開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法
【課題】浅い深度のトンネルであっても地表面沈下を発生させない開放型の簡単な構造とすることで、掘削機のコストを低減することができる。
【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２と、外殻スキンプレート２内に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とを備えている。小断面掘削機１０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の切羽側開口部１０ａに開閉可能に設けた開閉蓋１４と、小断面スキンプレート１１の内側でトンネル軸方向に進退可能に設けられるとともに開閉蓋１４が開いた状態で開放された切羽側開口部１０ａより切羽の地山を掘削するための掘削機構２０とを有している。
【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２と、外殻スキンプレート２内に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とを備えている。小断面掘削機１０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の切羽側開口部１０ａに開閉可能に設けた開閉蓋１４と、小断面スキンプレート１１の内側でトンネル軸方向に進退可能に設けられるとともに開閉蓋１４が開いた状態で開放された切羽側開口部１０ａより切羽の地山を掘削するための掘削機構２０とを有している。
【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開放型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ている。そこで、近年では、矩形断面のトンネルを掘削できるシールド機が使用されている。このような矩形断面シールド掘削機では、円形断面のシールド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うえ、円形のシールド機による場合に比べて浅深度掘削も可能であるので、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１、２参照）。
【０００３】
特許文献１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２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２００５−２４８５４６号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２で開示されている複数台のシールド機では、浅深度を掘削するため、地表面の沈下を防ぐように密閉型のシールド機が使用されている。密閉型のシールド機は、周知のとおり切羽の地山の土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、シールド機の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。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、浅い深度のトンネルであっても地表面沈下を発生させない開放型の簡単な構造とすることで、掘削機のコストを低減することができる開放型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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、筒状をなす外殻体と、外殻体内に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開口部に開閉可能に設けた蓋部材とを有してなり、蓋部材が開いた状態で開放された切羽側開口部より切羽の地山を掘削するように構成されていることを特徴としている。
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に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た開放型トンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、複数台のうち少なくとも１つの小断面掘削機を、その切羽側開口部に開閉可能に設けた蓋部材を開くことにより小断面掘削状態とし、小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、切羽側開口部より切羽の地山を掘削する小断面掘削工程と、他の小断面掘削機のそれぞれの蓋部材を閉じることにより筒状体内を切羽に対して密閉して小断面掘削停止状態とする小断面掘削停止工程とを有することを特徴としている。
本発明では、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機の蓋部材を開いて切羽側開口部を開放して小断面掘削状態するとともに、その他の小断面掘削機は蓋部材を閉めて筒状体内を密閉して小断面掘削停止状態としてから、小断面掘削状態の小断面掘削機を推進させつつ、切羽側開口部より切羽の地山を掘削することができる。このように、トンネル断面の一部の断面のみを開放して掘削することができ、他の部分の断面は蓋部材を閉じることで筒状体内が密閉状態となることから、開放される面積を小さくすることができる。そのため、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みがなくなり、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る。したがって、地表面沈下を発生させないようにして掘削することができる。
【０００７】
また、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、蓋部材には、切羽を押圧する押圧手段が設けられていることが好ましい。
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、小断面掘削機が小断面掘削停止状態のときに、閉じた状態の蓋部材によって切羽を押圧させることが好ましい。
本発明では、小断面掘削機を小断面掘削停止状態とするときに、閉じた状態の蓋部材によって切羽の土水圧に対応する圧力で切羽を押さえることで、切羽の地山を安定させることでができる。
【０００８】
また、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、筒状体の内側には、トンネル軸方向に進退可能に設けられて切羽の地山を掘削するための掘削機構が設けられていることが好ましい。
本発明では、小断面掘削状態の小断面掘削機を推進させつつ、切羽側開口部に例えばショベルなどの掘削機構を前進させ、切羽の地山を掘削することができる。
【０００９】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、複数台すべての小断面掘削機において、小断面掘削工程による掘削を行ったのちに、外殻体を前進させることが好ましい。
本発明では、小断面掘削停止状態とされる他の小断面掘削機についても順次、小断面掘削状態として掘進させ、複数台すべての小断面掘削機を掘進させることで、外殻体によって形成されるトンネル断面の掘削を行い、その後、外殻体を前進させ、再び複数台の小断面掘削機を順次掘進させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、複数台の小断面掘削機のそれぞれの切羽側開口部が蓋部材によって開閉可能であり、開放した小断面掘削機を推進させつつ、切羽の地山を掘削することができる簡単な構造のトンネル掘削機であるので、小断面掘削機にカッタなどに複雑な構造が必要とされる密閉型のシールド機を用いる場合と比べて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台の小断面掘削機の切羽側開口部を開放し、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、浅い深度の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。
さらに、小断面掘削機が例えば正方形状の断面であっても、回転駆動による複雑な機構のカッタを用いることがないことから、コストの低減を図ることができる。
【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開放型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６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全体概要を示す側面図、図２は図１にトンネル掘削機の正面図、図３はトンネル掘削機を上からみた図であって、ショベルによる小断面掘削状態を示す図、図４は同じく小断面掘削停止状態を示す図、図５（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機における掘進工程を示す図、図６（ａ）、（ｂ）は開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
ここで、以下の説明では、トンネルの掘削方向を「前方」、「前端」とし、その反対方向を「後方」、「後端」とする。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態による開放型トンネル掘削機（以下、単に「トンネル掘削機１」とする）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を掘削するためのものであって、比較的、地盤中の水が少なく且つ浅い深度の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を組み立て、組み立て済みのセグメントＳから反力を取って推進するものである。本実施の形態によるトンネル掘削機１の矩形断面は、横方向の長さが縦方向の長さより長い形状となっている。
このトンネル掘削機１の矩形断面は、図２に示す正面視で横方向が縦方向より大きい矩形をなしている。そして、トンネル掘削機１の後方で組み立てられるセグメント形状も、掘削されたトンネルの矩形断面とほぼ同形状をなしている。
【００１３】
具体的には、図１及び図２に示すように、トンネル掘削機１は、断面視矩形の筒体をなす外殻スキンプレート２（外殻体）と、外殻スキンプレート２の後胴部２ａに全周にわたって所定間隔をもって設けられた複数のシールドジャッキ３、３、…と、外殻スキンプレート２の内空側の切羽を分割させた断面からなり、外殻スキンプレート２内にそれぞれ単独で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（１０Ａ〜１０Ｆ）とから概略構成されている。
つまり、小断面掘削機１０は、上下方向に２段で配置され、上段に３台の小断面掘削機１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃが並列配置され、その下段に上段より後方に位置して３台の小断面掘削機１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆが並列配置されている。
【００１４】
図２に示すように、外殻スキンプレート２は、掘削すべきトンネルの矩形断面形状に合致する矩形筒状の外殻体をなしている。
また、隣り合う小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆ同士は、鋼板などからなる内部仕切り壁４によって上下方向及び横方向が仕切られている。すなわち、小断面掘削機１０は、外殻スキンプレート２及び内部仕切り壁４に対してトンネル軸方向に進退可能に設けられている。内部仕切り壁４は、交差する内部仕切り壁４同士、及び外殻スキンプレート２に溶接などの固着手段によって固定されている。
【００１５】
複数のシールドジャッキ３、３、…は、外殻スキンプレート２の後胴部２ａ内面に沿って矩形状に枠組みされたリング支持壁５に取り付けられている。そして、シールドジャッキ３を伸ばしてジャッキ先端部のスプレッダ３ａをセグメントＳに押し付けることにより、外殻スキンプレート２を前方へ推進させる構成となっている。
なお、外殻スキンプレート２の内部にはセグメントＳの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類や補機類が備えられているものとされる。
【００１６】
図１及び図２に示すように、各小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆは、それぞれほぼ同様の構造を備えてなり、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を内側から支持する掘削機本体１２と、小断面スキンプレート１１内で切羽を掘削するための掘削機構２０と、小断面スキンプレート１１の後端部に設けられた推進ジャッキ１３と、小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開閉させるための開閉蓋１４（蓋部材）と、掘削機構２０によって掘削された土砂を後方に送出させる例えばチェーンコンベヤなどからなる移送コンベヤ１５とから概略構成されている。
【００１７】
図１に示す掘削機本体１２は、断面視で角型状の筒体を小断面スキンプレート１１の内周面に沿って枠状に連結配置させた支持枠部１６と、小断面スキンプレート１１の切羽側前端部に設けられた刃口１７と、支持枠部１６の後端部に設けられた支持部１８が設けられている。支持枠部１６の角型形状の四隅には、支持部１８を介して推進ジャッキ１３、１３、…の一端が設けられている。
刃口１７は、切羽外周側が刃先（頂部１７ａ）となるように小断面スキンプレート１１の内側から外側に向けて傾斜する傾斜面を有している。
【００１８】
推進ジャッキ１３は、上述したように一端が支持枠部１６に固定され、他端が外殻スキンプレート２の略中胴部２ｂに固定されている。つまり、外殻スキンプレート２が固定されている状態で、推進ジャッキ１３を伸長させると小断面掘削機１０の小断面スキンプレート１１及び掘削機本体１２が前進する構成となっている。
【００１９】
また、移送コンベヤ１５は、小断面掘削機１０の底盤部に配置され、その後端部の位置で、例えば小断面掘削機１０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。
【００２０】
図１、図３及び図４に示すように、掘削機構２０は、外殻スキンプレート２の中胴部２ｂの内周面にトンネル軸方向にスライド可能に設けられた移動架台２１と、移動架台２１に設けられたショベル２２とからなる。ここで、移動架台２１の位置は、推進ジャッキ１３より後方で、シールドジャッキ３より前方の位置とされる。
ショベル２２は、ブーム２２ａとバケット２２ｂとからなり、シリンダによって小断面掘削機１０の断面範囲を掘削及び掘削土砂の積み込み行えるように任意に動かすことができるようになっている。
【００２１】
図１に示す開閉蓋１４は、小断面掘削機１０の内空を閉塞する大きさに形成された平板形状をなし、その一端１４ｂが小断面スキンプレート１１の前方上部に回動可能に支持されている。小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを塞ぐ位置であって開閉蓋１４を閉じた状態のときには、小断面スキンプレート１１内が切羽に対して密閉された状態となる。また、開閉蓋１４が開いた状態のときには、切羽側開口部１０ａが開放された状態となり、掘削機構２０によって切羽の地山を掘削できるように構成されている。
【００２２】
次に、上述したトンネル掘削機１の作用および掘進方法について図面に基づいて説明する。
先ず、図５（ａ）に示すように、複数台のうち１つの小断面掘削機１０（例えばこれを符号１０Ａとする）の開閉蓋１４を開いた状態（開閉蓋１４の側面を小断面スキンプレート１１側に寄せた位置）とし、小断面掘削機１０Ａの切羽側開口部１０ａを開放する（この状態を「小断面掘削状態」という）。そして、他の小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆ（図２参照）は、それぞれ開閉蓋１４を閉じた状態とし、切羽側開口部１０ａを閉塞して各小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆの内部を密閉する（この状態を「小断面掘削停止状態」という）。なお、小断面掘削停止状態となる小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆでは、閉じた状態の開閉蓋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、切羽の地山が安定された状態となっている（詳しくは後述する、図６（ａ）、（ｂ）参照。）。
つまり、この状態において、図２に示すように、本トンネル掘削機１の矩形断面のうち１つの小断面掘削機１０Ａのみが開放された状態となっている。
【００２３】
そして、図５（ｂ）に示すように、切羽側開口部１０ａを開放した小断面掘削機１０Ａの掘削を行う（小断面掘削工程）。具体的には、停止状態の外殻スキンプレート２に反力を取って推進ジャッキ１３、１３、…を伸長駆動させ、刃口１７を地山に挿入させる。それとともに、掘削機構２０のショベル２２を移動架台２１（図１参照）によって小断面スキンプレート１１の前胴部１１ａ側に移動させ、ショベル２２によって切羽側開口部１０ａにおける切羽の地山を掘削する。そして、その掘削土砂を小断面掘削機１０Ａ内に取り込み、移送コンベヤ１５によってトンネル後方に搬出する。なお、このときの小断面掘削機１０Ａ内の掘削量は、開閉蓋１４を閉じることができる程度とされる。
【００２４】
このようにして、そのジッャキストロークに対応する長さだけ小断面スキンプレート１１と支持枠部１６（図１〜図４参照））とを推進させる。このとき、前進する小断面スキンプレート１１は、その周囲に位置する外殻スキンプレート２および内部仕切り壁４をガイドにしてトンネル軸方向に移動することになる。
【００２５】
次に、図５（ｃ）に示すように、小断面掘削機１０Ａの掘進が完了し、ショベル２２を後方（回動する開閉蓋１４とショベル２２とが干渉しない位置）に退避させた後、開閉蓋１４を閉じ、小断面掘削機１０Ａ内を切羽に対して密閉状態、すなわち小断面掘削停止状態にする。そして、閉じた状態の開閉蓋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（小断面掘削停止工程）。
具体的には、図６（ａ）に示すように開閉蓋１４を閉めた後に、図６（ｂ）に示すように小断面掘削機１０Ａの小断面スキンプレート１１を推進ジャッキ１３によって前進させ、閉じた状態の開閉蓋１４によって切羽の土水圧をに対応する圧力で切羽を押さえて、切羽の地山を安定させるようにする。なお、このときの圧力管理は、推進ジャッキ１３（本発明の「押圧手段」に相当する）の圧力で管理することができる。
【００２６】
続いて、図２に示すように、小断面掘削停止状態となっている矩形断面の上段中央部に位置する符号１０Ｂの小断面掘削機を小断面掘削状態とし、上述した５（ａ）〜（ｃ）の手順で同様に掘進させる。このとき、符号１０Ａを含む他の小断面掘削機１０Ａ、１０Ｃ〜１０Ｆは小断面掘削停止状態となっている。さらに、符号１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆの小断面掘削機の順で掘進させ、すべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄにおける掘進を完了させる。
【００２７】
その後、図５（ｄ）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３、３、…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２を前進させると同時に、そのときの移動速度に合わせた速度ですべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄ（図２参照）の推進ジャッキ１３を収縮させる。
【００２８】
次いで、適宜必要な本数のシールドジャッキ３を縮め、その縮めたシールドジャッキ３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。ここまでが図１に示すトンネル掘削機１における１ストロークの掘進工程であり、この工程を順次繰り返すことで、矩形断面をなすトンネルが掘削されることになる。
【００２９】
そして、本実施の形態では、上段に位置する小断面掘削機１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが下段に位置する小断面掘削機１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆより前方に張り出した構造であるうえ、各小断面掘削機１０の掘進時においても上段の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃを先行させてトンネル上部を掘削させ、その後に下段の小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆを掘進させてトンネル下部を掘削する方法であるので、上段の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃが先受け構造をなし、下段の小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆにおける掘進時に切羽を安定させて掘削することができる。
【００３０】
また、トンネル断面の一部の断面のみを開放して掘削することができ、他の部分の断面は開閉蓋１４を閉じることで小断面スキンプレート１１内が密閉状態となることから、開放される面積を小さくすることができる。つまり、１回に掘削するトンネルの面積が、矩形断面の一部（本実施の形態では６分割、つまり１／６の掘削面積）となる。そのため、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みがなくなり、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る。したがって、地表面沈下を発生させないようにして掘削することができる。
【００３１】
上述のように本実施の形態による開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、複数台の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆのそれぞれの切羽側開口部１０ａが開閉蓋１４によって開閉可能であり、開放した小断面掘削機１０を推進させつつ、切羽の地山を掘削することができる簡単な構造のトンネル掘削機１であるので、小断面掘削機にカッタなどに複雑な構造が必要とされる密閉型のシールド機を用いる場合と比べて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１台の小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開放し、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、浅い深度の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。
さらに、小断面掘削機１０が正方形状の断面であっても、回転駆動による複雑な機構のカッタを用いることがないことから、コストの低減を図ることができる。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態の変形例について、図７乃至図９に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図７は本実施の形態の第一変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図、図８は図７に示す密閉袋の設置状態の拡大図、図９は第二変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【００３３】
図７及び図８に示す第一変形例は、小断面掘削機１０の開閉蓋１４を閉めた後に、掘削部分（すなわち地山）の土水圧に対応する圧力で押圧する他の方法である。その押圧手段は、開閉蓋１４の切羽側面１４ａに土水圧以上の耐圧を有するとともに膨張可能な複数の密閉袋３１、３１、…をそれぞれ固定板３２を介して取り付け、各密閉袋３１のさらに切羽側に金属製からなる当接板３３を固定させている。そして、開閉蓋１４には、その厚さ方向に貫通するとともに、密閉袋３１の内部に連通する貫通孔３４が形成されている。そして、隣り合う密閉袋３１、３１同士は、膨張した状態で隙間無く密着するように配置されている。
【００３４】
開閉蓋１４で切羽（地山）を押さえる方法は、開閉蓋１４を閉じた状態とし、貫通孔３４から密閉袋３１内にエア、或いは水などの液体を土水圧に対応する圧力で注入する。なお、貫通孔３４は、例えばバルブなどを設けることで開閉可能な状態としておく。このように密閉袋３１を膨張させることにより当接板３３で切羽の地山を押圧させることができる。
なお、密閉袋３１は複数であることに限定されることはなく、開閉蓋１４の切羽側面１４ａ全面にわたって設けられる１つの密閉袋３１であってもかまわない。また、当接板３３が固定されていないものであってもよい。
【００３５】
また、図９に示す第二変形例は、小断面掘削機１０の開閉蓋１４を閉めた後に、掘削部分（すなわち地山）の土水圧に対応する圧力で押圧するさらに別の方法（押圧手段）であって、開閉蓋１４にはその厚さ方向に貫通する注入孔３５が形成されている。この注入孔３５は、開閉蓋１４を閉じた状態でその上方に配置されている。そして、開閉蓋１４と切羽の地山Ｇとの隙間に、所定時間の経過後に固化するモルタル、或いはゲル状の固化材３６を土水圧に対応する圧力で注入する方法である。
【００３６】
以上、本発明による開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態および変形例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、本実施の形態では小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの順番で掘進させているがこれに限定されることはなく、どのような順番であってもかまわない。
【００３７】
そして、本実施の形態では矩形断面を６分割で上下に２段とし、上下段のそれぞれに３台ずつ小断面掘削機１０を配置される構成としているが、このような分割数、分割形態に限定されることはない。要は、矩形断面の形状などに対応させ、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。
また、小断面掘削機１０を１台つずつ開放して小断面掘削状態として掘進する方法としているが、これに制限されることはなく、例えば２台の小断面掘削機１０を同時に掘進させたり、或いは上段に配置される小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃを同時に開放して掘削するようにしてもかまわない。要は、小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開放して掘削するため、切羽に崩落が生じて地山が安定しなくなり、それが地表面に影響するといったことがないように少なくとも１台の小断面掘削機１０を小断面掘削停止状態にしつつ、他の小断面掘削機１０を小断面掘削状態にして掘削できればよいのである。
【００３８】
さらに、本実施の形態ではショベル２２を備えて移動架台２１によってトンネル軸方向に進退できる構成の掘削機構２０を使用しているが、このような形態に限定されることはなく、例えば小断面掘削機の内空部にミニショベルやバックホウなどの掘削用重機を配置できる大きさである場合には、その掘削用重機によって掘削、積み込みするようにしてもよい。また、掘削用の機械が配置できない場合などは、人力による掘削方法としてもかまわない。
【００３９】
さらにまた、本実施の形態では１台の小断面掘削機１０を掘進した後に、他の小断面掘削機１０を掘進するようにしているが、先行する小断面掘削機１０の掘進中に、他の小断面掘削機１０の開閉蓋１４を開いて切羽側開口部１０ａを開放して２台同時に掘進させるようにしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の全体概要を示す側面図である。
【図２】図１にトンネル掘削機の正面図である。
【図３】トンネル掘削機を上からみた図であって、ショベルによって掘削中の状態を示す図である。
【図４】トンネル掘削機を上からみた図であって、掘削停止の状態を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機における掘進工程を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【図７】本実施の形態の第一変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【図８】図７に示す密閉袋の設置状態の拡大図である。
【図９】第二変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ トンネル掘削機
２ 外殻スキンプレート（外殻体）
３ シールドジャッキ
４ 内部仕切り壁
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 掘削機本体
１３ 推進ジャッキ
１４ 開閉蓋（蓋部材）
１７ 刃口
２０ 掘削機構
２２ ショベル
３１ 密閉袋
３５ 注入孔
３６ 固化材
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開放型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ている。そこで、近年では、矩形断面のトンネルを掘削できるシールド機が使用されている。このような矩形断面シールド掘削機では、円形断面のシールド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うえ、円形のシールド機による場合に比べて浅深度掘削も可能であるので、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１、２参照）。
【０００３】
特許文献１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２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２００５−２４８５４６号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２で開示されている複数台のシールド機では、浅深度を掘削するため、地表面の沈下を防ぐように密閉型のシールド機が使用されている。密閉型のシールド機は、周知のとおり切羽の地山の土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、シールド機の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。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、浅い深度のトンネルであっても地表面沈下を発生させない開放型の簡単な構造とすることで、掘削機のコストを低減することができる開放型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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、筒状をなす外殻体と、外殻体内に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開口部に開閉可能に設けた蓋部材とを有してなり、蓋部材が開いた状態で開放された切羽側開口部より切羽の地山を掘削するように構成されていることを特徴としている。
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に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た開放型トンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、複数台のうち少なくとも１つの小断面掘削機を、その切羽側開口部に開閉可能に設けた蓋部材を開くことにより小断面掘削状態とし、小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、切羽側開口部より切羽の地山を掘削する小断面掘削工程と、他の小断面掘削機のそれぞれの蓋部材を閉じることにより筒状体内を切羽に対して密閉して小断面掘削停止状態とする小断面掘削停止工程とを有することを特徴としている。
本発明では、複数台のうち例えば１台の小断面掘削機の蓋部材を開いて切羽側開口部を開放して小断面掘削状態するとともに、その他の小断面掘削機は蓋部材を閉めて筒状体内を密閉して小断面掘削停止状態としてから、小断面掘削状態の小断面掘削機を推進させつつ、切羽側開口部より切羽の地山を掘削することができる。このように、トンネル断面の一部の断面のみを開放して掘削することができ、他の部分の断面は蓋部材を閉じることで筒状体内が密閉状態となることから、開放される面積を小さくすることができる。そのため、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みがなくなり、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る。したがって、地表面沈下を発生させないようにして掘削することができる。
【０００７】
また、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、蓋部材には、切羽を押圧する押圧手段が設けられていることが好ましい。
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、小断面掘削機が小断面掘削停止状態のときに、閉じた状態の蓋部材によって切羽を押圧させることが好ましい。
本発明では、小断面掘削機を小断面掘削停止状態とするときに、閉じた状態の蓋部材によって切羽の土水圧に対応する圧力で切羽を押さえることで、切羽の地山を安定させることでができる。
【０００８】
また、本発明に係る開放型トンネル掘削機では、筒状体の内側には、トンネル軸方向に進退可能に設けられて切羽の地山を掘削するための掘削機構が設けられていることが好ましい。
本発明では、小断面掘削状態の小断面掘削機を推進させつつ、切羽側開口部に例えばショベルなどの掘削機構を前進させ、切羽の地山を掘削することができる。
【０００９】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、複数台すべての小断面掘削機において、小断面掘削工程による掘削を行ったのちに、外殻体を前進させることが好ましい。
本発明では、小断面掘削停止状態とされる他の小断面掘削機についても順次、小断面掘削状態として掘進させ、複数台すべての小断面掘削機を掘進させることで、外殻体によって形成されるトンネル断面の掘削を行い、その後、外殻体を前進させ、再び複数台の小断面掘削機を順次掘進させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、複数台の小断面掘削機のそれぞれの切羽側開口部が蓋部材によって開閉可能であり、開放した小断面掘削機を推進させつつ、切羽の地山を掘削することができる簡単な構造のトンネル掘削機であるので、小断面掘削機にカッタなどに複雑な構造が必要とされる密閉型のシールド機を用いる場合と比べて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台の小断面掘削機の切羽側開口部を開放し、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、浅い深度の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。
さらに、小断面掘削機が例えば正方形状の断面であっても、回転駆動による複雑な機構のカッタを用いることがないことから、コストの低減を図ることができる。
【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開放型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６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全体概要を示す側面図、図２は図１にトンネル掘削機の正面図、図３はトンネル掘削機を上からみた図であって、ショベルによる小断面掘削状態を示す図、図４は同じく小断面掘削停止状態を示す図、図５（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機における掘進工程を示す図、図６（ａ）、（ｂ）は開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
ここで、以下の説明では、トンネルの掘削方向を「前方」、「前端」とし、その反対方向を「後方」、「後端」とする。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態による開放型トンネル掘削機（以下、単に「トンネル掘削機１」とする）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を掘削するためのものであって、比較的、地盤中の水が少なく且つ浅い深度の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を組み立て、組み立て済みのセグメントＳから反力を取って推進するものである。本実施の形態によるトンネル掘削機１の矩形断面は、横方向の長さが縦方向の長さより長い形状となっている。
このトンネル掘削機１の矩形断面は、図２に示す正面視で横方向が縦方向より大きい矩形をなしている。そして、トンネル掘削機１の後方で組み立てられるセグメント形状も、掘削されたトンネルの矩形断面とほぼ同形状をなしている。
【００１３】
具体的には、図１及び図２に示すように、トンネル掘削機１は、断面視矩形の筒体をなす外殻スキンプレート２（外殻体）と、外殻スキンプレート２の後胴部２ａに全周にわたって所定間隔をもって設けられた複数のシールドジャッキ３、３、…と、外殻スキンプレート２の内空側の切羽を分割させた断面からなり、外殻スキンプレート２内にそれぞれ単独で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（１０Ａ〜１０Ｆ）とから概略構成されている。
つまり、小断面掘削機１０は、上下方向に２段で配置され、上段に３台の小断面掘削機１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃが並列配置され、その下段に上段より後方に位置して３台の小断面掘削機１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆが並列配置されている。
【００１４】
図２に示すように、外殻スキンプレート２は、掘削すべきトンネルの矩形断面形状に合致する矩形筒状の外殻体をなしている。
また、隣り合う小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆ同士は、鋼板などからなる内部仕切り壁４によって上下方向及び横方向が仕切られている。すなわち、小断面掘削機１０は、外殻スキンプレート２及び内部仕切り壁４に対してトンネル軸方向に進退可能に設けられている。内部仕切り壁４は、交差する内部仕切り壁４同士、及び外殻スキンプレート２に溶接などの固着手段によって固定されている。
【００１５】
複数のシールドジャッキ３、３、…は、外殻スキンプレート２の後胴部２ａ内面に沿って矩形状に枠組みされたリング支持壁５に取り付けられている。そして、シールドジャッキ３を伸ばしてジャッキ先端部のスプレッダ３ａをセグメントＳに押し付けることにより、外殻スキンプレート２を前方へ推進させる構成となっている。
なお、外殻スキンプレート２の内部にはセグメントＳの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類や補機類が備えられているものとされる。
【００１６】
図１及び図２に示すように、各小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆは、それぞれほぼ同様の構造を備えてなり、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を内側から支持する掘削機本体１２と、小断面スキンプレート１１内で切羽を掘削するための掘削機構２０と、小断面スキンプレート１１の後端部に設けられた推進ジャッキ１３と、小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開閉させるための開閉蓋１４（蓋部材）と、掘削機構２０によって掘削された土砂を後方に送出させる例えばチェーンコンベヤなどからなる移送コンベヤ１５とから概略構成されている。
【００１７】
図１に示す掘削機本体１２は、断面視で角型状の筒体を小断面スキンプレート１１の内周面に沿って枠状に連結配置させた支持枠部１６と、小断面スキンプレート１１の切羽側前端部に設けられた刃口１７と、支持枠部１６の後端部に設けられた支持部１８が設けられている。支持枠部１６の角型形状の四隅には、支持部１８を介して推進ジャッキ１３、１３、…の一端が設けられている。
刃口１７は、切羽外周側が刃先（頂部１７ａ）となるように小断面スキンプレート１１の内側から外側に向けて傾斜する傾斜面を有している。
【００１８】
推進ジャッキ１３は、上述したように一端が支持枠部１６に固定され、他端が外殻スキンプレート２の略中胴部２ｂに固定されている。つまり、外殻スキンプレート２が固定されている状態で、推進ジャッキ１３を伸長させると小断面掘削機１０の小断面スキンプレート１１及び掘削機本体１２が前進する構成となっている。
【００１９】
また、移送コンベヤ１５は、小断面掘削機１０の底盤部に配置され、その後端部の位置で、例えば小断面掘削機１０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。
【００２０】
図１、図３及び図４に示すように、掘削機構２０は、外殻スキンプレート２の中胴部２ｂの内周面にトンネル軸方向にスライド可能に設けられた移動架台２１と、移動架台２１に設けられたショベル２２とからなる。ここで、移動架台２１の位置は、推進ジャッキ１３より後方で、シールドジャッキ３より前方の位置とされる。
ショベル２２は、ブーム２２ａとバケット２２ｂとからなり、シリンダによって小断面掘削機１０の断面範囲を掘削及び掘削土砂の積み込み行えるように任意に動かすことができるようになっている。
【００２１】
図１に示す開閉蓋１４は、小断面掘削機１０の内空を閉塞する大きさに形成された平板形状をなし、その一端１４ｂが小断面スキンプレート１１の前方上部に回動可能に支持されている。小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを塞ぐ位置であって開閉蓋１４を閉じた状態のときには、小断面スキンプレート１１内が切羽に対して密閉された状態となる。また、開閉蓋１４が開いた状態のときには、切羽側開口部１０ａが開放された状態となり、掘削機構２０によって切羽の地山を掘削できるように構成されている。
【００２２】
次に、上述したトンネル掘削機１の作用および掘進方法について図面に基づいて説明する。
先ず、図５（ａ）に示すように、複数台のうち１つの小断面掘削機１０（例えばこれを符号１０Ａとする）の開閉蓋１４を開いた状態（開閉蓋１４の側面を小断面スキンプレート１１側に寄せた位置）とし、小断面掘削機１０Ａの切羽側開口部１０ａを開放する（この状態を「小断面掘削状態」という）。そして、他の小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆ（図２参照）は、それぞれ開閉蓋１４を閉じた状態とし、切羽側開口部１０ａを閉塞して各小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆの内部を密閉する（この状態を「小断面掘削停止状態」という）。なお、小断面掘削停止状態となる小断面掘削機１０Ｂ〜１０Ｆでは、閉じた状態の開閉蓋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、切羽の地山が安定された状態となっている（詳しくは後述する、図６（ａ）、（ｂ）参照。）。
つまり、この状態において、図２に示すように、本トンネル掘削機１の矩形断面のうち１つの小断面掘削機１０Ａのみが開放された状態となっている。
【００２３】
そして、図５（ｂ）に示すように、切羽側開口部１０ａを開放した小断面掘削機１０Ａの掘削を行う（小断面掘削工程）。具体的には、停止状態の外殻スキンプレート２に反力を取って推進ジャッキ１３、１３、…を伸長駆動させ、刃口１７を地山に挿入させる。それとともに、掘削機構２０のショベル２２を移動架台２１（図１参照）によって小断面スキンプレート１１の前胴部１１ａ側に移動させ、ショベル２２によって切羽側開口部１０ａにおける切羽の地山を掘削する。そして、その掘削土砂を小断面掘削機１０Ａ内に取り込み、移送コンベヤ１５によってトンネル後方に搬出する。なお、このときの小断面掘削機１０Ａ内の掘削量は、開閉蓋１４を閉じることができる程度とされる。
【００２４】
このようにして、そのジッャキストロークに対応する長さだけ小断面スキンプレート１１と支持枠部１６（図１〜図４参照））とを推進させる。このとき、前進する小断面スキンプレート１１は、その周囲に位置する外殻スキンプレート２および内部仕切り壁４をガイドにしてトンネル軸方向に移動することになる。
【００２５】
次に、図５（ｃ）に示すように、小断面掘削機１０Ａの掘進が完了し、ショベル２２を後方（回動する開閉蓋１４とショベル２２とが干渉しない位置）に退避させた後、開閉蓋１４を閉じ、小断面掘削機１０Ａ内を切羽に対して密閉状態、すなわち小断面掘削停止状態にする。そして、閉じた状態の開閉蓋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（小断面掘削停止工程）。
具体的には、図６（ａ）に示すように開閉蓋１４を閉めた後に、図６（ｂ）に示すように小断面掘削機１０Ａの小断面スキンプレート１１を推進ジャッキ１３によって前進させ、閉じた状態の開閉蓋１４によって切羽の土水圧をに対応する圧力で切羽を押さえて、切羽の地山を安定させるようにする。なお、このときの圧力管理は、推進ジャッキ１３（本発明の「押圧手段」に相当する）の圧力で管理することができる。
【００２６】
続いて、図２に示すように、小断面掘削停止状態となっている矩形断面の上段中央部に位置する符号１０Ｂの小断面掘削機を小断面掘削状態とし、上述した５（ａ）〜（ｃ）の手順で同様に掘進させる。このとき、符号１０Ａを含む他の小断面掘削機１０Ａ、１０Ｃ〜１０Ｆは小断面掘削停止状態となっている。さらに、符号１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆの小断面掘削機の順で掘進させ、すべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄにおける掘進を完了させる。
【００２７】
その後、図５（ｄ）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３、３、…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２を前進させると同時に、そのときの移動速度に合わせた速度ですべての小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｄ（図２参照）の推進ジャッキ１３を収縮させる。
【００２８】
次いで、適宜必要な本数のシールドジャッキ３を縮め、その縮めたシールドジャッキ３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。ここまでが図１に示すトンネル掘削機１における１ストロークの掘進工程であり、この工程を順次繰り返すことで、矩形断面をなすトンネルが掘削されることになる。
【００２９】
そして、本実施の形態では、上段に位置する小断面掘削機１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが下段に位置する小断面掘削機１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆより前方に張り出した構造であるうえ、各小断面掘削機１０の掘進時においても上段の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃを先行させてトンネル上部を掘削させ、その後に下段の小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆを掘進させてトンネル下部を掘削する方法であるので、上段の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃが先受け構造をなし、下段の小断面掘削機１０Ｄ〜１０Ｆにおける掘進時に切羽を安定させて掘削することができる。
【００３０】
また、トンネル断面の一部の断面のみを開放して掘削することができ、他の部分の断面は開閉蓋１４を閉じることで小断面スキンプレート１１内が密閉状態となることから、開放される面積を小さくすることができる。つまり、１回に掘削するトンネルの面積が、矩形断面の一部（本実施の形態では６分割、つまり１／６の掘削面積）となる。そのため、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みがなくなり、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る。したがって、地表面沈下を発生させないようにして掘削することができる。
【００３１】
上述のように本実施の形態による開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、複数台の小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆのそれぞれの切羽側開口部１０ａが開閉蓋１４によって開閉可能であり、開放した小断面掘削機１０を推進させつつ、切羽の地山を掘削することができる簡単な構造のトンネル掘削機１であるので、小断面掘削機にカッタなどに複雑な構造が必要とされる密閉型のシールド機を用いる場合と比べて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１台の小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開放し、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、浅い深度の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。
さらに、小断面掘削機１０が正方形状の断面であっても、回転駆動による複雑な機構のカッタを用いることがないことから、コストの低減を図ることができる。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態の変形例について、図７乃至図９に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図７は本実施の形態の第一変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図、図８は図７に示す密閉袋の設置状態の拡大図、図９は第二変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【００３３】
図７及び図８に示す第一変形例は、小断面掘削機１０の開閉蓋１４を閉めた後に、掘削部分（すなわち地山）の土水圧に対応する圧力で押圧する他の方法である。その押圧手段は、開閉蓋１４の切羽側面１４ａに土水圧以上の耐圧を有するとともに膨張可能な複数の密閉袋３１、３１、…をそれぞれ固定板３２を介して取り付け、各密閉袋３１のさらに切羽側に金属製からなる当接板３３を固定させている。そして、開閉蓋１４には、その厚さ方向に貫通するとともに、密閉袋３１の内部に連通する貫通孔３４が形成されている。そして、隣り合う密閉袋３１、３１同士は、膨張した状態で隙間無く密着するように配置されている。
【００３４】
開閉蓋１４で切羽（地山）を押さえる方法は、開閉蓋１４を閉じた状態とし、貫通孔３４から密閉袋３１内にエア、或いは水などの液体を土水圧に対応する圧力で注入する。なお、貫通孔３４は、例えばバルブなどを設けることで開閉可能な状態としておく。このように密閉袋３１を膨張させることにより当接板３３で切羽の地山を押圧させることができる。
なお、密閉袋３１は複数であることに限定されることはなく、開閉蓋１４の切羽側面１４ａ全面にわたって設けられる１つの密閉袋３１であってもかまわない。また、当接板３３が固定されていないものであってもよい。
【００３５】
また、図９に示す第二変形例は、小断面掘削機１０の開閉蓋１４を閉めた後に、掘削部分（すなわち地山）の土水圧に対応する圧力で押圧するさらに別の方法（押圧手段）であって、開閉蓋１４にはその厚さ方向に貫通する注入孔３５が形成されている。この注入孔３５は、開閉蓋１４を閉じた状態でその上方に配置されている。そして、開閉蓋１４と切羽の地山Ｇとの隙間に、所定時間の経過後に固化するモルタル、或いはゲル状の固化材３６を土水圧に対応する圧力で注入する方法である。
【００３６】
以上、本発明による開放型トンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態および変形例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、本実施の形態では小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｆの順番で掘進させているがこれに限定されることはなく、どのような順番であってもかまわない。
【００３７】
そして、本実施の形態では矩形断面を６分割で上下に２段とし、上下段のそれぞれに３台ずつ小断面掘削機１０を配置される構成としているが、このような分割数、分割形態に限定されることはない。要は、矩形断面の形状などに対応させ、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。
また、小断面掘削機１０を１台つずつ開放して小断面掘削状態として掘進する方法としているが、これに制限されることはなく、例えば２台の小断面掘削機１０を同時に掘進させたり、或いは上段に配置される小断面掘削機１０Ａ〜１０Ｃを同時に開放して掘削するようにしてもかまわない。要は、小断面掘削機１０の切羽側開口部１０ａを開放して掘削するため、切羽に崩落が生じて地山が安定しなくなり、それが地表面に影響するといったことがないように少なくとも１台の小断面掘削機１０を小断面掘削停止状態にしつつ、他の小断面掘削機１０を小断面掘削状態にして掘削できればよいのである。
【００３８】
さらに、本実施の形態ではショベル２２を備えて移動架台２１によってトンネル軸方向に進退できる構成の掘削機構２０を使用しているが、このような形態に限定されることはなく、例えば小断面掘削機の内空部にミニショベルやバックホウなどの掘削用重機を配置できる大きさである場合には、その掘削用重機によって掘削、積み込みするようにしてもよい。また、掘削用の機械が配置できない場合などは、人力による掘削方法としてもかまわない。
【００３９】
さらにまた、本実施の形態では１台の小断面掘削機１０を掘進した後に、他の小断面掘削機１０を掘進するようにしているが、先行する小断面掘削機１０の掘進中に、他の小断面掘削機１０の開閉蓋１４を開いて切羽側開口部１０ａを開放して２台同時に掘進させるようにしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の全体概要を示す側面図である。
【図２】図１にトンネル掘削機の正面図である。
【図３】トンネル掘削機を上からみた図であって、ショベルによって掘削中の状態を示す図である。
【図４】トンネル掘削機を上からみた図であって、掘削停止の状態を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機における掘進工程を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【図７】本実施の形態の第一変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【図８】図７に示す密閉袋の設置状態の拡大図である。
【図９】第二変形例による開閉蓋によって切羽を押さえる方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ トンネル掘削機
２ 外殻スキンプレート（外殻体）
３ シールドジャッキ
４ 内部仕切り壁
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 掘削機本体
１３ 推進ジャッキ
１４ 開閉蓋（蓋部材）
１７ 刃口
２０ 掘削機構
２２ ショベル
３１ 密閉袋
３５ 注入孔
３６ 固化材
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、
前記外殻体内に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開口部に開閉可能に設けた蓋部材とを有してなり、
前記蓋部材が開いた状態で開放された前記切羽側開口部より切羽の地山を掘削するように構成されていることを特徴とする開放型トンネル掘削機。
【請求項２】
前記蓋部材には、前記切羽を押圧する押圧手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の開放型トンネル掘削機。
【請求項３】
前記筒状体の内側には、トンネル軸方向に進退可能に設けられて前記切羽の地山を掘削するための掘削機構が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の開放型トンネル掘削機。
【請求項４】
筒状をなす外殻体内に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た開放型トンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、
複数台のうち少なくとも１つの小断面掘削機を、その切羽側開口部に開閉可能に設けた蓋部材を開くことにより小断面掘削状態とし、前記小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、前記切羽側開口部より切羽の地山を掘削する小断面掘削工程と、
他の小断面掘削機のそれぞれの蓋部材を閉じることにより前記筒状体内を切羽に対して密閉して小断面掘削停止状態とする小断面掘削停止工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項５】
前記複数台すべての小断面掘削機において、前記小断面掘削工程による掘削を行ったのちに、前記外殻体を前進させることを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削方法。
【請求項６】
前記小断面掘削機が前記小断面掘削停止状態のときに、閉じた状態の前記蓋部材によって切羽を押圧させることを特徴とする請求項４又は５に記載のトンネル掘削方法。
【請求項１】
筒状をなす外殻体と、
前記外殻体内に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開口部に開閉可能に設けた蓋部材とを有してなり、
前記蓋部材が開いた状態で開放された前記切羽側開口部より切羽の地山を掘削するように構成されていることを特徴とする開放型トンネル掘削機。
【請求項２】
前記蓋部材には、前記切羽を押圧する押圧手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の開放型トンネル掘削機。
【請求項３】
前記筒状体の内側には、トンネル軸方向に進退可能に設けられて前記切羽の地山を掘削するための掘削機構が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の開放型トンネル掘削機。
【請求項４】
筒状をなす外殻体内に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た開放型トンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法であって、
複数台のうち少なくとも１つの小断面掘削機を、その切羽側開口部に開閉可能に設けた蓋部材を開くことにより小断面掘削状態とし、前記小断面掘削機の筒状体を前進させるとともに、前記切羽側開口部より切羽の地山を掘削する小断面掘削工程と、
他の小断面掘削機のそれぞれの蓋部材を閉じることにより前記筒状体内を切羽に対して密閉して小断面掘削停止状態とする小断面掘削停止工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項５】
前記複数台すべての小断面掘削機において、前記小断面掘削工程による掘削を行ったのちに、前記外殻体を前進させることを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削方法。
【請求項６】
前記小断面掘削機が前記小断面掘削停止状態のときに、閉じた状態の前記蓋部材によって切羽を押圧させることを特徴とする請求項４又は５に記載のトンネル掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１３５８２（Ｐ２００９−１３５８２Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７２９４８（Ｐ２００７−１７２９４８）
【出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（３０４０３９０６５）カヤバ システム マシナリー株式会社 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（３０４０３９０６５）カヤバ システム マシナリー株式会社 (185)
【Ｆターム（参考）】
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