JP2007170072A - 泥水式掘進機の閉塞解除装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切羽の圧力の開放を要することなく、簡易かつ安価に排泥手段の閉塞を解除することを可能とした泥水式掘進機の閉塞解除装置を提供すること。
【解決手段】泥水式掘進機１の排泥手段１４に構成されて、この排泥手段１４の排泥バルブ１４ｂとチャンバ１２の掘削土砂の排出口１４ａとを連通する流路を備えた閉塞解除装置３０であって、この流路が、外管の内部に構成された内管であり、この内管が、複数のピースに分割されていて、少なくとも一つのピースを外管側に移動させることにより内管の流路面積が拡幅される。
【選択図】図１

Description

本発明は、泥水式掘進機に構成された排泥手段の閉塞解除装置に関する。

シールド工法や推進工法には、切羽に高比重、高粘度の泥水を送泥し、この泥水の泥水圧により切羽の安定を保持した状態で地山を切削する泥水式がある。
このようなシールド工法または推進工法において発生した掘削土砂は、掘進機のチャンバ内に取り込まれた後、泥水と混合されることにより液状態で排泥管を介して坑外へと排出される。

ところが、掘削土砂に比較的大きな形状の礫や土塊等（以下、単に「大礫等」と称する）が含まれている場合、これらの大礫等を排泥管（排泥手段）に取り込むことができず、坑外へと搬出できない場合があった。従来、このように大礫等がチャンバ内に入り込んだ場合には、作業員がチャンバ内に入って、取り除く方法がとられていた。この場合、チャンバ内の泥水圧を一旦開放する必要があり、また、泥水圧の開放に伴い切羽の保持を目的とした薬液注入等の補助工法が必要となるため、工期が長期化することや工費が高価となるという問題点を有していた。

このため、特許文献１には、チャンバ内に大礫等が入り込んだ場合においても、チャンバ内の圧力を維持した状態で、チャンバ内に入り込んだ巨大な礫等を排出することを可能としたシールド掘進機として、図７に示すように、シールド掘進機１０１のチャンバ１１２内に、排泥管１１３の排出口１１４よりも大きな礫等を収容するストーンボックス１１１が設けられたシールド掘進機１０１が開示されている。そして、このストーンボックス１１１の坑口側には、図示しない開閉扉が形成されており、この開閉扉からストーンボックスに収容された礫を排出することにより、圧力を維持した状態で大礫等の除去を可能としている。
特開２００３−３２８６７９号公報（［００１３］−［００３６］、図１−図３）

ところが、掘削土砂に含まれる大礫等の形状は、例えば、直方体状や楕円状等、その向きにより異なっている場合が多く、一旦、排出口１１４を挿通して排泥管１１３へ入り込んでも、排泥管１１３の内部において向きが変化することにより、排泥管１１３を閉塞する場合があった。
一方、特許文献１に記載のシールド掘進機１０１は、排泥管１１３の排出口１１４に入り込むことができないチャンバ１１２内の大礫等を回収することは可能としているものの、一旦、排泥管１１３に入り込んだ大礫等が排泥管１１３内において詰った場合に関しては、排泥管１１３の連結部を取り外す以外に対応する手段がない、という問題点を有していた。

このような、従来の泥水式掘進機（シールド掘進機１０１）において、大礫等による排泥管１１３の閉塞箇所が、閉塞手段である排泥バルブ１１５よりも坑口側Ｅであれば、排泥バルブ１１５を閉じることで、大礫等の撤去作業を、泥水圧を維持した状態で行うことが可能となり、工期や工費に大きな影響をきたすことはない。しかし、閉塞箇所が、排泥管１１３の排出口１１４と排泥バルブ１１５との間の場合は、大礫等の撤去作業のために、泥水圧を一旦開放する必要があり、前記と同様に、切羽の安定の維持に伴う補助工法を要する等の問題点が生じる。

ここで、推進工法とは、トンネルの覆工となる筒状の推進函体を坑口から順次地中に圧入してトンネルを構築する工法である。なお、推進函体の先端には、刃口や掘進機などが取り付けられている。推進工法の掘進機は、推進函体に反力をとって自ら掘進するもの（つまり、推進ジャッキを装備しているもの）でもよいし、推進函体を介して伝達された元押しジャッキの推力により掘進するものであってもよい。一方、シールド工法とは、トンネル切羽に設置された掘進機で地山を掘削するとともに、掘進機の内部でトンネル覆工となるセグメントを組み立ててトンネルを構築する工法である。なお、シールド掘進機は、その内部で組み立てられたセグメントに反力を取って自ら掘進する。

このような観点から、本発明は、切羽の圧力の開放を要することなく、簡易かつ安価に排泥手段の閉塞を解除することを可能とした泥水式掘進機の閉塞解除装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決すべく創案された本発明の泥水式掘進機の閉塞解除装置は、泥水式掘進機の排泥手段に構成されて、前記排泥手段の排泥バルブとチャンバの掘削土砂の排出口とを連通する流路を備えており、前記流路の流路面積が、拡幅可能であることを特徴としている。

かかる泥水式掘進機の閉塞解除装置によれば、閉塞解除手段の内部において、大礫等が挟まることで排泥手段が閉塞し、トンネル施工に影響をきたすことがあっても、当該閉塞解除手段により、流路面積を拡幅することが可能なため、大礫等と排泥手段との間に隙間が生じて、当該閉塞箇所の解除が可能となる。そして、この閉塞解除手段によれば、切羽への泥水圧力を維持した状態で、礫の排除を行うことができるため、排泥管の閉塞により、工期の長期化や工事費が向上することがなく、好適である。

また、前記泥水式掘進機の閉塞解除装置において、前記流路が、外管の内部に構成された内管であり、前記内管が、複数のピースに分割されていて、少なくとも一つの前記ピースを前記外管側に移動させることにより前記内管の流路面積が拡幅される構成であれば、構造が簡易なため、この閉塞解除装置の製造や取り扱いが容易となり、好適である。

また、前記泥水式掘進機の閉塞解除装置が、前記外管または前記内管の内部に蓄積された掘削土砂に対してジェット水を噴射可能に設けられたジェット管を備えていれば、閉塞解除装置による拡径（拡幅）に支障をきたす場所に掘削土砂（泥水）が浸入しても、ジェット管からジェット水を噴射することにより洗浄することで、掘削土砂（泥水）を排除することが可能となるため、好適である。

また、前記泥水式掘進機の閉塞解除装置が、前記排出口方向に伸張する排出口ジャッキを備えていれば、排泥管の排出口が礫により閉塞された場合に、当該ジャッキにより排出口を塞ぐ礫を排除することが可能となるため好適である。

本発明の泥水式掘進機の閉塞解除装置によれば、掘削土砂が含有する大型の礫や土塊等により排泥管が塞がることがあっても、切羽の圧力の開放を要することなくこの閉塞箇所を解除することが可能なため、切羽の圧力の開放や、切羽の圧力の開放に伴う各種補助工法を必要とせず、これに要する手間や費用を省略することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
ここで、図１は、本実施形態に係る泥水式掘進機を示す縦断面図である。図２（ａ）は泥水式掘進機の正面図（Ａ視図）、図１に示す泥水式掘進機のＢ断面図、図２（ｂ）は、図１に示す泥水式掘進機のＢ断面図である。図３は、本実施形態に係る閉塞解除装置を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。また、図４は、図３に示す閉塞解除装置による拡径時を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。さらに図５（ａ）および（ｂ）は、排出口ジャッキを示す縦断面図である。

本実施形態に係る泥水式掘進機１は、シールドトンネル施工に使用する掘進機であって、図１に示すように、掘進機本体１０と掘進機本体１０の前面に配設されて地山を切削するカッタヘッド２０とから構成されている。

掘進機本体１０は、図１に示すように、掘進機本体１０の外周囲を覆う外殻部材１１と、掘進機本体１０の内部であって、カッタヘッド２０の背後（切羽と反対側）に形成されてこのカッタヘッド２０による切削に伴い発生する掘削土砂を一時的に収容するチャンバ１２と、チャンバ１２内および切羽Ｋに泥水を供給する送泥手段１３と、チャンバ１２に収容された掘削土砂を坑外へと搬送する排泥手段１４と、を備えている。また、掘進機本体１０の内部には、さらにカッタヘッド２０のセンターシャフト２１とこのセンターシャフト２１に回転力を付与するモータ２２が収容されている。

外殻部材１１は、図１および図２（ｂ）に示すように、鋼板を円筒状に形成することにより掘進機本体１０の周囲を覆い、内部の各設備や部材等を保護する部材であって、掘進機本体１０の縦断方向略中間部において前側外殻１１ａと後側外殻１１ｂとに２分割されている。図１に示すように、外殻部材１１は、前側外殻１１ａの後端部に後側外殻１１ｂの先端部が内装された状態で、中折れジャッキ１５を介して曲線線形に対応可能に連結されている。なお、外殻部材１１の断面形状は、円形に限定されないことはいうまでもなく、例えば矩形や楕円形等、構築される地下構造物の計画に応じて、適宜設定すればよい。また、掘進機本体１０の分割数は、限定されないことはいうまでもなく、３分割以上に分割されていても分割されていなくてもよい。

チャンバ１２は、図１に示すように、カッタヘッド２０の背後であって、掘進機本体１０の先端部において隔壁１２ａにより分離された空間である。チャンバ１２では、カッタヘッド２０によって切削された掘削土砂が収納されて、送泥手段１３を介して送泥された泥水と掘削土砂とを混合する。チャンバ１２の内部において、泥水と混合された掘削土砂は、泥水とともに、排出口１４ａ（図２（ｂ）参照）から排泥手段１４へ排出される。ここで、チャンバ１２の容量は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

送泥手段１３は、坑口Ｅから泥水を切羽Ｋへ送泥する手段であって、トンネルの坑外（坑口Ｋ側）から配管された管路である。そして、送泥手段１３により送泥される泥水は、切羽Ｋの崩壊防止を目的として、切羽Ｋおよびチャンバ１２内において、所定の圧力を維持することが可能な流量で送泥される。さらに、送泥手段１３により送泥された泥水は、チャンバ１２内において掘削土砂と混合された後、排泥手段１４を介して坑口Ｅへと送泥される。
本実施形態では、送泥手段１３として、鋼管を使用するものとするが、送泥手段１３を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよい。また、送泥手段１３を構成する鋼管の内径は、切羽Ｋの崩壊防止のために必要な泥水圧や切羽の断面形状により設定される泥水の流量に応じて適宜設定すればよい。

排泥手段１４は、図１に示すように、カッタヘッド２０による切削に伴い発生した掘削土砂を坑口Ｅへと搬送する管路（流路）であって、チャンバ１２内の掘削土砂を取り込み可能に設けられた排出口１４ａと、排出口１４ａから所定長離れた位置に配設された排泥バルブ１４ｂと、排泥バルブ１４ｂから図示しない坑外の貯泥槽にまで配管された排泥管１４ｃと、排出口１４ａと排泥バルブ１４ｂとの間に配設された閉塞解除装置３０とを備えている。

閉塞解除装置３０は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、排出口１４ａと排泥バルブ１４ｂとを連通する管路（流路）であって、断面視略円形に形成された内管３２と、この内管３２を囲うように配置された断面視略円形の外管３１とを備えた二重管構造からなる。

外管３１の前後の端部には、図３（ｂ）に示すように、それぞれフランジ３６が形成されており、ボルトとナットＢＮを利用して、隔壁１２ａおよび排泥バルブ１４ｂに接合されている。なお、閉塞解除装置３０の設置の際に、フランジ３６と隔壁１２ａおよびフランジ３６とバルブ１４ｂのフランジとの間には、公知の止水材（例えば、グリスやシール材等）が介在されて、泥水の漏出が防止されていることはいうまでもない。

内管３２は、図３（ａ）に示すように、内管３２の上下方向略中央において上部材（ピース）３２ａと下部材（ピース）３２ｂとに分割されている。なお、上部材３２ａおよび下部材３２ｂは、それぞれ断面視略半円形状に形成されており、下部材３２ｂの上端には、左右に延設して外管３１の内面に固定されるフランジ部３２ｃが形成されている。

また、閉塞解除装置３０の外管３１の上部には、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、その先端が内管３２の上部材３２ａの上面に固定された閉塞解除ジャッキ３３が、前後（閉塞解除装置３０の縦断方向）に２箇所および左右（閉塞解除装置３０の横断方向）に２箇所の計４台配設されている。そして、内管３２の上部材３２ａは、これらの閉塞解除ジャッキ３３が収縮することにより上昇し、外管３１側に移動することで、内管３２の内空断面積が拡幅される（図４（ａ）および（ｂ）参照）。なお、本実施形態では、前後２箇所左右２箇所の計４台の閉塞解除ジャッキ３３を配置するものとしたが、例えば、前後２箇所の１列配置や中央に１台のみ配置してもよく、閉塞解除ジャッキ３３の設置台数は限定されるものではない。

また、閉塞解除装置３０は、図３（ａ）に示すように、外管３１の左右を貫通し、閉塞解除装置３０の内部へのジェット水の噴射が可能となるように、内管３２のフランジ部３２ｃの外管３１の内面との接続箇所の直上に対応する箇所に、ジェット管３４を備えている。なお、ジェット管３４の本数や、形状等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

さらに、閉塞解除装置３０は、図３（ｂ）に示すように、閉塞解除装置３０の下部から、排出口１４ａ方向に伸張する排出口ジャッキ３５を備えている。なお、排出口ジャッキ３５の設置箇所は、閉塞解除装置３０の下部に限定されないことはいうまでもなく、例えば上部に配置されていてもよい。また、排出口ジャッキ３５の形式や設置数も限定されないことはいうまでもなく、適宜設定すればよい。

カッタヘッド２０は、図１および図２（ａ）に示すように、スポーク形であって、カッタヘッド２０の後面の中心には、後方向に突出された円柱状のセンターシャフト２１が構成されている。そして、このセンターシャフト２１は、掘進機本体１０の内部に配置されたモータ２２に取り付けられており、カッタヘッド２０は、モータ２２の動力によりセンターシャフト２１に回転力が付与されることで回転し、地山の切削を行う。
なお、本実施形態では、カッタヘッド２０として、スポーク形を採用するものとしたが、カッタヘッド２０の形式は、スポーク形に限定されるものではなく、面板形でもよいことはいうまでもない。また、カッタヘッド２０の支持方式として、センター支持方式を採用するものとしたが、中間支持方式や外周支持方式でもよく、カッタヘッド２０の支持方式が限定されないことはいうまでもない。また、カッタヘッド２０の動力として使用されるモータ２２の形式や数量等は限定されるものではなく、カッタヘッド２０の形式や掘削断面積や地山状況等に応じて適宜設定すればよい。さらに、本実施形態では、カッタヘッド２０の回転により地山の切削を行うこととしたが、揺動により地山の切削する形式のカッタヘッドを使用してもよい。

本実施形態に係る泥水式掘進機１は、ベントナイトを主体とし、高比重・高粘度に生成された泥水を、図示しない送泥ポンプの圧送力により、送泥手段１３を介して坑口Ｅから切羽Ｋへと送泥し、切羽Ｋの安定を保持した状態で、カッタヘッド２０により切削を行う。なお、本実施形態では、ベントナイト泥水を使用するものとしたが、泥水の成分は限定されるものではなく、切羽Ｋの安全性を維持することが可能な比重および粘度を有したものであれば、適宜公知の材料を使用可能である。

カッタヘッド２０により切削された掘削土砂は、一旦、チャンバ１２内に収容されて、このチャンバ１２の内部において、泥水と混合撹拌された後、排泥手段１４を介して坑口Ｅ方向へ圧送される。なお、排泥手段１４による掘削土砂の圧送は、切羽Ｋに付与された泥水圧により行われるが、必要に応じて、トンネルの坑外に吸引ポンプを配置して、吸引してもよい。

カッタヘッド２０の切削に伴い発生した掘削土砂に、大形状の礫は土塊等（以下、単に「大礫等Ｒ」と称する）が含有されており、この大礫等Ｒが、例えば、断面視略楕円形状であって、その長径が排泥手段１４の内径よりも大きく、排泥手段１４内へ浸入した後、その向きが変更したことにより、排泥手段１４の内部を閉塞した場合（図３（ａ）または（ｂ）参照）は、切削作業を一旦停止し、以下の要領により大礫等Ｒを除去する。

大礫等Ｒが、排泥バルブ１４ｂよりも坑口Ｅ側の排泥管１４ｃにおいて排泥手段１４を閉塞した場合は、排泥バルブ１４ｂを閉じることにより切羽Ｋへ泥水圧を保持した状態で、排泥管１４による掘削土砂の排出を停止する。次に、排泥管１４ｃへの打音調査により、閉塞箇所を探しだした後、閉塞箇所近傍において一旦、排泥管１４ｃを分割して、大礫等Ｒを取り出す。大礫等Ｒを取り出したら、再び排泥管１４ｃを連結した後、排泥バルブ１４ｂを開放して、切削作業を再開する。

大礫等Ｒの閉塞箇所が、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、閉塞解除装置３０の内部の場合は、閉塞解除ジャッキ３３を収縮させることにより、大礫等Ｒを取り除く。つまり、閉塞解除ジャッキ３３を収縮させることにより、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、上部材３２ａが上昇するため、大礫等Ｒと内管３２との間に隙間が形成されて、大礫等Ｒの移動が可能となる。そして、大礫等Ｒは、チャンバ１２から排出された他の掘削土砂等とともに、排泥手段１４を介して坑外へと排出される。なお、閉塞解除ジャッキ３３を収縮させた状態で、泥水を逆流させることにより、大礫等Ｒをチャンバ１２内へ戻してもよい。

ここで、閉塞解除ジャッキ３３を収縮させることにより、上部材３２ａと下部材３２ｂとの間に形成された隙間から、外管３１と内管３２との隙間に掘削土砂（砂礫等を含む）が浸入した場合は、ジェット管３４からジェット水を噴射することにより、外管３１と内管３２との隙間に蓄積された掘削土砂（砂礫等）を排除する。

さらに、大礫等Ｒが、図５（ａ）に示すように、排出口１４ａにおいて詰った場合には、図５（ｂ）に示すように、排出口ジャッキ３５を伸張させることにより、この大礫等Ｒを除去する。

このように、本実施形態に係る泥水式掘進機１によれば、排泥手段１４が、閉塞解除装置３０を備えているため、排泥手段１４の内部において、大礫等Ｒが管路を閉塞しても、切羽Ｋへの泥水圧を開放することなく、大礫等Ｒの除去を行うことを可能としている。このため、切羽Ｋの泥水圧の開放に伴い、切羽Ｋの安定のための補助工法を施す必要がなく、施工性および経済性さらに安全性に優れている。

また、閉塞解除装置３０がジェット管３４を備えているため、閉塞解除装置３０の内部の洗浄も切羽Ｋの泥水圧を開放することなく行えるため、好適である。

また、チャンバ１２からの排出口１４ａにおいて、大礫等Ｒが詰った場合にも、排出口ジャッキ３５により泥水圧を開放することなく容易に閉塞箇所を開放することが可能なため、好適である。

また、閉塞解除装置３０は、フランジ３６をボルトとナットＢＮを介して螺合することにより、固定されるため、取り外しが可能であり、他の泥水式掘進機への汎用が可能なため、泥水式掘進機毎に製造する必要がなく、経済的に優れている。

以上、本発明に係る好適な実施の形態について説明したが、本発明は前記の各実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、シールド掘進機について説明をしたが、本発明に係る泥水掘進機の閉塞解除装置は、推進工法における推進機にも適用可能であることはいうまでもない。

前記実施形態では、閉塞解除装置３０を２重管構造とし、外管３１および内管３２ともに、断面略円形の管材から構成するものとしたが、閉塞解除装置３０の構成は適宜変更可能であることはいうまでもなく、例えば、図６に示すように、上部材３２ａ’を門型の部材により構成して、上部材３２ａ’の上昇に伴い、外管３１’と内管３２’の間に泥水が浸入することがないように構成してもよい。また、閉塞解除装置３０は、断面視矩形状の管材により構成してもよく、閉塞解除装置３０の形状は限定されるものではない。

また、前記実施形態に示す閉塞解除装置は、内管の上部材が上昇することにより内管を拡径する構成であったが、例えば、閉塞解除ジャッキが閉塞解除装置の下部に配設されていて下部材が下降する構成や、内管が左右に分割されていて横方向に拡径する構成でもよく、閉塞解除装置の構成は、限定されるものではない。また、内管の分割数は２分割に限定されるものではなく、３分割以上に分割されていてもよい。

また、前記実施形態では、他の泥水式掘進機への汎用が可能となるように、フランジを介して、ボルトとナットにより閉塞解除装置を取り外し可能に泥水式掘進機に設置するものとしたが、閉塞解除装置の固定方法は限定されるものではなく、汎用する必要がない場合には、例えば溶接接合などにより固定してもよく、適宜公知の手段から選定して行えばよい。

また、ジェット管は、必要に応じて設置すればよく、必ずしも配置する必要はない。同様に、排出口ジャッキは、必要に応じて設置すればよく、必ずしも配置する必要はない。

本実施形態に係る泥水式掘進機を示す縦断面図である。 （ａ）は、図１に示す泥水式掘進機の正面図、（ｂ）は、図１に示す泥水式掘進機のＢ断面図である。 本実施形態に係る閉塞解除装置を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 図３に示す閉塞解除装置による拡径時を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、排出口ジャッキを示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、閉塞解除装置の変形例を示す図である。 従来の掘進機を示す縦断図である。

符号の説明

１ 泥水式掘進機
１０ 掘進機本体
１２ チャンバ
１３ 送泥手段
１４ 排泥手段
１４ａ 排出口
１４ｂ 排泥バルブ
２０ カッタヘッド
３０ 閉塞解除装置
３１ 外管
３２ 内管
３３ 閉塞解除ジャッキ
３４ ジェット管
３５ 排水口ジャッキ

Claims (4)

1. 泥水式掘進機の排泥手段に構成されて、前記排泥手段の排泥バルブとチャンバの掘削土砂の排出口とを連通する流路を備えた閉塞解除装置であって、
   前記流路の流路面積が、拡幅可能であることを特徴とする、泥水式掘進機の閉塞解除装置。
2. 前記流路が、外管の内部に構成された内管であり、
   前記内管が、複数のピースに分割されていて、少なくとも一つの前記ピースを前記外管側に移動させることにより前記内管の流路面積が拡幅されることを特徴とする、請求項１に記載の泥水式掘進機の閉塞解除装置。
3. 前記外管または前記内管の内部に蓄積された掘削土砂に対して、ジェット水を噴射可能に設けられたジェット管を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の泥水式掘進機の閉塞解除装置。
4. 前記排出口方向に伸張する排出口ジャッキを備えていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の泥水式掘進機の閉塞解除装置。

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