特許 7101543 シールド掘進機、及びトンネル構築方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-07

(45)【発行日】2022-07-15

(54)【発明の名称】シールド掘進機、及びトンネル構築方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/06 20060101AFI20220708BHJP

   E21D 9/087 20060101ALI20220708BHJP

【ＦＩ】

E21D9/06 301E

E21D9/06 301D

E21D9/087 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018105112

(22)【出願日】2018-05-31

(65)【公開番号】P2019210626

(43)【公開日】2019-12-12

【審査請求日】2020-12-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】沼宮内 克己

(72)【発明者】

【氏名】福田 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】奥津 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】山崎 信一

(72)【発明者】

【氏名】本田 和之

(72)【発明者】

【氏名】阿部 聡

【審査官】柿原 巧弥

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１０７６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９９９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２０３７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２７７２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１４４６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００９３７６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／０６

Ｅ２１Ｄ ９／０８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド掘進機であって、
内部に開口を有する外胴部と、
前記開口を通じて前記外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、
前記開口を遮蔽すると共に前記外胴部内に収容された前記掘削部を前記切羽側から覆う遮蔽部と、
前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給部と、を備え、
前記掘削部が前記切羽から前記開口を通じて前記外胴部内に収容された状態で前記遮蔽部が前記開口を遮蔽すると共に前記掘削部を前記切羽側から覆い、前記遮蔽部が前記開口を遮蔽した状態で前記コンクリート材料供給部が前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給する
シールド掘進機。

【請求項2】

シールド掘進機であって、
内部に開口を有する外胴部と、
前記開口を通じて前記外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、
前記開口を遮蔽する遮蔽部と、
前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給部と、
前記開口と前記切羽との間に充填材を供給する充填材供給部と、
前記開口と前記切羽との間の泥土を排出する泥土排出部と、を備え、
前記掘削部が前記切羽から前記開口を通じて前記外胴部内に収容された状態で前記遮蔽部が前記開口を遮蔽し、前記遮蔽部が前記開口を遮蔽した状態で前記コンクリート材料供給部が前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給し、
前記開口が開放された状態で前記充填材供給部が前記開口と前記切羽との間に充填材を供給すると共に前記泥土排出部が前記開口と前記切羽との間の泥土を排出する、
シールド掘進機。

【請求項3】

シールド掘進機であって、
内部に開口を有する外胴部と、
前記開口を通じて前記外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、
前記開口を遮蔽する遮蔽部と、
前記開口と前記切羽との間に充填材を供給する充填材供給部と、
前記開口と前記切羽との間の泥土を排出する泥土排出部と、を備え、
前記開口が開放された状態で前記充填材供給部が前記開口と前記切羽との間に充填材を供給すると共に前記泥土排出部が前記開口と前記切羽との間の泥土を排出し、前記掘削部が前記切羽から前記開口を通じて前記外胴部内に収容された状態で前記遮蔽部が前記開口を遮蔽する
シールド掘進機。

【請求項4】

開口を有する外胴部と、前記開口を通じて前記外胴部内に収容可能に形成される掘削部と、前記開口を遮蔽すると共に前記外胴部内に収容された前記掘削部を切羽側から覆う遮蔽部と、を備えるシールド掘進機を用いたトンネル構築方法であって、
前記掘削部を用いて切羽を掘削して前記シールド掘進機を掘進させる掘進工程と、
前記掘削部を前記切羽から前記開口を通じて前記外胴部内に収容する収容工程と、
前記遮蔽部を用いて前記開口を遮蔽する共に前記掘削部を前記切羽側から覆う遮蔽工程と、
前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、
を備えるトンネル構築方法。

【請求項5】

外胴部に移動可能に装着されて切羽を掘削する掘削部を用いたトンネル構築方法であって、
前記掘削部を第１外胴部に装着すると共に、前記掘削部を前記第１外胴部の内部に設けられた開口から切羽側に移動させ、第１分岐トンネルを掘進する第１掘進工程と、
前記掘削部を前記切羽から前記開口を通じて前記第１外胴部内に収容する収容工程と、
前記第１外胴部の前記開口を遮蔽する遮蔽工程と、
前記第１外胴部の前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、
前記掘削部を前記第１外胴部から取り外して第２外胴部に装着すると共に、第２外胴部の内部に設けられた開口から切羽側に移動させ、第２分岐トンネルを掘進する第２掘進工程と、
を備えるトンネル構築方法。

【請求項6】

前記収容工程において、前記開口と前記切羽との間に充填材を供給すると共に、前記開口と前記切羽の間の泥土を排出する
請求項４又は５に記載のトンネル構築方法。

【請求項7】

前記第１分岐トンネルと前記第２分岐トンネルとを、一の地下空洞の内壁面から形成する、
請求項５に記載のトンネル構築方法。

【請求項8】

開口を有する外胴部と、前記開口を通じて前記外胴部内に収容可能に形成される掘削部と、前記開口を遮蔽する遮蔽部と、を備えるシールド掘進機を用いたトンネル構築方法であって、
前記掘削部を用いて切羽を掘削して前記シールド掘進機を掘進させる掘進工程と、
前記掘削部を前記切羽から前記開口を通じて前記外胴部内に収容する収容工程と、
前記遮蔽部を用いて前記開口を遮蔽する遮蔽工程と、
前記開口と前記切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、を備え、
前記収容工程において、前記開口と前記切羽との間に充填材を供給すると共に、前記開口と前記切羽の間の泥土を排出する、
トンネル構築方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールド掘進機、及びシールド掘進機を用いたトンネル構築方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車や鉄道用のトンネルでは、本線トンネルから分岐する分岐トンネルを非貫通状態で複数構築し、複数の非貫通トンネルを非常時用の駐車帯、避難帯及び機材置場として利用することがある。非貫通トンネルは、例えば、ＮＡＴＭ工法によって構築される。

【0003】

ＮＡＴＭ工法では、発破工程、ズリ出し工程、一次コンクリート吹付工程、支保工建込工程及び二次コンクリート吹付工程を所定距離（例えば１～３ｍ）毎に繰返すことにより、トンネルを軸方向に構築していく。一次コンクリート吹付工程が完了するまでは、地山が露出しており地下水がトンネル内に流入するおそれがあるため、予め、地山に止水薬液を注入して地下水の流れを止める薬液注入工法や、地下水の水位を低下させる地下水低下工法等の補助工法が行われる。

【0004】

地下水低下工法は、地山から地下水を抜いて地下水の水位を低下させるため、都市部で採用した場合には地表面が沈下するおそれがある。また、薬液注入工法では、地下水の流れが止まったかどうかの判断が難しい。そのため、掘削中に突発湧水が発生しトンネル崩落に繋がる懸念があり、対策工費の増加や工期の延長を招くおそれがある。

【0005】

薬液注入工法や地下水低下工法等の補助工法を用いることなく都市部にトンネルを構築する方法としては、シールド掘進機を用いた方法が知られており、特許文献１には、非貫通トンネルを構築するためのシールド掘進機が開示されている。このシールド掘進機は、切羽後方の地山内壁面を支える筒状の外胴と、外胴の前端部内に設けられる隔壁と、隔壁の開口部を通過可能に形成されるカッターヘッドと、を備えている。ある非貫通トンネルの掘削が完了すると、カッターヘッドは隔壁の開口部を通過してトンネル後方に外胴から引き抜かれ、別の非貫通トンネルを掘削する際に再利用される。隔壁の開口部は、カッターヘッドの通過後、ゲートによって遮蔽される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－１９９９１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示されるシールド掘進機では、カッターヘッドを外胴から引き抜いた後に、切羽と隔壁の間に空間が形成される。そのため、この空間内で切羽が崩落し周辺地盤の変状が発生する懸念がある。このような理由から、切羽を崩落させることなく非貫通トンネルをシールド掘進機により構築し、トンネル工事の安全性を高めることが求められている。

【0008】

本発明は、トンネル工事の安全性を高めることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、シールド掘進機であって、内部に開口を有する外胴部と、開口を通じて外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、開口を遮蔽すると共に外胴部内に収容された掘削部を切羽側から覆う遮蔽部と、開口と切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給部と、を備え、掘削部が切羽から開口を通じて外胴部内に収容された状態で遮蔽部が開口を遮蔽すると共に掘削部を切羽側から覆い、遮蔽部が開口を遮蔽した状態でコンクリート材料供給部が開口と切羽との間にコンクリート材料を供給する。
また、本発明は、シールド掘進機であって、内部に開口を有する外胴部と、開口を通じて外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、開口を遮蔽する遮蔽部と、開口と切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給部と、開口と切羽との間に充填材を供給する充填材供給部と、開口と切羽との間の泥土を排出する泥土排出部と、を備え、掘削部が切羽から開口を通じて外胴部内に収容された状態で遮蔽部が開口を遮蔽し、遮蔽部が開口を遮蔽した状態でコンクリート材料供給部が開口と切羽との間にコンクリート材料を供給し、開口が開放された状態で充填材供給部が開口と切羽との間に充填材を供給すると共に泥土排出部が開口と切羽との間の泥土を排出する。

【0010】

また、本発明は、シールド掘進機であって、内部に開口を有する外胴部と、開口を通じて外胴部内に収容可能に形成され、切羽を掘削する掘削部と、開口を遮蔽する遮蔽部と、開口と切羽との間に充填材を供給する充填材供給部と、開口と切羽との間の泥土を排出する泥土排出部と、を備え、開口が開放された状態で充填材供給部が開口と切羽との間に充填材を供給すると共に泥土排出部が開口と切羽との間の泥土を排出し、掘削部が切羽から開口を通じて外胴部内に収容された状態で遮蔽部が開口を遮蔽する。

【0011】

また、本発明は、開口を有する外胴部と、開口を通じて外胴部内に収容可能に形成される掘削部と、開口を遮蔽すると共に外胴部内に収容された掘削部を切羽側から覆う遮蔽部と、を備えるシールド掘進機を用いたトンネル構築方法であって、掘削部を用いて切羽を掘削してシールド掘進機を掘進させる掘進工程と、掘削部を切羽から開口を通じて外胴部内に収容する収容工程と、遮蔽部を用いて開口を遮蔽する共に掘削部を切羽側から覆う遮蔽工程と、開口と切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、を備える。

【0012】

また、本発明は、外胴部に進退可能に装着されて切羽を掘削する掘削部を用いたトンネル構築方法であって、掘削部を第１外胴部に装着すると共に第１外胴部の内部に設けられた開口から切羽側に進出させ、第１分岐トンネルを掘進する第１掘進工程と、掘削部を切羽から第１外胴部の開口を通じて第１外胴部内に収容する収容工程と、第１外胴部の開口を遮蔽する遮蔽工程と、開口と切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、掘削部を第１外胴部から取り外して第２外胴部に装着すると共に第２外胴部の内部に設けられた開口から切羽側に進出させ、第２分岐トンネルを掘進する第２掘進工程と、を備える。
また、本発明は、開口を有する外胴部と、開口を通じて外胴部内に収容可能に形成される掘削部と、開口を遮蔽する遮蔽部と、を備えるシールド掘進機を用いたトンネル構築方法であって、掘削部を用いて切羽を掘削してシールド掘進機を掘進させる掘進工程と、掘削部を切羽から開口を通じて外胴部内に収容する収容工程と、遮蔽部を用いて開口を遮蔽する遮蔽工程と、開口と切羽との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給工程と、を備え、収容工程において、開口と切羽との間に充填材を供給すると共に、開口と切羽の間の泥土を排出する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、トンネル工事の安全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るシールド掘進機により構築されるトンネルを鉛直上方から見た断面図であり、第１分岐トンネルを構築している状態を示す。

【図2】本発明の実施形態に係るシールド掘進機により構築されるトンネルを鉛直上方から見た断面図であり、第２分岐トンネルを構築している状態を示す。

【図3】本発明の実施形態に係るシールド掘進機の断面図であり、分岐トンネルを掘進している状態を示す。

【図4】チャンバに充填材を充填している状態を示す。

【図5】カッターを外胴部内に収容した状態を示す。

【図6】開口をシャッターにより遮蔽した状態を示す。

【図7】切羽と開口との間にコンクリート材料を供給した状態を示す。

【図8】外胴部からカッターを引き抜いた状態を示す。

【図9】外胴部の内周面に覆工コンクリートを打設した状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るシールド掘進機１００、及びシールド掘進機１００を用いてトンネルを構築するトンネル構築方法について説明する。ここでは、自動車や鉄道用のトンネルを構築するためのシールド掘進機１００及びトンネル構築方向について、説明する。

【0016】

自動車や鉄道用のトンネルＴでは、図２に示すように、地下空洞としての本線トンネルＴａから分岐する分岐トンネルＴｂが非貫通状態で構築されることがある。このような非貫通状態の分岐トンネルＴｂは、例えば本線トンネルＴａにおいて所定の間隔で複数構築され、非常時用の駐車帯、避難帯及び機材置場として利用される。シールド掘進機１００は、分岐トンネルＴｂの構築に用いられる。

【0017】

まず、分岐トンネルＴｂを構築する手順について、図１及び図２を参照して簡単に説明する。ここでは、分岐トンネルＴｂとしての第１及び第２分岐トンネルＴｂ１、Ｔｂ２をこの順に構築する場合について説明する。図１は、第１分岐トンネルＴｂ１を構築している状態を示しており、図２は、第１分岐トンネルＴｂ１の構築が完了し第２分岐トンネルＴｂ２を構築している状態を示している。

【0018】

図１及び図２に示すように、シールド掘進機１００は、切羽Ｓの後方の地山内壁面を支える外胴部１０と、外胴部１０と切羽Ｓとの間に設けられて切羽Ｓを掘削する掘削部としてのカッター２０と、を備えている。図１に示すように、シールド掘進機１００が第１分岐トンネルＴｂ１を掘進する際には、カッター２０は外胴部１０に装着されており、外胴部１０とカッター２０は一体となって前進する。外胴部１０の前進に併せて、セグメントリング９０が組み立てられる。

【0019】

第１分岐トンネルＴｂ１を所望長さ（例えば２０ｍ）掘進したところで、第１分岐トンネルＴｂ１の掘進を終了する。次に、外胴部１０からカッター２０を取り外し、不図示の装置や重機を用いて外胴部１０からカッター２０を引き抜く。外胴部１０を第１分岐トンネルＴｂ１内に残した状態で外胴部１０の内周面とセグメントリング９０の内周面に覆工コンクリートを打設することにより（図２）、第１分岐トンネルＴｂ１の構築が完了する。

【0020】

なお、セグメントリング９０の内周面に覆工コンクリートを打設することなく第１分岐トンネルＴｂ１の構築を完了してもよい。つまり、外胴部１０の内周面にだけ覆工コンクリートが打設されセグメントリング９０の内周面が露出した状態であってもよい。

【0021】

第２分岐トンネルＴｂ２を掘進する際には、別に用意した外胴部１０に、第１分岐トンネルＴｂ１の掘進に用いたカッター２０を装着する。その後、第１分岐トンネルＴｂ１を構築した手順と同様の手順により、第２分岐トンネルＴｂ２を構築する。

【0022】

以上の手順によれば、１つのカッター２０で第１及び第２分岐トンネルＴｂ１，Ｔｂ２を掘進することができる。そのため、トンネルＴの構築費用を削減することができる。

【0023】

ところで、切羽Ｓは崩落するおそれがあり、切羽Ｓが露出すると危険である。外胴部１０にカッター２０が装着されている状態では、シールド掘進機１００によって切羽Ｓが覆われているため安全であるが、覆工コンクリートを打設する際には、カッター２０が外胴部１０から引き抜かれるためシールド掘進機１００によって切羽Ｓを覆うことができない。そのため、トンネル工事の安全性を高めるためには、外胴部１０からカッター２０を引き抜く前に、切羽Ｓを安定させることが望ましい。

【0024】

本実施形態に係るシールド掘進機１００及びトンネル構築方法は、外胴部１０にカッター２０を装着した状態で切羽Ｓにコンクリート材料を打設するように構成されている。そのため、外胴部１０からカッター２０が引き抜かれた状態においても切羽Ｓが安定する。したがって、切羽Ｓの崩落を防ぐことができ、トンネル工事の安全性を高めることができる。

【0025】

以下、シールド掘進機１００の構成及びトンネル構築方法について、図３から図９を参照して具体的に説明する。

【0026】

図３に示すように、シールド掘進機１００の外胴部１０は、円筒状のスキンプレート１１と、スキンプレート１１の内周面から突出する隔壁１２と、を有する。隔壁１２は環状に形成され、隔壁１２によって外胴部１０の内部に開口１３が形成されている。開口１３は、２辺が水平方向に延在し他の２辺が鉛直方向に延在する略矩形に形成される。

【0027】

スキンプレート１１の内側には、カッター２０を回転駆動させる駆動部３０が設けられる。駆動部３０は、回転シャフト３１を介してカッター２０を回転可能に支持する支持ドラム３２と、支持ドラム３２に固定されたモータ３３と、を有する。モータ３３は、減速機構３４を介して回転シャフト３１と連結されており、モータ３３の回転は、減速機構３４を介して回転シャフト３１に伝達される。

【0028】

カッター２０は、回転シャフト３１から径方向に延在するカッタースポーク２１と、カッタースポーク２１の先端から径方向に突出可能に設けられるオーバーカッター２２と、を有する。カッタースポーク２１及びオーバーカッター２２には不図示のビットが取り付けられており、カッター２０の回転によって切羽Ｓが掘削される。

【0029】

駆動部３０の支持ドラム３２は、ガイド部材４０を介してスキンプレート１１に軸方向に移動可能に支持されている。ガイド部材４０は、支持ドラム３２を、カッター２０による切羽Ｓの掘削を可能にする掘削位置と、カッター２０をスキンプレート１１内に収容する収容位置（図５参照）と、に案内可能である。

【0030】

切羽Ｓを掘削する際には、図３に示すように、支持ドラム３２は掘削位置に保持される。このとき、支持ドラム３２は、外胴部１０の開口１３を閉塞し、隔壁１２と共に切羽Ｓとの間にチャンバＣを形成する。切羽Ｓの掘削により生じた泥土は、チャンバＣに取り込まれ、一時的に蓄えられる。チャンバＣに蓄えられた泥土は、支持ドラム３２に形成された排出口３２ａから泥土排出部としてのスクリュコンベア５０を用いて排出される。

【0031】

排出口３２ａは、回転シャフト３１よりも鉛直下方に形成されている。したがって、チャンバＣに蓄積された泥土をスクリュコンベア５０を用いて容易に排出することができる。

【0032】

また、切羽Ｓを掘削する際には、オーバーカッター２２がカッタースポーク２１から突出する。この状態では、カッター２０の長さはスキンプレート１１の外径と略等しくなる。したがって、スキンプレート１１の外径と略等しい内径で分岐トンネルＴｂを掘進することができる。

【0033】

支持ドラム３２を掘削位置から収容位置に移動させる際には、図５に示すように、オーバーカッター２２はカッタースポーク２１内に引き入れられる。この状態では、カッター２０の長さは、外胴部１０の開口１３の内径（具体的には、略矩形状の開口１３の対角線長さ）よりも小さく、カッター２０は開口１３を通過可能である。したがって、支持ドラム３２が掘削位置から収容位置に移動すると、カッター２０は、切羽Ｓから開口１３を通じて外胴部１０内に収容される。

【0034】

シールド掘進機１００は、外胴部１０の開口１３を遮蔽する遮蔽部としてのシャッター６０を更に備える。シャッター６０は、開口１３を遮蔽していない状態では、スキンプレート１１とガイド部材４０との間に設けられる収容部６１に収容されている。シャッター６０は、隔壁１２に固定されるシャッターゲート６２を通じて収容部６１から引き出されると、開口１３の周縁に沿って隔壁１２に固定されるシャッター案内溝６３により、開口１３を遮蔽するように案内される。

【0035】

シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３は、ガイド部材４０によって開閉される。具体的には、ガイド部材４０は、スキンプレート１１の内周に取り外し可能に装着される第１ガイド筒４１と、第１ガイド筒４１の内周に摺動可能に設けられる第２ガイド筒４２と、を有し、第２ガイド筒４２によって、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３が開閉される。

【0036】

第１ガイド筒４１は、内周が隔壁１２の開口１３と略同じ形状に形成され、開口１３から軸方向に延びる空間を画定する。シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３は、第１ガイド筒４１の端部と隔壁１２との間に設けられる。

【0037】

第２ガイド筒４２は、外周が第１ガイド筒４１の内周と略同じ形状、すなわち隔壁１２の開口１３と略同じ形状に形成される。そのため、第２ガイド筒４２は、図３に示すように、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３を跨いで開口１３に進入可能であり、開口１３に進入することによって、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３を閉塞する。図６に示すように、第２ガイド筒４２の全体が第１ガイド筒４１内に移動することによって、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３が開放される。これにより、シャッター６０による開口１３の遮蔽が可能になる。シャッター６０は展開時・平面視で略矩形である。そのため、略矩形に形成されている開口１３を好適に遮蔽することができる。また、開口１３は、シャッター６０により遮蔽することが可能であれば、矩形である必要はなく、円形等であってもよい。

【0038】

駆動部３０の支持ドラム３２は、外周が第２ガイド筒４２の内周と略同じ形状に形成されており、第２ガイド筒４２の内周を摺動する。したがって、支持ドラム３２が収容位置に移動した状態では、チャンバＣは、図５に示すように、隔壁１２、第２ガイド筒４２及び支持ドラム３２によって画定される。そして、図６に示すように、シャッター６０が開口１３を遮蔽した状態では、チャンバＣは、切羽Ｓとシャッター６０との間に位置する第１チャンバＣ１と、支持ドラム３２とシャッター６０との間に位置する第２チャンバＣ２と、に区画される。

【0039】

シールド掘進機１００は、切羽Ｓと開口１３との間に充填材を供給する充填材供給部としての充填材ポンプ７０と、切羽Ｓと開口１３との間にコンクリート材料を供給するコンクリート材料供給部としてのコンクリートポンプ８０と、を備える。

【0040】

充填材ポンプ７０は、充填材導管７１を通じて、隔壁１２における開口１３よりも鉛直上方に形成される充填材孔７２に接続されている。充填材は、充填材ポンプ７０によって、充填材孔７２から切羽Ｓと開口１３との間に供給される。充填材は可塑性充填材が好ましい。可塑性充填材は、高い粘性（例えば、３００ｄＰａ・ｓ以上）を有する流動性のある材料であり、例えば、ベントナイトを主成分として水ガラス溶液を混合させた可塑性充填材を用いることができる。なお、充填材として、高分子凝集剤の水溶液やベントナイト水溶液などの粘性のある溶液を用いることも可能である。

【0041】

コンクリートポンプ８０は、コンクリート導管８１を通じて、隔壁１２における開口１３よりも鉛直下方に形成されるコンクリート孔８２に接続されている。コンクリート材料は、コンクリートポンプ８０によって、コンクリート孔８２から切羽Ｓと開口１３との間に供給される。コンクリート材料は、例えば、水中不分離性コンクリートや高流動コンクリートであり、コンクリート材料には、モルタル等を含む。

【0042】

次に、シールド掘進機１００を用いて分岐トンネルＴｂを構築する方法について、図３から図９を参照して説明する。

【0043】

まず、図３に示すように、スキンプレート１１にガイド部材４０を取り付け、カッター２０を駆動部３０及びガイド部材４０を介して外胴部１０に装着する。次に、カッター２０を用いて切羽Ｓを掘削し、シールド掘進機１００を掘進させる。このとき、支持ドラム３２を掘削位置に保持し、チャンバＣを形成する。切羽Ｓの掘削により生じる泥土は、チャンバＣに蓄えられると共に、チャンバＣからスクリュコンベア５０により排出される。

【0044】

分岐トンネルＴｂの掘進は、いわゆる推進工法により行われる。推進工法の詳細は省略する。なお、本実施形態のシールド掘進機１００は、いわゆるシールド工法に用いられるものであってもよく、分岐トンネルＴｂの掘進は、シールド工法により行われてもよい。ここで、シールド工法では、シールド掘進機１００内でセグメントリング９０を組み立て、シールド掘進機１００内の油圧ジャッキ（図示省略）によって、セグメントリング９０から反力を得てシールド掘進機１００を前進させる。推進工法では、本線トンネルＴａ（図１又は図２参照）内でセグメントリング９０を組み立て、本線トンネルＴａ内に設置した油圧ジャッキ（図示省略）によりセグメントリング９０を押すことによりシールド掘進機１００を前進させる。

【0045】

分岐トンネルＴｂを所望長さ（例えば２０ｍ）掘進したところで、カッター２０による切羽Ｓの掘削を停止する。その後、図４に示すように、充填材ポンプ７０を用いて充填材をチャンバＣに供給すると共に、チャンバＣ内の泥土を、スクリュコンベア５０を用いて排出する。これにより、チャンバＣ内の泥土が充填材に置き換えられる。したがって、チャンバＣ内の圧力が低下するのを防止することができ、切羽Ｓを安定させることができる。

【0046】

チャンバＣに充填される充填材は、泥土よりもの比重の小さいことが好ましい。これにより、充填材は泥土よりも上方に溜まり、泥土を下方に集めることができる。排出口３２ａが回転シャフト３１よりも鉛直下方に形成されているため、充填材の供給により下方に集められた泥土をスクリュコンベア５０を用いて排出することができる。

【0047】

次に、図５に示すように、支持ドラム３２を第２ガイド筒４２に対して移動させ、カッター２０を切羽Ｓから外胴部１０の開口１３を通じて外胴部１０内に収容する。このとき、オーバーカッター２２をカッタースポーク２１内に引き入れておく。これにより、カッター２０の長さは、外胴部１０の開口１３の内径よりも小さくなる。したがって、カッター２０を、外胴部１０内に容易に収容することができる。

【0048】

支持ドラム３２が移動しチャンバＣが拡大する間は、充填材の供給を継続する。これにより、切羽Ｓに作用する圧力が低下するのを防止することができ、切羽Ｓを安定させることができる。

【0049】

また、カッター２０を収容する際には、第２ガイド筒４２により、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３が閉塞されている。したがって、充填材がシャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３を通じて漏出するのを防止することができる。

【0050】

次に、図６に示すように、第２ガイド筒４２を第１ガイド筒４１に対して移動させ、シャッターゲート６２及びシャッター案内溝６３を開放する。次に、シャッター６０を用いて開口１３を遮蔽する。これにより、チャンバＣが第１チャンバＣ１と第２チャンバＣ２とに区画される。

【0051】

次に、図７に示すように、コンクリートポンプ８０を用いてコンクリート材料をコンクリート孔８２から第１チャンバＣ１に供給すると共に、第１チャンバＣ１内の充填材を、充填材孔７２を通じて排出する。これにより、第１チャンバＣ１の充填材がコンクリート材料に置き換えられる。したがって第１チャンバＣ１内の圧力が低下するのを防止することができ、切羽Ｓを安定させることができる。

【0052】

充填材はコンクリート材料より比重が小さいことが好ましい。これにより、供給されたコンクリート材料が充填材よりも下方に溜まり、充填材を上方に集めることができる。充填材孔７２は、隔壁１２における開口１３よりも上方に形成されているため、コンクリート材料の供給により上方に集められた充填材を充填材孔７２から排出することができる。したがって、第１チャンバＣ１の充填材をコンクリート材料に容易に置き換えることができる。

【0053】

コンクリート材料を供給する際には、第２チャンバＣ２には充填材が充填されている。そのため、シャッター６０は、第１チャンバＣ１内のコンクリート材料から圧力を受けるだけでなく、第２チャンバＣ２内の充填材から圧力を受ける。したがって、シャッター６０を第２チャンバＣ２内の充填材により支えることができ、シャッター６０の強度を高めることなくシャッター６０の変形を防止することができる。これにより、シャッター６０に強度の小さい安価な部材を用いることができ、シールド掘進機１００の製造コストを削減することができる。

【0054】

コンクリート材料が固まったところで、スクリュコンベア５０を用いて第２チャンバＣ２内の充填材を排出する。その後、第１ガイド筒４１をスキンプレート１１から取り外し、不図示の装置や重機を用いて、図８に示すように、ガイド部材４０、駆動部３０及びカッター２０を外胴部１０から引き抜き回収する。このとき、切羽Ｓは、コンクリート材料により固められ、安定している。したがって、外胴部１０からカッター２０が引き抜かれた状態においても切羽Ｓの崩落を防ぐことができる。

【0055】

ガイド部材４０、駆動部３０及びカッター２０を外胴部１０から引き抜く際に、充填材導管７１及びコンクリート導管８１を隔壁１２から取り外しておいてもよい。

【0056】

次に、図９に示すように、スキンプレート１１の内周面とセグメントリング９０の内周面とシャッター６０とに覆工コンクリートを打設する。このとき、切羽Ｓがコンクリート材料により既に固められて安定しているため、切羽Ｓの崩落を防ぐことができる。したがって、安全に覆工コンクリートを打設することができる。覆工コンクリートは不図示の型枠を使用して打設をする。

【0057】

以上により、分岐トンネルＴｂの構築が完了する。

【0058】

別の分岐トンネルＴｂを構築する際には、新たに外胴部１０を用意し、新たな外胴部１０のスキンプレート１１にガイド部材４０を取り付け、カッター２０を駆動部３０及びガイド部材４０を介して外胴部１０に装着する。以下、同様の手順により、別の分岐トンネルＴｂを構築することができる。

【0059】

新たな外胴部１０に取り付けられるガイド部材４０、駆動部３０及びカッター２０は、構築済みの分岐トンネルＴｂの掘進に使用され回収されたものである。そのため、１つのカッター２０、駆動部３０及びガイド部材４０を用いて複数の分岐トンネルＴｂを掘進することができる。したがって、トンネルＴの構築費用を削減することができる。

【0060】

以上により、複数の分岐トンネルＴｂの構築が完了する。

【0061】

以上の本実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

【0062】

シールド掘進機１００及びトンネル構築方法では、カッター２０が切羽Ｓから開口１３を通じて外胴部１０内に収容された状態で開口１３が遮蔽され、開口１３が遮蔽された状態で開口１３と切羽Ｓとの間にコンクリート材料が供給される。そのため、外胴部１０にカッター２０を装着した状態で切羽Ｓがコンクリート材料により固められ、切羽Ｓが安定する。したがって、外胴部１０からカッター２０が引き抜かれた状態においても切羽Ｓの崩落を防ぐことができ、トンネル工事の安全性を高めることができる。

【0063】

また、開口１３が開放された状態で、開口１３と切羽Ｓとの間に充填材が供給されると共に開口１３と切羽Ｓとの間の泥土が排出される。そのため、開口１３と切羽Ｓとの間の泥土が充填材に置き換えられる。したがって、切羽Ｓに作用する圧力を維持することができ、切羽Ｓを安定させることができる。

【0064】

また、カッター２０を外胴部１０から取り外して別の外胴部１０に装着し、別の分岐トンネルＴｂを掘進する。そのため、カッター２０を転用して複数の分岐トンネルＴｂを構築することができ、トンネルＴの構築費用を削減することができる。

【0065】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0066】

シールド掘進機１００では、切羽Ｓと開口１３との間の泥土を充填材に置き換え、その後、切羽Ｓと開口１３との間の充填材をコンクリート材料に置き換えている。この形態に限られず、切羽Ｓと開口１３との間に充填材を供給することなくコンクリート材料を供給してもよい。

【0067】

また、コンクリート材料に代えて、充填材を切羽Ｓと開口１３との間に供給した状態でカッター２０を外胴部１０から引き抜いてもよい。この場合には、切羽Ｓが充填材の圧力により支えられ、切羽Ｓが安定する。したがって、外胴部１０からカッター２０が引き抜かれた状態においても切羽Ｓの崩落を防ぐことができ、トンネル工事の安全性を高めることができる。

【0068】

また、シールド掘進機１００では、分岐トンネルＴｂを掘進する際にも充填材ポンプ７０が充填材導管７１を通じて隔壁１２の充填材孔７２に接続されているが、充填材ポンプ７０を、充填材を供給する際に隔壁１２の充填材孔７２に接続してもよい。同様に、コンクリートポンプ８０を、コンクリート材料を供給する際に隔壁１２のコンクリート孔８２に接続してもよい。

【0069】

また、シールド掘進機１００では、充填材は、充填材導管７１を通じて供給されると共に排出されるが、充填材を供給するための導管と排出するための導管とを別々に設けてもよい。

【0070】

また、ガイド部材４０は、カッター２０及び駆動部３０と共に外胴部１０から引き抜かれなくてもよい。すなわち、カッター２０を外胴部１０から引き抜いて回収する際に、ガイド部材４０を外胴部１０に残しておいてもよい。

【符号の説明】

【0071】

１００・・・シールド掘進機
１０・・・外胴部
１３・・・開口
２０・・・カッター（掘削部）
５０・・・スクリュコンベア（泥土排出部）
６０・・・シャッター（遮蔽部）
７０・・・充填材ポンプ（充填材供給部）
８０・・・コンクリートポンプ（コンクリート材料供給部）
Ｔ・・・トンネル
Ｔａ・・・本線トンネル（地下空洞）
Ｔｂ・・・分岐トンネル
Ｔｂ１・・・第１分岐トンネル
Ｔｂ２・・・第２分岐トンネル
Ｓ・・・切羽

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】