JP2536736B2 - シ−ルド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、地中にトンネルを構築するシールド掘進機
の方向を制御しながら掘進する工法に関する。

〔従来の技術〕

従来のシールド掘進機、特に機械式シールド掘進機
は、前面に多数のカッターを植設した回転部を備えてい
る。回転部は推進軸回りで回転し、推進用ジャッキで地
中に推進される。カッターにより掘削された土砂は泥土
化され、掘進機の回転部より排泥される。掘進機前進に
より生じた空間にはセグメントが組立てられ、トンネル
が形成される。

回転部には、上述のカッターとは別に、曲線施工時や
方向修正時に外周方向に突出させるオーバーカッターあ
るいはコピーカッターを備えている。曲線施工や方向修
正をするときは、オーバーカッターまたはコピーカッタ
ーを回転部から突出させ、周囲の地山を乱して掘進機が
曲線もしくは修正方向に沿って曲がり易くされる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、従来の機械式シールド掘進機におい
て、トンネルの曲線施工や方向制御にあたって、オーバ
ーカッターあるいはコピーカッターを使用している。こ
のオーバーカッターやコピーカッターの使用には次のよ
うな欠点がある。

すなわち、オーバーカッターやコピーカッターは周囲
の地山を乱す効果があるが、土砂の乱す範囲はそのカッ
ターの及ぶ範囲に限定されており、その結果、乱された
土砂の取込みが不十分で土砂が地山中に残留する。この
ような状態で方向制御をしようとすると、残留した土砂
が地山に押し付けられ、地山反力が回復する。この反力
により掘進機の方向修正が困難になる。

さらに、別の問題として、土質の違いや長距離掘進を
行うことにより、オーバーカッターまたはコピーカッタ
ー等の摩耗が生じる。この摩耗により、設計当初の突出
ストロークを失い、曲線施工時や方向修正時に地山の乱
し範囲が狭くなり、カッターの使用効果が薄れる。ま
た、土質によってはカッター刃が全く無くなるときもあ
る。

他方で、特開昭57-61198号および実公昭48-905号公報
においては、後述する本発明と同様に、高圧水を噴射し
て、地盤を弛緩させること自体は開示している。

しかし、これらのいずれも切削土砂の強制排泥を行っ
ていないので、結果として、緩んだ土砂がそこに滞留
し、掘進機の進行に伴ってあるいは土圧によって再び締
め固められ、現実には曲進が困難である。したがって、
本発明者らは、この種の従来例が成功したとの情報を得
ていない。

そこで、本発明の課題は、上述のような欠点を解消す
るとともに、土砂や土質の違い、さらには長距離掘進に
も影響を受けることなく、所期の曲線施工や方向修正を
可能とすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、シールド掘進機の回転部を回転させなが
ら掘進する方法において、 前面の回転部先端から後方1m以内の掘進機外郭から、
掘進軸に対して機外外周斜前方に軸線に対して15°〜30
°の角度範囲内で、曲がろうとする方向にのみに、高圧
液を圧力200kg/cm²以上、流量10〜60リットル/minの条
件で噴射させて周辺地山の余堀りを行うとともに、この
余掘り過程において余掘りされた土砂を掘進機の回転し
ている回転部の前面から内部に連続的に排泥し、シール
ド掘進機の方向の制御を行うことを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

ここに、噴射する高圧液としては、通常水を用いる
が、崩壊性に富んだ地盤には泥水を用いることもでき
る。高圧液の噴射装置の掘進機の掘進軸線に対する噴射
角度θ（第８図参照）は当該噴射装置の取付位置によっ
ても異なるが、15°〜30°、最適には20°である。15°
未満では、地山の乱し範囲が狭く方向制御が困難にな
り、30°を超えると、乱し範囲が拡すぎ、かつ余掘りが
過度に大きくなり、地山の崩壊、地上部への影響、セグ
メントの組立等に悪影響を与えるとともに、裏込材の注
入量が必要以上に多くなる。

高圧液は噴射装置を構成するノズルにより噴射され
る。ノズルは必要に応じシールド掘進機の外郭に単数も
しくは複数個設ける。噴射圧力は地山の土質によっても
異なるが、200kg/cm²以上の圧力、好ましい範囲は200〜
300kg/cm²である。ノズルの口径は曲線施工や方向修正
の程度および土質により適宜選定する。噴射圧力が200k
g/cm²未満では掘削能力が乏しく、仮に掘削能力のみを
高めることを目的として吐出流量を大きくすることも可
能ではあるが、これに伴って排泥量が過度に多くなり現
実的ではない。

掘削には噴射圧力のみならず吐出流量が大きく支配す
る。この流量としては、10〜60リットル/minとされる。
流量が10リットル/min未満では掘削能力に劣り排泥が困
難となる。また、60リットル/minを超えると、掘削能力
が大きくなる結果、排泥は良好であるものの、過度に余
掘りすると、地山の崩壊、地上部への影響、裏込め注入
量の増加およびセグメントの組立等に悪影響を与える。

高圧液体を得るために、注液設備には高圧ポンプを用
いる。排泥は、掘進機の回転部の前面から内部に導くこ
とにより行う。

ノズルより噴射した高圧液で回転部周囲の地山を切削
させると、切削された土砂のほとんどは、回転部の回転
と掘進機の進行に伴って、シールド掘進機の回転部の前
面からスリットを経て回転部内に入り、排泥管を経て排
出される。

これによって、切削した土砂がシールド掘進機の周囲
に滞留することがなく、もって地山反力を受けることな
く、シールド掘進機の方向制御を行うことができる。ま
た噴射圧力は機内より調整できるので、施工曲線の曲率
や土質の変化に対応させて乱し範囲の調整ができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明の概要を示した断面図である。シール
ド掘進機１の前部は掘進軸回りで回転する回転部２にな
っている。回転部２の前面には多数のカッタービット３
が植設されている。これらのカッタービット３により地
山を切削する。

切削された土砂は前面スリット（図示せず）より回転
部２内に入り込むようになっている。回転部２の半径方
向には第２図に示す如く円周方向余掘りカッター装置４
が設けられている。カッター装置４は外周方向に突出す
るオーバーカッターまたはコピーカッター５を有し、ジ
ャッキ６を用いて必要時に回転部２の外周より突出させ
る。このカッター装置４は本発明において必ずしも必要
なものではない。

回転部２は、後続する円筒状の推進部７内に設置され
たモーター８から、噛合歯車9a,9bを介して回転が伝達
される。

推進部７とその後続部材との間には推進用ジャッキ10
が設けられている。この推進用ジャッキ10により、推進
部７は回転部２と共に前方の地中へ推進される。

推進部７内部は、カッタービット３で掘削した土砂を
泥土化するための泥水を供給する送泥管11と、泥土を後
続へ排出する排泥管12を備えている。推進部７と、前述
の回転部２との間には遮蔽板13が介在し、回転部２内の
泥水が推進部７内に侵入しないようになっている。

本発明に係る高圧液噴射装置14は、シールド掘進機１
の外郭で、掘進機１の大きさにもよるが回転部２の前面
より後方の1m以内の範囲内個所に設置される。噴射装置
14を1mより遠い所に設置すると、崩壊した土砂が回転部
前面に迂回することなく滞留し、また前部周囲の地山が
掘削されないので地山の反力を受けて所期の目的を達成
しずらい。噴射装置14の設置箇所は地盤条件を考慮し、
余掘りする必要性のあると予想される円周方向のどの位
置でも取付が可能である。この場合、噴射装置14のトン
ネル方向の設置位置は、高圧液の到達距離が問題である
ので、シールド掘進機１の半径には関係しない。しか
し、その半径の増大に伴って、曲進方向に取り付ける高
圧液噴射装置14の数は増やす必要がある。噴射装置14を
回転部２に設けるときは、噴射装置14と送水管との間を
スイベルジョイント26で連絡して、当該噴射装置14が回
転部２の曲進方向に相当する周方向位置に達した時点
で、高圧液を噴射する。

噴射装置14は噴射ノズル15のみからなる場合もある
が、第１図に示すように、ストップバルブもしくは調整
バルブ16を併設すると、噴射圧力や流量の調整が個々に
可能となる。第１図の例では噴射ノズル15が片側の側壁
に上下に亘って３個所設置されているが、土質や曲線施
工にあわせて増減できる。

噴射ノズル15からの好ましい噴射角度（取付角度）θ
は、前述のとおりシールド掘進機１の推進軸に対し15〜
30°である。第４図は一例として噴射ノズル15を20°の
角度で推進部７に取り付けた例である。噴射ノズル15の
口径は、1.6〜2.4mmの範囲で選定されるが、第５図に示
す如く内部に着脱可能なノズルチップ18を介在させ、チ
ップ18の口径を上記範囲で選定することもできる。チッ
プ18自体の変更によりノズル口径の変更が容易になる。
各ノズル口径における圧力−流量の関係を第６図および
第７図に示す。第６図が液体として清水を用いた場合
で、第７図が泥水を用いた場合である。

噴射する高圧液は、第１図に示す如く注液設備20より
供給される。この例における注液設備20は高圧ポンプ21
と水槽22からなる。高圧ポンプ21は、第６図および第７
図の使用範囲から200〜300kg/cm²の吐出圧力で10〜60リ
ットル/minの流量を出すポンプが望ましい。水槽22には
土質を考慮して清水または泥水が蓄水される。この注液
設備20は台車に搭載され、セグメント23により構成され
るトンネル内に敷設されたレール24上を走行する。注液
設備20の高圧ポンプ21は高圧ホース25を介して噴射装置
14に連結されている。

次に方向制御の方法について述べる。

シールド掘進機１の方向制御をするときは、高圧ポン
プ21を作動させ、水槽22内の清水または泥水を約300kg/
cm²の吐出圧に高め、高圧ホース25を介して噴射装置14
に供給する。切削させる地山の土質や方向制御の程度に
応じて調整バルブ16を調整し、噴射圧力および流量を加
減する。ここで仮に右側に曲進するものとすれば右壁に
位置する噴射ノズル15より清水または泥水を進行方向線
とのなす角度が15〜20度の角度範囲でシールド掘進機１
の外郭より前方の地山に噴射し、第４図に示す如く切削
させる。切削した土砂が水圧に押されて回転部２の前面
に迂回し、スリットより回転部２内に入り込む。入り込
んだ土砂は回転している回転部２内で攪拌され、排泥管
12より後部へ排出される。

カッター装置４に噴射装置14があるときは、曲進方向
に一致した時点で、その噴射装置14から高圧液を噴出さ
せる。カッター５により切削した土砂は、噴射装置14か
らの噴流で回転部２の前面に迂回し、回転部２内の排泥
管12により後部へ移送する。

このようにして、シールド掘進機１の曲進方向に方向
制御に支障のない空間が生じる。次にシールド掘進機１
の推進用ジャッキ10を用いて方向制御を行う。方向制御
は右側に屈進するときは右側の推進用ジャッキ10よりも
左側の推進用ジャッキ10のストロークを長くして行う。
屈進後、後部に生じた空間には曲率に合せてセグメント
３が組み立てられトンネルが完成する。

以下、本発明の効果について実施例に基づき詳述す
る。

実際のシールド工事において、本発明に係る高圧水噴
射装置を装備し、噴射圧力、噴射流量、噴射角度につい
て種々変えながら、噴射水の到達距離および切削状態等
について調査を行った。

なお、この際の現場施工条件および土質条件は第１表
のとおりである。

また、噴射装置の取付位置は、第８図に示すように、
回転部（面板）前面から65cmの後方位置とし、噴射ノズ
ル径φ＝2.0mm、噴射液は清水を使用した。

上記条件の下での試験結果を第２表に示す。

なお、第２表中、噴射到達距離とは、噴射装置から噴
射された高圧水が有効的に到達する前面方向距離をい
い、スキンプレートからの距離とは、噴射装置から噴射
された高圧水が有効的に作用する掘進機外周壁面（スキ
ンプレート）から外方に拡がった距離（この範囲が有効
に切削される）をいう（第８図参照）。

第２表中、掘削・排泥の良否の判断は、噴射到達距離
については、高圧水によって掘削された土砂が効率良く
前方に押し出されるように、概ね40cm程度以上の場合を
良好とし、スキンプレートからの距離については、あま
り余掘りが大きいと地山の崩壊、地上部への影響、裏込
め注入量の増加およびセグメントの組立等に悪影響を与
えるため、概ね7.5cm以上、好ましくは7.5cm〜14cmの範
囲を良好とした。これらの評価規準の詳細は第２表に併
示した。また、掘削・排泥の良否のみならず、余掘りの
大小も影響するために、現実の排泥の良否を含めた綜合
評価も第２表に示した。

第２表から明らかなように、噴射角度θが15°〜30°
の範囲であり、かつ圧力200kg/cm²以上、好ましくは200
〜300kg/cm²（この場合、ノズル径2.0mmの条件の下での
流量は、30.4〜37.2リットル/minである。）の条件の範
囲において、良好な掘削・排泥ならびに余掘りが行われ
ることが判明される。

一方、第３表には他の噴射ノズルを用意し、吐出流量
および噴射角度を変えた実験を行った。第３表には第２
表でのデータの一部を併せて示した。さらに、以上の実
験は第１表から明らかなように、細砂でＮ値が40〜50の
地盤に対しての実験であるが、Ｎ値が約20の固結粘土シ
ルト地盤に対して、第３表と同様の実験を行った。

これらの一連の結果によれば、対象地盤によって掘削
・排泥の良否および余掘り量が変化するものの、噴射角
度は15°〜30°が好適であり、吐出圧力は200kg/cm²以
上で、吐出流量は10〜60リットル/minが望ましいことが
総合的な考察から判る。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、シールド掘進機の外郭
に設けられた噴射装置により高圧液体を機外斜前方に噴
射し、地山を切削させてその土砂を回転部を回転させつ
つその前面より、機内に備えている排泥管を用いて後部
に排泥させる。

したがって、切削した空間には土砂が残留することな
く、シールド掘進機の方向制御に際し地山反力を受ける
ことなく方向制御を容易に行うことができる。

また、液体の噴射圧力や流量を機内にて調整すること
が可能なので、施工もしくは修正する曲率や地山の土質
に合わせて適正な空間を形成することができる。

噴射装置をカッター装置と併存させるときは、オーバ
ーカッターやコピーカッターの摩耗・損傷を軽減させ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は噴射装置を推進部の側面に設けた例、第２図は
カッター装置に設けた例、第３図は推進部の底面に設け
た例、第４図は噴射装置の取付角度と地山の崩壊状態を
示した断面図、第５図は噴射装置の断面図、第６図およ
び第７図は噴射ノズルの口径によって定まる圧力−流量
線図、第８図は本発明での評価規準の説明図である。 １……シールド掘進機、２……回転部、14……高圧液噴
射装置、20……注液設備、25……高圧ホース。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド掘進機の回転部を回転させながら
   掘進する方法において、 前面の回転部先端から後方1m以内の掘進機外郭から、掘
   進軸に対して機外外周斜前方に軸線に対して15°〜30°
   の角度範囲内で、曲がろうとする方向にのみに、高圧液
   を圧力200kg/cm²以上、流量10〜60リットル/minの条件
   で噴射させて周辺地山の余堀りを行うとともに、この余
   掘り過程において余掘りされた土砂を掘進機の回転して
   いる回転部前面から内部に連続的に排泥し、シールド掘
   進機の方向の制御を行うことを特徴とするシールド掘進
   工法。