JP2009002106A - 圧入推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】土砂を圧密すると共に間隙水を排除して地中にトンネルを構築する圧入推進装置に於いて、ローター部分に於ける土砂の混練を減少させると共に付着を少なくし、且つ付与すべき推力を軽減する。
【解決手段】圧入推進装置Ａは、略円筒形に形成されたシールド本体１と、シールド本体１の前面に回転可能に配置されたローターヘッド３と、シールド本体１の内部に配置されローターヘッド３を駆動する駆動装置４と、略円錐形に形成されローターヘッド３に回転可能に支持された複数のコーンローター２と、を有し、複数のコーンローター２は、夫々の軸心２ｄがシールド本体１の軸心Ｏの延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置Ｐからシールド本体１側に向かって軸心Ｏからの距離が大きくなるように傾斜して配置されると共に頂部２ａが軸心の交差位置Ｐ側に互いに接近して配置されているものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、土砂を圧密して地中にトンネルを構築する際に用いる圧入推進装置に関するものである。

地中にトンネルを構築し、このトンネルにヒューム管や合成樹脂管を含む管を敷設して管路を構成することが行われている。この場合、地盤を掘削して土砂を排除することでトンネルを構築する排土工法と、土砂を圧密して排土することなくトンネルを構築する無排土工法とがあり、トンネルの目的や地盤の特性に対応させて選択的に施工されている。

無排土工法を実施するためのシールド装置は、筒状のシールド本体の前方に配置された略円錐形のローターと、該ローターを偏心回転させる駆動機構と、を有して構成されている。そして、ローターを偏心回転させることで該ローターの外周面によって土砂を圧密しつつシールド装置を推進すると共に間隙水を排出することで、地盤を拡径して所定の径を持ったトンネルを構築することができる。

しかし、上記シールド装置によって無排土でトンネルを構築する場合、ローターの先端部分も偏心回転するため、前進する方向が安定しないという問題や、ローターの外周面に土砂が付着してしまうという問題が生じており、これらの問題を解決するためのシールド装置が提案されている。

前進方向を安定させたシールド装置として、例えば特許文献１に記載されたものが提案されている。このシールド装置は、筒状のシールド本体にこれの軸線の周りに回転可能に支持されたシャフトと、シールド本体より前方の領域に配置されシャフトに回転可能に支持されたローターと、シャフトを回転させる駆動機構を含み、ローターは、略円錐形の外表面と、シールド本体の側の部位ほどシャフトの回転軸からシールド本体の半径方向外方へ離れるように、ローターの先端部付近においてシャフトの回転軸線と交差する回転軸線とを有するものである。

上記シールド装置では、ローターの回転軸線がシャフトの回転軸線に対して傾斜しているため、ローターが偏心回転しても該ローターの先端部はシャフトの回転軸心から大きく偏心することがない。このため、シールド装置の前進方向がロータの先端に当接する地盤の性状の影響を受けにくく、シールド装置の前進方向を安定させることができる。

またローターに対する土砂の付着を軽減させたシールド装置として、例えば特許文献２に記載されたものが提案されている。このシールド装置は、略円錐形の外表面を共同して形成する複数のローターを筒状のシールド本体の前方に前後方向に隣り合って及び互いに反対の側に偏心させて配置し、シールド本体とローターを、及び隣り合うローターを歯車機構により係合させて、駆動手段によるローターの旋回運動に伴ってローターに自身の回転軸線の周りの回転運動を生じさせ、それによりローターに付着した土砂をその周囲の地盤に付着させるようにしたものである。

上記シールド装置では、夫々のローターが歯車機能により係合しているため、シャフトを回転させることによって夫々のローターは強制回転させられる。このため、ローターの外周面は地盤に対して滑りを生じることとなり、外周面に付着した土砂が大きなブロックに成長することがなく、円滑な推進を実現することができる。

特開平８−１５８７９４号公報 特開平１１−３１５６９１号公報

特許文献１、２のシールド装置では、ローターの外周面が所定面積で地盤に圧接して圧密しつつシールド本体を推進することでトンネルを構築することができる。しかしながら、土砂の混練を全くなくすことはできず、且つローターに土砂が付着することを全くなくすことはできないという問題がある。

また、シールド装置を推進するのに大きい推力が必要となっており、この推力を小さくすることが要求されている。

本発明の目的は、コーンローターに於ける土砂の混練を減少させると共に付着を少なくし、且つ推力を軽減することができる圧入推進装置を提供することにある。

本件発明者は無排土工法を実施する圧入推進装置の開発に長年携わってきている。そして、特許文献１、２に記載されたシールド装置を含む従来のシールド装置に於ける上記問題を解決すべく引き続き開発を行っている。その結果、ローターの土砂に対する接地圧を高くすることによって、充分な圧密を実現でき、ローターの周辺に於ける土砂の混練を防ぐことができ、且つローターに対する土砂の付着を軽減させることができるとの知見を得た。

従来のシールド装置では、１個の円錐形のローターを偏心回転させて土砂の圧密を行うため、ローターが１回転したときの該ローターの最も太い部分の軌跡が目的のトンネルの直径と略等しい値となる。従って、ローターは目的のトンネルの直径から偏心量の２倍の値を差し引いた直径となる。そして、ローターの外周面の傾斜角度とローターが１回転する際の推進量（推進長さ）とによって圧密すべき土砂の厚さがきまる。圧密すべき土砂の厚さを一定としたとき、この土砂と接触するローターの外周面の円周方向の長さは直径が大きい程大きくなる。即ち、ローターの直径を小さくすることによって、該ローターの外周面と圧密すべき土砂との接触面積を小さくして接地圧を高めることができることになる。

従って、上記課題を解決するために本発明に係る圧入推進装置は、略円筒形に形成されたシールド本体と、前記シールド本体の前面に配置されて回転可能に構成されたローターヘッドと、前記シールド本体の内部に配置され前記ローターヘッドを駆動する駆動装置と、略円錐形に形成され前記ローターヘッドに回転可能に支持された複数のコーンローターと、を有し、前記複数のコーンローターは、夫々の軸心が前記シールド本体の軸心の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置からシールド本体側に向かってシールド本体の軸心からの距離が大きくなるように傾斜して配置されると共に、頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近して配置されているものである。

本発明に係る圧入推進装置では、ローターヘッドに回転可能に支持されたコーンローターが、夫々の軸心がシールド本体の軸心の延長線上の略同じ位置で交差し、且つ交差位置からシールド本体側に向かってシールド本体の軸心からの距離が大きくなるように傾斜して配置され、更に、円錐形の先端部分である頂部が軸心の交差位置側に互いに接近して配置されているため、コーンローターの配置数に応じて異なるものの、個々のコーンローターの径は最も大きい円錐形の後端部分である基部であってもローターヘッドの１／２以下になる。

また、ローターヘッドに支持されている複数のコーンローターの基部を結ぶ線は、シールド本体を構成する筒状体の外形と略等しいか僅かに大きい円形となり、コーンローターの外周面が地盤に対して接触する面積（接地面積）が小さくなる。このため、圧入推進装置に付与する推力を従来のシールド装置と同じ値とした場合、コーンローターの外周面が地盤に対して接触する圧力（接地圧）が大きくなって、土砂の圧密（締め固め）を確実に行うことができる。

このため、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことが可能となり、推力を軽減することができる。このように、充分に土砂の圧密を行うことができるため、ローターの周辺で土砂の混練を少なくすることができ、且つコーンローターの外周面に対する土砂の付着も少なくすることができる。

以下、本発明に係る圧入推進装置の最も好ましい実施の形態について図を用いて説明する。図１は圧入推進装置の構成を説明する正面図である。図２は圧入推進装置の構成を説明する図であり図１のII−II断面図である。図３はコーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する図である。

図に示す圧入推進装置Ａは、ヒューム管Ｂを後続させて発進坑から到着坑に向けて推進して連続したヒューム管Ｂからなる管路を構築するためのものである。特に、ヒューム管Ｂを介して付与される推力を軽減させても、確実に土砂を圧密し得るようにしたものである。

圧入推進装置Ａは、円筒形に形成されたシールド本体１を有しており、このシールド本体１に複数のコーンローター２、２（本実施例では３個）を回転可能に支持したローターヘッド３が配置されている。またシールド本体１の内部にはローターヘッド３を駆動する駆動装置４が配置されており、該駆動装置４によってローターヘッド３を回転させつつ、シールド本体１に推力を付与して推進することで、複数のコーンローター２、２によって土砂を圧密してトンネルを構築し得るように構成されている。

シールド本体１の前側の端面には隔壁１ａが設けられており、該隔壁１ａに駆動装置４が取り付けられている。駆動装置４は、電動モーター或いは油圧モーター等の回転駆動装置として構成されており、主軸５の軸心がシールド本体１の軸心Ｏと一致して配置された状態で隔壁１ａに設けた取付座１ｂに取り付けられている。

主軸５は、取付座１ｂの長さに対応する支持部５ａが該取付座１ｂに配置された軸受６ａに支持され、シール部５ｂが隔壁１ａに配置されたシール材７ａと接触してシールすることで、土砂や地下水のシールド本体１内への浸入を防止し、更に、先端部分に形成された駆動部５ｃは隔壁１ａを貫通してシールド本体１の前方に突出して配置されている。

上記構成に於いて、主軸５は、駆動装置４を構成する回転駆動装置の駆動軸そのものであっても良く、独立した軸として構成されたものであっても良い。主軸５が駆動装置４の駆動軸とは異なる軸として構成されている場合、駆動装置４は必ずしもシールド本体１の軸心Ｏと一致して配置される必要はない。即ち、主軸５がシールド本体１の軸心Ｏと一致していれば良い。

コーンローター２は頂部２ａと基部２ｂを有する円錐形に形成されており、基部２ｂ側の内部には軸受室２ｃが形成されている。コーンローター２の円錐の角度や基部２ｂの直径等は一義的に設定されるものではなく、構築すべきトンネルの径や地盤の性状等の条件及びコーンローター２の外周面のシールド本体１の軸心Ｏに対する傾斜角度等に対応させて設定される。しかし、基部２ｂの直径はローターヘッド３の直径の１／２よりも小さい寸法を有している。

尚、コーンローター２は正確な意味で円錐形である必要はなく、頂部２ａから基部２ｂにかけての外周面が緩やかな曲線であっても良い。

ローターヘッド３は略円盤状に形成されており、外径がシールド本体１の外径と略等しいか僅かに大きい寸法を有している。そして、主軸５の駆動部５ｃに対しキー８ａを介して回転不能に取り付けられている。従って、ローターヘッド３は駆動装置４によって駆動されるように構成されている。

ローターヘッド３には複数のコーンローター２、２が回転可能に支持されている。ローターヘッド３に配置するコーンローター２の数は特に限定するものではなく、２個以上配置されていれば良い。本実施例では、ローターヘッド３に３個のコーンローター２を回転可能に支持している。

ローターヘッド３に配置された夫々のコーンローター２は、シールド本体１の軸心Ｏを中心とする円周上に等角度間隔（本実施例では１２０度間隔）に配置されている。特に、各コーンローター２の軸心２ｄは、シールド本体１の軸心Ｏの延長線上の略同じ位置Ｐで交差し、且つ該交差位置Ｐからシールド本体１側に向かってシールド本体１の軸心Ｏからの距離が大きくなるように傾斜して配置されている。

このため、ローターヘッド３の前面であって各コーンローター２の配置位置には、傾斜したコーンローター２の軸心２ｄに対して直交する面を持った取付座３ａが設けられている。

尚、コーンローター２の軸心２ｄのシールド本体１の軸心Ｏになす角度は特に限定するものではなく、ローターヘッド３に配置された３個のコーンローター２の外周面のシールド本体１の軸心Ｏに対して構成する傾斜角度（構築すべきトンネルの径、地盤の性状等の条件に対応して予め設定される）に対応して設定される。

各コーンローター２の頂部２ａは、シールド本体１の軸心Ｏと軸心２ｄとの交差位置Ｐ側に互いに接近して配置されている。即ち、各コーンローター２は、頂部２ａがシールド本体１の軸心Ｏの延長線上に互いに接近した姿勢を有している。そして、各コーンローター２は支持軸９を介してローターヘッド３に回転可能に支持されている。

コーンローター２の内部に形成された軸受室２ｃは、支持軸９の支持部９ａに取り付けた２個の軸受６ｂ、６ｃを嵌合し得るような嵌め合い公差を持って形成されている。そして、支持軸９の支持部９ａに取り付けられた軸受６ｂ、６ｃは、該支持軸９の先端に締結したナット１０によって所定位置に固着されている。

また支持軸９の支持部９ａに連続してシール部９ｂが形成されており、該シール部９ｂまでがコーンローター２の軸受室２ｃに嵌め込まれるように構成されている。特に、コーンローター２に形成された軸受室２ｃの基部２ｂ側には、内周面にシール材７ｂを装着した閉塞部材１１が取り付けられ、該閉塞部材１１によって支持軸９のシール部９ｂをシールすることで、土砂や地下水が軸受室２ｃに浸入することを防止し得るように構成されている。

支持軸９にはシール部９ｂに連続して取付部９ｃが形成されている。この取付部９ｃはローターヘッド３に設けた取付座３ａに形成された取付孔３ｂに対しキー８ｂを介して装着されることで、ローターヘッド３に固定されている。

従って、予め支持軸９の支持部９ａをコーンローター２の軸受室２ｃに軸受６ｂ、６ｃを介して嵌合すると共にシール部９ｂに閉塞部材１１を装着することで、コーンローター２は支持軸９に自由回転可能に取り付けられる。そして、支持軸９の取付部９ｃをローターヘッド３の取付座３ａに形成された取付孔３ｃに嵌合して固定することで、コーンローター２をローターヘッド３の前面に自由回転可能に取り付けることが可能である。

シールド本体１には複数のジャッキ１５及び図示しないバーを介してテールシールド１６が接続されている。ジャッキ１５は油圧シリンダー或いはエアシリンダー等の流体シリンダーによって構成されており、複数のジャッキ１５に対し選択的に圧力流体を供給してロッド１５ａの出没量を調整することで、シールド本体１とテールシールド１６の屈折方向と屈折角度を制御して圧入推進装置Ａの推進方向を制御し得るように構成されている。

またシールド本体１の内部には圧入推進装置Ａの推進方向を監視するための図示しない光学装置が配置され、シールド本体１及びテールシールド１６の内部には駆動装置４を駆動するための図示しない制御機器類、ジャッキ１５を操作するための図示しない油圧ポンプや制御機器類が配置されている。

更に、テールシールド１６の後端には目的の管路を構成するヒューム管Ｂが接続され、該ヒューム管Ｂの後端部に図示しない発進坑に設けた元押し装置によって推力を付与し得るように構成されている。

次に、上記の如く構成された圧入推進装置Ａによる土砂に対する圧密作用について図３により説明する。同図は圧入推進装置Ａに於けるコーンローター２の基部２ｂの近傍でシールド本体１の軸心Ｏに直角な断面を模式的に表したものであり、トンネルＣの内周面の形状は圧入推進装置Ａの推進に伴って徐々に且つ連続的に大きくなるような曲線を有するが便宜的に円弧で表している。特に、同図では、二点鎖線で示す従来のシールド装置を構成するローター５１による圧密作用との比較を行えるように記載している。

ローターヘッド３はシールド本体１の軸心Ｏを中心とする矢印ａ方向への回転を行う。また圧入推進装置Ａはローターヘッド３が１回転する毎に所定距離推進されて前進し、この前進に伴ってコーンローター２の外周面は常に新たな土砂と接触し、このときの接触摩擦によって矢印ｂ方向に自由回転する。この過程で、コーンローター２の外周面が接触した土砂を押圧して圧密する。

上記の如くしてローターヘッド３を回転させつつ圧入推進装置Ａを推進することで、ローターヘッド３の回転に伴う各コーンローター２の基部２ｂの最外周の軌跡と略等しい径（シールド本体１の外径と略等しいか大きい径）を持ったトンネルＣが構築される。

上記過程で、圧入推進装置Ａの前進に伴ってコーンローター２の外周面は常に新たな土砂と接触して接触した土砂を押圧して圧密する。このとき、個々のコーンローター２の外周面が接触する土砂の厚さｔ１は、ローターヘッド３の回転数と圧入推進装置Ａの推進速度とコーンローター２の外周面とシールド本体１の軸心Ｏとのなす角度とコーンローター２の数と、によって設定される。

例えば、ローターヘッド３に３個のコーンローター２を自由回転可能に配置した本実施例の圧入推進装置Ａと、１個のローター５１を偏心回転させるように構成した従来のシールド装置とを比較した場合、コーンローター２の基部２ｂの直径は従来のシールド装置のローター５１の１／２以下（約４５％以下）の寸法となる。

また、従来のシールド装置に於けるローター５１の外周面とシールド装置の軸心とのなす角度と圧入推進装置Ａのコーンローター２の外周面とシールド本体１の軸心Ｏとのなす角度と同じとし、ローター１回転当たりの推進量と、ローターヘッド３の１回転当たりの推進量を同じ寸法としたとき、両者共に圧密すべき土砂の厚さは同じ寸法となる。

本実施例ではコーンローター２が３個設けられているため、１個当たりの圧密すべき土砂の厚さをｔ１とし、従来のローター５１に於ける１回転当たりの圧密すべき土砂の厚さｔ２とすると、ｔ１はｔ２の１／３の寸法となる。

このときコーンローター２の外周面が土砂に接触する長さ（円弧上の長さ）ｌ１と従来のローター５１の外周面が土砂に接触する長さｌ２を比較すると、ｌ２はｌ１の３倍以上の寸法となる。従って、本実施例に係る圧入推進装置Ａに於けるコーンローター２の土砂に対する接地圧は、従来のローターの土砂に対する接地圧よりも高くなる。

このため、圧入推進装置Ａに従来のシールド装置と同一の大きさの推力を付与した場合、コーンローター２の土砂に対する接地圧が高くなり、土砂に対して効率の良い圧密を行うことが可能となる。特に、土砂に対する接地圧が高くなって充分に圧密されることから、自由に流動する土砂の量が減少し、ローターヘッド３の前面でコーンローター２によって混練される土砂の量を軽減させると共に、コーンローター２の外周面に付着する土砂の量を減少させることが可能となる。

従って、上記の如くしてローターヘッド３を回転させつつ、発進坑に設けた元押し装置によって推力を付与することで、圧入推進装置Ａを地中に推進することが可能であり、この推進過程で地中の土砂をコーンローター２によって圧入推進装置Ａの前面から周囲の地盤に圧密させると共に間隙水を排除することで、土砂を地上に排出することなく、シールド本体１の外径と略等しいか僅かに大きいトンネルＣを形成することが可能となる。

そして、圧入推進装置Ａにヒューム管Ｂを後続させて推進することで、圧入推進装置Ａが到着坑に到達したとき、発進坑と到達坑との間にトンネルＣを構築すると共に、該トンネルＣの内部に複数のヒューム管Ｂを連続させた管路を敷設することが可能となる。

本発明に係る圧入推進装置Ａは、ヒューム管Ｂを連続させた管路を敷設するためのトンネルＣを構築する際に利用して有利であるのみならず、各種トンネルを無排土で構築することが可能となり極めて有利である。

圧入推進装置の構成を説明する正面図である。 圧入推進装置の構成を説明する図であり図１のII−II断面図である。 コーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する図である。

符号の説明

Ａ 圧入推進装置
Ｂ ヒューム管
Ｃ トンネル
Ｏ シールド本体の軸心
１ シールド本体
１ａ 隔壁
１ｂ 取付座
２ コーンローター
２ａ 頂部
２ｂ 基部
２ｃ 軸受室
２ｄ 軸心
３ ローターヘッド
３ａ 取付座
３ｂ 取付孔
４ 駆動装置
５ 主軸
５ａ 支持部
５ｂ シール部
５ｃ 駆動部
６ａ、６ｂ、６ｃ 軸受
７ａ、７ｂ シール材
８ａ、８ｂ キー
９ 支持軸
９ａ 支持部
９ｂ シール部
９ｃ 取付部
１０ ナット
１１ 閉塞部材
１５ ジャッキ
１５ａ ロッド
１６ テールシールド

Claims (1)

1. 略円筒形に形成されたシールド本体と、前記シールド本体の前面に配置されて回転可能に構成されたローターヘッドと、前記シールド本体の内部に配置され前記ローターヘッドを駆動する駆動装置と、略円錐形に形成され前記ローターヘッドに回転可能に支持された複数のコーンローターと、を有し、前記複数のコーンローターは、夫々の軸心が前記シールド本体の軸心の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置からシールド本体側に向かってシールド本体の軸心からの距離が大きくなるように傾斜して配置されると共に、頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近して配置されていることを特徴とする圧入推進装置。

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