泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置
【課題】巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することが可能であって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能な泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置を提供する。
【解決手段】カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって、礫分を含む掘削土砂をカッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベア８と、スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの搬送路の直径よりも小さな直径（Ｄ１）に設定された搬出経路３５を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管２５とを備えた。
【解決手段】カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって、礫分を含む掘削土砂をカッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベア８と、スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの搬送路の直径よりも小さな直径（Ｄ１）に設定された搬出経路３５を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管２５とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することが可能であって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能な泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
掘削土砂に添加材を添加して塑性流動性と不透水性を持つ泥土を作成することにより、スクリューコンベアによる円滑な排土が確保されると共に、スクリューコンベア内にプラグゾーン（止水領域）が形成されて地下水の噴発が防止される。
【０００７】
この種の泥土圧シールドの土砂排出装置は例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の「土圧系気泡シールド掘進装置」は、シールド本体の前頭部に設けたカッターヘッドと、該カッターヘッドの後方に設けた隔壁と、該カッターヘッドと該隔壁との間に形成する土圧室内に対し、該隔壁を貫通して、先端開口部を挿設したスクリューコンベアとを有し、前記隔壁を貫通して該土圧室内に突設した気泡を注入する気泡発生器と、前記スクリューコンベアの後部に設けた排土口と坑外に設置されたホッパとを液密的に連接する排土用輸送管と、該排土口の近傍の該排土用輸送管上に設けられ、気泡を帯びた掘削土砂を該ホッパに向けて連続的に圧送する圧送ポンプとを備えている。特許文献１では、中央に回転軸を有する軸付きスクリューコンベアで土砂を排土するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平１−３７５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、特にこのような巨礫は、中央に回転軸を有する、通常一般のシールド掘進機用軸付きスクリューコンベアの内径相当で搬送不可能であると共に、当該巨礫を小さく細かく破砕して掘進することは非効率的かつ非現実的である。
【００１０】
巨礫の搬送には、リボン式軸無しスクリューコンベアの採用が考えられる。リボン式軸無しスクリューコンベアは、回転駆動される内筒の内周面に、内筒の長さ方向に連続的に螺旋状のブレードを設けたものである。これにより、中央の回転軸を廃止し、搬送路となる内筒の内径よりも小さければ、巨礫であっても搬送することができる。
【００１１】
しかし、リボン式軸無しスクリューコンベアは、軸付きスクリューコンベアとは異なり、密実な状態で掘削土砂を搬送することができない。特に、巨礫を含む掘削土砂では、巨礫が掘削土砂を押し退けてゴロゴロと不安定に転がり動くため、搬送路内の圧力はきわめて不安定である。
【００１２】
このように掘削土砂を密実な状態で搬送できず、搬送路内の圧力が不安定な場合、スクリューコンベアの回転数などを制御しても、カッターチャンバー内からスクリューコンベアにわたる泥土圧を適切に確保することは難しく、従って切羽土圧との平衡を保つことが困難で、泥土圧シールド工法を安全に施工することはできない。
【００１３】
すなわち、リボン式軸無しスクリューコンベアでは、止水領域となって切羽土圧と対抗するプラグゾーンを適切に確保することができなかった。特に、地下水圧が高圧である場合には、リボン式軸無しスクリューコンベアの採用は、施工上問題であった。
【００１４】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することが可能であって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能な泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置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】
【００１５】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置は、回転カッターにより切羽から掘削され破砕されて、該回転カッター後方のカッターチャンバー内に充満される礫分を含む掘削土砂を、切羽土圧に対抗させながら該カッターチャンバーから外部に排出する泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置において、上記カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路の半径以上であって、礫分を含む掘削土砂を該カッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベアと、該スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの上記搬送路の直径よりも小さな直径に設定された搬出経路を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に空気を供給する空気供給管が接続されることを特徴とする。
【００１７】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に水を供給する給水管が接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置にあっては、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することができ、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置の好適な一実施形態を示す概略側断面図である。
【図２】図１に示した泥土圧シールド掘進機の回転カッターの正面図である。
【図３】図１に示した泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置のリボン式軸無しスクリューコンベアを示す概略断面図である。
【図４】図３に示したリボン式軸無しスクリューコンベアと排土管との接続部分の要部側面図である。
【図５】図４中、Ａ方向矢視図である。
【図６】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置を適用して好適な地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には本実施形態にかかる泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機１の土砂排出装置３０の概略側面図が示されていると共に、図２には当該泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００２１】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、カッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するリボン式軸無しスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００２２】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００２３】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられるハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の周縁に向かって放射状に延出され、各種ビット１３，１４やローラカッター１５が取り付けられる６本のスポーク部１６と、スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、スポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とから構成される。
【００２４】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。すなわち、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００２５】
本実施形態の泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内、スクリューコンベア８内、さらには後述する排土管２５にわたって充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００２６】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、排土管２５からスクリューコンベア８を介してカッターチャンバー５内に生じる泥土圧を、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）で測定し、測定される泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００２７】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００２８】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００２９】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００３０】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００３１】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００３２】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００３３】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内からスクリューコンベア８内に亘る間での土砂の閉塞を監視するために閉塞監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００３４】
閉塞監視手段は、スクリューコンベア８内部に設けられ、スクリューコンベア８で搬送される礫分を含む土砂の温度（排土温度）を計測する温度センサ２３と、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された排土温度が入力されると共に、当該排土温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４とから構成される。
【００３５】
温度センサ２３で計測された排土温度は、閉塞推定用の設定温度と比較され、閉塞を未然に防ぐためのフィードフォワード制御用のデータとして制御盤２４に入力される。排土温度が設定温度に向かう温度上昇傾向が判別されたとき、運転者による手動制御もしくは制御盤２４による自動制御により、注入手段２０〜２２から注入する薬材を増量するようになっている。
【００３６】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の土砂排出装置３０は、上述したリボン式軸無しスクリューコンベア８と、このスクリューコンベア８に接続された排土管２５とから構成される。
【００３７】
リボン式軸無しスクリューコンベア８は、従来周知であって、例えば図３に示すように、搬送路３１となる内筒３２の内周面にその長さ方向に沿って連続的に螺旋状のブレード３３を設け、内筒３２を、固定外筒３４内部に回転自在に支持し、内筒３２の長さ方向端部にリングギアを設けると共に、リングギアに、駆動モータに設けたピニオンを噛み合わせて構成され、駆動モータで内筒３２を回転させることにより、螺旋状のブレード３３で掘削土砂を、カッターチャンバー５内の取り込み端部８ａから排出端部８ｂへ向かって搬送するようになっている。
【００３８】
スクリューコンベア８の搬送路３１、すなわち内筒３２は、礫等で閉塞を起こし易い軸付きスクリューコンベアとは異なり、最大搬送可能礫径Ｍが少なくとも、当該搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって（図４参照）、軸付きスクリューコンベアでは搬送し得ないこのような大きな寸法の礫を搬送することが可能となっている。
【００３９】
このような礫の大きさは、回転カッター２の巨礫取り込み制限区画Ｒで規定される。カッターチャンバー５内に取り込んだ巨礫をスクリューコンベア８で搬送できるように、スクリューコンベア８の搬送路３１の内径は、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさとの関係で設定される。あるいは、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさは、搬送路３１の内径との関係で設定される。
【００４０】
スクリューコンベア８の排出端部８ｂには図４及び図５に示すように、排土管２５が接続され、この排土管２５は、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設されて、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５内部が、掘削土砂の搬出経路３５となる。
【００４１】
スクリューコンベア８の排出端部８ａと排土管２５との接続部には、これら排土管２５の搬出経路３５やスクリューコンベア８の搬送路３１の直径よりも大きな内径で形成された土砂滞留部３８が形成され、この土砂滞留部３８は、スクリューコンベア８から排土管２５へ送り込まれる掘削土砂を一時的に滞留させて、土圧を生じさせつつ円滑に移動させることができるようになっている。
【００４２】
図４に示すように、搬出経路３５の直径Ｄ１、すなわち排土管２５の内径は、スクリューコンベア８から排出される巨礫を受け入れて搬出することが可能であると共に、後述する圧力損失が生じるように、搬送路３１の直径Ｄ２よりも小さく設定される（Ｄ１＜Ｄ２）。排土管２５に受け入れられた掘削土砂は、スクリューコンベア８による掘削土砂の押し出し作用で排土管２５内を流動しつつ、ズリ搬出台車２６に向かって送られる。
【００４３】
スクリューコンベア８からズリ搬出台車２６に達する排土管２５の長さは、搬送経路３５内を流動しつつ送られる掘削土砂の圧力損失によって、当該排土管２５内にプラグゾーン（止水領域）が形成される長さ以上に設定される。圧力損失は、例えば想定される最大の切羽土圧に見合うように、算定され、排土管２５の長さは、このような圧力損失を確保し得る長さに設定される。また、圧力損失は、掘削土砂の塑性流動性などを調整することで変化させることができる。
【００４４】
圧力損失は従来周知の、「流体力学における管内流れの圧力損失の式」を用いて算定することかできる。当然のことながら、排土管２５の内径が大きければ圧力損失は小さくなり、排土管２５の内径が小さければ圧力損失は高くなるので、排土管２５はその内径との関係で、長さが設定される。
【００４５】
排土管２５内部の搬出経路３５を掘削土砂が移動する際の当該圧力損失がすなわち、排土管２５内部での泥土圧発生に寄与し、この泥土圧で止水領域となるプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂等の噴出を防止するようになっている。
【００４６】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置３０は、巨礫であっても円滑に搬送することができるリボン式軸無しスクリューコンベア８に、巨礫を受け入れることができかつプラグゾーンが形成される圧力損失を生じる長さに設定した排土管２５を組み合わせることによって成立するものであって、これにより切羽土圧に対抗する泥土圧を確保しつつ、巨礫を含む掘削土砂をスムーズに排出するようになっている。
【００４７】
排土管２５には、その内部を移動する掘削土砂の流動性を調節するために、搬送経路３５に空気を供給する空気供給管３６が接続される。また、排土管２５には、その内部を移動する掘削土砂の流動性を調節するために、搬送経路３５に水を供給する給水管３７が接続される。これら水や空気は、作泥土材など共に、掘削土砂の塑性流動性を変化させ、排土管２５内部で生じさせる圧力損失、ひいては切羽土圧に対する泥土圧を調整する。
【００４８】
特に、切羽土圧に対して泥土圧が高い場合、具体的には、圧力損失を生じさせる排土管２５の長さが長すぎる場合に、空気や水を排土管２５内の掘削土砂に混入することで、見かけ上、排土管２５の長さを短く設定した状態に調節することができる。
【００４９】
図示例では、空気供給管３６及び給水管３７は、排土管２５のスクリューコンベア８側端部に設けられていて、排土管２５内の掘削土砂の流動性を、排土管２５の上流位置で予め適切に調節することができる。しかしながら、空気供給管３６及び給水管３７は、接続箇所も設置数も、適宜に設定してよい。
【００５０】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、土砂排出装置の作用について説明する。本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置は具体的には、図６に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５１】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５２】
泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたり、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００５３】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００５４】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００５５】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【００５６】
このようにして作泥土材及び気泡材と混合・撹拌された礫分を含む掘削土砂は、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ取り込まれ、さらに排土管２５を経由して、ズリ搬出台車２６に排出される。リボン式軸無しスクリューコンベア８は、内筒３２の螺旋状ブレード３３で、取り込み端部８ａからカッターチャンバー５内の掘削土砂を取り込んで、排出端部８ｂへ向かって搬送する。
【００５７】
リボン式軸無しスクリューコンベア８は、軸付きスクリューコンベアとは異なり、最大搬送可能礫径Ｍを搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上に設定し得るものであって、巨礫を含む掘削土砂であっても、カッターチャンバー５内から取り込んでスムーズに搬送することができる。スクリューコンベア８の排出端部８ｂに達した掘削土砂は、スクリューコンベア８からの押し込み作用で、排土管２５へと送り込まれ、排土管２５はこの押し込み作用で、掘削土砂をズリ搬出台車２６へ向かって搬出していく。排土管２５で搬出される掘削土砂には、空気供給管３６及び給水管３７から適宜に空気や水が混入されて、これにより流動性が調節される。
【００５８】
排土管２５は予め、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定されていて、これにより、排土管２５からスクリューコンベア８を介してカッターチャンバー５内には、切羽土圧に対抗する泥土圧が発生する。これにより、泥土圧と切羽土圧との平衡を保ち、地下水の噴出を防止しながら、シールド掘進機１の推進量と土砂排出装置３０による排土量のバランスを図って、切羽の安定を保ちつつ掘進していく。
【００５９】
泥土圧シールド掘進機１の運転操作において、土圧計で検出される土圧値と設定土圧値とを比較していて、土圧値が大きい場合には、スクリューコンベア８の回転速度を増速し、これにより土圧値が設定土圧値に戻った場合には、スクリューコンベア８の回転速度を復帰させる。土圧値が下がらないときには、掘進速度を減速する。その後、土圧値が設定土圧値に戻った場合には、掘進速度を復帰させる。
【００６０】
他方、土圧値が小さい場合には、スクリューコンベア８の回転速度を減速し、土圧値が設定土圧値に戻った場合には、スクリューコンベア８の回転速度を復帰させる。土圧値が上がらないときには、掘進速度を増速し、その運転状態を継続する。掘進速度は、速い方が好ましいからである。もちろん、土圧値が設定土圧値になったならば、そのときの運転状態で継続運転する。
【００６１】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置３０にあっては、カッターチャンバー５に接続され、最大搬送可能礫径Ｍが搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって、礫分を含む掘削土砂をカッターチャンバー５から搬送するリボン式軸無しスクリューコンベア８と、スクリューコンベア８に接続され、当該スクリューコンベア８の搬送路３１の直径Ｄ２よりも小さな直径Ｄ１に設定された搬出経路３５を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管２５とを備えたので、リボン式軸無しスクリューコンベア８及び排土管２５によって大径の礫を適切に搬送することができると共に、掘削土砂の圧力損失によるプラグゾーンを形成するように長さ設定した排土管２５により、リボン式軸無しスクリューコンベア８の不足な点を補って、泥土圧シールド工法による施工を確保することができる。
【００６２】
すなわち、リボン式軸無しスクリューコンベア８では、掘削土砂を密実な状態で搬送することができず、特に巨礫を含む掘削土砂では、巨礫が掘削土砂を押し退けて不安定に転がり動いて、スクリューコンベア８内の圧力はきわめて不安定であるが、排土管２５を、その搬出経路３５に沿って搬送されていく掘削土砂の圧力損失でプラグゾーンが形成される長さに設定していて、このプラグゾーンの形成により、排土管２５からスクリューコンベア８を介して、カッターチャンバー５内に、切羽土圧との平衡を保ち得る泥土圧を発生させることができ、安全に泥土圧シールド工法を施工することができる。
【００６３】
また、プラグゾーンにより、地下水圧にも適切に抵抗させることができ、噴出発生を防止することができる。
【００６４】
以上説明したように、リボン式軸無しスクリューコンベア８に、その欠点を補うために、圧力損失でプラグゾーンを形成する排土管２５を組み合わせたことによって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができる。
【００６５】
また、排土管２５に、空気供給管３６や給水管３７を接続するようにしたので、掘削土砂の流動性を調節して圧力損失をコントロールすることができ、排土管２５内で閉塞等が発生することを防止しつつ、適切にプラグゾーンを形成することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
５ カッターチャンバー
８ リボン式軸無しスクリューコンベア
２５ 排土管
３０ 土砂排出装置
３１ スクリューコンベアの搬送路
３５ 排土管の搬出経路
３６ 空気供給管
３７ 給水管
Ｚ 切羽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することが可能であって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能な泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
掘削土砂に添加材を添加して塑性流動性と不透水性を持つ泥土を作成することにより、スクリューコンベアによる円滑な排土が確保されると共に、スクリューコンベア内にプラグゾーン（止水領域）が形成されて地下水の噴発が防止される。
【０００７】
この種の泥土圧シールドの土砂排出装置は例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の「土圧系気泡シールド掘進装置」は、シールド本体の前頭部に設けたカッターヘッドと、該カッターヘッドの後方に設けた隔壁と、該カッターヘッドと該隔壁との間に形成する土圧室内に対し、該隔壁を貫通して、先端開口部を挿設したスクリューコンベアとを有し、前記隔壁を貫通して該土圧室内に突設した気泡を注入する気泡発生器と、前記スクリューコンベアの後部に設けた排土口と坑外に設置されたホッパとを液密的に連接する排土用輸送管と、該排土口の近傍の該排土用輸送管上に設けられ、気泡を帯びた掘削土砂を該ホッパに向けて連続的に圧送する圧送ポンプとを備えている。特許文献１では、中央に回転軸を有する軸付きスクリューコンベアで土砂を排土するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平１−３７５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、特にこのような巨礫は、中央に回転軸を有する、通常一般のシールド掘進機用軸付きスクリューコンベアの内径相当で搬送不可能であると共に、当該巨礫を小さく細かく破砕して掘進することは非効率的かつ非現実的である。
【００１０】
巨礫の搬送には、リボン式軸無しスクリューコンベアの採用が考えられる。リボン式軸無しスクリューコンベアは、回転駆動される内筒の内周面に、内筒の長さ方向に連続的に螺旋状のブレードを設けたものである。これにより、中央の回転軸を廃止し、搬送路となる内筒の内径よりも小さければ、巨礫であっても搬送することができる。
【００１１】
しかし、リボン式軸無しスクリューコンベアは、軸付きスクリューコンベアとは異なり、密実な状態で掘削土砂を搬送することができない。特に、巨礫を含む掘削土砂では、巨礫が掘削土砂を押し退けてゴロゴロと不安定に転がり動くため、搬送路内の圧力はきわめて不安定である。
【００１２】
このように掘削土砂を密実な状態で搬送できず、搬送路内の圧力が不安定な場合、スクリューコンベアの回転数などを制御しても、カッターチャンバー内からスクリューコンベアにわたる泥土圧を適切に確保することは難しく、従って切羽土圧との平衡を保つことが困難で、泥土圧シールド工法を安全に施工することはできない。
【００１３】
すなわち、リボン式軸無しスクリューコンベアでは、止水領域となって切羽土圧と対抗するプラグゾーンを適切に確保することができなかった。特に、地下水圧が高圧である場合には、リボン式軸無しスクリューコンベアの採用は、施工上問題であった。
【００１４】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することが可能であって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能な泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置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】
【００１５】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置は、回転カッターにより切羽から掘削され破砕されて、該回転カッター後方のカッターチャンバー内に充満される礫分を含む掘削土砂を、切羽土圧に対抗させながら該カッターチャンバーから外部に排出する泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置において、上記カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路の半径以上であって、礫分を含む掘削土砂を該カッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベアと、該スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの上記搬送路の直径よりも小さな直径に設定された搬出経路を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に空気を供給する空気供給管が接続されることを特徴とする。
【００１７】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に水を供給する給水管が接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置にあっては、巨礫の搬送が可能なリボン式軸無しスクリューコンベアを用いることを前提として、切羽土圧に対抗する泥土圧を確保することができ、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置の好適な一実施形態を示す概略側断面図である。
【図２】図１に示した泥土圧シールド掘進機の回転カッターの正面図である。
【図３】図１に示した泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置のリボン式軸無しスクリューコンベアを示す概略断面図である。
【図４】図３に示したリボン式軸無しスクリューコンベアと排土管との接続部分の要部側面図である。
【図５】図４中、Ａ方向矢視図である。
【図６】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置を適用して好適な地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には本実施形態にかかる泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機１の土砂排出装置３０の概略側面図が示されていると共に、図２には当該泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００２１】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、カッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するリボン式軸無しスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００２２】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００２３】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられるハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の周縁に向かって放射状に延出され、各種ビット１３，１４やローラカッター１５が取り付けられる６本のスポーク部１６と、スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、スポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とから構成される。
【００２４】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。すなわち、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００２５】
本実施形態の泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内、スクリューコンベア８内、さらには後述する排土管２５にわたって充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００２６】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、排土管２５からスクリューコンベア８を介してカッターチャンバー５内に生じる泥土圧を、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）で測定し、測定される泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００２７】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００２８】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００２９】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００３０】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００３１】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００３２】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００３３】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内からスクリューコンベア８内に亘る間での土砂の閉塞を監視するために閉塞監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００３４】
閉塞監視手段は、スクリューコンベア８内部に設けられ、スクリューコンベア８で搬送される礫分を含む土砂の温度（排土温度）を計測する温度センサ２３と、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された排土温度が入力されると共に、当該排土温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４とから構成される。
【００３５】
温度センサ２３で計測された排土温度は、閉塞推定用の設定温度と比較され、閉塞を未然に防ぐためのフィードフォワード制御用のデータとして制御盤２４に入力される。排土温度が設定温度に向かう温度上昇傾向が判別されたとき、運転者による手動制御もしくは制御盤２４による自動制御により、注入手段２０〜２２から注入する薬材を増量するようになっている。
【００３６】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の土砂排出装置３０は、上述したリボン式軸無しスクリューコンベア８と、このスクリューコンベア８に接続された排土管２５とから構成される。
【００３７】
リボン式軸無しスクリューコンベア８は、従来周知であって、例えば図３に示すように、搬送路３１となる内筒３２の内周面にその長さ方向に沿って連続的に螺旋状のブレード３３を設け、内筒３２を、固定外筒３４内部に回転自在に支持し、内筒３２の長さ方向端部にリングギアを設けると共に、リングギアに、駆動モータに設けたピニオンを噛み合わせて構成され、駆動モータで内筒３２を回転させることにより、螺旋状のブレード３３で掘削土砂を、カッターチャンバー５内の取り込み端部８ａから排出端部８ｂへ向かって搬送するようになっている。
【００３８】
スクリューコンベア８の搬送路３１、すなわち内筒３２は、礫等で閉塞を起こし易い軸付きスクリューコンベアとは異なり、最大搬送可能礫径Ｍが少なくとも、当該搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって（図４参照）、軸付きスクリューコンベアでは搬送し得ないこのような大きな寸法の礫を搬送することが可能となっている。
【００３９】
このような礫の大きさは、回転カッター２の巨礫取り込み制限区画Ｒで規定される。カッターチャンバー５内に取り込んだ巨礫をスクリューコンベア８で搬送できるように、スクリューコンベア８の搬送路３１の内径は、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさとの関係で設定される。あるいは、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさは、搬送路３１の内径との関係で設定される。
【００４０】
スクリューコンベア８の排出端部８ｂには図４及び図５に示すように、排土管２５が接続され、この排土管２５は、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設されて、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５内部が、掘削土砂の搬出経路３５となる。
【００４１】
スクリューコンベア８の排出端部８ａと排土管２５との接続部には、これら排土管２５の搬出経路３５やスクリューコンベア８の搬送路３１の直径よりも大きな内径で形成された土砂滞留部３８が形成され、この土砂滞留部３８は、スクリューコンベア８から排土管２５へ送り込まれる掘削土砂を一時的に滞留させて、土圧を生じさせつつ円滑に移動させることができるようになっている。
【００４２】
図４に示すように、搬出経路３５の直径Ｄ１、すなわち排土管２５の内径は、スクリューコンベア８から排出される巨礫を受け入れて搬出することが可能であると共に、後述する圧力損失が生じるように、搬送路３１の直径Ｄ２よりも小さく設定される（Ｄ１＜Ｄ２）。排土管２５に受け入れられた掘削土砂は、スクリューコンベア８による掘削土砂の押し出し作用で排土管２５内を流動しつつ、ズリ搬出台車２６に向かって送られる。
【００４３】
スクリューコンベア８からズリ搬出台車２６に達する排土管２５の長さは、搬送経路３５内を流動しつつ送られる掘削土砂の圧力損失によって、当該排土管２５内にプラグゾーン（止水領域）が形成される長さ以上に設定される。圧力損失は、例えば想定される最大の切羽土圧に見合うように、算定され、排土管２５の長さは、このような圧力損失を確保し得る長さに設定される。また、圧力損失は、掘削土砂の塑性流動性などを調整することで変化させることができる。
【００４４】
圧力損失は従来周知の、「流体力学における管内流れの圧力損失の式」を用いて算定することかできる。当然のことながら、排土管２５の内径が大きければ圧力損失は小さくなり、排土管２５の内径が小さければ圧力損失は高くなるので、排土管２５はその内径との関係で、長さが設定される。
【００４５】
排土管２５内部の搬出経路３５を掘削土砂が移動する際の当該圧力損失がすなわち、排土管２５内部での泥土圧発生に寄与し、この泥土圧で止水領域となるプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂等の噴出を防止するようになっている。
【００４６】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置３０は、巨礫であっても円滑に搬送することができるリボン式軸無しスクリューコンベア８に、巨礫を受け入れることができかつプラグゾーンが形成される圧力損失を生じる長さに設定した排土管２５を組み合わせることによって成立するものであって、これにより切羽土圧に対抗する泥土圧を確保しつつ、巨礫を含む掘削土砂をスムーズに排出するようになっている。
【００４７】
排土管２５には、その内部を移動する掘削土砂の流動性を調節するために、搬送経路３５に空気を供給する空気供給管３６が接続される。また、排土管２５には、その内部を移動する掘削土砂の流動性を調節するために、搬送経路３５に水を供給する給水管３７が接続される。これら水や空気は、作泥土材など共に、掘削土砂の塑性流動性を変化させ、排土管２５内部で生じさせる圧力損失、ひいては切羽土圧に対する泥土圧を調整する。
【００４８】
特に、切羽土圧に対して泥土圧が高い場合、具体的には、圧力損失を生じさせる排土管２５の長さが長すぎる場合に、空気や水を排土管２５内の掘削土砂に混入することで、見かけ上、排土管２５の長さを短く設定した状態に調節することができる。
【００４９】
図示例では、空気供給管３６及び給水管３７は、排土管２５のスクリューコンベア８側端部に設けられていて、排土管２５内の掘削土砂の流動性を、排土管２５の上流位置で予め適切に調節することができる。しかしながら、空気供給管３６及び給水管３７は、接続箇所も設置数も、適宜に設定してよい。
【００５０】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、土砂排出装置の作用について説明する。本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置は具体的には、図６に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５１】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５２】
泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたり、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００５３】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００５４】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００５５】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【００５６】
このようにして作泥土材及び気泡材と混合・撹拌された礫分を含む掘削土砂は、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ取り込まれ、さらに排土管２５を経由して、ズリ搬出台車２６に排出される。リボン式軸無しスクリューコンベア８は、内筒３２の螺旋状ブレード３３で、取り込み端部８ａからカッターチャンバー５内の掘削土砂を取り込んで、排出端部８ｂへ向かって搬送する。
【００５７】
リボン式軸無しスクリューコンベア８は、軸付きスクリューコンベアとは異なり、最大搬送可能礫径Ｍを搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上に設定し得るものであって、巨礫を含む掘削土砂であっても、カッターチャンバー５内から取り込んでスムーズに搬送することができる。スクリューコンベア８の排出端部８ｂに達した掘削土砂は、スクリューコンベア８からの押し込み作用で、排土管２５へと送り込まれ、排土管２５はこの押し込み作用で、掘削土砂をズリ搬出台車２６へ向かって搬出していく。排土管２５で搬出される掘削土砂には、空気供給管３６及び給水管３７から適宜に空気や水が混入されて、これにより流動性が調節される。
【００５８】
排土管２５は予め、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定されていて、これにより、排土管２５からスクリューコンベア８を介してカッターチャンバー５内には、切羽土圧に対抗する泥土圧が発生する。これにより、泥土圧と切羽土圧との平衡を保ち、地下水の噴出を防止しながら、シールド掘進機１の推進量と土砂排出装置３０による排土量のバランスを図って、切羽の安定を保ちつつ掘進していく。
【００５９】
泥土圧シールド掘進機１の運転操作において、土圧計で検出される土圧値と設定土圧値とを比較していて、土圧値が大きい場合には、スクリューコンベア８の回転速度を増速し、これにより土圧値が設定土圧値に戻った場合には、スクリューコンベア８の回転速度を復帰させる。土圧値が下がらないときには、掘進速度を減速する。その後、土圧値が設定土圧値に戻った場合には、掘進速度を復帰させる。
【００６０】
他方、土圧値が小さい場合には、スクリューコンベア８の回転速度を減速し、土圧値が設定土圧値に戻った場合には、スクリューコンベア８の回転速度を復帰させる。土圧値が上がらないときには、掘進速度を増速し、その運転状態を継続する。掘進速度は、速い方が好ましいからである。もちろん、土圧値が設定土圧値になったならば、そのときの運転状態で継続運転する。
【００６１】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置３０にあっては、カッターチャンバー５に接続され、最大搬送可能礫径Ｍが搬送路３１の半径（Ｄ２／２）以上であって、礫分を含む掘削土砂をカッターチャンバー５から搬送するリボン式軸無しスクリューコンベア８と、スクリューコンベア８に接続され、当該スクリューコンベア８の搬送路３１の直径Ｄ２よりも小さな直径Ｄ１に設定された搬出経路３５を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管２５とを備えたので、リボン式軸無しスクリューコンベア８及び排土管２５によって大径の礫を適切に搬送することができると共に、掘削土砂の圧力損失によるプラグゾーンを形成するように長さ設定した排土管２５により、リボン式軸無しスクリューコンベア８の不足な点を補って、泥土圧シールド工法による施工を確保することができる。
【００６２】
すなわち、リボン式軸無しスクリューコンベア８では、掘削土砂を密実な状態で搬送することができず、特に巨礫を含む掘削土砂では、巨礫が掘削土砂を押し退けて不安定に転がり動いて、スクリューコンベア８内の圧力はきわめて不安定であるが、排土管２５を、その搬出経路３５に沿って搬送されていく掘削土砂の圧力損失でプラグゾーンが形成される長さに設定していて、このプラグゾーンの形成により、排土管２５からスクリューコンベア８を介して、カッターチャンバー５内に、切羽土圧との平衡を保ち得る泥土圧を発生させることができ、安全に泥土圧シールド工法を施工することができる。
【００６３】
また、プラグゾーンにより、地下水圧にも適切に抵抗させることができ、噴出発生を防止することができる。
【００６４】
以上説明したように、リボン式軸無しスクリューコンベア８に、その欠点を補うために、圧力損失でプラグゾーンを形成する排土管２５を組み合わせたことによって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができる。
【００６５】
また、排土管２５に、空気供給管３６や給水管３７を接続するようにしたので、掘削土砂の流動性を調節して圧力損失をコントロールすることができ、排土管２５内で閉塞等が発生することを防止しつつ、適切にプラグゾーンを形成することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
５ カッターチャンバー
８ リボン式軸無しスクリューコンベア
２５ 排土管
３０ 土砂排出装置
３１ スクリューコンベアの搬送路
３５ 排土管の搬出経路
３６ 空気供給管
３７ 給水管
Ｚ 切羽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転カッターにより切羽から掘削され破砕されて、該回転カッター後方のカッターチャンバー内に充満される礫分を含む掘削土砂を、切羽土圧に対抗させながら該カッターチャンバーから外部に排出する泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置において、
上記カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路の半径以上であって、礫分を含む掘削土砂を該カッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベアと、該スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの上記搬送路の直径よりも小さな直径に設定された搬出経路を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管とを備えたことを特徴とする泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【請求項２】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に空気を供給する空気供給管が接続されることを特徴とする請求項１に記載の泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【請求項３】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に水を供給する給水管が接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【請求項１】
回転カッターにより切羽から掘削され破砕されて、該回転カッター後方のカッターチャンバー内に充満される礫分を含む掘削土砂を、切羽土圧に対抗させながら該カッターチャンバーから外部に排出する泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置において、
上記カッターチャンバーに接続され、最大搬送可能礫径が搬送路の半径以上であって、礫分を含む掘削土砂を該カッターチャンバーから搬送するリボン式軸無しスクリューコンベアと、該スクリューコンベアに接続され、当該スクリューコンベアの上記搬送路の直径よりも小さな直径に設定された搬出経路を有し、搬出する掘削土砂の圧力損失によってプラグゾーンが形成される長さ以上に設定された排土管とを備えたことを特徴とする泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【請求項２】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に空気を供給する空気供給管が接続されることを特徴とする請求項１に記載の泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【請求項３】
前記排土管には、掘削土砂の流動性を調節するために、前記搬出経路に水を供給する給水管が接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の泥土圧シールド掘進機の土砂排出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２２２５９（Ｐ２０１２−１２２２５９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４１１９（Ｐ２０１０−２７４１１９）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
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