(57)【要約】【課題】トンネル掘削機を用いて礫質地盤を掘進することができるとともに、トンネル掘削機のカッターヘッドの破損を防止することができるトンネル掘削方法を提供することを目的としている。【解決手段】トンネル掘削機のカッターヘッドを回転させることにより地山を掘削してトンネルを築造するトンネル掘削方法において、地山の礫質地盤に凍結媒体を注入して礫質地盤を凍結させる凍結工程と、トンネル掘削機を掘進させて、凍結した礫質地盤を掘削する掘進工程と、を備える。【選択図】図５
2009293205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘削機のカッターヘッドを回転させることにより地山を掘削してトンネルを築造するトンネル掘削方法において、
前記地山の礫質地盤に凍結媒体を注入して該礫質地盤を凍結させる凍結工程と、
前記トンネル掘削機を掘進させて、凍結した前記礫質地盤を掘削する掘進工程と、
を備えることを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削方法において、
切羽面先方の地盤にボーリングを行って切羽面先方の地質を確認するボーリング工程を行い、
前記地質が礫質の場合に前記凍結工程を行うことを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削機を用いたトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地山を掘削してトンネルを築造する際、例えばトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）等のトンネル掘削機を用いる工法がある。この工法は、トンネル掘削機の先端側（切羽側）に設けられたカッターヘッドを回転させて地盤を削るとともに、削り取られた土砂を後方に排出することにより、地山を掘進していく。カッターヘッドの構成としては、例えば、切羽面に対向するように配設された面盤の先端面（切羽面に対向する面）にディスクカッターやカッタービットが配設された構成がある。このような構成のカッターヘッドを備えるトンネル掘削機では、カッターヘッドを回転させるとともにジャッキ等でカッターヘッドを切羽面側に推進させることにより、ディスクカッターが切羽面に押し付けられながら回転移動し、切羽面が削られる。
【０００３】
ところで、上記したトンネル掘削機を用いた工法では、ディスクカッターやカッタービットが掘削作業に伴い磨耗するため、トンネル掘削の途中でディスクカッターやカッタービットを交換する必要である。ディスクカッター等を交換する際には、まず、トンネル掘削機を停止させ、次に、切羽の崩壊を防止するために、例えば薬液注入工法や凍結工法等で切羽の地盤を自立可能な地盤に地盤改良し、その後、ディスクカッター等の交換作業を行う（例えば、特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開平１１−３３６４８２号公報
【特許文献２】特開平９−６７９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来技術では、掘削対象の地盤が礫質地盤である場合、上記したトンネル掘削機で掘削することが困難になったり、トンネル掘削機のカッターヘッドが破損したりするおそれがある。
詳しく説明すると、上記したトンネル掘削機を用いて例えば比較的緩い礫質地盤を掘削すると、礫質地盤中の礫や玉石等が破砕されずにディスクカッターと共に空回り（共周り）し、その結果、礫等が掘削切羽とカッターヘッドとの間に石垣状に溜まる場合がある。この場合、掘削切羽とカッターヘッドとの間に溜まった礫等がディスクカッターよりも切羽面側に突出することがあり、その場合、ディスクカッターが切羽面に当接されず、掘削不能となる。さらに、ディスクカッター間に溜まった礫等を介して面盤やディスクカッターに応力が作用し、面盤やディスクカッターが破損したり、或いは、ディスクカッター間に溜まった礫等によってカッターヘッドが傾き、その結果、一部のディスクカッターに負荷がかかり過ぎて、そのディスクカッターが破損したりする。
【０００５】
本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、トンネル掘削機を用いて礫質地盤を掘進することができるとともに、トンネル掘削機のカッターヘッドの破損を防止することができるトンネル掘削方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るトンネル掘削方法は、トンネル掘削機のカッターヘッドを回転させることにより地山を掘削してトンネルを築造するトンネル掘削方法において、前記地山の礫質地盤に凍結媒体を注入して該礫質地盤を凍結させる凍結工程と、前記トンネル掘削機を掘進させて、凍結した前記礫質地盤を掘削する掘進工程と、を備えることを特徴としている。
【０００７】
このような特徴により、凍結工程により礫質地盤が凍結すると、その礫質地盤中の土砂が固化し、この固化した土砂によって礫質地盤中の礫や玉石等が拘束される。これにより、トンネル掘削機によって礫質地盤を掘削する掘進工程の際、礫質地盤中の礫や玉石が破砕される。
【０００８】
また、本発明に係るトンネル掘削方法は、切羽面先方の地盤にボーリングを行って切羽面先方の地質を確認するボーリング工程を行い、前記地質が礫質の場合に前記凍結工程を行うことが好ましい。
【０００９】
これにより、ボーリングによって切羽面先方の地質確認が行われ、トンネル掘削機が礫質地盤に到達する前にその礫質地盤が凍結される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るトンネル掘削方法によれば、トンネル掘削機によって礫質地盤中の礫や玉石が破砕されるので、トンネル掘削機によって礫質地盤を掘削することができるとともに、トンネル掘削機のカッターヘッドの破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係るトンネル掘削方法の実施の形態について、図面に基いて説明する。
【００１２】
まず、本発明に係るトンネル掘削方法に用いるトンネル掘削機について、図１から図４に基いて説明する。
図１は本発明に係るトンネル掘削方法に用いるトンネル掘削機の一例を示した縦断面図であり、図２はトンネル掘削機１の先端面を表した端面図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ間の断面図であり、図４は図２に示すＢ−Ｂ間の断面図である。
なお、本実施の形態においては、トンネルＴの切羽面Ｋ側を「先端側」とし、切羽面Ｋ側の反対側を「基端側」とする。
【００１３】
図１に示すように、トンネル掘削機１は、例えば大深度立坑等のトンネルＴを掘削するとともにセグメントＳを組み立てることができるシールドＴＢＭである。このトンネル掘削機１の概略構成としては、トンネルを掘削するカッターヘッド２と、カッターヘッド２を駆動させる駆動機構３と、トンネル掘削機１を掘進させる掘進機構４と、掘削された土砂や泥水等を排出する排出機構５と、セグメントＳを組み立てるエレクタ装置６と、を備えている。
【００１４】
掘進機構４には、トンネルＴの径方向外側に向けて拡幅可能なメイングリッパー４０と、メイングリッパー４０の先端側に配設され、トンネルＴの径方向外側に向けて拡幅可能なフロントグリッパー４１と、メイングリッパー４０とフロントグリッパー４１との間に介装され、トンネルＴの軸方向に伸縮可能なスライドジャッキ４２と、メイングリッパー４０とセグメントＳの先端面との間に介装され、トンネルＴの軸方向に伸縮可能なシールドジャッキ４３と、を備えている。
【００１５】
図２に示すように、カッターヘッド２には、切羽面Ｋに対向するように配設された面盤２０と、この面盤２０の先端面に配設された複数のディスクカッター２１と、面盤２０の先端面に配設された複数のかき寄せ板２２と、が備えられている。面盤２０には、切羽面Ｋに向けて水を送水する送水吐出口２３と、カッターヘッド２によって切削された土砂や泥水を吸い込む吸込ノズル２４と、がそれぞれ形成されている。かき寄せ板２２には、切羽面Ｋを切削するための複数のカッタービット２５が並設されている。
【００１６】
図３に示すように、ディスクカッター２１は、算盤玉状の複数枚（図３では２枚）のローラーカッター２６が軸回転可能に保持された構成からなり、その概略構成としては、複数のローラーカッター２６と、これら複数のローラーカッター２６を軸支する軸芯２７と、軸芯２７の両端を軸受けして複数のローラーカッター２６を保持するカッターホルダー２８と、を備えている。
【００１７】
また、ディスクカッター２１の周囲には、ディスクカッター２１を囲うカバー２９が配設されている。このカバー２９は、礫等が溜まることを防止するためのものであり、図４に示すように断面視山型の板材からなる。詳しく説明すると、カバー２９は、隣り合うディスクカッター２１間に配設されて隣り合うディスクカッター２１間の隙間を覆う塞ぎ板２９ａと、ローラーカッター２６の径方向の両側にそれぞれ配設された傾斜板２９ｂと、を備えている。傾斜板２９ｂは、先端側に向かうに従いローラーカッター２６側に傾いた傾斜板であり、切り崩された礫等をローラーカッター２６の先端部側に案内するためのガイド板である。
【００１８】
また、上記したトンネル掘削機１には、切羽面Ｋに対してボーリングを行う図示せぬボーリング機と、このボーリング機によって削孔された孔に凍結管を挿入し、その凍結管から凍結媒体を注入して切羽面Ｋの先方の地盤を凍結させる図示せぬ凍結機構と、がそれぞれ搭載されている。
【００１９】
次に、上記した構成からなるトンネル掘削機１を用いたトンネル掘削方法について、図５から図８に基いて説明する。
図５はトンネル掘削方法のフローチャート図であり、図６は後述するボーリング工程を表した模式図であり、図７は後述する凍結工程を表した模式図であり、図８は後述する掘進工程を表した模式図である。
【００２０】
まず、図５、図６に示すように、切羽面Ｋにボーリングを行い、切羽面Ｋの先方に在る地盤の地質を確認するボーリング工程を行う。詳しく説明すると、トンネル掘削機１のメイングリッパー４０及びフロントグリッパー４１をそれぞれ拡幅させてトンネルＴの坑壁に押し付け、トンネル掘削機１を所定位置に固定しておく。そして、トンネル掘削機１に搭載された図示せぬボーリング機により、切羽面Ｋにボーリングを行い、切羽面Ｋの先方に在る地盤のサンプルを採取し、そのサンプルによって切羽面Ｋの先方に在る地盤の地質を確認する。また、このとき、ボーリングによって削孔されたボーリング孔１０から切羽面Ｋ先方の地盤の地下水圧（間隙水圧）も確認する。
【００２１】
そして、切羽面Ｋ先方の地質が礫層以外であり、且つ、切羽面Ｋ先方の地下水圧が低くてカッターヘッド２の駆動軸泥水シール部２ａ（図１に示す。）から漏水の心配が無い場合には、図５、図８に示すように、カッターヘッド２によって掘進工程を行う。詳しく説明すると、メイングリッパー４０を拡幅させてトンネルＴの坑壁に押し付けた状態で、フロントグリッパー４１を縮幅させる。そして、カッターヘッド２の送水吐出口２３から切羽面Ｋに向けて送水するとともに駆動機構３によってカッターヘッド２を回転させ、さらに、スライドジャッキ４２を伸長させる。これにより、カッターヘッド２に設けられたディスクカッター２１及びかき寄せ板２２のカッタービット２５によって切羽面Ｋを切削しつつカッターヘッド２が先方に移動し、カッターヘッド２が設けられたトンネル掘削機１の先端部分が地山を掘進する。また、このとき、切削された土砂をカッターヘッド２の吸込ノズル２４から吸い込み、排出機構５によってトンネルＴの外に排出する。そして、上記したスライドジャッキ４２が伸びきったところで、駆動機構３を停止してカッターヘッド２の回転を止め、フロントグリッパー４１を拡幅させてトンネルＴの坑壁に押し付けた後、メイングリッパー４０を縮幅させる。その後、スライドジャッキ４２を短縮させるとともにシールドジャッキ４３を伸長させる。これにより、メイングリッパー４０が設けられたトンネル掘削機１の基端部分が先方に引き寄せられる。その後、再び、メイングリッパー４０を拡幅させた後、フロントグリッパー４１を縮幅させる。その後、カッターヘッド２を回転させる等して、上記した手順を繰り返し行い、上記したボーリング工程で地質等を確認した範囲内でトンネル掘削機１を掘進させていく。
【００２２】
一方、切羽面Ｋ先方の地質が礫層である場合、若しくは、切羽面Ｋ先方の地下水圧が高くてカッターヘッド２の駆動軸泥水シール部２ａから漏水のおそれがある場合には、カッターヘッド２による掘進工程を行う前に、図５、図７に示すように、切羽面Ｋ先方の地盤に凍結媒体を注入してその地盤を凍結させる凍結工程を行う。詳しく説明すると、上記したボーリング工程により、切羽面Ｋ先方に礫質地盤Ｘが確認された場合、若しくは、切羽面Ｋ先方の地盤の地下水圧がカッターヘッド２の駆動軸泥水シール部２ａにおける止水能力限界値を超えている場合には、トンネル掘削機１に搭載された図示せぬボーリング機により、切羽面Ｋに凍結管挿入用の挿入孔１１を複数削孔する。そして、これらの挿入孔１１に図示せぬ凍結管をそれぞれ挿入し、これらの凍結管を介して液体窒素等の凍結媒体を地盤内に注入する。これにより、切羽面Ｋ先方の地盤が凍結され、切羽面Ｋ先方に凍結地盤Ｙが形成される。その後、上記した凍結管のみを部分解凍して挿入孔１１から引き抜く。
【００２３】
その後、図５、図８に示すように、上記した掘進工程と同様にして、カッターヘッド２によって凍結地盤Ｙを掘削する掘進工程を行い、トンネル掘削機１を掘進させていく。
そして、上記した凍結地盤Ｙを貫通する手前で、つまり、切羽面Ｋに凍結地盤Ｙを残した状態で掘進工程を停止し、上記したボーリング工程を行って切羽面Ｋ先方の地質や地下水圧を再び確認し、その結果に応じて凍結工程若しくは掘進工程を行う。このようにボーリング工程、凍結工程、掘進工程を適宜繰り返し行うことにより、トンネルＴを掘削していく。
また、トンネルＴを掘削するとともに、トンネル掘削機１に備えられたエレクタ装置６によってセグメントＳを組み立てていく。
【００２４】
上記したトンネル掘削方法によれば、凍結工程によって礫質地盤Ｘを凍結させるので、その礫質地盤Ｘ中の土砂が固化し、この固化した土砂によって礫質地盤Ｘ中の礫や玉石等が拘束される。これにより、トンネル掘削機１によって礫質地盤Ｘを掘削する掘進工程の際、礫質地盤Ｘ中の礫や玉石等がディスクカッター２１やかき寄せ板２２のカッタービット２５によって破砕される。したがって、礫質地盤Ｘが例えばＮ値１０未満の礫質地盤であっても礫質地盤Ｘ中の礫や玉石等がディスクカッター２１間に溜まることが無く、トンネル掘削機１によって礫質地盤Ｘを掘削することができる。また、ディスクカッター２１間に礫等が溜まることが無いので、カッターヘッド２の面盤２０やディスクカッター２１に過剰な応力が作用したり、カッターヘッド２が傾いたりすることがないので、カッターヘッド２の破損を防止することができる。
【００２５】
また、上記したトンネル掘削方法によれば、ボーリング工程によって切羽面Ｋ先方の地質確認が行われ、トンネル掘削機１が礫質地盤Ｘに到達する前にその礫質地盤Ｘに対して凍結工程が行われるので、カッターヘッド２による礫質地盤Ｘの掘削の前に礫質地盤Ｘに対して確実に凍結工程を行うことができる。これにより、ディスクカッター２１間に礫等が溜まる不具合を確実に防止することができ、面盤２０やディスクカッター２１の破損を確実に防止することができる。また、礫質地盤Ｘにのみ凍結工程を行うことができるので、凍結工程の施工数を低減させることができ、コストダウンを図ることができる。
【００２６】
また、上記したトンネル掘削機１では、ディスクカッター２１の周りにカバー２９が配設されており、ディスクカッター２１間に礫等が溜まりにくいため、礫等が溜まることによる掘削不能や面盤２０やディスクカッター２１の破損をより防止することができる。
【００２７】
以上、本発明に係るトンネル掘削方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、竪坑のトンネルＴを掘削する場合について説明しているが、本発明は、竪坑のトンネル掘削に限定されず、横方向や斜め方向に延在するトンネルの掘削にも適用することが可能である。
【００２８】
また、上記した実施の形態では、凍結工程の前にボーリング工程を行って切羽面Ｋ先方の地質及び地下水圧を確認しているが、本発明は、地下水圧を確認せず、切羽面Ｋ先方の地質だけを確認する方法であってもよい。さらに、本発明は、ボーリング工程を省略することも可能であり、例えば、予め、トンネル築造範囲にボーリングを行っており、礫層地盤の位置を把握している場合には、ボーリング工程を逐一行う必要は無い。
【００２９】
また、上記した実施の形態におけるトンネル掘削機１には、ディスクカッター２１の周りにカバー２９が配設されたカッターヘッド２が備えられているが、本発明は、カバー２９を省略することも可能であり、例えば、図９に示すように、面盤２０に形成された開口の内側にディスクカッター２１を嵌め込んだ構成にすることも可能である。これにより、カバー２９を配設しなくても、ディスクカッター２１間に礫等が溜まりにくくなる。なお、本発明によれば、礫等を破砕することが可能なので、実施の形態のように、面盤２０の先端面にディスクカッター２１が配設された構成において、カバー２９が省略された構成にすることも可能である。
【００３０】
また、上記した実施の形態では、メイングリッパー４０等を備えるＴＢＭタイプのトンネル掘削機１を用いているが、本発明におけるトンネル掘削機は適宜変更可能であり、例えば、セグメントＳの先端面から推進の反力を取るシールド機を用いることも可能である。また、本発明は、ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）等の他の工法や、支保工等の補助工法を併用することも可能である。
【００３１】
その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのトンネル掘削機の縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態を説明するためのトンネル掘削機の先端面の端面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ間の断面図である。
【図４】図２に示すＢ−Ｂ間の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態を説明するためのトンネル掘削方法のフローチャート図である。
【図６】本発明の実施の形態を説明するためのボーリング工程を表した模式図である。
【図７】本発明の実施の形態を説明するための凍結工程を表した模式図である。
【図８】本発明の実施の形態を説明するための掘進工程を表した模式図である。
【図９】本発明の他の実施の形態を説明するためのカッターヘッドの部分断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  トンネル掘削機
２  カッターヘッド
Ｋ  切羽面
Ｔ  トンネル
Ｘ  礫質地盤
Ｙ  凍結地盤
【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】
2009293205.tif 000009
【図８】
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【図９】
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