(57)【要約】    【課題】  標準部分の施工と拡幅部分の施工を並行して行うことができ、効率よく作業を行うことができるシールド工法、シールド掘進機１及び拡幅セグメント２２を提供する。    【解決手段】  一部の区間の断面を拡幅して地山に覆工体２を形成するシールド掘進機１であって、先端に装着され、標準断面を掘削する第一カッター１１と、前記標準断面の放射方向において延伸可能に装着され、拡幅すべき部分を掘削する第二カッター１４と、掘削した拡幅する部分に配置すべき拡幅セグメント２２を前記拡幅方向に押し出す押出し装置と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標準断面を掘削する第一カッターと、この標準断面に対して拡幅する部分を掘削する延伸可能な第二カッターを備えたシールド掘進機を用いて、一部の区間の断面を拡幅して地山に覆工体を形成するシールド工法であって、
拡幅すべき部分まで、前記第一カッターで掘削しつつ、セグメントを組み立てて標準断面の覆工体を形成する工程と、
前記第二カッターを延伸させて拡幅すべき部分を掘削する工程と、
拡幅する部分に配置すべき拡幅セグメントを拡幅方向において延伸可能に組み立てて、前記拡幅する部分の覆工体を前記標準断面内で形成する工程と、
掘削した拡幅する部分に地山を保持する充填材を充填する工程と、
前記充填材を覆工体内に流入させつつ、前記拡幅セグメントを拡幅する部分に押出する工程と、を備えることを特徴とするシールド工法。
【請求項２】
一部の区間の断面を拡幅して地山に覆工体を形成するシールド掘進機であって、
先端に装着され、標準断面を掘削する第一カッターと、
前記標準断面の放射方向において延伸可能に装着され、拡幅すべき部分を掘削する第二カッターと、
掘削した拡幅する部分に配置すべき拡幅セグメントを前記拡幅方向に押し出す押し出し装置と、を備えていることを特徴とするシールド掘進機。
【請求項３】
前記第二カッターで拡幅する部分の地山を保持する充填材の充填装置を備え、
前記第二カッターで掘削した拡幅する部分に充填材を充填した後、前記充填材を覆工体内へ流入させつつ、前記拡幅セグメントを拡幅する部分に配置することを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
請求項１に記載のシールド工法又は請求項３に記載のシールド掘進機に用いる拡幅セグメントであって、
標準断面の拡幅方向に延伸可能であり、隣り合うセグメントと組み合わされることにより標準断面と略同形の外形を構築するとともに、放射方向に押出されることにより拡幅部分に配置され、かつ、前記充填材を覆工体内へ流入するための流入口が複数設けられていることを特徴とする拡幅セグメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一部の区間の断面を拡幅して掘削するシールド工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シールド工法によるトンネル工事は多用されており、特に近年その用途の多様化に伴い、トンネルの一部の断面形状を本線トンネルより拡幅することが求められていた。このような要求に対して、例えば、本線トンネルを施工した後、地上部からの地盤改良後にセグメントを取り外し、坑内から切り広げて、トンネルの一部分を拡幅させる工法が用いられていた。このシールド工法では、地上部から拡幅部分を切り広げるため地上部を一定期間専有することが要される。
【０００３】
しかし、近年の都市化に伴い、場所によっては地上部を占用することが困難であることが多々あった。従来、このような問題を鑑みて、地下部のみで施工できるシールド工法が考えられた。このようなシールド工法としては、例えば、本線トンネルを構築後、一旦組み付けた拡幅部のセグメントを取り脱して施工する拡大シールド工法やＮＡＴＭ工法などが例示される。しかし、前記従来工法では、シールド掘進機による掘削作業と拡幅部の掘削作業とは別個に行われ、効率の悪いものであった。
【特許文献１】特公平３−４１６３７号公報
【特許文献２】特公平５−２０５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような問題を鑑みて成されたものであり、標準部分の施工と拡幅部分の施工を並行して行うことができ、効率よく作業を行うことができるシールド工法、シールド掘進機及び拡幅セグメントを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明は、標準断面を掘削する第一カッターと、この標準断面に対して拡幅する部分を掘削する延伸可能な第二カッターを備えたシールド掘進機を用いて、一部の区間の断面を拡幅して地山に覆工体を形成するシールド工法であって、拡幅すべき部分まで、前記第一カッターで掘削しつつ、セグメントを組み立てて標準断面の覆工体を形成する工程と、前記第二カッターを延伸させて拡幅すべき部分を掘削する工程と、拡幅する部分に配置すべき拡幅セグメントを標準断面の拡幅方向において延伸可能に組み立てて、前記拡幅する部分の覆工体を前記標準断面内で形成する工程と、掘削した拡幅する部分に地山を保持する充填材を充填する工程と、前記充填材を覆工体内に流入させつつ、前記拡幅セグメントを拡幅する部分に押出する工程と、を備えることを特徴とするシールド工法である。
【０００６】
本発明に係るシールド工法は、前記構成により、第一カッターにより標準断面で掘削し、この標準断面の覆工体を形成しつつ、第二カッターにより拡幅すべき部分を掘削する。標準断面内で形成された拡幅セグメントは放射方向に延伸可能であるため、この拡幅セグメントを拡幅すべき部分に押出することにより、拡幅する部分を構築することが出来る。すなわち、一部の区間の断面を容易に拡幅して、覆工体を構築することが可能となる。
【０００７】
また、本発明は、掘削した拡幅すべき部分に充填材を充填しているため、掘削した地山の安定を図ることが出来る。この充填材は、拡幅する部分が掘削されてから覆工体が構築するまで地山の安定させるものであり、拡幅セグメントを配置する際には覆工体内へ流入させる必要がある。そのため、前記充填材は、円滑に覆工体内へ流入できるよう一定の流動性が要される。しかし、流動性が高すぎると地山の安定を十分に図ることが出来ないため、一定の塑性も要される。さらに、前記充填材は、掘削時の泥水及び標準断面部分の裏込め材と混ざりにくい材料または混ざりにくい方法とすることが要される。このような観点から前記充填材及び充填方法は、土質条件，地下水圧等の諸条件を考慮して、拡幅セグメント構造等と併せて種々検討することが望ましい。例えば、次のものを例示することができる。
【０００８】
まず、ベントナイト，水ガラス，セメント等を主成分とする塑性流動化材料が挙げられる。この充填材の充填方法としては、拡幅すべき部分を掘削した後、シールド掘進機の後端部から直接充填し、ゲル化させる。一定の塑性を有するまでの時間（ゲルタイム）は、シール掘進機の能力等に応じて適宜に調整することが望ましい。
【０００９】
また、充填材は、一定区間を掘削する毎に充填することが望ましく、掘削先端方向では前記第二カッターにより掘削していることが多々ある。このような場合に充填材を直接充填すると、掘削によって発生した泥水と混合する恐れがある。そのため、前記塑性流動化材料を充填材として用いる場合には、前記第二カッターの掘削方向後端部には、遮断壁を設ける等の手段を講じることが望ましい。そして、覆工体内に流入させる際には、拡幅セグメントの背面に予め充填材を流入させる流入口を設けておき、この流入口から流入させれば良い。
【００１０】
次いで、例えば水等の流動性の高い充填材が挙げられる。このような流動性の高い充填材は、前述の塑性流動性材料のように直接掘削部分に充填すると泥水等と混合し適当でない。従って、流動性の高い充填材を用いる場合には、予め拡幅セグメントの背面に袋を装着しておき、この袋に充填材を充填することが望ましい。その充填方法は、まず、拡幅セグメントの背面に予め袋を装着する。そして、シールド掘進機による拡幅掘削時には、一旦泥水で地山を保持させておく。次いで、シールド掘進機の後端部から拡幅セグメントが地山に出たときに、充填材に圧力をかけつつ袋内に充填し、地山を保持する。そして、拡幅時には、拡幅セグメントを押し出すと同時に、袋内の充填材をポンプ等で排出する。尚、拡幅セグメントで押し出した後は、袋内に一般に用いられるセメント等から成る裏込め材料を充填する。
【００１１】
加えて、前記充填材として、発泡スチロールを用いてもよい。発泡スチロールは一定の強度を有しているため、地山の安定を十分に図ることができる。覆工体内へ充填材を流入させる際には、セグメントの背面に電熱線を配して発泡スチロールを加熱したり、発泡スチロールにリモネンを含む溶剤を加える等して、発泡スチロールを溶かし、覆工体内へ流入させれば良い。
【００１２】
次いで、前記第一カッターと第二カッターについて詳細に説明する。前記第一カッターは、標準断面を掘削するカッターであり、通常シールド掘進機の先端に装着されている。一方、前記第二カッターは、標準形断面の放射方向に対して延伸可能であり、拡幅する部分のみを掘削する。そのため、第一カッターと第二カッターは独立して設けることが望ましく、第二カッターはシールド掘進機の外周面に設けると好適である。この第二カッターの構成としては、例えば、２つの回転カッターを組み合わせたアーム式の掘削機が挙げられる。この第二カッターは、標準形断面において径方向及び周方向に延伸可能であることが望ましく、径方向と周方向へ延伸を組み合わせることにより、拡幅に必要な最小限の空間を掘削することが可能となる。さらに、前記第二カッターは、掘進停止時、覆工体を形
成しつつ拡幅する部分のみ掘削するため、標準断面を掘進する際は、シールド掘進機内に格納していることが望ましい。
【００１３】
前記拡幅セグメントは、標準断面の放射方向に延伸可能であるため、標準断面内で形成された後、必要に応じて拡幅すべき方向へ押出でき、拡幅する部分を容易に構築することが可能である。すなわち、拡幅セグメントは、標準断面と拡幅する部分を兼ねて構築することができる。従って、新たに拡幅する部分を形成するセグメントを設ける必要がなく、効率のみならず、経済性をも向上させることができる。
【００１４】
また、本発明は、一部の区間の断面を拡幅して地山に覆工体を形成するシールド掘進機であって、先端に装着され、標準断面を掘削する第一カッターと、前記標準断面の放射方向において延伸可能に外周面に延伸可能に装着され、拡幅すべき部分を掘削する第二カッターと、掘削した拡幅部分に配置すべき拡幅セグメントを前記放射方向に押し出す押出し装置と、を備えていることを特徴とするシールド掘進機である。
【００１５】
本発明に係るシールド掘進機は、前記構成により、第一カッターにより標準断面に掘削し、この標準断面の覆工体を形成しつつ、第二カッターにより拡幅すべき部分を掘削することが出来る。標準断面を形成した拡幅セグメントは放射方向に延伸可能であり、かつ、拡幅セグメントを前記放射方向に押し出す押出し装置を備えているため、拡幅セグメントを容易に拡幅する部分に押出し、拡幅する部分を構築することが出来る。すなわち、一部の区間の断面を容易に拡幅して、覆工体を構築することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係るシールド掘進機は、前記第二カッターで拡幅した部分の地山を保持する充填材の充填装置を備えており、前記第二カッターで掘削した拡幅する部分に充填材を充填した後、前記充填材を覆工体内へ流入させつつ、前記拡幅セグメントを拡幅する部分に配置することが望ましい。前記充填材を掘削した拡幅する部分に充填することにより、充填材で地山の安定を図りつつ、拡幅する部分を構築することができる。
【００１７】
さらに、前記シールド工法又はシールド掘進機で用いる拡幅セグメントは、標準断面の放射方向に延伸可能であり、隣り合うセグメントと組み合わされることにより標準断面と略同形の外形を構築するとともに、放射方向に押出されることにより拡幅部分に配置され、かつ、前記充填材を覆工体内へ流入するための流入口が複数設けられていることが望ましい。前記流入口が複数設けられていることにより、容易に充填材を覆工体内へ流入させつつ、拡幅セグメントを配置することが可能となる。
【００１８】
また、この拡幅セグメントは、構築する覆工体内への漏水を防止する観点から止水対策することが望ましい。例えば、拡幅セグメントの表面は、止水シールの施工、特殊防水剤の湿布が挙げられ、前記流入口等の穴部には、止水ボルトを装着する等の止水対策が挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明に係るシールド工法、シールド掘進機及びこれらに用いる拡幅セグメントによれば、標準部分の施工と拡幅部分の施工を並行して行うことができ、効率よく作業を行うことができる。また、従来行っていた地盤改良等の補助工法を行う必要がない。そのため、地上部が占有できない箇所、地下埋蔵物が輻輳する箇所、大深度の場所等でも容易に施工を行うことが可能であり、場所に制限がなく好適である。
【００２０】
さらに、本発明は、拡幅する部分を掘削する第二カッターが標準断面の放射方向において延伸可能であるため拡幅に必要な最小限の空間を掘削できるため、掘削土量を少なくすることができる。加えて、掘削した拡幅する部分に充填材を充填することにより、早期に
地山を安定させることができ、また、その方法は地山条件等により選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明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は、本実施の形態に用いるシールド掘進機の概略図であり、図２から図５は、本実施の形態に係るトンネル掘削の工程説明図である。本実施の形態では、図示するＸ位置まで標準形のトンネルを施工し、Ｘ−Ｘ’位置まで下方に拡幅してトンネルを構築する。
【００２２】
本実施の形態に用いるシールド掘進機１は、円筒状であり、先端に標準形断面を掘削する第一カッターとしてのカッターヘッド１１と、外殻としてのスキンプレート１２と、このスキンプレート１２に設けられた開閉自在なスリット扉１３と、前記スリット扉１３から外周方向及び径方向に延伸可能な第二カッターとしてのアーム式掘削機１４と、前記スリット扉１３に隣接してスキンプレート１２上に形成された充填材１６の充填装置（図示せず）とこの充填装置の注入口１５と、シールド掘進機１の内部に配置され、セグメント２１を組み立ててトンネル２を構築するエレクタ（図示せず）と、セグメント２１を拡幅すべき部分に押出しする押出し装置としての押出しジャッキ１７とを備えている。
【００２３】
まず、標準断面のトンネルを施工する状態では、前記カッターヘッド１１のみを駆動させる。そして、前記エレクタでセグメント２１を組み立てつつ、標準断面のトンネル２の掘進を行う。この際、前記アーム式掘削機１４は、シールド掘進機１内に格納されており、前記スリット扉１３は閉じている（図２参照）。そして、前記スリット扉１３が拡幅する部分の起点となるＸに位置したら、スリット扉１３を開け、アーム式掘削機１４をシールド掘進機１の径方向に伸張させる。
【００２４】
このアーム式掘削機１４は、泥水式の掘削方法であり回転掘削する二つの回転式カッター１４ａと、この回転式カッター１４ａを移動させるアーム１４ｂとからなる。前記回転式カッター１４ａは、外周に多数のカッタービットが突設されており、隣り合うリング同士が対向して回転することにより、地山を掘削し、その掘削土砂と泥水をトンネル内へ流入する。前記アーム１４ｂは、シールド掘進機１の径方向への伸縮機構と、シールド掘進機の円周方向への旋回機構を有しており、この機構を組み合わせることにより、拡幅に必要な最小限の空間を掘削することができる（図７参照）。
【００２５】
前記カッターヘッド１１によりアーム式掘削機１４をシールド掘進機１に格納した状態で標準断面を掘削し、セグメント２１を組み立てつつ、前記アーム式掘削機１４で拡幅する部分を掘削する。そして、セグメント２１を組み立てて１リング分形成する毎に、この掘削した拡幅する部分とシールド掘進機１の外周面との間に設けられた空間に注入口１５から充填材１６を充填する。この充填材１６を充填することにより、地山を保持するとともに、地山との摩擦抵抗を低減させることができる。
【００２６】
一方、シールド掘進機１の後端部では、シールド掘進機１の推進に伴いエレクタによりセグメント２１が組み立てられリングを構築されている。図８、９は、拡幅する部分に配置されるリングの断面形状である。図８は拡幅する前の状態を示しており、図９は、拡幅した時の状態を示している。このリングは、複数のセグメント２１がボルト，ナットにより連結され一体化している。拡幅する部に配置すべき拡幅セグメント２２は、隣接するセグメント２１と接触する面２２ａが長く形成されており、この面２２ａには二カ所のボルト穴が形成されている。
【００２７】
また、拡幅する部分の両端部に配置される拡幅セグメント２２、換言すれば、Ｘ面、Ｘ’面に配置される拡幅セグメント２２は、妻壁２２ｂを有しており、拡幅した時に地山か
らの漏水を防ぐよう形成されている（図１０参照）。すなわち、この拡幅セグメント２２は、拡幅する前には、標準断面と同じ外形状を形成しており、径方向へ押出されることにより拡幅構造を構築することができる。
【００２８】
また、前記拡幅セグメント２２は、リングの外周面を構成する背面に充填材１６をトンネル２内へ流入させるための流入口２２ｃが設けられている。この流入口２２ｃは、充填材１６をトンネル２内へ流入させる際のみ開口すれば良いため、容易に開閉できる構成にすることが望ましい。また、このリング内には、前記拡幅セグメント２２を押し出すための押出しジャッキ１７と、リング内の形状を保持するための形状保持柱１８が配置されている。本実施の形態では、この押出しジャッキ１７と形状保持柱１８を各々別々に設けたが、二つの機能をシステムとして一つにまとめた台車とすることも可能である。この台車とすることにより、拡幅の施工性、品質を向上させることができる。
【００２９】
そして、シールド掘進機１の掘進が進行し、拡幅セグメント２２を拡幅する部に押し出す際には、隣接するセグメント２１と連結されたボルト、ナットによる締結を外し、拡幅セグメントの表面に設けられている流入口２２ｃを開く。そして、前記押出しジャッキ１７を用いて、隣接するセグメント２１との接触面２２ａとスライドさせつつ、拡幅部に押し出す。この際、掘削された拡幅部に予め充填された充填材１６は、前記流入口２２ｃからトンネル２内へ流入する。本実施の形態では、３リング毎に前記拡幅セグメント２２を拡幅部に押し出した（図４参照）。
【００３０】
そして、配置すべき位置まで拡幅セグメント２２を押し出した後、隣接するセグメント２１と連結する。また、地山からの漏水等がリング内に流入するのを防ぐため、流入口２２ｃを密閉する。この際、止水性を向上させることが望ましく、本実施の形態では、流入口２２ｃを塞ぐボルトにゴム製のワッシャを装着した。
【００３１】
この工程を繰り返し、前記拡幅すべき部分にトンネル２を構築する。そして、前記アーム式掘削機１４がＸ’の位置まで掘削したら、アーム式掘削機１４の掘削を止めて、アーム式掘削機１４をスリット扉１３内へ格納する（図５参照）。そして、カッターヘッド１１のみで毎リング掘削し、トンネル２本体を施工する（図６参照）。
【００３２】
以上のように、本実施の形態によれば、標準部分の施工と拡幅部分の施工を並行して行うことができ、効率よく作業を行うことができた。また、拡幅する部分を掘削する第二カッターが標準断面の放射方向において延伸可能であるため拡幅に必要な最小限の空間を掘削できるため、掘削土量を少なくすることができた。加えて、掘削した拡幅する部分に充填材を充填することにより、早期に地山を安定させることができた。
【実施例１】
【００３３】
図１１は、前記実施の形態と異なる態様の充填方法を示した図である。他の部分の実施態様は、前記実施の形態と同様である。本実施例１では、拡幅セグメント２２の背面に予め充填材を充填する袋２２ｄを装着している（ａ）。まず、拡幅する部分を掘削した後、充填材１６を袋２２ｄ内に充填する（ｂ）。そして、拡幅セグメント２２の押出に伴い、トンネル２内に充填材を流入させる。次いで、充填材１６を排出した袋に通常の裏込め材を再注入する（ｃ）。
【実施例２】
【００３４】
図１２は、前記実施例１同様、前記実施の形態と異なる態様の充填方法を示した図である。他の部分の実施態様は、前記実施の形態と同様である。本実施例２では、充填材として発泡スチロールを用い、掘削断面に直接充填する。まず、拡幅する部分を掘削した後、発泡モルタルを充填する。この充填された発泡モルタルは硬化して発泡スチロール１６ａ
となる（ａ）。拡幅セグメント２２を押出する際には、発泡スチロール１６ａに溶剤（リモネン）１６ｂを噴射して、発泡スチロール１６ａを溶かす（ｂ）。そして、溶けた発泡スチロール１６ａをトンネル２内へ流入しつつ、拡幅セグメント２２を拡幅部分に配置する（ｃ）。
【００３５】
本実施例では、発泡スチロールを溶かす方法として溶剤を用いたが、拡幅セグメント２２の背面を熱する電熱線を拡幅セグメント２２の内側に予め配置しておき、電熱線で熱することにより発泡スチロールを溶かしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態に係るシールド掘進機の斜視図である。
【図２】本実施の形態に係るトンネルの掘削工程の説明図である。
【図３】本実施の形態に係るトンネルの掘削工程の説明図である。
【図４】本実施の形態に係る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トンネルの掘削工程の説明図である。
【図７】アーム式掘削機の説明概略図である。
【図８】セグメントを組み立てたリングの断面図である（押出前）。
【図９】セグメントを組み立てたリングの断面図である（押出後）。
【図１０】拡幅セグメントの斜視図である。
【図１１】実施例１に係る充填材の充填方法の説明図である。
【図１２】実施例２に係る充填材の充填方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  シールド掘進機
１１  カッターヘッド
１２  スキンプレート
１３  スリット扉
１４  アーム式掘削機
１４ａ  回転式カッター
１４ｂ  アーム
１５  注入口
１６  充填材
１６ａ  発泡スチロール
１６ｂ  溶剤
１７  押出しジャッキ
１８  形状保持柱
２  トンネル
２１  セグメント
２２  拡幅セグメント
２２ｂ  妻壁
２２ｃ  流入口
２２ｄ  袋
【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】
2005036547.tif 000009
【図８】
2005036547.tif 000010
【図９】
2005036547.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005036547.tif 000013
【図１２】
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