JP2599617B2 - 水中におけるトンネル構築方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、泥水中でトンネルを構築する方法、詳細
には泥水中でトンネルを掘進し、覆工するようにしたト
ンネル構築方法に関する。

＜従来の技術＞ 大都市への人工集中に伴い、信頼性の高い電力供給が
重要になり、地下変電所、地下発電所、超電導や圧縮空
気等による電力貯蔵所、燃料貯蔵所、地中線洞道、共同
溝等各種エネルギー施設が必要となってきた。ところ
が、大都市の地下は、各種施設及び基礎等が縦横に布設
されており、新規に大規模なエネルギー施設の立地が極
めて難しい状況にあることから、地中の大深度位置にト
ンネルを設けることが提案され、このトンネルを掘削す
る方法として従来から種々の技術が提案され、かつ実験
が試みられている。また、このような大深度の地下に設
けるトンネルは、地価が高騰する地域、あるいは住宅や
ビルなどの建築物が密集する地域でも、その設置が経済
上および技術上の観点から有利とされ、従って都市部に
おけるこのような各種エネルギー施設の設置が、現実の
ものとなりつつある。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、このような大深度の地中に大径のトン
ネルを掘削する場合には、いかに効率よくトンネルを掘
進し、また掘削によって生じた大量の掘削ズリをどのよ
うにして地上へ排出していくか、及びセグメントを用い
ることにより大径トンネルの覆工を簡易かつ迅速に行な
うことができるかといった問題点が生じる。

この発明は、上記問題点を解決せんとするものであ
り、その目的の第一はトンネル内を泥水で満たすことで
地下水、特に大深度における地圧とバランスさせること
により、安全かつ迅速にトンネルを掘進せんとするもの
である。

この発明の第二は、泥水中においてスラリー化した大
量のズリを効率よく坑外に排出することにある。

さらに、この発明の第三は泥水中におけるセグメント
の搬送とセグメントを用いたトンネル覆工とを簡易に
し、作業の容易さと竣工後のトンネルの地圧からの強度
を十分に行なわんとすることにある。

＜課題を解決するための手段＞ この発明は、上記課題に基づいてなされたものであ
り、その要旨は、立坑からトンネルの本坑に至る領域を
水没して水圧を地圧とバランスさせて掘削するトンネル
構築方法において、前記トンネル本坑を掘削機により掘
削する工程と、掘削したズリを泥水と共に後方へ流体輸
送して固液分離して分離したズリを袋に収容して坑外へ
搬出する工程とによりトンネルを掘進し、前記トンネル
の掘進に合わせて、セグメントを立坑より泥水中に供給
して組み立て、これをジャッキで先方へ推進する工程に
よりトンネルを覆工し、掘削終了後、前記立坑から本坑
までの泥水を排出してなる水中におけるトンネル構築方
法にある。

また、この発明の別のものはセグメントの肉厚を空洞
化し、しかも水中において取り扱うことによる軽量化に
よって作業性を向上すると共に、トンネル覆工時又は覆
工後にコンクリート等の固結剤を、前記空洞内に注入す
ることにより、地圧などでも十分な強度を保持する、ト
ンネルの構築方法を提供せんとする。

＜作用＞ この発明では、トンネルを泥水で水没して地圧を泥水
圧とバランスさせて掘削機で切羽を掘削し、掘削したズ
リを泥水でスラリー化し流体輸送し、さらに固体のズリ
と液体の泥水を分離しながらトンネルを掘進していく。
一方、このトンネル掘進とともに、泥水中にてセグメン
トを供給し、組み立て、これを立坑の反力壁からジャッ
キで推進してトンネルを覆工する。セグメントは、内部
に空洞部を設けておき、これにトンネル施工中の本坑内
が泥水で水没している時あるいは泥水の排水後、セメン
トミルク等の固結剤を注入・硬化する。

＜実施例＞ 以下に本発明の一実施例について説明する。第１図と
第２図において、１はトンネル本坑100先部における泥
水中の空間領域に設置された、既存のトンネル掘削機で
あり、ここではブームカッタを用いている。このブーム
カッタ１は、例えば第３図と第４図に示すように、本体
２と自由断面内を方向自在に可動し得る駆動アーム３が
ユニバーサルジョイントによって枢着されており、ピス
トン（図示せず）を内設した油圧シリンダー４と、カッ
タヘッド５を回転させるための電動モータ（図示せず）
を内設したアーム６とが連結され、該カッタヘッド５
は、円柱形であり、その外周及び先端面には、切羽を掘
削するための針状に突出したビット７が配設している。
また、前記本体２の上部には、駆動アーム３を上下運動
するための油圧シリンダー８を連結した支持アーム９が
両端をユニバーサルジョイントによって枢着し、さらに
前記本体２の両サイドには、駆動アーム３を左右運動さ
せるための油圧シリンダー10,11を夫々連結した支持ア
ーム12,13がやはり両端をユニバーサルジョイントによ
って枢着し、可動自在としている。

14,15は、ブームカッタ１によって切羽面を掘削した
ズリを泥水ごと排出する排出管で、これがブームカッタ
１の直下と、トンネル後方のズリ処理装置16に設けた吸
い込みポンプ17との間に接続されている。なお、この排
出管14,15の先端はトンネルの切羽付近に臨んでいる。
また、ブームカッタ１を遠隔操作するため地上における
遠隔制御用の通信ケーブルや施工管理用の通信ケーブル
などをまとめたケーブル束（図示せず）が、ブームカッ
タ１端に接続されている。

一方、第５図に示している18は脱水袋供給装置で、上
記吸い込みポンプ17の吐出管19端に接続されている。こ
の脱水袋供給装置18は回転部材20に設けた複数本の吐出
パイプ21に、長尺筒状の脱水袋22を装着したものからな
る。なお、回転部材20を所定角度おきに回転させること
で、吐出パイプ21のいずれかを、上記吐出管19に連通さ
せることができるようになっている。23は固液分離装置
で、これが通孔24に面するポーラス材25と、このポーラ
ス材25を包む多孔質の通水管26とを有する。この通孔24
の一端は、掘削ズリと泥水とを収容した脱水袋22を受け
入れる脱水袋取込み構造となっており、他端部はパイプ
状をなし、その先端がコンベア27上に臨んでいる。ま
た、ここでは上記脱水袋22の一つ一つの先端を絞り込ん
でカシメを行い、上記掘削ズリと泥水を、この脱水袋22
内へ送りこむことができるようにする。こうして掘削ズ
リ等を収容した後に、その脱水袋22の後端を絞って閉じ
た後、その付近を切断してカプセル状とし、これを次の
工程に送出できるようになっている。なお、22Aは脱水
後の掘削ズリを収容した脱水袋を示し、必要によりこれ
に浮力つけて立坑50の汚水面上に浮かせるよう内部に比
重１以下のものを内蔵しておいてもよい。28は上記吸い
込みポンプ17や回転部材20などの動力源としてのパワー
ユニット、29は環境認識のための超音波センサであり、
30は前記脱水袋供給装置18を遠隔操作するための遠隔制
御用の通信ケーブルや施工管理用の通信ケーブルなどを
一まとめにしたケーブルである。

さらに、31は立坑50下部に設置した反力壁33を反力と
して、立坑より泥水中に供給されてセグメントピース32
を組み立てたリング状セグメントを推進するジャッキ群
である。ここでセグメントピース32は、全体として周知
のセグメントとしての円弧状の箱体をなし、これの肉厚
内に空洞部34を設けている。この空洞部34は一部を端面
に臨ましてもよいが、通常は、強度を維持する観点から
中空部として、肉厚内に空間を作るようにしたり、内部
を複数の空間に隔成して、これら空間に掘削空洞内部と
連通するコンクリート注入口を内側中央部あるいはリン
グ継手部に１ヶ所以上設けることができる。なお、製造
上は、空洞部34が端面に臨むものが有利である。

第６図において、セグメントピース32は立坑下部で組
み立てるために、ワイヤ36とウインチ37によって昇降可
能にしている。38は前記脱水袋22Aの搬出装置を示し、
ワイヤ39によりウインチ40で地上に搬出するようにして
いる。

なお、41は立坑近傍に設置した上記ウインチ37と40の
取り付け櫓である。

つぎに、上記装置による本発明方法を説明する。

まず、ブームカッタ１に設置された駆動アーム３を夫
々の油圧シリンダーによって、自由断面に伸縮及び方向
自在に駆動させながらカッタヘッド５で切羽を泥水中に
おいて円弧状に掘削し、トンネル本坑100を形成する。
なお前記方向自在とは、駆動アーム３により、カッタヘ
ッド５が自由断面内を自在に移動することである。上記
掘削により、ズリが作業部位に崩壊する。そして、この
掘削ズリは、泥水と共にスラリー化して、排出管14,15
を通じ、ズリ処理16内の吸い込みポンプ17によって吸い
込まれて、脱水袋供給装置18に送出される。この脱水供
給装置18の吐出パイプ21の周囲には、長尺筒状の脱水袋
22が嵌挿されており、その先端部は固液分離装置23の通
孔24内にあって、予め口がカシメられ、この中に、上記
吐出パイプ21を通じて、泥水とともに掘削ズリが送りこ
まれ、同時にポーラス材25を包み多孔質の通水管により
脱水される。こうして、掘削ズリが所定量宛脱水袋22内
に収容されると、上記掘削ズリの吐出パイプ21からの吐
出が一時停止された後絞られてカシメが行われて後端部
が切断され、カプセル容量のようになってコンベア27上
へ順次送りこまれる。なお、上記通孔24において、脱水
袋24がポーラス材25のある部位に、このポーラス材25の
細孔および多孔の通水管26を通して、脱水袋22中の泥水
のみが吸いだされて、その通水管26周辺に排出される。
このため脱水袋22Aは水分含有の少ない掘削ズリのみを
収容した密度の高いものとなり、これがコンベア27上に
移し替えられた後、立坑に設けたリフトによって、坑外
の所定部位へ搬送される。なお、この場合において、上
記脱水袋22は脱水後、外からの泥水の浸入を阻止するシ
ート材によって作られることが望ましい。

このように掘削ズリをスラリー状にして輸送する場合
に、固液分離装置23により、固形の掘削ズリを分離し
て、脱水袋22Aに入れて搬出すれば、水圧に大きく影響
されずに、しかも重量の泥水の搬出なしに、大部分の掘
削ズリを地上へ容易に搬出できる。

一方、前記セグメントピース32は、地上からウインチ
37に巻かれたワイヤ36によって吊り下げられて、立坑50
から本坑100内に降ろされる。このセグメントピース32
は、その１個分が大断面のトンネル用のものでは、極め
て大型かつ重量となるが、空洞部34を有しているため、
全体として重量が大幅に軽減されている。このため、上
記ワイヤ36によるセグメントピース32の吊り下げ作業
や、荷降ろしの作業がともに容易になるほか、泥水の浮
力を利用して、その荷降ろしの作業を安全に行える。ま
た、そのセグメントピース32をジャッキ群31により推進
させる際にも、比較的軽快に、かつスムースに坑内を軸
方向に移動させることができ、また、周面摩擦抵抗を受
けることなどによって、大きな軸力が不用意にセグメン
トピース32に作用することもなくなり、座屈などの問題
も解決できる。

なお、上記セグメントピース32は、本坑内に泥水が満
たされている覆工作業時あるいは泥水を本坑内から排水
した後に、これの空洞部34内に滑材や補強材を注入すれ
ば、竣工後におけるトンネル強度を、さらに十分なもの
とすることができる。また、セグメントピース32はプレ
キャストで得られるので、重量や強度など品質が安定し
たものとなる。なお、掘削機（ブームカッタ）１は、一
部にスクリュー推進装置（図示せず）をとりつけ、排出
管14,15上に添って切羽と立坑部間を水中移動するよう
にし、部品の交換等を容易にすることも可能である。

＜発明の効果＞ 以上説明してきたように、この発明方法によれば、ト
ンネルは立坑からトンネル本坑に至るまで水没せしめて
掘進するので、大深度の地中においても、施工中のトン
ネルの掘削壁の迫り出し等のトンネル崩壊を防止でき
る。掘削した掘削ズリを後方へ流体搬送し、この流体搬
送した掘削ズリを固液分離して坑外へ搬出するようにし
たので、水圧の影響を大きく受けずに、固形の掘削ズリ
のみを大深度の地中空間から地上に、容易にしかも経済
的に輸送できる。また、掘削ズリを泥水中で固液分離す
るので、地上における泥水処理設備が小さくてすみ、経
済的になるという利点が得られる。さらに、この発明方
法によれば、セグメントの自重の軽量化を図ることがで
き、坑内への巻立て作業での、推進ジャッキによる推進
を円滑化できる。その推進ジャッキや反力壁を大型化す
る必要がなくなり、取り扱いが容易となって全体として
施工経費を軽減でき、作業性を向上できる等の効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】 第１図と第２図はこの発明全体の一部を破断した概念説
明図、この中で第３図と第４図は、第１図のブームカッ
タの側面図と正面図、第５図は掘削ズリの搬送装置の透
視概略図、第６図はこの発明の全体説明図である。 50……立坑、100……本坑、１……掘削機（ブームカッ
タ）、16……ズリ処理装置、23……固液分離装置、31…
…ジャッキ群、32……セグメントピース、34……セグメ
ントの空洞部。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立坑からトンネルの本坑に至る領域を水没
   して水圧を地圧とバランスさせて掘削するトンネル構築
   方法において、 前記トンネル本坑を掘削機により掘削する工程と、掘削
   したズリを泥水と共に後方へ流体輸送して固液分離して
   分離したズリを袋に収容して坑外へ搬出する工程とによ
   りトンネルを掘進し、 前記トンネルの掘進に合わせて、セグメントを立坑より
   泥水中に供給して組み立て、これをジャッキで先方へ推
   進する工程によりトンネルを覆工し、掘削終了後、前記
   立坑から本坑までの泥水を排出してなる水中におけるト
   ンネル構築方法。
2. 【請求項２】前記セグメントが肉厚内に空洞部を設けた
   ものであって、本坑内が泥水で水没している時あるいは
   泥水の排出後に空洞部内に固結剤を注入・硬化する請求
   項１記載の水中におけるトンネル構築方法。