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シールド掘進方法及びシールド掘進機
説明

シールド掘進方法及びシールド掘進機

【課題】本体部の姿勢を適正に維持して掘進しながらセグメント下部の地盤を改良し、更には掘削坑形成後の地盤改良作業を容易かつ軽減することができるシールド掘進方法及びシールド掘進機を得る。
【解決手段】シールド掘進機1の本体部10の底面には地盤改良剤を圧入するための注入管61が設置され、前方に向かって上下方向に傾動自在な下段支持アーム20aが設置されている。下段支持アーム20aには、中央に下段センタ小ドラムカッタ32a、33aと、両側に下段サイド大ドラムカッタ31a、31aとが設置され、後者はセンタ寄りドラムとサイド寄りドラムと両者の幅方向間隔を変更させる拡縮用ジャッキとを有している。したがって、下段サイド大ドラムカッタ31a、31aの掘削幅を狭めて、下段支持アーム20aを倒伏して掘削すれば、本体部10の下部に本体部10よりも幅の狭い溝条の掘削部が形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、地中にトンネルや下水道等の坑道(以下「掘削坑」と総称する)、たとえば断面が矩形状の掘削坑を構築するシールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【0002】
地山(地盤に同じ)に掘削坑を構築するシールド掘進機は、その基本的な構成要素として、地山を掘削する掘削部と、前面に掘削部が設置されている筒状の本体部と、本体部の後端に延設され、本体部と外形的に一体をなす筒状のテール部と、セグメントを筒状に組み立ててセグメント筒状体とするセグメント組立手段(セグメントエレクタまたはエレクター装置に同じ)と、セグメント筒状体に反力を取り、その反力によって本体部を前進させる押出手段(シールドジャッキに同じ)と、セグメント筒状体とテール部との隙間をシールするテールシール手段と、セグメント筒状体と掘削坑との隙間に裏込材を注入する裏込材注入手段と、掘削した土砂を機外に排出する排土手段とを有している。
【0003】
特許文献1に開示されたシールド掘進機は、その掘削部が、歯車箱によって支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備するドラムカッタを有し、歯車箱の前方側は平面視においてU字状に形成され、その内側でセンタ小ドラムカッタを支持し、その外側でサイド大ドラムカッタを支持すると共に、その外側自体がサイド大ドラムカッタ内に収納されている。そのため、本体部の幅に略等しい幅の掘削坑、特に矩形状断面の掘削坑を形成することができる。
【0004】
特許文献2に開示されたシールド掘進機は、その掘削部が、傾動可能なスイングビームによって支持された掘進方向に直交する回転軸を具備する左右ドラムカッタと掘進方向に平行する回転軸を具備する中央ドラムカッタとを有している。これにより、本体部と略等しい又はそれより広い幅の掘削坑の形成が可能になり、掘削土の取り込みと排出が円滑化され、掘進方向の修正、急曲線施工及びトンネル勾配への対応を容易にすることができる。
【0005】
他方、掘削坑が構築される地盤の性状によっては地盤の改良が必要になる場合や構築された掘削坑の信頼性(設置されたセグメント筒状体の信頼性に同じ)を維持又は向上させるための追加工事が必要になる場合がある。たとえば、特許文献3〜5には、シールド掘進機を用いて矩形状の縦長断面の横杭を掘削してトンネル構造体を形成し、その後、トンネル構造体の下部の土留、止水等の工事を行う技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】特開平2−66295号公報(3頁、図1)
【特許文献2】特開平4−131494号公報(3−4頁、図1)
【特許文献3】特開平8−28197号公報(4頁、図2)
【特許文献4】特開平8−28198号公報(4頁、図2)
【特許文献5】特開平8−28199号公報(4頁、図2)
【特許文献6】特開平4−327697号公報(2−3頁、図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
(あ)しかし、シールド掘進機における裏込材の注入は、セグメント筒状体と掘削坑との隙間の充填を目的とするものであって、セグメント下部の土壌を改良し、形成されたセグメント、延いては掘削坑を安定化させることを目的とするものではない。
(い)特許文献1に開示された技術ではシールド掘進機の本体部の高さよりも大きい掘削坑を形成することができないため、本体部の下部に隙間がなく、その隙間への地盤改良剤の送込み、改良土の充填その他の方法により改良地盤を形成することができないという問題があった。換言すれば、この技術は、本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、前記セグメントの下部に改良地盤を形成するものではない。
【0008】
(う)特許文献2に開示された技術によればシールド掘進機の本体部の下部を本体部と略等しい幅で又はそれよりも広い幅で掘削することができる。しかし、それは掘削土の取り込みと排出の円滑化、掘進方向の修正、急曲線施工及びトンネル勾配への対応の容易化を目的とするものであって、セグメント下部の土壌改良を目的とするものではない。しかも、シールド掘進機の本体部の下部が本体部と略等しい幅で又はそれよりも広い幅で掘削すると本体部が掘削された地盤によって支持されるため、適正な姿勢を維持することが困難になり、掘進方向が安定しないという問題があった。
【0009】
(え)特許文献3〜5に開示された技術は、トンネル構造体を形成した後に坑内から杭の打設、土留、止水等の地盤改良を行うものであり、シールド掘進の過程においてセグメントの下部に改良地盤を形成するものではない。また、それ故に、トンネル構造体を形成した後に坑内から杭の打設、土留、止水等を行う際に、既設セグメントを破壊または取り外す、既設セグメントに特に設けた蓋を外す等により地山を坑内に露出させる必要があり、不用意に地山を露出させてしまうと、そこから坑内に向けて土砂や地下水が噴出する、その噴出により引き続く地盤改良そのものが困難になる等の危険や障害を招来しかねないという問題があった。
【0010】
(お)なお、シールド掘進機によって既成のセグメントに替えて直接コンクリートを打設する場所打ちライニング工法においても、覆工コンクリートの下部の地盤を改良することができないという問題があった(例えば、特許文献6参照)。
【0011】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、シールド掘進しながらセグメント下部の地盤を改良することができ、シールド掘進機の本体部の姿勢を適正に維持し、掘進方向を安定にし、形成されたセグメント、延いては掘削坑を安定にし、更には掘削坑形成後の地盤改良に係る作業の負荷を軽減し(場合によってはかかる事後作業を不要にし)、必要であるとしてもその作業に起因する危険や障害の発生を極力抑制できるシールド掘進方法及びシールド掘進機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
(1)本発明に係るシールド掘進方法の第1の態様は、筒状の本体部の前面を掘削し、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(2)本発明に係るシールド掘進方法の第2の態様は、筒状の本体部の前面を掘削し、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、掘削された地盤の領域(以下「掘削地盤」という)を本体部の前面の下部を掘削することにより形成し、掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことで前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(3)本発明に係るシールド掘進方法の第3の態様は、同方法の第2の態様において、本体部の前面の下部を掘削する幅が、本体部の前面の幅よりも狭いことを特徴とする。
(4)本発明に係るシールド掘進方法の第4の態様は、筒状の本体部の前面を掘削し、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、本体部の底面とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填することにより前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
【0013】
(5)本発明に係るシールド掘進方法の第5の態様は、筒状に形成された本体部の前面を掘削し、前記本体部の後方に向かって筒状に形成されたセグメントに反力を取り、前記本体部を所定の距離だけ前方に進めるシールド掘進の過程において、前記本体部の前面の下部を掘削し、前記本体部の下部に形成された掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことで前記後方に向かって押し出されたセグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(6)本発明に係るシールド掘進方法の第6の態様は、筒状に形成された本体部の前面を掘削する工程と、所定の位置において、前記本体部の前面の下部を掘削する工程と、前記本体部の後方に向かって筒状に形成されたセグメントに反力を取り、前記本体部を所定の距離だけ前方に進める工程と、前記本体部の下部に形成された掘削地盤に地盤改良剤を送り込む工程とを有し、前記前面を掘削する工程と、前記下部を掘削する工程と、前記前方に進める工程と、前記地盤改良剤を送り込む工程とを繰り返すことによって、前記後方に形成されたセグメントの下部に所定の距離の改良地盤を形成することを特徴とする。
(7)本発明に係るシールド掘進方法の第7の態様は、その第5又は第6の態様において、前記本体部の前面の下部を掘削する幅が、前記本体部の前面の幅よりも狭いことを特徴とする。
【0014】
(8)本発明に係るシールド掘進方法の第8の態様は、筒状に形成された本体部の前面を掘削し、前記本体部よりも高さの低い筒状のセグメントを形成し、前記本体部の天面と前記セグメントの天面とが略一致するようにして前記セグメントに反力を取り、前記本体部を所定の距離だけ前方に進めるシールド掘進の過程において、前記本体部の底面と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に、改良土を圧入又は充填することで前記後方に形成された前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(9)本発明に係るシールド掘進方法の第9の態様は、筒状に形成された本体部の前面を掘削する工程と、前記本体部よりも高さの低い筒状のセグメントを形成する工程と、前記本体部の天面と前記セグメントの天面とが略一致するようにして前記セグメントに反力を取り、前記本体部を所定の距離だけ前方に進める工程と、前記本体部の底面と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に、改良土を圧入又は充填する工程とを有し、前記前面を掘削する工程と、前記セグメントを形成する工程と、前記前方に進める工程と、前記改良土を圧入又は充填する工程とを繰り返すことによって、前記形成された前記セグメントの下部に所定の距離の改良地盤を形成することを特徴とする。
【0015】
なお、本発明に係るシールド掘進方法の各態様においては、セグメントの下部に改良地盤を形成する場合(本体部の下部に形成された掘削地盤に地盤改良剤を送り込む場合及び本体部の底面と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を圧入又は充填する場合を含む)、掘進方向(本体部の進行方向を前方とし、その逆方向を後方とする方向)に沿う任意の位置に改良地盤を形成することができ、したがって所定の位置又は所定の距離のみに改良地盤を形成してもよいし、連続的又は間歇的若しくは非連続的に形成してもよい。同様に、本体部の前面の下部を掘削する場合、掘進方向に沿う任意の位置を掘削することができ、したがって所定の位置又は所定の距離のみを掘削してもよいし、連続的又は間歇的若しくは非連続的に掘削してもよい。
【0016】
(10)本発明に係るシールド掘進機の第1の態様は、筒状に形成された本体部と、本体部の前面を掘削する掘削手段と、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進める押出手段と、本体部が前方に進む過程においてセグメントの下部に改良地盤を形成する改良地盤形成手段と、掘削した土砂を排出する排土手段とを備えることを特徴とする。
(11)本発明に係るシールド掘進機の第2の態様は、筒状に形成された本体部と、本体部の前面を掘削する掘削手段と、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進める押出手段と、掘削した土砂を排出する排土手段とを備え、掘削手段が本体部の下部に溝条の掘削地盤を形成自在であることを特徴とする。
(12)本発明に係るシールド掘進機の第3の態様は、同掘進機の第6の態様において、溝条の掘削地盤に地盤改良剤を送り込む地盤改良剤送込手段を備え、これにより、押出手段により本体部を前方に進める過程においてセグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(13)本発明に係るシールド掘進機の第4の態様は、筒状に形成された本体部と、本体部の前面を掘削する掘削手段と、本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、本体部を前方に進める押出手段と、掘削した土砂を排出する排土手段とを備えるものであって、本体部の底面とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填する改良土充填手段を備え、これにより、押出手段により本体部を前方に進める過程においてセグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする。
(14)本発明に係るシールド掘進機の第5の態様は、同掘進機の第4の態様において、本体部は、スキンプレートと該スキンプレートに延設されたテールプレートにより形成され、改良土充填手段は、テールプレートの内側に設置された外型枠とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填することを特徴とする。
【0017】
(15)本発明に係るシールド掘進機の第6の態様は、スキンプレートによって筒状に形成された本体部と、該本体部の前方に突出する支持アームと、該支持アームに支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備する掘削手段と、前記本体部に設置され、回転力を発生する駆動モータと、前記支持アームに設置され、前記駆動モータが発生する回転力を前記掘削手段に伝達する回転力伝達機構と、前記本体部の後方に向かってセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進める押出手段と、掘削した土砂を排出する排土手段とを備えるシールド掘進機であって、前記掘削手段が前記本体部の下部に溝条の掘削部を形成自在であることを特徴とする。
(16)本発明に係るシールド掘進機の第7の態様は、その第6の態様において、前記本体部の下部に形成された掘削部に地盤改良剤を送り込む地盤改良剤送込手段を備えることを特徴とする。
【0018】
(17)本発明に係るシールド掘進機の第8の態様は、その第6又は第7の態様において、前記掘削手段が、センタ小ドラムカッタと、該センタ小ドラムカッタを挟むように配置されたサイド大ドラムカッタとを備え、前記支持アームが歯車箱であって、前記回転力伝達機構が歯車列から構成され、前記回転力が前方に向かって伝達された後、前記サイド大ドラムカッタ内に導かれ、さらに、前記サイド大ドラムカッタ内において、前記サイド大ドラムカッタを回転するサイド回転力と、前記センタ小ドラムカッタを回転するセンタ回転力とに分配されることを特徴とする。
(18)本発明に係るシールド掘進機の第9の態様は、その第8の態様において、前記サイド大ドラムカッタが、外周面にカッタビットが設置されたセンタ寄りドラムと、外周面にカッタビットが設置されたサイド寄りドラムと、前記センタ寄りドラムと前記サイド寄りドラムとの回転軸方向の距離を変更するドラム拡縮手段と、を有することを特徴とする。
【0019】
(19)本発明に係るシールド掘進機の第10の態様は、その第6又は第7の態様において、前記掘削手段が、センタ大ドラムカッタと、該センタ大ドラムカッタを挟むように配置されたサイド小ドラムカッタとを備え、前記支持アームが歯車箱であって、前記回転力伝達機構が歯車列から構成され、前記回転力が前方に向かって伝達された後、前記センタ大ドラムカッタ内に導かれ、さらに、前記センタ大ドラムカッタ内において、前記センタ大ドラムカッタを回転するセンタ回転力と、前記サイド小ドラムカッタを回転するサイド回転力とに分配されることを特徴とする。
(20)本発明に係るシールド掘進機の第11の態様は、その第6乃至第10のいずれかの態様において、前記支持アームが上下方向に傾動自在であることを特徴とする。
(21)さらに、本発明に係るシールド掘進機の第12の態様は、スキンプレートによって筒状に形成された本体部と、前記スキンプレートに連続して前記本体部の後方に延設されたテールプレートと、該本体部の前方に突出する支持アームと、該支持アームに支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備する掘削手段と、前記本体部に設置され、回転力を発生する駆動モータと、前記支持アームに設置され、前記駆動モータが発生する回転力を前記掘削手段に伝達する回転力伝達機構と、前記本体部の後方に形成されたセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進める押出手段と、掘削した土砂を排出する排土手段と、を備えるものであって、前記テールプレートの内側に設置された外型枠と、該外型枠と前記形成されたセグメントの下面との間に形成される隙間に、後方に向かって改良土を充填する改良土充填手段とを更に備えることを特徴とする。
【0020】
なお、本発明に係るシールド掘進機の各態様においては、改良地盤形成手段(地盤改良剤送込手段及び改良土充填手段を含む)は、本体部の下部に改良地盤を形成する際、掘進方向に沿う任意の位置にこれを形成することができ、したがって所定の位置又は所定の距離のみに改良地盤を形成することができ、連続的又は間歇的若しくは非連続的に形成することもできる。また、掘削手段は、本体部の下部に溝条の掘削地盤を形成する際、掘進方向に沿う任意の位置にこれを形成することができ、したがって所定の位置又は所定の距離のみに掘削地盤を形成することができ、連続的又は間歇的若しくは非連続的に形成することもできる。
【発明の効果】
【0021】
(i)本発明、特に本発明に係るシールド掘進方法及びシールド掘進機の各第1の態様によれば、シールド掘進しながらセグメント下部の地盤を改良することができ、本発明に係るシールド掘進方法の第2及び第5の各態様ならびにシールド掘進機に係る第3の態様によれば、シールド掘進しながら地盤改良剤を送り込み、セグメント下部の地盤を改良することができ、本発明に係るシールド掘進方法及びシールド掘進機の各第4の態様によれば、シールド掘進しながら改良土を後方に送り込み、セグメント下部の地盤を改良することができる。それ故、形成されたセグメント、ひいては掘削坑を安定化させることができる。また、掘削坑形成前に予め地盤改良を済ませておくことができるので、掘削坑形成後に行っていた坑内から杭の打設、土留、止水等の地盤改良に係る作業(セグメントに地盤改良剤を注入するための注入孔や、未掘削の地盤中に地盤改良剤を浸透させるための加圧手段等を設ける等の作業を含む)の必要性を低下させ、負荷を軽減することができ、その作業に起因する危険や障害の発生を極力抑制することができる。
【0022】
以上の効果に加えて、本発明に係るシールド掘進方法及びシールド掘進機の各態様によれば、次に記載の効果を奏する。
【0023】
(ii)本発明に係るシールド掘進方法の第2及び第5の各態様ならびにシールド掘進機に係る第3の態様において、本体部の前面の下部を掘削する際に掘削箇所に地盤改良剤を送り込めば、掘削地盤との攪拌混合が容易になり、本体部及び形成されたセグメントの下部の地盤改良を確実に行うことができる。このため、セグメントや掘削坑の安定性がより高まり、掘削坑形成後に行っていた地盤改良に係る作業の必要性や負荷を著しく低下させることができ(場合によっては作業自体を不要にすることができ)、かかる事後作業が必要であるとしてもその作業に起因する危険や障害の発生をより確実に抑制することができる。
【0024】
(iii)本発明に係るシールド掘進方法の第8の態様によれば、シールド掘進の過程において、本体部の底面とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土が圧入又は充填されるため、シールド掘進機の本体部は地盤に安定的に支持され、掘進方向の変動を極力抑えることができる一方で、形成されたセグメントは改良土によって確実に支持される。かかるセグメントに反力を取るので本体部の推進はより安定化する。
【0025】
(iv)本発明に係るシールド掘進機の第5の態様によれば、本体部がスキンプレートとそのスキンプレートに延設されたテールプレートにより形成される場合において、テールプレートの内側に設置された外型枠とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土が圧入又は充填されるので、改良土は確実にセグメント下部に充填される。これにより、シールド掘進機の本体部は地盤に安定的に支持され、掘進方向の変動を極力抑えることができる一方で、形成されたセグメントは改良土によって確実に支持される。かかるこのセグメントに反力を取るので本体部の推進はより安定化する。
【0026】
(v)本発明に係るシールド掘進方法の第6及び第9の態様によれば、シールド掘進の過程においてセグメント下部の地盤改良を繰り返し行うことができる。この場合、掘進方向に沿う任意の位置に改良地盤を形成することができ、所定の位置又は所定の距離のみに改良地盤を形成することができ、連続的又は間歇的若しくは非連続的に形成することもできる。
【0027】
(vi)本発明に係るシールド掘進機の第2の態様によれば、本体部の下部に溝条の掘削地盤を自在に、また当該下部又はセグメント下部の任意の位置においてこれを形成することができる。また、本発明に係るシールド掘進方法の第3の態様によれば、溝条の掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことができるので、かかる掘削地盤を自在に、また本体部又はセグメントの下部の任意の位置においてこれを形成することができる。更に、溝条の掘削地盤は、その幅が本体部の前面の幅よりも狭いので、本体部は、掘削坑内の掘削地盤以外の領域の地盤により安定的に支持され、掘進方向が変動することもない。
【0028】
(vii)本発明に係るシールド掘進機の第6の態様によれば、同掘進機の第2の態様を具体的に実現することができる。
【0029】
(viii)本発明に係るシールド掘進方法及びシールド掘進機の各第7の態様によれば、溝条の掘削地盤を繰り返し形成することができ、形成した掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことができるので、掘進方向に沿う任意の位置に改良地盤を形成することができ、所定の位置又は所定の距離のみに改良地盤を形成することができ、連続的又は間歇的若しくは非連続的に形成することもできる。
【0030】
(ix)本発明に係るシールド掘進機の第8乃至11の各態様によれば、同掘進機の第2、第6及び第7の各態様を具体的に実現することができ、より詳しくは本体部の下部に溝条の掘削地盤を自在に、また当該下部又はセグメント下部の任意の位置においてこれを形成することができる掘削手段を備える掘進機を実現することができる。
特に、本発明に係るシールド掘進機の第8の態様によれば、センタ小ドラムカッタとサイド大ドラムカッタとを掘進方向に投影した際の投影面積内に、支持アームを掘進方向に投影した際の投影面積が略収容されるため、幅方向で掘削残しを生ずることなく掘削することができると共に、未掘削の地山が支持アームに直接衝突する範囲を皆無または最小にすることができる。
同掘進機の第9の態様によれば、サイド大ドラムカッタがセンタ寄りドラムとサイド寄りドラムとを備え、両者の間隔が変更自在であるため、溝条の掘削部の幅を適宜設定することができる。
また、同掘進機の第10の態様によれば、センタ大ドラムカッタとサイド小ドラムカッタとを掘進方向に投影した際の投影面積内に、支持アームを掘進方向に投影した際の投影面積が略収容されるため、幅方向で掘削残しを生ずることなく掘削することができると共に、未掘削部が支持アームに直接衝突する範囲を皆無または最小にすることができる。
更に、同掘進機の第11の態様によれば、支持アームが上下方向に傾動自在であるため、掘進方向の所定の位置に限って本体部の下部に掘削部を形成することができると共に、比較的小径のドラムカッタでもって、上下方向で広い範囲を掘削することが可能になる。
【0031】
(x)本発明に係るシールド掘進機の第12の態様によれば、本体部がスキンプレートとそのスキンプレートに延設されたテールプレートにより形成される場合において、テールプレートの内側に設置された外型枠とセグメントの底面との間に形成される隙間に改良土が後方に向かって圧入又は充填されるので、改良土は確実にセグメント下部に充填される。これにより、シールド掘進機の本体部は地盤に安定的に支持され、掘進方向の変動を極力抑えることができる一方で、形成されたセグメントは改良土によって確実に支持される。かかるこのセグメントに反力を取るので本体部の推進はより安定化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
以下の説明において、掘進方向と略直交する方向であって水平方向又は略水平方向にあるものを幅方向といい、鉛直面上において掘進方向と略直交する方向であって鉛直方向又は略鉛直方向にあるものを高さ方向という。幅方向と平行な軸の周りで回転する方向については、これを周方向というのが本来であるが、以下の説明においては、高さ方向の成分も変動する点に鑑みて、これを上下方向という。
【0033】
[実施形態1]
(シールド掘進機)
図1〜図3は、本発明の実施形態1に係るシールド掘進機の前部を示すものであって、図1は側面視の断面図、図2は平面視の断面図、図3は正面図である。
図1〜図3において、シールド掘進機1は、スキンプレートによって断面矩形の筒状に形成された本体部10と、本体部10の前方(図1、2において左側)に突出する支持アーム20と、支持アーム20に支持され、水平方向に配置する回転軸を具備する掘削手段(以下「ドラムカッタ」と称する)30と、本体部10に設置され、回転力を発生すると共に該回転力をドラムカッタ30に伝達する回転機構40と、支持アーム20を上下方向に傾動する傾動手段50と、本体部10の下部に地盤改良剤を送り込む地盤改良剤送込手段60と、を有している。
【0034】
(本体部)
本体部10は、スキンプレート11によって形成された筒状体であって、その一方の端部(以下「前端部」と称す)に、バルクヘッド12が設置されている。バルクヘッド12は平面視において略凹字状の凹部13が形成され、凹部13に支持アーム20が設置されている。また、バルクヘッド12には排土用開口部14が設けられ、排土用開口部14に排土手段であるスクリューコンベア15(スクリューとこれを収納する鋼管とをまとめて総称する)が設置されている。
【0035】
また、本体部10の後部には、後方に形成されたセグメント筒状体6に反力を取り、本体部10を前方に進める押出手段であるシールドジャッキ16と、セグメントを断面矩形のセグメント筒状体6に組み立てるためのエレクター装置(図示しない)と、セグメント筒状体6と掘削坑との隙間に裏込材を注入する裏込材注入手段(図示しない)等が設置されている。
なお、スキンプレート11の後方にはテールプレート17が延設されている。すなわち、スキンプレート11から後方に向けて延長するようにテールプレート17が形成されている。これにより、本体部と外形的に一体をなす筒状のテール部が構成される。テールプレート17の内面にはテールシール18が設置されており、テールシール18はテール部の内側に配置するセグメント筒状体6に当接している。これにより、本体部10の内部は水密的に維持される。
【0036】
(支持アーム)
支持アーム20は、下段支持アーム20aと、中段支持アーム20b及び上段支持アーム20cとから構成されている。下段支持アーム20aは幅方向の軸の周りの制限された範囲内で回転可能、従って上下方向に傾動自在であるが、中段支持アーム20b及び上段支持アーム20cは、幅方向の軸の周りで回転不能、従って上下方向に傾動不能である。
なお、共通する部位については、名称に「下段、中段、上段」及び符号に「a、b、c」の添え字の記載を省略して説明する。また、支持アーム20は平面視において対称であるため、その一方について説明し、同じ符号を付している。
【0037】
支持アーム20は、平行部26と、垂直部27と、延設部29とからなる箱体である。平行部26は掘進方向に平行であり、垂直部27は、平行部26の前端部から幅方向に連続して左右に拡がるように形成されており、延設部29は、垂直部27の両端のそれぞれから前方に向けて延長するように形成されている(それ故、延設部29は、垂直部27の各端において形成されて一対をなしている)。そして、平行部26の後端部には入力軸25が、延設部29、29に跨ってセンタ出力軸22、23が、延設部29、29の両外側にはそれぞれサイド出力軸21、21が、それぞれ図示しないシール手段を介して水密的に突出している。いずれの軸21、25も幅方向に配置している。
【0038】
(ドラムカッタ)
ドラムカッタ30は、下段支持アーム20aに設置された下段ドラムカッタ30a(下段センタ小ドラムカッタ32a、33a及び下段サイド大ドラムカッタ31a、31aを総称する)、中段支持アーム20bに設置された中段ドラムカッタ30b(中段センタ小ドラムカッタ32b、33b及び中段サイド大ドラムカッタ31b、31bを総称する)、及び上段支持アーム20cに設置された上段ドラムカッタ30c(上段センタ小ドラムカッタ32c、33c及び上段サイド大ドラムカッタ31c、31c総称する)から構成されている。なお、以下の説明において、共通する部位については名称に「下段、中段、上段」及び符号に「a、b、c」の添え字の記載を省略する。
【0039】
サイド大ドラムカッタ31、31の外周面にはカッタビット5(図中「5(31)、5(31)」にて示す)が設置され、センタ小ドラムカッタ32、33の外周面にはカッタビット5(図中「5(32)、5(33)」にて示す)が設置されている。また、支持アーム20の垂直部27の端部と当該端部から延設された延設部29、29とはサイド大ドラムカッタ31、31の内部に収納されている。そして、サイド大ドラムカッタ31、31はそれぞれサイド出力軸21、21に固定され、センタ小ドラムカッタ32、33はそれぞれセンタ出力軸22、23に固定されている。
なお、いずれの軸22、23も幅方向に配置している。また、下段支持アーム20aに設置された下段サイド大ドラムカッタ31a、31aは、掘削幅(掘削地盤の幅方向の距離)を変更する拡縮機構を具備する点で、その他のサイド大ドラムカッタ31、31と相違しているが、これについては別途詳細に説明する。
【0040】
(回転機構)
回転機構40は、本体部10に設置され、回転力を発生する一対の駆動モータ41、41と、その回転力をドラムカッタ30に伝達する回転力伝達機構とを有している。回転力駆動機構は、定義にもよるが、駆動モータ41、41の回転軸に設置された傘歯車42、42、該傘歯車42、42に噛み合った傘歯車43、43、支持アーム20の平行部26に形成された歯車列46、傘歯車43、43が固定されている入力軸25、垂直部27に設置された中間軸47、延設部29、29に設置された分配機構49、サイド出力軸21、センタ出力軸22、23から構成されている。
駆動モータ41、41が発生する回転力は、掘進方向をその回転軸とし、傘歯車42、42及び傘歯車43、43によって幅方向を軸とする回転力に変換され、入力軸25に伝達され、入力軸25の回転力が歯車列46を経由して中間軸47に伝達される。中間軸47の軸端部はそれぞれ延設部29、29に到達しているので、中間軸47に伝達された回転力は分配機構49、49に伝達され、サイド出力軸21、21及びセンタ出力軸22、23の回転力に分配される。かくして駆動モータ41、41が発生する回転力はドラムカッタ30に伝達される。
【0041】
(傾動手段)
傾動手段50は、下段支持アーム20aに限って設置されている。すなわち、傾動手段50は、傾動用ピストン52を備える傾動用ジャッキ51と、下段支持アーム20aに設置され、傾動用ピストン52と連結されているブラケット53を備えている。下段支持アーム20aは入力軸25aにおいてバルクヘッド12に傾動自在に設置され、入力軸25aは下段支持アーム20aに設置された軸受24aと、バルクヘッド12に設置された軸受44aとによって回転自在に支持されている。したがって、傾動用ピストン52の進退によって、下段支持アーム20aは上下方向に傾動させられ、起立又は倒伏することになる(下段支持アーム20aが倒伏した状態を一点鎖線にて示す)。
なお、入力軸25を同軸の内軸と外軸(外管に同じ)とによって形成し、該内軸に傘歯車43、43を固定し、かつ歯車列46に噛み合わせて回転力の伝達用とし、一方、該外軸を軸受24a及び軸受44aに支持させて、掘削力の伝達用としてもよい。また、ブラケット53に替えて、外軸にピニオンを設置し、これに噛み合ったラックを傾動用ジャッキ51によって移動するようにしてもよい。
【0042】
(地盤改良剤送込手段)
地盤改良剤送込手段60は、本体部10の底面19に設置された注入管61と、図示しない地盤改良剤を保管するストックタンクと、図示しない地盤改良剤を加圧する加圧手段等とを有している。したがって、底面19の位置から掘削地盤中に地盤改良剤を送り込むことができる。
なお、地盤改良剤は地盤を改良する前の特性や改良後に要求される特性に応じて適宜選定されるものである。また、注入管61の設置位置や送り込みの方向は図示するものに限定されるものではなく、バルクヘッド12に設置して、下段ドラムカッタ30aの略鉛直下方又は下段ドラムカッタ30aがまさに掘削している地盤に向けて地盤改良剤を掘削地盤中に圧入又は噴射ようにしてもよいし、注入管61に進退手段を設置して、下段ドラムカッタ30aに近い位置で地盤改良剤を掘削地盤中に送り込むようにしてもよい。また、後述の実施形態3にも関連するが、掘削した地盤と地盤改良剤との攪拌混合が起こるような位置に注入管61を設置してもよい。要すれば、掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことにより目的とする程度の地盤改良の効果を奏するのであれば、注入管61の設置位置や圧入、噴射等の送込みの態様、地盤改良剤の種類などは任意に選択又は変更してよい。
【0043】
(下段サイド大ドラムカッタの拡縮機構)
図4及び図5は、本発明の実施形態1に係るシールド掘進機における下段サイド大ドラムカッタの拡縮機構を説明するものであって、図4の(a)は平面図、図4の(b)は拡大断面図、及び図5は平面視の断面図である。図4において、下段サイド大ドラムカッタ31aは、センタ寄りドラム311と、サイド寄りドラム314と、センタ寄りドラム311とサイド寄りドラム314との回転軸方向(幅方向に同じ)の距離を油圧により変更可能な拡縮用ジャッキ315とを有している。
【0044】
図5において、拡縮用ジャッキ315への油圧は、本体部10に設置された図示しない油圧ユニットから、油圧ホース321、入力軸25の端部に設置された回転継手322、入力軸25に形成された図示しない給油孔、入力軸25の中央近くに設置された回転継手323、支持アーム20内(平行部26内及び垂直部27内に同じ)に収納された油圧ホース324、サイド出力軸21aのセンタ側端部に設置された回転継手325、サイド出力軸21aに形成された図示しない給油孔、サイド出力軸21aのサイド側端部に設置された回転継手326、サイド寄りドラム314内に収納された油圧ホース327、をそれぞれ経由して伝達される。なお、油圧ホース321、324、327、及び図示しない給油孔は、それぞれ加圧用(給油用)と減圧用(戻り用)とを有するものである。
【0045】
再び、図4及び図5において、センタ寄りドラム311は幅方向の略中央に設置された取り付け壁312によって、センタ寄り部分とサイド寄り部分とに仕切られている。
センタ寄り部分の内部には、支持アーム20aの延設部29aが収容され、取り付け壁312がサイド出力軸21に固定されている。また、サイド寄り部分の内部には、サイド寄りドラム312が配置している。サイド寄りドラム312は、円周方向が拘束され、かつサイド出力軸21に平行な方向(幅方向に同じ)には摺動自在に、例えばスプライン等によりサイド出力軸21に取り付けられている。したがって、拡縮用ジャッキ315を伸縮することによって、下段サイド大ドラムカッタ31aの掘削幅は変動し、かつ、センタ寄りドラム311とサイド寄りドラム314とは一体的に回転することになる。
【0046】
なお、センタ寄りドラム311のサイド寄り縁部には複数の切欠部313が設けられ、切欠部313を除く外周面にカッタビット5が設置されている(図中、5(311)にて示す)。一方、サイド寄りドラム314の外周面にはセンタ寄りドラム311の切欠部313の位相に一致する位置に、カッタビット5が設置されている(図中、5(314)にて示す)。したがって、拡縮用ジャッキ315を縮めたとき、サイド寄りドラム314に設置されたカッタビット5(314)はセンタ寄りドラム311の切欠部313に進入し、拡縮用ジャッキ315を伸ばしたとき、カッタビット5(314)はセンタ寄りドラム311に設置されたカッタビット5(311)と異なった位相に配置されることになる。
【0047】
(掘進要領−本体部の下部を掘削しない場合)
上記構成のシールド掘進機1を使用して、本体部10の下部に掘削部を形成することなく掘進する場合、傾動用ジャッキ51の傾動用ピストン52を縮めて下段支持アーム20aを起立させ、略水平にすると共に、拡縮用ジャッキ315を伸ばして下段サイド大ドラムカッタ31a、31aの掘削する幅を広く設定し、全てのドラムカッタ30を回転させ、掘削を行う。これにより、本体部10を掘進方向に投影した投影面積に略同じ範囲(図3において、位置A、位置B、位置C及び位置Dで囲まれた矩形範囲に同じ)が掘削することができる。このとき、センタ小ドラムカッタ32とセンタ小ドラムカッタ33との間、及びセンタ小ドラムカッタ32、33とサイド大ドラムカッタ31、31との間にほとんど掘削残しがないため、支持アーム20に未掘削の土砂が直接衝突することがなく、掘進抵抗の増大が防止される。
【0048】
(掘進要領−本体部の下部を掘削する場合)
上記構成のシールド掘進機1を使用して、本体部10の下部に掘削部を形成しながら掘進する場合、傾動用ジャッキ51の傾動用ピストン52を伸ばして下段支持アーム20aを倒伏させ、略鉛直下方に向けて傾動させると共に、拡縮用ジャッキ315を縮めて下段サイド大ドラムカッタ31a、31aが掘削する幅を狭く設定し、全てのドラムカッタ30を回転させて、掘削を行う。これにより、本体部10を掘進方向に投影した投影面積の全範囲(位置A、位置B、位置C、位置Dで囲まれた矩形状の範囲に同じ)が掘削されると共に、さらに、下段サイド大ドラムカッタ31a、31aと下段センタ小ドラムカッタ32aとによって、本体部10の下部が本体部10の幅よりも狭い範囲(位置E、位置F、位置G及び位置Hで囲まれた矩形状の範囲に同じ)を掘削することができる。
【0049】
このとき、傾動用ジャッキ51の傾動用ピストン52の伸縮は適宜制御できるため、掘進方向に沿って連続的または間欠的に、所望の位置に溝状の掘削地盤を形成することが可能になり、所望の位置に形成された掘削地盤に地盤改良を施すことができる。さらに、本体部10の下部には両縁に沿った掘削残し領域(掘削地盤以外の地盤、すなわち未掘削範囲の地盤、より具体的には位置Dと位置Eとの範囲及び位置Hと位置Aとの範囲の地盤に同じ)が形成されるから、掘削地盤に比べてより強固な該掘削残し領域において本体部10が支持され、掘進方向が不安定になることがない。
【0050】
また、シールド掘進機1の前進速度は低速であるから、下段支持アーム20aの起立と倒伏(下段サイド大ドラムカッタ31a、31aによる掘削幅の拡大と縮小)を繰り返すことにより、本体部10の範囲(図3の(b)において、位置A、位置B、位置C及び位置Dで囲まれた矩形範囲に同じ)に掘削残しが生ずることはない。
なお、以上は支持アーム20が下段、中段及び上段の3段にわたって設置されたものを例示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、下段支持アーム20aを上下方向の全範囲をカバーするように傾動自在にして、中段支持アーム20b及び上段支持アーム20cの一方または両方を撤去しても、あるいは、上段支持アーム20cの上にさらに支持アームを追加してもよい。
【0051】
[実施形態2]
(シールド掘進機)
図6〜図8は、本発明の実施形態2に係るシールド掘進機の前部を示すものであって、図6は側面視の断面図、図7は平面視の断面図、図8は正面図である。なお、実施形態1(図1〜図3)と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。また、実施形態1に準じて、共通する部位については「下段、中段、上段」及び「a、b、c」の添え字の記載を省略し、対称に配置された部位については、その一方について説明する。
【0052】
図6〜図8において、シールド掘進機2は、本体部10と、本体部10の前方(図6において左側)に突出する支持アーム70と、支持アーム70に支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備する掘削手段(以下「ドラムカッタ」と称する)80と、本体部10に設置され、回転力を発生すると共に該回転力をドラムカッタ80に伝達する回転機構40と、本体部10の下部に地盤改良剤を送り込む地盤改良剤送込手段60と、を有している。
【0053】
(支持アーム)
支持アーム70は、バルクヘッド12に傾動不能に固定された下段支持アーム70a、中段支持アーム70b及び上段支持アーム70cとから構成されている。支持アーム70は、掘進方向に平行な一対の平行部76、76と、平行部76、76の内側面に沿って前方に向かって延設された一対の延設部79、79とからなる箱体である。このとき、平行部76、76の内側面を延長した面と延設部79、79の外側面とは平行であり、かつ近接している。
そして、一対の平行部76、76に跨ってその後端部には入力軸75が、延設部79、79に跨ってセンタ出力軸73が、それぞれ図示しないシール手段を介して水密的に設置されている。一方、延設部79、79の外側については、下段支持アーム70a、70aにはサイド出力軸71a、71aが、中段支持アーム70b、70bにはサイド出力軸71b、71b及びサイド出力軸72b、72bが、上段支持アーム70c、70cにはサイド出力軸71c、71c及びサイド出力軸72c、72cが、それぞれ図示しないシール手段を介して水密的に突出している。すなわち、下段支持アーム70a、70aはサイド出力軸が片側1本である点で、他の支持アーム70と相違している。
【0054】
(ドラムカッタ)
ドラムカッタ80は、下段支持アーム70aに設置された下段ドラムカッタ80a(下段サイド小ドラムカッタ81a、81a及び下段センタ大ドラムカッタ83aを総称する)、中段支持アーム70bに設置された中段ドラムカッタ80b(中段サイド小ドラムカッタ81b、81b、82b、82b及び中段センタ大ドラムカッタ83bを総称する)、及び上段支持アーム70cに設置された上段ドラムカッタ80c(上段サイド小ドラムカッタ81c、81c、82c、82c及び上段センタ大ドラムカッタ83c総称する)から構成されている。
すなわち、下段ドラムカッタ80aはサイド小ドラムカッタを一対(81a、81a)備えているのに対して、中段ドラムカッタ80bは二対(81b、81b;82b、82b)、上段ドラムカッタ80cも二対(81c、81c;82c、82c)備えている。
【0055】
サイド小ドラムカッタ81、81、82、82の外周面にはカッタビット5(図中「5(81)、5(81)、5(82)、5(82)」にて示す)が設置され、センタ大ドラムカッタ83の外周面にはカッタビット5(図中「5(83)」にて示す)が設置されている。また、支持アーム70の延設部79、79はセンタ大ドラムカッタ83の内部に収納されている。そして、サイド小ドラムカッタ81、81はサイド出力軸71、71に、サイド小ドラムカッタ82、82はサイド出力軸72、72に、センタ大ドラムカッタ83はセンタ出力軸73に、それぞれ固定されている。
【0056】
(回転機構)
回転機構40は、本体部10に設置され、回転力を発生する一対の駆動モータ41、41と、その回転力をドラムカッタ80に伝達する回転力伝達機構とを有している。回転力伝達機構は、定義にもよるが、駆動モータ41、41の回転軸に設置された傘歯車42、42、該傘歯車42、42に噛み合った傘歯車43、43、支持アーム70の平行部76、76に形成された歯車列46、傘歯車43、43が固定されている入力軸75、平行部76、76と延設部79、79とを跨ぐように設置された中間軸47、延設部79、79に設置された分配機構49、サイド出力軸71、71、72、72及びセンタ出力軸73から構成されている。
駆動モータ41、41が発生する回転力は、掘進方向をその回転軸とし、傘歯車42、42及び傘歯車43、43によって幅方向を軸とする回転力に変換され、入力軸75に伝達され、入力軸75の回転力が歯車列46、46を経由して中間軸47に伝達される。中間軸47、47に伝達された回転力は分配機構49、49に伝達され、サイド出力軸71、71、72、72及びセンタ出力軸73の回転力に分配される。かくして、駆動モータ41、41が発生する回転力はドラムカッタ80に伝達される。
【0057】
(地盤改良剤送込手段)
地盤改良剤送込手段60は、本体部10の底面19に進退自在に設置された注入管61と、図示しない進退機構、地盤改良剤を加圧する加圧機構、さらに、地盤改良剤を保管するストックタンク等を有している。したがって、注入管61を掘削地盤中に進入させて地盤改良剤をそこに送り込むことができる。また、注入管61を下段センタ大ドラムカッタ83aに接近させることができるから、掘削地盤とそこに送り込まれた地盤改良剤とが撹拌混合され易くなり、より均一で効果的な地盤改良が可能になる。
なお、地盤改良剤は地盤を改良する前の特性や改良後に要求される特性に応じて適宜選定されるものである。また、注入管61の設置位置や送り込みの方向は図示するものに限定されるものではなく、バルクヘッド12に設置してもよい。また、掘進に支障を与えず、本体部下部の地盤改良の目的を達成できるのであれば、図示しない進退機構を撤去して、常時所定の長さだけ突出するようにしてもよく、その他いかようにも注入管61の設置位置や圧入、噴射等の送込みの態様、地盤改良剤の種類などは任意に選択又は変更してよい。
【0058】
(掘進要領)
上記構成のシールド掘進機2を使用して、下段ドラムカッタ80aに設置された下段サイド小ドラムカッタ81a、81aにより、本体部10の底面19と略同一位置(図8において位置Dと位置Eとを結ぶ線、位置Hと位置Aとを結ぶ線に同じ)まで掘削し、下段センタ大ドラムカッタ83aにより位置I、位置J、位置F及び位置Gで囲まれた矩形範囲を掘削する。これにより、本体部10の中央域の下部に所定の深さの掘削地盤(位置E、位置F、位置G及び位置Hで囲まれた矩形範囲に相当する)を形成することができる。
したがって、全てのドラムカッタ80を回転すれば、本体部10を掘進方向に投影した投影面積の略全域が掘削されると共に、下段センタ大ドラムカッタ83aによって、本体部10の下部が本体部10の幅よりも狭い範囲(下段センタ大ドラムカッタ83aの幅に同じ)に限って連続的に掘削することができる。
【0059】
このとき、かかる掘削地盤に対し地盤改良剤送込手段60によって地盤改良剤を送り込むことにより、シールド掘進の過程で所望の改良地盤を連続的に形成し、セグメント下部の地盤を改良することが可能になる。さらに、本体部10の下部には両縁に沿った掘削残し領域(未掘削範囲の地盤、より具体的には位置Dと位置Eとの範囲及び位置Hと位置Aとの範囲の地盤に同じ)が形成されるから、掘削地盤に比べてより強固な該掘削残し領域において本体部10が支持され、掘進方向が不安定になることがない。
また、サイド小ドラムカッタ81、81とサイド小ドラムカッタ82、82との間、並びに、サイド小ドラムカッタ81、81、82、82とセンタ大ドラムカッタ83との間に掘削残しがほとんどない。このため、支持アーム70やバルクヘッド12に未掘削の土砂が直接衝突することがないから、掘進抵抗の増大が防止される。さらに、実施形態1に比較して、下段支持アームの傾動手段及び下部ドラムカッタの拡縮機構を具備しない分、構造が簡単になる。
【0060】
[実施形態3]
図9〜図11は、本発明の実施形態3に係るシールド掘進機の前部を示すものであって、図9は側面視の断面図、図10は平面視の断面図、図11は正面図である。実施形態3に係るシールド掘進機2は、本体部10と、本体部10の前方(図9において左側)に突出する支持アーム70と、支持アーム70に支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備するドラムカッタ80と、本体部10に設置され、回転力を発生すると共に該回転力をドラムカッタ80に伝達する回転機構40と、本体部10の下部に地盤改良剤を注入又は噴射する地盤改良剤送込手段60と、を備えている。
【0061】
本発明の実施形態3に係るシールド掘進機は実施形態2に係るそれを殆ど同じ構成であるので、その構成に起因して同じ効果を奏する。それ故、共通部分についての説明は省略する。ただし、地盤改良剤送込手段60の注入管61の設置位置、従って地盤改良剤の送り込み方が実施形態2の場合と異なる。すなわち、注入管61は、その先端が下段ドラムカッタ80aのかなり近くに設置されている。かかる地盤改良剤送込手段60の配置、より正確には地盤改良剤の送り込み位置により、下段ドラムカッタ80aにより掘削された地盤への地盤改良剤の単なる注入又は噴射に止まらず、掘削に伴う地盤との混合攪拌も可能になる。掘進要領、特に下段ドラムカッタ80aの動作のさせ方により混合攪拌の程度は変動するが、地盤改良剤の単なる注入又は噴射の場合と同様に、またはそれ以上の効果をもって、シールド掘進しながら所望の改良地盤を連続的に形成し、セグメント下部の地盤を改良することが可能になる。
【0062】
[実施形態4]
(シールド掘進機)
図12及び図13は、本発明の実施形態4に係るシールド掘進機の前部を示すものであって、図12は側面視の断面図、図13は正面図である。なお、実施形態2(図6〜図8)と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。また、実施形態1に準して、共通する部位についての「下段、中段、上段」及び「a、b、c」の添え字の記載を省略し、対称に配置された部位については、その一方について説明する。
【0063】
図12及び図13において、シールド掘進機3は、本体部10と、本体部10の前方(図12において左側)に突出する支持アーム70と、支持アーム70に支持され、掘進方向に直交する回転軸を具備する掘削手段(以下「ドラムカッタ」と称する)80と、本体部10に設置され、回転力を発生すると共に該回転力をドラムカッタ80に伝達する回転機構40と、本体部10の後方に向かって送り出す改良土充填手段90と、を有している。
【0064】
(ドラムカッタ)
シールド掘進機3におけるドラムカッタ80は、下段ドラムカッタ80aと中段ドラムカッタ80bと上段ドラムカッタ80cから構成されている。下段、中段及び上段のドラムカッタは、それぞれ同じ構造であって、両側に設置されたサイド小ドラムカッタ81、81及びサイド小ドラムカッタ82、82と中央に設置されたセンタ大ドラムカッタ83との合計5個のドラムカッタを有している。
【0065】
(改良土充填手段)
改良土充填手段90は、外型枠91と、妻枠板92と、圧入シリンダ94と、図示しない改良土供給手段とを有している。外型枠91は矩形状の断面をしており、同じく矩形状の断面をしたテールプレート17の内面側に水密的に設置されている。
外型枠91の前方にはテールプレート17の内面に沿ってある程度の間隔を保ちながら矩形状に配列するように複数のシールドジャッキ16が設置されている。本体部10の鉛直方向の下側においては、テールプレート17の内面から上下方向に所定の間隔をおいて(当該内面よりも所定距離だけ鉛直上方に)シールドジャッキ16が配置し、その間隔のところに、シールドジャッキ16との物理的干渉を避けた状態で圧入シリンダ94を配置している。
【0066】
上記のように配置する複数のシールドジャッキ16により、本体部10よりも小さな断面のセグメント、例えば本体部10よりも高さの低い筒状のセグメントであって、天面(略鉛直上方にある面)が本体部10のそれと略一致するものに反力をとって本体部10を前方に推進させる。すると、シールド掘進に伴い、断面矩形状のセグメント筒状体6は本体部10よりも上下方向が短く形成され、セグメント筒状体6の下面(図12において位置S(奥)と位置V(手前)とを結ぶ面;鉛直下方の外壁面に相当する)と外型枠91の下側部分(鉛直下方の側の型面に相当する)との間に所定の距離の隙間が形成されることになる。妻枠板92はかかる隙間に配置され、妻枠板92には圧入シリンダ94の圧入ピストン93が接続され、また、妻枠板92に設けられた図示しない貫通穴には、図示しない改良土供給手段の改良土供給管が設置されている。
【0067】
(掘進要領)
上記構成のシールド掘進機3を使用して、全てのドラムカッタ80により、本体部10と略同一形状の矩形状範囲(図13において位置A、位置B、位置C及び位置Dで囲まれた範囲に同じ)を掘削する。そして、該掘削範囲で後方に向かってセグメント筒状体6に反力を取りシールド掘進を行う際に、セグメント筒状体6の下面と外型枠91の下側部分との隙間において妻枠板92の後方に向けて改良土7を供給し、さらに、圧入ピストン93を伸ばして妻枠板92を後方に押し出すことにより、供給された改良土7を所定位置まで送り込み又は圧入し、その位置の隙間を当該改良土7により充填する。この圧入又は充填の作業を連続的に繰り返すことにより、セグメント筒状体6の下部に改良土7が配置されるので、前記隙間の範囲においてセグメント筒状体6の下部に改良地盤が形成されることになる。
かかる地盤改良は本体部10の下部を掘削することなく行われるので、本体部10は未掘削の地盤によって安定的に支持され、掘進方向が不安定になることがない。
【0068】
なお、シールド掘進の過程でセグメント筒状体6の下部を地盤改良する必要がない位置や範囲では、セグメント筒状体6の下面と外型枠91の下側部分との隙間において妻枠板92の後方に向けて掘削土(改良されていない土壌)を供給し、圧入ピストン93を伸ばして妻枠板92を後方に押し出すことにより、供給された掘削土を所定位置まで送り込み又は圧入し、その位置の隙間を当該掘削土により充填する。この意味から、図示しない改良土供給手段は、掘削土を供給することが可能であり、改良土7と掘削土とを選択的に切り替えて供給することが可能なもの(図示しない供給土切替手段を備えるもの)とする。
【0069】
なお、外型枠91の前端には防水シート95が設置され、圧入ピストン93を縮めた際、妻枠板92が防水シート95に水密的に当接するから、供給された改良土7や地下水等が本体部10に浸入することがない。また、圧縮された改良土7の下面にテールシール18が水密的に摺動するから、本体部10の水密性が維持されている。
【0070】
[実施形態5]
(シールド掘進方法)
図14は、本発明の実施形態5に係るシールド掘進方法を説明するフロー図である。なお、説明の便宜上、実施形態1のシールド掘進機1を用いた場合を例にして説明する。シールド掘進方法は後記ステップ1〜10を有している。
【0071】
ステップ1:筒状に形成された本体部10の前部を、本体部10と略同じ断面の範囲を掘削する。すなわち、下段ドラムカッタ30aと中段ドラムカッタ30bと上段ドラムカッタ30c(以下「ドラムカッタ30」と総称する場合がある)とによって、A−B−C−Dで囲まれた範囲(図3参照)を掘削し、後方でセグメント筒状体6に反力を取り、本体部10を前進させる(「通常断面掘削での掘進」、「S1」にて表示する)。
【0072】
ステップ2:通常断面掘削での掘進を継続し、やがて、下部地盤の改良を予定している地点に到達したところで、前進を停止する。すなわち、セグメント筒状体6から反力を受けない(「下部地盤改良地点到達」、「S2」にて表示する)。
【0073】
ステップ3:そこで、下段ドラムカッタ30aの幅を狭める。すなわち、拡縮用ジャッキ315を後退させてサイド寄りドラム314をセンタ寄りに近づける。このとき、ドラムカッタ30は回転を継続していても停止していてもよい(「下部ドラム左右縮幅」、「S3」にて表示する)。
【0074】
ステップ4:次に、幅が狭められた下段ドラムカッタ30aを回転しながら、下方に向けて傾ける。そうすると、本体部10の前部には、E−Hの幅(F−Gの幅に同じ、図3参照)が掘削される(「下部ドラム下げて、下部掘削」、「S4」にて表示する)。
【0075】
ステップ5:やがて、所定の深さ、すなわち、E−F−G−Hで囲まれた範囲(図3参照)が掘削されたところで、下段ドラムカッタ30aを上方に持ち上げ、通常断面掘削の掘進、すなわちステップ1の時の幅に戻す。(「下部ドラム上げて、原位置に戻す」、「S5」にて表示する)。
【0076】
ステップ6:そして、通常断面(A−B−C−Dで囲まれた範囲に同じ)を、ドラムカッタ30で掘削し、大ドラムカッタ31の半径程度、セグメント筒状体に反力を取り、本体部10を前進させる(「通常断面で掘削ドラム径の1/2程度掘進」、「S6」にて表示する)。
ステップ7:そして、所定の距離だけ本体部10が前進するまで、ステップ3〜6を繰り返す(「所要量掘削」、「S7」にて表示する)。
【0077】
ステップ8:本体部10の下部が所要量掘削されていると判断した後は、すなわち、掘削された地盤が地盤改良剤送込手段60の注入管61の位置に到達した後は、下部地盤を改良するために地盤改良剤を掘削された地盤中に送り込む(「既下部掘削部に改良剤送込、地盤改良」、「S8」にて表示する)。
【0078】
ステップ9:そして、所定の距離にわたって本体部10の下部に地盤改良剤が送り込まれるまで、ステップ3〜8を繰り返す(「下部改良完了」、「S9」にて表示する)。
【0079】
ステップ10:やがて、下部地盤の改良を予定している地点を通過したところで、通常断面掘削での掘進に戻る(「通常断面掘削での掘進」、「S10」にて表示する)。
【0080】
したがって、シールド掘進の過程で、シールド掘進機1の本体部10及びセグメント筒状体6の下部に掘削地盤や改良地盤が、しかもセグメント下部の任意の位置、距離に、形成される。あらかじめ掘削された地盤中に地盤改良剤が送り込まれるから、地盤改良剤の浸透が促進され均一は改良地盤が形成される。掘削坑を形成した後に坑内から杭の打設、土留、止水等の地盤改良を行う必要がなくなり、かかる作業を行うために必要な既設セグメントの破壊、取り外し等や未掘削の地盤中に地盤改良剤を浸透させるための加圧手段その他の機器・設備の設置も必要でなくなる。掘削坑を形成した後の地盤改良が必要であるとしても、事前に地盤を掘削しておけば事後の地盤改良の作業も容易になり、事前に改良地盤を形成しておけば、既設セグメントの破壊、取り外し等の際の危険や障害(例えば地山を坑内に露出させることにより坑内に向けて土砂や地下水が噴出するような事態)の発生が防止又は抑制される。
また、シールド掘進機1の本体部10の下部を掘削する幅(E−Hの幅)が本体部の幅(A−Dの幅)よりも狭いため、本体部10は未掘削の地盤に支持されるから、本体部10の姿勢は安定して掘進方向が変動することがない。また、形成されたセグメント筒状体6は改良地盤と未掘削の地盤との両方によって安定的に支持される。
なお、以上は実施形態1にシールド掘進機1を用いた場合を例に説明しているが、本発明はこれに限定するものではなく、前記ステップ1〜10を実行することができる掘進機であれば、その実施形態、型式等を限定するものではない。
【0081】
[実施形態6]
(シールド掘進方法)
図15は、本発明の実施形態6に係るシールド掘進方法を説明するフロー図である。なお、説明の便宜上、実施形態4のシールド掘進機3を用いた場合を例にして説明する。シールド掘進方法は後記ステップ11〜19(図15おいて「S11〜S19」にて示す中、を有している。
【0082】
ステップ11:筒状に形成された本体部10の前部を、本体部10と略同じ断面の範囲を掘削する。すなわち、下段ドラムカッタ80aと中段ドラムカッタ80bと上段ドラムカッタ80c(以下「ドラムカッタ80」と総称する場合がある)とによって、A−B−C−Dで囲まれた矩形範囲(図13参照)を掘削し、後方でセグメント筒状体6に反力を取り、本体部10を前進させる。
このとき、セグメント筒状体6はS−T−U−Vで囲まれた矩形(図12参照;図12において位置Tは奥、位置Uは手前)であって、テールプレート17の天面(本体部10の天面に同じ)に近接して配置されるため、セグメント筒状体6の下面(SとVを結ぶ面)と外型枠91の下側部分との間には隙間が形成されるから、同時に、該隙間に掘削土(改良されていない土壌)を供給して圧入又は充填する。すなわち、圧入ピストン93を伸ばして妻枠板92を押し出すことによって掘削土を該隙間に送り込み、そこで圧縮し、充填する。なお、本体部10に設置された改良土供給手段は、妻枠板92の後方に向けて改良土7または掘削土の一方を選択的に供給する供給土切替手段を備えたものとする。
【0083】
ステップ12:セグメントの1リング分だけ掘進して、本体部10が1リング分だけ前進したところで、セグメント筒状体6を組み立て、下部地盤改良開始点に到達するまで、ステップ11とステップ12を繰り返す。
【0084】
ステップ13:下部地盤改良開始点に到達したところで、前記掘削土の圧入・充填モードから改良土の圧入・充填モードに切り替える。すなわち、供給土切替手段を稼動させて供給対象を掘削土から改良土7に切り替え、改良土供給手段により、妻枠板92の後方に向けて改良土7を供給自在にする。
【0085】
ステップ14:本体部10の前部をステップ11と同様に掘削し、後方でセグメント筒状体6に反力を取り、本体部10を前進させる。そして、同時に、セグメント筒状体6の底面と外型枠91の下側部分との間に形成される隙間に改良土7を供給して圧入又は充填する。すなわち、圧入ピストン93を伸ばして妻枠板92を押し出すことによって改良土7を圧縮し、所定位置まで圧入し、その位置における隙間を当該改良土7により充填する。
【0086】
ステップ15:セグメントの1リング分だけ掘進して、本体部10が1リング分だけ前進したところで、セグメント筒状体6を組み立て、下部地盤改良終了点に到達するまで、ステップ14とステップ15を繰り返す。
【0087】
ステップ16:下部地盤改良終了点に到達したところで、前記改良土の圧入・充填モードから掘削土の圧入・充填モードに切り替える。すなわち、供給土切替手段を稼動させて供給対象を改良土7から掘削土に切り替え、改良土供給手段により、妻枠板92の後方に向けて掘削土を供給自在にする。
【0088】
ステップ17:ステップ11と同様に、シールド掘進と掘削土の充填を行う。
ステップ18:ステップ12と同様に、セグメント筒状体6を組み立て、掘進が終了するまで、ステップ17とステップ18を繰り返す。
【0089】
ステップ19:所定の区間の掘進が完了するまで、ステップ11ないしステップ18を繰り返す。すなわち、所定の掘進区間内に1または2以上の地盤改良区間がある場合、当該地盤改良区間ではセグメント筒状体6の下面と外型枠91の下側部分との隙間に改良土7が、当該地盤改良区間を除く範囲では改良土7の代わりに掘削土がそれぞれ送り込まれ、圧入され、充填される。
【0090】
したがって、シールド掘進の過程でセグメント筒状体6の下部に改良地盤が、しかもセグメント下部の任意の位置、距離に、形成される。例えば軟弱地盤が存在する特定区域ではセグメント下部に改良土を充填し、その他の区域では掘削土を充填することもできる。また、セグメント下部には改良土又は掘削土が充填されるので、本体部10は全掘進区間において安定的に地盤に支持され、掘進方向が不安定になることがない。
なお、前記掘削土は、ドラムカッタ80によって掘削された直後の掘削土であっても、所定の処理が施された処理土(強度向上等の特別の改良処理を施したものを除く)であってもよい。
また、予めセグメント下部の地盤を改良しておけば、掘削坑を形成した後に坑内から杭の打設、土留、止水等の地盤改良を行う必要がなくなり、それが必要であるとしても、事前の改良により事後の地盤改良の作業が容易になり、その作業に伴う危険や障害の発生が防止又は抑制される。
【産業上の利用可能性】
【0091】
以上のように本発明によれば、シールド掘進しながらセグメント下部の地盤を改良することができ、シールド掘進機の本体部の姿勢を適正に維持し、掘進方向を安定にし、形成されたセグメント、延いては掘削坑を安定にし、更には掘削坑形成後の地盤改良に係る作業の負荷を軽減し(場合によってはかかる事後作業を不要にし)、必要であるとしてもその作業に起因する危険や障害の発生を極力抑制できるシールド掘進方法及びシールド掘進機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0092】
【図1】本発明の実施形態1に係るシールド掘進機の前部を示す側面視の断面図。
【図2】本発明の実施形態1に係るシールド掘進機の前部を示す平面視の断面図。
【図3】本発明の実施形態1に係るシールド掘進機の前部を示す正面図。
【図4】シールド掘進機における下段サイド大ドラムカッタを模式的に示す斜視図。
【図5】シールド掘進機における下段サイド大ドラムカッタの拡縮機構の断面図。
【図6】本発明の実施形態2に係るシールド掘進機の前部を示す側面視の断面図。
【図7】本発明の実施形態2に係るシールド掘進機の前部を示す平面視の断面図。
【図8】本発明の実施形態2に係るシールド掘進機の前部を示す正面図。
【図9】本発明の実施形態3に係るシールド掘進機の前部を示す側面視の断面図。
【図10】本発明の実施形態3に係るシールド掘進機の前部を示す平面視の断面図。
【図11】本発明の実施形態3に係るシールド掘進機の前部を示す正面図。
【図12】本発明の実施形態4に係るシールド掘進機の前部を示す側面視の断面図。
【図13】本発明の実施形態4に係るシールド掘進機の前部を示す正面図。
【図14】本発明の実施形態5に係るシールド掘進方法を説明するフロー図。
【図15】本発明の実施形態6に係るシールド掘進方法を説明するフロー図。
【符号の説明】
【0093】
1 シールド掘進機
2 シールド掘進機
3 シールド掘進機
5 カッタビット
6 セグメント筒状体
7 改良土
10 本体部
11 スキンプレート
12 バルクヘッド
13 凹部
14 排土用開口部
15 スクリューコンベア
16 シールドジャッキ
17 テールプレート
18 テールシール
19 底面
20 支持アーム
21 サイド出力軸
22 センタ出力軸
23 センタ出力軸
24 軸受
25 入力軸
26 平行部
27 垂直部
29 延設部
30 ドラムカッタ
31 サイド大ドラムカッタ
32 センタ小ドラムカッタ
33 センタ小ドラムカッタ
40 回転機構
41 駆動モータ
42 傘歯車
43 傘歯車
44 軸受
46 歯車列
47 中間軸
49 分配機構
50 傾動手段
51 傾動用ジャッキ
52 傾動用ピストン
53 ブラケット
60 地盤改良剤送込手段
61 注入管
70 支持アーム
71 サイド出力軸
72 サイド出力軸
73 センタ出力軸
75 入力軸
76 平行部
79 延設部
80 ドラムカッタ
81 サイド小ドラムカッタ
82 サイド小ドラムカッタ
83 センタ大ドラムカッタ
90 改良土充填手段
91 外型枠
92 妻枠板
93 圧入ピストン
94 圧入シリンダ
95 防水シート
311 センタ寄りドラム
312 取り付け壁
313 切欠部
314 サイド寄りドラム
315 拡縮用ジャッキ
321 油圧ホース
322 回転継手
323 回転継手
324 油圧ホース
325 回転継手
326 回転継手
327 油圧ホース

【特許請求の範囲】
【請求項1】
筒状の本体部の前面を掘削し、前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とするシールド掘進方法。
【請求項2】
筒状の本体部の前面を掘削し、前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、前記本体部の前面の下部を掘削することにより前記本体部の下部に掘削地盤を形成し、前記掘削地盤に地盤改良剤を送り込むことで前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とするシールド掘進方法。
【請求項3】
前記本体部の前面の下部を掘削する幅が、前記本体部の前面の幅よりも狭いことを特徴とする請求項2記載のシールド掘進方法。
【請求項4】
筒状の本体部の前面を掘削し、前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進めるシールド掘進の過程において、前記本体部の底面と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填することにより前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とするシールド掘進方法。
【請求項5】
筒状に形成された本体部と、
前記本体部の前面を掘削する掘削手段と、
前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進める押出手段と、
前記本体部が前方に進む過程において前記セグメントの下部に改良地盤を形成する改良地盤形成手段と、
掘削した土砂を排出する排土手段と、を有することを特徴とするシールド掘進機。
【請求項6】
筒状に形成された本体部と、
前記本体部の前面を掘削する掘削手段と、
前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進める押出手段と、
掘削した土砂を排出する排土手段と、を有するシールド掘進機であって、
前記掘削手段は前記本体部の下部に溝条の掘削地盤を形成自在であることを特徴とするシールド掘進機。
【請求項7】
前記溝条の掘削地盤に地盤改良剤を送り込む地盤改良剤送込手段を有し、これにより、前記押出手段により前記本体部を前方に進める過程において前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とする請求項6記載のシールド掘進機。
【請求項8】
筒状に形成された本体部と、
前記本体部の前面を掘削する掘削手段と、
前記本体部の後方に配置する筒状のセグメントに反力を取り、前記本体部を前方に進める押出手段と、
掘削した土砂を排出する排土手段と、を有するシールド掘進機であって、
前記本体部の底面と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填する改良土充填手段を有し、これにより、前記押出手段により前記本体部を前方に進める過程において前記セグメントの下部に改良地盤を形成することを特徴とするシールド掘進機。
【請求項9】
前記本体部は、スキンプレートと該スキンプレートに延設されたテールプレートにより形成され、前記改良土充填手段は、前記テールプレートの内側に設置された外型枠と前記セグメントの底面との間に形成される隙間に改良土を充填することを特徴とする請求項8記載のシールド掘進機。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2007−113228(P2007−113228A)
【公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−304246(P2005−304246)
【出願日】平成17年10月19日(2005.10.19)
【出願人】(000004123)JFEエンジニアリング株式会社 (1,044)
【出願人】(000206211)大成建設株式会社 (1,602)
【Fターム(参考)】