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鉄道技術

アポロカッター®工法「APORO-CUTTER工法」

多様なトンネル断面を掘削するシールド掘進機

地下鉄や地下通路工事では、横方向に一定の広がりをもった空間を効率的に掘削するために、矩形断面のシールドトンネルのニーズがあります。また、都市部における大深度法の適用に伴い、硬質な地盤の掘削に対応できるシールド掘進機のニーズも増加する傾向にあります。これらのニーズに応えるために、アポロカッター工法を開発するに至りました。

*アポロカッター工法/APORO-CUTTER工法
All[あらゆる] Potential[可能性を秘めた] Rotary[回転式] Cutter[カッター])

特許登録済及び特許出願中

図版:アポロカッター工法シールド機

アポロカッター工法シールド機

キーワード

自由断面掘削、非開削工法、泥土圧式掘削機
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アポロカッター工法の概要

アポロカッター工法は、多様な断面を掘削でき、硬質地盤において優れた切削性を発揮する新しい発想のシールド掘進機です。

掘削機構は、密閉型シールド掘進機先端部のカッターヘッド、揺動フレーム、公転ドラムの3点で構成されます。カッターヘッドが回転(自転)しながら揺動フレームと公転ドラムにより公転します。揺動フレームを動かすことによって、カッターヘッドの公転半径を変えることが可能となり、任意の断面を掘削できます。通常のシールド掘進機がカッターヘッドの1軸回転機構であるのに対して、本工法は3軸の回転を制御して全断面を掘削します。小径のカッターを使用するため高速回転(自転)することが可能であり、硬質地盤に対しても高い適用性を持っています。

図版:カッター配置

カッター配置

図版:カッターヘッド公転軌跡

カッターヘッド公転軌跡

図版:軸制御の掘削概念図

軸制御の掘削概念図

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特長・メリットココがポイント

円形・矩形・馬蹄形などの自由断面を掘削

  • 矩形をはじめとする任意の断面を掘削することができ、非円形・円形どちらにも適用可能です。
  • カッター機構は高性能なカッター位置制御機構を持っており、精度の高い掘削断面を確保します。

図版:アポロカッター工法適用例

アポロカッター工法適用例

硬質地盤や地中障害物切削に威力を発揮

  • 従来の大断面シールドに比べて、カッター部分が小さく、高速で回転するため、硬質な地盤においても良好な切削性を発揮し、掘進速度の向上が見込めます。これにより、土丹・改良土等硬質な地盤と松杭等の地中障害物切削への高い適用性を持っています。

図版:硬質地盤掘削性能確認実験状況

硬質地盤掘削性能確認実験状況

カッター機構部のリユースが可能

  • カッターヘッド、揺動フレーム、公転ドラムからなるカッター機構部は、断面形状が異なるトンネルの掘削装置への転用が可能になるため、転用によるコスト縮減や環境負荷の低減が可能です。
  • ベアリング機構が従来のものより小さいために、新規に製作する場合でも納期が短く、工期短縮が期待できます。

図版:断面形状の異なるトンネルに転用可能

断面形状の異なるトンネルに転用可能

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適用実績

図版:西大阪延伸のうち出入口

西大阪延伸線のうち出入口

場所:大阪府大阪市

竣工年:2009年9月

発注者:西大阪高速鉄道

トンネル諸元:
トンネル外寸幅4.42m×高さ4.76m
掘削距離L68.4m 用途地下通路

図版:東横線渋谷~代官山間地下化

東横線渋谷~代官山間地下化

場所:東京都渋谷区

発注者:東京急行電鉄

トンネル諸元:
トンネル外寸 幅10.64m×高さ7.44m
掘削距離L577.0m 用途鉄道トンネル

学会論文発表実績

  • 「地下通路工事における短形シールド工法(アポロカッター工法)の導入」,土木工学会第63回年次学術講演会,2008年

R-SWING®工法

非開削矩形アンダーパス工事に特化した泥土圧式掘削機

この工法は周辺環境への影響を最小限に留めながら、都市部の立体交差などのトンネルを非開削で構築するものです。

掘削機上部に可動式の屋根(ルーフ)を持つユニークな機構で、そのルーフが地山を先行掘削することにより地盤沈下の防止や、不測の埋設物などの先進探査を行いながら掘削します。 掘削するスポーク状のカッターがワイパーのように揺動する方式を採用し、矩形で掘削を行います。

アンダーパス工事に特化して、簡素化したマシン仕様・性能にしたことと、1現場のみならず複数現場への転用を考慮した構造としたことでマシンコストを大幅に削減することが可能です。

平成28年度建設施工と建設機械シンポジウム 優秀論文賞
第17回国土技術開発賞 入賞
特許登録済及び特許出願中
商標登録 5336635

図版:R-SWINGマシン全景(ルーフ張出し状況)

R-SWINGマシン全景(ルーフ張出し状況)

キーワード

アンダーパス、非開削工法、泥土圧式掘削機
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R-SWINGマシンの適用条件と基本構造

適用地盤条件と寸法

アンダーパス工事は比較的深度の浅い場所が多いため、以下のように適用地盤条件を設定しました。

  • 適用地盤:N値20程度の粘性土・砂層
  • 土被り:5~10m程度
  • 地下水:0.1MPa程度

また、寸法は、地下連絡通路から2車線道路トンネルでの適用を考えて以下になります。

  • 形状:偏平矩形(四角形)
  • 幅:最小4.6~最大9.2m
  • 高さ:最小3.6~最大9.0m

R-SWINGマシンの基本構造

左図は基本型のR-SWINGマシンの図です。前後に1.5m伸縮する高さ0.9mのルーフマシンを上部に、下部に基本高さ2.7mの本体マシンを配置しています。掘削はワイパーのように左右に振れる揺動カッター方式を採用し、揺動する際に後方に掛かる反力を打ち消すためにルーフマシン、本体マシンともに幅2.3mのマシンを左右2基配置しています。また、ルーフマシン、本体マシン後方には姿勢制御を目的とした中折れ機構を装備した函体受座があります。

ルーフマシン、本体マシンとも必要に応じ上下左右に結合することが出来る構造になっており、右図のような大断面にも適用可能となっています。

図版:R-SWINGユニット

R-SWINGユニット

図版:R-SWINGユニット拡幅例

R-SWINGユニット拡幅例

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特長・メリットココがポイント

マシンのユニット化

マシンは1つのユニットの幅を2.3mとして、トラックでの運搬を考慮したサイズとなっています。

全てのユニット間をボルトでの結合としたことで、溶接作業が発生せず作業環境に優しい上に組立作業期間の短縮に寄与しています。

また、ユニット内の揺動カッターなどの可動する部位もボルトやピン締結にして取り外せる構造としたことで使用後のメンテナンスが容易になりました。

図版:各ユニットのボルト締結

各ユニットのボルト締結

汎用性の高さ

一般的に矩形トンネルの場合、その用途によっては似たような大きさにはなるものの、現場ごとに微妙に幅・高さが異なります。推進機やシールド機は殆ど単品生産になっているという問題を解消するためR-SWINGマシンでは、基本型マシンにスペーサーなどを挟み込むことで寸法調整を容易にできる機構としました。基本型マシンの汎用性を高めたことで、転用可能となりマシン費の大幅削減効果が見込めます。

図版:高さ微調整方法

高さ微調整方法

地盤変状抑制と前方探査機構

先行掘進のために設けられたルーフマシンが直上の地盤沈下および隆起抑制に寄与するだけでなく、埋設物などの探査機能としても活用でき、より安全に掘進することが可能となります。

工法・セグメントの適応性

マシン前方はそのままで、後方の函体受座を変更することで推進工法からシールド工法への対応ができます。また、鋼製セグメント、RCセグメントにも適用でき、あらゆる現場状況にも対応が可能です。

図版:推進・シールド工法の適用イメージ

推進・シールド工法の適用イメージ

地上発進・地上到達技術の組合せ

今まで蓄積した鹿島の地上発進や低土被りでのシールド掘進実績をR-SWING工法にも応用することで、地上発進および地上到達が可能となり、現場のニーズに応じて立坑建造に要する工期・費用を大幅に低減することができます。

図版:地上発進・地上到達イメージ

地上発進・地上到達イメージ

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適用実績

図版:新御茶ノ水駅連絡出入口

新御茶ノ水駅連絡出入口

場所:東京都千代田区

発注者:三井住友海上火災保険

監理者:東京地下鉄(請願工事)

トンネル諸元:
トンネル外寸 幅4.85m×高さ3.6m
掘削距離L26.5m
掘削土層細砂礫混じり砂層

学会論文発表実績

  • 「R-SWING工法による短形断面トンネルの施工実績」,第71回都市施工体験発表会,2012年
  • 「短形アンダーパス『R-SWING工法』の施工実績」,土木学会第67回年次学術講演会,2012年

工事桁直下の頂板ジャッキアップ工法

列車の運行阻害・品質不良・夜間騒音・工程遅延などの
リスクを低減

鉄道と交差する道路のアンダーパス設置工事において、工事桁とボックスカルバート頂板との離隔が小さく、通常の施工ができない場合があります。このような場合は、夜間に高密度の配筋を組立て、高流度コンクリートを用いて打設する必要があり、列車の運行阻害・構造の品質不良・夜間騒音・工程遅延などが懸念されていました。

「頂板ジャッキアップ工法」は、昼間施工の作業スペースを確保するために設計位置より約1m下方でRCスラブを構築した後、設計位置まで昇降機によりジャッキアップをし、軌道直下の作業空間を確保するものです。構造物に損傷を与えない相互変位を解析により求めるとともに、許容相対変位内に制御できるシステムを開発しました。

本ページでは、阪急今津線 都市計画道路荒地西山線交差部工事(発注者:阪急電鉄)の事例にもとに、本工法の特徴・メリットを紹介します。

図版:ボックスカルバート頂板ジャッキアップ完了状況

ボックスカルバート頂板ジャッキアップ完了状況

図版:工事桁とボックスカルバート頂板との離隔例

工事桁とボックスカルバート頂板との離隔例

図版:頂板ジャッキアップイメージ図

頂板ジャッキアップイメージ図

キーワード

鉄道、アンダーパス工事、工事桁、ボックスカルバート、ジャッキアップ
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施工ステップの概要

一般的なボックスカルバートの施工順序は通常、底盤⇒壁⇒頂板⇒地覆⇒防水です。一方、頂板ジャッキアップ工法は壁を後施工とし、頂板を設計位置より1m下方で構築し、地覆、防水を施工した後にジャッキアップして設計位置へ設置します。

図版:頂板ジャッキアップ後の頂板下部支保工状況

頂板ジャッキアップ後の頂板下部支保工状況

図版:頂板ジャッキアップ前

頂板ジャッキアップ前

図版:頂板ジャッキアップ後

頂板ジャッキアップ後

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動画 頂板ジャッキ状況(30倍速)

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特長・メリットココがポイント

安全・品質・工程・環境面の向上

軌道直下での作業空間を1m確保することにより、安全、品質、工程、環境が向上します。

  • 安全:工事桁をコンクリートが巻き込む危険もなく、列車待避が可能になり、列車運行阻害を防止できます。
  • 品質:空間が確保できるため、普通コンクリートでも締固め作業が確実に行え、品質が向上します。
  • 工程:夜間作業から昼間作業に変更でき、1日当たりの作業時間が2倍になり工程が短縮できます。
  • 環境:昼間施工が可能で、夜間作業が少なくなり夜間騒音が防止できます。

図版:頂板鉄筋組立状況

頂板鉄筋組立状況

ジャッキの自動制御を実現

頂板ジャッキアップ時、ジャッキ各々のストローク差による頂板躯体のクラックを防止する為に、ジャッキの自動制御を実現しました。

  • 複数のジャッキを集中制御し、設計位置で自動停止します。
  • ジャッキ各々のストローク差を感知し、許容値に達すると自動停止します。

図版:頂板ジャッキアップ前

頂板ジャッキアップ前

図版:頂板ジャッキアップ後

頂板ジャッキアップ後

適用実績

図版:阪急今津線 都市計画道路荒地西山線交差部

阪急今津線
都市計画道路荒地西山線交差部

場所:兵庫県宝塚市

発注者:阪急電鉄

規模:幅28.0mX高さ7.2m×長さ9.3m 5径間ボックスカルバート

函体推進「PCR工法」実績

軌道分岐器を仮受し、直下に大空間構築を実現
(京王線 京王相模原線 調布駅地下化)

京王線調布付近連続立体交差事業の分岐部では、一体的に軌道を仮受けするPCR(Prestressed Concrete Roof method)工法を採用し、安全かつ短工期で軌道直下に大空間を実現しました。

京王線と京王相模原線の線路が複雑に交差する調布駅西側の分岐部では、軌道上に精巧な分岐器が輻輳しています。地下化工事の軌道仮受けでは、工事桁を用いるのが一般的ですが、この工事では軌道に多数の分岐器があり工事桁の架設が困難なため、分岐部で初めてPCR工法が採用されました。

PCR工法とは、軌道直下に剛性が高いPC桁を推進し、そのまま地下躯体の上床版として本設利用する工法です。本工事では土被り1.2mの軌道直下に線路延長方向82m×線路直角方向24mの広範囲の軌道及び分岐器を非開削で全面仮受けしました。

なお、PCR工法はURT協会の工法です。

2011年度土木学会 技術賞

図版:施工位置状況(地下化前)

施工位置状況(地下化前)

図版:PCR工法完了後の掘削状況

PCR工法完了後の掘削状況 軌道直下の大空間での作業

図版:シールド回転立坑として軌道直下に大空間を構築

シールド回転立坑として軌道直下に大空間を構築

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施工ステップ

まず1.2m角の断面のトンネルを人力で掘り進め、順次角形鋼管を推進します。さらにPCR桁を投入し角形鋼管を押し出し、PCR桁に置換していきます。合計65本のPCR桁で軌道を仮受けした後、地上に近い地下1階スラブを先行して施工し、その下を掘り進める“逆巻き工法”による大規模開削工法で地下に大空間を構築しました。

図版:PCR工法の施工手順

PCR工法の施工手順

キーワード

PCR工法、函体推進工法、PC、鉄道、鉄道地下化、連続立体交差、軌道分岐器借受、軌道直下、地下大空間

<工事概要>

発注者:京王電鉄

場所:東京都調布市

構造形式:PCR工法

施工面積:82m×24m

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学会論文発表実績

  • 「PCR工法による分岐器仮受工事の計画,設計,施工」,地下空間シンポジウム,2008年1月,京王電鉄・鹿島共著
  • 「大規模な分岐部を含む既設地上駅部を地下化」,トンネルと地下,2009年3月,京王電鉄・鹿島共著
  • 「PCR工法による分岐器仮受工事の施工実績」,土木学会第64回年次学術講演会,2009年9月,京王電鉄・鹿島共著

函体推進「SFT工法」実績

アンダーパス工事での大断面函体推進を施工
(JR四国予讃線 松山外環状道路交差部)

愛媛県松山市では市内の交通渋滞の解消・緩和と、高速道路・空港・港湾などの主要施設へのアクセス性向上を目指し、国土交通省、愛媛県、松山市が協同で松山外環状道路を整備しています。鹿島は、JR四国予讃線市坪駅付近の松山外環状道路交差部のアンダーパス工事を担当し、アンダーパス技術協会が開発した函体推進工法「SFT(Simple and Face-Less Method of Construction of Tunnel)工法」を用いて、軌道直下に大断面となる幅34m×高さ8m×延長9mの上り本線・下り本線・側道・歩道からなる4連ボックスカルバートを構築しました。

なお、SFT工法はアンダーパス技術協会が開発した技術です。

図版:ボックスカルバート推進完了状況

ボックスカルバート推進完了状況

キーワード

SFT工法、函体推進工法、鉄道、立体交差、ボックスカルバート
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施工ステップ

SFT工法は、ボックスカルバート外形と同じ位置に、箱形ルーフ(矩形断面の鋼製ルーフ□1m×1m)と地山との摩擦を遮断するFCプレートと共に、人力掘削しながら油圧推進ジャッキで推進する工法です。箱形ルーフを推進施工中に、ボックスカルバートを構築します。箱形ルーフを推進完了後、構築したボックスカルバートを油圧牽引ジャッキにて推進し、箱形ルーフ、土留め、土砂ごと置換する工法で、掘削切羽がないことが特徴です。

図版:SFT工法の施工手順

SFT工法の施工手順

図版:箱形ルーフ内での人力掘削状況

箱形ルーフ内での人力掘削状況

図版:箱形ルーフ推進状況

箱形ルーフ推進状況

図版:箱形ルーフ推進完了

箱形ルーフ推進完了

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図版:完成状況

完成状況

<工事概要>

発注者:四国旅客鉄道

場所:愛媛県松山市

竣工年:2013年8月

構造形式:4連ボックスカルバート

施工数量:SFT工法 幅34m×高さ8m×延長9m

函体推進「R&C工法」実績

大断面となる推進トンネル2本を構築
(小田急線 環七通り交差部)

小田急線代々木上原駅~梅ヶ丘駅間連続立体交差工事において、環七通り(環状七号線)との交差部のアンダーパス工事では、函体推進工法R&C(Roof & Culvert/ルーフ&カルバート)工法を用いて、大断面となる幅約10m×高さ約8m×延長約45mの推進トンネル2本を構築しました。

「R&C工法」は、トンネル外形と同じ大きさ・形になるように箱形ルーフ(矩形断面の鋼製ルーフ□0.8m×0.8m)をFCプレート(地山との摩擦を低減する)と共に油圧ジャッキで推進します。箱型ルーフ推進後、掘削しながら箱型トンネル構造物をジャッキで推進して箱型ルーフと置き換える工法です。

なお、R&C工法はアンダーパス技術協会と鹿島が共同で開発した技術です。

※R&C工法は、植村技研工業株式会社と株式会社奥村組の登録商標です。

図版:小田急線環七通り交差部(箱型トンネル推進完了状況)

小田急線環七通り交差部(箱型トンネル推進完了状況)

キーワード

R&C工法、函体推進工法、合成セグメント、矩形サンドイッチ型合成セグメント、鉄道、鉄道地下化、連続立体交差
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概要・特徴

環七通りの下には、直径約3mの水道管など多くの地下埋設物が存在しており、埋設物と交通(鉄道、道路)への影響がないように地盤の隆起・沈下を抑える必要がありました。箱型トンネルに矩形サンドイッチ型合成セグメント(幅1.5m×30リング)を採用する等、問題を解決しながら施工しました。

図版:断面イメージ図

断面イメージ図

図版:縦断イメージ図

縦断イメージ図

図版:地下化前の環七通り

地下化前の環七通り

図版:箱形ルーフ推進状況

箱形ルーフ推進状況

図版:合成セグメント組立状況

合成セグメント組立状況

<工事概要>

発注者:小田急電鉄

場所:東京都世田谷区

構造形式:R&C工法

施工延長:45m(R&C工法)

学会論文発表実績

  • 「合成セグメントのR&C工法への適用」,2008年度,土木学会
  • 「被圧地下水位下におけるR&C工法の実施について」,2007年度,地下空間シンポジウム
  • 「環状7号線直下合成セグメントによるR&C工法」,月刊土木施工,2011年3月号,VOL.52
  • 「土木技士会現場ルポ」,2011年8月号,東京土木施工管理技士会

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