(57)【要約】【課題】親シールド機１と子シールド機２との兼用部位を増やすことにより、経済性が優れ、かつ容易に掘削形状を異ならせることが可能なシールド掘進機を提供する。【解決手段】大径の親シールド機１と、この親シールド機１より小径であり親シールド機１に対して延伸可能に配置された子シールド機２とを組み合わせてなるシールド掘進機であって、前記子シールド機２は、前記親シールド機１から突出しており、前記子シールド機２の外周には充填材３が充填されており、前記子シールド機２の前記充填材３を含む外径と前記親シールド機１の外径とが略同径であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径の親シールド機と、この親シールド機より小径であり親シールド機に対して延伸可能に配置された子シールド機とを組み合わせてなるシールド掘進機であって、
前記子シールド機は前記親シールド機から突出しており、この子シールド機の外周には充填材が充填されており、
前記子シールド機の前記充填材を含む外径と前記親シールド機の外径とが略同径であることを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
前記親シールド機は、内部でセグメントを組み立てる後胴部と、この後胴部の掘削方向前方に位置する前胴部を有し、
前記親シールド機の後胴部の外周には、掘削坑内周面と接触する外殻としてのテールプレートが設けられており、
前記親シールド機の前胴部は、先端が前記子シールド機の外周面に至るテーパー状であり、その外周には充填材が充填されており、
前記親シールド機の前胴部の前記充填材を含む外径と前記親シールド機の後胴部の外径とが略同径であることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
前記子シールド機の先端には、子シールド機の断面と略同径のカッターヘッドが設けられており、このカッターヘッドは、子シールド機の径方向に伸縮可能な複数の外周カッターを備えており、
前記外周カッターとカッターヘッドが駆動することより、大径の親シールド機と略同径の断面を掘削することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
前記充填材は、可塑性を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のシールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大径のシールド機と小径のシールド機とを組み合わせてなるシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一台の掘進機で大口径トンネルに連続して小口径トンネルを掘削するために、親シールド機の内部にその親シールド機の径よりも小さな径の子シールド機を内蔵させるようにした親子シールド掘進機が用いられている。
【０００３】
従来公知の親子シールド掘進機の一例としては、大径の親シールド機と小径の子シールド機とを組み合わせてなる親子シールド掘進機において、前記子シールド機を親シールド機の内側で摺動可能な二重構造にしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。親シールド機と子シールド機とを一体させて掘進する際には、その子シールド機を所定の機長まで伸張させた後に掘進が行われる。
【０００４】
このシールド掘進機によれば、子シールド機が初めから親シールド掘進機内に収納されており、子シールド機掘進準備時おける掘進準備作業を極めて簡略化することが可能となるとしている。
【０００５】
しかし、上記従来例では、子シールド機と親シールド機とが摺動可能な二重構造としているので、親シールド機と子シールド機とを精度良く製作する必要があり、非常に手間とコストがかかるという問題点があった。
【０００６】
このような問題点を解決するものとして、簡易な構成の親子シールド掘進機が発明された（例えば、特許文献２参照。）。この親子シールド掘進機は、大径の親シールド機とこの親シールド機内に収容された小径の子シールド機とを組み合わせてなる親子シールド掘進機であって、親シールド機の内部に収容された子シールド機の前胴と、子シールド機の前胴の後端に接続することによって子シールド機の後端を構成することとなる複数に分割された外殻とを備えており、複数の外殻を親シールド機と子シールド機の間に設けた隙間に引き出し可能状態に設置している。この親子シールド掘進機は、前記構成を採用することにより、子シールド機の発進準備時に後胴部の搬入作業が不要にすることができ、手間とコストを抑え、効率良く作業を行うことが可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特許２６９３１３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−４５６８２号公報
【０００８】
また、従来より親子シールド掘進機は、異形の掘削断面を１台のシールド機で掘削することで、コストを縮減することを目的としている。そのため、親シールド機と子シールド機の間で兼用できる設備は、可能な限り共用することが望ましい。しかし、親シールド機と子シールド機で全ての設備を共用することは困難であり、十分なコストの縮減を図ることが困難であった。特に、親シールド機と子シールド機とでは掘削する断面が異なり各々独立して地山と接触する外殻を設けなければならず、従来の親子シールドでは外殻を兼用することは困難であった。さらに、従来の親子シールド掘進機では、掘削径を異ならせる際に、親シールド機と子シールド機を摺動させたり、子シールド機を組み立てたりしなければならず手間と時間を要していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を鑑みて成されたものであり、親シールド機と子シールド機との兼用部位を増やすことにより、経済性が優れ、かつ容易に掘削形状を異ならせることが可能なシールド掘進機を提供することを技術的課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、大径の親シールド機と、この親シールド機より小径であり親シールド機に対して延伸可能に配置された子シールド機とを組み合わせてなるシールド掘進機であって、前記子シールド機は前記親シールド機から突出ており、この子シールド機の外周には充填材が充填されており、前記子シールド機の前記充填材を含む外径と前記親シールド機の外径とが略同径であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るシールド掘進機は、前記子シールド機の充填材を含む外径と親シールド機の外径とが略同径であるため、大径のトンネルの掘削を行う際には、子シールド機の外周に充填された充填材が外殻の役割を果たし、掘削を行うことができる。すなわち、大径のトンネルの掘削を行う際に、子シールド機を突出させた状態で掘削を行うことが可能である。一方、小径のトンネルを掘削する際には、子シールド機を親シールド機から延伸させて子シールド機のみで掘削を行えば良く、新たに外殻を設ける必要がないため効率よく施工を行うことが可能となる。
【００１２】
また、前記親シールド機は、内部でセグメントを組み立てる後胴部と、この後胴部の掘削方向前方に位置する前胴部を有し、前記親シールド機の後胴部の外周には、掘削坑内周面と接触する外殻としてのテールプレートが設けられており、前記親シールド機の前胴部は、先端が前記子シールド機の外周面に至るテーパー状であり、その外周には充填材が充填されており、前記親シールド機の前胴部の前記充填材を含む外径と前記親シールド機の外径とが略同径であることが望ましい。
【００１３】
前記充填材は、親シールド機の断面で掘削する際に親シールド機と子シールド機の断面の差に充填され外殻の役割を果たしており、掘削した地山を保持でき、外周に位置する地山と摩擦抵抗を低減できるものが良い。充填材としては、種々のものを用いることが可能であり、地山の地質等により適宜なものを選択することが望ましい。
【００１４】
具体的には、前記充填材は、可塑性を有するものが好適である。可塑性とは、固体に力を加えて弾性限界を超える変形を与えたときに、力を除いても歪みがそのまま残る性質である。可塑性を有する充填材としては、種々のものを例示することができ、特に地山崩落防止効果が得られる充填材としては、コンクリート，モルタル等セメント系、スラグ系硬化材が挙げられ、地山との摩擦低減効果が顕著に表れる充填材としては、油脂、ベントナイトを主成分とした粘性の高い鉱物等による溶液状固体、又は、高分子系の球状弾性体を挙げることができる。
【００１５】
前記充填材は、前記地山崩落防止効果が得られる充填材又は摩擦低減効果が得られる充填材を適宜に選択して用いても良いし、前記充填材を組み合わせて用いても良い。また、充填材を組み合わせて用いる場合には、各々の充填材を予め混合して用いても良いし、各々充填して異なる充填材の層を重ねることにより組み合わせて用いても良い。すなわち、前記充填材の選択及び組み合わせは、地山の性質等に応じ適宜に選択することが望ましい。尚、本発明に用いる充填材としては、外周地山の崩落を防止し、外周地山との摩擦抵抗を軽減できるものであれば良く、これらに限られない。
【００１６】
また、本発明に係るシールド掘進機は、前記子シールド機の先端に子シールド機の断面と略同径のカッターヘッドが設けられ、このカッターヘッドが子シールド機の径方向に伸縮可能な複数の伸縮カッターを備えており、前記伸縮カッターとカッターヘッドが駆動することより、前記親シールド機の断面と略同径に掘削することを特徴とすることが望ましい。
【００１７】
前記構成により、子シールド機と略同径の断面を掘削する際には、子シールド機の先端に設けられたカッターヘッドで掘削をすることが可能であり、前記親シールド機と略同径の断面を掘削する際には、前記カッターヘッドと、このカッターヘッドの外周に設けられた外周カッターにより掘削を行うことが可能となる。従って、容易に異なる断面の掘削を行うことが可能となる。
【００１８】
また、前記外周カッターは、カッターヘッドの径方向に伸縮自在であるため、カッターヘッドから突出する長さを調整することにより、種々の断面形状に掘削することができる。例えば、回転掘削するカッターヘッドの動きと伸縮カッターの延出する長さとを調整し、略矩形の断面を掘削することも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシールド掘進機の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１、図２は、本実施の形態に係るシールド掘進機の縦断面図である。図１は、大径のトンネルを掘削し、親シールド機１によりセグメント５を組み立てる状態を示しており、図２は、小径のトンネルを掘削し、子シールド機２によりセグメント５を組み立てる状態を示している。まず、図に基づいて本実施の形態に係るシールド掘進機の構造について説明する。シールド掘進機は、大径の親シールド機１と、前記親シールド機１より小径であり一部が親シールド機１に内蔵された子シールド機２と、前記親シールド機１及び子シールド機２の外周面と掘削坑内周面との隙間に充填された充填材３とを備えている。
【００２０】
前記親シールド機１は、掘削坑内周面に沿ってセグメント５組み立てる後胴部１１（以下、親後胴部１１とする。）と、前記後胴部の掘削方向前方に位置し、先端に向かって断面積が小さく形成された前胴部１２（以下、親前胴部１２とする。）を有している。親前胴部１２の先端から親後胴部１１より小径の子シールド機２が突出している。前記親後胴部１１は、円筒状であり、掘削坑の内周面と接触する外周に外殻としてのテールプレート１３（以下、親テールプレート１３とする。）が設けられている。また、親後胴部１１の内部には、セグメント５組立て用のエレクタ（図示せず）が設けられており、シールド掘進機の掘削に伴い、掘削坑外周面に沿ってセグメント５を組み立てる。
【００２１】
前記子シールド機２は、前記親シールド機１より小径であり、親シールド機１から突出している。子シールド機２は円筒状であり、外周に外殻となるスキンプレート２３を有している。また、この子シールド機２は、親シールド機１に対して延伸可能であり、図１に点線で示す子シールド機の後胴部２２は、子シールド機を延伸させる際に組み立てられ延伸し、親シールド機１から分離する。一方、大径のトンネルを掘進する際には、子シールド機２は、前記後胴部２２は組み立てられてなく、親シールド機１から突出した前胴部２１のみである。
【００２２】
また、前記子シールド機２の先端には、子シールド機２と略同径のカッターヘッド４が装着されており、小径のトンネルを掘削する。図３は、図１に示すシールド掘進機の正面図である。前記カッターヘッド４には、径方向に伸縮可能な外周カッター４１が複数備えられている。大径のトンネルＡを掘削する状態では、カッターヘッド４の径方向に外周カッター４１が延び、カッターヘッド４と外周カッター４１により掘削を行う。一方、小径のトンネルＢを掘削する際は、外周カッター４１がカッターヘッド４内に引き込まれ、カッターヘッド４のみで掘削を行う。
【００２３】
大径のトンネルを掘削する状態では、本実施の形態では親前胴部１２と子シールド機２の外周と掘削坑内周面との間に充填材としての可塑性充填材３が充填されている。この可塑性充填材３は、親前胴部１２と子シールド機２の外周面と掘削坑内周面との隙間に充填されており、親シールド機１の外殻の役割を果たしている。すなわち、可塑性充填材３は、外周に位置する地山を保持し、かつ、地山との摩擦抵抗を低減している。
【００２４】
また、本実施の形態では、子前胴部２１の下端と両側端に方向制御を行うためのガイド６を設けた。従来の親子シールド機では、外周地山に拘束された状態で掘進を行うが、本実施の形態では、子シールド機の外周に充填された充填材を介した状態で掘進を行う。そのため、本実施の形態では従来と比較して拘束力の低下の恐れがある。この拘束力の低下は、シールド機の蛇行を招く。そこで、本実施の形態では、充填材を介さずに地山に反力を取って方向制御を行うためガイド６を設けた。ガイド６を設けることにより、シールド機の蛇行を防ぎ、的確に方向制御を行うことが可能となる。
【００２５】
尚、充填材として外周地山を拘束できるコンクリート等の硬化材を用い、かつ、子シールド機前胴部２１の外周部に摩擦低減効果が得られる充填材を用いた場合はガイド６は不要となる。
【００２６】
次いで、小径のトンネルを掘削する状態を示す図２において、親シールド機１と子シールド機２とは分離しており、親シールド機１の前方に組み立てられた小径のセグメント５の外周に可塑性充填材３が配置されている。小径のトンネルを掘削する際には、前記スキンプレート２３により地山の保持等をすることができる。そのため、小径のトンネルを掘削する際には充填材は不要である。しかし、流動性を有する可塑性充填材３をそのまま放置すると、地山の崩落等を招くおそれがある。従って、大径のトンネルの掘削完了後、地山の安定を図るために可塑性充填材３を固化させることが望ましい。
【００２７】
前記充填材は、種々のものを用いることが可能であり、例えば、セメント硬化材のように時間の経過により硬化するものを用いても良いし、自然に硬化しない充填材を用いることも可能である。しかし、自然に硬化しない充填材を用いる場合には、大径のトンネル掘削完了後、地山の安定を図るため硬化性を有する充填材に置換することが望ましい。加えて、硬化し難い充填材を用いた場合には、必要に応じ硬化促進剤等を注入して硬化を促進させることが望ましい。
【００２８】
次いで、以上のように構成されたシールド掘進機における、大径のトンネルの掘削から小径のトンネルの掘削にかけての一連の動作を図４から図８を参照して詳細に説明する。
【００２９】
まず、トンネルを掘削すべき地山に坑口を開口し、この坑口付近の地盤７に薬液等を注入し安定化を図る。前記坑口に坑口コンクリート７１及びエントランスパッキン７２を装着し密閉性を確保して、シールド掘進機を据え付ける。このとき、親後胴部１１でセグメント５を仮組立する（図４参照）。
【００３０】
次いで、シールド掘進機により大径のトンネルの掘削を行う。子シールド機２先端に装着されたカッターヘッド４から外周カッター４１を伸張させて、親シールド機１と子シールド機２を一体とする親子シールド機により掘進する。このとき、カッターヘッド４と外周カッター４１を駆動して地山を掘削し、掘削した掘削土は泥水であり、子シールド機２内に溜められる。前記泥水に所定の圧力を与えて切羽の安定を図り、泥水を循環させることによりポンプにて掘削土の流体輸送を行う。また、シールド掘進機は、親後胴部１１内に設けられたシールドジャッキ８で組み立てたセグメント５を押すことによって前進する。そして、子シールド機２と親前胴部１２の外周と掘削坑内周面との隙間に充填材としての可塑性充填材３を充填する。
【００３１】
大径のトンネルを掘削する際には、前記親テールプレート１３と可塑性充填材３が外殻となる。従って、必要に応じて、前記ガイド６を子シールド機２の外周面に突出させて方向制御等を行ったり、掘進に伴い可塑性充填材３が流出等して前記隙間に十分な可塑性充填材３が充填されていない場合には可塑性充填材３を補足注入する。このようにして、充填材を十分に保持した状態で、親後胴部１１でセグメント５を組み立てつつ、大径トンネルの掘進を行う（図５参照）。
【００３２】
大径のトンネル掘削後、小径のトンネルを掘削する際には、外周カッター４１をカッターヘッド４内に引き込み、ガイド６を子シールド機２内に引き込む。また、小径のトンネルを掘削する際には、前述のように、可塑性充填材３は不要となるため、可塑性充填材３を固化させる（図６参照）。次いで、施工する小径のトンネルに合わせて、反力伝達材９を設置し、シールドジャッキ８を付け替える。また、小径のトンネルを掘削するときには、子シールド機２を延伸させてるため、親前胴部１２と子シールド機２との連結部Ｘを分離させると同時に、子シールド機２の後胴部２２を取り付ける（図７参照）。
【００３３】
そして、子シールド機のみ掘進させて、小径のトンネルを掘削する。この際には、前記スキンプレート２３が外殻となり、子シールド機２の先端に装着されたカッターヘッド４で地山を掘削しつつ、子シールド機２の後端部でセグメント５を組む。また、分離した親シールド機１にはセグメント５が組み込まれていないため、鉄筋コンクリート５１を打設して覆工する（図８参照）。
【００３４】
以上のように本実施の形態によれば、大径のトンネルを掘削する際に、子シールド機２とその外周に充填された可塑性充填材３により地山を保持しつつ、掘進を進めることができる。すなわち、従来の技術（特許文献１参照）による親シールド機１の外殻を減らすことができ、コストを削減することが出来る。また、容易に掘削するトンネルの断面の径を大径から小径に異ならせることが出来るため、効率よく施工を行うことが可能である。
【００３５】
また、本実施の形態では、施工する大径のトンネルは円形であり、大径のトンネルの半径に合わせて外周カッター４１を伸ばして掘削した。しかし、前記外周カッター４１は伸縮自在であり、地山を掘削しつつ外周カッター４１伸縮させることで、種々の断面形状に対応して掘削することが出来る。すなわち、小径のトンネルの断面は、カッターヘッド４の形状となるが、大径のトンネルの断面は、掘削しつつ外周カッター４１の伸ばす長さを調整することで種々の断面に掘削することが可能である。図９は、大径トンネルと小径トンネルの掘削例を示した正面図である。（ａ）は、大径のトンネルが横長の楕円形であり、（ｂ）は、大径のトンネルが略矩形である。このように、外周カッターが伸縮自在に設けられていることにより、種々の形状に掘削可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、親シールド機と子シールド機との兼用部位が増え、経済性を向上させることが出来る。また、容易に掘削形状を異ならせることが出来るため、効率よくトンネルの施工を行うことが出来る。加えて、掘削を行うカッターヘッドの先端に伸縮自在な外周カッターを設けることにより、種々の形状の断面を容易に掘削することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るシールド掘進機の縦断面図である（大径のトンネル掘削時）。
【図２】本実施の形態に係るシールド掘進機の縦断面図である（小径のトンネル掘削時）。
【図３】図１に示すシールド掘進機の正面図である。
【図４】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いたトンネルの掘削工程の説明図である。
【図５】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いたトンネルの掘削工程の説明図である。
【図６】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いたトンネルの掘削工程の説明図である。
【図７】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いたトンネルの掘削工程の説明図である。
【図８】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いたトンネルの掘削工程の説明図である。
【図９】本実施の形態に係るシールド掘進機を用いた掘削例を示す正面図である。
【符号の説明】
１  親シールド機
１１  親後胴部
１２  親前胴部
２  子シールド機
３  セメント硬化剤
４  カッターヘッド
４１  外周カッター
５  セグメント
６  ガイド
７１  坑口コンクリート
７２  エントランスパッキン
８  シールドジャッキ
９  反力伝達部材
【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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