(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体の最前部に掘削機構を備え、この掘削機構により掘削した穴の内周に裏込材を充填しながらセグメントリングを設置する、略直線状に穴を掘削するシールド機であって、
前記胴体に粘動性注入材の注入孔と傾斜計とを設け、
略直線状掘削時において、
シールド機の形状、駆動状況、前記傾斜計により検出された姿勢状況から、掘削された略直線状の穴と胴体との空隙部の体積を算出するとともに、
前記胴体に設けた前記注入孔から前記空隙部への粘動性注入材の注入を、前記算出された空隙部の体積に応じて注入速度を制御しながら行う制御機構を備えることを特徴とするシールド機。
【請求項２】
請求項１に記載のシールド機において、
前記胴体に前記空隙部に充填された粘動性注入材の充填圧を検出する圧力計を設け、
前記制御機構は、前記圧力計により検出された前記空隙部における粘動性注入材の充填圧に応じて粘動性注入材の注入速度を制御することを特徴とするシールド機。
【請求項３】
請求項２に記載のシールド機において、
前記制御機構は、前記圧力計により検出された前記空隙部における粘動性注入材の充填圧が、切羽圧より高く、かつ、裏込材の充填圧より低くなるように、粘動性注入材の注入速度を制御することを特徴とするシールド機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のシールド機において、
前記粘動性注入材は、粘土鉱物、粘土鉱物と増粘材との混合物、ベントナイトと粘土との混合物、セメントと粘土との混合物、のいずれかであることを特徴とするシールド機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド機によるトンネルや坑道等の略直線部の施工において、シールド機と穴との空隙部に起因する地山の緩みや肌落ちを防止するシールド機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルや坑道を作製する方法の一つであるシールド工法は、シールド機を用いて穴を掘進し、さらに、鋼製やコンクリート製のセグメントリングをシールド機内において形成してトンネルを作製する工法であり、安全かつ確実に作業を行えるという特徴がある。
【０００３】
ところで、シールド機によってトンネルや坑道を形成する場合においては、シールド機が円滑に掘進できるように、シールド機の外周部に適度の余掘り部が必要となる。特に、急曲線部においては、シールドが曲がりながら掘進できるように大きな余掘り部が必要となる。例えば特許第３０４６５９０号公報に示す技術は、急曲線部における地山落ちや地盤沈下を防止するためになされたものである。すなわち、急曲線部に形成される大きな余掘り部に、遮蔽袋付セグメントリングを設置しながら粘動性注入材を充填し、後に、粘動性注入材を裏込め材に置換している。これにより、裏込材が完全に充填されるまで発生していた余掘り部の空隙部に粘動性注入材が充填され、地山落ちや地盤沈下が抑えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年においては、住宅の過密化等から地山落ちや地盤沈下に対する規制が厳しくなっており、したがって、急曲線部のような大きな余掘り部ではないものの、必然的に形成される略直線部における余掘り部に対しても確実な対策を行う必要性が指摘されていた。前記公報記載の技術は、急曲線部における大きな余掘り部を対象としており、また、粘動性注入材を裏込材に置換する必要もあり、設備費や手間が大きい。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、略直線状にトンネルや坑道等を形成する場合に、発生する可能性のある地山落ちや地盤沈下を確実かつ安価に抑えることを可能とするシールド機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、例えば図１、図２に示すように、
胴体（スキンプレート１１）の最前部に掘削機構１２を、この掘削機構により掘削した穴の内周に裏込材６を充填しながらセグメントリング５を設置する、略直線状に穴を掘削するシールド機１０であって、
前記胴体１１に粘動性注入材の注入孔１３と傾斜計１５とを設け、
略直線状掘削時において、
シールド機１０の形状、駆動状況、前記傾斜計１５により検出された姿勢状況から、掘削された略直線状の穴と胴体（スキンプレート１１）との空隙部（余掘り部２）の体積Ｖを算出し、
前記胴体１１に設けた前記注入孔１３から前記空隙部（余掘り部２）への粘動性注入材（充填材３）の注入を、前記算出された空隙部Ｖの体積に応じて注入速度を制御しながら行う制御機構４を備えることを特徴としている。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、略直線状掘削時において、シールド機の胴体と穴との空隙部は、胴体に設けた注入孔から注入される粘動性注入材によって充填される。この際、略直線状の穴の掘削時に、刻々と変化する前記空隙部の体積が逐一算出され、算出された空隙部の体積に応じて粘動性注入材の注入速度が最適に制御されるため、確実に充填が行われる。したがって、前記空隙部に起因する地山落ちや地盤沈下が確実に抑えられる。なお、地上から地盤改良を行う必要がないため、道路交通に対する影響や、騒音等が少なくなる他、経済的にも優れる。
【０００８】
前記粘動性注入材に求められる特性としては、礫等の落下を抑制すること、シールド機の動作を妨げない程度の流動性を有すること、地下水等によって材料分離を起こさないこと、等が挙げられ、これらを満たすように粘土、比重が調整される。
【０００９】
シールド機の形状とは、シールド機の外形、長さ等である。
【００１０】
シールド機の姿勢とは、シールド機のピッチング角度、ヨーイング角度等である。
【００１１】
シールド機の駆動状況とは、シールドジャッキ速度、シールドジャッキストローク量、コピーカッタ可動範囲、コピーカッタストローク量等である。
【００１２】
粘動性注入材を注入するための注入孔は、シールド機の長さ方向および周方向に複数箇所設けておくことが望ましい。
【００１３】
請求項２記載の発明は、例えば図１、図３に示すように、請求項１に記載のシールド機において、
前記胴体１１に前記空隙部２に充填された粘動性注入材３の充填圧を検出する圧力計１４を設け、
前記制御機構４は、前記圧力計１４により検出された前記空隙部における粘動性注入材（充填材３）の充填圧に応じて粘動性注入材（充填材３）の注入速度を制御することを特徴としている。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、検出された充填圧に応じて粘動性注入材の注入速度が最適に制御されることで、さらに確実に充填が行われ、地山落ちや地盤沈下がさらに確実に抑えられる。
【００１５】
粘動性注入材の充填圧を検出するための圧力計は、シールド機の長さ方向および周方向に複数箇所設けておくことが望ましい。
【００１６】
請求項３記載の発明は、例えば図１、図３に示すように、請求項２に記載のシールド機において、
前記制御機構４は、前記圧力計１４により検出された前記空隙部２における前記粘動性注入材（充填材３）の充填圧を、切羽圧より高く、かつ、充填された裏込材６の圧力より低く、制御することを特徴としている。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、粘動性注入材の充填圧が、切羽圧より高く制御されるので、排土が前記空隙部に回り込まず切羽が安定する。また、粘動性注入材の充填圧が、裏込材の充填圧より低く制御されるので、裏込材が粘動性注入材の影響を受けることなく確実に充填され、セグメントリングが安定する。
【００１８】
なお、切羽圧は、排土が取り込まれるチャンバー内の土圧に等しい。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のシールド機において、
前記粘動性注入材（充填材３）は、粘土鉱物、粘土鉱物と増粘材との混合物、ベントナイトと粘土との混合物、セメントと粘土との混合物、のいずれかであることを特徴としている。
【００２０】
請求項４記載の発明のよれば、礫等の落下を抑制し、シールド機の動作を妨げない程度の流動性を有し、地下水等によって材料分離を起こさない粘動性注入材を安価に構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照して、本発明のシールド機の実施の形態について詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明のシールド機において用いられるシールド機構の全体構成を示す図であり、符号１はシールド機構を示す。
シールド機構１は、図１（ａ）に示すように、穴を掘削してセグメントリング５を設置するシールド機１０、シールド機１０と穴との間の余掘り部２に充填材３を充填する充填機構３０、シールド機１０や充填機構３０の動作を制御する制御機構４、等により概略構成される。
【００２２】
シールド機１０は、円筒状のスキンプレート１１の最前部に掘削機機構１２を備え、掘削機機構１２は、ディスクカッタ、コピーカッタ、チャンバー１２ａ、チャンバー１２ａの土圧を測定する土圧計１２ｂ、排土機構、等からなる。
【００２３】
スキンプレート１１の中間部には、余掘り部２に充填材３を注入するための注入孔１３が、シールド機１０の長さ方向および周方向に複数となるように設けられている。また、余掘り部２に充填された充填材３の充填圧を検出するための圧力計１４が、シールド機１０の長さ方向および周方向に複数となるように設けられている。さらに、シールド機１０のピッチング角度、ヨーイング角度を検出するための傾斜計１５が設置されている。
【００２４】
スキンプレート１１の後部には、セグメントリング５を組み立てる空間が確保され、セグメントリング５を支えとして屈伸することによりシールド機１０を推進させるシールドジャッキ１６を備える。
【００２５】
充填材３は、粘度、比重を調整した、粘土鉱物と増粘材との混合物である。このように充填材３を構成することで、充填材３をシールド機１０の周辺においては硬化させず、設置されたセグメントリング５の周辺においては硬化させることができる。なお、充填材３は、主に粘土鉱物、水等から成る主材と、主に増粘材から成る助材とを注入直前に混合して用いる。
【００２６】
ここで充填材３に求められる特性としては、礫等の落下を抑制すること、シールド機１０の動作を妨げない程度の流動性を有すること、地下水等によって材料分離を起こさないこと、等が挙げられる。
【００２７】
充填機構３０は、充填材３の主材を作製する主材作製部３１と、主材作製部３１と配管３２を介して接続する圧送ポンプ３３と、配管３４を介して圧送ポンプ３３と接続していて、主材作製部３１から送り込まれた主材に助材を混合して充填材３とする助材混合部３５と、充填材３を助材混合部３５から所定箇所に送る複数の配管３６と、により概略構成される。
【００２８】
ここで、主材作製部３１や圧送ポンプ３３は、例えば地上に配置され、その他の構成部は、例えば、設置されたセグメントリング５内に配置される。
【００２９】
主材作製部３１は、セメント、粘土鉱物、水等を混合して主材を作製するミキサ３１ａと、ミキサ３１ａにより作製された主材を攪拌保持するアジテータ３１ｂと、により概略構成される。
【００３０】
圧送ポンプ３３は周知の圧送ポンプである。
【００３１】
助材混合部３５は、主材に助材を混合して充填材３を作製する混合装置３５ａ、３５ａと、混合装置３５ａ、３５ａから配管３６に充填材３を圧送する圧送ポンプ３５ｂ、３５ｂと、制御機構４からの指示にしたがって圧送ポンプ３５ｂ、３５ｂの駆動条件を変更する制御盤３５ｃと、により概略構成される。
ここで、混合装置３５ａと圧送ポンプ３５ｂは、それぞれ周知の混合機構と圧送ポンプである。
【００３２】
配管３６は、充填材３の注入速度を検出する注入速度計３６ａ、充填材３の充填量を検出する注入量積算計３６ｂ、を有するほか、可変弁などの注入量制御手段（図示省略）を有し、注入孔１３に接続している。
【００３３】
制御機構４は、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、記憶媒体を有する記憶装置と、キーボードなどの入力部と、ＣＲＴやＬＣＤなどの表示装置と、により概略構成される。すなわち、周知のコンピュータと概略同じ構成である。
【００３４】
そして、制御機構４には、以下に示すように様々な機器からの情報が入力される。すなわち、掘削機機構１２からは、コピーカッタストローク量、コピーカッタ可動範囲、チャンバー１２ａ内の土圧等が、それぞれ入力される。圧力計１４からは充填材３の充填圧が、注入速度計３６ｂからは充填材３の注入速度が、注入量積算計３６ｃからは充填材３の充填量が、それぞれ入力される。傾斜計１５からは、シールド機１０のピッチング角度、ヨーイング角度が、シールドジャッキ１６からは、シールドジャッキ速度、シールドジャッキストローク量が、それぞれ入力される。
【００３５】
制御機構４は、前記した各測定値を認識した後、前記ＲＯＭに予め記憶されている演算プログラムにしたがって制御を行う。
すなわち、例えば、制御盤３５ｃを介して圧送ポンプ３５ｂを制御して充填材３の充填圧が、掘削機機構１２のチャンバー１２ａ内の土圧より高く、かつ、後述する裏込材６の充填圧より低くなるように充填材３の注入速度を制御する。また、例えば、図２に示す、シールド機１０の外形Ｄや長さＬ、ピッチング角度θ、ヨーイング角度、その他駆動状況等から、余掘り部２の体積を算出して、この体積を基に、余掘り部２における充填材３の注入速度を最適に制御する。
【００３６】
セグメントリング５は、曲線状の鋼製円筒であり、外部と内部を導通する注入孔を有する円弧状鋼板がシールド機１０内で組み立てられて設置される。
【００３７】
裏込材６は、設置されたセグメントリング５の外周部に前記注入孔から注入され、これにより、セグメントリング５が掘削された穴の内部で安定する。
【００３８】
次に、シールド機構１の動作を説明する。
【００３９】
シールド機１０は、スキンプレート１１の最前部に備えられた掘削機機構１２を用いて掘削する。この際、シールド機１０は、コピーカッタ可撓範囲等を調整して、穴をシールド機１０の外径Ｄより大きく、余掘り部２が形成されるように掘削する。また、シールド機１０内部においてセグメントリング５を組み立て、掘削した穴の内周に設置する。この際、穴とセグメントリング５との間には裏込材６を充填し、セグメントリング５を穴の内部に安定させる。
【００４０】
同時に、充填機構３０を用いて、注入孔１３から余掘り部２に充填材３を注入する。
【００４１】
この際、制御機構４によって、シールド機１０の外形Ｄや長さＬ、ピッチング角度θ、ヨーイング角度、その他の駆動状況から、余掘り部２の体積を算出して、この体積を基に、余掘り部２における充填材３の注入速度を最適に制御する。なお、体積Ｖは、例えば、以下の式（図２参照）で表される。
【００４２】
すなわち、
Ｖ＝（Ａ１＋Ａ２）／（２・Ｌ）−Ａ１・Ｌ
ここに、
Ａ１＝（π／４）・Ｄ2
Ａ２＝（π／４）・Ｄ・（Ｄ＋Ｌ・ｔａｎθ）
Ｄ：シールド機１０の外形
Ｌ：シールド機１０の長さ
θ：シールド機１０のピッチング（ヨーイング）角度
【００４３】
また、例えば、充填材３の充填圧が、掘削機機構１１ａのチャンバー１２ａ内の土圧より高く、かつ、裏込材６の充填圧より低くなるように充填材３の注入速度を制御する。さらに、例えば、シールド機１０の周方向に複数箇所設けられている圧力計１４のうち、一部の圧力計１４ａの充填圧が低い場合（図３（ａ）参照）には、この圧力計１４ａ近傍の注入孔１３ａからの充填材の注入速度を大きくし（図３（ｂ）参照）、充填材３が充填されたことを前記圧力計１４ａが示した時点で、前記注入孔１３ａからの注入速度を元に戻す。（図３（ｃ）参照）
【００４４】
以上のように、充填材３を余掘り部２に充填させて、地山落ちや地盤沈下を防止しながら、シールド機１０はセグメントリング５を支えにシールドジャッキ１６を屈伸させて推進する。
【００４５】
本実施の形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４６】
▲１▼シールド機１０によって略直線状に穴を掘削する工程において、シールド機１０のスキンプレート１１と穴との間の余掘り部２は、シールド機１０から注入される充填材３によって充填される。この際、略直線状の穴の掘削時に、刻々と変化する余掘り部２の体積Ｖが逐一算出され、算出された余掘り部２の体積Ｖに応じて充填材３の注入速度が最適に制御されるため、確実に充填が行われる。したがって、余掘り部２に起因する地山落ちや地盤沈下が確実に抑えられる。なお、地上から地盤改良を行う必要がないため、道路交通に対する影響や、騒音等が少なくなる他、経済的にも優れる。
【００４７】
▲２▼圧力計１４によって検出された充填圧に応じて充填材３の注入速度が最適に制御されることで、さらに確実に充填が行われ、地山落ちや地盤沈下がさらに確実に抑えられる。
【００４８】
▲３▼充填材３の充填圧が、切羽圧より高く制御されるので、排土が余掘り部２に回り込まず切羽が安定する。また、充填材３の充填圧が、裏込材６の充填圧より低く制御されるので、裏込材６が充填材３の影響を受けることなく確実に充填され、セグメントリング５が安定する。
【００４９】
▲４▼礫等の落下を抑制し、シールド機１０の動作を妨げない程度の流動性を有し、地下水等によって材料分離を起こさない充填材３を安価に構成することができる。
【００５０】
なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意の変更が可能である。
【００５１】
例えば、制御機構４を設けずに手動で制御してもよい。この場合は、圧送ポンプ制御盤３５ｃ付近に、土圧計１２ｂ、圧力計１４、傾斜計１５、注入速度計３６ａ、注入量積算計３６ｂ等の検出結果をそれぞれ表示すると、操作者は、これらの表示結果を見ながら圧送ポンプ３５ｂを操作できる。
【００５２】
また、充填材３として粘土鉱物と増粘材との混合物を用いたが、その他に、例えば、粘土鉱物、ベントナイトと粘土との混合物、セメントと粘土との混合物、等を用いてもよい。
【００５３】
さらに、主材作製部３１と圧送ポンプ３３等は地上に配置される必要はなく、大規模な工事の場合はセグメントリング５内に配置される場合もある。また、助材混合部３５はセグメントリング５内に配置される必要はなく、小規模な工事の場合は地上に配置される場合もある。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、シールド機の略直線状掘削時において、胴体と穴との空隙部に対し、胴体に設けた注入孔から粘動性注入材の充填が確実に行われ、地山落ちや地盤沈下が確実に抑えられる。なお、地上から地盤改良を行う必要がないため、道路交通に対する影響や、騒音等が少なくなる他、経済的にも優れる。
【００５５】
請求項２に記載した発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を得られることは勿論のこと、粘動性注入材の前記空隙部への充填がさらに確実に行われ、地山落ちや地盤沈下がさらに確実に抑えられる。
【００５６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２に記載の発明と同様の効果を得られることは勿論のこと、排土が前記空隙部に回り込まず切羽が安定するとともに、裏込材が粘動性注入材の影響を受けることなく確実に充填され、セグメントリングが安定する。
【００５７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の発明と同様の効果を得られることは勿論のこと、粘動性注入材を安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のシールド機の実施の形態例において、（ａ）はシールド機構の全体構成を示す概略断面図、（ｂ）はシールド機前部の断面図である。
【図２】同、余掘り部の体積の計算方法の一例を説明するための図である。
【図３】同、（ａ）〜（ｃ）ともにシールド機の動作の要点を説明するためのシールド機前部の断面図である。
【符号の説明】
１        シールド機構
１０    シールド機
１１    スキンプレート（胴体）
１２    掘削機機構
２        余掘り部（空隙部）
３        充填材（粘動性注入材）
４        制御機構
５        セグメントリング
６        裏込材
【図１】
0003842153.tif 000002
【図２】
0003842153.tif 000003
【図３】
0003842153.tif 000004