JP6725340B6 - 交換可能なテールシールを有するシールド掘進機およびシールド掘進機のテールシールの交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機における交換可能なテールシールおよびその交換方法に関する。

シールド掘進機のスキンプレートの内周面には、スキンプレートと組み立てられたセグメントとの間を通ってトンネル外部の地下水、土砂等が浸入しないようにテールシールが設けられている。

昨今、シールド工法においては、長距離施工が要求されるケースが多い。シールド工法の長距離施工における課題の一つには、テールシールの摩耗および損耗の問題がある。テールシールの摩耗および損耗によって止水性が低下すると、地下水、土砂等がシールド掘進機内に浸入し、地表面の変状につながる。また、高水圧下等の施工においては、急激で大量の地下水、土砂等のシールド掘進機内への浸入は、坑内の水没や地表の陥没につながる危険性もある。

テールシールの摩耗および損耗の対策として、テールシールを交換することが挙げられる。テールシールを交換する従来技術１としては、図９に示すようなものがある。

図９（Ａ）に示すように、このシールド掘進機１００は、前胴１０１、後胴１０２を有し、後胴のスキンプレート１０３の内周面にテールシール１０５、１０６がシールド掘進機軸方向に複数列（図では二列）設けられている。図９（Ｂ）に示すように、シールドジャッキ１０４により最後列以外のテールシール１０５がセグメント２００から露出するまで、シールド掘進機１００を前進させる。このとき、最後列のテールシール１０６は、セグメント２００に当接して機能しているので、地下水や土砂等はシールド掘進機１００の内部には浸入してこない。露出した最後列以外のテールシール１０５をスキンプレート１０３から取り外して、新たなテールシールを取付ける。

最後列のテールシール１０６は、他の列のテールシールより、摩耗および損耗、裏込め材の付着等のダメージが大きくもっとも交換の必要性が高い。しかしながら、従来技術１では、最後列のテールシール１０６の交換を行うことができない。
最後列以外のテールシール１０５を交換作業中は、ダメージが大きい最後列のテールシール１０６だけで止水性を確保するために、その確保に不安が残る。また、隣り合う列のテールシール間には、テールグリース１０７が充填されており、止水性が高められているが、この交換作業時では、最後列のテールシール１０６とその前列のテールシール１０５との間のテールグリース１０７も撤去された状態となるので、より危険な状態と成り得る。
この交換作業自体も時間がかかるもので、例えばシールド掘進機外径３〜５ｍの中程度では約１ヶ月の日数を要する。また、状況によっては、周辺地盤の改良が必要となり、さらに工期やコストの負担増となる。

最後列のテールシールを交換可能な従来技術２としては、特許文献１のようなものがある。これは、シールド機の軸方向に沿ってスライド可能となるようにテールブラシが取付けられたものである。最後列に配設されたテールブラシを交換する際には、シールド機の軸方向前部における交換部に新しいテールブラシを配置する。そして、この新しいテールブラシをジャッキによってシールド機の軸方向後方に押し出し、最後列のテールブラシを廃棄する。

特開２００２−０２１４８６号公報

従来技術２は、最後列のテールシールの交換が可能なものである。しかしながら、新しいテールシールを押す際には、スキンプレートの全周にわたって新しいテールシールを配置して、これらを同時に押し出す必要がある。この際には、ジャッキを複数設けて同期させるなどの対策が必要で、その制御の精度確保も難しい。その同期制御の精度が低ければ、全周のうち一部のテールシールに力がかかり、テールシールがその部分で変形し、止水性が低下するおそれが生じ得る。

また、テールシールには、通常、テールブラシが用いられる。テールブラシは、スキンプレートに取付けられるベース部からセグメントに当接するブラシ部がセグメント方向に向かって傾斜した形状となっている。よって、従来技術２のように、テールブラシが前方から押し出され際には、この傾斜したブラシ部がセグメントと接触して、押し出し作業の大きな抵抗となる。そして、この抵抗に抗して押し出すので、傾斜したブラシ部が、シールド掘進機前方向にめくれてしまうおそれがある。この前方向にめくれてしまう現象が、廃棄しない最後列以外のテールブラシで生じた場合には、止水性の低下はもちろん、シールド掘進機の前進にも支障が生じ得ることになる。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を鑑みて、交換作業が効率的で、交換されないテールシールがめくれないで止水性が確保されるとともに、最後列のテールシールを交換可能なシールド掘進機およびテールシールの交換方法を提供することである。

請求項１に係る発明は、スキンプレートの内周面に交換可能なテールシールを有するシールド掘進機であって、前記シールド掘進機は、前記スキンプレートの内周面に設けられ、前記テールシールをスライド可能に取付けることが可能なガイドレールと、前記ガイドレールにスライド可能に取付けられた複数のテールシールと、を備え、前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面に、前記シールド掘進機の前側を始点として、前記スキンプレートの内周面を一周回するに従って前記シールド掘進機の軸方向への位置が後側へ移動する線形状のスパイラル状に設けられており、前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面を少なくとも一周回し前記シールド掘進機の軸方向に並ぶ前記テールシールがラップする程度のスパイラル状に設けられており、シールド掘進機の軸方向に並ぶテールシールとテールシールとの間には、該テールシール間を止水するテールシール間部材が設けられていることを特徴とするシールド掘進機である。
請求項２に係る発明は、前記テールシール間部材は、前記複数のテールシールのうち少なくとも一つのテールシールにシールド掘進機軸方向の後側から一体に延設されていることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機である。
請求項３に係る発明は、前記テールシール間部材は、水膨張性シール材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシールド掘進機である。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のシールド掘進機のテールシール交換方法であって、前記ガイドレールの始点に取付けられているテールシールを終点方向へ移動させることで、前記ガイドレールの終点に取付けられているテールシールを前記ガイドレールから押し出すことを特徴とするシールド掘進機のテールシール交換方法である。
また、別発明として、以下のものでもよい。
別発明１は、スキンプレートの内周面に交換可能なテールシールを有するシールド掘進機であって、前記シールド掘進機は、前記スキンプレートの内周面に設けられ、前記テールシールをスライド可能に取付けることが可能なガイドレールと、前記ガイドレールにスライド可能に取付けられた複数のテールシールと、を備え、前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面に、スパイラル状に設けられていることを特徴とするシールド掘進機である。

別発明２は、前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面を少なくとも一周回するようなスパイラル状に設けられており、シールド掘進機の軸方向に並ぶテールシールとテールシールとの間には、テールシール間部材が設けられていることを特徴とする別発明１に記載のシールド掘進機である。

別発明３は、前記テールシール間部材は、前記複数のテールシールのうち少なくとも一つのテールシールにシールド掘進機軸方向の後側から一体に延設されていることを特徴とする別発明２に記載のシールド掘進機である。

別発明４は、前記テールシール間部材は、水膨張性シール材を備えることを特徴とする別発明２または別発明３に記載のシールド掘進機である。

別発明５は、別発明１乃至４のうちいずれか１項に記載のシールド掘進機のテールシール交換方法であって、前記ガイドレールの始点に取付けられているテールシールを終点方向へ移動させることで、前記ガイドレールの終点に取付けられているテールシールを前記ガイドレールから押し出すことを特徴とするシールド掘進機のテールシール交換方法である。

本発明に係る構成により、交換作業が効率的で、交換されないテールシールがめくれないで止水性が確保されるとともに、最後列のテールシールを交換可能なシールド掘進機およびテールシールの交換方法を実現できる。

本発明の実施の形態におけるシールド掘進機の説明図である。 本発明の実施の形態におけるシールド掘進機の後胴の説明図である。 本発明の実施の形態におけるシールド掘進機の後胴のＡ−Ａ縦断図である。 図３における拡大図である。 本発明の実施の形態におけるシールド掘進機の後胴の斜視図である。 本発明の実施の形態におけるテールシールの斜視図である。 本発明の実施の形態におけるテールシールの斜視図である。 図３における拡大図である。 従来技術のテールシールの交換の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。なお、実施形態は例示であって、寸法値も示すこともあるが、本発明が当該寸法値には限定されず、実施形態にも限定されないことはいうまでもない。

図１に示すように、シールド掘進機１０は、前胴１１と後胴１２とを有している。シールド掘進機１０の後胴１２のスキンプレート１３で囲まれた内部には、トンネル構造体となるセグメント２０が組み立てられる。図１乃至図３に示すように、テールシール３０は、スキンプレート１３とセグメント２０との間に全体としてスパイラル状に配置されている。

テールシール３０は、スキンプレート１３の内周面にスパイラル状に形成されたガイドレール３２に複数の単位テールシール３１をスライド可能に係合して配置することで形成されている。このスパイラル状とは、シールド掘進機１０の前側を始点として、スキンプレート１３の内周面を一周回するに従ってシールド掘進機１０の軸方向への位置が後側へ移動する線形状のことである。そして、スキンプレート１３の内周面を一周回するまで配置された単位テールシール３１が一列のテールシール３０に相当する。
本実施の形態では、スキンプレート１３の内周面を丁度二周回するまで単位テールシール３１が配置されており、二列のテールシール３０を形成している。
本実施の形態においては、スパイラル状に配置された単位テールシール３１を始点から終点に向かって、順に３１−１、３１−２、３１−３、・・・、３１−ｎ−２、３１−ｎ−１、３１−ｎの符号を付して表している。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、単位テールシール３１には、ブラシ形式のものを採用している。単位テールシール３１の形状は、基本的には一般的なテールブラシと同様でブラシ部３１ａ、ベース部３１ｂとを有している。単位テールシール３１は、ブラシ部３１ａの先端からベース部３１ｂ側にかけてが弾性的にセグメント２０に接触することで、止水性能を発揮する。
単位テールシール３１は、スキンプレート１３の内周面方向に沿って湾曲している。単位テールシール３１のスキンプレート１３内周方向の長さは、５００ｍｍ程度に設定してある。

図４（Ｂ）に示すように、単位テールシール３１のベース部３１ｂは、前側と後側に前側係合部３１ｃと後側係合部３１ｄを有している。この前側係合部３１ｃと後側係合部３１ｄが、後述するガイドレール３２の前側ガイドレール３２ａと後側ガイドレール３２ｂとにスライド可能に係合するようになっている。本実施の形態では、前側係合部３１ｃは、ベース部３１ｂの前端部分で形成されている。後側係合部３１ｄは、ベース部３１ｂの後端部分から延出して設けられることで形成されている。なお、ベース部３１ｂ、前側係合部３１ｃ、後側係合部３１ｄはそれぞれ別部材で設けてもいいし、一体形成されても良い。

図４（Ｂ）に示すように、後側係合部３１ｄは、前側係合部３１ｃより高さが低くなっているが、これは、後述するテールシール間部材の水膨張性シール材３３が取付けられるためである。

ガイドレール３２は、複数の単位テールシール３１をスパイラル状に配置するためにスキンプレート１３の内周面に設けられたものである。本実施の形態では、二列のテールシール３０を形成しているので、スキンプレート１３の内周面を丁度二周分するようにスパイラル状に配置されている。その始点は、スパイラル状の始点に配置される単位テールシール３１−１に対応する点からで、終点は、スパイラル状の終点に配置される単位テールシール３１−ｎに対応する点までとなっている。

ガイドレール３２は、前側ガイドレール３２ａと後側ガイドレール３２ｂとで構成されている。前側ガイドレール３２ａは、単位テールシール３１の前側係合部３１ｃの前方向とスキンプレート１３から離間する方向への移動を規制する形状である。後側ガイドレール３２ｂは、単位テールシール３１の後側係合部３１ｄの後方向とスキンプレート１３から離間する方向への移動を規制する形状である。前側ガイドレール３２ａ、後側ガイドレール３２ｂおよびスキンプレート１３とで形成された溝に単位テールシール３１がスライド可能に係合される。

テールシール３０の交換時に単位テールシール３１並びにガイドレール３２およびスキンプレート１３の内周面とのスライドを可能にするために、摩擦を低減する手段を更に講じても良く、具体的には、グリース、ベアリング、ローラ等介在させる等の手段が挙げられる。また、前側ガイドレール３２ａ、後側ガイドレール３２ｂおよびスキンプレート１３とで形成された溝と単位テールシール３１との間にグリース等を充填させ、止水性を高めても良い。

図４（Ｂ）に示すように、後側ガイドレール３２ｂは、前側ガイドレール３２ａより高さが低くなっているが、これは、前側係合部３１ｃと後側係合部３１ｄとの高さの関係と同様に、後述するテールシール間部材の水膨張性シール材３３が取付けられるためである。

本実施の形態のテールシール３０の交換方法について、以下に説明する。なお、図面において、シールドジャッキは省略している。
シールド掘進機１０のカッターヘッドを回転させ地盤を掘削しながら、シールドジャッキを伸長させることにより、シールド掘進機１０を前進させる。次に、シールド掘進機１０のシールドジャッキを適宜縮小させながら、後胴１２のスキンプレート１３の内部でセグメント２０をリング状に組み立てる。これらの工程を繰り返すのが、基本的なシールド工法の流れである。

シールド掘進機１０の掘進が所定の距離となる等といった、テールシール３０を交換することが必要となれば、シールド掘進機１０の掘進を中断する。
テールシール３０の交換方法は、スパイラル状に配置されたテールシール３０の始点に配置された単位テールシール３１−１を、新しい単位テールシール３１−０で押してスライドさせ、スパイラル状の終点に配置された単位テールシール３１−ｎを押し出していく方法である。

図５乃至図７に示すように、スパイラル状の始点に配置された単位テールシール３１−１に、新しい単位テールシール３１−０を当接させ、前側係合部３１ｃと後側係合部３１ｄとを、前側ガイドレール３２ａと後側ガイドレール３２ｂとにそれぞれ係合させながら、始点に配置されていた単位テールシール３１−１の位置まで挿入する。この挿入により、始点に配置されていた単位テールシール３１−１が、その隣に配置されていた単位テールシール３１−２の位置まで移動する。この挿入は、図示しないジャッキをスキンプレート１３の円周方向に配置して、ジャッキを伸長させることで行う。
なお、始点に配置された単位テールシール３１−１を、直接ジャッキで押して移動させてから新しい単位テールシール３１−０を挿入しても良い。

新しい単位テールシール３１が始点に挿入されるとともに、スパイラル状に配置された各単位テールシール３１が、ガイドレール３２に沿って終点方向にスライド移動する。そして、終点に配置されていた単位テールシール３１−ｎが、ガイドレール３２の終端から外れることで、シールド掘進機１０から切り離される。

この工程を必要数繰り返すことで、消耗した単位テールシール３１を新しい単位テールシール３１に交換していく。必要数については、例えば、最後列の一列だけを交換するときは、新しい単位テールシール３１を一列分（スキンプレート１３の内周一週分）用意して、順に挿入すれば良い。二列を交換するときは、新しい単位テールシール３１を二列分用意して挿入する。

このようなテールシール３０によれば、消耗や欠損が最も予想される最後列のテールシール３０から交換でき、しかも、使用時間がもっとも長い終点の単位テールシール３１-ｎから交換できる。

また、始点の単位テールシール３１−１に力を加えるジャッキも一つで済ませることができ、ジャッキを複数設ける場合に比べると複雑な制御を必要としない。または、ジャッキを複数設けたとしても、単位テールシールの受圧箇所の範囲が小さいので、単位テールシールの部分的な変形も防止できる。

さらに、単位テールシール３１のブラシ部３１ａのベース部３１ｂからの延出方向が、単位テールシール３１のスライド方向に対してほぼ直角になり、平行とはならないことから、スライドさせる際に、ブラシ部３１ａの先端がセグメント２０の外周面に接触して抵抗となり難く、また、ブラシ部３１ａがめくりあがるという弊害も発生しない。

テールシール３０の交換作業のスライド移動に際して、単位テールシール３１が、セグメント２０が存在しない箇所から存在する箇所にスライド移動する箇所がある。図５乃至図７では、単位テールシール３１−３から単位テールシール３１−４へ移動する部分である。この箇所は、単位テールシール３１−３のブラシ部３１ａが、その弾性により起き上がりセグメント２０の側面に接触し、スライド移動の支障に成り得る。そのため、単位テールシール３１−３のブラシ部３１ａをその弾性に抗してスキンプレート１３の方向へ押し付けて、セグメント２０とスキンプレート１３との間に収まるようにしつつスライド移動させる。

スパイラル状のテールシール３０の列と列との間（一列目と二列目との間）には、空間が発生する。この空間に沿って、外部から地下水や土砂等が浸入するため、この列と列との間にテールシール間部材を配置する。
テールシール間部材としては、この空間を充填したグリースで構成するようにしても良い。しかしながら、グリースが外部に消耗していくなどによって、充填作業も頻繁になるおそれも生じ得る。よって、テールシール間部材として、水膨張性シール材３３を設けても良い。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すように、水膨張性シール材３３は、単位テールシール３１のベース部３１ｂやブラシ部３１ａの後側に一体に取付けられ、取付けた単位テールシール３１と一体となってスライド移動するものである。後側の列の前側ガイドレール３２ａや単位テールシール３１に対してスライド可能に当接するように配置される。
この水膨張性シール材３３は、膨張して空間を塞ぎ止水性を確保できるものであれば良い。また、グリースの充填と併用しても良い。併用の場合は、完全に空間を塞げなくとも止水性を確保できる。さらに、充填されたグリースにこのような水膨張性シール材３３を併用すれば、充填されたグリースが流出するのを防止する効果がある。グリースの流出を防止するという効果だけを図るのであれば、水膨張性シール材３３でなくとも、単なるグリース流出防止として流出の抵抗となる機能を備えるものであれば良い。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）では、水膨張性シール材３３は、膨張する前の状態のイメージを示している。図２、図５乃至図７では、水膨張性シール材３３は、膨張した後の状態のイメージを示している。図２、図５乃至図７では、水膨張性シール材３３は、スキンプレート１３の周方向に隣接する２つの単位テールシール３１にわたって取付けられている。このようにすると、隣接する２つの単位テールシール３１間の止水性が向上する。しかし、これに限らず、一つの単位テールシール３１に取付けられても良い。

水膨張性シール材３３は、数個の単位テールシール３１のうちの一つに設けるというように、間隔を空けて更に設けても良い。そのようにすると、グリースの流出防止効果も止水性も向上させることができる。

また、単位テールシール３１に取付ける水膨張性シール材３３に代えて、流体を充填することで空間を閉塞させる袋体を取付けるようにしても良い。このような袋体であれば、スライドさせる際には、止水性を確保した上で充填した流体を適宜な量で排出することで、スライド作業に際しての抵抗を低下させることができる。その際には、袋体に充填する流体の通路は、周方向に並ぶ単位テールシール３１のベース部３１ｂを貫通させて形成して、スパイラル状の始点付近に開口させるようにするなどして確保する。

本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば以下のようなものも含まれる。

本実施の形態では、テールシールにブラシ方式を採用したが、他の方式のものでも良い。
また、スキンプレート１３の内周面に前側ガイドレール３２ａと後側ガイドレール３２ｂを設けてガイドレール３２としたが、スキンプレート自体に溝を設けてテールシールをスライド移動可能に係合させるものでも良い。さらに、テールシール側に溝を設けて当該溝にスライド可能に係合するガイドレールをスキンプレートに設けるようにしても良い。

テールシールを交換する際にテールシールに接触するセグメントは、その接触面の摩擦係数が低いものにしても良い。例えば、ＲＣセグメントではなく鋼製セグメントとしたり、ＲＣセグメントの背面に鋼板を貼り付けたものとする。このようにすると、テールシールをスライドさせる際の抵抗を小さくすることができる。

いずれの実施形態における各技術的事項を他の実施形態に適用して実施例としても良い。

１０ シールド掘進機
１１ 前胴
１２ 後胴
１３ スキンプレート
２０ セグメント
３０ テールシール
３１ 単位テールシール
３１ａ ブラシ部
３１ｂ ベース部
３１ｃ 前側係合部
３１ｄ 後側係合部
３２ ガイドレール
３２ａ 前側ガイドレール
３２ｂ 後側ガイドレール
３３ テールシール間部材（水膨張性シール材）

Claims (4)

1. スキンプレートの内周面に交換可能なテールシールを有するシールド掘進機であって、
   前記シールド掘進機は、
   前記スキンプレートの内周面に設けられ、前記テールシールをスライド可能に取付けることが可能なガイドレールと、
   前記ガイドレールにスライド可能に取付けられた複数のテールシールと、
   を備え、
   前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面に、前記シールド掘進機の前側を始点として、前記スキンプレートの内周面を一周回するに従って前記シールド掘進機の軸方向への位置が後側へ移動する線形状のスパイラル状に設けられており、
   前記ガイドレールは、前記スキンプレートの内周面を少なくとも一周回し前記シールド掘進機の軸方向に並ぶ前記テールシールがラップする程度のスパイラル状に設けられており、
   シールド掘進機の軸方向に並ぶテールシールとテールシールとの間には、該テールシール間を止水するテールシール間部材が設けられている
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記テールシール間部材は、前記複数のテールシールのうち少なくとも一つのテールシールにシールド掘進機軸方向の後側から一体に延設されていることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記テールシール間部材は、水膨張性シール材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のシールド掘進機のテールシール交換方法であって、
   前記ガイドレールの始点に取付けられているテールシールを終点方向へ移動させることで、前記ガイドレールの終点に取付けられているテールシールを前記ガイドレールから押し出すことを特徴とするシールド掘進機のテールシール交換方法。

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