JP3882653B2

JP3882653B2 - トンネル掘削方法および掘削機

Info

Publication number: JP3882653B2
Application number: JP2002081965A
Authority: JP
Inventors: 和夫宮沢; 勉木内; 晶士西崎; 啓二雨宮; 雅之清水; 利彦和田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003278481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘削方法および掘削機、特に高水圧下の密閉型シールド工法に好適なトンネル掘削方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、トンネル掘削工事においても環境問題に配慮し、自然水分環境への影響を最小限に抑えることが強く求められている。そのため、従来、都市部でのシールドトンネルでは、掘削機の先端のカッタヘッドと隔壁との間に、泥土・泥水を加圧保持することにより切羽を安定させながら掘削を進める密閉型シールド工法で施工されていた。
【０００３】
図４に示したのは、従来のトンネル掘削機とそれを用いたシールド工法を説明するためのトンネル長手方向の断面を示す説明図である。
図４（ａ）に示したように、トンネル掘削機２５は、シールド本体２４の先端にカッタ軸２１でさえられたカッタヘッド２０を備え、カッタヘッド２０の後方にはカッタ軸２１を支持するとともにシールド本体２４の断面を覆う隔壁２２が設けられている。カッタヘッド２０と隔壁２２との間は、泥水が所定圧で保持されるチャンバ２２ａとなっている。隔壁２２の後方には不図示のカッタヘッド駆動機構や、泥水を搬送して泥水中に含まれる泥土を除去し、泥土除去後の水分をチャンバ２２ａに戻す排泥管、送泥管などが設けられている。さらに後方にはシールド本体２４の内周部に沿って後方に設置されたセグメント３１に反力をとってシールド本体２４を切羽３０ａ側に推進するシールドジャッキ２３が設けられている。
【０００４】
トンネル掘削機２５を用いた従来のトンネル掘削工法では、カッタヘッド２０を駆動して、シールドジャッキ２３を所定距離Ｌだけ押出して、切羽３０ａを距離Ｌだけ前進させ、後方に新たなセグメント３１を延設していた。このため、シールドジャッキ２３は、掘削抵抗に抗して地山３０を掘削して泥土を排除するとともに、地山水圧に抗して（Ｌ×断面積）分の泥水を地山３０に押し戻して、切羽３０ａを前進させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の密閉型シールド工法では、山岳トンネルでは施工が難しくなるという問題があった。
近年、山岳トンネルにおいても施工中に地下水をいっさい排水しない工法（水密トンネル工法）が検討されているが、都市部の地下水圧がせいぜい０．５〜０．６ＭＰａであるのに比べ、豊富な地下水を抱える山岳部では、地山水圧が１．０〜２．０ＭＰａと非常に高い場合があり、地山の掘削力よりも水圧に抵抗して掘削する推進力の方が大きくなる。例えば、掘削機の外径が５ｍで、地山水圧が１．６ＭＰａの場合、この水圧に抵抗するだけで約４０００ｔの推進力、また地山の掘削力に約９００ｔが必要である。このような高水圧では、シールドの推進に用いられる現状の油圧ジャッキが２５０ｔ／本であることを考慮すると、約２０本の油圧ジャッキが必要となり、掘削機内周上に油圧ジャッキを配列することが困難であった。また仮に配列できたとしても掘削作業に必要な装置類を配置する内空容積が取れなくなっていた。すなわち山岳トンネルなどの高水圧下では密閉型シールド工法の施工が困難であるという問題があった。
一方、切羽の全面完全止水地盤改良を行いながらの施工（青函方式）などを行うことも考えられるが、工期が長くなり施工コストが莫大となることから一般の山岳トンネルには適さないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、高水圧下でも密閉型シールド工法を施工できるようにするトンネル掘削方法および掘削機を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、カッタヘッドと隔壁との間のチャンバ内の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型シールド工法用のトンネル掘削機によるトンネル掘削方法であって、前記カッタヘッドを前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸で支持し、前記隔壁を静止させながら、前記カッタヘッドを推進して所定量を掘削する第１の工程と、前記カッタヘッドを静止させ、前記チャンバ内の泥水圧を一定に保ちつつ前記隔壁を前記所定量だけ推進する第２の工程とからなり、前記第１、第２の工程を順次繰り返して、切羽を前進させる方法を用いる。
そのため、地山水圧に抵抗して推進する際の推進力が第１の工程と第２の工程とに分散されるので、それぞれに必要な推進力を減らすことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、カッタヘッドと隔壁との間のチャンバ内の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型のトンネル掘削機であって、先端に前記カッタヘッドを備える外筒部材と、該外筒部材の内側にスライド可能に設けられ、先端に隔壁を備える内筒部材と、該内筒部材を推進する内筒推進ジャッキと、前記カッタヘッドを掘削駆動可能に支持するとともに前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸と、前記カッタヘッドを切羽側に推進する掘削ジャッキとを備え、該掘削ジャッキは前記内筒部材内部に設けられ、前記掘削ジャッキによって前記カッタ軸を押圧して、前記カッタヘッドを推進する構成を用いる。
そのため、カッタ軸を掘削ジャッキにより推進することによりカッタヘッドが備えられた外筒部材を、また内筒推進ジャッキにより隔壁を備えた内筒部材を、それぞれ独立に推進できるので、カッタヘッドと隔壁を同時に推進する場合に比べてそれぞれの推進力を減らすことができる。
また、掘削ジャッキを内筒部材の内部に設けるので調整・保守・交換が容易となる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、カッタヘッドと隔壁との間の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型のトンネル掘削機であって、先端に前記カッタヘッドを備える外筒部材と、該外筒部材の内側にスライド可能に設けられ、先端に隔壁を備える内筒部材と、
該内筒部材を推進する内筒推進ジャッキと、前記カッタヘッドを掘削駆動可能に支持するとともに前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸と、前記カッタヘッドを切羽側に推進する掘削ジャッキとを備え、該掘削ジャッキは前記外筒部材と前記隔壁の間に設けられ、前記掘削ジャッキを前記隔壁に反力をとって前記外筒部材を押圧して、前記カッタヘッドを推進する構成を用いる。
そのため、カッタ軸を掘削ジャッキにより推進することによりカッタヘッドが備えられた外筒部材を、また内筒推進ジャッキにより隔壁を備えた内筒部材を、それぞれ独立に推進できるので、カッタヘッドと隔壁を同時に推進する場合に比べてそれぞれの推進力を減らすことができる。
また、掘削ジャッキを外筒部材と隔壁の間に設けるので、内筒部材内のスペースを空けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面を通して、同一または相当する部材は、同一の符号を付している。
まず図１を参照して本発明に係るトンネル掘削機の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係るトンネル掘削機の掘削方向断面の概略構成を示す説明図である。図１は、トンネル掘削機１が、後方にセグメント３１…を順次設置して地山３０を図示左側に掘り進めている様子を示している。
【００１３】
本発明に係るトンネル掘削機１は、大きくは、外筒６（外筒部材）、内筒５（内筒部材）、内筒５の先端に設けられた隔壁４、カッタヘッド２、カッタ軸３、掘削ジャッキ９…（推進機構）および内筒推進ジャッキ１０…（推進機構）を備えている。またこの他に、従来の密閉型シールド工法を行うために必要な、カッタヘッド２を駆動するカッタ駆動モータ１３、セグメント３１を設置するエレクタ１１、隔壁４の前方に閉じ込めた泥水を排出する排泥管８ａ、泥水から泥土を除去したのちの水分を戻す送泥管８ｂなどを備えている。
【００１４】
カッタヘッド２は、密閉型シールド工法に用いられる例えば回転式のカッタや掘削した泥土を攪拌するアジテータなどを備えるもので、地山３０の土質やトンネルの断面形状に合わせて適宜の構成を用いることができる。その駆動軸は高圧泥水に対するシールが施された軸受部を備えるカッタ軸３によって支持されている。
【００１５】
外筒６は、カッタヘッド２近傍の掘削面を支持するためのシールド部材で、トンネル断面形状に合わせて鋼板などで製作されている。カッタ軸３と外筒６は、外筒６の切羽側端部で径方向に設けられた適宜のアームなどからなるカッタ軸支持部材６ａ（不図示）によって一体に結合されている。このカッタ軸支持部材６ａは、外筒６の内側に泥水が浸入するのを妨げないように設けられている。
【００１６】
内筒５は、外筒６よりわずかに小さい相似断面を備え、外筒６の切羽逆側から、外筒６とスライド可能に嵌合する筒状部材である。外筒６と内筒５の嵌合部には泥水をシールするテールパッキン７…が設けられている。
【００１７】
内筒５の切羽側の先端には泥水を遮蔽するための隔壁４が設けられている。そのため隔壁４の切羽側前方は、外筒６とカッタヘッド２に囲まれた泥水を保持するチャンバ１６が構成されている。
【００１８】
内筒５の切羽と逆側の端部には開口が設けられている。その開口端部の内面は、内筒５の内部に備えられたエレクタ１１により設置されたセグメント３１の外周部を覆うように構成され、セグメント３１との間をシールするテールパッキン１２…が設けられている。
【００１９】
内筒５の中間部の内周面には、セグメント３１の端面に反力をとって内筒５を切羽方向に推進する内筒推進ジャッキ１０…が設置されている。また同じく内筒５の中間部の内周面には、ジャッキ支持部材９ａが設けられ、カッタ軸３を切羽方向に押出す掘削ジャッキ９…が内筒５の短手方向の中央部に配列されている。内筒推進ジャッキ１０…および掘削ジャッキ９…は、いずれも油圧ジャッキを採用することができる。
【００２０】
カッタ軸３は、その外周部が隔壁４の中央に設けられた孔に貫入され、隔壁４によって掘削方向にスライド可能に支持されている。そのために、カッタ軸３と隔壁４の間には、高圧泥水をシールする隔壁シール４ａが設けられている。
【００２１】
カッタ軸３の内部を貫通する駆動軸の端部には動力伝達部１４が設けられ、カッタ駆動モータ１３と接続されている。また隔壁４には、排泥管８ａと送泥管８ｂとに接続する孔がそれぞれ設けられている。
【００２２】
次に、上記に説明したトンネル掘削機１の動作を説明するとともに、それを用いた本発明に係るトンネル掘削方法を説明する。図２は、本発明に係るトンネル掘削方法の各工程を説明するための概略図である。
本発明によるトンネル掘削方法は、高水圧下であっても推進機構に大きな負荷をかけることなくシールドを前進させるために、カッタヘッド２と隔壁４をそれぞれ別々の推進機構により、第１、第２の工程の２回に分けて推進することにより、切羽およびトンネル掘削機１を前進させるものである。
【００２３】
図２（ａ）に示したように、掘削開始前の状態では、掘削ジャッキ９…、内筒推進ジャッキ１０…はいずれも縮退状態で、内筒推進ジャッキ１０…セグメント３１の端面に、掘削ジャッキ９はカッタ軸３の後ろ側端面に当接している。
【００２４】
まず第１の工程では、カッタ駆動モータ１３（図１）を駆動してカッタヘッド２を回転させながら、掘削ジャッキ９…を作動させて伸長させ、カッタ軸３を距離Ｌだけ推進する（図２（ｂ））。なお距離Ｌは、セグメント３１を１個追加してトンネル覆工を延長するために必要な距離である。
【００２５】
このとき掘削ジャッキ９…は、ジャッキ支持部材９ａ…（図１）を介して内筒５に固定されているので内筒５は掘削方向と反対方向に反力を受ける。この反力は、縮退状態にある内筒推進ジャッキ１０…を介してセグメント３１に伝達される。このため、内筒５は静止しているので、カッタ軸３がセグメント３１に対して距離Ｌ前進し、カッタ軸３に固定されている外筒６も同距離前進される。
【００２６】
このとき、掘削された地山体積に含まれる泥土と地下水は、アジテータによって攪拌されて流動性の高い泥水となり、カッタヘッド２の前進とともに拡大するチャンバ１６内に浸入し、隔壁シール４ａ、テールパッキン７（図１）によってチャンバ１６内に封止される。この間、従来の密閉型シールド工法と同様に排泥管８ａ、送泥管８ｂを通じて泥水の圧力制御を行いながら、泥水中の泥土を排出し、水分をチャンバ１６に戻す。このためチャンバ１６内の泥水圧が一定に保たれ、安定な切羽が維持される。
【００２７】
次に、第２の工程では、カッタ軸３の位置を静止させた状態で、内筒推進ジャッキ１０…を作動させて、伸長させ、内筒５を切羽側に距離Ｌだけ前進させる。それと同時に、カッタ軸３を静止させるために、掘削ジャッキ９…を内筒推進ジャッキ１０…と同一の速度で連動して縮退させる（図２（ｃ））。したがって、第２の工程では、チャンバ１６の容積が図２（ｂ）から距離Ｌだけ圧縮される。この間、チャンバ１６の泥水圧は一定に保たれるから、第１の工程でチャンバ１６に浸入した泥水体積に相当する水分が地山に戻される。
【００２８】
続いて、従来の密閉型シールド工法と同様に、エレクタ１１（図１）によって新たなセグメント３１を建て込み、既設のセグメント３１と順次接合して内筒推進ジャッキ１０…の反力をセグメント３１に受け替え、内筒推進ジャッキ１０…を縮退させて、改めて新設のセグメント３１に反力を取り直す。
【００２９】
以上で、トンネル掘削機１が距離Ｌだけ前進して、図２（ａ）の初期状態と同様の状態に戻るので、これらの工程を順次繰り返すことによって段階的に切羽およびトンネル掘削機１を前進させることができる。
【００３０】
次に、本発明の作用について説明する。以下では、地山水圧をＰ、トンネル全断面積をＡ、隔壁４の断面積をＡ₁、カッタ軸３の断面積をＡ₂、カッタヘッド２が受ける掘削方向の単位面積当たりの掘削抵抗をＷとして説明する。（ただし、Ａ＝Ａ₁＋Ａ₂）
【００３１】
まず従来の工法によると、トンネルを距離Ｌだけ掘削するのに必要な推進力ｆは、力学的な仕事のつりあいを考えれば、
ｆ・Ｌ＝（Ｐ・Ａ＋Ｗ・Ａ）・Ｌ（１）
だから、
ｆ＝（Ｐ＋Ｗ）・Ａ（２）
である。
【００３２】
次に、本方法による掘削ジャッキ９…および内筒推進ジャッキ１０の…の推進力をそれぞれ、Ｆ₁、Ｆ₂とすると、第１の工程では、カッタヘッド２が距離Ｌ前進する際、掘削抵抗Ｗを受ける。また、Ｌ・Ａだけ拡大したチャンバ１６のうち、カッタ軸３が前進した体積分だけ泥水が排除されねばならないので、仕事のつりあいから、
Ｆ₁・Ｌ＝（Ｐ・Ａ₂＋Ｗ・Ａ）・Ｌ（３）
次に、第２の工程では、隔壁４を距離Ｌだけ前進させるため、その分の体積の泥水を排除する仕事が必要で、仕事のつりあいは、
Ｆ₂・Ｌ＝Ｐ・Ａ₁・Ｌ（４）
となる。よって、式（３）、（４）より、
Ｆ₁＝Ｐ・Ａ₂＋Ｗ・Ａ（５）
Ｆ₂＝Ｐ・Ａ₁ （６）
したがって、
Ｆ₁＋Ｆ₂＝Ｐ・（Ａ₁＋Ａ₂）＋Ｗ・Ａ＝ｆ（７）
となる。
式（７）から、本発明によれば、従来工法による推進力ｆがそれぞれ掘削ジャッキ９…と内筒推進ジャッキ１０…によって分担されていることが分かる。また、式（５）から分かるように、Ａ₂＝０の場合でも、Ｆ₁には掘削抵抗Ｗの寄与が残るので、推進力の分担が成立するものである。
したがって、Ｆ₁＜ｆかつＦ₂＜ｆとなっている。すなわちそれぞれの工程では、従来工法の推進力ｆより小さい推進力Ｆ₁、Ｆ₂が必要とされるにすぎない。また、それぞれの推進力の大きさは、式（５）、（６）から求められるので、所定の掘削抵抗Ｗ、地山水圧Ｐ、トンネル断面積Ａが与えられたとき、断面積Ａ₁（Ａ₂）の設計条件を変えれば、所望の推進力分担を備えたトンネル掘削機が構成できる。
【００３３】
上記の説明から分かるように、本発明によれば、高水圧下でトンネル掘削を行う場合、トンネル掘削機によるシールドの推進を２段階に分け、それぞれの推進力を別々の推進機構で分担し、交互に作動させて地山掘削とシールドの前進を行うので、それぞれの推進力を従来よりも少なくすることができる。その結果、従来と同じ推進機構を用いて、これまで密閉型シールド工法では困難だった高水圧を受ける場合にも掘削が可能となる。また高水圧下であっても完全止水地盤改良を行うことなくトンネル掘削が行える。
【００３４】
また、上記のような構成によれば、掘削ジャッキ９…が隔壁部４後方の内筒５内部に設けられているので、調整・保守・交換が容易となるという利点がある。
【００３５】
次に、本発明の変形例を説明する。図３に示したのは、本発明に係るトンネル掘削機１の変形例の構成を示す掘削方向の概略断面図である。
以下では上記の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例では、図１では、内筒５内部に設けられていた掘削ジャッキ９…が、チャンバ１６内に設けられ、隔壁４に反力をとって、外筒６とカッタ軸３を結合しているカッタ軸支持部材６ａを押圧することにより、カッタ軸３、外筒６を一体に推進する構成とされている。
【００３６】
このため、掘削ジャッキ９はチャンバ１６内に常に水没する状態でも動作可能な高水圧シールが施されている。また、当然ながら、カッタ軸支持部材６ａと隔壁４は、掘削ジャッキ９…の推進力が加えられても十分耐える強度を備える構成とされている。
【００３７】
このような構成によれば、掘削ジャッキ９…の配置場所が異なるだけで、上記と同様に掘削ジャッキ９…が内筒５に反力をとってカッタ軸３を推進することに変わりはないから、推進力の分担については、図１に示した構成によるトンネル掘削機とまったく同様の作用を備えるものである。
【００３８】
さらに、本変形例では、掘削ジャッキ９…がチャンバ１６内に設置されているので、内筒５内部のスペースを大きくとることができるという利点があり、自動化装置などを多く搭載して作業効率を向上したり、掘削ジャッキ９…を多く設置して推進力を増強したりすることができるという利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
以上に述べたように、請求項１に記載の発明では、第１の工程と第２の工程とに推進力が分散されてそれぞれの推進力を減らすことができるから、従来よりも高水圧を受ける場合でもトンネル掘削ができるという効果を奏する。
【００４３】
請求項２に記載の発明では、外筒部材と内筒部材とをそれぞれ独立に推進できるので、カッタヘッドと隔壁を同時に推進する場合に比べてそれぞれの推進力を減らすことができるから、従来よりも高水圧を受ける場合でもトンネル掘削ができるとともに、掘削ジャッキを内筒部材の内部に設けるので、調整・保守・交換が容易となるから、トンネル掘削機の信頼性が向上するという効果を奏する。
【００４４】
請求項３に記載の発明では、筒部材と内筒部材とをそれぞれ独立に推進できるので、カッタヘッドと隔壁を同時に推進する場合に比べてそれぞれの推進力を減らすことができるから、従来よりも高水圧を受ける場合でもトンネル掘削ができるとともに、内筒部材内のスペースを空けることができるから、内筒部材により多くの内筒推進ジャッキを設置できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル掘削機の掘削方向断面の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係るトンネル掘削方法の各工程を説明するための概略図である。
【図３】本発明に係るトンネル掘削機１の変形例の構成を示す掘削方向の概略断面図である。
【図４】従来のトンネル掘削機とそれを用いたシールド工法を説明するためのトンネル長手方向の断面を示す説明図である。
【符号の説明】
１トンネル掘削機
２カッタヘッド
３カッタ軸
４隔壁
４ａ隔壁シール
５内筒（内筒部材）
６外筒（外筒部材）
９掘削ジャッキ（推進機構）
１０内筒推進ジャッキ（推進機構）
１６チャンバ
３０地山
３０ａ切羽
３１セグメント

Claims

カッタヘッドと隔壁との間のチャンバ内の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型シールド工法用のトンネル掘削機によるトンネル掘削方法であって、
前記カッタヘッドを前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸で支持し、
前記隔壁を静止させながら、前記カッタヘッドを推進して所定量を掘削する第１の工程と、
前記カッタヘッドを静止させ、前記チャンバ内の泥水圧を一定に保ちつつ前記隔壁を前記所定量だけ推進する第２の工程とからなり、
前記第１、第２の工程を順次繰り返して、切羽を前進させることを特徴とするトンネル掘削方法。
カッタヘッドと隔壁との間のチャンバ内の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型のトンネル掘削機であって、
先端に前記カッタヘッドを備える外筒部材と、
該外筒部材の内側にスライド可能に設けられ、先端に隔壁を備える内筒部材と、
該内筒部材を推進する内筒推進ジャッキと、
前記カッタヘッドを掘削駆動可能に支持するとともに前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸と、
前記カッタヘッドを切羽側に推進する掘削ジャッキとを備え、
該掘削ジャッキは前記内筒部材内部に設けられ、
前記掘削ジャッキによって前記カッタ軸を押圧して、前記カッタヘッドを推進することを特徴とするトンネル掘削機。
カッタヘッドと隔壁との間の泥水圧を所定圧に保持しながら掘削を進める密閉型のトンネル掘削機であって、
先端に前記カッタヘッドを備える外筒部材と、
該外筒部材の内側にスライド可能に設けられ、先端に隔壁を備える内筒部材と、
該内筒部材を推進する内筒推進ジャッキと、
前記カッタヘッドを掘削駆動可能に支持するとともに前記隔壁内にスライド可能に貫入されたカッタ軸と、
前記カッタヘッドを切羽側に推進する掘削ジャッキとを備え、
該掘削ジャッキは前記外筒部材と前記隔壁の間に設けられ、
前記掘削ジャッキを前記隔壁に反力をとって前記外筒部材を押圧して、前記カッタヘッドを推進することを特徴とするトンネル掘削機。