(57)【要約】【課題】立坑の構築が不要とすることで、工期を短縮できるとともに工事費の低減を図ることができる。【解決手段】反力受を地上に設置し、反力受に推進反力をとってシールド掘削機を掘進するとともに、開削区間ではシールド掘削機と反力受との間に本設覆工体１８ａと仮設覆工体１８ｂを形成し、土被り区間では本設覆工体１８ａを形成し、その後、開削区間の地上の仮設覆工体１８ｂを撤去することで、地上から発進して地下トンネルを構築するようにした。【選択図】図５
2010059787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド掘削機を用いて地上から発進して地下トンネルを構築する方法であって、
反力受を地上に設置し、反力受に推進反力をとって前記シールド掘削機を掘進するとともに、
開削区間では前記シールド掘削機と前記反力受との間に本設覆工体と仮設覆工体を形成し、
土被り区間では前記本設覆工体を形成し、
その後、前記開削区間の地上の前記仮設覆工体を撤去することを特徴とする地下トンネルの築造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下トンネルの築造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法によるシールド掘削機の発進では、発進箇所の土被りが小さいと、カッタ周囲の地盤の崩落や地表面沈下などを引き起こす可能性が高い。このため、通常は安全性を重視して、必要な土被りを確保した立坑から発進するのが一般的である。なお、上記に示す必要な土被りとは、地表面からシールド掘削機上端までの高さで、通常シールド掘削機外径の０．５〜１．０倍である。
さらに、鉄道や道路のトンネルの場合には、地上からトンネルに移行するまでのアプローチトンネルが必要となり、このアプローチトンネルとなる地上から立坑までの掘削を通常は開削工法によって施工している。
立坑による発進方法は、立坑の構築後に、シールド掘削機で切削する発進箇所に地山改良を施して、地山崩落や地下水の流出を抑える。そして、立坑の坑壁のコンクリートを人力により切削しておき、シールド掘削機を所定の発進位置に段取りして発進準備をする。
このような立坑の発進工程を短縮するために、例えば特許文献１では、シールド掘削機によって立坑の坑壁を切削しながら発進できる方法が提案されている。これによると、シールド掘削機で切削する範囲の坑壁のコンクリートは、立坑構築時に予め鉄筋の代わりにシールド掘削機のカッタで切削可能な繊維樹脂製の部材を使用する。こうして形成されたコンクリート壁体により、シールド掘削機は、立坑から直接坑壁を切削しながら発進できるため、発進工程を簡略化でき工期を短縮できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−２０３５９０号公報
【発明の概要】
【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の立坑を切削する発進方法を含め、立坑をシールド掘削機の発進基地とする方法では、立坑を構築するための作業工程と工事費が必要となる欠点がある。さらに、アプローチトンネルを必要とする場合には、開削工事の工程が増えるために、工期が長期化し、工事費が増加するという問題がある。
それにもかかわらず、上述したように、現状のシールド掘削機によって地上や低土被り区間から発進して掘削すると、切羽の崩落や地表面沈下といった問題を引き起こす可能性が高いため、工期やコストが増加しても従来のように立坑から発進する方法をとらざるを得なかった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、立坑の構築を不要とすることで、工期短縮ができるとともに工事費の低減を図ることができる地下トンネルの築造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、本発明に係る地下トンネルの築造方法では、シールド掘削機を用いて地上から発進して地下トンネルを構築する方法であって、反力受を地上に設置し、反力受に推進反力をとってシールド掘削機を掘進するとともに、開削区間ではシールド掘削機と反力受との間に本設覆工体と仮設覆工体を形成し、土被り区間では本設覆工体を形成し、その後、開削区間の地上の仮設覆工体を撤去することを特徴としている。
本発明では、シールド掘削機を地上から発進させることが可能となり、立坑の構築が不要となることから、工事工程を短縮でき、工事費の低減を図ることができる。さらに、鉄道や道路のように地上からトンネル区間までのアプローチトンネルが必要な場合に地上から発進できる。そのため、従来のような地上から立坑までの開削工事を施工する必要がなくなり、工事費の削減を図ることができる。
さらにまた、地上から発進する場合には、立坑から発進する場合と比較して、地上のスペースに余裕があることが多いため、予めシールド掘削機と後続設備を連結して発進することができ、初期掘進時の盛替え作業を簡略化できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の地下トンネルの築造方法によれば、立坑の構築が不要とすることで、工期を短縮できるとともに工事費の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態によるカッタ傾斜機構を備えたシールド掘削機を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は地上発進における発進準備を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は開削区間から低土被り区間の掘削を示す図である。
【図４】所定の深度を確保したトンネルの掘削を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は図３に示すトンネル築造後の覆工体の断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は実施の形態の変形例によるカッタ傾斜機構を備えたシールド掘削機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態による地下トンネルの築造方法について、図１乃至図５に基づいて説明する。
ここで、以下の説明では、トンネル進行方向で切羽向きを「前方」、その反対向きを「後方」とする。
【００１０】
図１に示すように、本実施の形態におけるシールド掘削機１は、外殻を形成する円筒状のスキンプレート２（外殻）を有するシールド機本体３と、円形の面盤からなるカッタ４を備えたカッタ傾斜機構５とから構成されている。
スキンプレート２の内側には、切羽の水や土砂がシールド機本体３の内側へ流入しないように切羽側と機内側を隔離するため、トンネル進行方向に直交した略円盤状を形成する隔壁６が設けられている。この隔壁６は、外周側にリング状に形成された外周隔壁６ａと、外周隔壁６ａの内周側に円盤状に形成された内周隔壁６ｂとから構成されている。そして、この外周隔壁６ａの内周面６ｃと内周隔壁６ｂの外周面６ｄとの間には、環状に形成されたカッタリング７が回転可能に設けられている。
このカッタリング７は、内周面に歯７ａが形成されていて、シールド機本体３に固定されたカッタ駆動モータ８の歯８ａと噛合することによってトンネル周方向に回転する。
また、隔壁６の内側面６ｅには、シールド掘削機１の後方に組み立てられる覆工体に反力を取って推進するためのシールドジャッキ９が適宜数配置されている。
【００１１】
次に、図１に示すように、カッタ傾斜機構５は、カッタリング７の前方側面７ｂの周方向に所定間隔で複数固定されている伸縮ジャッキ１０と、これら各々の伸縮ジャッキ１０の先端に自在継手１０ａによって取り付けられたカッタ４と、カッタ４の回転中心と隔壁６の中心との間に設けられたセンターシャフト１１とから構成されている。
【００１２】
カッタ４は、前面４ａにカッタビット（図示省略）が設けられた円盤形状を形成し、この中心に設けられているセンターシャフト１１を回転軸としてトンネル周方向に旋回する。そして、シールド掘削機１と同芯でその半径方向の略中間に位置するカッタリング７に、伸縮ジャッキ１０が設けられていることから、カッタ４はいわゆる中間支持方式によって支持されていることになる。
また、カッタ４の外周面４ｂには、カッタ４の径方向に伸縮するコピーカッタ１２が周方向に適宜数設けられている。
【００１３】
次に、図１に示すように、センターシャフト１１は、一端１１ａがボール継手１３によってカッタ４の回転中心に取り付けられ、その他端側１１ｂが隔壁６の中心に回転可能に取り付けられている。
これにより、カッタ４は、伸縮ジャッキ１０によって、ボール継手１３の中心を支点Ｏとして、シールド掘削機１の進行方向に直交する垂直面に対して上部を進行方向前方に突出させるように、所定の傾斜角度θをもって傾斜することができる。
【００１４】
ここで、カッタ４がシールド掘削機１の進行方向に直交する位置を垂直位置Ｘとする。
そして、上述したように、カッタ４が支点Ｏを軸にしてシールド掘削機１の進行方向に対して所定の傾斜角度θをもって傾斜する位置を傾斜位置Ｙとして、以下説明する。
【００１５】
次に、図１及び図２（ｂ）に示すように、スキンプレート２の切羽側の内周には、スキンプレート２の内周径とほぼ同径の周面をなす半円筒形状で側面視で先端を傾斜角度θをもって斜めに切除して形成したスライドフード１４（張出部材）が設けられ、トンネル進行方向にスライド可能に取り付けられている。
また、図１及び図２（ｂ）に示すように、カッタ４が傾斜位置Ｙとなったときに、カッタ４とスキンプレート２との間には開放部１５が形成される。そして、カッタ４が傾斜角度θで固定された傾斜位置Ｙとなるとき、スライドフード１４が前方に突出してカッタ４の上部とスキンプレート２との間の開放部１５を覆うようにしている。
【００１６】
次に、上記シールド掘削機１のカッタ傾斜機構５の作用について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、カッタ４を傾斜位置Ｙに傾斜させるときは、カッタリング７に固定されている各々の伸縮ジャッキ１０をカッタ４が傾斜角度θとなるように伸縮させる。例えば、カッタ４の支点Ｏより上部側に配置される伸縮ジャッキ１０を伸ばし、下部側に配置される伸縮ジャッキ１０を縮めることにより、カッタ４はシールド掘削機１の進行方向に対して斜角度θをもたせた傾斜位置Ｙとなる。
【００１７】
続いて、カッタ４は、その傾斜角度θにかかわらずカッタリング７の旋回によってトンネル周方向に回転する。
傾斜位置Ｙでカッタ４を回転させる場合には、上述したカッタリング７による旋回と同時に、カッタ４が所定の傾斜角度θを維持できるように全ての伸縮ジャッキ１０の伸縮を制御して連動させる。
一方、垂直位置Ｘでカッタ４を回転させる場合には、すべての伸縮ジャッキ１０が同じ伸張量となるため、カッタ４の回転と同時に伸縮ジャッキ１０を伸縮する必要はない。
また、カッタ４の回転については、全周回転させずに、カッタ４を支点Ｏを通る垂線に対して左右周方向に所定角度で往復動させて揺動させることでも掘削できる。
【００１８】
上述したカッタ４を傾斜位置Ｙとする掘削は、掘削による地山の緩みが大きいトンネル区間に適用することがよく、掘削方向やトンネルの勾配に適合させてカッタ４の傾斜角度θを設定すればよい。そして、周辺地山に緩みの影響を小さくして掘削する場合には、カッタ４を揺動させて掘削することもできる。
また、土被りがあり掘削による周辺地山への影響が少ないトンネル区間では、通常のシールド掘削機と同様に、カッタ４をシールド掘削機１の進行方向に直交する垂直位置Ｘに保持して掘削すればよい。
このように、本シールド掘削機１では、カッタ４の傾斜角度θをトンネルの掘削条件に適応させて、傾斜位置Ｙや垂直位置Ｘに変化させて掘削することができる。
【００１９】
なお、図２（ｂ）に示すように、カッタ４の傾斜位置Ｙの時に、カッタ４の下方部はスキンプレート２の内側に入るため、スキンプレート２がカッタ４より先行して地山に押し込まれて掘削される。
【００２０】
また、コピーカッタ１２は、カッタ径方向に張り出して、トンネルの曲線部を掘削する場合などに、シールド掘削機１の外径より大きく掘削する際に使用されるのが一般的である。
本シールド掘削機１では、カッタ４が傾斜位置Ｙにある場合に、シールド掘削機１の外径をなすスキンプレート２とカッタ４の外周面４ｂとの間にクリアランスＭが形成される（図１参照）。このクリアランスＭは、カッタ４の前面４ａにあるカッタビット（図示省略）で掘削できない領域であるため、コピーカッタ１２を用いて掘削する。
【００２１】
次に、カッタ傾斜機構５を備えたシールド掘削機１を用いて地上から発進する方法について図２乃至図４に基づいて説明する。
はじめに、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、発進準備の工程について説明する。
先ず、シールド掘削機１の発進箇所に、シールド掘削機１の推進反力を受ける反力受１６を地上に設置する。そして、シールド掘削機１の据付箇所を、シールド掘削機１の略下半分が地中に埋まる程度の深さまで地盤を下げて掘削しておき、その場所に、シールド掘削機１をトンネル掘進方向と同方向をなす斜め下向きに向けて架台（図示省略）上に設置する。
なお、このシールド掘削機１の発進箇所の地盤下げ掘削は、実施しなくてもよい。
【００２２】
続いて、図２（ｂ）に示すように、カッタ４に所定の傾斜角度θをもたせて傾斜位置Ｙとし、スライドフード１４をカッタ４の外周面４ｂの端部まで進退機構（図示省略）によって突出させて、カッタ４とスキンプレート２との間に形成される開放部１５を覆う。
なお、シールド掘削機１の動力設備や掘進に必要な付帯設備などを搭載した後続設備１７は、地上に設置するスペースがある場合には、発進の準備段階からシールド掘削機１の後方に連結して配置しておけばよく、スペースに余裕が無い場合には、シールド掘削機の前進とともに順次連結すればよい（図３（ａ）参照）。
【００２３】
次に、カッタ４を傾斜位置Ｙにして掘削する工程は、図３（ａ）に示すように発進からシールド掘削機１の全体が地中に埋まるまでの開削区間と、図３（ｂ）に示すようにトンネル深度の浅い低土被り区間とを掘削する工程である。ここで、低土被り区間とは、例えば地表からシールド掘削機１の上端までの深さで、シールド掘削機１の外径の０．５〜１．０倍程度である。
発進準備が完了したシールド掘削機１は、反力受１６に推進反力を取って掘進し、シールド掘進機１と反力受１６との間に本設又は仮設のセグメントなどの覆工体１８を形成しながらトンネルの深度を増大させる方向に掘進する。
シールド掘削機１のカッタ４は回転又は揺動により掘削できるが、図３（ａ）及び（ｂ）に示す開削区間や低土被り区間を掘削する場合は、カッタ４の周辺地山に与える影響を少なくするため、カッタ４を回転させずに揺動により掘削する。
このように、カッタ４を傾斜位置Ｙとする掘削では、掘削地山がカッタ４の前面４ａの下側となるため、カッタ４の垂直位置Ｘにある場合と比較して、カッタ４の上方の地山がカッタ４及びスライドフード１４で支えられ崩れにくくなる。
また、上述したカッタ４を傾斜位置Ｙとして掘削するトンネル区間では、土被りの大小だけでなく、土質や地下水位などの現場の施工条件に合わせて計画することがよい。
【００２４】
続いて、図４に示すように、シールド掘削機１が所定のトンネル深度に達して低土被り区間を掘削し終えた後に、カッタ４を垂直位置Ｘにして掘削する工程では、カッタ４を傾斜位置Ｙから垂直位置Ｘに戻し、同時に切羽側に突出していたスライドフード１４をスキンプレート２内に戻して掘削する。
【００２５】
次に、本実施の形態によるシールド掘削機１を用いて地上から発進して築造されたトンネルの覆工体１８について、図５に基づいて説明する。
図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、地上から発進した場合では、トンネル区間によって覆工体１８の構成が異なる。この覆工体１８は、本設として残す本設覆工体１８ａと、トンネル掘削後に撤去させる仮設覆工体１８ｂとから構成されている。
図５（ａ）及び（ｂ）に示す発進区間では、トンネル掘削後に、地下となる本設覆工体１８ａを残し、地上部となる仮設覆工体１８ｂを撤去する。
また、図５（ｃ）及び（ｄ）に示す開削区間では、地上の一部となる仮設覆工体１８ｂを撤去する。そして、撤去後に残った本設覆工体１８ａに補強が必要な場合は、図５（ｂ）に示すように残った円弧状の覆工体１８ａの天井部分に梁１９を取り付けて構造を強化する。ここで、梁１９の位置については、トンネル内空を確保するなどのトンネル条件を検討して設置する。
さらに、図５（ｅ）に示すように、地下に埋まったトンネルの覆工体１８は、従来のシールド工法と同様、撤去されずに残して本設覆工体１８ａとして構築される。
なお、本実施の形態による覆工体１８の築造方法について図５に示しているが、これらの方法に限定されることはない。
【００２６】
上述のように本実施の形態による地下トンネルの築造方法では、シールド掘削機１のカッタ４を傾斜位置Ｙとすることで、カッタ４の周囲地山の緩みを抑えることができ安全に施工できるため、低土被りのトンネルを掘削することができる（図１参照）。
これにより、図２乃至図４に示すように、シールド掘削機１は地上から発進することが可能となり、その結果、立坑の構築が不要となることから、全体工期を短縮でき、工事費の低減を図ることができる。
さらに、鉄道や道路トンネルのように地上からトンネル区間までのアプローチトンネルが必要となる場合に、本実施の形態によると地上から発進できるため、従来のような地上から立坑までの開削工事を施工する必要がなくなり、工事費の削減を図ることができる。
また、地上から発進する場合には、立坑から発進するときと比較してスペースに余裕がある場合が多く、予めシールド掘削機１と後続設備１７とを連結して発進できるため、このような初期掘進時の盛替え作業を簡略化できる。
【００２７】
次に、本実施の形態による地下トンネルの築造方法の変形例について図６に基づいて説明する。
本変形例では、上述した実施の形態によるシールド掘削機１のカッタ傾斜機構５と同様の構造、作用をなす部品については同様の記号を使用し説明は省略する。
図６（ａ）に示すように、シールド掘削機１のカッタリング２０は、隔壁６の内周面６ｃに環状にして形成されたリング部２０ａと、隔壁６の前方側面６ｆで円板状をなす円形部２０ｂとから形成されている。
【００２８】
そして、図６（ａ）に示すように、センターシャフト１１は、一端１１ａがカッタ４の回転中心に固定され、他端側１１ｂがカッタリング２０の円形部２０ｂの中心にボール継手２１によってトンネル周方向に回転可能に取り付けられている。
また、ボール継手２１は、実施の形態と同様にカッタ４がボール継手２１を支点Ｏとして傾斜角度θをもって傾斜位置Ｙに傾斜できるようにカッタリング２０に取り付けられている。
さらに、伸縮ジャッキ１０は、ベース側がカッタリング２０の前方側面２０ｃに回転可能となるように自在継手１０ｂによって取り付けられ、伸縮ジャッキ１０の先端はカッタ４に固定されている。
【００２９】
また、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、スキンプレート２の切羽側の内周には、スキンプレート２の内周径と同径の周面をなすスライドフード２２が設けられている。このスライドフード２２は、内外に二重に形成され、外側に円筒形状に形成された円筒部２２ａと、内側に側面視で先端を傾斜角度θをもって斜めに切除して形成されている傾斜部２２ｂとから構成され、夫々トンネル進行方向にスライドする。
なお、図６（ａ）に示すように、カッタ４が垂直位置Ｘにあるとき、カッタ４とスキンプレート２との間に全周に亘って形成される開放部１５はスライドフード円筒部２２ａ、によって覆われている。
また、図６（ｂ）に示すように、カッタ４が傾斜位置Ｙとなる場合に、スライドフード円筒部２２ａは傾斜したカッタ４の下端部４ｃと干渉しないように後方側に引き込まれる。そして、このときカッタ４の上方に形成される空間は、垂直位置Ｘと比べて開放部１５ａが広くなるため、スライドフード傾斜部２２ｂが進行方向前方に突出して、この開放部１５ａを覆う。
【００３０】
このような構成から、上述した変形例では、実施の形態と同様にカッタ４を垂直位置Ｘや傾斜位置Ｙにして掘削することができる。
また、本変形例におけるシールド掘削機１を用いたトンネルの築造方法及び効果については、実施の形態と同様となることから説明を省略する。
【００３１】
以上、本発明による地下トンネルの築造方法の実施の形態及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、上記の実施の形態では、シールド掘削機１の発進時に、カッタ４に傾斜角度θをもたせて傾斜位置Ｙとして掘削するトンネル築造方法としているが、発進時に限定されることはなく、到達時や低土被り区間などのトンネル掘削に適用してもよい。要は、土被りが小さい場合など、カッタ周囲の地山の緩みの影響によって地表面の沈下などが想定されるトンネル区間に、カッタ傾斜機構５を備えたシールド掘削機１を用いることができればよいのである。
さらにまた、本実施の形態においてスライドフード１４、２２ｂは、トンネル進行方向にスライドする構成としているが、これに限定されることはない。例えば、カッタ４を傾斜位置Ｙとして掘削する区間が終了し、カッタ４を垂直位置Ｘに戻す際に、スライドフード１４、２２ｂを取り外してもよい。
また、本実施の形態及び変形例ではカッタ４を面盤型としているが、スポーク型などのカッタ４であっても構わない。そして、シールド掘削機１のカッタ支持方式を中間支持方式としているが、外周支持方式であってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１  シールド掘削機
２  スキンプレート（外殻）
３  シールド機本体
４  カッタ
５  カッタ傾斜機構
６  隔壁
７  カッタリング
１０  伸縮ジャッキ
１１  センターシャフト
１２  コピーカッタ
１３  ボール継手
１４  スライドフード（張出部材）
１６  反力壁
１８  覆工体
１８ａ  本設覆工体
１８ｂ  仮設覆工体
Ｘ  垂直位置
Ｙ  傾斜位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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