JP2934746B2 - 掘削とセグメント組立とを併行に行う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掘削と
セグメント組立とを併行に行う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」 近年、工期短縮を目的として、一部のシールドジャッ
キを用いてシールド掘削機の推進動作をしつつ、その他
の部分でセグメントを組み立てることで同時施工を行お
うとする試みが提案されている。このような試みの一例
として、シールドジャッキをセグメント２リング分以上
伸ばせるストロークとし、シールドジャッキがセグメン
トの１リング分以上伸びたときに部分的にシールドジャ
ッキを戻し、セグメントを組み立てるような方法がある
（たとえば特開昭60−26797号公報）。

「発明が解決しようとする課題」 しかし、従来は、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ってお
り、この場合、シールドジャッキをセグメントの端部か
ら離した際に発生する偶力のため、シールド機に回転モ
ーメントが作用してシールド機の姿勢制御が困難にな
る、という事態が生じていた。従って、シールドジャッ
キの一部でもセグメントの先端から離した状態でのシー
ルド機の推進動作は大変困難であり、シールドジャッキ
による推進動作とセグメントの組合動作とを同時に行う
ことは困難であった。

「課題を解決するための手段」 本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、該シールド掘削機の後端部でセグメント
を組み立てつつ組立済みのセグメントから反力を取るこ
とで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、反力を取るべきセグメントを複数の部
分に分け、これら各部分のセグメントから順次反力を取
って一部のシールドジャッキによりシールド掘削機を推
進させつつそれら以外の部分においてセグメントの組立
を行い、かつ、前記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。

また、本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を具備し、前記シール
ドジャッキは少なくともセグメントの幅以上のストロー
クを有しかつ一部のシールドジャッキでシールド掘削機
全体を推進可能とされ、前記首振用ジャッキはシールド
掘削機の軸方向に対して傾斜状態で設置され、前記球面
座は前部シールドが受ける軸方向負荷を後部シールドに
伝達可能とされ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掘
削とセグメント組立とを併行に行う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が構成されてお
り、この球面座６はそれら摺動板6a、6bの当接により前
部シールド1aが受ける軸方向負荷を後部シールド1bに対
して伝達可能なものとされている。なお、この摺動板6
a、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の先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。このように首振用ジャッキ７、…
がシールド掘削機１の軸線方向に対して傾斜して配置さ
れていることにより、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測定装置10がその中心部に設け
られている。この測定装置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
実施例である掘削とセグメント組立とを併行に行うシー
ルド工法について説明する。

シールド掘削機による推進及び覆工 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、…端部に反力を取ってシールド
掘削機１を推進させることで、セグメント20組立とシー
ルド掘削機１の推進の同時施工を行う。

すなわち、一方のグループのシールドジャッキ４、…
によりシールド掘削機１の推進動作を行っている際に
は、他方のグループのシールドジャッキ４、…を短縮さ
せて、その隙間にセグメント20、…を組み立てる。この
セグメント20、…は、その後方にある既に組立完了した
セグメント20の端部にボルト等で接合する。

他方のシールドジャッキ４、…の隙間にセグメント2
0、…を全て組み立てたら、今度は他方のシールドジャ
ッキ４、…によりシールド掘削機１の推進動作を行いつ
つ、一方のシールドジャッキ４、…を短縮させて、その
隙間にセグメント20、…を組み立てる。これにより、１
リング分のセグメント20、…の組立が終了する。この
際、各シールドジャッキ４、…のストロークが２リング
分以上確保されていることから、シールド掘削機１の推
進作業を途切れさせることなくセグメント20、…の組立
作業を行うことができる。

シールドの姿勢制御 １リング分のシールド掘削機１の推進及びセグメント
20、…組立の間にシールド掘削機１の姿勢を測定し、そ
の修正の度合を確認する。そして、シールド掘削機１が
設定した推進線に乗っている場合はそのまま推進を続行
し、乗っていない場合は首振用ジャッキ７、…の伸縮量
を再度設定し直す。

すなわち、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
での姿勢を前記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
を制御装置に加算し、これらデータを考慮して、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。

このようにして、シールド掘削機１の姿勢制御を行い
つつ、シールド掘削機１の推進及びセグメント20、…の
組立を同時に行うことで、地盤中にトンネルを施工する
のである。

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。これにより、シー
ルドジャッキ４、…の一部をセグメント20、…の端部か
ら離した状態でもシールド掘削機１の推進動作を行うこ
とができ、また、シールドジャッキ４、…を２グループ
に分けて交互に推進動作を行わせることで、セグメント
20、…組立動作との同時施工が可能となる。

加えて、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、実現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、この発明の掘削とセグメント組立とを併行に行
う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、本発明のシールド工法
は、前部シールドの首振動作によりシールド掘削機全体
の姿勢制御を行っているので、シールドジャッキのスト
ロークを全て同一にしてシールド掘削機の推進動作を行
うことができ、シールド掘削機の姿勢制御が簡易かつ確
実なものとなる。これにより、覆工体の一部にのみ反力
を取ってもシールド掘削機の推進動作を安定して行うこ
とができ、これにより、覆工体を複数の部分に分け、こ
れら各部分について順次反力を取って推進動作を行わせ
ることで、覆工体組立動作との同時施工が可能となる。

また、本発明のシールド掘削機は、セグメントの幅以
上のストロークを有しかつ一部のものでシールド掘削機
全体を推進可能とされたシールドジャッキを後部シール
ドに設け、そのシールドジャッキにより推進しつつ、前
部シールドの首振動作により姿勢制御を行う構成である
ので、上記シールド工法を実施するためのものとして最
適であり、特に、首振用ジャッキをシールド掘削機の軸
方向に対して傾斜状態で設置するとともに、前部シール
ドと後部シールドとの間に設けた球面座は軸方向負荷を
伝達可能なものとしたので、首振用ジャッキには軸方向
負荷がかかることがなく、したがって本発明のシールド
掘削機における首振用ジャッキは首振り専用の小容量，
小型、安価なもので済み、しかも前部シールドを直接的
に首振りさせるべき方向に動かすので機械的に合理的で
ある。

【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、20……セグメント（覆工体）。

───────────────────────────────────────────────────── 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60−26797（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−207493（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−161093（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−43694（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 302 E21D 9/06 301

Claims (2)

(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、
   該シールド掘削機の後端部でセグメントを組み立てつつ
   組立済みのセグメントから反力を取ることで前記シール
   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、反力を取るべきセグメントを複数の部分に分け、こ
   れら各部分のセグメントから順次反力を取って一部のシ
   ールドジャッキによりシールド掘削機を推進させつつそ
   れら以外の部分においてセグメントの組立を行い、か
   つ、前記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
   する掘削とセグメント組立とを併行に行うシールド工
   法。
2. 【請求項２】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
   ャッキとを具備し、前記シールドジャッキは少なくとも
   セグメントの幅以上のストロークを有しかつ一部のシー
   ルドジャッキでシールド掘削機全体を推進可能とされ、
   前記首振用ジャッキはシールド掘削機の軸方向に対して
   傾斜状態で設置され、前記球面座は前部シールドが受け
   る軸方向負荷を後部シールドに伝達可能とされてなるこ
   とを特徴とする掘削とセグメント組立とを併行に行うシ
   ールド掘削機。