(57)【要約】【課題】地盤改良などをせずに低コストで、かつ短期間にトンネルの地中接合ができるトンネル掘削機およびその接合方法を提供することである。【解決手段】地中接合用トンネル掘削機１は、シールド本体２の前部に設置された、掘削方向にスライド自在で、かつ円周方向に回転自在なリングカッタ４と、該リングカッタ４の前部に設置され、カッタースポーク２９の先端部から径方向に伸縮する伸縮カッタ３０を備えたカッタヘッド５とから構成され、前記リングカッタ４内面の固定手段にカッタースポーク２９の先端から伸びた伸縮カッタ３０が固定され、該伸縮カッタ３０の回転でリングカッタ４が回転する構成である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部に設置された、掘削方向にスライド自在で、かつ円周方向に回転自在なリングカッタと、該リングカッタの前部に設置され、カッタースポークの先端部から径方向に伸縮する伸縮カッタを備えたカッタヘッドとから構成され、前記リングカッタ内面の固定手段にカッタースポークの先端から伸びた伸縮カッタが固定され、該伸縮カッタの回転でリングカッタが回転することを特徴とする地中接合用トンネル掘削機。
【請求項２】
リングカッタ内面の固定手段は、底部に緩衝材を備えた凹部または伸縮カッタを摩擦固定させる固定用パッドであることを特徴とする請求項１に記載の地中接合用トンネル掘削機。
【請求項３】
地中に構築された既設トンネルの側面に新設トンネルを接合するトンネルの地中接合方法であって、請求項１または２の地中接合用トンネル掘削機を既設トンネルの側面に接するまで掘進させた後、カッタヘッドの伸縮カッタをリングカッタの内側にまで縮めるとともに、該リングカッタを掘進方向にスライドさせ、その内面の固定手段に径方向に伸ばした伸縮カッタを固定し、該伸縮カッタの回転によってリングカッタを回転させながら前方に押し出して既設トンネルの側面を切削することを特徴とするトンネルの地中接合方法。
【請求項４】
リングカッタで既設トンネルの側面を切削した後、該切削部の外側の地盤にトンネルの内側から止水材を注入することを特徴とする請求項３に記載のトンネルの地中接合方法。
【請求項５】
リングカッタで既設トンネルの側面を切削した後、カッタヘッドを解体・撤去して、リングカッタおよびシールド本体の内側に新設トンネルを構築することを特徴とする請求項３または４に記載のトンネルの地中接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地中接合用トンネル掘削機およびトンネルの地中接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネルの地中接合方法は、例えば特開平７−２０８６４４号公報に示すものがある。この接合方法は新設管の先端部が外筒と、この外筒に内挿された接合管との二重構造になっている。
一方、他の接合方法として、一般的に図１５に示すものが行われている。このうち（１）に示す方法は、既設トンネル５０に構築された立坑５２に新設トンネル５１を接合するものであり、（２）に示す方法は、既設トンネル５０の近傍の立坑５２に新設トンネル５１を接合し、前記立坑５２と既設トンネル５０との間の地盤５３を凍結工法で地盤改良して接合するものであり、（３）に示す方法は、既設トンネル５０の近傍まで新設トンネル５１を構築し、その間の地盤５３を凍結工法で改良して接合するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２０８６４４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の特開平７−２０８６４４号公報の発明は、新設管を二重管とするため工費が増大するという問題があった。また図１５の（１）〜（３）の接合方法は、立坑用地の確保の困難、地中埋設物の切り回し作業の必要性から工費および工期の増大、地盤改良のための製作ヤードの確保の困難、地盤改良の範囲拡大による工費の増大などの問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地盤改良をせずに低コストで、かつ短期間にトンネルの地中接合ができるトンネル掘削機およびその接合方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を達成するための地中接合用トンネル掘削機は、シールド本体の前部に設置された、掘削方向にスライド自在で、かつ円周方向に回転自在なリングカッタと、該リングカッタの前部に設置され、カッタースポークの先端部から径方向に伸縮する伸縮カッタを備えたカッタヘッドとから構成され、前記リングカッタ内面の固定手段にカッタースポークの先端から伸びた伸縮カッタが固定され、該伸縮カッタの回転でリングカッタが回転する構成である。またリングカッタ内面の固定手段は、底部に緩衝材を備えた凹部または伸縮カッタを摩擦固定させる固定用パッドであることを含むものである。
またトンネルの地中接合方法は、地中に構築された既設トンネルの側面に新設トンネルを接合するトンネルの地中接合方法であって、請求項１または２の地中接合用トンネル掘削機を既設トンネルの側面に接するまで掘進させた後、カッタヘッドの伸縮カッタをリングカッタの内側にまで縮めるとともに、該リングカッタを掘進方向にスライドさせ、その内面の固定手段に径方向に伸ばした伸縮カッタを固定し、該伸縮カッタの回転によってリングカッタを回転させながら前方に押し出して既設トンネルの側面を切削する構成である。またリングカッタで既設トンネルの側面を切削した後、該切削部の外側の地盤にトンネルの内側から止水材を注入することを含む。さらにリングカッタで既設トンネルの側面を切削した後、カッタヘッドを解体・撤去して、リングカッタおよびシールド本体の内側に新設トンネルを構築することを含むものである。
【０００７】
カッタヘッドで地山を掘削するとともに、リングカッタ内面の固定手段に固定した伸縮カッタで、リングカッタを円周方向に回転させて、既設トンネルの側面を切削する。リングカッタ内面の凹部への伸縮カッタの押し入れ、固定用パッドへの伸縮カッタの摩擦接着により、該伸縮カッタをリングカッタの内面に固定することができる。
また地中接合用トンネル掘削機をシールドジャッキで既設トンネルの近傍まで掘進させた後、リングカッタによって既設トンネルの側面に新設トンネルの内径とほぼ同じ径の孔を切削することができる。また既設トンネルの切削部の外側の止水処理がトンネルの内側からおこなえる。カッタヘッドを解体・撤去することにより、シールド本体とリングカッタとで一次覆工することができ、この内側に新設トンネルを構築して既設トンネルに接合する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の地中接合用トンネル掘削機（以下掘削機という）およびトンネルの地中接合方法（以下接合方法という）の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
本発明の実施の形態における接合方法は、掘削機で掘削した横孔に新設管を推進させて、既設トンネルの側面に新設トンネルを接合するものであり、はじめに、この方法に使用する掘削機の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明し、その後に、この掘削機を使用した接合方法の実施の形態を図５〜図１４に基づいて説明する。また各実施の形態において同じ構成は同じ符号を付して説明し、異なった構成にのみ異なった符号を付して説明する。
【００１０】
図１〜図３は第１の実施の形態の掘削機１を示したものであり、この掘削機１は円筒状のシールド本体２と、該シールド本体２の前部に設置された掘進方向にスライド自在で、かつ円周方向に回転自在な円筒状のリングカッタ４と、該リングカッタ４の前部に設置されたカッタヘッド５とから構成されている。
【００１１】
シールド本体２は、球面軸受け６で屈曲自在に接続された前部シールド７と後部シールド８とから構成されている。この後部シールド８の内面には複数のシールドジャッキ（例えば３機）９が設置され、このシールドジャッキ９のスプレッダ１０が新設管１１を反力として伸びることにより、掘削機１を前方に掘進させるものである。
【００１２】
一方、前部シールド７の前部には円筒状の突出シールド３が設けられ、この突出シールド３を覆うようにしてリングカッタ４が回転自在に設けられている。
【００１３】
このリングカッタ４は既設トンネルの側面に、新設トンネルを接続するための接続口を切削・開口するものであり、その前面には既設トンネルの側面を切削するカッタビット１４が多数設置されている。またリングカッタ４の後端部には内側へ折れ曲がったガイド片１５が形成され、該ガイド片１５が突出シールド３のガイド部１６に設置され、該ガイド部１６によりリングカッタ４のスライドを安定させる。
【００１４】
このガイド片１５には前部シールド７の内面に設置したスライドジャッキ１７のスプレッダ１８が取り付けられている。したがって、図２に示すように、前記のスプレッダ１８が伸長するとリングカッタ４が前方にスライドし、これとともにリングカッタ４の後部に接合したリングカバー１９もスライドして、スライドジャッキ１７とガイド部１６とが保護される。
【００１５】
またリングカッタ４の内面には、後述する伸縮カッタを固定する固定手段としての凹部２０が３つ形成され、この底部には緩衝材２１、例えばスポンジ製のパッキンが設置されている。
【００１６】
また突出シールド３の前部にはバルクヘッド２２が形成され、このバルクヘッド２２には駆動モータ２３と減速機２４とからなる駆動装置２５が設置され、該駆動装置２５には軸受け２６を介してカッタヘッド５が設置されている。
【００１７】
このカッタヘッド５は前部シールド７の前面に位置し、中央の円筒部２８に中空のカッタースポーク２９が放射状に３つ設置され、該カッタースポーク２９内には伸縮カッタ３０が収納されている。この伸縮カッタ３０はカッタースポーク２９内に収納された伸縮スポーク３１の先端に設置され、カッタースポーク２９内のシリンダー３２で径方向に伸縮するようになっている。また上記のカッタースポーク２９の前面にはカッタビット（図示せず）が多数設置されている。
【００１８】
したがって、図３に示すように、伸縮カッタ３０はシリンダー３２の伸長によって突出シールド３の外面まで（突出シールドの外面と伸縮カッタの外面とが同じ面になる位置）伸びるとともに、シリンダー３２の収縮によって突出シールド３の内側まで縮むようになっている。
【００１９】
また伸縮カッタ３０を突出シールド３の内側まで縮めて、リングカッタ４を突出シールド３の前方に突出させた後、前記伸縮カッタ３０を径方向に伸ばすと凹部２０内に押し込まれるので、リングカッタ４が円周方向に回転可能になる。なお、前記凹部２０は常に伸縮カッタ３０が押し込まれる箇所に位置している。
【００２０】
またバルクヘッド２２とカッタヘッド５との間に形成された圧力チャンバ３３には排土管３４の先端が設置され、該排土管３４によって圧力チャンバ３３内の掘削土が排出される。
【００２１】
また図４は第２の実施の形態の掘削機３５を示したものであり、この掘削機３５は固定手段としての凹部２０が固定用パッド３６になったものであり、これ以外は第１の実施の形態の掘削機１と同じ構成である。この固定用パッド３６は摩擦力によって伸縮カッタ３０をリングカッタ４に固定するものであり、該リングカッタ４が回転できる摩擦力を有する。
【００２２】
次に、第１の実施の形態の掘削機１を使用した接合方法を図５〜図１４に基づいて説明する。この接合方法は、地中に構築した既設トンネル４０の側面に新設トンネル４１を接合するものである。
【００２３】
はじめに、図５に示すように、掘削機１を既設トンネル４０の側面から約１ｍの手前まで掘進させる。この掘削機１はカッタヘッド５で地山４２を掘削するとともに、この掘削土を圧力チャンバ３３から排土管３４で排出しながら、新設管１１に反力をとったシールドジャッキ９で掘進するものである。
【００２４】
そして、図６に示すように、掘削機１を既設トンネル４０の側面から約１ｍの手前で停止させた後、さらに３０ｃｍ掘進させる。
【００２５】
次に、図７に示すように、掘削機１をカッタヘッド５が既設トンネル４０の側面に接するまで掘進させる。
【００２６】
次に、図８に示すように、掘削機１を既設トンネル４０の側面から約３０ｃｍの手前まで後退させると、カッタヘッド５と既設トンネル４０との間に僅かな掘削空間４３が形成される。
【００２７】
次に、図９に示すように、伸縮カッタ３０を突出シールド３の内側まで収縮させるとともに、リングカッタ４を掘削空間４３までスライドさせる。これにともなってリングカバー１９がスライドして、スライドジャッキ１７とガイド部１６とが保護される。
【００２８】
次に、図１０に示すように、伸縮カッタ３０を伸ばしてリングカッタの凹部２０に押し込むと、リングカッタ４の円周方向への回転が可能になる。また伸縮カッタ３０が凹部２０へ押し込まれると底部の緩衝材２１が押しつぶされる。
【００２９】
次に、図１１に示すように、リングカッタ４を伸縮カッタ３０で回転させながら前進させて、既設トンネル４０の側壁を切削するとともに、この切削部の地盤４４にカッタヘッド５近傍の注入口（図示せず）から止水材４５を注入して地盤改良をおこなう。
【００３０】
このように既設トンネル４０の側壁を切削した後、図１２に示すように、伸縮カッタ３０を縮めて凹部２０から引き抜くと、リングカッタ４が既設トンネル４０の側壁に接続された状態になる。
【００３１】
次に、図１３に示すように、カッタヘッド５と駆動装置２５とを突出シールド３とともに前部シールド７から解体すると、シールド本体２とリングカッタ４とからなるトンネル４６が形成される。
【００３２】
次に、図１４に示すように、既設トンネルの切削された側壁４７を撤去して接続口１２を形成するとともに、前記トンネル４６の内側に新設管１１を推進・設置させると、新設トンネル４１が既設トンネル４０に接合される。
【００３３】
また上記のような接合方法の他に、突出シールド３とともにシールド本体２およびリングカッタ４を解体してから（図１３参照）新設管１１を推進・設置して、新設トンネルを構築することもできる。
【００３４】
なお、上記の接合方法の実施の形態は第１の実施の形態の掘削機１を使用したが、第２の実施の形態の掘削機３５を用いても同じ方法で接合でき、かつ同じ効果を奏する。
【００３５】
また上記の接合方法は推進工法に基づいて説明したが、これに限らず、シールド工法でも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
地盤改良などをせずに低コストで、かつ短期間にトンネルの地中接合ができる。またこの接合ができる掘削機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の掘削機の長さ方向の断面図である。
【図２】リングカッタをスライドさせた掘削機の長さ方向の断面図である。
【図３】（１）は図１のＡ−Ａ線断面図、（２）は（１）の平面図である。
【図４】第２の実施の形態の掘削機の断面図である。
【図５】接合方法を示したものであり、既存トンネルの側面近傍まで掘削機を掘進させた断面図である。
【図６】接合方法を示したものであり、既存トンネルの側面近傍まで掘削機を掘進させた断面図である。
【図７】接合方法を示したものであり、既存トンネルの側面に接するまで掘削機を掘進させた断面図である。
【図８】接合方法を示したものであり、既存トンネルの側面近傍まで掘進させた掘削機を後退させた断面図である。
【図９】接合方法を示したものであり、伸縮ジャッキを縮めてリングカッタを伸ばした掘削機の断面図である。
【図１０】接合方法を示したものであり、伸縮ジャッキを伸ばしてリングカッタに固定した掘削機の断面図である。
【図１１】接合方法を示したものであり、リングカッタで既設トンネルの側壁を切削した断面図である。
【図１２】接合方法を示したものであり、伸縮ジャッキをリングカッタから取り外した掘削機の断面図である。
【図１３】接合方法を示したものであり、突出シールドおよびカッタヘッドを解体した掘削機の断面図である。
【図１４】接合方法を示したものであり、既設トンネルに新設トンネルを接合した断面図である。
【図１５】従来の接合方法を示したものであり、（１）は既設トンネルに立坑を構築した断面図、（２）は既設トンネル近傍に立坑を構築した断面図、（３）は既設トンネル近傍の地盤を改良した断面図である。
【符号の説明】
１、３５  掘削機
２  シールド本体
３  突出シールド
４  リングカッタ
５  カッタヘッド
６  球面軸受け
７  前部シールド
８  後部シールド
９  シールドジャッキ
１０、１８  スプレッダ
１１  新設管
１２  接続口
１４  カッタビット
１５  ガイド片
１６  ガイド部
１７  スライドジャッキ
１９  リングカバー
２０  凹部
２１  緩衝材
２２  バルクヘッド
２３  駆動モータ
２４  減速機
２５  駆動装置
２６  軸受け
２８  円筒部
２９  カッタースポーク
３０  伸縮カッタ
３１  伸縮スポーク
３２  シリンダー
３３  圧力チャンバ
３４  排土管
３６  固定用パッド
４０、５０  既設トンネル
４１、５１  新設トンネル
４２  地山
４３  掘削空間
４４、５３  地盤
４５  止水材
４６  トンネル
４７  側壁
５２  立坑
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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