(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアーチセグメント用シールドジャッキと、該アーチセグメント用シールドジャッキよりも推進力の大きい複数のインバートセグメント用シールドジャッキとを備え、該インバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りにあることを特徴とするインバート付セグメント用シールド掘進機。
【請求項２】
前記複数のアーチセグメント用シールドジャッキと前記複数のインバートセグメント用シールドジャッキは、推進力が調整可能であることを特徴とする請求項１記載のインバート付セグメント用シールド掘進機。
【請求項３】
前記複数のアーチセグメント用シールドジャッキと前記複数のインバートセグメント用シールドジャッキはグループに分割され、各グループごとに推進力が調整できることを特徴とする請求項１記載のインバート付セグメント用シールド掘進機。
【請求項４】
複数のアーチセグメント用シールドジャッキと、該アーチセグメント用シールドジャッキよりも推進力の大きい複数のインバートセグメント用シールドジャッキとを備え、該インバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りにあるインバート付セグメント用シールド掘進機を用いたシールド掘進機の姿勢制御方法であって、
１リングの掘進途中においてはシールドジャッキの推進力を制御しながら掘進し、１リングの掘進後には中折れ角を調整して掘進することを特徴とするシールド掘進機の姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバートセグメントを用いたシールド工法に用いるインバート付セグメント用シールド掘進機及びその姿勢制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法は、シールド掘進機本体前面のカッタで地山を掘削し、掘削した土砂を本体に取り込みながら後方に搬出し、シールド掘進機本体の後方で順次セグメントを組立ててトンネルを構築して行くものである。シールド掘進機の掘進は本体に設けた推進ジャッキで行われ、油圧力にてロッドを伸長させて推進力を得るようにしている。
【０００３】
ところで、近年、掘進速度の高速化が図られるようになってきており、そのためセグメント組立中も連続掘進が行えることが望まれている。
そこで、セグメント組立装置をシールド本体と分離し、セグメント組立装置をセグメント組立位置に保持固定したまま、シールド掘進機を掘進させ、円周方向の推進ジャッキ中、セグメントを組立てる位置のジャッキ（盛替えジャッキ）を収縮させ、そこにセグメントを組み立てると共に他の推進ジャッキで推進させ、順次盛替えジャッキを円周方向に移し替える同時掘進シールド工法が提案されてきている。
【０００４】
しかしながら、盛替えジャッキを除いた他の推進ジャッキで、そのまま掘進させたのでは、円周方向での推進力のバランスが崩れ、シールド掘進機を掘進計画ラインに沿って掘進させることは困難となる。
そこで、この問題を解決するものとして、例えば特開平８−１５８７８６号公報に開示された同時掘進シールド工法の発明がある。
【０００５】
図１０は同公報に示された同時掘進シールド工法の説明図である。図において、丸で囲んだ数字は推進ジャッキを示し、Ｐ1〜Ｐ4は推進ジャッキ群を示している。この発明は、推進ジャッキ中、シールド掘進機の設定推進力に必要な推進ジャッキの本数が予め設定され、他方シールド掘進機の曲げモーメントＭが、ピッチング方向Ｍｐとヨーイング方向Ｍｙから求められ、掘進中、セグメントＳを組立てる位置の推進ジャッキ群Ｐ4 の盛替えを行い、その盛替えジャッキ群Ｐ4を除いた他の推進ジャッキを、盛替えジャッキ群Ｐ4 を中心にその両側に設定推進力に必要な本数の負荷側ジャッキ群Ｐ1 と残りの推進ジャッキを制御側ジャッキ群Ｐ2 ，Ｐ3 とに分割し、上記設定推進力及び求めたピッチング方向とヨーイング方向のモーメントＭｐ，Ｍｙを基に、これら負荷側ジャッキ群Ｐ1 に付与する負荷圧力と制御側ジャッキ群Ｐ2,Ｐ3 に付与する制御圧力を設定し、以後、順次盛替えジャッキを替えながらセグメントを組立てると共にシールド本体を掘進させるというものである。
【０００６】
ところで、近年、シールドトンネルが長距離化する傾向にあり、シールドトンネル工事の全体工程に対して歩床部の現場施工の占める割合が大きくなっている。このため、この歩床部の施工期間を短縮することが全体工程を短縮するために、重要な要素となってきている。
かかる事情のもとで、シールドトンネルの一次覆工施工と同時に、歩床部を施工してし歩床部の施工期間を短縮するシールドトンネルの施工方法及び同方法のために使用するセグメントの発明が特開平１０−３３９０９７号公報に開示されている。
【０００７】
図１１は同公報に開示されたシールドトンネルの説明図である。この発明は、シールド掘削機の後端位置において、歩床部１４１が一体的に形成されたセグメント１４３（以下「インバートセグメント」という）をインバート位置に配置し、該セグメントを基準として残りのセグメント１４５を円周方向に連結してリングを閉合させ、シールド掘削機の掘進に従ってリングをトンネル軸線方向に連結させて、トンネル１次覆工と同時にトンネル内に歩床部１４１ａを形成するというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開平８−１５８７８６号公報のシールド工法には次のような問題がある。
シールド掘進機の曲げモーメントＭが、ピッチング方向とヨーイング方向の両方向に発生し、これに対して推進ジャッキの制御圧力を調整する必要があり、制御が複雑になる。
また、１セグメントごとの施工としていることから、１セグメントごとに盛り換えジャッキと推進ジャッキを切り替える必要があり、必ずしも効率的とは言えない。
【０００９】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、インバートセグメントを用いたシールドトンネルにおいて、簡単な制御で姿勢制御ができ、効率的な掘進のできるシールド掘進機、及び該シールド掘進機の姿勢制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシールド掘進機は、複数のアーチセグメント用シールドジャッキと、該アーチセグメント用シールドジャッキよりも推進力の大きい複数のインバートセグメント用シールドジャッキとを備え、該インバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りにあることを特徴とするものである。
【００１１】
また、複数のアーチセグメント用シールドジャッキと複数のインバートセグメント用シールドジャッキは、推進力が調整可能であることを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、複数のアーチセグメント用シールドジャッキと複数のインバートセグメント用シールドジャッキはグループに分割され、各グループごとに推進力が調整できることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係るシールド掘進機の姿勢制御方法は、複数のアーチセグメント用シールドジャッキと、該アーチセグメント用シールドジャッキよりも推進力の大きい複数のインバートセグメント用シールドジャッキとを備え、該インバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りにあるインバート付セグメント用シールド掘進機を用いたものであって、１リングの掘進途中においてはシールドジャッキの推進力を制御しながら掘進し、１リングの掘進後には中折れ角を調整して掘進することを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の一実施の形態であるシールド掘進機のトンネル軸線に沿う断面図である。図２は図１における断面図であり、図中右半分がＡ−Ａ断面、図中左半分がＢ−Ｂ断面をそれぞれ示している。
シールド掘進機の本体１は前胴部３と後胴部５からなり、前胴部３と後胴部５は中折機構７を介して屈曲可能に連結されている。屈曲の制御は中折ジャッキ８の伸縮を制御することによって行われる。
【００１５】
前胴部３の前端には隔壁９が形成され、隔壁９のさらに前方にはカッターヘッド１０が設けられている。カッターヘッド１０は駆動電動機１１によって回転され、地山を掘削する。カッターヘッド１０と隔壁９との間には掘削室１２が形成され、カッターヘッド１０によって掘削された土砂が取り込まれるようになっている。
掘削室１２には泥水を注入するための送泥管１３の注入口が設けられ、注入された泥水の圧力によって土圧とのバランスを取って地山の崩壊を防止する。掘削室１２にはカッターヘッド１０によって掘削された土砂と泥水とを混練するアジテータ１５が設置され、さらに混練土砂を排出する排泥管１７が設置されている。
【００１６】
後胴部５にはシールド掘進機を掘進させるための複数のシールドジャッキが設置されている。この複数のシールドジャッキのうちで、アーチセグメントに反力を取るものがアーチ用シールドジャッキ１９であり、インバートセグメントに反力を取るものがインバートセグメント用シールドジャッキ２１である。本実施の形態ではアーチ用シールドジャッキ１９が１０本、インバートセグメント用シールドジャッキ２１が４本設置されている。アーチ用シールドジャッキ１９は本体１の内壁に沿うように設置されている。これに対して、インバートセグメント用シールドジャッキ２１は本体１の内壁から少し内側に入った位置に横一列に設置されており、インバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りになるようになっている。また、インバートセグメント用シールドジャッキ２１はアーチ用シールドジャッキ１９よりも大推力を得られるようになっている。
【００１７】
図３はアーチ用シールドジャッキ１９及びインバートセグメント用シールドジャッキ２１を駆動するための油圧回路図である。なお、この油圧回路図は全ての回路を示すものではなく、説明に必要な部分のみを示している。
本図に示すように、シールドジャッキ１９，２１はそれぞれ２本で１つのグループを形成しており、図中、このグループをＡ〜Ｇで示している。
【００１８】
以下、油圧回路の構成要素をその作用と共に説明する。
作動油が貯留されたオイルタンク３１には、サクションフィルター３３を介して油圧ラインを形成する配管３４が設置されている。そして、配管３４には油圧ポンプ３５、リリーフ弁３７、電磁切換弁３９が設けられている。電磁切換弁３９の先には、前述したシールドジャッキのグループＡ〜Ｇごとにグループ電磁切換弁４１が設置され、さらにその先にはグループごとの油圧を制御するための電磁比例減圧弁４３と、油圧を検知する圧力発振器４５が設けられている。また、さらにその先には各ジャッキごとに配管ラインを開閉して作動油の通過を制御する切換弁４７が設けられている。
【００１９】
上記のように、構成された油圧回路の動作を、Ａグループの図中左側に配置されたインバートセグメント用シールドジャッキ２１を例に挙げて説明する。まず、ジャッキを伸長させる（ジャッキのシリンダーの後部側に作動油を供給する）場合について説明する。
サクションフィルター３３を介して油圧ポンプ３５によって吸い上げられた作動油は、電磁切換弁３９が図中右に移動することによって弁開状態になり、配管の先端側に供給される。さらに、グループ用電磁切換弁４１を介して先端側に供給され、圧力発振器４５の信号に基づいて電磁比例減圧弁４３によって所定圧に調整される。所定圧力に調整された作動油は切換弁４７を介してインバートセグメント用シールドジャッキ２１に供給され、シリンダーが伸長される。
【００２０】
一方、ジャッキを縮める場合には、電磁切換弁３９を図中左側に移動させることによって、作動油はジャッキのシリンダーの前部側に供給され、ジャッキは縮められる。
【００２１】
以上のように構成された油圧回路においては、シールドジャッキ１９，２１はグループごとに圧力調整され、推力の微妙な調整ができ、これによってシールド掘進機のフレキシブルな姿勢制御が可能になる。
【００２２】
次に、上記のように構成されたシールド掘進機により、同時掘進する場合のセグメントの組み立て作業手順と掘進パターンについて説明する。
図４、図５は掘進の進行状態を模式的に示したものであり、ある掘進区間を捉えると図４（ａ）〜図５（ｆ）の順で作業が進行することを示している。なお、図中、この掘進工程で新たに布設されたセグメントを斜線で示している。また、使用するシールドジャッキの推進力を最大にした場合の推進力の作用点をＰで示している。
【００２３】
ところで、所要総推力Ｆは、次式によって求められる。
すなわち、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３
ここで、Ｆ１：スキンプレートと土との摩擦による抵抗力
Ｆ２：スキンプレートとセグメントとの摩擦による抵抗力
Ｆ３：切刃泥水圧により前面に加わる抵抗力
ある工区の一例を挙げると、Ｆ１＝1886.4KN、Ｆ２＝180KN、Ｆ３＝5604.8KNであり、Ｆ＝7671.2KNとなるものがある。
また、この工区で用いたインバートセグメント用シールドジャッキの推力は、3000KN×４本＝12000KN、アーチ用シールドジャッキの推力は、1500KN×８＝12000KNである。
【００２４】
以上を前提として、図４、図５に基づいて掘進作業を説明する。
組み立て開始直前の状態においては全てのシールドジャッキが、既設のセグメントに当接している（図４（ａ））。次に、アーチ用シールドジャッキ１０本で掘進する（掘進パターンＡ）と共にインバートセグメント用シールドジャッキの縮退を開始し、既設のインバートセグメントとインバートセグメント用シールドジャッキとの間にインバートセグメントを挿入できる隙間が確保されると縮退を停止する（図４（ｂ））。このときの推進力の作用点は中心よりも少し上にある。この状態でインバートセグメントを設置後、インバートセグメント用シールドジャッキの伸長を開始する（図４（ｃ））。
【００２５】
次に、上部の２本のアーチ用シールドジャッキ以外のアーチ用シールドジャッキを縮退させ、上部のアーチ用シールドジャッキ２本とインバートセグメント用シールドジャッキ４本によって掘進する（図５（ｄ））（掘進パターンＢ）。このときの推進力の作用点は中心よりも少し下にある。この掘進パターンＢの間に、両側部のアーチセグメントの組み立てを行う。
【００２６】
両側部のアーチセグメントの組み立て完了後、上部のアーチ用シールドジャッキ２本を縮退させると共に、インバートセグメント用シールドジャッキ４本で掘進する（図５（ｅ））（掘進パターンＣ）。このときの推進力の作用点は中心よりも下にあり、全工程の中で最下位にある。この間に上部のアーチセグメントの組み立てを行う。上部のアーチセグメントの組み立てが完了して１リング全ての組み立てが完了すると、上部の２本のアーチ用シールドジャッキを伸長させる（図５（ｆ））。伸長が完了すると、最初状態（図４（ａ））に戻る。
【００２７】
以上の掘進パターンＡ，Ｂ，Ｃについて、各パターンでの組立の対象となる組立セグメントと、反力をとるセグメントと、シールド機に作用するモーメントの方向を表に示すと、次の表１のようになる。
【００２８】
【表１】
0004292445.tif 000002
【００２９】
上記の表１にも示したように、モーメントは、掘進パターンＡのときに下向き、掘進パターンＢのときに上向き、掘進パターンＣのときに上向きとなる。そして、各パターンでできるたけモーメントが小さくなるように各ジャッキの推進力を制御する。
具体的には、例えば掘進パターンＡにおいてはアーチ用シールドジャッキ１０本を使用しており、全てのシールドジャッキの能力を１００パーセント発揮させると合計の推力が15000KNとなる。一方、必要な推力は7671.2KNであるから、アーチ用シールドジャッキ１０本の各グループごとの推力を必要推力を確保できる範囲で調整することによって、モーメントの発生をできるだけ抑制するようにする。このとき具体的にどのグループのアーチ用シールドジャッキの推力をいくらにするかというのは、ファジー制御によりその時々のシールド掘進機の姿勢によって決定する。掘進パターンＢ，Ｃについても同様にする。
【００３０】
以上のように、本実施の形態においては、各リングの掘進過程において、シールドジャッキの推力を調整することによって、姿勢制御を行うようにしている。そして、上記の例では、推進力の作用点は図中の上下方向にのみ偏心し、左右方向にはズレないので、モーメントの偏心が図中上下方向のみとなり、姿勢制御が容易となる。
【００３１】
上述のように、１リングの掘進過程においてモーメントの偏心をシールドジャッキの推進力の制御によって調整するが、完全に調整することはできない。そこで、調整しきれない偏心については、１リングを掘進後、中折れ機構を使って姿勢制御を行う。図６はこの中折れ機構を使った姿勢制御の説明図であり、図において、５１は掘進計画線を示しており、図中の各符号の意味は次の、表２に示す通りである。
【００３２】
【表２】
0004292445.tif 000003
【００３３】
中折れ角を制御するための中折れ角のフィードバック式は現代制御理論、最適レギュレータにより次の式のように求められる。
【００３４】
【数１】
0004292445.tif 000004
【００３５】
上記の式の意味は、ｉ番目のリングにおける、表１に示した各変数に基づき、式１によって、次のリング（ｉ＋１）番目のリングを掘進する際の中折れ角δi+1を決定するというものである。
【００３６】
図７、図８は上記の式１に基づいて中折れ角δiを制御した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図７は縦軸が角度、横軸が掘進距離を示しており、中折れ角、前胴姿勢角、及び後胴姿勢角の変化を示している。
また、図８においては、縦軸が変位を、横軸が掘進距離を示しており、前胴変位と後胴変位の変化を示している。
なお、シールド掘進機モデルの寸法は次の通りである。
外径＝３９４０ｍｍ、前胴長さ＝４９５０ｍｍ（カッタフェース中心から中折れ中心までの距離）、後胴長さ＝４５００ｍｍ（中折れ中心から後胴後端までの距離）、中折れ中心からエレクタ中心までの距離＝１１００ｍｍ、エレクタ中心から後胴後端までの距離＝３４００ｍｍ。
【００３７】
図７、図８から分かるように、図７のように中折れ角を制御することによって、図８に示すように、後胴変位がほぼ０に収束していることが分かる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態においては、１リングの掘削途中はシールドジャッキの推進力の制御により、また１リングを掘削した後は中折れ角の調整により、それぞれ姿勢制御を行う。この一連の姿勢制御方法を図９のフローチャートに示し、この図９に基づいて一連の動作を説明する。
【００３９】
ｉ番目のリングを掘進する場合、まず中折れ角を設定する（Ｓ１）。設定された中折れ角でシールド掘進を開始する（Ｓ３）。掘進中はシールド掘進機内に設置されたジャイロによって、シールド掘進機の位置測定を行う（Ｓ５）。そして、測定結果に基づいてシールドマシンの姿勢、位置が正しいかどうかを判定する（Ｓ７）。判定の結果、姿勢、位置が正しく修正の必要がない場合には、Ｓ３に戻って同一の動作を繰り返す。
【００４０】
一方、Ｓ７の判断において、姿勢、位置が修正を要するものと判断された場合には、シールドジャッキの推進力調整を行う（Ｓ９）。
例えば、掘進パターンＡ（図４（ｂ）、表１参照）の場合には、推進力の作用点Ｐが中心よりも上にあるので、通常、この工程ではシールド掘進機は計画線よりも下方に進行することになる。そして、ジャイロでの計測が実際に計画線よりも下にある場合には、１０本のアーチ用シールドジャッキのうち中心よりも上にあるジャッキの推進力を小さくなるように制御する。例えば、図３に示したシールドジャッキのグループのうち、Ｅグループの２本の推進力を最も小さくし、Ｄ，Ｆグループの推進力を次に小さくし、Ｃ，Ｇグループの推進力を最も大きくする。
もっとも、合計の推進力がマシンを掘進させるのに要する推進力以上になるようにすることは言うまでもない。
【００４１】
また、掘進パターンＢ（図５（ｄ）参照）の場合には、推進力の作用点Ｐが中心よりも少し下にあるので、通常、この工程ではシールド掘進機は計画線よりも上方に進行することになる。そして、実際にジャイロでの計測が計画線よりも上にある場合には、上部２本のアーチ用シールドジャッキ（図３のＥグループ）の推進力を最大にし、インバートセグメント用シールドジャッキの推進力を小さくする。
【００４２】
さらに、掘進パターンＣ（図５（ｅ）参照）の場合には、推進力の作用点Ｐが図５（ｄ）の場合よりもさらに下にあるので、通常、この工程ではシールド掘進機は計画線よりも上方に進行することになる。この工程ではインバートセグメント用シールドジャッキのみで掘進することになるので、インバートセグメント用シールドジャッキの推進力を調整することでモーメントの発生を抑制する。なお、インバートセグメント用シールドジャッキは、アーチ用シールドジャッキよりも作用点がシールド掘進機の中心近くにあるので、モーメントの発生は小さく、姿勢への影響は小さく抑えられている。
【００４３】
以上のようにして、１リングの掘進が完了すると（Ｓ１１）、トランシット測量によりマシンの位置を測定する（Ｓ１３）。そして、測定結果に基づいてシールドマシンの姿勢、位置が正しいかどうかを判定する（Ｓ１５）。判定の結果正しい場合には、中折れ角をそのまま維持してＳ３以下の工程を繰り返す。
一方、判定の結果、姿勢・位置の修正が必要な場合には、式１に基づいて次のリングの中折れ角を演算して、演算された中折れ角に調整する。そしてＳ３の工程に戻って以下の工程を繰り返す。
【００４４】
以上のように、本実施の形態においては、１リングの途中においては、シールドジャッキの圧力制御により、また１リングの掘削終了後には中折れ角の調整により２段階で姿勢制御を行うようにしているので、計画線からのズレを抑制したシールド掘進が可能となる。
また、掘進工程において推進力が左右対称になるようにしているので、モーメントの偏心が上下方向のみとなり、制御が容易となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明においてはインバートセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点がアーチセグメント用シールドジャッキの推進力の作用点よりもシールド掘進機の中心寄りになるように設定したので、推進力のモーメントの発生が抑制され、計画線からのズレを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態のシールド掘進機のトンネル軸線に沿う断面図である。
【図２】  本発明の一実施の形態のシールド掘進機のトンネル軸線に直交方向の断面図である。
【図３】  本発明の一実施の形態のシールドジャッキの油圧回路図である。
【図４】  本発明の一実施の形態の掘進工程の説明図である。
【図５】  本発明の一実施の形態の掘進工程の説明図である。
【図６】  本発明の一実施の形態に係る中折れ角調整方法の説明図である。
【図７】  本発明の一実施の形態のシミュレーション結果のグラフである。
【図８】  本発明の一実施の形態のシミュレーション結果のグラフである。
【図９】  本発明の他の実施の形態の掘進工程のフローチャートである。
【図１０】  従来の同時掘進シールド工法の説明図である。
【図１１】  従来のインバートセグメントを用いたシールドトンネルの説明図である。
【符号の説明】
１  シールド掘進機の本体
３  前胴
５  後胴
７  中折れ機構
８  中折れジャッキ
１９  アーチ用シールドジャッキ
２１  インバートセグメント用シールドジャッキ
２５  アーチセグメント
２７  インバートセグメント
【図１】
0004292445.tif 000005
【図２】
0004292445.tif 000006
【図３】
0004292445.tif 000007
【図４】
0004292445.tif 000008
【図５】
0004292445.tif 000009
【図６】
0004292445.tif 000010
【図７】
0004292445.tif 000011
【図８】
0004292445.tif 000012
【図９】
0004292445.tif 000013
【図１０】
0004292445.tif 000014
【図１１】
0004292445.tif 000015