JP7412860B2 - 泥水式シールド掘進機および泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、カッタチャンバ内の泥水に所定の圧力を加えることで切羽を安定させながら地山を掘削してトンネルを形成する泥水式シールド掘進機に関するものである。

地盤中にトンネルを構築するシールド工法では、発進立坑内でシールド掘進機を組み立てて発進させ、地中を掘進させる。そして、到達立坑に到達したならば、到達立坑内でシールド掘進機を分解して地上に搬出する。

また、シールド工法に用いられるシールド掘進機には、掘削土を泥土化して所定の圧力を与えることにより切羽を安定させながら地山を掘削する泥土圧シールド掘進機や、カッタチャンバ内の泥水に所定の圧力を加えることで切羽を安定させながら地山を掘削する泥水式シールド掘進機などがある。

ここで、泥水式シールド掘進機では、泥水が送泥管からカッタチャンバ内に常時供給されており、また、カッタチャンバ内の泥水圧を圧力計で計測して管理している。そして、カッタチャンバ内の泥水圧が切羽前方の圧力（土圧および水圧）をやや上回るようにして当該切羽前方の圧力にカッタチャンバ内の泥水圧で対抗することで切羽を安定させている。そして、掘削時には、カッタチャンバ内に溜められた泥水がカッタチャンバに取り込まれた掘削土とともに排泥管から外部に排出される（掘削モード）。また、セグメント組立時など掘削を休止する際には、送泥管と排泥管とを連通するバイパス配管に設けられたバルブ（バイパス用バルブ）を開放するとともに、送泥管および排泥管のバイパス配管よりもカッタヘッド側に設けられたバルブ（送泥用バルブ・排泥用バルブ）を閉鎖して、カッタチャンバを切り離した状態で泥水を循環させる（バイパスモード）。さらに、セグメントの組み立てが完了して掘削を再開する際には、バイパス用バルブを閉鎖するとともに、送泥用バルブおよび排泥用バルブを開放する。

カッタヘッドには、掘削した土砂をカッタチャンバ内に取り込むための隙間があり、カッタチャンバ内の泥水は切羽の地山を押さえる。カッタチャンバ内に供給される泥水には、泥分にベントナイトや高分子添加剤などが混入されており、これによって切羽面に膜（泥膜）を形成して、切羽前方の圧力に対抗している。そして、砂質土で水が抜けやすい地盤などの場合は泥水の流入量が大きくなる（逸泥状態）ので、泥水中の泥分や高分子添加剤を多くするとともに泥水の供給量を増やし、泥水の排出量を増やしてカッタチャンバ内の圧力を安定させる操作を行っている。また、粘質土で水が抜けにくい地盤などの場合は、これとは逆の操作を行っている。

ここで、泥水式シールド掘進機での掘削においては、地盤の土質によるカッタチャンバ内の泥水圧の変動に応じて当該カッタチャンバ内に供給する泥水の濃度を調整するとともに、送泥管および排泥管の流量を調節する必要がある。しかしながら、複雑な地盤や高水圧下ではカッタチャンバ内の泥水圧が急激に変動することがあり、このような濃度調整や流量調整が間に合わない場合には、地山への悪影響が生じて崩落の可能性もある。

また、バイパスモードから掘削モードに移行する際には、各バルブの閉鎖や開放が瞬時に行なわれるためにカッタチャンバ内の泥水圧が大きく変動し、これに伴って、切羽地山やカッタヘッド、送泥管、排泥管などに悪影響が出る可能性がある。

そこで、特許文献１（特開２０１３－０８３１１０号公報）や特許文献２（特開２００２－１８０７８１号公報）には、カッタチャンバとは別に、圧縮空気の弾力性を利用したチャンバを設け、カッタチャンバ内の泥水の水面の変動に対応することで泥水圧の急激な変動を緩和する技術が提案されている。

具体的には、特許文献１に記載の技術は、第１のチャンバであるカッタチャンバの後方に第２のチャンバであるエアチャンバを設けてチャンバ全体を縦割りの２槽にした構造である。後方のエアチャンバは、下方でカッタチャンバと接続されて泥水が供給され、上方はコンプレッサに接続されて圧縮空気が供給されるようになっている。そして、カッタチャンバにかかる圧力が変動した場合、エアチャンバ内の水面が上下するが、それに伴って圧縮空気が供給もしくは排出されてカッタチャンバ内の泥水の圧力変動が緩和される。

また、特許文献２に記載の技術は、第１のチャンバであるカッタチャンバとは離れたトンネル内に第２のチャンバである圧力調整タンクを設けた構造である。圧力調整タンクは下方がカッタチャンバと接続されて泥水が供給され、上方が圧縮空気を封入したダンパタンクと接続されて圧縮空気が供給される。そして、カッタチャンバにかかる圧力が変動した場合に圧力調整タンク内の水面が上下するが、それに伴って圧縮空気が供給もしくは排出されてカッタチャンバ内の泥水の圧力変動が緩和される。

特開２０１３－０８３１１０号公報 特開２００２－１８０７８１号公報

このように第１のチャンバ（カッタチャンバ）に加えて圧縮空気と泥水とが収容された第２のチャンバ（エアチャンバ・圧力調整タンク）を設け、第１のチャンバと第２のチャンバとの間を泥水が往来することで第１のチャンバ内の泥水圧の急激な変動を緩和する泥水式シールド掘進機では、第２のチャンバから第１のチャンバへと泥水が流出し続けることがある。

すると、第２のチャンバによる第１のチャンバ内の泥水圧の急激な変動に対応しきれなくなってしまう。さらに、第２のチャンバ内の泥水量が下限水位を下回った異常低位となった場合には、泥水式シールド掘進機の掘進が停止することになる。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、第２のチャンバから第１のチャンバへ泥水が流出し続けることを防止できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、カッタヘッドと隔壁との間に形成された第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変動を緩和する第２のチャンバと、前記調圧配管の前記隔壁における接続高さと同一の高さに設置され、前記調圧配管の接続高さにおける前記第１のチャンバ内の泥水圧を検知する泥水圧検知手段と、前記第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を、前記泥水圧検知手段によって検知された泥水圧と同一の圧力になるように調整する圧力調整手段と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項１記載の発明において、前記第２のチャンバ内に圧縮空気を常時供給する圧縮空気供給手段をさらに有し、前記圧力調整手段は、前記第２のチャンバ内から所定量の圧縮空気を常時排出して当該第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を調整する圧力調整バルブである、ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項１または２記載の発明において、前記調圧配管の前記隔壁における接続高さは、前記第１のチャンバ内の泥水圧が切羽前方の圧力に対抗する圧力になるよう管理する泥水圧管理高さである、ことを特徴とする。

請求項４に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項３記載の発明において、前記泥水圧管理高さは、前記隔壁の高さ方向の中央である、ことを特徴とする。

上記課題を解決するため、請求項５に記載の本発明の泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法は、カッタヘッドと隔壁との間に形成された第１のチャンバと、圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変動を緩和する第２のチャンバと、を備えた泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法であって、前記第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を、前記調圧配管の前記隔壁における接続高さでの前記第１のチャンバ内の泥水圧と同一の圧力にする、ことを特徴とする。

請求項６に記載の本発明の泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法は、上記請求項５記載の発明において、前記調圧配管の前記隔壁における接続高さを、前記第１のチャンバ内の泥水圧が切羽前方の圧力に対抗する圧力になるよう管理する泥水圧管理高さにする、ことを特徴とする。

請求項７に記載の本発明の泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法は、上記請求項６記載の発明において、前記泥水圧管理高さは、前記隔壁の高さ方向の中央である、ことを特徴とする。

本発明によれば、第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を、調圧配管の隔壁における接続高さでの第１のチャンバ内の泥水圧と同一の圧力とするようにしたので、第２のチャンバから第１のチャンバへと泥水が流出し続けることを防止することが可能になる。

本発明の一実施の形態における泥水式のシールド掘進機の内部を側面から見た概略図である。 図１のシールド掘進機における地山掘削時の泥水の流れを示す説明図である。 図１のシールド掘進機における地山掘削停止時の泥水の流れを示す説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の一実施の形態である泥水式シールド掘進機の構成を側面から示す概念図である。

図１において、本実施の形態の泥水式シールド掘進機（以下、単に「シールド掘進機」という。）１は、カッタヘッド２を切羽（掘削面）Ｆに押し当てて回転させることにより地山を掘削する際に、カッタヘッド２の背面のスキンプレート３内に設けられたカッタチャンバ（第１のチャンバ）４に送泥管５を通じて泥水を供給し、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆの安定を図るとともに、カッタチャンバ４内に溜められた泥水をカッタチャンバ４内に取り込まれた掘削土とともに排泥管６によってトンネルの外部に排出しながら地山にトンネルを形成する。なお、カッタチャンバ４に送り込まれる泥水は坑外に設置された泥水プラント７に貯留されており、送泥ポンプ８により圧送される。また、泥水には、泥分にベントナイトや高分子添加剤などが混入されており、これにより切羽Ｆに膜（泥膜）を形成して前方の地山の隙間に泥水が流れ込むことを防いでいる。

泥水式のシールド掘進機１は泥水の浸透による切羽Ｆの安定効果があるため、水圧の高い地盤での施工に適している。一方、透水性の高い地盤、巨石地盤では、地盤からの泥水の流入量が大きくなる逸泥が発生するおそれがあることから、泥水中の泥分や高分子添加剤を多くするとともに泥水の供給量を増やし、泥膜を補強してカッタチャンバ内の圧力を安定させるようにする。

シールド掘進機１を構成するカッタヘッド２は、地山の切羽Ｆを掘削する正面視円形状の掘削部材であり、スキンプレート３の前面にスキンプレート３の周方向に沿って正逆方向に回転自在の状態で設置されている。

本実施の形態において、カッタヘッド２には面板タイプが採用されており、前面（切羽Ｆに対向する面）には、玉石等の破砕や地山の掘削を行う複数のビットやスクレーパツース（何れも図示せず）が装着されている。また、カッタヘッド２には、当該カッタヘッド２の回転により掘削された土砂等をカッタチャンバ４内に取り込むための土砂取込口（図示せず）が形成されている。

カッタヘッド２の後方に位置するスキンプレート３は、例えば径方向の断面が円筒状になった鋼製板により形成されている。このスキンプレート３の前面（カッタヘッド２が設置された位置）から内方に後退した位置には、当該スキンプレート３内を切羽側と機内側とに区画する隔壁９が設置されている。そして、スキンプレート３の切羽側すなわちカッタヘッド２と隔壁９との間に、第１のチャンバであるカッタチャンバ４が形成されている。

カッタチャンバ４は、カッタヘッド２の回転により掘削された土砂等を取り込み、送泥管５を通じて供給された泥水と混合する空間（チャンバ）であり、前述のように、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆを押さえて安定化させる。

一方、スキンプレート３の機内には、カッタヘッド２を正逆方向に回転させるカッタ駆動部、前後に分割されて屈曲可能となったスキンプレート３（前胴プレート・後胴プレート）を相互に連結するとともにシールド掘進機１の推進方向を修正する中折れジャッキ、スキンプレート３の後方に敷設されたセグメントに反力をとってシールド掘進機１を前進させるシールドジャッキ、スキンプレート３の後端付近において複数のピースを環状に組み立ててトンネルの内周にセグメントを構築するエレクタなどが設置されている。

さらに、スキンプレート３の機内から坑外に延びるようにして、前述の送泥管５と排泥管６とが設置されている。

送泥管５は、カッタチャンバ４内に泥水を供給する配管であり、例えば、鋼材により形成されている。送泥管５の先端部（放泥口）は、隔壁９の正面内上部を貫通してカッタチャンバ４に達している。これにより、送泥管５を通じて圧送された泥水は、シールド掘進機１の正面内上部からカッタチャンバ４内に供給される。この送泥管５はトンネルの抗口に向かって延び、途中に配置された前述の送泥ポンプ８を介してトンネルの外部の泥水プラント７に接続されている。なお、泥水プラント７は、トンネルの外部の泥水処理装置（図示せず）に接続されている。

排泥管６は、カッタチャンバ４内の排泥水（掘削土と泥水との混合泥水）をトンネルの外部に排出する配管であり、例えば、鋼材により形成されている。排泥管６の先端部（吸泥口）は、隔壁９の正面内下部を貫通してカッタチャンバ４に達している。これにより、カッタチャンバ４内の排泥水は、シールド掘進機１の正面内下部から排出される。排泥管６はトンネルの抗口に向かって延び、途中に配置された排泥ポンプ１０を介してトンネルの外部の泥水処理装置に接続されている。

すなわち、カッタチャンバ４内の排泥水は、排泥管６を通じてトンネルの外部の泥水処理装置に送られ、そこで土砂と泥水とに分離され比重や粘性等が調整された後、泥水プラント７に送られて再び送泥管５を通じてカッタチャンバ４へ送られる。

図１に示すように、本実施の形態のシールド掘進機１には、カッタチャンバ４の後方に補助チャンバ（第２のチャンバ）１１が設置されている。補助チャンバ１１は調圧配管１３によりカッタチャンバ４と連通しており、カッタチャンバ４との間を泥水が往来するようになった小型の圧力容器である。

補助チャンバ１１は調圧配管１３でカッタチャンバ４と連結されているために、チャンバ内の下層は泥水層（貯留泥水）となっている。本実施の形態において、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置は、カッタチャンバ４の中央よりも高い位置となっている。これは、補助チャンバ１１の役目は圧力の調整であるから、泥水の濃度は機能に影響しないため、チャンバ内の泥水の濃度が薄いことが望ましいからである。すなわち、カッタチャンバ４内の泥水は底部付近が濃く、高くなるにつれて薄くなっているため、調圧配管１３をカッタチャンバ４の底部付近に接続すると、濃度が高い泥水、つまり土砂を多く含んだ泥水が補助チャンバ１１に流入しやすくなり、補助チャンバ１１の底部に土砂が蓄積しやすくなるので、調圧配管１３との接続部が埋まるなどして望ましくない。このため、濃度の薄い泥水を取り込む必要から、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置を前述のようにしたものである。但し、泥水濃度の条件などによっては、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置は、カッタチャンバ４の中央よりも低い位置となっていてもよい。

なお、本実施の形態では、調圧配管１３は補助チャンバ１１の底部を含む位置に接続されている。これは、調圧配管１３が確実に補助チャンバ１１内の泥水層に面するようにするためである。但し、必ずしもこのような接続形態になってなくてもよい。

また、図示するように、コンプレッサ１６から圧縮空気の供給を受けるレシーバタンク１４が設置され、このレシーバタンク１４は空圧配管１５を介して補助チャンバ１１と常時接続されている。よって、補助チャンバ１１内の上部は圧縮空気層となっている。なお、本実施の形態では、空圧配管１５は圧力の調整機能は有しておらず、レシーバタンク１４に貯留された圧縮空気を常時補助チャンバ１１へ供給している。さらに、補助チャンバ１１の上面には、圧力に応じて弁の開度を調整することでチャンバ内の空圧を設定値に保持する圧力調整バルブ（圧力調整手段）１７が取り付けられている。

本実施の形態では、コンプレッサ１６で生成される圧縮空気は０．７５ＭＰａ（ＭＡＸ）であり、コンプレッサ１６とレシーバタンク１４との間に設置された図示しない調圧バルブにより０．３１～０．３５ＭＰａ程度に減圧されてレシーバタンク１４内に送り込まれる。減圧された圧縮空気はレシーバタンク１４から補助チャンバ１１内に送り込まれ、補助チャンバ１１の内部が０．３ＭＰａになるように圧力調整バルブ１７で調整されるようになっている。

なお、圧力調整バルブ１７は、空気圧によって自動的に開度が変化するものでもよく、サーボモータ等で開度をコントロールするものでもよい。但し、圧力調整バルブ１７の開度は、制御のし易さの見地から１０％程度にするのが望ましい。

また、レシーバタンク１４内の圧力が０.３１ＭＰａより低くなるとコンプレッサ１６が稼働し、０.３５ＭＰａより高くなると停止する。そして、レシーバタンク１６からは常に補助チャンバ１１に圧縮空気が供給されている。その上で、補助チャンバ１１の圧力調整バルブ１７から常に空気を排出し続けることで、安定した気圧を保つことができる。

なお、本実施の形態では、補助チャンバ１１の容量５.０ｍ^３に対し、レシーバタンク１４の容量２.２６ｍ^３となっている。なお、コンプレッサ１６は最大出力で使用するものとし、出力の大きいものが望ましい。

そして、このようにして補助チャンバ１１の内部圧力が一定に保たれているため、カッタチャンバ４の圧力の変動に応じて調圧配管１３から泥水が流入して泥水層の水面高さが変化しても、上層の圧縮空気が空気圧ダンパとして切羽圧の変動を吸収することで、カッタヘッド２の切羽Ｆに対する圧力を一定に保つことができることになる。

但し、以上に示した圧力や容量などの数値は一例に過ぎず、本発明がこれらの数値に限定されるものではないことはもちろんである。

なお、レシーバタンク１４はコンプレッサ１６と常時接続されているが、レシーバタンク１４内の圧縮空気の圧力が一定値を超えるとコンプレッサ１６が停止し、レシーバタンク１４内の圧力が所定以上に上昇することが防止されている。

また、レシーバタンク１４とコンプレッサ１６とで構成される圧縮空気供給手段は、シールド掘進機１の前進に追随して前進する後続台車に搭載されている。

隔壁９には、高さ方向の中央位置、および調圧配管１３の接続高さと同一の高さに、カッタチャンバ４内の泥水圧を検知するための圧力計（泥水圧検知手段）Ｐ１，Ｐ２がそれぞれ設置されている。

なお、本願において「同一の高さ」とは、厳密な意味において両者が同一の高さであることまでを要するものではなく、略同一の高さであれば足りる。

圧力計Ｐ１は、カッタチャンバ４内の泥水圧を切羽前方の圧力に対抗する圧力に管理するためのものである。切羽Ｆやカッタチャンバ４内の泥水圧は、水圧と同じように、上方が低く、下方に行くほど高くなる。そして、カッタチャンバ４内の圧力は、隔壁９の高さ方向の中央位置での値である圧力計Ｐ１で検知された値を全体の平均値と推定して管理している。したがって、隔壁９の高さ方向の中央は、泥水圧管理高さとなっている。但し、泥水圧管理高さは隔壁９の高さ方向の中央である必要はなく、例えば実際のカッタチャンバ４内の泥水圧分布から得られた平均値を示す高さを泥水圧管理高さとしてもよい。

なお、圧力計Ｐ１は、隔壁９の高さ方向の中央位置の１箇所である必要はない。つまり、比較的口径が小さいシールド掘進機１の場合には、隔壁９の高さ方向の中央の左右に各１箇所設けることができる。また、比較的口径が大きいシールド掘進機１の場合には、隔壁９の高さ方向の中央の左右と中央よりも上方および下方に設けることができ、泥水圧が下方に行くほど高くなった台形の分布と仮定して高さ方向の中央での値を推定して管理することができる。

圧力計Ｐ２は、調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧を検知するためのものである。そして、補助チャンバ１１に取り付けられた圧力調整バルブ１７を調整して、補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力を、圧力計Ｐ２で検知された泥水圧（つまり、調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧）と同一の圧力になるようにする。

ここで、補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力を、調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧と同一の圧力にするのは次のような理由による。

カッタチャンバ４内は上方で泥水濃度が低く、下方に行くほど濃度が濃くなる。一方、カッタチャンバ４から補助チャンバ１１への土砂の侵入をなるべく少なくするため、補助チャンバ１１とカッタチャンバ４とを繋ぐ調圧配管１３のカッタチャンバ４側の接続位置は、隔壁９の中央よりも高い位置になっている。このような接続位置において、補助チャンバ１１内の圧力（つまり、補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力）を、圧力計Ｐ１の値（つまり、カッタチャンバ４の隔壁９の高さ方向の中央での圧力）に合わせて管理すると、調圧配管１３の接続位置が中央よりも高いことから、調圧配管１３の接続位置でのカッタチャンバ４内の泥水圧よりも補助チャンバ１１内の圧力の方が高くなり、補助チャンバ１１からカッタチャンバ４へと泥水が流出し続けることになる。すると、補助チャンバ１１によるカッタチャンバ４内の泥水圧の急激な変動に対応しきれなくなって泥水圧制御が不安定になる。さらに、泥水が流出し続けて水位が低くなっている状態で、逸泥の発生によって泥水がさらに流出するなどして、補助チャンバ１１内の泥水量が下限水位を下回った異常低位となった場合には、泥水式シールド掘進機１の掘進が停止することになる。

これに対して、補助チャンバ１１内の圧力を圧力計Ｐ２の値（つまり、調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧）と同一の圧力にすれば、補助チャンバ１１からカッタチャンバ４へと泥水が流出し続けることがなくなる。

ここで、本願において「同一の圧力」とは、厳密な意味において両者が同一の圧力であることまでを要するものではなく、略同一の圧力であれば足りる。

なお、圧力調整バルブ１７の調整（補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力を調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧と同一の圧力にするための調整）は、例えばセグメントを１リング組み立てるごと、一定時間ごと、１工区ごとなどで行うことができる。

本実施の形態において、レシーバタンク１４から補助チャンバ１１へ圧縮空気を供給する空圧配管１５は２本（複数本）設けられており、また、補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力を一定に保つ圧力調整バルブ１７も２本（複数本）設けられている。

それぞれの空圧配管１５と圧力調整バルブ１７には、１本でも必要な空気の流通量や圧力保持を確保できる容量のものが用いられており、常時は本来の容量の半分で機能している。これにより、それぞれの空圧配管１５や圧力調整バルブ１７の一方に不具合が生じた際には他方が自動的に対応するようになっており、その間に掘進を停止させずに修理が可能になっている。また、万が一、設計時の予想を超える空気の流通量があった場合には、最大２倍まで対応することが可能になっている。そして、空圧配管１５と圧力調整バルブ１７とは常時作動していることから、不具合や想定外の流通量に対して容量が変化するだけなので、予備として保持しておくよりも素早く対応することができる。

さらに、補助チャンバ１１には送泥管５から分岐した供給配管１２が接続されており、送泥管５を流れる泥水は、補助チャンバ１１にも流入可能になっている。また、補助チャンバ１１の底面から延びるようにして、排出配管１８が排泥管６に接続されている。さらに、送泥管５と排泥管６とは、バイパス配管１９により直接（つまり、カッタチャンバ４を介することなく）接続されている。

ここで、補助チャンバ１１から延びる排出配管１８を排泥管６に接続したのは、排泥管６内の流水の圧力で補助チャンバ１１内に溜まった砂分を排出配管１８を介して吸引することができるからである。なお、補助チャンバ１１内の土砂を効率的に排出するためには、排出配管１８は補助チャンバ１１の底面から延びるように接続されているのがよい。

また、図示するように、排出配管１８の排泥管６との合流接続点Ｐｍは、前述した排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向上流側となっている。これは、合流接続点Ｐｍを排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向下流側にすると、排泥管６内の圧力が大きい場合に、補助チャンバ１１内に対する吸引力が強すぎて補助チャンバ１１内の水位が下がりすぎることが考えられるからである。但し、補助チャンバ１１内の土砂の沈下量が多い場合は、合流接続点Ｐｍを排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向下流側にしてもよく、さらに、合流接続点Ｐｍの上流側および下流側に排泥ポンプ１０を接続して、状況に応じて選択的に稼働させるようにしてもよい。

なお、本実施の形態において、補助チャンバ１１の底面にはドレイン管２１を介して排泥タンク２０が接続されている。そして、補助チャンバ１１内の泥水が土砂を多く含んだ場合には、ドレイン管２１に設けられた第７のバルブＶ７を開いて補助チャンバ１１内の土砂を排泥タンク２０に排出するようになっている。したがって、補助チャンバ１１内の泥水をドレイン管２１から排出しても、泥水でトンネル内が汚染されることがない。なお、排泥タンク２０内の泥水は、吸引管２２を介して図示しないバキューム掃除機で負圧吸引して機外に排出される。

このように、本実施の形態のシールド掘進機１では、補助チャンバ１１からの泥水の排出経路として、排出配管１８から排泥管６に排出する第１の経路、およびドレイン管２１から排泥タンク２０に排出する第２の経路の２経路が設けられている。これは、補助チャンバ１１内の泥水を排出する必要が生じたにもかかわらず、排泥管６内の水圧が高いために第１の経路での排出ができなくなったときを想定したものである。但し、第１の経路による泥水の排出が可能な状態であっても、第２の経路で、あるいは第１の経路と第２の経路とを併用して排出してもよい。さらに、第１の経路および第２の経路の何れか一方の経路だけが設けられていてもよい。

また、補助チャンバ１１内には、図示しない水位計が設置されている。この水位計は、補助チャンバ１１内の水位の増減を計測することにより、補助チャンバ１１とカッタチャンバ４との間を往来する泥水の流向（泥水がどちらの方向に流れているか）を検知するためのものである。但し、水位計に代えて、調圧配管１３に流向計を設置し、補助チャンバ１１とカッタチャンバ４との間を往来する泥水の流向を検知するようにしてもよい。

図示するように、送泥管５におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ１よりもカッタチャンバ４側には第１のバルブＶ１が、排泥管６におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ２よりもカッタチャンバ４側には第２のバルブＶ２が取り付けられている。また、バイパス配管１９には第３のバルブＶ３が、供給配管１２には第４のバルブＶ４が、排出配管１８には第５のバルブＶ５が、調圧配管１３には第６のバルブＶ６が取り付けられている。さらに、前述のように、補助チャンバ１１と排泥タンク２０とを連結するドレイン管２１には第７のバルブＶ７が取り付けられている。

これらのバルブＶ１～Ｖ７は何れもそれぞれの管路を開閉するためのものであり、本実施の形態においては、シールド掘進機１の作業状態（地山掘削作業中・地山掘削作業停止中）を示すデータ、カッタチャンバ４内の泥水の圧力計Ｐ１および濃度計による計測値、補助チャンバ１１内の水位計および水量計（後述する）および圧力計Ｐ１による計測値などが収集され、これらに基づいて図示しない制御部に制御されるモータなどのアクチュエータによって自動的に開閉操作されるようになっている。

但し、制御部を設けることなく、オペレータがアクチュエータを介してバルブＶ１～Ｖ７を開閉操作するようにしてもよい。

なお、排出配管１８に取り付けられた第５のバルブＶ５の排泥管６側には、逆止弁（第８のバルブ）Ｖ８が設置されている。これは、排泥管６内の水圧の方が排出配管１８内の水圧よりも高くなっている場合に、泥水が排泥管６から排出配管１８を通って補助チャンバ１１内に逆流する事態を阻止するためである。

以上のような構成を有するシールド掘進機１における泥水の流れについて、図２および図３を用いて説明する。図２および図３において、泥水の流れる管路は太い実線で、泥水が流れたり流れなかったりする管路は太い破線で、それぞれ示している。また、図２は、泥水がカッタチャンバ４を通って（つまり、バイパス配管１９を通らずに）環流するカッタチャンバ環流モードであり、図３は、泥水がバイパス配管１９を通って（つまり、カッタチャンバ４を通らずに）環流するバイパス環流モードを示している。また、管路を開閉して泥水の流れを制御するバルブＶ１～Ｖ７は、前述のように制御部によって制御されている。

図２において、地山掘削時には、先ず第６のバルブＶ６を開放する。続いて、第１のバルブＶ１および第２のバルブＶ２を開放して、第３のバルブＶ３を閉鎖する（カッタチャンバ環流モード）。そして、送泥管５を通じて泥水プラント７に貯留されている泥水を送泥ポンプ８によりカッタチャンバ４内に供給し、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆの安定を図るとともに、カッタチャンバ４内に溜められた泥水をカッタチャンバ４内に取り込まれた掘削土とともに排泥管６によってトンネルの外部の泥水プラント７を介して環流させながら地山にトンネルを形成する。

また、隔壁９において調圧配管１３の接続高さと同一の高さに取り付けられた圧力計Ｐ２で検知された泥水圧と補助チャンバ１１内の圧縮空気の圧力が同一になるように、補助チャンバ１１に取り付けられた圧力調整バルブ１７を調整する。これにより、補助チャンバ１１からカッタチャンバ４へと泥水が流出し続けることなく、カッタチャンバ４内の泥水圧力の変動に応じて、調圧配管１３を介してカッタチャンバ４と補助チャンバ１１との間で泥水が往来して、カッタチャンバ４内の圧力変動が緩和される。

なお、このように、第６のバルブが開放位置になって補助チャンバ１１はカッタチャンバ４と常時接続されている。しかしながら、何らかの不測の事態が生じて補助チャンバ１１内の泥水量が急激且つ極端に多くまたは少なくなったときには、補助チャンバ１１によりカッタチャンバ４内の圧力変動を緩和することができなくなる。よって、その場合のみ、第６のバルブＶ６を閉鎖して両者の接続を解除するようになっている。

なお、本実施の形態において、カッタチャンバ４内の逸泥状態での泥水の濃度の調整については次にようにしている。すなわち、逸泥状態かどうかは逸泥量の算定結果から判断しており、補助チャンバ１１の水位変動時以外でも行われる。具体的には、１日の逸泥量（＝（送泥量＋掘削土量）－排泥量）が全体量の１０％以上のときを逸泥状態としている。泥水濃度は比重で管理しており、標準が１．２として、逸泥状態の場合は１．２５まで上げるようにしている。また、泥水の比重は最大で１．３程度とし、逸泥量が大きくない場合は標準を１．２２としている。

また、１日の逸泥量が全体量の１％以下になったら逸泥が収まったと判断し、泥水の濃度を１．２まで戻す可能性を検討する。ここで、泥水の濃度を１．２まで戻さない余地を残したのは、泥水の濃度を変更する場合には、地上の振動ふるいやシックナーバックフィルタなどについて変更するなど大掛かりな調整が必要なためであり、泥水の濃度を上げた状態で掘削することに問題がない場合は、そのまま続けることが望ましいからである。

また、逸水とは逆に、切羽Ｆの水圧が高くなり、地下水がカッタチャンバ４に流入して水位が上昇する場合がある。本実施の形態において、このときの許容値はプラスマイナス３％としており、水位の上昇が３％以上の状態が丸１日続いた場合には、カッタチャンバ４の泥土圧を漸増させて切羽Ｆとのバランスを取る。カッタチャンバ４内の泥土圧は圧力計Ｐ１により管理値（地盤の主働土圧と受働土圧の間）の範囲内で調整し、許容値内に戻ったら泥土圧を戻す。なお、この間は、補助チャンバ１１内の空気圧も泥土圧に合わせて標準値よりも高くなるように調整する。

前述のように、補助チャンバ１１には、カッタチャンバ４への送泥管５から分岐した供給配管１２が接続され、さらに、補助チャンバ１１の内部の泥水量が多くなりすぎないように、排出配管１８が排泥管６に接続されている。また、供給配管１２には第４のバルブが、排出配管１８には第５のバルブが、それぞれ設置されている。したがって、地山掘削時には、第４のバルブＶ４および第５のバルブＶ５を適宜開閉することにより、補助チャンバ１１内の水量を計測する水量計（図示せず）の計測値に応じて、補助チャンバ１１内の泥水量が調整される。

これにより、カッタチャンバ４で逸泥が生じて補助チャンバ１１内の泥水が調圧配管１３からカッタチャンバ４に流入しても、第４のバルブＶ４が開いて送泥管５の泥水が供給配管１２から補助チャンバ１１内に供給されるので、水位が低くなりすぎて掘進が停止したり、さらに水位が低くなって補助チャンバ１１の圧縮空気が調圧配管１３を通ってカッタチャンバ４内に流入することがなくなる。

次に、図３に示すように、セグメントを組み立てる場合のような地山掘削停止時には、カッタヘッド２による掘削が停止されて切羽Ｆの圧力が変化しないので、カッタチャンバ４内の泥水圧力をその時点の圧力で固定するため、第１のバルブＶ１および第２のバルブＶ２を閉鎖して第３のバルブＶ３を開放する（バイパス環流モード）。これにより、泥水はカッタチャンバ４内には供給されることがなく、送泥管５からバイパス配管１９を経由して排泥管６に流れ込み、トンネルの外部で掘削土砂が除去された後、泥水プラント７を介して送泥ポンプ８により環流される。

このように、本実施の形態によれば、補助チャンバ１１内の圧力を、調圧配管１３の接続高さにおけるカッタチャンバ４内の泥水圧である圧力計Ｐ２の値と同一の圧力にしているので、補助チャンバ１１からカッタチャンバ４へと泥水が流出し続けることがなくなる。

したがって、カッタチャンバ４内の泥水圧力の変動に応じて、調圧配管１３を介してカッタチャンバ４と補助チャンバ１１との間で泥水が往来して、カッタチャンバ４内の圧力変動が緩和されることになり、カッタチャンバ４内の泥水圧制御が不安定になったり、補助チャンバ１１内の泥水量が異常低位となってシールド掘進機１の掘進が停止することはない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

例えば、本実施の形態では、調圧配管１３のカッタチャンバ４側の接続位置は隔壁９の中央よりも高い位置になっており、この調圧配管１３の接続高さと同一の高さに圧力計Ｐ２が設置されているが、調圧配管１３のカッタチャンバ４側の接続位置つまり圧力計Ｐ２の設置高さは、カッタチャンバ４内の泥水圧が切羽前方の圧力に対抗する圧力に管理する泥水圧管理高さにしてもよい。そして、この泥水圧管理高さは、隔壁９の高さの中央とすることができる。

なお、圧力計Ｐ２の設置高さを泥水圧管理高さにすれば、圧力計Ｐ１と圧力計Ｐ２とが同じ高さになるので、一方の圧力計を量略することができる。また、圧力計Ｐ１と圧力計Ｐ２は、対象となる地盤を掘削した際のカッタチャンバ４内の泥水圧の計測に適したものであれば水圧計でも土圧計でもよく、一方を水圧計として他方を土圧計としてもよい。

以上の説明では、本発明を泥水式のシールド掘進機に適用した場合について説明したが、カッタヘッドの形状や構造等、本発明にかかわらない点については、特に限定されるものではない。

１ シールド掘進機
２ カッタヘッド
３ スキンプレート
４ カッタチャンバ（第１のチャンバ）
５ 送泥管
６ 排泥管
７ 泥水プラント
８ 送泥ポンプ
９ 隔壁
１０ 排泥ポンプ
１１ 補助チャンバ（第２のチャンバ）
１２ 供給配管
１３ 調圧配管
１４ レシーバタンク
１５ 空圧配管
１６ コンプレッサ
１７ 圧力調整バルブ（圧力調整手段）
１８ 排出配管
１９ バイパス配管
２０ 排泥タンク
２１ ドレイン管
２２ 吸引管
Ｆ 切羽
Ｐ１，Ｐ２ 圧力計（泥水圧検知手段）
Ｐｂ１，Ｐｂ２ 分岐接続点
Ｐｍ 合流接続点
Ｖ１～Ｖ７ 第１のバルブ～第７のバルブ
Ｖ８ 逆止弁（第８のバルブ）

Claims (7)

1. カッタヘッドと隔壁との間に形成された第１のチャンバと、
   前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、
   前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、
   圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変動を緩和する第２のチャンバと、
   前記調圧配管の前記隔壁における接続高さと同一の高さに設置され、前記調圧配管の接続高さにおける前記第１のチャンバ内の泥水圧を検知する泥水圧検知手段と、
   前記第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を、前記泥水圧検知手段によって検知された泥水圧と同一の圧力になるように調整する圧力調整手段と、
   を有することを特徴とする泥水式シールド掘進機。
2. 前記第２のチャンバ内に圧縮空気を常時供給する圧縮空気供給手段をさらに有し、
   前記圧力調整手段は、前記第２のチャンバ内から所定量の圧縮空気を常時排出して当該第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を調整する圧力調整バルブである、
   ことを特徴とする請求項１記載の泥水式シールド掘進機。
3. 前記調圧配管の前記隔壁における接続高さは、前記第１のチャンバ内の泥水圧が切羽前方の圧力に対抗する圧力になるよう管理する泥水圧管理高さである、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の泥水式シールド掘進機。
4. 前記泥水圧管理高さは、前記隔壁の高さ方向の中央である、
   ことを特徴とする請求項３記載の泥水式シールド掘進機。
5. カッタヘッドと隔壁との間に形成された第１のチャンバと、
   圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変動を緩和する第２のチャンバと、
   を備えた泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法であって、
   前記第２のチャンバ内の圧縮空気の圧力を、前記調圧配管の前記隔壁における接続高さでの前記第１のチャンバ内の泥水圧と同一の圧力にする、
   ことを特徴とする泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法。
6. 前記調圧配管の前記隔壁における接続高さを、前記第１のチャンバ内の泥水圧が切羽前方の圧力に対抗する圧力になるよう管理する泥水圧管理高さにする、
   ことを特徴とする請求項５記載の泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法。
7. 前記泥水圧管理高さは、前記隔壁の高さ方向の中央である、
   ことを特徴とする請求項６記載の泥水式シールド掘進機における圧縮空気の圧力調整方法。

Images