JPS6213695A - 泥水加圧掘進機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は泥水加圧式のシールド工法及び推進工法に用い
る掘進機に関するものである。

〔従来の技術〕

地盤にトンネルを構築する場合、種々の工法が使用され
ているが、その一つとして安定液工法がある。

安定液工法は１９１４年の石油井戸掘削に始まり、地下
連続壁工法、リバース杭工法等に応用され、地中横穴掘
進である泥水加圧シールド工法及び泥水加圧推進工法へ
とその応用範囲は広がってきた。その基本は例えば文献
「地下連続壁工法の理論と実際」　（藤井清光他３名著
、山海堂発行。

昭和５０年３月）の第３頁第３行目〜第６行目「清水と
掘りくずの混合物である泥水が井戸の中に満たされた。

井戸が深くなるに従って、この泥水には地下水やガスを
抑え、さらに崩れやすい地層を安全に支える機能がある
ことが認められた。」に表現される。

従って上記泥水加圧掘進工法は、掘進時に掘削室に泥水
（目詰め材、増粘材と水との混合物）を注入し、泥水に
掘削土砂を溶解させ、掘削室内を液状体にし、加圧し、
送泥水と掘削土砂（堀くず）の固形粒子の目詰効果によ
って、切羽面に泥膜（マッドフィルム）を形成し、通常
地下水圧＋０．２ｋｇ／ｃｄ程度の泥水圧によって泥膜
を介して地下水と切羽の崩壊を押さえて安定させる。

従来の泥水加圧掘進機における掘削構造は、大部分回転
式による掘削方式が用いられており、そのカッタヘッド
の支持方式は、センタシャフト方式、周辺支持方式等の
違いはあるが、いずれも掘進機の中央を回転軸の中心点
としてカンタフェース（面板）やカッタスポークを回転
させて切羽の土砂を掘削するのが一般的であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし従来の掘進機では下記のような問題点があった。

（ｉ）掘進機の中央を回転軸の中心点としてカンタフェ
ース等を回転させ、切羽の土砂を掘削するので、掘削断
面は円形に限られる。しかし地下鉄や地下道、電気通信
線、電力線あるいは光通信網等を併設するハイブリッド
な下水管渠等では、矩形（ボックス形）断面や馬蹄形（
アーチカルバート）断面のほうが利用効率が良く、かつ
経済的なことは周知の事実であり、今後はこれらの非円
形断面が社会的に要求されることは明白であるが、従来
の泥水加圧掘進機では掘削断面が円形に限定され、矩形
断面や馬蹄形断面の掘削は不可能であるか、または非常
に困難であった。

（ｉｉ　）カッタフェース等を回転させ切羽の土砂を掘
削するので、全断面掘削となり、切羽全面の泥膜は一挙
に削り取られ、その結果切羽を不安定にさせる。

（ｉｉｉ　）全断面掘削であるため大きなトルク、を必
要とし、駆動機等もそれにつれて大きくなり、掘進途中
に掘削不可能な岩盤層や巨大玉石層に遭遇した場合、簡
単に掘進機内の装備を撤去して手掘り掘進に変更するこ
とは困難な場合が多く、かつ掘進可能な土層に戻った場
合、再び機械掘削の装備を掘進中に装着することは殆ど
不可能であり、対処の方法としては、地上より立坑を堀
り掘進機を堀りあげるか、それが不可能ならば到達側か
ら、掘進機外径より大きい口径で手掘り刃口掘進により
迎え掘削し回収するしかなく、掘進区間内で土質が変化
した場合、適切に対応しがたい。

（ｉｖ）礫層や玉石層等を掘削する場合や、シールド工
法のように長距離（３００〜１０００ｆｆ１以上）掘進
する場合には、当然カッタビットの摩耗が生じる。この
とき掘進途中のカッタビット交換に際して、大口径（Φ
２０００ｗ以上）の場合は予め交換のための作業出入口
（マンホール）を設置することも可能であるが、切羽前
面の作業のため、切羽の崩壊が発生する等の大きな危険
を伴う恐れがあり、口径がΦ１５　Ｑ　Ｑｍ程度以下に
なるとカンタビットの交換は非常に困難となるか、不可
能になるので小口径化が図りにくい。

（ｖ）全断面掘削の場合、掘進中力ツタが切羽の地山に
くい込んだとき、その反作用によって掘進機が回転させ
られる傾向、すなわち掘進機のローリング現象が発生す
るすることが現場では度々見受けられるが、掘進機がロ
ーリングすることは、掘進機内の設備、装置がそれにつ
れて回転移動を起こすことになり、掘進機の操作、精度
が不安定となり正常な掘進を阻害する。

本発明は泥水加圧式でありながら円形断面のみならず、
矩形や馬蹄形等の任意断面の掘削が可能であり、カッタ
も所要トルクが非常に小さくてすみ、従ってカッタの駆
動装置が小規模化でき、かつ小口径化を図ることができ
る掘進機を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明におい
ては、シールド工法及び推進工法に使用される泥水加圧
掘進機を、同泥水加圧掘進機の隔壁の略中央部を中心と
して遊動可能に枢支された外管と、この外管内に回転自
在に挿通された回転軸と、この回転軸の一端部に設けら
れこの回転軸に回転力を与える駆動機と、回転軸の他端
部に取りつけられ掘進機直径の１１５〜３／５程度の外
径を有するカッタと、外管の駆動機側に設けられカッタ
を任意の方向に遊動させる遊動操作装置と、外管の外周
と隔壁部との間に液密に取りつけられた伸縮自在な遮断
装置とより構成することにより、地下水や切羽の土砂の
流入を遮断装置によって防止し、遊動操作装置によって
、カッタで任意の設定断面に沿って掘削を行い、泥水加
圧掘進機でありながら円形断面のみならず矩形や馬蹄形
等の任意断面の掘削を可能にするとともに、切羽面に形
成された泥膜を一挙に削り取らず、切羽の安定を保持し
ながら掘削が行われる。

また上記カッタは、カッタの回転軸と切削ビットの距離
が短くカッタトルクは小さくてすみ、駆動機関係は小規
模で良く、掘進機内の装備の組み立て解体が容易になり
、手掘り刃口掘進と泥水加圧掘進の相互変換が簡単にで
き、掘進途中の土層の変化に適切に対応することができ
るとともに、カッタ部の交換も安全かつ簡便に可能とな
り、かつ小口径化が促進できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図及び第２図において１は全体として筒状の掘進機
を示し、５０は掘進機１の後部に設けられた埋設管（セ
グメントまたは推進管）を示し、掘進機１内部には掘削
装置２が遊動自在に配設される。

掘削装置２は駆動機２１により回転力を与えられる回転
軸２２と、同回転軸２２に連結され、掘進機１の直径の
１７５〜３７５程度の外径を持つカッタ２３と、回転軸
２２の外周を軸方向に沿って覆う外管２４とから構成さ
れる。

また外管２４の中間部には球状部２５が設けられ、この
球状部２５が、掘進機１のシールド筒１１から内側に突
出された一対の支持柱１２ａとこれらの先端部に取りつ
けられた受座１２ｂより構成される枢支部１２で枢支さ
れる。なお支持柱１２ａは、その基端部に設けられた鉤
部を、掘進機１のシールド筒１１に掘進機１の軸方向に
沿って設けられた一対のスライドレール３の凹溝４に摺
動可能に係合することによって、掘進機１の軸方向に移
動可能に取りつけられる。

またシールド筒１１の内周に沿って環状の隔壁１３が設
けられ、この隔壁１３と外管２４との間に、その一端が
外管２４の外周に筒状体１４ａにより固着され、その他
端が隔壁１３にボルト等の固着具１３ａ等により環状の
押さえ板１３ｂを介して固着された、弾力性を有する伸
縮自在な材質のスリーブ状の遮断装置１４が設置される
。この遮断装置１４は例えば可撓性のある板状の強化ゴ
ムや樹脂等を単層あるいは複層にして構成される。

上記強化ゴムや樹脂等の強度を増すため鋼線０合成繊維
等を芯材とすることもある。

また回転輪２２は第３図に示すように泥水の浸入を防止
するシール２６及びベアリング２７によって、外管２４
に対して支えられている。

さらにカッタ２３先端の切削面部に１ケ所または複数ケ
所の泥水注入口２８が形成されるとともに、回転軸２２
内にはその中心軸に沿って、泥水注入口２８から回転軸
２２の駆動機２１側まで、管状の中空部２９が穿孔され
、第４図に示すようにこの中空部２９の駆動機２１側端
部から軸方向に直角に連通孔３０が形成される。

外管２４の連通孔３０に対応する箇所には径大の送泥管
連結部３／が設けられ、この送泥管連結部３／に送泥管
３２が取りつけられる。

送泥管連結部３／の軸方向の両側において、回転軸２２
と送泥管連結部３／の間隙に泥水を漏出させないための
シール（図示せず）及び回転を滑らかにするためのベア
リング（図示せず）が装着される。

隔壁１３には第２図に示すように排泥口１６が形成され
、この排泥口１６に連通して排泥管１７及びバルブ１８
が設けられ、バルブ１８の排泥側端部には貯泥槽１９が
設置される。

また枢支部１２と駆動機２１との間において、第６図に
示すように、３本の操作ジヤツキ１５ａが、その基部が
推進機１の内径よりやや小径の環状体１５ｂに枢支され
た状態で、内側に突出して取りつけられて全体として遊
動操作装置１５が構成され、各操作ジヤツキｔＳａの先
端部で外管２４を３方から支持するようにする。環状体
１５ｂには第６図−に示すような鉤部１５Ｃが設けられ
、上記の一対のスライドレール３の凹溝４に摺動可能に
係合される。

さらに枢支部１２と遊動操作装置１５との間において、
その内部に外管２４が挿通された環状部２０ｂと、この
環状部２０ｂを、上記の一対のスライドレール３に対し
て摺動可能に固定する一対の支持体２０ａとより構成さ
れるガイドフレーム２０が設けられる。

また回転軸２２のカッタ２３近傍に第５図に示すような
溶解攪拌板３３を取りつけて、送泥水に切羽の掘削土砂
を迅速に溶解させるようにする。

なお送泥水の泥水注入口２８は隔壁１３等に設置しても
よいが、切羽に泥膜を素早く形成するためや、掘削時の
掘削トルクの軽減等を考慮して、カッタ２３先端の切削
面部に設置するのが望ましい。

また遮断装置１４として、第７図に示すように弾力性の
ある内空を持った袋状体の中へ空気、水あるいは油等を
注入し膨張させて外管２４に密着させたものや、第８図
に示すように伸縮性の大きなゴムや樹脂等の塊を使用し
ても良い。

枢支部１２の支持柱１２ｂは実施例では２本で一対にな
っているが３本以上にしてもよい。

また受座１２ｂ及び球状部２５に変えて第７図〜第９図
に示すような水平方向、垂直方向に回転可能なジンバル
（ｇｉ＋ｍｂａｌ）構造を有する支持軸３４を使用し、
これに外管２４を取りつけても良い。

また上述の実施例ではスライドレール３側に凹溝４を設
けたが、第１０図に示すようにスライドレール３側に鉤
部を設け、支持柱１２ａ、支持体２０ａ及び操作ジヤツ
キ１５ａのシールド筒１１側端部に凹溝４を設けるよう
にしてもよい。

つぎに本発明による掘進機の動作について説明する。

まず送泥管３２から、回転軸２２内の連通孔３０、中空
部２９及び泥水注入口２８を介して、切羽面と隔壁１３
との間に形成される掘削室に泥水を注入し、切羽面を泥
水で加圧した状態とする。

つぎに駆動機２１により回転軸２２を回転させ、かつ泥
水注入口２８から泥水を掘削室に注入しながらカッタ２
３により掘削を行う。なおこのとき回転軸２２に設けら
れた連通孔３０と外管２４に設けられた径大の送泥管連
結部３／の作用により、回転軸２２の回転中にも泥水を
注入することができる。送泥水は切羽面付近に供給され
、掘削された土砂は送泥水に溶解しやすくなり、送泥水
と掘削土砂の固形粒子による目詰効果が促進され、形成
された泥膜を介して切羽は押圧されて切羽の安定が図ら
れる。

またこのとき操作ジヤツキ１５ａを油圧あるい　−は空
気圧等を利用し、伸縮させることにより、カッタ２３を
水平、垂直１円周方向に自由に遊動させ、切羽を任意の
断面に掘削することができる。

すなわち第１１図に示す円形断面の他、第１２図に示す
矩形（ボックス形）断面、あるいは第１３図に示す馬蹄
形（アーチカルバート）断面等の任意の断面の掘削がで
きる。なお第１Ｉ図においては排泥口１６が遮断装置１
４の斜め下に設けられているが、第１２図及び第１３図
に示されるように遮断装置１４の側方に設けてもよい。

カッタ２３の移動範囲は、掘削すべき断面の形状に応じ
た形状を存するガイドフレーム２０により制御され、掘
削を設定断面に沿って行うことにより、過掘削を防止す
ることができる。

掘削後の掘削土砂と泥水は、排泥口１６より排泥管１７
を通り、切羽の泥水圧と掘進機１内の大気圧との差圧に
よりパルプ１８の開閉によって貯泥槽１９に排泥され、
パイプによるスラリー輸送により管内搬送され、坑外へ
搬出される。

またシールド筒１１に、掘進機ｌの軸方向に沿った凹溝
４が形成されたスライドレール３が設けられるとともに
、この凹溝４に支持柱１２ａ、支持体２０ａ及び操作ジ
ヤツキ１５ａのシールド筒１１側端部に設けた鉤部がそ
れぞれ摺動可能に係合されているので掘削時の土層の変
化によるトラブルに際して、カンタ２３を前後にスライ
ドさせることができ、掘削の度合を調整でき適切な対応
が可能となる。

本発明においては、カッタ２３の外径が掘進機１の直径
の約５分の１〜３分の１程度であり、カッタ２３の回転
軸２２と切削面とのモーメントの腕の長さが短いので、
従来の泥水加圧掘進機に比較して切削トルクは小さくて
すみ、駆動機２１関係はコンパクトになり分解組立が容
易になる。

隔壁１３も掘進機内側よりボルト等の固着具１３ａによ
り簡単に組み立て、分解できる構造としたので、掘進途
中での土層の変化による岩盤層や巨大玉石層との遭遇に
際して容易にこれらを取り外し、すぐさま手掘り掘進に
変更可能にし、また掘削可能な土層に戻った場合は再び
隔壁１３やカッタ２３を取りつけ機械掘削を行うように
する。

またシールド工法のような長距離掘進や、礫層の掘削で
は当然カッタ２３の摩耗が生じる。従ってカッタ２３の
交換が必要となるが、このとき前述のようにカッタ２３
がコンパクトなので交換は非常に容易である。交換に際
しては、薬液注入工等により切羽を安定させ、隔壁１３
の開口部よりカッタ２３を掘進機内に引き込み、すぐさ
ま予備カンタと交換するか、地上でビット等を交換すれ
ば良い。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、下記の効果を得るこ
とができる。

（ｉ）切羽の地下水や土砂の流入を防止する遮断装置を
設置し、かつカッタが取りつけられた回転軸を掘進機の
略中央を中心として遊動可能としたので、泥水加圧式掘
進機でありながら、掘削断面は円形断面に限らず、矩形
（ボックス形）断面、あるいは馬蹄形（アーチカルバー
ト）断面等の任意の断面の掘削ができる。従って地下鉄
や地下道、電気通信線、電力線あるいは光通信網等を併
設するハイブリッドな下水管渠等において、利用効率が
良く、かつ経済的な矩形断面や馬蹄形断面の掘削を容易
に行うことができる。

（ｉｉ）切羽全面の泥膜が一挙に削り取られることがな
く、掘削作業中においても切羽の大部分が泥膜により覆
われるので、切羽がより安定になる。

（ｉｉｉ　）カッタは回転軸と切削部の距離が短いので
切削トルクが小さくてすみ、駆動機関係がコンパクトに
なり、小口径化が図りやすくなる。

（ｉｖ　）掘進途中に掘削不可能な岩盤層や巨大玉石層
に遭遇した場合、駆動機関係がコンパクトなので、簡単
に掘進機内の装備を撤去して手掘り掘進に変更すること
ができ、かつ掘進可能な土層に戻った場合、再び機械掘
削の装備を掘進中に装着することが容易である。

（Ｖ）作業空間が広く確保できるので作業性がよく、硬
質土層あるいは礫層の掘進時や、長距離掘進時のカンタ
ビットの摩耗が生じた場合のカッタ交換も小口径で容易
に可能となり、長距離掘進や礫層に有効に対応でき、か
つ小型化を促進できる。

（ｖｉ）掘進距離が長くなると曲線施工個所が多くなり
、この曲線施工時には余堀り部が必要となるが、本発明
の掘進機の場合はガイドフレームの形状を変化させ、回
転軸の操作によってその余堀り部のコントロールも容易
にできる。

（ｖｉ　）従来の泥水加圧推進のように全断面掘削では
なく、掘進中力ツタの回転軸と掘進機は同軸上になく偏
移しているので、カッタの掘削時の反作用力は掘進機を
ローリングさせる力としては伝達されず、従ってローリ
ングは発生しにくい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による掘削機の断面図及び一
部切欠斜視図、第３図は同第１図の要部拡大断面図、第
４図は同第１図１−１線断面図、第５図は同第１図ｎ−
ｎ線断面図、第６図は操作ジヤツキの正面図、第７図及
び第８図は遮断装置のそれぞれ異なった他の実施例の断
面図、第９図は第７図及び第８図の■−■線断面図、第
１０図はスライドレールの他の実施例を示す断面図、第
１１図〜第１３図はそれぞれ異なった形状の切削断面を
示す正面図である。 １：掘進機　　　　　　２：掘削装置 ３ニスライドレール　　４：凹溝 １１：シールド筒　　　１２：枢支部 １２ａ：支持柱　　　　１２ｂ：受座 １３：隔壁　　　　　　１３ａ：固着具１３ｂ＝押さえ
板　　　１４：遮断装置１４ａ：筒状体 １５：遊動操作装置　　１５ａ：操作ジャッキ１５ｂ＝
環状体　　　　１５ｃ：鉤部 １６：排泥口　　　　　１７：排泥管 １８：パルプ　　　　　１９：貯泥槽 ２０ニガイドフレーム ２０ａ　：支持体　　　　２０ｂ：環状部２１：駆動機
　　　　　２２：回転軸 ２３；カッタ　　　　　２４：外管 ２５：球状部　　　　　２６：シール ２７：ベアリング　　　２８：泥水注入口２９：中空部
　　　　　３０：連通孔 ３／：送泥管連結部　　３２：送泥管 ３３：溶解攪拌板　　　３４：支持軸 ５０：埋設管 特許出願人　　　　　昭和土木　株式会社代理人　　手
掘　益（ほか１名） 第６図 第８図　　　　　　　第９図 第７図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、シールド工法及び推進工法に使用される泥水加圧掘
   進機において、上記泥水加圧掘進機の隔壁の略中央部を
   中心として遊動可能に枢支された外管と、この外管内に
   回転自在に挿通された回転軸と、回転軸の一端部に設け
   られこの回転軸に回転力を与える駆動機と、上記回転軸
   の他端部に取りつけられ上記掘進機直径の１／５〜３／
   ５程度の外径を有するカッタと、上記外管の上記駆動機
   側に設けられ上記カッタを任意の方向に遊動させる遊動
   操作装置と、上記外管の外周と上記隔壁部との間に液密
   に取りつけられた伸縮自在な遮断装置とを設けたことを
   特徴とする泥水加圧掘進機。