JP4902328B2 - シールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法によるシールドトンネルの施工に用いられるシールド掘進機に関し、特に、発進時のチャンバ内の圧力を安定させるための方法に関する。

シールド工法によるトンネルの施工には、シールド掘進機が用いられる。図６は、従来のシールド掘進機を示す施工状態の鉛直断面図である。すなわち、図６に示されるように、シールド掘進機１００は、略円筒形のシールドフレーム１０１の先端で、前面に多数のカッタビットを有するカッタフェイス１０２を、油圧モータ等からなるカッタ駆動装置１０３によって回転させ、これによって地山Ｇを掘削し、発生する掘削土砂（ズリとも呼ばれる）を、カッタフェイス１０２に形成されたスリットからその背面に形成されたチャンバ１０４内に取り込むと共に、このチャンバ１０４に給水管１０５を介して泥水などを加圧供給し、これによってカッタフェイス１０２の背圧（切羽土圧）を、地山Ｇの地下水圧とバランスする加圧状態に保持し、前面の泥土の噴発を防止しながら、掘削土砂の取り込みに伴い、排土管１０５を介して連続的に排出している。

また、シールド掘進機１００の後部内周では、掘削された坑内壁に、不図示のエレクタによって円弧状の複数の一次覆工用セグメント２０１を環状に組み立てて、地山Ｇの土圧に耐えるための覆工体２００を施工すると共に、既に組み立てられた覆工体２００の先端に推進用油圧ジャッキ１０６を当てて後方へ押圧し、その反力で、シールド掘進機を、カッタフェイスによる掘削を伴いながら推進させるようになっている（例えば特許文献１参照）。
特開平９−４９３９２号公報

上述のように、土圧式のシールド掘進機１００は、切羽面の崩壊を防止するために、カッタフェイス１０２の背面のチャンバ１０４内を常時泥土で充満させ、地山Ｇの地下水圧と拮抗し得る加圧状態に保ちながら、掘削土砂の取り込みに伴って生じるチャンバ１０４内の泥土の余剰分が、排土管１０５を通じて連続的に排出される。

しかしながら、チャンバ１０４内の土圧（切羽土圧）は、特に、シールド掘進機１００の発進（初期掘進）時には、チャンバ１０４内に充満させた泥土が、シャッタゲート１０５ａ及び排土バルブ１０５ｂの開放と同時に排土管１０５へ流動するため、適正な切羽土圧を維持できなくなることがある。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、シールド掘進機の発進時のチャンバ内の圧力を適切に保持して切羽面を安定させることを可能とすることにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法は、筒状のシールドフレームと、その先端で地山を掘削するカッタフェイスと、前記シールドフレームの先端部とカッタフェイスの背面との間に画成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、このチャンバ内から前記掘削土砂を排出する排土管と、この排土管のチャンバ側の端部に設けられたシャッタゲートと、前記排土管内に設けられた膨張膜と、この膨張膜を、前記排土管内の土砂通路を狭めるように膨らませる流体圧力を印加する圧力源を備えるシールド掘進機において、発進時に、予め前記シャッタゲートを閉塞すると共に前記チャンバ内を加圧した後、前記カッタフェイスの回転駆動により掘進を開始すると共に前記シャッタゲートを開くことによって前記チャンバ内の圧力が低下したときに、前記膨張膜を前記圧力源により膨らませて前記土砂通路を狭めることを特徴とするものである。

すなわち、この構成によれば、シールド掘進機の発進（初期掘進）時に、排土管のシャッタゲートを開放することによってチャンバ内の圧力が所要の圧力より低くなった場合には、膨張膜に印加する圧力源からの流体圧力を増圧し、すなわち膨張膜の背面に作動流体を加圧供給することによって、膨張膜が排土管内の土砂通路を狭めるように、直ちに膨張するため、掘削による掘削土砂の取り込みに伴う排土管内の土砂の移動が抑制されて、チャンバの内圧が上昇するので、シャッタゲートや排土バルブの開度制御ではなし得なかったリアルタイムでの制御を行うことができる。

請求項１の発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法によれば、シールド掘進機の発進（初期掘進）時に、排土管のシャッタゲート等を開放することによるチャンバ内の圧力の急激な低下を防止することができる。このため発進時のチャンバ内の圧力低下による切羽面からの土砂の噴発を有効に防止して、施工効率を向上することができる。

以下、本発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法を、本線トンネルから分岐する分岐トンネルを掘削するために用いられる分岐シールド掘進機に適用した、好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法の好ましい形態において、分岐シールド掘進機を、分岐発進前の状態で示す鉛直断面図、図２は、分岐発進時の状態で示す鉛直断面図、図３は、チャンバ内圧維持装置の構成及び動作を概略的に示す説明図、図４は、チャンバ内圧維持装置の更に具体的な例を示す説明図、図５は、本発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法の好ましい形態において、分岐シールド掘進機を、分岐発進後の状態で示す鉛直断面図である。

すなわち図１及び図２に示されるように、分岐シールド掘進機１は、筒状のシールドフレーム１１と、その先端で地山を掘削するカッタフェイス１２と、このカッタフェイス１２を回転駆動させるカッタ駆動装置１３と、カッタフェイス１２の背面に形成され掘削土砂（ズリ）が取り込まれるチャンバ１４と、このチャンバ１４内から前記掘削土砂を排出する排土管１５と、チャンバ１４内へ水を供給する給水管１６と、チャンバ１４内の圧力を維持するためのチャンバ内圧維持装置１７を備える。

シールドフレーム１１は、図２に示されるように、前方（カッタフェイス１２側）の前部鋼殻１１１と、その後方に円周方向複数の中折れ用油圧ジャッキ１１３を介して互いに角変位可能に連結される後部鋼殻１１２とからなる。すなわちこの分岐シールド掘進機１は、カーブしたトンネルの掘削に対応するために、シールドフレーム１１が中折れ式になっており、後部鋼殻１１２の前端部は、外周面が球面状に形成されて、前部鋼殻１１１の後端部の内周に遊挿されており、両者の間は、外周の地山Ｇから土砂や地下水が機内へ侵入することのないように、密封装置１１４で密封される。

カッタフェイス１２は円盤状であって、前面に多数のカッタビット１２１を備え、また地山Ｇの掘削によって生じた掘削土砂を取り込むための不図示のスリットが形成されており、シールドフレーム１１における前部鋼殻１１１の前端に配置されている。前部鋼殻１１１の前端近傍には、カッタフェイス１２の背面との間にチャンバ１４を画成する隔壁１１５が設けられており、油圧モータ等からなるカッタ駆動装置１３は、隔壁１１５の内周を貫通した状態で取り付けられている。

排土管１５は、チャンバ１４内の掘削土砂を排出するもので、隔壁１１５の下部でチャンバ１４に開口されて、そこから後方かつ斜め上方へ延びている。また、チャンバ１４内へ水を供給するための給水管１６は、隔壁１１５の上部でチャンバ１４に開口されている。この排土管１５は、当該掘進機１の運転時には、泥水等が常時充満した状態にある。

排土管１５におけるチャンバ１４側の端部には、シャッタゲート１５１が設けられ、吐出側の端部には、バルブ駆動装置１５３で開閉駆動されるボールバルブ１５２が設けられている。

チャンバ内圧維持装置１７は、図３に示されるように、シャッタゲート１５１とボールバルブ１５２の間に位置して排土管１５内に設けられたゴム状弾性材料からなる袋状の膨張膜１７１と、この膨張膜１７１の背面（内部空間）にアキュムレートタンク１７２を介して流体圧力（例えば油圧）を印加する圧力源１７３と、シールドフレーム１１における前部鋼殻１１１の隔壁１１５に取り付けられてチャンバ１４内の泥土の圧力を検出する圧力センサ１７４とを備える。

また、チャンバ内圧維持装置１７における圧力源１７３としては、例えば図４に示されるように、ポンプ１７５や圧力方向切換弁１７６を有し、圧力方向切換弁１７６は、ソレノイド１７６ａによって切換位置１７６ｂ〜１７６ｄのうちいずれかへ変位し、ポンプ１７５からの圧力方向を切り換えるものを適用することができる。そしてこの圧力源１７３は、圧力センサ１７４による検出値が、予め設定された基準圧力よりも低圧となった場合に、圧力方向切換弁１７６が切換位置１７６ｂに切り換わることによって、ポンプ１７５からの作動流体がアキュムレートタンク１７２を介して膨張膜１７１内に送られてこの膨張膜１７１を膨張させ、圧力センサ１７４による検出値が、前記基準圧力を超えて上昇した場合に、圧力方向切換弁１７６が切換位置１７６ｄに切り換わることによって、前記膨張膜１７１内の作動流体を排出して膨張膜１７１を収縮させるように、ポンプ１７５及びソレノイド１７６ａが制御装置１７７を介して制御されている。

シールドフレーム１１における後部鋼殻１１２内には、掘削されたトンネル坑内壁面に、セグメントリング２１を順次組み立てて円筒状の覆工体２を施工していくための不図示のエレクタと、円周方向に多数配置されて、覆工体２の先端を後方へ押し出すように動作することによって掘進方向への推力を得る推進用油圧ジャッキ１８とを有する。また、後部鋼殻１１２の後端部内周には、前記覆工体２の外周面に摺動可能に密接されることによって、地山Ｇからの土砂や地下水がトンネル内及びシールドフレーム１１内へ流入するのを防止するための、複数段のシールリップからなるテールシール１１６が設けられている。

一方、図１及び図２における参照符号３は、図示の断面と直交する方向へ掘進する本線シールド掘進機で施工された本線トンネルであり、この施工に用いられた不図示の本線シールド掘進機は、基本的には上述した分岐シールド掘進機１と同様、中折れ用油圧ジャッキを介して互いに角変位可能に連結されたいくつかの鋼殻からなるシールドフレームと、その先端で地山を掘削するカッタフェイス及びこのカッタフェイスを回転駆動させるカッタ駆動装置と、カッタフェイスの背面に形成されたチャンバと、このチャンバ内から掘削土砂を排出するスクリュコンベアと、チャンバ内へ水を供給する給水管と、シールドフレームの後部内周で、本線トンネルの坑内壁に一次覆工のためのセグメントリングを組み立てるエレクタと、組み立てられた本線トンネル覆工体の先端を後方へ押圧してその反力で掘進方向への推進力を得る推進用油圧ジャッキを備えている。

分岐シールド掘進機１は、その発進前においては、図１に示されるように、シールドフレーム１１に後部鋼殻１１２が接続されておらず、本線トンネル３の中に収容されており、その側壁部に設けられた分岐発進口３２を開口させて、本線トンネルと略直角方向へ発進するものである。また、本線トンネル３の覆工体３１における分岐発進口３２と反対側の内面には、分岐シールド掘進機１の発進の際の反力を受ける反力受け３３が取り付けられるようになっており、分岐発進口３２の内側には、分岐シールド掘進機１の発進方向を案内する案内筒３４が設けられ、その内周には、分岐シールド掘進機１のシールドフレーム１１又はその後ろに組み立てられる覆工体２の外周と密接され、地山Ｇからの土砂や地下水が流入するのを防止する密封装置３５が設けられている。

すなわち、上述の構成において、本線シールド掘進機は、まず不図示の発進用竪坑から発進して、本線トンネルを施工する。本線シールド掘進機による掘進においては、良く知られているように、シールドフレームの掘進方向前端で、カッタフェイスを回転させて図示の断面と直交する方向へ地山Ｇを掘削し、これによって発生した掘削土砂を、カッタフェイスに形成されたスリットから、その背面のチャンバ内に取り込み、スクリュコンベア等の排土装置を介して連続的に排出し、更にそこから適宜搬送手段を介して外部へ排出する。また、本線シールド掘進機の掘進方向後端では、掘削された坑内壁に、セグメントリングの組み立てによる一次覆工が行われ、既設覆工体の前端に推進用油圧ジャッキを当てて後方へ押圧することによって、その反力で本線シールド掘進機を推進させる。

次に、本線シールド掘進機によって、本線トンネル３が所定の地点まで施工されたら掘進を終了し、分岐シールド掘進機１の発進のために必要な種々の作業を行った後、分岐発進口３２を開口させ、分岐シールド掘進機１を本線トンネル３から分岐発進させる。

分岐シールド掘進機１の分岐発進においては、排土管１５のシャッタゲート１５１及びボールバルブ１５２を予め閉塞しておく。そして、チャンバ１４内へ給水管１６を介して水（又は泥水や他の充填材）を圧入することにより、チャンバ１４内を地山Ｇの圧力と拮抗する圧力に加圧した後、不図示の開口手段によって本線トンネル３の覆工体３１に分岐発進口３２を開口する。そして、分岐シールド掘進機１のカッタフェイス１２をカッタ駆動装置１３によって回転駆動させると共に、排土管１５のシャッタゲート１５１及びボールバルブ１５２を適切な開度で開き、本線トンネル３の覆工体３１に取り付けられた反力受け３３を、分岐シールド掘進機１に仮設した不図示の油圧ジャッキ等で後方へ押し出すことによって、分岐シールド掘進機１は案内筒３４で案内された発進方向への推力を得て、地中への掘進を開始する。

ここで、分岐シールド掘進機１の発進時には、予めチャンバ１４内に充満させた水（又は泥水や他の充填材）が、シャッタゲート１５１及びボールバルブ１５２の開放と同時に排土管１５へ流動するため、チャンバ１４内の圧力が急激に低下することがある。そしてこのような場合は、地山Ｇの土質によっては、カッタフェイス１２による切羽面から土砂が噴発して、切羽面が崩壊するといったおそれがある。

しかしながら、図示の分岐シールド掘進機１は、チャンバ１４内の圧力が、圧力センサ１７４によって常時検出されており、その検出値が、予め適正な圧力値として設定された基準圧力より低くなると、不図示の制御装置を介して駆動が制御されているチャンバ内圧維持装置１７は、直ちに膨張膜１７１の内部空間に圧力源１７３からの作動流体を圧送し、前記基準圧力と検出圧力との偏差データを制御値として、これに比例する圧力で膨張膜１７１を加圧するように動作する。このため、図３（Ａ）に示されるように、膨張膜１７１が直ちに膨らんで、排土管１５内の排土通路を狭めるので、排土管１５内における土砂の流動抵抗が増大して、切羽面からチャンバ１４内に掘削土砂が連続的に取り込まれることにより排土管１５内を流動する排土の流量が減少して、チャンバ１４内の圧力が上昇する。

また、カッタフェイス１２による地山Ｇの掘削によってチャンバ１４内に掘削土砂が連続的に取り込まれるのに伴って、チャンバ１４内の圧力が、予め設定された基準圧力を超えて上昇した場合は、これを検出する圧力センサ１７４からの検出値と前記基準圧力との偏差データを制御値として、チャンバ内圧維持装置１７が、直ちに前記膨張膜１７１の内部空間から作動流体を排出するように動作するので、図３（Ｂ）に示されるように、膨張膜１７１が収縮して排土管１５内の排土通路を広げる。このため、排土管１５内における土砂の流動抵抗が減少し、切羽面からチャンバ１４内に掘削土砂が連続的に取り込まれることにより排土管１５内を流動する排土の流量が増大するので、チャンバ１４内が減圧され、カッタフェイス１２の掘削抵抗の異常な増大を防止することができる。

したがって、このようなチャンバ内圧維持装置１７の動作によって、本線トンネル３から分岐シールド掘進機１が分岐発進する時の切羽土圧の変動を抑制して適切な圧力値に保持することができる。

なお、分岐シールド掘進機１が、図１の位置から分岐発進した後、図２に示されるように、所定の距離だけ推進されたら、本線トンネル３の覆工体３１内に、内部にエレクタや推進用油圧ジャッキ１８等を有する後部鋼殻１１２を搬入して、前部鋼殻１１１の後方に、円周方向複数の中折れ用油圧ジャッキ１１３を介して連結する。したがって、その後は、前記エレクタによって後部鋼殻１１２の後部内周にセグメントリング２１を組み立てた覆工体２（又は別途組み立てられた不図示の支保体）を、推進用油圧ジャッキ１８で後方の反力受け３３へ押圧することによって、その反力で掘進方向への推進力を得ることができる。

そして更に、図５に示されるように、覆工体２を例えば１リング分だけ組み立てたら、これに推進用油圧ジャッキ１８を当てて後方へ押し出すことによって、その反力による推進力を得ながら、カッタフェイス１２によって地山Ｇを掘削し、これによって発生した掘削土砂をチャンバ１４内を介して排土管１５により排出する一連の動作によって、前記１リング分の軸方向幅Ｗに相当する距離だけ掘進してから、次の１リング分のセグメント組み立てを行うといった掘進サイクルが繰り返される。

この掘進過程では、掘削される地山Ｇの土質などに起因する掘進速度の変化や、その他の種々の原因によって、チャンバ１４内の土圧が変化するが、このような土圧変化も、基準圧力と圧力センサ１７４による検出圧力との偏差に基づいて、チャンバ内圧維持装置１７が上述と同様に動作することによって抑制され、切羽面を安定させることができる。

なお、図示の実施の形態は、本願発明の構成をトンネルの分岐施工に用いられる分岐シールド掘進機１に適用したものとして説明したが、本線シールド掘進機や、あるいは分岐施工用以外の、通常のシールド掘進機においても、同様に実施することができる。

また、圧力源１７３としては、ポンプと圧力方向切換弁との組み合わせによるもののほか、例えばシリンダとピストンからなる油圧シリンダ装置なども適用可能である。

本発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法の好ましい形態において、分岐シールド掘進機を、分岐発進前の状態で示す鉛直断面図である。 本発明に係るシールド掘進機の好ましい形態としての分岐シールド掘進機を、分岐発進時の状態で示す鉛直断面図である。 チャンバ内圧維持装置の構成及び動作を概略的に示す説明図である。 チャンバ内圧維持装置の更に具体的な例を示す説明図である。 本発明に係るシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法の好ましい形態において、分岐シールド掘進機を、分岐発進後の状態で示す鉛直断面図である。 従来のシールド掘進機を示す施工状態の鉛直断面図である。

符号の説明

１ 分岐シールド掘進機（シールド掘進機）
１１ シールドフレーム
１１５ 隔壁
１２ カッタフェイス
１４ チャンバ
１５ 排土管
１５１ シャッタゲート
１５２ ボールバルブ
１７ チャンバ内圧維持装置
１７１ 膨張膜
１７３ 圧力源
１７４ 圧力センサ
１８ 推進用油圧ジャッキ
２ 覆工体

Claims (1)

1. 筒状のシールドフレームと、その先端で地山を掘削するカッタフェイスと、前記シールドフレームの先端部とカッタフェイスの背面との間に画成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、このチャンバ内から前記掘削土砂を排出する排土管と、この排土管のチャンバ側の端部に設けられたシャッタゲートと、前記排土管内に設けられた膨張膜と、この膨張膜を、前記排土管内の土砂通路を狭めるように膨らませる流体圧力を印加する圧力源を備えるシールド掘進機において、発進時に、予め前記シャッタゲートを閉塞すると共に前記チャンバ内を加圧した後、前記カッタフェイスの回転駆動により掘進を開始すると共に前記シャッタゲートを開くことによって前記チャンバ内の圧力が低下したときに、前記膨張膜を前記圧力源により膨らませて前記土砂通路を狭めることを特徴とするシールド掘進機の発進時のチャンバ内圧力保持方法。

Images