JP4316431B2 - セグメント、地盤改良方法および地盤改良装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機を使用するトンネル工事に用いられるセグメント、このセグメントを用いた地盤改良方法および地盤改良装置に関する。

トンネル掘削機を用いたトンネル工事においては、地山が崩壊し易い土質の場合や急曲線施工を行う場合等には、切羽の崩落を防ぐため、掘削機の近傍前方の土砂を薬剤注入によって地盤改良を行う必要がある。ここで、地上から薬剤を注入できれば問題ないが、地上の交通確保の制約や大深度施工等の場合には、地上から薬注できない。

そこで、地下の掘進機側からその前方の地山に薬剤を注入することが求められるが、この種の発明として、掘進機のカッタから前方の地山に薬剤注入用の管を伸ばし、その管から地山に薬剤を注入するようにした装置が知られている（特許文献１）。しかし、この装置においては、カッタから薬注管を伸ばして薬注しているので、カッタの全断面の前方の地山に薬剤を注入するためには、特殊な構造のカッタを用いる必要がある。このため、シールド外径がある程度大きくないと実現できず、汎用性が低い。また、急曲線施工においては、カーブの内側の薬注範囲が制限される。

本発明者等は、これらの問題を解決する発明として、掘削機の後方に位置する既設セグメントの内方から既設セグメントを貫通して掘削機側まで斜め前方に薬注管を伸ばし、その薬注管から薬剤を地山に注入するようにしたものを提案している（特願２００２−２３７９５９号）。この発明によれば、既設セグメントから薬注管を伸ばしているので、掘削機のカッタの構造とは無関係に掘削機近傍の地山を薬注できる。また、薬注管がセグメントを貫通する貫通機構に、薬注管の方向を変更する首振り部材を設けることで、広範囲に亘って薬注でき、急曲線施工時におけるカーブの内側への薬注範囲が広がる。

特許第３１６６３３６号公報

ところで、上記発明においては、セグメントに薬注管が貫通する貫通機構を設けると共に、この貫通機構に薬注管の方向を変更する首振り部材を組み込んでいるため、これら貫通機構・首振り部材が邪魔になって、通常、セグメントに補強のために設けられるリブや主桁等の強度部材を一部省略せざるを得ない。

一方、この薬注用のセグメントは、組み立て性を良好にするために、その長さ（トンネル軸方向の長さ）を通常のセグメントと等しくしている。このため、薬注セグメントは、通常のセグメントと同じ長さでありながら、リブや主桁等の強度部材の一部が通常のセグメントと比べて省略されているため、トンネル壁として用いるのに必要な強度を確保することが困難となるケースが生じる。

また、上記貫通機構に組み込まれた首振り部材は、トンネルの径方向に首振り自在となっており、これに貫通される薬注管をトンネルの径方向に変更するものであるが、薬注管の角度をトンネル軸方向に沿わせるように小さくしようとすると、薬注セグメント自体の厚みが邪魔になって所定角度以下に小さくすることが困難であった。このため、軸方向に沿ったトンネル壁の近傍の地山への薬注が制限される。

また、上記首振り部材をトンネルの径方向のみならず周方向にも首振り自在とすれば、これに貫通される薬注管をトンネルの周方向にも変更できるので、一つの首振り部材からトンネル周方向の複数箇所の地山に薬剤を注入できることになり、この点で更なる改良の余地が残されている。

また、曲線施工を行う場合には、カーブの内側と外側とで形状の異なったセグメントを用いるため、上記薬注セグメントについてもカーブの内側と外側とで形状の異なったものを用意する必要があり、上記貫通機構・首振り機構を備えた薬注セグメントを形状を異ならせて複数種類用意することは、コストアップとなる。

上記課題を解決するために、第１の発明に係るセグメントは、セグメントをトンネルの軸方向に３個のセグメント片に分割し、中央のセグメント片に、薬剤注入用の管が挿通される穴を有する首振り部材を少なくともトンネルの周方向に首振り可能に設け、前側及び／又は中央のセグメント片の外周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するための凹部を形成し、後側及び／又は中央のセグメント片の内周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するためのスペースを形成し、これら前側、中央及び後側のセグメント片を連結し、上記凹部に、充填材を着脱自在に設けたものである。

第２の発明に係る地盤改良方法は、前記セグメントによりトンネル壁を構築し、該トンネル壁の内方から薬剤注入用の管を上記スペースを通し上記首振り部材の穴に挿通させ上記凹部を通してトンネル壁の外方の斜め前方へ伸ばし、この管によって上記凹部に設けられた充填材を押し外し、上記管から地盤改良剤を地山に注入した後、管をその先端が首振り部材の位置に来るまで後退させ、首振り部材の角度を変更し、管を再び上記凹部を通して斜め前方に伸ばし、その管から地盤改良剤を注入するようにしたものである。

第３の発明に係る地盤改良装置は、既設セグメントに少なくともトンネルの周方向に首振り可能に設けられた首振り部材と、該首振り部材に形成され薬剤注入用の管がトンネル内から外へ挿通される穴と、上記既設セグメントの外周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するように形成された凹部と、該凹部に着脱可能に設けられた充填材と、トンネル内に配置され周方向に旋回可能な旋回リングと、該旋回リングに揺動可能に設けられた基台と、該基台に設けられ上記穴に上記管を挿通して上記充填材を上記凹部から押し外すための挿通手段とを備えたものである。

また、上記旋回リングを回転させる回転手段と、上記基台を揺動させる揺動手段と、これら回転手段及び揺動手段を同時に制御することで上記挿通手段から上記穴に挿通される管の角度を調節する制御手段とを備えることが好ましい。

本発明によれば、次のような効果を発揮できる。

（１）第１の発明に係るセグメントによれば、前側、中央及び後側のセグメント片を連結して一つのセグメントとしているので、各セグメント片毎にリブ、主桁及びエンドプレート等の強度部材を設けることができる。よって、かかるセグメントは、中央のセグメント片に首振り部材を設けることで上記強度部材の一部が省略されても、全体としては、通常のセグメントと同じ長さを確保しつつ、トンネル壁として用いるのに必要な強度を確保できる。

また、前側セグメント片の外周面に凹部を形成すると共に、後側セグメント片の内周面にスペースを形成したので、これら凹部及びスペースを利用することで注入用の管の角度をトンネル軸方向に沿わせるように小さくできる。

また、管は、上記凹部及びスペース内にて少なくともトンネル周方向に首振り可能なので、管の角度をトンネル周方向に変更でき、薬注範囲をトンネル周方向に広げることができる。

また、曲線施工を行う場合には、前側及び後側のセグメント片の形状のみ異ならせ中央のセグメント片を共用したセグメントを複数用意すればよいので、低コスト化を図ることができる。

また、前側セグメント片の外周面の凹部に、充填材を着脱自在に設けているので、この充填材にテールシールが当接するためシール性が凹部によって悪化することはなく、且つこの充填材は、上記管を伸ばすときには管に押されて凹部から取り外されるため、薬剤注入の障害となることはない。

（２）第２の発明に係る地盤改良方法によれば、一箇所の首振り部材からトンネルの周方向の複数箇所の地山に薬注でき、作業効率が向上するので、工期を短縮できる。

また、首振り部材の角度をトンネルの周方向のみならず径方向にも変更するようにすれば、薬注範囲を更に広げることができる。

（３）第３の発明に係る地盤改良装置によれば、旋回リングを回転させることで、挿通手段のトンネル周方向の位置を、トンネル周方向に間隔を隔てて配置された各首振り部材の位置に合わせることができる。また、基台を揺動させることで、挿通手段から前方に延伸される管の方向を、首振り部材の首振りに応じて変更される首振り部材の穴の方向に合わせることができる。

また、旋回リングを回転する回転手段と基台を揺動する揺動手段とを制御手段によって同時に制御することで、管の延伸基点及び延伸角度（方向）を正確に調節できる。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基いて説明する。

図１、図２及び図３に示すように、本実施形態に係るセグメント１（薬注セグメント）は、セグメント１をトンネルの軸方向に３個のセグメント片に分割し、中央のセグメント片１ａに、薬剤注入用の管２（薬注管）が挿通される穴３を有する首振り部材４を少なくともトンネル周方向に首振り可能に設け、前側及び中央のセグメント片１ａ、１ｂの外周面５に、首振り部材４の穴３に挿通された薬注管２の首振りを許容するための凹部６を形成し、後側及び中央のセグメント片１ａ、１ｃの内周面７に、首振り部材４の穴３に挿通された薬注管２の首振りを許容するためのスペース８を形成し、これら前側、中央及び後側のセグメント片１ａ、１ｂ、１ｃを連結してなるものである。

先ず、中央のセグメント片１ａ（以下中央セグメント片という）について説明する。

図１〜図３に示すように、中央セグメント片１ａは、鋼板から形成された外面板９、外面板９のトンネル軸方向の両端部に設けられたエンドプレート１０、外面板９のトンネル周方向の両端部に設けられたサイドプレート１１、前後のエンドプレート１０、１０の間に掛け渡された主桁１２、及び外面板９の内周面に設けられたリブ１３を備えており、所謂鋼板タイプとなっている。

外面板９には、円状の穴１４が周方向に間隔を隔てて３個設けられており、各穴１４には、円筒状のガイド部材１５が設けられている。なお、穴１４の数は、３個に限定されるものではなく、１個、２個又は４個以上であってもよい。

ガイド部材１５の前部（セグメント１をリング状に組み立てたときのトンネル軸方向前部）のセグメント外周面側の側面には、図６を用いて後述するように、薬注管２が通るＵ字状の切欠部６ａが形成されている。切欠部６ａは、特許請求の範囲に記載された凹部６の一部を構成するものであり、その幅は、薬注管２がトンネル周方向に所定範囲で回動できる幅に形成されている。切欠部６ａには、外周面と略面一となる充填材１７（エポキシ樹脂等、以下同じ）が、着脱自在に設けられている。他方、ガイド部材１５の後部の側面には、上記薬注管２が挿通される穴１８が形成されており、この穴１８にも、上記充填材１７が、着脱自在に設けられている。

図１〜図３に戻って、ガイド部材１５には、スライド機構１９を介して、首振り部材４がトンネル径方向に移動可能に設けられている。スライド機構１９は、ガイド部材１５の内部にスライド可能に装着された円筒状の外側スライド体２０と、外側スライド体２０の内部にスライド可能に装着された内側スライド体２１とを備えた二段スライド式となっている。外側スライド体２０の内周面には、外側スライド体２０と内側スライド体２１との間をシールするリング状のシール２２が、上下二段設けられている。

外側スライド体２０の前部の側面及び後部の側面には、図６に示すように、上記薬注管２が挿通される穴２３、２４が形成されている。これらの穴２３、２４は、図２に示すように外側スライド体２０のセグメント外周面側の先端部がガイド部材１５の先端部と面一になっているときにはガイド部材１５の切欠部６ａ及び穴１８に対して夫々ずれているが、図５に示すように外側スライド体２０がガイド部材１５に対して径方向外方にスライドして突出したとき、ガイド部材１５の切欠部６ａ及び穴１８と符合するようになっている。また、穴２３には、上記充填材１７が着脱自在に設けられている。なお、穴２４にも同様に充填材１７を設けてもよい。

内側スライド体２１は、図２に示すように、外側スライド体２０の内部にスライド可能に装着された筒部２５と、筒部２５の内部を略１対２の割合で液密に仕切る頂壁２６と、筒部２５の底部を液密に蓋する底壁２７とを備えている。頂壁２６と底壁２７との間には、筒部２５の内部をトンネル軸方向に液密に仕切るように軸受壁２８が設けられており、軸受壁２８には、首振り部材４が球面継手２９を介して全方向に首振り可能に装着されている。

球面継手２９は、首振り部材４に形成された凸球部と軸受壁２８に形成された凹球部とからなる。これら凸球部と凹球部との間には、図示しないリング状のシール材が介設されている。このシール、軸受壁２８及び首振り部材４によって、頂壁２６と底壁２７と筒部２５とで区画された内部が、トンネル軸方向に液密に仕切られることになる。首振り部材４の内部には、薬注管２が挿通される穴３が形成されている。穴３には、充填材１７が着脱自在に設けられている。

上記筒部２５の前部の側面及び後部の側面には、図６に示すように、上記薬注管２が挿通される穴３０、３１が形成されている。これらの穴３０、３１は、図２に示すように内側スライド体２１のセグメント外周面側の先端部が外側スライド体２０の先端部と面一になっているときには外側スライド体２０の穴２３、２４に対してずれているが、図６に示すように内側スライド体２１が外側スライド体２０に対して径方向外方にスライドして突出したとき、外側スライド体２０の穴２３、２４と符合するようになっている。

図１に戻って、上記ガイド部材１５の外周面とエンドプレート１０及びサイドプレート１１との間には、補強用のリブ１３が設けられている。リブ１３は、ガイド部材１５の外周面、外面板９の内周面、エンドプレート１０及びサイドプレート１１に夫々溶接されている。

トンネル軸方向後方のエンドプレート１０には、薬注管２が首振り部材４の球面継手２９を中心としてトンネル周方向に所定範囲で回動することを許容するための切欠部８ｃが形成されている。この切欠部８ｃは、特許請求の範囲に記載されたスペース８の一部を構成する。

上記外面板９のトンネル軸方向前部には、薬注管２が首振り部材４の球面継手２９を中心としてトンネル周方向に所定範囲で回動することを許容するための窪み部６ｂが形成されている。窪み部６ｂは、上記ガイド部材１５の一部及び上記トンネル軸方向前方のエンドプレート１０の一部を略コ字状に切り欠き、そこに外面板５を落とし込むように折り曲げて構成されている。この窪み部６ｂは、特許請求の範囲に記載された凹部６の一部を構成する。

図２に示すように、上記外側スライド体２０の側面には、フランジ状の固定金具３２が設けられており、この固定金具３２には、ボルト３３の挿通穴が設けられている。挿通穴に挿通されたボルト３３は、半割り円筒状に形成された間座３４を通し、ガイド部材１５及びエンドプレート１０に固定された板３５のネジ穴に螺合されている。間座３４の長さは、ボルト３３を締め込んだとき、外側スライド体２０のセグメント外周面側の先端がガイド部材１５の先端と面一になる寸法に設定されている。

上記ボルト３３は、上記固定金具３２の下面に、押え金具３６を共締めしている。押え金具３６は、筒部３７と、その径方向外側の外周面に設けられた外側フランジ部３８と、径方向内側の内周面に設けられた内側フランジ部３９とを備えている。この押え金具３６は、外側フランジ部３８に設けられた穴に上記ボルト３３が挿通されて固定され、このとき内側フランジ部３９に内側スライド体２１の筒部２５の径方向内側の端部が当接するようになっている。

この押え金具３６によって、内側スライド体２１の頂壁２６に加わる土圧を、中央セグメント片１ａに支持できる。押え金具３６の筒部３７の長さは、ボルト３３によって押え金具３６を固定金具３２に固定したとき、内側スライド体２１のセグメント外周側の先端が外側スライド体２０の先端と面一になる寸法に設定されている。

次に、前側のセグメント片１ｂ（以下前側セグメント片という）について説明する。

前側セグメント片１ｂは、図１及び図２に示すように、鋼板から形成された外面板５、外面板５のトンネル軸方向の両端部に設けられたエンドプレート４０、４０、外面板５のトンネル周方向の両端部に設けられたサイドプレート４１、４１、前後のエンドプレート４０、４０の間に掛け渡された主桁４２を備えており、所謂鋼板タイプとなっている。

外面板５には、中央セグメント片１ａの窪み部６ｂに接続させて窪み部６ｃが設けられている。この窪み部６ｃは、前後のエンドプレート４０、４０の一部を略コ字状に切り欠き、そこに外面板５を落とし込むように折り曲げて構成されている。この窪み部６ｃは、上記窪み部６ｂ及び切欠部６ａと協同して特許請求の範囲に記載された凹部６を構成する。

凹部６は、図１に示すように、薬注管２が首振り部材４の球面継手１９を中心としてトンネル周方向に所定範囲で回動することを許容する幅に設定されており、図２に示すように、斜め前方に向けてテーパ状に形成されている。また、凹部６には、セグメント１の外周面と面一となるように、充填材１７が着脱自在に設けられている。

次に、後側のセグメント片１ｃ（以下後側セグメント片という）について説明する。

後側セグメント片１ｃは、図１及び図２に示すように、鋼板から形成された外面板４３、外面板４３のトンネル軸方向の両端部に設けられたエンドプレート４４、４４、外面板４３のトンネル周方向の両端部に設けられたサイドプレート４５、４５、前後のエンドプレート４４、４４の間に掛け渡された主桁４６を備えており、所謂鋼板タイプとなっている。

前部のエンドプレート４４には、薬注管２が首振り部材４の球面継手２９を中心としてトンネル周方向に所定範囲で回動することを許容するための切欠部８ａが、中央セグメント片１ａの切欠部８ｃと繋がるようにして形成されている。また、後部のエンドプレート４４には、同様に薬注管２が所定範囲内で回動することを許容するための切欠部８ｂが形成されている。これらの切欠部８ａ、８ｂ、８ｃは、特許請求の範囲に記載されたスペース８を構成する。

スペース８は、図２に示すように、前側の切欠部８ａ、８ｃよりも後側の切欠部８ｂを浅くすることで、図６に示すように、最小の切欠量で薬注管２の斜め前方への延伸を確保し、図１に示すように、前側の切欠部８ａ、８ｃを後側切欠部８ｂよりも幅狭にすることで、最小の切欠量で薬注管２のトンネル周方向の回動を確保している。よって、エンドプレート４４を切り欠いたことによる強度低下は最小限にとどまる。

上述した前側セグメント片１ｂ、中央セグメント片１ａ及び後側セグメント片１ｃは、トンネル軸方向にボルトナットや溶接等によって連結され、薬剤注入用の薬注セグメント１となる。この薬注セグメント１は、図３に示すように、薬注機構のない通常のセグメント１ｘと同じ寸法（トンネル軸方向の長さ、周方向の長さ、厚さ）となっており、通常のセグメント１ｘと同様の作業によりリング状に組み立てられる。

この薬注セグメント１の組み立て作業を図３及び図４を用いて説明する。

図４に示すように、シールド掘進機の筒状のシールドフレーム４７の内面において、テールシール４８よりも前方の組み立てスペースに、上記薬注セグメント１をセグメント組立装置（エレクタ）を用いて、通常のセグメント１ｘと同様して組み立てる。

図３に示すように、本実施形態では、トンネルの底部の左右に通常のセグメント１ｘを１個ずつ組み付け、その上方に薬注セグメント１を１個ずつ組み付け、トンネルの頂部にキーセグメント１ｙを組み付けることで、１リングを構成している。トンネルの上部にのみ薬注セグメント１を配置し下部に配置しない理由は、トンネルの下方の部分の地山には薬注する必要がないからである（図１３参照）。

図３に戻って、薬注セグメント１を通常セグメント１ｘに繋げて組み付けるときには、内側スライド体２１及び押え金具３６を取り外して組み付けを行い、その後、内側スライド体２１及び押え金具３６を取り付けるようにする。これにより、薬注セグメント１を組み付けるとき、薬注セグメント１の内周面に突出する部品（内側スライド体２１及び押え金具３６）が存在しなくなるので、組付性が向上する。但し、組付性がそれ程問題にならないのであれば、内側スライド体２１及び押え金具３６を予め取り付けた薬注セグメント１を用いて組み付けを行ってもよい。なお、これらの部品２１、３６は、地上にてセグメント本体に取り付けて取り付けてそのセグメント１を坑内に搬入してもよく、坑内にてセグメント本体に組み付けてもよい。

この薬注セグメント１によれば、図１〜図３に示すように、前側、中央及び後側のセグメント片１ａ、１ｂ、１ｃを連結して一つのセグメントとしているので、各セグメント片１ａ、１ｂ、１ｃにリブ１３、主桁１２、４２、４６及びエンドプレート１０、４０、４４等の強度部材を夫々設けることができる。よって、かかる薬注セグメント１は、首振り部材４及びスライド機構１９を設けることで上記強度部材の一部が省略されても、通常のセグメント１ｘと同じ長さを確保しつつ、全体としてトンネル壁として用いるのに必要な強度を確保できる。よって、強度不足が問題となることはない。

また、前側及び中央セグメント片１ａ、１ｂの外周面に凹部６を形成すると共に、後側及び中央セグメント片１ａ、１ｃの内周面にスペース８を形成したので、これら凹部６及びスペース８を利用することで薬注管２の角度をトンネル軸方向に沿わせるように小さくできる（図６参照）。よって、図１２に示すように、シールドフレーム４７の近傍の地山にも薬注による薬注部５７を形成でき、薬注範囲が広がる。

また、薬注管２は、図１に示すように、上記凹部６及びスペース８内にて少なくともトンネル周方向に首振り可能なので、図１及び図７に示すように、薬注管２の角度をトンネル周方向に変更でき、一つの首振り部材４からの薬注範囲をトンネル周方向に広げることができる。この点、後に詳述する。

また、曲線施工を行う場合には、前側び後側のセグメント片１ｂ、１ｃの形状のみ異ならせ中央のセグメント片１ａを共用したセグメント１を複数用意し、これらをカーブの内側と外側とで使い分ければよい。これにより、構造が複雑な中央セグメント片１ａを共用でき、構造が簡単な前側及び後側セグメント片１ｂ、１ｃのみを形状を異ならせれば足りるので、低コスト化を図ることができる。

また、前側セグメント片１ｂの外周面の凹部６に、外周面と面一となる充填材１７を着脱自在に設けているので、図５に示すように、シールドフレーム４７の前進に伴ってこの充填材１７にテールシール４８が当接することになる。よって、シール性が凹部６によって悪化することはない。また、この充填材４７は、図６に示すように、薬注管２を伸ばすときには管２に押されて凹部６から取り外されるため、薬剤注入の障害となることはない。

次に上記薬注セグメント１を用いた地盤改良方法について説明する。

図４に示すように薬注セグメント１を通常セグメント１ｘ及びキーセグメント１ｙと共にリング状に組み付けたならば、掘進機５５の推進ジャッキ５０（図１２参照）をこれらセグメント１、１ｘ、１ｙのトンネル軸方向前端部に押し付けてシールドフレーム４７を前進させる。すると、図５に示すように、薬注セグメント１がシールドフレーム４７の後部に設けられたテールシール４８から後方に露出する。このとき、テールシール４８は、凹部６にセグメント１の外周面と面一となるように設けられた充填材１７に押し付けられる。これにより、止水性が確保される。

そして、図４に示す間座３４を取り外しボルト３３を締め込むことで、外側スライド体２０をトンネル径方向外方に移動させる。すると、図５に示すように、外側スライド体２０の前部の穴２３が凹部６（切欠部６ａ）と符合し、外側スライド体２０の後部の穴２４がガイド部材１５の穴１８に符合する。このとき、これらの穴２３、２４は、内側スライド体２１の筒部２５で覆われているので、止水性は確保される。

その後、シールドフレーム４７の内方にて、上述のようにして構築したリングに繋げて同様に薬注セグメント１、通常セグメント１ｘ及びキーセグメント１ｙをリング状に組み付け、推進ジャッキ５０によってシールドフレーム４７を更に前進させ、図１２に示すように、シールドフレーム４７を薬注セグメント１に対して更に前方に移動させる。

その状態で、図６に示すように、内側スライド体２１の底壁２７にジャッキ５１を押し当て、ジャッキ５１を伸長させることで、内側スライド体２１をトンネル径方向外方に移動させ、筒部２５の先端部を側部地山に貫入させる。ジャッキ５１は、図８に示すように、後に詳述する薬注装置６０の旋回リング６１にブラケット８０を介して径方向外方に向けて取り付けられており、旋回リング６１を回転させることでその押圧部をトンネル周方向に変更して、図３に示すようにトンネル周方向に間隔を隔てて配置された各内側スライド体２１の底壁２７を押圧する。これにより、作業効率が向上する。

図６に戻って、ジャッキ５１による底壁２７の押圧によって筒部２５の先端部が側部地山に貫入すると、貫入した筒部２５の先端部がアンカーとなって、薬注セグメント１の位置が掘孔に固定されることになり、同時に、内側スライド体２１の前部の穴３０が外側スライド体２０の前部の穴２３に符合し、内側スライド体２１の後部の穴３１が外側スライド体２０の後部の穴２４に符合する。

また、内側スライド体２１及び外側スライド体２０のトンネル径方向外方への移動により、内側スライド体２１に設けられた首振り部材４が図４の位置から図６の位置にトンネル径方向外方に移動され、筒状のガイド部材１５の内方に（セグメント１の厚さ内に）位置される。よって、この首振り部材４を僅かに傾斜させることで、首振り部材４の穴３を内側スライド体２１の穴３０、３１及び外側スライド体２０の穴２３、２４の軸芯と一致させることができる。

なお、薬注セグメント１がテールシール４８に対して図５に示す位置となったとき、外側スライド体２０をトンネル径方向外方に移動させずに、推進ジャッキ５０によって図６及び図１２に示す位置までシールドフレーム４７を薬注セグメント１に対して更に前進させ、その位置で外側スライド体２０及び内側スライド体２１を二段式にトンネル径方向外方に移動させるようにしてもよい。

その後、図６に示すように、首振り部材４の穴３に、開閉弁５２を備えた連結管５３を、上記スペース８、穴１８、２４を通し、連結する。このとき、図５に示すように穴１８に設けられた充填材１７は、連結管５３によって押し外される。この連結管５３は、上記スペース８、穴３１、２４、１８、切欠部８ｃ、８ａに配置される。

連結管５３を首振り部材４の穴３に装着したならば、開閉弁５２を開き、トンネル内から薬注管２を連結管５３及び首振り部材４の穴３に挿通させ、トンネル外に伸ばす。詳しくは、薬注管２は、このセグメント１の後方のセグメント１ｚのエンドプレート４４ｚに設けられた切欠部８ｚ及びセグメント１の切欠部８ｂを通して連結管５３の内部に挿通され、穴３０、２３、及び凹部６を通して斜め前方に伸ばされる。このとき、図５に示すように、首振り部材４の穴３に設けられた充填材１７、及び凹部６に設けられた充填材１７は、薬注管２によって押し外される。

薬注管２は、トンネル内にて適宜継ぎ足され、図１２に示すように、先端が掘進機５５のカッタ５６より前方に位置するまで伸ばされる。そして、薬注管２を引き抜きながら薬注管２から地盤改良剤（モルタル等）を地山に注入し、図１３にも示すように、地山に円柱状の薬注部５７を形成する。

その後、薬注管２をその先端が図６に示す首振り部材４の位置、すなわち内側スライド体２１の筒部２５の内部に来るまで後退させ、首振り部材４の角度を、図１及び図７に示すように、球面継手１９を中心に適宜トンネル周方向及び径方向に変更する。このとき、薬注管２が首振り部材４の穴３に挿入されたままの状態であるので、シール性は保持される。

そして、薬注管２を再び同様にして斜め前方に伸ばし、薬注管２から同様に地盤改良剤を地山に注入する。これにより、図１３に示すように、一つの首振り部材４からトンネル周方向の複数箇所の地山に薬注部５７を形成でき、作業効率が向上し、工期を短縮できる。また、首振り部材４の角度をトンネルの周方向のみならず径方向にも変更しているので、薬注部５７をトンネルのカーブに応じて所望の位置に形成できる。

図１３に示す各薬注部５７を時計回りに説明すると、図３に示す左側の首振り部材４ａから三箇所、その右隣りの首振り部材４ｂから二箇所、以下同様に首振り部材４ｃから二箇所、首振り部材４ｄから三箇所、首振り部材４ｅから二箇所、首振り部材４ｆから三箇所、それぞれ薬注部５７を相互にラップさせて形成する。これにより、軟弱地盤やカーブ施工時においても、安定した地山（切羽）を確保できる。

なお、図１２においては、セグメント１の１リング毎に交互に薬注管２をトンネルのカーブ方向の内外に伸ばしているが、同一のリングから薬注管２を伸ばすようにしてもよい。

次に、上記薬注セグメント１を用いた地盤改良装置について説明する。

図８及び図９に示すように、この地盤改良装置は、上記薬注セグメント１と、薬注装置６０とからなる。

薬注セグメント１は、既設のセグメント本体に少なくともトンネルの周方向に首振り可能に設けられた首振り部材４と、首振り部材４に形成され薬剤注入用の薬注管２がトンネル内から外へ挿通される穴３とを備えている。この薬注セグメント１、首振り部材４、穴３及び薬注管２については、上述した通りであるので説明を省略する。

薬注装置６０は、トンネル内に配置され周方向に旋回可能な旋回リング６１と、旋回リング６１に揺動可能に設けられた基台６２と、基台６２に設けられ上記穴３に上記薬注管２を挿通するための挿通手段６３とを備えている。薬注装置６０について以下説明する。

旋回リング６１は、円筒状の支持フレーム６４に支持ローラ６５を介して回転可能に支持されている。支持フレーム６４の外周面の上下には、グリッパジャッキ６６を介して、トンネル壁の内周面と略同じ曲率の部分円筒状に形成されたグリッパシュー６７が夫々設けられている。

この構成によれば、グリッパジャッキ６６を適宜伸長させ、シュー６７をトンネル内壁に押し付けることで、支持フレーム６４をトンネル中心に調芯して固定でき、グリッパジャッキ６６を収縮させ、上記押し付けを解放することで、支持フレーム６４をトンネル内の軸方向に移動可能とできる。支持フレーム６４の下部には、掘進機５５に接続された牽引用のロープ等の紐体６８が接続されている。下部のグリッパシュー６７は、紐体６８による牽引が容易になるように、前部が橇状に形成されている。

旋回リング６１は、回転手段７０によって支持フレーム６４に対して回転駆動される。回転手段７０は、旋回リング６１の内周面に設けられた内歯ギヤ７１と、内歯ギヤ７１に噛合するピニオンギヤ７２を備えたモータ７３とを有する。モータ７３は、支持フレーム６４に固定されている。このモータ７３を適宜回転することで、旋回リング６１が回転し、旋回リング６１の支持フレーム６４に対する回動角度を所望の角度にすることができる。

なお、上記モータ７３を設けることなくピニオンギヤ７２をこのギヤ７２に設けたレバーやハンドル等によって手動により回転させることで、旋回リングを６１を回転させるようにしてもよい。この場合、旋回リング６１の回転位置を、旋回リング６１及び支持フレーム６４に形成した孔にピンをトンネル径方向から挿通させることで、トンネル周方向に間隔を隔てて配置された各首振り部材４の位置に合わせた所定の位置に、固定するようにする。

基台６２は、旋回リング６１の後面に、支持金具７４を介して揺動可能に取り付けられている。揺動方向は、基台６２が旋回リング６１のリング横断面（トンネルの横断面）に対して起伏する方向となっている。基台６２と旋回リング６１との間には揺動手段として揺動ジャッキ７５が介設されている。この揺動ジャッキ７５を適宜伸縮することで、基台６２の旋回リング６１に対する角度が変更できる。

挿通手段６３は、基台６２に設けられており、セットされた薬注管２を回転させながら前方に送り出すドリル装置７６を備えている。ドリル装置７６は、薬注管２を軸方向に前後に細かく振動させながら前方に送り出すものでもよい。

上記揺動ジャッキ７５及びモータ７３は、制御手段７７（コンピュータ等）に接続されており、同時に制御されるようになっている。すなわち、制御手段７７は、揺動ジャッキ７５を適宜伸縮させながらモータ７３を適宜回転させることで、ドリル装置７６から前方に送り出される薬注管２の送り出し方向を、首振り部材４の穴３の位置・方向に合わせて、所望の方向に調節できる。

この点、詳述すると、旋回リング６１を回転させることで、ドリル装置７６のトンネル周方向の位置を、トンネル周方向に間隔を隔てて配置された各首振り部材４の穴３のトンネル周方向の位置に合わせることができる。そして、基台６２を揺動させることで薬注管２の角度を、首振り部材３の穴４の傾斜方向に合わせて調節できる。よって、各首振り部材４の首振り角度をトンネルの周方向及び径方向に変更しても、それらの首振り部材４の穴３の位置・方向に合わせて、ドリル装置７６から薬注管２を伸ばすことができる。

このとき、旋回リング６１を回転するモータ７３と基台６２を揺動する揺動ジャッキ７５とを制御手段７７によって同時に制御し、モータ７３の回転角度と揺動ジャッキ７５のストロークとに基づいて適宜演算することで、薬注管２の延伸基点及び延伸角度（方向）を正確に調節でき、所望の位置に薬注することができる。

制御手段７７による具体的な薬注方法を説明すると、先ず、旋回リング６１を所定角度回転させ、ドリル装置７６のトンネル周方向の位置を、薬注する首振り部材４の穴３のトンネル周方向の位置に合わせる。そして、ドリル装置７６から薬注管２を伸ばして首振り部材４の穴３に挿入し、薬注管２を内側スライド体２１から外に突出させない状態に保持する。

その状態で、旋回リング６１を微小角度回転させ、揺動ジャッキ７５を微小伸縮させ、ドリル装置７６から首振り部材４の穴３に挿通された薬注管２の方向を、薬注すべき方向に調節する。リング６１の微小回転とジャッキ７５の微小伸長とは、同時に行っても別々に行ってもよい。このとき、首振り部材４が球面継手２９を中心に首振ることになる。この方向調節は、旋回リング６１の回転角度と揺動ジャッキ７５の伸縮とを制御手段７７によって適宜制御することで、トンネル周方向及び／又は径方向に高精度で調節可能である。

薬注管２の方向を所望の方向に調節できたなら、ドリル装置７６から薬注管２を適宜継ぎ足しつつ図１２に示すように掘進機５５の前方まで伸ばす。そして、この薬注管２を引き抜きつつ管２から地山に薬剤を注入し、図１３にも示すような薬注部５７を地山に形成する。

薬注管２を引き抜きを行って、管２の先端部が首振り部材４の位置となったなら、首振り部材４の穴３から管２を完全に引き抜くことなく、即ち止水を保ったまま、再び旋回リング６１を微小角度回転させ、揺動ジャッキ７５を微小伸縮させ、ドリル装置７６から首振り部材４の穴３に挿通された薬注管２の方向を、新たに薬注すべき方向に調節する（図１、図７、図１３参照）。そして、同様にして地山の別の箇所に薬注部５７を形成する。

これにより、一つの首振り部材４からトンネル周方向に複数の薬注部５７を得られるので、作業効率が向上する。また、図１２に示すように、トンネルの長手方向に上記薬注セグメント１を繋げて配置し、各セグメント１の首振り部材４の穴３に順次薬注管２を挿入して薬注を行えば、図１３にも示すように、トンネルの両側及び上側の地山にトンネルに被さるように薬注部５７を形成でき、急カーブ施工や緩い地盤であっても地山の崩落を防止できる。

薬注後には、連結管５３の開閉弁５２を閉じ、止水する。その後、薬注装置６０が紐体６８によって掘進機５５に牽引されて薬注セグメント１から離間されることになるが、その後、薬注部５７の地山に何らかの原因によって緩みが生じた場合には、緩みが生じた箇所の近傍のトンネル内に再び薬注装置６０を配置し、同様にして薬注を行うことで、後日部分的に薬注することも可能となる。この場合、薬注方向は、図１２に示すように斜め前方に限られることはなく、トンネルの径方向に薬注管２を延伸して行ってもよい。

薬注装置６０の変形例を図１０及び図１１に示す。

図示するように、この薬注装置６０ａは、旋回リング６１を支持する支持ローラ６５の既設セグメント１への固定構造のみが前述した図８及び図９に示す薬注装置６０と異なっており、その他の構成は同様となっている。よって、相違点である上記固定構造のみを説明し、その他の構造については同一の部品には同一の符号を付して説明を省略する。

図１１に示すように、各支持ローラ６５は、軸受ブロック８１に軸支されており、軸受ブロック８１には、シム８２を介して支持ブラケット８３が取り付けられている。支持ブラケット８３は、トンネル周方向に二叉に形成された第１脚部８４を有し、各第１脚部８４の先端には、既設セグメント１のトンネル軸方向に隣り合うリング間を接続するボルト８５を挟むように保持する凹部８６が、それぞれ形成されている。この構成によれば、上記シム８２を交換或いは積層することで、各支持ローラ６５のトンネル径方向の位置を調節でき、もって旋回リング６１をトンネル中心と調芯できる。なお、図中８８は、補強リブである。

図１０に示すように、各凹部８６は、前側セグメント片１ｂの後部エンドプレート４０と中央セグメント片１ａの前部エンドプレート１０とを締め付けるリング間ボルト８５に、共締めされている。また、上記支持ブラケット８３は、トンネル軸方向の前後に延出された第２脚部８７ｆ、８７ｒを有する。その前側の第２脚部８７ｆは、前側セグメント片１ｂの前部エンドプレート４０（及びその前方の後部セグメント片１ｃの後部エンドプレート４４）に当接し、後側の第２脚部８７ｒは、中央セグメント片１ａの後部エンドプレート１０（及びその後方の後部セグメント片１ｃの前部エンドプレート４４）に当接するようになっている。

この薬注装置６０ａにおいても、前記薬注装置６０と同様の作用効果を奏する。

本発明の好適実施形態に係るセグメント（薬注セグメント）の平面図である。 図１のII−II線断面図である。 トンネルの横断面図である。 本発明の好適実施形態に係る地盤改良方法に用いる上記薬注セグメントを、シールドフレームの内側に組み付けた様子を示す側断面図である。 図４からシールドフレームを前進させ、薬注セグメントの一部を作動させた様子を示す側断面図である。 図５から更にシールドフレームを前進させ、薬注セグメントの残部を作動させ、薬注管を挿通させた様子を示す側断面図である。 上記薬注管をトンネル周方向に回動させたときの薬注部を示す説明図である。 本発明の好適実施形態に係る地盤改良装置を示す側断面図である。 図８のIX−IX線断面図である（ジャッキ５１、ブラケット８０は省略）。 薬注装置の変形例を示す平面断面図である。 図１０の横断面図である（ジャッキ５１、ブラケット８０は省略）。 シールド掘進機と薬注部との配置関係を示す平面断面図である。 図１２のXIII−XIII線断面図である。

符号の説明

１ セグメント
１ａ 中央セグメント片
１ｂ 前側セグメント片
１ｃ 後側セグメント片
２ 管（薬注管）
３ 穴
４ 首振り部材
６ 凹部
８ スペース
１７ 充填材
６１ 旋回リング
６２ 基台
６３ 挿通手段
７０ 回転手段
７５ 揺動手段（揺動ジャッキ）
７７ 制御手段

Claims (4)

1. セグメントをトンネルの軸方向に３個のセグメント片に分割し、
   中央のセグメント片に、薬剤注入用の管が挿通される穴を有する首振り部材を少なくともトンネルの周方向に首振り可能に設け、
   前側及び／又は中央のセグメント片の外周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するための凹部を形成し、
   後側及び／又は中央のセグメント片の内周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するためのスペースを形成し、
   これら前側、中央及び後側のセグメント片を連結し、
   上記凹部に、充填材を着脱自在に設けた
   ことを特徴とするセグメント。
2. 請求項１記載のセグメントによりトンネル壁を構築し、
   該トンネル壁の内方から薬剤注入用の管を上記スペースを通し上記首振り部材の穴に挿通させ上記凹部を通してトンネル壁の外方の斜め前方へ伸ばし、
   この管によって上記凹部に設けられた充填材を押し外し、
   上記管から地盤改良剤を地山に注入した後、
   管をその先端が首振り部材の位置に来るまで後退させ、首振り部材の角度を変更し、
   管を再び上記凹部を通して斜め前方に伸ばし、
   その管から地盤改良剤を注入するようにした
   ことを特徴とする地盤改良方法。
3. 既設セグメントに少なくともトンネルの周方向に首振り可能に設けられた首振り部材と、
   該首振り部材に形成され薬剤注入用の管がトンネル内から外へ挿通される穴と、
   上記既設セグメントの外周面に、上記首振り部材の穴に挿通された管の首振りを許容するように形成された凹部と、
   該凹部に着脱可能に設けられた充填材と、
   トンネル内に配置され周方向に旋回可能な旋回リングと、
   該旋回リングに揺動可能に設けられた基台と、
   該基台に設けられ上記穴に上記管を挿通して上記充填材を上記凹部から押し外すための挿通手段と
   を備えたことを特徴とする地盤改良装置。
4. 上記旋回リングを回転させる回転手段と、
   上記基台を揺動させる揺動手段と、
   これら回転手段及び揺動手段を同時に制御することで上記挿通手段から上記穴に挿通される管の角度を調節する制御手段と
   を備えた請求項３記載の地盤改良装置。

Images