JPH0378918B2

JPH0378918B2 -

Info

Publication number: JPH0378918B2
Application number: JP59126332A
Authority: JP
Inventors: Toshio Akesaka
Original assignee: Iseki Kaihatsu Koki KK
Current assignee: Iseki Kaihatsu Koki KK
Priority date: 1984-06-21
Filing date: 1984-06-21
Publication date: 1991-12-17
Also published as: JPS6037399A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は液体加圧式シールドトンネル掘進装置
に関し、特に、切羽における地下水の流動を阻止
しかつ切羽地盤の崩壊および隆起を防ぎながらト
ンネルを掘進する装置に関する。

（従来技術）従来、使用されてきた泥水加圧式シールドトン
ネル掘進工法は、泥水圧を切羽に作用させながら
掘削し、掘削土砂をカツタスリツト部から泥水室
に導入し、更にこの泥水室から泥水輸送管を介し
て抗外へ搬出し、掘進機の速度を抗外へ排出され
る排土量に応じて制御するものであつた。

前記排土量は、一般に地山の密度、泥水輸送管
内を流れる送排泥の比重、送排泥流量などを計測
し、これらの計測値をコンピユータ等により計算
して算出する。こうして、計算によつて得られた
排土量に応じて、掘進機の速度を自動的に制御す
るか或は手動により調整する方法がとられてい
た。しかし、地山の密度については、予め土質調
査を行つた後、仮定の値を計算式に投入して計算
するため誤差が出る。しかも、この誤差に流量や
比重の誤差も加算されることから全体として排土
量の数値に極めて大きな誤差を生じることがあ
る。これらの誤差は直接掘進速度に影響し、掘削
土量と前記速度とにアンバランスが生じ、その結
果切羽の完全な安定を保障できず、地盤の沈下や
隆起の原因となつた。

また、従来工法よれば、切羽に作用させる泥水
圧は、これが切羽土圧および地下水圧の双方に対
抗するように、その値が選定されていたことか
ら、切羽の崩壊は防止し得ても地下水圧の流動を
防ぎ得ず、また、地下水の流動を阻止し得る泥水
圧であれば切羽の崩壊を防止し得ないという問題
があり、ことに切羽の崩壊防止を基準として泥水
圧を設定する多くの場合、地下水の流動が生じ
る。地下水の流動は、地下水のシールド本体内へ
の浸入、これによる地盤の崩壊、地盤沈下、その
他井戸のような地下構造物への地下水の流入また
は、噴出といつた問題を生じる。

（発明の目的）従つて、本発明の目的は、切羽における地下水
に対してこれとほぼ等しい圧力の液体を作用させ
ることによつて地下水の流動を阻止すると共に、
カツタヘツドにシールド本体に対して所定の位置
を占めさせることによつてカツタヘツドに切羽の
主働土圧より大きく且つ受動土圧より小さい圧力
で切羽を押圧させて切羽の崩壊および隆起を防止
し、これにより地下水および切羽を自然の状態に
維持しつつトンネルを掘進する装置を提供するこ
とにある。

（発明の構成）本発明の液体加圧式シールドトンネル掘進装置
は、シールド本体内に設けられた隔壁に回転およ
び滑動可能に支承されたカツタヘツドと、前記隔
壁前方へ切羽における地下水にほぼ等しい圧力の
液体を供給する装置と、可変速のシールド本体推
進装置と、カツタヘツド駆動装置と、前記カツタ
ヘツドを切羽地盤に対して加圧する加圧装置と、
カツタスリツト開度調整装置と、前記カツタヘツ
ドと前記シールド本体との相対的スライド量に応
じて前記シールド本体推進装置、前記カツタヘツ
ド駆動装置、前記加圧装置または前記カツタスリ
ツト開度調整装置の作動を制御する装置とを備
え、切羽における地下水の流動を阻止しかつ切羽
地盤の崩壊および隆起を防止しつつトンネルを掘
進することを特徴とする。

（実施例）第１図に示す液体加圧式シールドトンネル掘進
装置１０は、シールド本体１２と、該シールド本
体の前部にあつてシールド本体を横断して設けら
れた隔壁１４とを含む。この隔壁１４によりシー
ルド本体１２の内部は水圧室１６と大気圧室１８
とに区画される。隔壁１４には加圧流体の入口お
よび出口のための開口が設けられ、該開口には水
又は泥水のような加圧流体を水圧室１６内に加圧
流体を供給する供給管２０および水圧室１６内か
ら液体を掘削土砂と共に排出するための排出管２
２が接続されている。

水圧室１６内にはカツタヘツド２４が配置さ
れ、該カツタヘツドに固定された駆動シヤフト２
６は、隔壁１４に設けられた軸受部を介して隔壁
１４の後面に取り付けられたギヤボツクス２８内
へ伸長している。このギヤボツクス２８内におい
て、駆動シヤフト２６にキー止めされた主歯車３
０は、ギヤボツクスの外壁に固定された油圧駆動
モータ３２からボツクス内に伸びる軸３２ａに取
り付けられた歯車３４に噛合している。従つて、
駆動シヤフト２６は油圧駆動モータ３２により駆
動回転される。

駆動シヤフト２６はギヤボツクス２８の軸受部
を介して更に伸長し、ギヤボツクス２８の後面に
取り付けられたハウジング３６内で終端してい
る。ハウジング３６内にはトンネルを掘進しよう
とする地盤の調査に基づいて算定した主働土圧と
受働土圧との間にある、一定のもしくは一定範囲
の土圧値を予め設定したロードセルを含む負荷検
出器即ち切羽土圧検知装置３８がロツド４０に支
持されている。この負荷検出器３８は駆動シヤフ
ト２６の終端面に当接して配置されている。ハウ
ジング３６の後面には片側ロツド式複動ピスト
ン・シリンダ装置４２が取り付けられ、該ピスト
ン・シリンダ装置のピストンロツド４４はロツド
４０、負荷検出器３８および駆動シヤフト２６の
それぞれの内部に形成された通路を通つてシヤフ
トの前方端へ伸長している。

第２図を参照するに、カツタヘツド２４は駆動
シヤフト２６の端部に固定されたフエース４６を
含み、該フエースはその径方向に間隔をおいて設
けられたカツタスリツト４８を備える。更に、カ
ツタヘツド２４は、フエース４６の後面に位置し
且つ駆動シヤフト２６上に滑動可能に配置された
カツタデイスク５０を含む。このカツタデイスク
５０には複数のカツタビツト５２がフエース４６
のカツタスリツト４８に整合する位置に取り付け
られている。これにより、カツタビツト５２は、
駆動シヤフト２６上でのカツタデイスク５０の滑
動によりカツタスリツト４８からその前後方向へ
出入することができる。

カツタデイスク５０には第２図に示すように複
数のロツド５４が取り付けられ、該ロツドはフエ
ース４６に形成された通路５６を介して駆動シヤ
フト２６の前方端へ伸長し、連結部材５８に固定
されている。各ロツド５４の一端はカツタデイス
ク５０に螺合して固定され且つ他端は連結部材５
８によつて相互に結合されている。この連結部材
５８には、駆動シヤフト２６の中央部に長手方向
に形成された通路６０を通つて駆動シヤフトの前
方端へ伸長したピストンロツド４４の端部が固定
されている。

これにより、カツタデイスク５０は、片側ロツ
ド式複動ピストン・シリンダ装置４２を動力源と
してピストンロツド４４、連結部材５８およびロ
ツド５４によつて伝達される作用力により駆動シ
ヤフト２６上を滑動する。

シールド本体１２には径方向内方へ突出するフ
ランジ６２が形成され、該フランジとシールド本
体１２の内面に沿つて後方に組み立てられたトン
ネルのためのセグメント６４との間にシールド本
体推進ジヤツキ６６が配置され、該ジヤツキはセ
グメント６４の端面に反力を取つてシールド本体
１２を推進させる。

駆動シヤフト２６を回転させるための油圧駆動
モータ３２、カツタデイスク５０を滑動させてカ
ツタビツト５２のスリツト４８からの突出量即ち
カツタスリツト開度を調整するピストンシリンダ
装置４２およびシールド本体推進ジヤツキ６６の
各々は、油圧供給量可変ポンプ６８，７０，７２
に接続されている。これらの可変ポンプは油圧パ
ワーユニツト７４によつて作動される。可変ポン
プ６８，７０，７２はそれぞれの油圧の供給量を
制御するための制御用アーム７６，７８，８０を
備えている。これらの制御用アーム７６，７８，
８０の端部はそれぞれ片側ロツド式複動ピスト
ン・シリンダ装置８２，８４，８６のピストンロ
ツドに枢着され、該ピストンロツドの運動によつ
て前記制御用アームを揺動させ、これにより可変
ポンプの油圧供給量を制御する。

これらのピストン・シリンダ装置８２，８４，
８６は力フイードバツク形式のサーボ弁８８，９
０，９２を介してポンプ９４に連通されている。
このサーボ弁８８，９０，９２は公知のものであ
り、従つて、その詳細な構成の説明は省略する。
各サーボ弁８８，９０，９２の差動変圧部は、電
気信号による前記サーボ弁の制御を行うため電気
的ラインによつて電気制御装置９６に接続されて
いる。この電気制御装置９６は、負荷検出器３８
からの電気的信号も受けるため該負荷検出器と電
気的ラインによつて接続されている。

装置１０によるトンネル掘進時、泥水または清
水が供給管２０から水圧室１６内へ供給され、排
出管２２を経て排出されるが、加圧流体管２０か
らの泥水の圧力は、地下水の流動を生じさせない
ように、水圧室１６内の泥水圧力が切羽１００に
おける地下水圧にほぼ等しい圧力になるように選
択される。

カツタヘツド２４は、油圧駆動モータ３２から
の駆動力が歯車３４、該歯車に噛み合う減速歯車
３０および駆動シヤフト２６へ伝達されて回転さ
れる。次いで、シールド本体推進ジヤツキ６６に
よりシールド本体１２が推進され、これにより、
カツタヘツドは切羽地盤にその主働土圧より大き
く且つ受働土圧より小さい圧力で押圧され、切羽
地盤の安定を損うことなく掘削することができ
る。

このように、装置１０は、切羽における地下水
に対してはその圧力にほぼ等しい圧力に加圧され
た液体により対抗し、また、切羽地盤に対しては
該地盤の安定を損うことのない圧力でカツタヘツ
ドにより対抗して、地下水の流動と地盤の崩壊お
よび隆起を防ぎながら掘進することができる。

切羽地盤の掘削中、カツタヘツドの切羽地盤に
対する押圧力は切羽地盤からの反力としてカツタ
ヘツドに及ぼされ、この反力であるカツタヘツド
が受けた土圧は駆動シヤフト２６を介して水平方
向のスライド荷重として負荷検出器３８で検知す
る。すなわち、この負荷検出器３８によつてカツ
タヘツドが切羽地盤に対してその主働土圧より大
きく且つ受働土圧より小さい圧力で押圧している
か否か、すなわち、カツタヘツドに対する切羽地
盤の反力である切羽土圧が負荷検出器３８に予め
設定しておいた、主働土圧より大きく受働土圧よ
り小さい（一般に、受働土圧は主働土圧の２〜数
10倍）、設定土圧より大きいか小さいかを検知す
る。

例えば、カツタヘツドの押圧力が設定土圧より
小さくなつた時、負荷検出器３８からの信号を受
ける電気制御装置９６がこの状態を感知してサー
ボ弁８８，９０，９２のいずれか１つに信号を与
える。仮に、サーボ弁８８に信号が与えられる場
合、ピストン・シリンダ装置８２が作動して制御
用アーム７６を揺動させてカツタヘツド２４の回
転を遅くするように油圧駆動モータ３２の駆動力
を制御する。その結果、掘削土量が減少し、シー
ルド本体推進速度が一定であることからカツタヘ
ツドの押圧力が大きくなり、より高い土圧の切羽
地盤に対抗することが可能となる。

また、サーボ弁９０が制御される場合、同様に
制御用アーム７８が揺動されてシールド本体推進
ジヤツキ６６の推進力が制御されてその推進速度
が早められ、カツタヘツドの切羽地盤に対する押
圧力が高められる。更に、サーボ弁９２が制御さ
れる場合にはピストン・シリンダ装置４２の作動
が制御され、ピストンロツド４４が第１図でみて
右方へ運動され、これにより第３図に示されるよ
うにカツタデイスク５０が第２図でみて右方へ移
動される。この結果、カツタデイスク５０に取り
付けられたカツタビツト５２は第３図に示される
ようにフエース４６のスリツト４８から引き込ま
れ、ビツト５２の突出量が制御されると同時にカ
ツタスリツト開度が小さくもしくは閉鎖される。

これに対し、仮に、カツタヘツド２４の切羽地
盤に対する押圧力が受働土圧より大きくなつた
時、すなわち切羽土圧がカツタヘツドの押圧力に
相対して受働土圧より大きくなつた時には、負荷
検出器３８を介してその状態を電気制御装置９６
で感知し、いずれかのサーボ弁を制御してカツタ
ヘツドの回転、シールド本体の推進力、或はカツ
タスリツトの開度のいずれかが前記の場合とは逆
の状態に調整される。

第４図に示された本発明の第１の実施例に係る
液体加圧式シールドトンネル掘進装置１１０は、
シールド本体１２と、該シールド本体の前部にあ
つてシールド本体を横断して取り付けられた隔壁
１４とを含み、該隔壁によりシールド本体１２の
内部は水圧室１６と大気圧室１８とに区画されて
いる。この装置１１０も第１図に示された装置１
０と同様に、隔壁１４に取り付けられた供給管２
０および排出管２２と、水圧室１６内に配置され
たカツタヘツド２４、該カツタヘツドに固定され
隔壁の後面に取り付けられたギヤボツクス２８内
へ伸長する駆動シヤフト２６、ギヤボツクス２８
内において駆動シヤフト２６に固定された主歯車
３０、およびギヤボツクスの外壁に固定された油
圧駆動モータ３２からギヤボツクス内に伸長する
軸に固定され主歯車３０に噛み合う歯車３４を備
える。

装置１１０における駆動シヤフト２６は、第４
図に示すように回転および直線運動可能に隔壁１
４に支承されている。この駆動シヤフト２６はギ
ヤボツクス２８の後部に固定されたシリンダ１１
２内を通過し、該シリンダ内の駆動シヤフト２６
にはピストンとしての作用に供するフランジ部１
１４が設けられている。このフランジ部即ちピス
トン部１１４によつて区画される前記シリンダ内
の後方のシリンダ室１１６は液圧導管１１８によ
つて油圧サーボ装置１２０に連通されている。従
つて、カツタヘツド２４は、シリンダ１１２のシ
リンダ室１１６への液圧供給時に、切羽地盤１０
０に押圧される。

シリンダ１１２から更に後方へ伸長した駆動シ
ヤフト２６の終端には、第１図に示された装置１
０におけると同様なピストン・シリンダ装置４２
が取り付けられ、該ピストン・シリンダ装置内の
ピストンロツド４４は駆動シヤフト２６の内部に
形成された通路内をカツタヘツド２４の方向へ伸
長している。このカツタヘツド２４と該ヘツドと
前記ピストンロツド４４との関係は第２図に示さ
れた構造と同じである。

ピストン・シリンダ装置４２の後方に、シール
ド本体１２に固定された別のピストン・シリンダ
装置１２２が配置されている。このピストン・シ
リンダ装置から伸長するピストンロツド１２４の
端部は前記カツタスリツト開度調整用のピスト
ン・シリンダ装置４２のシリンダ部分に固定され
ている。これは、装置１１０におけるカツタヘツ
ド２４が、シールド本体１２の推進とは無関係
に、軸方向へ移動できるように構成されているこ
とによつて生じるカツタヘツド２４とシールド本
体１２との相対的な移動量即ちスライド量ａを検
出するために作用する。従つて、前記ピストン・
シリンダ装置１２２はスライド量検出器である。
このスライド量検出器１２２のシリンダ室も液圧
導管１２６により油圧サーボ装置１２０に連通さ
れている。

装置１１０の油圧駆動モータ３２、ピストン・
シリンダ装置４２およびシールド本体推進ジヤツ
キ６６は、それぞれ、操作弁１２８，１３０，１
３２を介して導管１３４，１３６，１３８により
各可変ポンプ１４０，１４２，１４４に接続され
ている。これらの可変ポンプは油圧サーボ装置１
２０に接続され、該油圧サーボ装置からの油圧信
号により変化量が制御される。

このように、装置１１０は、カツタヘツド２４
にシールド本体の推進とは無関係に土圧対抗力を
発生させておくことができる。そのためには、ピ
ストン・シリンダ装置１１２のシリンダ室１１６
内には常に設定された負荷即ちカツタヘツド２４
が切羽地盤１００をその主働土圧より大きく且つ
受働土圧より小さい圧力で押圧するような負荷を
掛けておき、この負荷をシールド本体１２の推進
速度とカツタヘツド２４の掘削速度とが同期する
ように制御すればよい。

この制御は、第１図に示した装帯１０に関して
説明したと同様な方法によつて行われる。すなわ
ち、カツタヘツドとシールド本体との相対的スラ
イド量に応じて、カツタヘツドの回転速度、カツ
タスリツトの開度、シールド本体の推進速度或い
は前記相対的スライド量自体のいずれか１つを制
御することによりカツタヘツド２４を常にシール
ド本体に対して所定の位置関係即ちカツタヘツド
が前述のような押圧力で切羽地盤を押圧している
時のシールド本体に相対した位置にあるようにす
る。しかし、切羽地盤１００が礫のような場合は
カツタスリツトの開度を指定しておく必要があ
り、また、装置１１０の始動或いは停止などの場
合掘進速度も不規則になりがちであるのでこれも
指定しておく必要がある。このような場合にはカ
ツタヘツドの回転速度のみを制御することによつ
て掘削土量を変化させる。

このように、装置１１０は、第１図に示された
装置のようにカツタヘツドの土圧対抗力を直接制
御するのではなく、カツタヘツドとシールド本体
との相対的なスライド量から間接的に制御するた
め非常に安定した圧力でカツタヘツドを切羽地盤
に押圧することができる。

このスライド量は、シールド本体の推進速度と
カツタヘツドの掘削速度との差から直接的に取出
して制御することもできる。このような装置は、
第５図に第２の実施例として示されている。

第５図に示す液体加圧式シールドトンネル掘進
装置１５０は、カツタヘツド加圧用のピストン・
シリンダ装置１１２から伸長した駆動シヤフト２
６の終端部に該シヤフトの回転を許すように取り
付けられたブラケツト１５２を有する。駆動シヤ
フト２６に駆動力を与えるための油圧駆動モータ
３２は、該モータの速度を制御するための変速レ
バー１５４を有し、該レバーの上端とブラケツト
１５２とは駆動シヤフト２６に平行なロツド１５
６によつて連結されている。

これにより、掘削土量が増大してカツタヘツド
２４がシールド本体１２の推進速度より早く前進
し相対的にａだけスライドしたとすると、駆動シ
ヤフト２６が第５図でみて左方へ移動するため、
変速レバー１５４がロツド１５６によつて揺動さ
れ、油圧駆動モータ３２の回転を遅める。しか
し、シールド本体１２は常に一定の速度で推進さ
れているためスライド量ａは次第に元の状態へ回
復し、同時に油圧駆動モータ３２の回転もまた早
められる。

第６図に示す第３の実施例のシールドトンネル
掘進装置１６０は、シールド本体１２とカツタヘ
ツド２４との相対的なスライド量に基づいてカツ
タスリツトの開度を自動的に制御するものであ
る。すなわち、カツタヘツド加圧用のピストン・
シリンダ装置１１２から伸長した駆動シヤフト２
６の終端部には下方へ伸びるブラケツト１６２が
前記駆動シヤフトの回転を許すように取り付けら
れている。また、シールド本体１２には一端を枢
着されたリンク部材１６４が取り付けられ、該リ
ンク部材の他端は前記ブラケツト１６２に枢着さ
れ、駆動シヤフト２６に平行なロツド１６６の端
部に枢着されている。更に、駆動シヤフト２６の
内部通路を介して伸長したカツタスリツトの開度
を調整するためのロツド４４の端部は、リンク部
材１６４に枢着されている。

この構成によれば、切羽地盤１００にその主働
土圧より大きく且つ受働土圧より小さい予め設定
された圧力でカツタヘツド２４を押圧すべく、ピ
ストン・シリンダ装置１２２に予め圧力を設定し
ておき、掘削中、切羽地盤１００における掘削土
量が増大してカツタヘツドがシールド本体よりも
速く前進し、シールド本体１２に関して相対的に
滑動した時、駆動シヤフト２６は第６図でみて左
方へ移動し且つ同時にリンク部材１６４を揺動さ
せる。これによつて、ロツド４４は駆動シヤフト
２６の移動量即ちスライド量ａに比例した量だけ
押し込まれるが、駆動シヤフトの移動に関してみ
れば該シヤフトから後方へ引き出されたことにな
る。その結果、第２図および第３図で説明したよ
うに、フエース４６のスリツト４８からカツタビ
ツト５２が引き込まれスリツト開度が小さくな
る。これにより、カツタヘツドによる切羽地盤１
００の掘削土量を減少させて掘削速度を遅くし
て、シールド本体との相対的な位置を所定の状態
にまで回復させる。

（発明の効果）本発明の液体加圧式シールドトンネル掘進機に
よれば、隔壁前方へ切羽における地下水にこれと
ほぼ等しい圧力の液体を供給することによつて、
地下水の流動を阻止することができる。また、カ
ツタヘツドとシールド本体との相対的スライド量
に応じてシールド本体推進装置、カツタヘツド駆
動装置、加圧装置またはカツタスリツト開度調整
装置の作動を制御することによつて、カツタヘツ
ドにシールド本体に対して所定の相対位置を占め
させることにより切羽の主働土圧より大きく且つ
受働土圧より小さい圧力で切羽を押圧させ、これ
により切羽の崩壊および隆起を防止することがで
きる。従つて、本発明によれば、地下水および切
羽を自然の状態に維持しつつ、すなわち、地盤の
安定状態を維持しつつトンネルを掘進することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液体加圧式シールドトンネル掘進装置
を概略的に示す断面図、第２図はカツタヘツドの
部分断面図、第３図は第２図の２−２線に沿つて
得た断面図、第４図は本発明の第１の実施例に係
る液体加圧式シールドトンネル掘進装置を概略的
に示す断面図、第５図は本発明の第２の実施例を
概略的に示す断面図、第６図は本発明の第３の実
施例を概略的に示す断面図である。１０，１１０，１５０，１６０…液体加圧式シ
ールドトンネル掘進装置、１２…シールド本体、
１４…隔壁、１６…水圧室、２４…カツタヘツ
ド、２６…駆動シヤフト、３２…油圧駆動モー
タ、３８…切羽土圧検出器、４０…ピストンロツ
ド、４８…カツタスリツト、５０…カツタデイス
ク、６６…シールド本体推進ジヤツキ、９６…電
気制御装置、１００…切羽地盤。

Claims

【特許請求の範囲】

１シールド本体内に設けられた隔壁に回転およ
び滑動可能に支承されたカツタヘツドと、前記隔
壁前方へ切羽における地下水にほぼ等しい圧力の
液体を供給する装置と、可変速のシールド本体推
進装置と、カツタヘツド駆動装置と、前記カツタ
ヘツドを切羽地盤に対して加圧する加圧装置と、
カツタスリツト開度調整装置と、前記カツタヘツ
ドと前記シールド本体との相対的スライド量に応
じて前記シールド本体推進装置、前記カツタヘツ
ド駆動装置、前記加圧装置または前記カツタスリ
ツト開度調整装置の作動を制御する装置とを備え
る、液体加圧式シールドトンネル掘進装置。