トンネル拡幅方法
【課題】 拡幅領域の周囲の掘削と、拡幅領域の周囲の補強とを同時に行うことにより、施工効率を向上させることができ、さらに、施工コストを低減することができるとともに、地盤の崩落を確実に防ぐことができるトンネル拡幅方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 一定の曲率で湾曲しているケーシング１０（掘削軸）と、ケーシング１０の先端部に取り付けられている駆動装置２０と、駆動装置２０によって回転するカッタ３０と、固化材注入手段とを備えている掘削手段１を用いたトンネル拡幅方法であって、カッタ３０をトンネルＴから地盤内に挿入し、固化材注入手段によって注入された固化材と掘削土砂とをカッタによって撹拌しながら、掘削手段１を掘進させて拡幅領域Ｋの周囲に曲線穴Ａを掘削し、曲線穴Ａ内の掘削土砂を固化させた後に、拡幅領域Ｋを掘削して取り除くことを特徴としている。
【解決手段】 一定の曲率で湾曲しているケーシング１０（掘削軸）と、ケーシング１０の先端部に取り付けられている駆動装置２０と、駆動装置２０によって回転するカッタ３０と、固化材注入手段とを備えている掘削手段１を用いたトンネル拡幅方法であって、カッタ３０をトンネルＴから地盤内に挿入し、固化材注入手段によって注入された固化材と掘削土砂とをカッタによって撹拌しながら、掘削手段１を掘進させて拡幅領域Ｋの周囲に曲線穴Ａを掘削し、曲線穴Ａ内の掘削土砂を固化させた後に、拡幅領域Ｋを掘削して取り除くことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルを拡幅するためのトンネル拡幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法によって同一断面に掘削されたトンネルに非常駐車帯を設けるために、トンネルの側部を部分的に拡幅する方法としては、円弧状の凍結管の先端部にカッタを取り付けて掘削手段を構成し、この掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に掘進させて、トンネルの拡幅領域の周囲に凍結管を配置し、凍結管内に冷媒を供給して、凍結管周辺の地盤を凍結させた後に、トンネル内から拡幅領域の地盤を掘削して取り除くことにより、トンネルを部分的に拡幅するトンネル拡幅方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このトンネル拡幅方法では、凍結管周辺の地盤を凍結させることにより、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を防ぐことができる。
【特許文献１】特開２００５−０３０１４７号公報（段落０００３、図８（ｂ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記した従来のトンネル拡幅方法では、掘削手段を掘進させて拡幅領域の周囲に凍結管を配置した後に、凍結管内に冷媒を循環させて地盤を凍結させているため、施工期間が長くなってしまうという問題がある。
また、凍結管内に冷媒を循環させるための冷却装置が必要になるため、施工コストが高くなってしまうという問題がある。
さらに、凍結管内の冷媒を均一な温度に保つことが困難であるため、拡幅領域の周囲の地盤強度を均一に高めることができないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、拡幅領域の周囲の掘削と、拡幅領域の周囲の補強とを同時に行うことにより、施工効率を向上させることができ、さらに、施工コストを低減することができるとともに、地盤の崩落を確実に防ぐことができるトンネル拡幅方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、一定の曲率で湾曲している掘削軸と、掘削軸の先端部に取り付けられている駆動装置と、駆動装置によって回転するカッタと、掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段とを備えている掘削手段を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法であって、カッタをトンネルの壁面から地盤内に挿入し、カッタを回転させて、掘削軸を地盤内に順次に挿入することにより、固化材注入手段によって注入された固化材と掘削土砂とをカッタによって撹拌しながら、掘削手段を地盤内に掘進させる段階と、地盤内に掘進させた掘削手段によって、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させた後に、トンネル内から拡幅領域の地盤を掘削して取り除く段階とから構成されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に掘進させ、掘削土砂と固化材とを撹拌しながら、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削しながら、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率を向上させることができる。
【０００８】
また、トンネルの掘削時に拡幅領域も同時に掘削することができる特殊な構造のシールドマシンを用いることなく、一般的な地盤掘削装置に用いられているカッタ、駆動装置および固化材注入手段を利用してトンネルを拡幅することができ、さらに、地盤を凍結させる従来の方法のように、冷却装置を用いる必要もないため、施工コストを低減することができる。
【０００９】
また、掘削手段は、曲線穴内の掘削土砂に固化材を注入しながら掘進しており、曲線穴内全域を均一に固化させて、拡幅領域の周囲の地盤強度を均一に高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
【００１０】
また、カッタを回転させる駆動装置が掘削軸の先端部に取り付けられており、駆動装置の出力がカッタに対して効果的に伝達されるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
【００１１】
前記したトンネル拡幅方法において、駆動装置の出力部は、掘削軸に外嵌されており、出力部が掘削軸周りに回転するように構成することができる。
【００１２】
このように、駆動装置の出力部を掘削軸周りに回転させることにより、出力部が安定して回転することになるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
なお、出力部が掘削軸周りに回転する外周駆動型の駆動装置としては、例えば、ラジアルピストンモータやアキシャルピストンモータ等の油圧モータを用いることができる。
【００１３】
前記したトンネル拡幅方法において、掘削軸は中空管であり、掘削軸内には、駆動装置を駆動させるための駆動ケーブルおよび固化材注入手段に固化材を供給するための固化材供給管が内挿されているように構成することができる。
【００１４】
このように、掘削軸内に駆動ケーブルや固化材供給管を内挿することにより、駆動ケーブルや固化材供給管を容易に配管することができるとともに、掘削時に駆動ケーブルや固化材供給管の損傷を防ぐことができる。
また、駆動ケーブルや固化材供給管の他に、掘削土砂の一部を排土するための排土管を掘削軸内に内挿してもよい。
【００１５】
前記したトンネル拡幅方法において、カッタは、拡径および縮径自在に構成することができる。
【００１６】
ここで、掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に挿入するときに、壁面にセグメントが取り付けられている場合には、セグメントに形成した貫通穴から掘削手段を地盤内に挿入することになる。このとき、トンネルの強度を考慮すると、貫通穴の開口面積を狭く形成することが望ましいが、貫通穴の開口面積に伴って掘削手段のカッタも小型化する必要があり、曲線穴の径が小さくなってしまうため、固化させる掘削土砂が少なくなり、掘削領域の周囲の地盤強度を十分に高めることができなくなってしまう。
【００１７】
そこで、カッタを拡径および縮径自在に構成することにより、セグメントの貫通穴を通過するときにはカッタを縮径させ、貫通穴の通過後にカッタを拡径して曲線穴を掘削することができるため、貫通穴によるトンネルの強度低下を低減することができるとともに、大きな径の曲線穴を掘削して、その曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、掘削領域の周囲の地盤強度を十分に高めることができる。
【００１８】
前記したトンネル拡幅方法において、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させ、トンネル内で掘削手段からカッタ、駆動装置および固化材注入手段を取り外し、曲線穴内に掘削軸を残置させるように構成することができる。
【００１９】
このように、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させることにより、トンネル内でカッタ、駆動装置および固化注入手段を掘削軸から容易に取り外して回収することができる。
そして、カッタ、駆動装置および固化注入手段を取り外した掘削軸は、芯材として曲線穴内に残すことにより、拡幅領域の周囲を補強することができる。
【００２０】
前記したトンネル拡幅方法において、曲線穴を掘削した後に、掘削手段を曲線穴内からトンネル内に回収し、曲線穴内には芯材を挿入するように構成することができる。
【００２１】
このように、曲線穴を掘削した後に、掘削手段を曲線穴内からトンネル内に回収し、曲線穴内には芯材を挿入することにより、掘削軸よりも太い芯材を曲線穴に挿入することができるため、拡幅領域の周囲を確実に補強することができる。
【００２２】
また、曲線穴の掘削後に、掘削軸からカッタや駆動装置を取り外して、掘削軸を曲線穴内に残す必要がなくなるため、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させる必要がなくなる。これにより、掘削手段をトンネル内に貫入させるための貫通穴をトンネルのセグメントに形成する必要がなくなるため、トンネルの強度低下を低減することができる。また、掘削手段をセグメントの貫通穴に向かって精度良く掘進させる必要がなくなるため、施工管理を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のトンネル拡幅方法によれば、掘削土砂に固化材を注入しながら、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削しながら、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率を向上させることができる。
また、一般的な地盤掘削装置に用いられている各種装置を利用することができるため、施工コストを低減することができる。
さらに、掘削土砂に固化材を注入しながら掘進しており、曲線穴内全域を均一に固化させて、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
また、駆動装置の出力がカッタに対して効果的に伝達されるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段について説明した後に、その掘削手段を用いたトンネル拡幅方法について説明する。
なお、以下の説明において、「前後方向」とは掘削手段の掘進方向に対応している。
【００２５】
［掘削手段の構成］
図１は、本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段を示した図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はカッタを拡径した状態の側断面図、（ｃ）はカッタを縮径した状態の側断面図である。
掘削手段１は、図１（ａ）に示すように、一定の曲率で湾曲しているケーシング１０（特許請求の範囲における「掘削軸」）と、ケーシング１０の先端部１１に取り付けられている駆動装置２０と、駆動装置２０によって回転するカッタ３０と、掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段（図示せず）と、掘削土砂の一部を排土する排土手段（図示せず）とを備えている。
【００２６】
ケーシング１０は、一定の曲率で補強対象のトンネルの軸線と平行な水平軸周りに湾曲している中空管であり、その基端部を継ぎ足すことにより、順次に延長することができるように構成されている。なお、ケーシング１０の先端部１１には、駆動装置２０の取付部が直線状に形成されている。
【００２７】
駆動装置２０は、図１（ｂ）に示すように、出力部２１の中央部に形成された貫通穴２２内にケーシング１０の先端部１１が内挿されることにより、出力部２１がケーシング１０に外嵌されており、出力部２１がケーシング１０の先端部１１の軸周りに回転するように構成された外周駆動型のモータである。この駆動装置２０としては、ラジアルピストンモータやアキシャルピストンモータ等の油圧モータを用いることができる。
【００２８】
また、駆動装置２０を駆動させるための駆動油を供給および排出する駆動ケーブル（図示せず）は、ケーシング１０内に内挿されており、駆動装置２０に接続された駆動ケーブルはケーシング１０内を通過して、外部の油圧ポンプ（図示せず）に接続されている。
【００２９】
カッタ３０は、図１（ｂ）に示すように、駆動装置２０の前方に配置されたカッタ本体３１が、駆動装置２０の出力部２１の回転に伴って、出力部２１と同じ軸周りに回転することにより、カッタ本体３１の前面に設けられた掘削面の各ビット３２・・・によって、地盤を掘削するように構成されている。
【００３０】
カッタ本体３１は、２枚の板状部材３３，３３から構成されており、各板状部材３３，３３は長手方向がカッタ３０の幅方向に配置されている。また、各板状部材３３，３３の内端部が出力部２１の中心軸線上で連結されており、各板状部材３３，３３は外端部が内端部よりも後方に配置されるように傾斜している。
【００３１】
さらに、各板状部材３３，３３は、連結部３４において回動自在に連結されており、図１（ｂ）の状態から連結部３４を中心として折り畳むことにより、カッタ本体３１を図１（ｃ）の状態に縮径することができる。当然に、図１（ｃ）の状態から連結部３４を中心として各板状部材３３，３３を広げることにより、カッタ本体３１を図１（ｂ）の状態に拡径することもできる。
そして、カッタ本体３１を拡径した場合には、駆動装置２０の外径よりも大きくなり、カッタ本体３１を縮径した場合には、駆動装置２０の外径と略同じ大きさとなる。
【００３２】
ここで、カッタ本体３１を拡径および縮径させる構成について説明する。
カッタ３０は、図１（ｂ）に示すように、カッタ本体３１の後方でケーシング１０の先端部１１内に内挿されているシリンダ３５を備えている。
このシリンダ３５は、伸縮ロッド３５ａが出力部２１の中心軸線上で、本体部３５ｂに対して前後方向に移動するように構成されており、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａの先端部は、各板状部材３３，３３の連結部３４に接続されている。
また、シリンダ３５は、本体部３５ｂの外周面と、ケーシング１０の先端部１１の内周面との間に介設されたベアリング３６によって、出力部２１と同じ軸周りに回転するように構成されている。
さらに、シリンダ３５の本体部３５ｂの外周面には、棒状部材である２本のリンク部材３７，３７の一端が回動自在に取り付けられており、各リンク部材３７，３７の他端は、各板状部材３３，３３の後面において長手方向の略中央部に回動自在に取り付けられている。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、カッタ本体３１を拡径させた状態で、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａを伸長させた場合には、連結部３４は前方に押し出されることになるが、各板状部材３３，３３の長手方向の略中央部は、各リンク部材３７，３７によって前後方向の移動が規制されており、中心軸線に向かって引き込まれるため、図１（ｃ）に示すように、各板状部材３３，３３が折り畳まれた状態となり、カッタ本体３１が縮径することになる。
また、縮径させたカッタ本体３１を拡径させる場合には、前記した縮径させる場合とは逆に、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａを縮退させることにより、連結部３４が後方に引き込まれるとともに、各リンク部材３７，３７によって前後方向の移動が規制された各板状部材３３，３３が外側に押し出されるため、図１（ｂ）に示すように、各板状部材３３，３３が広がった状態となり、カッタ本体３１が拡径することになる。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示すように、駆動装置２０の出力部２１の中央部に形成された貫通穴２２の前端部には、カッタ本体３１を拡径させたときに、各リンク部材３７，３７が入り込む位置に切り欠き溝２３，２３が形成されており、この切り欠き溝２３，２３によって各リンク部材３７，３７が出力部２１に係止された状態になる。
そして、各リンク部材３７，３７を出力部２１に係止させた状態で出力部２１を回転させると、各リンク部材３７，３７が出力部２１の回転に伴って回転することになり、カッタ本体３１が出力部２１と同じ軸周りに回転することになる。
【００３５】
固化材注入手段（図示せず）は、カッタ３０によって掘削され、ケーシング１０の周囲に残置される掘削土砂に固化材を注入する装置であり、外部に設置された固化材の貯留タンク（図示せず）から供給された固化材を、ケーシング１０内に内挿された固化材供給管（図示せず）を通じて、駆動装置２０の出力部２１に形成された貫通穴２２の前端開口部から排出するように構成されている。
なお、本実施形態では、掘削土砂を固化させるための固化材としてセメントミルクを用いている。
また、固化材を排出する位置は限定されるものではなく、例えば、カッタ本体３１の掘削面から排出したり、駆動装置２０の後方でケーシング１０から排出したりしてもよい。
【００３６】
排土手段（図示せず）は、カッタ３０によって掘削された掘削土砂の一部を掘削穴から外部に排土するための装置であり、駆動装置２０の出力部２１に形成された貫通穴２２の前端開口部から取り込まれた掘削土砂を、ケーシング１０内に内挿された排土管（図示せず）を通じて、掘削穴から外部に排土するように構成されている。
【００３７】
前記した構成の掘削手段１では、カッタ３０のカッタ本体３１を地盤内に挿入し、駆動装置２０によってカッタ３０を回転させて、ケーシング１０を地盤内に順次に挿入することにより、地盤内を掘進させて曲線穴を掘削することができる。また、地盤内を掘進しながら、固化材注入手段によって掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とをカッタ３０によって撹拌するとともに、排土手段によって掘削土砂の一部を排土することができる。
【００３８】
［トンネル拡幅方法］
次に、前記した掘削手段１を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法について説明する。
図２は、本実施形態のトンネル拡幅方法において、セグメントに入口穴および出口穴を形成した状態を示した図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はセグメントの内壁面を示した図である。図３は、本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は掘削手段を地盤内で掘進させている態様の正面断面図、（ｂ）は地盤内に曲線穴を掘削した後の正面断面図である。図４は、本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は曲線穴を掘削した後のセグメントの内壁面を示した図、（ｂ）は拡幅領域を掘削して取り除いた後の正面断面図である。
【００３９】
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、シールド工法によって同一断面に掘削されたトンネルＴに非常駐車帯を設けるために、トンネルＴの側部を部分的に拡幅する場合について説明する。
以下の説明において、トンネルＴが拡幅される空間を拡幅領域Ｋとして示す。なお、トンネルＴの壁面には、あらかじめ一次覆工としてセグメントＳが取り付けられている。
【００４０】
まず、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、セグメントＳにおいて拡幅領域Ｋ側の側部に、上下に所定間隔を離して入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を貫通させる。
上側の入口穴Ｓ１は、掘削手段１を挿入するための貫通穴であり、下側の出口穴Ｓ２は、地盤内に掘進させた掘削手段１をトンネルＴ内に貫入させるための貫通穴であるため、入口穴Ｓ１と出口穴Ｓ２との上下方向の間隔は、ケーシング１０を地盤内に配置したときの両端部の間隔に対応させて設定する（図３（ｂ）参照）。
また、入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２は、トンネルＴの延長方向における拡幅領域Ｋの幅に対応させて、トンネルＴの延長方向に所定間隔で並設する。
なお、入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２からの土砂や地下水の流入を防ぐため、各入口穴Ｓ１・・・および各出口穴Ｓ２・・・に蓋体Ｆを嵌め込んで塞いでいる。
【００４１】
続いて、図３（ａ）に示すように、掘削手段１をトンネルＴ内に設置し、蓋体Ｆを取り外した入口穴Ｓ１にカッタ３０を通過させて、カッタ３０を地盤内に挿入する。
このとき、トンネルＴ内には、掘削手段１を支持するための支持架台２が設置されており、ケーシング１０は、支持架台２に取り付けられたガイド部材３に案内されて、軸方向に移動可能となっている。
【００４２】
また、カッタ３０を入口穴Ｓ１に通過させるときには、図１（ｃ）に示すように、カッタ本体３１を縮径させた状態で通過させる。
このように、入口穴Ｓ１は、縮径させたカッタ本体３１が通過可能な大きさに形成されていればよく、入口穴Ｓ１の開口面積を狭くすることができるため、トンネルＴの強度低下を低減することができる。
【００４３】
カッタ３０を入口穴Ｓ１に通過させ、図３（ａ）に示すように、カッタ本体３１を拡径させた後に、駆動装置２０を起動させてカッタ３０を回転させて、ケーシング１０を地盤内に順次に挿入することにより、掘削手段１を地盤内に掘進させる。
また、掘削手段１を掘進させながら、固化材注入手段（図示せず）から掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とをカッタ３０によって撹拌するとともに、排土手段（図示せず）によって掘削土砂の一部を排土する。
【００４４】
なお、ケーシング１０は、支持架台２に設けられた油圧ジャッキ４によって押し出されることにより、地盤内に挿入されることになる。
また、入口穴Ｓ１には、パッカーＰを嵌め込むことにより、入口穴Ｓ１とケーシング１０との隙間からの土砂や地下水の流入を防ぐことができる。
【００４５】
本実施形態の掘削手段１では、図１（ａ）に示すように、カッタ３０を回転させる駆動装置２０がケーシング１０の先端部１１に取り付けられており、駆動装置２０の出力がカッタ３０に対して効果的に伝達される。さらに、駆動装置２０の出力部２１は、ケーシング１０の先端部１１に外嵌されており、出力部２１がケーシング１０の軸周りに安定して回転することになる。このように、本実施形態の掘削手段１では、カッタ３０の掘削効率を向上させることができる。
また、駆動ケーブル、固化材供給管および排土管の配管類（図示せず）は、ケーシング１０内に内挿されているため、掘削時に配管類の損傷を防ぐことができる。
さらに、カッタ本体３１の外径よりもケーシング１０の外径が小さくなっており、掘削土砂の大部分はケーシング１０の周囲に残置させることができるため、排土手段による排土量が非常に少なくなっている。
【００４６】
そして、図３（ａ）に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１によって、トンネルＴの拡幅領域Ｋの周囲に、ケーシング１０の外径よりも大きい内径の曲線穴Ａを掘削する。この曲線穴Ａ内の掘削土砂には固化材が注入されており、カッタ３０によって撹拌されているため、所定時間が経過した後に、曲線穴Ａ内の掘削土砂が固化し、ケーシング１０の周囲が地盤改良されることにより、地盤強度が高まることになる。
【００４７】
このように、拡幅領域Ｋの周囲に曲線穴Ａを掘削しながら、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率が向上している。
また、掘削手段１は、掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とを撹拌しながら掘進しているため、曲線穴Ａ内全域の掘削土砂を均一に固化させることができる。
さらに、カッタ３０は、入口穴Ｓ１を通過後にカッタ本体３１を拡径させることにより、大きな径の曲線穴Ａを掘削することができ、固化させる掘削土砂の量も増えるため、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を十分に高めることができる。
【００４８】
続いて、図３（ｂ）に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１をセグメントＳに形成した出口穴Ｓ２からトンネルＴ内に貫入させる。そして、トンネルＴ内でカッタ３０および駆動装置２０をケーシング１０から取り外して回収するとともに、駆動ケーブル、固化材供給管および排土管の配管類（図示せず）をケーシング１０の基端部側から引き抜いて回収する。このとき、カッタ３０および駆動装置２０をトンネルＴ内で取り外すことができるため、取り外し作業を容易に行うことができる。
【００４９】
このように、ケーシング１０からカッタ３０、駆動装置２０および配管類を回収し、地盤内にケーシング１０を残すことにより、ケーシング１０を曲線穴Ａの芯材として利用することができ、拡幅領域Ｋの周囲を補強することができる。
【００５０】
なお、カッタ３０を出口穴Ｓ２に通過させるときには、カッタ本体３１を縮径させた状態で通過させる（図１（ｂ）参照）。すなわち、入口穴Ｓ１と同様に、出口穴Ｓ２もカッタ本体３１を縮径させた状態のカッタ３０が通過可能な大きさに形成されていればよく、出口穴Ｓ２の開口面積を狭くすることができるため、トンネルＴの強度低下を低減することができる。
また、出口穴Ｓ２には、入口穴Ｓ１と同様に、パッカーＰを嵌め込むことにより、出口穴Ｓ２とケーシング１０との隙間からの土砂や地下水の流入を防ぐことができる。
【００５１】
そして、前記した曲線穴Ａの掘削と同様にして、図４（ａ）に示すように、各入口穴Ｓ１および各出口穴Ｓ２を利用して、曲線穴Ａを順次に掘削し、拡幅領域Ｋ（図３（ｂ）参照）の周囲の地盤強度を高める。
なお、順次に掘削する曲線穴Ａは、隣り合う曲線穴Ａが重複するように掘削することにより、拡幅領域Ｋを囲む壁状の地盤改良体が形成されることになる。
【００５２】
その後、図４（ｂ）に示すように、拡幅領域Ｋに対応する部位のセグメントＳを取り外し、トンネルＴ内から拡幅領域Ｋの地盤を掘削して取り除く。
このとき、曲線穴Ａ内全域の掘削土砂を均一に固化させて、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を高めているため、地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
【００５３】
最後に、セグメントＳの内壁面および拡幅領域Ｋの内壁面に二次覆工としてコンクリートＣを打設して、トンネルＴの拡幅を完了する。
【００５４】
前記した構成のトンネル拡幅方法では、トンネルＴの掘削時に拡幅領域Ｋも同時に掘削することができる特殊な構造のシールドマシンを用いることなく、一般的な地盤掘削装置に用いられているカッタ３０、駆動装置２０、固化材注入手段および排土手段を利用してトンネルＴを拡幅することができ、さらに、地盤を凍結させる従来の方法のように冷却装置を用いる必要もないため、施工コストを低減することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。図５は、他の実施形態におけるトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態の正面断面図、（ｂ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態のセグメントの内壁面を示した図である。
【００５６】
例えば、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、掘削手段１（図３（ａ）参照）のケーシング１０を曲線穴Ａの芯材として利用しているが、図５に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１をトンネルＴ内に貫入させることなく、曲線穴Ａを地盤内に掘削した後に、掘削手段１全体を入口穴Ｓ１から引き抜いて回収し、曲線穴Ａ内にはＨ形鋼の芯材Ｈを挿入するように構成してもよい。
【００５７】
この構成では、ケーシング１０（図３（ｂ）参照）よりも太い芯材を曲線穴Ａに挿入することができるため、拡幅領域Ｋの周囲を確実に補強することができる。
また、セグメントＳに出口穴を形成する必要がなくなるため、トンネルＴの強度低下を低減することができるとともに、掘削手段１（図１（ａ）参照）を出口穴に向けて精度良く掘進させる必要がなくなるため、施工管理を容易に行うことができる。
【００５８】
また、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、並設された入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を利用して、順次に曲線穴Ａを掘削しているが、複数の掘削手段１（図１（ａ）参照）をトンネルＴの延長方向に並設し、同時に複数の曲線穴Ａを掘削するように構成してもよい。この構成では、掘削手段１をトンネルＴ内で移設する必要がなくなるため、施工効率を向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、セグメントＳに入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を貫通させているが、セグメントＳにおいて入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２に対応する部位を、掘削手段１のカッタ３０（図３（ａ）参照）によって掘削可能な材質や厚みで形成し、掘削手段１によって入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２に対応する部位を削孔するように構成してもよい。この構成では、あらかじめセグメントＳに貫通穴を形成する必要がなくなるため、トンネルＴの強度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段を示した図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はカッタを拡径した状態の側断面図、（ｃ）はカッタを縮径した状態の側断面図である。
【図２】本実施形態のトンネル拡幅方法において、セグメントに入口穴および出口穴を形成した状態を示した図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はセグメントの内壁面を示した図である。
【図３】本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は掘削手段を地盤内で掘進させている態様の正面断面図、（ｂ）は地盤内に曲線穴を掘削した後の正面断面図である。
【図４】本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は曲線穴を掘削した後のセグメントの内壁面を示した図、（ｂ）は拡幅領域を掘削して取り除いた後の正面断面図である。
【図５】他の実施形態におけるトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態の正面断面図、（ｂ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態のセグメントの内壁面を示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 掘削手段
１０ ケーシング
２０ 駆動装置
２１ 出力部
３０ カッタ
３１ カッタ本体
Ａ 曲線穴
Ｋ 拡幅領域
Ｔ トンネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルを拡幅するためのトンネル拡幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法によって同一断面に掘削されたトンネルに非常駐車帯を設けるために、トンネルの側部を部分的に拡幅する方法としては、円弧状の凍結管の先端部にカッタを取り付けて掘削手段を構成し、この掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に掘進させて、トンネルの拡幅領域の周囲に凍結管を配置し、凍結管内に冷媒を供給して、凍結管周辺の地盤を凍結させた後に、トンネル内から拡幅領域の地盤を掘削して取り除くことにより、トンネルを部分的に拡幅するトンネル拡幅方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このトンネル拡幅方法では、凍結管周辺の地盤を凍結させることにより、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を防ぐことができる。
【特許文献１】特開２００５−０３０１４７号公報（段落０００３、図８（ｂ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記した従来のトンネル拡幅方法では、掘削手段を掘進させて拡幅領域の周囲に凍結管を配置した後に、凍結管内に冷媒を循環させて地盤を凍結させているため、施工期間が長くなってしまうという問題がある。
また、凍結管内に冷媒を循環させるための冷却装置が必要になるため、施工コストが高くなってしまうという問題がある。
さらに、凍結管内の冷媒を均一な温度に保つことが困難であるため、拡幅領域の周囲の地盤強度を均一に高めることができないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、拡幅領域の周囲の掘削と、拡幅領域の周囲の補強とを同時に行うことにより、施工効率を向上させることができ、さらに、施工コストを低減することができるとともに、地盤の崩落を確実に防ぐことができるトンネル拡幅方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、一定の曲率で湾曲している掘削軸と、掘削軸の先端部に取り付けられている駆動装置と、駆動装置によって回転するカッタと、掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段とを備えている掘削手段を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法であって、カッタをトンネルの壁面から地盤内に挿入し、カッタを回転させて、掘削軸を地盤内に順次に挿入することにより、固化材注入手段によって注入された固化材と掘削土砂とをカッタによって撹拌しながら、掘削手段を地盤内に掘進させる段階と、地盤内に掘進させた掘削手段によって、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させた後に、トンネル内から拡幅領域の地盤を掘削して取り除く段階とから構成されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に掘進させ、掘削土砂と固化材とを撹拌しながら、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削しながら、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率を向上させることができる。
【０００８】
また、トンネルの掘削時に拡幅領域も同時に掘削することができる特殊な構造のシールドマシンを用いることなく、一般的な地盤掘削装置に用いられているカッタ、駆動装置および固化材注入手段を利用してトンネルを拡幅することができ、さらに、地盤を凍結させる従来の方法のように、冷却装置を用いる必要もないため、施工コストを低減することができる。
【０００９】
また、掘削手段は、曲線穴内の掘削土砂に固化材を注入しながら掘進しており、曲線穴内全域を均一に固化させて、拡幅領域の周囲の地盤強度を均一に高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
【００１０】
また、カッタを回転させる駆動装置が掘削軸の先端部に取り付けられており、駆動装置の出力がカッタに対して効果的に伝達されるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
【００１１】
前記したトンネル拡幅方法において、駆動装置の出力部は、掘削軸に外嵌されており、出力部が掘削軸周りに回転するように構成することができる。
【００１２】
このように、駆動装置の出力部を掘削軸周りに回転させることにより、出力部が安定して回転することになるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
なお、出力部が掘削軸周りに回転する外周駆動型の駆動装置としては、例えば、ラジアルピストンモータやアキシャルピストンモータ等の油圧モータを用いることができる。
【００１３】
前記したトンネル拡幅方法において、掘削軸は中空管であり、掘削軸内には、駆動装置を駆動させるための駆動ケーブルおよび固化材注入手段に固化材を供給するための固化材供給管が内挿されているように構成することができる。
【００１４】
このように、掘削軸内に駆動ケーブルや固化材供給管を内挿することにより、駆動ケーブルや固化材供給管を容易に配管することができるとともに、掘削時に駆動ケーブルや固化材供給管の損傷を防ぐことができる。
また、駆動ケーブルや固化材供給管の他に、掘削土砂の一部を排土するための排土管を掘削軸内に内挿してもよい。
【００１５】
前記したトンネル拡幅方法において、カッタは、拡径および縮径自在に構成することができる。
【００１６】
ここで、掘削手段をトンネルの壁面から地盤内に挿入するときに、壁面にセグメントが取り付けられている場合には、セグメントに形成した貫通穴から掘削手段を地盤内に挿入することになる。このとき、トンネルの強度を考慮すると、貫通穴の開口面積を狭く形成することが望ましいが、貫通穴の開口面積に伴って掘削手段のカッタも小型化する必要があり、曲線穴の径が小さくなってしまうため、固化させる掘削土砂が少なくなり、掘削領域の周囲の地盤強度を十分に高めることができなくなってしまう。
【００１７】
そこで、カッタを拡径および縮径自在に構成することにより、セグメントの貫通穴を通過するときにはカッタを縮径させ、貫通穴の通過後にカッタを拡径して曲線穴を掘削することができるため、貫通穴によるトンネルの強度低下を低減することができるとともに、大きな径の曲線穴を掘削して、その曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、掘削領域の周囲の地盤強度を十分に高めることができる。
【００１８】
前記したトンネル拡幅方法において、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させ、トンネル内で掘削手段からカッタ、駆動装置および固化材注入手段を取り外し、曲線穴内に掘削軸を残置させるように構成することができる。
【００１９】
このように、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させることにより、トンネル内でカッタ、駆動装置および固化注入手段を掘削軸から容易に取り外して回収することができる。
そして、カッタ、駆動装置および固化注入手段を取り外した掘削軸は、芯材として曲線穴内に残すことにより、拡幅領域の周囲を補強することができる。
【００２０】
前記したトンネル拡幅方法において、曲線穴を掘削した後に、掘削手段を曲線穴内からトンネル内に回収し、曲線穴内には芯材を挿入するように構成することができる。
【００２１】
このように、曲線穴を掘削した後に、掘削手段を曲線穴内からトンネル内に回収し、曲線穴内には芯材を挿入することにより、掘削軸よりも太い芯材を曲線穴に挿入することができるため、拡幅領域の周囲を確実に補強することができる。
【００２２】
また、曲線穴の掘削後に、掘削軸からカッタや駆動装置を取り外して、掘削軸を曲線穴内に残す必要がなくなるため、地盤内に掘進させた掘削手段をトンネル内に貫入させる必要がなくなる。これにより、掘削手段をトンネル内に貫入させるための貫通穴をトンネルのセグメントに形成する必要がなくなるため、トンネルの強度低下を低減することができる。また、掘削手段をセグメントの貫通穴に向かって精度良く掘進させる必要がなくなるため、施工管理を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のトンネル拡幅方法によれば、掘削土砂に固化材を注入しながら、トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、曲線穴内の掘削土砂を固化させることにより、拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削しながら、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率を向上させることができる。
また、一般的な地盤掘削装置に用いられている各種装置を利用することができるため、施工コストを低減することができる。
さらに、掘削土砂に固化材を注入しながら掘進しており、曲線穴内全域を均一に固化させて、拡幅領域の周囲の地盤強度を高めることができるため、拡幅領域を掘削したときの地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
また、駆動装置の出力がカッタに対して効果的に伝達されるため、カッタの掘削効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段について説明した後に、その掘削手段を用いたトンネル拡幅方法について説明する。
なお、以下の説明において、「前後方向」とは掘削手段の掘進方向に対応している。
【００２５】
［掘削手段の構成］
図１は、本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段を示した図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はカッタを拡径した状態の側断面図、（ｃ）はカッタを縮径した状態の側断面図である。
掘削手段１は、図１（ａ）に示すように、一定の曲率で湾曲しているケーシング１０（特許請求の範囲における「掘削軸」）と、ケーシング１０の先端部１１に取り付けられている駆動装置２０と、駆動装置２０によって回転するカッタ３０と、掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段（図示せず）と、掘削土砂の一部を排土する排土手段（図示せず）とを備えている。
【００２６】
ケーシング１０は、一定の曲率で補強対象のトンネルの軸線と平行な水平軸周りに湾曲している中空管であり、その基端部を継ぎ足すことにより、順次に延長することができるように構成されている。なお、ケーシング１０の先端部１１には、駆動装置２０の取付部が直線状に形成されている。
【００２７】
駆動装置２０は、図１（ｂ）に示すように、出力部２１の中央部に形成された貫通穴２２内にケーシング１０の先端部１１が内挿されることにより、出力部２１がケーシング１０に外嵌されており、出力部２１がケーシング１０の先端部１１の軸周りに回転するように構成された外周駆動型のモータである。この駆動装置２０としては、ラジアルピストンモータやアキシャルピストンモータ等の油圧モータを用いることができる。
【００２８】
また、駆動装置２０を駆動させるための駆動油を供給および排出する駆動ケーブル（図示せず）は、ケーシング１０内に内挿されており、駆動装置２０に接続された駆動ケーブルはケーシング１０内を通過して、外部の油圧ポンプ（図示せず）に接続されている。
【００２９】
カッタ３０は、図１（ｂ）に示すように、駆動装置２０の前方に配置されたカッタ本体３１が、駆動装置２０の出力部２１の回転に伴って、出力部２１と同じ軸周りに回転することにより、カッタ本体３１の前面に設けられた掘削面の各ビット３２・・・によって、地盤を掘削するように構成されている。
【００３０】
カッタ本体３１は、２枚の板状部材３３，３３から構成されており、各板状部材３３，３３は長手方向がカッタ３０の幅方向に配置されている。また、各板状部材３３，３３の内端部が出力部２１の中心軸線上で連結されており、各板状部材３３，３３は外端部が内端部よりも後方に配置されるように傾斜している。
【００３１】
さらに、各板状部材３３，３３は、連結部３４において回動自在に連結されており、図１（ｂ）の状態から連結部３４を中心として折り畳むことにより、カッタ本体３１を図１（ｃ）の状態に縮径することができる。当然に、図１（ｃ）の状態から連結部３４を中心として各板状部材３３，３３を広げることにより、カッタ本体３１を図１（ｂ）の状態に拡径することもできる。
そして、カッタ本体３１を拡径した場合には、駆動装置２０の外径よりも大きくなり、カッタ本体３１を縮径した場合には、駆動装置２０の外径と略同じ大きさとなる。
【００３２】
ここで、カッタ本体３１を拡径および縮径させる構成について説明する。
カッタ３０は、図１（ｂ）に示すように、カッタ本体３１の後方でケーシング１０の先端部１１内に内挿されているシリンダ３５を備えている。
このシリンダ３５は、伸縮ロッド３５ａが出力部２１の中心軸線上で、本体部３５ｂに対して前後方向に移動するように構成されており、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａの先端部は、各板状部材３３，３３の連結部３４に接続されている。
また、シリンダ３５は、本体部３５ｂの外周面と、ケーシング１０の先端部１１の内周面との間に介設されたベアリング３６によって、出力部２１と同じ軸周りに回転するように構成されている。
さらに、シリンダ３５の本体部３５ｂの外周面には、棒状部材である２本のリンク部材３７，３７の一端が回動自在に取り付けられており、各リンク部材３７，３７の他端は、各板状部材３３，３３の後面において長手方向の略中央部に回動自在に取り付けられている。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、カッタ本体３１を拡径させた状態で、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａを伸長させた場合には、連結部３４は前方に押し出されることになるが、各板状部材３３，３３の長手方向の略中央部は、各リンク部材３７，３７によって前後方向の移動が規制されており、中心軸線に向かって引き込まれるため、図１（ｃ）に示すように、各板状部材３３，３３が折り畳まれた状態となり、カッタ本体３１が縮径することになる。
また、縮径させたカッタ本体３１を拡径させる場合には、前記した縮径させる場合とは逆に、シリンダ３５の伸縮ロッド３５ａを縮退させることにより、連結部３４が後方に引き込まれるとともに、各リンク部材３７，３７によって前後方向の移動が規制された各板状部材３３，３３が外側に押し出されるため、図１（ｂ）に示すように、各板状部材３３，３３が広がった状態となり、カッタ本体３１が拡径することになる。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示すように、駆動装置２０の出力部２１の中央部に形成された貫通穴２２の前端部には、カッタ本体３１を拡径させたときに、各リンク部材３７，３７が入り込む位置に切り欠き溝２３，２３が形成されており、この切り欠き溝２３，２３によって各リンク部材３７，３７が出力部２１に係止された状態になる。
そして、各リンク部材３７，３７を出力部２１に係止させた状態で出力部２１を回転させると、各リンク部材３７，３７が出力部２１の回転に伴って回転することになり、カッタ本体３１が出力部２１と同じ軸周りに回転することになる。
【００３５】
固化材注入手段（図示せず）は、カッタ３０によって掘削され、ケーシング１０の周囲に残置される掘削土砂に固化材を注入する装置であり、外部に設置された固化材の貯留タンク（図示せず）から供給された固化材を、ケーシング１０内に内挿された固化材供給管（図示せず）を通じて、駆動装置２０の出力部２１に形成された貫通穴２２の前端開口部から排出するように構成されている。
なお、本実施形態では、掘削土砂を固化させるための固化材としてセメントミルクを用いている。
また、固化材を排出する位置は限定されるものではなく、例えば、カッタ本体３１の掘削面から排出したり、駆動装置２０の後方でケーシング１０から排出したりしてもよい。
【００３６】
排土手段（図示せず）は、カッタ３０によって掘削された掘削土砂の一部を掘削穴から外部に排土するための装置であり、駆動装置２０の出力部２１に形成された貫通穴２２の前端開口部から取り込まれた掘削土砂を、ケーシング１０内に内挿された排土管（図示せず）を通じて、掘削穴から外部に排土するように構成されている。
【００３７】
前記した構成の掘削手段１では、カッタ３０のカッタ本体３１を地盤内に挿入し、駆動装置２０によってカッタ３０を回転させて、ケーシング１０を地盤内に順次に挿入することにより、地盤内を掘進させて曲線穴を掘削することができる。また、地盤内を掘進しながら、固化材注入手段によって掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とをカッタ３０によって撹拌するとともに、排土手段によって掘削土砂の一部を排土することができる。
【００３８】
［トンネル拡幅方法］
次に、前記した掘削手段１を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法について説明する。
図２は、本実施形態のトンネル拡幅方法において、セグメントに入口穴および出口穴を形成した状態を示した図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はセグメントの内壁面を示した図である。図３は、本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は掘削手段を地盤内で掘進させている態様の正面断面図、（ｂ）は地盤内に曲線穴を掘削した後の正面断面図である。図４は、本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は曲線穴を掘削した後のセグメントの内壁面を示した図、（ｂ）は拡幅領域を掘削して取り除いた後の正面断面図である。
【００３９】
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、シールド工法によって同一断面に掘削されたトンネルＴに非常駐車帯を設けるために、トンネルＴの側部を部分的に拡幅する場合について説明する。
以下の説明において、トンネルＴが拡幅される空間を拡幅領域Ｋとして示す。なお、トンネルＴの壁面には、あらかじめ一次覆工としてセグメントＳが取り付けられている。
【００４０】
まず、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、セグメントＳにおいて拡幅領域Ｋ側の側部に、上下に所定間隔を離して入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を貫通させる。
上側の入口穴Ｓ１は、掘削手段１を挿入するための貫通穴であり、下側の出口穴Ｓ２は、地盤内に掘進させた掘削手段１をトンネルＴ内に貫入させるための貫通穴であるため、入口穴Ｓ１と出口穴Ｓ２との上下方向の間隔は、ケーシング１０を地盤内に配置したときの両端部の間隔に対応させて設定する（図３（ｂ）参照）。
また、入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２は、トンネルＴの延長方向における拡幅領域Ｋの幅に対応させて、トンネルＴの延長方向に所定間隔で並設する。
なお、入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２からの土砂や地下水の流入を防ぐため、各入口穴Ｓ１・・・および各出口穴Ｓ２・・・に蓋体Ｆを嵌め込んで塞いでいる。
【００４１】
続いて、図３（ａ）に示すように、掘削手段１をトンネルＴ内に設置し、蓋体Ｆを取り外した入口穴Ｓ１にカッタ３０を通過させて、カッタ３０を地盤内に挿入する。
このとき、トンネルＴ内には、掘削手段１を支持するための支持架台２が設置されており、ケーシング１０は、支持架台２に取り付けられたガイド部材３に案内されて、軸方向に移動可能となっている。
【００４２】
また、カッタ３０を入口穴Ｓ１に通過させるときには、図１（ｃ）に示すように、カッタ本体３１を縮径させた状態で通過させる。
このように、入口穴Ｓ１は、縮径させたカッタ本体３１が通過可能な大きさに形成されていればよく、入口穴Ｓ１の開口面積を狭くすることができるため、トンネルＴの強度低下を低減することができる。
【００４３】
カッタ３０を入口穴Ｓ１に通過させ、図３（ａ）に示すように、カッタ本体３１を拡径させた後に、駆動装置２０を起動させてカッタ３０を回転させて、ケーシング１０を地盤内に順次に挿入することにより、掘削手段１を地盤内に掘進させる。
また、掘削手段１を掘進させながら、固化材注入手段（図示せず）から掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とをカッタ３０によって撹拌するとともに、排土手段（図示せず）によって掘削土砂の一部を排土する。
【００４４】
なお、ケーシング１０は、支持架台２に設けられた油圧ジャッキ４によって押し出されることにより、地盤内に挿入されることになる。
また、入口穴Ｓ１には、パッカーＰを嵌め込むことにより、入口穴Ｓ１とケーシング１０との隙間からの土砂や地下水の流入を防ぐことができる。
【００４５】
本実施形態の掘削手段１では、図１（ａ）に示すように、カッタ３０を回転させる駆動装置２０がケーシング１０の先端部１１に取り付けられており、駆動装置２０の出力がカッタ３０に対して効果的に伝達される。さらに、駆動装置２０の出力部２１は、ケーシング１０の先端部１１に外嵌されており、出力部２１がケーシング１０の軸周りに安定して回転することになる。このように、本実施形態の掘削手段１では、カッタ３０の掘削効率を向上させることができる。
また、駆動ケーブル、固化材供給管および排土管の配管類（図示せず）は、ケーシング１０内に内挿されているため、掘削時に配管類の損傷を防ぐことができる。
さらに、カッタ本体３１の外径よりもケーシング１０の外径が小さくなっており、掘削土砂の大部分はケーシング１０の周囲に残置させることができるため、排土手段による排土量が非常に少なくなっている。
【００４６】
そして、図３（ａ）に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１によって、トンネルＴの拡幅領域Ｋの周囲に、ケーシング１０の外径よりも大きい内径の曲線穴Ａを掘削する。この曲線穴Ａ内の掘削土砂には固化材が注入されており、カッタ３０によって撹拌されているため、所定時間が経過した後に、曲線穴Ａ内の掘削土砂が固化し、ケーシング１０の周囲が地盤改良されることにより、地盤強度が高まることになる。
【００４７】
このように、拡幅領域Ｋの周囲に曲線穴Ａを掘削しながら、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を高めることができるため、施工効率が向上している。
また、掘削手段１は、掘削土砂に固化材を注入し、掘削土砂と固化材とを撹拌しながら掘進しているため、曲線穴Ａ内全域の掘削土砂を均一に固化させることができる。
さらに、カッタ３０は、入口穴Ｓ１を通過後にカッタ本体３１を拡径させることにより、大きな径の曲線穴Ａを掘削することができ、固化させる掘削土砂の量も増えるため、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を十分に高めることができる。
【００４８】
続いて、図３（ｂ）に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１をセグメントＳに形成した出口穴Ｓ２からトンネルＴ内に貫入させる。そして、トンネルＴ内でカッタ３０および駆動装置２０をケーシング１０から取り外して回収するとともに、駆動ケーブル、固化材供給管および排土管の配管類（図示せず）をケーシング１０の基端部側から引き抜いて回収する。このとき、カッタ３０および駆動装置２０をトンネルＴ内で取り外すことができるため、取り外し作業を容易に行うことができる。
【００４９】
このように、ケーシング１０からカッタ３０、駆動装置２０および配管類を回収し、地盤内にケーシング１０を残すことにより、ケーシング１０を曲線穴Ａの芯材として利用することができ、拡幅領域Ｋの周囲を補強することができる。
【００５０】
なお、カッタ３０を出口穴Ｓ２に通過させるときには、カッタ本体３１を縮径させた状態で通過させる（図１（ｂ）参照）。すなわち、入口穴Ｓ１と同様に、出口穴Ｓ２もカッタ本体３１を縮径させた状態のカッタ３０が通過可能な大きさに形成されていればよく、出口穴Ｓ２の開口面積を狭くすることができるため、トンネルＴの強度低下を低減することができる。
また、出口穴Ｓ２には、入口穴Ｓ１と同様に、パッカーＰを嵌め込むことにより、出口穴Ｓ２とケーシング１０との隙間からの土砂や地下水の流入を防ぐことができる。
【００５１】
そして、前記した曲線穴Ａの掘削と同様にして、図４（ａ）に示すように、各入口穴Ｓ１および各出口穴Ｓ２を利用して、曲線穴Ａを順次に掘削し、拡幅領域Ｋ（図３（ｂ）参照）の周囲の地盤強度を高める。
なお、順次に掘削する曲線穴Ａは、隣り合う曲線穴Ａが重複するように掘削することにより、拡幅領域Ｋを囲む壁状の地盤改良体が形成されることになる。
【００５２】
その後、図４（ｂ）に示すように、拡幅領域Ｋに対応する部位のセグメントＳを取り外し、トンネルＴ内から拡幅領域Ｋの地盤を掘削して取り除く。
このとき、曲線穴Ａ内全域の掘削土砂を均一に固化させて、拡幅領域Ｋの周囲の地盤強度を高めているため、地盤の崩落を確実に防ぐことができる。
【００５３】
最後に、セグメントＳの内壁面および拡幅領域Ｋの内壁面に二次覆工としてコンクリートＣを打設して、トンネルＴの拡幅を完了する。
【００５４】
前記した構成のトンネル拡幅方法では、トンネルＴの掘削時に拡幅領域Ｋも同時に掘削することができる特殊な構造のシールドマシンを用いることなく、一般的な地盤掘削装置に用いられているカッタ３０、駆動装置２０、固化材注入手段および排土手段を利用してトンネルＴを拡幅することができ、さらに、地盤を凍結させる従来の方法のように冷却装置を用いる必要もないため、施工コストを低減することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。図５は、他の実施形態におけるトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態の正面断面図、（ｂ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態のセグメントの内壁面を示した図である。
【００５６】
例えば、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、掘削手段１（図３（ａ）参照）のケーシング１０を曲線穴Ａの芯材として利用しているが、図５に示すように、地盤内に掘進させた掘削手段１をトンネルＴ内に貫入させることなく、曲線穴Ａを地盤内に掘削した後に、掘削手段１全体を入口穴Ｓ１から引き抜いて回収し、曲線穴Ａ内にはＨ形鋼の芯材Ｈを挿入するように構成してもよい。
【００５７】
この構成では、ケーシング１０（図３（ｂ）参照）よりも太い芯材を曲線穴Ａに挿入することができるため、拡幅領域Ｋの周囲を確実に補強することができる。
また、セグメントＳに出口穴を形成する必要がなくなるため、トンネルＴの強度低下を低減することができるとともに、掘削手段１（図１（ａ）参照）を出口穴に向けて精度良く掘進させる必要がなくなるため、施工管理を容易に行うことができる。
【００５８】
また、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、並設された入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を利用して、順次に曲線穴Ａを掘削しているが、複数の掘削手段１（図１（ａ）参照）をトンネルＴの延長方向に並設し、同時に複数の曲線穴Ａを掘削するように構成してもよい。この構成では、掘削手段１をトンネルＴ内で移設する必要がなくなるため、施工効率を向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、セグメントＳに入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２を貫通させているが、セグメントＳにおいて入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２に対応する部位を、掘削手段１のカッタ３０（図３（ａ）参照）によって掘削可能な材質や厚みで形成し、掘削手段１によって入口穴Ｓ１および出口穴Ｓ２に対応する部位を削孔するように構成してもよい。この構成では、あらかじめセグメントＳに貫通穴を形成する必要がなくなるため、トンネルＴの強度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態のトンネル拡幅方法に用いられる掘削手段を示した図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はカッタを拡径した状態の側断面図、（ｃ）はカッタを縮径した状態の側断面図である。
【図２】本実施形態のトンネル拡幅方法において、セグメントに入口穴および出口穴を形成した状態を示した図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はセグメントの内壁面を示した図である。
【図３】本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は掘削手段を地盤内で掘進させている態様の正面断面図、（ｂ）は地盤内に曲線穴を掘削した後の正面断面図である。
【図４】本実施形態のトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）は曲線穴を掘削した後のセグメントの内壁面を示した図、（ｂ）は拡幅領域を掘削して取り除いた後の正面断面図である。
【図５】他の実施形態におけるトンネル拡幅方法を示した図で、（ａ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態の正面断面図、（ｂ）はＨ形鋼の芯材を曲線穴に挿入した状態のセグメントの内壁面を示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 掘削手段
１０ ケーシング
２０ 駆動装置
２１ 出力部
３０ カッタ
３１ カッタ本体
Ａ 曲線穴
Ｋ 拡幅領域
Ｔ トンネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の曲率で湾曲している掘削軸と、
前記掘削軸の先端部に取り付けられている駆動装置と、
前記駆動装置によって回転するカッタと、
掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段と、を備えている掘削手段を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法であって、
前記カッタを前記トンネルの壁面から地盤内に挿入し、前記カッタを回転させて、前記掘削軸を地盤内に順次に挿入することにより、前記固化材注入手段によって注入された前記固化材と掘削土砂とを前記カッタによって撹拌しながら、前記掘削手段を地盤内に掘進させる段階と、
地盤内に掘進させた前記掘削手段によって、前記トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、前記曲線穴内の掘削土砂を固化させた後に、前記トンネル内から前記拡幅領域の地盤を掘削して取り除く段階と、から構成されていることを特徴とするトンネル拡幅方法。
【請求項２】
前記駆動装置の出力部は、前記掘削軸に外嵌されており、前記出力部が前記掘削軸周りに回転するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項３】
前記掘削軸は中空管であり、
前記掘削軸内には、前記駆動装置を駆動させるための駆動ケーブルおよび前記固化材注入手段に固化材を供給するための固化材供給管が内挿されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項４】
前記カッタは、拡径および縮径自在であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項５】
地盤内に掘進させた前記掘削手段を前記トンネル内に貫入させ、前記トンネル内で前記掘削手段から前記カッタ、前記駆動装置および前記固化材注入手段を取り外し、前記曲線穴内に前記掘削軸を残置させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項６】
前記曲線穴を掘削した後に、前記掘削手段を前記曲線穴内から前記トンネル内に回収し、前記曲線穴内には芯材を挿入することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項１】
一定の曲率で湾曲している掘削軸と、
前記掘削軸の先端部に取り付けられている駆動装置と、
前記駆動装置によって回転するカッタと、
掘削土砂に固化材を注入する固化材注入手段と、を備えている掘削手段を用いてトンネルを拡幅するトンネル拡幅方法であって、
前記カッタを前記トンネルの壁面から地盤内に挿入し、前記カッタを回転させて、前記掘削軸を地盤内に順次に挿入することにより、前記固化材注入手段によって注入された前記固化材と掘削土砂とを前記カッタによって撹拌しながら、前記掘削手段を地盤内に掘進させる段階と、
地盤内に掘進させた前記掘削手段によって、前記トンネルの拡幅領域の周囲に曲線穴を掘削して、前記曲線穴内の掘削土砂を固化させた後に、前記トンネル内から前記拡幅領域の地盤を掘削して取り除く段階と、から構成されていることを特徴とするトンネル拡幅方法。
【請求項２】
前記駆動装置の出力部は、前記掘削軸に外嵌されており、前記出力部が前記掘削軸周りに回転するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項３】
前記掘削軸は中空管であり、
前記掘削軸内には、前記駆動装置を駆動させるための駆動ケーブルおよび前記固化材注入手段に固化材を供給するための固化材供給管が内挿されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項４】
前記カッタは、拡径および縮径自在であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項５】
地盤内に掘進させた前記掘削手段を前記トンネル内に貫入させ、前記トンネル内で前記掘削手段から前記カッタ、前記駆動装置および前記固化材注入手段を取り外し、前記曲線穴内に前記掘削軸を残置させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【請求項６】
前記曲線穴を掘削した後に、前記掘削手段を前記曲線穴内から前記トンネル内に回収し、前記曲線穴内には芯材を挿入することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル拡幅方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２５６０（Ｐ２００７−２５６０Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８４８２７（Ｐ２００５−１８４８２７）
【出願日】平成１７年６月２４日（２００５．６．２４）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２４日（２００５．６．２４）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
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