JPH0522800B2 - - Google Patents

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つてき
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つて、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。

従つ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つて、切羽面に泥
膜（マツドフイルム）を形成し、通常地下水圧＋
0.2Kg／cm²程度の泥水圧によつて泥膜を介して地
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
のカツタヘツドの支持方式は、センタシヤフト方
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ツタフエー
ス（面板）やカツ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つた。

〔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
あつた。

(i) 掘進機の中央を回転軸の中心点としてカツタ
フエース等を回転させ、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ツドな下水管渠等で
は、矩形（ボツクス形）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
あつた。

(ii) カツタフエ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置を撤去して手
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つた場合、再び機械掘
削の装置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
掘り掘進機を掘りあげるか、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（300〜1000ｍ以上）掘進
する場合には、当然カツタビツトの磨耗が生じ
る。このとき掘進途中のカツタビツト交換に際
して、大口径（Ф2000mm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Ф1500mm程度以下になる
とカツタピツ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、掘進中カツタが切羽の地
山にくい込んだとき、その反作用によつて掘進
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、カツタも所要トルクが非常に小さ
くてすみ、従つてカツ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〕

本発明は、送泥水と掘削土砂を切羽にて撹拌溶
解させ目詰め材高含有の高濃度の液状体を掘削室
に充満させて掘進する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ツタと、上記外管の
上記駆動機側に設けられ上記カツタを任意の方向
に遊動させる遊動操作装置と、上記外管の上記駆
動機側に設けられ掘削すべき断面の形状に応じた
形状を有し上記カツタの移動範囲を制限するガイ
ドフレームと、上記外管と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。

この構成により、地下水や切羽の土砂の流入を
遮断装置によつて防止し、遊動操作装置によつ
て、カツタで任意の設定断面に沿つて掘削を行
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
ることともに、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。

また上記カツタは、カツタの回転軸と切削ビツ
トの距離が短くカツタトルクは小さくてすむ、駆
動機関係は小規模で良く、掘削機内の装備の組み
立て解体が容易になり、手堀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、
カツ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1/5〜3/5程度の外径を持つカツタ
２３と、回転軸２２の外周を軸方向に沿つて覆う
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１
１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１
２ａ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の軸方向に沿つて
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つて、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の内周に沿つて環状の隔壁
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、合成繊維等を芯材とすることもある。

また回転軸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及びべアリング２７によ
つて、外管２４に対して支えられている。

さらにカツタ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つて、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に対応する筒所には径大
の送泥管連結部３１が設けられ、この送泥管連結
部３１に送泥管３２が取りつけられる。

送泥管連結部３１の軸方向の両側において、回
転軸２２と送泥管連結部３１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１５ａの先端部で外管２
４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のカツタ２３近傍に第５図に示
すような溶解撹拌板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、
カツタ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つ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
一対になつているが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（gimbal）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の連通孔３
０、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
しながらカツタ２３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２
４に設けられた径大の送泥管連結部３１の作用に
より、回転軸２２と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
ツタ２３を水平、垂直、円周方向に自由に遊動さ
せ、切羽の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（ボツクス形）断面、あるいは第１３
図に示す馬蹄性（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１１図において
は排泥口１６が遮断装置１４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。

カツタ２３の移動範囲は、掘削すべき断面の形
状に応じた形状を有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つて行うことに
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バルブ１８の開閉によつて貯
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１の軸方向に沿
つた凹溝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、カツタ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、カツタ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
ツタ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１
３ａ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つた場合は再び隔壁１３やカ
ツタ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
の掘削では当然カツタ２３の磨耗が生じる。従つ
てカツタ２３の交換が必要となるが、このとき前
述のようにカツタ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
カツタ２３を掘進機内に引き込み、すぐさま予備
カツタと交換するか、地上でビツト等を交換すれ
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、かつカツ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（ボツクス形）
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。従つて地下
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ツドな下水管渠等に
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) カツ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
に戻つた場合、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
掘進時のカツタビツトの摩耗が生じた場合のカ
ツ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掘り部が必要となる
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、回転軸の操作によつてその余
掘り部のコントロールも容易にできる。

(vii) 従来の泥水加圧推進のように全断面掘削では
なく、掘進中カ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、カツタの掘削時の反
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、従つ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−線断面図、
第５図は同第１図−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
のそれぞれ異なつ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図はそれぞれ異なつた形状の切削
断面を示す正面図である。 １：掘進機、２：掘削装置、３：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：操作ジヤツキ、１５ｂ：環状体、１
５ｃ：鉤部、１６：排泥口、１７：排泥管、１
８：バルブ、１９：貯泥槽、２０：ガイドフレー
ム、２０ａ：支持体、２０ｂ：環状部、２１：駆
動機、２２：回転軸、２３：カツタ、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、３１：送泥管連結部、３２：送泥管、３
３：溶解撹拌板、３４：支持軸、５０：埋設管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 送泥水と掘削土砂を切羽にて撹拌溶解させ目
   詰め材高含有の高濃度の液状体を掘削室に充満さ
   せて掘進する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
   の外径を有するカツタと、上記外管の上記駆動機
   側に設けられ上記カツタを任意の方向に遊動させ
   る遊動操作装置と、上記外管の上記駆動機側に設
   けられ掘削すべき断面の形状に応じた形状を有し
   上記カツタの移動範囲を制限するガイドフレーム
   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。