JP4425299B2

JP4425299B2 - 地盤改良方法およびシールド

Info

Publication number: JP4425299B2
Application number: JP2007201501A
Authority: JP
Inventors: 豊加島
Original assignee: 大豊建設株式会社
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009035941A

Description

本発明は、シールド工法や密閉型推進工法で地下トンネルを構築する際に適用するに好適な地盤改良方法およびシールド（シールド機、掘進機）に関するものである。

シールド工法や密閉型推進工法で地下トンネルを構築する際に、地中に障害物（撤去し忘れた矢板など）や既設構造物が近接している場合、周囲の地山を地盤改良し、障害物を撤去したり、既設構造物を防護したりする必要がある。ところが、近年の都市化に伴い、敷地が狭隘化し、交通量が増加したことから、地上で作業区域を占有して施工することが難しくなってきている。そのため、シールド機（シールド工法の場合）や掘進機（密閉型推進工法の場合）の内部から地盤を改良する地盤改良方法が強く要望されていた。

従来、このような地盤改良方法としては、地盤改良材（セメント系懸濁型注入材、水ガラス等溶液型注入材、ベントナイト、気泡の混合液など）を地盤に向けてジェット噴射することにより、地山の土粒子を攪乱して地盤改良材に置き換えたり、地山の土粒子に地盤改良材を混合して固化体を形成したりする方法が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２０４６６６号公報（段落〔００４１〕〜〔００４３〕の欄）

しかしながら、これでは、地盤改良材の噴射に伴い、地山の土粒子と地盤改良材とが混じり合った泥状の余剰物が発生するため、次のような課題があった。

第１に、この余剰物がカッターチャンバー内に流れ込むと、カッターチャンバー内の泥土の圧力が上昇し、切羽に過剰な圧力を与えてしまう。また、この余剰物がカッターチャンバー内の泥土と置き換わって内部で固化すると、カッターヘッドの回転が阻害されたり、シールド機や掘進機の掘進を再開できなくなったりする。さらに、この余剰物が多くなると、その圧力が高くなり、余剰物がスクリューコンベアから噴出して切羽の泥土がこれとともに流出してしまい、切羽が崩壊する危険性がある。これらの結果、切羽の安定を維持することができなくなる恐れがある。

第２に、この余剰物は、排出経路が不安定であり、排出経路の大きさ（直径、長さなど）が決まっていないことから、一定量の余剰物を排出することが不可能となる。したがって、切羽および周辺の地山の安定性が損なわれる危険性が高くなり、地盤改良を確実に行うことができない場合が生じる。

本発明は、このような事情に鑑み、切羽の安定を維持するとともに、地盤改良を確実に行うことが可能な地盤改良方法およびシールドを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、切羽の後方にカッターチャンバーを介してシールド隔壁が設けられたシールドを用いて地盤を改良する際に適用される地盤改良方法であって、前記切羽と前記シールド隔壁とに跨る形でガイド筒を配置し、このガイド筒に地盤改良装置を挿入し、この地盤改良装置を前記ガイド筒より前方に移動させて地山を削孔し、この地山に前記地盤改良装置の先端から地盤改良材を噴射して固化体を築造し、この地盤改良材の噴射に伴って発生する余剰物を前記ガイド筒を通じて前記シールド隔壁の後方へ排出する地盤改良方法としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記余剰物の排出圧力を一定に保持することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、切羽の後方にカッターチャンバーを介してシールド隔壁が設けられたシールドであって、前記シールド隔壁にガイド筒が前記切羽に達するように進退自在に設けられ、前記ガイド筒は、筒体と、この筒体の内部空間と外部空間とを連通・遮断するバルブと、前記筒体に設けられた排泥口とから構成され、地山に地盤改良材を噴射する地盤改良装置が前記ガイド筒の筒体に挿通自在に設けられ、前記地盤改良材の噴射に伴って発生する余剰物を前記ガイド筒を通じて前記シールド隔壁の後方へ排出する排泥管が、前記ガイド筒に前記排泥口を介して連通しうる形で設けられているシールドとしたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の構成に加え、前記余剰物の排出圧力を一定に保持する排出圧力保持手段が設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の構成に加え、前記ガイド筒は、前記シールド隔壁に設けられた複数個の注入部に対して選択的に着脱自在となっており、前記注入部は、前記シールド隔壁に取り付けられた取付台と、この取付台に回動自在に支持された球状回転部と、この球状回転部に連設された注入筒とを備え、前記注入筒を開閉しうるバルブが設けられていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、シールドの内部から地山を地盤改良する際に、余剰物がカッターチャンバー内に流れ込む事態を防止することにより、カッターチャンバー内の泥水の劣化を防止して切羽の安定を維持することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、一定量の余剰物を排出することが可能となるため、地盤改良を確実に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、シールドの内部から地山を地盤改良する際に、余剰物がカッターチャンバー内に流れ込む事態を防止することにより、カッターチャンバー内の泥水の劣化を防止して切羽の安定を維持することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、一定量の余剰物を排出することが可能となるため、地盤改良を確実に行うことができる。

請求項５に記載の発明によれば、バルブを閉めることにより、ガイド筒の非装着状態においてカッターチャンバー内の泥水が筒体を通ってシールド隔壁の後方に流入する事態を阻止することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１乃至図４には、本発明の実施の形態１を示す。

まず、構成を説明する。

シールド機（シールド）１は、図１に示すように、円筒状のフード２を有しており、フード２の先端部（図１左端部）には円盤状のカッターヘッド３が回転自在に取り付けられている。カッターヘッド３の中心にはカッター回転軸５が後方（図１右方）へ向けて突設されており、カッター回転軸５にはカッター駆動部６が接続されている。また、フード２内には、カッターヘッド３の後方に円盤状のシールド隔壁７が設けられている。ここで、カッターヘッド３とシールド隔壁７との間にはカッターチャンバー９が形成されており、カッターチャンバー９には、泥水が送泥管（図示せず）から供給されて加圧充満している。また、シールド隔壁７の後方には作業空間１１が形成されている。さらに、カッターヘッド３の前面には切羽１０が形成されており、カッターヘッド３の後面には、カッターチャンバー９内の泥水を攪拌するための複数個（図１では、４個）の攪拌翼１２が後方へ向けて突設されている。また、作業空間１１には、掘削土をフード２の後方へ搬出するためのスクリューコンベア１３が設置されている。

また、シールド隔壁７には、図１に示すように、複数個（図１では、３個）の注入部１５がカッターチャンバー９と作業空間１１とを連通する形で設けられており、各注入部１５は、図２に示すように、円環状の取付台１６、球体筒状の球状回転部１７、円筒状の注入筒１９およびバルブ２０から構成されている。ここで、取付台１６はシールド隔壁７に嵌着されており、球状回転部１７は取付台１６に回動自在に支持されている。また、注入筒１９は球状回転部１７の後方（つまり、作業空間１１側）に一体に連設されている。さらに、バルブ２０は注入筒１９の前端部近傍に取り付けられており、バルブ２０を開けると注入筒１９が開放され、バルブ２０を閉めると注入筒１９が閉塞される。なお、注入筒１９には、その後端にフランジ１９ａが形成されているとともに、このフランジ１９ａとバルブ２０との間に排泥管接続孔１９ｂが貫通して穿設されている。

そして、これらの注入部１５には、図１に示すように、排泥管２１が注入筒１９の排泥管接続孔１９ｂに接続される形で選択的に着脱自在となっている。排泥管２１の途中には、図２に示すように、排泥管２１の開閉動作を行うとともに排出圧力を一定に保持するバルブ・圧力制御部（排出圧力保持手段）２２が設けられている。

また、これらの注入部１５には、図１に示すように、ガイド筒３０が選択的に着脱自在となっており、ガイド筒３０は、図２および図４に示すように、円筒状の筒体３１、ドリルヘッド収容部３２、バルブ３３、排泥口３４、円柱状の栓３５およびリング状のシール部材３６から構成されている。ここで、筒体３１は注入部１５の注入筒１９内に摺動自在となっており、ドリルヘッド収容部３２は筒体３１の後端部に形成されている。また、ドリルヘッド収容部３２の前方にはバルブ３３が開閉自在に取り付けられており、バルブ３３が開いた状態では、筒体３１の内部空間が筒体３１の後端開口部を介して筒体３１の外部空間と連通するとともに、バルブ３３が閉じた状態では、筒体３１の内部空間と外部空間とが遮断された状態となる。また、排泥口３４はバルブ３３の前方で筒体３１に貫通して穿設されている。さらに、栓３５は、図２に示すように、筒体３１の後端部に排泥口３４を塞ぐ形で着脱自在となっており、栓３５の後端にフランジ３５ａが形成されている。また、シール部材３６は、図３に示すように、筒体３１の後端部に着脱自在となっている。なお、注入筒１９の内周面には、Ｏリングなどのシール材２３が注入筒１９と筒体３１との隙間を塞ぐように周設されている。

さらに、ガイド筒３０の筒体３１には、図４および図５に示すように、地盤改良装置４０が着脱自在となっており、地盤改良装置４０は、短円筒状の先頭ドリルロッド４１、複数本の円筒状のドリルロッド４２、短円筒状のドリルヘッド４３、複数個のビット４４、注水口４５、ジェットノズル４６、駆動部４７、モータ４８および注入ホース４９から構成されている。ここで、先頭ドリルロッド４１および複数本のドリルロッド４２は、一直線状に接合されてガイド筒３０の筒体３１内にシール部材３６を介して摺動自在となっており、ドリルヘッド４３は、図３に示すように、先頭ドリルロッド４１の前側に取り付けられている。また、各ビット４４はドリルヘッド４３の前面周縁部に装着されており、注水口４５はドリルヘッド４３の前面中央部に形成されている。さらに、ジェットノズル４６はドリルヘッド４３の周面部に横向きに内蔵されている。また、駆動部４７は、図５に示すように、最後端のドリルロッド４２の後ろ側に取り付けられており、モータ４８は駆動部４７を介してドリルロッド４２、先頭ドリルロッド４１およびドリルヘッド４３を同期的に回転駆動しうるように取り付けられている。さらに、注入ホース４９は、シールド機１の後続台車に配置されたプラント設備（図示せず）から供給される水、エア、地盤改良材（例えば、セメント液、セメント液と水ガラスとの混合液など）をドリルロッド４２、先頭ドリルロッド４１およびドリルヘッド４３の内部を通じて注水口４５、ジェットノズル４６に供給しうるように接続されている。なお、先頭ドリルロッド４１とドリルロッド４２とは同じ外径を有しており、ドリルヘッド４３の外径は先頭ドリルロッド４１およびドリルロッド４２の外径より大きくなっている。

以上のような構成を有するシールド機１の作用につき、以下に説明する。

このシールド機１を用いてシールド工法で地下トンネルを構築する際に、地下トンネルに近接して障害物や既設構造物が存在する場合は、その手前でシールド機１の前進およびカッターヘッド３の回転を一旦停止させ、以下に述べるとおり、噴射攪拌による地盤改良を行う。

まず、ガイド筒装着工程で、図１に示すように、地山２５の地盤改良区域２７をいくつかの部分に分割し、いずれかの部分に応じて複数個の注入部１５から１個の注入部１５を選択し、この注入部１５にガイド筒３０を所定の方向に向けて装着する。それには、図２に示すように、この注入部１５の注入筒１９の後端部にガイド筒３０の筒体３１を差し込み、ガイド筒３０の後端を注入筒１９とともに上下左右に適宜移動させる。すると、注入部１５にガイド筒３０が所定の方向に向けて装着された状態となる。

次に、排泥管装着工程に移行し、図２に示すように、注入筒１９の排泥管接続孔１９ｂに排泥管２１を接続する。

その後、ガイド筒前進工程に移行し、図４に示すように、バルブ２０を開けた後、ガイド筒３０を前進させて筒体３１の先端部を切羽１０に貫入させる。このとき、ガイド筒３０の排泥口３４が注入筒１９の排泥管接続孔１９ｂに一致し、ガイド筒３０と排泥管２１とが連通する。なお、筒体３１の切羽１０への貫入量は、地山２５の土質などの状況に応じて適宜調整する。

次に、ドリルヘッド組付工程に移行し、図４に示すように、ガイド筒３０のドリルヘッド収容部３２にドリルヘッド４３を組み付ける。それには、まず、栓３５のフランジ３５ａの固着を解き、栓３５を筒体３１から引き抜く。その後、図３に示すように、ドリルヘッド４３の後ろ側に先頭ドリルロッド４１を取り付け、この先頭ドリルロッド４１にシール部材３６を周設してドリルヘッド４３の後面に当接させた後、図４に示すように、これを筒体３１に取り付け、シール部材３６をボルトなどで筒体３１に固定する。すると、ガイド筒３０のドリルヘッド収容部３２にドリルヘッド４３が組み付けられた状態となる。

その後、ドリルヘッド前進工程に移行し、ドリルヘッド４３を切羽１０の近傍まで押し込む。それには、バルブ３３を開けてから、先頭ドリルロッド４１の後方に必要本数のドリルロッド４２を順次継ぎ足しながらジャッキ等の推進装置（図示せず）で押し込んでいく。すると、ドリルヘッド４３が切羽１０の近傍まで押し込まれた状態となる。このとき、ドリルロッド４２はガイド（図示せず）によって支持されているため、ドリルロッド４２の押し込み動作は円滑に行われる。また、こうしてドリルヘッド４３が切羽１０の近傍まで押し込まれると、図５に示すように、ガイド筒３０の筒体３１とドリルロッド４２との間に円筒状の間隙２８が生じる。

次に、地山削孔工程に移行し、図５に示すように、地盤改良装置４０で地山２５を前方に向けて削孔していく。それには、注入ホース４９から水を注入するとともに、モータ４８を駆動してドリルヘッド４３を回転させながら、ドリルヘッド４３を徐々に前進させる。すると、注水口４５から地山２５に向けて水が吐出しつつ、ビット４４で地山２５が前方に向けて削孔されていく。このとき、ドリルヘッド４３の外径は先頭ドリルロッド４１およびドリルロッド４２の外径より大きいので、ドリルヘッド４３が通過した跡には、図５に示すように、先頭ドリルロッド４１およびドリルロッド４２と地山２５との間に円筒状の間隙２９が間隙２８に連通する形で生じる。

こうして地山２５の削孔動作が進行し、ドリルヘッド４３が地山２５の所定区域に到達したところで、固化体築造工程に移行し、ドリルヘッド４３を回転させたまま後方（図５右方）へ引き戻しつつ、注入ホース４９から地山２５に地盤改良材を高圧で注入する。すると、図５に示すように、ジェットノズル４６から地山２５に向けて地盤改良材がジェット噴射され、地山２５が攪拌される。その結果、地山２５の地盤改良区域２７の一部分に固化体２６が築造される。

このとき、地盤改良材のジェット噴射に伴い、地山２５の土粒子と地盤改良材とが混じり合った泥状の余剰物が発生するが、この余剰物は、図５に示すように、間隙２９、２８を通じて後方へ供給され、排泥口３４および排泥管接続孔１９ｂを通って排泥管２１に流入した後、シールド機１の後方へ排出されるため、カッターチャンバー９内に流れ込む事態を防止することができる。したがって、カッターチャンバー９に加圧充満している泥水が劣化することはなく、切羽の安定を維持することができる。このように、固化体築造工程において余剰物を排出するときには、２つの間隙２９、２８が余剰物排出通路となるが、一方の間隙２９は、固化体築造工程に先立つ地山削孔工程で既に形成されており、他方の間隙２８は、固化体築造工程に先立つドリルヘッド前進工程で既に形成されている。したがって、余剰物の排出作業を円滑に行うことができると同時に、工程数を削減することができる。なお、注入筒１９と筒体３１との間にはシール材２３が設けられているため、排泥口３４から排出された余剰物が注入筒１９と筒体３１との間を通って作業空間１１に漏れ出す恐れはない。また、筒体３１の後端部はシール部材３６を介してドリルロッド４２に当接しているため、余剰物が筒体３１とドリルロッド４２との隙間から作業空間１１に漏れ出す恐れもない。

また、余剰物が排泥管２１を通じて排出されるときには、バルブ・圧力制御部２２により、排出圧力が一定に保持されるため、一定量の余剰物を排出することが可能となる。したがって、切羽および周辺の地山の安定性を維持して地山の崩壊を未然に防止し、地盤改良を確実に行うことが可能となる。

こうして地山２５の地盤改良区域２７の一部分に固化体２６が築造されたところで、地盤改良装置撤去工程に移行し、地盤改良装置４０をガイド筒３０から引き抜いて撤去する。それには、モータ４８の駆動によるドリルヘッド４３の回転および地盤改良材の注入を停止した後、ガイド筒３０を固定したままドリルロッド４２を後方へ引き戻す。そして、図４に示すように、ドリルヘッド４３がドリルヘッド収容部３２に達したところで、バルブ３３を閉めた後、ドリルロッド４２を先頭ドリルロッド４１から分離してから、シール部材３６を取り外し、ドリルヘッド４３および先頭ドリルロッド４１を筒体３１から引き抜く。その後、栓３５を少し挿入し、バルブ３３を開けてから、栓３５を奥まで完全に挿入し、フランジ３５ａで筒体３１に固着する。これで、地盤改良装置４０がガイド筒３０から撤去された状態となる。なお、ドリルロッド４２を後方へ引き戻すときには、ドリルヘッド４３が地山２５の削孔部２５ａを通過するので、ドリルロッド４２を低負荷で迅速に引くことができる。

こうして地盤改良装置４０がガイド筒３０から撤去されたところで、ガイド筒撤去工程に移行し、ガイド筒３０を注入部１５から引き抜いて撤去する。それには、ガイド筒３０を後方へ引き戻す。そして、ガイド筒３０の筒体３１がバルブ２０の後方に達したところで、バルブ２０を閉めた後、ガイド筒３０を注入部１５から引き抜く。これで、ガイド筒３０が注入部１５から撤去された状態となる。なお、このとき、バルブ２０が閉まっているので、ガイド筒３０を注入部１５から引き抜いても、カッターチャンバー９内の泥水が筒体３１を通って作業空間１１に流入する心配はない。

続いて、別の注入部１５にガイド筒３０を装着し、上述した手順と同様に、地山２５の地盤改良区域２７の別の部分に固化体２６を築造する。

以下、同様の手順を繰り返して地山２５の地盤改良区域２７の全域に固化体２６を築造する。

ここで、噴射攪拌による地盤改良作業が終了する。

このように、地盤改良装置４０を取り付けるための注入部１５が複数個設けられており、しかも、各注入部１５において注入筒１９が取付台１６に対して回動自在となっており、ひいては地盤改良装置４０がシールド隔壁７に対して回動自在となっているため、広い範囲を効率よく地盤改良することができる。

また、ガイド筒３０は着脱自在となっているため、注入部１５が複数個あってもガイド筒３０を１個だけ用意すれば足り、ガイド筒３０の材料コスト、ひいてはシールド機１の製造コストを低廉に抑えることができる。
［発明のその他の実施の形態］

なお、上述した実施の形態１では、シールド工法に本発明を適用する場合について説明したが、泥水式や土圧式など各種の密閉型推進工法に本発明を同様に適用することもできる。密閉型推進工法の場合、掘進機（先導管）がシールドに該当する。

また、上述した実施の形態１では、注水口４５およびジェットノズル４６が設けられたドリルヘッド４３について説明したが、このドリルヘッド４３にさらに逆止弁を設けてもよい。そうすれば、注水口４５やジェットノズル４６から放出された水、エア、地盤改良材が逆流する事態が発生しないので、水、エア、地盤改良材の放出作業を円滑に行うことができる。

さらに、上述した実施の形態１では、撤去工程において地盤改良装置４０を撤去するときに、ドリルロッド４２を後方へ引き戻してドリルヘッド４３が地山２５の削孔部２５ａを通過するようにしたが、このとき、地盤改良材を含まない泥状物（作泥材）で地山２５の削孔部２５ａを充填することもできる。この場合、地盤改良に伴って地山２５に空洞が発生することはないので、地面の陥没などの不具合を惹起する危険性がなくなる。

さらにまた、上述した実施の形態１では、地下トンネルを構築する場合について説明したが、山岳トンネルを構築する場合に本発明を同様に適用することも可能である。

本発明の実施の形態１に係るシールド機を示す縦断面図である。同実施の形態１に係る地盤改良方法のガイド筒装着工程を示す縦断面図である。同実施の形態１に係る地盤改良方法のドリルヘッド組付工程を示す縦断面図である。同実施の形態１に係る地盤改良方法のガイド筒前進工程を示す縦断面図である。同実施の形態１に係る地盤改良方法の固化体築造工程を示す縦断面図である。

符号の説明

１……シールド機（シールド）
２……フード
３……カッターヘッド
５……カッター回転軸
７……シールド隔壁
９……カッターチャンバー
１０……切羽
１１……作業空間
１３……スクリューコンベア
１５……注入部
１６……取付台
１７……球状回転部
１９……注入筒
１９ａ……フランジ
１９ｂ……排泥管接続孔
２０……バルブ
２１……排泥管
２２……バルブ・圧力制御部（排出圧力保持手段）
２３……シール材
２５……地山
２５ａ……削孔部
２６……固化体
２７……地盤改良区域
２８……間隙（余剰物排出通路）
２９……間隙（余剰物排出通路）
３０……ガイド筒
３１……筒体
３２……ドリルヘッド収容部
３３……バルブ
３４……排泥口
３５……栓
３５ａ……フランジ
３６……シール部材
４０……地盤改良装置
４１……先頭ドリルロッド
４２……ドリルロッド
４３……ドリルヘッド
４４……ビット
４５……注水口
４６……ジェットノズル
４７……駆動部
４８……モータ
４９……注入ホース

Claims

切羽の後方にカッターチャンバーを介してシールド隔壁が設けられたシールドを用いて地盤を改良する際に適用される地盤改良方法であって、
前記切羽と前記シールド隔壁とに跨る形でガイド筒を配置し、このガイド筒に地盤改良装置を挿入し、この地盤改良装置を前記ガイド筒より前方に移動させて地山を削孔し、この地山に前記地盤改良装置の先端から地盤改良材を噴射して固化体を築造し、この地盤改良材の噴射に伴って発生する余剰物を前記ガイド筒を通じて前記シールド隔壁の後方へ排出することを特徴とする地盤改良方法。
前記余剰物の排出圧力を一定に保持することを特徴とする請求項１に記載の地盤改良方法。
切羽の後方にカッターチャンバーを介してシールド隔壁が設けられたシールドであって、
前記シールド隔壁にガイド筒が前記切羽に達するように進退自在に設けられ、
前記ガイド筒は、筒体と、この筒体の内部空間と外部空間とを連通・遮断するバルブと、前記筒体に設けられた排泥口とから構成され、
地山に地盤改良材を噴射する地盤改良装置が前記ガイド筒の筒体に挿通自在に設けられ、
前記地盤改良材の噴射に伴って発生する余剰物を前記ガイド筒を通じて前記シールド隔壁の後方へ排出する排泥管が、前記ガイド筒に前記排泥口を介して連通しうる形で設けられていることを特徴とするシールド。
前記余剰物の排出圧力を一定に保持する排出圧力保持手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のシールド。
前記ガイド筒は、前記シールド隔壁に設けられた複数個の注入部に対して選択的に着脱自在となっており、
前記注入部は、前記シールド隔壁に取り付けられた取付台と、この取付台に回動自在に支持された球状回転部と、この球状回転部に連設された注入筒とを備え、
前記注入筒を開閉しうるバルブが設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のシールド。