(57)【要約】【課題】道路等をアンダーパスする小土被り区間のトンネルを構築する場合に、地盤の沈下を確実に防止することができ、かつ、裏込材と化学的に反応しない滑材を用いた小土被り区間の推進工法を提供する。【解決手段】シールド機１の左側に位置する主シールド６ａのカッターヘッド８を回転駆動させて地盤を掘削するとともに、スライドジャッキ１０を伸張させて主シールド６ａを前胴体３から推進させると、主シールド６ａと地山との間にオーバーカット部が生じる。このオーバーカット部を放置すると主シールド６ａ周辺部の地山が緩み、地盤沈下が生じる可能性がある。そこで、地盤沈下を防止し、かつ、主シールド６ａと地山との間に生じる摩擦力を低減するために、主シールド６ａを推進させるとともに、注入装置１４から吐出される滑材を注入孔１３を介してオーバーカット部に圧入する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド機を用いて小土被り区間を掘進する掘進工法であって、
前記シールド機により地盤を掘削しながら、前記シールド機の外殻と地山との間に、両者間に生じる摩擦力を低減するための滑材を圧入することを特徴とする小土被り区間の推進工法。
【請求項２】
前記滑材を土被り圧以上の圧力で注入することを特徴とする請求項１に記載の小土被り区間の推進工法。
【請求項３】
前記滑材は、ゲル状で可塑性を有し、シールド機推進後に設置されるセグメントの外周と地山との間に充填される裏込材と、化学的に反応しない材料又は反応しても有害ガスを発生しない材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の小土被り区間の推進工法。
【請求項４】
前記滑材は前記裏込材に混合された場合にも、前記裏込材が所定の時間で所定の強度に達する性質を有することを特徴とする請求項３に記載の小土被り区間の推進工法。
【請求項５】
前記滑材は、ベントナイト溶液に水ガラスを混合させてゲル化した材料であることを特徴とする請求項３又は４に記載の小土被り区間の推進工法。
【請求項６】
前記滑材は、吸水性ポリマーに水を混合させてゲル化した材料であることを特徴とする請求項３又は４に記載の小土被り区間の推進工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド工法に関し、特に、道路等をアンダーパスする小土被り区間のトンネルをシールド工法により構築する際に、地盤の変状を防止するのに有効なシールドの掘進工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法は、道路等を開削することなくトンネルを構築することができるので、工期を短縮することができるとともに、工事費を削減することができるものである。また、交通を遮断する必要がないので、周辺の住宅環境に影響を与えることもないものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般的なシールド工法に用いられるシールド機は円形、矩形断面等の外殻を有し、先端部のカッターで地山を掘削するとともにシールド機の外殻にて地山を保持し、地山の崩壊を防ぎながら掘進する。掘進の際は、シールド機の外殻が地山と接触しているために、シールド機の外殻と地山との間で摩擦力が発生し、シールド機はこの摩擦力に抗して前進する。
【特許文献１】特開平１０−１８４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、小土被り区間においては、シールド機が地山内を掘進する際にシールド機の外殻と地山との間に生じる摩擦力により、シールド機の周囲の地山には外殻からシールド機の掘進方向への力が作用し、地表面に沈下、陥没等の地盤変状が発生する可能性があるという問題点があった。特に、多連式シールド機、矩形断面シールド機等の水平方向の長さが長いシールド機においては、円形断面シールド機に比べて地表面への影響範囲が大きくなるために、小土被りでは施工が困難になるという問題点があった。
【０００５】
また、シールド機による掘削径はシールド機の外殻径よりも１０〜１５ｍｍ程度大きいために外殻と地山との間に隙間、つまりオーバーカット部が生じるが、裏込材を注入するまでの間、地山を保持することができず、地盤変状が生じる可能性があるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、道路等をアンダーパスする小土被り区間のトンネルを構築する場合に、地盤の沈下を確実に防止することができる小土被り区間の推進工法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。
【０００８】
すなわち、請求項１に係る小土被り区間の推進工法の発明は、シールド機を用いて小土被り区間を掘進する掘進工法であって、前記シールド機により地盤を掘削しながら、前記シールド機の外殻と地山との間に、両者間に生じる摩擦力を低減するための滑材を圧入することを特徴とする。  
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の小土被り区間の推進工法であって、前記滑材を土被り圧以上の圧力で注入することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の小土被り区間の推進工法であって、前記滑材は、ゲル状で可塑性を有し、シールド機推進後に設置されるセグメントの外周と地山との間に充填される裏込材と、化学的に反応しない材料又は反応しても有害ガスを発生しない材料からなることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の小土被り区間の推進工法であって、前記滑材は前記裏込材に混合された場合にも、前記裏込材が所定の時間で所定の強度に達する性質を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項３又は４に記載の小土被り区間の推進工法であって、前記滑材は、ベントナイト溶液に水ガラスを混合させてゲル化した材料であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項３又は４に記載の小土被り区間の推進工法であって、前記滑材は、吸水性ポリマーに水を混合させてゲル化した材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の小土被り区間の推進工法によれば、シールド機の外殻と地山との間に滑材を土被り圧以上の圧力で注入することにより、シールド機が地山内を掘進する際にシールド機の外殻と地山との間に生じる摩擦力を低減することができる。また、シールド機の外殻と地山との間の摩擦力が低減されるために、小土被り区間を有するトンネルを掘削する場合においても、地表面の沈下、陥没等の地盤変状を防止することができる。
【００１４】
本発明による小土被り区間の推進工法に用いる滑材は、ゲル状で可塑性を有するために一般的な滑材よりも浸透性が小さく、かつ粘度が大きいためにオーバーカット部以外の地盤中への流出が少なく、オーバーカット部の充填性に優れている。
【００１５】
さらに、本発明による小土被り区間の推進工法によれば、滑材としてベントナイト溶液に水ガラスを混合させたもの又は吸水性ポリマーに水を混合させたものを用いることにより、セグメントと地山との間の隙間、つまりテールボイドに充填される裏込材と混合しても、裏込材は所定の時間で所定の強度に達することができる。また、これらの滑材を裏込材と混合しても有害ガスを発生しないために、トンネル内での作業環境を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
小土被り区間の推進工法は、道路等をアンダーパスする小土被りのトンネルを構築する際に地表面の地盤変状を防止するものであり、以下、本発明に係る小土被り区間の推進工法の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る矩形断面シールド機の正面図であり、図２は、本実施形態に係る矩形断面シールド機の側断面図である。なお、本発明の説明に不要と思われる部分の図示は省略している。図１及び図２に示すように、シールド機１は、地中を掘削するためのカッターヘッド８を備えた機械本体部２と、機械本体部２を推進させるための動力部２５と、機械本体部２と動力部２５とを連結する連結手段４とから構成されている。
【００１８】
機械本体部２は、矩形筒状の前胴体３と、前胴体３内の幅方向に並列して配列されるとともに、各々が独立して前胴体３から推進可能、かつ各々が独立して駆動可能な２台の矩形状の主シールド６と、幅方向の両端の主シールド６と前胴体３との間に設けられるとともに、各々が独立して前胴体３から推進可能、かつ各々が独立して駆動可能な、複数の主シールド６よりも小幅の矩形状の側部シールド１５とを備えている。
【００１９】
前胴体３の内部は、各主シールド６及び各側部シールド１５が前後移動自在に設けられ、前胴体３からその前方に向かって推進可能に構成されている。各主シールド６及び各側部シールド１５は、独立して前胴体３から推進可能に構成されている。
【００２０】
各主シールド６は、前胴体３内に前後移動自在に設けられる矩形状のシールド本体７と、シールド本体７を進退させるスライドジャッキ１０と、シールド本体７の前面側に主シールド６の矩形領域を掘削するカッターヘッド８と、シールド本体７内に設けられる駆動源１１と、駆動源１１の駆動力をカッターヘッド８に伝達する動力伝達機構１２と、シールド本体７内部からシールド機１の外殻と地山との間に滑材を注入するためにシールド本体７及び前胴体３を貫通する注入孔１３と、一端が注入孔１３に接続される注入管１９と、この注入管１９の他端に接続され、この注入管１９及び注入孔１３を介してシールド機１の外殻と地山との間に滑材を供給する注入装置１４と、注入孔１３付近に設けられ、シールド機１の外殻と地山との間の圧力を測定する圧力計２０とを備える。注入孔１３はシールド本体７及び前胴体３の上部及び下部にそれぞれ２箇所ずつ設けられる。
【００２１】
各側部シールド１５は、前胴体３内にスライド自在に設けられる矩形状のシールド本体１６と、シールド本体１６を進退させるスライドジャッキ（図示せず）と、シールド本体１６の前面側に回転可能に設けられるカッター１７と、シールド本体１６に設けられる駆動源（図示せず）と、駆動源の駆動力をカッター１７に伝達する動力伝達機構（図示せず）とを備えており、各側部シールド１５は、独立して駆動可能に構成されている。
【００２２】
動力部２５は、機械本体部２の前胴体３の後部に連結手段４を介して連結される矩形筒状の後胴体２６と、後胴体２６内に環状に設けられてシールド機１を推進させる複数のシールドジャッキ２７とを備えている。
【００２３】
後胴体２６は、後胴体２６内からシールド機１の外殻と地山との間に滑材を注入するために後胴体２６を貫通する注入孔２１と、一端が注入孔２１に接続される注入管２２と、この注入管２２の他端に接続され、この注入管２２及び注入孔１３を介してシールド機１の外殻と地山との間に滑材を供給する注入装置１４と、注入孔２１付近に設けられ、シールド機１と地山との間の圧力を測定する圧力計２３と、セグメント２８を組み立てるためのエレクタ２９とを備えている。注入孔２１は後胴体２６の上部及び下部にそれぞれ２箇所ずつ設けられる。
【００２４】
また、エレクタ２９により、後胴体２６内にて順次セグメント２８が組み立てられ、セグメント２８による環状の内壁が構築される。セグメント２８を構築した後にシールド機１が推進すると、シールド機１の推進と同時にセグメント２８と地山との間にテールボイドが生じる。このテールボイドを放置するとセグメント２８周辺部の地山が緩み、地盤沈下が生じる可能性があるためにテールボイドに裏込材を注入して充填する。裏込材は、硬化時間の設定が可能で、早期強度が得られる２液型を用い、シールド機１の推進と同時に注入する。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る主シールド６を推進させた状態の側断面図である。上記のように構成したシールド機１にて小土被りのトンネルを掘削する際は、道路に複数台の地盤沈下計を設置して道路の変状を常時監視し、まず、シールド機１の左側に配置された主シールド６ａのカッターヘッド８を回転駆動させて地盤を掘削するとともに、図３に示すように、スライドジャッキ１０を伸張させて主シールド６ａを前胴体３から推進させる。カッターヘッド８で掘削された土砂は、隔壁を介してカッターヘッド８のすぐ後方にある掘削室５内で撹拌され、必要に応じて掘削土砂の塑性流動化を促進するための作泥剤が注入される。このようにして塑性流動化した土砂は、スクリューコンベア等の排土装置１８によりシールド本体７の後方へ送られる。
【００２６】
カッターヘッド８による掘削径は前胴体３の径よりもやや大きいために、主シールド６ａと地山との間にオーバーカット部が生じる。このオーバーカット部を放置すると主シールド６ａ周辺部の地山が緩み、地盤沈下が生じる可能性がある。そこで、掘進の際に主シールド６ａと地山との間に生じる摩擦力を低減し、地盤沈下を防止するために、主シールド６ａを推進させると同時に、注入装置１４から吐出される滑材を注入管１９及び注入孔１３を介してオーバーカット部に圧入する。滑材を圧入する際は、注入圧を圧力計２０にて常時監視し、注入装置１４にて圧力を調整する。主シールド６ａは、主シールド６ａの上部及び下部に複数の注入孔１３を有しており、これらの注入孔１３からそれぞれ滑材がオーバーカット部に注入されるために、主シールド６の全外周にわたって良好に滑材の注入が行われる。
【００２７】
次に、上述した左側の主シールド６ａの作動方法と同様に、シールド機１の右側に配置された主シールド６ｂのカッターヘッド８を回転駆動させ、スライドジャッキ１０を伸張させることによりその主シールド６ｂを前胴体３から推進させ、その主シールド６ｂの前方に位置する地盤をカッターヘッド８を回転させて掘削する。右側の主シールド６ｂを推進させると同時に、注入装置１４から吐出される滑材を注入孔１３を介してオーバーカット部に圧入する。
【００２８】
図４は、本実施形態に係る滑材として用い得る各種材料についての物性の試験結果を示す図である。滑材は、（１）シールド機１の通過後にテールボイドに充填される裏込材と混合しても化学的に反応しない又は反応しても有害ガスを発生しない性質と、（２）裏込材に混合された場合にも、裏込材が所定の時間で所定の強度に達する性質と、（３）シールド機１の外殻と地山との摩擦を低減するために摩擦係数が、滑材を使用しない場合のシールド機１の外殻と地山との摩擦係数である０．２７４よりも小さい性質と、（４）オーバーカット部に注入される滑材の切羽面への回り込みを防止するために粘性が大きい性質と、（５）オーバーカット部に注入される滑材の地山への浸透を防止するために浸透性が小さい性質と、（６）練り置きをしたり、注入管１９、２２内に２〜３日間残置されたりするために、前述した（１）〜（５）の性質を長期間維持する性質とを有する材料であることが望ましい。なお、図４に示した各種材料はすべて（１）の性質を有している。そこで、本実施形態においては、（２）の裏込材と混合されても短時間で強度が得られる性質を有することを最重要項目とし、次に（３）の摩擦係数が上述した０．２７４よりも小さい性質を有し、さらに、（４）の粘性が大きく、（５）浸透性が小さく、（６）前述した（１）〜（５）の性質を長期間維持する（図示せず）性質を有するＮｏ．３のベントナイト溶液に水ガラスを混合させたゲル化した状態の滑材、又はＮｏ．４の吸水性ポリマーに水を混合させたゲル化した状態の滑材を採用した。
【００２９】
滑材を注入する際は、注入圧が土被り圧よりやや高めの圧力となるように圧力計２０にて確認しながら注入するとともに、地盤沈下計にて計測される地表面の変状に応じて適宜圧力を調整し、地盤沈下を防止する。また、滑材の注入量も同様に、地盤沈下計にて計測される地表面の変状に応じて適宜調整する。
【００３０】
そして、両主シールド６ａ、６ｂを突出させた状態で、後胴体２６内にてセグメント２８を組み立ててから、シールドジャッキ２７で後方のセグメント２８に反力を取って、シールドジャッキ２７を伸張させることにより前胴体３と後胴体２６とからなるシールド機１を推進させ、両主シールド６ａ、６ｂを前胴体３内に格納する。各主シールド６ａ、６ｂの推進時に圧入された滑材は、充填されてから、両主シールド６ａ、６ｂが前胴体３内に格納されるまでに２〜３時間が経過しており、滑材が雨水により希釈されたり、地山に混合して劣化する等により滑材としての摩擦低減作用が低下している可能性がある。そこで、シールド機１を推進させる際は、主シールド６を掘進させるときと同様に、注入装置１４から吐出される滑材を注入孔２１を介してオーバーカット部に圧入し、シールド機１の外殻と地山との間に生じる摩擦を低減する。
【００３１】
シールド機１本体を前進させて両主シールド６ａ、６ｂを前胴体３内に格納すると、セグメント２８と地山との間にテールボイドが生じるために、シールド機１の推進と同時にテールボイドに裏込材を注入して速やかに充填する。ここで、ベントナイト溶液に水ガラスを混合させたもの又は吸水性ポリマーに水を混合させたもの等の滑材は、裏込材と混合しても化学反応を生じないために、テールボイドに充填される裏込材は所定の時間で所定の強度に達する。
【００３２】
なお、裏込材の所定の時間及び所定の強度は、掘進速度等の現場状況により各現場にて決められるものであり、本実施形態においては、裏込め作業を終了してから次の掘削を開始するまでに要する時間、例えば、２．５時間内に地山相当の強度に達するように裏込材の成分を適宜調整する。
【００３３】
次に、本発明による小土被り区間の掘進工法にて実際の道路をアンダーパスするトンネルを掘削した際の道路の変状結果を示す。
【００３４】
道路上に地盤沈下計を設置し、シールド機１の通過にともなう地盤変位量を測定した。図５は、本実施形態に係るシールド機１の通過にともなう道路上のある地点の地盤変位量を示す図である。図５に示すように、シールド機１の先端が地盤沈下計を設置した位置の直下に到達する以前は、地盤変位量は０であり、地盤変形は全くない。
【００３５】
そして、シールド機１の先端部が地盤沈下計の直下に到達すると道路の地表面が少し盛り上がり、地盤変位量が増加を始める。ここで、シールド機１の通過する深度における全土被り圧は３５ＫＰａである。
【００３６】
シールド機１の中心部付近が地盤沈下計の直下を通過する際は、地盤変位量は徐々に増加を続け、地盤変位量は最大で１０ｍｍ程度となり、やや道路の表面が盛り上がった状態となる。ここで、シールド機１が通過する際の滑材の注入圧力は、全土被り圧に２０ＫＰａ加算して５０ＫＰａである。
【００３７】
しかし、シールド機１の後端部が地盤沈下計の直下を通過する際には、地盤変位量は減少し始め、シールド機１が完全に通過した後も徐々に減少し、シールド機１のテール部が２ｍ程度離れると地盤変位量は０となり、道路の表面は平坦となる。ここで、シールド機１が通過した後の裏込材の注入圧力は、全土被り圧に４０ＫＰａ加算して７０ＫＰａである。
【００３８】
シールド機１の通過前、通過時、及び通過後においては、地表面が最大で１０ｍｍ程度盛り上がったが、地表面の沈下、陥没等の地盤沈下はなかった。
【００３９】
したがって、本発明による小土被り区間の推進工法を用いれば、シールド機１の外殻と地山との間に滑材を土被り圧以上の圧力で注入することにより、シールド機１の外殻と地山との間に生じる摩擦力を低減することができる。また、シールド機１の外殻と地山との間の摩擦力が低減されるために、小土被り区間を有するトンネルを掘削する場合においても、地表面の沈下、陥没等の地盤変状を防止することができる。そして、滑材は、ゲル状で可塑性を有するために一般的な滑材よりも浸透性が小さく、かつ粘土が大きいためにオーバーカット部以外の地盤中への流出が少なく、オーバーカット部の充填性に優れている。さらに、滑材としてベントナイト溶液に水ガラスを混合させたもの又は吸水性ポリマーに水を混合させたものを用いることにより、裏込材と混合しても化学反応を生じないために、テールボイドに充填される裏込材と混合しても、裏込材は所定の時間で所定の強度に達することができる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、主シールド６及びシールド機１を推進させる際に滑材をオーバーカット部に圧入する方法について説明したが、本発明の適用対象は、この方法に限定されるものではなく、シールド機１を推進させる際のみに滑材を圧入する方法を用いてもよい。
【００４１】
また、本実施形態においては、注入孔１３はシールド本体７及び前胴体３の上部及び下部にそれぞれ２箇所ずつ、また、注入孔２１は後胴体２６の上部及び下部にそれぞれ２箇所ずつ設けたが、本発明の適用対象は、この数及び設置位置に限定されるものではなく、シールド機１の掘削断面規模に応じて注入孔の数及び位置は適宜変更することが可能である。
【００４２】
そして、本実施形態においては、トンネル部分を推進する方法について説明したが、本発明の適用対象は、トンネル部分に限定されるものではなく、上方が開放されている部分、例えばトンネルへのアプローチ部分を掘削する場合には、主シールド６及び後胴体２６の下方に滑材を注入し、シールド機１と地山との間に生じる摩擦を低減することが可能である。
【００４３】
さらに、本実施形態においては、矩形断面シールド機１に注入孔１３、２１のみを設けて滑材を圧入する方法について説明したが、本発明の適用対象は、注入方法は注入孔１３、２１のみを設けて圧入する方法に限定されるものではなく、例えば、注入孔１３、２１にチェックバルブ、リリーフバルブ等の可変圧力型バルブを用いて圧入する方法を用いてもよい。
【００４４】
なお、本実施形態においては、矩形断面のシールド機１を用いた推進方法について説明したが、本発明の適用対象は矩形断面のシールド機１に限定されるものではなく、例えば、円形断面等の様々なシールド機に広く適用が可能である。
【００４５】
また、本実施形態においては、道路をアンダーパスするトンネルをシールド機１にて構築する方法について説明したが、本発明の適用対象は道路に限定されるものではなく、小土被り区間を掘進するシールド機一般に広く適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る矩形断面シールド機の正面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る矩形断面シールド機の側断面図である。
【図３】本実施形態に係る主シールドを推進させた状態の側断面図である。
【図４】本実施形態に係る滑材として用い得る各種材料についての物性の試験結果を示す図である。
【図５】本実施形態に係るシールド機の通過にともなう道路上のある地点の地盤変位量を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    シールド機                ２    機械本体部
３    前胴体                    ４    連結手段
５    掘削室                    ６    主シールド
７    シールド本体              ８    カッターヘッド
１０  スライドジャッキ          １１  駆動源
１２  動力伝達機構              １３  注入孔
１４  注入装置                  １５  側部シールド
１６  シールド本体              １７  カッター
１８  排土装置                  １９  注入管
２０  圧力計                    ２１  注入孔
２２  注入管                    ２３  圧力計
２５  動力部                    ２６  後胴体
２７  シールドジャッキ          ２８  セグメント
２９  エレクタ
【図１】
2007009566.tif 000003
【図２】
2007009566.tif 000004
【図３】
2007009566.tif 000005
【図４】
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【図５】
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