トンネルの合流接合方法及びこれに用いる合流接合装置

【課題】先行シールド機によって構築された先行トンネルに、後行シールド機によって構築される後行トンネルを合流するように接合する際、後行シールド機の掘削抵抗及びカッタ負担の改善を図ったトンネル合流接合方法を提供する。
【解決手段】先行シールド機によって、周方向の所定部に軸方向に繋げて掘削可能な外側セグメント６を配置した先行トンネル３を構築し、該先行トンネル３の内部に、上記外側セグメント６を空間９を介して囲むように内側セグメント１０を組み立てると共に、上記空間９内に掘削可能な充填材１２を充填し、後行シールド機４を上記先行トンネル３に近付けて、上記外側セグメント６及び上記充填材１２を切削し且つ上記内側セグメント１０に接触しないように掘進させることで、後行トンネル５を上記先行トンネル３に重合させて構築した後、重合部分のトンネル３、５同士を連通させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メイントンネルにサブトンネルを合流・分岐させる際に用いられるトンネルの合流接合方法及びこれに用いる合流接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路用等のトンネルにおいては、ジャンクションにおいて、本線であるメイントンネルに、ランプ線であるサブトンネルを合流・分岐させるように接続する必要がある。この場合、従来、以下の手順で接続工事を行っていた。
【０００３】
（１）シールド機によってメイントンネルを構築する。（２）メイントンネルに対するサブトンネルの接続部付近及び接続影響範囲に、地上から地盤改良及び止水壁形成を行う。（３）地盤改良及び止水壁形成の範囲に開削等を行い、土留壁、シートパイル、腹起こし、切梁を設置し、サブトンネルの仮設を行う。（４）サブトンネルを本設しこれとメイントンネルとを連通する。
【０００４】
しかし乍ら、この工法では、本来、メイントンネルに対してサブトンネルが合流・分岐する狭い範囲のみを地盤改良すれば足りるところ、地上からメイントンネル及びサブトンネルまでの深さの全ての範囲の地山を地盤改良しているため、コストアップ及び工事期間の長期化を招く。
【０００５】
また、図１４に示すように、先行シールド機によって、外側に円弧状の凹部ａが形成された壁体部ｂと凹部ａに設けられた掘削体ｃとからなる特殊セグメントを一部に用いてメイントンネルｄを構築し、後行シールド機によって、上記掘削体ｃを地山と共に掘削することで、後行トンネルを先行トンネルｄに円形断面が重合するように近接させて構築し、その後、これらトンネル同士を連通させるようにしたものが知られている（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５９２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この工法では、トンネルの円形断面同士が重合する部分の全てに掘削体ｃが配置されており、この掘削体ｃを後行シールド機のカッタによって掘削しなければならない。よって、後行シールド機が掘進する際、掘削体ｃの断面積に応じた掘削抵抗が生じ、後行シールド機のカッタの負担が上記断面積に応じたものとなり、後行シールド機の掘削抵抗及びカッタ負担が問題となる。
【０００８】
すなわち、掘削体ｃは、後行シールド機のカッタによって掘削できる程度に軟らかくなければならないのは勿論であるが、他方、先行シールド機に設けられた推進ジャッキによる押圧力に耐える必要があるため、闇雲に軟らかくはできない。このように有る程度の硬さを有する掘削体ｃを上記重合する部分の全てに配置して後行シールド機のカッタによってその全てを掘削するようにすることは、後行シールド機の掘削抵抗及びカッタ負担上好ましくない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、先行シールド機によって構築された先行トンネルに、後行シールド機によって構築される後行トンネルを合流するように接合する際、後行シールド機の掘削抵抗及びカッタ負担の改善を図ったトンネル合流接合方法及びこれに用いる合流接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために第一の発明は、先行シールド機によって構築された先行トンネルに、後行シールド機によって構築される後行トンネルを、合流するように接合する方法であって、先行シールド機によって、周方向の所定部に軸方向に繋げて掘削可能な外側セグメントを配置した先行トンネルを構築し、該先行トンネルの内部に、上記外側セグメントを空間を介して囲むように内側セグメントを組み立てると共に、上記空間内に掘削可能な充填材を充填し、後行シールド機を上記先行トンネルに近付けて、上記外側セグメント及び上記充填材を切削し且つ上記内側セグメントに接触しないように掘進させることで、後行トンネルを上記先行トンネルに重合させて構築した後、重合部分のトンネル同士を連通させるようにしたものである。
【００１１】
また、第二の発明は、前述のトンネルの合流接合方法に使用するトンネルの合流接続装置であって、上記先行シールド機に設けられ上記外側セグメントを組み立てるエレクタと、上記先行シールド機よりも掘進方向後方の上記先行トンネル内に配置され上記内側セグメントを組み立てる別のエレクタとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、先行シールド機によって構築された先行トンネルに、後行シールド機によって構築される後行トンネルを合流するように接合する際、後行シールド機の掘削抵抗及びカッタ負担を可及的に小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の好適実施形態を添付図面を用いて説明する。
【００１４】
本実施形態に係るトンネルの合流接合方法及びこれに用いる合流接合装置は、図４に示すように、道路用のトンネルのジャンクションにおいて、本線トンネル１にランプ線トンネル２を合流させて接合する際に用いられる。かかるｙ字型トンネルは、基本的には、図１〜図３に示すように、先行シールド機によって本線トンネル３（先行トンネル）を構築し、この先行トンネル３の断面の一部に後行シールド機４を重合（ラップ）させて掘進させ、ランプ線トンネル５（後行トンネル）を先行トンネル３の一部にラップさせて構築することで実現される。ここで、後行シールド機４が先行トンネル３の一部をラップして掘進する際、以下に説明する種々の工夫により、後行シールド機４の掘削抵抗及びカッタ負担を可及的に小さくしている。
【００１５】
以下、上記トンネルの合流接合方法及びこれに用いる合流接合装置について説明する。
【００１６】
図１〜図３に示すように、上記合流接合方法は、図示しない先行シールド機によって構築された先行トンネル３に、後行シールド機４によって構築される後行トンネル５を、合流するように接合するものである。先ず、先行シールド機によって先行トンネル３を構築するのであるが、この先行トンネル３は、後行シールド機４によって掘削可能な外側セグメント６を、周方向の所定部に軸方向に繋げて配置して構築されている。
【００１７】
外側セグメント６は、先行シールド機のエレクタ（セグメント組立装置）によって、通常のセグメント７と同様に、シールドフレームの内側にて上記所定部に組み付けられる。すなわち、外側セグメント６は、シールドフレームのテール部に設けられたテールシールが既設セグメントに押し付けられた部分よりも前方の止水された空間で上記所定部に組み付けられる。
【００１８】
上記所定部は、後行シールド機４の掘削断面（ラップ断面）に合わせて設定されている。図例では、上記所定部の周方向の領域は、後行シールド機４が先行トンネル３にラップした直後から所定のラップ量となるまでは徐々に広がり（図２参照）、所定のラップ量となった後は一定となる（図３参照）。また、上記所定部の高さは、図２から図３にかけて徐々に下がっている。
【００１９】
外側セグメント６は、モルタルやＦＲＰ構造、モルタルにＣＦ線等を配した構造となっており、先行シールド機の推進ジャッキによる掘進反力を受けたとき破損しないような推力伝達可能な強度になっている。すなわち、先行シールド機は、その推進ジャッキを外側セグメント６に押し付け、反力を取って掘進する。また、外側セグメント６は、後行シールド機４のカッタ８によって掘削可能となっている。
【００２０】
先行シールド機が外側セグメント６及び通常セグメント７（掘削不能な所定強度を有するセグメント）を用いて先行トンネル３を構築したなら、先行トンネル３の内部に、上記外側セグメント６を空間９を介して囲むように内側セグメント１０を組み立てる。内側セグメント１０は、後行シールド機４のカッタ８で掘削できない所定強度を有するセグメントであり、例えばスチールセグメント等が用いられる。
【００２１】
内側セグメント１０の組立位置及び領域は、後行シールド機４の掘削断面（ラップ断面）に合わせて設定される。図例では、上記組立領域は、後行シールド機４が先行トンネル３にラップした直後から所定のラップ量となるまでは徐々に広がり（図２参照）、所定のラップ量となった後は一定となり（図３参照）、図２から図３にかけて徐々に組立位置が下がっている。
【００２２】
内側セグメント１０は、図例では、図５に示すように、先行シールド機よりも掘進方向Ｄの後方の先行トンネル３内にて、先行シールド機とは切り離された別のエレクタ１１によって組み立てられる。これにより、内側セグメント１０の組み立てを先行シールド機による先行トンネル３の構築から切り離して行うことができ、先行トンネル３の構築速度が内側セグメント１０の組み立てによって制限されなくなる。
【００２３】
このように、別のエレクタ１１によって内側セグメント１０を組み付けるようにすれば、先行シールド機のエレクタは、一般的な円弧状のセグメント６、７を組み付けることができる標準型の構造であれば足り、内側セグメント１０をも組み付けることができる特殊なエレクタを用いる必要はない。すなわち、先行シールド機は、エレクタを含めて標準型を使用できるので、コストアップとならない。
【００２４】
但し、内側セグメント１０を先行シールド機に設けた特殊なエレクタによって組み付けるようにしてもよい。この場合、特殊なエレクタは、先行シールド機のテールシールが既設セグメントに押し付けられた部分よりも前方の止水された空間で、外側セグメント６及び通常セグメント７をリング状に組み付けた後、外側セグメント６の内方に内側セグメント１０を組み付けることになる。
【００２５】
上記別のエレクタ１１の構造・動作については後述するが、図５に示すように、この別のエレクタ１１によって内側セグメント１０を組み付けたなら、内側セグメント１０と外側セグメント６との間の空間９に掘削可能な充填材１２を充填する。充填材１２は、後行シールド機４のカッタ８によって容易に掘削されるものが用いられ、例えば、先行シールド機が掘削した土砂（流動性土砂）を用いれば低コストとなる。
【００２６】
充填材１２の空間９への充填は、内側セグメント１０に設けた開口部を通して成される。このとき、充填材１２を所定の圧力で空間９内に圧送することで、空間９内における空隙（ボイド）の発生を防止できる。なお、内側セグメント１０を組み立てながら充填材１２を充填するようにしてもよい。この場合、充填材１２を空間９のトンネル軸方向後方の開口９ａ（図６参照）から押圧することで、空間９内に圧密できる。
【００２７】
こうして、外側セグメント６を一部に有する先行トンネル３が構築され、その内部に内側セグメント１０が組み立てられ、内側セグメント１０と外側セグメント６との間の空間９に充填材１２が充填されたなら、図１に示すように、後行シールド機４を先行トンネル３に近付けて、外側セグメント６及び充填材１２を切削し且つ内側セグメント１０に接触しないように掘進させる。
【００２８】
これにより、後行トンネル５が先行トンネル３に重合されて構築される。すなわち、後行トンネル５は、後行シールド機４のエレクタがシールドフレーム１３内でセグメントを組み立てることで構築され、後行シールド機４は、推進ジャッキ１４を既設セグメントに押し付けてそれに反力を取って掘進し、カッタ８を回転させる等して外側セグメント６、充填材１２及び地山を掘削する。
【００２９】
ここで、後行シールド機４のカッタ８によって掘削される外側セグメント６は、図２及び図３に示すように、カッタ８による掘削断面のごく一部であり、残りの部分に配置される充填材１２は流動性土砂なので、図１４に示すようにカッタによる掘削断面の全域に掘削体ｃを設けた従来タイプと比べると、カッタ８に対する掘削抵抗が著しく小さい。
【００３０】
よって、本実施形態では、後行シールド機４が先行トンネル３をラップして掘進する際、後行シールド機４の掘削抵抗及びカッタ８の負担が、上記従来タイプと比べて著しく小さくなる。この結果、後行シールド機４の掘進速度すなわち後行トンネル５の構築速度を従来タイプと比べて高めることができ、工事期間の短縮化を図ることができる。
【００３１】
また、充填材１２は、後行シールド機４が外側セグメント６に穴を開けたとき、側部地山の土砂がその穴から上記空間９内に流れ込んでトンネル３、５の上方の地盤（地面）が陥没することを防止する。すなわち、上記空間９に充填材１２が存在しない場合、後行シールド機４が外側セグメント６に穴を開けると同時に、その近傍の土砂が空間９内に流入するため、上記地盤が陥没する可能性がある。
【００３２】
また、空間９に充填材１２が充填されているため、後行シールド機４の掘進が安定する。すなわち、仮に空間９に充填材１２が存在しないとすると、後行シールド機４のカッタ８は空間９の部分の掘削負担がその反対側の地山部分の掘削負担より著しく小さくなるため、後行シールド機４を安定して掘進させることが困難となってしまうが、空間９に充填材１２を充填することで、上記各掘削負担の差を小さくでき、掘進が安定するのである。
【００３３】
こうして、図１に示すように、先行トンネル３の外側セグメント６の部分にラップさせて後行トンネル５を構築したならば、図２及び図３に示すように、ラップ部分（重合部分）の近傍の地山を少なくとも一方のトンネル３又は５内から薬剤を注入する等して地盤改良１５を施す。トンネル３、５同士は十分近接しているので、地盤改良１５の範囲はごく狭い範囲で足り、コストダウン及び工期短縮となる。
【００３４】
上記地盤改良１５によって止水性が確保できたなら、先行トンネル３の内側セグメント１０を取り外し又は切断し、内側セグメント１０に対向する後行トンネル５のセグメントの一部を取り外し又は切断することで、双方のトンネル３、５同士を連通する。こうして、先行トンネル３に後行トンネル５を合流させて接合する。
【００３５】
次に、上記方法に用いる別のエレクタ１１に関して以下説明する。
【００３６】
図６及び図７に示すように、この別のエレクタ１１は、先行トンネル３内に、先行シールド機とは切り離されて掘進方向Ｄの後方に配置され、相互にトンネル軸方向にスライド可能な前胴Ｘと中胴Ｙと後胴Ｚとを有する。各胴には、フレーム１６Ｘ、１６Ｙ、１６Ｚを介してジャッキからなるグリッパＡ、Ｂ、Ｃが夫々設けられ、各胴の間には、推進ジャッキα、βが設けられている。
【００３７】
これにより、各グリッパＡ、Ｂ、Ｃ及び推進ジャッキα、βを適宜伸縮することで、別のエレクタ１１が尺取虫の如く前進する。例えば、グリッパＡ、Ｃを伸ばしＢを縮めた状態で推進ジャッキαを縮めβを伸ばすことで中胴Ｙが掘進方向Ｄに前進し、グリッパＡ、Ｂを伸ばしＣを縮めた状態で推進ジャッキβを縮めることで後胴Ｆが前進し、グリッパＢ、Ｃを伸ばしＡを縮めた状態で推進ジャッキαを伸ばすことで前胴Ｘが前進する。
【００３８】
前胴Ｘには、ベースリング１７が調整ジャッキ１８によって軸方向にスライド可能に、且つ周方向に回動不能に被嵌されている。ベースリング１７には、回転リング１９が周方向に回転可能に被嵌されており、回転リング１９は、これに取り付けられたリングギヤ２０がベースリング１７に装着されたモータ２１のピニオン２２に噛合される構造によって、回転される。
【００３９】
回転リング１９には、図７に示すように、一個の門型エレクタ部２３と、この門型エレクタ部２３を挟むように配置された二個の片持エレクタ部２４、２５とが設けられている。一方の片持エレクタ部２４は、図８に示すように下方の内側セグメント１０Ｌを組み付け、門型エレクタ部２３は図９に示すように中央の内側セグメント１０Ｃを組み付け、他方の片持エレクタ部２５は図１０に示すように上方の内側セグメント１０Ｕを組み付ける。
【００４０】
ここで、各胴Ｘ、Ｙ、Ｚ及び回転リング１９は、先行トンネル３の中心から内側セグメント１０の反対方向にオフセット配置されているため、各エレクタ部２３、２４、２５は内側セグメント１０Ｌ、１０Ｃ、１０Ｕを所定の位置（既述）に組み付けるための作業スペースを確保できるのである。逆を言えば、各胴Ｘ、Ｙ、Ｚ及び回転リング１９がトンネル３の中心と同芯であると仮定すると、図例の各エレクタ部２３、２４、２５では内側セグメント１０Ｌ、１０Ｃ、１０Ｕを所定の位置に組み付けることができない。
【００４１】
また、図６に示すように、回転リング１９には、柱状の補強部材３０を組み付けるための組付アーム３１が設けられている。補強部材３０は、図５に示すように、内側セグメント１０が組み付けられる領域に配置され、図７に示すように、上部の内側セグメント１０Ｕに接続されて水平に架け渡される上部梁３０ａと、下部の内側セグメント１０Ｌに接続されて水平に架け渡される下部梁３０ｂと、上部梁３０ａを支持する上部柱３０ｃと、下部梁３０ｂを支持する下部柱３０ｄとからなる。
【００４２】
かかる補強部材３０は、図１〜図３に示すように、先行トンネル３に後行シールド機４がラップするように掘進する際、後行シールド機４の掘削による圧力や地山の土圧が内側セグメント１０に作用するところ、地盤改良１５を施す前にそれら圧力や土圧に対抗するために設けられるものである。但し、比較的浅いトンネルの場合等、上記土圧等がそれ程問題にならない場合には、上記補強部材３０を省略できるケースもある。
【００４３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１及び図４に示すように後行シールド機４を先行トンネル３の途中で停止させてサブトンネル２をメイントンネル１に合流させて構築するのみではなく、図１の位置の後行シールド機４を先行トンネル３から再び離間させるように掘進させることで、メイントンネル１から分岐するサブトンネルを構築するようにしてもよい。この場合、図１の右端部の内側セグメント１０はステップ状ではなく図１の左側のように滑らかなテーパ状に構築することになる。
【００４４】
また、上記実施形態では、後行トンネル５を先行トンネル３よりも小径としたが、逆の関係とし、図１１〜図１３に示すように、後行トンネル５’を先行トンネル３’よりも大径としてもよい。すなわち、先行シールド機Ｓ’によって構築された小径の先行トンネル３’に、後行シールド機４’によって構築される大径の後行トンネル５’を、合流するように接合してもよい。なお、この実施形態は、後行トンネル５’が先行トンネル３’よりも大径である以外は、上述した実施形態と同様であるので、各構成要素の符号に「’」を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の好適実施形態としてのトンネルの合流接合方法を説明するためのトンネルの平断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】上記合流接合方法によって構築される道路トンネルの平断面図である。
【図５】上記合流接合方法に用いられる合流接合装置の一部を成す別のエレクタを示す先行トンネルの平断面図である。
【図６】上記別のエレクタを示す図５の部分拡大図である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【図８】上記別のエレクタによる内側セグメントの組み立てを示す説明図である。
【図９】上記別のエレクタによる内側セグメントの組み立てを示す説明図である。
【図１０】上記別のエレクタによる内側セグメントの組み立てを示す説明図である。
【図１１】先行トンネルを小径に後行トンネルをそれよりも大径とした変形例を示するトンネルの平断面図である。
【図１２】図１１のXII−XII線断面図である。
【図１３】図１１のXIII−XIII線断面図である。
【図１４】従来の技術を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
３先行トンネル
４後行シールド機
５後行トンネル
６外側セグメント
９空間
１０内側セグメント
１１別のエレクタ
１２充填材
１５地盤改良
Ｄ掘進方向
Ｓ’ 先行シールド機
３’ 先行トンネル
４’ 後行シールド機
５’ 後行トンネル
６’ 外側セグメント
９’ 空間
１０’ 内側セグメント
１２’ 充填材
１５’ 地盤改良

【特許請求の範囲】
【請求項１】
先行シールド機によって構築された先行トンネルに、後行シールド機によって構築される後行トンネルを、合流するように接合する方法であって、
先行シールド機によって、周方向の所定部に軸方向に繋げて掘削可能な外側セグメントを配置した先行トンネルを構築し、該先行トンネルの内部に、上記外側セグメントを空間を介して囲むように内側セグメントを組み立てると共に、上記空間内に掘削可能な充填材を充填し、
後行シールド機を上記先行トンネルに近付けて、上記外側セグメント及び上記充填材を切削し且つ上記内側セグメントに接触しないように掘進させることで、後行トンネルを上記先行トンネルに重合させて構築した後、重合部分のトンネル同士を連通させることを特徴とするトンネルの合流接合方法。
【請求項２】
上記重合部分のトンネル同士を連通させるに先立って、上記重合部分の近傍の地山を少なくとも一方のトンネル内から地盤改良するようにした請求項１記載のトンネルの合流接合方法。
【請求項３】
上記充填材に上記先行シールド機で掘削した土砂を用いるようにした請求項１又は２記載のトンネルの合流接合方法。
【請求項４】
上記外側セグメントに反力を取って上記先行シールド機を掘進させるようにした請求項１〜３いずれかに記載のトンネルの合流接合方法。
【請求項５】
上記外側セグメントを、上記先行シールド機の内部にて組み立て、上記内側セグメントを、上記シールド機よりも掘進方向後方にて組み立てるようにした請求項１〜４いずれかに記載のトンネルの合流接合方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載のトンネルの合流接合方法に使用するトンネルの合流接続装置であって、上記先行シールド機に設けられ上記外側セグメントを組み立てるエレクタと、上記先行シールド機よりも掘進方向後方の上記先行トンネル内に配置され上記内側セグメントを組み立てる別のエレクタとを備えたトンネルの合流接合装置。

【図１】