JP2005139840A - シールドトンネルの築造方法およびシールド掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】 シールド工法によるトンネル築造に際して掘削土を簡易に有効利用する。
【解決手段】 泥土圧により切羽を安定させつつ地山を掘削し、掘削土として排出される泥土１３と固化材１７との混合攪拌物をインバート部に対する埋め戻し材１８として用いる。切羽外周部を泥水圧により安定させつつ掘削する泥水式掘削機構４と、切羽中心部を泥土圧により安定させつつ先行して掘削する泥土圧式掘削機構５とを併設し、泥土圧式掘削機構には、掘削土として排出される泥土をインバート部に埋め戻すための泥土搬送手段（搬送管１５）を付設する。泥土搬送機構には泥土に固化材を混合して攪拌する混合攪拌槽１６を備える。泥土圧式掘削機構による切羽中心部に対する掘削面積は、その泥土圧式掘削機構から排出される掘削土量がインバート部への埋め戻し土量に相当するように設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明はシールドトンネルの築造方法およびそれに用いるシールド掘削機に関する。

大断面かつ長距離のトンネルを築造する際には多量の掘削土が発生するので、その掘削土を長距離搬送し処分するために大がかりな設備と多大な手間・費用を要する。特にシールド工法による場合には掘削断面が円形とされることが通常であることからインバート部を必要以上に掘削せざるを得ず、しかも最終的にはインバート部に良質土を埋め戻すかコンクリートを打設する必要があるので不合理でもあった。

そのため、シールド工法において発生する掘削土を再利用することも提案されており、たとえば特許文献１には泥水式シールド工法において排泥水として発生する掘削土砂を処理プラントにより再生処理してインバートモルタルや裏込注入材等として再利用するシステムの提案があり、また特許文献２は泥水式トンネル掘削機から発生する掘削泥水土砂を処理してトンネル内の盛土や裏込め材として再利用することが提案されている。
特開平８−１０５２９０号公報 特開２００３−１４８０８７号公報

しかし、特許文献１〜２に示されるように泥水式シールド工法において泥水として発生する掘削土を有効利用するためには、その泥水を処理するための大がかりな処理設備を必要とするし、その処理のために少なからぬ手間と費用を要するものであるから、必ずしも簡易に実施できるものではなく、広く普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明はシールド工法によるトンネル築造に際して掘削土を簡易に利用し得るシールドトンネルの築造方法と、それに用いて好適なシールド掘削機を提供することを目的とする。

本発明のシールドトンネルの築造方法は、泥土圧により切羽を安定させつつ地山を掘削し、掘削土として排出される泥土と固化材との混合攪拌物をインバート部に対する埋め戻し材として用いるものである。

本発明のシールド掘削機は上記方法に適用されるものであって、切羽外周部を泥水圧により安定させつつ掘削する泥水式掘削機構と、該泥水式掘削機構による切羽外周部の掘削に先行して切羽中心部を泥土圧により安定させつつ掘削する泥土圧式掘削機構とを併設し、前記泥土圧式掘削機構には、掘削土として排出される泥土をインバート部に埋め戻すための泥土搬送手段を付設したものである

本発明のシールド掘削機における泥土搬送手段には、泥土に固化材を混合して攪拌するための混合攪拌槽を備えることが好ましい。また、本発明のシールド掘削機における泥土圧式掘削機構による切羽中心部に対する掘削面積は、その泥土圧式掘削機構から排出される掘削土量がインバート部への埋め戻し土量に相当するように設定することが好ましい。

本発明の築造方法は、従来のように泥水式シールド工法を基本とするものではなく、泥土圧により切羽を安定させつつ掘削を行うことで掘削土を泥水ではなく泥土として排出する泥土圧式シールド工法を基本とするものである。したがって本発明によれば、掘削土として排出される泥土に固化材を混合攪拌することのみで、あるいは泥土を埋め戻して固化材を混合攪拌することのみで、泥土を埋め戻し材として有効に活用することができ、従来のように泥水を処理して利用する場合に比較すればそのための設備は簡略なもので済み、処理のための手間、費用も大幅に削減でき、遙かに簡易に掘削土の有効利用を図ることができる。

本発明のシールド掘削機は、切羽中央部の掘削を泥土圧式掘削機構による上記のような泥土圧式シールド工法によって行うことにより、そこから発生する掘削土としての泥土を泥土搬送手段により後方に搬送することでそれを埋め戻し材として有効に利用することができる。また、切羽外周部に対する掘削は泥水式掘削機による泥水式シールド工法により効率的に掘削することができ、そこから発生する泥水は流体輸送により効率的に搬送して外部に排出することができるから、本発明によれば全体として施工効率を確保しつつ掘削土の有効利用を充分に図ることができる。しかも、泥土圧式掘削機構による切羽中心部に対する掘削を、泥水式掘削機構による切羽外周部に対する掘削よりも先行させる構成とすることにより、双方の掘削機構の干渉が回避されるし、双方の掘削機構による掘削断面が中心部と外周部とに明確に区分されるので切羽全体の安定性を支障なく確保することができる。

特に、泥土圧式掘削機構に付設した泥土搬送手段に固化材を混合攪拌するための混合攪拌槽を備えることにより、泥土に対する固化材の混合攪拌を容易にかつ確実に行うことができ、埋め戻し作業を効率的に実施することができる。

さらに、泥土圧式掘削機構による切羽中心部に対する掘削面積を、そこから発生する掘削土量がインバート部への埋め戻し土量に相当するように設定することにより、そこから泥土として排出されてくる掘削土の全量を埋め戻し材として有効利用できて外部に排出する必要はなく、かつ泥水式掘削機構から泥水として発生する掘削土はその全てを流体輸送してそのまま外部に排出すれば良く、それにより最も効率的にして合理的な施工が可能である。

図１〜図２は本発明の一実施形態を示すもので、図１は本実施形態のシールド掘削機１の外観を示す概略構成図、図２はそのシールド掘削機１によりシールドトンネルを築造している状態を示す概要図である。

本実施形態のシールド掘削機１は、従来一般の各種のシールド掘削機と同様に、円筒形のスキンプレート２の前部に地山を掘削するための掘削機構を備え、スキンプレート２の後部で図示しないエレクタによりセグメントを組み立てることで一次覆工３を施工しつつ掘進することを基本とするものであるが、本実施形態のシールド掘削機１では、掘削機構として、切羽外周部を掘削する泥水式掘削機構４と、切羽中心部を掘削する泥土圧式掘削機構５とが同軸状に組み合わされて併設されたものとなっている。

外周側の泥水式掘削機構４は、環状の面盤タイプのカッター６の背後に泥水チャンバ７を設けた構成とされ、泥水チャンバ７に送泥管８から泥水９を加圧供給することで泥水圧により切羽を安定させつつ掘削を行い、掘削土を泥水９として排泥管１０から排出するようにされたものである。

中心側の泥土圧式掘削機構５は、スポークタイプのカッター１１の背後に土圧チャンバ１２を設けた構成とされ、カッター１１の添加材吐出口（図示せず）より添加材を供給しつつ掘削攪拌して泥土とし、その泥土１３をスクリューコンベア１４により土圧チャンバ１２から排出するとともにその排出量を調節することで土圧チャンバ１２内の泥土圧を切羽に作用させることにより、泥土圧によって切羽を安定させつつ掘削を行うようにされたものである。

この泥土圧式掘削機構５は、上記の泥水式掘削機構４による切羽外周部の掘削よりも先行して切羽中心部の掘削を行うようになっている。すなわち、泥土圧式掘削機構５におけるスポークタイプのカッター１１は上記の泥水式掘削機構４における面盤タイプのカッター６よりも前方に位置しており、したがって切羽はまずカッター１１により中心部が先行掘削され、次いでカッター６によりその周囲が環状に掘削されるようになっている。このような構成により、泥水式掘削機構４と泥土圧式掘削機構５の双方が干渉することなくスキンプレート２の前部に搭載され、かつそれらによる掘削断面が中心部と外周部とに明確に区分されて切羽全体の安定性を支障なく確保することができるものとなっている。

そして、泥土圧式掘削機構５には、スクリューコンベア１４から泥土１３として排出される掘削土を後方に搬送するための泥土搬送手段としての搬送管１５が付設され、その搬送管１５により搬送された泥土１３は混合攪拌槽１６に導かれて、そこでセメント等の固化材１７と攪拌混合され、その混合攪拌物が埋め戻し材１８として利用されてインバート部にそのまま埋め戻されて路床１９が施工されるようになっている。なお、必要であれば、泥土１３に対して固化材１７のみならず適宜の添加材や水等を泥土に加えることは差し支えない。

本実施形態のシールド掘削機１によれば、泥土圧式掘削機構５から掘削土として排出される泥土１３に対して混合攪拌槽１６において固化材１７を混合攪拌することのみで、それを埋め戻し材１８として有効に活用することができる。したがって、従来のように泥水として発生する掘削土を処理して利用する場合に比較すればその処理のための設備を格段に簡略化できるし、処理のための手間、費用も大幅に削減でき、従来に較べて遙かに簡易に掘削土の有効利用を図ることができる。その結果、掘削土の処分や長距離搬送を行うための費用の削減、埋め戻し材料の調達費用の削減を図ることができ、大断面かつ長距離トンネルの施工の合理化を充分に図ることができる。

特に、本実施形態のシールド掘削機１は、泥水式掘削機構４と泥土圧式掘削機構５とを併用したことにより、全体としての掘削効率を低下させることなく掘削土の有効利用を十分に図ることができるものである。すなわち、上記のように切羽中心部に対する掘削を泥土圧式掘削機構５により行うことによって掘削土の有効利用が可能となったばかりでなく、切羽外周部に対する掘削を泥水式掘削機４により行うことでそこでの掘削を泥土圧式掘削機構５よりも効率的に行うことができるし、そこから発生する泥水９は流体輸送により効率的に排出することができ、また泥水式掘削機構４はカッタービットの摩耗の点でも泥土圧式掘削機構５に比較して有利であるので、全体を泥土圧式掘削機構５により掘削するようにした場合に比較して効率的な掘削が可能である。換言すれば、全体を泥土圧式掘削機構５により掘削する場合には、掘削土の有効利用は図れるものの、全体を泥水式掘削機構４により掘削する場合に比較して掘削効率が低下するし、カッタービットも摩耗し易く、また余分な泥土１３を外部に搬送するための長距離搬送も必要となり、その泥土１３の搬送は泥水９のように流体輸送できないので不利であり、大断面かつ長距離トンネルの築造に際しては好ましくない。

なお、切羽外周部に対する泥水式掘削機構４による掘削面積と、切羽中心部に対する泥土圧式掘削機構５による掘削面積は諸条件を考慮して適宜設定すれば良いが、泥土圧式掘削機構５による切羽中心部への掘削面積を、その泥土圧式掘削機構５による掘削土量がインバート部への埋め戻し土量に相当するように設定することが最も好ましい。そのようにすれば、泥土圧式掘削機構５から泥土１３として排出されてくる掘削土の全量を過不足なく埋め戻し材１８として利用できるし、また泥水式掘削機構４から泥水として発生する掘削土はその全てをそのまま流体輸送して外部に排出すれば良いから、最も効率的にして合理的な施工が可能である。

また、上記実施形態では、泥土圧式掘削機構５からの泥土１３を搬送管１５により混合攪拌槽１６に導いてそこで固化材１７と混合攪拌してから埋め戻すようにしたが、それに代えて、混合攪拌槽１６を省略して搬送管１５により搬送した泥土１３をそのまま埋め戻してしまい、そこに固化材１７を撒き出してバックホウや適宜の攪拌手段により混合攪拌することも考えられる。いずれにしても、図２（ｂ）に示すように、泥土１３と固化材１７からなる埋め戻し材１８により形成された路床１９上には通常どおり路盤２０や舗装を支障なく施工することができることはいうまでもない。

本発明の実施形態であるシールド掘削機の外観を示す概略構成図である。 同、シールドトンネルの築造方法を示す概要図である。

符号の説明

１ シールド掘削機
２ スキンプレート
３ 一次覆工
４ 泥水式掘削機構
５ 泥土圧式掘削機構
６ カッター
７ 泥水チャンバ
８ 送泥管
９ 泥水
１０ 排泥管
１１ カッター
１２ 土圧チャンバ
１３ 泥土
１４ スクリューコンベア
１５ 搬送管（泥土搬送手段）
１６ 混合攪拌槽
１７ 固化材
１８ 埋め戻し材
１９ 路床
２０ 路盤

Claims (4)

1. 泥土圧により切羽を安定させつつ地山を掘削し、掘削土として排出される泥土と固化材との混合攪拌物をインバート部に対する埋め戻し材として用いることを特徴とするシールドトンネルの築造方法。
2. 請求項１記載のシールドトンネルの築造方法に適用するシールド掘削機であって、
   切羽外周部を泥水圧により安定させつつ掘削する泥水式掘削機構と、該泥水式掘削機構による切羽外周部の掘削に先行して切羽中心部を泥土圧により安定させつつ掘削する泥土圧式掘削機構とが併設され、
   前記泥土圧式掘削機構には、掘削土として排出される泥土をインバート部に埋め戻すための泥土搬送手段を付設してなることを特徴とするシールド掘削機。
3. 請求項２記載のシールド掘削機であって、
   泥土搬送手段には、泥土に固化材を混合して攪拌するための混合攪拌槽が備えられていることを特徴とするシールド掘削機。
4. 請求項２または３記載のシールド掘削機であって、
   泥土圧式掘削機構から排出される掘削土量がインバート部への埋め戻し土量に相当するように、該泥土圧式掘削機構による切羽中心部に対する掘削面積が設定されていることを特徴とするシールド掘削機。

Images