(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上向きシールド掘進機のシールドフレーム内に、上向きに形成された掘削坑の内面に組み立てられたセグメントに反力をとる第１推進ジャッキと、下方の基盤から上記掘削坑を通って上方に積み重ねられた反力受け部材に反力をとる第２推進ジャッキとを設け、
上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキを共に伸長させて掘進機を上方に押し上げることで、掘進機に加わる反力を既設のセグメント及び反力受け部材の２系統に分担させ、その後、第１推進ジャッキ又は第２推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、他方の伸長状態の推進ジャッキによって掘進機の自重及び掘進機上方の土砂の重量を既設のセグメント又は反力受け部材に支持しつつ、収縮された一方の推進ジャッキと既設の反力受け部材又はセグメントとの間に、新たな反力受け部材又はセグメントを組み付けるようにしたことを特徴とする上向きシールド掘進機の推進方法。
【請求項２】
上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御を行うようにした請求項１記載の上向きシールド掘進機の推進方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下から地上へ向けて掘削を行う上向きシールド掘進機の推進装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、既設のトンネル内に掘進機本体を上向きに配置し、この掘進機本体を上方へ発進させて地下から地上へ向けて縦穴の掘削を行う上向きシールド掘進機が開発されている。
【０００３】
この種の上向きシールド掘進機は、当該掘進機により上向きに形成された掘削坑（縦穴）の内面にセグメントを組み立て、そのセグメントに反力をとって上方へ推進するようにしていた。すなわち、従来の上向きシールド掘進機は、シールドフレーム内に周設された推進ジャッキを伸長させ、その先端を既設セグメントに当接させて反力をとり、上方に推進するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように既存の横向きシールド掘進機を、単に縦向きに配置しただけであると、次のような問題が生じる。
【０００５】
上向き掘進では反重力方向に推力をかけるため、セグメントの組立時に該当する推進ジャッキを収縮させて荷重を抜くと、上向きに配置されたシールド掘進機の機体のバランスが崩れやすい。よって、真っ直ぐ掘ることが困難であり、安全性上も問題がある。
【０００６】
また、反重力方向に進むため、上記推進ジャッキに大きな推力が必要となる。よって、その反力をセグメントだけで受けると、セグメントに過大な負荷荷重がかかって破損する虞もある。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、セグメント組立時に機体バランスを良好に維持でき、セグメントに加わる負荷荷重を低減できる上向きシールド掘進機の推進装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、上向きシールド掘進機のシールドフレーム内に、上向きに形成された掘削坑の内面に組み立てられたセグメントに反力をとる第１推進ジャッキと、下方の基盤から上記掘削坑を通って上方に積み重ねられた反力受け部材に反力をとる第２推進ジャッキとを設け、上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキを共に伸長させて掘進機を上方に押し上げることで、掘進機に加わる反力を既設のセグメント及び反力受け部材の２系統に分担させ、その後、第１推進ジャッキ又は第２推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、他方の伸長状態の推進ジャッキによって掘進機の自重及び掘進機上方の土砂の重量を既設のセグメント又は反力受け部材に支持しつつ、収縮された一方の推進ジャッキと既設の反力受け部材又はセグメントとの間に、新たな反力受け部材又はセグメントを組み付けるようにしたことを特徴とする上向きシールド掘進機の推進方法である。
【０００９】
また、上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御を行うようにしてもよい。
【００１０】
上記推進方法によれば、上方への掘進時に、上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキを共に伸長させてシールドフレームを上方に押し上げ、第１推進ジャッキからセグメントの経路と、第２推進ジャッキから反力受け部材の経路との２系統によって推力を取る。よって、上方掘進時にセグメントに加わる負荷荷重が低減する。
【００１１】
また、セグメント１リング分掘進終了後、第１推進ジャッキ又は第２推進ジャッキのいずれか一方の推進ジャッキのみを収縮させ、収縮された第１推進ジャッキと既設のセグメントとの間又は収縮された第２推進ジャッキと反力受け部材との間に形成されるスペースに、新たなセグメント又は反力受け部材を組み付け、収縮されない方の伸長状態の第１推進ジャッキ又は第２推進ジャッキによって掘進機に加わる荷重（自重＋掘進機上方の土砂の重量）を支持するようにしたので、セグメントに加わる荷重負担を、掘進中のみならず新たなセグメント及び反力受け部材の組付中にも減らすことができる。
【００１２】
また、上記第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキにストロークセンサを取り付け、第１推進ジャッキ及び第２推進ジャッキの伸長ストロークを制御することで、方向制御が行える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る推進装置を備えた上向きシールド掘進機の側断面図を示すものである。図示するように、上方に掘進すべく鉛直に配置された円筒状のシールドフレーム１の頂部に、切羽２と坑内３とを仕切るすり鉢状の隔壁４が設けられている。隔壁４によって仕切られたカッタ室５には、モータ６により回転駆動されるカッタ７によって、掘削土砂が取り込まれる。
【００１５】
このようにして取り込まれたカッタ室５内の土砂は、排土装置８によって排土され、土砂移送管９および反力受けケーシング１０（特許請求の範囲の反力受け部材に相当する）を通して下方に搬送される。排土装置８は、一端がカッタ室５に接続され他端が下方に延出された排土管１１と、排土管１１内に収容されモータ１２によって回転駆動される回転軸１３と、回転軸１３に取り付けられ排土間１１内の土砂を攪拌して流動化させるパドル１４と、回転軸１３の上部に取り付けられ土砂取込室５内の土砂を攪拌する混練翼１５とから構成されている。
【００１６】
この構成によれば、回転軸１３が回転すると、混練翼１５が土砂取込室５内の土砂を攪拌すると共に、パドル１４が上下方向に形成された排土管１１内の土砂を攪拌するため、カッタ室５内および排土管１１内の土砂が流動化する。すると、流動化された土砂が、重力の作用および切羽２の土圧によって排土管１１内を重力方向下方に落下し、土砂移送管９および反力受けケーシング１０を通して下方に排土されるのである。
【００１７】
排土量は、排土管１１の中央部１１ａに設けられたゲート１６によって調節される。ゲート１６は、水平方向の左右に近接離間移動する一組の板体１７からなり、各板体１７に回転軸１３を避ける半円状の逃げ部が形成されて構成されている。これらの板体１７は、図示しない油圧ジャッキ等で近接離間移動され、排土管１１の通過面積を全閉から前開まで可変とする（図５参照）。かかるゲート１６は、排土量を調節するのみならず、切羽２の土圧を所望の圧力に保つ機能をも発揮する。このゲート１６を通過した土砂は、土砂移送管９に導かれる。
【００１８】
土砂移送管９は、排土管１１の下端部に接続された内管９ａと、その内管９ａの外周にスライド自在に被嵌された外管９ｂとから構成されている（図５参照）。内管９ａと外管９ｂとの重合長さは、少なくともセグメント１８の１リング分以上の長さとなっている。外管９ｂには、反力受けブラケット１９が設けられており、この反力受けブラケット１９と隔壁２０との間には、第２推進ジャッキ２１が介設されている。第２推進ジャッキ２１は、図２に示すように周方向に所定間隔を隔てて複数配置されており、少なくともセグメント１８の１リング分以上の伸長ストロークを有している。
【００１９】
土砂移送管９の外管９ｂの外周には、鍔状の凸部２２が形成されており、この凸部２２には、セグメント組立装置としてのエレクタ２３が、スラストおよびラジアル軸受２４を介して回転自在に取り付けられている。エレクタ２３は、その外歯ギヤ２５が上記反力受けブラケット１９に設けられたモータ２６のピニオン２７に噛合され、回転駆動されるようになっている。この構成によれば、エレクタ２３は、外管９ｂ、反力受けブラケット１９および第２推進ジャッキ２１を介して隔壁２０に吊下支持される。
【００２０】
外管９ｂの下端部には、パイプ状の反力受けケーシング１０が着脱自在に接続されている。反力受けケーシング１０は、その１単位がセグメント１８の長さと等しい長さに形成されており、それらが軸方向に積層されボルトナット等（図示せず）により締結されて構成されている。両者の長さが等しくないと、長さの違い分が次第に積み重なり、不都合が生じるからである。この反力受けケーシング１０は、図３に示すように下方の既設トンネル２８（特許請求の範囲の基盤に相当する）から掘削坑２９（縦穴）を通って、上方へ延長して形成されている。
【００２１】
すなわち、反力受けケーシング１０は、既設トンネル２８内に構築された支持架台３０の水平梁３１に、支持台３２を介して支持されている。この構成によれば、第２推進ジャッキ２１の反力は、反力受けブラケット１９→土砂移送管９の外管９ｂ→反力受けケーシング１０と伝達され、最終的に既設トンネル２８の支持架台３０に支持される。また、反力受けケーシング１０の根元部１０ａには、排土ゲート３３が設けられている。排土ゲート３３は、反力受けケーシング１０内の土砂を間欠的に排土し、排土を一定量ずつ下方のコンベヤ３４に供給するものである。
【００２２】
他方、シールドフレーム１の内周面には、図１に示すように、掘削坑２９（縦穴）の内面に組み立てられたセグメント１８に反力をとる第１推進ジャッキ３５が設けられている。第１推進ジャッキ３５は、図２に示すように周方向に所定間隔を隔てて複数配置されており、少なくともセグメント１８の１リング分以上の伸長ストロークを有している。セグメント１８は、前述のエレクタ２３によって組み立てられ、縦穴２９の実質的なトンネル壁をなすと共に、第１推進ジャッキ１８の反力受け部材をも兼ねる。
【００２３】
かかるセグメント１８の下端部は、図３に示すように既設トンネル２８の支持架台３０の水平梁３６に、支持台３７を介して支持されている。この構成によれば、第１推進ジャッキ３５の反力は、縦穴２９の実質的なトンネル壁をなす既設セグメント１８を伝達し、その反力の一部または全部が既設セグメント１８と周囲の地盤との側部摩擦により相殺される。そして、その摩擦で受けきれない反力がある場合には、最終的により下方の既設トンネル２８の支持架台３０に支持される。なお、図３中、３８は、既設トンネル２８内から上向きシールド掘進機を発進させる際、土砂が既設トンネル２８内に侵入するのを防止するエントランスシールである。また、図１中、３９は作業員が乗る作業台である。
【００２４】
上記第１推進ジャッキ３５および第２推進ジャッキ２１は、図４に示す油圧回路４０によって作動される。図示するように、第１および第２推進ジャッキ３５，２１の各伸長室４１と収縮室４２とには、それぞれ油圧配管４３，４４が接続されている。収縮室４２側の油圧配管４４には、可変式の流量制御弁４５が介設され、これと併行に逆止弁４６が設けられている。上記双方の油圧配管４３，４４には、それぞれ電磁切換弁４７，４８を介して導油管４９と排油管５０とが接続されている。
【００２５】
導油管４９は、電動モータ５１により駆動される油圧ポンプ５２によって、油槽５３内のオイルをフィルタ５４から吸い込み、そのオイルを逆止弁５５を介して上記第１および第２推進ジャッキ３５，２１へと導くものである。他方、排油管５０は、第１および第２推進ジャッキ３５，２１内のオイルを油槽５３内に返流するものである。これら導油管４９と排油管５０とは、バイパス管５６を介して短絡されている。バイパス管５６には、リリーフ弁５７が介設されている。
【００２６】
リリーフ弁５７は、油圧回路４０内の油圧が設定圧（リリーフ圧）以上に上昇すると、開弁されるようになっている。リリーフ弁５７のリリーフ圧は、電磁ソレノイド５７ａによって可変とできる。また、各電磁切換弁４７，４８は、その左側電磁ソレノイド４７ａ，４８ａ同志または右側電磁ソレノイド４７ｂ，４８ｂ同志が、コントローラ５８（特許請求の範囲の同期装置に相当する）によって同期して又は別個に通電されるようになっている。
【００２７】
なお、図４には、簡略化のため推進１系統に対して１本のジャッキのみを表した回路を示したが、実際には推進１系統に対して図２に示す如き複数のジャッキが並列に設けられている。
【００２８】
以上の構成からなる本実施形態の作用について述べる。
【００２９】
上向きに推進するときには、図４のコントローラ５８によって双方の電磁切換弁４７，４８の左側電磁ソレノイド４７ａ，４８ａを同時に通電する。すると、第１および第２推進ジャッキ３５，２１の各伸長室４１，４１内にそれぞれオイルが流入し、図５に示すように各ジャッキ３５，２１のロッド部３５ａ，２１ａが伸長する。
【００３０】
このとき、各推進ジャッキ３５，２１の収縮室４２，４２から排油されるオイル量を流量制御弁４５，４５で調節することにより、各ロッド部３５ａ，２１ａの伸長速度が調節される。従って、各流量制御弁４５，４５を適切に設定することにより、各ロッド部３５ａ，２１ａの伸長速度の同調がとれ、鉛直に真っ直ぐに掘ることができる。なお、各ジャッキ３５，２１の伸長に伴って、土砂移送管９の内管９ａが、外管９ｂに対して上方に引き上げられる。
【００３１】
第１推進ジャッキ３５のロッド部３５ａは、既設セグメント１８に反力をとって掘進機Ｓを上方に押上げ、第２推進ジャッキ２１のロッド部２１ａは、反力受けケーシング１０に反力をとって掘進機Ｓを上方に押上げる。このとき、上向きの推力は、第１推進ジャッキ３５→セグメント１８→既設セグメント１８の周囲の地盤との側部摩擦→支持架台３０（図３参照）の経路と、第２推進ジャッキ２１→反力受けブラケット１９→土砂移送管９の外管９ｂ→反力受けケーシング１０→支持架台３０の経路との２系統に分けられる。
【００３２】
このため、セグメント１８にのみ反力をとっていた従来のものと比べると、セグメント１８に加わる負荷荷重が大幅に低減する。よって、セグメント１８の破損を防止できる。また、上向きの推力は、第１推進ジャッキ３５による外周部分（セグメント１８）と第２推進ジャッキ２１による中心部分（反力受けケーシング１０）とにバランスよく振り分けられる。このように、推力をかける場所がバランスよく配置されるため、掘進中に機体Ｓのバランスを崩しにくく、真っ直ぐに掘れる。
【００３３】
また、上向きの推力を第１推進ジャッキ３５と第２推進ジャッキ２１との２系統に分けたので、各ジャッキ３５，２１の必要推力すなわち直径を小さくできると共に、各ジャッキ３５，２１の必要本数を少なくできる。よって、第１および第２推進ジャッキ３５，２１の設置スペースが小さくなり、これらジャッキ３５，２１を狭隘なシールドフレーム１内に無理なく収容できる。特に、図２に示すように第１推進ジャッキ３５と第２推進ジャッキ２１とを周方向に沿って交互に配置すれば、よりコンパクトに構成できる。
【００３４】
このようにしてセグメント１８の１リング分の組み立てが可能になる長さ（すなわちセグメント１リング分の長さ＋セグメント組立てに必要な間隙）の掘進が終了後したならば、各推進ジャッキ３５，２１の電磁切換弁４７，４８への通電をカットして中立位置にし、その伸長を停止させる。そして、第２推進ジャッキ２１の電磁切換弁４８の右側電磁ソレノイド４８ｂのみを通電し、図６に示すように第２推進ジャッキ２１のロッド部２１ａを収縮させる。このとき、掘進機Ｓに加わる荷重は第１推進ジャッキ３５のみでセグメント１８に支持されるが、この荷重は掘進機Ｓの自重および掘進機Ｓ上方の土砂の重量のみであり、推進反力を含まない。よって、セグメント１８が破損することはない。
【００３５】
その後、図６に示すように、エレクタ２３に設けられたウインチ５９によって、反力受けケーシング１０の１単位を図３に示す既設トンネル２８から吊り上げ、それを作業台２９上の作業員が既設の反力受けケーシング１０の上端部１０ｘにボルト止めする。反力受けケーシング１０は、パイプ状のもの又はそれを半割りにしたもの等が用いられる。新たにボルト止めされた反力受けケーシング１０の上端部１０ｙは、外管９ｂの下端部９ｙとの間に僅かな隙間を形成する。この隙間は、反力受けケーシング１０の１単位の長さとセグメント１８の１ピースの長さが等しいため、第１推進ジャッキ３５を適宜伸長させることによって確保できる。
【００３６】
その後、第２推進ジャッキ２１を上記隙間分だけ伸長させて外管９ｂの下端部９ｙを下降させ、新たにボルト止めされた反力受けケーシング１０の上端部１０ｙに当接させる。外管９ｂの下端部９ｙが反力受けケーシング１０の上端部１０ｙに当接すると、図４の油圧回路４０内の油圧が高まるため、リリーフ弁５７が開いて過剰な油圧を逃がす。よって、過剰な力が反力受けケーシング１０に加わることはない。また、第１推進ジャッキ３５のロッド部３５ａがセグメント１８から浮き上がることもない。こうして、外管９ｂの下端部９ｙが反力受けケーシング１０の上端部１０ｙに当接したならば、これらをボルト止めする。
【００３７】
次に、図７に示すように、セグメント組立箇所にあたる第１推進ジャッキ３５のロッド部３５ａを縮め、セグメント１８を１リング分順に組み立てる。これは、該当する第１推進ジャッキ３５の電磁切換弁４７の右側電磁ソレノイド４７ｂを通電し、該当外の第１推進ジャッキ３５の電磁切換弁４７および第２推進ジャッキ２１の電磁切換弁４８を、中立状態または左側電磁ソレノイド４７ａ，４８ａ通電状態として行われる。
【００３８】
このとき、掘進機Ｓにかかる荷重は、縮めてない部分の第１推進ジャッキ３５と第２推進ジャッキ２１とで支持される。これら第１および第２推進ジャッキ３５，２１は、掘進機Ｓにかかる荷重をバランスよく支持する。何故なら、第１推進ジャッキ３５は外周部分（セグメント１８）を周方向に沿って支持し、第２推進ジャッキ２１は中心部分（反力受けケーシング１０）を支持するからである。よって、セグメント組立時に、機体Ｓのバランスを良好に維持でき、真っ直ぐに掘ることができる。
【００３９】
なお、既設の反力受けケーシング１０を全て繋いだ状態で第２推進ジャッキを縮め、図３に示す既設ケーシング１０を仕切弁３３のある最下端のものを除いて全て引上げて、下方の既設トンネル２８内でケーシング１０を継ぎ足す方法をとってもよい。
【００４０】
セグメント１８は、図８に示すように、隣接するセグメント１８同志を締結するためのボルト穴６０に、ウインチ５９のワイヤ６１の先端の設けられたフック部６２が索６０ａを介して係合され、巻き上げられる。そして、図９に示すように、セグメント１８の端部１８ｘがエレクタ２３の当接部６３に当接したならば、セグメント１８の中央部に螺合されたピン６４を、エレクタ２３の係合ブラケット６５にボルト等で結合する。これにより、セグメント１８は、高い支持剛性でエレクタ２３に支持される。
【００４１】
エレクタ２３に支持されたセグメント１８は、モータ２６によって周方向に移動され、ジャッキ６６によって径方向（水平方向）に移動され、ジャッキ６７によって軸方向（上下方向）に移動されて、所望の組付位置に移動される。そして、図１０に示すように既設のセグメント１８にボルトナットによって組み付けられるのである。
【００４２】
セグメント組付後は、それまで縮められていた組付位置に該当する第１推進ジャッキ３５の電磁切換弁４７の左側電磁ソレノイド４７ａを通電し、そのジャッキ３５のロッド部３５ａを新たに組み付けられたセグメント１８に当接するまで伸長させる。ロッド部３５ａがセグメント１８に当接すると、図４において油圧回路４０内の油圧が高まるため、リリーフ弁５７が開いて過剰な油圧を逃がす。よって、セグメント１８に過剰が荷重が加わることはなく、セグメント１８の破損が防止される。
【００４３】
なお、各推進ジャッキ３５，２１にストロークセンサを取り付けて、ストローク制御するようにしてもよい。この場合、各ジャッキ３５，２１のストローク量を調節することにより、容易に方向制御（斜め掘進）を行うことができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる上向きシールド掘進機の推進装置によれば、次にような優れた効果を発揮できる。
【００４５】
（１）請求項１に係る発明によれば、上向き掘進時及びセグメント組立時に、セグメントに加わる負荷荷重を低減できる。
【００４６】
（２）請求項２に係る発明によれば、更に方向制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る推進装置を備えた上向きシールド掘進機の側断面図である。
【図２】図１の II-II線断面図である。
【図３】上記上向きシールド掘進機の発進部分を示す図である。
【図４】上記推進装置を構成する第１推進ジャッキと第２推進ジャッキとの油圧回路を示す図である。
【図５】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図６】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図７】上記推進装置を作動させて上向きシールド掘進機を推進させる様子を示す図である。
【図８】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【図９】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【図１０】エレクタによってセグメントを組み付ける様子を示す図である。
【符号の説明】
１  シールドフレーム
１０  反力受け部としての反力受けケーシング
１８  セグメント
２１  第２推進ジャッキ
２８  基盤としての既設トンネル
２９  掘削坑
３５  第１推進ジャッキ
５８  同期装置としてのコントローラ
Ｓ  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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