JP7188989B2 - トンネル掘削機及びトンネル掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルを掘削するトンネル掘削機及びトンネル掘削方法に関する。

従来、トンネルを掘削するシールド工法等では、掘削土砂に流動性を高めるための添加材として起泡剤等の気泡を含んだものを加えて排出する気泡シールド工法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５７－１８７４９８号公報

しかしながら、前記したような気泡シールド工法では、掘削土砂に加えた起泡剤等の気泡が地表に噴出してしまうことがあり、これによって付近の住民が不安を訴えるという問題が生じていた。また、地表や地下空間に噴出する気泡（空気）がそこに至る前に酸素を奪われて有害な酸欠空気となる場合もあり、この場合にはさらに深刻な問題が生じることとなっていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、気泡シールド工法等のトンネル掘削において気泡が地表や地下空間に噴出しないようにすることができるトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明は、前部に取り付けられて地山を掘削するカッタ部と、該カッタ部の後方に設けられて掘削土砂を取り込む隔室と、該隔室内の前記掘削土砂に流動性を付与する添加材を前記隔室内に注入する添加材注入手段と、注入された前記添加材が混合された前記掘削土砂を前記隔室内から排出する排土装置と、トンネル掘削機を前方に推し進める掘進手段と、を有するトンネル掘削機であって、前記添加材注入手段は、前記トンネル掘削機の後部に設けられたファインバブルを発生するファインバブル発生機と、該ファインバブル発生機に水を送り込む送水管と、前記ファインバブル発生機で製造された水と空気からなるファインバブル水を送り出すポンプと、該ポンプで送り出された前記ファインバブル水を送るバルブ水配管とからなり前記地山及び前記隔室内に前記添加材として前記ファインバブル水を注入し、該バブル水配管は、前記トンネル掘削機の後部から前部に向けて延びて前記隔室付近で分岐し、この枝分かれした一方の前記バブル水配管の吐出口が前記隔室に配置され、枝分かれした他方の前記バブル水配管が前記カッタ部中心軸の内部を通じて前記カッタ部中央から前記地山に前記ファインバブル水を注水する前記バブル水配管の吐出口と、前記吐出口の途中で前記バブル水配管が分岐して前記カッタ部周縁部に複数の前記バブル水配管の吐出口が配置されることで、前記地山及び前記隔室内に前記添加材として前記ファインバブル水を注入するファインバブル水注入手段であるトンネル掘削機としたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記ファイン
バブル水が気泡サイズが１μｍ以下の気泡からなるウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル水であるトンネル掘削機としたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記添加材注入手段は、前記添加材として、前記隔室内に前記ファインバブル水と共に加泥材を注入するように構成されたトンネル掘削機としたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の発明は、トンネル掘削機の前部に取り付けられたカッタ部で地山を掘削し、該カッタ部の後方に設けられた隔室に掘削土砂を取り込み、前記トンネル掘削機の後部に設けられたファインバブルを発生するファインバブル発生機と、該ファインバブル発生機に水を送り込む送水管と、前記ファインバブル発生機で製造されたファインバブル水を送り出すポンプと、該ポンプで送り出された前記ファインバブル水を送るバルブ水配管と、該バブル水配管が分岐することで前記地山及び前記隔室に前記ファインバブル水を注水する複数の吐出口とからなる添加材注入手段から前記地山及び前記隔室内に、前記掘削土砂に流動性を付与する前記ファインバブル水を注入し、該隔室に取り付けられた排土装置で前記隔室から前記ファインバブル水が混合された前記掘削土砂を排出し、掘進手段で前記トンネル掘削機を前方に推し進めると共に掘進時において前記地山に前記添加材注入手段を用いて前記添加材として前記ファインバブル水を注入するトンネル掘削方法であって、さらに前記隔室内にも、前記添加材注入手段としてのファインバブル水注入手段によって前記添加材として前記ファインバブル水を注入することを特徴とするトンネル掘削方法としたことを特徴とする。

本発明の請求項１及び４に記載の発明によれば、掘削土砂に流動性を付与する添加材としてファインバブル水を用いることで、微細な気泡が隔室内の土中に溶解して地表や地下空間に噴出しないようにすることができるため、従来の気泡のような、噴出による住民の不安や、酸欠空気の噴出による不具合を防止した上で、掘削土砂に流動性を付与することができる。

また、本発明の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、ファインバブルの中でもより微細なウルトラファインバブルを有しているため、より確実に気泡を隔室内の土中に溶解させて地表や地下空間に噴出しないようにすることができる。

また、本発明の請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の効果に加え、添加材としてファインバブル水と加泥材の双方を注入するため、掘削土砂に早く確実に流動性を付与することができる。

本発明の実施の形態に係るシールド掘削機を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、トンネル掘削機として、気泡シールド工法で使用するシールド掘削機を例にして説明し、トンネル掘削方法として、気泡シールド工法でのシールド掘削方法を例にして説明する。

図１は、本発明の形態に係るシールド掘削機１の構成を示す概略図である。

まず、図１を用いてシールド掘削機１の構成を説明する。

本実施の形態のシールド掘削機１は、その前部にカッタ部２と、隔室１０と、隔壁１３と、排土装置としてのスクリューコンベア５とを有し、その後部に掘進手段としてのシールドジャッキ（図示省略）を有しており、後部から前部に掛けて添加材注入手段を有する構成となっている。以下、詳細に説明する。

カッタ部２は、隔壁１３に支持された回転軸としてのセンターシャフト１４と、当該センターシャフト１４の前端部に取り付けられたカッタスポーク１６と、当該カッタスポーク１６の中央前面に設けられたフィッシュテール１２と、カッタスポーク１６の前面に多数設けられたカッタビット（図示省略）と、カッタスポーク１６の背面に取り付けられた複数本の攪拌翼１１とを有している。このカッタ部２は、図示しないカッタ駆動装置によって回転駆動され、前方の地盤１５を掘削し、掘削で生じた掘削土砂を隔室１０内に取り込むようになっている。なお、隔室１０は、カッタスポーク１６と隔壁１３とで囲まれた空間に形成されている。

また、隔室１０には、排土装置としてのスクリューコンベア５が取り付けられている。このスクリューコンベア５によって、掘削土砂が搬送されていくようになっている。

また、シールド掘削機１の後部から前部に掛けて、添加材注入手段を有している。このい添加材注入手段は、ファインバブル水を隔室１０に注入するファインバブル水注入手段となっており、特にここでは、ファインバブル水のうち、ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル水を隔室１０に注入するようになっている。

なお、ここで、ファインバブルとは、気泡のサイズが１００μｍ以下の気泡のことを指し、ウルトラファインバブルとは、気泡のサイズが１μｍ以下の気泡のことを指すものとする。このファインバブルは、水中での上昇速度が非常に遅いという特徴があり、通常の大きな気泡のように急速に浮上して水面で破裂することがない。また、ファインバブルは、この上昇の間に気泡内の気体が完全に水に溶解すると、気泡は水中で消滅する。これは、球形の気泡に働く界面張力が内部の気体を圧縮する力として機能する自己加圧効果が、気泡径が小さいほど強くなるということにより、ファインバブルは浮上しても膨張せずに収縮していくので、自己加圧効果により消滅するものである。またさらに、ウルトラファインバブルは、気泡が浮遊せずに液中に留まるようになっているため、より水面に浮上することがないものである。

この添加材注入手段は、ファインバブル発生機７と、当該ファインバブル発生機７に水を送り込む送水管８と、ファインバブル発生機７で製造されたファインバブル水を送り出すポンプ６と、ポンプ６で送り出されたファインバブル水を隔室１０に送るバブル水配管４と、当該バブル水配管４の枝分かれした先端部にそれぞれ設けられたファインバブル水を隔室１０内に吐出する複数の吐出口３とを有する構成となっている。複数の吐出口３は、ファインバブル水が隔室１０内に行き渡るように隔壁１３側の複数箇所から吐出するようになっている。また、この実施の形態では、ファインバブル水がカッタ部２の前方の地盤１５にも吐出されるようになっており、隔室１０に取り込む前から掘削土砂にファインバブル水を混合させるようになっている。これにより、隔室１０内での掘削土砂の流動性をより高めることができるようになっている。

そして、ファインバブル発生機７で製造されてバブル水配管４を通って吐出口３から隔室１０内に吐出されたファインバブル水は、カッタスポーク１６の背面に設けられた攪拌翼１１で掘削土砂とともに攪拌されて、掘削土砂とファインバブル水がよく混合されるようになっている。よく混合されて流動性が付与された掘削土砂が前記したスクリューコンベア５によって搬送されるようになっている。

また、シールドジャッキは、シールド筒（図示省略）の内部に互いに所定の間隔をおいて複数基設置されており、最前列のセグメント９に反力を取ってシールド掘削機１を前方に推進させるようになっている。

次に、本実施の形態のシールド掘削機１を用いたシールド掘削方法について説明する。

まず、カッタ部２の各構成と、シールドジャッキと、セグメント９と、添加材注入手段の各構成を設置する。

次に、ファインバブル発生機７でファインバブル水を製造してポンプ６でファインバブル水を送り出し、バブル水配管４の複数の先端部の吐出口３からファインバブル水を隔室１０内及びカッタ部２の前方に吐出しながら、カッタ部２のカッタスポーク１６をセンターシャフト１４を中心として回転させてフィッシュテール１２とカッタビットで地盤１５を掘削する。それと共に、シールドジャッキでシールド掘削機１を前方に推進させていく。

このようにしていくことで、確実に掘削土砂に流動性を付与して排出しながらトンネルを形成していくことができる。

このように本実施の形態では、掘削土砂に流動性を付与する添加材としてファインバブル水を用いることで、微細な気泡が隔室１０内の土中に溶解して地表や地下空間に噴出しないようにすることができるため、従来の気泡のような、噴出による住民の不安や、酸欠空気の噴出による不具合を防止した上で、掘削土砂に流動性を付与することができる。

また、本実施の形態では、ファインバブルの中でもより微細なウルトラファインバブルを有しているため、より確実に気泡を隔室１０内の土中に溶解させて地表や地下空間に噴出しないようにすることができる。

なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。

例えば、前記した実施の形態では、添加材としてファインバブル水（ウルトラファインバブル水）のみを使用していたが、これに限るものではなく、ファインバブル水と共に従来からあるスラリー等の加泥材も添加材と使用しても良い。このように、添加材としてファインバブル水と加泥材の双方を注入すれば、掘削土砂に早く確実に流動性を付与することができる。

また、前記した実施の形態のシールド掘削機１の構成や配置箇所については、適宜変更して構成されていても良い。

また、前記した実施の形態では、本発明をシールド工法（気泡シールド工法）に適用した例について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、同様の掘削方法で掘削機等の掘進手段が異なる推進工法等の他の工法にも適用可能である。本発明を推進工法に適用する際には、セグメントの代わりに管を立坑に設置したジャッキ等の掘進手段で後部から前方に推し進め、それに伴いトンネル掘削機全体を前方に推し進める構成となる。

１ シールド掘削機（トンネル掘削機）
２ カッタ部
３ 吐出口（添加材注入手段、ファインバブル水注入手段）
４ バブル水配管（添加材注入手段、ファインバブル水注入手段）
５ スクリューコンベア（排土装置）
６ ポンプ（添加材注入手段、ファインバブル水注入手段）
７ ファインバブル発生機（添加材注入手段、ファインバブル水注入手段）
８ 送水管（添加材注入手段、ファインバブル水注入手段）
９ セグメント
１０ 隔室
１１ 攪拌翼
１２ フィッシュテール
１３ 隔壁
１４ センターシャフト
１５ 地盤(地山)
１６ カッタスポーク

Claims (4)

1. 前部に取り付けられて地山を掘削するカッタ部と、
   該カッタ部の後方に設けられて掘削土砂を取り込む隔室と、
   該隔室内の前記掘削土砂に流動性を付与する添加材を前記隔室内に注入する添加材注入手段と、
   注入された前記添加材が混合された前記掘削土砂を前記隔室内から排出する排土装置と、
   トンネル掘削機を前方に推し進める掘進手段と、
   を有するトンネル掘削機であって、
   前記添加材注入手段は、前記トンネル掘削機の後部に設けられたファインバブルを発生するファインバブル発生機と、該ファインバブル発生機に水を送り込む送水管と、前記ファインバブル発生機で製造された水と空気からなるファインバブル水を送り出すポンプと、該ポンプで送り出された前記ファインバブル水を送るバルブ水配管とからなり前記地山及び前記隔室内に前記添加材として前記ファインバブル水を注入し、
   該バブル水配管は、前記トンネル掘削機の後部から前部に向けて延びて前記隔室付近で分岐し、この枝分かれした一方の前記バブル水配管の吐出口が前記隔室に配置され、枝分かれした他方の前記バブル水配管が前記カッタ部中心軸の内部を通じて前記カッタ部中央から前記地山に前記ファインバブル水を注水する前記バブル水配管の吐出口と、前記吐出口の途中で前記バブル水配管が分岐して前記カッタ部周縁部に複数の前記バブル水配管の吐出口が配置されることで、前記地山及び前記隔室内に前記添加材として前記ファインバブル水を注入するファインバブル水注入手段であることを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記ファインバブル水が気泡サイズが１μｍ以下の気泡からなるウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル水であることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記添加材注入手段は、前記添加材として、前記隔室内に前記ファインバブル水と共に
   加泥材を注入するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘
   削機。
4. トンネル掘削機の前部に取り付けられたカッタ部で地山を掘削し、
   該カッタ部の後方に設けられた隔室に掘削土砂を取り込み、
   前記トンネル掘削機の後部に設けられたファインバブルを発生するファインバブル発生機と、該ファインバブル発生機に水を送り込む送水管と、前記ファインバブル発生機で製造されたファインバブル水を送り出すポンプと、該ポンプで送り出された前記ファインバブル水を送るバルブ水配管と、該バブル水配管が分岐することで前記地山及び前記隔室に前記ファインバブル水を注水する複数の吐出口とからなる添加材注入手段から前記地山及び前記隔室内に、前記掘削土砂に流動性を付与する前記ファインバブル水を注入し、
   該隔室に取り付けられた排土装置で前記隔室から前記ファインバブル水が混合された前記掘削土砂を排出し、
   掘進手段で前記トンネル掘削機を前方に推し進めると共に掘進時において前記地山に前記添加材注入手段を用いて前記添加材として前記ファインバブル水を注入するトンネル掘削方法であって、
   さらに前記隔室内にも、前記添加材注入手段としてのファインバブル水注入手段によって前記添加材として前記ファインバブル水を注入することを特徴とするトンネル掘削方法。

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