拡大シールド装置
【目的】地盤条件に限定されることなく円滑な掘進が可能で、且つ施工の自由度が高い、開放型の拡大シールド装置を提供する。
【構成】その前面に、除去すべき既設の覆工３ａの径Ｌ３より大なる径Ｌ４をなす開放部５ｓを形成した外殻５の内周に沿って、覆工３ａの周囲の地盤２を掘削する地盤掘削手段１２を回転駆動自在な形で輪状に設け、地盤掘削手段１２に、インペラープレート１７Ｐに列状に装着された形の複数の刃１７Ａ（１７Ｂ）を支持する刃支持面１６ａを、前側から後側に向けて縮径する形で設ける。地盤２の掘削ズリは開放部５ｓから、刃支持面１６ａと覆工３ａの外周が形成するズリ出し空間３３を介して外殻５内に搬送集積される。
【構成】その前面に、除去すべき既設の覆工３ａの径Ｌ３より大なる径Ｌ４をなす開放部５ｓを形成した外殻５の内周に沿って、覆工３ａの周囲の地盤２を掘削する地盤掘削手段１２を回転駆動自在な形で輪状に設け、地盤掘削手段１２に、インペラープレート１７Ｐに列状に装着された形の複数の刃１７Ａ（１７Ｂ）を支持する刃支持面１６ａを、前側から後側に向けて縮径する形で設ける。地盤２の掘削ズリは開放部５ｓから、刃支持面１６ａと覆工３ａの外周が形成するズリ出し空間３３を介して外殻５内に搬送集積される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、老朽化した既設管渠を新設管渠に拡大敷設替えするに用いるに好適な、拡大シールド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、老朽化したり、或いは機能不足に陥った既設管渠を改修、即ちこれを新設管渠に更新する際には、地上から土留め用杭を用いて撤去、新設作業を行う開削工法や、或いは既設管渠より一回り大きな断面のシールド機をその周囲を取り囲む形で推進させて、該シールド機内で既設管渠の解体撤去作業と、既設のものよりサイズアップした新設セグメントの建て込み作業を行うシールド工法等により、拡大敷設替えする方法がある。このうち、開削工法は公知のように道路事情、周辺環境を悪化させるために、こういった地上環境に影響を与えたくない地域においてはシールド工法の採用が多く望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、シールド工法には掘削すべき地盤の性状に応じて、密閉型、開放型等の各種の拡大シールド装置が用いられるが、密閉型シールドは、他の埋設物との離隔や土被りが小さい場合には切羽の圧力管理が難しく、またカッタビットの切削効率が全体作業の能率を左右するために、極めて緻密な施工計画及び管理が必要とされる、という施工上の問題点を抱えている。しかも、回転式の掘削機構を用いて、既設管渠周囲の地盤を拡大更新される新設管渠の径に合わせて環状に掘り抜く形で掘削するために、該既設管渠周囲の環状部分にここを密閉する形でシールド隔壁を設けなければならず、その装置構成が複雑になると共に、既設管渠の外径が大小していると密閉すべき環状部分の間隙幅が大小してしまうので、このような場合には、隔壁部分の密閉性の維持が難しくこれに対応することが出来ないために、施工の自由度が低い、という難点がある。一方、開放型シールドは施工の自由度が高く、任意の掘削機を選択的に用いることが出来る反面で、例えば既設管渠が開削工法で敷設されてその周りに埋め戻し土が用いられていたり或いは地下水が多い場合には地盤が軟弱になっているのでこれを緩ませて地盤沈下を引き起こす危険性が有り、これに反して、既設管渠周りに薬液注入が施されている場合には地盤が硬化してシールドスキンプレートの貫入抵抗があまりにも大になってしまうために、このような開放型シールドを適用可能な地盤条件は極めて限定されているという不都合がある。そこで本発明は、上記事情に鑑み、地盤条件に限定されることなく円滑な掘進が可能で、且つ施工の自由度が高い、開放型の拡大シールド装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、地盤（２）中を推進自在な殻体（５）を有し、前記殻体（５）の推進方向前面側に、除去すべき既設管（３ａ）の径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部（５ｓ）を形成し、前記殻体（５）の開放部（５ｓ）に、前記既設管（３ａ）の周囲の地盤（２）を掘削する地盤掘削手段（１２）を、該殻体（５）の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段（１２）に複数の掘削ビット（１７Ａ）、（１７Ｂ）が装着された掘削面（１６ａ）を、前記殻体（５）の前側から後側に向けて縮径する形で形成して、構成される。なお、（ ）内の番号等は、図面における対応する要素を示す、便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。以下の作用の欄についても同様である。
【０００５】
【作用】上記した構成により、本発明は、シールド掘進に際し掘削ビット（１７Ａ）、（１７Ｂ）が地盤（２）を掘削することにより生じた掘削ズリは、地盤掘削手段（１２）がその回転動作とシールド前進動作により、掘削面（１６ａ）を介して開放部（５ｓ）の前側から後側に搬送するように作用する。
【０００６】
【実施例】図１は本発明による拡大シールド装置の一実施例を示す側面図、図２は図１に示す拡大シールド装置のII、II矢視図、図３は図１に示す拡大シールド装置のIII、III矢視図、図４は図１に示す拡大シールド装置のIV、IV矢視図、図５は本発明による拡大シールド装置における地盤掘削手段のカッタ刃の回転動作を示す正面図、図６乃至図８は図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図、図９は図５に示す地盤掘削手段のカッタ刃による地盤掘削状態を示す斜視図である。
【０００７】拡大シールド装置であるシールド装置１は、図１に示すように、所定の外径Ｌ１をなす形で全体形状円筒形に形成されたスキンプレート、即ち外殻５を有しており、外殻５は、地盤２の地表面２ａから所定の深さＰ１をなしその伸延方向を図１矢印Ａ、Ｂ方向に向けた形で埋設供用されていて除去すべき既設管である下水本管等の横断面形状円形をなす既設管路３のうち、既に撤去更新された部分を除く図１矢印Ｂ方向端部において、該既設管路３を形成している鉄筋コンクリート等からなり外径Ｌ３をなす円筒状の覆工３ａを、該外殻５の前端部であるフード部５３が包囲する形で配設されている。一方、外殻５の後側である図１矢印Ｂ方向側には、新設管路３を拡大敷設替えした形の横断面形状円形をなす新設管路３０が、例えば鉄筋コンクリート、或いはスチール等からなるセグメント３１を、該セグメント３１を構成している各々のセグメントピースを１リングの幅Ｌ２をなす形で円筒状にジョイントして、これを地盤２中に埋設させることにより、既に敷設更新されており、セグメント３１の前端部３１ａは、シールド装置１の外殻５内に、１乃至２リング分（図１においては１リング分強）入り込み配置した形になっている。セグメント３１の外周と外殻５の内周との間にはテールシール５１が、該外殻５の後端部である矢印Ｂ方向側端部において、両者３１、５間の間隙をシールする形で設けられており、また、外殻５内の後部には、セグメント３１を組立て建て込みするためのリンク式のエレクタ１０が設けられている。
【０００８】エレクタ１０は、図２に示すように、外殻５の内周との間に所定の間隙Ｌ６をなす形で板輪状に形成されたガイドリング１０ｃを有しており、ガイドリング１０ｃは、外殻５の内周に装着された複数のガイドローラ１０ｄを介して、該外殻５に対してシールド内周方向である矢印Ｇ、Ｈ方向に回転自在な形でこれに支持されている。ガイドリング１０ｃには、セグメントピースを把持し得る把持部１０ｂが、該ガイドリング１０ｃを介してシールド内周方向に回転自在で且つ放射方向である矢印Ｉ、Ｊ方向に突出後退自在な形で（即ち各セグメントピースを移動位置決め自在な形で）支持されており、また、ガイドリング１０ｃの図１矢印Ｂ方向側に示す後方側には、矢印Ａ、Ｂ方向に伸延する梁状部材である組立作業台１０ａが、図示されない新設管路３０の矢印Ｂ方側から適宜な搬送手段を介して搬送される、セグメント３１を構成しているセグメントピースを適宜に向き替えして把持部１０ｂに受け渡し自在な形で、ガーダー部５２を介して外殻５に支持装着されている。
【０００９】エレクタ１０の前方である図１左方には、シールド装置１の外殻５をその推進方向である矢印Ａ方向側に向けて地盤２中に推進させ得る推進ジャッキ１１が、図３に示すように、該外殻５の内周に沿ってここに複数装着固定されており、推進ジャッキ１１の後側である図１矢印Ｂ方向側には、該ジャッキ１１のラム１１ａが、セグメント３１の前端部３１ａに推進反力を求めて、矢印Ａ、Ｂ方向に突出後退駆動自在な形で、図２に示すように、外殻５の内周に沿って矢印Ｇ、Ｈ方向に並んで配設されている。エレクタ１０の図１上方にはスクリュコンベヤ９が、除去されるべき覆工３ａのガラと、拡大掘削されるべき覆工３ａの周囲の地盤２のズリを、外殻５のガーダー部５２より後方側である矢印Ｂ方向側に搬送し得る形で設けられており、スクリュコンベヤ９には採土口９ａが、前方側である図１矢印Ａ方向側に開口する形で設けられている。
【００１０】ところで、シールド装置１には、図１に示すように、その外殻５の前端部であるフード部５３が既に述べたように既設管路３の覆工３ａ後端部を包囲する形で円筒状に形成されているところから、該外殻５の前面側である矢印Ａ方向側に、該覆工３ａの外径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部５ｓが形成されており、外殻５の開放部５ｓには覆工３ａ周囲の地盤２を掘削するためのインペラーカッタ式の地盤掘削手段１２が、その回転本体１５の最小内径部分が前記既設管路３の未だ解体撤去されていない覆工３ａの後端部である矢印Ｂ方向側端部近傍において該覆工３ａ外周との間に所定幅のズリ出し空間３３を環状に形成し、該外殻５の内周の全周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設けられている。即ち、地盤掘削手段１２は、図１及び図４に示すように、開放部５ｓの径Ｌ４より若干だけ小さな外径をなし且つ除去すべき覆工３ａの外径Ｌ３より若干大きな内径Ｌ５をなす形の輪状に形成された回転本体１５を有しており、回転本体１５は駆動モータ１３を介してその全体が図１ＣＴ１で示すシールド軸心を回転中心として図４矢印Ｍ又はＮ方向に回転駆動自在な形で、開放部５ｓにおいて外殻５の前端部を構成しているフード部５３の内周に沿って配設されている。回転本体１５は複数のカッタユニット１６が、該本体１５として一体に回転自在な形で連結されて構成されており、実施例においては図２に示すように、８片のカッタユニット１６が周方向である図４矢印Ｇ、Ｈ方向に沿って相互に連結される形で組み合わせられることにより、地盤掘削手段１２が輪状に形成されている。
【００１１】地盤掘削手段１２の回転本体１５を構成している複数のカッタユニット１６のそれぞれには、該掘削手段１２の掘削面である刃支持面１６ａが、図１に示すように、外殻５のフード部５３の前側から後側に向けて縮径する形をなすよう設けられており、各々の刃支持面１６ａには、図４に示すように、該刃支持面１６ａと交差方向にリブ状をなす形の一対のインペラープレート１７Ｐ、１７Ｐが、それぞれ円弧を描きつつ互いに対向する形で、該支持面１６ａに対して突出後退自在に設けられている。インペラープレート１７Ｐ、１７Ｐには、それぞれが地盤を掘削し得る形でその刃先を放射方向内側の前方に向けた、図４実線で示す正回転用の刃１７Ａと、図４点線で示す逆回転用の刃１７Ｂが、複数並列して、各複数の刃１７Ａ、１７Ｂ列毎に該プレート１７Ｐの突出後退動作により刃支持面１６ａに対して突出後退駆動自在な形で装着支持されている。地盤掘削手段１２の刃１７Ａ、１７Ｂは、回転本体１５が矢印Ｎ又はＭのいずれかの方向に示す正回転動作を行うとき、正回転用の刃１７Ａがこれが装着されたインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａに対して突出状態を呈すると共に、これと連動して逆回転用の刃１７Ｂがこれが装着されたインペラープレート１７Ｐと共に後退状態を呈し、また、回転本体１５が逆回転動作を行うとき、逆回転用の刃１７Ｂが刃支持面１６ａに対して突出状態を呈すると共にこれと連動して正回転用の刃１７Ａが後退状態を呈するように、駆動制御されている。従って、地盤掘削手段１２は、各カッタユニット１６において複数の刃１７Ａ、１７Ｂのいずれかが、該刃１７Ａ又は１７Ｂを支持するインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａのそれぞれから突出して、図５に示すように、フード部５３の内周側に近いその最外方側から放射方向内側に向けて円弧をなす形で並列配置することにより、回転本体１５の回転時に、該回転動作により掘削される地盤２の掘削ズリを、開放部５ｓにおいて覆工３ａと該回転本体１５内周との間に形成配置されるズリ出し空間３３を経由させる形で、外殻５内の後側である図１矢印Ｂ方向側に渦巻状に搬送し得るようになっている。
【００１２】一方、シールド装置１の外殻５の前方である図１矢印Ａ方向側には、覆工３ａを切断するためのコンクリートカッタ６が、既設管路３の後端即ち矢印Ｂ端部における覆工３ａ上にここを走行可能な形で配置されており、コンクリートカッタ６には、該覆工３ａの全周を既設管路３の周長方向に沿って切断し得る鋸刃６ａと軸方向に沿って切断し得る鋸刃６ｂが、それぞれ周長方向（図２矢印Ｇ、Ｈ方向）に移動自在で且つ放射方向（矢印Ｉ、Ｊ方向）に突出後退自在な形で、回転駆動自在に設けられている。コンクリートカッタ６の前方である矢印Ａ方には、地盤改良機７が、図１左右一対に示すそのグリッパ７ｂ、７ｂを介して該改良機７の支持本体であるビーム７ａ部分が覆工３ａの内周に支持され得る形で、該覆工３ａの内底部分にここを走行自在に配設されており、地盤改良機７には薬注ガン７ｃが、該ガン７ｃに接続されるパイプ１９等を介して地盤２中にこれを改良強化するための薬材を供給注入し得る形で設けられている。
【００１３】シールド装置１は、以上のような構成を有しているので、該シールド装置１を用いて既設管路３の改修を行うには、該既設管路３の通水切替、ヘドロ処理、管内洗浄、枝管撤去等と、該管路３の上方における地表面２ａ部分の陥没対策として路面仮覆工を行う等の事前処理を施して後、適宜な発進立坑からシールド装置１を発進させる。そして、図１に示すように、その外殻５を未だ解体除去されていない既設管路３の後端部からその後側にかけて覆工３ａの外方を包囲する形にしてシールド装置１を配置させ、外殻５内部におけるその前半分である矢印Ａ方向側において覆工３ａの解体除去作業を行い、一方外殻５内部の後半分では、新設管路３０を形成するためのセグメント３１を建て込む作業を行いながら、該装置１を図１矢印Ａ方向側に推進させて、既設管路３をこれより一回り大きな新設管路３０に更新していく。
【００１４】シールド推進に際しては、まず図６に示すように、地盤改良機７のビーム７ａを、グリッパ７ｂ、７ｂを介して既設管路３の覆工３ａに支持させた状態にしておいて、薬注ガン７ｃに薬注用のパイプ１９を接続し、該パイプ１９が所定の長さになるまで（即ち地盤改良すべき地盤２の深さに対応した長さ分だけ）適宜継ぎ足し延長させつつ、地盤２中に貫入させる。そして、地盤２を改良安定化させるに適した公知の地盤改良用薬液を、薬注用のパイプ１９を引き戻しつつ、図示しない注入用ポンプフィーダ等から薬注ガン７ｃを介して地盤２中に圧送注入する。すると、シールド装置１の前方側である矢印Ａ方側に配置している外殻５の前端部より先行する部分の地盤２は、既設管路３の覆工３ａの放射方向外側を包囲する部分の地盤２が地下水も含めて薬液により固められて所定の地盤強度をなす形で、その改良安定化が図られる。従って、シールド装置１の外殻５は常に、その推進に先立ち、改良安定化が図られて該外殻５内への土砂流入が防止された形の地盤２中を推進していく形になる。
【００１５】こうして地盤改良用薬液の注入完了により、外殻５より先行する地盤２を補強して地盤２の改良安定化を図る一方で、図６に示すように、既設管路３の未だ解体除去されていない覆工３ａを、その後端部である矢印Ｂ方向側端部からシールド装置１の１推進ピッチに対応した距離分だけ前方位置において、コンクリートカッタ６の鋸刃６ａを放射方向外側である矢印Ｊ方向側に突出させた状態で全周方向に亙って回転駆動させる形で、周方向に切断する。なお、こうしてコンクリートカッタ６の鋸刃６ａにより周方向に切断されて所定長さの環状になった覆工３ａの後端部は、該覆工３ａの外周囲の地盤２に未だ定着支持されていることにより、単に鋸刃６ａと対応する切断位置において分割された形で環状をなすまま、ここに残留配置している。
【００１６】こうしておいて、次に図７に示すように地盤改良機７を既設管路３の前方側である矢印Ａ方向側に前進させる形で、覆工３ａのうち次の工程で解体除去される後端部分上から退避させる。そして、推進ジャッキ１１のラム１１ａを介して既に建て込み覆工されて地盤２に定着支持されている形の新設のセグメント３１の前端部３１ａに推進反力を求める形で、シールド装置１の外殻５を矢印Ａ方向に向けて所定距離、即ち例えば新設されるセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する形の推進ジャッキ１１のストローク分だけ推進させる。この際、これと同時に、既に建て込み定着された新設管路３０のセグメント３１の前端部３１ａに推進ジャッキ１１のラム１１ａを当接させた状態において、推進補助手段１２を、駆動モータ１３を介して回転本体１５を外殻５のフード部５３に対して、その開放部５ｓにおいてシールド軸心ＣＴ１を回転中心として該回転本体１５の正回転方向である例えば矢印Ｍ方向（又はＮ方向）に回転させる形で駆動させる。すると、既に地盤改良用薬液により改良安定化が図られて所定の強度に到達している地盤２は、複数のカッタユニット１６の回転刃１７Ａの回転動作と外殻５の推進距離に対応した形で、筒状に掘削される。
【００１７】即ち、地盤掘削手段１２の正回転動作時には、図５に示すように、各カッタユニット１６の刃１７Ａ、１７Ｂのうち正回転用の刃１７Ａのみが刃支持面１６ａに対して突出配置し、逆回転用の刃１７Ｂは後退配置するように（図５においては省略）、これを駆動制御する。すると、推進ジャッキ１１により矢印Ａ方向に押されつつ、例えば矢印Ｍ方向に示す正回転方向に回転する回転本体１５は、図９に示すように、各カッタユニット１６毎に列をなす複数の刃１７Ａがスクリュ状に旋回する形で、該刃１７Ａが当接する範囲の地盤２を掘削する。そして、掘削されてズリとなった地盤２は、回転本体１５の回転及び移動動作により、インペラープレート１７Ｐとここに列状に装着された複数の刃１７Ａにより渦巻状に押されて、刃支持面１６ａと既設の覆工３ａの外周との間の間隙であるズリ出し空間３３を順に送られる形で、即ち刃支持面１６ａ部分の外周１６ｂ側から内周１６ｃ側に向けて押圧搬送されて、開放部５ｓの前側から後側へ向けて搬送される。こうして、開放部５ｓの前側から後側に向けて渦巻状に押圧搬送される地盤２の掘削ズリは、該開放部５ｓからズリ出し空間３３を介して外殻５内の地盤掘削手段１２の後側に円滑に送られる。そして地盤掘削手段１２の後側に搬送された地盤２の掘削ズリは、該地盤掘削手段１２の掘進及びズリ搬送動作とその自重により、外殻５内の底部近傍に一旦集積貯留される形になる。そこでスクリュコンベヤ９を駆動させれば、これにより、その採土口９ａを介して、シールド装置１の外殻５内よりさらに後方側である、既に建て込み構築された新設管路３０中に掘削ズリを効率的に搬出することが出来る。
【００１８】こうして、覆工３ａ周囲の地盤２は、開放部５ｓの径Ｌ４より若干小さな外径をなし且つ除去すべき覆工３ａの外径Ｌ３より若干大きな内径Ｌ５をなす形の輪状に形成された地盤掘削手段１２の、回転本体１５の各刃支持面１６ａに装着された複数の刃１７Ａ及びインペラープレート１７Ｐの回転及び推進ジャッキ１１を介しての移動動作により筒状に掘削されて、当該掘削ズリが順次外殻５内における地盤掘削手段１２の後側に搬送される形で、既設管路３ａが、外殻５の推進距離分だけ径略Ｌ４をなすように拡径掘削される。そして、これにより、外殻５全体がその内部の装置と共に、図７矢印で示すように前進し、即ちシールド装置１は、その地盤掘削手段１２を介して、新設されるセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する形の推進ジャッキ１１のストローク分だけ、地盤２を矢印Ａ方向に向けて円滑に掘進する。すると、シールド装置１は、図７に示すように、その外殻５の前方側である矢印Ａ方向側から該外殻５内部に、未だ解体除去されていない既設の覆工３ａの後端部を所定の距離分だけ飲込み配置させた形になり、これにより、以下に述べるように覆工３ａの後端部を解体する際の解体及び除去作業の安全が確保される。従って、こうしてシールド装置１が１ピッチ分推進する際に、地盤２を新設管路３０の径に対応させた形で拡大掘削し、当該掘削により形成される土砂を外殻５内部において集積搬送し、外殻５を地盤２中に貫入推進させる動作を、地盤掘削手段１２の回転本体１５の回転及び推進ジャッキ１１を介しての移動による一連の動作で、同時に効率良く行うことが出来ると共に、これに引き続き行われる既設の覆工３ａの解体作業に関る作業空間の支保も同時に図られる。また、シールド装置１は、前述したように地盤改良機７を用いて、その外殻５が推進すべき先行部分の地盤２を一旦所定の強度をなすように改良強化して後、回転掘削方式の地盤掘削手段１２により、その複数のカッタユニット１６が構成している回転本体１５の前面形状に対応させて限定的且つ円滑に地盤２を筒状に掘削することにより、常に安定した掘削速度を維持することが出来ると共に、地盤掘削手段１２が掘削すべき新設管路３０の切羽２ｂ（図８に図示）の安定がまた確保されているところから、該切羽２ｂが崩れて土砂等が外殻５内に流入する危険性なく、円滑且つ安全に解体及び掘削作業が行われ得る。また、シールド掘進時に地盤２における外殻５より外側の部分を不要に掻き乱すことなく、地盤２の緩みや延いては地盤沈下の危険性を極力回避することが出来、既設の覆工３ａ以外の他の埋設構造物へ影響を与える懸念もない。
【００１９】シールド推進作業を１ピッチ分行ったところで次に、図７に示すように、既にその後端部である矢印Ｂ方向側端部から所定の距離をなす位置において周方向に切断されている覆工３ａを構成している鉄筋コンクリート等を、コンクリートカッタ６の鋸刃６ｂを放射方向外側である矢印Ｊ方向側に突出させて適宜回転及び移動させる形で、既設管路３の軸方向に沿って切断する。すると、これにより覆工３ａは適宜な塊状に分割されるので、そこで、図８に示すように切断作業を終えたコンクリートカッタ６を既設管路３の前方側である矢印Ａ方向側へ移動させる形で、解体除去すべき覆工３ａ上から退避させて後、該覆工３ａの外周囲に地盤掘削手段１２により掘削されずに若干残された地盤２と、塊状に切断分割された覆工３ａのガラを、適宜な掘削搬送手段を用いて集積除去する。即ち、解体済み覆工３ａと地盤２の掘削ズリは、既に更新敷設された新設管路３０を介して、該新設管路３０の後方側であるシールド装置１の発進坑口側、即ち図１矢印Ｂ方向側に搬送し、適宜坑外へ排出処理する。なお、既設管路３の覆工３ａは、そのうちシールド装置１の外殻５内に取り込まれた後端部分である矢印Ｂ方向側端部のみが切断解体されるところから、解体作業時に覆工３ａの予期しない部分が土圧により破壊することはなく、従って既設管路３内の作業に係る安全性は、これが解体除去される直前まで確保されている。
【００２０】こうして、所定の掘進ピッチ、例えばセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する距離だけ覆工３ａの解体除去と地盤２の掘削を行うと、該掘進ピッチに対応した分だけ新設管路３０の切羽２ｂ（図８に図示）が矢印Ａ方向に前進する。そこで次に、推進ジャッキ１１のラム１１ａを矢印Ａ方向に後退駆動させてから、エレクタ１０を介して、新設管路３０の図１右方の図示しない坑口側から搬送されたセグメントピースを組立作業台１０ａを介して把持部１０ｂに把持させて、これをガイドローラ１０ｄを介してガイドリング１０ｃを図２矢印Ｇ、Ｈ方向に回転させ、又把持部１０ｂを矢印Ｉ、Ｊ方向に突出乃至後退させる形で、セグメントピースを円筒状にジョイントして、図８に示すように、既に構築されているセグメント３１の前端部３１ａに継ぎ足すように建て込む。即ち新設管路３０の覆工部材であるセグメント３１を１リング分延長構築し、これを地盤２に定着支持させる。するとこれにより、既設管路３は所定距離、例えばセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する距離だけが新設管路３０に置き換えられる形で、拡大更新される。
【００２１】そこで、再び前述して図６に示すように、地盤改良機７を介して地盤改良用の薬液を注入することにより地盤２を改良安定化してから図７に示すようにシールド装置１を推進させ、覆工３ａの解体除去作業と、既設の覆工３ａの周りの地盤２を地盤掘削手段１２を用いて除去する形の拡大掘削作業を行い、セグメント３１を建て込み延長させる一連の作業を、所定の施工サイクルで繰り返していく。するとこれにより、老朽化した既設管渠である既設管路３を新設管渠である新設管路３１に拡大敷設替えするための一連の作業を、地表面２ａに何等影響を与えることなく、シールド装置１の外殻５内で行うことが、効率的且つ安全確実に行われる。なお、こうして地盤掘削手段１２を用いてシールド装置１に地盤２を掘進させる際に、該地盤掘削手段１２はその回転本体１５部分全体が回転する方式の回転機械掘削方式であるところから、シールド掘進を進めるうちに、地盤２に対して外殻５が周方向である矢印Ｇ又はＨ方向に次第に回転して、その上下平衡状態が位相ずれした状態のまま推進することがあるが、その際には、回転本体１５を実施例においては矢印Ｎ方向に示す逆回転方向に回転駆動させる形で、当該外殻５の位相ずれを修正することがある。こうして、回転本体１５を逆回転させる際には、各カッタユニット１６においては、上述した正回転用の刃１７Ａをこれを支持するインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａに対して後退させて、逆回転用の刃１７Ｂをこれを支持するインペラープレート１７Ｐと共に突出させることにより、該刃１７Ｂを正回転用の刃１７Ａと全く同一の条件で地盤２を掘削する為の掘削刃として利用することが出来る。従って、回転式の掘削装置を用いる際に避け難い形で生じる位相ずれを修正する際に、単に刃１７Ａ、１７Ｂ等を空転させる形でこれを行わずとも、掘削作業サイクル中に適宜回転本体１５を逆回転させる形の反転サイクルを組み込んでやる形で、掘進を休めることなく位相ずれを修正して、常時外殻５の上下平衡状態を維持した状態で、良好な掘進及び拡大敷設替え作業を行うことが出来る。
【００２２】なお、上述した実施例においては、横断面形状円形をなす既設管路３を横断面形状円形をなす新設管路３０に拡大敷設替えする例を述べたが、本発明においては、回転本体１５が回転することにより既設管路３の覆工３ａ周囲の地盤２を新設管路３０のセグメント３１が建て込み配設され得る大きさに拡大掘削することが出来れば良く、当該拡大掘削の意味するところは必ずしも地盤２の全てをカッタユニット１６の刃１７Ａのみによって掘削するものではない。従って、地盤掘削手段１２の刃１７Ａ（又は１７Ｂ）が上述したように地盤２を円滑に掘削するために、刃支持面１６ａがその前側から後側に向けて縮径していて且つ該刃支持面１６ａと既設の覆工３ａとの間にズリ出し空間３３が形成されることが出来れば、地盤支持手段１２及び既設管路３は実施例以外の断面形状であっても何等差し支えなく、当然新設管路３０の断面形状も任意である。即ち既設管路３が若干の楕円断面に形成されていて、地盤掘削手段１２の回転本体１５による掘削のみによっては該既設管路３の覆工３ａ周囲に地盤２が残されてしまう場合には他の掘削補助手段を用いたり、或いは、新設管路３０の断面形状が円形以外の形状で、これに対応する為の何等かの処置を施す場合もあり、管路３、３０の断面形状は必ずしも円形に限定されるものではない。また、地盤掘削手段１２の回転本体１５を構成している複数のカッタユニット１６の回転駆動が可能であるならば、これ等は例えばリンク機構により連結される形で、シールド装置１の外殻５もまた、円形以外の断面形状に形成されて何等差し支るものではない。
【００２３】なお、前述したように地盤改良機７を用いてシールド装置１が推進すべき外殻５より先行する部分の地盤２の改良安定化を図る際、さらに外殻５の放射方向外側の地盤２をも改良強化する必要があれば、外殻５内等から他の薬注ガン７ｃを介して、さらに広範囲に地盤改良用薬液を地盤２中に注入し、後に新設されるセグメント３１の周囲も補強して、地盤２の改良安定化を図り、これによりシールド装置１の後方側からの漏水を防止し、新設されるセグメント３１の水密性を期することも勿論可能である。また、本発明の適用は、実施例において述べたような、下水管等の管渠である既設管路３の拡大敷設替えに限定されるものではなく、地盤２中に掘削形成された坑道中に建て込まれた管渠状の構造体であれば、例えばこれより大断面をなす電車線、道路等のトンネルや、ダム取水路、その他、その大小及び使用目的に拘らず任意の既設管渠を、任意の形状、構成の新設管渠に更新するのに適用されて何等差し支えない。さらに、シールド装置１において既設管路３を拡大敷設替えするために用いるコンクリートカッタ６、地盤改良機７、スクリュコンベヤ９等は、同様の働きをし得る他の機械設備を用いてこれを行っても全く構わない。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、地盤２中を推進自在な外殻５等の殻体を有し、前記殻体の推進方向前面側に、除去すべき覆工３ａ等の既設管の径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部５ｓを形成し、前記殻体の開放部５ｓに、前記既設管の周囲の地盤２を掘削する地盤掘削手段１２を、該殻体の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段１２に複数の刃１７Ａ、１７Ｂ等の掘削ビットが装着された刃支持面１６ａ等の掘削面を、前記殻体の前側から後側に向けて縮径する形で形成して構成したので、シールド掘進に際し掘削ビットが地盤２を掘削することにより生じた掘削ズリは、地盤掘削手段１２がその回転動作とシールド前進動作により、掘削面を介して開放部５ｓの前側から後側に搬送することが出来る。従って、本発明による拡大シールド装置は、殻体の推進動作と地盤掘削手段１２の回転動作により、常に地盤２を円滑に掘削し、当該掘削により形成される掘削ズリを開放部５ｓから、掘削面と既設管の外周との間に形成されるズリ出し空間３３等の空間を介して、殻体内に効率的に搬送集積することが出来るので、その推進に先立ち除去すべき既設管の周囲を任意の強度に地盤改良しておくことが出来る。即ち、除去すべき既設管の周囲の地盤条件や、その土被りの大小に制約を受けることなく、常に良好な掘進作業が保証される。また、シールド推進によって、殻体が貫入する領域以外の不要の範囲の地盤がかき乱されることがない。故に、老朽化した既設管渠を新設管渠に拡大敷設替えする際に、開放部を介して既設管渠を取り囲む形で殻体を推進させて、該殻体内の前部で既設管渠の解体除去作業を行いながら、後部で既設のものより一回り大きな断面の新設セグメント、現場打設覆工等の新設管渠の構築作業を行うようにすれば、除去すべき既設管周囲の地盤に緩みを生じさせたり、延いては地盤沈下を生じさせる危険性なく、効率的且つ安全な拡大敷設替え作業が、地上構造物並びに地盤、地下水位等に影響を何等与えることなく円滑に行われ得る。そして、本発明によるシールド装置は、殻体の前側に除去すべき既設管の径より大なる開放部が形成されて、該開放部を介して掘削ズリが殻体内部に搬送される形の、開放型シールド装置であるところから、施工の自由度が高く、即ち、既設管の外周と殻体との間に隔壁を設ける必要がなく、従って、その装置構成が簡単で、また施工途中における既設管径の大小にも十分対応して、適切なる対処を施すことが自在に出来る。故に、広範な施工条件に対応することが出来、汎用性が高い拡大敷設替えシールド施工を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による拡大シールド装置の一実施例を示す側面図である。
【図２】図１に示す拡大シールド装置のII、II矢視図である。
【図３】図１に示す拡大シールド装置のIII、III矢視図である。
【図４】図１に示す拡大シールド装置のIV、IV矢視図である。
【図５】本発明による拡大シールド装置における地盤掘削手段のカッタ刃の回転動作を示す正面図である。
【図６】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図７】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図８】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図９】図５に示す地盤掘削手段のカッタ刃による地盤掘削状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１……拡大シールド装置（シールド装置）
２……地盤
３ａ……既設管（覆工）
５……殻体（外殻）
５ｓ……開放部
１２……地盤掘削手段
１６ａ……掘削面
１７Ａ、１７Ｂ……掘削ビット（刃）
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、老朽化した既設管渠を新設管渠に拡大敷設替えするに用いるに好適な、拡大シールド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、老朽化したり、或いは機能不足に陥った既設管渠を改修、即ちこれを新設管渠に更新する際には、地上から土留め用杭を用いて撤去、新設作業を行う開削工法や、或いは既設管渠より一回り大きな断面のシールド機をその周囲を取り囲む形で推進させて、該シールド機内で既設管渠の解体撤去作業と、既設のものよりサイズアップした新設セグメントの建て込み作業を行うシールド工法等により、拡大敷設替えする方法がある。このうち、開削工法は公知のように道路事情、周辺環境を悪化させるために、こういった地上環境に影響を与えたくない地域においてはシールド工法の採用が多く望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、シールド工法には掘削すべき地盤の性状に応じて、密閉型、開放型等の各種の拡大シールド装置が用いられるが、密閉型シールドは、他の埋設物との離隔や土被りが小さい場合には切羽の圧力管理が難しく、またカッタビットの切削効率が全体作業の能率を左右するために、極めて緻密な施工計画及び管理が必要とされる、という施工上の問題点を抱えている。しかも、回転式の掘削機構を用いて、既設管渠周囲の地盤を拡大更新される新設管渠の径に合わせて環状に掘り抜く形で掘削するために、該既設管渠周囲の環状部分にここを密閉する形でシールド隔壁を設けなければならず、その装置構成が複雑になると共に、既設管渠の外径が大小していると密閉すべき環状部分の間隙幅が大小してしまうので、このような場合には、隔壁部分の密閉性の維持が難しくこれに対応することが出来ないために、施工の自由度が低い、という難点がある。一方、開放型シールドは施工の自由度が高く、任意の掘削機を選択的に用いることが出来る反面で、例えば既設管渠が開削工法で敷設されてその周りに埋め戻し土が用いられていたり或いは地下水が多い場合には地盤が軟弱になっているのでこれを緩ませて地盤沈下を引き起こす危険性が有り、これに反して、既設管渠周りに薬液注入が施されている場合には地盤が硬化してシールドスキンプレートの貫入抵抗があまりにも大になってしまうために、このような開放型シールドを適用可能な地盤条件は極めて限定されているという不都合がある。そこで本発明は、上記事情に鑑み、地盤条件に限定されることなく円滑な掘進が可能で、且つ施工の自由度が高い、開放型の拡大シールド装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、地盤（２）中を推進自在な殻体（５）を有し、前記殻体（５）の推進方向前面側に、除去すべき既設管（３ａ）の径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部（５ｓ）を形成し、前記殻体（５）の開放部（５ｓ）に、前記既設管（３ａ）の周囲の地盤（２）を掘削する地盤掘削手段（１２）を、該殻体（５）の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段（１２）に複数の掘削ビット（１７Ａ）、（１７Ｂ）が装着された掘削面（１６ａ）を、前記殻体（５）の前側から後側に向けて縮径する形で形成して、構成される。なお、（ ）内の番号等は、図面における対応する要素を示す、便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。以下の作用の欄についても同様である。
【０００５】
【作用】上記した構成により、本発明は、シールド掘進に際し掘削ビット（１７Ａ）、（１７Ｂ）が地盤（２）を掘削することにより生じた掘削ズリは、地盤掘削手段（１２）がその回転動作とシールド前進動作により、掘削面（１６ａ）を介して開放部（５ｓ）の前側から後側に搬送するように作用する。
【０００６】
【実施例】図１は本発明による拡大シールド装置の一実施例を示す側面図、図２は図１に示す拡大シールド装置のII、II矢視図、図３は図１に示す拡大シールド装置のIII、III矢視図、図４は図１に示す拡大シールド装置のIV、IV矢視図、図５は本発明による拡大シールド装置における地盤掘削手段のカッタ刃の回転動作を示す正面図、図６乃至図８は図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図、図９は図５に示す地盤掘削手段のカッタ刃による地盤掘削状態を示す斜視図である。
【０００７】拡大シールド装置であるシールド装置１は、図１に示すように、所定の外径Ｌ１をなす形で全体形状円筒形に形成されたスキンプレート、即ち外殻５を有しており、外殻５は、地盤２の地表面２ａから所定の深さＰ１をなしその伸延方向を図１矢印Ａ、Ｂ方向に向けた形で埋設供用されていて除去すべき既設管である下水本管等の横断面形状円形をなす既設管路３のうち、既に撤去更新された部分を除く図１矢印Ｂ方向端部において、該既設管路３を形成している鉄筋コンクリート等からなり外径Ｌ３をなす円筒状の覆工３ａを、該外殻５の前端部であるフード部５３が包囲する形で配設されている。一方、外殻５の後側である図１矢印Ｂ方向側には、新設管路３を拡大敷設替えした形の横断面形状円形をなす新設管路３０が、例えば鉄筋コンクリート、或いはスチール等からなるセグメント３１を、該セグメント３１を構成している各々のセグメントピースを１リングの幅Ｌ２をなす形で円筒状にジョイントして、これを地盤２中に埋設させることにより、既に敷設更新されており、セグメント３１の前端部３１ａは、シールド装置１の外殻５内に、１乃至２リング分（図１においては１リング分強）入り込み配置した形になっている。セグメント３１の外周と外殻５の内周との間にはテールシール５１が、該外殻５の後端部である矢印Ｂ方向側端部において、両者３１、５間の間隙をシールする形で設けられており、また、外殻５内の後部には、セグメント３１を組立て建て込みするためのリンク式のエレクタ１０が設けられている。
【０００８】エレクタ１０は、図２に示すように、外殻５の内周との間に所定の間隙Ｌ６をなす形で板輪状に形成されたガイドリング１０ｃを有しており、ガイドリング１０ｃは、外殻５の内周に装着された複数のガイドローラ１０ｄを介して、該外殻５に対してシールド内周方向である矢印Ｇ、Ｈ方向に回転自在な形でこれに支持されている。ガイドリング１０ｃには、セグメントピースを把持し得る把持部１０ｂが、該ガイドリング１０ｃを介してシールド内周方向に回転自在で且つ放射方向である矢印Ｉ、Ｊ方向に突出後退自在な形で（即ち各セグメントピースを移動位置決め自在な形で）支持されており、また、ガイドリング１０ｃの図１矢印Ｂ方向側に示す後方側には、矢印Ａ、Ｂ方向に伸延する梁状部材である組立作業台１０ａが、図示されない新設管路３０の矢印Ｂ方側から適宜な搬送手段を介して搬送される、セグメント３１を構成しているセグメントピースを適宜に向き替えして把持部１０ｂに受け渡し自在な形で、ガーダー部５２を介して外殻５に支持装着されている。
【０００９】エレクタ１０の前方である図１左方には、シールド装置１の外殻５をその推進方向である矢印Ａ方向側に向けて地盤２中に推進させ得る推進ジャッキ１１が、図３に示すように、該外殻５の内周に沿ってここに複数装着固定されており、推進ジャッキ１１の後側である図１矢印Ｂ方向側には、該ジャッキ１１のラム１１ａが、セグメント３１の前端部３１ａに推進反力を求めて、矢印Ａ、Ｂ方向に突出後退駆動自在な形で、図２に示すように、外殻５の内周に沿って矢印Ｇ、Ｈ方向に並んで配設されている。エレクタ１０の図１上方にはスクリュコンベヤ９が、除去されるべき覆工３ａのガラと、拡大掘削されるべき覆工３ａの周囲の地盤２のズリを、外殻５のガーダー部５２より後方側である矢印Ｂ方向側に搬送し得る形で設けられており、スクリュコンベヤ９には採土口９ａが、前方側である図１矢印Ａ方向側に開口する形で設けられている。
【００１０】ところで、シールド装置１には、図１に示すように、その外殻５の前端部であるフード部５３が既に述べたように既設管路３の覆工３ａ後端部を包囲する形で円筒状に形成されているところから、該外殻５の前面側である矢印Ａ方向側に、該覆工３ａの外径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部５ｓが形成されており、外殻５の開放部５ｓには覆工３ａ周囲の地盤２を掘削するためのインペラーカッタ式の地盤掘削手段１２が、その回転本体１５の最小内径部分が前記既設管路３の未だ解体撤去されていない覆工３ａの後端部である矢印Ｂ方向側端部近傍において該覆工３ａ外周との間に所定幅のズリ出し空間３３を環状に形成し、該外殻５の内周の全周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設けられている。即ち、地盤掘削手段１２は、図１及び図４に示すように、開放部５ｓの径Ｌ４より若干だけ小さな外径をなし且つ除去すべき覆工３ａの外径Ｌ３より若干大きな内径Ｌ５をなす形の輪状に形成された回転本体１５を有しており、回転本体１５は駆動モータ１３を介してその全体が図１ＣＴ１で示すシールド軸心を回転中心として図４矢印Ｍ又はＮ方向に回転駆動自在な形で、開放部５ｓにおいて外殻５の前端部を構成しているフード部５３の内周に沿って配設されている。回転本体１５は複数のカッタユニット１６が、該本体１５として一体に回転自在な形で連結されて構成されており、実施例においては図２に示すように、８片のカッタユニット１６が周方向である図４矢印Ｇ、Ｈ方向に沿って相互に連結される形で組み合わせられることにより、地盤掘削手段１２が輪状に形成されている。
【００１１】地盤掘削手段１２の回転本体１５を構成している複数のカッタユニット１６のそれぞれには、該掘削手段１２の掘削面である刃支持面１６ａが、図１に示すように、外殻５のフード部５３の前側から後側に向けて縮径する形をなすよう設けられており、各々の刃支持面１６ａには、図４に示すように、該刃支持面１６ａと交差方向にリブ状をなす形の一対のインペラープレート１７Ｐ、１７Ｐが、それぞれ円弧を描きつつ互いに対向する形で、該支持面１６ａに対して突出後退自在に設けられている。インペラープレート１７Ｐ、１７Ｐには、それぞれが地盤を掘削し得る形でその刃先を放射方向内側の前方に向けた、図４実線で示す正回転用の刃１７Ａと、図４点線で示す逆回転用の刃１７Ｂが、複数並列して、各複数の刃１７Ａ、１７Ｂ列毎に該プレート１７Ｐの突出後退動作により刃支持面１６ａに対して突出後退駆動自在な形で装着支持されている。地盤掘削手段１２の刃１７Ａ、１７Ｂは、回転本体１５が矢印Ｎ又はＭのいずれかの方向に示す正回転動作を行うとき、正回転用の刃１７Ａがこれが装着されたインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａに対して突出状態を呈すると共に、これと連動して逆回転用の刃１７Ｂがこれが装着されたインペラープレート１７Ｐと共に後退状態を呈し、また、回転本体１５が逆回転動作を行うとき、逆回転用の刃１７Ｂが刃支持面１６ａに対して突出状態を呈すると共にこれと連動して正回転用の刃１７Ａが後退状態を呈するように、駆動制御されている。従って、地盤掘削手段１２は、各カッタユニット１６において複数の刃１７Ａ、１７Ｂのいずれかが、該刃１７Ａ又は１７Ｂを支持するインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａのそれぞれから突出して、図５に示すように、フード部５３の内周側に近いその最外方側から放射方向内側に向けて円弧をなす形で並列配置することにより、回転本体１５の回転時に、該回転動作により掘削される地盤２の掘削ズリを、開放部５ｓにおいて覆工３ａと該回転本体１５内周との間に形成配置されるズリ出し空間３３を経由させる形で、外殻５内の後側である図１矢印Ｂ方向側に渦巻状に搬送し得るようになっている。
【００１２】一方、シールド装置１の外殻５の前方である図１矢印Ａ方向側には、覆工３ａを切断するためのコンクリートカッタ６が、既設管路３の後端即ち矢印Ｂ端部における覆工３ａ上にここを走行可能な形で配置されており、コンクリートカッタ６には、該覆工３ａの全周を既設管路３の周長方向に沿って切断し得る鋸刃６ａと軸方向に沿って切断し得る鋸刃６ｂが、それぞれ周長方向（図２矢印Ｇ、Ｈ方向）に移動自在で且つ放射方向（矢印Ｉ、Ｊ方向）に突出後退自在な形で、回転駆動自在に設けられている。コンクリートカッタ６の前方である矢印Ａ方には、地盤改良機７が、図１左右一対に示すそのグリッパ７ｂ、７ｂを介して該改良機７の支持本体であるビーム７ａ部分が覆工３ａの内周に支持され得る形で、該覆工３ａの内底部分にここを走行自在に配設されており、地盤改良機７には薬注ガン７ｃが、該ガン７ｃに接続されるパイプ１９等を介して地盤２中にこれを改良強化するための薬材を供給注入し得る形で設けられている。
【００１３】シールド装置１は、以上のような構成を有しているので、該シールド装置１を用いて既設管路３の改修を行うには、該既設管路３の通水切替、ヘドロ処理、管内洗浄、枝管撤去等と、該管路３の上方における地表面２ａ部分の陥没対策として路面仮覆工を行う等の事前処理を施して後、適宜な発進立坑からシールド装置１を発進させる。そして、図１に示すように、その外殻５を未だ解体除去されていない既設管路３の後端部からその後側にかけて覆工３ａの外方を包囲する形にしてシールド装置１を配置させ、外殻５内部におけるその前半分である矢印Ａ方向側において覆工３ａの解体除去作業を行い、一方外殻５内部の後半分では、新設管路３０を形成するためのセグメント３１を建て込む作業を行いながら、該装置１を図１矢印Ａ方向側に推進させて、既設管路３をこれより一回り大きな新設管路３０に更新していく。
【００１４】シールド推進に際しては、まず図６に示すように、地盤改良機７のビーム７ａを、グリッパ７ｂ、７ｂを介して既設管路３の覆工３ａに支持させた状態にしておいて、薬注ガン７ｃに薬注用のパイプ１９を接続し、該パイプ１９が所定の長さになるまで（即ち地盤改良すべき地盤２の深さに対応した長さ分だけ）適宜継ぎ足し延長させつつ、地盤２中に貫入させる。そして、地盤２を改良安定化させるに適した公知の地盤改良用薬液を、薬注用のパイプ１９を引き戻しつつ、図示しない注入用ポンプフィーダ等から薬注ガン７ｃを介して地盤２中に圧送注入する。すると、シールド装置１の前方側である矢印Ａ方側に配置している外殻５の前端部より先行する部分の地盤２は、既設管路３の覆工３ａの放射方向外側を包囲する部分の地盤２が地下水も含めて薬液により固められて所定の地盤強度をなす形で、その改良安定化が図られる。従って、シールド装置１の外殻５は常に、その推進に先立ち、改良安定化が図られて該外殻５内への土砂流入が防止された形の地盤２中を推進していく形になる。
【００１５】こうして地盤改良用薬液の注入完了により、外殻５より先行する地盤２を補強して地盤２の改良安定化を図る一方で、図６に示すように、既設管路３の未だ解体除去されていない覆工３ａを、その後端部である矢印Ｂ方向側端部からシールド装置１の１推進ピッチに対応した距離分だけ前方位置において、コンクリートカッタ６の鋸刃６ａを放射方向外側である矢印Ｊ方向側に突出させた状態で全周方向に亙って回転駆動させる形で、周方向に切断する。なお、こうしてコンクリートカッタ６の鋸刃６ａにより周方向に切断されて所定長さの環状になった覆工３ａの後端部は、該覆工３ａの外周囲の地盤２に未だ定着支持されていることにより、単に鋸刃６ａと対応する切断位置において分割された形で環状をなすまま、ここに残留配置している。
【００１６】こうしておいて、次に図７に示すように地盤改良機７を既設管路３の前方側である矢印Ａ方向側に前進させる形で、覆工３ａのうち次の工程で解体除去される後端部分上から退避させる。そして、推進ジャッキ１１のラム１１ａを介して既に建て込み覆工されて地盤２に定着支持されている形の新設のセグメント３１の前端部３１ａに推進反力を求める形で、シールド装置１の外殻５を矢印Ａ方向に向けて所定距離、即ち例えば新設されるセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する形の推進ジャッキ１１のストローク分だけ推進させる。この際、これと同時に、既に建て込み定着された新設管路３０のセグメント３１の前端部３１ａに推進ジャッキ１１のラム１１ａを当接させた状態において、推進補助手段１２を、駆動モータ１３を介して回転本体１５を外殻５のフード部５３に対して、その開放部５ｓにおいてシールド軸心ＣＴ１を回転中心として該回転本体１５の正回転方向である例えば矢印Ｍ方向（又はＮ方向）に回転させる形で駆動させる。すると、既に地盤改良用薬液により改良安定化が図られて所定の強度に到達している地盤２は、複数のカッタユニット１６の回転刃１７Ａの回転動作と外殻５の推進距離に対応した形で、筒状に掘削される。
【００１７】即ち、地盤掘削手段１２の正回転動作時には、図５に示すように、各カッタユニット１６の刃１７Ａ、１７Ｂのうち正回転用の刃１７Ａのみが刃支持面１６ａに対して突出配置し、逆回転用の刃１７Ｂは後退配置するように（図５においては省略）、これを駆動制御する。すると、推進ジャッキ１１により矢印Ａ方向に押されつつ、例えば矢印Ｍ方向に示す正回転方向に回転する回転本体１５は、図９に示すように、各カッタユニット１６毎に列をなす複数の刃１７Ａがスクリュ状に旋回する形で、該刃１７Ａが当接する範囲の地盤２を掘削する。そして、掘削されてズリとなった地盤２は、回転本体１５の回転及び移動動作により、インペラープレート１７Ｐとここに列状に装着された複数の刃１７Ａにより渦巻状に押されて、刃支持面１６ａと既設の覆工３ａの外周との間の間隙であるズリ出し空間３３を順に送られる形で、即ち刃支持面１６ａ部分の外周１６ｂ側から内周１６ｃ側に向けて押圧搬送されて、開放部５ｓの前側から後側へ向けて搬送される。こうして、開放部５ｓの前側から後側に向けて渦巻状に押圧搬送される地盤２の掘削ズリは、該開放部５ｓからズリ出し空間３３を介して外殻５内の地盤掘削手段１２の後側に円滑に送られる。そして地盤掘削手段１２の後側に搬送された地盤２の掘削ズリは、該地盤掘削手段１２の掘進及びズリ搬送動作とその自重により、外殻５内の底部近傍に一旦集積貯留される形になる。そこでスクリュコンベヤ９を駆動させれば、これにより、その採土口９ａを介して、シールド装置１の外殻５内よりさらに後方側である、既に建て込み構築された新設管路３０中に掘削ズリを効率的に搬出することが出来る。
【００１８】こうして、覆工３ａ周囲の地盤２は、開放部５ｓの径Ｌ４より若干小さな外径をなし且つ除去すべき覆工３ａの外径Ｌ３より若干大きな内径Ｌ５をなす形の輪状に形成された地盤掘削手段１２の、回転本体１５の各刃支持面１６ａに装着された複数の刃１７Ａ及びインペラープレート１７Ｐの回転及び推進ジャッキ１１を介しての移動動作により筒状に掘削されて、当該掘削ズリが順次外殻５内における地盤掘削手段１２の後側に搬送される形で、既設管路３ａが、外殻５の推進距離分だけ径略Ｌ４をなすように拡径掘削される。そして、これにより、外殻５全体がその内部の装置と共に、図７矢印で示すように前進し、即ちシールド装置１は、その地盤掘削手段１２を介して、新設されるセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する形の推進ジャッキ１１のストローク分だけ、地盤２を矢印Ａ方向に向けて円滑に掘進する。すると、シールド装置１は、図７に示すように、その外殻５の前方側である矢印Ａ方向側から該外殻５内部に、未だ解体除去されていない既設の覆工３ａの後端部を所定の距離分だけ飲込み配置させた形になり、これにより、以下に述べるように覆工３ａの後端部を解体する際の解体及び除去作業の安全が確保される。従って、こうしてシールド装置１が１ピッチ分推進する際に、地盤２を新設管路３０の径に対応させた形で拡大掘削し、当該掘削により形成される土砂を外殻５内部において集積搬送し、外殻５を地盤２中に貫入推進させる動作を、地盤掘削手段１２の回転本体１５の回転及び推進ジャッキ１１を介しての移動による一連の動作で、同時に効率良く行うことが出来ると共に、これに引き続き行われる既設の覆工３ａの解体作業に関る作業空間の支保も同時に図られる。また、シールド装置１は、前述したように地盤改良機７を用いて、その外殻５が推進すべき先行部分の地盤２を一旦所定の強度をなすように改良強化して後、回転掘削方式の地盤掘削手段１２により、その複数のカッタユニット１６が構成している回転本体１５の前面形状に対応させて限定的且つ円滑に地盤２を筒状に掘削することにより、常に安定した掘削速度を維持することが出来ると共に、地盤掘削手段１２が掘削すべき新設管路３０の切羽２ｂ（図８に図示）の安定がまた確保されているところから、該切羽２ｂが崩れて土砂等が外殻５内に流入する危険性なく、円滑且つ安全に解体及び掘削作業が行われ得る。また、シールド掘進時に地盤２における外殻５より外側の部分を不要に掻き乱すことなく、地盤２の緩みや延いては地盤沈下の危険性を極力回避することが出来、既設の覆工３ａ以外の他の埋設構造物へ影響を与える懸念もない。
【００１９】シールド推進作業を１ピッチ分行ったところで次に、図７に示すように、既にその後端部である矢印Ｂ方向側端部から所定の距離をなす位置において周方向に切断されている覆工３ａを構成している鉄筋コンクリート等を、コンクリートカッタ６の鋸刃６ｂを放射方向外側である矢印Ｊ方向側に突出させて適宜回転及び移動させる形で、既設管路３の軸方向に沿って切断する。すると、これにより覆工３ａは適宜な塊状に分割されるので、そこで、図８に示すように切断作業を終えたコンクリートカッタ６を既設管路３の前方側である矢印Ａ方向側へ移動させる形で、解体除去すべき覆工３ａ上から退避させて後、該覆工３ａの外周囲に地盤掘削手段１２により掘削されずに若干残された地盤２と、塊状に切断分割された覆工３ａのガラを、適宜な掘削搬送手段を用いて集積除去する。即ち、解体済み覆工３ａと地盤２の掘削ズリは、既に更新敷設された新設管路３０を介して、該新設管路３０の後方側であるシールド装置１の発進坑口側、即ち図１矢印Ｂ方向側に搬送し、適宜坑外へ排出処理する。なお、既設管路３の覆工３ａは、そのうちシールド装置１の外殻５内に取り込まれた後端部分である矢印Ｂ方向側端部のみが切断解体されるところから、解体作業時に覆工３ａの予期しない部分が土圧により破壊することはなく、従って既設管路３内の作業に係る安全性は、これが解体除去される直前まで確保されている。
【００２０】こうして、所定の掘進ピッチ、例えばセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する距離だけ覆工３ａの解体除去と地盤２の掘削を行うと、該掘進ピッチに対応した分だけ新設管路３０の切羽２ｂ（図８に図示）が矢印Ａ方向に前進する。そこで次に、推進ジャッキ１１のラム１１ａを矢印Ａ方向に後退駆動させてから、エレクタ１０を介して、新設管路３０の図１右方の図示しない坑口側から搬送されたセグメントピースを組立作業台１０ａを介して把持部１０ｂに把持させて、これをガイドローラ１０ｄを介してガイドリング１０ｃを図２矢印Ｇ、Ｈ方向に回転させ、又把持部１０ｂを矢印Ｉ、Ｊ方向に突出乃至後退させる形で、セグメントピースを円筒状にジョイントして、図８に示すように、既に構築されているセグメント３１の前端部３１ａに継ぎ足すように建て込む。即ち新設管路３０の覆工部材であるセグメント３１を１リング分延長構築し、これを地盤２に定着支持させる。するとこれにより、既設管路３は所定距離、例えばセグメント３１のリング幅Ｌ２と対応する距離だけが新設管路３０に置き換えられる形で、拡大更新される。
【００２１】そこで、再び前述して図６に示すように、地盤改良機７を介して地盤改良用の薬液を注入することにより地盤２を改良安定化してから図７に示すようにシールド装置１を推進させ、覆工３ａの解体除去作業と、既設の覆工３ａの周りの地盤２を地盤掘削手段１２を用いて除去する形の拡大掘削作業を行い、セグメント３１を建て込み延長させる一連の作業を、所定の施工サイクルで繰り返していく。するとこれにより、老朽化した既設管渠である既設管路３を新設管渠である新設管路３１に拡大敷設替えするための一連の作業を、地表面２ａに何等影響を与えることなく、シールド装置１の外殻５内で行うことが、効率的且つ安全確実に行われる。なお、こうして地盤掘削手段１２を用いてシールド装置１に地盤２を掘進させる際に、該地盤掘削手段１２はその回転本体１５部分全体が回転する方式の回転機械掘削方式であるところから、シールド掘進を進めるうちに、地盤２に対して外殻５が周方向である矢印Ｇ又はＨ方向に次第に回転して、その上下平衡状態が位相ずれした状態のまま推進することがあるが、その際には、回転本体１５を実施例においては矢印Ｎ方向に示す逆回転方向に回転駆動させる形で、当該外殻５の位相ずれを修正することがある。こうして、回転本体１５を逆回転させる際には、各カッタユニット１６においては、上述した正回転用の刃１７Ａをこれを支持するインペラープレート１７Ｐと共に刃支持面１６ａに対して後退させて、逆回転用の刃１７Ｂをこれを支持するインペラープレート１７Ｐと共に突出させることにより、該刃１７Ｂを正回転用の刃１７Ａと全く同一の条件で地盤２を掘削する為の掘削刃として利用することが出来る。従って、回転式の掘削装置を用いる際に避け難い形で生じる位相ずれを修正する際に、単に刃１７Ａ、１７Ｂ等を空転させる形でこれを行わずとも、掘削作業サイクル中に適宜回転本体１５を逆回転させる形の反転サイクルを組み込んでやる形で、掘進を休めることなく位相ずれを修正して、常時外殻５の上下平衡状態を維持した状態で、良好な掘進及び拡大敷設替え作業を行うことが出来る。
【００２２】なお、上述した実施例においては、横断面形状円形をなす既設管路３を横断面形状円形をなす新設管路３０に拡大敷設替えする例を述べたが、本発明においては、回転本体１５が回転することにより既設管路３の覆工３ａ周囲の地盤２を新設管路３０のセグメント３１が建て込み配設され得る大きさに拡大掘削することが出来れば良く、当該拡大掘削の意味するところは必ずしも地盤２の全てをカッタユニット１６の刃１７Ａのみによって掘削するものではない。従って、地盤掘削手段１２の刃１７Ａ（又は１７Ｂ）が上述したように地盤２を円滑に掘削するために、刃支持面１６ａがその前側から後側に向けて縮径していて且つ該刃支持面１６ａと既設の覆工３ａとの間にズリ出し空間３３が形成されることが出来れば、地盤支持手段１２及び既設管路３は実施例以外の断面形状であっても何等差し支えなく、当然新設管路３０の断面形状も任意である。即ち既設管路３が若干の楕円断面に形成されていて、地盤掘削手段１２の回転本体１５による掘削のみによっては該既設管路３の覆工３ａ周囲に地盤２が残されてしまう場合には他の掘削補助手段を用いたり、或いは、新設管路３０の断面形状が円形以外の形状で、これに対応する為の何等かの処置を施す場合もあり、管路３、３０の断面形状は必ずしも円形に限定されるものではない。また、地盤掘削手段１２の回転本体１５を構成している複数のカッタユニット１６の回転駆動が可能であるならば、これ等は例えばリンク機構により連結される形で、シールド装置１の外殻５もまた、円形以外の断面形状に形成されて何等差し支るものではない。
【００２３】なお、前述したように地盤改良機７を用いてシールド装置１が推進すべき外殻５より先行する部分の地盤２の改良安定化を図る際、さらに外殻５の放射方向外側の地盤２をも改良強化する必要があれば、外殻５内等から他の薬注ガン７ｃを介して、さらに広範囲に地盤改良用薬液を地盤２中に注入し、後に新設されるセグメント３１の周囲も補強して、地盤２の改良安定化を図り、これによりシールド装置１の後方側からの漏水を防止し、新設されるセグメント３１の水密性を期することも勿論可能である。また、本発明の適用は、実施例において述べたような、下水管等の管渠である既設管路３の拡大敷設替えに限定されるものではなく、地盤２中に掘削形成された坑道中に建て込まれた管渠状の構造体であれば、例えばこれより大断面をなす電車線、道路等のトンネルや、ダム取水路、その他、その大小及び使用目的に拘らず任意の既設管渠を、任意の形状、構成の新設管渠に更新するのに適用されて何等差し支えない。さらに、シールド装置１において既設管路３を拡大敷設替えするために用いるコンクリートカッタ６、地盤改良機７、スクリュコンベヤ９等は、同様の働きをし得る他の機械設備を用いてこれを行っても全く構わない。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、地盤２中を推進自在な外殻５等の殻体を有し、前記殻体の推進方向前面側に、除去すべき覆工３ａ等の既設管の径Ｌ３より大なる径Ｌ４の開放部５ｓを形成し、前記殻体の開放部５ｓに、前記既設管の周囲の地盤２を掘削する地盤掘削手段１２を、該殻体の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段１２に複数の刃１７Ａ、１７Ｂ等の掘削ビットが装着された刃支持面１６ａ等の掘削面を、前記殻体の前側から後側に向けて縮径する形で形成して構成したので、シールド掘進に際し掘削ビットが地盤２を掘削することにより生じた掘削ズリは、地盤掘削手段１２がその回転動作とシールド前進動作により、掘削面を介して開放部５ｓの前側から後側に搬送することが出来る。従って、本発明による拡大シールド装置は、殻体の推進動作と地盤掘削手段１２の回転動作により、常に地盤２を円滑に掘削し、当該掘削により形成される掘削ズリを開放部５ｓから、掘削面と既設管の外周との間に形成されるズリ出し空間３３等の空間を介して、殻体内に効率的に搬送集積することが出来るので、その推進に先立ち除去すべき既設管の周囲を任意の強度に地盤改良しておくことが出来る。即ち、除去すべき既設管の周囲の地盤条件や、その土被りの大小に制約を受けることなく、常に良好な掘進作業が保証される。また、シールド推進によって、殻体が貫入する領域以外の不要の範囲の地盤がかき乱されることがない。故に、老朽化した既設管渠を新設管渠に拡大敷設替えする際に、開放部を介して既設管渠を取り囲む形で殻体を推進させて、該殻体内の前部で既設管渠の解体除去作業を行いながら、後部で既設のものより一回り大きな断面の新設セグメント、現場打設覆工等の新設管渠の構築作業を行うようにすれば、除去すべき既設管周囲の地盤に緩みを生じさせたり、延いては地盤沈下を生じさせる危険性なく、効率的且つ安全な拡大敷設替え作業が、地上構造物並びに地盤、地下水位等に影響を何等与えることなく円滑に行われ得る。そして、本発明によるシールド装置は、殻体の前側に除去すべき既設管の径より大なる開放部が形成されて、該開放部を介して掘削ズリが殻体内部に搬送される形の、開放型シールド装置であるところから、施工の自由度が高く、即ち、既設管の外周と殻体との間に隔壁を設ける必要がなく、従って、その装置構成が簡単で、また施工途中における既設管径の大小にも十分対応して、適切なる対処を施すことが自在に出来る。故に、広範な施工条件に対応することが出来、汎用性が高い拡大敷設替えシールド施工を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による拡大シールド装置の一実施例を示す側面図である。
【図２】図１に示す拡大シールド装置のII、II矢視図である。
【図３】図１に示す拡大シールド装置のIII、III矢視図である。
【図４】図１に示す拡大シールド装置のIV、IV矢視図である。
【図５】本発明による拡大シールド装置における地盤掘削手段のカッタ刃の回転動作を示す正面図である。
【図６】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図７】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図８】図１に示す拡大シールド装置を用いて既設管渠の拡大敷設替え作業を行う際の施工手順を示す一連の図である。
【図９】図５に示す地盤掘削手段のカッタ刃による地盤掘削状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１……拡大シールド装置（シールド装置）
２……地盤
３ａ……既設管（覆工）
５……殻体（外殻）
５ｓ……開放部
１２……地盤掘削手段
１６ａ……掘削面
１７Ａ、１７Ｂ……掘削ビット（刃）
【特許請求の範囲】
【請求項１】地盤中を推進自在な殻体を有し、前記殻体の推進方向前面側に、除去すべき既設管の径より大なる径の開放部を形成し、前記殻体の開放部に、前記既設管の周囲の地盤を掘削する地盤掘削手段を、該殻体の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段に複数の掘削ビットが装着された掘削面を、前記殻体の前側から後側に向けて縮径する形で形成して構成した、拡大シールド装置。
【請求項１】地盤中を推進自在な殻体を有し、前記殻体の推進方向前面側に、除去すべき既設管の径より大なる径の開放部を形成し、前記殻体の開放部に、前記既設管の周囲の地盤を掘削する地盤掘削手段を、該殻体の内周に沿って回転駆動自在な形で輪状に設け、前記地盤掘削手段に複数の掘削ビットが装着された掘削面を、前記殻体の前側から後側に向けて縮径する形で形成して構成した、拡大シールド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開平６−２８８１８１
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−９７１１６
【出願日】平成５年（１９９３）３月３１日
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００００１３１７）株式会社熊谷組 (551)
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【出願人】（０００２３５５４３）飛島建設株式会社 (132)
【出願人】（０００１９５９７１）西松建設株式会社 (329)
【出願人】（０００１４０９８２）株式会社間組 (11)
【出願人】（０００１７４９４３）三井建設株式会社 (346)
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１１日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月３１日
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００００１３１７）株式会社熊谷組 (551)
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【出願人】（０００２３５５４３）飛島建設株式会社 (132)
【出願人】（０００１９５９７１）西松建設株式会社 (329)
【出願人】（０００１４０９８２）株式会社間組 (11)
【出願人】（０００１７４９４３）三井建設株式会社 (346)
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