が不要で、球体に内蔵したカッタ装置を前胴部分に組み込む必要もなく、前面カッタにより掘進しながら、本体周面から部分拡幅用カッタを突出させて部分的に部分拡幅部を掘削できる。また、所定の部分拡幅部掘削後は、カッタ突出動作機構により部分拡幅用カッタを本体内に格納できる。
そして、本体内にカッタ面を斜め前方へ向けて格納状態の部分拡幅用カッタを、本体内部との間に設けたカッタ突出動作機構の駆動で斜め前方にスライド移動させることにより本体周面から外側に突出させる動作方式のため、前面カッタによる掘進中での部分拡幅用カッタの突出動作が容易に行えて、シールド掘進中に部分拡幅部を確実に掘削できる。
しかも、部分拡幅用カッタを本体に対し斜め前方へのスライド移動により本体周面から外側に突出するように組み付け、その部分拡幅用カッタと本体内部との間にカッタ突出動作機構を設けるため、構成が簡単にして安価なものとなる。
また、部分拡幅用カッタの突出・格納が繰り返し行えることにより、複数の拡幅部を施工することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のシールド機であって、例えば図１、図５及び図７に示すように、前記カッタ突出動作機構３１は、前記部分拡幅用カッタ２０と前記本体内部との間に架設された複動ジャッキであることを特徴とする。
【０００９】
このように、部分拡幅用カッタと本体内部との間に架設した複動ジャッキの駆動により、前面カッタによる掘進中に部分拡幅用カッタが斜め前方にスライド移動して確実に突出動作する。また、掘削中に部分拡幅用カッタが地山から受ける外力は複動ジャッキにより受け止められる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のシールド機であって、例えば図１、図５及び図６に示すように、前面に部分拡幅用カッタ２０を支持するとともにそのカッタ駆動機構２５を内蔵したスライドケース３０と、前記本体内部に設けられ、前記スライドケース３０及び前記カッタ突出動作機構３１を格納する格納ケース４０とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機であって、例えば図９から図１２に示すように、前記本体周面（スキンプレート１）に形成され、前記部分拡幅用カッタ２０を突出させる開口部４１に、当該開口部を開閉するゲート５０を備えることを特徴とする。
【００１２】
このように、本体周面の部分拡幅用カッタ突出用の開口部は、部分拡幅部掘削時以外は当該開口部を開閉するゲートにより閉じられるので、土砂による開口部の閉塞が防止され、部分拡幅部掘削時にはゲートを開いた開口部から部分拡幅用カッタが斜め前方にスライド移動して確実に突出動作する。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機であって、例えば図１３から図１６に示すように、前記本体周面（スキンプレート１）に形成され、前記部分拡幅用カッタ２０を突出させる開口部４１の内方であって、前記部分拡幅用カッタ２０の格納状態におけるカッタ面の直前位置において開閉動作するゲート６０を備えることを特徴とする。
【００１４】
このように、本体周面の部分拡幅用カッタ突出用の開口部は、部分拡幅部掘削時以外は部分拡幅用カッタの格納状態におけるカッタ面の直前位置において開閉動作するゲートにより閉じられるので、土砂によるカッタ面の閉塞が防止され、部分拡幅部掘削時にはゲートを開いたカッタ面直前位置より部分拡幅用カッタが斜め前方にスライド移動して開口部から確実に突出動作する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、特に前面カッタによる掘進中での部分拡幅用カッタの突出動作が容易に行えて、シールド掘進中に部分拡幅部を確実に掘削できる上、部分拡幅用カッタを本体周面から外側に突出させるための構成を簡単で安価にできるといった利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
実施形態において、シールド機は、図１に示すように、スキンプレート１、隔壁２、前面のカッタ支持面板３、カッタ４、コピーカッタ５、チャンバ６、アジテータ７、カッタ支持面板軸受８、カッタ駆動用電動モータ９、土砂シール１０、テールシール１１、シールドジャッキ１２、エレクタ装置１３、送泥管１４、排泥管１５、後方作業台１６、セグメント形状保持装置１７、上部用連結セグメント押込装置１８、下部用連結セグメント押込装置１９、部分拡幅用カッタ２０等を備える。
【００１７】
部分拡幅用カッタ２０は、シールド機本体内に組み込まれたもので、図３に示すように、スキンプレート１の前部の上部と下部に突出・格納動作可能に備えられている。
すなわち、部分拡幅用カッタ２０は、図５に拡大して示すように、カッタ支持面板２１の前面に設けられている。カッタ支持面板２１は、スライドケース３０の前側部に形成されるチャンバ２２に設けたカッタ支持面板軸受２３に支持されており、スライドケース３０内にギヤ機構２４及びカッタ駆動機構２５が組み込まれている。カッタ駆動機構２５は実施形態ではカッタ駆動用油圧モータである。
【００１８】
スライドケース３０は、底部が開放された円筒状のもので、図６にも示すように、シールド機本体のスキンプレート１に開口する格納ケース４０に組み込まれており、スライドケース３０と格納ケース４０との間にカッタ突出動作機構３１が設けられている。カッタ突出動作機構３１は実施形態では油圧式の複動ジャッキである。
スライドケース３０は、スキンプレート１に対し鋭角をなすように本体内に斜めに固定された円筒状の格納ケース４０に対しスライド動作自在に組み込まれており、これによりスキンプレート１に形成されたカッタ突出用開口部４１に対し斜め前方へ向けてスライド移動するようになっている。図５中、２６は送泥管、２７は排泥管である。
【００１９】
そして、複動ジャッキ３１は、格納ケース４０内の底部と、スライドケース３０の前部との間に架設されている。複動ジャッキ３１は、図７に示すように、スライドケース３０の内側において、円周方向等間隔に３本配置されていて、格納時は、実線で示したように収縮状態となっており、これによりスライドケース３０及び部分拡幅用カッタ２０が格納ケース４０内に格納状態にある。
また、格納ケース４０の底部には配管アクセス用開口４２が形成されている。この配管アクセス用開口４２に送泥管２６と排泥管２７が通されている。なお、図示しない油圧配管も配管アクセス用開口４２に通される。
ここで、スライドケース３０のカッタ突出・格納時における配管類の保護として、管のホース化によりフレキシブル対応としている。図示は送排泥水管の対応であるが、油圧配管も同様に対応できる。
【００２０】
また、図５に示すように、格納ケース４０の中間部には、スライドケース３０のスライド動作に伴う摺動をガイドするガイドメタル４３が設けられており、このガイドメタル４３の内周にＯリングやパッキンによる二重の止水シール４４が設けられている。
【００２１】
以上のようにして部分拡幅用カッタ２０を備えるシールド機に装備される後方作業台１６には、図１に示したように、上部用連結セグメント押込装置１８及び下部用連結セグメント押込装置１９が備えられている。上部用連結セグメント押込装置１８は後方作業台１６上に固定式のもので、下部用連結セグメント押込装置１９は後方作業台１６の下方に配置される可動式のものであり、図４にも示すように、前後方向及び左右方向いずれも複数の油圧ジャッキにより構成されている。
【００２２】
次に、以上のシールド機によるトンネルの合流部・分流部構築手順を説明する。
まず、通常は前面のカッタ４によりトンネルを掘進していくとともに、後側のエレクタ装置１３によりセグメントを組立ててセグメントリング１０１を覆工していく。
そして、合流部・分流部を施工する開始時点に達すると、前面のカッタ４による掘進は継続するとともに、複動ジャッキ３１を伸張動作させて、スキンプレート１前部の部分拡幅用カッタ２０を上下に同期して突出動作させて地山に張出すとともに、カッタ駆動用油圧モータ２５の駆動でギヤ機構２４を介して回転駆動されるカッタ支持面板２１の部分拡幅用カッタ２０により上下の部分拡幅部掘削を開始する。
【００２３】
部分拡幅部掘削は、複動ジャッキ３１の伸張動作によりスライドケース３０が斜め前方にスライド移動して、部分拡幅用カッタ２０が回転しながらスキンプレート１から上下に突出し始める。この時、部分拡幅用カッタ２０が地山から受ける推進方向に対する外力は円周方向３本の複動ジャッキ３１により受け止められる。なお、部分拡幅用カッタ２０の突出を容易にするため、カッタ支持面板２１にはコピーカッタを備えても良い。
そして、部分拡幅用カッタ２０による上下の部分拡幅部掘削施工に対応する区間において、エレクタ装置１３により上下に鋼製セグメント１０２をセグメントリング１０１と同形体を覆工していく。鋼製セグメント１０２は連結セグメント１０３を上下方向にスライド動作可能に組み込んだものである。
【００２４】
続いて、後方作業台１６において、シールド機が進行するに伴いシールドテール（シール）１１から放出された（地山に残置された）時点で、即時に上部用連結セグメント押込装置１８及び下部用連結セグメント押込装置１９の油圧ジャッキの伸張動作によって、上下の鋼製セグメント１０２内から連結セグメント１０３を掘削部分拡幅部に押し込んでいく。
以上の部分拡幅部掘削を伴う掘進及び覆工は所定区間、すなわち、合流部・分流部の設計長に到達するまで継続して行われる。
【００２５】
そして、合流部・分流部の設計長に到達した時点で、部分拡幅用カッタ２０を複動ジャッキ３１の収縮動作によりスキンプレート１内に格納して、通常の掘進を行うとともに、鋼製セグメント１０２を用いない通常のセグメントだけを組立ててセグメントリング１０１を覆工していく。
【００２６】
以上の部分拡幅部掘削を伴う掘進及び覆工は、同様構成で例えばサイズが大小異なるシールド機を用いて、本線トンネルの隣にランプトンネルを並べて施工する。
図８はトンネル合流部・分流部の施工例を示すもので、Ｔは本線トンネル、Ｒはランプトンネルである。
【００２７】
まず、覆工の完了した当該拡幅区間において、覆工トンネル内部より、本線トンネルＴとランプトンネルＲの間において、上下の地山に対して薬液注入工１１１を施す。
次に、上下の薬液注入工１１１において、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの連結セグメント１０３の間に長尺鋼管フォアパイリングによるアーチ状の支保工１１２を施工する。
そして、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの間において、上下の支保工１１２間の地山を掘削する。
【００２８】
次に、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲの連結セグメント１０３にわたって鋼殻１１３を設置するとともに、その鋼殻１１３内へのコンクリート打設工を施工する。
その後、本線トンネルＴ及びランプトンネルＲのセグメントリング１０１の互いに隣接するセグメントを撤去して、図示のように、本線トンネルＴとランプトンネルＲを横方向に連続させる。
こうしてシールドトンネルの合流部・分流部の施工を終える。
【００２９】
〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、図９から図１２に示すように、カッタ突出用開口部４１に、当該開口部を開閉するゲート５０を設けたものであり、前述した第１実施形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略する。
ゲート５０は、図示のように、スキンプレート１の内側に組み込まれて円周方向に沿って移動することによりカッタ突出用開口部４１を開閉する円弧面状の一枚扉であり、このゲート５０とスキンプレート１の内側との間にゲート開閉動作機構５１が設けられている。このゲート開閉動作機構５１は実施形態ではスキンプレート１の円周方向に沿って架設した前後２本の油圧ジャッキである。
そして、この油圧ジャッキ５１は、格納ケース４０の前部の一側方に連続して形成した側方収納部４５に配置されている。
【００３０】
以上により、ゲート５０は油圧ジャッキ５１の伸張・収縮動作でスキンプレート１の内側を円周方向に沿って移動してカッタ突出用開口部４１を開閉する。
具体的には、通常の前面カッタ４のみによる掘進時は、カッタ突出用開口部４１をゲート５０で閉じた状態に保持する。また、部分拡幅部掘削時には、その直前にゲート５０を開いた状態に保持して、カッタ突出用開口部４１から部分拡幅用カッタ２０を突出させる。
【００３１】
〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、図１３から図１６に示すように、カッタ突出用開口部４１の内方であって、部分拡幅用カッタ２０の格納状態におけるカッタ面の直前位置において開閉動作するゲート６０を設けたものであり、前述した第１実施形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略する。
ゲート６０は、図示のように、格納ケース４０の中間部において、部分拡幅用カッタ２０の格納状態におけるカッタ面の直前位置で開閉する平板状の二枚扉であり、その各ゲート６０とスキンプレート１の内方部との間にゲート開閉動作機構６１が設けられている。このゲート開閉動作機構６１は実施形態ではスキンプレート１の内方部とに横方向に架設した油圧ジャッキである。
そして、図示例では左右の各ゲート６０及び油圧ジャッキ６１は、格納ケース４０の中間部の両側方に連続して形成した側方収納部４６にそれぞれ配置されている。
【００３２】
以上により、両ゲート６０は各油圧ジャッキ６１の同期した伸張・収縮動作で部分拡幅用カッタ２０の格納状態におけるカッタ面の直前位置を開閉する。
具体的には、通常の前面カッタ４のみによる掘進時は、格納状態の部分拡幅用カッタ２０のカッタ面直前位置を両ゲート５０で閉じた状態に保持する。また、部分拡幅部掘削時には、その直前に両ゲート５０を開いた状態に保持して、部分拡幅用カッタ２０をカッタ突出用開口部４１から突出させる。
【００３３】
なお、以上の実施形態においては、本線トンネルとランプトンネルの合流部・分流部の施工用としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、非常駐車帯等の拡幅部の施工であっても良い。
また、実施形態では、泥水式シールドとしたが、土圧式シールドであっても良く、その他、シールド機の具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。例えばスライドケース及び格納ケースについて円筒状に限らず角筒状や他の断面形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を適用した第１実施形態の構成を示すもので、シールド機の縦断側面図である。
【図２】図１の前面カッタの正面図である。
【図３】図１の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の縦断背面図である。
【図４】図１のセグメント押込装置が組み込まれた部分の縦断正面図である。
【図５】図１の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の拡大図である。
【図６】図５の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の正面図である。
【図７】図５の矢印Ａ方向から見たスライドケース内の概略構成図である。
【図８】トンネル合流部・分流部の施工例を示す縦断正面図である。
【図９】本発明を適用した第２実施形態の構成を示すもので、シールド機の縦断側面図である。
【図１０】図９の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の縦断正面図である。
【図１１】図９の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の拡大図である。
【図１２】図１１の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の正面図である。
【図１３】本発明を適用した第３実施形態の構成を示すもので、シールド機の縦断側面図である。
【図１４】図１３の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の縦断正面図である。
【図１５】図１３の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の拡大図である。
【図１６】図１５の部分拡幅用カッタが組み込まれた部分の正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１スキンプレート
４前面カッタ
１８・１９連結セグメント押込装置
２０部分拡幅用カッタ
２１カッタ支持面板
２２チャンバ
２３カッタ支持面板軸受
２４ギヤ機構
２５カッタ駆動機構（カッタ駆動用油圧モータ）
２６送泥管
２７排泥管
３０スライドケース
３１カッタ突出動作機構（複動ジャッキ）
４０格納ケース
４１カッタ突出用開口部
４２配管アクセス用開口
４３ガイドメタル
４４止水シール
４５・４６側方収納部
５０ゲート
５１ゲート開閉動作機構（ジャッキ）
６０ゲート
６１ゲート開閉動作機構（ジャッキ）
１０１セグメントリング
１０２鋼製セグメント
１０３連結セグメント
１１３鋼殻
Ｔ本線トンネル
Ｒランプトンネル

【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体前面にカッタを備えたシールド機であって、
本体内にカッタ面を斜め前方へ向けて格納可能で、斜め前方にスライド移動して本体周面から外側に突出可能な部分拡幅用カッタと、
この部分拡幅用カッタと本体内部との間に設けられ、部分拡幅用カッタを本体周面から外側に突出動作させ且つ本体内に格納動作させるカッタ突出動作機構とを備えることを特徴とするシールド機。
【請求項２】
前記カッタ突出動作機構は、前記部分拡幅用カッタと前記本体内部との間に架設された複動ジャッキであることを特徴とする請求項１に記載のシールド機。
【請求項３】
前面に部分拡幅用カッタを支持するとともにそのカッタ駆動機構を内蔵したスライドケースと、
前記本体内部に設けられ、前記スライドケース及び前記カッタ突出動作機構を格納する格納ケースとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のシールド機。
【請求項４】
前記本体周面に形成され、前記部分拡幅用カッタを突出させる開口部に、当該開口部を開閉するゲートを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機。
【請求項５】
前記本体周面に形成され、前記部分拡幅用カッタを突出させる開口部の内方であって、前記部分拡幅用カッタの格納状態におけるカッタ面の直前位置において開閉動作するゲートを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド機。

【図１】