シールドトンネル

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東京メトロ半蔵門線錦糸町駅付近のシールドトンネル(駅ホームから撮影)

シールドトンネル (shielded tunnel) は、シールド工法によって掘削されたトンネルである。歴史的には手作業でも掘られたが、現代ではシールドマシンで掘られる。

トンネル本体が分割されたブロック(セグメント)を組み上げることによって構築される。軟弱地盤でも掘り進むことができ、セグメントを工場大量生産することにより、コストの削減も可能となる。技術の進歩や土地利用の深度化に伴い、最近の地下鉄道路(主に都市内)、共同溝下水道地下水路、地下河川などのトンネル工事では、シールドトンネルが多く採用されている。

歴史[編集]

シールド工法による最初の成功例となったトンネルは、マーク・イザムバード・ブルネルによって開発され、彼とトマス・コクランによって1818年1月に特許が取得された。ブルネルと彼の息子(イザムバード・キングダム・ブルネル)は、テムズ川トンネル (Thames Tunnel) の掘削にそのシールド工法を採用し、1825年に掘削を開始した(ただし、開通は1843年まで待たなくてはならなかった)。 ブルネルがシールド工法のアイデアを思いついたのは、造船所で働いているときに見たフナクイムシ(船食い虫)の殻に起源があるといわれている。このフナクイムシは、水中の材木に穴を空ける作業を効率よく行なう。シールドは、ロンドン・ランバースの Maudslay, Sons & Field(排水スチームポンプも建造)により供給された。

1870年、ブルネルが考案したオリジナルのシールドの形状は、ロンドン中央を流れるテムズ川の下へのタワー地下鉄 (Tower Subway) の建設中に、ピーター・バーロウにより大幅に改善された。バーロウが行った最も決定的な技術革新は、ブルネルが考案した長方形断面のシールドを、形断面とした点である。これにより一挙に、建設作業が単純になるばかりか、周囲の土砂の重量をうまく支持できるようになった。

バーロウタイプのシールドの形状は、1884年には、シティー&南ロンドン鉄道線(現在のロンドン地下鉄ノーザン線の一部区間)の建設に際し、ジェームス・ヘンリー・グレートヘッドによって大型化され改善された。今日に至るまで、たいていのシールドトンネルはグレートヘッドタイプのシールド工法に何らかの起源を持っている。

日本では、1917年羽越本線折渡トンネルの建設で初めて採用された(但し一部区間)。

シールド工法[編集]

半蔵門線住吉駅から見たシールドトンネルの断面(駅ホームから撮影)
供用中のシールドトンネルの内部(りんかい線大井町駅、2006年8月11日撮影)

シールドトンネルは現代ではシールドマシンを使用して掘削され、その施工法はシールド工法と呼ばれる。一般的なシールド工法の手順は以下の通りである。

設置[編集]

シールドマシンを地下へ運び発進させるために開削工法によって立坑(縦穴)が掘削・構築され、坑内に発進設備が収められ、基地が作られる。シールドマシンは鉄鋼メーカーなどの工場で製作されるが、よほど小口径ではない限り、工事現場に搬入される前にいったん分割され、運搬される。工事現場の発進基地に運ばれたシールドマシンは、大型のクレーンによって立坑下に下ろされ、再度、組み立てられる。

この立坑は、トンネル完成後は鉄道では駅、道路では換気塔下水道では人孔(マンホール)などに転用されることが多い。

シールドマシンは一般的には円筒形で、底を抜いた茶筒を倒したような形である。マシン本体の外周の甲殻(スキンプレート:茶筒の本体)は、マシン内部でトンネルが構築されるまでの間、地山からの土圧・地下水圧に耐える役割を果たす。

掘削[編集]

マシン先端の切羽に接する部分(茶筒の蓋に相当する部分)はカッターヘッドという回転する面板となっており、ここにおろし金のような細かい刃(カッタービットあるいはビットと呼ばれる)やローラーカッターが円周状・放射状に多く配置されている。ビットは常に地山と接し軟弱土 - 硬質土を、ローラーカッターは玉石、または岩盤を切削するという最も過酷な環境にあるため、超硬合金や焼結タングステンカーバイドなどの強靭な素材が用いられる。また、カッターヘッドの形によってトンネルの形も変わってくる。その形は四角形から円を並べたものなど様々である。

シールドマシンの後部にはジャッキが円周状に配置されており、このジャッキの推進力でマシン全体を前進させ、先端部を切羽の地盤に押し付けながらカッターヘッドを回転させて地山を掘削し前進する。また、シールドマシンの形によってトンネルの形も変わってくる。

泥土圧式シールドで土砂圧送方式によって土砂を搬出する場合、掘削された土砂(ズリ)は切羽で塑性流動化してパイプで地上まで輸送される。またズリ鋼車方式によって土砂を搬出する場合、シールドマシンのスクリューからベルトコンベアで後方台車の後部まで土砂を輸送して鋼車に載せる。土砂を載せた鋼車はトロッコによって立坑下部まで移動し、鋼車部のみをクレーンによって立坑上部(地上部)吊り上げる。吊り上げられた鋼車内の土砂は地上ヤードまたは立坑内に設置されたピットや土砂処理施設で処理・脱水されてダンプトラックを用いて土捨て場や産業廃棄物処理場へ搬出される。

セグメント組立[編集]

マシン内部ではあらかじめ工場製作されたセグメント(円弧状のブロックで、鉄筋コンクリート製、鋼製、鋳鉄製など)を機械により組みあげ、トンネル本体がトンネル断面の1周分(1リング)ずつ構築される。

セグメントは工場からトレーラーで現場に搬入され、立坑から地下のシールドマシン内部までクレーンとトロッコで運び込まれる。

セグメントが1リング分配置されると、その部分のトンネル本体は完成する。鉄道・道路トンネルでは、1リングは5 - 10個程度のセグメントで構成され、セグメントの幅(トンネル縦断方向の長さ)は0.3 - 1.8m程度である。これらはトンネルの径や形状、用途、使用するセグメント等によって異なる。

軌道敷設、道路床板設置、防水・防火などの目的のために、完成したトンネルのセグメント内側にさらにコンクリートなどを巻き立てる(二次覆工)場合がある。このためセグメントは一次覆工とも呼ばれる。

前進[編集]

セグメントが1リング分組みあがると、組みあがった部分(セグメントリング)にジャッキの反力をとってシールドマシンを前進させ、次の掘削・推進を行う。上記の2 - 3の工程を繰り返しながらトンネルを1リングごとに組み上げる。

廃棄[編集]

中之島駅終端部のシールドマシンカッターのモニュメント
名古屋市交通局日進工場に保存されているシールドマシン
小田急小田原線世田谷代田駅ではシールドマシンの外殻をトンネルの一部とした

トンネル完成後のシールドマシンは、その場で解体して部品として回収するか、脇道を掘り地中に廃棄されることが多い。外殻をトンネルの構造物の一部として残す例もある。

まれに、別のトンネルのために再利用されることもある。

保存や展示されるケースもあり、京阪中之島線中之島駅には、シールドマシンのカッター部分(一部)がモニュメントとしてトンネル終端に保存されている。
名古屋市交通局日進工場などには、シールドマシンが保存展示されている。

種類[編集]

  • 泥水加圧式シールドマシン
  • 泥土圧式シールドマシン(土圧バランス式、加泥式、土圧加水式など)

セグメントの種類[編集]

  • 鉄筋コンクリート (RC) セグメント(プレキャストセグメント
  • 鋼製セグメント(鋼材を製缶加工して製作)
  • 鋳鉄(ダクタイル)セグメント
  • 合成セグメント(鋼製セグメントに鉄筋を配置しコンクリートを打設したもの)

採用例[編集]

鉄道トンネル[編集]

鉄道駅[編集]

道路トンネル[編集]

水路[編集]

関連項目[編集]