JPS5814920B2 - シ−ルドトンネル掘進装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシールドトンネル掘進装置に関し、特に切羽の
土水圧に対抗して先端に掘削装置を備えるシールドを抑
圧、推進し、これにより切羽の崩壊を防止しつつトンネ
ルを掘進する、いわゆる土圧バランス型のトンネル掘進
装置に関する。

この種のトンネル掘進方式および加圧泥水等を切羽に作
用させてトンネルを掘進する方式において、共通な技術
的課題の一つは、掘削土砂の排出に関する。

一般に、透水係数の小さい土質および地下水位が低い地
盤にトンネルを掘進する場合、シールド中に区画された
土水圧作用域あるいは加圧域からその後方の大気圧域へ
土砂を排出する手段として通常のスクリューコンベヤー
および該スクリューコンベヤの土砂排出口下に設置され
るベルトコンベヤーが用いられる。

また、透水係数の大きい砂質または砂礫地盤や地下水位
が高い地盤の場合には、シールド内部に区画された圧力
差を有する前記２つの区域にまたがって配置されるスク
リューコンベヤの土砂排出口に、ロータリーバルブのよ
うな弁装置が設けられ、内部の圧力降下ひいては切羽の
崩壊が生じないように構成されるこのスクリューコンベ
ヤの排土口に各種の弁装置を設けるのと同様の目的をも
って、スクリューコンベヤの土砂排出口以後を加水式と
する例もある。

しかしながら、従来方式のいずれによっても、土砂の搬
出方向と排出方向とが各種弁装置の取り付けのためにほ
ぼ直交することによって、シールド内のセグメント搬送
、組立作業空間域に、土砂排出設備が集中して支障をき
たす。

特に、比較的口径が小さいシールドの場合には、この設
備がやっかいな問題を引き起す。

また、従来方式によれば、前記弁装置はスクリューコン
ベヤのケーシングの周壁に下向きに設けられるので、こ
の弁装置を含む土砂排出口は必然的にケーシングの軸線
より下方に位置する。

地盤中の水位とスクリューコンベヤの土砂排出口との関
係でみる限り、該排出口が地下水位より高い位置にある
ことが好ましいが、ケーシングの長さおよび傾針角度を
一定とした場合、排出口がケーシングの周壁にあってそ
の軸線より下方に位置する限り、当該軸線上に排出口が
設けられる場合に比較して、搬送土砂が地下水圧から受
ける影響が太キイ。

スクリューコンベヤにおける少しでも高い位置から土砂
を大気域中に放出することが必要である。

しかし、この要件を前記の従来方式によって満たすこと
は困難である。

切羽の崩壊は、砂質や砂礫の地盤、あるいは地下水位の
高い地盤にトンネルを掘進する際に生じ易いことが知ら
れている。

この切羽崩壊の主な原因には、カツタの回転によって掘
削士が移動することに伴う流砂現象すなわち土中水の移
動、圧力変動あるいは士中水の排出過多による地盤沈下
がある。

このような現象による切羽崩壊を防止するために、一般
的には、泥水加圧、泥土加圧、土圧加水等により切羽に
圧力をおよぼす方法が広く採用されているが、これらの
方法の実施には加圧媒体のための輸送設備や地上処理設
備を必要とし、設備費が高価となるばかりでなく、排泥
水等の排出物はその処理方法のいかんによっては公害問
題を引き起す。

また、従来から広く用いられてきた圧気方式は、砂質も
しくは砂礫地盤では切羽から透気してしまう等により、
地質によっては効果的でない。

本発明は、前記した従来のシールドトンネルの掘進装置
における欠点を除去し、砂層、砂礫層および地下水位の
高い地盤に適合するトンネル掘進装置の提供を目的とす
る。

本発明は、推進可能のシールド本体内に区画された土水
圧域からその後方へ土砂を搬出するために直線的な搬送
経路を形成し、この直線経路を土砂が移動する間にこれ
を圧密し、圧密された土砂によって土水圧域にその圧力
を維持しかつ引き続き直線経路上でこれを移動させて大
気域中に放出することを企図する。

従って、本発明に係る装置は、前記土砂排出手段を、シ
ールド本体内に設けられた隔壁に固定されしかもその前
方で開放された筒状ケーシングと該ケーシング中に回転
可能に収容されたスクリューロンドとからなるスクリュ
ーコンベヤであって、前記ケーシングがその内部に同軸
的にかつ回転可能に配置された被駆動の筒状体を有し、
前記スクリューロンドの一端が隔壁前方に配置されまた
その他端が前記筒状体の内周に配置されているスクリュ
ーコンベヤによって構成する。

この土砂排出手段によれば、ケーシング中をスクリュー
ロンドにより搬送される土砂は、前記筒状体中ではスク
リューロツドと筒状体とが一体的に回転することにより
送りが中断されることから、スクリューロンドにより引
き続き搬送されてくる土砂に押されて搬送方向への圧密
を生じ、さらに押されて筒状体中を移動し、そのままケ
ーシング外、すなわち大気圧域中に放出されることとな
る。

本発明は、また、地下水位が高い地盤での切羽の崩壊を
防止すべく、掘削された土砂を介して切羽に作用する高
圧空気のための室をシールド本体内に設け、掘削土中水
の移動によって生じる土粒子間間隙水の急激な水圧変動
を空気の圧縮性を利用して防止し、また絶えず変化する
地下水位に呼応して空気圧を調整して土水圧と空気圧と
を調和させることにより、切羽の安定を図ることを企図
する。

従って、本発明に係る装置は、前記隔壁の前方において
シールド本体内の上方部分に設けられ、前記隔壁と共に
掘削土砂に向けて下向きに開放する空気圧室を形成する
仕切板を備える。

前記仕切板および前記スクリューコンベヤのケーシング
には、掘削士および搬送土砂の土圧を検出するための検
出器を設け、該土圧検出器によって検出された土水圧に
応じて空気圧室内の空気圧の増減を図るべく、該空気圧
室に加圧空気を送給しかつこれから排気するための空気
口を前記隔壁に設け、これにより隔壁前方の土水圧域中
に所定の圧力を維持して、切羽の崩壊を防止する。

本発明は、さらに、スクリューコンベヤ中を搬送される
土砂と共に地下水をも排出して土水圧域中に圧力降下ひ
いては切羽の崩壊を招くことがないように、また地下水
圧の作用による土砂のスクリューコンベヤからの噴発を
生じて土水圧域中の圧力降下を招くことがないように、
スクリューコンベヤ中で地下水位を押えることを企図す
る。

従って、本発明に係る装置は、前記スクリューコンベヤ
のケーシング中に加圧空気を供給するための送気口を備
える。

この送気口は、前記ケーシングに配置される土砂圧密の
ための筒状体の近傍の隔壁側において、ケーシングに設
けられる。

空気圧はその大きさに応じてケーシング中で地下水位を
下げる作用をなすと共に、筒状体内で圧密されていわば
ケーシングのための栓を形成する圧密土砂のケーシング
放出開ロヘ向けての直線的な移動を助ける。

本発明が特徴とするところは、図示の実施例についての
以下の説明により、さらに明らかとなろう。

第１図に示すように、本発明に係るシールドトンネル掘
進装置１０は、シールド本体１２およびこれを推進する
ための複数の減圧装置１４を含み、シールド本体１２の
前端部には被駆動のカツタディスク１６が回転可能に支
承されている。

シールド本体１２の内部には、これを横切って隔壁１８
が設けられており、該隔壁前方には、シールド本体の上
方部分に位置する仕切板２０が設けられている。

カツタディスク１６と隔壁１８との間には、カツクディ
スクにより掘削されかつかき込まれた屑をかき上げる回
転羽根２２が配置されている。

カツタディスク１６と隔壁１８との間には、カツタディ
スクの作動中掘削土砂および地下水が受け入れられ、土
水圧が作用する。

従って、その間は区画された土水圧域２４である。

また、仕切板２０は、前記士水圧域２４中に部分的に区
切られた、土水圧域に開放する空間すなわち空気圧室２
６を隔壁１８と共に形成する。

前記仕切板２０の下端部には土水圧域中の土圧を検出す
るための検出器２８が設けられており、また隔壁１８に
は空気圧室２６中に高圧空気を供給しまたは排気するた
めの空気口３０が設けられている。

隔壁１８の前方における土水圧域２４から、その後方に
おける大気圧域へ土砂を排出するために、全体を符号３
２で示すスクリューコンベヤが配置されている。

スクリューコンベヤ３２を構成する筒状のケーシング３
４はその一端で隔壁に設けられた開口３６にシール部材
１８を介して固定され、隔壁１８の前方において上半部
分が開放されている。

ケーシング３４は、支持部材３９によりシールド本体１
２に支持されており、また図示のように隔壁１８の後方
へ上向きに傾斜して配置されている。

ケーシング３４の他端は、これに接続される部材４０の
土砂放出口を介して大気圧域中に開口されている。

また、ケーシング３４はそのほぼ中間部に送気口４１お
よび土圧検出器２８ａを備える。

ケーシング３４はその他端近傍に内径を大きくしたケー
シング部分３４ａを有し、該ケーシング部分の内部には
電動モータのような１駆動源４２が配置されている。

また、ケーシング部分３４ａの内部にはケーシング３４
の他の部分におけるとほぼ等しい内径の筒状体４４ば同
軸的にかつ軸受４６およびシール部材４８を介して回転
可能に配置されている。

筒状体４４はその外周に歯車４９を備え、該歯車は駆動
源４２に連結された歯車（図示せず）に噛合している。

ケーシング３４中には、スクリューロツド５０がその軸
５１上のスクリュー羽根５２をケーシングの内壁に支承
させて、回転可能に収容されている。

スクリューロツド５０の一端は隔壁１８の前方において
上半部分を開放されたケーシング内で土水圧域２４中に
露出しており、また他端は前記筒状体４４のほぼ中間部
分に終端しかつその外周ですなわちスクリュー羽根５２
で筒状体４４の内壁に溶接により固定されている。

従って、スクリューロツド５０は、駆動源４２の作動に
よる筒状体４４の回転を介して駆動回転される。

この構成によれば、スクリューロツド５０は筒状体４４
をその外周に設けた歯車４９に伝えられるトルクによっ
て回転されることから、従来のスクリューロツド軸に直
接トルクを伝える型式のものに比べ、歯車比の点からよ
り大きなトルクを伝達することができ動力が小さくてよ
い。

土水圧域２４中の土砂は、スクリューロンド５０の回転
によりケーシング３４中を直線状に搬送され、その間に
筒状体４４内に至る。

筒状体４４内ではスクリューロツド５０とこれを取り巻
く筒状体内壁との間に相対的な運動がないことから、土
砂にはスクリュー羽根５２により送り力が与えられず筒
状体中に停滞しようとする。

しかし、引き続き土砂が筒状体４４中に送り込まれてく
る層強固にするために、図示のように、ケーシングの端
末部分３４ｂにその内径を減ずるための絞り弁３５を設
けることができる。

ここで留意されねばならないこととして、絞り弁３５は
あくまでも土砂搬送路の内径を筒状体４４の内径より小
さくして土砂の圧密度をさらに高める目的のものであっ
て、間欠的にケーシングを閉じてその内部圧力の降下を
防ぐためのものではなく、そのような弁装置とは実質的
に作動および機能を異にする。

土砂の圧密度は、土水圧域２４中の圧力すなわち地下水
位に応じて高めることが必要であるが、この圧密度を一
層高め、セグメントの搬入やエレクタ５４によるセグメ
ント組立のための作業域を一層拡大するために、あるい
は土砂の排出を広範囲の土質に適合させるために、第２
図に示すように、複数のスクリューコンベヤ３２．３２
ａを可撓管５６を介して接続することが有利である。

この場合、スクリューコンベヤ３２ａのスクリューロツ
ド５０ａ回転数をスクリューコンベヤ３２におけるより
低くすることにより、その筒状体に至らないシーシング
３４′内においても土砂の圧密をさらに高めることがで
き、筒状体４４ａ中では土砂の圧密度をより一層高める
ことができる。

再び第１図を参照すると、前記した仕切板２０およびケ
ーシング３４に設けられた土圧検出器２８．２８ａはそ
れぞれ土水圧域２４およびケーシング３４内の土水圧を
検出し、検出した土水圧に応答して空気圧室２６中の圧
力を空気口３０を経る給排気によって調整する。

これにより、絶えず変化する地下水位と空気圧室２６内
の空気圧とのバランスを図り、切羽の安定を図ることが
できる。

また、この空気圧室２６の空気圧により、シールド本体
１２の推進時およびカツタディスク１６の回転の開始時
に生じる急激な土水圧変動を緩和することもできる。

スクリューコンベヤ３２により搬出される土砂は、前記
したようにケーシング３４中の筒状体４４内で圧密され
て栓の作用をなすが、土質によっては該栓に十分な水密
性を得ることが困難な場合がある。

このような場合、筒状体４４の長さやその回転数を調整
し、あるいは前記したようにスクリューコンベヤ３２．
３２ａを連結することが効果的であるが、これらに加え
てまたはこれらに代えて、送気口４１を介してケーシン
グ３４内にことから、筒状体中の土砂は直線的な送り方
向への押圧力を受けて次第に圧密する。

土砂の圧密は該土砂が筒状体中にある限り、その度合を
増大する。

こうして圧密された土砂は、ケーシング３４およびこれ
に連通ずる土水圧域２４中の圧力降下を生じることなく
排土するために、自ら栓の作用をなす。

しめ化、ケーシング中に留まることなく引き続き直線的
な搬送路内を移動し、終いにはケーシングの端末部分３
４ｂに接続された前記部材４０の放出口を経て、大気圧
域中に放出される。

圧密土砂のケ−シング３４に対する栓の作用を一高圧空
気を導入する。

これにより、搬送土砂の脱水を図りまたはケーシング内
の水位の低下を図ることができ、圧密土砂による栓の作
用が高められる。

本発明によれば、排出される土砂が、スクリューコンベ
ヤを介して直線的に搬送される間に搬送路および土水圧
域中に土水圧を維持するための栓を形成し、さらに引き
続き直線的に送られてシールド内の高い位置で大気圧域
中に放出されることから、セグメントの搬送、組立ての
ため等の作業空間を著しく拡大することができ、小口径
シールドにおいては格別な適用性を有する。

また、本発明によれば、地下水位がシールド上方にある
ような場合、あるいは水位が絶えず変動する場合にも、
シールド前記に規定された空気圧室中の圧力空気の作用
により、切羽の安定を図ることができる。

さらに、前記したように、土砂の搬送路中におよぼされ
る空気圧の作用により、搬送路中での土砂の噴発、ひい
ては切羽の崩壊が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシールドトンネル掘進装置の縦断
面図であり、第２図は変形例を示す第１図と同様の縦断
面図である。 １２……シールド本体、１６……カツタディスク、１８
……隔壁、２０……仕切板、２４……土水圧域、２６…
…空気圧室、２８２８ａ……土水圧の検出器、３０……
空気口、３２，３２ａ……スクリューコンベヤ、３４．
３４’……ケーシング、３４ａ，３４ｂ……ケーシング
部分、４１……送気口、４２……電動モータ、４４……
筒状体、４９……（簡状体外周の）歯車、５０．５０ａ
……スクリューロツド、５１……軸、５２……スクリュ
ー羽根、５４……エレクタ、５６……可撓管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 推進可能のシールド本体と、該シールド本体の前端
   部に回転可能に支承された被駆動のカツタディスクと、
   前記シールド本体内に設けられた隔壁と、該隔壁前方に
   おいて前記シールド本体内の上方部分に設けられ、前記
   隔壁と共に空気圧室を形成する仕切板と、前記力ツタヘ
   ッドにより該カツタヘッドと前記隔壁との間に受け入れ
   られた掘削土砂を、隔壁前方に作用する土水圧の降下を
   きたすことなく、隔壁後方に排出する手段とを含み該排
   出手段が、前記隔壁に固定され、該隔壁の前方で開放さ
   れた筒状のケーシングと該ケーシング中に回転可能に収
   容されたスクリューロンドとから成り、前記ケーシング
   はその内部に同軸的にしかも回転可能に配置された被駆
   動の筒状体を有し前記スクリューロツドはその一端が前
   記隔壁前方に配置されまた他端が前記筒状体の内周に固
   定されている、シールドトンネル掘進装ｌ ２ 推進可能のシールド本体と、該シールド本体の前端
   部に回転可能に支承された被駆動のカツタディスクと、
   前記シールド本体内に設けられた隔壁と、前記カッタヘ
   ッドにより該カツタヘッドと前記隔壁七の間に受け入れ
   られた掘削土砂を、隔壁前方に作用する土水圧の降下を
   きたすことなく、隔壁後方へ排出する手段とを含み、該
   排出手段が、前記隔壁に固定され、該隔壁の前方で開放
   された筒状のケーシングと該ケーシング中に回転可能に
   収容されたスクリューロンドとから成り、前記ケーシン
   グはその内部に同軸的にしかも回転可能に配置された被
   駆動の筒状体を有し、前記スクリューロンドはその一端
   が前記隔壁前方に配置されまた他端が前記筒状体の内周
   に固定されており、さらに前記ケーシングがその内部へ
   加圧空気を供給するたみの送気口を前記筒状体の近傍に
   備える、ジールドトンネル掘進装置。 ３ 推進可能のシールド本体と、該シールド本体の前端
   部に回転可能に支承された被駆動のカツタヘッドと、前
   記シールド本体内に設けられた隔壁と、該隔壁の前方に
   おいて前記シールド本体内の上方部分に設けられ、前記
   隔壁と共に空気圧室を形成する仕切板と、該仕切板に設
   けられた土水圧の検出器および前記隔壁に設けられた、
   前記空気圧室へおよび該空気圧室から空気を送排気する
   ための空気口と、前記力ツタヘッドにより該カツタヘッ
   ドと前記隔壁との間に受け入れられた掘削土砂を、隔壁
   前方に作用する土水圧の降下をきたすことなく、隔壁後
   方へ排出する手段とを含み、該排出手段が、前記隔壁に
   固定され、該隔壁の前方で開放された筒状のケーシング
   と該ケーシング中に回転可能に収容されたスクリューロ
   ツドとから成り、前記ケーシングはその内部に同軸的に
   しかも回転可能に配置された被駆動の筒状体を有し、前
   記スクリューロンドはその一端が前記隔壁前方に配置さ
   れまた他端が前記筒状体の内周に固定されており、さら
   に前記ケーシングが土圧検出器および該ケーシングの内
   部へ加圧空気を供給するための送気口を前記筒状体の近
   傍に備える、シールドトンネル掘進装置。