JP2934745B2 - シールド工法及びこれに用いるシールド掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、地中にトンネルを施工するためのシール
ド工法及びこれに用いるシールド掘削機に関するもので
ある。

「従来の技術」 シールド工法の一般的な例として、外形円筒状に形成
されたシールド掘削機の先端部に設けられたカッタ装置
で地山を掘削すると共に、シールド掘削機内部でセグメ
ントと呼ばれる円筒を分割したトンネル覆工体を組み立
てつつ、このセグメントに反力を取って、シールド掘削
機後端部に設けたシールドジャッキを伸長させることで
トンネルを施工するような方法が知られている。

この場合、あらかじめ設定された計画線に沿ってトン
ネルを施工するには、この計画線と現時点でのシールド
掘削機の位置及び方法との偏差を測定し、これを少なく
すべくシールド掘削機の姿勢を制御する必要がある。従
来、シールド掘削機の姿勢制御は、シールド掘削機の後
端部に前記シールドジャッキが周方向に間隔を置いて複
数本設けられていることから、これらシールドジャッキ
のストロークを各ジャッキごとに異ならせることで行っ
ていた。

また、曲線部を掘削する目的で、シールド掘削機を前
後に分割し、これらをジャッキ等で連結して折れ曲がる
ようにしたいわゆる中折れ式のシールド掘削機も存在す
る。

「発明が解決しようとする課題」 しかし、前記従来のようにシールドジャッキのストロ
ークをそれぞれ異ならせることで掘削機の姿勢制御を行
う場合、シールドジャッキが多数存在する場合は同一の
姿勢制御を実現するためのジャッキのストロークの組合
せ（これをジャッキパターンと称する）が複数個存在
し、その選択に熟練を必要としていた。しかも、一つの
ジャッキパターンで実現しうる姿勢制御も一意的ではな
く、このこともシールド掘削機の姿勢制御に熟練を要す
る一因となっていた。さらに、シールドジャッキは構造
状の理由からシールド掘削機の後端部に設けられてお
り、いわばシールド掘削機の舵取りを後端部で行ってい
るため、急旋回が困難であり、しかもジャッキパターン
の変更から実際にシールド掘削機の姿勢が変化するまで
に時間のずれが生じていた。これらのことは、前記中折
れ式のシールド掘削機であっても、ジャッキパターンの
変更により姿勢制御を行っている以上、同様に問題とな
っていた。

「課題を解決するための手段」 請求項１の発明のシールド工法は、前部シールドと後
部シールドとが球面座を介して連結されていて前部シー
ルドが後部シールドに対して首振可能とされ、かつ後部
シールドに推進用のシールドジャッキが設けられてなる
シールド掘削機を用い、前記シールドジャッキによりシ
ールド掘削機全体を推進させる際に、掘削する切羽の土
質に対応したシールド掘削機の方向特性データをシール
ド姿勢制御装置に加算し、該データに基づき前部シール
ドを後部シールドに対して首振操作して当該シールド掘
削機の姿勢を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、切羽の
土質を検出して該土質に対応したシールド掘削機の方向
特性データを前記シールド姿勢制御装置に加算すること
を特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明におい
て、前記前部シールドの首振操作のみでシールド掘削機
の姿勢を制御することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または２の発明におい
て、前記前部シールドの首振操作と前記シールドジャッ
キによる反力操作とでシールド掘削機の姿勢を制御する
ことを特徴とする。

請求項５の発明のシールド掘削機は、後部に推進用の
シールドジャッキを備えた後部シールドと、先端部にカ
ッタを備え前記後部シールドの前部に球面座を介して連
結されて該後部シールドに対して首振動作可能な前部シ
ールドと、該前部シールドを前記後部シールドに対して
首振動作させるための首振用ジャッキと、掘削切羽の土
質を測定する検出装置と、該検出装置からの信号に応じ
てあらかじめ記憶されたシールド掘削機の方向特性デー
タを抽出・加算することにより前記前部シールドを首振
操作するシールド姿勢制御装置とを具備してなることを
特徴とする。

「実施例」 以下、図面を参照してこの発明の実施例について詳細
に説明する。

第１図ないし第２図は、この発明の一実施例であるシ
ールド掘削機を示す図である。これら図において、符号
１全体で表されるものはシールド掘削機であり、このシ
ールド掘削機１は、外形筒状に形成されたスキンプレー
ト２と、このスキンプレート２の前端部に設けられ、図
示されない支持部により回動自在に支持されたカッタ３
と、スキンプレート２の後端部に設けられ、このスキン
プレート２の周方向に間隔を置いて配置された複数個の
シールドジャッキ４、４、…とから概略構成されてい
る。

このシールド掘削機１は、そのスキンプレート２がカ
ッタ３後方にある仕切板（バルクヘッド）５の直後方で
前後に２分割されることで、それぞれ前部シールド1a、
後部シールド1bに分割されている。そして、これら前
部、後部シールド1a、1b間には球面座６が介在されるこ
とで、前部シールド1aと後部シールド1bとが360°いず
れの方向へも首振自在に枢支されている。

具体的には、後部シールド1bの先端には、そのスキン
プレート２の前端部から連なる摺動板6aがシールド1bの
内方かつ前方に向けて延出されていると共に、前部シー
ルド1aの後端には、そのスキンプレート２の後端部から
連なる摺動板6bがシールド1aの内方かつ前方に向けて延
出され、これら摺動板6a、6bが同一曲率の球面に形成さ
れて互いに当接されることで、球面座６が構成されてい
る。なお、この摺動板6a、6bを構成する球面であるが、
中心がシールド掘削機１の軸心上にあり、半径がスキン
プレート２の半径以上の球を、その半径に垂直で互いに
平行な２面で切断することで得られる球面であることが
望ましい。

また、これら前部、後部シールド1a、1bは互いに首振
用ジャッキ７、７、…及び密着用ジャッキ８、８、…に
より連結されている。

すなわち、首振用ジャッキ７は、その後端部が後部シ
ールド1bの前端部にピン接合されていると共に、その前
端部が前部シールド1aの後端部にピン接合され、しか
も、前部シールド1aとの接合部が後部シールド1bとの接
合部よりシールド掘削機１の内方に偏っていることで、
ジャッキ７全体が斜め前方に配置されている。さらに、
本実施例では、第２図に示すように首振用ジャッキ７、
…は８本用意されており、これらジャッキ７、…は、互
いに直交してシールド掘削機１の軸心を通る軸線９、９
を挟んで２本１組とされ、シールド掘削機１の軸心に向
かって「ハ」の字を描くように軸線９、９に線対称な位
置に配置されている。これにより、首振用ジャッキ７、
…の伸縮により前部シールド1aの首振動作が可能となる
と共に、シールド掘削機１の軸心回りの回転（ローリン
グ）に対して前部、後部シールド1a、1bを一体化するこ
とが可能となる。

一方、前記密着用ジャッキ８、…はシールド掘削機１
の軸心に略平行となるように、その端部がそれぞれ前
部、後部シールド1a、1bにピン接合されている。また、
第２図に示すように、密着用ジャッキ８、…は前記軸線
９、９上に４本配置されている。この密着用ジャッキ
８、…は、首振用ジャッキ７、…による首振動作時に前
部、後部シールド1a、1bを互いに引っ張って近接させる
ことで、前記球面座６からの土砂、水等の侵入を防止す
る役割を有する。

また、前部シールド1aには、第１図に示すように、掘
削切羽の土質を測定する検出装置10がその中心部に設け
られている。この検出装置10は、後端部にある押出ジャ
ッキ11により前後方向に水平に移動自在とされた棒状の
ロッド12と、このロッド12の外側面を囲繞する外筒13
と、この外筒13の外周に設けられた螺旋状のスクリュー
14と、スクリュー14を囲繞する筒状のケーシング15と、
外筒13及びスクリュー14を一体に回動及び水平前後動さ
せるモータ16、ジャッキ17とから構成されている。ジャ
ッキ11のストロークはセグメント20の１リング分以上を
確保している。

なお、本実施例では、シールドジャッキ４、…のスト
ロークはセグメント20の２リング分以上とされている。
また、シールド掘削機１全体の動作は図示されないシー
ルド制御装置により制御されている。

次に、第１図ないし第３図を参照して、この発明の一
実施例であるシールド工法について説明する。

シールドの姿勢制御 各種計測装置から得られるシールド掘削機１の姿勢デ
ータに基づいて、シールド掘削機１の現時点での姿勢を
姿勢制御装置により算出する。この姿勢データは、従来
のシールド掘削機の姿勢制御のために用いられるデータ
でよく、例えばシールド掘削機に内蔵したピッチング
計、ローリング計、テールクリアランス測定装置、ある
いはレーザビーム式方向検出装置等からのデータが好適
に使用可能である。

また、前記検出装置10により、掘削切羽の土質を測定
する。まず、押出ジャッキ11を伸長させることで、ロッ
ド12を所定長さだけ切羽に向けて貫入させ、その貫入抵
抗をジャッキ11に加えた力で算出する。次に、モータ16
及びジャッキ17を作動させることで、外筒13及びスクリ
ュー14を回転させつつケーシング15と共に前進させ、ロ
ッド12の押出長さだけスクリュー14等が前進したら回
転、前進動作を停止する。この際、ロッド12は停止させ
ておく。この状態で更にロッド12を所定長さだけ切羽に
向けて貫入させ、その貫入抵抗を算出する。なお、ロッ
ド12の貫入長さはセグメント20の１リング分以上とす
る。

このようにロッド12を２段階に分けて切羽に向けて貫
入させるのは、ロッド12を深く貫入させた時の地山の圧
密の影響を少なくすること、ロッド12の強度を確保する
こと、及び、カッタ３からの影響を受けた領域と真の地
山の強度領域とを分けて測定することを目的とするから
である。

次に、ロッド12の貫入抵抗から切羽の土質を測定す
る。まず、ロッド12の貫入抵抗は次式で表される。

ここで、 qc:単位面積当り貫入抵抗（kgf/cm²） Q :ジャッキ11から得られる貫入抵抗値（kgf） A :ロッド12の断面積（cm²） なお、ロッド12の自重による摩擦抵抗は、貫入方向が水
平でしかも貫入距離が短いために無視する。また、Ｑ
は、ジャッキ11のヘッド側圧力とロッド側圧力の双方を
計測し、その差圧から計算した値より無負荷時の摺動抵
抗を引いたものとする。

ここで、 ds :シリンダ内径（cm） dr :シリンダロッド径（cm） Ph :シリンダヘッド側圧力（kgf/cm²） Pr :シリンダロッド側圧力（kgf/cm²） Pfh:無負荷時のシリンダヘッド側圧力（kgf/cm²） Prh:無負荷時のシリンダロッド側圧力（kgf/cm²） 以上の式より得られたqcと、排土された土の性状、あ
るいは予め実施されたボーリングデータにより判明して
いる土質とから、次式により切羽付近の土の強度を知る
ことができる（土質工学会編「土質調査法」参照）。

qc＝n_S/D×Ｎ qc＝14〜17×Cu （ただし、内部摩擦角ψ≒０の粘土） ここで、 N ：標準貫入試験打撃回数（Ｎ値） n_S/D：静的動的貫入抵抗比（土質によって異なるが２〜
６、但し洪積砂礫を除く） Cu ：粘土の粘着力 よって、この検出装置10により、切羽の土質の強度ある
いは摩擦抵抗を測定することが可能となる。

そして、前述したシールド掘削機１の姿勢データ及び
検出装置10により得られた地山強度、摩擦抵抗力データ
を姿勢制御装置に加算し、これらデータを考慮して、姿
勢制御装置内に予め記憶されているシールド掘削機１の
ステアリング特性（すなわち前部シールド1aの首振動作
に対するシールド掘削機１全体の姿勢変更の度合）に基
づいて姿勢修正のための推進軌道の曲率半径及び推進距
離を設定し、首振用ジャッキ７、…の伸縮量を決定す
る。なお、通常はシールドジャッキ４、…のストローク
を全て同一とするが、前部シールド1aの首振動作だけで
は姿勢制御ができない場合にのみジャッキパターンの変
更によってもシールド掘削機１の姿勢制御を行うものと
する。

シールド掘削機による推進 シールド掘削機１の後端部に設けられたシールドジャ
ッキ４、…は、２グループ、例えば１個おきのグループ
に予め分けられている。そして、これらのグループのう
ち一方のグループに属するシールドジャッキ４、…を伸
長させて、セグメント20、…先端部に反力を取ってシー
ルド掘削機１を推進させる。

従って、本実施例によれば、前部シールド1aを後部シ
ールド1bに対して相対的に首振可能としているので、こ
の前部シールド1aの首振動作によりシールド掘削機１全
体の姿勢制御を行うことができる。これにより、シール
ドジャッキ４、…のストロークを全て同一にしてシール
ド掘削機１の推進動作を行うことができ、シールド掘削
機１の姿勢制御が簡易なものとなる。また、シールド掘
削機１先端部、すなわち前部シールド1aでシールド掘削
機１全体の舵取りを行うため、前部シールド1aの首振動
作に連れて速やかにシールド掘削機１の姿勢も変化す
る、という優れた利点も有する。

しかも、本実施例では切羽の土質を検出する検出装置
10をシールド掘削機１に設けており、従来の数百ｍおき
のボーリングデータに頼ったシールド機の姿勢制御に比
較して、現実の切羽の土質に対応したきめ細かなシール
ド掘削機１の姿勢制御が可能となる。

なお、この発明のシールド工法及びこれに用いるシー
ルド掘削機は、その細部が前記実施例に限定されず、種
々の変形例が可能である。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、請求項１の発明のシール
ド工法は、後部シールドに設けたシールドジャッキによ
り掘進しながら前部シールドを首振操作することでシー
ルド掘削全体の姿勢制御を行うようにしたので、前部シ
ールドの首振動作とシールドジャッキの動作を独立に行
い得るものであり、しかも切羽の土質に対応した方向特
性データに基づいてシールド姿勢制御装置により前部シ
ールドを首振操作するので、シールド掘削機の姿勢制御
を確実にかつ安定に行い得るものである。

また、請求項２の発明によれば、掘進しながら切羽の
土質を検出してそれに基づいて前部シールドを首振操作
して姿勢制御することにより、実際の切羽の土質に対応
したより高精度の姿勢制御が可能となる。

また、請求項３の発明によれば、前部シールドの首振
操作のみによってシールド掘削機全体の姿勢制御を行う
ので、前部シールドが先端部で舵取りを行うことになっ
てシールド掘削機全体の姿勢を首振動作に遅れることな
く速やかに変化させることが可能である。

さらに、請求項４の発明によれば、前部シールドの首
振操作に加えてシールドジャッキによる反力操作すなわ
ちジャッキパターンの変更も併せて行ってシールド掘削
機の姿勢を制御するので、前部シールドの首振操作のみ
では姿勢制御が不十分な場合にも対応できることはもと
より、その場合においても、前部シールドの首振動作と
シールドジャッキの動作を独立に行い得ることから、後
部シールドをシールドジャッキによって組立済みのセグ
メントに対して固定し、その固定した後部シールドから
反力を取って前部シールドの首振動作を行うことによ
り、従来のシールドジャッキのみによる姿勢制御に比べ
て操作が簡単かつ安定な姿勢制御を行うことができる。

さらにまた、請求項５の発明のシールド掘削機によれ
ば、推進用のシールドジャッキを備えた後部シールド
と、その前部に球面座を介して連結された首振動作可能
な前部シールドと、前部シールドを後部シールドに対し
て首振動作させるための首振用ジャッキと、掘削切羽の
土質を測定する検出装置と、検出装置からの信号に応じ
て前部シールドを首振操作するシールド姿勢制御装置と
を具備してなるので、検出装置により切羽の土質を検出
しながら前部シールドの首振操作を行ってシールド掘削
の姿勢を逐次制御することにより、従来の数百ｍおきの
ボーリングデータに頼ったシールド掘削の姿勢制御に比
較して、現実の切羽の土質に対応したきめ細かな姿勢制
御が可能であり、上記シールド工法を実施する際に用い
るものとして最適である。しかも、前部シールドと後部
シールドとの間に球面座を設けているので、切羽側から
の軸方向の負荷は前部シールドから球面座を介して後部
シールドにより受けられた最終的には後部シールドから
シールドジャッキにより受けられ、したがってシールド
ジャッキを後部シールドに設けているにも拘わらず首振
用ジャッキには軸方向負荷が直接的にかかることがない
から、首振用ジャッキとしては球面座が摺動して前部シ
ールドを首振させることのできる小容量のものを用いれ
ば良く小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は、この発明の一実施例であるシー
ルド掘削機を示す図であって、第１図は縦断面図、第２
図は横断面図、第３図はこの発明の一実施例であるシー
ルド工法を説明するための図である。 １……シールド掘削機、1a……前部シールド、1b……後
部シールド、３……カッタ、４……シールドジャッキ、
６……球面座、７……首振用ジャッキ、８……密着用ジ
ャッキ、10……検出装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 善久 大阪府枚方市上野３―１―１ 株式会社 小松製作所大阪工場内 (72)発明者 今村 剛士 大阪府枚方市上野３―１―１ 株式会社 小松製作所大阪工場内 (56)参考文献 特開 昭62−164997（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 301

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】前部シールドと後部シールドとが球面座を
   介して連結されていて前部シールドが後部シールドに対
   して首振可能とされ、かつ後部シールドに推進用のシー
   ルドジャッキが設けられてなるシールド掘削機を用い、
   前記シールドジャッキによりシールド掘削機全体を推進
   させる際に、掘削する切羽の土質に対応したシールド掘
   削機の方向特性データをシールド姿勢制御装置に加算
   し、該データに基づき前部シールドを後部シールドに対
   して首振操作して当該シールド掘削機の姿勢を制御する
   ことを特徴とするシールド工法。
2. 【請求項２】切羽の土質を検出して該土質に対応したシ
   ールド掘削機の方向特性データを前記シールド姿勢制御
   装置に加算することを特徴とする請求項１記載のシール
   ド工法。
3. 【請求項３】前記前部シールドの首振操作のみでシール
   ド掘削機の姿勢を制御することを特徴とする請求項１ま
   たは２記載のシールド工法。
4. 【請求項４】前記前部シールドの首振操作と前記シール
   ドジャッキによる反力操作とでシールド掘削機の姿勢を
   制御することを特徴とする請求項１または２記載のシー
   ルド工法。
5. 【請求項５】後部に推進用のシールドジャッキを備えた
   後部シールドと、先端部にカッタを備え前記後部シール
   ドの前部に球面座を介して連結されて該後部シールドに
   対して首振動作可能な前部シールドと、該前部シールド
   を前記後部シールドに対して首振動作させるための首振
   用ジャッキと、掘削切羽の土質を測定する検出装置と、
   該検出装置からの信号に応じてあらかじめ記憶されたシ
   ールド掘削機の方向特性データを抽出・加算することに
   より前記前部シールドを首振操作するシールド姿勢制御
   装置とを具備してなることを特徴とするシールド掘削
   機。