(57)【要約】      （修正有）【課題】トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）が地中を掘削するときに発生する、振動の地盤への伝播を低減するＴＢＭを提供する。【解決手段】シールドタイプのトンネルボーリングマシンＡにおいて、マシンＡ前方のカッターヘッド２と、その後方に連設するトンネルボーリングマシン本体１にあるスキンプレート９の外周又は内部のいずれかの一部又は全体に振動防止用緩衝材４、１６を設置することにより、地盤を通して地表や地中に伝播する振動を減衰する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤、砂礫や玉石層の硬質層や、砂層やシルト層などの軟質層の双方又はいずれかを掘進するトンネルボーリングマシンにおいて、
トンネルボーリングマシン前方のカッターヘッドなどの掘削機構と、その後方に連設するスキンプレートなどの推進機構の外周又は内部のいずれかの一部又は全体と、のいずれか、又は双方に振動防止用緩衝材を設置することにより、前記トンネルボーリングマシンの掘進時における振動を防止することを特徴とするトンネルボーリングマシン。
【請求項２】
前記スキンプレートの外周又は内部のいずれかの一部又は全体に設置した振動防止用緩衝材が、硬質ウレタン樹脂、炭素繊維、あるいはガラス繊維で補強されたウレタン樹脂、双晶型制振合金、耐圧性ゴム、耐圧マット、繊維積層発砲モルタル、または炭素繊維のいずれかの弾性板状体か、トンネル軸方向又は円周方向に多数の耐圧チューブなどの環状中空体を並べ、これら中空体に外殻の弾性板を添着した複合制振体か、のいずれかを装備した請求項１に記載のトンネルボーリングマシン。
【請求項３】
前記弾性板の環状中空体が、耐圧チューブの加圧弾性体からなり、その中に硬質発砲ウレタン樹脂液、オイル、グリース、高分子吸水材のいずれかを圧入した複合制振体を装備した請求項２に記載のトンネルボーリングマシン。
【請求項４】
前記カッターヘッドに設置した振動防止用緩衝材が、そのカッターヘッドの本体とその外面に固着した多数の掘削ビット間に、介在し、前記緩衝材が軟質の金属か合金の弾性板状体であることを特徴とする請求項１に記載のトンネルボーリングマシン。
【請求項５】
前記スキンプレートの内部の一部にある振動防止用緩衝材を、前記スキンプレートとカッター駆動装置間に介在したものである請求項１に記載のトンネルボーリングマシン。
【請求項６】
前記スキンプレートの内部に設置した振動防止用緩衝材を、トンネルボーリングマシンを掘進する推進ジャッキと、その前面にある反力台と、前記推進ジャッキの後部にあるスプレッダとセグメントとの間に設けた請求項１に記載のトンネルボーリングマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドタイプのトンネルボーリングマシン（以下ＴＢＭとする）、すなわち岩盤や砂礫層、玉石層、砂層、シルト層の少なくとも１以上を含む地盤を掘進するＴＢＭに関する。
ＴＢＭは、カッタービット、カッターヘッド回輪、カッターヘッド支持機構、カッターモーターなどからなる掘削機構と、スキンプレート、推進ジャッキ、スプレッダ、反力台、グリッパーなどからなる推進機構と、スクリューコンベア、ベルトコンベア、送排泥管などからなる排土機構とで構成される。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市部やその近郊では、上下水道や発電導水路、又は各種交通網等を旧来の発破掘削に代わり、ＴＢＭで掘進してトンネルを施工する必要が増大している。ＴＢＭを用いて掘削する場合、ＴＢＭの振動が掘削前方やその周囲から地盤を通して伝播して、近隣の住民から安眠できない、或いは近辺企業において精密機械に振動が伝播することにより製品精度が悪くなる、といった苦情により、トンネルの完成が遅れたり、構築に掛かるコストが増大するといった問題が生じている（非特許文献１）。具体的には、前記ＴＢＭの振動や振動に基づく騒音は、その前部にあるカッターヘッドが回動して掘削ビットが切羽を掘削する際に地盤前方へ振動が生じるだけでなく、カッターヘッド後方の駆動部から発生する振動がＴＢＭ本体とその後方周囲から地盤を介して周辺地盤へも振動（騒音は、振動の一種であり、以後振動に含める）が伝播するといったことが、前記問題となっている。
【０００３】
前記非特許文献１では、集合住宅の直下のＴＢＭの掘削時（平均日進８．５ｍ）に振動の特徴を把握するための計測を実施し、平均５５ｄＢ、最大６０ｄＢとなったことにより、集合住宅の直下の掘削に際しては昼間のみの施工としたことで、住民からの苦情も少なくなって掘削を終えることができたとしている。そして、その場合のＴＢＭの概要は、図６に示すように、ＴＢＭ１００として掘削ビット１０３を設けたカッターヘッド１０２と、その後部にある隔壁１１３に取り付けたモーター等のカッター駆動装置１０５を内蔵するＴＢＭ本体１０１等とからなる。また、カッター駆動装置１０５の後方では、その装置の駆動と、セグメント１０６に当接した推進ジャッキ１０４用スプレッダが、前記セグメント１０６で反力を取って、前記カッターヘッド１０２でＴＢＭを推進することとあいまって、振動Ｖ１、Ｖ２及びＶ３が地盤を介して地表に伝播する。
【０００４】
これら、カッターヘッドの掘削ビット等から発生する振動については、「The Institute of Materials Minerals and Mining Hong Kong Tunneling Conference 2009」にも発表されているように、現在のところ、ＴＢＭの掘進速度を小さくしたり、切込み率を上げるなどの工夫により、振動を減少させている。また、ＴＢＭと近隣住居建物等に近い箇所の地表から地盤中へ遮蔽トレンチ等を設けることにより、騒音防止の効果があるとの研究もあり、この遮蔽トレンチ中にベントナイト溶液と土砂の混合体を充填することが好適であるとも指摘されている。
【０００５】
しかしながら、このようなトレンチは、設置するだけでなく、ＴＢＭが通過した後には復旧しなければならず、しかも設置や復旧費用が必要となり、設置箇所によっては地上を占有する箇所の選択の難しさ、あるいは、交通の障害にもなることもあり、場所によっては設置できない場合もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ＴＢＭによる硬岩掘削に伴う振動、騒音特性について」  土木学会論文集  No.623/VI-43、57-67、1996.6
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主な課題は、ＴＢＭが地中を掘削するときに発生する地盤の振動を低減するＴＢＭ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、地中を掘進するＴＢＭ前方のカッターヘッドと、その後方に連設するＴＢＭ本体のスキンプレートの外周又は内部の一部又は全体と、のいずれか、又は双方に、振動防止用緩衝材を設置することにより、カッターヘッドの回動とＴＢＭ本体内の掘削と推進の各機構によるＴＢＭからの振動を地表に伝播することを減衰させるようにしたものである。
この振動防止用緩衝体として考えられるものとしては、その緩衝体を複合制振体として、制振性を有する合金や防振ゴム加圧流体を封入してTBMの掘進方向又は幅方向に多数配置したゴムチューブ又はゴムマットが好適である。この場合の加圧流体として、気体、ベントナイト、ポリマー流体、又はこれらの混合流体が選定される。また、振動防止用緩衝体を弾性板状体として用いるものとしては、硬質ウレタン樹脂、炭素繊維ガラス繊維で補強されたウレタン樹脂等を使用することもできる。
ここで、振動防止用緩衝材とはカッターヘッドの地質に対する掘削と、カッター駆動装置などの振動源から地盤に伝わる振動を絶縁又は低減する。
【０００９】
前記スキンプレートの外周、又は内部に設けた振動防止用緩衝材としては、前記したものの他に、前記硬質ゴム等の弾性板状体や、トンネル軸方向か周方向に多数の耐圧チューブ内に高圧流体としての空気、オイル、グリース、高分子吸収材、発砲ウレタンなどの単体か、これらと高圧空気との混合物を入れ、そのチューブを上下面を内殻と外殻の平板間で一体にした複合制振体を、用いることもできる。
弾性板状体の一枚か積層板として、直接機械等の振動を抑制するが、複合制振体としてはスキンプレートの内殻とその外周にある外殻間に加圧流体を入れたチューブを配したものを用いると、ＴＢＭ本体から伝わった掘削による振動波がスキンプレートからチューブを介して外殻に伝播する間に減衰し、地盤を経て地上に伝達される。これらにより、減衰された振動が掘削トンネルの近傍の地上住宅等又は美術館などの建築物へ伝わるので、住民等に充分耐えられる振動に減衰することができる。
【００１０】
前記カッターヘッドの弾性板状体をより具体的にすると、カッターヘッド本体に該当するカッタースポークと該スポークの切削面である外面に多数固着した掘削ビットとの間に、振動を抑制する硬質ゴム又は軟質金属合金からなる振動防止用緩衝材を介在するか、ＴＢＭ本体にあるカッター駆動装置の方に前記硬質ゴムとしての弾性板状体を設置するようにすることもできる。
前記した軟質金属合金は鉛などと複合するものがあり、その合金の板状体の具体的なものとして、銅、ニッケル、及び鉄を成分とする双晶型の合金があり、これに荷重を加えると結晶体が容易に移動し、さらに荷重を加えると、既にある結晶体の幅が大きくなるか、別の結晶体と合体して新しい結晶体を生じ、この結晶体の大きさと新たな結晶体の移動により、運動エネルギーが熱エネルギーに変化して振動を吸収し、前記荷重を加えることをやめると、元の無負荷の状態になることが知られている。
なお、本発明における振動防止用緩衝材としては、上記に列挙した材料のみならず本発明の目的にかなう材料、材質や構造であれば適用可能であることは勿論の事である。
【００１１】
前記の外に、振動防止用緩衝材の設置箇所として、トンネルに覆工したセグメントを反力としてＴＢＭで地盤を掘削する推進ジャッキ本体の前面にジャッキ取付部としての反力台と、そのジャッキのスプレッダのセグメント当接面に設置することもできる。
【００１２】
なお、振動防止用緩衝材は、カッターヘッドやＴＢＭ本体の全体でなくとも、直接振動の発生源やその付近に部分的に適宜設置することもできる。
【発明の効果】
【００１３】
ＴＢＭのカッターヘッドなどの掘削機構と、スキンプレートなどの推進機構の外周又は内部のいずれかの一部又は全部と、の一方又は双方に弾性板状体か複合制振体の振動防止用緩衝材を設置することにより、トンネルボーリングマシンで切羽を掘削する時に発生する振動が地盤へ伝わることを防止するために、掘削トンネルの近隣にある人家や建造物設備への振動を含む騒音を低減し、周辺環境を良好に保持する。
また、トンネルボーリングマシン自体の振動を防止することにより、トンネルを構成するセグメントやその継手金物の耐久性を高めることができる。
さらに、従来のように、騒音時、特に夜間の工事の中止や遅延の発生をなくし、遮蔽トレンチを設置する工事等が不要になり、経済上の効果を上げることもできる。
さらにまた、ＴＢＭの転用性を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明であるトンネルボーリングマシン、特にその防音構造を示す概略縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１の円内の拡大図である。
【図５】図１の楕円内の拡大図である。
【図６】従来のトンネルボーリングマシンの概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）を掘削する際に、地盤を通して地表や地中に振動を伝達することを極力制御するために、ＴＢＭのカッターヘッドなどの掘削機構と、ＴＢＭ本体のスキンプレートなどの推進機構の外周又は内部の一部又は全体のいずれか一方、あるいは双方に振動防止用緩衝材を設置することにより、前記振動を減衰するようにした。
【実施例１】
【００１６】
図１と図３に示すように、トンネルボーリングマシンＡはＴＢＭ本体１とカッターヘッド２からなり、そのカッターヘッド２には多数配列した掘削ビット３が例えば弾性板状体４である双晶型合金等の板状体４を介在してカッタースポーク５にネジ６等で固定している。
【００１７】
なお、カッタースポーク５にはカッターヘッドの後方に突出して掘削ズリを攪拌する攪拌翼１０の他に、カッターヘッド支持部６を介して、後述するカッター駆動装置７のカッターヘッド回転体８を連設して、これらによりカッターヘッド２を回転可能にしている。
【００１８】
前記弾性板状体としての振動防止用緩衝材４は、カッターヘッドの回転により岩盤等を掘削する際に、掘削時の振動が吸収されてより小さな振動波となって地盤に伝播し、地表での振動を防止する。
【実施例２】
【００１９】
図１に示すように、前記カッターヘッド２の後部に位置するＴＢＭ本体１は、スキンプレート９と、その内部にあるカッターヘッド支持部６の後部に取り付けたカッターヘッド回転輪８と回転輪を支持するギア付ベアリング８’と、回転輪８の歯車に噛合するピニオンギアー１１付きの減速機付きモーター１２とからなるカッター駆動装置７とからなる。
【００２０】
そこで、図２では本発明の別の実施例であるスキンプレート９の外周には、外殻１４との間に、トンネル軸方向に並行して多数設けた環状中空体１３としての耐圧チューブ１３中に硬質発砲ウレタン樹脂、繊維発砲モルタル、オイル、グリース、高分子ポリマーのいずれかを封入して複合制振体１６としての振動防止用緩衝材１６を形成したものを固着して用いる。外殻１４は、トンネルボーリングマシンから発生する振動の伝達が少ない硬質ゴム構造が望ましく、主として振動防止用緩衝材の摩耗を防止する機能を有す。
【００２１】
また、スキンプレート９の外周には、上記構造の複合制振体１６を用いる他に、硬質ウレタン樹脂、炭素繊維、あるいはガラス繊維を混合したウレタン樹脂等のいずれかの弾性板状体４（図示せず）を用いることもできる。
【００２２】
スキンプレートの外殻１４およびその端部妻部材により環状中空体を形成し、その内部に制振体を充填し、必要により加圧充填することもある。外殻を介して、周囲の土水圧掘進における一時的圧力を受けるため、これに対応する強度については適宜設計で対応できる。
【実施例３】
【００２３】
つぎに、図４に示すように、本発明の他の実施例として、前記弾性板状体４や複合制振体１６である振動防止用緩衝材を、スキンプレートの外部と、スキンプレート９とカッター駆動装置の間に介在することで、カッターヘッドからの掘削振動を減衰させて、スキンプレート９へ伝達させるようにしている。
【実施例４】
【００２４】
さらに、本発明の別の実施例として、図５において、前記カッター駆動装置７の後方にあるスキンプレート９の内側に、推進ジャッキ１９をジャッキ取付板１９’に固定し、推進ジャッキ１９の後部のスプレッダ２０を伸長及び収縮させることにより、推進ジャッキ１９の前部をスキンプレート９に取り付けた反力台２１のセグメント２２における反力でＴＢＭ Ａのカッターヘッドを回転して地盤を掘削する周知のものを用いる。
【００２５】
その上で、前記反力台２１の後端と、前記スプレッダ２０後端には、推進ジャッキ１９の前後にそれぞれ弾性板状体４を介在して、設置することで、地盤への振動の減衰を図ることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のカッターヘッド、及び／又はＴＢＭ本体の外周か、その内部の一部に、振動防止用緩衝材を設置することにより、ＴＢＭ掘削時に生じるカッターヘッドなどの掘削機構と、スキンプレートなどの推進機構により発生する振動と、カッターヘッドの掘削ビットにより地盤を掘削する際に生じる振動とを減衰するようにしたことで、地表における建造物への振動や騒音を軽減できるようにした。
【符号の説明】
【００２７】
Ａ  トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）
１  ＴＢＭ本体
２  カッターヘッド
３  カッタービット
４  弾性板状体（振動防止用緩衝材）
７  カッター駆動装置
９  スキンプレート
１３  環状中空体
１４  外殻
１６  複合制振体（振動防止用緩衝材）
２１  反力台
【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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