(57)【要約】【課題】３次元地下空間内におけるシールドトンネルの曲線施工に関し、比較的簡易に施工管理を行うことを可能とした掘進ルートの設定方法を提案する。【解決手段】曲線を含む区間の終点におけるトンネル掘進機の中心軸を、区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある目標軸に一致させるための掘進ルートの設定方法であって、区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面Ｐ１上に第一掘削ルートＲ１を設ける第一ステップと、第一掘削ルートＲ１の終端におけるトンネル掘削機の中心軸を含み且つ第一平面Ｐ１と交差する第二平面Ｐ２上に第二掘削ルートＲ２を設ける第二ステップと、第二掘削ルートＲ２の終端におけるトンネル掘削機の中心軸および目標軸を含み且つ第二平面Ｐ２と交差する第三平面Ｐ３上に第三掘削ルートＲ３を設ける第三ステップとを有している。【選択図】図２
2014224380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲線を含む区間の終点におけるトンネル掘進機の中心軸を、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある目標軸に一致させるための掘進ルートの設定方法であって、
前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面上に第一掘削ルートを設ける第一ステップと、
前記第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸を含み且つ前記第一平面と交差する第二平面上に第二掘削ルートを設ける第二ステップと、
前記第二掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸および前記目標軸を含み且つ前記第二平面と交差する第三平面上に第三掘削ルートを設ける第三ステップと、を有し、
前記第二ステップでは、前記第二掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸が、前記目標軸と平行になるように前記第二掘削ルートを設定することを特徴とする掘進ルートの設定方法。
【請求項２】
曲線を含む区間の終点におけるトンネル掘進機の中心軸を、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある目標軸に一致させるための掘進ルートの設定方法であって、
前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面上に第一掘削ルートを設ける第一ステップと、
前記第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸および前記目標軸を含み且つ前記第一平面と交差する第二平面上に第二掘削ルートを設ける第二ステップと、を有し、
前記第一ステップでは、前記第一掘削ルートの終端における前記トンネル掘削機の中心軸が前記目標軸と平行になるように前記第一掘削ルートを設定することを特徴とする掘進ルートの設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの掘進ルートの設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
曲線部を有したシールドトンネル（特許文献１参照）の施工では、曲線線形に合わせて端面にテーパーが形成されたテーパーリング（テーパーセグメントを組み合わせたセグメントリング）を配設するとともに、シールドジャッキを操作することにより施工を行うのが一般的である。
【０００３】
従来、曲線部を有したシールドトンネルの施工は、勾配が一定の中、セグメントリングが回転することのないように（セグメントリングの頂部が傾斜することのないように）施工するのが一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５６６９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、都市部の地下において、非開削工法によって大規模な地下空間を構築するニーズが高まりつつある。
このような地下空間の施工方法として、例えば、先行トンネルから複数の小断面トンネルを並設して外殻を形成し、この外殻の内部を掘削することにより形成する方法がある。
【０００６】
この施工方法では、縦断勾配を変化させつつ曲線掘進を行う場合があるが、単一の平面に沿って掘進ルートを設定できない場合には、掘進ルートがねじれを伴うことになる。
【０００７】
ねじれを伴うシールドトンネルの施工は、逐次掘進方向を変化させる必要があるので、ジャッキの操作が複雑になる。また、テーパーセグメントの形状や配置位置の変更も複雑になる。
【０００８】
このような観点から、本発明は、地下空間内におけるシールドトンネルの曲線施工に関し、比較的簡易に施工管理を行うことを可能とした掘進ルートの設定方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、曲線を含む区間の終点におけるトンネル掘進機の中心軸を、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある目標軸に一致させるための掘進ルートの設定方法であって、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面上に第一掘削ルートを設ける第一ステップと、前記第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸を含み且つ前記第一平面と交差する第二平面上に第二掘削ルートを設ける第二ステップと、前記第二掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸および前記目標軸を含み且つ前記第二平面と交差する第三平面上に第三掘削ルートを設ける第三ステップとを有し、前記第二ステップでは、前記第二掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸が前記目標軸と平行になるように前記第二掘削ルートを設定することを特徴としている。
【００１０】
かかる掘進ルート設定方法によれば、３つの平面を利用することで、簡易に施工管理を行うことが可能となる。
つまり、平面上の曲線の組み合わせにより、ねじれを伴う掘進ルートの設定を行うため、ジャッキ操作やセグメントの管理が比較的容易である。
【００１１】
また、第二の発明に係る掘進ルート設定方法は、曲線を含む区間の終点におけるトンネル掘進機の中心軸を、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある目標軸に一致させるための掘進ルートの設定方法であって、前記区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面上に第一掘削ルートを設ける第一ステップと、前記第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸および前記目標軸を含み且つ前記第一平面と交差する第二平面上に第二掘削ルートを設ける第二ステップとを有し、前記第一ステップでは、前記第一掘削ルートの終端における前記トンネル掘削機の中心軸が前記目標軸と平行になるように前記第一掘削ルートを設定することを特徴としている。
【００１２】
つまり、既設トンネルから発進する際等に、予め所望の角度を有している場合には、２つの平面を利用することで、簡易に施工管理を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の掘進ルートの設定方法によれば、地下空間内におけるシールドトンネルの曲線施工に関し、比較的簡易に施工管理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】曲線区間を含む複数の小断面トンネルを具備した地下構造物を示す平面図である。
【図２】図１の地下構造物を形成する小断面トンネルの一部を示す斜視図である。
【図３】方向角の説明図である。
【図４】第一平面および第一掘削ルートを示す斜視図である。
【図５】（ａ）は回転座標変換前の第一掘削ルートを示す模式図、（ｂ）は回転座標変換後の第一掘削ルートを示す模式図である。
【図６】（ａ）は回転座標変換前の第二掘削ルートを示す模式図、（ｂ）は回転座標変換後の第二掘削ルートを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態では、図１に示すように、本線トンネルＴ１とアプローチトンネルＴ２との合流部において、アプローチトンネルＴ２から複数本の小断面トンネルｔ，ｔ…を発進させ、複数本の小断面トンネルを本線トンネルＴ１とアプローチトンネルＴ２とを内包するように併設することで合流部を囲む地下構造物を形成する場合について説明する。
【００１６】
図２に示すように、小断面トンネルｔの発進部を含む区間では、当該区間の終点（目標点）Ｅｐにおけるトンネル掘進機の中心軸が、始点（出発点）Ｓｐにおけるトンネル掘進機の中心軸に対してねじれた位置関係にある。
本実施形態では、この始点Ｓｐにおけるトンネル掘進機の中心軸を、終点Ｅｐにおけるトンネル掘進機の中心軸（目標軸）に一致させるように、掘進ルートの設定を行う。
【００１７】
なお、始点Ｓｐと終点Ｅｐは近接しておらず、両者の間には十分な距離がある。
また、始点Ｓｐおよび終点Ｅｐでは、それぞれ曲線が接する方向を有しているが、互いの方向は異なった向きである。
【００１８】
説明において、方向角は、図３に示すように、Ｙ軸からＸ軸にとった水平方向角θｙｘとＸＹ平面となす鉛直方向角θｚで表す。すなわち、水平方向角θｙｘはＸＹ平面に投影した小断面トンネルｔの中心軸とＹ軸とのなす角度であり、鉛直方向角θｚはＸＹ平面と小断面トンネルｔの中心軸とのなす角度である。また、ルート設定にあたっては、平行移動座標変換および回転座標変換によって、曲線設定をＸＹ平面上で行うが、このときの始端と終端の向きをＹ軸からＸ軸方向への角度で表わす（θ10 、θ11 、θ20およびθ21）。
【００１９】
本実施形態では、小断面トンネルｔの発進部におけるアプローチトンネルＴ２の中心軸をＹ軸として説明する。
なお、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は互いに直交する軸である。また、本実施形態では、ＸＹ平面が水平面、ＹＺ平面が鉛直面である場合を例示するが、これに限定されるものではない。
【００２０】
また、出発点の座標をＴｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）、目標点の座標をＴｔ（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）とする。
出発点における水平方向角をθｙｘｓ、鉛直方向角をθｚｓ、目標点における水平方向角はθｙｘｔ、鉛直方向角はθｚｔとする。
【００２１】
掘進ルートの設定は、区間の始点Ｓｐにおけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面Ｐ１上に第一掘削ルートＲ１を設ける第一ステップと、第一掘削ルートＲ１の終端におけるトンネル掘削機の中心軸を含み且つ第一平面Ｐ１と交差する第二平面Ｐ２上に第二掘削ルートＲ２を設ける第二ステップと、第二掘削ルートＲ２の終端におけるトンネル掘削機の中心軸および目標軸を含み且つ第二平面Ｐ２と交差する第三平面Ｐ３上に第三掘削ルートＲ３を設ける第三ステップとを有している（図２参照）。
【００２２】
なお、第一掘削ルートＲ１、第二掘削ルートＲ２および第三掘削ルートＲ３は、それぞれ曲線を有して設定されている。
【００２３】
第一ステップでは、区間の始点Ｓｐを第一掘削ルートＲ１の始端として、予め設定された第一掘削ルートＲ１の終端に到達するように、第一平面Ｐ１上において、曲線を有した第一掘削ルートＲ１を設定する。
【００２４】
第一平面Ｐ１は、図４に示すように、アプローチトンネルＴ２から発進したトンネル掘進機の発進時の中心軸とＹ軸（アプローチトンネルＴ２の中心軸）とにより形成された平面とする。つまり、第一平面Ｐ１は、Ｙ軸から放射状に延びる平面である。
【００２５】
本実施形態では、Ｙ軸を含むように第一平面Ｐ１を設定しているが、Ｙ軸と交差するように第一平面Ｐ１を設定してもよい。また、第一平面Ｐ１がＸＹ平面、ＹＺ平面、ＸＺ平面と一致する場合もある。
【００２６】
第二ステップでは、第一掘削ルートＲ１の終端を第二掘削ルートＲ２の始端として、予め設定された第二掘削ルートＲ２の終端に到達するように、第二平面Ｐ２上において、曲線を有した第二掘削ルートＲ２を設定する。
なお、第二掘削ルートＲ２の終端におけるトンネル掘進機の中心軸の方向角は、目標点における方向角と等しくなるように設定されている。
【００２７】
第三ステップでは、第二掘削ルートＲ２の終端を第三掘削ルートＲ３の始端として、区間の終点（目標点）にすり付く第三掘削ルートＲ３を第三平面Ｐ３上において設定する。
【００２８】
第三ステップでは、第三掘削ルートＲ３の始端における方向角（＝第二掘削ルートＲ２の終端における方向角）が目標点における方向角と等しくなっているので、第三掘削ルートＲ３は、第二掘削ルートＲ２の終端におけるトンネル掘削機の中心軸と目標軸とを含む第三平面Ｐ３上において目標軸とすり付くように設定できる。
【００２９】
次に、具体的な掘削ルートの設定方法について説明する。
本実施形態では、第一掘削ルートＲ１の曲線の設定を、第一平面上からＸＹ平面上の曲線となるように回転座標変換させた状態で行う。なお、図５（ａ）に示すように、第一掘削ルートＲ１は、始端（＝出発点）を原点に平行移動した局部座標系で設定した後、前述の平行移動を逆に行って求める。
【００３０】
図４に示すように、始点（出発点）におけるトンネル掘進機の中心軸の角度が、ＸＺ面内においてＸ軸からα（当該中心軸をＸＺ面に投影した場合におけるＸ軸からの角度がα）で、Ｙ軸からβである場合には、第一掘削ルートＲ１の始端におけるαに対応する角度分（−α）、Ｙ軸回りに座標変換を行い、図５の（ｂ）に示すように、ＸＹ面上で曲線Ｒ１’を設定する。この場合、θ10はβと一致する。なお、角度θ11は、後述する方法により設定する。
【００３１】
なお、始点（出発点）のトンネル掘進機の中心軸の方向角がθyx10(=θyxs)、θz10(=θzs)の場合には、Ｚ軸回りに−θyx10 (=−θyxs)回転させた後、Ｘ軸回りに−θz10 (=−θzs)回転させて、ＸＹ面上で曲線Ｒ１’を設定すればよい。
【００３２】
曲線Ｒ１’を設定したら、ＸＹ面上の曲線Ｒ１’を、回転座標変換を行い、図５の（ａ）に示すように、第一平面Ｐ１上の第一掘削ルートＲ１として表す。すなわち、曲線Ｒ１’を、前記の回転座標変換と逆の手順で正負逆の角度分回転座標変換を行う。例えば、始点（出発点）のトンネル掘進機の中心軸が、ＸＺ面内においてＸ軸から角度α、Ｙ軸との角度βの方向であるとした場合には、曲線Ｒ１’をＹ軸回りに角度α分の回転座標変換を行う。また、Ｚ軸回りに−θyx10 (=−θyxs)回転させた後、Ｘ軸回りに−θz10 (=−θzs)回転させることで、第一平面上の第一掘削ルートをＸＹ面上で表わしていた場合には、曲線Ｒ１’をＸ軸回りにθz10 (=θzs)回転させた後、Ｚ軸回りにθyx10 (=θyxs)回転させる回転座標変換を行う。
【００３３】
図６の（ａ）に示すように、第二掘削ルートＲ２は第一掘削ルートＲ１の終端を原点に平行移動した局部座標系で設定した後、前述の平行移動を逆に行って求める。そのため、第二掘削ルートＲ２の設定は、まず、Ｘ軸回りに角度θz’だけ回転させて、図６の（ｂ）に示すように、ＸＹ平面上の曲線Ｒ２’を設定する。ここで、角度θz’は後述する方法により設定する。
【００３４】
ＸＹ平面上において曲線Ｒ２’の始端の角度θ20および終端の角度θ21を設定するとともに、始端の角度θ20と終端の角度θ21とを結ぶ曲線Ｒ２’を設定する。なお、角度θ20、θ21は後述する方法により設定する。
【００３５】
曲線Ｒ２’を設定したら、当該曲線Ｒ２’を第二平面上の第二掘削ルートＲ２となるように、Ｘ軸回りに−θz’回転させる回転座標変換を行う（図６の（ａ）参照）。
【００３６】
次に、角度θz’の設定方法について述べる。角度θz’は、第二掘削ルートＲ２をＸ軸回りに回転座標変換させて、ＸＹ平面上の曲線に変換するための角度である。第二掘削ルートの終端の方向は目標点の方向と一致させることから、角度θz’は目標点の方向をＸ軸回りに回転させてＸＹ平面上に向かせるための角度となる。
【００３７】
目標点の方向をベクトル表示すると、方向角θyxt,θztを用いて以下のように表わされる。なお、Ｌは定数である。
(x,y,z)=(L・cosθzt・sinθyxt,L・cosθzt・cosθyxt,L・sinθzt)
【００３８】
これをＸ軸回りに角度θz’だけ回転させると目標点の方向は次のように表わされる。
x’= L・cosθzt・sinθyxt
y’=(L・cosθzt・cosθyxt)・cosθz’−(L・sinθzt)・sinθz’
z’=(L・cosθzt・cosθyxt)・sinθz’＋(L・sinθzt)・cosθz’
【００３９】
Ｘ軸回りにθz’回転させた目標点の方向が、ＸＹ平面上にあるためには、z’=0となる必要がある。z’=0としてθz’を求めると以下のようになる。
ｚ’=0=(L・cosθzt・cosθyxt)・sinθz’＋(L・sinθzt)・cosθz’
θz’=arctan(-tanθzt/cosθyxt)
【００４０】
また、ＸＹ平面上に回転座標変換された曲線Ｒ２’の終端の角度θ21は次式で表わされる。
θ21=arctan(x’/y’)
=arctan{sinθyxt/( cosθyxt・cosθz’-tanθzt・sinθz’)}
【００４１】
θz’は、第二掘削ルートＲ２の終端の中心軸に対する回転角であるが、第二掘削ルートＲ２の始端の中心軸も、同じ回転角θz’でＸ軸回りに回転させることでＸＹ平面上に向く必要がある。第二掘削ルートＲ２の始端の方向角θyx20、θz20は、第一掘削ルートＲ１の終端の方向角θyx11、θz11と同一である。
【００４２】
第二掘削ルートＲ２の始端の方向をベクトル表示すると、方向角θyx11,θz11を用いて以下のように表わされる。なお、Ｌは定数である。
(x,y,z)=(L・cosθz11・sinθyx11,L・cosθz11・cosθyx11,L・sinθz11)
【００４３】
これをＸ軸回りにθz’回転させると第二掘削ルートの始端の方向は次のように表わされる。
x’= L・cosθz11・sinθyx11
y’=(L・cosθz11・cosθyx11)・cosθz’−(L・sinθz11)・sinθz’
z’=(L・cosθz11・cosθyx11)・sinθz’＋(L・sinθz11)・cosθz’
【００４４】
Ｘ軸回りにθz’回転させた第二掘削ルートの始端の方向がＸＹ平面上にあるためには、z’=0となる必要がある。z’=0とすると、次の式（１）が求められる。
z’=0=(L・cosθz11・cosθyx11)・sinθz’＋(L・sinθz11)・cosθz’
cosθz11・cosθyx11・sinθz’＋ sinθz11・cosθz’=0    ・・・・（１）
【００４５】
また、ＸＹ平面上に回転座標変換された曲線Ｒ２’の始点の角度θ20は次式で表わされる。
θ20=arctan(x’/y’)
=arctan{sinθyx11/(cosθyx11・cosθz’-tanθz11・sinθz’)}
【００４６】
始点（出発点）のトンネル掘進機の中心軸が、Ｘ軸からＸＺ面内に角度α、Ｙ軸との角度βの方向であるとした場合には、ＸＹ平面上で曲線Ｒ１’の終端の角度θ11を設定した後、Ｙ軸回りにα分の回転座標変換を行うことで、第一掘削ルートＲ１の終端の方向角θyx11、θz11が得られる。
【００４７】
ＸＹ平面上の曲線Ｒ１’の終端の角度θ11の方向をベクトルで表わすと以下のようになる。なお、Ｌは定数である。
(x,y,z)=(L・sinθ11,L・cosθ11,0)
【００４８】
終端の角度θ11の方向ベクトルを、Ｙ軸回りにα回転させると第一掘削ルートＲ１の終端の方向は次のように表わされる。
x’= L・sinθ11・cosα
y’= L・cosθ11
z’=−L・sinθ11・sinα
【００４９】
これより、式（２）、式（３）が得られる。
θyx11=arctan(x’/y’)
=arctan(L・sinθ11・cosα/ L・cosθ11)
=arctan(tanθ11・cosα)    ・・・・・・・  （２）
θz11= arcsin(z’/L)
= arcsin(−L・sinθ11・sinα/ L)
= arcsin(−sinθ11・sinα)      ・・・・・  （３）
【００５０】
式（２）および式（３）を式（１）に代入し、数値解析手法などを適用すれば、ＸＹ平面上の曲線Ｒ１’の終端の角度θ11を求めることができる。
【００５１】
本実施形態の掘進ルート設定方法によれば、３つの平面を利用することで、簡易に施工管理を行うことが可能となる。
つまり、平面上の曲線の組み合わせにより、ねじれを伴う掘進ルートの設定を行うため、ジャッキ操作やセグメントの管理が比較的容易となる。
【００５２】
以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【００５３】
例えば、前記実施形態では、３つの平面を利用してトンネルの掘進ルートを設定するものとしたが、第一掘削ルートの始端の方向の設定に制限が無いような場合等、発進点におけるトンネル掘進機の方向角を予め所望の角度に設定することができるような場合には、２つの平面を利用してトンネルの掘進ルートを設定してもよい。
【００５４】
この場合におけるトンネルの掘進ルートの設定方法は、区間の始点におけるトンネル掘進機の中心軸を含む第一平面上に第一掘削ルートを設ける第一ステップと、第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸および目標軸を含み且つ第一平面と交差する第二平面上に第二掘削ルートを設ける第二ステップとを有していればよい。
このとき、第一ステップでは、第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸が目標軸と平行になるように第一掘削ルートを設定する。
【００５５】
ここで、「第一掘削ルートの終端におけるトンネル掘削機の中心軸が目標軸と平行になる」ようにするには、例えば、前述の式（２）、式（３）で表わされるθyx11とθz11が、それぞれ、θyx11=θyxt, θz11=θztとなればよい。
式（２）、式（３）でθyx11=θyxt, θz11=θztとおくと、αとθ11を未知数とする２つの関係式が得られることから、数値解析手法などを適用すれば、αとθ11を求めることができる。
【００５６】
そして、発進点におけるトンネル掘進機の方向角をα（所望の角度）に設定すれば、２つの平面を利用してトンネルの掘進ルートを設定することができる。
【符号の説明】
【００５７】
Ｐ１  第一平面
Ｐ２  第二平面
Ｐ３  第三平面
Ｒ１  第一掘削ルート
Ｒ２  第二掘削ルート
Ｒ３  第三掘削ルート
Ｔ１  本線トンネル
Ｔ２  アプローチトンネル
ｔ    小断面トンネル
【図１】
2014224380.tif 000003
【図２】
2014224380.tif 000004
【図３】
2014224380.tif 000005
【図４】
2014224380.tif 000006
【図５】
2014224380.tif 000007
【図６】
2014224380.tif 000008