(57)【要約】【課題】水圧・土圧・浮力に対して強く、かつ道路トンネルとしての用途では土被りを小さくでき、さらには避難通路や緊急車両通行路を確保し得るシールドトンネルを提供すること。【解決手段】トンネル断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２に形成し、上部を大曲率のほぼ円弧形３またはほぼ平面状に形成した。このトンネルは、シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の軸方向に対する直角断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２５に形成し、上部を直線状ないしは大曲率のほぼ円弧形２６、放物線状に形成し、カッタヘッド３５を前記シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の直角断面形状と近似形に形成し、前記カッタヘッド３５を、平行クランク運動機構３０を介して回転駆動部２７に連結した構成の掘削機で構築する。【選択図】　　　　図１
2004108094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル断面の下部を小曲率のほぼ円弧形（２），（１３），（１７）に形成し、上部を直線状ないしは大曲率の円弧形、放物線状に形成したことを特徴とするシールドトンネル。
【請求項２】
シールド筒（２１）、隔壁（２２）、フード部（２３）およびテール部（２４）の軸方向に対する直角断面の下部を小曲率のほぼ円弧形（２５）に形成し、上部を直線状ないしは大曲率のほぼ円弧形（２６）、放物線状に形成し、
カッタヘッド（３５）を前記シールド筒（２１）、隔壁（２２）、フード部（２３）およびテール部（２４）の直角断面形状と近似形に形成し、
前記カッタヘッド（３５）を、平行クランク運動機構（３０）を介して回転駆動部（２７）に連結した、
ことを特徴とするシールド掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底や河底下等に築造され、例えば道路として使用される低土被りのシールドトンネルと、このトンネルを掘削するためのシールド掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底や河底下に道路トンネルなどのトンネルを作る技術として、従来から沈埋工法やシールド工法がある。
【０００３】
前記沈埋工法では、海底や河底を海上や河上から掘り下げ、ここに所要断面（多くは長方形断面）の、複数の鉄筋コンクリート函を沈設する。ついで、この鉄筋コンクリート函を土砂で埋め戻し、周囲を栗石で覆う。
【０００４】
この沈埋工法では、トンネルを海底や河底下の浅い場所に設置するので、用途が道路トンネルの場合、シールドトンネルに比べて道路線形を短縮することができる。
【０００５】
前記シールド工法は、トンネルの構築作業を地中で行うため、海域や河域を汚染することがなく、生態系の破壊を引き起こさないという利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、沈埋工法ではトンネルを海上や河上から掘削するために、海水や河水の汚濁により海域や河域の生態系を破壊する危険がある。
【０００７】
また、沈埋工法では多くの場合、長方形断面が採用されるので、部材を厚くする必要があり、鉄筋やコンクリートなどの資材を多く使用することになる。
【０００８】
さらに、沈埋工法において、トンネルを円形断面にすると、海底や河底下を深く掘削することになり、海上や河上からの掘削が難しくなり、工期が長くなる。したがって、土圧や水圧に対して有利な円形断面を採用することが難しい。
【０００９】
一方、シールド工法において、円形断面を採用すると、浮力によりシールド掘削機や覆工用セグメントが浮き上がらないようにするために、沈埋工法に比べて地中深さを大きくする必要がある。このため、道路トンネルとしての用途ではシールドトンネルは沈埋トンネルに比べて道路線形が深くなり、トンネルの全長が長くなる。
【００１０】
さらに、シールド工法では切羽の安定のために一定の土被りが必要とされ、一般的には沈埋トンネルに比べて土被りを大きくする必要がある。このため、道路線形が深くなる。
【００１１】
さらには、シールド工法により、近年矩形断面や楕円形断面で上下対称な断面を持ったトンネルが作られている。このようなシールドトンネルは、円形断面に比べて扁平なるため土被りを小さくすることができる。しかし、浮力に対抗させるため、路面下部に土砂を埋め戻したり、コンクリートを充填させる必要がある。その結果、トンネルの空間が小さくなるので、避難通路や緊急車両通行路などを確保することが難しくなる。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、シールド工法の利点を活かしつつ、しかも水圧・土圧・浮力に対して強く、かつ道路トンネルとしての用途では土被りを小さくでき、さらには避難通路や緊急車両通行路を確保し得る低土被りのシールドトンネルを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、前記シールドトンネルを的確に掘削し得るシールド掘削機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明シールドトンネルではトンネル断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２，１３，１７に形成し、上部を直線状ないしは大曲率の円弧、放物線状に形成している。
【００１５】
また、前記目的を達成するため、本発明シールド掘削機ではシールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の軸方向に対する直角断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２５に形成し、上部を直線状ないしは大曲率のほぼ円弧形２６、放物線状に形成し、カッタヘッド３５を前記シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の直角断面形状と近似形に形成し、前記カッタヘッド３５を、平行クランク運動機構３０を介して回転駆動部２７に連結している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１７】
【実施例１】
図１は本発明シールドトンネルの実施例１を示す断面図である。
【００１８】
この図１に示す実施例１のシールドトンネル１は、トンネル断面の下部が小曲率のほぼ円弧形２に形成され、上部が大曲率のほぼ円弧形３に形成されている。
【００１９】
前記シールドトンネル１の外郭は、トンネル断面の下部と上部とに適合する形状に形成されたセグメント４をトンネルの周方向および軸方向にそれぞれ結合して構築されている。
【００２０】
前記シールドトンネル１内の路床５は、掘削土砂の単体、または掘削土砂とセメントなどの固化材を混合した固化土、あるいは流動化処理土などからなる埋め立て土砂を埋め戻して造成されている。
【００２１】
また、前記路床５の上面には、トンネルを補強する連結部材７を介して路盤コンクリート６が打設されている。
【００２２】
さらに、路盤コンクリート６の下方には、路床５の中央部を両側に設けた柱壁８、両側の柱壁８間の上方に設けられた桁材８’で仕切り、ここに避難通路９または緊急車両通行路が確保されており、前記避難通路９の下部に、避難通路床１０が造成されている。
【００２３】
さらに、前記路盤コンクリート６の上面には、舗装部１１が敷設されている。
【００２４】
そして、前記シールドトンネル１内における舗装部１１の上方には、道路１２が確保されている。
【００２５】
なお、図１において、符号１２′は車両建築限界を示し、符号Ｄは水底とシールドトンネルの頂面間の土被りを示す。
【００２６】
この実施例１に示すシールドトンネル１は、トンネル断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２に形成されているので、土圧・水圧に対して強度を大きくすることができる。また、路盤コンクリート６の下方に避難通路９や緊急車両通行路を確保することができる。さらには、シールドトンネル１内の下部の不要部分に埋め立て土砂を埋め戻して路床５を造成し、トンネルの重量を増大させ、トンネルに掛かる浮力に対抗させ、トンネルの安定化を図ることができる。
【００２７】
つぎに、図２は土被りを同一にしたときの、本発明の実施例１のシールドトンネル１と、円形断面のシールドトンネル１９とについて、縦断線形の深さを比較して示した図で、対応する部材は同様の符号で示す。また、図３は図２に示す両シールドトンネルの縦断線形深さと、トンネルのアプローチ部分の道路延長との関係を比較して示した図である。
【００２８】
本発明の前記実施例１のシールドトンネル１と、円形断面のシールドトンネル１９とを、図２に示すように、土被りＤを同一にしたとき、本発明の実施例１のシールドトンネル１と、円形断面のシールドトンネル１９とでは、縦断線形の深さ方向に差Ｈが生じる。この差Ｈにより、トンネルのアプローチ部分に道路延長の差２Ｌが生じる。この道路延長の差２Ｌは、次式により求められる。
【数１】
2004108094.tif 000003
ここで、Θは地上よりトンネルのアプローチ部分までの道路勾配である。
【００２９】
本発明の実施例１のシールドトンネル１によれば、円形断面のシールドトンネル１９に比べて道路延長を２Ｌ、短縮することができる。したがって、トンネル構築のための機材や資材を節減できる外、工期を短縮することができる。
【００３０】
また、この実施例１のシールドトンネル１によれば、地中でトンネル構築作業が行われるので、海域や河域の汚染を解消できるという、シールド工法の利点をそのまま活かすことができる。
【００３１】
【実施例２】
ついで、図４は本発明シールドトンネルの実施例２を示す断面図である。
【００３２】
この図４に示す実施例２のシールドトンネルは、トンネル断面の下部がＯ１　を中心とする半径Ｒ１の小曲率の円弧形１３に形成され、中間部が矩形１４に形成され、上部がＯ２を中心とする半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ１）の大曲率の円弧形１５に形成されている。
【００３３】
また、路床５は埋め戻し土を再利用して造成されている。
【００３４】
なお、図４において、符号１６は路盤を示す。
【００３５】
この実施例２におけるシールドトンネルは、トンネル断面の上・下部間に、矩形１４の中間部を介在させて、トンネル全体の高さを高く構成している外は、前記実施例１のシールドトンネル１の形状と同様であり、作用も同様である。
【００３６】
【実施例３】
続いて、図５は本発明シールドトンネルの実施例３を示す断面図である。
【００３７】
この図５に示す実施例３のシールドトンネルは、トンネル断面の下部が小曲率のほぼ円弧形１７に形成され、上部がほぼ平面状１８に形成されている。
【００３８】
また、路床５は掘削土砂を埋め戻して造成されている。
【００３９】
この実施例３のシールドトンネルでは、トンネル断面の上部を平面状１８に形成しているが、土被り荷重が小さい場合、強度上の問題は生じない。
【００４０】
この実施例３のシールドトンネルの他の構成は、前記実施例１のシールドトンネル１と同様であり、作用についても実施例１のシールドトンネル１と同様である。
【００４１】
なお、本発明におけるシールドトンネルの、トンネル断面の上部の形状は、図１および図４では大曲率のほぼ円弧形３，１５としたが、放物線状であっても良く、または図５に示したように直線状としても良く、これらの範囲であれば良い。
【００４２】
【実施例４】
つぎに、図６〜図８は本発明の実施例１のシールドトンネルを掘削するためのシールド掘削機の一実施例を示すもので、図６は縦断側面図、図７は正面図、図８は背面図である。
【００４３】
これら図６〜図８に示す実施例のシールド掘削機２０は、シールド筒２１と、隔壁２２と、フード部２３と、テール部２４と、カッタヘッド用の回転駆動部２７および平行クランク運動機構３０と、カッタヘッド３５と、掘削土砂用のチャンバ３９と、排土装置４０と、推進ジャッキ４３等を備えて構成されている。
【００４４】
前記シールド筒２１と、隔壁２２と、フード部２３と、テール部２４とは、シールド掘削機１の軸方向に対する直角断面の下部が小曲率のほぼ円弧形２５に形成され、上部が大曲率のほぼ円弧形２６に形成されている。
【００４５】
前記カッタヘッド用の回転駆動部２７は、図４に示すように、駆動モータ２８と、これに連結されたピニオン２９とを有している。
【００４６】
前記カッタヘッド用の平行クランク運動機構３０は、前記ピニオン２９に噛み合わされたインターナルギヤ３１と、このインターナルギヤ３１と一体に形成されかつ隔壁２２に回転自在に支持された回転体３２と、この回転体３２の中心に対して偏心距離ｅ、偏心させて設けられた偏心軸３３とを有している。
【００４７】
そして、前記回転駆動部２７と平行クランク運動機構３０とは、所要の間隔をおいて、この実施例では５組配置されており、前記５組の回転駆動部２７と平行クランク運動機構３０とが協働してカッタヘッド３５を平行クランク運動させ得るように構成されている。
【００４８】
前記回転体３２の中心部には、機内からチャンバ３９に向かって作泥土材注入口３４が設けられている。
【００４９】
前記カッタヘッド３５は、カッタフレーム３６と、このカッタフレーム３６に多数植設されたカッタビット３７とを有している。前記カッタフレーム３６は、図５から分かるように、前記シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４と近似形に形成されている。なお、カッタビット３７については、図４にビット列の外郭を仮想線で示し、個々のカッタビットの配列を省略している。
【００５０】
前記カッタフレーム３６におけるチャンバ３９側の面には、複数本の攪拌翼３８が設けられている。
【００５１】
前記チャンバ３９は、隔壁２２、フード部２３およびカッタヘッド３５に囲まれた空間に形成されている。
【００５２】
前記排土装置４０には、この実施例ではスクリューコンベアが用いられている。この排土装置４０は、駆動部４１と、排土口４２とを有しており、入口部分を前記チャンバ３９に臨ませて設置されている。
【００５３】
前記推進ジャッキ４３は、シールド筒２１の内部において、円周方向に所定の間隔をおいて複数台設置されている。
【００５４】
この実施例におけるシールド筒２０は、地中において、複数組の回転駆動部２７が同時にかつ同じ方向に駆動されると、各回転駆動部２７に連結された平行クランク運動機構３０が連動し、複数組の平行クランク運動機構３０によりカッタヘッド３５が平行クランク運動する。
【００５５】
前記カッタヘッド３５が平行クランク運動を行うに伴い、カッタビット列３７により切羽が掘削され、その掘削土砂はチャンバ３９に取り込まれる。
【００５６】
前述のごとく、チャンバ３９に取り込まれた掘削土砂には、作泥土材注入口３４から作泥土材が注入され、掘削土砂と作泥土材とがカッタフレーム３６に設けられた攪拌翼３８により攪拌され、塑性流動性を有する土砂が作成される。
【００５７】
そして、掘進に伴って排土装置４０が駆動され、切羽の崩壊を防止しつつ排土装置４０にチャンバ３９内の土砂が取り込まれ、排土口４２を通じてシールド掘削機２０の後方へ排土される。
【００５８】
また、シールド掘削機２０内の後部でセグメント４４を組み立てて行く。
【００５９】
前述のごとくチャンバ３９内の土砂を排出し、セグメント４４を組み立てた後、複数台の推進ジャッキ４３を同時に伸長させ、セグメント４４に反力を取ってシールド掘削機２０全体を推進させる。
【００６０】
ついで、各推進ジャッキ４３を収縮させ、再びシールド掘削機２０の後部でセグメント４４を組み立てる。
【００６１】
以上の作業を繰り返して行い、シールドトンネルを掘進する。
【００６２】
以上説明したシールド掘削機２０によれば、シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の軸方向に対する直角断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２５に形成し、上部を大曲率のほぼ円弧形２６に形成し、カッタヘッド３５を前記シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の直角断面形状と近似形に形成し、このカッタヘッド３５を平行クランク運動機構３０を介して回転駆動部２７に連結しているので、前記図１に示す実施例１のシールドトンネル１を的確に掘削することができる。
【００６３】
なお、図４に示す実施例２のシールドトンネル、図５に示す実施例３のシールドトンネルを掘削するシールド掘削機では、シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４をそれぞれ掘削すべきトンネル断面に対応する形状に形成するとともに、カッタヘッド３５を当該トンネル断面に近似の形状に形成する。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明した本発明のシールドトンネルでは、トンネル断面の下部を小曲率のほぼ円弧形２，１３，１７に形成しているので、水圧・土圧に対する強度を大きくなし得る効果があり、トンネル内の下部に土砂等を埋め込んでトンネルの重量を増大させ、トンネルに掛かる浮力に対抗させ、トンネルの安定化を図り得る効果があり、道路トンネルとしての用途では、トンネル内の下部に避難通路９や緊急車両通行路を確保し得る効果があり、さらにトンネル断面の上部を大曲率のほぼ円弧形３，１５、ほぼ平面状１８に形成しているので、道路トンネルの場合に、円形断面のシールドトンネルに比べて、道路延長を短縮し得る効果があり、ひいてはトンネル構築のための機材や資材を節減できる外、工期を短縮し得る効果があり、地中でトンネル構築作業を行うので、海域や河域の汚染を解消できるという、シールド工法の利点をそのまま活かし得る効果をも有する。
【００６５】
また、本発明のシールド掘削機ではシールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の軸方向に対する直角断面の下部を、小曲率のほぼ円弧形２５に形成し、上部を直線状ないしは大曲率のほぼ円弧形２６、放物線状に形成し、カッタヘッド３５を前記シールド筒２１、隔壁２２、フード部２３およびテール部２４の直角断面形状と近似形に形成し、前記カッタヘッド３５を、平行クランク運動機構３０を介して回転駆動部２７に連結しているので、前記本発明にかかるシールドトンネルを的確に掘削し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明シールドトンネルの実施例１を示す断面図である。
【図２】土被りを同一にしたときの、本発明の実施例１のシールドトンネルと、円形断面のシールドトンネルとについて、縦断線形の深さを比較して示した図である。
【図３】図２に示す両シールドトンネルの縦断線形深さと、トンネルのアプローチ部分の道路延長との関係を比較して示した図である。
【図４】本発明のシールドトンネルの実施例２を示す断面図である。
【図５】本発明シールドトンネルの実施例３を示す断面図である。
【図６】本発明シールド掘削機の一実施例を示す縦断側面図である。
【図７】同シールド掘削機の正面図である。
【図８】同シールド掘削機の背面図である。
【符号の説明】
１　　シールドトンネル
２　　トンネル断面の下部における小曲率のほぼ円弧形
３　　トンネル断面の上部における大曲率のほぼ円弧形
４　　セグメント
５　　路床
６　　路盤コンクリート
７　　連結部材
８　　柱壁
８’　桁材
９　　避難通路
１２　道路
Ｄ　　土被り
１３　トンネル断面の下部における小曲率のほぼ円弧形
１５　トンネル断面の上部における大曲率のほぼ円弧形
１６　路盤
１７　トンネル断面の下部における小曲率のほぼ円弧形
１８　トンネル断面の上部における平面状
２０　シールド掘削機
２１　シールド筒
２２　隔壁
２３　フード部
２４　テール部
２５　シールド筒等の下部における小曲率のほぼ円弧形
２６　シールド筒等の上部における大曲率のほぼ円弧形
２７　回転駆動部
３０　平行クランク運動機構
３５　カッタヘッド
３９　掘削土砂のチャンバ
４０　排土装置
４３　推進ジャッキ
４４　セグメント
【図１】
2004108094.tif 000004
【図２】
2004108094.tif 000005
【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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