トンネル掘削機およびトンネル掘削方法
【課題】軟弱地盤のトンネルにおいて地表面沈下の発生をなくすことができ、しかも簡単な構造とすることで掘削機のコストの低減を図ることができる。
【解決手段】トンネル掘削機１は、筒状をなす外殻スキンプレート３内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機１０を備え、小断面掘削機１０には、小断面スキンプレート１１と、その小断面スキンプレート１１の切羽側に開口部１３ａを有する面板１３と、開口部１３ａを開閉するための開閉ゲート１４とを有している。小断面掘削機１０の開閉ゲート１４を開いて開口部１３ａを開放し、小断面掘削機１０の小断面スキンプレート１１を前進させるとともに、開口部１３ａより切羽の地山を小断面掘削機１０内に取り込みながら推進させ、複数台すべての小断面掘削機１０の推進を行った後に、外殻スキンプレート３を前進させて掘進するようにした。
【解決手段】トンネル掘削機１は、筒状をなす外殻スキンプレート３内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機１０を備え、小断面掘削機１０には、小断面スキンプレート１１と、その小断面スキンプレート１１の切羽側に開口部１３ａを有する面板１３と、開口部１３ａを開閉するための開閉ゲート１４とを有している。小断面掘削機１０の開閉ゲート１４を開いて開口部１３ａを開放し、小断面掘削機１０の小断面スキンプレート１１を前進させるとともに、開口部１３ａより切羽の地山を小断面掘削機１０内に取り込みながら推進させ、複数台すべての小断面掘削機１０の推進を行った後に、外殻スキンプレート３を前進させて掘進するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった主に矩形断面などのトンネルを掘削するためのトンネル掘削機およびこれを用いたトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市域などで軟弱なシルト層、粘土層、流動性の高い土砂層などの軟弱地盤に採用されるシールド工法として、切羽前面の一部に開口部を設け、その開口部から土砂をトコロテンのように出す構造のブラインド式のシールド掘削機を用いたブラインドシールド工法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このようなブラインドシールド工法では、シールド掘削機の切羽前面に設けられる開口部を大きくすると、土砂の取込み量が増大し、地表面の陥没や沈下を起すおそれがあることから、大断面トンネルの適用が難しく、近年では採用されていない現状がある。
【０００３】
ところで、軟弱地盤で深度の浅いトンネル条件が多い都市域に設けられる道路や共同溝などのトンネルでは、その用途から必要な断面形状を矩形断面とすることが合理的且つ経済的であるとされ、近年では矩形断面シールド掘削機が使用されている。矩形断面シールド掘削機では、円形断面のシールド掘削機によって掘削する場合のように必要以上の断面を掘削することがないことから、上記のような都市トンネルを築造する場合に適用するものとして好適とされている（例えば、特許文献３、４参照）。
【０００４】
特許文献３には、掘削する矩形断面の外周部全周にわたって複数の推進機を連結配置し、これら推進機を同時に推進させると共にそれぞれの推進機の後方に函体を設置して矩形断面の外殻を形成し、その後に外殻の内部を掘削して矩形断面のトンネルを構築するトンネル推進機について記載されている。そして、１台の推進機は、正面視で略正方形をなし、その先端部に回転駆動されるカッタが備えられている。
また、特許文献４は、掘削される矩形断面の全面にわたって正面視で略正方形をなす複数台のシールド掘進機を上下方向及び横方向に配置させ、これら複数のシールド掘進機を同時に掘進させて矩形断面を一度に掘削することが可能な密閉型のシールド機について開示したものである。
【特許文献１】特開昭５０−１４１８２８号公報
【特許文献２】特開昭５４−７１８２７号公報
【特許文献３】特開２００５−２４８５４６号公報
【特許文献４】特開２００１−１９３３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３、４で開示されている複数台のシールド掘進機を備えた矩形断面の掘削機には、軟弱地盤や深度の浅いトンネルを掘削する場合において地表面の沈下を防ぐことができる密閉型のシールド掘進機が使用されているが、この密閉型のシールド掘進機は、周知のとおり切羽の地山の土水圧を推進力と排土量などで管理しながら掘進する必要があり、シールド掘進機の構造が複雑になるうえ、複数台が必要であることからコストが増大するといった問題があった。
また、矩形断面を掘削するための複数台のシールド掘進機は、それぞれ略正方形状の断面を掘削することになるため、カッタの回転により掘削可能な円形断面形状より外側の部分（つまり、カッタの回転のみで掘削できない矩形断面の四隅の部分）を掘削する必要があった。そのため、例えばカッタスポークやコピーカッタなどを四隅部の位置で伸縮させるといった特殊な機構が用いられることになり、カッタの構造やその制御方法が複雑となることから、コストが増大するといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、軟弱地盤のトンネルにおいて地表面沈下の発生をなくすことができ、しかも簡単な構造とすることで掘削機のコストの低減を図ることができるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル掘削機では、筒状をなす外殻体と、外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機とを備え、 小断面掘削機は、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、開口部を開閉するための蓋部材とを有することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、筒状をなす外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機を備え、小断面掘削機には、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、開口部を開閉するための蓋部材とが設けられたトンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、小断面掘削機の蓋部材を開いて開口部を開放し、小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、開口部より切羽の地山を小断面掘削機内に取り込みながら推進する工程と、推進停止時には、蓋部材によって開口部を閉塞し、小断面掘削機内を密閉状態とする工程と、複数台すべての小断面掘削機の推進を行った後に、外殻体を前進させる工程とを有していることを特徴としている。
【０００９】
本発明では、複数台のうち一部の小断面掘削機の面板に設けられている蓋部材を開いて開放し、推進ジャッキなどの押圧手段によって小断面掘削機を前進させることで、面板によって押圧した切羽の地山を開口部から機内に取り込んで、小断面掘削機を推進させることができる。そして、順次小断面掘削機を推進させ、すべての小断面掘削機の推進が終了してから、外殻体を前進させて１サイクルの掘進を行うことができる。このように、推進させる小断面掘削機における面板の開口部のみを開放し、推進しない小断面掘削機は開口部を閉じてその機内を密閉した状態とすることで、トンネル断面の限られた一部の断面のみを開放して掘削することができ、切羽の開放面積を最小限に抑えた状態で掘進ができ、掘進作業中の切羽の緩みを抑制することができる。そのため、軟弱地盤や深度の浅いトンネルであっても地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を発生させないように掘進してトンネルを築造することができる。
そして、トンネル掘削機は、各小断面掘削機の面板の開口部に蓋部材を設けるだけの簡単な構造であり、従来の土水圧や排土量などを管理する機構や矩形断面とした場合のカッタ機構などの複雑な機構を備えた密閉型のシールド掘進機と比較して、トンネル掘削機のコストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のトンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、トンネル断面を分割した複数台の小断面掘削機を、それぞれの面板に形成される開口部を開放して前進させ、その開口部より切羽の地山を機内に取り込んで推進させることで複数台の小断面掘削機から形成される断面のトンネルを掘進できる簡単な構造のトンネル掘削機であるので、例えば矩形断面を掘削するための複雑なカッタ構造を備えた密閉型シールド掘削機に比べてトンネル掘削機のコストを低減することができる。
そして、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機における面板の開口部を開放し、トンネル断面のうちの開放される面積を小さくして掘進することができるので、軟弱地盤のトンネルや深度の浅いトンネルであっても掘削時の切羽を安定させて地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図、図２は図１に示すトンネル掘削機の正面図、図３は図１に示すトンネル掘削機の小断面掘削機の拡大図、図４（ａ）、（ｂ）はトンネル掘削機による掘進工程を示す図、図５（ａ）、（ｂ）は図４（ｂ）に続くトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
ここで、以下の説明では、トンネルの掘削方向を「前方」、「先端」とし、その反対方向を「後方」、「後端」として用いる。
【００１２】
図１および図２に示すように、本実施の形態によるトンネル掘削機１は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった用途で構築される矩形断面のトンネルに適用され、シルト層、粘土層、地盤中の水が少なく流動性のよい土砂層等の地質を対象とし、深度の浅いトンネルに採用される。そして、基本的には周知のシールド掘削機と同様に、地盤を掘削しつつその後方で例えば鉄筋コンクリート製、或いはスチール製などのセグメントＳをトンネル壁面に沿って設置し、その組み付けたセグメントＳから反力を取って掘進するものである。
【００１３】
トンネル掘削機１は、断面視矩形状の筒体をなしていて掘削機の外殻体をなす外殻スキンプレート３を有する掘削機本体２と、外殻スキンプレート３の内側でそれぞれが独立してトンネル軸方向に進退可能に設けられた複数台（本実施の形態では６台）の小断面掘削機１０（図２に示す符号１０Ａ〜１０Ｆ）とからなる。つまり、本実施の形態によるトンネル掘削機１の断面形状は、横方向の長さが縦方向の長さより長い矩形状をなしている。
【００１４】
掘削機本体２は、上述した外殻スキンプレート３と、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂ内側に周方向に沿って設けられた複数台のシールドジャッキ４、４、…と、外殻スキンプレート３の先端側の上部内面の範囲に配置されていて切羽側に向けて突出可能に設けられたスライドフード５とを備えて概略構成されている。掘削機本体２の先端形状は、図１に示す側面視で上方に向かうにしたがって漸次前方に張り出す傾斜部を形成させた形状となっている。
また、掘削機本体２の前方（外殻スキンプレート３の前胴部３ａの内空側）には、小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの収容部を形成するようにして縦横方向に仕切る分割壁６が設けられている。
さらに、各小断面掘削機１０を切羽側に押し出すための押圧手段をなす推進ジャッキ７が設けられている。
【００１５】
そして、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂの内周面に沿って矩形状に枠組みされた支持枠８が設けられており、この支持枠８の全周にわたって所定間隔をもって複数台のシールドジャッキ４、４、…が配置され、これらシールドジャッキ４を伸長させてジャッキ先端部のスプレッダ４ａをセグメントＳに押し付けて反力をとることにより、トンネル掘削機１を前進させる構成となっている。なお、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂの内側には、セグメントＳの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている。
【００１６】
スライドフード５は、図２に示す正面視で掘削機本体２の上部に配置される上部フード５Ａと、この上部フード５Ａとは別体で設けられるとともに掘削機本体２の両側部に配置される側部フード５Ｂ、５Ｂとからなる。そして、図１および図３に示すように、これら上部フード５Ａ及び側部フード５Ｂ、５Ｂは、それぞれ前端部に刃先５ａを備えるとともに、フード基端５ｂがフード用ジャッキ９のシリンダ先端９ａに固定されており、このフード用ジャッキ９の伸縮によってトンネル掘進方向に進退移動する構造となっている。スライドフード５の刃先５ａは、トンネル掘削機１の進行方向に直交する垂直面に対して、外周側が内周側より切羽側に張り出す傾斜面を有している。なお、フード用ジャッキ９は、図１では示していないが、スライドフード５の配置方向に沿って複数台設けられ、その前方への突出長さ寸法は、１サイクル分の掘削距離より大きい寸法となっている。
このように構成されるスライドフード５を、掘進時に切羽側に突出させて地山内に挿入することで、フード上方（或いは、フード外周部）の地山を支持して防護することで、掘進時による周囲の地山の緩みを抑えることができるようになっている。
【００１７】
図３に示すように、推進ジャッキ７は、上述したように外殻スキンプレート３に一体に設けられている支持枠部（図示省略）に固定され、そのシリンダ先端７ａが小断面掘削機１０（正確には後述する小断面スキンプレート１１の後端部１１ａ）に固定されている。つまり、掘進時において、外殻スキンプレート３が固定されている状態で、推進ジャッキ７を伸長させることで、小断面掘削機１０が前進する構成となっている。なお、推進ジャッキ７は、図１では小断面掘削機１０に対して上下に２台示されているが、その台数は小断面掘削機１０に必要とされる推進力に応じて任意に設定されるものである。
【００１８】
次に、小断面掘削機１０の構成について詳細に説明する。
図１乃至図３に示すように、小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆ（図２）は、それぞれの断面形状が外殻スキンプレート３の内空側の断面を縦横に６分割させた矩形断面形状をなし、上下方向に２段で、各段の横方向（図２の紙面に向かって左右方向）に３列配置されている。ここで、上段に位置する小断面掘削機を図２の紙面左側から右側の順に符号１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃとし、同じく下段に位置する小断面掘削機を同じく符号１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆとする。これら小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆは、上述したようにそれぞれ掘削機本体２に対してトンネル掘進方向に進退移動可能に設けられている。
【００１９】
各小断面掘削機１０は、略正方形の断面形状の筒状体をなす小断面スキンプレート１１と、小断面スキンプレート１１の先端側の周縁部内側に全周にわたって配置された刃口体１２と、小断面スキンプレート１１の切羽側に設けられていてその中央に開口部１３ａを有する面板１３と、開口部１３ａを開閉するための開閉ゲート１４（蓋部材）とを備えて構成されている。
そして、小断面掘削機１０の内方には、掘進時に小断面スキンプレート１１内に取り込まれた土砂を後方に搬出するための搬送ベルトコンベア１５が設けられている。また、各小断面掘削機１０の後端部（小断面スキンプレート１１の後端部１１ａ）には、上述した推進ジャッキ７のシリンダ先端部７ａが固定されている。
【００２０】
図３に示すように、刃口体１２は、外周側が刃先頂部１２ａとなるように正面視で小断面掘削機１０の内側から外側に向けて前方に張り出す傾斜面を有している。先端部に刃口体１２を備えることにより、推進ジャッキ７の押圧により、小断面掘削機１０が切羽の地山に貫入し易くなる機能をもたせることができる。
【００２１】
面板１３は、平板形状をなし、側面視で外殻スキンプレート３の前端部の傾斜面に沿う方向に向けて配置されるとともに、刃口体１２によって囲われた小断面開口部１０ａを閉塞するものであり、本実施の形態では開閉可能に設けられている。具体的には、面板１３の上端部１３ｂ（矩形断面の面板１３の上部に位置する一辺）が小断面スキンプレート１１の前側上部に回動可能に支持され、図示しない駆動装置を使用して回動される構造となっている。つまり、面板１３が閉じた状態（面板１３の開口部１３ａも閉じた状態）のときには、小断面掘削機１０の機内が切羽に対して密閉され、面板１３を開いたときには状態のときには、切羽側開口部１０ａを開放することができるようになっている。
図２に示すように、面板１３に形成されている開口部１３ａは、正面視中央において正方形状に形成され、この開口部１３ａから切羽の地山を機内に例えばトコロテンのように流入させて取り込む機能をもたせたものとなっている。
【００２２】
開閉ゲート１４は、面板１３の機内側において面板１３の面方向に沿ってスライド可能な構造をなし、例えば図示しない伸縮ジャッキのシリンダ先端に固定され、その伸縮ジャッキの伸縮動作によりスライドして、面板１３の開口部１３ａを開閉させるように構成されている。そして、前記伸縮ジャッキの伸縮長を調整可能とすることで、開閉ゲート１４の開口量を調整することが可能である。
【００２３】
搬送ベルトコンベア１５は、その切羽側先端部が小断面掘削機１０の機内底盤部の位置で、且つ面板１３の開口部１３ａの下方の位置に配置され、開口部１３ａから取り込まれた土砂が搬送ベルト上に落下するように設置されており、その後端部が例えばトンネル掘削機１の後方に配置されたダンプトラック（図示省略）などの搬出手段に連絡できるような構成になっている。
【００２４】
次に、上述したトンネル掘削機１を用いたトンネル掘進方法について図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施の形態のトンネル掘進方法では、６つの小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆのそれぞれを第１〜第６小断面掘削機と区別して称し、第１小断面掘削機から順に単独で推進され、それぞれ推進する小断面掘削機１０における面板１３の開閉ゲート１４のみを開けて、開口部１３ａを開放した状態で推進ジャッキ７により推進される。
【００２５】
具体的には、図４（ａ）に示すように、先ずフード用ジャッキ９を伸長駆動させてスライドフード５（上部フード５Ａ、および両側部フード５Ｂ、５Ｂ）を所定長さ分（１サイクルの掘進長分に相当）だけ突出させて、切羽側の地山内に挿入する。これにより、本トンネル掘削機１で掘進するトンネル周囲の地山の安定化を図るようにする。
先ず、上段に位置する第１小断面掘削機１０Ａのみを先行して推進させる。つまり、第１小断面掘削機１０Ａの面板１３を閉じた状態で、開閉ゲート１４を開いて面板１３の開口部１３ａを開放しつつ、推進ジャッキ７によって第１小断面掘削機１０Ａを押圧して推進させる。このとき、外殻スキンプレート３に反力を取って推進ジャッキ７を伸長駆動させることで刃口体１２を地山に挿入させ、小断面スキンプレート１１を前進させる。この移動に伴って、面板１３で切羽の地山が押圧され、圧力がかかった地山は開放された開口部１３ａから例えばトコロテンのように機内に流入し、その掘削土砂は搬送ベルトコンベア１５の搬送ベルト上に落下し、そのままトンネル掘削機１の後方へ搬送される。
【００２６】
そして、図４（ｂ）に示すように、小断面掘削機１０Ａにおける１サイクル分の推進を行う。推進完了後、開閉ゲート１４を閉じ、小断面掘削機１０Ａ内を切羽に対して密閉状態とし、閉じた開閉ゲート１４によって切羽の土水圧に対応する圧力となるまで切羽を押圧する。なお、第１小断面掘削機１０Ａの推進中における他の第２〜第６小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆ（図２参照）については、推進停止時であり、それぞれ開閉ゲート１４によって開口部１３ａを閉塞し、機内を密閉状態とし、さらに開閉ゲート１４によって切羽の土水圧に対応する圧力で切羽を押さえ、切羽の地山を安定させた状態としておく。このときの圧力管理は、推進ジャッキ７の圧力で管理することができる。
次に、第１小断面掘削機１０Ａに続いて、図２に示すトンネル断面上段に位置する第２、第３小断面掘削機１０Ｂ、１０Ｃをその順で順次、第１小断面掘削機１０Ａの推進工程と同様の手順により推進させる。
【００２７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、トンネル断面下段に位置する第４小断面掘削機１０Ｄの開閉ゲート１４を開けて面板１３の開口部１３ａを開放して、推進ジャッキ７により小断面スキンプレート１１を前進させつつ、その開口部１３ａより土砂を取り込んで１サイクル分を推進させる。
さらに、第４小断面掘削機１０Ｄに続いて、図２に示すトンネル断面下段に位置する第５、第６小断面掘削機１０Ｅ、１０Ｆをその順で、第４小断面掘削機１０Ｄの推進工程と同様の手順により順次繰り返して推進し、すべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆを推進させる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、面板１３が開閉可能な構造であるので、小断面推進機１０の推進工程中において、例えば掘削する地山の一部に砂層が介在し、開口部１３ａから土砂を取り込めない状態の場合には、例えばトンネル掘削機１の機内側から切羽の地山に対して地盤改良を実施し、小断面掘削機１０の面板１３を開いて機内側から切羽の地山をショベル等の機械や人力により掘削して対応することができる。また、残置杭等が存在する場合にも、同じく地盤改良後に面板１３を開けて、機内側からその残置杭等を切断し、撤去することができる。
【００２９】
その後、図５（ａ）に示すように、組み立て済みのセグメントＳに反力を取ってシールドジャッキ４、４、…を伸長させ、そのジッャキストロークに対応する長さだけ外殻スキンプレート３を前進（推進）させると同時に、そのときの移動速度に同調させたジャッキ速度で小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄ（図２参照）用の推進ジャッキ７、７、…と、フード用ジャッキ９を縮退させる。
このときの各ジャッキ（シールドジャッキ４、推進ジャッキ７、フード用ジャッキ９）の同調方法としては、例えば、シールドジャッキ４と推進ジャッキ７のストロークを検知し、推進ジャッキ７に送る油量を制御することで縮退速度を調整する方法や、推進ジャッキ７の油圧が小断面掘削機１０における切羽の土水圧に対応する所定圧力以上になったときに、リリーフ弁（図示省略）によってその圧力を超える分を減圧するように制御する方法等を採用することができる。
【００３０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、適宜必要な本数のシールドジャッキ４を縮め、その縮めたシールドジャッキ４と設置済みのセグメントＳとの間に形成される空間に図示しないエレクタなどを用いて新たなセグメントＳを設置する。ここまでがトンネル掘削機１における１サイクル分の掘進工程であり、この掘進工程を順次繰り返すことで、矩形断面をなすトンネルが築造されることになる。
【００３１】
また、本トンネル掘削機１では、側面視で上部が下部より前方に張り出した形状であり、しかもトンネル断面上段に位置する第１〜第３小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃをその順で先行して推進し、その後に下段に位置する第４〜第６小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆをその順で推進する方法であるので、トンネル掘削機１の上部で先受けて切羽を安定させて掘進することができる。
【００３２】
また、推進させる小断面掘削機１０における面板１３の開口部１３ａのみを開放し、推進しない小断面掘削機１０は開口部１３ａを閉じてその機内を密閉した状態とすることで、トンネル断面の限られた一部の断面のみを開放して掘削することができ、切羽の開放面積を最小限に抑えた状態で掘進ができ、掘進作業中の切羽の緩みを抑制することができる。そのため、浅い深度のトンネルであっても地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を発生させないように掘進してトンネルを築造することができる。
そして、トンネル掘削機１は、各小断面掘削機１０の面板１３の開口部１３ａに開閉ゲート１４を設けるだけの簡単な構造であり、従来の土水圧や排土量などを管理する機構や矩形断面とした場合のカッタ機構などの複雑な機構を備えた密閉型のシールド掘進機と比較して、トンネル掘削機１のコストの低減を図ることができる。
【００３３】
上述のように本実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、トンネル断面を分割した複数台の小断面掘削機１０を、それぞれの面板１３に形成される開口部１３ａを開放して前進させ、その開口部１３ａより切羽の地山を機内に取り込んで推進させることで複数台の小断面掘削機１０から形成される断面のトンネルを掘進できる簡単な構造のトンネル掘削機１であるので、例えば矩形断面を掘削するための複雑なカッタ構造を備えた密閉型シールド掘削機に比べてトンネル掘削機１のコストを低減することができる。
そして、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機１０における面板１３の開口部１３ａを開放し、トンネル断面のうちの開放される面積を小さくして掘進することができるので、軟弱地盤のトンネルや深度の浅いトンネルであっても掘削時の切羽を安定させて地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では第１〜第６小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの順番で推進しているが、このような推進順序であることに限定されることはない。また、小断面掘削機１０を１台ずつ推進させる方法としているが、例えばトンネル断面上段に位置する第１〜第３小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃをほぼ同時に推進させ、それらの推進後に下段に位置する第４〜第６小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆをほぼ同時に推進させるようにしてもかまわない。或いは、先行する小断面掘削機１０の推進中に、他の小断面掘削機１０の面板１３の開口部１３ａを開放して推進させることも可能である。要は、小断面掘削機１０における面板１３に形成される開口部１３ａを開放して推進するときに、掘削土砂の取込み過ぎにより切羽の地山が緩んで、その影響が地表面に及ぼさないように掘進できるように、地山状態に応じて適宜小断面掘削機１０の推進順序を決めればよいのである。
【００３５】
そして、本実施の形態では、上下２段で、その段毎に３列で設けた６基の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆを備えるようにしてトンネル断面を６分割した構成としているが、このような分割数、分割形態に限定されることはなく、構築するトンネル断面の形状、大きさに対応させて、１台の小断面掘削機の大きさ、分割数などを設定すればよい。
【００３６】
また、面板１３に形成される開口部１３ａの位置は、正面視中央であることに限定されず、また開口部１３ａの形状についても正方形状であることに制限されることはなく、例えば円形、長方形、台形などとすることができる。そして、開口部１３ａを開閉する開閉ゲート１４の開閉方法についても、本実施の形態ではスライド式の構造としているがこれに限定されることはなく、例えば上端部を回動軸にして下方側が開くような扉状の構造を採用してもよい。
【００３７】
さらにまた、本実施の形態では、各小断面掘削機１０の面板１３を開閉可能な構造としているが、開閉機能をもたず、開口部１３ａのみを有する固定式の面板としてもよい。
また、面板１３の前面（切羽側の面）にエアバックを備えておき、そのエアバックの内部に空気（流体）を流入させることで、所定の圧力で膨張させて切羽を押圧するようにしてもかまわない。
さらに、本実施の形態では開口部１３ａから取込んだ土砂を搬送ベルトコンベア１５で後方に搬出する構成としているが、ベルトコンベアであることに制限されることはなく、例えばホッパを開口部１３ａの下方に設置しておき、そのホッパ内にスクリューコンベアの取込み口を配置させた構造の搬送機構を採用することもできるし、トンネル掘削機の前進方式も、立坑に設けた元押しジャッキでセグメントとともに前進させる推進方式を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すトンネル掘削機の正面図である。
【図３】図１に示すトンネル掘削機の小断面掘削機の拡大図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は図４（ｂ）に続くトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 外殻スキンプレート（外殻体）
４ シールドジャッキ
５ スライドフード
７ 推進ジャッキ
１０、１０Ａ〜１０Ｆ 小断面掘削機
１０ａ 切羽側開口部
１１ 小断面スキンプレート（筒状体）
１２ 刃口体
１３ 面板
１３ａ 開口部
１４ 開閉ゲート（蓋部材）
１５ 搬送ベルトコンベア
Ｓ セグメント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった主に矩形断面などのトンネルを掘削するためのトンネル掘削機およびこれを用いたトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市域などで軟弱なシルト層、粘土層、流動性の高い土砂層などの軟弱地盤に採用されるシールド工法として、切羽前面の一部に開口部を設け、その開口部から土砂をトコロテンのように出す構造のブラインド式のシールド掘削機を用いたブラインドシールド工法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このようなブラインドシールド工法では、シールド掘削機の切羽前面に設けられる開口部を大きくすると、土砂の取込み量が増大し、地表面の陥没や沈下を起すおそれがあることから、大断面トンネルの適用が難しく、近年では採用されていない現状がある。
【０００３】
ところで、軟弱地盤で深度の浅いトンネル条件が多い都市域に設けられる道路や共同溝などのトンネルでは、その用途から必要な断面形状を矩形断面とすることが合理的且つ経済的であるとされ、近年では矩形断面シールド掘削機が使用されている。矩形断面シールド掘削機では、円形断面のシールド掘削機によって掘削する場合のように必要以上の断面を掘削することがないことから、上記のような都市トンネルを築造する場合に適用するものとして好適とされている（例えば、特許文献３、４参照）。
【０００４】
特許文献３には、掘削する矩形断面の外周部全周にわたって複数の推進機を連結配置し、これら推進機を同時に推進させると共にそれぞれの推進機の後方に函体を設置して矩形断面の外殻を形成し、その後に外殻の内部を掘削して矩形断面のトンネルを構築するトンネル推進機について記載されている。そして、１台の推進機は、正面視で略正方形をなし、その先端部に回転駆動されるカッタが備えられている。
また、特許文献４は、掘削される矩形断面の全面にわたって正面視で略正方形をなす複数台のシールド掘進機を上下方向及び横方向に配置させ、これら複数のシールド掘進機を同時に掘進させて矩形断面を一度に掘削することが可能な密閉型のシールド機について開示したものである。
【特許文献１】特開昭５０−１４１８２８号公報
【特許文献２】特開昭５４−７１８２７号公報
【特許文献３】特開２００５−２４８５４６号公報
【特許文献４】特開２００１−１９３３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３、４で開示されている複数台のシールド掘進機を備えた矩形断面の掘削機には、軟弱地盤や深度の浅いトンネルを掘削する場合において地表面の沈下を防ぐことができる密閉型のシールド掘進機が使用されているが、この密閉型のシールド掘進機は、周知のとおり切羽の地山の土水圧を推進力と排土量などで管理しながら掘進する必要があり、シールド掘進機の構造が複雑になるうえ、複数台が必要であることからコストが増大するといった問題があった。
また、矩形断面を掘削するための複数台のシールド掘進機は、それぞれ略正方形状の断面を掘削することになるため、カッタの回転により掘削可能な円形断面形状より外側の部分（つまり、カッタの回転のみで掘削できない矩形断面の四隅の部分）を掘削する必要があった。そのため、例えばカッタスポークやコピーカッタなどを四隅部の位置で伸縮させるといった特殊な機構が用いられることになり、カッタの構造やその制御方法が複雑となることから、コストが増大するといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、軟弱地盤のトンネルにおいて地表面沈下の発生をなくすことができ、しかも簡単な構造とすることで掘削機のコストの低減を図ることができるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル掘削機では、筒状をなす外殻体と、外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機とを備え、 小断面掘削機は、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、開口部を開閉するための蓋部材とを有することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、筒状をなす外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機を備え、小断面掘削機には、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、開口部を開閉するための蓋部材とが設けられたトンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、小断面掘削機の蓋部材を開いて開口部を開放し、小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、開口部より切羽の地山を小断面掘削機内に取り込みながら推進する工程と、推進停止時には、蓋部材によって開口部を閉塞し、小断面掘削機内を密閉状態とする工程と、複数台すべての小断面掘削機の推進を行った後に、外殻体を前進させる工程とを有していることを特徴としている。
【０００９】
本発明では、複数台のうち一部の小断面掘削機の面板に設けられている蓋部材を開いて開放し、推進ジャッキなどの押圧手段によって小断面掘削機を前進させることで、面板によって押圧した切羽の地山を開口部から機内に取り込んで、小断面掘削機を推進させることができる。そして、順次小断面掘削機を推進させ、すべての小断面掘削機の推進が終了してから、外殻体を前進させて１サイクルの掘進を行うことができる。このように、推進させる小断面掘削機における面板の開口部のみを開放し、推進しない小断面掘削機は開口部を閉じてその機内を密閉した状態とすることで、トンネル断面の限られた一部の断面のみを開放して掘削することができ、切羽の開放面積を最小限に抑えた状態で掘進ができ、掘進作業中の切羽の緩みを抑制することができる。そのため、軟弱地盤や深度の浅いトンネルであっても地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を発生させないように掘進してトンネルを築造することができる。
そして、トンネル掘削機は、各小断面掘削機の面板の開口部に蓋部材を設けるだけの簡単な構造であり、従来の土水圧や排土量などを管理する機構や矩形断面とした場合のカッタ機構などの複雑な機構を備えた密閉型のシールド掘進機と比較して、トンネル掘削機のコストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のトンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、トンネル断面を分割した複数台の小断面掘削機を、それぞれの面板に形成される開口部を開放して前進させ、その開口部より切羽の地山を機内に取り込んで推進させることで複数台の小断面掘削機から形成される断面のトンネルを掘進できる簡単な構造のトンネル掘削機であるので、例えば矩形断面を掘削するための複雑なカッタ構造を備えた密閉型シールド掘削機に比べてトンネル掘削機のコストを低減することができる。
そして、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機における面板の開口部を開放し、トンネル断面のうちの開放される面積を小さくして掘進することができるので、軟弱地盤のトンネルや深度の浅いトンネルであっても掘削時の切羽を安定させて地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図、図２は図１に示すトンネル掘削機の正面図、図３は図１に示すトンネル掘削機の小断面掘削機の拡大図、図４（ａ）、（ｂ）はトンネル掘削機による掘進工程を示す図、図５（ａ）、（ｂ）は図４（ｂ）に続くトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
ここで、以下の説明では、トンネルの掘削方向を「前方」、「先端」とし、その反対方向を「後方」、「後端」として用いる。
【００１２】
図１および図２に示すように、本実施の形態によるトンネル掘削機１は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった用途で構築される矩形断面のトンネルに適用され、シルト層、粘土層、地盤中の水が少なく流動性のよい土砂層等の地質を対象とし、深度の浅いトンネルに採用される。そして、基本的には周知のシールド掘削機と同様に、地盤を掘削しつつその後方で例えば鉄筋コンクリート製、或いはスチール製などのセグメントＳをトンネル壁面に沿って設置し、その組み付けたセグメントＳから反力を取って掘進するものである。
【００１３】
トンネル掘削機１は、断面視矩形状の筒体をなしていて掘削機の外殻体をなす外殻スキンプレート３を有する掘削機本体２と、外殻スキンプレート３の内側でそれぞれが独立してトンネル軸方向に進退可能に設けられた複数台（本実施の形態では６台）の小断面掘削機１０（図２に示す符号１０Ａ〜１０Ｆ）とからなる。つまり、本実施の形態によるトンネル掘削機１の断面形状は、横方向の長さが縦方向の長さより長い矩形状をなしている。
【００１４】
掘削機本体２は、上述した外殻スキンプレート３と、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂ内側に周方向に沿って設けられた複数台のシールドジャッキ４、４、…と、外殻スキンプレート３の先端側の上部内面の範囲に配置されていて切羽側に向けて突出可能に設けられたスライドフード５とを備えて概略構成されている。掘削機本体２の先端形状は、図１に示す側面視で上方に向かうにしたがって漸次前方に張り出す傾斜部を形成させた形状となっている。
また、掘削機本体２の前方（外殻スキンプレート３の前胴部３ａの内空側）には、小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの収容部を形成するようにして縦横方向に仕切る分割壁６が設けられている。
さらに、各小断面掘削機１０を切羽側に押し出すための押圧手段をなす推進ジャッキ７が設けられている。
【００１５】
そして、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂの内周面に沿って矩形状に枠組みされた支持枠８が設けられており、この支持枠８の全周にわたって所定間隔をもって複数台のシールドジャッキ４、４、…が配置され、これらシールドジャッキ４を伸長させてジャッキ先端部のスプレッダ４ａをセグメントＳに押し付けて反力をとることにより、トンネル掘削機１を前進させる構成となっている。なお、外殻スキンプレート３の後胴部３ｂの内側には、セグメントＳの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている。
【００１６】
スライドフード５は、図２に示す正面視で掘削機本体２の上部に配置される上部フード５Ａと、この上部フード５Ａとは別体で設けられるとともに掘削機本体２の両側部に配置される側部フード５Ｂ、５Ｂとからなる。そして、図１および図３に示すように、これら上部フード５Ａ及び側部フード５Ｂ、５Ｂは、それぞれ前端部に刃先５ａを備えるとともに、フード基端５ｂがフード用ジャッキ９のシリンダ先端９ａに固定されており、このフード用ジャッキ９の伸縮によってトンネル掘進方向に進退移動する構造となっている。スライドフード５の刃先５ａは、トンネル掘削機１の進行方向に直交する垂直面に対して、外周側が内周側より切羽側に張り出す傾斜面を有している。なお、フード用ジャッキ９は、図１では示していないが、スライドフード５の配置方向に沿って複数台設けられ、その前方への突出長さ寸法は、１サイクル分の掘削距離より大きい寸法となっている。
このように構成されるスライドフード５を、掘進時に切羽側に突出させて地山内に挿入することで、フード上方（或いは、フード外周部）の地山を支持して防護することで、掘進時による周囲の地山の緩みを抑えることができるようになっている。
【００１７】
図３に示すように、推進ジャッキ７は、上述したように外殻スキンプレート３に一体に設けられている支持枠部（図示省略）に固定され、そのシリンダ先端７ａが小断面掘削機１０（正確には後述する小断面スキンプレート１１の後端部１１ａ）に固定されている。つまり、掘進時において、外殻スキンプレート３が固定されている状態で、推進ジャッキ７を伸長させることで、小断面掘削機１０が前進する構成となっている。なお、推進ジャッキ７は、図１では小断面掘削機１０に対して上下に２台示されているが、その台数は小断面掘削機１０に必要とされる推進力に応じて任意に設定されるものである。
【００１８】
次に、小断面掘削機１０の構成について詳細に説明する。
図１乃至図３に示すように、小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆ（図２）は、それぞれの断面形状が外殻スキンプレート３の内空側の断面を縦横に６分割させた矩形断面形状をなし、上下方向に２段で、各段の横方向（図２の紙面に向かって左右方向）に３列配置されている。ここで、上段に位置する小断面掘削機を図２の紙面左側から右側の順に符号１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃとし、同じく下段に位置する小断面掘削機を同じく符号１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆとする。これら小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆは、上述したようにそれぞれ掘削機本体２に対してトンネル掘進方向に進退移動可能に設けられている。
【００１９】
各小断面掘削機１０は、略正方形の断面形状の筒状体をなす小断面スキンプレート１１と、小断面スキンプレート１１の先端側の周縁部内側に全周にわたって配置された刃口体１２と、小断面スキンプレート１１の切羽側に設けられていてその中央に開口部１３ａを有する面板１３と、開口部１３ａを開閉するための開閉ゲート１４（蓋部材）とを備えて構成されている。
そして、小断面掘削機１０の内方には、掘進時に小断面スキンプレート１１内に取り込まれた土砂を後方に搬出するための搬送ベルトコンベア１５が設けられている。また、各小断面掘削機１０の後端部（小断面スキンプレート１１の後端部１１ａ）には、上述した推進ジャッキ７のシリンダ先端部７ａが固定されている。
【００２０】
図３に示すように、刃口体１２は、外周側が刃先頂部１２ａとなるように正面視で小断面掘削機１０の内側から外側に向けて前方に張り出す傾斜面を有している。先端部に刃口体１２を備えることにより、推進ジャッキ７の押圧により、小断面掘削機１０が切羽の地山に貫入し易くなる機能をもたせることができる。
【００２１】
面板１３は、平板形状をなし、側面視で外殻スキンプレート３の前端部の傾斜面に沿う方向に向けて配置されるとともに、刃口体１２によって囲われた小断面開口部１０ａを閉塞するものであり、本実施の形態では開閉可能に設けられている。具体的には、面板１３の上端部１３ｂ（矩形断面の面板１３の上部に位置する一辺）が小断面スキンプレート１１の前側上部に回動可能に支持され、図示しない駆動装置を使用して回動される構造となっている。つまり、面板１３が閉じた状態（面板１３の開口部１３ａも閉じた状態）のときには、小断面掘削機１０の機内が切羽に対して密閉され、面板１３を開いたときには状態のときには、切羽側開口部１０ａを開放することができるようになっている。
図２に示すように、面板１３に形成されている開口部１３ａは、正面視中央において正方形状に形成され、この開口部１３ａから切羽の地山を機内に例えばトコロテンのように流入させて取り込む機能をもたせたものとなっている。
【００２２】
開閉ゲート１４は、面板１３の機内側において面板１３の面方向に沿ってスライド可能な構造をなし、例えば図示しない伸縮ジャッキのシリンダ先端に固定され、その伸縮ジャッキの伸縮動作によりスライドして、面板１３の開口部１３ａを開閉させるように構成されている。そして、前記伸縮ジャッキの伸縮長を調整可能とすることで、開閉ゲート１４の開口量を調整することが可能である。
【００２３】
搬送ベルトコンベア１５は、その切羽側先端部が小断面掘削機１０の機内底盤部の位置で、且つ面板１３の開口部１３ａの下方の位置に配置され、開口部１３ａから取り込まれた土砂が搬送ベルト上に落下するように設置されており、その後端部が例えばトンネル掘削機１の後方に配置されたダンプトラック（図示省略）などの搬出手段に連絡できるような構成になっている。
【００２４】
次に、上述したトンネル掘削機１を用いたトンネル掘進方法について図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施の形態のトンネル掘進方法では、６つの小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆのそれぞれを第１〜第６小断面掘削機と区別して称し、第１小断面掘削機から順に単独で推進され、それぞれ推進する小断面掘削機１０における面板１３の開閉ゲート１４のみを開けて、開口部１３ａを開放した状態で推進ジャッキ７により推進される。
【００２５】
具体的には、図４（ａ）に示すように、先ずフード用ジャッキ９を伸長駆動させてスライドフード５（上部フード５Ａ、および両側部フード５Ｂ、５Ｂ）を所定長さ分（１サイクルの掘進長分に相当）だけ突出させて、切羽側の地山内に挿入する。これにより、本トンネル掘削機１で掘進するトンネル周囲の地山の安定化を図るようにする。
先ず、上段に位置する第１小断面掘削機１０Ａのみを先行して推進させる。つまり、第１小断面掘削機１０Ａの面板１３を閉じた状態で、開閉ゲート１４を開いて面板１３の開口部１３ａを開放しつつ、推進ジャッキ７によって第１小断面掘削機１０Ａを押圧して推進させる。このとき、外殻スキンプレート３に反力を取って推進ジャッキ７を伸長駆動させることで刃口体１２を地山に挿入させ、小断面スキンプレート１１を前進させる。この移動に伴って、面板１３で切羽の地山が押圧され、圧力がかかった地山は開放された開口部１３ａから例えばトコロテンのように機内に流入し、その掘削土砂は搬送ベルトコンベア１５の搬送ベルト上に落下し、そのままトンネル掘削機１の後方へ搬送される。
【００２６】
そして、図４（ｂ）に示すように、小断面掘削機１０Ａにおける１サイクル分の推進を行う。推進完了後、開閉ゲート１４を閉じ、小断面掘削機１０Ａ内を切羽に対して密閉状態とし、閉じた開閉ゲート１４によって切羽の土水圧に対応する圧力となるまで切羽を押圧する。なお、第１小断面掘削機１０Ａの推進中における他の第２〜第６小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆ（図２参照）については、推進停止時であり、それぞれ開閉ゲート１４によって開口部１３ａを閉塞し、機内を密閉状態とし、さらに開閉ゲート１４によって切羽の土水圧に対応する圧力で切羽を押さえ、切羽の地山を安定させた状態としておく。このときの圧力管理は、推進ジャッキ７の圧力で管理することができる。
次に、第１小断面掘削機１０Ａに続いて、図２に示すトンネル断面上段に位置する第２、第３小断面掘削機１０Ｂ、１０Ｃをその順で順次、第１小断面掘削機１０Ａの推進工程と同様の手順により推進させる。
【００２７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、トンネル断面下段に位置する第４小断面掘削機１０Ｄの開閉ゲート１４を開けて面板１３の開口部１３ａを開放して、推進ジャッキ７により小断面スキンプレート１１を前進させつつ、その開口部１３ａより土砂を取り込んで１サイクル分を推進させる。
さらに、第４小断面掘削機１０Ｄに続いて、図２に示すトンネル断面下段に位置する第５、第６小断面掘削機１０Ｅ、１０Ｆをその順で、第４小断面掘削機１０Ｄの推進工程と同様の手順により順次繰り返して推進し、すべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆを推進させる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、面板１３が開閉可能な構造であるので、小断面推進機１０の推進工程中において、例えば掘削する地山の一部に砂層が介在し、開口部１３ａから土砂を取り込めない状態の場合には、例えばトンネル掘削機１の機内側から切羽の地山に対して地盤改良を実施し、小断面掘削機１０の面板１３を開いて機内側から切羽の地山をショベル等の機械や人力により掘削して対応することができる。また、残置杭等が存在する場合にも、同じく地盤改良後に面板１３を開けて、機内側からその残置杭等を切断し、撤去することができる。
【００２９】
その後、図５（ａ）に示すように、組み立て済みのセグメントＳに反力を取ってシールドジャッキ４、４、…を伸長させ、そのジッャキストロークに対応する長さだけ外殻スキンプレート３を前進（推進）させると同時に、そのときの移動速度に同調させたジャッキ速度で小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄ（図２参照）用の推進ジャッキ７、７、…と、フード用ジャッキ９を縮退させる。
このときの各ジャッキ（シールドジャッキ４、推進ジャッキ７、フード用ジャッキ９）の同調方法としては、例えば、シールドジャッキ４と推進ジャッキ７のストロークを検知し、推進ジャッキ７に送る油量を制御することで縮退速度を調整する方法や、推進ジャッキ７の油圧が小断面掘削機１０における切羽の土水圧に対応する所定圧力以上になったときに、リリーフ弁（図示省略）によってその圧力を超える分を減圧するように制御する方法等を採用することができる。
【００３０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、適宜必要な本数のシールドジャッキ４を縮め、その縮めたシールドジャッキ４と設置済みのセグメントＳとの間に形成される空間に図示しないエレクタなどを用いて新たなセグメントＳを設置する。ここまでがトンネル掘削機１における１サイクル分の掘進工程であり、この掘進工程を順次繰り返すことで、矩形断面をなすトンネルが築造されることになる。
【００３１】
また、本トンネル掘削機１では、側面視で上部が下部より前方に張り出した形状であり、しかもトンネル断面上段に位置する第１〜第３小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃをその順で先行して推進し、その後に下段に位置する第４〜第６小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆをその順で推進する方法であるので、トンネル掘削機１の上部で先受けて切羽を安定させて掘進することができる。
【００３２】
また、推進させる小断面掘削機１０における面板１３の開口部１３ａのみを開放し、推進しない小断面掘削機１０は開口部１３ａを閉じてその機内を密閉した状態とすることで、トンネル断面の限られた一部の断面のみを開放して掘削することができ、切羽の開放面積を最小限に抑えた状態で掘進ができ、掘進作業中の切羽の緩みを抑制することができる。そのため、浅い深度のトンネルであっても地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を発生させないように掘進してトンネルを築造することができる。
そして、トンネル掘削機１は、各小断面掘削機１０の面板１３の開口部１３ａに開閉ゲート１４を設けるだけの簡単な構造であり、従来の土水圧や排土量などを管理する機構や矩形断面とした場合のカッタ機構などの複雑な機構を備えた密閉型のシールド掘進機と比較して、トンネル掘削機１のコストの低減を図ることができる。
【００３３】
上述のように本実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、トンネル断面を分割した複数台の小断面掘削機１０を、それぞれの面板１３に形成される開口部１３ａを開放して前進させ、その開口部１３ａより切羽の地山を機内に取り込んで推進させることで複数台の小断面掘削機１０から形成される断面のトンネルを掘進できる簡単な構造のトンネル掘削機１であるので、例えば矩形断面を掘削するための複雑なカッタ構造を備えた密閉型シールド掘削機に比べてトンネル掘削機１のコストを低減することができる。
そして、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機１０における面板１３の開口部１３ａを開放し、トンネル断面のうちの開放される面積を小さくして掘進することができるので、軟弱地盤のトンネルや深度の浅いトンネルであっても掘削時の切羽を安定させて地表面への影響を小さくすることができ、地表面沈下を抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では第１〜第６小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの順番で推進しているが、このような推進順序であることに限定されることはない。また、小断面掘削機１０を１台ずつ推進させる方法としているが、例えばトンネル断面上段に位置する第１〜第３小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃをほぼ同時に推進させ、それらの推進後に下段に位置する第４〜第６小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆをほぼ同時に推進させるようにしてもかまわない。或いは、先行する小断面掘削機１０の推進中に、他の小断面掘削機１０の面板１３の開口部１３ａを開放して推進させることも可能である。要は、小断面掘削機１０における面板１３に形成される開口部１３ａを開放して推進するときに、掘削土砂の取込み過ぎにより切羽の地山が緩んで、その影響が地表面に及ぼさないように掘進できるように、地山状態に応じて適宜小断面掘削機１０の推進順序を決めればよいのである。
【００３５】
そして、本実施の形態では、上下２段で、その段毎に３列で設けた６基の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆを備えるようにしてトンネル断面を６分割した構成としているが、このような分割数、分割形態に限定されることはなく、構築するトンネル断面の形状、大きさに対応させて、１台の小断面掘削機の大きさ、分割数などを設定すればよい。
【００３６】
また、面板１３に形成される開口部１３ａの位置は、正面視中央であることに限定されず、また開口部１３ａの形状についても正方形状であることに制限されることはなく、例えば円形、長方形、台形などとすることができる。そして、開口部１３ａを開閉する開閉ゲート１４の開閉方法についても、本実施の形態ではスライド式の構造としているがこれに限定されることはなく、例えば上端部を回動軸にして下方側が開くような扉状の構造を採用してもよい。
【００３７】
さらにまた、本実施の形態では、各小断面掘削機１０の面板１３を開閉可能な構造としているが、開閉機能をもたず、開口部１３ａのみを有する固定式の面板としてもよい。
また、面板１３の前面（切羽側の面）にエアバックを備えておき、そのエアバックの内部に空気（流体）を流入させることで、所定の圧力で膨張させて切羽を押圧するようにしてもかまわない。
さらに、本実施の形態では開口部１３ａから取込んだ土砂を搬送ベルトコンベア１５で後方に搬出する構成としているが、ベルトコンベアであることに制限されることはなく、例えばホッパを開口部１３ａの下方に設置しておき、そのホッパ内にスクリューコンベアの取込み口を配置させた構造の搬送機構を採用することもできるし、トンネル掘削機の前進方式も、立坑に設けた元押しジャッキでセグメントとともに前進させる推進方式を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すトンネル掘削機の正面図である。
【図３】図１に示すトンネル掘削機の小断面掘削機の拡大図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は図４（ｂ）に続くトンネル掘削機による掘進工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 外殻スキンプレート（外殻体）
４ シールドジャッキ
５ スライドフード
７ 推進ジャッキ
１０、１０Ａ〜１０Ｆ 小断面掘削機
１０ａ 切羽側開口部
１１ 小断面スキンプレート（筒状体）
１２ 刃口体
１３ 面板
１３ａ 開口部
１４ 開閉ゲート（蓋部材）
１５ 搬送ベルトコンベア
Ｓ セグメント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなす外殻体と、
該外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機と、
を備え、
前記小断面掘削機は、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、前記開口部を開閉するための蓋部材とを有することを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
筒状をなす外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機を備え、
該小断面掘削機には、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、前記開口部を開閉するための蓋部材とが設けられたトンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、
前記小断面掘削機の蓋部材を開いて前記開口部を開放し、前記小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、前記開口部より切羽の地山を前記小断面掘削機内に取り込みながら推進する工程と、
推進停止時には、前記蓋部材によって前記開口部を閉塞し、前記小断面掘削機内を密閉状態とする工程と、
前記複数台すべての小断面掘削機の推進を行った後に、前記外殻体を前進させる工程と、
を有していることを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項１】
筒状をなす外殻体と、
該外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機と、
を備え、
前記小断面掘削機は、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、前記開口部を開閉するための蓋部材とを有することを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
筒状をなす外殻体内で独立してトンネル軸方向に進退可能に設けた複数台の小断面掘削機を備え、
該小断面掘削機には、筒状体と、その筒状体の切羽側に開口部を有する面板と、前記開口部を開閉するための蓋部材とが設けられたトンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、
前記小断面掘削機の蓋部材を開いて前記開口部を開放し、前記小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、前記開口部より切羽の地山を前記小断面掘削機内に取り込みながら推進する工程と、
推進停止時には、前記蓋部材によって前記開口部を閉塞し、前記小断面掘削機内を密閉状態とする工程と、
前記複数台すべての小断面掘削機の推進を行った後に、前記外殻体を前進させる工程と、
を有していることを特徴とするトンネル掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２７０３２８（Ｐ２００９−２７０３２８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２１２５０（Ｐ２００８−１２１２５０）
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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