JP4498543B2 - トンネル掘進機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘進機のカッタヘッドに装着されたカッタ装置は、地山を掘削することにより先端が摩耗するため、長距離を掘進する工事では途中でカッタ装置の交換や補修が必要となる。
従来、カッタ装置の交換や補修の作業を行う場合、カッタ交換予定地点に立坑を構築する工法や、地上からの薬液注入による地盤改良工法が用いられている。
また最近では、カッタ自動交換装置や、カッタヘッド反転機構（球体シールド工法）や、固化材充填工法が開発されている。
【０００３】
カッタ自動交換装置については、例えば実開平６-６３６９７号公報に開示されているように、メインカッタが摩耗したときにカッタヘッドの面板に格納された予備カッタを油圧ジャッキで押し出す予備カッタ装置がある。
カッタヘッド反転機構については、例えば特開平６−１７３５９３号公報に開示されているように、シールドマシンの先端部に回転自在の球体作業室を設け、球体作業室の前面に球体作業室に格納可能なカッタヘッドを設けると共に、ビットを交換する際には、カッタヘッドを球体作業室内に格納してから球体作業室を反転して（すなわち、カッタヘッドをシールドマシンの後方に向けて）交換作業を行うことが可能なシールドマシンがある。
【０００４】
固化材充填工法については、例えば図５に示す特開平１０−１８４２７８号公報に開示されたものがある。すなわち、カッタ交換位置にてカッタヘッド５１を縮径した後、チャンバ５２内をミキシングしながら固化材を注入し、チャンバ５２内の土石を低強度のソイルモルタルに置き換える（図５（ａ））。ついで、カッタヘッド５１の前面に高強度モルタルを打設しながらから低強度モルタルとカッタヘッド５１とを一体にスキンプレート５３内に引き込み（図５（ｂ））、高強度モルタルの壁体５４を形成する。ついで、低強度モルタルを除去してカッタ交換用の作業空間を確保し（図５（ｃ））、カッタ交換作業を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のカッタ交換には、次のような問題点がある。
地上から立坑を構築する工法においては、過密した都市部で立坑用地の確保が困難であり、また立坑の構築にコストと時間がかかる。また、地上から薬剤注入する工法においては、掘削深度が大きいことや輻輳する既設埋設物が支障となって地上からの地盤改良が行えないなどの問題がある。
また、カッタ自動交換装置では作動回数が１回のみであり、長距離を掘進する場合には対応できない。
また、カッタヘッド反転機構では、球体作業室内にカッタヘッド回転用駆動装置やカッタヘッド格納用駆動装置等を配置するので、中・小口径マシンに適用しようとすると球体作業室に占めるこれらの駆動装置の占める割合が大きいため、カッタヘッドを格納するためのスペースが確保できないので、中・小口径マシンには適用できず、しかも、複雑な機構が必要となるために大幅なコストアップの原因となる。
更に、固化材充填工法では、チャンバ内にも固化材が充填されてしまうため、この固化材の除去作業に多大の時間を要する。また、引き込んだカッタヘッドを通常の位置に戻す際に、スキンプレートの内面に固着した固化材を削り落とす機構が必要となる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するため、簡単な構成でカッタ装置の交換作業が容易にできるトンネル掘進機を提供することを目的としている。また、カッタ装置の交換作業が繰り返しできるトンネル掘進機を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、スキンプレート前端部に回転自在に設けた縮径可能なカッタヘッドと、縮径された前記カッタヘッドをスキンプレート内への引き込み駆動を行う駆動手段とを備えたトンネル掘進機において、
前記カッタヘッド内に収納され、前記カッタヘッド前方に膨張可能な袋と、
前記袋に注入材を吐出する膨張手段とを備え、
トンネル掘進機を地山に固定した状態にした上で、
前記カッタヘッドをスキンプレート内に引き込みながら前記袋を注入材で膨張させて止水壁を形成するようにしたことを特徴とする。また、前記袋は、前記カッタヘッドに着脱自在なカートリッジに収納されたことを特徴とする。また、前記袋は、前記カッタヘッドの面板に複数分散して装着されていることを特徴とする。また、本発明の方法では、スキンプレート前端部に回転自在に設けた縮径可能なカッタヘッドを有するトンネル掘進機のカッタヘッド前方に止水壁を形成するためのトンネル掘進機における止水壁形成方法であって、
トンネル掘進機を地山に固定するとともに、前記カッタヘッドをスキンプレートよりも縮径する工程と、
前記カッタヘッドをスキンプレート内に引き込みながら前記袋を注入材で膨張させて止水壁を形成する工程と
を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によると、カッタヘッドを前胴のスキンプレート内部に引き込みながら、カッタヘッドに装着した袋（例えば、風船等）内に注入材（例えば、固化材等）を注入して風船を膨張させることにより、切羽とカッタヘッドの前面とスキンプレートとに囲まれた空間に止水壁を形成するので、チャンバ内にカッタ装置の交換作業のための空間を確保することができる。
このため、従来のようにカッタ装置の交換作業のための立坑や地盤改良は必要なく、また、袋によって固化材はカッタヘッド前方のみで固まるため、固化材充填方式のようなチャンバ内の固化材除去作業も必要ないので、作業性が大幅に向上する。
また、カッタヘッド内には、袋を収納したカートリッジと注入材用の配管を装着するだけで、アクチュエータ等を装着する必要はないので、大幅なコストアップを招来することはなく、また、小口径マシンにも適用できる。
更に、スキンプレート及びカッタヘッドは、袋を介して注入材と接触するので、カッタ交換作業後の注入材除去時に注入材が付着することなく除去でき、スムーズに通常の掘進姿勢に戻ることができる。
更に、前記袋はカートリッジに内蔵した状態でカッタヘッドに着脱できるので、カッタ装置の交換作業の回数に制限がなくなり、トンネル工事での長距離掘進作業が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明を適用したトンネル掘進機の断面図であり、図２はその正面図である。
【００１０】
トンネル掘進機１は、テレスコピック状にされた前胴２と後胴３とを備え、前胴２及び後胴３は複数のアーティキュレートジャッキ４により相互に摺動屈曲自在に接続されている。後胴３は、円筒形のスキンプレート３ａに覆われており、後方にセグメント５を連続設置するエレクタ２７と、連続設置されるセグメント５に反力をとってトンネル掘進機１を推進させる複数のシールドジャッキ６と、後胴３を地山に固定する複数本のグリッパ７とを有している。また、前胴２は円筒形のスキンプレート２ａに覆われており、前胴２の前部には、隔壁８を備えたカッタヘッドサポート９がスキンプレート２ａの内部に軸方向に移動可能に挿入されている。
カッタヘッドサポート９の前部には、カッタヘッド１０が回転自在に装着されており、カッタヘッドサポート９とカッタヘッド１０とで囲まれるチャンバ１１を形成している。カッタ装置を交換する際には、作業員は隔壁８に設けられたマンホール８ａからチャンバ１１内に入って交換作業をすることが可能である。また、カッタヘッドサポート９の隔壁８は、カッタヘッド１０の回転駆動用の複数の油圧モータ１２と、排土装置１３（送泥管１３ａ、排泥管１３ｂ）と、圧油や固化材等をカッタヘッド１０へ回転自在に送給するためのスイベルジョイント１４とを有している。また、隔壁８の中心部には、スイベルジョイント１４からカッタヘッド１０への配管を内装したパイプ１０ａを回転自在に支持する軸受８ｂが取着されている。カッタヘッドサポート９は、前胴２の内面により半径方向に支持されると共に、隔壁８と後胴３との間に接続された複数のカッタヘッド引き込みジャッキ１５により構成されるラチス構造により軸方向および回転方向（ねじれ方向）に支持されている。
【００１１】
図２にも示すように、カッタヘッド１０の面板１６にはカッタ装置として複数のディスクカッタ１７及び複数のカッタビット１８が装着されている。これらのカッタ装置のうち外周側に張出自在に装着されているディスクカッタ１７ａ及びカッタビット１８ａはそれぞれカッタ格納ジャッキ１９，２０を備えている。ディスクカッタ１７ａ及びカッタビット１８ａの張出しにより、トンネル掘進機１の外径、すなわち、スキンプレート２ａ，３ａの外径よりも大きく地山を掘削（オーバーカット）することが可能となっている。
また、カッタヘッド１０の面板１６には複数の風船カートリッジ２１が分散して装着されている。
【００１２】
図３は風船カートリッジ２１の装着状態を示す断面図である。
風船カートリッジ２１は、円盤状のベース２１ａとベース２１ａの中央に立設する筒体２１ｂと筒体２１ｂの先端開口部に冠入されるキャップ２１ｃとを有しており、筒体２１ｂの内部には風船２２を収納している。風船２２は、ゴム系の袋または繊維系の袋である。
風船カートリッジ２１は、面板１６のチャンバ１１側に取着された円筒状のブラケット１６ａ内に筒体２１ｂを挿入して、ベース２１ａとブラケット１６ａとをボルト（図示せず）により固定することによりカッタヘッド１０に装着されている。なお、同図にも示すように、風船カートリッジ２１の装着状態において、先端のキャップ２１ｃは面板１６の前面よりも若干引っ込んだ状態である。
風船２２の開口部２２ａは、ベース２１ａ内に設けられた通路２４ａと、通路２４ａに連通する、ブラケット１６ａ内に設けられた通路２４ｂとを介して、遮断バルブ２３を有する注入材配管２４の一端に接続されている。注入材配管２４の他端は前記スイベルジョイント１４に接続されている。
【００１３】
後胴２の後方には、前述した各種ジャッキや油圧モータ１２に圧油を供給する油圧ユニット（図示せず）等の他に、風船２２に注入材を供給する注入ポンプユニット２５が配設されている。注入ポンプユニット２５には注入材配管２６の一端が接続され、注入材配管２６の他端はスイベルジョイント１４に接続されている。これにより、注入ポンプユニット２５から吐出される注入材は、注入材配管２６、スイベルジョイント１４、注入材配管２４、ブラケット１６ａの通路２４ｂ及び風船カートリッジ２１のベース２１ａの通路２４ａを介して風船２２内に注入される。
【００１４】
以上の構成において、掘進する際には、油圧モータ１２を駆動してカッタヘッド１０を回転させると共に、シールドジャッキ６を伸長させて、カッタヘッド１０の前面の切羽を掘削しながらトンネル掘進機１を前進させる。曲線掘進する際には、アーティキュレートジャッキ４を駆動して前胴２と後胴３とを屈曲させた状態で掘進させる。
掘削によりチャンバ１１内に取り込まれた土石は、送泥管１３ａから吐出される泥水と共に排泥管１３ｂに吸い込まれ、トンネル掘進機１の後方に送られ処理される。
所定距離掘進する毎に、後胴３内に装着されたエレクタ２７によりセグメント５を組み立ててゆきトンネルを構築してゆく。
【００１５】
次に、カッタ装置の交換作業について、図４も参照して詳細に説明する。
トンネル掘進機１がカッタ装置の交換予定地点に到達したら、グリッパ７を伸長して後胴３を地山に固定する。そして、カッタ格納ジャッキ１９，２０を縮退してカッタヘッド１０の外周側に装着されているディスクカッタ１７ａ及びカッタビット１８ａをトンネル掘進機１の中心方向に引き込む（図４（ａ））。これにより、カッタヘッド１０の外径は縮径して、前胴２のスキンプレート２ａの内径よりも小さくなる。
次いで、カッタヘッド引き込みジャッキ１５を固定したまま（カッタヘッド１０を固定したまま）、アーティキュレートジャッキ４を駆動して前胴２のスキンプレート２ａを所定距離前方に押し出す（図４（ｂ））。
【００１６】
次いで、注入ポンプユニット２５を駆動して所定圧を加え注入材を風船２２に注入して風船２２を膨らませながら、カッタヘッド引き込みジャッキ１５を縮退してカッタヘッドサポート９と共にカッタヘッド１０をスキンプレート２ａ内部に所定距離後退させる（図４（ｃ））。注入完了後、注入ポンプユニット２５を停止する。注入材としては、例えばセメント系の固化材を用いる。これにより、切羽とカッタヘッド１０の前面とスキンプレート２ａとに囲まれた空間２８が形成されるとともに、空間２８は膨らんだ複数の風船２２により填塞された状態となる。
このため空間２８を填塞する膨張した複数の風船２２は、切羽からの水の侵入を防ぐ止水効果を有し、風船２２に注入した固化材が固まることにより、切羽の崩落を防止する効果を有する壁体となる。
所定時間経過して固化材が固まったら、チャンバ１１内の土石を泥水と共に排泥管１３ｂから排出し、作業員はマンホール８ａからチャンバ１１内に入りカッタ装置の交換作業を行う。
【００１７】
カッタ装置の交換作業終了後、カッタヘッド１０を駆動して風船２２による壁体を掘削しながらカッタヘッド引き込みジャッキ１５を伸長して、カッタヘッドサポート９と共にカッタヘッド１０を通常の掘進状態での位置まで前進させる（図４（ｄ））。
次いで、アーティキュレートジャッキ４を縮退してスキンプレート２ａを通常の掘進状態での位置まで後退させる。そして、カッタ格納ジャッキ１９，２０を伸長してディスクカッタ１７ａ及びカッタビット１８ａを通常の掘進状態の位置に張出す。これにより、トンネル掘進機１は図１に示す通常の掘進状態となり、掘進作業を開始することが可能となる。
【００１８】
風船カートリッジ２１は、カッタ装置の交換作業時にカッタ装置と同様にチャンバ１１内から交換することができる。このとき、遮断バルブ２３を閉じて、風船カートリッジ２１を取り外したときに、配管接続部から注入材が漏れないようにする。古い風船カートリッジ２１を取り外した後のブラケット１６ａの内部に硬化した注入材が残っている場合には、注入材を削って新しい風船カートリッジ２１を装着するスペースを確保すればよい。
【００１９】
本実施形態によれば、カッタヘッド１０をスキンプレート２ａ内に引き込んで、注入材を注入した風船２２（袋）によりカッタヘッド１０前方にのみ壁体を形成し地下水の漏出及び切羽の崩落を防止するので、この壁体によりチャンバ１１内にカッタ装置の交換作業のための空間を確保することができる。このため、従来のようにカッタ装置の交換作業のための立坑や地盤改良は必要なく、固化材充填方式のようなチャンバ内の固化材除去作業も必要ないので、作業性が大幅に向上する。
また、カッタヘッド１０内に装着する装置が、風船カートリッジ２１と、注入材の配管のみという簡単で小型の装置である。このため、大幅なコストアップを招来することはなく、また、小口径マシンにも適用できる。
また、風船２２により、注入材（固化材）がスキンプレート２ａ及びカッタヘッド１０に直接接触することはないので、これらに付着しない。このため、カッタ交換作業後にカッタヘッド１０を通常掘進位置に戻す際、固化材の除去が容易でスムーズに移動することができる。
複数の風船２２により止水壁を形成する構成なので、風船２２の個数と配置とを設定することにより、任意の径の掘進機に対応することが可能である。また、カッタヘッドの引き込み量を調整することにより、所定厚さの止水壁を形成することができる。
更に、風船カートリッジ２１が着脱可能であるため、風船カートリッジ２１を交換することによりカッタ装置の交換作業の回数に制限がなくなり、トンネル工事での長距離掘進作業が可能となる。
【００２０】
また、直接空間２８に固化材を注入していないので、スキンプレート２ａの内面に固化材が凝着することがなく、カッタヘッド引き込みジャッキ１５を伸長して、カッタヘッドサポート９と共にカッタヘッド１０を通常の掘進状態での位置までスムーズに前進させることができ、また、アーティキュレートジャッキ４を縮退してスキンプレート２ａを通常の掘進状態での位置までスムーズに後退させることができる。
【００２１】
上記実施形態においては、風船２２への注入材として固化材を注入する例にて説明したが、注入材として泥水を用いても構わない。この場合、カッタ装置の交換作業後にカッタヘッド１０を通常の掘進状態での位置まで前進させるとき、風船２２を割って泥水を排泥管１３ｂから排出だけでよく、掘削の必要がない。また、泥水式のシールド掘進機の場合には、送泥管１３ａを分岐して注入材配管２６と接続すれば、注入ポンプユニット２５は廃止してもよい。
【００２２】
実施形態においては、トンネル掘進機１として泥水式シールド掘進機を例に挙げて説明したが、土圧式シールド掘進機やＴＢＭ（Tunnel Boring Machine）等にも適用可能である。
カッタ装置は、ディスクカッタとカッタビットとを併用したカッタヘッドの例にて説明したが、ディスクカッタのみ、またはカッタビットのみを装着したカッタヘッドにも適用可能である。また、全てのカッタ装置を同時に交換するのではなく、例えば、摩耗の激しいディスクカッタのみを交換するようにしても構わない。
また、カッタヘッドサポート９及びカッタヘッド１０を前胴２の内部で前後にスライドさせるのにラチス構造のカッタヘッド引き込みジャッキ１５を用いたが、これに限定されず、軸方向の複数のジャッキと回転反力（カッタヘッドの回転掘削による反力）を受けることのできるキー溝構造とを有するスライド機構を用いても構わない。
【００２３】
風船カートリッジ２１の個数と面板１６での配置は、実施例に限定されず任意であるが（１個でもよい）、所定サイズの風船を収納したカートリッジをトンネル径に対応してカッタヘッドの面板に配置すれば、カートリッジの共通化が図れる。
切羽とカッタヘッド１０の前面と前胴２の内面とに囲まれた空間２８を形成するのに、前胴２を前方に押し出したが、これに限定されない。例えば、面板がほぼ平面であるようなカッタヘッドの場合、通常掘進時における前胴前部からのカッタヘッドの飛び出し量が小さいため、カッタ装置の交換作業のためカッタヘッドを前胴内部に後退させたとき、前胴を押し出さなくても前記空間の外周部はほぼ前胴内面で形成されるので、前胴の前方への押し出しは不要となる。
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、切羽とカッタヘッドの前面とスキンプレートとに囲まれた空間に、所定圧で注入した固化材により膨張した袋（例えば、風船等）により壁体を形成し地下水の漏出及び切羽の崩落を防止するので、この壁体によりチャンバ内にカッタ装置の交換作業のための空間を確保することができる。
このため、従来のようにカッタ装置の交換作業のための立坑や地盤改良は必要なく、固化材充填方式のようなチャンバ内の固化材除去作業も必要ないので、作業性が大幅に向上する。また、装置構造が複雑でないので、大幅なコストアップを招来することはなく、また、小口径マシンにも適用できる。
更に、前記袋を収納したカートリッジが交換可能であるため、カッタ装置の交換作業の回数に制限がなくなり、トンネル工事での長距離掘進作業が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の断面図である。
【図２】本発明の実施形態の正面図である。
【図３】本発明の実施形態の風船カートリッジの取付状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態のカッタ装置交換作業の手順の説明図である。
【図５】従来技術のカッタ装置交換作業の手順の説明図である。
【符号の説明】
１…トンネル掘進機、２…前胴、３…後胴、２ａ，３ａ…スキンプレート、４…アーティキュレートジャッキ、６…シールドジャッキ、７…グリッパ、８…隔壁、９…カッタヘッドサポート、１０…カッタヘッド、１１…チャンバ、１２…油圧モータ、１３…排土装置、１５…カッタヘッド引き込みジャッキ、１６…面板、１７…ディスクカッタ、１８…カッタビット、２１…風船カートリッジ、２２…風船、２５…注入ポンプユニット、２８…空間。

Claims (4)

1. スキンプレート前端部に回転自在に設けた縮径可能なカッタヘッドと、縮径された前記カッタヘッドをスキンプレート内への引き込み駆動を行う駆動手段とを備えたトンネル掘進機において、
   前記カッタヘッド内に収納され、前記カッタヘッド前方に膨張可能な袋と、
   前記袋に注入材を吐出する膨張手段とを備え、
   トンネル掘進機を地山に固定した状態にした上で、
   前記カッタヘッドをスキンプレート内に引き込みながら前記袋を注入材で膨張させて止水壁を形成するようにしたことを特徴とするトンネル掘進機。
2. 請求項１記載のトンネル掘進機において、
   前記袋は、前記カッタヘッドに着脱自在なカートリッジに収納されたことを特徴とするトンネル掘進機。
3. 請求項１または２記載のトンネル掘進機において、
   前記袋は、前記カッタヘッドの面板に複数分散して装着されていることを特徴とするトンネル掘進機。
4. スキンプレート前端部に回転自在に設けた縮径可能なカッタヘッドを有するトンネル掘進機のカッタヘッド前方に止水壁を形成するためのトンネル掘進機における止水壁形成方法であって、
   トンネル掘進機を地山に固定するとともに、前記カッタヘッドをスキンプレートよりも縮径する工程と、
   前記カッタヘッドをスキンプレート内に引き込みながら前記袋を注入材で膨張させて止水壁を形成する工程と
   を含むことを特徴とするトンネル掘進機における止水壁形成方法。

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