トンネルシールド
トンネルシールドは、大規模な人工トンネルの掘削時に用いられる防護構造物です。軟弱地盤、流動性地盤、あるいはその他の不安定な地盤を掘削する場合、落下物や崩落により、作業員やプロジェクト自体に健康および安全上の危険が生じる可能性があります。トンネルシールドは、一時的な支持構造物として使用することができます。通常、トンネル区間の掘削が完了してから恒久的な支持構造物で覆うまでの短期間設置されます。恒久的な支持構造物は、時代によってレンガ、コンクリート、鋳鉄、または鋼鉄で作られます。現代のシールドは一般的に円筒形ですが、マーク・イザムバード・ブルネルによって設計された最初の「シールド」は、実際には3層構造で各層に12のセクションがあり、上部はしっかりとした荷重を支える構造物でした。この構造物は、シールドの前でトンネルを掘削する作業員を、内部で作業する作業員を崩落から守りました。
歴史
最初に成功した長方形のトンネル掘削シールドは、マーク・イザムバード・ブルネルによって開発され、 1818年1月にコクラン卿と特許を取得しました。ブルネルと息子のイザムバード・キングダム・ブルネルは、1825年からテムズトンネルの掘削にこのシールドを使用しました（トンネルが開通したのは1843年でした）。 [ 1 ] [ 2 ]ブルネルは、造船所で働いていたときに水中の木材を掘削する効率の良い軟体動物であるフナクイムシの殻からヒントを得て設計したと言われています。 [ 1 ]シールドはロンドンのランベスのモーズレイ・サンズ・アンド・フィールド社によって製造され、同社はトンネルの排水用の蒸気ポンプも製造しました。
このシールドは鋳鉄製で、ジャッキスクリューで移動しました。より恒久的なレンガのライニングが設置されるまで、両側は棚で支えられていました。寸法は22フィート3インチ（約6.7メートル）×37フィート6インチ（約10.3メートル）でした。[ 3 ]この成功にもかかわらず、莫大な費用と直面した問題により、彼の手法を再度試みることは困難な作業となり、その後四半世紀も試みられることはありませんでした。[ 3 ]
1840年、サイエンティフィック・アメリカン誌の編集者であったアルフレッド・エリー・ビーチは、ブルネルの長方形型よりも円形型の方が優れていると初めて提唱した。1869年、ビーチは円形シールド[ 2 ]を建設し、その写真がニューヨークの新聞に掲載された彼の空気圧式トンネルシステム構想に関する記事に掲載された。このシールドはブルネルのシールド格子をベースとし、切羽を手動で前進させる際にスクリュージャッキで前方へ移動させる方式であった。
1864年、ピーター・W・バーロウは円形断面のデザイン特許を申請しました。理論的には、この形状によりシールドの建造が容易になり、周囲の土壌をよりしっかりと支えられるはずでした。しかし、この設計でシールドが建造された例はありませんでした。[ 3 ] 1864年のバーロウの特許はさらに改良され、1868年に仮特許が発行されましたが、バーロウがその後まもなく亡くなったため、承認されることはありませんでした。
ブルネルの当初の設計は、ジェームズ・ヘンリー・グレートヘッドによって大幅に改良され、彼は異なるシールド設計で3つの特許を取得しました。さらに、彼は土工を注入コンクリートで安定化させるための吹付コンクリートグラウトの概念を発明しました。これは、建設された覆工と円形のトンネル壁の間の空洞に補強用グラウトを水圧で注入するグリッティングパンです。[ 3 ]
グレートヘッドは、 1869年にロンドン中心部のテムズ川の下に建設されたタワー地下鉄において、円筒形のシールドトンネルを初めて使用した。 [ 3 ]グレートヘッドのシールドの直径は7フィート3インチ（2.21メートル）であった。同様に、アルフレッド・イーリー・ビーチも1870年3月1日にトンネルを一般公開した。
グレートヘッドは1884年、直径10フィート2インチ（3.1メートル）のトンネルを建設したシティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道（現在のロンドン地下鉄ノーザン線の一部）の建設にも盾を使用しました。彼の盾は、直径12フィート1インチのトンネルの運転にも使用されました。+1898 年に開通したウォータールー & シティ鉄道の直径3 ⁄ 4 インチ (3.7 メートル) の走行トンネル。シティ駅 (現在はバンク駅として知られている) の駅トンネルは、直径 23 フィート (7.0 メートル) で当時世界最大のトンネル シールドでした。
ロンドン地下鉄の深部路線の掘削に使用されたオリジナルのグレートヘッド・シールドが、ムーアゲート駅の地下にある使われなくなったトンネル内に今もそのまま残っている。[ 4 ]
ほとんどのトンネルシールドは、今でもグレートヘッドの設計を大まかにベースにしています。[ 5 ]
手動シールドトンネル工事
初期のシールドトンネル工事では、シールドは掘削作業員を保護する手段として機能し、シールドを前進させながら、徐々に既設のトンネル壁と置き換えていきました。ロンドン地下鉄の初期の深いトンネルはこのように建設されました。シールドは作業面を重なり合う部分に分割し、各作業員が掘削できるようにしました。
現代のトンネル掘削機
トンネル掘削機 (TBM) は、シールド (大きな金属製の円筒) とそれに続く支持機構で構成されています。
シールドの前端には回転する切削ホイールが配置されています。切削ホイールの後ろにはチャンバーがあり、掘削土はTBMの種類に応じて、スラリーと混合されるか（いわゆるスラリーTBM）、そのまま残されるか（土圧バランス型シールドまたはEPBシールド）のいずれかになります。TBMの種類は、土壌の状態に応じて選択されます。また、土壌（またはスラリーと混合された土壌）を除去するためのシステムも備えています。
掘削チャンバーの背後には、トンネルの完成部で支えられた油圧ジャッキ一式が設置されており、TBMを前進させるために使用されます。一定の距離（約1.5～2メートル（5～7フィート））を掘削すると、エレクターを用いて新しいトンネルリングが構築されます。エレクターは、プレキャストコンクリートセグメントを回転させて持ち上げ、所定の位置に設置するシステムです。
シールドの後ろ、トンネルの完成部分内には、TBM の一部である、土砂除去装置、スラリー パイプライン (該当する場合)、制御室、プレキャスト セグメントの輸送用レールなど、いくつかのサポート機構があります。
裏地
トンネルライニングはトンネルの壁面です。通常はリング状のプレキャストコンクリートセグメントで構成されています。ロンドン地下鉄トンネルでは伝統的に鋳鉄ライニングが使用され、その他の地域では鋼製ライニングが使用されることがありました。プレキャスト成形ライニングセクションを使用するという概念は新しいものではなく、1874年にジェームズ・ヘンリー・グレートヘッドによって初めて特許を取得しました。
日本の盾
日本には、シールドトンネルの革新的な工法がいくつかあります。例えば、ダブルOチューブトンネルやDOTトンネルなどです。このトンネルは、2つの円が重なり合ったような形状をしています。また、コンピューター制御のアームを備えたシールドトンネルもあり、これにより、ほぼあらゆる形状のトンネルを掘削することができます。[ 6 ]
参照
- 長壁採掘、一連の水圧シールドを使用した石炭採掘方法
参考文献
- ^ a bベケット、デリック（1980年）『ブルネルのブリテン』ニュートン・アボット：デイヴィッド＆チャールズ社、ISBN 0-7153-7973-9第10章「トンネル」
- ^ a bポッター、ブライアン. 「トンネル掘削機の進化」 . www.construction-physics.com . 2025年12月14日閲覧。
- ^ a b c d e「スミソニアン協会歴史技術博物館からの寄稿による、プロジェクト・グーテンベルクの電子ブック Bulletin 240」www.gutenberg.org . 2025年12月14日閲覧。
- ^ 「The Tube: An Underground History, broadcast 16 May 2013」 bbc.co.uk (2013年)オリジナルより2023年7月28日時点のアーカイブ。 2013年5月17日閲覧。
- ^ジョン・C・ギルハム著『ウォータールー＆シティ鉄道』オークウッド・プレス、ウスク、2001年、 ISBN 0 85361 525 X
- ^ 「特殊シールドトンネル」 . 日本土木技術研究所. 2011年7月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年7月24日閲覧。
外部リンク
