JP2580314B2 - シールドトンネルセグメント及びシールドトンネル構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明はシールドトンネルセグメント、特に螺旋状複
断面シールドトンネル用のセグメントと、それを使用し
たシールドトンネル構造に関する。

【従来の技術】

従来、この種のセグメントとしては、特開昭62−1823
98号公報に開示されているものが知られている。このセ
グメントは、左右２つの円がオーバーラップしてそのオ
ーバーラップ部分で双方とも欠けた断面形状、つまり全
体が繭形の断面形状をなし、その左右の欠円部がそれぞ
れ複数の円弧ピースで構成されるとともにＶ形断面の上
下一対の接合ピースで互いに接合されている。そして、
これら欠円部の間の欠如部分、つまり上下の接合ピース
間に垂直な柱材または壁材を設けて左右のトンネル空間
を区画するものである。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、これでは、（１）左右のトンネルの中心線が
同じ高さで平行な横型２連のトンネルのみで、縦型２連
のトンネルや、第23図に示すように２つのトンネルT1,T
2が横型２連から縦型２連へまたは縦型２連から横型２
連へ断面形態を変化させる螺旋２連トンネルには使用で
きない、（２）上下の接合ピースに柱材または壁材を結
合するための特殊な結合部を設けなければならず、コス
ト高になる、（３）円弧ピース及び接合ピースの結合作
業と、該接合ピースと柱材または壁材との結合作業とは
作業内容が異なるため作業性が悪い、等々の問題があっ
た。 縦型２連または横型２連の複断面シールドトンネル
は、工期、経済性、施工性、安全性などの多くの点で、
従来の一般的な単線並列トンネル（２つのトンネルを単
に並列させたもの）及び複線円形トンネル（１つのトン
ネルを複線分の円形断面にしたもの）より優れている
が、次の点では不利である。すなわち、縦型２連トンネ
ルは、地下構造物と交差する場合の施工性や鉄道・道路
トンネルの防災に対する安全性では劣っており、また横
型２連トンネルは、急曲線の施工性や地盤沈下に対する
安全性では他の形式のトンネルよりやや劣っている。 しかし、縦型２連の劣る点では横型２連が優れ、横型
２連の劣る点では縦型２連が優れている。このことは、
縦型２連と横型２連とを合わせた複断面トンネルは縦型
・横型を施工条件に応じてうまく使い分けることによ
り、両方の短所を補い、長所を活かした有効利用が可能
なことを意味している。 特に、第23図に示した螺旋２連トンネルでは、縦型２
連から横型２連へ、または横型２連から縦型２連へと連
続してトンネル断面を変化させることが可能なため、両
方の長所を最大限に引き出すことができる。この場合の
トンネルは三次元に捻じれた構造となり、２本のトンネ
ルの中心線は第24図に示すように水平線との角度をθ、
半径をＲとすると ｘ＝±Rcosθ ｙ＝±Rsinθ ｚ＝ｋθ（ｋは定数） を満たす螺旋形となる。 縦型２連から横型２連へまたは横型２連から縦型２連
へトンネル断面を変化させる単純な方法としては、第25
図に示すように２つのリング部1,2が三次元に捻じれる
ことなく両方の中心線に直角な直２連のセグメントを使
用し、これを互いに所定の段差をもって上下に食い違わ
せて配列して螺旋状に近似した２連トンネルとすること
が考えられる。しかしこれでは次のような問題がある。 セグメントの相互においてそのリング部1,2の接合
部分（継手部分）がズレ、しかもそのズレの方向も異な
るため、トンネル軸線方向のセグメント相互の連結が難
しい。 セグメント相互においてそれを構成するピースの位
置が異なり、しかも各ピース３の組立位置が個々に固定
されるため、組立作業性が非常に悪い。 セグメント間の段差がシールド機のテールを抜ける
ときにローリングの可能性がある。 シールの止水性が悪い。 シールドジャッキ受圧面がジャッキ推力方向に直角
でないため、シールドジャッキに工夫が必要である。 推進時にセグメントが動く恐れがある。 セグメント相互を連結するボルトに剪断力が作用す
る。 そこで本発明の目的は、第23図のように、連続した螺
旋２連トンネルを上記ないしの如き問題なく構築で
き、しかも上述した従来の繭形セグメントにおける上記
２及び３のような問題もない、また成形が難しい特殊形
状（例えば、三次元の捻れ断面）のセグメント（ピー
ス）を用いなくとも、螺旋２連トンネルにできるシール
ドトンネルセグメント、及び使用したシールドトンネル
構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

本発明の第１の形態は、少なくとも２つのリング部を
共通ピースによって接合して、螺旋複断面のシールドト
ンネルとするシールドトンネルセグメントにおいて、共
通ピースの形状を工夫することによって上記の目的を達
成したものである。すなわち、共通ピースは、両側面と
も軸線と平行な板状の胴部と、該胴部からトンネル軸方
向にだけ所定の交叉角度差をもって傾斜してＶ字形に分
岐する分岐部とを一体に設けたものである。 第２の形態のシールドトンネルセグメントは、リング
部同士の接合構造を工夫することにより上記の目的を達
成したものである。すなわち、リング部同士の接合用ピ
ースを相対回転可能に連結して、リング部相互を交叉角
度可変に接合したものである。 また、本発明によるシールドトンネル構造は、上記第
１の形態または第２の形態の複数個のシールドトンネル
セグメントを、相互のリング部の交叉角度を変化させて
トンネル軸方向に接合し、螺旋複断面のトンネルとした
ものである。

【作用】

本発明の第１の形態のシールドトンネルセグメントの
場合は、組み立てた通常セグメント同士を軸線方向に並
べるだけで上記角度θが一定な螺旋２連トンネルを構築
できる。 ところで、螺旋２連トンネルの立体的な形態を、２つ
の同じ長円筒体がその一部を共通にして並んだまま螺旋
を描きながら横２連から縦２連、縦２連から横２連へと
連続して捻れた形態とした場合、２つの長円筒体とも三
次元に捻れた断面となる。これをトンネル軸方向に分断
すると、その分断による２連のリング部（セグメント）
の内外両面は三次元に捻れた湾曲面となり、各リング部
を構成するセグメント（ピース）も三次元に捻れた断面
となる。また、両リング部の接合部分も三次元に捻れた
断面になる。 従って、２連の両トンネルともに、内外両面が滑らか
に連続した理想的な螺旋円筒体とするには、内外両面と
も三次元に捻れた湾曲断面のセグメントを使用する必要
がある。 しかし、このようなセグメントの成形は非常に困難で
あるばかりでなく、継手構造も複雑になり、さらに組み
立てに当たっては、三次元に捻じれしかもその捻じれの
態様も異なる数種の特殊セグメントの継手面を三次元に
合致させなければならないため、組み立て作業が非常に
複雑になるとともに、その精度や施工管理などの種々の
面で不都合が生ずる。 ところが、本発明の第１の形態シールドトンネルセグ
メントによれば、完成される２連のトンネルが上記のよ
うな理想的なものとならず、通常のシールドトンネルの
曲線部と同様に少し目的角の段差が生ずるものにはなる
が、２つのリング部を接合する共通ピースの分岐部のみ
において、しかもその交叉角度差によって２つのリング
部の一つを他のリング部に対して傾けるだけで、近似的
な螺旋円筒体とするため、このような共通ピースの成形
はそれほど難しくはなく、また２つのリング部の大部分
を占めるセグメント（ピース）は、従来から一般的に使
用されている通常セグメント（矩形セグメントやテーパ
セグメント等）で良いことになる。 第２の形態のシールドトンネルセグメントの場合は、
両リング部の交叉角度をその接合部分である接合用ピー
スで調整するだけで、上記角度θが任意な螺旋２連トン
ネルを構築できる。また、共通ピースに分岐部は不要で
あり、全セグメント（ピース）について一般的なものを
使用できる。 第１及び第２の両形態とも、内空に欠如部のない２つ
のリング部で構成されるため、縦型２連及び横型２連の
いずれのトンネル断面にも対応できる。特に、第２の形
態シールドトンネルセグメントでは角度θを自由に変え
ることができ、また２つのリング部が両方の中心線に直
角になる直２連のセグメントとしても使用できる。 本発明によるシールドトンネル構造によると、第１ま
たは第２の形態シールドトンネルセグメントを使用し、
直線２連のトンネルから螺旋２連のトンネルへ、さらに
螺旋２連トンネルから再び直線２連のトンネルへ、また
横型２連から縦型２連へ、さらに縦型２連から再び横型
２連へと連続して変わるトンネル構造にできる。第１の
形態のシールドトンネルセグメントを使用した場合、２
連トンネルの接合部（２つのリングの合流部）は、共通
ピースの板状の胴部で構成されるため、横型２連として
も縦型２連としても、常に軸線と平行で三次元に捻れの
ない面となる。

【実施例】

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。 第１図は、本発明のシールドトンネルセグメントの好
ましい実施例の斜視図、第２図はその正面図、第３図は
側面図、第４図は平面図である。このシールドトンネル
セグメント10は、互いに逆方向に交叉して連続する２つ
の同じ直円形のリング部11,12で構成される。両リング
部11,12は、第３図に示すように一方のリング部11の中
心線O1−O1が上向き、他方のリング部12の中心線O2−O2
が下向きになり、これら中心線が所定の角度αをなすよ
うに交叉している。両リング部11,12は、その双方に共
通の共通ピース、つまり１個の第１の接合ピース13と、
両リング部11,12について同じ第２の接合ピース14・14
によって接合され、また通常セグメントである円弧ピー
ス15〜19・15〜19を使用し、これらを、リング部11は図
において反時計周りに、またリング部12は時計周りに順
次結合して組み立てられる。円弧ピース15〜19は、従来
の一般的なセグメントと同形状の単なる円弧状、つまり
周方向には円弧形断面、トンネル軸方向にはトンネル軸
線と平行な四辺形断面であるが、第１の接合ピース13と
第２の接合ピース14とは次のような形状になっている。 第５図は第１の接合ピース13の正面図、第６図はその
側面図、第７図は下面図である。接合ピース13は、胴部
13aとその下端からＶ字形に分かれた左右の分岐部13b,1
3cとから成る。この接合ピース13の表面形状は、板状の
胴部13aの前後面20,21が垂直面、左右両側面22,23がリ
ング部11,12の内周に沿う円弧面、上端面24が左右両側
に下向きに傾斜した斜面、左右の分岐部13b,13cの間の
下面25が逆Ｕ字状の湾曲面となっている。また、左右の
分岐部13b,13cが胴部13aに対しトンネル軸方向に互いに
逆方向に傾き、左側の分岐部13bの前面26及び後面27が
前方へ傾斜した斜面、右側の分岐部13cの前面28及び後
面29が後方へ傾斜した斜面となっている。 胴部13aの上端部には、当該１つのシールドトンネル
セグメント10における左右の第２の接合ピース14,14と
結合するための左右の継手30,31が埋設され、左右の分
岐部13b,13cには左右の円弧ピース19と結合するための
継手32,33が埋設されている。さらに、胴部13a及び分岐
部13b,13cの前後両側縁部には、前後に隣接する他のシ
ールドトンネルセグメント10の接合ピース13,14と結合
するための前後それぞれ複数の継手34,35が埋設されて
いる。 第２の接合ピース14は、左右のリング部11,12に対し
実質的に同じ２つのものを対称に向き合わせて使用され
る。第８図は、この接合ピース14を右側のリング部12に
使用される向きにして表す正面図、第９図はその側面
図、第10図は平面図である。 この接合ピース14は、接合基部14aと中間部14bと翼部
14cとから成る全体円弧状で、内周面36はリング部12の
内周に沿う円弧面となっている。翼部14cは、中間部14b
が前方へ傾斜しているため接合基部14aに対してやや前
方へ傾斜している。接合基部14aの前後面37,38及び翼部
14cの前後面39,40は垂直面であるが、中間部14bの前面4
1及び後面42は、第１の接合ピースの分岐部13a,13cの前
後面26,27、28,29と同じ面積及び同じ傾斜の斜面となっ
ている。接合基部14aには、第１の接合ピース13と結合
するための継手43及び左側のリング部11の第２の接合ピ
ース14と接合するための継手44が埋設されているととも
に、その接合用孔45が設けられている。また、翼部14c
の先端部には、当該１つのシールドトンネルセグメント
10における円弧ピース15と結合するための継手46が埋設
され、翼部14c及び中間部14bの前後両側縁部には、前後
に隣接する他のシールドトンネルセグメント10と結合す
るための複数の継手47が埋設されている。第２の接合ピ
ース14は、左側のリング部11に対しては第８図ないし第
10図とは左右対称の向きにして使用されるため、その場
合は、翼部14cは接合基部14aに対して後方へ傾斜する。 各シールドトンネルセグメント10の組立は、第１の接
合ピース13に対して左右の第２の接合ピース14,14を継
手30,31,43によって結合するとともに、左右両第２の接
合ピース14,14を継手44によって互いに接合した後、こ
れら接合ピース14,14に左右それぞれ円弧ピース15〜19
を従来と同様に順次結合して行う。従って、２つのリン
グ部11,12を上下に位置させてシールドトンネルセグメ
ント10を縦型にする場合も両リング部11,12の組立作業
を同時に行うことができる。 シールドトンネルセグメント10相互のトンネル軸線方
向の連結は、前回施工のシールドトンネルセグメント10
が第２図に示す向きの組立形態であったならば、今回施
工するシールドトンネルセグメント10は前回とは上下逆
に、または第11図のように上下左右の組立形態とする。
そして、互いに逆になって第12図に示すようにトンネル
軸線方向に並ぶ両シールドトンネルセグメント10,10の
対向したピースを継手によって互いに連結する。この場
合、両シールドトンネルセグメント10,10において、第
１の接合ピース13の分岐部13a,13bの後面27,29に第２の
接合ピース14の中間部14bの前面41が合致する。 従って、シールドトンネルセグメント相互の連結面に
段差や間隙は生ぜず、テールシール部の止水性が良い。
このような作業を第13図に示すような螺旋２連トンネル
掘削型シールド機48の掘進に伴い繰り返せば、互いに交
叉したリング部11,12の連続により第23図に示したよう
な、直線２連のトンネルから螺旋２連のトンネルへ、さ
らに螺旋２連トンネルから再び直線２連のトンネルへ、
また横型２連から縦型２連へ、さらに縦型２連から再び
横型２連へと連続して変わる螺旋２連シールドトンネル
が構築される。第１の接合ピース13及び２つの第２の接
合ピース14,14は、隣接するシールドトンネルセグメン
ト10,10において交互に逆の配置になるため、それらの
接合部及びそれと円弧ピース15,19との結合部は食い違
い、いわゆる千鳥組になる。従って、シールドトンネル
セグメント相互の継手部を剛にすることができる。 シールド機48は、並設された一対の後胴49,50とこれ
ら後胴49,50に対して互いに逆方向に屈曲可能な一対の
前胴51,52とから成り、両前胴51,52の前面にカッタ（図
示せず）を装着している。このシールド機48は両前胴5
1,52の推進方向の違いによって生ずるモーメントにより
全体が自動的に旋回し、並列する２本のトンネルを同時
に螺旋状に掘削する。このシールド機48に対し上記シー
ルドトンネルセグメント10は後胴49,50からシールドジ
ャッキによって押し出される。両前胴51,52の推進方向
は異なるが、シールドトンネルセグメント10の両リング
部11,12の軸線は、掘削される両トンネルの軸線（前胴5
1,52の軸線）と一致し、両リング部11,12のシールドジ
ャッキ受圧面がシールドジャッキの推力方向と直角にな
るため、シールドトンネルセグメント10に無理な応力が
かからない。 各シールドトンネルセグメント10における両リング部
11,12の接合部分は、上記のような形態にするのが上述
したように種々の面で有利であるが、本発明はこれに限
定されるものではない。第14図及び第15図には両リング
部11,12を一つの接合ピース53で接合する例を示す。こ
の接合ピース53は、両端部が二股に分かれて各端部に長
短２本の分岐部53a,53bを有し、しかも両端の分岐部53
a,53bは長短互いに逆向きになっており、かつ互いに前
後逆方向に交叉し、前後面は斜面となっている。従っ
て、この接合ピース53に左右それぞれ円弧ピース54〜58
を結合すれば、互いに逆向きに交叉した両リング部11,1
2が構成される。 第16図は、中間の第１の接合ピース57と長短２本の交
叉した分岐部58a,58bを有する両側の２つの第２の接合
ピース58,58を用い、これら第２の結合ピース58,58を互
いに対称配置してこれに円弧ピース59〜63を結合し、互
いに逆向きに交叉された両リング部11,12を構成する例
である。 第17図は、長短２本の交叉した分岐部64a,64bを有す
る２つの接合ピース64,64を用い、これらを互いに対称
配置してこれに円弧ピース65〜67を結合し、互いに逆向
きに交叉した両リング部11,12を構成する例である。 第18図は、中間の２つの第１の接合ピース68,68と長
短２本の交叉した分岐部69a,69bを有する両側の２つの
第２の接合ピース69,69を使用し、これら第２の接合ピ
ース69,69を互いに対称配置してこれに円弧ピース70〜7
3を結合し、互いに逆向きに交叉した両リング部11,12を
構成する例である。 第19図は、接合ピース自体に交叉部分を設けなくとも
両リング部11,12を交叉関係にでき、しかもその交叉角
度を任意に変えることができる実施例である。すなわ
ち、両リング部11,12は、それらの接合用ピース74,74を
軸ボルト75によって回転可能に接合されている。接合用
ピース74,74の中央には、軸ボルト75を貫通させる軸孔
（図示せず）が設けられ、またその前後両側には長孔7
6,76が設けられている。これら長孔76,76において固定
ボルト77,77により両接合用ピース74,74を緊締すると、
両リング部11,12は任意の交叉角度で互いに固定され
る。リング部11,12は、それぞれの接合用ピース74に円
弧ピース78〜82を結合して構成される。 第20図ないし第22図に示す例は、両リング部11,12の
第１の接合用ピース83,83を第19図と同様に回転可能に
接合し、その接合ピース83,83の両側の第２の接合用ピ
ース84,84に円弧ピース85〜88を順次結合したものであ
る。これらの図は、リング部11,12をその内側に構築さ
れる鉄道トンネル構造とともに左右水平、上下垂直、斜
めの施工形態にして表している。 なお、本発明は３連以上のシールドトンネルにも応用
可能である。

【発明の効果】

本発明の効果を以下に列記する。 （１）横型２連のトンネルは勿論のこと縦型２連のトン
ネルでも施工できる。 （２）縦型２連から横型２連へまたは横型２連から縦型
２連へと連続してトンネル断面を変化させる螺旋２連ト
ンネルを施工できるため、縦型２連と横型２連とを現場
の条件等に応じて使い分けることにより、それらの長所
を最大限に発揮できる。 （３）セグメント相互の連結に当たり、接合部及びリン
グ部の継手部を千鳥組にできるため、その継手部を剛に
できる。 （４）請求項１のシールドトンネルセグメントの場合、
完成される２連の両トンネルが、その内外両面を滑らか
に連続させた全く角の無い理想的な螺旋円筒体にはなら
ないが、２つのリング部の共通ピースのＶ字形の分岐部
のみにおいて、しかもこの分岐部の交叉角度差によって
２つのリング部を単に逆向きに傾斜させるだけで、近似
的な螺旋円筒体とするため、このような共通ピースの成
形はそれほど難しくはなく、また２つのリング部の大部
分を占めるセグメントは、従来から一般に使用されてい
る通常の既製のもの（矩形セグメントやテーパセグメン
ト等の通常セグメント）で良い。 従って、螺旋２連トンネルを作るセグメントとして、
セグメント製作上の問題、組み立て上の問題、施工管理
上の問題、トンネル内空断面などを総合的に勘案した実
用性の高いものであると言える。 （５）セグメント相互の連結も容易である。 （６）テールシール部の止水性が良い。 （７）セグメントのシールドジャッキ受圧面がジャッキ
推力方向に直角になるため、セグメントがジャッキによ
り無理な応力を受けることがない。 （８）推進時にセグメントが動く恐れは少ない。 （９）セグメント相互を連結するボルトに剪断力が作用
することもない。 （10）請求項２のシールドトンネルセグメントによれ
ば、２つのリング部の交叉角度を任意に変えることがで
きるので、２連トンネルの螺旋を任意に調整できる。ま
た、特殊形状のピースを用いることなく、一般のピース
のみで構成できるため、一般のセグメントと同等の製作
費及び施工性で螺旋２連トンネルを施工できる。 （11）請求項３によれば、請求項１または２のセグメン
トを使用して、直線２連のトンネルから螺旋２連のトン
ネルへ、さらに螺旋２連トンネルから再び直線２連のト
ンネルへ、または横型２連から縦型２連へ、さらに縦型
２連から再び横型２連へと連続して変わるシールドトン
ネル構造にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシールドトンネルセグメントの好適な
実施例の斜視図、第２図はその正面図、第３図は同側面
図、第４図は同平面図、第５図，第６図及び第７図はそ
れにおける第１の接合ピースの正面図，側面図及び下面
図、第８図，第９図及び第10図は第２の接合ピースの正
面図，側面図及び平面図、第11図はこのシールドトンネ
ルセグメントを第２図とは上下逆して示す正面図、第12
図は２つのシールドトンネルセグメントの連結状態の平
面図、第13図はこのシールドトンネルセグメントをシー
ルド機の掘進に伴い設置する状態の斜視図、第14図及び
第15図は他の例のセグメントの斜視図及び正面図、第16
図，第17図及び第18図はそれぞれさらに異なる例の正面
図、第19図は両リング部の交叉角度を可変とした実施例
の斜視図、第20図ないし第22図は交叉角度を可変とした
他の例のシールドトンネルセグメントを両リング部の位
置関係を変えて示す正面図、第23図は螺旋２連トンネル
の概念を説明する斜視図、第24図は同正面図、第25図は
両リング部が逆向きに交叉していないセグメントで螺旋
２連トンネルを構築しようとする場合の斜視図である。 10……シールドトンネルセグメント、13……第１の接合
ピース、14……第２接合ピース、53,57,58,64,68,69…
…接合ピース、74,83……接合用ピース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 株式会社間組 東京都港区北青山２丁目５番８号 (73)特許権者 999999999 新日本製鐵株式会社 東京都千代田区大手町２丁目６番３号 (72)発明者 小原 由幸 東京都中央区京橋２丁目16番１号 清水 建設株式会社内 (72)発明者 久原 高志 東京都中央区京橋２丁目16番１号 清水 建設株式会社内 (72)発明者 堀田 孝 千葉県千葉市幸町２―16―10―503 (72)発明者 野田 賢治 埼玉県久喜市栗原４―13―16 (72)発明者 豊田 敏則 千葉県我孫子市新木野４―10―８ (72)発明者 皿田 進 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者 園田 徹士 東京都港区北青山２丁目５番８号 株式 会社間組内 (72)発明者 藤本 明生 東京都港区北青山２丁目５番８号 株式 会社間組内 (56)参考文献 特開 平２−136498（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２つのリング部を共通ピースに
   よって接合して、螺旋複断面のシールドトンネルとする
   シールドトンネルセグメントにおいて、前記共通ピース
   が、両側面とも軸線と平行な胴部と、該胴部からトンネ
   ル軸方向にだけ所定の交叉角度差をもって傾斜してＶ字
   形に分岐する分岐部とを一体に設けていることを特徴と
   するシールドトンネルセグメント。
2. 【請求項２】少なくとも２つのリング部を接合用ピース
   によって接合して、螺旋複断面のシールドトンネルとす
   るシールドトンネルセグメントにおいて、前記リング部
   同士の前記接合用ピースが相対回転可能に連結されて、
   リング部相互が交叉角度可変に結合されていることを特
   徴とするシールドトンネルセグメント。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２の複数個のシール
   ドトンネルセグメントを、相互のリング部の交叉角度を
   変化させてトンネル軸方向に接合し、螺旋複数断面のト
   ンネルとしたことを特徴とするシールドトンネル構造。