JP3940007B2

JP3940007B2 - 掘進装置

Info

Publication number: JP3940007B2
Application number: JP2002062016A
Authority: JP
Inventors: 明彦鈴木; 義幸高橋; 国彦泉; 広幸伊藤; 大中嶋
Original assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: JP2003262085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘削した穴内にトンネル覆工を組立ててトンネルを布設する掘進装置に係り、詳しくは、トンネルの計画路線に対して正確にトンネルを布設することができる掘進装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル、下水道管渠等（以下、単にトンネルという）では、通常、掘削された穴内にセグメントによる１次覆工を組立てた後、その内側に二次覆工コンクリートを打設してトンネル覆工を構築している。
【０００３】
また、近来では、トンネル建設のコスト低減の面から、前記２次覆工を省略し、セグメントによる１次覆工のみ、あるいは組立てられたセグメントを接続するボルト継手部やセグメント継手溝などの部分的なコーキングを施すことでトンネル覆工とする工法が採用されてきている。特に、下水道管渠では、腐食性環境（合流、汚水）によるセグメント本体の劣化を防ぐため、２次覆工を一体化したセグメントも開発され始めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、シールド工法では、掘削する地山の地層等の影響で掘進装置が、上下、左右に蛇行しながら前進する。このため、定期的に掘進方向を計測して、掘進方向をトンネルの計画路線に合わせるように、掘進方向を修正することが行なわれている。一方、トンネル覆工を構成するセグメントは、掘進装置内部で組立てられるため、掘削された穴の位置とほぼ同じ位置（鉛直方向及び水平方向）に布設されることから、トンネルの計画路線に対する位置精度は、掘進装置における掘進方向の精度に依存している。
【０００５】
このため、２次覆工を行なう自然流下の下水道トンネルや雨水排水トンネルでは、施工による１次覆工の鉛直方向の蛇行に対して、２次覆工により流下勾配の蛇行を調整している。また、２次覆工を行なわない雨水排水トンネルや２次覆工一体型のセグメントを用いた下水道トンネルでは、インバート部分に後からインバートコンクリートを打ち足して、流下勾配の蛇行を調整している。この場合、トンネルの径は、必要な大きさよりインバートコンクリートの打設分だけ大きくする必要がある。
【０００６】
また、トンネルの曲線部では、曲線の外側に位置するシールドジャッキで片押しして掘削方向を変えるため、セグメントが曲線の外側に動きやすく、掘進装置のテール端部とセグメントのクリアランスがなくなり、掘進装置のテールがセグメントに押しつけられることで、掘進装置のテールシールやセグメントに損傷を生じることがある。
【０００７】
また、前記掘進装置のテールシールは、常にセグメントの外周面と接触し、掘進装置の移動に伴ってセグメントの外周面を摺動するため、現在では摩耗耐久性の高いワイヤーブラシ式シール（ワイヤーブラシの間に常時あるいは適時グリースを充填）を使用している。このため、長距離施工では、このワイヤブラシ式シールに裏込め材が付着固化してセグメントを拘束することにより、曲線施工におけるセグメントの損傷をさらに助長する。
【０００８】
そこで、本発明は、前記事情に鑑み、トンネル覆工をトンネルの計画路線に対して位置精度よく組立てて、トンネルを布設することができる掘進装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、装置の先端で地山（５０）の掘削を行ない、装置の後部でセグメント（４２）を組立ててトンネル覆工（４１）を形成し、トンネル（４０）の布設を行なう掘進装置（１）において、
先端に地山（５０）を掘削し得る掘削手段（１０）を備えた外殻（２）と、
該外殻（２）の後部内周側に設けられ、組立てるべきトンネル覆工（４１）の外径（ｄ１）より大きな内径（ｄ２）を有する内殻（２０）と、を備え、
前記外殻（２）と内殻（２０）の間の、前記内殻（２０）の先端部に対応する位置と、外殻（２）の後端部に対応する位置とに、それぞれ所定の間隔で放射状に配設され、外殻（２）に対して内殻（２０）を、外殻（２）の径方向に移動し得る伸縮自在な複数の袋ジャッキ機構（３５）、を設けて構成される。
【００１０】
請求項２に係る発明は。前記袋ジャッキ機構（３５）は、
前記外殻（２）の内周面もしくは内殻（２０）の外周面に配設され、流体圧によって伸縮する袋ジャッキ（３６）と、
該袋ジャッキ（３６）を収納・固定すると共に、その伸長方向を規制する収納枠（３７）と、を有することを特徴として構成される。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記外殻（２）の後端部に配設され、前記内殻（２０）の外周面に接触する第１のテールシール（１９）と、
前記内殻の後端部に配設され、組立てられた前記トンネル覆工の外周面に接触する第２のテールシール（２３）を、設けたことを特徴として構成される。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記内殻（２０）に、前記トンネル覆工を組立てるエレクタ（２５）を、配設したことを特徴として構成される。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によると、前記内殻（２）の先端部と外殻（２０）の後端部に、外殻（２）に対して内殻（２０）を相対的に移動させる袋ジャッキ機構（３５）を有するので、掘進装置（１）における掘削方向が蛇行しても、内殻（２０）をトンネルの計画路線に一致させるように移動させ、内殻（２０）の位置により決定されるトンネル（４０）の位置をトンネルの計画路線対し高精度に布設することができる。また、外殻（２）に対して内殻（２０）を、その径方向である上下、左右だけでなく軸心（ＣＴ２）に対する傾きをも調整、制御することができる。また、袋ジャッキ（３５）は、機械的な可動部分を有さないので、外殻（２）と内殻（２０）との間隔を小さくすることができ、掘進装置（１）による地山（５０）の掘削量の増加を少なくすることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によると、前記袋ジャッキ機構（３５）を、流体圧で伸縮する袋ジャッキ（３６）と、該袋ジャッキ（３６）の伸長方向を規制する収納枠（３７）で構成しているので、袋ジャッキ（３６）の作用方向と直角方向への変形を抑制し、袋ジャッキ（３６）の損傷を防止することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によると、外殻（２）の後端部にテールシール（１９）を設けたので、外殻（２）と内殻（２０）の間に土砂や地下水、裏込め材（４３）などが侵入するのを防止して、外殻（２）に対する内殻（２０）の相対移動を円滑に行なわせることができる。
【００１６】
請求項４に係る発明によると、内殻（２０）にエレクタ（２５）を配設しているので、エレクタ（２５）の回転中心位置を常に内殻（２０）の軸心（ＣＴ２）位置と一致させることができ、外殻（２）に対して内殻（２０）が相対移動しても、その都度エレクタ（２５）の芯出し作業などの煩わしい作業を行なう必要がなく、セグメント（４２）の組立てを行ないトンネル覆工（４１）を形成することができる。
【００１７】
なお、括弧内の符号等は、図面と対照するためのものであり、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであり、特許請求の範囲に何等影響を及ぼすものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。図１は、本発明に係る掘進装置の断面図、図２は、図１のＡ矢視図、図３は、図１のＢ−Ｂ断面図、図４は、図１のＣ−Ｃ断面図である。
【００１９】
図１に示すように、掘進装置１は、軸心ＣＴ１上に形成された外形Ｄからなる外殻２を有している。該外殻２の前方先端部（図1の左側）には、隔壁３で仕切られ、掘削した土砂を受け入れるチャンバ５となる空間が形成され、中央部には、推進力を受けるための環状のフレーム４が固定されている。前記隔壁３の後端面（図1の右側）には、前フレーム6が付設され、該前フレーム6には、軸受7が固定されている。該軸受７に回転自在に支持された主軸８の中央部には歯車９が固定されている。また、前記主軸８の先端（図１の左側端部）には、カッタ１０が固定されている。
【００２０】
該カッタ１０は、図２に示すように、円盤状に形成され、複数のビット１０ａを有するカッタスポーク１０ｂが、略均等の位置に例えば３箇所有している。また、それらカッタスポーク１０ｂの間には、外周部に位置するように複数のカッタビット１０ｃが配置されている。また、前記カッタスポーク１０ｂには、図１に示すように、カッタ１０の径方向に伸縮自在なシリンダ１１ａの一端にビット１１ｂを取付け、カッタ１０で掘削される穴径をさらに拡張するためのコピーカッタ１１が配設されている。なお、前記カッタ１０などの掘削手段は、例えば、水圧（ウオータジェット）等、地山５０を掘削し得るものであればよい。
【００２１】
前記隔壁３のフレーム６の後端面（図１の右側端面）には、前記カッタ１０を駆動する油圧モータ１５が複数配設されている。この油圧モータ１５の出力軸（図示せず）には、前記歯車９と噛合い、油圧モータ１５の出力を歯車９及び主軸８を介して、前記カッタ１０に伝達する歯車１５ａが固定されている。
【００２２】
前記チャンバ５には、トンネル４０の内部を通して地上に連通する送泥管１２（図１中上方）と排泥管１３（図１中下方）が接続されており、該送泥管１２の先端には、チャンバ５内に加圧泥水を供給する送泥口１２ａが形成され、該排泥管１３の先端には、チャンバ５内の掘削土砂を吸入する排泥口（図示せず）が形成されている。また、前記送泥管１２には、該送泥管１２内の圧力を調整する調整弁１２ｂが、前記排泥管１３には、該排泥管１３内の圧力を調整する調整弁１３ｂが、それぞれ設けられている。
【００２３】
また、前記隔壁３には、チャンバ５の下方に位置するように攪拌手段１６が配設されている。この攪拌手段１６は、出力軸１６ｂの一端が前記チャンバ５内に突出するように隔壁３に固着されたモータ１６ａと、前記チャンバ５内に突出した出力軸１６ｂの一端に固定された攪拌翼１６ｃとを有している。そして、前記攪拌手段１６は、前記攪拌翼１６ｃを回転させることにより、前記カッタ１０で掘削されチャンバ５内に取込まれた土砂と、前記送泥管１２の送泥口１２ａからチャンバ５内に供給された加圧泥水とを攪拌し、土砂に流動性を与える。なお、前記隔壁３の上部には、図３に示すように、マンホール１７が形成されている。
【００２４】
前記外殻２の後方部（図１のフレーム４より右側）の内周面には、外径ｄ１のトンネル覆工４１を組立てるための、内径ｄ２の内殻２０が設けられている。該内殻２０は、図１及び図４に示すように、外殻２の内周面に、前記内殻２０の先端部と外殻２の後端部に沿って、それぞれ放射状に配設された複数の袋ジャッキ機構３５を介して、外殻２の径方向に移動自在に支持されている。また、前記外殻２の後部端（図１の右端）には、テールシール１９が環状に配設され、外殻２の内周面と内殻２０の外周面の間に、地下水、埋戻し材や裏込め材（以下、単に裏込め材という）４３が侵入するのを防止している。
【００２５】
前記内殻２の先端（図１の右側）には、前記フレーム４の後端面に前記外殻２の径方向に摺動自在に当接する環状のフレーム２１が固定されている。該フレーム２１には、トンネル４０のトンネル覆工４１を後方に向けて押圧自在なシールドジャッキ２２が、図３に示すように、内殻２０の軸心ＣＴ２を中心に円環状に複数配設されている。そして、該シールドジャッキ２２がトンネル覆工４１を後方に向けて押圧したときに発生する反力を、フレーム２１、フレーム４及び外殻２を介して前記カッタ１０に推進力として伝達する。
【００２６】
前記内殻２０の前方部（図１の左側）には、トンネル覆工４１の組立てを行なうエレクタ２５が配設されている。該エレクタ２５は、内殻２０の内周面に連結される形で配設されているので、エレクタ２５の回転中心は、常に内殻２０の軸心ＣＴ２と同心となっている。
【００２７】
前記エレクタ２５の回転フレーム２６は、前記軸心ＣＴ２を中心として回転自在に配設されている。該回転フレーム２６の後端面には、前記軸心ＣＴ２と平行な方向に伸縮自在な吊ビーム２７が設けられている。該吊ビーム２７の後端部には、伸縮自在な伸縮ジャッキ２９が設けられ、該伸縮ジャッキ２９にセグメント４２を把持するための把持部３０が設けられている。従って、該把持部３０は、トンネル４０の軸心ＣＴ２を中心に回転駆動自在で、矢印Ｍ−Ｎに示す径方向に対しても所定の範囲で移動駆動自在となっている。
【００２８】
また、前記内殻２０の後端（図１の右側）内周面には、テールシール２３が環状に配設され、内殻２０の内周面とトンネル４０の外周面の間に、地下水や裏込め材４３が侵入するのを防止している。
【００２９】
前記袋ジャッキ機構３５は、図４に示すように、前記外殻２の内周面に所定の間隔で放射状に固定され、内部に供給される流体圧により膨張、収縮する袋ジャッキ３６と、前記外殻２の内周面に固定され、前記袋ジャッキ３６を収納、固定すると共に、袋ジャッキ３６のジャッキ作用（ストローク）方向と直交する方向への変形を抑制する収納枠３７とにより構成される。
【００３０】
従って、各袋ジャッキ３６に、それぞれ所要の圧力に調整された流体を供給して、袋ジャッキ３６を膨張、収縮させることにより、内殻２０を外殻２の径方向に移動駆動させることができる。即ち、袋ジャッキ３６を適宜膨張、収縮させることにより、内殻２０を、その軸心ＣＴ２が、図４に示すように、外殻２の軸心ＣＴ１に対して所定範囲ｄ３（袋ジャッキ３６が収納枠に収納された状態から最大限突出可能な範囲）に亘り移動する形で、外殻２に対して相対的に移動させることができる。
【００３１】
続いて、掘進装置１の動作について説明する。まず、送泥管１２の送泥口１２ａよりチャンバ５内に加圧泥水を供給して、カッタ１０の前面と対向する切羽面を加圧しつつ、油圧モータ１５を作動させてカッタ１０を回転させる。同時に、攪拌手段１６のモータ１６ａを作動させて攪拌翼１６ｃを回転させて、チャンバ５内の土砂と泥水を攪拌して土砂に流動性を与えると共に、排泥管１３から攪拌された土砂と泥水を排出する。
【００３２】
この状態で、シールドジャッキ２２を作動させ、トンネル４０の最先端（図１で左端部）のトンネル覆工４１の端面を、後方（図１の右側）に向けて押圧する。この押圧力の反力が、シールドジャッキ２２、フレーム２１、フレーム４を介して外殻２に推進力として伝達され、カッタ１０を切羽面に押し付け、地山５０を掘削する。なお、トンネル４０が曲線を描く場合には、図３に示す１２本のシールドジャッキ２２の内、曲線の外側に位置する２本もしくは４本のシールドジャッキ２２を主体として、作動させ、曲線の外側を押圧させることにより、曲線の外側を掘削させ、曲線掘削を行なう。そして、トンネル覆工４１の１リング分の長さＬの掘削が終了すると、シールドジャッキ２２の作動を停止させ、掘進装置１の進行を停止する。
【００３３】
掘進装置１の進行が停止すると、シールドジャッキ２２を逆方向に作動させ、シールドジャッキ２２とトンネル覆工４１との接触を解除し、かつシールドジャッキ２２とトンネル覆工４１との間にトンネル複工４１の１リング分の長さＬより大きな空間を形成する。一方、地上からトンネル４０を通してセグメント４２をローラコンベア（図示せず）により、図１のａの位置まで搬入する。
【００３４】
一方、トンネルの計画路線と内殻２０の軸心ＣＴ２とのずれ量、方向を計測する。そして、この計測結果に基づいて、各袋ジャッキ機構３６の袋ジャッキ３６に供給すべき流体圧を求め、各袋ジャッキ３６に、それぞれ所要の流体圧を供給して、内殻２０の軸心ＣＴ２をトンネルの計画路線に一致させる。
【００３５】
エレクタ２５は、吊ビーム２７を伸長させて、把持部３０をａの位置にあるセグメント４２と対向する位置へ移動させ、把持部３０でセグメント４２を把持させる。前記把持部３０でセグメント４２を把持すると、伸縮ジャッキ２９が収縮して、トンネル覆工４１上からセグメント４２を吊り上げ、その状態で、吊ビーム２７が収縮して、セグメント４２を新たなトンネル覆工４１の組立て位置と対応する位置へ移動させる。
【００３６】
そして、回転フレーム２６を回転させて、把持したセグメント４２を所要の組付け位置と対向する位置へ搬送し、移動させ伸縮ジャッキ２９を伸長させて、セグメント４２を、図１のｂ、ｃで示す組付け位置に位置決めする。そして、不図示のボルト継手等により周囲にあるセグメント４２と連結して、トンネル覆工４１を組立てる。
【００３７】
このとき、内殻２０の軸心ＣＴ２がトンネルの計画路線と一致しているので、内殻２０の軸心ＣＴ２と一致するように組立てられたトンネル覆工４１の軸心も、トンネルの計画路線と一致する。従って、トンネルの計画路線に対して、トンネル４０を高精度に布設することができる。
【００３８】
また、組立てるトンネル覆工４１が、トンネル４０の曲線位置であっても、内殻２０の先端部（図１の左側）に配設された袋ジャッキ機構３５と、外殻２の後端部（図１の右側）に配設された袋ジャッキ機構３５に供給する流体圧を調整することにより、外殻２の姿勢に拘わらず、内殻２０の軸心ＣＴ２をトンネルの計画路線と一致するように調整することができ、トンネルの計画路線に対しトンネル４０を高精度に、かつ円滑に布設することができる。また、外殻２を屈曲式にすることなく、トンネルの曲線施工が可能になる。
【００３９】
また、内殻２０を、トンネルの計画路線に合わせるように調整することができるので、内殻２０の内周面と組立てられたトンネル４０の外周面との間に適当なクリアランスを確保することができ、内殻２０とトンネル４０の接触を防止し、内殻２０やトンネル４０を構成するセグメント４２の破損を防止することができる。
【００４０】
前記トンネル覆工４１の１リング分の組立てが完了すると、再び前記掘削作業を行ない、順次トンネル覆工４１を組立てて、トンネル４０を伸長して行く。また、掘進装置１の後方の、トンネル４０を構成するセグメント４２に形成された裏込め注入口（図示せず）から、前記カッタ１０で掘削された穴とトンネル４０の外周面との間の空間に裏込め材４３を注入して、地山５０の崩落や地下水の侵入をを防止すると共に、トンネル４０の自重による変位を防止する。
【００４１】
前記実施の形態においては、外殻２がその全長に渡り一体構造である場合について説明したが、外殻２を、その中央部で屈曲可能な中折れ形としてもよい。外殻２を中折れ形とすることにより、トンネル４０の曲線部分におけるトンネルの計画路線に対するトンネル覆工４１の位置精度をより向上させることができる。
【００４２】
また、前記実施の形態においては、袋ジャッキ機構３５を外殻２の内周面に配置した場合について説明したが、袋ジャッキ機構３５を内殻２０の外周面に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る掘進装置の断面図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
１…掘進装置
２…外殻
１０…掘削手段（カッタ）
１９…第１のテールシール（テールシール）
２３…第２のテールシール（テールシール）
２５…エレクタ
３５…袋ジャッキ機構
３６…袋ジャッキ
３７…収納枠
４０…トンネル
４１…トンネル覆工
４２…セグメント
５０…地山
ｄ１…トンネル覆工の外径
ｄ２…内殻の内径

Claims

装置の先端で地山の掘削を行ない、装置の後部でセグメントを組立ててトンネル覆工を形成し、トンネルの布設を行なう掘進装置において、
先端に地山を掘削し得る掘削手段を備えた外殻と、
該外殻の後部内周側に設けられ、組立てるべきトンネル覆工の外径より大きな内径を有する内殻と、を備え、
前記外殻と内殻の間の、前記内殻の先端部に対応する位置と、外殻の後端部に対応する位置とに、それぞれ所定の間隔で放射状に配設され、外殻に対して内殻を外殻の径方向に移動し得る伸縮自在な複数の袋ジャッキ機構を、設けて構成した、
ことを特徴とする掘進装置。
前記袋ジャッキ機構は、
前記外殻の内周面もしくは内殻の外周面に配設され、流体圧によって伸縮する袋ジャッキと、
該袋ジャッキを収納・固定すると共に、該袋ジャッキの伸長方向を規制する収納枠と、を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の掘進装置。
前記外殻の後端部に配設され、前記内殻の外周面に接触する第１のテールシールと、
前記内殻の後端部に配設され、組立てられた前記トンネル覆工の外周面に接触する第２のテールシールを、設けた、
ことを特徴とする請求項１もしくは２記載の掘進装置。
前記内殻に、前記トンネル覆工を組立てるエレクタを配設した、
ことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の掘進装置。