JP3545848B2 - 上向きシールド掘進機の推進方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下から地上へ向けて掘削を行う上向きシールド掘進機の推進装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、既設のトンネル内に掘進機本体を上向きに配置し、この掘進機本体を上方へ発進させて地下から地上へ向けて縦穴の掘削を行う上向きシールド掘進機が開発されている。
【0003】
この種の上向きシールド掘進機は、当該掘進機により上向きに形成された掘削坑(縦穴)の内面にセグメントを組み立て、そのセグメントに反力をとって上方へ推進するようにしていた。すなわち、従来の上向きシールド掘進機は、シールドフレーム内に周設された推進ジャッキを伸長させ、その先端を既設セグメントに当接させて反力をとり、上方に推進するようにしていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように既存の横向きシールド掘進機を、単に縦向きに配置しただけであると、次のような問題が生じる。
【0005】
上向き掘進では反重力方向に推力をかけるため、セグメントの組立時に該当する推進ジャッキを収縮させて荷重を抜くと、上向きに配置されたシールド掘進機の機体のバランスが崩れやすい。よって、真っ直ぐ掘ることが困難であり、安全性上も問題がある。
【0006】
また、反重力方向に進むため、上記推進ジャッキに大きな推力が必要となる。よって、その反力をセグメントだけで受けると、セグメントに過大な負荷荷重がかかって破損する虞もある。
【0007】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、セグメント組立時に機体バランスを良好に維持でき、セグメントに加わる負荷荷重を低減できる上向きシールド掘進機の推進装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、上向きシールド掘進機のシールドフレーム内に、上向きに形成された掘削坑の内面に組み立てられたセグメントに反力をとる第1推進ジャッキと、下方の基盤から上記掘削坑を通って上方に積み重ねられた反力受け部材に反力をとる第2推進ジャッキとを設け、上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキを共に伸長させて掘進機を上方に押し上げることで、掘進機に加わる反力を既設のセグメント及び反力受け部材の2系統に分担させ、その後、第1推進ジャッキ又は第2推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、他方の伸長状態の推進ジャッキによって掘進機の自重及び掘進機上方の土砂の重量を既設のセグメント又は反力受け部材に支持しつつ、収縮された一方の推進ジャッキと既設の反力受け部材又はセグメントとの間に、新たな反力受け部材又はセグメントを組み付けるようにしたことを特徴とする上向きシールド掘進機の推進方法である。
【0009】
また、上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御を行うようにしてもよい。
【0010】
上記推進方法によれば、上方への掘進時に、上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキを共に伸長させてシールドフレームを上方に押し上げ、第1推進ジャッキからセグメントの経路と、第2推進ジャッキから反力受け部材の経路との2系統によって推力を取る。よって、上方掘進時にセグメントに加わる負荷荷重が低減する。
【0011】
また、セグメント1リング分掘進終了後、第1推進ジャッキ又は第2推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、収縮された第1推進ジャッキと既設のセグメントとの間又は収縮された第2推進ジャッキと反力受け部材との間に形成されるスペースに、新たなセグメント又は反力受け部材を組み付け、収縮されない方の伸長状態の第1推進ジャッキ又は第2推進ジャッキによって掘進機に加わる荷重(自重+掘進機上方の土砂の重量)を支持するようにしたので、セグメントに加わる荷重負担を、掘進中のみならず新たなセグメント及び反力受け部材の組付中にも減らすことができる。
【0012】
また、上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御が行える。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【0014】
図1は、本実施形態に係る推進装置を備えた上向きシールド掘進機の側断面図を示すものである。図示するように、上方に掘進すべく鉛直に配置された円筒状のシールドフレーム1の頂部に、切羽2と坑内3とを仕切るすり鉢状の隔壁4が設けられている。隔壁4によって仕切られたカッタ室5には、モータ6により回転駆動されるカッタ7によって、掘削土砂が取り込まれる。
【0015】
このようにして取り込まれたカッタ室5内の土砂は、排土装置8によって排土され、土砂移送管9および反力受けケーシング10(特許請求の範囲の反力受け部材に相当する)を通して下方に搬送される。排土装置8は、一端がカッタ室5に接続され他端が下方に延出された排土管11と、排土管11内に収容されモータ12によって回転駆動される回転軸13と、回転軸13に取り付けられ排土間11内の土砂を攪拌して流動化させるパドル14と、回転軸13の上部に取り付けられ土砂取込室5内の土砂を攪拌する混練翼15とから構成されている。
【0016】
この構成によれば、回転軸13が回転すると、混練翼15が土砂取込室5内の土砂を攪拌すると共に、パドル14が上下方向に形成された排土管11内の土砂を攪拌するため、カッタ室5内および排土管11内の土砂が流動化する。すると、流動化された土砂が、重力の作用および切羽2の土圧によって排土管11内を重力方向下方に落下し、土砂移送管9および反力受けケーシング10を通して下方に排土されるのである。
【0017】
排土量は、排土管11の中央部11aに設けられたゲート16によって調節される。ゲート16は、水平方向の左右に近接離間移動する一組の板体17からなり、各板体17に回転軸13を避ける半円状の逃げ部が形成されて構成されている。これらの板体17は、図示しない油圧ジャッキ等で近接離間移動され、排土管11の通過面積を全閉から前開まで可変とする(図5参照)。かかるゲート16は、排土量を調節するのみならず、切羽2の土圧を所望の圧力に保つ機能をも発揮する。このゲート16を通過した土砂は、土砂移送管9に導かれる。
【0018】
土砂移送管9は、排土管11の下端部に接続された内管9aと、その内管9aの外周にスライド自在に被嵌された外管9bとから構成されている(図5参照)。内管9aと外管9bとの重合長さは、少なくともセグメント18の1リング分以上の長さとなっている。外管9bには、反力受けブラケット19が設けられており、この反力受けブラケット19と隔壁20との間には、第2推進ジャッキ21が介設されている。第2推進ジャッキ21は、図2に示すように周方向に所定間隔を隔てて複数配置されており、少なくともセグメント18の1リング分以上の伸長ストロークを有している。
【0019】
土砂移送管9の外管9bの外周には、鍔状の凸部22が形成されており、この凸部22には、セグメント組立装置としてのエレクタ23が、スラストおよびラジアル軸受24を介して回転自在に取り付けられている。エレクタ23は、その外歯ギヤ25が上記反力受けブラケット19に設けられたモータ26のピニオン27に噛合され、回転駆動されるようになっている。この構成によれば、エレクタ23は、外管9b、反力受けブラケット19および第2推進ジャッキ21を介して隔壁20に吊下支持される。
【0020】
外管9bの下端部には、パイプ状の反力受けケーシング10が着脱自在に接続されている。反力受けケーシング10は、その1単位がセグメント18の長さと等しい長さに形成されており、それらが軸方向に積層されボルトナット等(図示せず)により締結されて構成されている。両者の長さが等しくないと、長さの違い分が次第に積み重なり、不都合が生じるからである。この反力受けケーシング10は、図3に示すように下方の既設トンネル28(特許請求の範囲の基盤に相当する)から掘削坑29(縦穴)を通って、上方へ延長して形成されている。
【0021】
すなわち、反力受けケーシング10は、既設トンネル28内に構築された支持架台30の水平梁31に、支持台32を介して支持されている。この構成によれば、第2推進ジャッキ21の反力は、反力受けブラケット19→土砂移送管9の外管9b→反力受けケーシング10と伝達され、最終的に既設トンネル28の支持架台30に支持される。また、反力受けケーシング10の根元部10aには、排土ゲート33が設けられている。排土ゲート33は、反力受けケーシング10内の土砂を間欠的に排土し、排土を一定量ずつ下方のコンベヤ34に供給するものである。
【0022】
他方、シールドフレーム1の内周面には、図1に示すように、掘削坑29(縦穴)の内面に組み立てられたセグメント18に反力をとる第1推進ジャッキ35が設けられている。第1推進ジャッキ35は、図2に示すように周方向に所定間隔を隔てて複数配置されており、少なくともセグメント18の1リング分以上の伸長ストロークを有している。セグメント18は、前述のエレクタ23によって組み立てられ、縦穴29の実質的なトンネル壁をなすと共に、第1推進ジャッキ18の反力受け部材をも兼ねる。
【0023】
かかるセグメント18の下端部は、図3に示すように既設トンネル28の支持架台30の水平梁36に、支持台37を介して支持されている。この構成によれば、第1推進ジャッキ35の反力は、縦穴29の実質的なトンネル壁をなす既設セグメント18を伝達し、その反力の一部または全部が既設セグメント18と周囲の地盤との側部摩擦により相殺される。そして、その摩擦で受けきれない反力がある場合には、最終的により下方の既設トンネル28の支持架台30に支持される。なお、図3中、38は、既設トンネル28内から上向きシールド掘進機を発進させる際、土砂が既設トンネル28内に侵入するのを防止するエントランスシールである。また、図1中、39は作業員が乗る作業台である。
【0024】
上記第1推進ジャッキ35および第2推進ジャッキ21は、図4に示す油圧回路40によって作動される。図示するように、第1および第2推進ジャッキ35,21の各伸長室41と収縮室42とには、それぞれ油圧配管43,44が接続されている。収縮室42側の油圧配管44には、可変式の流量制御弁45が介設され、これと併行に逆止弁46が設けられている。上記双方の油圧配管43,44には、それぞれ電磁切換弁47,48を介して導油管49と排油管50とが接続されている。
【0025】
導油管49は、電動モータ51により駆動される油圧ポンプ52によって、油槽53内のオイルをフィルタ54から吸い込み、そのオイルを逆止弁55を介して上記第1および第2推進ジャッキ35,21へと導くものである。他方、排油管50は、第1および第2推進ジャッキ35,21内のオイルを油槽53内に返流するものである。これら導油管49と排油管50とは、バイパス管56を介して短絡されている。バイパス管56には、リリーフ弁57が介設されている。
【0026】
リリーフ弁57は、油圧回路40内の油圧が設定圧(リリーフ圧)以上に上昇すると、開弁されるようになっている。リリーフ弁57のリリーフ圧は、電磁ソレノイド57aによって可変とできる。また、各電磁切換弁47,48は、その左側電磁ソレノイド47a,48a同志または右側電磁ソレノイド47b,48b同志が、コントローラ58(特許請求の範囲の同期装置に相当する)によって同期して又は別個に通電されるようになっている。
【0027】
なお、図4には、簡略化のため推進1系統に対して1本のジャッキのみを表した回路を示したが、実際には推進1系統に対して図2に示す如き複数のジャッキが並列に設けられている。
【0028】
以上の構成からなる本実施形態の作用について述べる。
【0029】
上向きに推進するときには、図4のコントローラ58によって双方の電磁切換弁47,48の左側電磁ソレノイド47a,48aを同時に通電する。すると、第1および第2推進ジャッキ35,21の各伸長室41,41内にそれぞれオイルが流入し、図5に示すように各ジャッキ35,21のロッド部35a,21aが伸長する。
【0030】
このとき、各推進ジャッキ35,21の収縮室42,42から排油されるオイル量を流量制御弁45,45で調節することにより、各ロッド部35a,21aの伸長速度が調節される。従って、各流量制御弁45,45を適切に設定することにより、各ロッド部35a,21aの伸長速度の同調がとれ、鉛直に真っ直ぐに掘ることができる。なお、各ジャッキ35,21の伸長に伴って、土砂移送管9の内管9aが、外管9bに対して上方に引き上げられる。
【0031】
第1推進ジャッキ35のロッド部35aは、既設セグメント18に反力をとって掘進機Sを上方に押上げ、第2推進ジャッキ21のロッド部21aは、反力受けケーシング10に反力をとって掘進機Sを上方に押上げる。このとき、上向きの推力は、第1推進ジャッキ35→セグメント18→既設セグメント18の周囲の地盤との側部摩擦→支持架台30(図3参照)の経路と、第2推進ジャッキ21→反力受けブラケット19→土砂移送管9の外管9b→反力受けケーシング10→支持架台30の経路との2系統に分けられる。
【0032】
このため、セグメント18にのみ反力をとっていた従来のものと比べると、セグメント18に加わる負荷荷重が大幅に低減する。よって、セグメント18の破損を防止できる。また、上向きの推力は、第1推進ジャッキ35による外周部分(セグメント18)と第2推進ジャッキ21による中心部分(反力受けケーシング10)とにバランスよく振り分けられる。このように、推力をかける場所がバランスよく配置されるため、掘進中に機体Sのバランスを崩しにくく、真っ直ぐに掘れる。
【0033】
また、上向きの推力を第1推進ジャッキ35と第2推進ジャッキ21との2系統に分けたので、各ジャッキ35,21の必要推力すなわち直径を小さくできると共に、各ジャッキ35,21の必要本数を少なくできる。よって、第1および第2推進ジャッキ35,21の設置スペースが小さくなり、これらジャッキ35,21を狭隘なシールドフレーム1内に無理なく収容できる。特に、図2に示すように第1推進ジャッキ35と第2推進ジャッキ21とを周方向に沿って交互に配置すれば、よりコンパクトに構成できる。
【0034】
このようにしてセグメント18の1リング分の組み立てが可能になる長さ(すなわちセグメント1リング分の長さ+セグメント組立てに必要な間隙)の掘進が終了後したならば、各推進ジャッキ35,21の電磁切換弁47,48への通電をカットして中立位置にし、その伸長を停止させる。そして、第2推進ジャッキ21の電磁切換弁48の右側電磁ソレノイド48bのみを通電し、図6に示すように第2推進ジャッキ21のロッド部21aを収縮させる。このとき、掘進機Sに加わる荷重は第1推進ジャッキ35のみでセグメント18に支持されるが、この荷重は掘進機Sの自重および掘進機S上方の土砂の重量のみであり、推進反力を含まない。よって、セグメント18が破損することはない。
【0035】
その後、図6に示すように、エレクタ23に設けられたウインチ59によって、反力受けケーシング10の1単位を図3に示す既設トンネル28から吊り上げ、それを作業台29上の作業員が既設の反力受けケーシング10の上端部10xにボルト止めする。反力受けケーシング10は、パイプ状のもの又はそれを半割りにしたもの等が用いられる。新たにボルト止めされた反力受けケーシング10の上端部10yは、外管9bの下端部9yとの間に僅かな隙間を形成する。この隙間は、反力受けケーシング10の1単位の長さとセグメント18の1ピースの長さが等しいため、第1推進ジャッキ35を適宜伸長させることによって確保できる。
【0036】
その後、第2推進ジャッキ21を上記隙間分だけ伸長させて外管9bの下端部9yを下降させ、新たにボルト止めされた反力受けケーシング10の上端部10yに当接させる。外管9bの下端部9yが反力受けケーシング10の上端部10yに当接すると、図4の油圧回路40内の油圧が高まるため、リリーフ弁57が開いて過剰な油圧を逃がす。よって、過剰な力が反力受けケーシング10に加わることはない。また、第1推進ジャッキ35のロッド部35aがセグメント18から浮き上がることもない。こうして、外管9bの下端部9yが反力受けケーシング10の上端部10yに当接したならば、これらをボルト止めする。
【0037】
次に、図7に示すように、セグメント組立箇所にあたる第1推進ジャッキ35のロッド部35aを縮め、セグメント18を1リング分順に組み立てる。これは、該当する第1推進ジャッキ35の電磁切換弁47の右側電磁ソレノイド47bを通電し、該当外の第1推進ジャッキ35の電磁切換弁47および第2推進ジャッキ21の電磁切換弁48を、中立状態または左側電磁ソレノイド47a,48a通電状態として行われる。
【0038】
このとき、掘進機Sにかかる荷重は、縮めてない部分の第1推進ジャッキ35と第2推進ジャッキ21とで支持される。これら第1および第2推進ジャッキ35,21は、掘進機Sにかかる荷重をバランスよく支持する。何故なら、第1推進ジャッキ35は外周部分(セグメント18)を周方向に沿って支持し、第2推進ジャッキ21は中心部分(反力受けケーシング10)を支持するからである。よって、セグメント組立時に、機体Sのバランスを良好に維持でき、真っ直ぐに掘ることができる。
【0039】
なお、既設の反力受けケーシング10を全て繋いだ状態で第2推進ジャッキを縮め、図3に示す既設ケーシング10を仕切弁33のある最下端のものを除いて全て引上げて、下方の既設トンネル28内でケーシング10を継ぎ足す方法をとってもよい。
【0040】
セグメント18は、図8に示すように、隣接するセグメント18同志を締結するためのボルト穴60に、ウインチ59のワイヤ61の先端の設けられたフック部62が索60aを介して係合され、巻き上げられる。そして、図9に示すように、セグメント18の端部18xがエレクタ23の当接部63に当接したならば、セグメント18の中央部に螺合されたピン64を、エレクタ23の係合ブラケット65にボルト等で結合する。これにより、セグメント18は、高い支持剛性でエレクタ23に支持される。
【0041】
エレクタ23に支持されたセグメント18は、モータ26によって周方向に移動され、ジャッキ66によって径方向(水平方向)に移動され、ジャッキ67によって軸方向(上下方向)に移動されて、所望の組付位置に移動される。そして、図10に示すように既設のセグメント18にボルトナットによって組み付けられるのである。
【0042】
セグメント組付後は、それまで縮められていた組付位置に該当する第1推進ジャッキ35の電磁切換弁47の左側電磁ソレノイド47aを通電し、そのジャッキ35のロッド部35aを新たに組み付けられたセグメント18に当接するまで伸長させる。ロッド部35aがセグメント18に当接すると、図4において油圧回路40内の油圧が高まるため、リリーフ弁57が開いて過剰な油圧を逃がす。よって、セグメント18に過剰が荷重が加わることはなく、セグメント18の破損が防止される。
【0043】
なお、各推進ジャッキ35,21にストロークセンサを取り付けて、ストローク制御するようにしてもよい。この場合、各ジャッキ35,21のストローク量を調節することにより、容易に方向制御(斜め掘進)を行うことができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる上向きシールド掘進機の推進装置によれば、次にような優れた効果を発揮できる。
【0045】
(1)請求項1に係る発明によれば、上向き掘進時及びセグメント組立時に、セグメントに加わる負荷荷重を低減できる。
【0046】
(2)請求項2に係る発明によれば、更に方向制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る推進装置を備えた上向きシールド掘進機の側断面図である。
【図2】図1の II-II線断面図である。
【図3】上記上向きシールド掘進機の発進部分を示す図である。
【図4】上記推進装置を構成する第1推進ジャッキと第2推進ジャッキとの油圧回路を示す図である。
【図5】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図6】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図7】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図8】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【図9】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【図10】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【符号の説明】
1 シールドフレーム
10 反力受け部としての反力受けケーシング
18 セグメント
21 第2推進ジャッキ
28 基盤としての既設トンネル
29 掘削坑
35 第1推進ジャッキ
58 同期装置としてのコントローラ
S シールド掘進機
Claims (2)
- 上向きシールド掘進機のシールドフレーム内に、上向きに形成された掘削坑の内面に組み立てられたセグメントに反力をとる第1推進ジャッキと、下方の基盤から上記掘削坑を通って上方に積み重ねられた反力受け部材に反力をとる第2推進ジャッキとを設け、
上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキを共に伸長させて掘進機を上方に押し上げることで、掘進機に加わる反力を既設のセグメント及び反力受け部材の2系統に分担させ、その後、第1推進ジャッキ又は第2推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、他方の伸長状態の推進ジャッキによって掘進機の自重及び掘進機上方の土砂の重量を既設のセグメント又は反力受け部材に支持しつつ、収縮された一方の推進ジャッキと既設の反力受け部材又はセグメントとの間に、新たな反力受け部材又はセグメントを組み付けるようにしたことを特徴とする上向きシールド掘進機の推進方法。 - 上記第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第1推進ジャッキ及び第2推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御を行うようにした請求項1記載の上向きシールド掘進機の推進方法。
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