(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔をもって掘削形成された一対の既設トンネル構造体の間を掘削するトンネル掘削機において、前記一対の既設トンネル構造体の間に位置して該既設トンネル構造体に沿って移動自在な筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進手段と、前記掘削機本体の前端部に装着されて前方の地盤を掘削するカッタ装置と、前記カッタ装置の駆動及び前記掘削機本体の前進によって掘削形成された新設トンネルの内壁面に覆工を形成する覆工手段と、前記掘削機本体と前記各既設トンネル構造体との間をシールする第１シール手段と、前記掘削機本体と前記新設トンネル構造体との間をシールする第２シール手段と、前記各既設トンネル構造体における前記新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理する処理手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記掘削機本体は前記一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じてその幅が可変であると共に、前記カッタ装置は前記一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じて掘削断面形状が可変であることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記掘削機本体には前記既設トンネル構造体の外周部に係合するガイド手段が設けられたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】
所定間隔をもって掘削形成された一対の既設トンネル構造体の間に位置した筒状の掘削機本体を該各既設トンネル構造体に沿って前進しながら、該掘削機本体の前端部に装着されたカッタ装置によって前方の地盤を掘削することで、新設トンネルを掘削形成し、このとき、処理手段によって前記各既設トンネル構造体における前記新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理してから、該新設トンネルの内壁面に覆工を行って新設トンネル構造体を形成することを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下鉄道などのトンネルを掘削形成するトンネル掘削機及びトンネル掘削方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なシールド掘削機は、筒状の掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在に装着されると共に、この掘削機本体の後部にシールドジャッキ及びセグメントエレクタが装着されて構成されている。従って、このカッタヘッドを駆動モータによって旋回させながら、シールドジャッキによって掘削機本体を前進させることで、前方の地盤を掘削してトンネルを掘削形成し、セグメントエレクタによってこの掘削形成されたトンネルの内壁面にセグメントを組付けてトンネルを構築することができる。
【０００３】
ところで、掘削形成するトンネルとして地下鉄道などに利用されるものがある。この地下鉄道として利用されるトンネルは、通常、上り線と下り線の地下鉄が走行するための２本の平行な走行トンネルが必要である。また、地下鉄道には駅が必要であり、この駅を形成するためには、前述した所定の間隔を有して独立した２本のトンネルを連通させ、広い空間部を形成する必要がある。
【０００４】
従来、地下鉄道に利用するトンネルの掘削方法において、上下線の地下鉄の走行部としての２本のトンネルは、前述したシールド掘削機を２台用い、この２台のシールド掘削機を順に稼働し、所定の間隔を有して独立した２本のトンネルを掘削している。そして、駅を形成する広い空間部は、３台目のシールド掘削機によって独立した２本のトンネルの間を掘削している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のトンネルの掘削方法にあって、所定の間隔を有して独立した２本の側部トンネルの間に、中央部トンネルを掘削する場合、各側部トンネルと平行に中央部トンネルを掘削するためのシールド掘削機を掘進させるための方向制御が困難となってしまうという問題がある。また、掘削後に３つのトンネルを連結する場合、隣接するトンネルの隙間部分に薬液を注入して地盤改良を行ってから作業者が連結したり、あるいは、ルーフシールド工法やメッセル工法などを用いて機械的な防護を行いながら連結していて。ところが、このような掘削方法では、作業コストが増加すると共に工期も長くなってしまい、作業能率が良くないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するものであって、作業コストの低減を図ると共に掘削作業能率の向上を図ったトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のトンネル掘削機は、所定間隔をもって掘削形成された一対の既設トンネル構造体の間を掘削するトンネル掘削機において、前記一対の既設トンネル構造体の間に位置して該既設トンネル構造体に沿って移動自在な筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進手段と、前記掘削機本体の前端部に装着されて前方の地盤を掘削するカッタ装置と、前記カッタ装置の駆動及び前記掘削機本体の前進によって掘削形成された新設トンネルの内壁面に覆工を形成する覆工手段と、前記掘削機本体と前記各既設トンネル構造体との間をシールする第１シール手段と、前記掘削機本体と前記新設トンネル構造体との間をシールする第２シール手段と、前記各既設トンネル構造体における前記新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理する処理手段とを具えたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機において、前記掘削機本体は前記一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じてその幅が可変であると共に、前記カッタ装置は前記一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じて掘削断面形状が可変であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項３の本発明のトンネル掘削機において、前記掘削機本体には前記既設トンネル構造体の外周部に係合するガイド手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項４の発明の掘削方法は、所定間隔をもって掘削形成された一対の既設トンネル構造体の間に位置した筒状の掘削機本体を該各既設トンネル構造体に沿って前進しながら、該掘削機本体の前端部に装着されたカッタ装置によって前方の地盤を掘削することで、新設トンネルを掘削形成し、このとき、処理手段によって前記各既設トンネル構造体における前記新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理してから、該新設トンネルの内壁面に覆工を行って新設トンネル構造体を形成することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の概略、図２にこのシールド掘削機によって形成されたトンネル構造体の断面を示す。
【００１３】
本実施形態のトンネル掘削機において、図１に示すように、掘削機本体１１は四角筒形状をなし、両側部に側部トンネル構造体（セグメント）Ｔ1 ，Ｔ2 にそれぞれ嵌合するガイドフランジ１２ａ，１２ｂが一体に形成されている。この掘削機本体１１の前部にはバルクヘッド１３が固定されており、内部への掘削土砂の侵入を防止している。そして、このバルクヘッド１３の前面部の両側には前方に延出された上下一対の支持フレーム１４，１５の基端部が固定されており、この各支持フレーム１４，１５の先端部にはそれぞれ鉛直な回転軸線を有するカッタ装置としての２つの掘削回転ドラム１６，１７が回転自在に装着され、内蔵された図示しない駆動モータによって図１に表した矢印方向に回転可能となっている。なお、各掘削回転ドラム１６，１７の外周面には図示しない多数の掘削刃が取付けられている。
【００１４】
従って、この２つの掘削回転ドラム１６，１７が互いに逆方向に回転駆動することで、多数の掘削刃によって前方の地盤を掘削することができ、この掘削回転ドラム１６，１７の間の隙間から掘削機本体１１の前部に掘削土砂を取り込み、図示しない排土装置によってこの土砂を外部に排出することができる。
【００１５】
また、掘削機本体１１の各外側面には各側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の外壁面を平滑に研磨して仕上げ処理する処理手段としての回転体１８ａ，１８ｂ，１８ｃが設けられている。回転体１８ａは回転自在であると共に掘削機本体１１の側面を上下に移動することができ、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の側壁面を平滑に研磨処理する。また、回転体１８ｂ，１８ｃは回転自在であって、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の上下壁面を平滑に研磨処理する。
【００１６】
なお、掘削機本体１１の後部内周面には円周方向に推進手段としての図示しない複数のシールドジャッキが並設されており、このシールドジャッキが掘進方向後方に伸長し、既設トンネル内周面に組付けられた既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進することができる。また、掘削機本体１１の後部には覆工手段としての図示しないセグメントエレクタが設けられており、このセグメントエレクタはシールドジャッキによって前進した掘削機本体１１と既設のセグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着してトンネルを構築することができる。更に、このセグメントエレクタには各側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 と多数のセグメントＳによって形成された新設の中央部トンネル構造体Ｔ3 とをボルトＢによって連結するための図示しないボルト締結装置を組付可能となっている。
【００１７】
また、掘削機本体１１の後部には、この掘削機本体１１と各トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 との間をシールする環状のシール部材１９が装着されている。このシール部材１９は、掘削機本体１１と各側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 との間をシールする第１シール部１９ａ，１９ｂと、掘削機本体１１と中央部トンネル構造体Ｔ3 との間をシールすると共に、各第１シール部１９ａ，１９ｂを接続する第２シール部１９ｃ，１９ｄとを有している。第１シール部１９ａ，１９ｂは略コ字形状をなし、掘削機本体１１の左右の外側面から各ガイドフランジ１２ａ，１２ｂの内面に延設され、各側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の外壁面に弾接している。第２シール部１９ｃ，１９ｄは直線形状をなし、掘削機本体１１の上下内面に装着され、中央部トンネル構造体Ｔ3 の上下壁面に弾接している。そして、第１シール部１９ａ，１９ｂと第２シール部１９ｃ，１９ｄとは掘削方向にずれて位置している。従って、掘削機本体１１の掘進時に、シール部材１９の第１シール部１９ａ，１９ｂが側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の外壁面に弾接し、第２シール部１９ｃ，１９ｄが中央部トンネル構造体Ｔ3 の上下壁面に弾接することで、掘削機本体１１の内部への地下水や掘削土砂の侵入を防止できる。
【００１８】
このように構成された本実施形態のトンネル掘削機により、既設の側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間にトンネルを掘削して中央部トンネル構造体Ｔ3 を形成するトンネル掘削方法について説明する。
【００１９】
まず、各掘削回転ドラム１６，１７を図１の矢印方向に回転駆動すると同時に、各シールドジャッキを所定ストローク伸長し、既設のセグメントＳへの押付反力によって掘削機本体１１を前進させる。すると、互いに逆方向に回転駆動する掘削回転ドラム１６，１７が前方の地盤に圧接して掘削する。そして、この掘削回転ドラム１６，１７の地盤掘削によって生じた掘削土砂は両者の隙間から掘削機本体１１の前部に取り込まれ、排土装置によって外部に排出される。その後、各シールドジャッキのいずれか一つを収縮して、既設のセグメントＳとの間の空所を形成し、セグメントエレクタがこの空所に新しいセグメントＳを装着し、ボルト締結装置によって側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 と連結していく。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削し、図２に示すように、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間に連結された中央部トンネル構造体Ｔ3 を構築していく。
【００２０】
このとき、掘削機本体１１はガイドフランジ１２ａ，１２ｂが側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 にそれぞれ嵌合しながら掘進することとなり、この側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間に且つ平行に中央部トンネルを掘削することができる。また、掘削機本体１１のシール部材１９の第１シール部１９ａ，１９ｂが側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の外壁面に弾接し、第２シール部１９ｃ，ｄが中央部トンネル構造体Ｔ3 の上下壁面に弾接しており、掘削機本体１１の内部への地下水や掘削土砂の侵入を防止できる。更に、掘削機本体１１の回転体１８ａが上下に移動しながら側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の側壁面を平滑に研磨処理し、回転体１８ｂ，１８ｃが側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の上下壁面を平滑に研磨処理しており、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間に中央部トンネル構造体Ｔ3 を隙間なく形成できる。
【００２１】
図３に本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の概略、図４に本実施形態のシールド掘削機の正面視、図５に図４のＶ−Ｖ断面、図６に図５のVI−VI断面、図７に掘削機本体の幅調整動作を表す断面を示す。
【００２２】
本実施形態のトンネル掘削機において、図３乃至図５に示すように、掘削機本体２１は断面がコ字形状の左右の枠体２２，２３が、ほぼ四角筒形状をなすようにシール部材２４を介して互いに嵌合して構成されている。そして、各枠体２２，２３の両側部には側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 にそれぞれ嵌合するフランジ部２２ａ，２３ａが一体に形成され、このフランジ部２２ａ，２３ａにガイド装置２５が装着されている。この掘削機本体２１は側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間隔の大きさに合わせてその幅が調整できるように、各枠体２２，２３がシール部材２４を介して互いに幅方向移動自在となっており、各枠体２２，２３の間には幅調整ジャッキ２６が介装されている。
【００２３】
掘削機本体２１の前部には各枠体２２，２３に対応して左右のバルクヘッド２７，２８が固定され、シール部材２９を介して互いに嵌合しており、内部への掘削土砂の侵入を防止している。そして、このバルクヘッド２７，２８の前方には前方の地盤を掘削するカッタ装置が装着されている。即ち、バルクヘッド２７，２８の両側には前方に延出された上下一対の支持フレーム３０，３１の基端部が固定されており、この各支持フレーム３０，３１の先端部にはそれぞれ鉛直な回転軸３２，３３が回転自在に支持されている。一方の回転軸３２の上端部及び下端部には長軸状カッタ３４が水平方向両側にそれぞれ固定され、その中間部には短軸状カッタ３５が水平方向四方に固定されている。他方の回転軸３３の上端部及び下端部には長軸状カッタ３６が水平方向両側にそれぞれ固定され、その中間部には短軸状カッタ３７が固定されている。
【００２４】
この場合、回転軸３２の長軸状カッタ３４と回転軸３３の長軸状カッタ３６とは回転時に接触しないように取付角度が９０度ずれており、また、回転軸３２の短軸状カッタ３５と回転軸３３の短軸状カッタ３７とは接触しないように上下方向にずれて取付けられている。そして、各支持フレーム３０，３１にはそれぞれ回転軸３２，３３を回転駆動する駆動モータ３８，３９が装着されている。なお、各カッタ３４，３５，３６，３７の外周面には図示しない多数の掘削刃が取付けられている。
【００２５】
従って、駆動モータ３８，３９によって回転軸３２，３３を回転駆動すると、各カッタ３４，３５，３６，３７は図４及び図５に表した矢印方向に互いに逆方向に回転駆動することで、多数の掘削刃によって前方の地盤を掘削することができ、各カッタ３４，３５，３６，３７の間の隙間から掘削機本体２１の前部に掘削土砂を取り込み、図示しない排土装置によってこの土砂を外部に排出することができる。
【００２６】
また、図示しないが、前述の実施形態と同様に、掘削機本体２１の後部内周面に推進手段としての複数のシールドジャッキが並設されると共に、覆工手段としてのセグメントエレクタが設けられている。更に、掘削機本体２１の後部にはこの掘削機本体２１と各トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 との間をシールする環状のシール部材が装着されると共に、掘削機本体２１の各外側面に各側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の外壁面を平滑に研磨して仕上げ処理する処理手段としての回転体が設けられている。
【００２７】
このように構成された本実施形態のトンネル掘削機により、既設の側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間にトンネルを掘削して中央部トンネル構造体Ｔ3 を形成するトンネル掘削方法について説明する。
【００２８】
まず、駆動モータ３８，３９によって回転軸３２，３３を回転駆動し、各カッタ３４，３５，３６，３７を図４及び図５の矢印方向にに回転駆動すると同時に、各シールドジャッキを所定ストローク伸長し、既設のセグメントＳへの押付反力によって掘削機本体２１を前進させる。すると、互いに逆方向に回転駆動するカッタ３４，３５，３６，３７が前方の地盤に圧接して掘削する。そして、このカッタ３４，３５，３６，３７の地盤掘削によって生じた掘削土砂は両者の隙間から掘削機本体２１の前部に取り込まれ、排土装置によって外部に排出される。その後、各シールドジャッキのいずれか一つを収縮して、既設のセグメントＳとの間の空所を形成し、セグメントエレクタがこの空所に新しいセグメントＳを装着し、ボルト締結装置によって側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 と連結していく。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削し、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間に連結された中央部トンネル構造体Ｔ3 を構築していく。
【００２９】
このとき、掘削機本体２１はガイド装置２５が側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 にそれぞれ嵌合しながら掘進することとなり、この側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間に且つ平行に中央部トンネルを掘削することができる。
【００３０】
また、本実施形態にあっては、側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間隔に変化に応じて掘削機本体２１の断面筒形状を調整自在であると共に、各カッタ３４，３５，３６，３７による掘削断面形状を可変とすることができる。即ち、図６に示すように、側部トンネル構造体Ｔ1 とＴ2 との間隔が最大Ｌ1 であるとき、掘削機本体２１の幅調整ジャッキ２６を伸長状態とし、各枠体２２と２３を離間させる。一方、側部トンネル構造体Ｔ1 とＴ2 との間隔が最小Ｌ2 であるとき、掘削機本体２１の幅調整ジャッキ２６を収縮状態とし、各枠体２２と２３を接近させる。そして、この枠体２２，２３の移動に伴って各バルクヘッド２７，２８に取付けられたカッタ３４，３５と３６，３７とが移動することで、カッタ３４，３５と３６，３７同志が接触することなく、掘削断面形状を変えることができる。このように側部トンネル構造体Ｔ1 ，Ｔ2 の間隔に変化に応じて掘削機本体２１の幅とカッタ３４，３５と３６，３７による掘削断面形状を調整することができ、汎用性が高い。
【００３１】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、一対の既設トンネル構造体の間に位置した掘削機本体を推進手段によってこの既設トンネル構造体に沿って移動自在とし、この掘削機本体の前端部に前方の地盤を掘削するカッタ装置を装着すると共に、掘削形成された新設トンネルの内壁面に覆工を形成する覆工手段と、掘削機本体と各既設トンネル構造体との間をシールする第１シール手段と、掘削機本体と前記新設トンネル構造体との間をシールする第２シール手段と、各既設トンネル構造体における新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理する処理手段とを設けたので、既設トンネル構造体の間に位置した掘削機本体を前進しながらカッタ装置を駆動することで、前方の地盤を掘削して新設トンネルを掘削形成することができ、このとき、各シール手段によって掘削機本体内部への地下水や掘削土砂の侵入を防止することができ、また、処理手段によって既設トンネル構造体の外壁面を仕上げ処理することで、側部トンネル構造体の間に新設トンネル構造体を形成することができ、その結果、作業コストの低減を図ることができると共に掘削作業能率の向上を図ることができる。
【００３２】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じてその幅を可変にすると共に、一対の既設トンネル構造体の間隔の変化に応じてカッタ装置による掘削断面形状を可変としたので、掘削機の汎用性が高くなり、間隔の異なる一対の既設トンネル構造体に対して専用の掘削機を用意する必要がなく、低コスト化を図ることができる。
【００３３】
また、請求項３の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体に既設トンネル構造体の外周部に係合するガイド手段を設けたので、一対の既設トンネル構造体の間に新設のトンネル構造体を容易に形成することができる。
【００３４】
また、請求項４の発明のトンネル掘削方法によれば、所定間隔をもって掘削形成された一対の既設トンネル構造体の間に位置した筒状の掘削機本体を前進しながら、この掘削機本体の前端部に装着されたカッタ装置によって前方の地盤を掘削することで新設トンネルを掘削形成し、このとき、処理手段によって各既設トンネル構造体における新設トンネル側の外壁面を平滑に仕上げ処理してから、この新設トンネルの内壁面に覆工を行って新設トンネル構造体を形成するようにしたので、掘削作業能率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の概略図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機によって形成されたトンネル構造体の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の概略図である。
【図４】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図５のVI−VI断面図である。
【図７】掘削機本体の幅調整動作を表す断面図である。
【符号の説明】
１１  掘削機本体
１２ａ，１２ｂ  ガイドフランジ
１３  バルクヘッド
１４，１５  支持フレーム
１６，１７  掘削回転ドラム（カッタ装置）
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  回転体（処理手段）
１９  シール部材
１９ａ，１９ｂ  第１シール部
１９ｃ，１９ｄ  第２シール部
２１  掘削機本体
２２，２３  枠体
２２ａ，２３ａ  フランジ部
２４  シール部材
２５  ガイド部材
２６  幅調整ジャッキ
２７，２８  バルクヘッド
３０，３１  支持フレーム
３２，３３  回転軸
３４，３６  長軸状カッタ（カッタ装置）
３５，３７  短軸状カッタ（カッタ装置）
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  回転体（処理手段）
３８，３９  駆動モータ
Ｂ  ボルト
Ｓ  セグメント（覆工材）
Ｔ1 ，Ｔ2   側部トンネル構造体
Ｔ3   中央部トンネル構造体
【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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【図７】
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