JP2020143563A - トンネルのエントランス止水装置及びエントランス止水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネルのエントランス止水施工において、大深度トンネルであっても大掛かりになることなく止水性を確保する。【解決手段】トンネルエントランス３の内周に環状の弾性止水シート１１及びフラップ１２を有する止水隔壁１０を複数段設ける。隣接する止水隔壁１０の間の隔壁間空間部１９に流体圧を導入する。好ましくは、トンネル掘削機９の推進方向のより後方側に配置された隔壁間空間部１９であるほど前記流体圧を低圧にする。【選択図】図２

Description

本発明は、施工中のトンネルにおけるトンネル掘削機の発進や到達のエントランスに設けられる止水装置及び止水方法に関し、特に大深度のトンネルに適したエントランス止水装置及び方法に関する。

例えばシールドトンネルを構築する際は、発進立坑に発進エントランスを形成し、トンネル掘削機によって該発進エントランスから地中へ掘削を開始する。トンネルの到達側には到達立坑に到達エントランスを形成し、地中から該到達エントランスにトンネル掘削機を導出する。
通常シールドトンネルは地下水位より深い地中に構築される。したがって、発進時や到達時にはエントランスの内周とトンネル掘削機の外周との間を止水する必要がある。
一般にこの種のエントランス止水構造は、ゴムシートからなる環状の弾性止水シートと、該弾性止水シートに添えられた複数の鋼製のフラップを含む止水隔壁によって構成されている（特許文献１〜３等参照）。各フラップは、エントランスの縁部にヒンジを介して回転可能に支持されている。複数のフラップが、弾性止水シートひいてはエントランスの周方向に沿って環状に配置されている。

特許第２５１８７７２号公報 特開平１１−１７３０７１号公報 特許６３８６７１５号公報

近年、地下例えば１００メートル超の深さに構築される大深度トンネルが増えている。深度が大きくなればなるほど、地下水圧が高くなる。このため、エントランス止水構造における所要の耐水圧強度ひいては止水性を確保しようとすると大掛かりになってしまう。
本発明は、かかる事情に鑑み、大深度トンネルであっても大掛かりになることなく止水性を確保し得るエントランス止水装置及び止水方法を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため、本発明装置は、トンネル掘削機が出入りするエントランスに設けられるエントランス止水装置であって、
前記エントランスの内周に沿う環状の弾性止水シート及び前記弾性止水シートに添えられたフラップをそれぞれ有して、前記エントランスの軸方向に間隔を置いて設けられた複数段の止水隔壁と、
隣接する止水隔壁どうしの間の隔壁間空間部に流体圧を導入する流体圧導入手段と、
を備えたことを特徴とする。
本発明方法は、トンネル掘削機が出入りするエントランスの内周と前記トンネル掘削機又はトンネル躯体の外周との間をシールするエントランス止水方法であって、
前記エントランスの内周に沿う環状の弾性止水シート及び前記弾性止水シートに添えられたフラップをそれぞれ有する止水隔壁を、前記エントランスの軸方向に間隔を置いて複数段設け、
隣接する止水隔壁どうしの間の隔壁間空間部に流体圧を導入することを特徴とする。

前記トンネル掘削機の推進方向の最も前方側の止水隔壁より前方側の鏡側空間部の圧力を検出する圧力計を更に備え、前記流体圧導入手段による前記流体圧が前記圧力計の検出圧力に応じて調整されることが好ましい。

１の止水隔壁における、前記トンネル掘削機の推進方向前方側の面に付与される流体圧と推進方向後方側の面に付与される流体圧との差が、前記１の止水隔壁の耐圧強度を下回るように、前記推進方向後方側の面が面する隔壁間空間部の流体圧が設定されていることが好ましい。

前記トンネル掘削機の推進方向における、より後方側に配置された隔壁間空間部であるほど前記流体圧が低圧に設定されていることが好ましい。

本発明によれば、大深度トンネルであってもエントランス止水装置の構造が大掛かりになることなく止水性を確保することができる。

図１は、本発明の一実施形態を示し、シールドトンネルの発進立坑の断面図である。 図２は、前記発進立坑のエントランスを、トンネル掘進の開始状態で示す断面図である。 図３は、前記エントランスの止水装置の複数段の止水隔壁の拡大断面図である。 図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、トンネル掘進が進む際の前記止水装置の状態変化を順追って示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、シールドトンネル１用の発進立坑２が地上から地中の発進深さまで構築されている。発進深さは、地下水位より十分に深く、例えば１００メートル近くないしはそれ以上である。発進立坑２の下端近くの鏡部２ａのまわりの周壁にエントランス３が設けられている。

エントランス３には、鋼製のエントランスフレーム４が設けられている。エントランスフレーム４は、シールドマシン９（トンネル掘削機）が出入り可能な環状（筒状）に形成されている。該エントランスフレーム４が発進立坑２の周壁から発進立坑２内へ突出されている。

図２に示すように、エントランスフレーム４にエントランス止水装置５が設けられている。エントランス止水装置５は、複数段の止水隔壁１０と、流体圧導入手段２０とを備えている。ここでは、例えば３段の止水隔壁１０が設けられている。３段の止水隔壁１０が、環状のエントランス装置３の軸方向ひいてはシールドマシン９の推進方向に互いに間隔を置いて配置されている。図３に示すように、以下、これら止水隔壁１０を互いに区別するときは、シールドマシン９の推進方向の前方側（右側）のものを「止水隔壁１０Ａ」と称し、中間のものを「止水隔壁１０Ｂ］と称し、推進方向の後方側（左側）のものを「止水隔壁１０Ｃ」と称す。
なお、止水隔壁１０の段数は３段に限らず、２段でもよく、４段以上でもよい。

図３に示すように、各止水隔壁１０は、弾性止水シート１１と、複数のフラップ１２と、シート押えリング１３を有している。弾性止水シート１１は、環状のゴムシートによって構成されている。該弾性止水シート１１の外周部１１ｂが、エントランスフレーム４の内周面に沿わされている。該シート外周部１１ｂに沿って環状の帯鋼板からなるシート押えリング１３が設けられている。
弾性止水シート１１の内周部１１ａは、エントランスフレーム４の内周面から径方向内側へ延び出ている。

図４に示すように、複数のフラップ１２が、弾性止水シート１１の周方向に沿って環状に並べられている。図３に示すように、各フラップ１２は、鋼製のフラップ部１２ａと、鋼製のベース板１２ｂと、ヒンジ１２ｃを含む。フラップ部１２ａが、シート内周部１１ａにおける前記推進方向後方側（図３において左側）を向く面に添えられている。

フラップ部１２ａの径方向外側の端部（図３において上端部）が、ヒンジ１２ｃを介して、ベース板１２ｂに回転可能に連結されている。ヒンジ１２ｃの回転軸線は、環状のエントランスフレーム４の接線方向へ向けられている。ベース板１２ｂは、シート押えリング１３に添えられている。

図２に示すように、エントランスフレーム４の内周面にシート外周部１１ｂ、シート押えリング１３、ベース板１２ｂの順に重ねられている。これらがボルト１５によってエントランスフレーム４に固定されている。

図２に示すように、エントランス装置３の軸方向（図２において左右）に隣接する止水隔壁１０どうし間に隔壁間空間部１９が形成されている。詳しくは、図３に示すように、一段目の止水隔壁１０Ａと二段目の止水隔壁１０Ｂとの間に前段隔壁間空間部１９Ｂが形成されている。二段目の止水隔壁１０Ｂと三段目の止水隔壁１０Ｃとの間に後段隔壁間空間部１９Ｃが形成されている。

一段目の止水隔壁１０Ａにおける、前記推進方向の前方側（図３において右側）の面１０Ａｆと鏡部２ａとの間には、鏡側空間部１８が形成されている。エントランスフレーム４の内周面には、鏡側空間部１８に面するように圧力計２４が設置されている。圧力計２４は、鏡側空間部１８の内圧を検出する。
一段目の止水隔壁１０Ａにおける、前記推進方向の後方側（図３において左側）の面１０Ａｒは、前段隔壁間空間部１９Ｂに面している。
二段目の止水隔壁１０Ｂにおける、推進方向前方側の面１０Ｂｆは、前段隔壁間空間部１９Ｂに面している。二段目の止水隔壁１０Ｂにおける、推進方向後方側の面１０Ｂｒは、後段隔壁間空間部１９Ｃに面している。
三段目の止水隔壁１０Ｃにおける、推進方向前方側の面１０Ｃｆは、前段隔壁間空間部１９Ｂに面している。
三段目（推進方向の最後尾）の止水隔壁１０Ｃにおける、推進方向後方側の面１０Ｃｒは、発進立坑２の坑内空間に面している。

図２に示すように、流体圧導入手段２０は、隔壁間空間部１９と一対一に対応する複数の流体圧導入路２１を含む。流体圧導入路２１の上流端は、流体源２９に接続されている。流体源２９からの供給流体としては、好ましくは泥水、水、油などの液体が用いられており、より好ましくは泥水や水が用いられている。各流体圧導入路２１には、加圧ポンプ２２及び圧力調整バルブ２３が設けられている。
各流体圧導入路２１は、対応する隔壁間空間部１９に連通されている。詳しくは、図３に示すように、流体圧導入路２１Ｂの下流端が、前段隔壁間空間部１９Ｂに連通されている。流体圧導入路２１Ｃの下流端が、後段隔壁間空間部１９Ｃに連通されている。

シールドトンネル１の構築施工において、エントランス止水装置５は次のように作動及び使用される。
発進立坑２にシールドマシン９を設置する。該シールドマシン９をジャッキ（図示せず）によって前方（図１において右側）へ推進させてエントランス装置３内に通す。シールドマシン９が進むにつれて、止水隔壁１０が順次シールドマシン９に突き当たる。これによって、弾性止水シート１１の内周部１１ａ及びフラップ部１２ａが推進方向前方側へ傾けられ、フラップ部１２ａの先端部がシールドマシン９の外周面に当たるとともに、該フラップ部１２ａより延び出たシート内周部１１ａがシールドマシン９の外周面に密着される。これによって、隔壁間空間部１９が閉塞され、エントランスフレーム４の内周とシールドマシン９の外周との間がシールされる。

図２に示すように、やがてシールドマシン９が鏡部２ａに達して掘削を開始する。
図３に示すように、鏡部２ａが破れることによって地下水や掘削による泥水などを含む鏡側流入流体ｗ_０が鏡側空間部１８に流入され得る。発進深さは例えば１００メートル近くないしはそれ以上の大深度であるため、鏡側流入流体ｗ_０は例えば０．５ＭＰａ〜数ＭＰａの高圧である。

前記鏡側流入流体ｗ_０の流体圧Ｐ_０が圧力計２４によって検出される。
検出した流体圧Ｐ_０に応じて、流体圧導入手段２０によって各隔壁間空間部１９に流体圧を導入する。すなわち、流体圧導入路２１Ｂの加圧ポンプ２２を駆動することによって前段隔壁間空間部１９Ｂに高圧水ｗ_１９Ｂによる流体圧Ｐ_１９Ｂを印加する。かつ流体圧導入路２１Ｃの加圧ポンプ２２を駆動することによって後段隔壁間空間部１９Ｃに高圧水ｗ_１９ｃによる流体圧Ｐ_１９Ｃを印加する。好ましくは、前記圧力計２４の検出圧力に応じて、各流体圧導入路２１の圧力調整バルブ２３によって流体圧Ｐ_１９Ｂ，Ｐ_１９Ｃを調整する。

好ましくは、下式が満たされるように、流体圧Ｐ_１９Ｂ，Ｐ_１９Ｃを調整する。
Ｐ_０ −Ｐ_１９Ｂ≦Ｐ_１０Ａ （式１）
Ｐ_１９Ｂ−Ｐ_１９Ｃ≦Ｐ_１０Ｂ （式２）
Ｐ_１９Ｃ≦Ｐ_１０Ｃ （式３）
ここで、Ｐ_１０Ａは一段目（推進方向の最も前方）の止水隔壁１０Ａの耐圧強度（Ｐａ）である。Ｐ_１０Ｂは二段目の段止水隔壁１０Ｂの耐圧強度（Ｐａ）である。Ｐ_１０Ｃは三段目（最後段）の止水隔壁１０Ｃの耐圧強度（Ｐａ）である。
要するに、最後段以外の止水隔壁１０Ａ，１０Ｂについては、推進方向前方側の面に付与される流体圧と推進方向後方側の面に付与される流体圧との差が該止水隔壁１０Ａ，１０Ｂの耐圧強度を下回るように、推進方向後方側の面が面する隔壁間空間部１９の流体圧Ｐ_１９Ｂ，Ｐ_１９Ｃを設定する（式１及び式２）。

耐圧強度について説明すると、止水隔壁１０の推進方向前方側の隔壁間空間部の圧力が過大になると、該止水隔壁１０の弾性止水シート１１が破れたり、フラップ部１２ａが曲がったり、ヒンジ１２ｃが折れたり、ボルト１５が壊れたり、ベース板１２ｂが浮いたり、シート押えリング１３が破断したりして、漏水が発生する。このような止水隔壁１０の変形、破壊等による漏水が起きない最大許容圧力を止水隔壁１０の耐圧強度としてもよい。前記最大許容圧力は、止水隔壁１０の各部品の公称強度等を用いた強度計算、ＣＡＥ解析、実験等によって求めることができる。前記最大許容圧力に安全率（例えば７０％〜９５％程度）を乗じた値を耐圧強度としてもよい。

より好ましくは、下式が満たされるように、流体圧Ｐ_１９Ｂ，Ｐ_１９Ｃを調整する。
Ｐ_１９Ｃ＜Ｐ_１９Ｂ＜Ｐ_０ （式４）
要するに、推進方向のより後方側（図２において左側）に配置された隔壁間空間部１９であるほど流体圧を低圧に設定することが、より好ましい（式４）。

これによって、一段目の止水隔壁１０Ａにおいては、鏡側流入流体圧Ｐ_０に対して、当該止水隔壁１０Ａ自体の耐圧強度Ｐ_１０Ａに加えて、後方側からの流体圧Ｐ_１９Ｂによっても対抗できる。したがって、大深度であるために鏡側流入流体圧Ｐ_０が高圧であっても、止水隔壁１０Ａが変形、破壊を来すのを防止でき、高圧地下水や泥水を含む鏡側流入流体ｗ_０の漏れを阻止することができる。また、止水隔壁１０Ａの耐圧強度Ｐ_１０Ａを大深度に対応するよう過度に高くする必要が無く、止水隔壁１０Ａの構造を簡素化できる。

二段目（中間）の止水隔壁１０Ｂにおいては、前方側から受ける流体圧Ｐ_１９Ｂが鏡側流入流体圧Ｐ_０よりも小さい（式４）。しかも、前記前方側からの流体圧Ｐ_１９Ｂに対して、当該止水隔壁１０Ｂ自体の耐圧強度Ｐ_１０Ｂに加えて、後方側からの流体圧Ｐ_１９Ｃによっても対抗できる。したがって、止水隔壁１０Ｂにかかる水圧負荷は止水隔壁１０Ａよりも小さく、止水隔壁１０Ｂの耐圧強度Ｐ_１０Ｂを過度に高くする必要が無い。

三段目（最後段）の止水隔壁１０Ｃにおいては、前方側から受ける流体圧Ｐ_１９Ｃが、前記二段目（中間）の止水隔壁１０Ｂが受ける流体圧Ｐ_１９Ｂよりも更に小さく、鏡側流入流体圧Ｐ_０と比べると十分に小さい（式４）。したがって、止水隔壁１０Ａの耐圧強度Ｐ_１０Ｃを過度に高くしなくても、当該止水隔壁１０Ｃだけで流体圧Ｐ_１９Ｃに十分に対抗できる。
このように、エントランス止水装置５によれば、複数段の止水隔壁１０にかかる水圧負荷を推進方向後方側の段になるほど小さくすることによって、最後段の止水隔壁１０Ｃにかかる水圧負荷を十分に低減できる。したがって、止水隔壁１０Ｃが変形、破壊を来すのを確実に防止でき、ひいては高圧地下水や泥水を含む鏡側流入流体ｗ_０が発進立坑２内に流入するのを阻止することができる。エントランス止水装置５を大掛かりな構造にする必要がなく、施工コストの増大を抑制できる。
なお、三段の止水隔壁１０だけでは最後段の止水隔壁１０Ｃにかかる水圧負荷が十分低減できないときは、止水隔壁１０の段数を増やすことが好ましい。

図２に示すように、シールドマシン９の後方（図２において左側）には、セグメント１ｓを組んでシールドトンネル１の躯体１ａを順次構築していく。該トンネル躯体１ａの外径はシールドマシン９の外径より少し小さい。
図５に示すように、推進に伴って、推進方向の後方側の止水隔壁１０から順次シールドマシン９が抜け出る。例えば、図５（ａ）に示すように、最後尾の止水隔壁１０Ｃからシールドマシン９が抜け出たときは、止水隔壁１０Ｃの傾斜角度が緩む。すなわち、止水隔壁１０Ｃにおける弾性止水シート１１の内周部１１ａ及びフラップ部１２ａが鉛直側へ向けてある角度だけ回転され、フラップ部１２ａの先端部がトンネル躯体１ａの外周面に当たるとともに、シート内周面１１ａがトンネル躯体１ａの外周面に密着される。これによって、エントランスフレーム４の内周とトンネル躯体１ａの外周との間がシールされる。

止水隔壁１０Ｃの傾斜角度変化によって、隔壁間空間部１９Ｃの体積が増大し、隔壁間空間部１９Ｃ内の圧力が低下する。該圧力低下に応じて圧力調整バルブ２３が作動することによって、流体導入路２１Ｃから高圧水ｗ_１９Ｃが隔壁間空間部１９Ｃに補充される。これによって、隔壁間空間部１９Ｃの内圧が設定流体圧Ｐ_１９Ｃに復帰される。
図５（ｂ）に示すように、さらにシールドマシン９が二段目（中間）の止水隔壁１０Ｂから抜け出たときは、止水隔壁１０Ｂの傾斜角度が変化して隔壁間空間部１９Ｂの体積が増大するから、同様の内圧復帰操作を行う。
流体圧源として水などの流動性の高い流体を用いることで、隔壁間空間部１９の体積変化及び内圧変化にすばやく対応できる。
図５（ｃ）に示すように、シールドマシン９が一段目の止水隔壁１０Ａを通過したときは、止水隔壁１０Ａの傾斜角度が変化し、鏡側空間部１８の体積が増大し、その分、高圧地下水や泥水を含む鏡側流入流体ｗ_０が鏡側空間部１８に流入する。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、シールドマシン９の全体がエントランス装置３を通過した後は、隔壁間空間部１９内の流体を発泡ウレタン等の発泡樹脂に置換してもよい。エントランス止水装置５が、隔壁間空間部１９への発泡樹脂注入手段を有していてもよい。流体圧導入手段２０が、流体圧源の高圧流体と発泡樹脂とを選択的に隔壁間空間部１９へ供給可能であってもよい。
１又は複数の止水隔壁１０が例えばシールドマシン９との衝突等で壊れたときのために、予め止水隔壁１０の段数を必要数より多くしておいてもよい。つまり、予備の止水隔壁１０を追加して設置しておいてもよい。好ましくは、推進方向の前方側から数えて必要数の止水隔壁１０よりも推進方向後方側の止水隔壁１０を予備の止水隔壁１０として扱い、通常時は予備の止水隔壁１０には流体圧導入手段２０からの流体圧を付与せずにおく。
トンネルの発進エントランスに限らず到達エントランスに本発明を適用してもよい。

本発明は、例えばシールドトンネルの構築施工に適用できる。

１ シールドトンネル（トンネル）
１ａ トンネル躯体
２ 発進立坑
３ エントランス
５ エントランス止水装置
９ シールドマシン（トンネル掘削機）
１０ 止水隔壁
１０Ａ 一段目（最も前方側）の止水隔壁
１１ 弾性止水シート
１２ フラップ
１２ａ フラップ部
１２ｃ ヒンジ
１３ シート押えリング
１８ 鏡側空間部
１９ 隔壁間空間部
２０ 流体圧導入手段
２２ 加圧ポンプ
２３ 圧力調整バルブ
２４ 圧力計

Claims (8)

1. トンネル掘削機が出入りするエントランスに設けられるエントランス止水装置であって、
   前記エントランスの内周に沿う環状の弾性止水シート及び前記弾性止水シートに添えられたフラップをそれぞれ有して、前記エントランスの軸方向に間隔を置いて設けられた複数段の止水隔壁と、
   隣接する止水隔壁どうしの間の隔壁間空間部に流体圧を導入する流体圧導入手段と、
   を備えたことを特徴とするトンネルのエントランス止水装置。
2. 前記トンネル掘削機の推進方向の最も前方側の止水隔壁より前方側の鏡側空間部の圧力を検出する圧力計を更に備え、前記流体圧導入手段による前記流体圧が前記圧力計の検出圧力に応じて調整されることを特徴とする請求項１に記載のエントランス止水装置。
3. １の止水隔壁における、前記トンネル掘削機の推進方向前方側の面に付与される流体圧と推進方向後方側の面に付与される流体圧との差が、前記１の止水隔壁の耐圧強度を下回るように、前記推進方向後方側の面が面する隔壁間空間部の流体圧が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエントランス止水装置。
4. 前記トンネル掘削機の推進方向における、より後方側に配置された隔壁間空間部であるほど前記流体圧が低圧に設定されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエントランス止水装置。
5. トンネル掘削機が出入りするエントランスの内周と前記トンネル掘削機又はトンネル躯体の外周との間をシールするエントランス止水方法であって、
   前記エントランスの内周に沿う環状の弾性止水シート及び前記弾性止水シートに添えられたフラップをそれぞれ有する止水隔壁を、前記エントランスの軸方向に間隔を置いて複数段設け、
   隣接する止水隔壁どうしの間の隔壁間空間部に流体圧を導入することを特徴とするトンネルのエントランス止水方法。
6. 前記トンネル掘削機の推進方向の最も前方側の止水隔壁より前方側の鏡側空間部の圧力を検出し、該検出圧力に応じて前記流体圧導入手段による前記流体圧を調整することを特徴とする請求項５に記載のエントランス止水方法。
7. １の止水隔壁における、前記トンネル掘削機の推進方向前方側の面に付与される流体圧と推進方向後方側の面に付与される流体圧との差が、前記１の止水隔壁の耐圧強度を下回るように、前記推進方向後方側の面が面する隔壁間空間部の流体圧を設定することを特徴とする請求項５又は６に記載のエントランス止水方法。
8. 前記トンネル掘削機の推進方向のより後方側に配置された隔壁間空間部であるほど前記流体圧を低圧にすることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載のエントランス止水方法。

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