JP5854869B2 - シールド掘進組立同時施工法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機の推進とセグメントの組み立てを同時に並行して行えるシールド掘進組立同時施工法に関するものである。

この種の技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。これは、シールドジャッキで既設セグメントから反力を取りながらシールド掘進機を掘進させ、その掘進と同時にセグメントを組立てていく同時掘進シールド工法において、シールド本体のテールシール前端部とシールドジャッキ最縮退位置との間のシールド本体のセグメント組立部の長さをセグメント幅の一倍以上で且つ二倍未満とし、且つ、上記シールドジャッキの最大ストロークを上記セグメント組立部の長さ分或いはそれ以上の長さ分のストロークとし、既設セグメント前端面と上記シールドジャッキ最縮退位置との間のスペースが１リング分のセグメントの組
立スペースを確保するまで上記シールドジャッキを伸長させて掘進した後に、１リング分のセグメントの組立を順次開始すると共に上記シールドジャッキの伸長を継続し、上記シールドジャッキが上記セグメント組立部の長さ分のストロークになるまでに上記組立を完了させるようにし、その組立が完了しない場合は、上記シールド掘進機の掘進を一時停止するものである。

また、特許文献２に記載のものも知られている。これは、全ての推進ジャッキの推力による合力作用点がシールド掘進機の任意の目標点にくるように、中折れ操作等によりシールド掘進機の向きを制御する合力作用点制御工程と、その制御後の合力作用点を変えない推力割合となるように推進ジャッキの圧力を制御しながら、一部の推進ジャッキを減圧して引き戻す推進ジャッキ一部引き戻し工程と、それ以外の推進ジャッキの圧力を同様に合力作用点を変えない推力割合となるように制御してシールド掘進機を推進させながら、引き戻した推進ジャッキ部分のセグメントを組み立てる掘進・セグメント組立同時並行工程と、を有するものである。

特許第４３６０９７９号公報 特開２００５−１４６７６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものにあっては、セグメント組立部の長さをセグメント幅の一倍以上で且つ二倍未満としているため、セグメントの１ピースを組み立てるのに要する時間によっては、シールドジャッキが上記セグメント組立部の長さ分のストロークになるまでに上記組立を完了させることができない場合があり、その場合は、上記シールド掘進機の掘進を一時停止するようになっているので、連続した同時施工が不可能で施工期間の短縮を十分に図ることができないという問題点があった。

また、シールドジャッキの最大ストロークを上記セグメント組立部の長さ分或いはそれ以上の長さ分のストロークと設定して、所謂ロングジャッキのみを使用するようになっているので、掘進前半に組み立てられるセグメントの数ピースに対応するシールドジャッキにおいてはロングジャッキである必要がないことから、シールドジャッキに掛かる費用が嵩むという問題点もあった。

一方、特許文献２に記載されたものにあっては、セグメント組立部の長さの設定と推進ジャッキのストロークの設定の記載がないことから、特許文献１と同様に、セグメント挿入代を利用した一部（例えばセグメントの３ピース）同時施工となる等で連続した同時施工が不可能で施工期間の短縮を十分に図ることができないと共に、必要なストロークに応じた推進ジャッキの複数種類使用による推進ジャッキに掛かる費用の削減ができないという問題点があった。

また、同時施工の際に、一部の推進ジャッキを減圧して引き戻す「推進ジャッキ一部引き戻し工程」を実施し、推進ジャッキの能動的な油圧制御を行うので、制御が煩雑となり、信頼性の面で未だ不安が残存するという問題点もあった。

そこで、本発明は、連続した同時施工を可能にして施工期間の短縮が図れると共に複数種類の推進ジャッキ使用による推進ジャッキに掛かる費用の削減が図れるシールド掘進組立同時施工法を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るシールド掘進組立同時施工法は、
シールド掘進機をその円周方向に設けた多数の推進ジャッキで掘進させながら、同時にその後方でセグメントを組み立てるシールド掘進組立同時施工法において、
前記シールド掘進機のテールシール前端部と推進ジャッキ最縮退位置との間の前記シールド掘進機のセグメント組立部の長さをセグメント幅の２倍以上とし、
前記推進ジャッキの各ストロークに少なくとも２種類以上の長さを持たせ、
最小ストローク：「セグメント幅＋Ｋセグメント挿入代＋組立余裕代」以上
最大ストローク：「セグメント幅×２倍＋組立余裕代」以下
に設定すると共に、
前記推進ジャッキを１本或いは２本以上のグループに分けて油圧制御してそれぞれの推進力の合力点である目標着力点の位置を任意に制御可能とし、かつ前記シールド掘進機の掘進中に各前記推進ジャッキを伸縮させる別の油圧回路を設け、
全ての前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させてセグメント組立が可能なスペースを確保した後、前記セグメントの１ピースを組み立てる位置に対応した組立位置の前記推進ジャッキを１本ずつ順番に停止すると共に、前記シールド掘進機の推進速度を一定に保つように組立位置以外の前記推進ジャッキへの圧油供給量を調整し、その後に組立位置の前記推進ジャッキを順次縮めてセグメント組立を開始し、このセグメント組立中に組立位置以外の前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させ、前記セグメントの１ピースの組立が完了すると全ての前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させ、以後これを繰り返す
ことを特徴とする。

また、
前記セグメントの組立において、ボルト締結を不要とした軸方向挿入セグメントを用いることを特徴とする。

本発明に係るシールド掘進組立同時施工法によれば、セグメント組立部の長さをセグメント幅の２倍以上とすると共に推進ジャッキの最大ストロークを「セグメント幅×２倍＋組立余裕代」以下に設定し、セグメント組立が可能なスペースができ次第セグメント組立を開始してシールド掘進機の掘進中に１リングのセグメント組立を完了させるようにしたので、連続した同時施工を可能にして施工期間の短縮が図れる。

加えて、推進ジャッキの各ストロークに少なくとも２種類以上の長さを持たせ、必要なストロークに応じた推進ジャッキの複数種類使用を可能にしたので、推進ジャッキに掛かる費用の削減が図れる。

また、全ての推進ジャッキでシールド掘進機を掘進させてセグメント組立が可能なスペースが確保された後、セグメントの１ピースを組み立てる位置の推進ジャッキを１本ずつ順番に停止させ、当該推進ジャッキをその都度減圧することなく、その後に当該推進ジャッキを順次縮めてセグメント組立を開始するようにすることで、一部の推進ジャッキを減圧して引き戻す「推進ジャッキ一部引き戻し工程」を実施する特許文献２のように、推進ジャッキの能動的な油圧制御を行う必要がないので、制御を簡略化でき、信頼性を高められる。

また、セグメントの組立において、ボルト締結を不要とした軸方向挿入セグメントを用いることで、セグメントの１ピースを組み立てるのに要する時間が短縮され、シールド掘進機の掘進中に１リングのセグメント組立をより確実に完了させることができ、連続した同時施工を可能にして施工期間の短縮が図れる。

本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘進機の側断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 セグメントピースの説明図である。 シールドジャッキの油圧回路図である。 セグメント組立の工程図である。 セグメント組立の工程図である。 同時施工のフローチャートである。 同時施工のフローチャートである。 モニタの説明図で、同図（ａ）は目標着力点と制御着力点を示すモニタ、同図（ｂ）はシールドジャッキの状態を示すモニタである。

以下、本発明に係るシールド掘進組立同時施工法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘進機の側断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３はセグメントピースの説明図、図４はシールドジャッキの油圧回路図、図５はセグメント組立の工程図、図６はセグメント組立の工程図、図７は同時施工のフローチャート、図８は同時施工のフローチャート、図９はモニタの説明図で、同図（ａ）は目標着力点と制御着力点を示すモニタ、同図（ｂ）はシールドジャッキの状態を示すモニタである。

図１及び図２に示すように、泥土圧式シールド掘進機１０のシールド本体１１は、ほぼ同径の円筒形状をなす前胴１２と後胴１３とが図示しない連結軸によって左右に屈曲自在に連結され、両者の間に架設された複数本の中折れジャッキ１５によって屈曲可能となっている。この前胴１２の前部には回転リング１６が回転自在に支持され、この回転リング１６には連結ビーム１７を介してカッタヘッド１８が連結されている。

このカッタヘッド１８は、中心部から複数本のカッタスポーク１９が放射状をなして配設され、各先端部が外周リング２０によって連結されて構成されている。そして、カッタヘッド１８の中心部にはフィッシュテールカッタ２１が装着される一方、各カッタスポーク１９の両側部には複数のカッタビット２２がその長手方向に沿って装着され、所定のカッタスポーク１９の先端部には余掘りを行うコピーカッタ２３が出没自在に設けられている。

また、回転リング１６の後部にはリングギア２４が固定される一方、シールド本体１１の前胴１２には複数のカッタ旋回モータ２５が装着されており、この各カッタ旋回モータ２５の駆動ギア２６がこのリングギア２４にそれぞれ噛み合っている。従って、カッタ旋回モータ２５を駆動して駆動ギア２６を回転駆動すると、リングギア２４、回転リング１６、連結ビーム１７を介してカッタヘッド１８を回転することができる。

また、前胴１２の前部には、カッタヘッド１８の後方に位置してバルクヘッド２７が設けられ、カッタヘッド１８とこのバルクヘッド２７との間に掘削土砂を充満させるチャンバ２８が形成されている。バルクヘッド２７の前面側には複数本の固定式攪拌棒２９が突設される一方、カッタヘッド１８の後面側には複数本の旋回式攪拌棒３０が突設されている。固定式攪拌棒２９の一部にチャンバ２８内の掘削土砂に対して加泥材を注入する図示しない加泥材注入口が設けられると共に、薬液（固結材）を注入する図示しない薬液注入管が設けられている。そして、シールド本体１１内には、掘削土砂を外部に搬出するためのスクリューコンベヤ３３が配設されており、前部が下方に傾斜してバルクヘッド２７を貫通してチャンバ２８内に開口している。

シールド本体１１の後胴１３には、その内周面に沿ってリング
ガータ３４が固定されており、このリングガータ３４には複数本のシールドジャッキ（推進ジャッキ）３５がシールド本体１１の周方向に沿って装着されており、このシールドジャッキ３５を後方に伸長してスプレッダ３６を既設セグメントＳに押し付けることで、その反力によりシールド本体１１が前進することができる。また、後胴１３の後部内周面はテールシール３１を介して既設セグメントＳの外周面に嵌合している。

このセグメントＳは、図３に示すように、複数個（図示例では６個）のセグメントピースＡ１,Ａ２,Ａ３,Ｂ１,Ｂ２,Ｋがトンネルの内壁面（地山Ｇの周壁）に沿ってリング状に組み付けられるものであり、これがトンネルの長手方向へ連続して組み付けられることでトンネルが覆工されるのである。

また、リングガータ３４には旋回リング３８がトンネル内壁面の周方向に沿って旋回自在に支持され、リングガータ３４に固設された複数の駆動モータ３７により駆動旋回可能となっており、この旋回リング３８にセグメントＳを組み立てるエレクタ３９が設けられている。エレクタ３９のグリッパ３９ａはトンネルの径方向に加えて長手方向にも移動可能になっている。

さらに、リングガータ３４には左右一対の支柱４０が固定され、この支柱４０からは後方に向かってほぼ水平な架台４１が延設されており、この架台４１にはセグメントＳの組立てを補助する図示しない形状保持装置がシールド本体１１の前後方向に移動自在に装着されている。

従って、例えば通常の地山等のトンネル施工下にあっては、カッタヘッドを所定方向へ回転させた状態でシールド本体１１がシールドジャッキ３５により既設セグメントＳに掘進反力をとって掘進（推進）することにより、断面が略円形のトンネルが掘削される。掘削されてチャンバ２８内に取り込まれた掘削土砂は、スクリューコンベヤ３３により外部に搬出される。

そして、本実施例では、シールド掘進機１０をその円周方向に設けた多数（図示例では２４本）のシールドジャッキ３５で掘進させながら、同時にその後方でセグメントＳを組み立てる、所謂シールド掘進組立同時施工が実施されるようになっている。

そのために、シールド掘進機１０のテールシール３１の前端部とシールドジャッキ３５の最縮退位置との間のシールド掘進機１０のセグメント組立部の長さ２Ｌをセグメント幅Ｌの２倍以上（図示例では２倍）とし（図１及び図５参照）、シールド掘進機１０の掘進中（推進中）に１リングのセグメント組立が完了し得るようになっている。

また、シールドジャッキ３５の各ストロークに少なくとも２種類以上の長さを持たせ、最小ストロークを「セグメント幅＋Ｋセグメント挿入代＋組立余裕代」以上、最大ストロークを「セグメント幅×２倍＋組立余裕代」以下に設定して、上述したようにシールド掘進機１０の掘進中（推進中）に１リングのセグメント組立が完了し得るようになっている。

図５及び図６に示す例では、セグメント挿入代を５００ｍｍとして、シールドジャッキ３５の最小ストロークを１７５０ｍｍに、最大ストロークを２２００ｍｍに設定している。

即ち、セグメント組立部の長さ２Ｌをセグメント幅Ｌの２倍（２４００ｍｍ）とした状態から掘進を開始し、シールドジャッキ３５のストロークが１３００ｍｍになってからセグメントＳの組立てを開始する（工程（ａ）及び工程（ｂ）参照）。

ここで、１ピースを組み立てるのに、１ピース組立時間を５分、掘進速度を３０ｍｍ/ｍｉｎとすると１５０ｍｍ推進するので、Ａ１セグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが１４５０ｍｍとなり（工程（ｃ）参照）、次いでＡ２セグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが１６００ｍｍとなり（工程（ｄ）参照）、Ａ３セグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが１７５０ｍｍとなる（工程（ｅ）参照）。

そして、Ｂ１セグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが１９００ｍｍとなり（工程（ｆ）参照）、次いでＢ２セグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが２０５０ｍｍとなる（工程（ｇ）参照）。最後に、Ｋセグメントピースの組立てが終了する時はシールドジャッキ３５のストロークが２２００ｍｍとなる（工程（ｈ）参照）。尚、１リングの組立終了後、シールド本体１１は３００ｍｍ推進される。

従って、本実施例では、図１に示すように、セグメントＳの組立前半に作動する下側のシールドジャッキ３５は、前記最小ストロークに対応して短いストローク（短尺）のものが装備され、セグメントＳの組立後半に作動する上側のシールドジャッキ３５は、前記最大ストロークに対応して長いストローク（長尺）のものが装備されている。

そして、図４に示すように、前記各シールドジャッキ３５は、１本或いは２本以上（図示例では３本）のグループに分けて油圧制御してそれぞれの推進力の合力点である目標着力点（制御着力点）の位置を任意に制御可能とし、かつシールド掘進機１０の掘進中に各シールドジャッキ３５を伸縮させる別の油圧回路を設けている。

即ち、推進用パワーユニット５１からの圧油が、電磁比例減圧弁５２と電磁制御パイロット操作弁（電磁方向制御弁）からなる推進伸縮弁５３を介して、各シールドジャッキ３５に対し給排される第１の油圧回路５０Ａと、セグメント組用パワーユニット５４からの圧油が、電磁操作弁（電磁方向制御弁）からなるセグメント組伸縮弁５５を介して、各シールドジャッキ３５に対し給排される第２の油圧回路５０Ｂとを有しているのである。

尚、図４中５６は圧力発信器、５７及び５８はオンロード弁、５９はパイロット圧ラインである。

次に、シールド掘進組立同時施工の動作（施工手順）を図７及び図８のフローチャートに沿って説明する。

先ず、ステップＰ１で掘進が開始される。この際の各シールドジャッキ３５の圧力制御は、シールド掘進機１０の方向を決定する「回転モーメントの着力点」（目標着力点）の座標を設定することにより行う。この「目標着力点」は、操作者によりタッチパネルで入力され、図９の（ａ）に示すように、制御着力点と共にモニタに表示される。尚、「目標着力点」が実現できない時は、最も近い点を実現するように制御する。

次に、ステップＰ２で全てのシールドジャッキ３５を推進させてシールド掘進機１０の推進方向制御を行った後、シールドジャッキ最縮退位置と既設セグメント間に、セグメント組立が可能なスペースができ次第、ステップＰ３でＡ１セグメント（ピース）の組立制御が実施される。

即ち、ステップＰ４でＡ１セグメント（ピース）組立位置のシールドジャッキ３５が、下側に近い番号から１本ずつ例えば５秒間隔で順次停止された後、ステップＰ５で停止後のシールドジャッキ３５が縮められるのである。この際、図９の（ｂ）に示すように、Ａ１セグメント（ピース）組立位置のシールドジャッキ３５（図示例ではＳＪ９〜ＳＪ１４）は、停止縮み中はモニタ上で点滅し、縮み終了で点灯するようになっている。尚、図９の（ｂ）中ＳＪ１〜ＳＪ２４はＮＯ１〜ＮＯ２４のシールドジャッキ３５を示す。また、組立位置以外のシールドジャッキ３５（図示例ではＳＪ１〜ＳＪ８、ＳＪ１５〜ＳＪ２４）は、同じ「目標着力点」となる圧力分布が得られるように、シールドジャッキ３５を１本停止する毎に圧力傾斜を計算して圧力制御を継続的に行う。また、順次停止する毎にシールド掘進機１０の推進速度が変化するため、推進用パワーユニット５１の油圧ポンプ吐出流量を減少させ速度を一定に保つようにする。

次に、ステップＰ６でＡ１セグメント（ピース）を機内操作で組み立てた後、ステップＰ７で組立位置のシールドジャッキ３５を伸長させ全部Ａ１セグメント（ピース）に当てる。このステップＰ６及びステップＰ７において、組立位置以外のシールドジャッキ３５（図示例ではＳＪ１〜ＳＪ８、ＳＪ１５〜ＳＪ２４）の圧力制御が継続される。

次に、ステップＰ８でＡ２セグメント（ピース）の組立制御が実施される。
即ち、ステップＰ９でＡ１セグメント（ピース）位置のシールドジャッキ「停止」を解除して例えば１０秒間全数推進させた後、ステップＰ１０でＡ２セグメント（ピース）組立位置のシールドジャッキ３５が、下側に近い番号から１本ずつ例えば５秒間隔で順次停止されるのである。

次に、ステップＰ１１〜ステップＰ１３で、前述したステップＰ５〜ステップＰ７と同様の手順でＡ２セグメント（ピース）が組み立てられる。

次に、ステップＰ１４でＡ３セグメント（ピース）→Ｂ１セグメント（ピース）→Ｂ２セグメント（ピース）→Ｋセグメント（ピース）と順次組み立てられ、ステップＰ１５で１リング分のセグメントＳが組み立てられたら、ステップＰ１６で組立終了となり、以後掘進が継続される。

このようにして本実施例によれば、セグメント組立部の長さ２Ｌをセグメント幅の２倍以上とすると共にシールドジャッキ３５の最大ストロークを「セグメント幅×２倍＋組立余裕代」以下に設定し、セグメント組立が可能なスペースができ次第セグメント組立を開始してシールド掘進機１０の掘進中に１リングのセグメント組立を完了させるようにしたので、連続した同時施工を可能にして施工期間の短縮が図れる。尚、掘進中に１リングのセグメント組立が完了しない場合は、掘進を停止して組立を続行し、１リングの組立を行う。

加えて、シールドジャッキ３５の各ストロークに２種類の長さを持たせ、必要なストロークに応じた２種類のシールドジャッキ３５の使用を可能にしたので、シールドジャッキ３５に掛かる費用の削減が図れる。

また、全てのシールドジャッキ３５でシールド掘進機１０を掘進させてセグメント組立が可能なスペースが確保された後、セグメントＳの１ピースを組み立てる位置のシールドジャッキ３５を１本ずつ順番に停止させ、当該シールドジャッキ３５をその都度減圧することなく、その後に当該シールドジャッキ３５を順次縮めてセグメント組立を開始するようにしたので、一部の推進ジャッキを減圧して引き戻す「推進ジャッキ一部引き戻し工程」を実施する特許文献２のように、シールドジャッキ３５の能動的な油圧制御を行う必要がないので、制御を簡略化でき、信頼性を高められる。

また、セグメントＳの組立において、ボルト締結を不要とした軸方向挿入セグメントを用いることで、セグメントＳの１ピースを組み立てるのに要する時間が短縮され、シールド掘進機１０の掘進中に１リングのセグメント組立をより確実に完了させることができ、連続した同時施工を可能にして施工期間の短縮が図れる。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、推進ジャッキ本数変更、セグメントピースの数変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係るシールド掘進機は、泥土圧式シールド掘進機に限らず土圧式シールド掘進機や泥水式シールド掘進機及びトンネルボーリングマシン等にも有効に適用することができる。

１０ 泥土圧式シールド掘進機
１１ シールド本体
１２ 前胴
１３ 後胴
１５ 中折れジャッキ
１６ 回転リング
１７ 連結ビーム
１８ カッタヘッド
１９ カッタスポーク
２０ 外周リング
２１ フィッシュテールカッタ
２２ カッタビット
２３ コピーカッタ
２４ リングギア
２５ カッタ旋回モータ
２６ 駆動ギア
２７ バルクヘッド
２８ チャンバ
２９ 固定式攪拌棒
３０ 旋回式攪拌棒
３１ テールシール
３３ スクリューコンベア
３４ リングガータ
３５ シールドジャッキ
３６ スプレッダ
３８ 旋回リング
３９ エレクタ
４０ 支柱
５０Ａ 第１の油圧回路
５０Ｂ 第２の油圧回路
５１ 推進用パワーユニット
５２ 電磁比例減圧弁
５３ 推進伸縮弁
５４ セグメント組用パワーユニット
５５ セグメント組伸縮弁
５６ 圧力発信器
５７,５８ オンロード弁
５９ パイロット圧ライン
４１ 架台
Ｇ 地山
Ｌ セグメント幅
２Ｌ セグメント組立部の長さ
Ｓ セグメント

Claims (2)

1. シールド掘進機をその円周方向に設けた多数の推進ジャッキで掘進させながら、同時にその後方でセグメントを組み立てるシールド掘進組立同時施工法において、
   前記シールド掘進機のテールシール前端部と推進ジャッキ最縮退位置との間の前記シールド掘進機のセグメント組立部の長さをセグメント幅の２倍以上とし、
   前記推進ジャッキの各ストロークに少なくとも２種類以上の長さを持たせ、
   最小ストローク：「セグメント幅＋Ｋセグメント挿入代＋組立余裕代」以上
   最大ストローク：「セグメント幅×２倍＋組立余裕代」以下
   に設定すると共に、
   前記推進ジャッキを１本或いは２本以上のグループに分けて油圧制御してそれぞれの推進力の合力点である目標着力点の位置を任意に制御可能とし、かつ前記シールド掘進機の掘進中に各前記推進ジャッキを伸縮させる別の油圧回路を設け、
   全ての前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させてセグメント組立が可能なスペースを確保した後、前記セグメントの１ピースを組み立てる位置に対応した組立位置の前記推進ジャッキを１本ずつ順番に停止すると共に、前記シールド掘進機の推進速度を一定に保つように組立位置以外の前記推進ジャッキへの圧油供給量を調整し、その後に組立位置の前記推進ジャッキを順次縮めてセグメント組立を開始し、このセグメント組立中に組立位置以外の前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させ、前記セグメントの１ピースの組立が完了すると全ての前記推進ジャッキで前記シールド掘進機を掘進させ、以後これを繰り返す
   ことを特徴とするシールド掘進組立同時施工法。
2. 前記セグメントの組立において、ボルト締結を不要とした軸方向挿入セグメントを用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進組立同時施工法。

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