JP2000034886A - シールド機およびシールド機を用いた地盤改良方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シールド機周囲あるいは周囲の任意の角度範囲
に限定して地盤改良を行い得るようにする。 【解決手段】マシン本体の前面にカッターヘッド２を備
え、このカッターヘッド２を掘削方向軸回りに回転させ
ることにより掘削を行うシールド機１において、前記カ
ッターヘッド２の周面若しくはこの近傍部位に地盤硬化
材を噴射する噴射ノズル１２を設け、シールド機１の掘
進に併行してシールド機周囲にのみ地盤固化体を形成す
るようにする。また、前記カッターヘッド２に対して回
転角度検出手段１８を設け、カッターヘッド回転時にお
ける前記噴射ノズル位置を把握し、カッターヘッド２の
１回転周期内における噴射開始位置と噴射終了位置とを
制御することにより任意の角度範囲に地盤改良体を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド発進部お
よび到達部、構造物周辺地盤、河川下地盤、曲線部、地
中接合等、シールド機の通過部周辺に地盤改良を必要す
る場合に、シールド機周囲の必要な範囲のみにシールド
機側から地盤改良が行えるようにしたシールド機および
シールド機を用いた地盤改良方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地盤中にトンネルを形成するシールド工
法においては、シールド機による掘削に際し、要所で地
盤改良を必要としている。たとえば、シールド機を発進
立坑から地盤中に掘進させる場合には、背面地山の緩み
に対する地盤強化や坑口処理の際の湧水や土砂崩壊の防
止のために、図１４に示されるように、図示されない、
地上側に設置された地盤改良装置からシールド機通過地
盤まで貫入された注入ロッドによって発進部周辺の地盤
を改良した後（改良部分は符号Ｇ）、立坑側壁５０の内
側にエントランスパッキン５１を取り付けるとともに、
このエントランスパッキン５１の内側を削り取ってシー
ルド通過孔を形成し、シールド機５２を前記地盤改良部
Ｇに向けて発進させるようにしている。

【０００３】また、到達立坑にシールド機５２が到達す
る際にも、図１５に示されるように、到達立坑５３手前
の地盤部分を、地上側に設置した図示されない地盤改良
装置によって地盤改良した後、この地盤改良部Ｇ内を掘
進させ、立坑５３の側壁に形成された通過孔より到達立
坑５３内へ引き出すようにしている。

【０００４】他方、シールド機５２の通過路線に近接し
て地上または地中に構造物が存在する場合に構造物の沈
下や変形を防止するためシールド通過部周辺を予め地盤
改良したり、河川下をシールド機が通過する場合に止水
および地盤強化のため河川下地盤を地盤改良したり、さ
らには曲線掘削部や地中接合部などに対してもシールド
機周辺の地盤強化のために地盤改良が行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た地盤改良工事は、すべて地上側に設置された地盤改良
装置によって行われていたため、特に立坑深度（トンネ
ル深度）が深いなどの場合は地盤改良の施工精度が低下
し、部分的に硬化材が行き渡らず未硬化部分ができ、立
坑内に湧水が流入することがあるなどの問題があった。
また、地上側にビルなどの大規模構造物が存在している
ため地盤改良を行うことが実質的に困難であったり、さ
らに河川下の地盤改良の場合は河川内に作業用足場を構
築しなければならず、地盤改良に伴う工費が嵩むなどの
問題があった。

【０００６】また、特にシールド方式が泥水式の場合、
シールド機５２が地盤改良部Ｇを通過する際、地盤改良
によって固形化された地山が塊状掘削土のままカッタチ
ャンバに取り込まれ、これが排泥管を閉塞させるなどの
問題が発生していた。この閉塞によって泥水圧に大幅な
変動が生じ、地山条件や流体輸送条件等にもよるが、切
羽の安定が保てなくなったため泥水の噴発や切羽地山の
呼び込み等、重大な事故を招く虞があった。

【０００７】他方で、シールド発進部や到達部などは地
盤改良が必要な領域は通常シールド通過断面の周囲であ
るにも拘わらず、地上からの施工ではこのシールド周囲
に限定した地盤改良が実質的に困難であるとの理由か
ら、シールド機の通過断面も含めた範囲に亘って地盤改
良が行われており、施工的かつ工費的な無駄が生じてい
た。もちろん、この無駄はシールド径が大きくなれば成
るほど増大することになる。

【０００８】そこで本発明の主たる課題は、シールド機
によってトンネルを構築するシールド工法において、従
来の地上側から行われていた地盤改良工事に伴って発生
していた種々の問題を一挙に解決すべく、シールド機の
周囲あるいは周囲の任意範囲に限定して地盤改良が行え
るようにしたシールド機およびシールド機を用いた地盤
改良方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、マシン本体の前面にカッターヘッドを備
え、このカッターヘッドを掘削方向軸回りに回転させる
ことにより掘削を行うシールド機において、前記カッタ
ーヘッドの周面若しくはこの近傍部位に限定して地盤硬
化材を噴射する噴射ノズルを設け、シールド機の掘進に
併行しながら前記カッターヘッドの回転に伴ってシール
ド機の周囲にのみ地盤固化体を形成するようにしたこと
を特徴とするものである。

【００１０】この場合において、前記カッターヘッドに
対して回転角度検出手段を設け、カッターヘッド回転時
における前記噴射ノズル位置を把握し、カッターヘッド
の１回転周期内における噴射開始位置と噴射終了位置と
を制御することによりシールド機周囲の任意範囲に地盤
固化体を形成するようにすれば、シールド機の全周に亘
ってドーナッツ状に地盤改良体を形成する以外に、たと
えば地上にビル等の構造物が存在する場合にその影響域
のみに断面扇状に地盤固化体を形成できるようになる。

【００１１】他方、シールド機を用いた地盤改良方法
は、シールド発進部、シールド到達部、近接構造物の周
辺地盤、河川下地盤、曲線部、地中接合等、シールド機
の通過部周辺に地盤改良を必要する場合において、シー
ルド機のカッターヘッドの周面若しくはこの近傍部位に
限定して設けられた噴射ノズルから、シールド機の掘進
に併行してかつカッターヘッドの回転に伴ってシールド
機周囲に向けて地盤硬化材を連続的または断続的に噴射
し、シールド機が通過する断面外のシールド機周囲に地
盤固化体を形成することを特徴とするものである。

【００１２】本発明においては、シールド機のカッター
ヘッド周面若しくはその近傍に噴射ノズルを設け、カッ
ターヘッドの回転と共に、前記噴射ノズルから地盤硬化
材を放射方向に向けて噴射し、掘進に併行してシールド
機の周囲に地盤改良体を形成するようにしている。した
がって、トンネル深さに関係なく、シールド機の回りに
精度良く地盤改良体を形成できるようになるため、確実
に地山を補強できるようになるととともに、止水性を向
上できるようになる。また、地上側での構造物占有状況
や河川下横断などの施工条件上の制約を一切受けること
なく、容易に地盤改良工事が行えるようになる。

【００１３】さらに、シールド機の前方側には一切地盤
固化体を形成しないため、前述したように掘削時に塊状
掘削土砂が排泥管に閉塞するなどの事態が回避できるよ
うになる。また、シールド機の前方に地盤固化体を形成
せず、必要な改良範囲長さに亘ってかつシールド機周囲
の必要な角度範囲に亘って地盤改良体を効率的に形成で
きるようになるため、地盤改良に伴う無駄が一切発生せ
ず、地盤改良工事に伴う工費を大幅に低減できるように
なる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳述する。図１は通常の泥水式シ
ールド機１の概略断面図であり、図２は前記泥水式シー
ルド機１に本発明を適用した場合の概念図であり、図３
はその正面図である。

【００１５】泥水式シールド機１は、自立性の小さい軟
弱な土質や地下水位が高い砂質、砂礫質地盤に対して適
用されるシールド機であり、切羽の安定はカッターチャ
ンバ５内に送泥管７を通じて泥水を供給し、その泥水圧
および泥水の安定液作用並びにカッターヘッド２の山留
め作用によって図られるようになっている。

【００１６】マシン本体の前面にはカッタヘッド２を備
え、このカッターヘッド２の前面に固定された多数のカ
ッタービット３，３…により地山を連続的に破砕して掘
進する。破砕された掘削土砂はカッターチャンバ５内に
取り込まれ、アジテータ４により細かく破砕されるとと
もに、排泥管８を通じて図示しない排土処理施設まで輸
送される。なお、６は前記カッターヘッド２を回転させ
るためのカッターモータであり、１０はシールド機１を
セグメント１１を反力部材として前進させるためのシー
ルドジャッキである。また、シールド機１の後方側では
逐次エレクター９によりセグメント１１が掘削面の周囲
に設置される。

【００１７】本発明では、特に前記カッターヘッド２の
周面またはその近傍位置に対して地盤硬化材をシールド
機１の周囲に向けて噴射する噴射ノズル１２が設けられ
ている。また、シールド機１の内部または外部（地上を
含む。）には、たとえばセメントミルク系硬化材と水と
を混合して作製された地盤硬化材を貯留している硬化材
タンク１４が設けられるとともに、この硬化材を超高圧
で噴射するための超高圧ポンプ１３が配設され、硬化材
送給路１６を通じて前記噴射ノズル１２まで送給される
ようになっている。なお、前記噴射ノズル１２からの噴
射圧は概ね２００〜４００kgf/cm2程度に設定される。

【００１８】一方、前記硬化材の噴射距離を増大させる
ために、コンプレッサー１５が設けられ、圧縮空気が空
気送給路１７を通じて前記噴射ノズル１２部位まで送給
された後、前記噴射ノズル１２の周囲から地盤硬化材を
囲むように噴射されるようになっている。この圧縮空気
の随伴によって噴射距離は概ね５００mm〜１０００mm程
度とすることが可能となる。

【００１９】前記地盤改良装置は、所謂「ＪＳＧ工法」
において使用される装置構成を応用したものであるが、
他には「ＣＣＰ工法」のように地盤硬化材だけを噴射す
るようにしてもよいし、或いは「コラムジェットグラウ
ト工法」のように、空気を伴った超高圧水を地盤中に噴
射させて地盤を切削し、これとは別に設けた噴射ノズル
から地盤硬化材を噴射するようにしてもよい。

【００２０】前記噴射ノズル１２部の構造は、地盤改良
がシールド機１の掘進に併行して行われるため、前記噴
射ノズル１２部から所定の幅若しくは範囲に亘って硬化
材を噴射できるようにし、シールド機１が前進する過程
でカッターヘッド２の１回転時に形成される地盤固化体
同士を相互にラップさせながらシールド機１の周囲に地
盤固化体を連続的に形成するのが望ましい。

【００２１】具体的には、図４に示されるように、カッ
ターヘッド２の周部に対して噴射ノズル１２を保持する
回転ヘッド２０を軸受２１，２１によって支持しながら
自転可能に埋設状態で取り付け、かつ回転ヘッド２０の
底部側周囲にギヤ２２を設けるとともに、別途配設され
た油圧モータ２３の原動ギヤ２４と歯合させ、前記油圧
モータ２３の回転により回転ヘッド２０を回転可能とし
ている。また、前記回転ヘッド２０の内部には、略へ字
状に屈曲した硬化材噴射管２５と、この硬化材噴射管２
５の外側に同心的に配置された外管２６とを設け、この
硬化材噴射管２５と外管２６との間の環状空間を圧縮空
気送給路として使用し、前記硬化材噴射管２５と屈曲外
管２６とを共にスイベルジョイント２７によって回転可
能な状態で封水している。

【００２２】従って、硬化材送給路１６を通じて送られ
てきた超高圧硬化材は前記硬化材噴射管２５の先端から
噴射され外方に噴射されるとともに、空気送給路１６を
通じて送られた圧縮空気は前記スイベルジョイント２７
を介して前記環状送給路を通り硬化材の外周を包むよう
に外方に噴射される。かかる硬化材の噴射が前記回転ヘ
ッド２０の回転に伴って行われることにより、地盤硬化
材が円錐状に噴射されるようになる。

【００２３】次いで図５に示される噴射ノズル構造は、
「ＣＣＰ工法」のように、圧縮空気を随伴させることな
く硬化材のみを単独で地盤中に噴射させるようにした場
合の噴射機構の例であり、主に噴射距離を望まないよう
な小径シールドに対して適用される。回転ヘッド２０の
回転軸芯Ｏから偏心させた位置に回転軸芯方向に向けて
硬化材を噴射する複数のノズル２８，２８…を設け、回
転ヘッド２０の回転により各ノズル２８，２８…を回転
軸芯Ｏを中心として公転させることにより、実質的に所
定の範囲に亘って硬化材を噴射できるようにしたもので
ある。各ノズル２８，２８…に対する硬化材の送給は、
各ノズル２８の背面側にそれぞれ硬化材分岐流路２９，
２９…を形成するとともに、回転ヘッド２０の背面側に
前記硬化材分岐流路２９，２９…に連通する硬化材チャ
ンバ３０を形成し、硬化材送給路１６を通じて送られて
きた硬化材を前記硬化材チャンバ３０を介して各硬化材
分岐流路２９，２９…に送りノズル２８，２８…から噴
射させるようにしている。なお、符号３１は硬化材が回
転ヘッド２０の背面から洩れないようにするためのシー
ル材である。

【００２４】以下、前述したシールド機１を用いてシー
ルド機１の周囲に地盤改良を行う幾つかの例について詳
述することとする。

【００２５】図６〜図８に示される第１の例は、本シー
ルド機１を用いたシールド発進時の地盤改良例である。
図６に示されるように、発進立坑３２の内部にシールド
機１を組み立てるとともに、反力壁３３を組み立て、さ
らにシールド機１の内部に硬化材タンク１４，超高圧ポ
ンプ１３およびコンプレッサー１５を設備する。次い
で、図７に示されるように、シールド機１の後方側に仮
組セグメント３５を組み立て、前進時の反力が取れるよ
うにするとともに、立坑側壁にエントランスパッキン３
４を取付け、その内部を切削し通過孔を形成した後、カ
ッターヘッド２が地盤中に位置するまでシールド機１を
前進させる。この状態から超高圧ポンプ１３およびコン
プレッサー１５を始動させるとともに、カッターヘッド
２を回転させ、シールド機１の周囲に向けて硬化材を噴
射させながら掘削を開始する。

【００２６】特に、地盤改良中は未硬化部分が出来ない
ようにカッターヘッド２の回転速度、掘進速度および硬
化材注入量等の十分な管理を行いながら掘進を行い、か
つ地盤硬化材の噴射によって周辺地盤に変形や盛り上が
りが生じないように、掘削土量、スライム量および排土
量のバランスを図るようにする。その後、図８に示され
るように、所定の地盤改良範囲長Ｌに亘って地盤改良体
Ｇを形成しながら掘進したならば、硬化材の噴射を止
め、硬化材タンク１４，超高圧ポンプ１３およびコンプ
レッサー１５等の設備を撤去した後、通常の掘進作業に
入る。

【００２７】次いで、図９〜図１１に示される第２の例
は、本シールド機１を用いたシールド到達時の地盤改良
例である。図９に示されるように、到達立坑３６の手前
でシールド機１を停止させ、硬化材タンク１４，超高圧
ポンプ１３およびコンプレッサー１５等を設備し地盤改
良のための準備を行う。シールド機１が掘進し所定の改
良区域に達したならば図１０に示されるように、前記超
高圧ポンプ１３およびコンプレッサー１５を始動させ、
シールド機１の掘進に併行しながら硬化材をシールド機
１の周囲に向けて噴射し、シールド機１の周囲に地盤改
良体を連続的に形成する。その後、カッターヘッド２が
到達立坑３６の側壁外面に到達したならば、カッタヘッ
ド２によって前記側壁を切削するか、到達立坑３６の内
部側からシールド通過孔を形成するかしてシールド機１
を立坑内部まで引き出す。この際、到達立坑３６内部へ
の土水流入を確実に防止するために、噴射圧を小さくし
ながらもカッターヘッド２に設けられた噴射ノズル１２
が到達立坑３６内部に入り込むまで地盤改良作業を継続
する。

【００２８】他方、図１２に示される第３例は、河川下
をシールド機１が通過する場合の地盤改良例である。従
来、河川下の地盤改良の場合には河川内に大掛かりな施
工用足場を設けなければ地盤改良工事が出来なかった
が、本方法では地上側に一切の足場を必要とすることな
く、掘進に併行しながら河川下を簡単に地盤改良するこ
とが可能となる。

【００２９】さらに、図１３に示される第４例は、地上
にビルなどの構造物３７が存在する近接地盤内をシール
ド機が通過する場合の地盤改良例である。かかるケース
においても、前述した３例の場合と同様にシールド機１
の全周に亘って地盤固化体を形成するようにしてもよい
が、本例では特に構造物の影響範囲のみに限定して地盤
改良を行うようにしてある。

【００３０】図２に示されるように、カッターヘッド２
の回転軸に対してロータリーエンコーダまたは電磁式回
転センサ等の回転角度検出手段１８を設け、噴射ノズル
１２の回転周期内の位置を常時把握できるようにしてお
き、この回転角度検出手段１８からの信号を受信した制
御器１９では、この回転角度信号に基づいて超高圧ポン
プ１３およびコンプレッサー１５に対して始動信号また
は停止信号を送り、カッターヘッド１の１回転周期内に
おいて噴射開始位置と噴射終了位置とを制御するように
している。図１３において、構造物３７の杭基礎３８の
下端から斜め下４５度方向に引かれた線Ｔよりも下側が
構造影響域であり、この４５度方向線Ｔの下側域に限定
して地盤固化体を形成したい場合は、カッターヘッド２
の１回転中に噴射ノズル１２が前記４５度方向線Ｔ上に
位置した時（ポイントＳ_ｉ ）、またはタイムラグを考
慮してその直前位置で地盤硬化材の噴射を開始し、その
後４５度方向線Ｔ上の点Ｓ_Ｏ に位置した時に噴射を停
止させる操作を１回転時毎に繰り返すことにより、前記
４５度方向線Ｔの下側領域にのみ地盤固化体を形成する
ことができるようになる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳説のとおり本発明によれば、シー
ルド発進部、シールド到達部、近接構造物の周辺地盤、
河川下地盤、曲線部、地中接合等、シールド機の通過部
周辺に地盤改良を必要する場合において、シールド機の
カッターヘッドに噴射ノズルを設け、掘進に併行して地
盤改良を行うようにしたため、トンネル深さに関係な
く、精度良くかつ確実にシールド機の回りに地盤改良体
を形成できるようになる。

【００３２】また、地盤改良に当たって地上側での構造
物占有状況や河川内であるなどの施工上の制約を一切受
けることがない。シールド機の前面側には地盤固化体を
形成しないため排泥管が閉塞するなどの事態が発生する
ことがなくなる。地盤改良に伴う施工的および工費無駄
が発生せず施工費を大幅に低減できるようになるなど、
種々の利点がもたらされるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般の泥水式シールド機の概略縦断面図であ
る。

【図２】前記泥水式シールド機に本発明を適用した場合
の概念図である。

【図３】その正面図である。

【図４】噴射ノズル部の構造拡大図である。

【図５】噴射ノズル部の他の構造拡大図である。

【図６】本方法によるシールド発進要領図（その１）で
ある。

【図７】本方法によるシールド発進要領図（その２）で
ある。

【図８】本方法によるシールド発進要領図（その３）で
ある。

【図９】本方法によるシールド到達要領図（その１）で
ある。

【図１０】本方法によるシールド到達要領図（その２）
である。

【図１１】本方法によるシールド到達要領図（その３）
である。

【図１２】本方法による河川下の地盤改良要領図であ
る。

【図１３】本方法による構造物下の地盤改良要領図であ
る。

【図１４】従来法によるシールド発進要領図である。

【図１５】従来法によるシールド到達要領図である。

【符号の説明】

１…シールド機、２…カッターヘッド、３…カッタービ
ット、４…アジテータ、５…カッターチャンバ、６…カ
ッターモータ、７…送泥管、８…排泥管、１２…噴射ノ
ズル、１３…超高圧ポンプ、１４…硬化材タンク、１５
…コンプレッサー、１８…回転角度検出手段、１９…制
御器、Ｇ…地盤改良体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マシン本体の前面にカッターヘッドを備
   え、このカッターヘッドを掘削方向軸回りに回転させる
   ことにより掘削を行うシールド機において、 前記カッターヘッドの周面若しくはこの近傍部位に限定
   して地盤硬化材を噴射する噴射ノズルを設け、シールド
   機の掘進に併行しながら前記カッターヘッドの回転に伴
   ってシールド機の周囲にのみ地盤固化体を形成するよう
   にしたことを特徴とするシールド機。
2. 【請求項２】前記カッターヘッドに対して回転角度検出
   手段を設け、カッターヘッド回転時における前記噴射ノ
   ズル位置を把握し、カッターヘッドの１回転周期内にお
   ける噴射開始位置と噴射終了位置とを制御することによ
   りシールド機周囲の任意範囲に地盤固化体を形成するよ
   うにした請求項１記載のシールド機。
3. 【請求項３】シールド発進部、シールド到達部、近接構
   造物の周辺地盤、河川下地盤、曲線部、地中接合等、シ
   ールド機の通過部周辺に地盤改良を必要する場合におい
   て、 シールド機のカッターヘッドの周面若しくはこの近傍部
   位に限定して設けられた噴射ノズルから、シールド機の
   掘進に併行してかつカッターヘッドの回転に伴ってシー
   ルド機周囲に向けて地盤硬化材を連続的または断続的に
   噴射し、シールド機が通過する断面外のシールド機周囲
   に地盤固化体を形成することを特徴とするシールド機を
   用いた地盤改良方法。