JP4203559B2 - 姿勢制御装置及びそれを使用したシールド掘進機の掘進方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機の姿勢制御装置と該姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法に関するものである。

浅深度にてシールドトンネルを構築する場合、浅深度を掘進可能な密閉型シールド掘進機や開放型シールド掘進機を使用する。ここで、浅深度を掘進可能なシールド掘進機とは、例えばカッターディスクの上方に地山先受け手段を備えたシールド掘進機のことである（特許文献１参照）。
上記する先受け手段の重量及びその重心位置からシールド掘進機には前倒れを誘発する転倒モーメントが作用する。

上記するシールド掘進機の前倒れを防止するために、シールド掘進機の下部シールドジャッキによる片押し施工や、上部及び中央部のシールドジャッキを使用して後方セグメントより引っ張ることで転倒モーメントと反対方向の回転モーメントを発生させるといった姿勢制御方法及び姿勢制御装置が開発されている。
シールド掘進機の姿勢制御方法として上記方法以外に、掘進機テール部に重量物を載せる方法、掘進機上部を大きく余掘りする方法、カッターディスク下部から張り出し部を設けて転倒モーメントに抵抗させる方法、後方セグメントにチェーンブロック等を取り付けて牽引することで前倒れした掘進機を持ち上げる方法などがある。

特許第３４０４６５３号公報

前記した従来のシールド掘進機の姿勢制御装置及び方法にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞掘進機テール部に重量物を載せる方法では、シールド掘進機及び立坑内部のスペースの制限などから重量物の大きさ及び重さが制限を受け得る。さらに、該重量物の取り扱いに労力を要し、施工性や安全性に問題がある。
＜２＞シールド掘進機の下部シールドジャッキによる片押し施工では、無理な片押し施工によってセグメントの変形や破壊といった問題が生じ得る。
＜３＞掘進機の上部を大きく余掘りする方法では、浅深度のシールドトンネルにおいて地盤変状の原因となりかねない。
＜４＞張り出し部を設ける方法では、該張り出し部が地盤にめり込んでしまうためにその後の掘進の障害となってしまう。張り出し部のめり込み防止措置を地盤性状に応じて講ずる必要がある。
＜５＞後方セグメントにチェーンブロック等を取り付けて牽引する方法では、セグメントのリング間に目開きを引き起こす可能性が極めて高い。また、該チェーンブロックはセグメントの組み立て時の障害となるため、その設置と撤去を繰返す必要が生じる。

上記のような問題を解決するために、本発明の姿勢制御装置は、セグメントの形状保持装置と、前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向かつカッターディスク方向に伸びて、シールドジャッキに連結自在に構成した引張り棒部材と、前記形状保持装置から突設させた受け台上に載置された押上げジャッキによって昇降可能とし、セグメントに刻設された孔に嵌合可能な嵌合部を備えた反力受け部材と、前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向に伸張可能で、前記嵌合部を前記孔に嵌合させた際に前記反力受け部材に反力を取ることを可能としたサポートジャッキと、からなることを特徴とする姿勢制御装置である。

また、本発明の姿勢制御装置は、セグメントの形状保持装置と、前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向かつカッターディスク方向に伸びて、シールドジャッキに連結自在に構成した引張り棒部材と、前記形状保持装置から突設させた受け台上に載置された押上げジャッキによって昇降可能とし、セグメントに刻設された孔に嵌合可能な嵌合部を備えた反力受け部材と、前記反力受け部材をセグメント内周面に取り付けて固定する取り付け装置と、前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向に伸張可能で、前記反力受け部材をセグメント内周面に取り付けた際に該反力受け部材に反力を取ることを可能としたサポートジャッキと、からなることを特徴とする、姿勢制御装置である。

さらに、本発明のシールド掘進機の掘進方法は、前記姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法であって、前記形状保持装置を構成する保持ジャッキを作動させて該形状保持装置をセグメント内周面に押し当てる形状保持装置設置工程と、前記反力受け部材の位置調整をおこないながら該反力受け部材をセグメント内周面に設置して前記取り付け装置にて固定し、前記反力受け部材に前記サポートジャッキを押し付け、前記引張り棒部材を前記シールドジャッキに連結する掘進前工程と、シールド掘進機を掘進させる掘進工程と、前記サポートジャッキの押し付け解放と、前記引張り棒部材の連結解除と、前記反力受け部材のセグメント内周面からの取り外しと、前記形状保持装置の押し付け解放と、からなる解除工程と、前記形状保持装置を前方へ移動させる移動工程と、からなり、前記形状保持装置設置工程と前記掘進前工程と前記掘進工程と前記解除工程と前記移動工程を繰返すことを特徴とする、姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法である。

本発明の姿勢制御装置は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞低土被り時のシールドトンネルの施工においてシールド掘進機が前倒れの傾向にある場合や、シールド掘進機が蛇行修正する場合などにおいて、シールド掘進機内のスペースの制限を受けることなく、またセグメントの変形や破壊、目開きといった問題を生じることなく、シールド掘進機の姿勢を制御したり姿勢を修正しながらシールドトンネルの施工をおこなうことができる。
＜２＞公知のセグメントの形状保持装置を使用すること、牽引装置としてシールドジャッキを使用することから、簡易かつ安価な装置でシールド掘進機の姿勢制御をおこなうことができる。
＜３＞セグメントに備えた裏込め注入用の孔を利用して反力受け部材をセグメント内周面に固定することができるため、効率的で確実な反力受け部材の取り付けが可能となる。

＜１＞姿勢制御装置の構成（図１）
本発明の姿勢制御装置１は、セグメント８の形状保持装置２と、シールドジャッキ７に連結自在な引張り棒部材３と、形状保持装置２から突設させた受け台２１上に載置した押上げジャッキ４１と、押上げジャッキ４１にて昇降可能とした反力受け部材５と、反力受け部材５をセグメント８内周面に取り付け固定する取り付け装置６と、反力受け部材５に反力を取るサポートジャッキ４２などから構成できる。
形状保持装置２は、シールド掘進機内にて取り付けが完了したセグメントリングのリング形状を保持するために備える公知の装置である。その構成は例えば、セグメントリングが有する曲率に対応した曲率部（フレーム構造）をセグメントリングの上部及び下部に備え、上部及び下部の曲率部をセグメント内周面に押圧及び押圧解除可能に取り付けた油圧ジャッキの両端部に備え、セグメントリング内周面の中央部にも押圧及び押圧解除可能に取り付けた油圧ジャッキを備えて構成される。形状保持装置２は、一般に鋼製材料にて製作できる。

形状保持装置２から突設した受け台２１には、例えば油圧による押上げジャッキ４１を載置し、該押上げジャッキ４１によって押し上げられてセグメント８の内周面に反力受け部材５が設置される。ここで、反力受け部材５の上部には予めセグメント８に刻設された裏込め材注入用の孔８１（注入孔）に嵌合可能な突起状の嵌合部５１を備えておき、該嵌合部５１を孔８１に嵌合設置する（図３参照）。嵌合設置した反力受け部材５は取り付け装置６に備えた取り付けジャッキ（又は取り付けボルト）にて固定することで反力受け部材５をセグメント８内周面に固定することができる。なお、シールド掘進機のスキンプレートとセグメント８の間には止水用のテールブラシ９１や伸縮チューブ９２などを備えた構成とすることができる（図３参照）。かかる伸縮チューブはその後方でセグメント８の背面に取り付けた裏込め注入用の袋体を前方へ侵入させないために設けるゴム製材料のことである。
図１には円形断面のシールド掘進機についての実施例を示しているが、かかる実施例に限らず、正方形断面や矩形断面のシールド掘進機についても姿勢制御装置１を使用することができる。例えば、矩形断面のシールド掘進機について姿勢制御装置１を使用する場合は、シールド掘進機の矩形断面に適合した形状保持装置２を使用するのがよい（図示せず）。

＜２＞引張り棒部材
引張り棒部材３は、形状保持装置１からシールド掘進機の延伸方向かつカッターディスク方向に伸びて、シールドジャッキ７に連結自在に構成する。ここで、引張り棒部材３は、例えば２本の鋼製棒部材を回転自在にピン結合し、その一端は形状保持装置２に取り付けておく（図２参照）。なお、引張り棒部材３と形状保持装置２との取り付け部もピン結合とすることにより、姿勢制御装置１を使用しない場合には形状保持装置２の側部に折り曲げて収納しておくことができる。
引張り棒部材３を使用する場合は、カッターディスク方向に伸ばしてその先端をシールドジャッキ７に連結する。

引張り棒部材３は、図１に示すように形状保持装置２のリング方向に複数設置する。図１では、セグメントリング上部と中央部に複数設けた実施例を示している。
引張り棒部材３の部材仕様及び断面性能（断面の大きさ）と設置本数は、例えばシールド掘進機のカッターディスク上部先端に備えたフード部に作用する転倒モーメント等、所要の転倒モーメントに抗し得るように適宜設定することができる。また、蛇行したシールド掘進機の修正や転倒傾向にあるシールド掘進機の姿勢修正などの場合には、所要の引張り力（修正方向へのモーメントを発生させ得る力）を得ることができるような仕様とするのがよい。なお、引張り棒部材３は鋼材にて製作できる。

＜３＞反力受け部材（図３、図４）
反力受け部材５は、例えば鋼製板材にて製作したブロック体であり、その上部にセグメント８に刻設した孔８１（裏込め材注入孔）に嵌合可能な嵌合部５１を突設して構成される。
形状保持装置２は、その構成部材である油圧ジャッキにてセグメント８の内周面に押圧設置されるが、引張り棒部材３に引っ張り力が作用した場合に確実に形状保持装置２が引っ張り力に抗し得るとは言い難い。したがって、形状保持装置２から突設した受け台２１上でその下方からは押上げジャッキ４１にてセグメント８の内周面に押圧されるとともに、その上部は嵌合部５１が孔８１に嵌合することで該嵌合部５１がいわばせん断キーとしての役割を担う反力受け部材５を設け、該反力受け部材５には形状保持装置２から突設したサポートジャッキ４２を押圧させておくことにより、形状保持装置２は確実にセグメント８の内周面に取り付け固定できる。すなわち、形状保持装置２は反力受け部材５やサポートジャッキ４２などを使用することで、引張り棒部材３に引っ張り力が作用した場合でもトンネル軸方向及びトンネル延伸方向に対して確実な反力体となり得る。また、引張り棒部材３に引っ張り力が作用した場合でも、嵌合部５１はせん断キーとして作用するため、反力受け部材５及び形状保持装置２がセグメント８の内周面上をスライドして反力体の機能を発揮できないということはなくなる。

＜４＞取り付け装置
取り付け装置６は、嵌合部５１を孔８１に嵌合させて反力受け部材５をセグメント８の内周面に設置した際に、該反力受け部材５をセグメント８内周面に固定させておくための装置である。取り付け装置６は鋼製板材の表面上に鋼製板材を垂直に取り付けたもので、該垂直板材に設置した取り付けジャッキ（又は取り付けボルト）にて反力受け部材を固定する（図４参照）。すなわち、反力受け部材５の一方（カッターディスク側面）は取り付けジャッキにて、反力受け部材５の他方の面（テール部側面）はサポートジャッキ４２にて夫々押圧することによって反力受け部材５はセグメント８の内周面に固定できる。また、取り付け装置６は下方から押上げジャッキ４１にて支持させておくのがよい。

＜５＞姿勢制御装置の作用
引張り棒部材３をシールドジャッキ７に連結させ、サポートジャッキ４２を反力受け部材５に押圧させた状態でシールドジャッキ７を作動させてシールド掘進機の掘進をおこなう。
この際、シールド掘進機の上部（必要な場合は中央部）は、既設置されたセグメントに反力を取った状態で引張り棒部材３にてシールドジャッキ７（のセグメント８への押圧部付近）にて引っ張った状態となるため、シールド掘進機が転倒方向へモーメントが作用した場合でも、上記引っ張り力によって抵抗することが可能となる。
姿勢制御装置１を使用しながらシールド掘進機を掘進させることにより、カッターディスクの上部前方にフードが取り付けられたシールド掘進機に転倒モーメントが作用した場合でも、該シールド掘進機が下方へ蛇行することなく、すなわちシールド掘進機の姿勢を制御した状態で掘進をおこなうことができる。なお、転倒モーメントが作用する場合であれば、上記するフード付きのシールド掘進機に限らず一般のシールド掘進機にも姿勢制御装置１を使用することは可能である。さらに、蛇行を修正する際にも蛇行と反対方向のモーメントを発生させることができる位置に姿勢制御装置１（引張り棒部材３や反力受け部材５など）を取り付け調整することで対処可能となる。

図５〜図７を参照して、本発明の姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法について説明する。

まず、形状保持装置設置工程として、シールド掘進機内部において既に取り付けが完了したセグメントリングの内周面にセグメントの形状保持装置２を押し当てる（図５参照）。ここで、形状保持装置２の押し当ては、セグメントリングの上部及び下部のほか、中央部もおこなうのが好ましい。なお、形状保持装置２の縦断方向の取り付け位置については、例えば設置するセグメントの倍数程度シールドジャッキ７とセグメント８の接触位置から離れた位置とする等、予め設定しておき、引張り棒部材３が伸びた場合の長さもかかる離れ長と対応させておく必要がある。

形状保持装置設置工程の後、シールド掘進機の掘進前工程に入る。すなわち、反力受け部材５を押上げジャッキ４１にて押上げ、嵌合部５１が孔８１に嵌合できるように位置調整をおこないながら該反力受け部材５をセグメント８の内周面に設置し、取り付け装置６にて反力受け部材５を仮固定するとともにサポートジャッキ４２にて反力受け部材５を押圧して固定する。次に引張り棒部材３をカッターディスク方向に伸ばして該引張り棒部材３の先端をシールドジャッキ７に連結する（図６参照）。

掘進前工程の後、シールド掘進機を例えばセグメント１ピース分の幅程度掘進させる掘進工程に入る（図７参照）。ここで、シールド掘進機に転倒モーメントが作用しても、セグメント８に固定された形状保持装置２及び反力受け部材５に反力を取った状態で複数の引張り棒部材３にてシールド掘進機の上部（及び中央部）を引っ張っているため、シールド掘進機の姿勢を制御して掘進をおこなうことができる。

掘進工程の後、サポートジャッキ４２の押し付けを解放し、引張り棒部材３をシールドジャッキ７から解放し、形状保持装置２をセグメント８の内周面から解放する解除工程に入る。
次に形状保持装置２をシールド掘進機の掘進分だけ前方へ移動させ（移動工程）、再度、形状保持装置設置工程に移行する。
上記する形状保持装置設置工程、掘進前工程、掘進工程、解除工程、移動工程を所要の掘進延長にわたって繰返すことにより、シールド掘進機の姿勢を制御した状態でシールドトンネルの構築をおこなうことが可能となる。

円形シールド掘進機における姿勢制御装置を示した正面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。 図１のＣ−Ｃ断面図。 シールド掘進機の掘進方法において、形状保持装置設置工程を示した説明図。 シールド掘進機の掘進方法において、掘進前工程を示した説明図。 シールド掘進機の掘進方法において、掘進工程を示した説明図。

符号の説明

１・・・・姿勢制御装置
２・・・・形状保持装置
２１・・・受け台
３・・・・引張り棒部材
４１・・・押上げジャッキ
４２・・・サポートジャッキ
５・・・・反力受け部材
５１・・・嵌合部
６・・・・取り付け装置
７・・・・シールドジャッキ
８・・・・セグメント
８１・・・孔

Claims (3)

1. セグメントの形状保持装置と、
   前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向かつカッターディスク方向に伸びて、シールドジャッキに連結自在に構成した引張り棒部材と、
   前記形状保持装置から突設させた受け台上に載置された押上げジャッキによって昇降可能とし、セグメントに刻設された孔に嵌合可能な嵌合部を備えた反力受け部材と、
   前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向に伸張可能で、前記嵌合部を前記孔に嵌合させた際に前記反力受け部材に反力を取ることを可能としたサポートジャッキと、からなることを特徴とする、
   姿勢制御装置。
   
2. セグメントの形状保持装置と、
   前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向かつカッターディスク方向に伸びて、シールドジャッキに連結自在に構成した引張り棒部材と、
   前記形状保持装置から突設させた受け台上に載置された押上げジャッキによって昇降可能とし、セグメントに刻設された孔に嵌合可能な嵌合部を備えた反力受け部材と、
   前記反力受け部材をセグメント内周面に取り付けて固定する取り付け装置と、
   前記形状保持装置からシールド掘進機の延伸方向に伸張可能で、前記反力受け部材をセグメント内周面に取り付けた際に該反力受け部材に反力を取ることを可能としたサポートジャッキと、からなることを特徴とする、
   姿勢制御装置。
   
3. 請求項２記載の姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法であって、
   前記形状保持装置を構成する保持ジャッキを作動させて該形状保持装置をセグメント内周面に押し当てる形状保持装置設置工程と、
   前記反力受け部材の位置調整をおこないながら該反力受け部材をセグメント内周面に設置して前記取り付け装置にて固定し、前記反力受け部材に前記サポートジャッキを押し付け、前記引張り棒部材を前記シールドジャッキに連結する掘進前工程と、
   シールド掘進機を掘進させる掘進工程と、
   前記サポートジャッキの押し付け解放と、前記引張り棒部材の連結解除と、前記反力受け部材のセグメント内周面からの取り外しと、前記形状保持装置の押し付け解放と、からなる解除工程と、
   前記形状保持装置を前方へ移動させる移動工程と、からなり、
   前記形状保持装置設置工程と前記掘進前工程と前記掘進工程と前記解除工程と前記移動工程を繰返すことを特徴とする、
   姿勢制御装置を使用したシールド掘進機の掘進方法。

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