JP6498624B2 - 掘削工法模擬装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削による地盤が受ける影響を評価する際に使用される掘削工法模擬装置に関するものである。

トンネルを構築するために地盤を掘削すると、応力開放が起きて周辺地盤や地表面が変形することがある。このようなトンネル掘削による地盤が受ける影響は、施工前に適切に評価され、変形を防止するための対策が講じられる必要がある。

特許文献１には、シールドトンネルを構築するに際してその影響を評価するために、遠心力載荷装置を利用してシールド掘進模型試験を行うことが開示されている。

また、特許文献２は、遠心力載荷装置を利用してシールド掘削機模型試験を行うことで、掘進速度や排土量などのトンネル掘削作業時の運転データを予め得ておくことが記載されている。

特開平８−２９２９７号公報 特開２００２−３６５１７０号公報

しかしながら土被りの浅い箇所にトンネルを掘削する場合は、地表面を変形させる可能性が高くなるため、人力掘削、オーガー掘削、カッタフェイス掘削などによって慎重に行われることになるが、そのような掘削工法の違いによる地盤が受ける影響の差を評価する手段がなかった。

そこで、本発明は、様々な掘削工法を模擬することが可能な掘削工法模擬装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の掘削工法模擬装置は、トンネル掘削による地盤が受ける影響を評価する際に使用される掘削工法模擬装置であって、中空かつ長尺状のケーシング部と、前記ケーシング部の内部に軸方向の移動及び軸まわりの回転が可能となるように支持された操作ロッド部と、前記操作ロッド部の前端に俯仰可能に取り付けられたカッタ部と、前記操作ロッド部の後端に設けられた操作ハンドル部とを備え、前記操作ハンドル部によって、前記操作ロッド部の移動及び回転並びに前記カッタ部の俯仰の操作が行われることを特徴とする。

ここで、前記カッタ部は、先端のビット部と、前記ビット部を回転させる回転駆動部とを有する構成にすることができる。また、前記カッタ部は、先端のビット部が交換可能に設けられている構成とすることができる。

このように構成された本発明の掘削工法模擬装置は、中空のケーシング部の内部に軸方向の移動及び軸まわりの回転が可能となるように操作ロッド部が支持され、操作ロッド部の前端には俯仰可能にカッタ部が取り付けられる。また、操作ロッド部の後端には、操作ハンドル部が設けられる。

このため、ケーシング部の前方に様々な形状の掘削面を形成することができ、様々な掘削工法を模擬してそれによって地盤が受ける影響を適切に評価することが可能になる。

また、カッタ部の先端のビット部を回転させる回転駆動部を有する構成であれば、試験時の掘削を効率的に行うことができる。

さらに、カッタ部の先端のビット部が交換可能に設けられていれば、工法によるビット部の違いによる影響も評価することができる。また、より幅広く多くの掘削工法が、ビット部を交換するだけで模擬できるようになるので経済的である。

本実施の形態の掘削工法模擬装置を使って行われるトンネル掘削試験を模式的に説明する斜視図である。 本実施の形態の掘削工法模擬装置の構成を説明する縦断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視方向で見た背面図である。 図２のＢ−Ｂ矢視方向で見た横断面図である。 実施例の掘削工法模擬装置の構成を説明する縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の掘削工法模擬装置１を使って行われるトンネル掘削試験の概略を説明する図である。

トンネル掘削試験は、トンネルを構築する現地の地盤を模した模擬地盤Ｍを使って行われる。また、模擬地盤Ｍに対しては、図示していないが、表面や内部に変位計、ひずみ計、土圧計などのセンサが設置されたり、外側から観測するための公知の計測システムが配置されたりして、掘削によって模擬地盤Ｍの表面や内部がどのように変化するかが把握できるようになっている。

すなわち掘削開始から終了までや掘削後の任意の時間が経過したときのトンネル掘削による地盤が受ける影響を、模擬地盤Ｍを掘削工法模擬装置１で掘削することによって評価することができる。

本実施の形態の掘削工法模擬装置１は、図１，２に示すように、中空かつ長尺状のケーシング部２と、ケーシング部２の内部に軸方向の移動及び軸まわりの回転が可能となるように支持された操作ロッド部３と、操作ロッド部３の前端３１に俯仰可能に取り付けられたカッタ部４と、操作ロッド部３の後端３２に設けられた操作ハンドル部５とを主に備えている。

ケーシング部２は、例えば断面略長方形となる四角筒状の角形鋼管などによって形成される。このケーシング部２は、例えば上下に２分割できるように構成されており、分割された状態のときに操作ロッド部３やカッタ部４などが配置される。

このケーシング部２は、掘削されたトンネルの周面を保護する覆工部を模擬させた部材である。このため、模擬させる掘削工法によっては、ケーシング部２を円筒状や断面馬蹄形の筒状や楕円管状などに形成することもできる。

ケーシング部２は、カッタ部４によって掘削された模擬地盤Ｍの空洞に向けて押し込まれる。そこで、ケーシング部２の前方掘削面に対面させる端面を前端面２１とし、模擬地盤Ｍから突出される後方の端面を後端面２２とする。

このケーシング部２の内部には、ケーシング部２の長手方向と略一致する方向に軸方向が向けられた棒状の操作ロッド部３が吊り下げられる。この操作ロッド部３は、軸まわりに回転可能かつケーシング部２の長手方向（軸方向）に前後移動可能となるように吊り下げられる。

図４は、図２のＢ−Ｂ矢視方向で見た横断面図である。この図に示すように、円柱状の操作ロッド部３は、ベアリング部３３１に通されて支持されるため、軸まわりの回転が自在となる。

この操作ロッド部３を支持するベアリング部３３１は、スライダ３３に取り付けられる。このスライダ３３は、レール３４に沿って直線の往復移動を行うことができる（図２のＳ１方向参照）。このようなスライダ３３とレール３４との組み合わせは、公知のリニアガイドなどによって構成することができる。

レール３４は、図２に示すように、操作ロッド部３の前端３１側と後端３２側とにそれぞれ配置される。詳細には、ケーシング部２の天井面に、長手方向（軸方向）に向けて長尺状のリブ部３５が取り付けられ、その両端に長手方向を一致させたレール３４，３４がそれぞれ取り付けられる。

スライダ３３は、レール３４の長さの範囲で自由にスライド移動させることができる。すなわち、操作ロッド部３に軸方向の力が作用すると、その力によって前後のスライダ３３，３３が直線的に移動することで、操作ロッド部３の軸方向の移動が可能になる（図１，２のＳ１方向参照）。

操作ロッド部３の前端３１には、回動部３１１が設けられ、その回動部３１１にカッタ部４の後端が取り付けられる。回動部３１１は、面内で軸まわりに回転させる機構である。

すなわち図２で示した状態では、回動部３１１の軸は紙面直交方向に向いており、長尺状のカッタ部４が回動部３１１を支点に上下、換言すると仰角側と俯角側に回転する（図１，２のＲ１方向参照）。この仰角側と俯角側に回転する角度は、例えば水平からそれぞれ３０度程度確保できればよい。

カッタ部４の円筒状の胴部４２の先端には、地盤を切削する刃となるビット部４１が取り付けられる。このビット部４１は、任意の形状のビット部に交換することができるように着脱可能な構成となっている。

また、ビット部４１は、カッタ部４の軸まわりに回転させることができる（図１のＲ２方向参照）。このビット部４１は、回転駆動部としての駆動モータ４３の駆動力によって回転する。

図示していないが、操作ハンドル部５には、駆動モータ４３のオンとオフを切り替えるスイッチが設けられており、任意のタイミングでビット部４１を回転させることができる。また、正逆両方向に回転可能な構成とすることもできる。

一方、操作ロッド部３の後端３２には、操作ロッド部３の軸方向の移動（図１のＳ１方向）及び軸まわりの回転（Ｒ３方向）、及びカッタ部４の俯仰方向の回転（Ｒ１方向）を操作するための操作ハンドル部５が設けられる。

操作ハンドル部５は、図２のＡ−Ａ矢視方向で見た背面図である図３に示すような逆Ｕ字状の把持部５１と、カッタ部４を操作するための首振り用ロッド５２と、把持部５１に操作ロッド部３及び首振り用ロッド５２を接続させるための中央垂下部５１１とによって主に構成される。

把持部５１は、図２に示すように、連絡部５５を介して操作ロッド部３の後端３２に接続される。操作ロッド部３の後端３２には、上述した回動部３１１と同様の回動部３２１が設けられており、この回動部３２１と把持部５１の中央垂下部５１１とが連絡部５５によって接続される（図３参照）。

このため、把持部５１を揺動又は回転（Ｒ４方向）させると、把持部５１に接続された操作ロッド部３に軸まわりの揺動又は回転（Ｒ３方向）が起きることになる。

一方、把持部５１をケーシング部２側に押したり引いたりすると、スライダ３３，３３に取り付けられた操作ロッド部３が、レール３４，３４の長さの範囲内で前後移動することになる。

さらに、把持部５１の中央垂下部５１１に端部が接続された首振り用ロッド５２は、操作ロッド部３と略平行に前端３１に向けて延伸される。この首振り用ロッド５２は、複数の吊下げ部５３，・・・によって軸方向（図２のＳ１方向参照）の移動が自由になる状態で操作ロッド部３に吊り下げられる。

そして首振り用ロッド５２の前端は、側面視略Ｌ字形の連結部５４を介してカッタ部４の後端に接続される。すなわち、把持部５１とカッタ部４とは、首振り用ロッド５２を介して連続した状態になる。

首振り用ロッド５２は、操作ロッド部３に吊り下げられているので、操作ロッド部３が前後移動すればそれに伴って前後し、操作ロッド部３が回転すればそれに伴って回転する。

これに対して操作ロッド部３が静止した状態で、図２に示すように把持部５１の下部をケーシング部２側（Ｒ５方向）に傾けると、首振り用ロッド５２が前端３１側に移動し、カッタ部４を持ち上げて仰角方向に回転させることができる。

これと反対に、把持部５１の下部をケーシング部２から離れる方向に傾けると、首振り用ロッド５２が後端３２側に引き戻されて、カッタ部４を引き下げて俯角方向に回転させることができる。

カッタ部４によって掘削された掘削土Ｍ１は、図１に示すようにケーシング部２の前端面２１付近の底部に堆積される。この掘削土Ｍ１は、図示しないバキューム装置等によって取り除かれる。

例えば、バキューム装置に接続された排土パイプ６を、ケーシング部２の底面に沿って敷設し、先端６１を掘削土Ｍ１付近に配置する。この状態でバキューム装置を稼働させれば、掘削土Ｍ１を外部に排出させることができる。

次に、本実施の形態の掘削工法模擬装置１を使用したトンネル掘削試験の方法、及び掘削工法模擬装置１の作用について説明する。

まず試験を行う模擬地盤Ｍを製作し、変位計、ひずみ計、土圧計などのセンサを計測が必要となる箇所に設置する。また、模擬地盤Ｍを外側から計測する場合は、それに必要な計測システムを構築する。

続いて、トンネルを構築する実際の地盤の土被り厚に相当する深さの模擬地盤Ｍの側面に、ケーシング部２の前端面２１を貫入できる程度の穴を余掘りする。そして、掘削工法模擬装置１のケーシング部２の前端面２１をその穴に押し込み、掘削試験が行える状態にする。

掘削試験は、実際に実施したい掘削工法の掘削形状に合わせて行われる。本実施の形態の掘削工法模擬装置１であれば、あらゆる形状の掘削面を成形することができる。

例えば、横断面であれば長方形、円形、馬蹄形、楕円形など、あらゆる形状の掘削断面を形成することができる。また、縦断面であれば、掘削上面（天端）が撓んだ形状、掘削前面（切羽）が傾斜した形状、掘削側面が撓んだ形状など様々な掘削形状を模擬することができる。

掘削は、操作ハンドル部５の把持部５１を握って行う。まずはカッタ部４のビット部４１をケーシング部２の前端面２１より前方に突出させるために、把持部５１をケーシング部２に向けて押す。

ビット部４１が模擬地盤Ｍに接触した状態で駆動モータ４３のスイッチを入れると、ビット部４１がＲ２方向に回転して掘削が行われ、掘削土Ｍ１が発生する。ケーシング部２内に崩落してきた掘削土Ｍ１は、排土パイプ６の先端６１から吸い込ませる。

続いて把持部５１をＲ４方向に揺動又は回転させると、操作ロッド部３が軸まわり（Ｒ３方向）に回転して、掘削範囲を広げていくことができる。さらに掘削範囲を広げる場合は、把持部５１を傾けることで、カッタ部４を仰角又は俯角方向（Ｒ１方向）に振り、操作ロッド部３を軸まわりに回転させることで、掘削空洞を徐々に広げていくことができる。

このように操作ハンドル部５を操作することによって、先端のビット部４１を前後だけでなく上下左右とあらゆる方向の任意の位置に配置することができるので、模擬させたい任意の掘削形状を自由に成形することができる。

そして、掘削中又は掘削後に計測された変位や応力などの計測結果を検討することで、設定された形状で掘削が行われたトンネル掘削による地盤が受ける影響が評価される。

このように構成された本実施の形態の掘削工法模擬装置１は、中空のケーシング部２の内部に軸方向の移動及び軸まわりの回転が可能となるように操作ロッド部３が吊り下げられ、操作ロッド部３の前端３１には俯仰可能となるように回動部３１１を介してカッタ部４が取り付けられる。また、操作ロッド部３の後端３２には、操作ハンドル部５が設けられる。

このため、ケーシング部２の前方に様々な形状の掘削面を形成することができ、様々な掘削工法を模擬してそれによって地盤が受ける影響を適切に評価することが可能になる。

特に鉄道の下にトンネルを構築する際には、地表面の変形は厳密に管理されることになるため、掘削の影響を受けやすい土被りの浅い箇所でのトンネルの構築においては、事前に地盤が受ける影響を高精度で把握しておくことが欠かせなくなる。

そして、掘削工法模擬装置１によって様々な掘削工法による地盤が受ける影響を、共通の基準で対比して検証することができれば、掘削工法の選択を合理的に行うことができるようになる。

また、カッタ部４の先端のビット部４１を回転させる駆動モータ４３を有する構成であれば、試験時の掘削を効率的に行うことができる。すなわち、駆動モータ４３が無くてもビット部４１を回転させることができるので掘削は行えるが、駆動モータ４３による回転力を利用することで迅速に掘削作業を進めることができる。

さらに、カッタ部４の先端のビット部４１が交換可能に設けられていれば、工法によるビット部４１の形状や大きさなどの違いによる影響も評価することができる。また、より幅広く多くの掘削工法が、ビット部４１を交換するだけで模擬できるようになるので経済的である。

以下、前記した実施の形態とは別の形態の掘削工法模擬装置１Ａについて、図５を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

本実施例で説明する掘削工法模擬装置１Ａは、カッタ部４を仰角又は俯角方向に回転させる構成が、前記実施の形態とは異なっている。すなわち、前記実施の形態で説明した操作ハンドル部５とは異なる構成の操作ハンドル部７が設けられる。

この操作ハンドル部７は、操作ハンドル部５と同様の逆Ｕ字状の把持部７１と、カッタ部４を操作するための一対のワイヤ部７２，７２と、ワイヤ部７２，７２を把持部７１の位置で操作するためのレバー部７２１，７２１とよって主に構成される。

把持部７１は、操作ロッド部３の後端３２に直接、接続される。すなわち本実施例の把持部７１は、傾けることができない構成となっている。それに代わって把持部７１の両側のハンドルには、ワイヤ部７２，７２を操作するレバー部７２１，７２１が取り付けられる。

レバー部７２１に一端が接続されたワイヤ部７２は、他端がカッタ部４の後端の回動部３１１Ａに接続される。すなわち把持部７１の両側のレバー部７２１，７２１に接続された２本のワイヤ部７２，７２は、面内で軸まわりに回転する回動部３１１Ａに接続される。

回動部３１１Ａには、直径方向の上面と下面からそれぞれ突出される連結部７４，７４が設けられており、２本のワイヤ部７２，７２のそれぞれの先端が接続される。

ワイヤ部７２は、チューブの内部にワイヤが滑動自在に挿入された構成となっており、ワイヤを覆うチューブは、複数の取付バンド７３，・・・を介して操作ロッド部３に取り付けられる。

そして、一方のレバー部７２１を握ってＲ６方向に動かすと、ワイヤ部７２のチューブ内の滑動自在のワイヤに上下の連結部７４，７４のいずれかが引っ張られて、カッタ部４は仰角又は俯角方向に回転される。

このように自転車のブレーキの構成を応用した簡単な仕組みによっても、カッタ部４の俯仰方向の回転の操作を行わせることができる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば前記実施の形態及び実施例では、操作ロッド部３がケーシング部２の天井面から吊り下げられて支持される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、操作ロッド部３をケーシング部２の底面や側面から突出させた支持機構によって支持させることができる。

また、前記実施の形態では、模擬地盤Ｍを使ったトンネル掘削試験に掘削工法模擬装置１を使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、トンネルを構築する原位置における試験施工の際にも掘削工法模擬装置１，１Ａを使用することができる。

１ 掘削工法模擬装置
２ ケーシング部
２１ 前端面
２２ 後端面
３ 操作ロッド部
３１ 前端
３１１ 回動部
３２ 後端
４ カッタ部
４１ ビット部
４３ 駆動モータ（回転駆動部）
５ 操作ハンドル部
１Ａ 掘削工法模擬装置
７ 操作ハンドル部
３１１Ａ 回動部

Claims (3)

1. トンネル掘削による地盤が受ける影響を評価する際に使用される掘削工法模擬装置であって、
   中空かつ長尺状のケーシング部と、
   前記ケーシング部の内部に軸方向の移動及び軸まわりの回転が可能となるように支持された操作ロッド部と、
   前記操作ロッド部の前端に俯仰可能に取り付けられたカッタ部と、
   前記操作ロッド部の後端に設けられた操作ハンドル部とを備え、
   前記操作ハンドル部によって、前記操作ロッド部の移動及び回転並びに前記カッタ部の俯仰の操作が行われることを特徴とする掘削工法模擬装置。
2. 前記カッタ部は、先端のビット部と、前記ビット部を回転させる回転駆動部とを有することを特徴とする請求項１に記載の掘削工法模擬装置。
3. 前記カッタ部は、先端のビット部が交換可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の掘削工法模擬装置。