(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に掘進する上向きシールド掘進機によって掘削された土砂を下方へ排出すべく上下方向に配置された排土管と、該排土管に設けられ流体圧によって径方向に膨張収縮して排土管内を開閉する弾性膜式バルブと、該弾性膜式バルブより出口側の排土管に設けられ排土管内の土砂通過断面積を調節するゲート板を有するゲート機構と、上記弾性膜式バルブの入口側の土圧と上記弾性膜式バルブの出口側の土圧とを略等しくすべく上記ゲート機構のゲート板を作動させて上記排土管内の土砂通過断面積を絞るためのアクチュエータとを備えたことを特徴とする上向きシールド掘進機の排土装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上向きシールド掘進機の排土装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に本発明者等が先に開発した上向きシールド掘進機ａの排土装置を示す。図示するように、上向きシールド掘進機ａは、縦置きされた筒体状のシールドフレームｂと、シールドフレームｂ内を切羽側と坑内側とに仕切る隔壁ｃと、隔壁ｃに回転自在に設けられたカッタｄとを備え、カッタｄをモータｅによって回転させつつ既設セグメントｆに反力をとるジャッキｇを伸長させてシールドフレームｂを上昇させ、その後ジャッキｇを収縮させて既設セグメントｆとの間のスペースに手組みまたは図示しないエレクタによってセグメントを張設し、トンネルを縦方向に構築するものである。
【０００３】
カッタｄによって掘削されカッタ室ｈに取り込まれた土砂は、排土装置ｉによって排土される。排土装置ｉは、カッタ室ｈに接続され下方向に延出された排土管ｊと、排土管ｊに設けられ流体圧によって径方向に膨張収縮して排土管ｊ内を開閉する弾性膜式バルブｋと、掘削土砂を混練して流動化させ重力によって下方に落とし易くするアジテータｌとを有する。アジテータｌは、排土管ｊの内部に配置されモータｍによって回転される回転軸ｎと、回転軸ｎの弾性膜式バルブｋに対向する部分に回転自在に被嵌されたカラーｏと、回転軸ｎのカッタ室ｈ内の部分に取り付けられた混練翼ｐとを有する。
【０００４】
他方、弾性膜式バルブｋは、排土管ｊの途中に介設された筒体状の弾性膜ｑ（ゴム膜等）と、弾性膜ｑをその外側を覆う形で配置され弾性膜ｑの外周面との間に加圧室ｒを形成する筒体状のケーシングｓと、ケーシングｓに開口され加圧室ｒに流体（空気・水等）を給排する給排口ｔとを有し、給排口ｔから加圧室ｒ内に流体を給排することで弾性膜ｑを径方向に膨張収縮させて排土量を調整し、切羽の土圧を調整管理するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記弾性膜式バルブｋにおいては、弾性膜ｑには流体圧が均等に作用するところ、そこを通過する土砂は入口側が切羽圧（高圧）であり出口側が大気圧（低圧）であるため、弾性膜ｑは、図６に波線で示すように均等に膨張することはなく、その入口側と出口側との差圧によって実線で示すように出口側で局部的に絞られ、カラーｏに強く押し付けられる。
【０００６】
このため、カッタ室ｈ内の切羽圧の土砂が、弾性膜式バルブｋを通過して大気圧側に落ちるときに、出口側で差圧により局部的に絞られ弾性膜ｑの加圧室ｒ内の液体圧による開口調整が敏感となり、切羽の土圧制御が不安定となる。すなわち、切羽の土圧を制御すべく加圧室ｒへの流体の供給圧力を変更し、弾性膜ｑの膨張量を変化させて土砂通過断面積を変化させようとしても、その上下の圧力差によって出口側で局部的に絞られてカラーｏに押し付けられるため、結局、弾性膜ｑは加圧室ｒへの流体圧の小さい変化で土砂の閉塞と噴発が繰り返され、切羽の土圧制御が不安定となるのである。
【０００７】
特に、大深度掘進の場合、弾性膜式バルブｋの入口側（切羽圧）と出口側（大気圧）との圧力差が大きくなるため、その圧力差に応じて弾性膜ｑが出口側で局部的に絞られ土砂の閉塞と噴発が繰り返され易い。特に、粒径の大きい礫や摩擦抵抗が大きい砂質土のように、アジテータｌや作泥剤の注入等によっても土砂の流動化が図りにくい土質の場合、局部的に絞られる弾性膜ｑの狭い開口部にて土砂が閉塞気味となり易く、噴発との繰り返しの頻度が多くなる。このため、掘進機ａの真上の土圧制御が不安定となって、地表面の変位を招く可能性がある。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、切羽の土圧制御を確実に行える上向きシールド掘進機の排土装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る上向きシールド掘進機の排土装置は、上方に掘進する上向きシールド掘進機によって掘削された土砂を下方へ排出すべく上下方向に配置された排土管と、該排土管に設けられ流体圧によって径方向に膨張収縮して排土管内を開閉する弾性膜式バルブと、該弾性膜式バルブより出口側の排土管に設けられ排土管内の土砂通過断面積を調節するゲート板を有するゲート機構と、上記弾性膜式バルブの入口側の土圧と上記弾性膜式バルブの出口側の土圧とを略等しくすべく上記ゲート機構のゲート板を作動させて上記排土管内の土砂通過断面積を絞るためのアクチュエータとを備えたものである。
【００１０】
本発明によれば、ゲート機構によって弾性膜式バルブの出口側の排土管内の土砂通過断面積を絞ることにより、弾性膜式バルブの出口側の土砂を詰まり気味にしてその土圧を高めることができる。これにより、弾性膜式バルブの出口側の土圧を入口側の土圧と略等しくすることができ、弾性膜式バルブの全体に略均一の土圧を作用させることができる。よって、弾性膜式バルブは、略均一に膨張し、弾性膜式バルブの全体で土砂を絞ることにより閉塞または噴発を防ぐことができ、深度や土質に拘わらず切羽の土圧制御を確実に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１２】
図１に示すように、上向きシールド掘進機１は、縦置きされた筒体状のシールドフレーム２と、シールドフレーム２内を切羽側と坑内側とに仕切る隔壁３と、隔壁３に回転自在に設けられたカッタ４とを備え、カッタ４をモータ５によって回転させつつ既設セグメント６に反力をとるジャッキ７を伸長させてシールドフレーム２を上昇させ、その後ジャッキ７を収縮させて既設セグメント６との間のスペースに手組みまたは図示しないエレクタによってセグメントを張設し、トンネルを縦方向に構築するものである。
【００１３】
詳しくは、隔壁３は、中央部に排土口８を有する円錐状に成形されている。隔壁３とシールドフレーム２との間には、リング状の回転体９が回転自在に支持されている。回転体９の上面には、支柱１０を介してカッタ４が取り付けられている。カッタ４は、回転中心に配置された中央部１１と、中央部１１から放射状に延出され上記支柱１０を備えた複数のカッタスポーク１２と、各カッタスポーク１２の切羽側面に取り付けられたビット１３と、その反対側面に取り付けられた混練翼１４とを有する。
【００１４】
回転体９の下面には、リングギヤ１５が設けられている。リングギヤ１５は、軸受１６に軸支されており、モータ５のピニオン１７に噛合されて回転駆動されるようになっている。かかる上向きシールド掘進機１は、モータ５を駆動させつつシールドフレーム２の内側に取り付けたジャッキ７を伸長させることにより、切羽をカッタ４で掘削しつつ既設セグメント６に反力をとって上方に推進し、ジャッキ７が所定ストローク伸長したならば収縮させ、既設セグメン６トとの間のスペースに手組みまたは図示しないエレクタによってセグメントを張設し、トンネルを縦方向に構築する。
【００１５】
隔壁３の排土口８には、排土装置１８が接続されている。排土装置１８は、排土口８に接続され下方向に延出された排土管１９と、排土管１９に設けられ流体圧によって径方向に膨張収縮して排土管１９内を開閉する弾性膜式バルブ２０と、弾性膜式バルブ２０より下流側の排土管１９に設けられ排土管１９内の土砂通過断面積を調節するゲート機構２１とを有する。
【００１６】
弾性膜式バルブ２０は、図４にも示すように、排土管１９の途中に介設された筒体状の弾性膜２２（ゴム膜等）と、弾性膜２２を囲繞して配置され弾性膜２２の外周面との間に加圧室２３を形成する筒体状のケーシング２４と、ケーシング２４に開口され加圧室２３に流体（空気・水等）を給排する給排口２５とを有し、給排口２５から加圧室２３内に流体を給排することで弾性膜２２を径方向に膨張収縮させ、土砂通過断面積を変化させて排土量を調整し、切羽の土圧を調整管理するものである。
【００１７】
弾性膜式バルブ２０の下方の排土管１９には、径方向内方に延出されたブラケット２６が設けられており、ブラケット２６には、上方に延出されたセンターロッド２７が取り付けられている。センターロッド２７の頂部は、カッタ４の中央部１１にロータリジョイント３５を介して回転自在に挿入されている。ブラケット２６、センターロッド２７、ロータリジョイント３５およびカッタ４の内部には、作泥剤の通路２８が形成されている。そして、排土管１９に形成された入口部２９から注入された作泥剤が、ブラケット２６、センターロッド２７およびカッタ４の内部の通路２８を通り、カッタ４の切羽側に設けられた出口部３０から切羽に供給されるようになっている。
【００１８】
切羽に供給された作泥剤は、カッタ４の回転に伴って掘削土砂と混ぜ合わされてカッタ室３１に取り込まれ、混練翼１４によって更に混練されるため、掘削土砂を効率よく流動化させ、掘削土砂を重力の作用によって自然に排土管１９内を落下し易くする。また、センターロッド２７は、排土管１９の中心に配置されており、弾性膜式バルブ２０の弾性膜２２が膨張したとき、その弾性膜２２が押し付けられ、一種の弁座としても機能する。
【００１９】
センターロッド２７の下方の排土管１９には、排土管１９内の土砂通過断面積を調節するゲート機構２１が設けられている。ゲート機構２１は、図２にも示すように、一対のゲート板３２が近接離間するように対向配置されており、シリンダ等の公知のアクチュエータによって作動され、排土管１９内の土砂通過断面積を調節する。なお、図３に示すように、ゲート板３２に切込部３３を設けて重ね合わせるようにし、土砂通過断面積の調節を容易にしてもよい。また、ゲート板３２は、２枚に限らず、片開きでもよく、３枚以上をカメラの絞りのように配置してもよい。
【００２０】
ゲート機構２１の下方の排土管１９には、図１に示すように、土砂の通過を観察する点検窓３４が設けられている。点検窓３４には、透明樹脂が嵌め込まれている。また、点検窓３４の下方の排土管１９には、上述したものと同様の弾性膜式バルブ２０およびゲート機構２１が設けられている。これら下段の弾性膜式バルブ２０およびゲート機構２１は、上段の弾性膜式バルブ２０およびゲート機構２１が故障した場合の補助用として使用することができる。また、上段と下段の弾性膜式バルブを併用することにより、さらに安定した切羽の土圧制御を行うこともできる。
【００２１】
本実施形態の作用を述べる。
【００２２】
上向きシールド掘進機１の掘進中、図４に示すように、ゲート機構２１によって排土管１９内の土砂通過断面積を適宜絞ることにより、弾性膜式バルブ２０の出口側の土砂を詰まり気味にしてその土圧を高める。これにより、弾性膜式バルブ２０の出口側の土圧を入口側の土圧（切羽圧）と略等しくすることができ、弾性膜２２の全体に略均一の土圧を作用させることができる。よって、弾性膜２２は、図５に示すように局部的に絞られることなく略均一に膨張し、弾性膜式バルブの全体で絞られ、掘進深度や掘削土質に拘わらず切羽の土圧制御を確実に行うことができる。
【００２３】
すなわち、図５に示すように、仮に、ゲート機構２１を全開のままにすると、弾性膜２２には加圧室２３内の流体圧が均等に作用するところ、そこを通過する土砂は入口側が切羽圧（高圧）であり出口側が大気圧（低圧）であるため、弾性膜２２は、均等に膨張することはなく、その入口側と出口側との差圧によって出口側で局部的に絞られ、センターロッド２７に強く押し付けられる。
【００２４】
よって、切羽の土圧を制御すべく加圧室２３への流体の供給圧力を変更し、弾性膜２２の膨張量を変化させて土砂通過断面積を変化させようとしても、その上下の圧力差によって下方に強く絞られてセンターロッド２７に押し付けられてしまうため、結局、弾性膜２２は加圧室２３への流体圧の小さい変化で、土砂の閉塞と噴発が繰り返され、切羽の土圧制御が不安定となるのである。
【００２５】
特に、大深度掘進の場合、弾性膜式バルブ２０の入口側（切羽圧）と出口側（大気圧）との圧力差が大きくなるため、その圧力差に応じて弾性膜２２が出口側で局部的に絞られ土砂の閉塞と噴発が繰り返され易い。また、粒径の大きい礫や摩擦抵抗が大きい砂質土のように、混練翼１４や作泥剤の注入等によっても土砂の流動化が図りにくい土質の場合、土砂が局部的に絞られる弾性膜２２の狭い開口部にて閉塞気味となり易く、噴発との繰り返しの頻度が多くなる。このため、掘進機１の真上の土圧制御が不安定となって、地表面の変位を招く可能性がある。
【００２６】
これに対し、図４に示すように、ゲート機構２１によって排土管１９内の土砂通過断面積を適宜絞ることにより、弾性膜式バルブ２０の出口側の土圧（背圧）が高まるため、弾性膜２２の全体に略均一の土圧を作用させることができる。このため、弾性膜２２は、略均一に膨張することになり、弾性膜式バルブ２０全体で絞られた状態で加圧室２３への作動流体の注入圧に応じた強さでセンターロッド２７に押し付けられる。よって、注入圧を切羽土圧に応じた圧力に変化させながら、閉塞または噴発を防ぐことができ、掘進深度や掘削土質に拘わらず切羽の土圧制御を確実に行うことができる。従って、掘進機の真上の地表面の変位を抑えることができる。
【００２７】
また、このような切羽の土圧管理中において、ゲート機構２１の中間開度では下方に排出できない塊が出現した場合には、弾性膜式バルブ２０の加圧室２３への流体の圧力を大きくして弾性膜２２を最大限膨張させて全閉とし、切羽の土圧を弾性膜式バルブ２０で保持した後にゲート機構２１を全開とすれば、切羽の土圧を保ったまま塊を排出することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る上向きシールド掘進機の排土装置によれば、深度や土質に拘わらず排土管内の弾性膜式バルブを均一に膨張させることができ、切羽の土圧制御を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す上向きシールド掘進機の排土装置の側断面図である。
【図２】図１のII-II線断面図であり、上記排土装置のゲート機構を示す説明図である。
【図３】上記ゲート機構の変形例を示す説明図である。
【図４】図１の部分拡大図である（ゲート機構閉）。
【図５】図１の部分拡大図である（ゲート機構開）。
【図６】本発明者等が先に開発した上向きシールド掘進機の排土装置の側断面図である。
【符号の説明】
１  上向きシールド掘進機
１９  排土管
２０  弾性膜式バルブ
２１  ゲート機構
【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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