JP4504882B2

JP4504882B2 - 密閉型トンネルボーリングマシン工法

Info

Publication number: JP4504882B2
Application number: JP2005212366A
Authority: JP
Inventors: 克巳内田
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: JP2007031947A

Description

本発明は、岩盤を対象とした山岳トンネルの施工において、多量湧水や高圧地下水を伴う地山までも対応可能とする密閉型トンネルボーリングマシン工法に関する。

非特許文献１に記載されているように、以前は、トンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭという。）とシールド掘進機とは明確に区分されていた。つまり、ＴＢＭは岩盤を対象とした山岳トンネルに対応するものであり、シールド掘進機は土砂地山を対象とする都市土木のトンネルに対応するものであった。

その後、山岳トンネルにおいて軟弱な不良地山に対応するために、ＴＢＭにシールド掘進機の要素を取り入れたシールド型のＴＢＭが開発された（例えば、非特許文献１参照。）。このシールド型のＴＢＭは、それ以前のオープン型のＴＢＭにおいて、その本体構造を機長全長にわたって完全にシェル（胴体）で覆った構造としたものである。そして、図４に示すように、このＴＢＭ１０１の掘進は、オープン型のＴＢＭと同様に、切羽３０を開放しながら行われ、切羽３０が自立することを前提としている。また、掘削ずりの搬出は、切羽３０が開放された状態で、ベルトコンベヤ又はスクリューコンベヤによる輸送や、ジェットポンプを利用した流体輸送で行われる。

一方、都市土木のトンネルにおいて岩盤混じりの土砂地山に対応するため、ＴＢＭの要素を取り入れた岩盤対応シールド掘進機が開発された。この岩盤対応シールド掘進機は、例えば、それ以前の泥水式シールド掘進機に、ＴＢＭで用いるディスクカッタを適用するなどしたものである。そして、図５に示すように、このシールド掘進機１０２の掘進は、泥水式シールド掘進機と同様に、切羽圧Ａ_１０（地山の土圧及び水圧）に対抗しながら、土砂地山や地下水を動かさないで行うことを基本としている。泥水による切羽３０の押さえ（安定）は、切羽圧Ａ_１０に対して、隔壁１０６で仕切られたチャンバ１０７内の泥水圧Ａ_１１をＡ_１１＝Ａ_１０＋αとして加圧することで行われる（一般的に、αは１９．６ｋＰａ程度である。）。また、掘削土の搬出は、土砂を泥水中に取り込み溶け込んだ状態で配管を通して行われる。
「ＴＢＭハンドブック」，日本トンネル技術協会，２０００年２月

しかし、多量湧水や高圧地下水を伴う地山に遭遇した場合には、シールド型のＴＢＭ１０１では、切羽３０は開放されているため自立することができない。切羽３０を自立させるためには、水抜きボーリングや薬液注入などの補助工法を施す必要があった。また、切羽３０の開放面からの肌落ちや開放状態での大量の水抜きのため、地山が乱されＴＢＭ１０１を拘束することもあった。これを回避するためにも同様の補助工法が必要であった。このため、多量湧水や高圧地下水を伴う地山の施工区間が長くなったり多くなったりすると、上記のような原始的な山岳工法に頼ることが多くなり、多大の時間と費用を必要とし、トンネルの掘進工程、ＴＢＭの稼働率、施工の確実性などの施工性にかなりの問題を含んでいた。

一方、岩盤対応シールド掘進機１０２は、切羽圧Ａ_１０よりも大きな圧力Ａ_１１に加圧した泥水をチャンバ７内に満たすために、多量湧水や高圧地下水を伴う地山において切羽圧Ａ_１０がシールド掘進機の耐圧を上回る場合には、全く対応できないシステムであった。

このように、ＴＢＭとシールド掘進機とは、互いに影響し合いその対応可能な地山の範囲が広くなりつつあるが、未だに、岩盤を対象とした山岳トンネルにおいて、多量湧水や高圧地下水を伴う地山に対応し効率的に施工することができる工法は、確立されていなかった。

本発明の課題は、岩盤を対象とする山岳トンネルを掘削する際に、多量湧水や高圧地下水を伴う地山があっても、トンネルボーリングマシンを用いて効率的に施工することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の密閉型トンネルボーリングマシン工法は、例えば図１から３に示すように、トンネルボーリングマシンを用いて山岳トンネルを掘進するトンネルボーリングマシン工法であって、前記トンネルボーリングマシンは、地山を掘削するカッタヘッド２の後方に設けられて外殻となる胴体（前胴４、後胴５）と、この胴体の前部を仕切る隔壁６と、この隔壁６と切羽３０との間に形成され水が充満するとともに掘削ずりが取り込まれるチャンバ７と、前記隔壁６に接続されて前記チャンバ７内へ水を送水する送水手段（送水管１２、送水ポンプ１３など）及び前記チャンバ７内から水とともに掘削ずりを排出する排泥手段（排泥管１７、排泥ポンプ１８など）とを有しており、前記カッタヘッド２で地山を掘削し、前記チャンバ７内に前記送水手段で水を送水して充満させ、前記チャンバ７内から前記排泥手段で水とともに掘削ずりを排出しながら、前記トンネルボーリングマシン（密閉型トンネルボーリングマシン１）を掘進し、湧水を伴う地山に遭遇した際に、前記送水手段による送水量を減少させ前記チャンバ７内の水圧を切羽３０の水圧よりも低く維持し、湧水を切羽３０から前記チャンバ７内に流入させ排泥手段により排水することを特徴とする。

このように、トンネルボーリングマシンは、水が充満されたチャンバ７を形成し切羽３０を開放せずに密閉していることにより、湧水を伴う地山に遭遇した場合に、切羽３０からの肌落ちや切羽面での水の動きを抑制することができる。そして、送水手段によるチャンバ７内への送水量を減少させて、チャンバ７内の水圧を切羽３０の水圧よりも低い圧力に減圧して維持する。チャンバ７内の水圧を切羽３０の水圧よりも低くすることにより、チャンバ７内に切羽３０から湧水が流入する。これにより、切羽３０の水圧を低下させることができ、密閉型トンネルボーリングマシンの掘進を容易にすることができる。さらに、地山の水圧がトンネルボーリングマシンの耐圧を超えるものであっても、切羽３０の水圧をその耐圧以下になるまで低下させることができ、トンネルボーリングマシンによって掘進することができる。

したがって、多量湧水や高圧地下水を伴う地山を掘進する際に、従来のように水抜きボーリングや薬液注入などの補助工法を施すことなく、トンネルボーリングマシンを用いて効率的に施工することができる。つまり、施工区間に多量湧水や高圧地下水を伴う地山を含む山岳トンネルであっても、そのトンネルの掘進工程が安定し、トンネルボーリングマシンの稼働率が向上し、施工の確実性が確保されることにより、施工期間を短縮し、施工費用を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の密閉型トンネルボーリングマシン工法において、湧水を伴う地山に遭遇した際に、前記カッタヘッド２による掘削ずりの発生量を減少させることを特徴とする。

このように、カッタヘッド２による掘削ずりの発生量を減少させることにより、排泥手段により排出すべき掘削ずりの量が減少し、その分排泥手段による排水量を増加させることができる。そして、排泥手段による排水量を増加させることにより、チャンバ７内の水圧をさらに低下させることができる。

本発明によれば、山岳トンネルを掘削する際に多量湧水や高圧地下水を伴う地山に遭遇しても、トンネルボーリングマシンに水が充満されたチャンバを形成しているので、切羽は開放されずに密閉され、切羽からの肌落ちや切羽面での水の動きの抑制が可能である。そして、チャンバ内への送水量を減少させてチャンバ内の水圧を切羽の水圧よりも低く維持し、切羽からチャンバ内に湧水を流入させて排泥手段により排水するので、切羽の水圧を低下させることが可能である。地山の水圧がトンネルボーリングマシンの耐圧を超えても、その耐圧以下にまで低下させることが可能である。したがって、従来のように水抜きボーリングや薬液注入などの補助工法を施すことなく、トンネルボーリングマシンを用いた効率的な施工が可能である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る密閉型トンネルボーリングマシン１（以下、密閉型ＴＢＭ１という。）の構成について説明する。この密閉型ＴＢＭ１は、基本的には、周知のシールド型ＴＢＭの構成要素を備えている。さらに、切羽を開放させず密閉するために、周知の泥水式シールド掘進機における切羽保持のための構成要素が組み入れられている。

すなわち、図１に示すように、本実施形態に係る密閉型ＴＢＭ１は、カッタモータ３で駆動され地山を掘削するカッタヘッド２と、このカッタヘッド２の後方に設けられて外殻となる伸縮可能な複胴構造の胴体（前胴４、後胴５）と、後胴５の後部でセグメント３１をリング状に組み付けるエレクタ８と、後方で組み立てられたセグメント３１で掘削反力を確保して推進力を発生させるシールドジャッキ９と、を装備している。その他、中折れジャッキ１０、削孔機１１などを装備している。

なお、本実施形態では、密閉型ＴＢＭ１の機器構成を簡素化するために、周知のＴＢＭが備える構成要素を省略している。すなわち、既設トンネルの内壁面に押し付け前胴４を位置保持するフロントグリッパと、既設トンネルの内壁面に押し付け後胴５を位置保持するメイングリッパと、メイングリッパで掘削反力を確保して推進力を発生させるスラストジャッキと、を装備していない。しかし、密閉型ＴＢＭ１は、それらの構成要素を装備することが可能である。それらを装備した場合には、エレクタ８は後胴５の後部で支保、ライナーなども組み付ける機能を有する。また、スラストジャッキは主推進ジャッキとして、シールドジャッキ９は地盤が軟弱でメイングリッパにより掘削反力を確保することができない場合における補助ジャッキとしての機能を有する。

さらに、この密閉型ＴＢＭ１は、前胴４の前部を仕切る隔壁６と、この隔壁６と切羽３０との間に形成され泥水が充満するとともに掘削ずりが取り込まれるチャンバ７と、隔壁６に接続されてチャンバ７内へ泥水を送水する送水手段及びチャンバ７内から泥水と掘削ずりを排出する排泥手段と、を装備している。したがって、従来のＴＢＭのような切羽３０を開放した状態で排土する排土装置を装備していない。

図２に示すように、チャンバ７内の泥水と掘削ずりは、排泥手段により地上に設置した処理設備２８まで流体輸送され、処理設備２８により泥水と掘削ずりに分離される。分離された泥水は、地上に設置した調整槽２９に貯留され、送水手段により再び循環される。

送水手段は、調整槽２９から密閉型ＴＢＭ１のチャンバ７まで配設される送水管１２と、この送水管１２に介装される送水ポンプ１３、送水バルブ１４、１５などから構成されている。また、チャンバ７側の送水バルブ１５には、コントロールバルブ１６が並設されている。

排泥手段は、チャンバ７から処理設備２８まで配設される排泥管１７と、この排泥管１７に介装されるクラッシャ２１、排泥ポンプ１８、排泥バルブ２０などから構成されている。なお、トンネルの延長に応じて、排泥管１７には中継ポンプ１９が適宜増設される。また、隔壁６には、上記排泥管１７とは別系統の予備排泥管２２が接続されている。

送水管１２と排泥管１７との間には、これらを送水バルブ１５と排泥バルブ２０の近傍で連通させるバイパス管２３が設けられている。このバイパス管２３には、バイパスバルブ２４が介装され、送水管１２を介してチャンバ７内に供給される泥水の一部を、排泥管１７側にバイパスさせて、チャンバ７内の圧力を所定値に保つ際に用いられる。

また、送水管１２とクラッシャ２１との間には、循環管２５が設けられている。この循環管２５には、循環ポンプ２６が介装され、チャンバ７内に供給される泥水の一部を、クラッシャ２１に供給できるようになっている。

次に、上記構成のＴＢＭを用いた密閉型ＴＢＭ工法について説明する。この密閉型ＴＢＭ工法における掘進は、基本的にはカッタヘッド２で地山を掘削し、チャンバ７内に送水手段で泥水を送水して充満させ、チャンバ７内から排泥手段で泥水とともに掘削ずりを排出しながら行う。そして、地山が通常の岩盤である施工区間、軟弱な不良地山である施工区間、多量湧水や高圧地下水を伴う施工区間に分けて、チャンバ７内の泥水圧の管理方法を変更して行う。チャンバ７内の泥水圧の管理は、送水手段の送水量及び送水圧、カッタヘッド２の掘削土量、排泥手段の排水量を制御しながら行う。

まず、地山が通常の岩盤である施工区間では、切羽３０が自立するので、チャンバ７内へ送水は、掘削ずりを排泥するために必要な水量として制御すればよい。したがって、切羽３０を保持するためにチャンバ７内の泥水圧を制御する必要はない。

次に、地山が軟弱な不良地山である施工区間では、切羽３０が自立しないので、従来の泥水式シールド工法によって掘進する。すなわち、切羽圧に対してチャンバ７内の泥水圧を高い圧力に加圧して、切羽３０を安定させながら行う。チャンバ７内の泥水圧の制御は、送水ポンプ１３の回転数を変化させたり、コントロールバルブ１６の開口率を変化させたりして行う。

そして、地山が多量湧水や高圧地下水を伴う施工区間では、送水手段による送水量を減少させ、チャンバ７内の水圧を切羽３０の水圧よりも低い圧力に減圧して所定の圧力で維持する。つまり、図３に示すように、チャンバ７内の水圧Ａ_０は、切羽３０の水圧Ａ_１に対して、Ａ_０＝Ａ_１−βとして制御される。βは、切羽３０の水圧を低下させるための管理値である。チャンバ７内の水圧の制御範囲は、密閉型ＴＢＭ１の耐圧範囲内とする。

チャンバ７内の水圧が切羽３０の水圧よりも低いので、地山の湧水が切羽３０からチャンバ７内に流入する。流入した湧水を、送水手段により送水された泥水とカッタヘッド２により掘削された掘削ずりとともに、排泥手段により排出する。

ここで、送水ポンプ１３の送水量は、地山の湧水量が多くなるに従って減少させることになる。そして、送水ポンプ１３の送水量がゼロになる場合には、掘削ずりの排出は湧水のみで行うことになる。さらに地山の湧水量が多くなる場合は、排泥ポンプ１８の最大能力までチャンバ７内に湧水を流入させ掘削ずりとともに排出する。

地山の湧水量が排泥ポンプ１８の最大能力を超える場合には、密閉型ＴＢＭ１の掘進速度を落として、カッタヘッド２による掘削ずりの発生量を減少させる。排泥手段により排出すべき掘削ずりの量が減少し、その分排泥手段による排水量が増加する。

掘削ずりの排出量が少ない状態が長く続く場合や、あまりにも湧水が多く排水のみで排土できない場合には、予備排泥管２２に別途排泥ポンプを接続して湧水の一部をトンネル坑外へ排出し、掘削ずりの排土を確保する。

以上の実施形態によれば、密閉型ＴＢＭ工法では、切羽３０を密閉して掘進を行うので、地山が多量湧水や高圧地下水を伴う地山に遭遇した場合に、切羽３０からの肌落ちや切羽面での水の動きを抑制することができる。そして、排泥手段により湧水を排出することにより、切羽３０の水圧を低下させることができ、密閉型ＴＢＭ１の掘進を容易にすることができる。

さらに、カッタヘッド２による掘削ずりの発生量を減少させることにより、排泥手段により排出すべき掘削ずりの量が減少し、その分排泥手段による排水量を増加させることができ、チャンバ７内の水圧をさらに低下させることができる。また、地山の水圧が密閉型ＴＢＭ１の耐圧を超えるものであっても、切羽３０の水圧をその耐圧以下になるまで低下させることができ、密閉型ＴＢＭ１によって掘進することができる。

したがって、従来のように水抜きボーリングや薬液注入などの補助工法を施すことなく、ＴＢＭを用いて効率的に施工することができる。すなわち、施工区間に多量湧水や高圧地下水を伴う地山を含む山岳トンネルであっても、そのトンネルの掘進工程が安定し、ＴＢＭの稼働率が向上し、施工の確実性が確保されることにより、施工期間を短縮し、施工費用を低減することができる。

また、岩盤を対象とした山岳トンネルにおける施工では、可燃性ガス（有毒ガス）の噴出や高温地山などが問題となる。しかし、この問題も切羽３０が密閉されていることや水による冷却効果などによって解消することができる。

なお、以上の実施の形態においては、チャンバ７内の泥水圧を減圧するために、送水量を減少させた後に排泥量を増加させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、排泥量を増加させた後に送水量を減少させても良い。

また、高圧地下水の急激な圧変動に制御が対応できず、チャンバ７内の泥水圧が密閉型ＴＢＭ１の耐力を超える場合には、送水管１２、チャンバ７などに緊急圧抜バルブ２７を接続しておき、機械的な緊急圧抜きを行っても良い。

また、切羽３０の水圧が著しく高く、ポンプ性能が大きくなって不経済となる場合には、削孔機１１を用いて水抜きボーリングにより予め切羽３０の水圧を下げておいても良い。その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した一実施の形態に係る密閉型ＴＢＭの構成を示す概略断面図である。本発明を適用した一実施の形態に係る密閉型ＴＢＭにおける流体のフローを説明する図である。本発明に係る密閉型ＴＢＭにおける切羽の水圧とチャンバ内の水圧との関係を説明するための模式図である。従来のＴＢＭにおける切羽の水圧とチャンバ内の水圧との関係を説明するための模式図である。従来のシールド掘進機における切羽の水圧とチャンバ内の水圧との関係を説明するための模式図である。

符号の説明

１密閉型トンネルボーリングマシン
２カッタヘッド
３カッタモータ
４前胴（胴体）
５後胴（胴体）
６隔壁
７チャンバ
８エレクタ
９シールドジャッキ
１０中折れジャッキ
１１削孔機
１２送水管（送水手段）
１３送水ポンプ（送水手段）
１４、１５送水バルブ（送水手段）
１６コントロールバルブ（送水手段）
１７排泥管（排泥手段）
１８排泥ポンプ（排泥手段）
１９中継ポンプ（排泥手段）
２０排泥バルブ（排泥手段）
２１クラッシャ（排泥手段）
２２予備排泥管（排泥手段）
２３バイパス管
２４バイパスバルブ
２５循環管
２６循環ポンプ
２７緊急圧抜バルブ
２８処理設備
２９調整槽
３０切羽
３１セグメント
Ａ_０（山岳トンネルにおける）切羽の水圧
Ａ_１（密閉型ＴＢＭの）チャンバ内の泥水圧

Claims

トンネルボーリングマシンを用いて山岳トンネルを掘進するトンネルボーリングマシン工法であって、
前記トンネルボーリングマシンは、地山を掘削するカッタヘッドの後方に設けられて外殻となる胴体と、この胴体の前部を仕切る隔壁と、この隔壁と切羽との間に形成され水が充満するとともに掘削ずりが取り込まれるチャンバと、前記隔壁に接続されて前記チャンバ内へ水を送水する送水手段及び前記チャンバ内から水とともに掘削ずりを排出する排泥手段とを有しており、
前記カッタヘッドで地山を掘削し、前記チャンバ内に前記送水手段で水を送水して充満させ、前記チャンバ内から前記排泥手段で水とともに掘削ずりを排出しながら、前記トンネルボーリングマシンを掘進し、
湧水を伴う地山に遭遇した際に、前記送水手段による送水量を減少させ前記チャンバ内の水圧を切羽の水圧よりも低く維持し、湧水を切羽から前記チャンバ内に流入させ排泥手段により排水することを特徴とする密閉型トンネルボーリングマシン工法。
湧水を伴う地山に遭遇した際に、前記カッタヘッドによる掘削ずりの発生量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の密閉型トンネルボーリングマシン工法。