JP2583125B2 - 地中空洞築造工法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、大深度の地中に大規模な球状の空洞を築造
する工法及びその装置に関するものである。

最近の都市域への人口・諸機関の集中及び地価の高騰
などの土地問題の顕在化などの状況を背景に都市部にお
ける大深度地下空間の利用について大きな関心が寄せら
れている。この大深度地下空間利用構想の中でも、大規
模な無支柱の空洞空間は、下水処理施設、都市廃棄物処
理施設などの都市施設への利用や圧気タンク、用水タン
クなどの貯蔵施設としての利用があげられている。特
に、球状空洞は土圧や水圧などの外圧力に対して他の形
状（例えば、カマボコ型、釣鐘型など）より強度的に有
利な形状であり、大深部や地盤条件が悪い（強度が低い
など）ところでの空洞の形状に適しているものである。

〔従来の技術〕

上記地下空洞（空間）を築造する従来の技術として
は、シールド工法、開削（オープンカット）工法及び山
岳工法（発破工法など）がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

軟岩地盤における大規模な空洞空間の構造は、崩壊を
防止するために土圧および地下水圧に耐える強度と止水
性を有する外壁で囲われた構造が必要となってくる。

上記従来工法の山岳工法では、掘削・排土してできた
空洞の内側から型枠と支保をを用いてコンクリート製の
外壁を構築することになるが、この作業自体地盤の悪い
ところ（弱層部）では崩壊の危険があり、安全の確保に
問題があった。また、地下水の浸入がある場合には作業
困難（あるいは作業不能）であった。

また、開削工法では、地表から地中連続壁工法により
直垂壁で周囲を締め切り、この壁を土留め壁として空洞
底部と天井部を構築し（その後、場合によっては内部を
掘削・排土した後、上部を埋め戻す）空洞を築造する
が、この場合、空洞の投影面積以上の広い地表面積を開
削する必要があるので、狭いところや構造物があるとこ
ろでは施工できない。さらに、現状の地中連続壁による
締め切り工法では垂直壁で締め切るので底部の締切りは
できない。このため底部からの出水を防止できない場合
は施工不能になるという問題があった。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、大規
模な球状空洞の築造が可能であり、また地表部の土地利
用がわずかで、既設構造物下でも施工可能であり、さら
に軟岩地盤でも適用可能な地中空洞築造工法を提供する
ことを目的とするものである。

また上記球形空洞を精度の良い形状寸法に構築するこ
とができると共に多少の偏平形への対応が可能であり、
さらに深い深度への適用が可能な地中空洞築造装置を提
供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る地中空洞築
造工法は、地上より立坑を構築し、この立坑から半円形
状の溝を放射状に掘削し、この溝の周面部に、上下両端
部を立坑内に立設した支柱に連結した曲線状の球状壁掘
削機を設置し、この球状壁掘削機にて曲線溝掘削を行な
い、その後、この掘削分だけ前進し、これの背面側の空
間内にコンクリートを打設して単位経度分の外周壁を構
築し、以下これを繰返し行なって閉合させて球状の地中
連続壁よりなる球状の外周壁を構築し、その後、この外
周壁の内側の岩盤を掘削し、これを上記立坑より排出し
て球状の地中空洞を築造する。

また上記地中空洞築造工法を実施する地中空洞築造装
置は、立坑に立設する支柱に両端部が回転自在に支承さ
れ、多数の弓形レールを折り曲げ自在に連結してなる曲
線レールと、この曲線レールの一側面を走行して曲線レ
ールの一側面との対向側を掘削する掘削機と、曲線レー
ルの掘削機走行側に設けた前側ジャッキと、曲線レール
の他側面側に設けた後側ジャッキと、曲線レールの円弧
状の内、外周面に設けたシール部材とからなっている。

〔作用〕

立坑を中心とした連続地中壁よりなる球状の外周壁が
構築される。そしてこの球状の外周壁は単位経度分ずつ
構築されていき、最終的に立坑の側壁と連続する球状の
外周壁が構築される。

また地中空洞築造装置の曲線レールは、これを構成す
る各弓形レールを折り曲げて直線状にして立坑から支柱
に沿って挿入し、地中にあらかじめ掘削した円弧状の溝
の中で、下側の弓形レールから順次円弧状に拡張して溝
の円周面に沿わせる。その後、この曲線レールの側面に
掘削機を装着する。曲線レールは掘削機による掘削量だ
けジャッキにて前進させ、これにより生じた背後の空間
内にコンクリートを打設していく。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明工法の概念図であり、最初に立坑１を
構築し、この立坑１の下部にコンクリートからなる球状
の外周壁２を構築し、その後、この外周壁２の内側の岩
盤３を空洞掘削して地下空洞を完成させる。このときの
掘削土砂は立坑１より地上へ排出する。上記外周壁２の
形状は球状ばかりではなく第２図、第３図に示すように
ラクビーボール形（第２図）やかぼちゃ形（第３図）等
回転楕円体など他の形状も考えられる。

上記外周壁２は立坑１の中間部と、立坑１の延長底部
４のそれぞれ側壁と一体状になって第４図に示すような
殻を構成する。

次に上記殻の施工手順を第５図から説明する。

（１）立坑工事（第５図） 筒状の地中連続壁５を、築造しようとする地下空洞Ａ
の底面下まで施工し、この地中連続壁内を掘削すること
により立坑１を築造する。このとき、軟岩の特性によっ
ては、地中連続壁に替えてロックボルト・吹付けコンク
リート工法を適用してもよい。上記立坑１の中間で、地
下空洞の上端部に相当する部分には拡径部1aを形成し、
また底部４を連続壁で閉じる。

（２）溝切り工事（第６図、第７図、第８図） 立坑１内に支柱６を立設し、これに溝切り用の掘削機
７を装着して立坑１の拡径部1aまで入れて溝切り掘削の
準備を行なう。上記掘削機７は一例としてブームカッタ
式掘削機が用いられる。

ついで、掘削機７にて立坑１の拡径部1aから内周面が
地下空洞Ａの外側面に沿う円弧状の溝８を支柱６の両側
に掘削する。このとき、上記掘削機７は掘削半径が大き
くなるに従ってその掘削腕を延長すると共に、支柱６に
沿って下動させる。

上記溝８の掘削後、溝切り用の掘削機７を引上げ、両
溝8,8の内に後述する構造の球状壁掘削機9,9を各溝8,8
の内周面に沿わせてセットする。その後、両溝8,8内に
モルタル10を充填してこれを閉じる。このとき、球状壁
掘削機９の挿入部分と立坑１の空間は型枠等を用いて確
保し、溝8,8だけをモルタル10で閉じる。

（３）外周壁工事（第９図、第10図） 球状壁掘削機９の掘削面側に設けたスライドカッタに
て、球状の外周壁の１単位経度分Ｌを掘削し、その後こ
の掘削分だけ球状壁掘削機９を支柱６を中心にして円弧
状に前進し、その背後にコンクリート10aを立坑１より
打設する。

上記作業を順次繰返して球状の外周壁２をコンクリー
トにて築造する。このとき、各球状壁掘削機９は２台用
いられるので、それぞれは180°の範囲にわたって作業
する。

（４）空洞内掘削工事（第11図、第12図） 再び立坑１内に掘削機７をセットし、上記（３）の工
程で築造した外周壁２の内側の岩盤を掘削する。このと
き、空洞部分の立坑１を構成する地中連続壁５を切削
し、立坑１を切り広げながら掘削を行なう。掘削土砂は
泥水によりスラリー状にして排土する。またこの掘削は
外周壁２を損傷させないように注意して行なう。

（５）外周壁の補強工事 外周壁２の補強が必要な場合はアンカボルト等の打ち
込みにより適宜行なう。

上記各工事における掘削空間にはこれの堀削時に、ベ
ントナイトを混入した泥水を地上より注入してこれを掘
削空間内に充満しておく。これにより各掘削空間はこの
泥水の重みでバックアップされて崩壊することなく安定
され、掘削土砂は立坑１の底部４より排土ポンプにてス
ラリー状にて排出する。

次に上記地中空洞築造工法を行なうための主要の掘削
装置となる球状壁掘削機９の構成及び作用を以下に第13
図から第20図を参照して説明する。

図中11は複数個の弓形レール11a,11a…を円弧状に折
り曲げ自在に連結してなる曲線レールであり、これの両
端部は支柱６に嵌合する上下の支持環12a,12bに連結さ
れている。

上記各弓形レール11aの外周側の両端部がヒンジ13に
て連結されており、また内周側の両端部が油圧シリンダ
14にて連結されており、この油圧シリンダ14を伸長する
ことにより各弓形レール11aが略直線になり（第14
図）、また短縮することにより溝８の内周に沿う形状の
円弧状（第15図）になるようになっている。

各弓形レール11aの掘進方向側の側面にレール15が長
手方向に設けてあり、また内、外周面にシール用溝16,1
6が形成されている。さらにこの弓形レール11aの背後側
の側面の一部には凹部17が設けてあり、この凹部17内に
後側ジャッキ18が内装してある。この後側ジャッキ18は
弓形レール11aの背後側へのフート19を押し出すもの
で、凹部17の底面とフート19を連結するパンタグラフ状
のリンク20とこれを拡縮するねじ杆21とこれを回転する
モータ22とからなっている。なおこのジャッキ18を縮小
したときにフート19によって凹部17が閉じられるように
なっている。またこのジャッキ18の各リンクの基端の相
互はギヤにて噛合連結されていて、ジャッキ18を伸長し
たときにこれが下方へ傾斜することなく後方へはり出さ
れるようになっている。

また弓形レール11aの掘進側の側面には伸縮形の前側
ジャッキ23が格納可能に設けてある。

そして上記弓形レール11aのレール15に走行台24が係
合し、この走行台24に掘削機25が装着されている。

上記走行台24には曲線レール11に対して走行するため
の走行機構26と、これを駆動する油圧駆動装置27を有し
ている。上記走行機構26の一例としては、詳細には図示
しないが曲線レール11に噛合ってスライドシュを介して
レールに沿ってのみ運動できる摺動機構と、油圧シリン
ダによる駆動機構からなる。駆動機構は先端にレールク
ランプを持った２本の油圧シリンダを用い、これらを交
互に伸縮作動させる。なおこの走行機構はラックとピニ
オンに置換してもよい。

掘削機25は伸縮及び旋回可能なブーム28と、このブー
ム28の先端に設けられた回転カッタドラム29とからなっ
ている。なおこの掘削機25による掘削幅は曲線レール10
の内外周方向の幅より大きな幅で掘削できるようになっ
ている。

そして上記曲線レール11の内外周面に設けたシール用
溝16,16には上記掘削幅Ｈの内面まで拡大して接触可能
なチューブ型液圧膨張式のシール部材30,30が充填され
ている。このシール部材30は可撓性を有する袋紐状にな
っていて、内部に液体を注入することにより拡大するよ
うになっている。

次に上記構成の球状壁掘削機９による掘削作用を説明
する。

立坑１及び溝切り工事が終了した状態で、曲線レール
11を、これの両端部を支柱６に嵌合した支持環12a,12b
に連結して立坑１内に入れる（第13図）。

ついで、この曲線レール11を溝８に対向させた状態
で、下側の弓形レール11aから順に、これらの相互間に
設けた油圧シリンダ14を短縮動して溝８内で順次円弧状
にしていく。最上部の油圧シリンダ14を短縮した状態で
曲線レール11は溝８の内周面に沿った状態で固定され
る。

なお溝８と曲線レール11の大きさの関係は第21図に示
すようになる。

すなわち、例えば曲線レール11の掘進方向の幅W₁が1m
とすると、溝８の幅Ｗは掘削機25及びスラリー用の空間
W₂を含めて３〜3.2m必要となる。

この溝８内での曲線レール11は前方ジャッキ23を作用
させて第21図に示すように掘進方向後端側へ移動させて
おく。

この状態で、溝８の円周部のレール挿入部及び立坑部
１を除く部分にモルタル10を打設してこれを閉じる。こ
のとき、上記曲線レール挿入部及び立坑部１には型板3
1,32を挿入してこれらにモルタル10が流入するのを防
ぐ。

なおこの状態での曲線レール11の下端部は立坑１の底
部４に、また上端部は立坑１の拡径部1aに対向されてい
る。

次に立坑１の拡径部1aから曲線レール11の掘進側のレ
ール15に掘削機25を搭載した走行台24を係合して発進さ
せ、立坑１の下部へ向かって下向きに掘削していく。こ
のときの掘削代を１単位経度分とすると、この１単位経
度分Ｌは第22図に示すように、空洞の内周壁径を例えば
50mとしたときに、上部（北極）の立坑１の部分の掘削
第D₁は0.9m、中間部（赤道）の掘削第D₂は3.2m、下部
（南極）の立坑１の部分の掘削代D₃は0.6mであり、第25
図に示すように、あたかも、縦切りしたメロンの皮のよ
うな溝となる。これを掘削機25のブーム28を上下、左右
の回動及び伸縮動作と走行操作とで所定の形状となるよ
うに掘削していく。

このときの掘削土砂は曲線レール11と地山との間の空
間（2m×2m）を落下して立坑１の底部４へ集め、スラリ
ポンプあるいはエアリフトで地上へ排出する。

上記のようにして１単位経度分Ｌだけ壁溝の掘削完了
後は、第23図に示すように、曲線レール11の各弓形レー
ル11a,11aの後側ジャッキ18を第17図（Ａ）に示すよう
に作動させてそれぞれのフート19をつっぱり、曲線レー
ル11を上記１単位経度分Ｌだけ掘進方向に押し進める。
このとき、掘削側の前側ジャッキ23を前側へ所定の長さ
（W₂）にしてつっぱらしておき、曲線レール10の掘進方
向前側に掘削機25及びスラリー用の空間W₂が確保される
ようにする。

ついで曲線レール11の背後にできた空間にコンクリー
トを打設して地中連続壁の一部を構成する。

このとき、上記コンクリートは下側から充填されてい
くので、これに先行して下側の後側ジャッキ18から順次
格納して後側ジャッキ18をフート19で閉じ、これの中に
コンクリートが浸入しないようにすると共に、これのフ
ート19で閉じられた曲線レール11の背面がコンクリート
妻型枠として使用される。

上記掘削〜曲線レール11の移動〜コンクリート打設ま
での一連の作業で、一つの単位経度分の連壁セグメント
を作り、これを繰返して球状の連続した地中壁を構築す
る。この作業を上から見た様子を第24図に示す。この図
において、Ｂは単位経度分の掘削部の投影形状を示す。

なお上記作業において、溝８をモルタルで閉じる工程
を、第１回目の単位経度分の空間と共にコンクリートに
て閉じるようにしてもよい。この場合、曲線レール挿入
部を閉じるための型枠が不要となる。

また上記動作において、曲線レール11の背面側にコン
クリートが打設されたときの曲線レール11の内、外周面
のシールはこの部分に設けたシール部材30,30にて行な
われる。

また曲線レール11の下部のシールは、上記シール部材
30と同様のチューブ型液圧膨張式のシール部材を備えた
当て板を用い、この当て板を立坑１の内側から隙間に押
し当てシールする。

〔発明の効果〕

本発明の地中空洞築造工法によれば、土圧や水圧に対
し強度的に有利な大規模な球状空洞を築造することがで
きる。また口径の小さな立坑１からすべての施工ができ
るので、狭いところや既設の構造物下での地中空洞を築
造することができる。さらに内部掘削、排土に先行し
て、球状の完全に締め切った連続壁よりなる外周壁を構
築するので、都市域の軟弱なところでも崩壊の危険なし
に、大規模な地中空洞を築造することができる。

なお出水があるところでは地下水を汲み上げる必要が
生じるが、本発明工法によれば、上記したように、完全
に締め切った中で内部掘削を行なうので、地下水を移動
させないことになり、地下水の汲上げによる地盤沈下を
起こすおそれがない。

さらに本発明工法によれば、立坑１を中心とした回転
体形状に掘削できるので、特別な制御手段を用いること
なく立坑を中心として線対称状の球状の外周壁を構築す
ることができる。

また上記地中空洞築造工法を実施するための本発明の
装置によれば、上記した本発明工法を能率よく施工する
ことができる。そして特に、本発明に係る地中空洞築造
装置によれば、外周壁２は立坑１を軸にして曲線レール
11を回転させてできる回転体形状に掘削できるので、精
度の良い形状寸法の球状の外周壁が構築できる。また回
転体であることにより、曲線レール11の形状を変えるこ
とにより、多少の偏平形状への対応が可能である。さら
に無人化を図って深い深度への適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図、第２図、
第３図は本発明工法の概念図、第４図は地中連続壁の断
面図である。第５図から第12図は本発明工法の工程を説
明するもので、第５図は立坑の断面図、第６図は溝切り
工事の作業説明図、第７図は第６図のＡ−Ａ線に沿う断
面図、第８図は立坑と溝の概略的な形状を示す斜視図、
第９図は外周壁工事の作業説明図、第10図は第９図のＢ
−Ｂ線に沿う断面図、第11図は空洞内掘削工事の作業説
明図、第12図は第11図のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
第13図から第20図は本発明装置の構成を示すもので、第
13図は球状壁掘削機の全体構成及びこれの溝内への侵入
の仕方を示す説明図、第14図、第15図は球状壁掘削機の
構成及び作用を示す側面図、第16図は弓形レールの断面
図、第17図は弓形レールの断面図、第17図（Ａ）は後側
ジャッキの作用説明図、第18図から第20図は球状壁掘削
機に掘削機を装備した状態の側面図、平面図、正面図、
第21図は球状壁掘削機の曲線レールと溝との関係を示す
断面図、第22図は掘削要領図、第23図はレール支保持要
領図、第24図は掘削要領を示す平面図、第25図は単位経
度分の掘削代を示す斜視図である。 １は立坑、２は外周壁、８は溝、９は球状壁掘削機、11
は曲線レール、11aは弓形レール、18は後側ジャッキ、2
3は前側ジャッキ、25は掘削機、30はシール部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 大成建設株式会社 東京都新宿区西新宿１丁目25番１号 (73)特許権者 999999999 財団法人電力中央研究所 東京都千代田区大手町１―６―１ (73)特許権者 999999999 日立建機株式会社 東京都千代田区大手町２丁目６番２号 (73)特許権者 999999999 株式会社フジタ 東京都渋谷区千駄ヶ谷４丁目６番15号 (73)特許権者 999999999 株式会社小松製作所 東京都港区赤坂２丁目３番６号 (72)発明者 林 正夫 千葉県我孫子市若松131―７番地 (72)発明者 石野 好胤 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所研究所内 (72)発明者 森 清就 埼玉県飯能市岩沢340―15 (56)参考文献 特開 平２−157399（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−230894（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−108798（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地上より立坑１を構築し、この立坑１から
   半円形状の溝８を放射状に掘削し、この溝８の周面部
   に、上下両端部を立坑内に立設した支柱６に連結した曲
   線状の球状壁掘削機９を設置し、この球状壁掘削機９に
   て曲線溝掘削を行ない、その後、この掘削分だけ前進
   し、これの背面側の空間内にコンクリートを打設して単
   位経度分の外周壁を構築し、以下これを繰返し行なって
   閉合させて球状の地中連続壁よりなる球状の外周壁２を
   構築し、その後、この外周壁２の内側の岩盤を掘削し、
   これを上記立坑１より排出して球状の地中空洞を築造す
   ることを特徴とする地中空洞築造工法。
2. 【請求項２】立坑１に立設する支柱６に両端部が回転自
   在に支承され、多数の弓形レール11aを折り曲げ自在に
   連結してなる曲線レール11と、この曲線レール11の一側
   面を走行して曲線レール11の一側面との対向側を掘削す
   る掘削機25と、曲線レール11の掘削機走行側に設けた前
   側ジャッキ23と、曲線レールの他側面側に設けた後側ジ
   ャッキ18と、曲線レール11の円弧状の内、外周面に設け
   たシール部材30とからなることを特徴とする地中空洞築
   造装置。