JP4079754B2 - 部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機として、掘進機本体の前部に切羽に対向させて回転駆動されるカッタを設け、そのカッタに複数のビット（ティースビット、ローラビット等）を取り付け、掘進機本体の内部で組み立てた既設セグメントに掘進機本体の内部に設けた推進ジャッキを押し付けて前進させるものが知られている。
【０００３】
かかる回転カッタ式のシールド掘進機よって、硬質地盤部と通常地盤部とが長手方向に配置された地山をそれらの境界に沿って掘進すると、硬質地盤部と通常地盤部とが混在する切羽（掘削断面）をカッタのビットが周回して切削することになるため、次のような問題が生じる。
【０００４】
なお、関連する先行技術として特許文献１及び２に記載されたものが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８４９６０５号公報
【特許文献２】
特開平９−３１７３９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
硬質地盤部が切羽の一部であるため、カッタの回転に伴ってビットが硬質地盤部からそれ以外の領域（硬質地盤部よりも軟らかい地盤部）に回動すると、急激に切羽での抗力が下がってその分だけ推進ジャッキ（一定油圧制御）が伸長し、掘進機が僅かに前進する。次いで、カッタが更に回転してビットが再び硬質地盤部に回動すると、急激に切羽での抗力が上がってその分だけ推進ジャッキが収縮し、掘進機が僅かに後退する。すなわち、カッタの回転に伴って掘進機が前後に息するように微小振動する。
【０００７】
また、カッタの回転に伴ってビットが硬質地盤部からそれ以外の領域に回動して、上述のように掘進機が僅かに前進した後、ビットが再び硬質地盤部に回動して戻るとき、切羽（硬質地盤部）に対するビットの切り込み深さが深くなって、カッタトルクが急増する。そして、急増したカッタトルクの反力によって、掘進機がローリングする。
【０００８】
また、通常、方向制御のために複数の推進ジャッキの内の一部を既設セグメントに押し付けて掘進しているため、ビットの周回に伴う切羽での抗力の増減の影響が推進ジャッキが当接されたセグメントに集中的に作用し、セグメントが変形して掘進機が傾く。また、ビットの周回に伴ってセグメントの圧縮・解放が息するように繰り返され、セグメントが疲労する。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、切羽の一部に硬質地盤が存在しても、安定した掘進を実現できる部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、筒状に組み立てられたセグメントの外周を所定の厚さで囲繞する裏込材地盤部と該裏込材地盤部の外側の通常地盤部とからなる地山を、それら裏込材地盤部と通常地盤部との境界に沿って部分硬質地盤用シールド掘進機が掘進する方法であって、上記部分硬質地盤用シールド掘進機は、掘進機本体の前部に設けられ、掘進方向に沿った軸廻りに回転駆動される回転カッタと、上記掘進機本体の内部に設けられ、その掘進機本体内でリング状に組み立てられたセグメントに当接して上記掘進機本体を前進させる複数の推進ジャッキと、上記回転カッタの切羽側の面の外周側に、上記裏込材地盤部と対向する部分に位置させて、上記回転カッタの周方向に間隔を隔てて複数設けられた部分硬質地盤用のビットとを備え、かかる部分硬質地盤用シールド掘進機が、裏込材地盤部と通常地盤部との境界に沿って掘進する際に、上記回転カッタの回転中、複数の部分硬質地盤用のビットのうちの少なくとも１個が切羽の上記裏込材地盤部に常に接して上記推進ジャッキによって押し付けられ、各硬質地盤用のビットが、上記回転カッタの回転に伴って、切羽の上記裏込材地盤部に順次次々と接し、上記推進ジャッキの前進力が、常に１個以上の硬質地盤用のビットを介して切羽の上記裏込材地盤部に伝達されるようにしたものである。
【００１７】
この発明によれば、切羽の一部に存する裏込材地盤部（硬質地盤部）に対し、各硬質地盤部用ビットがカッタの回転に伴って順次次々と接し、掘進機の前進力が常に１個以上の硬質地盤部用ビットを介して裏込材地盤部に支持される。よって、掘進機が、カッタの回転に応じて、前後に息するように振動したり、ローリングしたり、傾いたりすることが防止され、安定した掘進を実現できる。また、セグメントの圧縮・解放も防止される。
【００１８】
請求項２に係る発明は、上記推進ジャッキの全数を、上記回転カッタの回転中、上記掘進機本体内の既設のセグメントに当接させて伸長させるようにしたものである。
【００１９】
この発明によれば、掘進機の掘進反力が全ての既設セグメントで支持されるので、特定のセグメントに力が集中することはなく、セグメントの変形が抑えられ、掘進機の傾きを抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００２５】
図１に本実施形態に係る掘進方法に用いられる部分硬質地盤用シールド掘進機の側断面図を示し、図２に上記掘進機の正面図を示し、図３に上記掘進機の背面図を示す。
【００２６】
図示するように、本実施形態に係る掘進方法に用いられる部分硬質地盤用シールド掘進機１は、掘進機本体２の前部に、切羽３に対向させて回転駆動されるカッタ４を備えており、図５に示すように硬質地盤部５と通常地盤部６とが長手方向に配置された地山７をそれらの境界に沿って掘進し、硬質地盤部５と通常地盤部６とが混在する切羽３を切削するものである。
【００２７】
図１に示すように、上記掘削機本体２は、円筒状のシールドフレーム８と、その内部を切羽側と坑内側とに仕切る隔壁９とを有する。シールドフレーム８は、図例では、円筒状の前胴１０と後胴１１とを球面継手１２を介して接続し、それら前胴１０と後胴１１とを中折れジャッキ１３で屈曲させる所謂中折れタイプのものを示したが、通常の中折れしないタイプであってもよい。
【００２８】
上記カッタ４は、隔壁９に回転自在に取り付けられており、図示しないモータ及びギヤ機構等を介して回転駆動される。図２に示すように、カッタ４は、切羽３に対向する円板状のカッタ面板１４を有する。カッタ面板１４には、掘削土砂を通過させる土砂取込口１５が開口されている。なお、カッタ４は、図例のような面板タイプではなく、スポークタイプであってもよい。
【００２９】
図１に示す隔壁９には、掘削土砂を坑内に移送する図示しない排土装置（送泥管・排泥管、又はスクリューコンベヤ等）が取り付けられている。よって、回転するカッタ４によって切削された切羽３の土砂は、土砂取込口１５から一旦その後方のカッタ室１６に取り込まれ、切羽３の土圧水圧を保ちつつ排土装置によって坑内に移送される。
【００３０】
カッタ面板１４の切羽側の面には、複数の通常地盤部用ビット１７（ティースビット）と、複数の硬質地盤部用ビット１８（ローラビット、シェルビット又は先行ビット等）とが、取り付けられている。これらのビット１７、１８が、実質的に切羽３を切削する。
【００３１】
図２に示すように、硬質地盤部用ビット１８は、カッタ面板１４がその回転に伴って硬質地盤部５とラップする領域（カッタ面板１４の外周部）に配置され、カッタ４の回転中に少なくとも１個以上が切羽３の硬質地盤部５に対向するように分散されている。すなわち、硬質地盤部用ビット１８は、カッタ４の回転中に少なくとも１個以上が切羽３の硬質地盤部５に掘進機本体２の前進力を支持するように、カッタ面板１４の外周部に分散して取り付けられている。
【００３２】
換言すると、図１、図２及び図５に示すように、カッタ面板１４の切羽側の面を、カッタ回転中心を中心とする同心円Ｚで区切って、通常地盤部６のみを掘削する領域Ｘ（内周側領域）と通常地盤部６及び硬質地盤部５を掘削する領域Ｙ（外周側領域）とに仮想的に分け（図２(b)、図５参照）、通常地盤部６及び硬質地盤部５を掘削する領域Ｙに、複数の硬質地盤用のビット１８をカッタ面板１４の回転中に少なくとも１個が硬質地盤部５に常に接するように分散配置している。図２(a)における符合Ｘ、Ｙは、各領域の半径方向の長さを示す。
【００３３】
通常地盤部６及び硬質地盤部５を掘削する領域Ｙには、硬質地盤部用ビット１８としてのローラビット１８のみならず、それより僅かに低く成形されたティースビット１８ｘも取り付けられている。各ローラビット１８で切羽３の硬質地盤部５を含む部分に同心円状の切り込みを複数形成しつつ、各ティースビット１８ｘで切羽３の各切り込みの間の部分を切削するためである。
【００３４】
そして、このローラビット１８が、カッタ４の回転中に少なくとも１個以上が切羽３の硬質地盤部５に対向するように分散配置されるわけである。ローラビット１８は、ティースビット１８ｘよりも僅かに切羽３側に突出されており、硬質地盤部５に対して実質的に掘進機本体２の前進力を支持するからである。
【００３５】
他方、通常地盤部６のみを掘削する領域Ｘには、通常地盤部用ビット１７（ティースビット１７）が、複数取り付けられている。すなわち、通常地盤部用ビット１７は、カッタ４の回転中に常に図５に示す通常地盤部６に対向する位置に、カッタ面板１４の内周側領域に分散して取り付けられている。
【００３６】
なお、領域Ｘに硬質地盤部５用のビット（図示せず）を設け、領域Ｙに通常地盤部６用の通常のビット（図示せず）を設けてもよい。現実の施工では、同心円Ｚを厳密に設定し難いため、領域Ｘにて硬質地盤部５を掘削し、領域Ｙで通常地盤部６のみを掘削する場合があり得るからである。
【００３７】
詳しくは、領域Ｘ内の外周側に硬質地盤部５用のビット（図示せず）を設け、領域Ｙ内の内周側に通常地盤部６用の通常のビットを設け、同心円Ｚに沿って周方向に所定幅の硬質地盤部５及び通常地盤部６の双方に対応できる領域を設定することが好ましい。
【００３８】
掘進機本体２の後部である後胴１１は、所定の厚さに成形された円筒状のテール部１９の一部を構成する。テール部１９は、円筒状に形成された後胴１１と、その内部に放射状に設けられた補強リブ２０と、前記補強リブ２０の内方先端に取り付けられた円筒状の内筒２１と、内筒２１と後胴１１との後端部を覆う円環板状の蓋２２とを有する。
【００３９】
内筒２１と後胴１１との間の厚さすなわち上述の所定の厚さとは、図４及び図５に示す裏込材地盤部すなわち硬質地盤部５の厚さであり、その硬質地盤部５を別の掘進機１が後方からラップして掘進するときのラップ代となる厚さである。このラップ代は、別の掘進機１が後方からラップして掘進する際に、掘進精度上の問題から既設セグメント２３に接触しない厚さに設定されている。
【００４０】
内筒２１の内側には、セグメント２３をリング状に組み立てるエレクタ（図示せず）が設けられている。また、内筒２１の後部内周面には、既設のセグメント２３との間をシールするテールシール２４が設けられている。エレクタは、テールシール２４で止水された既設セグメント２３の前方の空間にて、新たなセグメント２３を組み立てる。
【００４１】
内筒２１と後胴１１との間には、既設セグメント２３の外周面２５と掘孔３０の内周面２６との間すなわちテールボイド２７に、裏込材（モルタル等）を注入するための注入管２８が設けられている。注入管２８は、図３にも示すように、周方向に所定間隔を隔てて複数（図例では４本）設けられており、それぞれ蓋２２に吐出口２８ａを有する。
【００４２】
シールドフレーム８の内部には、図１に示すように、既設セグメント２３に当接して掘進反力を支持する推進ジャッキ２９が複数設けられている。これら推進ジャッキ２９は、図３に示すように、周方向に所定間隔を隔てて複数（図例では１０本）設けられており、掘進時に全数が既設セグメント２３に当接する。
【００４３】
すなわち、各推進ジャッキ２９の油圧回路は、全数押し式（全数追従式）の回路となっている。なお、全数押しとはいっても、各ジャッキ２９の押し力を異ならせることで、掘進機１の方向制御を行う。つまり、油圧回路には、公知の圧力制御方式やジャッキパターン制御方式等が用いられている。
【００４４】
次に本シールド掘進機を用いたトンネル築造方法（掘進方法）を述べる。
【００４５】
予め、図１〜図３に示すシールド掘進機１と同種の掘進機（硬質地盤部用ビット１８を有さないタイプ）を通常の地山に掘進させて、図４に示すように、筒状に組み立てられたセグメント２３の外周をテールボイド２７の厚さで囲繞する固化後の裏込材からなる裏込材地盤部５（以下硬質地盤部５という）と、その外側の通常の地盤からなる通常地盤部６とから構成される地山７を形成しておく。
【００４６】
その後、図５及び図２に示すように、図１〜図３に示すシールド掘進機１を、地山７の硬質地盤部５と通常地盤部６との境界に沿って掘進させ、硬質地盤部５と通常地盤部６とが混在する切羽３を切削する。
【００４７】
このとき、カッタ４には、複数の硬質地盤部用ビット１８（ローラビット１８）が、カッタ４の回転中に少なくとも１個以上が切羽３の硬質地盤部５に対向するように、領域Ｙに分散して取り付けられているので、切羽３の一部に存する硬質地盤部５に対し、各硬質地盤部用ビット１８がカッタ４の回転に伴って順次次々と接し、掘進機１の前進力（推進ジャッキ２９の推力）が常に１個以上の硬質地盤部用ビット１８ａを介して硬質地盤部５に支持される。よって、掘進機１が、カッタ４の回転に応じて、前後に息するように振動したり、ローリングしたり、傾いたりすることが防止され、安定した掘進を実現できる。また、セグメント２３の圧縮・解放も防止される。
【００４８】
また、掘進機本体２の内部に設けられた推進ジャッキ２９は、掘進時に全数が既設セグメント２３に当接するものなので、掘進機１の掘進反力が全ての推進ジャッキ２９を介して全ての既設セグメント２３で支持される。よって、前段で述べた作用効果とも相俟って、特定のセグメント２３に力が集中することはなく、セグメント２３の変形が抑えられ、掘進機１の傾きを抑制できる。
【００４９】
また、掘進機本体２の後部に、所定の厚さに成形された円筒状のテール部１９を設け、テール部１９に、その内方にて組み立てられた既設セグメント外周面２５と掘孔３０の内周面２６との間（テールボイド２７）に裏込材を注入する注入管２８を設けたので、掘進機１の後方に、裏込材が固化した裏込材地盤部５（硬質地盤部５）が形成される。すなわち、先に形成される裏込材地盤部５と後から形成される裏込材地盤部５とが繋がった状態で長手方向に配置される。
【００５０】
そして、図１〜図３に示すシールド掘進機１を、硬質地盤部５と通常地盤部６との境界に沿って掘進させ、再び図５に示すようにして硬質地盤部５と通常地盤部６とが混在する切羽３を切削する。これを繰り返すことで、硬質地盤部５、５同士がラップしたトンネルが形成される。そして、硬質地盤部５、５同士をリング状に繋げるように複数のトンネルを形成し、その内方の土砂を取り除くことで、硬質地盤部５をトンネル壁とする大断面トンネルを得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法によれば、切羽の一部に硬質地盤が存在しても、安定した掘進を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る掘進方法に用いられる部分硬質地盤用シールド掘進機の側断面図である。
【図２】 図２(a)は上記掘進機の正面図、図２(b)は領域Ｘ、Ｙを示す正面図である。
【図３】 上記掘進機の背面図である。
【図４】 上記掘進機により構築される地山の側断面図である。
【図５】 上記掘進機の掘進状態を示す側断面図である。
【符号の説明】
１ 部分硬質地盤用シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ 切羽
４ カッタ
５ 硬質地盤部（裏込材地盤部）
６ 通常地盤部
７ 地山
１７ 通常地盤部用ビット（ティースビット）
１８ 硬質地盤部用ビット（ローラビット）
１９ テール部
２３ 既設セグメント
２５ 既設セグメントの外周面
２６ 掘孔の内周面
２７ テールボイド
２８ 注入管
２９ 推進ジャッキ
３０ 掘孔
Ｘ 通常地盤部のみを掘削する領域
Ｙ 通常地盤部及び硬質地盤部を掘削する領域

Claims (2)

1. 筒状に組み立てられたセグメントの外周を所定の厚さで囲繞する裏込材地盤部と該裏込材地盤部の外側の通常地盤部とからなる地山を、それら裏込材地盤部と通常地盤部との境界に沿って部分硬質地盤用シールド掘進機が掘進する方法であって、
   上記部分硬質地盤用シールド掘進機は、掘進機本体の前部に設けられ、掘進方向に沿った軸廻りに回転駆動される回転カッタと、上記掘進機本体の内部に設けられ、その掘進機本体内でリング状に組み立てられたセグメントに当接して上記掘進機本体を前進させる複数の推進ジャッキと、上記回転カッタの切羽側の面の外周側に、上記裏込材地盤部と対向する部分に位置させて、上記回転カッタの周方向に間隔を隔てて複数設けられた部分硬質地盤用のビットとを備え、
   かかる部分硬質地盤用シールド掘進機が、裏込材地盤部と通常地盤部との境界に沿って掘進する際に、上記回転カッタの回転中、複数の部分硬質地盤用のビットのうちの少なくとも１個が切羽の上記裏込材地盤部に常に接して上記推進ジャッキによって押し付けられ、
   各硬質地盤用のビットが、上記回転カッタの回転に伴って、切羽の上記裏込材地盤部に順次次々と接し、上記推進ジャッキの前進力が、常に１個以上の硬質地盤用のビットを介して切羽の上記裏込材地盤部に伝達されることを特徴とする部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法。
2. 上記推進ジャッキの全数を、上記回転カッタの回転中、上記掘進機本体内の既設のセグメントに当接させて伸長させるようにした請求項１に記載の部分硬質地盤用シールド掘進機の掘進方法。

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