技報第 24 号

2007

岩盤対応型泥水式シールド機によるトンネル施工
京都建設部

伏見工事事務所橋本倫明………………………………………………………………………………
要旨

京都市道高速道路１号線（新十条通）は京都市伏見区と同市山科区を結ぶ全長約 2.8km の自動車専用道路であり，約 2.5km がトンネル構造である．そのうち伏見側の約 850m については，地上部に住宅が密集し，琵琶湖疏水や鉄道と交差することから，シールド工法が採用されている．本工事では土砂部と破砕帯を含む岩盤部からなる地層を１台のシールド機で掘進することから，シールド機を岩盤対応型とするとともに土砂部と岩盤部の層境部でビット交換を行った．外径が 10m を超える大断面シールド機により本格的な岩盤と土砂を掘削したのは日本で初めてのことである．また，産業廃棄物の減量化による環境への貢献とコスト縮減を目的として，余剰泥水に固化材を混合して製造した流動化処理土をインバート部の路床材として利用した．本稿ではそれらの施工概要について報告する．
キーワード:岩盤対応型泥水式シールド機，近接施工，ビット交換，流動化処理土る計画である．（図‑1）

はじめに

１．地質概要京都市道高速道路１号線（新十条通）は東山連峰の南端に位置する稲荷山を横断し，京都市伏見区と同市山科区を結ぶ全長約 2.8km・往復 4 車線

シールドトンネル区間の想定地質縦断図を図‑2の自動車専用道路であり，そのうち約 2.5km がトに示す．シールド機の掘進する地質は，発進立坑ンネル構造となっている．既に山科側からの約から鳥羽街道団地付近までの約 160m 区間は硬質

1,460m は NATM 工法により，伏見側からの約 150mの洪積粘性土層と洪積砂礫層の互層，鳥羽街道団は開削トンネル工法により完成しており，約地から稲荷山西端までの約 570m 区間は大阪層群850m のシールドトンネル区間を残すのみとなっの砂礫層，砂質土層及び粘性土層の互層となってている．

いるが，稲荷山西端から転回部までの約 120m 区

新十条通は東行線・西行線の２本のトンネルか間は頁岩とチャート主体の破砕帯を含む丹波層群らなり，シールド機は伏見側の師団街道付近にあとなっている．また，土被りは発進部付近の最小る発進立坑より山科側に向かって発進し，まず西4.8m から約 70m と大きく変化する．

行線を掘削した後，稲荷山の岩盤部に築造された土砂部と岩盤部の層境部の位置は既設 NATM ト

シールド機転回部でＵターンし，NATM トンネルンネル側から行った水平ボーリングにより推定し内の東行線側から再発進して発進立坑に戻ってくた．また，その時に原位置で採取した岩盤コアの1

鴨川東出入口

鳥羽街道団地
東行線

発進立坑

転回部

西行線

図‑1 シールド区間平面図

図‑2 想定地質縦断図
圧縮強度試験より，岩盤部の一軸圧縮強度を最大(3) 岩盤部の余掘り用として，油圧ジャッキによ280N/mm と設定した．

り伸縮するリーマカッタ 3 基を装備(4) 岩盤掘削用のカッタ駆動には，回転速度を2．シールド 機の特徴

0.5〜1.9min‑1 の範囲で調整できるインバータ制御電動機（75kW×18 台）を採用

シールド機は土砂部と岩盤部の層境部で面板の(5) 岩盤掘削時の礫破砕用にシールド機内及び後換装（ビット交換）を行うことができる岩盤対応

方台車に水中クラッシャーを各 1 台装備

型泥水式を採用した．主な特徴は，次のとおりで(6) 岩盤掘削時における姿勢安定のためのグリッある．

パを前胴に８基，ビット交換時におけるカッ(1) 岩盤掘削を考慮してセミドーム型カッタヘッ

タヘッド後退用のグリッパを後胴に８基装備

ドを採用(7) 岩盤掘削時及び縦断勾配変化部での方向制御を目的として，最大中折れ角度 1.0°のＶ型(2) 強化先行ビットから 17 インチディスクカッ
タへの交換がチャンバー内から可能な構造

中折れ機構を装備
2

２−コピーカッタ

３６〜シールドジャッキ
３０〜中折ジャッキ

５〜スリット開閉装置１−真円保持装置

５０−ローラカッタ（シングル）
３−リーマカッタ

１５−センターカッタ（シングル）

150

５７−強化先行ビット
８−トリムビットＡ（幅：２００）１７０−カッタビット
１６−トリムビットＢ（幅：２３０）セグメント外径 φ10,600
シールド機外径 φ10,820２−コピーカッタ

機内クラッシャ１−エレクタ装置（半自動）３−ゲージカッタ

４−フェースビット
11,940 （岩盤層掘削時）
12,150 （土砂山層掘削時）

土 砂 用

３〜ブラシ式テ−ルシ−ル

岩 盤 用

図‑3 シールド機構造図
表‑1 シールド機仕様一覧表
シールド機外径
シールド機機長
総 推 力
カッタ回転数
カッタトルクディスクカッタ
中折れ装置
姿勢制御装置
余掘り装置
機内クラッシャー

φ10,820mm（掘削外径φ10,850㎜）
12,150㎜（土砂用）、11,940㎜（岩盤用）
108,000kN ：3,000kN×1,700st〜2,200st×36本‑1‑10.5 min （土砂用,周速17.0m/min）
1.9 min （岩盤用,周速64.6m/min）
18,542kN‑ｍ（土砂用,α=14.6）、6,755kN‑ｍ（岩盤用,α=5.3）
2

17 ディスクカッタ 68個（岩盤強度80Ｎ/㎜ 対応、土砂用の先行ビットと交換）
上下左右各1度（3,500kN×320st×30本）
フロントグリッパ ：８基，リアグリッパ：８基
コピーカッタ：２基（150st）， リーマカッタ（岩盤余掘り用）：３基（108st）
１基（750㎜幅）(8) 長期停止時及び岩盤部でのチャンバー内作業するためトライアル計測を行うことになった．ト

時の山留め装置として，チャンバー内上半部

ライアル計測断面は発進防護工端部より 1.5m のにスリット開閉装置を５基装備位置に設置した．
（図‑4）

シールド機の構造図と仕様一覧表を図‑3 及びシールド機発進時の切羽泥水圧はトライアル計

表‑1 に示す．

測断面での地山間隙水圧を参考に設定することとした．事前計測の結果，トンネルセンターでの間３．近接施工

隙水圧は 0.05MPa でほぼ安定していた．本工事における切羽泥水圧の考え方は，「水圧＋主働土圧

3‑1 トライアル計測＋予備圧 0.02Mpa」を基本としていたが，上記のことからトンネルセンターでの切羽泥水圧を発進部での土被りはわずか 4.8m（0.4D）であ0.07MPa に設定して掘進を開始した．

り，発進するとまもなく流量毎秒 14t の琵琶湖疏トライアル断面を切羽が通過する前に約 2mm の水の直下を横断する．
このような低土被り部を泥水式シールド工法に先行沈下があり，切羽通過時にはさらに 3〜5mmより掘進する場合，切羽泥水圧の設定が最も重要の沈下が発生した．これらの沈下は切羽泥水圧がとなる．一般に切羽泥水圧は地下水圧よりも大き低すぎるために発生したものと考えられたため，めに設定するため，地盤条件によっては地上への地上への泥水の噴発を監視しながら設定を調整し，泥水の噴発も考えられる．また，琵琶湖疏水本体

切羽泥水圧を 0.1MPa に変更した．シールド機通の計測（水盛式沈下計及び傾斜計）を実施すると過時にはさらに沈下が進行したが，裏込め注入にともに，シールド掘進に伴う地盤の変位等を把握より段階的に隆起した．そして，テール部通過時
3断面 No.3対 象

断面 No.2

記号

計測 器

数

沈下計（連通管式）

断面 No.1

★

高松橋

★

琵琶湖疏水

10m

10m

高松橋

１２台（6箇所2方向）
４台
１０台

同上 基準装置

２台

沈下計（水平傾斜式）

２２ 台

★ 温度計
1515m

45°影響範囲m

トライ
アル
計
測

★

15 m

★

２台

傾斜計（2方向）

沈下計（水路式）
琵琶
湖
疏水

★

同上 基準装置

★ 温度計

15 m

★

★

量

６台

８台

沈下計（連通管式）３台

層別沈下計

５ 台：３ 孔間隙水圧計

２ 台：１ 孔

★ 温度計

１台

10m

103mm

@

東行き線

21mm

63

10=10m

★

★

★
10m

10m

西行き線
10mm

10

トライアル計測断面20m

2045°影響範囲m★
断面 No.1★

★

断面 No.2

断面 No.3

図‑4 計測器配置図には裏込め注入圧による押し戻しが見られ，その0.11〜0.12MPa に設定した．また，それに応じて量は西行地表面部で 3.8mm，クラウン部で最大裏込注入圧を最大 0.2Mpa とした．土被りが浅く5.9mm であった．その後，若干の後続沈下が発生

泥水が地上に噴発する恐れがあったため，切羽泥し，7 日で収束した．最終的には地上部で最大水圧をこれ以上に設定することはできなかった．

6.2mm，クラウン部では 7.6mm の沈下となった．

掘進時における護岸及び河床版の変状傾向はト
ライアル計測と同様で，切羽接近及び到達に伴っ3‑2 琵琶湖疏水との近接施工て沈下が発生した後，掘進の進行に伴う緩やかな琵琶湖疏水はシールド機通過に先立って RC の沈下と裏込注入圧による急激な隆起及び注入完了三面張りに構造変更されており，その河床版には後の沈下を繰り返しながら推移した．護岸の最終

φ1,000mm の配水管が吊られている．配水管とシ的な沈下量は右岸側 2.0mm，左岸側 0.7mm であっールド機の離隔は最小となる箇所で約 1.2m しかた．河床版については護岸部よりも離隔が少ないなく，非常に厳しい条件であった．通過に先立っために影響は顕著であり，先行沈下が最大 4.0mm，て琵琶湖疏水及び配水管の管理者と近接協議を行シールド機通過時は若干の沈下の進行が発生し，った結果，琵琶湖疏水の護岸，河床版ともに，1テール部通過時に裏込注入により隆起した後，最次管理値±12mm，2 次管理値±18mm，最終管理値終的に 2.6mm の沈下に収まった．

±24mm となった．

以上より，トライアル計測の実績を活かした施琵琶湖疏水交差部の掘進にあたっては，前述の工管理を行うことにより，護岸，河床版ともに許トライアル計測の結果を踏まえ，切羽泥水圧を容変位量以下で施工することができた．
4

４．ビット交換
土砂部の掘進が完了し，あらかじめ薬液注入工により防護工を施工した地点に達した時点（掘進距離約740m）でシールド機を停止させ，ビット交換を行った．
ビット交換作業では土砂用の強化先行ビット
写真‑1 土砂部掘削前後の強化先行ビット57 個とフィッシュテールを取り外し，17 インチローラカッタ 68 個とセンターカッタを取り付けた．交換作業は昼夜２交代で行い，実労働 22 日で完了した．
（写真‑3）
取り外した強化先行ビットの磨耗量調査を行ったところ，ビット交換地点の手前でチャート層が掘削断面の一部に出現したため，ビットの磨耗，損耗は面板外周部ほど激しく，東行線掘進時に再使用が可能なものは皆無であった．
（写真‑1）

写真‑2 岩盤部掘削前後のローラカッタ

５．岩盤部の掘進ビット交換作業が終了後，シールド掘進を再開した．岩盤部においては礫破砕用のクラッシャー（機内，後方台車の計 2 基）を作動させながら，配管閉塞に特に留意して施工した．掘進時の総推力の上昇（約 20％）に伴い掘進速度は約 35％低下したものの，掘進に伴う大きなトラブルはなく順調に掘進できた．そして，平成 18 年 12 月上旬に既設 NATM トンネル側に到達した．
（写真‑4）西写真‑3 ローラカッタ取付状況

行線掘進時における総推力，カッタトルク，掘進速度の実績を図‑5 に示す．

６．路盤工
泥水式シールド工法において発生する二次処理土は，一般に産業廃棄物として処分される．道路
トンネルに適用される泥水式シールド工法では掘削断面積が 100m2 を超える大断面となるため，発生する二次処理土量も莫大なものとなる．これに対して，産業廃棄物の減量化という社会の要請や道路建設費のコストダウンを実現するためには，
写真‑4 シールド機到達状況

この二次処理土量を減量化する必要がある．
5総推力 (kN)

100000土砂部 ←→ 岩盤部

80000
60000
40000
20000
0050100150200

250300
リング数350400ｶｯﾀﾄﾙｸ (kN/m)

6000

500

550

土砂部 ←→ 岩盤部

4000
2000
0050100

150200250300
リング数35040060
掘進速度 (mm/分)

450

450

500

550

土砂部 ←→ 岩盤部

40200050100

150200

250

300
リング数

350

400

450500550

図‑5 掘進管理データ（西行線）
は以下のとおりである．
① 路床として必要な強度
路床の長期安定性確保の観点から設計される CBR＝20 に相当する一軸圧縮強度（qu＝0.4N/mm2）に対して安全率 Fs＝3.0 を乗じた
強度以上
② 交通荷重に対し必要な強度
舗装，路盤等の死荷重と活荷重の和に長期的な安定を考慮した安全率 Fs＝3.0 を乗じた強度以上③ 上部層施工時に必要な強度
舗装，路盤等の施工時に作用する工事用車両の接地荷重に安全率 Fs＝1.0 を乗じた強図‑6 流動化処理土施工断面図

度以上
そこで，二次処理前の余剰泥水に固化材を混合④ 耐久性から必要な強度して流動化処理土を製造し，これをインバート部「鉄道構造物に用いる流動化処理土の設計施の路床材に利用した．
（図‑6）工法マニュアル（案）」に示されるトンネル
インバート部に用いる流動化処理土の繰り返

6‑1 要求性能

し載荷の実験結果より決定

インバート部に流動化処理土を利用するにあた

これらに型枠脱型時に必要となる強度を考慮し，り，基本要求性能として満足する必要のある項目

流動化処理土に求める強度特性を次のように設定
6

表‑2 流動化処理土配合
流動化処理土1m3当たりの配合(kg)A液（固化液）B液（泥水）
固化材
泥水量
水混和剤増粘材（高炉B種）（比重1.2）325
163
1.6386620

流動化処理土の比重(t/m3)
1.37

余剰泥水
泥水プラント

泥水ポンプ

増粘材
混合打設・養生

移動型枠脱型セメント
Ａ液プラントＡ液ポンプ

混和剤

図‑7 流動化処理土打設フロー
6‑3 施工した．
・設計強度：σ28 ≧2.0 N/mm2

流動化処理土の長距離圧送を可能とするため，

2坑外プラントにて製造した固化液及び泥水をそれ・型枠脱型時の必要強度：σ16h≧0.04N/mmぞれポンプ圧送し，施工箇所付近で混合装置によ6‑2 配合試験り混練する 2 液施工方式にて施工した．打設には配合強度は設計強度に変動係数を考慮した割り移動式褄型枠を使用し，毎日 6 リング（9 m）ピ増しを加えて決定するのが一般的であるが，今回ッチで施工した．施工時に採取した供試体の一軸のような現地発生土を利用した流動化処理土の場

圧縮強度にはばらつきが見られたものの，すべて合，原料土の性状が大幅に変動することが予想さ2.0N/mm2 以上であった．

れ，強度等の性状に及ぼす影響も大きくなると考流動化処理土をインバート部の路床材に利用しえられた．そこで，強度の変動係数を 5〜10％程た結果，約 7％の産業廃棄物の減量化につながっ度と仮定し，設計強度 2.0N/mm2 に対して割り増た．

2し係数 1.15 を乗じた 2.3N/mm を配合強度としておわりに設定した．配合試験は現場で採取した泥水を用いて行った．その際，固化液のポンプ圧送性（流動西行線の貫通後，シールド機を東行線に転回し，性）を向上させるための混和剤やブリージング低減と材料分離抑制を目的とした増粘材の添加量に平成 19 年 5 月末に再発進した．すでに岩盤部はついても検討した．

無事に通過しており，東行線ビット交換部まで掘配合試験の結果，16 時間強度（型枠脱型強進が完了したところである．今後，鉄道及び琵琶度）が 0.04N/mm2 以上，28 日強度が配合強度

湖疏水交差部の施工が控えているが，施工が順調

22.3N/mm 以上，ブリージング率 1％未満（建設省に進めば平成 19 年末までに発進立坑に到達する

土木研究所「流動化処理土利用技術マニュアル」

予定である．

において，極めて精度の高い充填性が要求される場合や車道下に用いる場合）を満足する配合の中

参考文献から，最も経済的となる配合を選定した．（表‑1) 中野正義，別所隆雄，茂呂拓実：第 35 回技術研究発

2）

表会論文集，113〜1172) 馬場茂，眞木乾市，宮下金作，東出明宏，木村博

孝：平成 18 年度施工技術報告会 講演概要集，31〜40

7

TUNNEL CONSTRUCTION USING THE HYBRID SLURRY TYPE SHIELD MACHINE
WHICH IS APPLICABLE TO BOTH SOIL AND ROCK
Tomoaki HASHIMOTOThe Kyoto Expressway Shin-Jujo Route runs east and west through the Inariyama hills among theHigashiyama range which lies between the central part and Yamashina-ku of Kyoto City for a length of
2.8km. About 2.5km of it consists of tunnel structures. The tunnel section on the Fushimi side is situatedunder urban built-up areas and close to Lake Biwa Canal and railways under ground. With theselocational conditions given, the shield tunneling method was chosen for its extremely small impact on theground and groundwater and low-level noise and vibration. The geology of the tunnel section includes
shallow diluvium, the Osaka Group of clay and sand, and the Tamba Group of hard rock. Therefore theshield machine used in this project was of a hybrid slurry type which is applicable to both soil and rock.
In addition, replacement of the bits on the front face of the shield machine was carried out at a point
where the geology changed from soil ground to rock in the tunnel.
This paper summarizes the tunnel construction project of the Shin-Jujo Route.

橋本 倫明

阪神高速道路株式会社
京都建設部 伏見工事事務所
Tomoaki Hashimoto8