JP2005002565A - シールドトンネル構造およびシールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】局部的発生応力を抑制しつつ、占有幅を必要最小限に狭めることができるようにしたシールドトンネル構造を提供する。
【解決手段】左右対称な２つのトンネル横断面部１０ａ，１０ｂが横方向に連接して一つの複合断面形状１０をなすように構築されたシールドトンネル構造であって、上記２つのトンネル横断面部１０ａ，１０ｂはそれぞれが矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成され、この縦長円形断面部が横方向に２つ並立する形で双葉状に連接して一つの複合断面形状１０をなすとともに、その２つの縦長円形断面部を左右対称に振り分ける中間位置に中柱３０が立設されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、左右対称な２つのトンネル横断面部が横方向に連接して一つの複合断面形状をなすように構築されたシールドトンネル構造およびその施工に使用するシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールドトンネルはシールド掘進機で地中に横穴を掘削しながら、その掘進機の後方にセグメントによる覆工（セグメントリング）を順次組み立てることにより構築される。このシールドトンネルの構造として最も安定なのは、図８の（ａ）に示すように、トンネル横断面を単一円形状にするとともに、この円形断面を覆工２１で囲繞した構造であって、従来から広く採用されている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
一方、近年では、既設構造物との離隔確保や占有幅縮減の必要性から、図８の（ｂ）または（ｃ）に示すような複合断面形状のシールドトンネル構造も採用されるようになってきた（たとえば、特許文献２，特許文献３）。（ｂ）の構造では、２つの矩形断面部１１ａ，１１ｂが横方向に連接して一つの複合断面形状１１をなしている。また、（ｃ）の構造では、２つの円形断面部１２ａ，１２ｂが横方向に連接して一つの複合断面形状１２をなしている。いずれの場合も、トンネル横断面の中間部には中柱３１が立設されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２４８８８２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−１３２３８７
【０００６】
【特許文献３】
特開平１０−２０５２８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のシールドトンネル構造には次のような問題があった。
すなわち、上記（ｂ）の複合断面形状１１は、矩形状断面であるため、中央柱部の応力が局部的に大きくなり、覆工２１の部材剛性を高めるために覆工桁高や部材厚を増加して断面性能を上げたり、鉄筋量を増やすなどの対応が必要であった。それに伴い、部材重量や掘削断面積が増加し、コストが高くなるといった問題があった。
【０００８】
一方、上記（ｃ）の複合断面形状１２は単一円形断面部１２ａ，１２ｂが２つ連なった双葉状の複円形断面なので、（ｂ）の矩形断面に比べて応力的に有利であるが、左右が円弧状に張り出して広がるために占有幅が大きくなり、敷地の確保が困難になってしまうという問題があった。つまり、従来のシールドトンネル構造では、局部的発生応力の抑制と占有幅の縮小とが互いに両立し難いという背反する問題があった。
【０００９】
この発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、局部的発生応力を抑制しつつ、占有幅を必要最小限に狭めることができるようにしたシールドトンネル構造を提供することにある。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するための手段として、上述したシールドトンネル構造の施工に使用して好適なシールド掘進機を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の手段は、複数のトンネル横断面部が横方向に連接して一つの複合断面形状をなすように構築されたシールドトンネル構造において、上記複数のトンネル横断面部はそれぞれが矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成され、この縦長円形断面部が横方向に並立する形で連接して一つの複合断面形状をなすとともに、その縦長円形断面部を振り分ける中間位置に中柱が立設されていることを特徴とする。
【００１２】
上記手段により、局部的発生応力を抑制しつつ、占有幅を必要最小限に狭めることができるようにしたシールドトンネル構造を得ることができる。これにより、セグメント桁高の低減、掘削断面積の縮小、構造部材の重量低減などによる低コスト化なども可能になる。
【００１３】
第２の手段は、左右対称な２つのトンネル横断面部が横方向に連接して一つの複合断面形状をなすように構築されたシールドトンネル構造において、上記２つのトンネル横断面部はそれぞれが矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成され、この縦長円形断面部が横方向に２つ並立する形で双葉状に連接して一つの複合断面形状をなすとともに、その２つの縦長円形断面部を左右対称に振り分ける中間位置に中柱が立設されていることを特徴とする。これにより、安定した断面形状のシールドトンネル構造を得ることができる。
【００１４】
第３の手段は、第１の手段において、上記複合断面形状をなす２つの縦長円形断面部が、それぞれに縦長円形の断面部を形成しながら部分的に重なり合った状態で連接していることを特徴とする。これにより、トンネルの左右占有幅をさらに狭めることができる。
【００１５】
第４の手段は、第１または第２の手段において、上記複合断面形状を囲繞する覆工が、トンネルの周方向と軸方向に分割されたセグメントの組み合わせで構成されているとともに、周方向でのセグメントの組み合わせパターンが、軸方向で隣接するセグメント間で互いに異ならせられていることを特徴とする。これにより、セグメント間の拘束を強化して覆工の構造的安定性および強度を高める効果が得られる。
【００１６】
第５の手段は、第３の手段において、上記セグメントは周方向での組み合わせパターンが上下で非対称であるとともに、その組み合わせパターンの上下が軸方向のセグメント・スパンごとに交互に入れ替わっていることを特徴とする。これにより、使用するセグメント形状の種類を少なくして、そのセグメントの生産および管理等のコストを低減させることができる。
【００１７】
第６の手段は、第１〜５の手段において、上記複合断面形状を囲繞する覆工は、２つの縦長円形断面部に跨る部分が略Ｖ字状断面のセグメントにより共通一体化されていることを特徴とする。これにより、覆工の組み立て強度および安定性をさらに高めることができる。
【００１８】
本発明の第７の手段は、上述したシールドトンネル構造を施工するために使用するシールド掘進機おいて、シールド本体の前進方向で地山を掘削するカッタヘッドは、カッタビットを備えたスポークが放射状に配設された状態で回転駆動されるとともに、そのスポークが上記複合断面形状にしたがって伸縮可能に構成されていることを特徴とする。これにより、上述したシールドトンネル構造の施工を通常のシールド工法と同様の作業で高効率に行わせることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるシールドトンネル構造の要部における一実施例を示す。同図は本発明に係るシールドトンネルの横断面を示したものであって、その横断面は、左右対称な２つのトンネル横断面部１０ａ，１０ｂが横方向に連接して一つの複合断面形状１０をなすように構築されている。
【００２０】
各トンネル横断面１０ａ，１０ｂはそれぞれ、矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成されている。この縦長円形断面部が横方向に２つ並立する形で双葉状に連接して一つの複合断面形状１０をなしている。この複合断面形状１０を囲繞する形で覆工（セグメントリング）２０が施工形成されている。２つの縦長円形断面部を左右対称に振り分ける中間位置には中柱３０が立設されている
上述した複合断面形状１０を有するシールドトンネルは、双葉状に並立する２つの縦長円形断面部（１０ａ，１０ｂ）のそれぞれが垂直荷重をアーチ形状で受けるとともに、そのアーチ形状の両端荷重が縦長円形の矩形部で垂直に支持されることにより、中柱３０の応力が局部的に大きくなることなく、局部的発生応力を抑制するようになっている。
【００２１】
一方、占有幅については、左右に張り出して広がる円弧部がないことにより、従来の複円断面形状のものに比べて、大幅な縮減が可能になっている。これにより、局部的発生応力を抑制しつつ、占有幅を必要最小限に狭めることができようにしたシールドトンネル構造が実現されている。これにともない、セグメント桁高の低減、掘削断面積の縮小、および構造部材の重量低減などによる低コスト化も可能になっている。
【００２２】
さらに、実施例では、上記複合断面形状１０をなす２つの縦長円形断面部（１０ａ，１０ｂ）が、それぞれに縦長円形の断面部を形成しながら部分的に重なり合った状態で連接している。これにより、左右の占有幅をさらに狭めることができる。この場合も、各縦長円形断面部（１０ａ，１０ｂ）はアーチ形状をなすことができるので、局部的発生応力を抑制することができる。
【００２３】
図２〜図４はそれぞれ、図１の各部における断面形状を示す。図２は図１のＡ−Ａ矢視面、図３の（ａ）はＢ−Ｂ矢視面、同図（ｂ）はＣ−Ｃ矢視面をそれぞれ示す。また、図４の（ａ）と（ｂ）はトンネルの軸方向での位置を違えて見た覆工の断面状態を示す。
【００２４】
各図に示すように、上述したシールドトンネルの覆工２０は、トンネルの周方向と軸方向に分割されたセグメント２０ａ〜２０ｆの組み合わせにより構成される。周方向でのセグメント２０ａ〜２０ｆの組み合わせパターンは、軸方向で隣接するセグメント間で互いに異ならせられている。このようなセグメント組み合わせにより、セグメント間の拘束を強化して覆工の構造的安定性および強度を高めるという効果を得ている。
【００２５】
上述したセグメント組み合わせを効率的に行わせるために、実施例では、セグメント２０ａ〜２０ｆの周方向での組み合わせパターンを上下非対称にするとともに、その組み合わせパターンの上下を軸方向のセグメント・スパンごとに交互に入れ替えている。図４の（ａ）と（ｂ）はその入れ替わる２つの組み合わせパターンを示す。この場合、セグメント２０ａ〜２０ｆの組み合わせパターンは１種類でよいので、使用するセグメント形状の種類を少なくして、そのセグメントの生産および管理等のコストを低減させることができる。
【００２６】
さらに、実施例では、覆工２０を構成するセグメント２０ａ〜２０ｆのうち、２つの縦長円形断面部に跨る部分を略Ｖ字状断面のセグメント２０ａ，２０ｆで構成し、その部分を共通一体化している。これにより、覆工２０の組み立て強度および安定性をいっそう高めている。なお、図２において、上記Ｖ字セグメント２０ａ，２０ｆの左右方向幅がトンネルの軸方向に対してテーパをなしているが、これは覆工２０の組み立てをトンネル内側から行えるようにするためである。
【００２７】
図５〜図７は、上述したシールドトンネル構造の施工に使用して好適なシールド掘進機５０の一実施例を示す。この場合、図５はその掘進機５０を横方向（トンネル軸に直交する方向）から見た断面状態を示す。図６は、その掘進機５０のカッタヘッド５２部分を横方向から見た状態（ａ）および前方（トンネル軸方向）から見た状態（ｂ）をそれぞれ示す。また、図７は、図５のＡ−Ａ矢視面およびＢ−Ｂ矢視面を左右に振り分けて示す。
【００２８】
同図に示すように、実施例のシールド掘進機５０は、シールド本体５１、カッタヘッド５２、カッタヘッド駆動装置５３、回転伝動機構５４、排土装置５５、シールドジャッキ５６、エレクタ５７などにより構成される。
【００２９】
シールド本体５１は、上記複合断面形状１０に適合する断面を有する管状に構成されている。このシールド本体５１の掘進方向前方側には、地山を掘削するカッタビット５２が回転可能に支持されている。カッタヘッド５２は２つのカッタディスク６１，６２を有する２連式であって、各カッタディスク６１，６２にはそれぞれ３本の伸縮可能なスポーク６３，６３，６３が放射状に配設されている。各スポーク６３にはそれぞれカッタビット６４が等間隔で取り付けられている。
【００３０】
２つのカッタディスク６１，６２は、前後に位置を違えながら横方向に部分的に重なり合った状態でそれぞれに回転駆動されることにより、前方の地山を掘削する。このとき、各スポーク６３をその回転角度位置に応じて伸縮させることにより、前方の地山を上記複合断面形状１０で掘削することができる。
【００３１】
つまり、各スポーク６３をそれぞれ、その先端が上記複合断面形状１０の輪郭をトレースするように伸縮させることにより、その複合断面形状１０を掘削させる。カッタピット６４の取り付け間隔はスポーク６３の伸縮に伴って増減するが、地山の掘削にはとくに支障はない。カッタディスク６１，６２の回転駆動は、回転伝動機構５４を介してカッタヘッド駆動装置５３により行われる。
【００３２】
カッタヘッド５２が掘削した土砂は、排土装置５５によりシールド本体５１の後方へ送り出される。シールドジャッキ５６は既設の覆工の端面を反力にしてシールド本体５１をカッタヘッド５２とともに段階的に前進させる。シードル本体５１の後部側では、エレクタ５７により、上記セグメント２０ａ〜２０ｆが順次組み立てられてトンネル覆工２０が構築される。
【００３３】
覆工２０はシールド本体５１の内側面に沿って構築される。覆工２０とシールド本体５１間は、シールド本体５１の後端に取り付けたテールパッキン６５により止水シールされている。その他、シールド本体５１内には、セグメントの周囲にできる空洞部分には裏込め材を注入するための注入管６６などが配設されている。
【００３４】
以上のようにして、上述したシールドトンネル構造は、上述したシールド掘進機５０の使用により、通常のシールドトンネルの施工と同様の作業で効率良く構築して行くことができる。
【００３５】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、上記複合断面形状１０の掘削は、特開２００１−１６４８７６に開示されているように、固定長のスポークにコピーカッタを備えた自由断面用シールド掘進機を用いても行うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のシールドトンネル構造は、局部的発生応力を抑制しつつ、占有幅を必要最小限に狭めることができる。これにより、セグメント桁高の低減、掘削断面積の縮小、構造部材の重量低減などによる低コスト化をはかることができる。
【００３７】
また、本発明のシールド掘進機は、上述したシールドトンネル構造の施工を通常のシールド工法と同様の作業で高効率に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシールドトンネル構造の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視面およびＣ−Ｃ矢視面をそれぞれ示す図である。
【図４】トンネルの軸方向での位置を違えて見た覆工の断面状態を示す図である。
【図５】本発明のシールドトンネル構造の施工に適したシールド掘進機の概要を示す断面図である。
【図６】図５に示した掘進機のカッタヘッド部分を示す断面図および正面図である。
【図７】図５のＡ−Ａ矢視部分およびＢ−Ｂ矢視部分の断面状態を左右に振り分けて示す図である。
【図８】従来のシールドトンネル構造を例示する断面図である。
【符号の説明】
１０ 複合断面形状
１０ａ，１０ｂ トンネル断面部
２０ 覆工
２０ａ〜２０ｆ セグメント
３０ 中柱
５０ シールド掘進機
５１ シールド本体
５２ カッタヘッド
５３ カッタヘッド駆動装置
５４ 回転伝動機構
５５ 排土装置
５６ シールドジャッキ
５７ エレクタ
６１，６２ カッタディスク
６３ 伸縮可能なスポーク
６４ カッタビット
６５ テールパッキン
６６ 裏込め注入管

Claims (7)

1. 複数のトンネル横断面部が横方向に連接して一つの複合断面形状をなすように構築されたシールドトンネル構造において、
   上記複数のトンネル横断面部はそれぞれが矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成され、この縦長円形断面部が横方向に並立する形で連接して一つの複合断面形状をなすとともに、その縦長円形断面部を振り分ける中間位置に中柱が立設されていることを特徴とするシールドトンネル構造。
2. 左右対称な２つのトンネル横断面部が横方向に連接して一つの複合断面形状をなすように構築されたシールドトンネル構造において、
   上記２つのトンネル横断面部はそれぞれが矩形状断面部の上下に円弧状断面部が連接して全体が一つの縦長円形断面部をなすように形成され、この縦長円形断面部が横方向に２つ並立する形で双葉状に連接して一つの複合断面形状をなすとともに、その２つの縦長円形断面部を左右対称に振り分ける中間位置に中柱が立設されていることを特徴とするシールドトンネル構造。
3. 請求項１または２において、上記複合断面形状をなす２つの縦長円形断面部は、それぞれが縦長円形の断面部を形成しながら部分的に重なり合った状態で連接していることを特徴とするシールドトンネル構造。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、上記複合断面形状を囲繞する覆工は、トンネルの周方向と軸方向に分割されたセグメントの組み合わせで構成されているとともに、周方向でのセグメントの組み合わせパターンが、軸方向で隣接するセグメント間で互いに異ならせられていることを特徴とするシールドトンネル構造。
5. 請求項４において、上記セグメントは周方向での組み合わせパターンが上下で非対称であるとともに、その組み合わせパターンの上下が軸方向のセグメント・スパンごとに交互に入れ替わっていることを特徴とするシールドトンネル構造。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、上記複合断面形状を囲繞する覆工は、２つの縦長円形断面部に跨る部分が略Ｖ字状断面のセグメントにより共通一体化されていることを特徴とするシールドトンネル構造。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のシールドトンネル構造を施工するために使用するシールド掘進機であって、シールド本体の前進方向で地山を掘削するカッタヘッドは、カッタビットを備えたスポークが放射状に配設された状態で回転駆動されるとともに、そのスポークが上記複合断面形状にしたがって伸縮可能に構成されていることを特徴とするシールド掘進機。

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