JP7490313B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機に関する。

シールド掘進機などのトンネル掘削機を用いたトンネル掘削工法の一つとして、カッターヘッドと隔壁との間に形成されるカッターチャンバーの圧力を高く保つ土圧式工法がある。この土圧式工法では、カッターチャンバーへシェービングクリーム状の気泡が供給されることがある（例えば、特許文献１参照）。

カッターチャンバーへ気泡が供給されると、掘削土砂が気泡と混合されて気泡混合土砂となる。このような工法では、掘削土砂の流動性の向上や止水性の向上などの利点がある。

特開２０１７－６１７９１号公報

しかしながら、カッターチャンバーへ気泡が供給される土圧式工法では、カッターチャンバー内で気泡が破泡したり、時間が経過することで消泡し、カッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されることがある。このようなエア溜りが形成されると、カッターチャンバーの圧力が高いために、エア溜りのエアが地中を通過して地上に湧き上がって周囲の環境へ影響を及ぼすことがある。従来の技術では、そのようなエア溜りの形成を検出したり、エア溜りが形成されたときにそれを解除することが困難であった。

そこで、本発明は、カッターチャンバーの上部に形成されるエア溜りを解除することができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の１つの側面からのトンネル掘削機は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出する主スクリューコンベヤと、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の上部から排出する副スクリューコンベヤと、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、副スクリューコンベヤにより隔壁の上部から気泡混合土砂が排出されるので、たとえカッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されたとしても、そのエアを気泡混合土砂と共に排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

また、本発明の別の側面からのトンネル掘削機は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出するスクリューコンベヤと、前記カッターチャンバーの上部と連通するように前記隔壁に接続されたエア抜き配管と、前記エア抜き配管に設けられた開閉弁と、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、カッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されたときに開閉弁を開けば、そのエアをエア抜き配管を通じて排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

本発明によれば、カッターチャンバーの上部に形成されるエア溜りを解除することができる。

本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の断面図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の断面図である。 エア抜き配管および開閉弁の断面図である。 （ａ）は開閉弁を開いたときのエアの流れを示す図、（ｂ）は開閉弁を閉じたときの洗浄水の流れを示す図である。

（第１実施形態）
図１および図２に、本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機１Ａを示す。本実施形態では、トンネル掘削機１Ａが内部でセグメント１１を組み立てるシールド掘進機である。ただし、本発明は、シールド掘進機以外のトンネル掘削機にも適用可能である。

具体的に、トンネル掘削機１Ａは、地山を掘削するカッターヘッド２１と、カッターヘッド２１を後述するカッタードラム２３を介して回転可能に支持する掘削機本体１０を含む。

本実施形態では、トンネル掘削機１Ａの断面形状が円形状である。ただし、トンネル掘削機１Ａの断面形状は、矩形状などのその他の形状であってもよい。以下では、説明の便宜上、トンネル掘削機１Ａの進行方向を前方、その反対方向を後方という。

掘削機本体１０は、筒状の胴体４と、胴体４の前側開口を閉塞する隔壁３を含む。隔壁３はカッターヘッド２１と対向しており、隔壁３とカッターヘッド２１との間にはカッターチャンバー２０が形成されている。

カッターヘッド２１の後方には、環状のカッタードラム２３が配置されている。カッターヘッド２１とカッタードラム２３とは複数の支柱２２により連結されている。

カッタードラム２３は、隔壁３をリング状の外側隔壁３１と円盤状の内側隔壁３２とに分断するように設けられている。図示は省略するが、外側隔壁３１の内周縁からはカッタードラム２３の外周面と対向する周壁が延びており、それらの間が複数の土砂シールでシールされる。同様に、内側隔壁３２の外周縁からはカッタードラム２３の内周面と対向する周壁が延びており、それらの間が複数の土砂シールでシールされる。

また、カッターヘッド２１の中央部は、内側隔壁３２の中央部とロータリジョイント２４によって接続されている。ロータリジョイント２４は中空であり、内部に配管などが配索可能である。

さらに、トンネル掘削機１Ａは、カッターヘッド２１の前方の空間およびカッターチャンバー２０へ気泡を供給する気泡供給装置７と、カッターチャンバー２０の上部へ充填材を供給可能な充填材供給装置８を含む。例えば、「カッターチャンバー２０の上部」とは、カッターチャンバー２０の中心を通る鉛直線上でカッターチャンバー２０の直径を三等分したときの上側１／３の領域をいう。

気泡供給装置７は、気泡発生装置７１と、内側隔壁３２に設けられた気泡供給口７ａと気泡発生装置７１とを接続する第１気泡供給ライン７２と、カッターヘッド２１に設けられた気泡供給口７ｂと気泡発生装置７１とを接続する第２気泡供給ライン７３を含む。第２気泡供給ライン７３は、上述したロータリジョイント２４の内部を通って延びている。

気泡発生装置７１は、界面活性剤を含む気泡剤（水溶液）と空気とを混合することで、シェービングクリーム状の気泡を発生させる。図示は省略するが、気泡剤を貯留する気泡剤タンクは地上に設置され、この気泡剤タンクと気泡発生装置７１とが縦穴を通って延びる気泡剤供給ラインにより接続される。カッターチャンバー２０内では、掘削土砂が気泡と混合されて気泡混合土砂となる。

充填材供給装置８は、カッターチャンバー２０の上部と連通する１つまたは複数の充填材供給口８０と充填材を貯留する充填材タンク８１とを接続する充填材供給ライン８２と、充填材供給ライン８２に設けられたポンプ８３を含む。また、充填材供給ライン８２には、充填材供給口８０近くに開閉弁８４が設けられている。

本実施形態では、２つの充填材供給口８０が外側隔壁３１の上部に設けられている。ただし、充填材供給口８０は、後ろ向きに開口するようにカッターヘッド２１に設けられてもよい。この場合、充填材供給ライン８２は、ロータリジョイント２４の内部を通って延びるように配索される。あるいは、充填材供給口８０は、胴体４における隔壁３よりも前側部分（カッターチャンバー２０を径方向外側から取り囲む部分、いわゆるフード）に設けられてもよい。

充填材としては、各種の加泥材（例えばベントナイトなど）が採用可能である。充填材タンク８１は、地上に設置されてもよいし掘削機本体１０内に設置されてもよい。あるいは、充填材タンク８１は、トンネル掘削機１Ａに牽引される後続台車に設置されてもよい。

充填材が加泥材である場合、充填材供給口８０は、外側隔壁３１の全周に亘って所定のピッチで設けられてもよい。この場合、充填材供給ライン８２が充填材供給口８０と同数の分岐路を含み、これらの分岐路のそれぞれに開閉弁８４が設けられてもよい。さらに、充填材が加泥材である場合、充填材供給口８０は、隔壁３だけでなくカッターヘッド２１にも設けられてもよい。つまり、充填材が加泥材である場合は、カッターチャンバー２０へ加泥材を供給する加泥材供給装置の一部を充填材供給装置８として用いてもよい。

掘削機本体１０の内部には、気泡混合土砂を搬送するための第１主スクリューコンベヤ５１、第２主スクリューコンベヤ５２および副スクリューコンベヤ６１が設けられている。これらのスクリューコンベヤ５１，５２，６１のそれぞれは、管状のケーシングと、当該ケーシング内に配置されたオーガを含む。

第１主スクリューコンベヤ５１は、外側隔壁３１の下部から斜め上向きに延びており、カッターチャンバー２０内の気泡混合土砂を外側隔壁３１の下部から排出する。第２主スクリューコンベヤ５２は、第１主スクリューコンベヤ５１の下流側に配置された搬送装置である。

第２主スクリューコンベヤ５２は、第１主スクリューコンベヤ５１と接続されており、第１主スクリューコンベヤ５１の下流側開口（ケーシングの後側開口）から後向きに延びている。第２主スクリューコンベヤ５２は、第１主スクリューコンベヤ５１により搬送された気泡混合土砂を後方に搬送する。

副スクリューコンベヤ６１は、外側隔壁３１の上部から後向きに延びており、カッターチャンバー２０内の気泡混合土砂を外側隔壁３１の上部から排出する。本実施形態では、上述した２つの充填材供給口８０が、副スクリューコンベヤ６１の水平方向の両側に位置する。

第２主スクリューコンベヤ５２には中間投入口５３が設けられており、この中間投入口５３が配管６２により副スクリューコンベヤ６１の下流側開口（ケーシングの後側開口）と接続されている。つまり、配管６２は、副スクリューコンベヤ６１により搬送された気泡混合土砂を第２主スクリューコンベヤ５２へ導く役割を果たす。

本実施形態では、配管６２が、全長に亘ってフレキシブルに構成されている。例えば、配管６２は、蛇腹ホースである。ただし、配管６２は、一部のみがフレキシブルに構成されてもよい。あるいは、配管６２は、全長に亘って折れ曲がり不能な固定配管であってもよい。

さらに、本実施形態では、副スクリューコンベヤ６１により搬送された気泡混合土砂の見掛比重を検出する検出器６５が採用されている。本実施形態では、検出器６５が、配管６２の一部の重量を計測し、その計測された重量から気泡混合土砂の見掛比重を算出する。ただし、検出器６５はこれに限られるものではない。例えば、検出器６５は、γ線により気泡混合土砂の密度を計測し、その計測された密度から気泡混合土砂の見掛比重を算出してもよい。

上述した充填材供給装置８は、検出器６５により検出された気泡混合土砂の見掛比重が設定値よりも低い場合にカッターチャンバー２０の上部へ充填材を供給し、検出された見掛比重が設定値よりも高い場合は充填材の供給を行わない。

以上説明したように、本実施形態のトンネル掘削機１Ａでは、副スクリューコンベヤ６１により隔壁３の上部から気泡混合土砂が排出されるので、たとえカッターチャンバー２０の上部にエア溜りが形成されたとしても、そのエアを気泡混合土砂と共に排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

また、本実施形態では、配管６２により副スクリューコンベヤ６１が第２主スクリューコンベヤ５２と接続されているので、副スクリューコンベヤ６１により搬送された気泡混合土砂を第１主スクリューコンベヤ５１を含む主排出経路に投入することができる。

さらに、本実施形態では、副スクリューコンベヤ６１により搬送された気泡混合土砂の見掛比重を検出する検出器６５が採用されているので、気泡混合土砂中のエアの混入量を把握することができる。これにより、カッターチャンバー２０の上部にエア溜りが形成されたか否かを検出できるとともに、エア溜りが形成された場合はその状態を監視することができる。

検出器６５により検出された気泡混合土砂の見掛比重が設定値よりも低い場合は、気泡混合土砂中に比較的に多くのエアが混入しており、カッターチャンバー２０の上部にエア溜りが形成されていると判定可能である。従って、その場合に、充填材供給装置８がカッターチャンバー２０の上部へ充填材を供給するとともに、副スクリューコンベヤ６１によりエア溜りのエアを排出すれば、エア溜りを充填材に置換することができる。

（第２実施形態）
図３に、本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機１Ｂを示す。このトンネル掘削機１Ｂでは、副スクリューコンベヤ６１の代わりに、エア抜き配管９１が採用されている。エア抜き配管９１は、カッターチャンバー２０の上部と連通するように外側隔壁３１に接続されている。エア抜き配管９１には、開閉弁９４が設けられている。

本実施形態では、エア抜き配管９１が、図４に示すように、外側隔壁３１を貫通するストレートな第１配管９２と、第１配管９２の外周面に接続された、屈曲する第２配管９３を含む。第１配管９２には第２配管９３用の開口９２ａが設けられており、この開口９２ａを通じて第１配管９２の内部と第２配管９３の内部とが連通している。

また、本実施形態では、開閉弁９４が、第１配管９２内に摺動可能に挿入されたピストン９５と、第１配管９２と同軸上に配置されたジャッキ９６を含む。ジャッキ９６は、ピストン９５を図４及び図５（ｂ）に示す閉位置と図５（ａ）に示す開位置との間で移動させる。閉位置は、ピストン５が第１配管９２における外側隔壁３１側の先端部を閉塞する位置であり、開位置は、外側隔壁３１から開口９２ａよりも遠い位置である。

さらに、本実施形態では、第１配管９２の外周面に、第１配管９２へ洗浄水を供給するための洗浄配管９７が接続されている。第１配管９２には洗浄配管９７用の開口９２ｂが設けられており、この開口９２ｂを通じて第１配管９２の内部と洗浄配管９７の内部とが連通している。なお、図示は省略するが、第２配管９３はドレンタンクまで延びており、このドレンタンクに洗浄水が貯留可能である。

本実施形態のトンネル掘削機１Ｂでは、カッターチャンバー２０の上部にエア溜りが形成されたときに開閉弁９４を開けば、そのエアを図５（ａ）に示すようにエア抜き配管９１を通じて排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

さらに、開閉弁９４を開いたときに、充填材供給装置８がカッターチャンバー２０の上部へ充填材を供給すれば、エア溜りを充填材に置換することができる。

ところで、開閉弁９４はバタフライ弁であってもよいが、この場合には、バタフライ弁を閉じる際にエア抜き配管９１とバタフライ弁との間に土砂が噛み込むことによってバタフライ弁が完全に閉じないおそれがある。これに対し、本実施形態のように開閉弁９４がピストン式であれば、ピストン９５が開位置に位置するときに第１配管９２内に土砂が流入していても、ピストン９５を閉位置に移動することで、その土砂を第１配管９２から押し出すことができる。しかも、閉位置ではピストン９５によって第１配管９２の先端部が閉塞されるので、第１配管９２内に掘削土砂が溜まることが防止される。

さらに、本実施形態では、洗浄配管９７が採用されているので、図５（ｂ）に示すようにピストン９５が閉位置に位置するときに洗浄配管９７から第１配管９２を通じて第２配管９３へ洗浄水を流せば、第１配管９２および第２配管９３内に土砂が溜まっていても、それを洗い流すことができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、第２主スクリューコンベヤ５２は省略されてもよい。第１実施形態で第２主スクリューコンベヤ５２が省略される場合、第１主スクリューコンベヤ５１に中間投入口が設けられ、配管６２が副スクリューコンベヤ６１により搬送された気泡混合土砂を第１主スクリューコンベヤ５１へ導いてもよい。

また、充填材供給装置８は必ずしも必要ではなく、省略可能である。

（まとめ）
本発明の１つの側面からのトンネル掘削機は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出する主スクリューコンベヤと、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の上部から排出する副スクリューコンベヤと、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、副スクリューコンベヤにより隔壁の上部から気泡混合土砂が排出されるので、たとえカッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されたとしても、そのエアを気泡混合土砂と共に排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

上記のトンネル掘削機は、前記副スクリューコンベヤにより搬送された気泡混合土砂を前記主スクリューコンベヤまたは前記主スクリューコンベヤの下流側に配置された搬送装置へ導く配管をさらに備えてもよい。この構成によれば、副スクリューコンベヤにより搬送された気泡混合土砂を主スクリューコンベヤを含む主排出経路に投入することができる。

上記のトンネル掘削機は、前記副スクリューコンベヤにより搬送された気泡混合土砂の見掛比重を検出する検出器をさらに備えてもよい。この構成によれば、気泡混合土砂中のエアの混入量を把握することができる。これにより、カッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されたか否かを検出できるとともに、エア溜りが形成された場合はその状態を監視することができる。

例えば、前記検出器は、前記配管の一部の重量を計測し、その計測された重量から前記気泡混合土砂の見掛比重を算出してもよい。

上記のトンネル掘削機は、前記検出器により検出された気泡混合土砂の見掛比重が設定値よりも低い場合に前記カッターチャンバーの上部へ充填材を供給する充填材供給装置をさらに備えてもよい。検出器により検出された気泡混合土砂の見掛比重が設定値よりも低い場合は、気泡混合土砂中に比較的に多くのエアが混入しており、カッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されていると判定可能である。そして、このような場合に、カッターチャンバーの上部へ充填材を供給するとともに、副スクリューコンベヤによりエア溜りのエアを排出すれば、エア溜りを充填材に置換することができる。

また、本発明の別の側面からのトンネル掘削機は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出するスクリューコンベヤと、前記カッターチャンバーの上部と連通するように前記隔壁に接続されたエア抜き配管と、前記エア抜き配管に設けられた開閉弁と、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、カッターチャンバーの上部にエア溜りが形成されたときに開閉弁を開けば、そのエアをエア抜き配管を通じて排出することができる。これにより、エア溜りを解除することができる。

エア抜き配管は、前記隔壁を貫通するストレートな第１配管と、前記第１配管の外周面に接続された第２配管を含み、前記開閉弁は、前記第１配管内に摺動可能に挿入されたピストンと、前記ピストンを、前記第１配管における前記隔壁側の先端部を閉塞する閉位置と、前記第１配管に設けられた前記第２配管用の開口よりも前記隔壁から遠い開位置との間で移動させるジャッキを含んでもよい。開閉弁はバタフライ弁であってもよいが、この場合には、バタフライ弁を閉じる際にエア抜き配管とバタフライ弁との間に土砂が噛み込むことによってバタフライ弁が完全に閉じないおそれがある。これに対し、上記の構成のように開閉弁がピストン式であれば、ピストンが開位置に位置するときに第１配管内に土砂が流入していても、ピストンを閉位置に移動することで、その土砂を第１配管から押し出すことができる。しかも、閉位置ではピストンによって第１配管の先端部が閉塞されるので、第１配管内に掘削土砂が溜まることが防止される。

前記第１配管の外周面には、前記第１配管へ洗浄水を供給するための洗浄配管が接続されてもよい。この構成によれば、ピストンが閉位置に位置するときに洗浄配管から第１配管を通じて第２配管へ洗浄水を流せば、第１配管および第２配管内に土砂が溜まっていても、それを洗い流すことができる。

上記のトンネル掘削機は、前記カッターチャンバーの上部へ充填材を供給可能な充填材供給装置をさらに備えてもよい。この構成によれば、エア溜りを充填材に置換することができる。

１Ａ，１Ｂ トンネル掘削機
２０ カッターチャンバー
２１ カッターヘッド
３ 隔壁
５１ 第１主スクリューコンベヤ
５２ 第２主スクリューコンベヤ
６１ 副スクリューコンベヤ
６２ 配管
６５ 検出器
７ 気泡供給装置
８ 充填材供給装置
９１ エア抜き配管
９２ 第１配管
９２ａ，９２ｂ 開口
９３ 第２配管
９４ 開閉弁
９５ ピストン
９６ ジャッキ
９７ 洗浄配管

Claims (6)

1. カッターヘッドと、
   前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、
   前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、
   前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出する主スクリューコンベヤと、
   前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の上部から排出する副スクリューコンベヤと、
   前記副スクリューコンベヤにより搬送された気泡混合土砂を前記主スクリューコンベヤの下流側に配置された搬送装置へ導く配管と、
   前記副スクリューコンベヤにより搬送された気泡混合土砂の見掛比重を検出する検出器と、
   を備える、トンネル掘削機。
2. 前記検出器は、前記配管の一部の重量を計測し、その計測された重量から前記気泡混合土砂の見掛比重を算出する、請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記検出器により検出された気泡混合土砂の見掛比重が設定値よりも低い場合に前記カッターチャンバーの上部へ充填材を供給する充填材供給装置をさらに備える、請求項１または２に記載のトンネル掘削機。
4. カッターヘッドと、
   前記カッターヘッドとの間にカッターチャンバーを形成する隔壁と、
   前記カッターチャンバーへ気泡を供給する気泡供給装置と、
   前記カッターチャンバー内の気泡混合土砂を前記隔壁の下部から排出するスクリューコンベヤと、
   前記カッターチャンバーの上部と連通するように前記隔壁に接続されたエア抜き配管と、
   前記エア抜き配管に設けられた開閉弁と、を備え、
   前記エア抜き配管は、前記隔壁を貫通するストレートな第１配管と、前記第１配管の外周面に接続された第２配管を含み、
   前記開閉弁は、前記第１配管内に摺動可能に挿入されたピストンと、前記ピストンを、前記第１配管における前記隔壁側の先端部を閉塞する閉位置と、前記第１配管に設けられた前記第２配管用の開口よりも前記隔壁から遠い開位置との間で移動させるジャッキを含む、トンネル掘削機。
5. 前記第１配管の外周面には、前記第１配管へ洗浄水を供給するための洗浄配管が接続されている、請求項４に記載のトンネル掘削機。
6. 前記カッターチャンバーの上部へ充填材を供給可能な充填材供給装置をさらに備える、請求項４または５に記載のトンネル掘削機。
   

Images