JP6661978B2 - シールド工法又は推進工法に用いられる掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法又は推進工法に用いられる掘削機に関する。

従来から、地山を掘削し、掘削内周面にセグメントを順次組み立てて周方向に接続しながら掘削の進行方向に連結することで覆工体を構築すると共に、その形成した覆工体から推進反力を得て掘進作業を進めるシールド工法に使用されるシールド機が知られている。

このようなシールド機では、地山（すなわち、掘削孔の内壁面）からシールド機に作用する土水圧に抗して掘進するために、これらシールド機と掘削孔の内壁面との間の摩擦を低減することが重要な課題となっている。そのため、従来は、例えば、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、シールド機１におけるカッター装置２の外周リング２１に出入り自在に配設されたコピーカッター３の後方で、シールド機１の外周を覆うスキンプレート４の外周に、シールド機１から掘削孔の内壁面Ｈに向けて開口した注入口５を設け、この注入口５からスキンプレート４と内壁面Ｈとの間に、ベントナイト泥水やポリマー系材料からなる滑材Ｗを注入することにより、これらスキンプレート４と内壁面Ｈとの間の摩擦を低減するようにしていた。

また、この他の手法としては、シールド機のスキンプレートにおける先端部外周面に沿って周方向に設けられたフリクションカットの後方に位置し、スキンプレートの外周面の周方向に形成された切欠部から、スキンプレートの外周に滑材を注入するもの（例えば、特許文献１参照）や、カッター装置の前面に設けられるカッタービットの切刃付近に形成された注出口から滑材を噴出させるもの（例えば、特許文献２参照）等が知られている。

特開平０５−１５６８８８号公報 特開平０７−６２９８１号公報

しかしながら、前述したシールド機１のように、コピーカッター３の後方におけるスキンプレート４の外周に設けられた注入口５から滑材Ｗを注入する場合や、特許文献１のシールド機のように、スキンプレートの外周面の周方向に形成された切欠部から滑材を注入する場合、滑材Ｗを注入口５（切欠部）の周囲にしか注入することができず（換言すれば、滑材Ｗをスキンプレート４と内壁面Ｈとの間の全周に亘って行き届かせることができず）、十分な摩擦低減効果を得ることが難しかった。

さらに、特許文献２のシールド機では、カッター装置前面のカッタービットにおける摩耗は防止できるものの、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間に作用する摩擦を低減することができなかった。
以上の課題は、推進工法に用いられる掘削機のスキンプレートと地盤との摩擦を低減する場合も同様である。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、シールド工法や推進工法において、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間におけるスキンプレートの全周に亘って滑材を注入し、これらスキンプレートと内壁面との間に生じる摩擦力を十分に低減可能とすることを目的とする。

以上の課題を解決するべく、本発明に係るシールド機は、
シールド工法又は推進工法において用いられ、円筒状のスキンプレートと、当該スキンプレートの先端に回転自在に設けられたカッター装置とを有して、前記カッター装置により地山内を掘進する掘削機であって、
前記カッター装置の外周部分で且つ前記スキンプレートよりも外方側の部位の後方側に向いた部位に、前記スキンプレートと前記掘削孔の内壁面との間に対して、後方に向けて滑材を注入するための開口部を備え、
前記開口部は、前記カッター装置の外周リング及び前記外周リングに出し入れ自在に設けられたコピーカッターの両方に設けられ、
前記外周リングに設けられた開口部又は前記コピーカッターに設けられた開口部の何れから前記滑材を注入するかが切替可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、開口部が回転移動する部位に設けられるため、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間におけるスキンプレートの全周に亘って滑材を注入でき、これらスキンプレートと掘削孔の内壁面との間に生じる摩擦力を低減できる。これにより、掘削機の掘進に伴って、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間に生じる摩擦が解消される際の振動を予め抑制できる。また、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間に生じる摩擦力を低減できるため、スキンプレートと接触する掘削孔の内壁面に対して掘削機の掘進方向に作用する剪断抵抗が軽減されるため、当該剪断抵抗によって掘削機周辺の地山の組成が変わって発生していた液状化や、圧密沈下などの現象を未然に回避することができる。

また、前記開口部は、前記カッター装置の外周リングまたは前記外周リングに出し入れ自在に設けられたコピーカッターの両方に設けられ、前記外周リングに設けられた開口部又は前記コピーカッターに設けられた開口部の何れから前記滑材を注入するかが切替可能とされているので、滑材をスキンプレートと掘削孔の内壁面との間に対して、スキンプレートの全周に亘って均一に注入できる。

また、前記外周リングに設けられた開口部及び前記コピーカッターに設けられた開口部にそれぞれ連通し、当該開口部へと前記滑材を供給するための各供給路には、前記滑材の逆流を防止する逆止弁が設けられていることが好ましい。これによれば、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間に対して注入した滑材が供給路内に逆流するのを防止できる。また、供給路内に対する外部からの土砂等の流入をも阻止できる。

本発明によれば、掘削機のスキンプレートと掘削孔の内壁面との間におけるスキンプレートの全周に亘って滑材を注入でき、これにより、スキンプレートと掘削孔の内壁面との間に生じる摩擦力を効果的に低減できる。

実施形態におけるシールド機を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその正面から見た部分的断面図である。 図１のカッター装置を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側方から見た断面図である。 図２の要部を拡大して示し、（ａ）はコピーカッターの突出時を示す部分的断面図、（ｂ）はコピーカッターの格納時を示す部分的断面図である。 従来におけるシールド機を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその正面から見た部分的断面図である。

以下、本発明がシールド機に適用された場合の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うシールド機もまた本発明の技術思想に含まれる。また、以下の説明において、前部および前方とは、シールド機の掘進方向前方の部位，方向を示し、後部および後方とは、シールド機の掘進方向後方の部位，方向を示すものとする。

図１は、本実施形態に係るシールド機１０を示す。なお、図１において、図４との対応部分に同一符号を付している。図１に示すシールド機は、円筒状のスキンプレート４と、このスキンプレート４の先端に回転自在に設けられたカッター装置２と、推進ジャッキ１１とを有している。また、シールド機１０において、回転駆動されるカッター装置２の先端には、図２（ａ）にも示すように、多数のカッタービット（掘削ビット）２ａが立設されており、このカッター装置２の背面側にチャンバ１２が形成されている。チャンバ１２には、掘削土砂の排出用のスクリューコンベア（不図示）が連通接続されている。また、シールド機１０は、曲線部の掘進時等において余堀部を形成するための、径方向に進退可能なコピーカッター３を備えている。

シールド工法において、シールド機１０は、先端に設けられたカッター装置２を回転駆動させながらこれに対向する地山の切羽（不図示）を掘削しつつ、その掘削土をカッター装置２後方のチャンバ１２内に取り込む。そして、チャンバ１２の下部に設けたスクリューコンベア（不図示）により搬出される掘削土を排土用コンベア（不図示）で後方に搬送排出する。これと共に、シールド機１０は、シールド機２の後部に備えられたセグメント組立機（エレクター１３）によってセグメント（不図示）を順次組み立て、それを周方向に接続しながら掘進方向に連結して掘削孔の内壁面Ｈを覆う筒状の覆工体を形成し、この覆工体に反力を取ってシールド機を掘進させる。

本実施形態では、シールド機１０において、図２（ｂ）に示すように、カッター装置２の外周部分で且つスキンプレート４よりも外方側の部位、すなわち、外周リング２１におけるスキンプレート４よりも外方に突出している部位に、カッター装置２よりも後方（すなわち、シールド機１０の掘進方向と反対方向）に向けて開口した開口部２２，３１が設けられている。

そして、この開口部２２，３１から、スキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間に対して、カッター装置２よりも後方に向けて、ベントナイト泥水やポリマー系の材料からなる滑材Ｗを注入する。これら開口部２２，３１は、それぞれ回転する外周リング２１に配設されているため、滑材Ｗをスキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間におけるスキンプレート４の外周の全周に亘って注入できる。

なお、滑材Ｗは、シールド機１０の掘進速度と、滑材Ｗの注入量に応じた流量であって、泥水圧に抗して注入可能な程度に設定された注入圧で注入される。

このとき、開口部２２は、カッター装置２で掘削する切羽の断面径の大きさに応じて、数箇所設けられることが好ましい。すなわち、大断面のトンネルを形成する場合、カッター装置２も大口径となり、その回転速度は低速となる。このような場合にも、滑剤Ｗが全周に亘って注入されるよう、開口部２２は例えば外周リング２１に対して３カ所程度設けられることが好ましい。

また、外周リング２１の内部には、開口部２２，３１に連通し、当該開口部２２，３１へと滑材Ｗを供給するための供給路２３，３２が設けられており、この供給路２３，３２には、滑材Ｗの逆流を防止するための逆止弁２４，３３が設けられていることが好ましい。なお、この逆止弁２４，３３は、可能な限り開口部２２，３１に近い位置に配置されることが望ましい。

ところで、滑材Ｗを注入するための開口部は、コピーカッター３にも設けることとしてもよい。
図３（ａ），（ｂ）はコピーカッター３の構成を示す。同図に示すように、コピーカッター３は、カッター装置２の外周リング２１にシリンダ３４を介して設けられており、不図示のポンプによって、シリンダ３４内に作動油Ｏが出し入れされて油圧が付加されることにより、必要に応じて外周リング２１から突出したり、外周リング２１内へ格納されたりするように、当該外周リング２１の径方向に進退可能に設けられている。このとき、供給路３２は、コピーカッター３の出し入れに応じて伸縮または変形可能なフレキシブルホースからなることが好ましい。なお、滑材Ｗを注入するための開口部は、外周リング２１とコピーカッター３とのいずれか一方または両方に設けてもよい。要するに、当該開口部は、スキンプレート４よりも外方側に位置する回転部位に、設けられればよい。

以上の構成によれば、コピーカッター３は地山の掘削時、シリンダ３４内に作動油Ｏが出し入れされて油圧が付加されることにより、必要に応じて外周リング２１から突出したり、外周リング２１内へ格納されたりする。従って、コピーカッター３にも開口部３１を設けることで、以下のような万一の場合に対応可能となる。
例えば、外周リング２１の開口部２２が摩耗によって前方まで拡がった場合、外周リング２１より前方側に滑材Ｗが流出し、当該前方側における流動性が通常よりも高くなってしまう。また、開口部２２から滑材Ｗを注入する際の抵抗が大きく、滑材Ｗがスキンプレート４の外周に均一に注入されない場合、外周摩擦が通常よりも増えてしまう。そこで、本実施形態のシールド機１０では、これらの現象に基づいて、外周リング２１の開口部２２の利用が不可能と判断し、コピーカッター３の開口部３１に切り換えることで、当該開口部３１を、滑材Ｗを注入するための非常用の注入口として利用可能となる。このように、外周リング２１とコピーカッター３との両方に開口部２２，３１を設け、万一の場合であっても、いずれかの開口部２２，３１を利用可能とすることで、スキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間に対して、確実に滑材Ｗを注入することができる。

以上、説明したように、本実施形態のシールド機１０によれば、カッター装置２の外周部分で且つスキンプレート４よりも外方側の部位に、カッター装置２よりも後方に向けて開口した開口部２２，３１が設けられ、当該開口部２２，３１が回転移動する部位に設けられるため、スキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間におけるスキンプレート４の全周に亘って滑材Ｗを注入でき、これらスキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間に生じる摩擦力を低減できる。これにより、シールド機１０の掘進に伴って、スキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間に生じる摩擦が解消される際の振動を予め抑制できる。また、スキンプレート４と掘削孔の内壁面Ｈとの間に生じる摩擦力を低減できるため、スキンプレート４と接触する掘削孔の内壁面Ｈに対してシールド機１０の掘進方向に作用する剪断抵抗が軽減され、当該剪断抵抗によってシールド機１０周辺の地山の組成が変わって発生していた液状化や、圧密沈下などの現象を未然に回避することができる。さらに、開口部２２，３１がカッター装置２よりも後方に向けて開口されるため、当該開口部２２，３１を真上に向けて開口する場合と比較して、滑材Ｗの注入時の開口部２２，３１内に対する土砂や土水圧の影響を軽減できる。

なお、前述した実施形態では、シールド工法に用いられる掘削機であるシールド機１０を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることはなく、推進工法における掘削機にも同様に適用可能である。さらに、掘削機としては円筒状スキンプレート４を備えるシールド機１０に限らず、その他、矩形状や多角形状等の種々の形状に広く適用可能である。

また、開口部２２，３１からの滑材Ｗの注入方向は真後ろに限らず、斜め後方に注入するものとしてもよい。

１０…シールド機， ２…カッター装置， ２ａ…カッタービット， ３…コピーカッター， ４…スキンプレート， １１…推進ジャッキ， １２…チャンバ， １３…エレクター， ２１…外周リング， ２２，３１…開口部， ２３，３２…供給路， ２４，３３…逆止弁

Claims (2)

1. シールド工法又は推進工法において用いられ、筒状のスキンプレートと、当該スキンプレートの先端に回転自在に設けられたカッター装置とを有して、前記カッター装置により地山内を掘進する掘削機であって、
   前記カッター装置の外周部分で且つ前記スキンプレートよりも外方側の部位の後方側に向いた部位に、前記スキンプレートと前記掘削孔の内壁面との間に対して、後方に向けて滑材を注入するための開口部を備え、
   前記開口部は、前記カッター装置の外周リング及び前記外周リングに出し入れ自在に設けられたコピーカッターの両方に設けられ、
   前記外周リングに設けられた開口部又は前記コピーカッターに設けられた開口部の何れから前記滑材を注入するかが切替可能とされている
   ことを特徴とする掘削機。
2. 前記外周リングに設けられた開口部及び前記コピーカッターに設けられた開口部にそれぞれ連通し、当該開口部へと前記滑材を供給するための各供給路には、前記滑材の逆流を防止する逆止弁が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の掘削機。

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