JP2006214189A

JP2006214189A - シールド工法における添加材の注入方法

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Publication number: JP2006214189A
Application number: JP2005028613A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Matoba; 一彦的場; Hidetaka Hasegawa; 英崇長谷川
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP4617909B2

Abstract

【課題】土圧分布に対応した均一な添加材の注入が可能なシールド工法における添加材注入方法を提供する。
【解決手段】シールド掘進機のチャンバー内土圧を圧力センサ３２で検知し、該検出土圧に基づいてカッタースポーク上に設けた添加材注入口１４からの添加材注入量を調節するに際し、該圧力センサ３２をチャンバーの上端部近傍と中央部との少なくとも２箇所以上に複数配置し、該添加材注入口１４の位置を該カッタースポークの回転角度から算出して、該注入口１４の位置に応じて複数の該圧力センサ３２の中から該注入口１４に近接する圧力センサを選択して、該選択した圧力センサ３２の検出土圧に基づいて該注入口１４からの添加材注入量を調節する。
【選択図】図４

Description

この発明は、シールド工法における添加材の注入方法に係わり、特に、シールド掘進機のチャンバー内の土圧に応じて添加材の注入量を制御して、土圧分布に対応した均一な添加材の注入が行えるようにした技術に関する。

シールド工法は、例えば都市土木等において、地下水の存在する地盤や軟弱な地盤に対するトンネルの構築工法として一般に採用されるもので、シールド掘進機の後方にセグメントによってトンネルの掘削内周面を覆う覆工体を形成するとともに、形成した覆工体から推進反力を得ながらシールド掘進機によって掘進作業を行ってゆくものである。

このシールド掘進機は多数のカッタービットが立設されたカッタースポークを回転させながら当該カッタースポークに対向する地山の被掘削土の切羽を切り崩し、その掘削土をカッタースポーク後方のチャンバー内に取り込んで、さらに当該チャンバの下部に設けたスクリューコンベアで後方に搬送排出しながら前進していく。

ここで、このような土圧式シールド工法では、切羽の安定化と掘削土の止水性・流動性の向上、切羽圧の変動の抑制等を目的として、上記カッタースポークに設けた注入口から気泡やベントナイト、粘土等の添加剤を切羽およびチャンバー内に注入することが行われている。即ち、カッタースポークに沿って径方向に一直線上に並ぶ複数の添加材注入口を設けて、推進量に見合った排土量や排土状況に応じて設定される所定量の添加材を、チャンバーを区画形成するバルクヘッドのほぼマシン中心位置に取り付けられた圧力センサで検出した検出土圧に基づいて制御して上記注入口から注入するようにしている。

また、上記チャンバー内の圧力を複数の圧力センサにより検出してその圧力勾配を求め、この圧力勾配と推定した地山圧力勾配との差に従って上記添加材の添加率を調整してチャンバーに向けてバルクヘッドの中心部に設けた注入口から注入するとともに、チャンバー内の土砂をチャンバー内圧力と推定した地山圧力との差に従って排出量を調整して掘進させるようにした技術が、下記特許文献１にて公知になっている。
特許第２７００４１１号公報

ところで、シールド掘進機は中型のものであっても、その直径は５ｍ程あり、大型のものになるとその直径は１０ｍを超える。よって、中型のシールド掘進機であっても、チャンバー内の上端部と下端部とでは土圧差はかなりのものとなる。このため、注入口からの添加材注入量をチャンバー内の上端部と下端部とで同一に設定していると、土圧が高い下端部側ではその注入抵抗が大きくて不足気味になる一方、土圧が低い上端部側ではその注入抵抗が小さいため過剰となってしまい、チャンバー内に添加材を均一に注入し難いという課題があった。また、当該課題は、上記特許文献１に示されるようにチャンバーの中心部に設けた注入口から添加材を注入する様な構成のものではより顕著になる。

そして、チャンバー内への添加材の注入量が不均一になると、掘削土砂の塑性流動性が悪くなり、チャンバー内やカッタースポークへの土砂の付着等が発生して、閉塞の原因ともなり得る虞がある。

また、特に、直径が１０ｍを超えるような大断面の大型のシールド掘進機になると、チャンバー内の上端部と下端部との土圧差は０．１ＭＰａにもなって非常に大きくなるため、上記課題はより深刻なものとなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、土圧分布に対応した均一な添加材の注入が可能なシールド工法における添加材注入方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明の請求項１に係る構成は、シールド掘進機のチャンバー内土圧を圧力センサで検知し、該検出土圧に基づいてカッタースポーク上に設けた添加材注入口からの添加材注入量を調節するに際し、該圧力センサをチャンバーの上端部近傍と中央部との少なくとも２箇所以上に複数配置し、該添加材注入口の位置を該カッタースポークの回転角度から算出して、該注入口の位置に応じて複数の該圧力センサの中から該注入口に近接する圧力センサを選択して、該選択した圧力センサの検出土圧に基づいて該注入口からの添加材注入量を調節することを特徴とする。

ここで、請求項２に示すように、前記チャンバー内が周方向に沿って左右対称な上部制御領域と中間部制御領域と下部制御領域とに分けられるとともに、該中間部制御領域と該下部制御領域とにはそれぞれ左右対称に複数の圧力センサが配置され、前記添加剤注入口が該上部領域内にあるときには、チャンバー内の上端部近傍に設けられた圧力センサからの出力値を制御土圧とし、該中間部領域内と該下部制御領域内とにあるときには、それぞれの領域内にある複数の圧力センサのうち検出土圧が最も小さい圧力センサの出力値を制御土圧とする構成になし得る。

上記のようにしてなる本発明のシールド工法における添加材注入方法によれば、断面に対して、土圧分布に対応した均一な気泡の注入が可能となる。このため、大断面であっても、ベアリング効果、塑性流動性の向上が図れ、カッタートルクの低減、閉塞防止が可能となる。

以下に、本発明に係るシールド工法における添加材注入方法の好適な一実施の形態について、添付図面に基づいて詳述する。

図１は土圧式シールド工法に用いるシールド掘進機の一例を示す概略側断面図である。同図に示すように、シールド掘進機２は多数のカッタービット４が立設されたカッタースポーク６を回転させて、当該カッタースポーク６に対向する地山の被掘削土の切羽を切り崩し、その掘削土をカッタースポーク６後方のチャンバー７内に取り込んで、さらにスクリューコンベア８で後方に搬送排出しながら前進していくものであり、推進用のジャッキ１０を反力受けに当接させた状態で伸長させることによって前進力を得るようになっている。この反力受けは、シールド掘進機２の後方に形成されるトンネルＴの掘削内周面を覆って逐次セグメント１２ａで組み立てられて行くに覆工体１２が利用される。

そして、その掘進に際しては、切羽の安定化と掘削土の止水性・流動性の向上、切羽圧の変動の抑制等を目的として、カッタースポーク６に設けられた添加材注入口１４から切羽に向けて添加材が注入されるようになっている。当該実施の形態では、添加材には気泡が用いられている。この気泡は起泡材に空気を混合発泡させてなるもので、起泡材は地上に設置された起泡材生成プラント１６から立坑１８を通じてシールド掘進機２後方のトンネルＴ内に供給されてくる。

トンネルＴ内には、地上から送られてくる起泡材を貯留する起泡材坑内貯留槽２０と、この貯留槽２０内の起泡材を圧送する起泡材注入ポンプ２２、起泡材に混合する空気を圧送するコンプレッサ２４、起泡材の注入量と空気の混合量とを調節する注入ユニット２６、この注入ユニット２６の作動を制御する気泡注入制御装置２８、及び発泡装置３０等とからなる気泡材注入手段３１が設けられている。上記注入ユニット２６で調量された起泡材と空気とは、それぞれ独立したラインを通じてシールド掘進機２内のバルクヘッド７ａ後方に設けられている発泡装置３０に送られて発泡された後、カッタースポーク６に設けられた注入口１４から切羽に向けて発泡された気泡材が注入されるようになっている。また、コンプレッサ２４及び気泡注入制御装置２８は、中央制御装置からの指令信号によって作動制御されるようになっている。

図２はシールド掘進機２の前端面を示す正面図であり、図３は図２中のIII−III線矢視部の断面図、図４は図３中のIV−IV線矢視部の断面図である。図２に詳しく示すように、この実施の形態にあっては、カッタースポーク６は、中心部から半径方向に６０度間隔で放射状に延びるメインカッタースポーク６ａと、これらのメインカッタースポーク６ａ間に位置されて、径方向の外周側に放射状に設けられた半径の約半分程の長さのサブカッタースポーク６ｂとからなっている。これらのカッタースポーク６を図示する１２時の方向から逆時計回り方向に順次Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２までの番号を付すと、気泡材の注入口１４は回転中心部に１つ（14-1）と、Ｎｏ．３スポークに１つ（14-2）、Ｎｏ．７スポークに２つ（14−3，14−4）、Ｎｏ．１１スポークに１つ（14-5）の合計５つが設けられており、これらの注入口１４（１〜６）はマシン中心部からの距離が相互に異ならされている。

また、図４に示すように、チャンバーの背面を画成するバルクヘッド７ａには、９つの圧力センサー３２が配置されている。これら圧力センサ３２は交換可能な３つの交換型圧力センサ３２ａ（１〜３）と、交換不可な６つの固定型圧力センサ３２ｂ（１〜６）とからなっている。即ち、交換型圧力センサ３２ａは、マシン中芯を通る縦軸上に上端部側に位置されて１つ（32ａ-1）と、横軸上にその径方向外側部寄りに位置されて左右に１つずつ（32ａ-2，32ａ-3）配置されている。また、固定型圧力センサ３２ｂは、マシン中芯を通る縦軸を基準に上端と下端とからそれぞれ左右に５０度回転した位置の径方向外側寄りに４つ（32ｂ-1，32ｂ-2，32ｂ-3，32ｂ-4）が配置され、マシン中芯を通る横軸上に半径の１／３程の箇所に位置して左右に２つ（32ｂ-5，32ｂ-6）が配置されている。なお、同図中に仮想線の引き出し線で１４（1〜6）の符合を付してあるものは、図２に示してある注入口の位置を示している。

図５は５つの注入口１４（1〜5）のそれぞれに繋がれた気泡材注入手段３１とその制御系を概略的に示すブロック図である。図示するように、各気泡材注入手段３１の気泡注入制御装置２８は起泡材注入ポンプ２２のポンプ回転数を制御するとともに、注入ユニット２６のエアーバルブ開度とを制御して、起泡材流量と空気流量とを調節するようになっており、その調節量は中央制御装置４０からの指令信号に基づいて算出されるようになっている。即ち、中央制御装置４０はシールド掘進機２の掘削スピードと土圧とに応じて気泡材の発泡倍率と注入率とを設定し、この設定値に基づいて空気流量と起泡材流量とを算出して気泡注入制御装置２８に当該算出値を指令信号として送るようになっている。なお、気泡流量と空気流量及び起泡材流量は一般的に下式のようにして算出する。
気泡流量＝断面積×（掘削速度／１０００）×（注入率／１００）×１０００
空気流量＝気泡流量×（発砲倍率−１）／発泡倍率×（１＋制御土圧×１０）
起泡材流量＝気泡流量／発砲倍率

ところで、中央制御装置４０は各注入口からの気泡流量および当該気泡流量となすための空気流量と起泡材流量とを算出するに当たり、制御土圧を各々の注入口の位置により変更するようにしている。即ち、中央制御装置４０は各添加材注入口１４（14-1〜14-5）の位置をカッタースポーク６の回転角度から算出し、各々の注入口１４（14-1〜14-5）の位置に応じて複数の圧力センサの中からそれぞれの注入口１４（14-1〜14-5）に近接する圧力センサ３２（32ａ-1〜32a-3、32ｂ-1〜32ｂ-6）を選択して、当該選択した圧力センサ１４の検出土圧に基づいてそれぞれの注入口１４（14-1〜14-5）からの添加材注入量を算出して、その算出値を各注入口に繋がれる気泡材注入手段３１の気泡注入制御装置２８に指令信号として送信し、気泡注入制御装置２８はその算出値に応じて、起泡材注入ポンプ２２のポンプ回転数を制御するとともに、注入ユニット２６のエアーバルブ開度とを制御して、起泡材流量と空気流量とを調節するようになっている。

即ち、当該実施の形態では図４に示すように、マシン中心を通る鉛直線を基準にして、上端位置（１２時位置）から周方向に±５０度の範囲を上部制御領域とし、下端位置（６時位置）から周方向に±５０度の範囲を下部制御領域とし、これら上部制御領域と下部制御領域とに挟まれた範囲を中間部制御領域としている。そして、注入口１４（14-2〜14-5）が設けられたカッタースポーク（Ｎｏ．３，Ｎｏ．７，Ｎｏ．１１）６ａが上部制御領域に入った場合には、当該カッタースポークに設けられた注入口１４（14-2〜14-5）の制御土圧は、バルクヘッド７ａの上端に設けれた圧力センサ３２ａ−１からの出力値を選択して採用するようになっている。また、下部領域に入っている場合には、圧力センサ３２ｂ−３または３２Ｂ−４からの出力値のいずれか低い方を制御土圧として採用するようになっている。さらに、左右の中間部制御領域に入っている場合には、それぞれ外周寄りの圧力センサ３２ａ−２または３２ａ−３からの出力値を制御土圧として採用するようになっている。

つまり、前記チャンバー７内が周方向に沿って左右対称な上部制御領域と中間部制御領域と下部制御領域とに分けられるとともに、中間部制御領域と下部制御領域とにはそれぞれ左右対称に複数の圧力センサ３２ａ−２，３２ａ−３，３２ｂ−１，３２ｂ-２，３２ｂ−３，３２ｂ-４が配置される。

ここで、前記添加剤注入口１４が上部領域内にあるときには、チャンバー７内の上端部近傍に設けられた圧力センサ３２ａ−１からの出力値を制御土圧とし、中間部領域内と下部制御領域内とにあるときには、それぞれの領域内にある複数の圧力センサ３２ａ−２，３２ａ−３，３２ｂ−１，３２ｂ-２，３２ｂ−３，３２ｂ-４のうち、検出土圧が最も小さい圧力センサの出力値を制御土圧としても良い。また、各領域内に設置されている複数のセンサの出力値を平均してこれを制御土圧として採用するようにしても良い。

あるいは、注入口１４（14-2〜14-5）が設けられているカッタースポーク（Ｎｏ．３，Ｎｏ．７，Ｎｏ．１１）６ａのそれぞれの回転角度に応じて、当該カッタースポーク（Ｎｏ．３，Ｎｏ．７，Ｎｏ．１１）６ａに設けられているそれぞれの注入口１４（14-2〜14-5）に最も近接している圧力センサからの出力値を各々の注入口の制御土圧として採用する様にしても良い。

なお、固定型圧力センサ３２ｂ−１，３２ｂ−２，３２ｂ−５，３２ｂ−６の４つが使用されていないが、これらは故障時のバックアップ用として、及び状況に応じてより適切な制御を行う際に適宜切替られて使用されるようになっている。

本発明を適用する土圧式シールド工法に用いるシールド掘進機の概略構成を示す側断面図である。図２はシールド掘進機２の前端面を示す正面図である。図２中のIII−III線矢視部の断面図である。図３中のIV−IV線矢視部の断面図である。気泡材注入手段とその制御系を概略的に示すブロック図である。

符号の説明

２シールド掘進機
６カッタースポーク
７チャンバー
８スクリューコンベア
１０推進ジャッキ
１２覆工体
１４気泡注入口
１６起泡材生成プラント
２０起泡材坑内貯留槽
２２注入ポンプ
２４コンプレッサ
２６注入ユニット
２８気泡注入制御装置
３１気泡材注入手段
３２圧力センサ

Claims

シールド掘進機のチャンバー内土圧を圧力センサで検知し、該検出土圧に基づいてカッタースポーク上に設けた添加材注入口からの添加材注入量を調節するに際し、
該圧力センサをチャンバーの上端部近傍と中央部近傍との少なくとも２箇所以上に複数配置し、該添加材注入口の位置を該カッタースポークの回転角度から算出して、該注入口の位置に応じて複数の該圧力センサの中から該注入口に近接する圧力センサを選択して、該選択した圧力センサの検出土圧に基づいて該注入口からの添加材注入量を調節することを特徴とするシールド工法における添加材の注入方法。
前記チャンバー内が周方向に沿って左右対称な上部制御領域と中間部制御領域と下部制御領域とに分けられるとともに、該中間部制御領域と該下部制御領域とにはそれぞれ左右対称に複数の圧力センサが配置され、前記添加剤注入口が該上部領域内にあるときには、チャンバー内の上端部近傍に設けられた圧力センサからの出力値を制御土圧とし、該中間部領域内と該下部制御領域内とにあるときには、それぞれの領域内にある複数の圧力センサのうち検出土圧が最も小さい圧力センサの出力値を制御土圧とすることを特徴とする請求項１記載のシールド工法における添加材の注入方法。