JP6967946B2 - シールド掘削機のセグメント組立装置及び組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセグメントをリング状に組み立ててトンネル覆工を築造するためのシールド掘削機のセグメント組立装置及びセグメント組立方法に関するものである。

従来から、シールド掘削機による掘削されたトンネル穴の内周面の土壁にセグメントリングを組み立てて一次覆工するシールド工法が知られている。近年、道路トンネルやリニア新幹線等の超大口径のシールドトンネルが施工されている。トンネルの直径が大きくなることでセグメントの厚みは大きくなるが、その弧長はセグメントの道路運搬やトンネルの杭内運搬時等の寸法制約から大型化できない。そのため、超大口径トンネルになると１リングを構築するセグメントの数が増大し、グリップ装置によるセグメントの搬送回数が増大するため、組み立て工数が増大している。

ところで、シールド工法によりトンネルを掘進するに従ってその掘削壁面にセグメントを組み立て施工する組立装置や組立方法として、例えば特許文献１に記載されたものが提案されている。
特許文献１に記載のシールド掘進機は、旋回フレームの後方に設けた支持フレームに一対の吊りビームを設け、グリップ装置として前側の吊りビームに第一セグメント保持機構を配設し、後側の吊りビームに第二セグメント保持機構を配設している。第一セグメント保持機構と第二セグメント保持機構の一方を選択して用いることで、他の部材と干渉することなく、異なる形状の複数種類のセグメントを１基のシールド掘削機のエレクター装置で組み立てることができるようにしている。

特開２０１０−７０９９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたセグメントの組立装置では、第一セグメント保持機構と第二セグメント保持機構の一方を選択して単一のセグメントの運搬と組立を行わなければならない。そのため、超大口径トンネルの構築の際に、リングを構築するセグメントの数が増大し組み立て工数が増大してしまうため、超大口径トンネルの施工期間が長期化してコスト高になるという問題を改善できなかった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、超大口径トンネルであっても短期間で効率的にセグメントを組み立てて組立期間を短縮できるようにしたシールド掘削機のセグメント組立装置及び組立方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明に係るシールド掘削機のセグメント組立装置は、シールド掘削機に配設されていて回転可能な回転フレームと、回転フレームに設けられていて径方向に進退可能な吊りビームと、吊りビームに設けられていてセグメントをそれぞれ保持可能な１または複数のグリップ装置と、を備え、回転フレームの回転によっていずれかのグリップ装置で保持する複数のセグメントを搬送して組み立てることを特徴とする。
本発明によれば、いずれかのグリップ装置に複数のセグメントを保持させ、回転フレームの回転に沿って回転する吊りビームで１または複数のグリップ装置を回転させ、吊りビームを径方向外側に移動させてグリップ装置のいずれかで保持する複数のセグメントを周方向に連結して順次セグメントリングを構築する。

また、複数のグリップ装置のいずれかで一のセグメントを保持すると共に、該一のセグメントに他のセグメントが連結されていることが好ましい。
１のグリップ装置で互いに連結された複数のセグメントの１個を保持して搬送し、既設のセグメントに連結することで、短時間で効率的にセグメントを組み立てできる。しかも、グリップ装置は一のセグメントのみを保持し、このセグメントに他のセグメントが連結された構成を有しているため、グリップ装置同士の位置ずれ等に起因して複数のセグメントのいずれかにクラックが入ったりセグメント同士が互いに衝突して損傷したりすることを阻止できる。

また、一のセグメントを保持するグリップ装置は、回転フレームの回転方向前方側に位置していることが好ましい。
複数のグリップ装置における回転フレームの回転方向前方側に位置するグリップ装置で一のセグメントを保持してこれに連結された他のセグメントも含めて複数のセグメントを搬送することで、短時間で効率的にセグメントを組み立てできる。

本発明によるシールド掘削機のセグメント組立方法は、シールド掘削機に配設された回転フレームを周方向に回転させることで、セグメントを組み立てるようにしたシールド掘削機のセグメント組立方法であって、回転フレームに設けた吊りビームに固定した１または複数のグリップ装置のいずれかで複数のセグメントを保持し、回転フレームを一方向に回転させることで、上述した１または複数のグリップ装置のいずれかで保持する複数のセグメントを搬送して組み立て、次に回転フレームを逆方向に回転させることで、１または複数のグリップ装置のいずれかで保持する複数のセグメントを逆方向に搬送して組み立てることを特徴とする。
本発明によれば、１または複数のグリップ装置のいずれかによって複数のセグメントを一方向と逆方向に交互に搬送して組み立てることで、短時間で効率的にセグメントを組み立てできる。

また、複数のグリップ装置の移動方向前方側のグリップ装置で一のセグメントを保持すると共に、該一のセグメントに他のセグメントが連結されていることが好ましい。
グリップ装置は一のセグメントのみを保持し、このセグメントに他のセグメントが連結された構成を有しているため複数のセグメントを効率的に同方向に搬送でき、グリップ装置同士の位置ずれ等に起因して複数のセグメントのいずれかにクラックが入ったり互いに衝突して損傷したりすることを阻止できる。

本発明によるシールド掘削機のセグメント組立装置及びセグメント組立方法によれば、１または複数のグリップ装置で複数のセグメントを周方向に同時に搬送させて組み立てるため、効率的に複数のセグメントを組み立てできて施工時間を短縮できる。

本発明の実施形態によるシールド掘削機のエレクター装置を示す要部断面図である。 図１に示すエレクター装置のＡ−Ａ線縦断面図である。 実施形態によるエレクター装置を一方向に搬送した組み立て工程の断面図である。 実施形態によるエレクター装置を他方向に搬送した組み立て工程の断面図である。

以下、本発明の実施形態によるシールド掘削機のセグメント組立装置及びセグメント組立方法について図１〜図４を参照して説明する。
図１〜図４は実施形態による掘削断面を有するシールド掘削機１のセグメント組立装置であるエレクター装置５を示すものである。
図１及び図２に示す本実施形態によるシールド掘削機１には、シールドフレーム２の筒体状の内周面に沿ってセグメントＳを組み立てるセグメント組立装置としてエレクター装置５が設置されている。トンネル穴Ｔは、地山をカッタヘッドの回転で掘り進むシールド工法によって形成される。セグメントＳは筒状体を周方向に所定長さに分割した円弧板状に形成され、トンネル掘進方向の前後に例えばボルトで既設のセグメントＳの前端に組み付けられる。

エレクター装置５は、シールド掘削機１の後部に取り付けられている。エレクター装置５は、シールド掘削機１の外殻をなす筒状のシールドフレーム２の中心軸と同軸に設けられた環状の回転フレーム６が設けられている。回転フレーム６は、その外周側で周方向に所定間隔で設置された複数の回転支持ローラ７によってシールドフレーム２の中心軸と同軸に回転可能に支持されている。回転フレーム６には、トンネル掘進方向後方側に略Ｕ字状に形成された吊りビーム８が径方向に進退可能に設置されている。

吊りビーム８は、両側部に設けられた一対の支持アーム部１０と各支持アーム部１０の端部同士を連結するアーチ型または山型をなす保持部材１１とで形成されている。支持アーム部１０の径方向外側には、回転フレーム６に固定された固定枠１２が設けられ、固定枠１２には支持アーム部１０を径方向に進退移動させるための油圧ジャッキ１３が連結されている。そのため、油圧ジャッキ１３の伸縮によって支持アーム部１０を介して吊りビーム８を径方向に進退可能に支持している。
保持部材１１の中央側にはそれぞれセグメントＳを保持するための一対のグリップ装置１５が連結されている。これら一対のグリップ装置１５の一方を第一グリップ装置１５Ａとし、他方を第二グリップ装置１５Ｂとする。各グリップ装置１５Ａ，１５Ｂは、セグメントＳの内周面の中央に形成したねじ穴に捩じ込む仮止め用の雄ねじを挟み込む装置を備えていてセグメントＳを把持することができる。第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５Ｂの両側には、セグメントＳの両端部をそれぞれシールドフレーム２の土壁に押圧して位置調整するための一対の押圧ジャッキ部１６が設けられている。

第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５Ｂは、それぞれ把持するセグメントＳを互いに継手面に設けたボルトやコッター等の継手で連結可能であり、既設の主桁面に設けたボルトやコッター等の継手とも連結可能である。第一グリップ装置１５Ａ及び第二グリップ装置１５Ｂは、各セグメントＳを位置調整するために、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に微少移動可能とされている。
これらのグリップ装置１５は１台で２個以上のセグメントＳの重量を支持可能である。例えば、継手同士で連結された２つのセグメントＳの一方をいずれかのグリップ装置１５で把持して搬送させることができる。図１において、吊りビーム８が時計回り（左方向）に移動する場合には、左側の第一グリップ装置１５Ａで左側のセグメントＳを把持して移動可能であり、反時計回り（右方向）に移動する場合には、右側の第二グリップ装置１５Ｂで右側のセグメントＳを把持して移動可能である。

図２において、シールド掘削機１内には、エレクター装置５で組み立てたセグメントＳを前方から後方に押し付けるためのセグメント押し付け用のジャッキ１８と、セグメントＳを組み立てたトンネル壁１９の形状を内面から保持するための形状保持装置２０とが設けられている。形状保持装置２０は上下方向に拡張する上下フレーム２０ａ、２０ｂ間に上下フレーム２０ａ、２０ｂを拡張するジャッキ２０ｃが設置されている。

ここで、吊りビーム８の保持部材１１に設けた第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５Ｂで２つのセグメントＳを個別に把持して移動しようとする場合、継手で２つのセグメントＳが連結されていると、左右の第一及び第二グリップ装置１５Ａ，１５Ｂの微細な位置ずれによって各セグメントＳに荷重のずれが生じて応力でクラック等が入るおそれがある。また、２つのセグメントＳ同士が連結されていない場合には、グリップ装置１５の移動時にセグメントＳの位置ずれや振動等でセグメントＳ同士が衝突して損傷する恐れがある。

これに対し、継手で連結した２つのセグメントＳの一方をいずれかのグリップ装置１５で支持する場合には、上述したセグメントＳに応力でクラックが入ったり、セグメントＳ同士の衝突等を生じたりすることなく搬送できる。
なお、グリップ装置１５によるセグメントＳの把持は、セグメントＳの雌ねじに螺合された雄ねじとエレクター装置５の挟み込み部との連結に限定されるものではない。例えばグリップ装置１５にバキュームパッドを設けて、セグメントＳを吸着したり解放したりするバキューム方式を用いてもよく、他の適宜の仮止め機構を採用できる。

本実施形態によるシールド掘削機１のエレクター装置５は上述した構成を備えており、次にセグメントＳの組立方法について図１〜図４により説明する。
図１において、セグメントリングの基準となる最初のセグメントＳをセグメントＳ０、Ｓ１とし、その後に順次供給されるセグメントＳをＳ２，Ｓ３，Ｓ４，……とする。
先ず掘進工程において、シールド掘削機１のカッタでトンネル穴Ｔの前面の土壁を掘削してトンネル穴Ｔを掘進する。シールド掘削機１を例えばセグメントリングのトンネル軸方向の幅分だけ前進させて回転フレーム６と共にエレクター装置５も前進させ、新たなセグメントリングを構築するスペースを既設セグメントリングの前方に確保する。

セグメントＳの組立工程において、セグメントＳは図示しないセグメント供給装置によってエレクター装置５の近傍に搬送させる。エレクター装置５の第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５Ｂで最初の２つのセグメントＳ０、Ｓ１をそれぞれ把持して仮固定し、図１に示すように、トンネルの最下端部(基準位置)側に位置させる。そして、油圧ジャッキ１３を駆動して吊りビーム８を径方向外側に移動させ、セグメントＳ０，Ｓ１をシールドフレーム２の最下端部の筒体に位置させる。
次に、各グリップ装置１５の両側に設けた押圧ジャッキ部１６でセグメントＳ０，Ｓ１を筒体に押圧させ、第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５ＢをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に微少移動させて２つのセグメントＳ０，Ｓ１と既設のセグメントＳとの各主桁面の継手の位置合わせを行う。また、セグメントＳ０，Ｓ１の各継手面の継手の位置合わせを行う。そして、既設セグメントとセグメントＳ０，Ｓ１の主桁面の継手同士、セグメントＳ０，Ｓ１の継手面の継手同士のボルトやコッター等を作業者が連結する。なお、後続の作業においても、既設セグメントと新たに搬送、構築するセグメントＳとの主桁面の継手同士の連結は同様に行われる。

次に供給されるセグメントＳ２、Ｓ３は例えばトンネルの最下端部のセグメントＳ０、Ｓ１の上に載置される。第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５ＢでセグメントＳ２、Ｓ３を把持して微少位置調整をしてセグメントＳ２、Ｓ３の継手面を継手で連結させ、第二グリップ装置１５ＢをセグメントＳ３から分離する。すると、互いに連結されたセグメントＳ２、Ｓ３はセグメントＳ２が第一グリップ装置１５Ａで片持ち支持された状態になる。
次に、図３に示すように、回転支持ローラ７を駆動させることで回転フレーム６を例えば時計回りに回転させ、吊りビーム８を一体に時計回りに回転させる。互いに連結された２つのセグメントＳ２、Ｓ３は第一グリップ装置１５Ａで前方側のセグメントＳ２を把持された状態で時計回りに回転させられる。その際、第二グリップ装置１５ＢはセグメントＳ３と連結されていない。そのため、第一グリップ装置１５Ａに保持されたセグメントＳ２に対してセグメントＳ３は自重で第二グリップ装置１５Ｂに対して若干離間して相互の距離が広がる。そして、セグメントＳ３が底部のセグメントＳ０に重ならない位置に移動した位置で回転フレーム６を停止させる。

この位置で、油圧ジャッキ１３を駆動することで吊りビーム８を径方向外側に移動させ、第一グリップ装置１５Ａで把持されたセグメントＳ２、Ｓ３が底部のセグメントＳ０，Ｓ１に隣接する位置でシールドフレーム２の筒体に載置される。次いで、各グリップ装置１５の両側の押圧ジャッキ部１６でセグメントＳ２とセグメントＳ２を土壁に押圧して位置調整させ、セグメントＳ３とセグメントＳ０を作業者が継手で連結させる。
そして、第一グリップ装置１５ＡからセグメントＳ２を分離させ、吊りビーム８を径方向中心側の位置に移動させる。次いで、回転支持ローラ７を逆回転させることで、吊りビーム８と共に回転フレーム６を図１に示す基準位置に戻す。

次に供給されるセグメントＳ４、Ｓ５がトンネルの最下端部のセグメントＳ０、Ｓ１の上に載置される。第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５ＢでセグメントＳ４、Ｓ５を把持して微少位置調整をしてセグメントＳ４、Ｓ５を継手で連結させ、第一グリップ装置１５ＡをセグメントＳ５から分離する。互いに連結されたセグメントＳ４、Ｓ５はセグメントＳ４が第二グリップ装置１５Ｂで片持ち支持された状態になる。
そして、図４に示すように、回転支持ローラ７を駆動させることで回転フレーム６を反時計回りに回転させ、吊りビーム８を一体に反時計回りに回転させる。互いに連結された２つのセグメントＳ４、Ｓ５は第二グリップ装置１５ＢでセグメントＳ４を把持された状態で反時計回りに回転させられる。第一グリップ装置１５ＡはセグメントＳ５と連結されていないため、搬送時にセグメントＳの荷重で若干相互の距離が広がる。そして、セグメントＳ５が底部のセグメントＳ１に重ならない位置に移動した位置で回転フレーム６を停止させる。

この位置で、油圧ジャッキ１３を駆動することで吊りビーム８を径方向外側に移動させ、第二グリップ装置１５Ｂで把持されたセグメントＳ４、Ｓ５が底部のセグメントＳ０，Ｓ１に隣接する位置でシールドフレーム２の筒体に載置される。次いで、各グリップ装置１５の両側の押圧ジャッキ部１６でセグメントＳ４とセグメントＳ５を筒体に押圧させて位置調整させ、セグメントＳ５とセグメントＳ１を作業者が継手で連結させる。そして、第二グリップ装置１５ＢからセグメントＳ４を分離し、吊りビーム８を径方向中心側の位置に移動させる。回転支持ローラ７を逆回転させることで、吊りビーム８と共に回転フレーム６を基準位置に戻す。
このような作業を順次繰り返すことで、シールドフレーム２の筒体の底部に固定したセグメントＳ０，Ｓ１の両側に各２個のセグメントＳを順次取り付けできるため、セグメントリングの組立が効率的になり、組立時間を短縮させることができる。

上述のように本実施形態によるシールド掘削機１のエレクター装置５及びセグメント組立方法によれば、回転フレーム６と一体に正逆回転する２台の第一及び第二グリップ装置１５Ａ，１５Ｂで基準位置のセグメントＳ０、Ｓ１の両側に交互に２個ずつセグメントＳを搬送して組み立てることができる。そのため、セグメントリングの組み立て時間が従来の半分の時間で済み、短時間で効率的にセグメントリングを構築できる。
しかも、最下端部である基準位置のセグメントＳ０、Ｓ１の周方向両側に交互に各２個のセグメントＳを下側から上側に向けて連結して組み立てるため、セグメントＳの自重によって緊密に精度良くセグメントリングを組み立てできる。

しかも、第一グリップ装置１５Ａ及び第二グリップ装置１５Ｂの一方で、互いに連結された２個のセグメントＳの一方を把持して搬送できるため、２個のセグメントＳにクラックが入ったり互いに衝突して損傷したりすることを防止できて確実に搬送し取り付けできる。
これに対し、吊りビーム８に設けた第一グリップ装置１５Ａ，第二グリップ装置１５Ｂで２つのセグメントＳを個別に把持して搬送すると、２つのセグメントＳが継手で連結されている場合には左右の第一及び第二グリップ装置１５Ａ，１５Ｂの微細な位置ずれによって各セグメントＳに荷重や応力のずれが生じてクラック等が入るおそれがある。また、２つのセグメントＳ同士が連結されていない場合には、搬送時のセグメントＳの位置ずれや振動等でセグメントＳ同士が接触したり衝突したりして損傷する恐れがある。

以上、本発明の実施形態によるシールド掘削機１のエレクター装置５及びセグメント組立方法について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の変形例等について説明するが、上述した実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

上述した実施形態では、回転フレーム６に取り付けた吊りビーム８の保持部材１１に設けた第一グリップ装置１５Ａ、第二グリップ装置１５Ｂにおいて、回転フレーム６の回転方向前方側のグリップ装置１５で連結された２個のセグメントＳの搬送方向前方側のものを仮固定して搬送するようにしたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば回転フレーム６の回転方向後方側のグリップ装置１５で連結された２個のセグメントＳの他方を仮固定して搬送するようにしてもよい。
この場合、グリップ装置１５に把持されない搬送方向前方側のセグメントＳは、自重のためにグリップ装置１５との距離が若干開くため搬送抵抗になる。

上述した実施形態や変形例では、トンネル穴Ｔの最下端部のセグメントＳ０、Ｓ１を基準にしてその両側に交互に２ピースのセグメントＳを組み立てることで上方に向けてセグメントリングを構築するようにした。このような組立方法によれば、連結した各セグメントＳから基準位置のセグメントＳ０、Ｓ１に向けて自重が加わるため、隣り合うセグメントＳ間の連結距離が緻密になりセグメントＳの組立精度が向上する。
しかし、トンネル穴Ｔの上端部や中間高さのセグメントＳを基準位置としてその両側に交互にセグメントを組み立てるようにしてもよい。或いは、第一グリップ装置１５Ａ及び第二グリップ装置１５Ｂで一方向に２個のセグメントＳを搬送して順次取り付けるようにしてもよい。

また、超大口径トンネルの内径が例えば１６ｍより更に大きな口径になった場合には組み立てるセグメント数も更に増大することになる。この場合には、吊りビーム８の保持部材１１に３台またはそれ以上のグリップ装置１５を連続して固定してもよい。この場合には、３個のセグメントＳまたはそれ以上の数のセグメントを１台のグリップ装置１５で把持してシールドフレーム２の周方向両側に順次搬送してもよい。

また、上述した組立方法に代えて、トンネル穴Ｔの最下端部のセグメントＳ０が１個だけでもよい。または、基準位置のセグメントＳを設置しないで、第一グリップ装置１５Ａ及び第二グリップ装置１５Ｂで順次２個のセグメントＳを把持して周方向両側に２個ずつ搬送して順次取り付けるようにしてもよい。
また、吊りビーム８の保持部材１１に１つのグリップ装置１５を設けて、このグリップ装置１５に１のセグメントＳを仮固定し、このセグメントＳに他のセグメントＳを継手で固定するようにしてもよい。この構成で回転フレーム６を正逆方向に回転させることで、グリップ装置１５で複数個のセグメントＳを正逆方向に搬送して、基準位置のセグメントＳ０，Ｓ１の両側に順次取り付け固定するようにしてもよい。

１ シールド掘削機
２ シールドフレーム
５ エレクター装置
６ 回転フレーム
７ 回転支持ローラ
８ 吊りビーム
１３ 油圧ジャッキ
１５ グリップ装置
１５Ａ 第一グリップ装置
１５Ｂ 第二グリップ装置
１６ 押圧ジャッキ部
Ｓ、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２ セグメント
Ｔ トンネル穴

Claims (5)

1. シールド掘削機に配設されていて回転可能な回転フレームと、
   前記回転フレームに設けられていて径方向に進退可能な吊りビームと、
   前記吊りビームに設けられていてセグメントをそれぞれ保持可能な複数のグリップ装置と、を備え、
   前記回転フレームの回転によって前記グリップ装置のいずれかで保持する継手面が連結された複数のセグメントを搬送して組み立てるようにしたことを特徴とするシールド掘削機のセグメント組立装置。
2. 前記複数のグリップ装置のいずれかで一の前記セグメントを保持すると共に、該一のセグメントに他のセグメントが連結されている請求項１に記載されたシールド掘削機のセグメント組立装置。
3. 前記一のセグメントを保持する前記グリップ装置は、前記回転フレームの回転方向に移動している前記複数のグリップ装置のうちの先頭のグリップ装置である請求項２に記載されたシールド掘削機のセグメント組立装置。
4. シールド掘削機に配設された回転フレームを周方向に回転させることで、セグメントを組み立てるようにしたシールド掘削機のセグメント組立方法であって、
   前記回転フレームに設けた吊りビームに固定した複数のグリップ装置のいずれかで継手面が連結された複数のセグメントを保持し、
   前記回転フレームを一方向に回転させることで、前記複数のグリップ装置のいずれかで保持する継手面が連結された複数のセグメントを搬送して組み立て、
   次に前記回転フレームを逆方向に回転させることで、前記複数のグリップ装置のいずれかで保持する継手面が連結された複数のセグメントを逆方向に搬送して組み立てることを特徴とするシールド掘削機のセグメント組立方法。
5. 前記回転フレームの回転方向に移動している前記複数のグリップ装置のうちの先頭のグリップ装置で一のセグメントを保持すると共に、該一のセグメントに他のセグメントが連結されている請求項４に記載されたシールド掘削機のセグメント組立方法。

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