地盤改良可能な掘進機及びそれを使用した地盤改良方法

【課題】シールド掘進機側から地盤を改良可能に出来るようにすることであり、シールド機周囲の圧力を一定に保ちながら、シールド機を環状に囲むように地盤を改良する。
【解決手段】前端に備えるカッターによって地盤を掘削して掘進する掘進機１は、カッターフェイス２と一体に回転可能なカッターリング３を外周端に備えている。カッターリング３の周面の少なくとも一か所に、掘進機１の軸方向と平行な軸を中心に回転可能であって、改良材、高圧エア、高圧水のいずれかを噴射可能な、噴射口８を有する噴射装置７を備えている。噴射装置７の噴射口８から高圧エア、高圧水、改良材などを下方から上方に流れるように噴出して地盤を改良する。地盤中の未攪拌の切削土砂やエアやスライムを、カッターリング３の排泥通過孔を通じ排出孔４から、若しくはエアやスライムを排出管１０を突出させて取り込む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘進に伴って地盤改良も可能な掘進機と、その掘進機を使用した地盤改良方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機によって地盤を掘削し、既設の地下構造物や立抗に到達したとき、地盤内の高い圧力の地下水が、シールド機が地盤から出る壁に形成した孔の周りから噴出しないように、地盤改良する必要があった。
この地盤改良は、例えば図１３及び図１４に示すように、地上からや、地上にスペースの確保が困難な場合は、立抗ａ側から地盤改良材ｂを注入したり、立抗ａ内のシールド機ｃを取り囲むように、流動化処理土ｄを充填して、地下水の噴出を防ぐものである。
地盤改良を立抗側や地上から行うことは、施工スペースや工程上、施工に対する大きな制約条件となっていた。
【０００３】
シールド掘進機側から周囲の地盤改良が可能な装置として、特開２０００−２２６９８３号公報に記載された技術が提案されている。
同技術は、シールド掘進機から改良材を高圧噴射可能にしたものであるが、同公報発明は、改良材のみを噴射する構造であって、高圧噴射によって生じた未攪拌の切削土砂や泥やスライムを回収する機構を備えていない。
改良材のみを高圧噴射しても、未攪拌の切削土砂やスライム、エア、水などが土中にあると、改良材が地盤の中に行き渡らせることを妨げ、正確な地盤改良を行うことは難しかった。
また、掘削に伴って生じた未攪拌の切削土砂やスライム、エアをシールド機内に取り込んで排出する場合には、地盤沈下が生じないようにするために、シールド掘進機の外側の圧力を一定に保ちながら、排出を行うことが重要となる。
【特許文献１】特開２０００−２２６９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする課題は、シールド掘進機側から地盤を改良可能に出来るようにすることであり、地盤沈下を避けるために、シールド機周囲の圧力を一定に保ちながら、シールド機を環状に囲むように地盤を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかるシールド掘進機は、前端に備えるカッターによって地盤を掘削して掘進する掘進機であって、
カッターと一緒に回転し、
当該カッター面盤の外周近傍の少なくとも一か所に、掘進機の軸方向と平行な軸を中心に回転可能であって、改良材、高圧エア又は高圧水、或いはそれらのうちの二つ以上を噴射可能な、単数若しくは複数個の噴射口を有する噴射装置を設け、
カッター面盤の外周近傍上部には、エアやスライムを排出可能な排出孔を設けるものである。
本発明にかかる他のシールド掘進機は、
カッター面盤の外周近傍が、カッターフェイスと一体に回転するカッターリング外周部であることを特徴とする。
本発明にかかる他のシールド掘進機は、
カッターリングは、複数個の排泥通過孔を有していることを特徴とする。
本発明にかかる他のシールド掘進機は、
噴射装置は、少なくとも二個を近接して取付け、
各噴射装置の噴射口から噴射した改良材、高圧エア、高圧水のいずれかが、交差可能となっていることを特徴とする。
本発明にかかる他のシールド掘進機は、
前端部のいずれかから、スライム又はエア、或いは双方を取り入れる排出管を斜め上方に出没可能に設けたことを特徴とする。
本発明にかかる他のシールド掘進機は、
外周方向に、単数若しくは複数個の遅延安定剤突出開閉孔を開口させたことを特徴とする。
本発明にかかる地盤改良方法は、
請求項１乃至６のいずれか１項にかかる掘進機を使用して地盤改良する方法であって、
カッターフェイスによって地盤を掘削するのに伴って、
噴射装置の噴射口から改良材、高圧エア、高圧水のいずれか、或いはそれらから二つ以上を選択的に、下方から上方に流れるように噴出して地盤を改良するとともに、
排出孔からエアやスライムを取り込んで排出する。
本発明にかかる他の地盤改良方法は、
噴射装置は、少なくとも二個を近接して取付け、
各噴射装置の噴射口から噴射した改良材、高圧エア、高圧水、或いはそれらのうちの二つ以上を噴き出し可能とし、
近接して設けた二個の噴射装置から噴射した改良材、高圧エア、若しくは高圧水を交差させ、
地盤の改良深さを制限することを特徴とする。
本発明にかかる他の地盤改良方法は、
掘削機の外周に設けた土圧計によって周辺土圧を検知して、土圧が必要圧よりも低くならないよう制御しながら、
適宜量の地盤内の未攪拌の切削土砂、スライムやエアを、排出孔や排出管を通して回収することを特徴とする。
本発明にかかる他の地盤改良方法は、
掘削機の外周方向には、単数若しくは複数子の遅延安定剤突出開閉孔を開口し、
掘進に伴って掘進機の周囲に遅延安定剤を注入し、掘進機周囲の摩擦を低減することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にかかるシールド掘進機或いはそれを使用した地盤改良方法は、以上の構成より成るため、次の効果のうち少なくともいずれか一つの効果を達成できる。
＜ａ＞シールド掘進機は、改良材、高圧エア、高圧水のいずれかを高圧噴射可能な単数若しくは複数個の噴射口を有する噴射装置を備えるため、改良材を高圧エア、高圧水のいずれかによってより良く地盤の中に行き渡らせることが可能となる。
また、切削効率を高めるため、改良材に合わせ高圧エアを下方から上方へ流れるように噴射すると、エアが上方に集まり、改良不備な地盤部分の発生や地盤の沈下が懸念されるので、ここに排出管を突出し、これからスライム、エアを排出し易くし、より改良不備な地盤部分の発生や地盤の沈下を防ぐ。
＜ｂ＞カッターリングの排泥通過孔を通じ、或いはカッターフェイス外周近傍上部に設けた排出孔から効率よく、未攪拌の切削土砂、エア、スライムを取り込むため、改良材が地盤中に良好に行き渡り、好適な地盤改良が可能となる。
＜ｃ＞噴射装置は、少なくとも二個を近接して取付け、各噴射装置の噴射口から噴射した改良材、高圧エア、高圧水のいずれかを、交差させてぶつけ合うことによって、改良する地盤の深さ（厚み）を制限して、正確な改良を行うことができる。
＜ｄ＞掘進機の前端近傍上部のいずれかには、スライム及びエアの排出管を上方に突出するため、高圧エア噴射によって生じたスライムやエアをシールド機内に取り込んで排出することによって、地盤に注入した改良材を、シールド機の上方の地盤まで均一に行き渡らせ、改良不良や地盤沈下が生じないようにする。
＜ｅ＞掘進機の外周方向に、単数若しくは複数個の遅延安定剤突出開閉孔を開口することにより、その開口から硬化遅延安定剤を掘進機の周囲に注入し、硬化を遅延させ、掘進機とその周囲の改良地盤とのフリクションを小さく抑えることができる。
＜ｆ＞噴射装置は、掘進機の軸方向と平行な軸を中心に回転可能であるため、噴出口を土砂とは反対側に向けることによって、噴出口の目づまりを防ぐことが出来る。
【実施例１】
【０００７】
以下、図に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。
＜１＞シールド掘進機
図において１はシールド掘進機であって、前端にビットを備えたカッターフェイス２が回転駆動に取付けられている。
カッターフェイス２の後方には、カッターフェイス２と一体に回転可能なカッターリング３が設けられている。
カッターフェイス２には、スライムとエアの排出孔４が複数個開口しており、その下にはスクリュー排出孔５が開口している。
カッターリング３には、複数個の排泥通過孔６と、噴射装置７を有している。
カッターリング排泥通過孔６とスクリュー排出孔５からシールド掘進機１内に導かれた泥は、掘進機１内のスクリューコンベア１２によって集められ、圧送ポンプ１３によって後方へ搬送される。
【０００８】
＜２＞噴射装置
噴射装置７は、シールド掘進機１の軸方向と平行な軸を中心に回転可能な柱状の装置であって、改良材や高圧エアや高圧水を噴射可能な噴射口８を複数個有している。
噴射装置７は、カッターフェイス２の外周端の近傍のいずれかに設けるが、実施例では、カッター面盤の一部であるカッターフェイス２と一体に回転するカッターリング３の周面に孔９を開口し、その内側に設けてある。
噴射装置７は、二つが近接して設置され、カッターリング３に開口された孔９から、外側へ向かって改良材などを噴射可能である。
以上のような二つづつ近接して配された噴射装置７が、カッターリング３の周面に適宜間隔づつ離れて開口された三つの孔９に配されている。
【０００９】
＜３＞排出管
シールド掘進機１の上部から、エアやスライムを導き入れ、排出するため排出管１０が斜め前方に向って出没可能となっている。
排出管１０は、シールド掘進機１内から外側へ出没可能となっており、シールド掘進機１の前進のときは、シールド掘進機１内へ収納する。
【００１０】
＜４＞土圧計
シールド掘進機１のカッターフェイス２側や外周には、土圧計１１が複数個設置され、掘進機１の外側の土圧を計測可能となっている。
【００１１】
＜５＞遅延安定剤突出開閉孔
シールド掘進機１の外周のいずれかには、遅延安定剤を注入可能な開閉可能な孔１４が複数設けられている。
【００１２】
以下、以上の掘進機１を用いて、既設構造物へのシールド掘進機１の到達と、トンネル連結工事の施工手順を説明する。
＜６＞掘進
カッターフェイス２を回転して、地盤を掘削しながら掘進する。
掘削時の排泥は、主としてカッターフェイス２の開口を通じ、スクリュー排出孔５からシールド掘進機１の中に取り込まれ、排出される。
【００１３】
＜７＞噴射改良及び掘進
噴射装置７から改良材Ｐ、高圧エア、高圧水のいずれか、或いはそれらの中から二つ以上を選択して、シールド掘進機１の外周方向へ噴射する。
噴出の圧力は、４０ＭPa程度である。
改良材としては、セメントグラウト材、若しくはこれに高分子系の水中不分離性混和剤を添加したものが使用できる。
高圧エア、高圧水を改良材Ｐに合わせて噴射する場合は、噴射装置７のいずれかを、カッターリング３の一番下に位置させてこれらを噴射する。（図５）
それとともに、カッターリング３を回転し、噴射装置７が下から上へ向かって高圧エア、高圧水、改良材Ｐを噴射するようにする。
このとき、噴射装置７を回転して、噴射口がカッターリング３の回転する方向へ向けて傾けておく。
つまりは、カッターリング３の回転によって噴射装置７が下から上に向って移動するとき、噴射した高圧エア、高圧水、改良材Ｐを下から上に向って噴き上げ、噴射したエアなどを下から上へ押し上げるようにする。（図６）
噴射装置７が上部近くまで回転した後、一旦噴射改良を停止し、カッターリング３を反対方向へ回転して再び噴射装置７が最も下となる位置まで戻す。
この状態で更に逆方向へ回転して、噴射装置７から高圧エア、高圧水、改良材Ｐを噴射して下から上に向って噴き上げる。（図７）
このときも、噴射装置７を回転して、噴射口がカッターリング３の回転する方向へ向けて開口するよう傾けておく。
カッターリング３の回転によって噴射装置７が下から上に向って移動するとき、噴射したエアや改良材を下から上に向って噴き上げ、噴射したエアなどを下から上へ押し上げるようにする。（図８）
噴射改良、掘進を１リング分毎に実施すると、掘進機１外周が流動性過多となり、通常の掘進に比べ掘進機１が不安定となる。
これに対処するため、フィッシュテールを通常より長くし、噴射改良時は推進ジャッキを少し伸長し、切羽に押し付けることによって軸方向のブレの最小化を図る。
【００１４】
＜８＞改良厚さの制限
記述したように、噴射装置７は二つを近接して配置してある。
噴射装置７を回転して、噴射した高圧水、改良材Ｐなどが、互いに交差するように噴射させる。（図４）
このことにより、交差部でぶつかった高圧水や改良材Ｐの勢いが衰え、シールド掘進機１からどの程度離隔した深さまで改良するか調整する。
ここで、高圧エアを用いると、切削効率が向上する利便性があるが、上方にこれが滞留することで、改良不良や地盤沈下の懸念が発生する。
そこで、スライム及びエアの排出管１０を突出し、高圧エア噴射によって生じたスライムやエアをシールド掘進機１内に取り込んで排出し、地盤に注入した改良材Ｐを、シールド掘進機１の上方の地盤まで均一に行き渡らせ、改良不良や地盤沈下が生じないようにする。
つまりは、改良材によって、どの程度の厚みの改良地盤１６がシールド掘進機１の外周に出来るか制限する。
【００１５】
＜９＞遅延剤の注入
シールド掘進機１の遅延安定剤突出開閉孔１４を通じて、遅延安定剤をシールド掘進機１外周へ注入し、改良材の硬化を遅延させ、シールド掘進機１の進行時に改良材との間に大きなフリクションが生じないようにする。
【００１６】
＜１０＞固化剤の滞留
チャンバー内に噴射された固化剤（改良材）が滞留していると、チャンバー自体やスクリューコンベア１２が閉塞する危険がある。
これに対処するため、噴射改良時は、チャンバー内をマヨネーズ状の遅延剤が添加された固化しない塑性流動体で充満し、常にこれを加圧充填しておく。
この塑性流動体は、ケイ酸もしくはポリアクリルアミド系凝集剤とベントナイトスラリーとの混練物に、セメント凝結遅延剤を添加したものでもよい。
また、チャンバー内に、固化剤の洗浄機構を具備してもよい。
【００１７】
＜１１＞排出管よりのエアの取り込み
シールド掘進機１が噴射改良、掘進ののち、地下構造物１５外壁に到達した後、シールド掘進機１内から排出管１０を上部斜め前方へ突出させ、地盤の上方に溜まったエアやスライムを、排出管１０を通じてシールド掘進機１内に取り込む。
さらに噴射改良を行い、エアやスライムを排出すれば、その分改良材Ｐが回り込み、シールド掘進機１をリング状に囲む改良地盤１６が、地下構造物１５外壁に沿って形成される。（図１０）
【００１８】
＜１２＞地下構造物との連結
地下構造物１５の外壁を解体し、トンネル１７と地下構造物１５とを連結する。（図１１）
カッターフェイス２を取外し、トンネル１７内周に二次覆工１８を施工する。（図１２）
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明にかかるシールド掘進機の縦断面図
【図２】カッターフェイスの正面図
【図３】噴射装置の側面図
【図４】二つを近接して配置した噴射装置の正面図
【図５】噴射装置から改良材等の噴射状態の正面図
【図６】噴射装置から改良材等の噴射状態の正面図
【図７】噴射装置から改良材等の噴射状態の正面図
【図８】噴射装置から改良材等の噴射状態の正面図
【図９】地下構造物へ向かっての掘進状態を示す断面図
【図１０】地下構造物へ到達した状態での地盤改良の断面図
【図１１】地下構造物外壁を解体した状態の断面図
【図１２】地下構造物とトンネルを連結した状態の断面図
【図１３】連壁の断面図
【図１４】従来の流動化処理土を使用した掘進機の収容状態を示す断面図
【符号の説明】
【００２０】
Ｐ：改良材
１：シールド掘進機
２：カッターフェイス
３：カッターリング
４：排出孔
５：スクリュー排泥孔
６：排泥通過孔
７：噴射装置
８：噴出口
９：孔
１０：排出管
１１：土圧計
１２：スクリューコンベア
１３：圧送ポンプ
１４：遅延安定剤突出開閉孔
１５：地下構造物
１６：改良地盤
１７：トンネル
１８：二次覆工

【特許請求の範囲】
【請求項１】
前端に備えるカッターによって地盤を掘削して掘進する掘進機であって、
カッターと一緒に回転し、
当該カッター面盤の外周近傍の少なくとも一か所に、掘進機の軸方向と平行な軸を中心に回転可能であって、改良材、高圧エア又は高圧水、或いはそれらのうちの二つ以上を噴射可能な、単数若しくは複数個の噴射口を有する噴射装置を設け、
カッター面盤の外周近傍上部には、エアやスライムを排出可能な排出孔を設けた、
地盤改良可能な掘進機。
【請求項２】
カッター面盤の外周近傍が、カッターフェイスと一体に回転するカッターリング外周部であることを特徴とする
請求項１記載の地盤改良可能な掘進機。
【請求項３】
カッターリングは、複数個の排泥通過孔を有していることを特徴とする
請求項２記載の地盤改良可能な掘進機
【請求項４】
噴射装置は、少なくとも二個を近接して取付け、
各噴射装置の噴射口から噴射した改良材、高圧エア、高圧水のいずれかが、交差可能となっていることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の地盤改良可能な掘進機。
【請求項５】
前端部のいずれかから、スライム又はエア、或いは双方を取り入れる排出管を斜め上方に出没可能に設けたことを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の地盤改良可能な掘進機。
【請求項６】
外周方向に、単数若しくは複数個の遅延安定剤突出開閉孔を開口させたことを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の地盤改良可能な掘進機。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項にかかる掘進機を使用して地盤改良する方法であって、
カッターフェイスによって地盤を掘削するのに伴って、
噴射装置の噴射口から改良材、高圧エア、高圧水のいずれか、或いはそれらから二つ以上を選択的に、下方から上方に流れるように噴出して地盤を改良するとともに、
排出孔からエアやスライムを取り込んで排出する、
地盤改良方法。
【請求項８】
噴射装置は、少なくとも二個を近接して取付け、
各噴射装置の噴射口から噴射した改良材、高圧エア、高圧水、或いはそれらのうちの二つ以上を噴き出し可能とし、
近接して設けた二個の噴射装置から噴射した改良材、高圧エア、若しくは高圧水を交差させ、
地盤の改良深さを制限することを特徴とする
請求項７記載の地盤改良方法。
【請求項９】
掘削機の外周に設けた土圧計によって周辺土圧を検知して、土圧が必要圧よりも低くならないよう制御しながら、
適宜量の地盤内の未攪拌の切削土砂、スライムやエアを、排出孔や排出管を通して回収することを特徴とする
請求項７又は８記載の地盤改良方法。
【請求項１０】
掘削機の外周方向には、単数若しくは複数個の遅延安定剤突出開閉孔を開口し、
掘進に伴って掘進機の周囲に遅延安定剤を注入し、掘進機周囲の摩擦を低減することを特徴とする
請求項７乃至９のいずれか１項に記載の地盤改良方法。

【図１】