JP4934882B2 - トンネル掘削時の障害物除去方法及び作業者による作業方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘削機を用いてのトンネル掘削中に、切羽にカッタヘッドでは掘削困難な障害物が現われたときに行う障害物の除去方法及び作業者による作業方法に関する。

従来、シールド掘削機として、シールド筒と、シールド筒の前端より前方位置で切羽を掘削する縮径自在なカッタヘッドと、シールド筒の前部内周に設けられ、カッタヘッドを回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持する隔壁と、カッタヘッドを回転させる回転駆動源と、カッタヘッドをシールド筒に対し前後方向に進退させる進退駆動源とを備えるものは知られている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、トンネルの掘削途中に、カッタヘッドを縮径させた状態で後退させてシールド筒の前端部内周に収納することにより、切羽とカッタヘッドとの間に空間を生じさせ、カッタヘッドに取付けられているカッタビッドの交換作業を行うことができる。尚、このものでは、隔壁の後方に突出するカッタビットの軸部後端と隔壁よりも後方位置に設けたシールド筒内の支持壁との間に油圧ジャッキから成る進退駆動源を配置している。

ところで、トンネルの掘削中に、切羽にカッタヘッドでは掘削困難な岩石等の障害物が現われて、それ以上掘進できなくなることがある。この場合、従来は、一般的に、地上から障害物の埋設箇所まで立坑を掘り、障害物を除去しているが、これでは大掛かりな工事が必要になって、工費が嵩むと共に工期が長びく。

ここで、上記従来例の如くカッタヘッドをシールド筒に対し前後方向に進退自在としたシールド掘削機を用いる場合は、障害物にカッタヘッドが到達したときに、カッタヘッドを縮径させた状態で後退させてシールド筒の前端部内周に収納し、カッタヘッドの後退により生じる切羽とカッタヘッドとの間の空間に充填剤を注入して、該空間に充填剤による止水壁を構築した後、カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入り、削岩機等を用いて障害物を破砕除去することが考えられる。

然し、カッタヘッドと隔壁との間の空間は、隔壁に対するカッタビットの後退でかなり狭くなる。そのため、この空間内で障害物の除去作業を行うことは実際上不可能である。
特開２０００−３４８８９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、カッタヘッドと隔壁との間の空間での障害物の除去作業を可能にし、障害物を立坑を掘らずに除去できるようにしたトンネル掘削時の障害物除去方法及び作業者による作業方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、シールド筒と、シールド筒の前端より前方位置で切羽を掘削する縮径自在なカッタヘッドと、シールド筒の前部内周に設けられ、カッタヘッドを回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持する隔壁と、カッタヘッドを回転させる回転駆動源と、カッタヘッドをシールド筒に対し前後方向に進退させる進退駆動源とを備えるシールド掘削機を用いてのトンネル掘削中に、切羽にカッタヘッドでは掘削困難な障害物が現われたときに行う障害物の除去方法であって、シールド掘削機として、進退駆動源が隔壁に搭載され、隔壁のシールド筒に対する固定を解除することで隔壁がシールド筒に対し後退自在となるように構成されたものを用い、障害物にカッタヘッドが到達したときに、カッタヘッドを縮径させた状態で進退駆動源の作動により後退させて、カッタヘッドをシールド筒の前端部内周に収納するカッタ収納工程と、カッタヘッドの後退により生じる切羽とカッタヘッドとの間の空間に充填剤を注入して、該空間に充填剤による止水壁を構築する工程と、隔壁のシールド筒に対する固定を解除した状態で進退駆動源の作動によりカッタヘッドを前方に押し、その反力で隔壁をシールド筒に対し後退させる工程と、カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入って、障害物の除去作業を行う工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、カッタヘッドの進退駆動源が隔壁に搭載されているため、隔壁のシールド筒に対する固定を解除した状態で進退駆動源の作動によりカッタヘッドを前方に押すと、止水壁により前方への移動が抑制されるカッタヘッドからの反力で隔壁がシールド筒に対し後退する。そのため、カッタ収納工程におけるカッタヘッドの後退でカッタヘッドと隔壁との間の空間が一旦狭められても、隔壁の後退でカッタヘッドと隔壁との間の空間を広げることができる。従って、この空間に作業者が入り、削岩機等を用いて障害物の除去作業を支障なく行うことができる。また、止水壁によりカッタヘッドと隔壁との間の空間への泥水の侵入が防止されるため、作業の安全性も確保される。そして、立坑を掘らずに障害物を除去できるため、工費を大幅に削減できると共に工期も大幅に短縮することができる。

また、トンネル掘削中に、カッタヘッドと隔壁との間で作業者による障害物除去以外の所定の作業を行う必要が生じた場合にも、上記と同様に、止水壁を構築した後、隔壁をシールド筒に対し後退させてから、カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入って所定の作業を行えば良い。

尚、進退駆動源によりカッタヘッドを前方に押したときに、止水壁が押し潰される虞がある。そのため、本発明においては、シールド掘削機として、シールド筒の前端部内周面に径方向外方に凹入する凹部が形成されたものを用い、カッタ収納工程において、カッタヘッドを縮径した状態でシールド筒の前端部内周に収納した後、カッタヘッドを拡径させて、カッタヘッドの径方向外端部を凹部に嵌合させることが望ましい。これによれば、カッタヘッドの前進が凹部により阻止され、進退駆動源によりカッタヘッドを前方に押したときに、止水壁が押し潰されることを防止できる。

また、障害物の除去作業や他の作業後に、カッタヘッドの径方向外端部を上記凹部に嵌合させたまま、進退駆動源によりカッタヘッドを後方に引張れば、凹部が反力受けになって、引張り反力により隔壁がシールド筒に対し前進する。そして、隔壁の前進後に隔壁をシールド筒に対し固定し、次に、カッタヘッドを縮径して、カッタヘッドの径方向外端部を凹部から離脱させた後、カッタヘッドを回転させると共に拡径させながら進退駆動源の作動により前進させれば、防水壁を掘削しつつカッタヘッドがシールド筒の前端より前方位置に復帰することになり、通常の掘削状態への復帰作業を容易に行うことができる。

図１は、地中にトンネルを掘削するシールド掘削機を示している。このシールド掘削機は、シールド筒１と、シールド筒１の前端より前方位置で切羽を掘削するカッタヘッド２と、シールド筒１の前部内周に設けられ、カッタヘッド２を回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持する隔壁３とを備えている。

シールド筒１は、前筒１１と後筒１２とで構成されている。後筒１２の前端には、前筒１１の後端部に内嵌する球面ジョイント部１３が設けられており、前筒１１は後筒１２に対し任意の方向に屈曲自在になる。そして、前筒１１と後筒１２とを連結する中折れジャッキ１４を周方向の間隔を存して複数設け、これら中折れジャッキ１４により前筒１１の方向、即ち、シールド掘削機の掘進方向を調節できるようにしている。

後筒１２には、掘削済みのトンネル内壁面にセグメントＳをリング状に組付けるエレクタ４が内装されると共に、設置済みのセグメントＳを反力受けにしてシールド筒１を前進させる推進ジャッキ１５が周方向の間隔を存して複数取り付けられている。また、後筒１２の後端には、セグメントＳとの間の隙間をシールするテールシール１２ａが取り付けられている。更に、前筒１１の前部内周には、内径がシールド筒１の他部の内径より小さなリング体１６が一体的に固定されている。

カッタヘッド２は、図２に示す如く、カッタビット２１を取付けた放射状の複数のカッタスポーク２２と、各カッタスポーク２２に内蔵した伸縮ジャッキ（図示せず）により各カッタスポーク２２の外端部から径方向外方に出没するオーバーカッタ２３とを備えている。そして、カッタヘッド２を、オーバーカッタ２３の出没により、シールド筒１の外径と略等径の拡径状態と、それより小径の縮径状態とに切換自在としている。また、カッタヘッド２は、各カッタスポーク２２間に位置する面板２４を備えている。面板２４には、カッタヘッド２と隔壁３との間の土砂室５に掘削土を取り込むための開口２５が形成されている。尚、開口２５は図示省略したシャッタにより開閉自在である。

図１を参照して、隔壁３の外周には、リング体１１に内嵌する筒状のフランジ部３１が設けられている。また、前筒１１には、フランジ部３１の後端に当接するストッパ部材１７が着脱自在に取付けられている。従って、隔壁３は、ストッパ部材１７によりリング体１６に対し後退不能に固定される。また、ストッパ部材１７を取外して、リング体１６に対する隔壁３の固定を解除すると、隔壁３はリング体１６に対し後退可能になる。

隔壁３の後面には、電動モータから成るカッタヘッド２用の回転駆動源６が搭載されている。回転駆動源６は、その出力軸上の駆動ギヤ６１がカッタヘッド２の軸部２６に形成したスプライン部２６ａに係合する従動ギヤ６２に噛合するように配置されている。また、隔壁３には、スプライン部２６ａの前後で軸部２６を前後方向に摺動自在に軸支する前後一対のケース部３２，３３が設けられている。そして、後ケース部３３の後端に、油圧ジャッキから成るカッタヘッド２用の進退駆動源７を取付けている。進退駆動源７は、常時は、カッタヘッド２をシールド筒１の前端より前方位置に保持する。かくして、推進ジャッキ１５によりシールド筒１を前進させる際、推進ジャッキ１５の推進力がストッパ部材１７と隔壁３とを介してカッタヘッド２に伝達され、カッタヘッド２が切羽を掘削しつつシールド筒１と一体に前進する。

隔壁３の下部には、土砂室５に連通する排土口３４が設けられている。排土口３４には、土砂室５内の塑性流動状態の掘削土を排出する排土手段たるスクリューコンベア８が連結されている。スクリューコンベア８は後上りの傾斜姿勢で配置されている。そして、掘削済みのトンネル内に設置したベルトコンベア（図示せず）にスクリューコンベア８の後端の排出口８ａから掘削土を落下させ、ベルトコンベアを介して掘削土を坑外に搬出するようにしている。

リング体１６の前端部内周には、カッタヘッド２を縮径させた状態で隔壁３に対し後退させた後に拡径することでカッタヘッド２の径方向外端部、即ち、オーバーカッタ２３の外端部が嵌合する、径方向外方に凹入した凹部１６ａが形成されている。尚、凹部１６ａは、各オーバーカッタ２３の外端部が個々に嵌合するように周方向に不連続に形成されていても良いが、これでは、各オーバーカッタ２３の周方向位置を各凹部１６ａの位置に合わせるために、カッタヘッド２の位相制御が必要になる。そこで、本実施形態では、周方向に連続する環状の凹部１６ａを形成している。また、リング体１６には、図２に示す如く、周方向の間隔を存して複数の注入管挿通孔１６ｂが形成されている。

ところで、トンネル掘削中に、図３に示す如く、切羽にカッタヘッド２では掘削困難な岩石等の障害物Ａが現われ、障害物Ａを除去しないとそれ以上掘進できなくなることがある。以下、障害物Ａの除去方法について図３を参照して説明する。

障害物Ａにカッタヘッド２が到達したときには、先ず、カッタヘッド２を縮径させた状態で、進退駆動源７の作動によりカッタヘッド２を後退させてシールド筒１の前端部内周、即ち、リング体１６の前端部内周に収納し、この状態でカッタヘッド２を拡径させて、図３（ａ）に示す如く、リング体１６の凹部１６ａにオーバーカッタ２３の外端部を嵌合させる。この際、カッタヘッド２の面板２４の開口２５はシャッタにより閉鎖しておく。また、リング体１６に形成した挿通孔１６ｂに注入管９ａを挿通し、カッタヘッド２の後退で生じる切羽とカッタヘッド２との間の空間に注入管９ａからセメント系グラウト等の充填剤を注入して、該空間に充填剤による防水壁Ｂを構築する。尚、充填剤の注入は、能率アップのため、カッタヘッド２の後退開始と同時に開始することが望ましい。

次に、土砂室５内の掘削土をスクリューコンベア８により全て排出し、その後、ストッパ部材１７を取外した状態で、進退駆動源７の作動によりカッタヘッド２を前方に押す。この際、凹部１６ａへのオーバーカッタ２３の嵌合により、カッタヘッド２はリング体１６に対し前進不能であり、一方、ストッパ部材１７が取外されているため、隔壁２１はリング体１６に対し後退可能になる。そして、進退駆動源７が隔壁３に搭載されているため、進退駆動源７の作動によりカッタヘッド２を前方に押すと、その反力で隔壁３が図３（ｂ）に示す如くリング体１６に対し後退する。

尚、リング体１６に対するカッタヘッド２の前進を凹部１６ａ（正確には凹部１６ａの前壁）により阻止しなくても、カッタヘッド２は止水壁Ｂにより前方への移動が抑制されるため、進退駆動源７の作動で隔壁３をリング体１６に対し後退させることができる。但し、この場合には、進退駆動源７によりカッタヘッド２を前方に押したときに、止水壁Ｂが押し潰される虞がある。リング体１６に対するカッタヘッド２の前進を凹部１６ａにより阻止する本実施形態によれば、かかる不具合を生じず有利である。

また、隔壁３の後退後、切羽の周囲の地盤に上記とは別の注入管９ｂを介して地盤改良剤を注入し、切羽の周囲前方に地盤改良部Ｃを形成する。その後、隔壁３に設けたハッチ（図示せず）を開いて、図３（ｃ）に示す如く土砂室５に作業者Ｐが入り、障害物Ａの除去作業を行う。

この除去作業に際しては、先ず、カッタヘッド２の面板２４の開口２５を開き、開口２５を通して切羽に注入管９ｃを挿入し、注入管９ｃを介して地盤改良剤を注入して、切羽前方に地盤改良部Ｄを形成する。これにより、作業中に切羽が崩れることが防止される。尚、地盤改良部Ｄの形成前に土砂室５に泥水が流入することは止水壁Ｂにより防止される。次に、削岩機等を用いて、図３（ｄ）に示す如く障害物Ａを破砕して除去する。

ここで、カッタヘッド２を後退させたままでは、土砂室５が狭くなり、作業者Ｐが土砂室５内で障害物Ａの除去作業を行うことは非常に困難になる。一方、本実施形態では、隔壁３をリング体１６、即ち、シールド筒１に対し後退させることにより土砂室５を拡幅させることができる。そのため、作業者Ｐが土砂室５内で障害物Ａの除去作業を支障なく行うことができる。従って、障害物Ａを除去するために立坑を掘らずに済み、工費を大幅に削減できると共に工期も大幅に短縮することができる。

尚、図３（ｄ）では、障害物Ａがその周囲の切羽の部分と共に完全に取り除かれたように図示されているが、障害物Ａが破砕されて掘削の邪魔にならなくなれば、破砕片が切羽に埋設されたまま残っていても構わない。即ち、障害物Ａの除去作業では、障害物Ａを掘削の邪魔にならないように処理すれば足りる。

除去作業が完了して、作業者Ｐがシールド筒１内に退避すると、進退駆動源７によりカッタヘッド２を後方に引張る。この際、カッタヘッド２のリング体１６に対する後退が凹部１６ａ（正確には凹部１６ａの後壁）により阻止されるため、引張り反力で隔壁３がリング体１６に対し前進する。その後、ストッパ部材１７を再度取付けてリング体１６に隔壁３を固定する。次に、カッタヘッド２を一旦縮径させて、凹部１６ａからオーバーカッタ２３を離脱させた後、カッタヘッド２を回転させると共に拡径させながら進退駆動源７の作動により前進させる。これにより、防水壁Ｂを掘削しつつカッタヘッド２がシールド筒１の前端より前方位置に復帰し、通常の掘削状態に戻る。従って、通常の掘削状態への復帰作業も容易に行うことができる。

また、トンネル掘削中に、障害物除去以外の作業（例えば、カッタビット２１の交換作業）が必要になったときも、上記と同様に止水壁Ｂを構築した後、シールド筒１に対し隔壁３を後退させることにより、拡幅した土砂室５内で作業者が支障なく作業を行うことができる。

本発明の実施に用いるシールド掘削機の縦断面図。 図１のシールド掘削機の正面図。 本発明の実施形態の障害物除去方法の手順を示す説明図。

符号の説明

Ａ…障害物、Ｂ…防水壁、１…シールド筒、１６ａ…凹部、２…カッタヘッド、３…隔壁、５…土砂室（カッタヘッドと隔壁との間の空間）、６…回転駆動源、７…進退駆動源。

Claims (4)

1. シールド筒と、シールド筒の前端より前方位置で切羽を掘削する縮径自在なカッタヘッドと、シールド筒の前部内周に設けられ、カッタヘッドを回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持する隔壁と、カッタヘッドを回転させる回転駆動源と、カッタヘッドをシールド筒に対し前後方向に進退させる進退駆動源とを備えるシールド掘削機を用いてのトンネル掘削中に、切羽にカッタヘッドでは掘削困難な障害物が現われたときに行う障害物の除去方法であって、
   シールド掘削機として、進退駆動源が隔壁に搭載され、隔壁のシールド筒に対する固定を解除することで隔壁がシールド筒に対し後退自在となるように構成されたものを用い、
   障害物にカッタヘッドが到達したときに、カッタヘッドを縮径させた状態で進退駆動源の作動により後退させて、カッタヘッドをシールド筒の前端部内周に収納するカッタ収納工程と、
   カッタヘッドの後退により生じる切羽とカッタヘッドとの間の空間に充填剤を注入して、該空間に充填剤による止水壁を構築する工程と、
   隔壁のシールド筒に対する固定を解除した状態で進退駆動源の作動によりカッタヘッドを前方に押し、その反力で隔壁をシールド筒に対し後退させる工程と、
   カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入って、障害物の除去作業を行う工程とを備えることを特徴とするトンネル掘削時の障害物除去方法。
2. 前記シールド掘削機として、前記シールド筒の前端部内周面に径方向外方に凹入する凹部が形成されたものを用い、前記カッタ収納工程において、前記カッタヘッドを縮径した状態でシールド筒の前端部内周に収納した後、カッタヘッドを拡径させて、カッタヘッドの径方向外端部を凹部に嵌合させることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削時の障害物除去方法。
3. 前記除去作業後に、前記カッタヘッドの径方向外端部を前記凹部に嵌合させたまま、前記進退駆動源によりカッタヘッドを後方に引張り、その反力で前記隔壁を前記シールド筒に対し前進させた後、隔壁をシールド筒に固定する工程と、
   カッタヘッドを縮径して、カッタヘッドの径方向外端部を凹部から離脱させた後、カッタヘッドを回転させると共に拡径させながら進退駆動源の作動により前進させて、前記防水壁を掘削しつつカッタヘッドをシールド筒の前端より前方位置に復帰させる工程とを備えることを特徴とする請求項２記載のトンネル掘削時の障害物除去方法。
4. シールド筒と、シールド筒の前端より前方位置で切羽を掘削する縮径自在なカッタヘッドと、シールド筒の前部内周に設けられ、カッタヘッドを回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持する隔壁と、カッタヘッドを回転させる回転駆動源と、カッタヘッドをシールド筒に対し前後方向に進退させる進退駆動源とを備えるシールド掘削機を用いてのトンネル掘削中に、カッタヘッドと隔壁との間で作業者による所定の作業を行う方法であって、
   シールド掘削機として、進退駆動源が隔壁に搭載され、隔壁のシールド筒に対する固定を解除することで隔壁がシールド筒に対し後退自在となるように構成されたものを用い、
   前記所定の作業が必要になったときに、カッタヘッドを縮径させた状態で進退駆動源の作動により後退させて、カッタヘッドをシールド筒の前端部内周に収納するカッタ収納工程と、
   カッタヘッドの後退により生じる切羽とカッタヘッドとの間の空間に充填剤を注入して、該空間に充填剤による止水壁を構築する工程と、
   隔壁のシールド筒に対する固定を解除した状態で進退駆動源の作動によりカッタヘッドを前方に押し、その反力で隔壁をシールド筒に対し後退させる工程と、
   カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入って、前記所定の作業を行う工程とを備えることを特徴とするトンネル掘削時の作業者による作業方法。

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