硬 岩層 におけ る TBM 掘削 につ いて

U.D.C.624.191.6:624.192

硬 岩層 におけ る TBM 掘削 につ いて

‑ 小河 内ダム新放流施設導水 トンネル‑

西松建 設技繊 VOL.2

内 田 克 己 * 中 津 一 雄 **

青 木 実 ***

要 約

TBM (TunnelBoringMachine)は今か ら約120年前,アメ】)カで使用されたのがその起源 とされ その後数 多くの機械が試作 された. しか し現在にいたってもまだ断面の大 きな トンネルや硬岩層にお いては十分な実績がない｡

本工事は掘削断面径 5m, ‑軸圧縮強度600‑3,200kg/cmZの条件の もとで,掘削機 として川崎 ジャー バM K‑17‑5OO を使用 したO その結果, M K‑17‑500は施工精度や破砕帯通過時の安全性,安 定性においては独特の メカニズムを発揮 し,好結果を得たo Lか し‑軸圧縮強度1,000kg/cmZ以上の硬 岩層において掘進速度の向上を図 るには､衝撃吸収方法, カッタ‑の形帆 取付位鼠 取付数,取付角 度 およびスラス ト荷重等に考慮の余地があることがわかった｡

目 次

§

1.まえか き

§

2.工事概要

§

3.施工実績

§

4.考 察

§

5.あ とが き

§ 1 .まえが き

小 河内 ダム (奥 多摩湖)は 多度 川の上 流 に位 置 し,都 の上 水道水源 の うちでは緊急時放 水用貯 水池の役割 をに な ってい る｡ 普段 は満水状態 を保 ってお き,利根 川水系, その他 の渇水時 に この貯留水 を一挙 に放 流 して,都 の給 水計画 に破綻 の ない よ うに計画 されてい る｡ このため現 在の ダム放 流施設 の放 水量毎秒21.5tでは不 足で あ り, 新 たに貴大毎秒30tの放 流が可能 な取水設備 を築 造す る 必要 が あ ったO新 取水設備築 造工事 は, 取水庭,取水 ロ, 導水 トンネル, バ ルブ室,放水庭 か ら成 るo この工事 は, 無効放 流が許 されず,常 に満 水状態 で工事 を行 な う必要 が あ り, かつ既存 の諸施設,地盤 に悪影 響 を与 えない こ とが絶対 条件 にな り,種 々漸新 なア イデアお よび工 法が 採 用 され た｡ この うち, 本報告 書 ではT BMに よる導 水 トンネルの施工 につ いて述べ,掘 削機 の構造 と施工 結果 を中心 に ま とめ, これ らか ら得 られ た間瀬 点 と今後 の対 策 につ いて述べ る｡

*

関 東 (支 )小河内用 '.)

**関東(

支)小 柳

‑ ) ( i (

^{出)機械係氏}

*

**

関

東

(支 )小机 勺(出 )土 木係長

§ 2 .工事概要

2‑ 1 施工概要

本 トンネル工事 は,東 京都西 多摩郡奥 多摩 町原5番地 先 の秩 父 多摩 国立公園特 別指定 区域 に属 す る小 河内 ダム の上 流左岸130m地点 で,既存余水吐 (当社施工 )に辛行

し施工 され るO

掘 削は￠5.0mのTBM(TunnelBoring Machine)に よ り施工す るO これは,近隣す る既 存構造物 (小河内 ダム, 余水吐等の重要構造物 )の防護 と､岩盤 に亀裂が発生 し 湖水が漏水す るの を防 LLす るため に採用 された もの であ

ら:

掘 削方法 として, 発進部 に捨支保工 を組 立 て,切 羽郭 に鏡 コンク リー トを打設 した後, 坑 口か ら直接T BMに よ り掘削 を開始 し,掘 削終了後坑 口までバ ックにて 自走 させ 搬 出す る｡

193 図‑ 1 位置図

西松建 設技報 vOL.2

図12

一般 図

施勾施

秦 ‑ 1 TBM施工工事 内容 工工削上工工保掘仕覆 娃断

212.29m l/1,000上 り

5.0m 3.8m 60cm

円形 H‑100P‑1.5m

2‑ 2 地 質

小河内 ダム工事誌 に よると, ダム地点の地層は中山層 に属 し,鳥 ノ巣型石灰岩や チャー トを挟 む厚 さ1,600mの 砂岩,粘板岩層であるO

掘削工事 に先立 ち,現地 盤 (EL530)よ り検査 ボー リ ング,水根沢坑 口よ り水平 ボー リング(ワイヤ ライン工法) を行 った｡

検査 ポー リングの結果,取水 口中心か ら トンネル中心 線上35‑55mにかけて断層破砕帯 があるこ とが判 明 した ので,岩盤強化のため, コンソ リデー シ ョングラウ トを 行 った｡

次に水平 ポー 】)ングの結果, トンネル全延長の岩盤は, 局部的に亀裂 の 多い所 もあるが, ほぼ良好 であ り,掘削 に際 し, 肌落 ち程度 は考 え られて もブロ ック状 に落盤す る可能性 (危険性 )は少 ないことが判明 した｡しか し,

図‑3 小河内ダム新取水設備平面図

lTLl松弧 淀ik緋 ＼'川 ･'

導 水 ト ン ネ ル 標 準 折

^面悦

岩盤 等級 C十ちy十C,CiがHCLC+y+. C純一CH 車 ^cLIC^{1 卜t}弾^cF.C巧^!L;LC^粥C封,^{CHi Cti CH‑CH.HC択一CPlT ̲ CH} C L‑ CP= C挑CHi CLI ∵}i D こし+}〜 C的 CL:I

地 質

i …

酢 ● ′●◆

記 事 萱妻 芝

菱

妻沼;,三雲 警≡;ヲ三 雲

誓㌔ 7 [ 芝リ

^{雲雲 慧 蔓 雪tx;≡}

‑ 砂 岩 (SS) ‑ 粘板 岩 (S l)

#

^{断局破砕帯(FZ)}

図‑4 導水トンネル那地 質

図

地 山深部に一利l圧縮強度が1,500‑3,200kg/cm=の硬岩個 所 が約100m(施工延長 の約% )に渡 i)介在 してい るこ と や,石英 含有量が35%であ るこ とも判

明し

,T

BM

の掘 進 に対す る妄影響 か心配 され たe

湧水

は,常時100‑150a/mi n,東 大時250‑3O

O

a/min と推定 され, それほ ど必配 され る嵐では ない｡

§ 3. 施工実績

3

‑

1 設備概要

本工事 に使用 され た

TBMの主

要 諸 元は表

‑2

の通り で あ る｡

施工 法の概要 につ いて述べ れば,図

‑5

の

如 くT BM

本体, 後方 台車, トレンロ‑ ダの順 に配 置 され

,TBM

の カ ッタ‑‑‑ ツ ド部分か ら出た ズ リは本休上, 後方 台 車 上, 及び トレンローーデのベ ル トコンベ アで運搬 され, 3 1げの

鋼

壁 4輔 に桔込み, 6tバ ッテ リー ロ コにて立坑

部

迄運搬 し, 立坑上 の25tトラ ックレー ンに て巻上 げ,25 m3土砂 ホ ッパーに貯蔵Llltダンプにて捨 土 したO

排水設備 は湧水義教 大時300E/mi nと考 え, 6

吋水中

TBM 掘削機本 体

(M K 17‑ 500)

｢大へIL'トコンへヤー

二J六へルトコンベヤー

ポンプ を立坑部 ピ ッ ト内に2台用意し, 1台 を予欄 とし たO そ して坑 内には2吋 3台 を用意 したC

給排 気設備 として,集塵装 置が

TBM

本休 に付属 して い るが,保安

,測

量推進管理 用の レーザー光 線透視度 を 考 え,4,500mmの ロー カル7ァン2台 を用意 した｡

軸圧縮 強度が大 き くな るにつれ,切 羽 部 に集 塵装置の能 を越 える粉塵が 発生 し, また切 羽部 とカ ッター との間に 摩擦 熱が発生 したため,粉塵処理, お よび カ ッター冷却 用 として2吋パ イプを配

管し

,切 羽部 に散 水 した｡

3‑2

TBM

の構造 及び特徴

本機 は ロー ラ‑ か ソタ‑ を岩盤 に押 し付 け, か ソタ‑

の転勤等 に i:って岩 を圧壊 す る もので あ る｡ その ため56 偶 の か ソタ‑ を持 つ か ソタ‑‑ ッ 卜とそれ を回転 させ る 駆動部 を一体 とした摺 動 フ レーム, お よび掘削機 の回転 トル クと軸方向 スラス トを トンネル坑 壁 に伝●えるための グ リッパー を2組持つ本体 7 レ‑ ムか らな ってい る｡

摺動 フ レームは, 前方の か ソタ‑‑ ッ ド弧 後方 の駆 動 ギヤ‑ ケー シン グ, お よびそれ らを連結 してい るチュ す り出 し列車 (3M3トロ4両)

11I .1 ‑ 6tLCV38こ,3COrnを

バノ テ リ ー C 3 コ6 (

図

‑5

施工編 成

図

西松健 設枝韓 VOL.2

秦‑2 TBM

の主賓 諸 元

名 称

名 称

掘 削 径

後退径(アタッチメント取 外し) 全 長 (第1コンベア終端) 総 重 量(本

体

^のみ)

回 転 数

カ ッター 回転 用モ ー タ

全 推 力

グ リ ッ パ

ー

押 付

カ

カ ッ

タ

ー‑ッ ドストロ ー ク オ

イ

^ル ポ ン プ 起

動

用 オ イルモ‑ タ

ト ラ ン ス

カ ッ タ

ズ リ 出 能 力

要 目

川 崎

ジ

ャ‑バMK‑17‑500

5.0m 3.8m 14.2m 188 t

7.3r.p.m.

90KwX6台 750t(8シリンダー )

1,600t(loot,2シリンダ‑,8レッグ) 750mm

55Kw,300kg/cm･' 電動機直結式

50サイクル,6

, 6

⁰⁰V,750KVA

チップインサート

カ

^ーフ型,^56ヶ

200t/H

写真 ‑ 1 M K‑17‑500

プロテクター

1

∃

矢視A‑A 断面Bへ革

断面C‑C 矢硯D‑̲D

プロテクター

迦 欝 .､ B｢‰

Ml 0

^{｢C D｢}

iパケット ′乞比 ニ

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メイ ンべア ル ク 竃 ‥Jシ.〆てツワト[ ､rーE 云 ≡ 監 ≡ 撃 ∠Z姓と上之空士宗｢.̲ 1古〜 f 減 速機電鰍 ,fi ○ 7㌔]テ クタ ‑プ レー ト

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図‑ 6 M K‑17‑500全体 組立図

西松建 設妓報vOL.2

197 ーブ シャフ トか らなる｡ この うちチューブ シャフ トは本

体 フレー ム中央 を貫通 しているO

本体 フレームは,前後 に円周方向4段1組 の トル クア ーム を持 っているO トル クアームは巨大 な蝶番構造であ り,摺動 フレームの重義や カ ッター‑ ッ ドトル ク等の反 力を直接, グリッパーによって坑壁に固定 されている本体 フ レームに伝達 しているo

Lたが って,回転軸 (チュー ブシャ フ ト)はモ‑ タ ト ル クを伝達す るのみで カ ッター‑ ッ ドか らの曲げ応力 を 受 けない｡

カ ッターヘ ッ ドを岩盤 に押 し付 け るための推 力は, 本 体 フレーム〜カ ッター‑ ッ ド部 間のブ ッシュ シ リンダー と, 本体 フレ‑ム〜後部 ギヤ‑ケ‑ シング間の プル シ リ ンダ､一に よって与 えられ る^Q か ンタ‑ヘ ッ ドを構成す る 各 スポー クには, ズ リを掻 き寄せ るス クレ‑パ とズ りを 入れ るバ ケ ッ トが あ り, ズ リはか ソタ‑‑ ッ ドの回転 に よって最上部 にてバケ ッ トか ら一次ベ ル トコンベ アに排 出 され る｡

ここで本掘削工事 におけ る本機 の特徴 をい くつか あげ てみ る と,

① 本体 フレームの2点支持 グ リッパー と,摺動 フレ ームの フロン トお よび リヤーサ ボ｣ トレ ッグに よ り, 支保工 をまたいでの前後進, トンネル外での 自走可 能が あげ られ, 発進段 取時お よび後退時にその特徴 が生か された｡

② か ソタ‑‑ ッ ド部 はア タッチ メン トの交換方式 に よって,掘削径 は3.8‑5.0mまで変更可能 であ り, 後退時にはア タッチ メン トを取外す こ とに よって支 保工 を連込み, ライニ ングした状態であって も本体 を解体す るこ とな く引出 しが行 えた｡ またか ソタ‑

ヘ ッ ド前面部 は平板 型であるため, ド‑ム型に比べ, 切 羽面 は平組で 自立性が良 く, か ソタ‑交換等の作 業時 スペー スが広 く取れ,安全性,作業性 に富み, 捕

写実‑2 組立状況

写

真‑3

掘削開始状況

TBM発進部

○ [==コ

T BM自走 部

鏡コ＼クリー ト

図

‑7

TBM発進段取回

11q松鯉 .ikL指紋 ＼ナ川J.2

削時 に於 け る二次破 砕 も比 較的少 な く, よって振動

も少 なか った｡

③ か ソタ‑‑ ッ ド部 と駆動部 が前後に分 け られ, そ の 中間に グ リッパー脚が あ るため,機 械 の蔓心 位請 は掘進前 に於 いて前 後の グ リッパ‑脚の 中間にあ り､

掘進完 了時 に於 いて も前 グ リッパ‑の後端 にあ るた め,機械 は安 定性 か良 い｡ 従 ってセ ン タ リン グや

掘

進 時 の ステア リン グが容 易に行 え, ト ンプヘ ビーに よって直進性 が失 なわれ るこ とはなか った｡

④ トル クアーム部 は前 述 の ご と く大 きな トル クに耐 え, 軸心 を保持 し, 回転軸に カ ッタ‑‑ ッ ド盛鼠等 に よる曲げ応 力が生 じるの を

防

いでい る｡

⑤ グ リッパー は本体 7 レ‑ム前後 の2点でⅩ型に支 持 してい るため

,

剛 に支持 で き,かつ天端 を傷めず

リセ ッ トと同時に方向修Jl:^か で きたO

⑥ 駆動装 置は油圧 モー タ起動 のため の電圧降下 か な く起動 時の衝撃 が ない｡ また長 い駆動 軸 川 一空軸) に よ り, トル ク等 の変動 に対 して緩衝 効果 が あ った｡

3‑ 3 施工実績

M K‑ 17型TBMは機体 重量約188t(本体 のみ )であ るが搬入経 路, お よび現地組 立工事 期 間 を考 慮 して最 大 分割 重義 を35tとしたO 現地 には60t及び35tの トラ ッ ククレー ンを配 置 し, 立坑下部 (ア ンカー ブ ロ ック)約 26m地 点 で組立 を行 った｡

機体搬 入開始 日を昭和52年=6月15日とし6月28日組立 完 了,調整運 転のの ち機体 を切 羽部 まで移動 し7月 7日 運転 開始 となった｡

図‑ 8に掘削進行状況 図 を示 す が運転は大別 して3期 に分かれ るO 第 1期は保守点検 を主体に機械 の馴 ら し運 転 第2期 はTB‑M後方 の設備 編成 も整 う本格運転 第

3期 は破砕帯付近 か ら到達部 におけ る運転 であ るO

① 第 1期施工 の特徴 (7/7‑7月6)

本期 は岩盤 の‑一軸 圧:̲縮強度か600‑800

k

g/cEn･と推定 され,岩盤 の肌落 ち も激 しか った｡ その ため支保工 を75cmピ ッチ とした｡ またブリッパ‑ を

坑

壁に【喜郎立 す るこ とがで きず,低負荷 に よる運転技術 の習得 と 機械 の馴 ら し運転 とに費や され た｡ スラス ト圧 は

%

〜% (80‑180t)を順 次変 化 させ約26mを掘進 した が,岩 の崩壊 に よるカ ッタフェイス部 の給脂用配 管 の破 損 とスラス トシ リンダ‑配管か らの

油

洩れ等 の 事 故が 発生 したO

② 第2期 (7/17‑9/28)

前期

間

中の掘削長 (約26m)を加 え,切 羽部 か らア ンカ‑ ブ ロ ック部 までの約70m区間にてTBM施工 編成 (約45m)を整 え本格運 転に入 った｡Jj.L硝り艮46

mにて敢初 の カ ッタ‑交換 を行 い,60mにて2度 目 の 交換 を行 なった｡

∴10

月 5 10/26‑ll/11坑 口にて鰐休作策(実働 14日)

25

102() 10/1 〜10/25TBM坑 口まで移動(実働 5El)

l '

15 10′13‑10/19切羽にて解体作策 (実働5日)

J1105I

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月105 ̲〆一一一一一一一

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^{‑‑‑当初予定‑ 当所 実績}

一̲‑■

盆 休み

a / カ ッター及びサ ドル交換

磨 ?⊥一一′

2

5

720

メ 一

妄磯

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野

∫ ̲ ∫ ‑

^‑.■′

15

月105 I, 7/7掘削開始

暮 l 凡例

ー 6′15‑6/28組立作業 (寡‑f垂jj11日) ES亨ヨ砂岩(Sand stone

2〇 620

月i1O :5 6/29‑7/6坑 口‑移動及 び後方設備(実働7日) 段 落砧坂 岩(Sllate)

l 岡 破砕層

i

(m ) 20 40 60 80 100 1お 140 ‑160 柑0 2∝) 212

図 ‑8 進行状 況図

西 松竣 設 技 報vO1‑.2

写真‑ 4 石 英層 を含む切 羽状 況 ③

写真

‑5

か ソタ‑破損状 況

この頃か ら切 羽部 に石 英層が 目立 ち, 一触圧縮 強 度 も1,000kg/cmZを越 えて きたので, これ まで カ ッタ 一部 点検 お よび給脂 を一方 当 り1‑ 2回であ ったの

を 1ス トロー ク(750mm)掘削 ご とに点検 お よび給脂 を行 うこ とに した｡ に もかか わ らず, 掘削長81m,

‑ 軸圧縮 強度推定3,000kg/cm?にて写真‑5の よ うに ゲー ジカ ッターがサ ドル部 も含め て破 損 したO その 後掘 削長170mまでインナ‑ か ソタ‑ 41ケ, ゲ‑ ジカ ッタ‑ 84ヶ, 計125 (2

ケ

/日)の か ソタ‑交換 を行 った｡ スラス ト圧 は150‑360t (全推 力の% 〜% ) の間で過 宣変 化 させ た｡

第3期 (9/29‑10/9)

本期 は破砕帯 お よびその周辺の岩盤部 に粘土 を挟 ん だ り,小断層がみ られ るため入念 な施工 が望 まれた｡

コンソ リデー シ ョングラウ トを行 って いたので,描 削 に際 して支障 とな るこ とはなか ったが, グ リッパ 一等 に よる反力が取 れず スラス ト圧 は第2期 の%程 度 に滅少 した｡ 本期 におけ るか ソタ‑交換数 はゲー

ジカ ッター 8ケのみであ るO

施工実績 の‑舷 的 まとめ として表‑3に掘 削総 括 表 を示 す｡

これに よる と昭和52年7月7日か ら10月9日まで総 日 数95日間 の 内 の 全 休 日等 の休 止時 間 を除 く総 作業時 間 1848時 間の内,運 転が20.61%, 整備 が38.16%,待 ちが 表 ‑3 TBM掘進総括表

52年7月7日‑10月9日(95日間 )稔掘削長212.29m

日 ‑数 内 訳 平 均 速 度

区 分 全 体 ‑,汁 区 分 掘進 速度 総 日数 95.OE】 100% 総 日数 当 i)日進 2.235m/日 掘 進 68.0 71.6 IF,i:.進 日平 均 3.122m/日 盤 備 9.0 9.5 運 転 ー啓開 当 0.557m/H 山 留 0 0 掘 進 時 間 当 0.833m/H 段 取 替 7.0 7.3 同 上 秘 分 速 庶 0.014m/min 休 日 ll.0 ll.6

時間

の分

布 備璽吉 日 常 4.26 78‑45 電 気 系ベルコン系バッテリ‑交換粍 緒 等 洗矢 板 山給 水 配 管整理後 方 設脱油 圧 系モータ一系かンタ‑片 付糸 7儲 8備 9液 1((6.((3.(8.線161888495.6.4‑‑‑‑‑ト330‑‑‑42050358403‑40050015‑55%)%)%)0Hr0Hr0Hr0Hr%)%)51HrHrHrHrHr50HrHrHr

給 油 12.68 234‑20 カッター交換 14.79 273‑25 岬 理 6.43 118‑55

汁 38.16% 705‑25Hr

運

転 掘 進 13.79 254‑50 盛 替 5.73 105‑50 そ の 他 1.09 20‑10

計 20.61% 380‑50Hr

待ち 硝 つ ま り 0.34 6‑20 軌 道 延 伸 2.86 52‑50 排 水 構 1.12 20‑40 支 保 工 9.02 166‑45 送 風 管 0.32 5‑50 奄 力 線 0.04 0‑40 コンベヤ‑ 1.23 22‑40 トロ 待 ち 6.35 1¹7‑25 州 Hl 0.24 4‑25 そ の 他 2.25 4ト30

汁 23.77% 439‑05Hr 故 障 5.19% 95‑50Hr 休 憩 12.27% 226‑50Hr

il̲q松建 設 技報 VOL,2

秦‑4

作業 員編成衰

職 種 人数(人)p i

Eg

ⁿ

T B M 運 転 工 2 当社社員

作 業 長 1 坑 夫

バ ッテ リーロコ運転 2 坑 夫

コ ン ベ ヤ 系 統 1 坑 夫

硝 上 げ

工

2 坑 夫

ク レ ‑ ン 合 撰 者 1 坑. 夫 ク レ ー ン運 転 手 1 25tTC.

23.77%,休 止が17.46%となって いるO なか で も隻欄 の うちか ソタ‑交換14.79%と給油 (脂 )12.68%は大 きな 割合 を 占め てい る｡ また, 休止の うち故障5.19%は カ ッ ターサ ドル破 手員に よる部 品購 入の ため の休 止 を表 わ して い る o

掘削記録 として,総 掘 削長212.9m,平均掘 削速度0.833 m/H,総 日数 当 りの 日進2.235m/日 (第1期2.58m/日, 第2期1.92m/日, 第3期4.29m/日),稼動 日当 りの 日 進3.122m/日,最 高 日進8.6m/日であ った｡

作 業員 に関 して,機械 の運 転士 (当社社員 )お よび ク レー ン運転手 を除 く坑夫 (作 業長 倉)は7人/方であったO また, 支保工 組立,線路敷 設, ダ ク ト延伸等 の作 業 は安 全上 か ら掘 削 を中止 して, 坑夫全員 で行 わせ た｡

単位 掘削電 力消費量 は第 1期 で最低 値9.17KWH/rn3, 第2期 で最高値45.86KWH/m3を記 録 し,平均 は19.32 KWH/m3となったO

写実‑6 坑 内状 況

蛇行 に関 しては, 本機 の持つ安 定性, お よび ガス レー ザ に よる掘 削方向の コン トロー ル制御 の ため, トンネ ル 中心 か ら左右方 向15cm,上下方向10cm以 内に収 ま り, か な りの精 度 といえるO蛇行 は切 羽部 の一触圧縮 強度 の 低 い方へ 惹起 した｡

§ 4. 考察

4‑ 1 メカニズム

本機 は3‑ 2TBMの構造 お よび特徴 で述べ た よ うに, 機械 本体 につ いては良 く考 慮 され てお り, 本工事 におけ

る施工精度や破 砕帯 通過 時の安 全

性

,安 定性 は本機 の持

図‑ 9 カ ッタ…配列 図

西松建設枝轍 t70L.2

秦‑5

カ ッター 使用実績

品 名 取件 数 (ケ ) 交 換 数 (ケ ) ★i十 ゲ ‑ ジ カ ッ タ ‑ 8 106 114 イ ンナ ー カ ッタ‑ 46 55 101

セ ン ター カ ッター 2

0

²

チップインサ‑ ト隻リかソタ‑ 8 8

汁 56 169 225

カ ッ タ

ー

消 jiv哲鼠 225ケ÷212.29m‑1.06ケ/m(0.054ケ/m3)

写真

‑7

カ ッタ‑使 用実績

写真‑8 セ ン ター か ソ?‑

つ独特 の メカニ ズムに依 る ところが大 きか った と思 われ る｡

しか し本機 も他機種 と同様, 本体 フ レー ム を トンネル 壁 に強 力に固定 し, トル クや スラ ス ト圧 の反力 を とる構 造 となってい る｡ その ため弱悪層 (第3期 )や 施工 条件 に よって グリッパ‑が仙 えない場所 (第 1期 )では,所 定 の推 力が得 られ なか った リ,振動 の 発生 に よって坑

壁

を傷め て しま う鋸

鮒

三か あ るので考慮の必要 が あ る｡

トラブルの 多 くは組 合せ部分 に 多 く発生 した｡ 特 に苦 労 したのか か ソタ一系統 で あ り,‑一一一一軸 圧縮

･ , ' 鋸

空1,000kg/cm‑ 以上 の岩 盤 にお いては発生 頻度が激増し, これの交換等 に 多大 な労 九 時

間 (

実臥 総 時間の約35% )を費 した｡

これの改 ゞ(･,策 として か ソタ‑‑ ッ ドの内周部 の酢 蛸 '･.〜: の改 札 お よびそれに伴 うか ソタ‑形状,取付位 私 取

付数, 取付 角度等が あげ られ る｡

チ ップ インサ ー トカー フ型のセ ンター カ ッター とイン ナー カ ッター をフ リーの状態 で平地 を転が してみ る と, その軌道 の直径 はセ ンタ‑ カ ッター約0.5m,インナ ー カ ッタ‑約2.0mとなったO

セ ンター カ ッタ‑は取付位 置 と, この軌 跡がほぼ‑致 し, カ ッタ‑‑ ツ ドの 周速 も小 さいO 実績 として‑度 も 交換す るこ とな く破 接個所 もほ とん どなか った｡

インナー か ンタ‑ は この軌跡がほぼ一致 す る取付位 置 は図 ‑9中の Fラインであるo

Fラインよ り内側 に取付 け てあ るカ ッタ‑は軌 跡が違 って も周速 が小 さい な どの理 由 に よ り. 交換 した個数 は 少 ない｡ また交換 した ものは か ソタ‑の シール類 の摩耗 に よる ものであ るFラインよ り外側 に取付 けてあ るか ソ

タ‑ は軌 跡の違 いや 周速大 の条件 に よ り, 取付数 を考 慮 しなければ な らないo B〜Dライン2ヶ, E〜Pライン 4ヶとなってお i),EとPラインでは 1ヶ当 りの 負担 量差 が大 きい｡ 実績 では, わずか ではあるが交換 した カ ッタ ー数がPラインに近 いほ ど多 くなった｡

インナ ‑ カ ッタ‑ は切 羽部 に直角方向の スラス ト庄 の み を考 慮すれば良 いのに対 し, ゲ‑ ジか ソタ‑は蛇行 等 に よって生 じる側壁か らの力 も考 慮 しなければな らない｡

そのほか の改善 策 としては,推 力増大 に伴 うか ソタ‑

1個 当 り, チ ップ1個 当 りの スラス ト荷 重, トル ク等 に 対す る考 慮, か ソタ‑ 各部 の強度増, シー ル類や 油脂類 開発等 が あげ られ る｡

その他 の トラブル としては, 油圧系,ベ ル トコンベ ア 系 で あった｡

油圧系統 は全 て第 1ベ ル トコンベ ア下 に配管 され てい たので

,油

漏れ等の 発見,

補

修増締め が国難 であ ったO また, 掘 削終了後, TBMをバ ッ クさせ たが フロン トサ ポー ト‑ の配管が低位 置の ため,残土 に よって破 損 した｡

この残土は, カ ッター冷却,粉塵処理 を 目的 として切 羽部 に給水 を行 ったため,機械 本体下 に堆積 した もので あ る｡ 摘消摘郡ま水 と共 にバ ケ ッ トに よって第1ベ ル トコ ンベ アに昇 f), TBM本体, 後方 台車等 を泥 で汚 し作業 環 境 を悪 化 させ たO また,ベ ル トコンベ アの故障 等 につ いては全 て前記事 項 に起因 した ものであったO

二

坑内排水 につ いては,排 水 中にか な りの義の油類 を含 み, 濁度 も2,000‑3,000ppmあったため, 放 流前 に処理 す る必要 が あったO 本工事 では率 い, 取水 庭 ,取水 口掘 削工事 用に敢大1,4401汀/Hの処理能 力 を有す る濁水処理 設棚 を設置 していたので これ を利用 した0

4‑2 純掘進速度

当所 におけ る実績 は純

掘

進速度0.833m/H,純掘削壷 速度16.35mソHであ るO この値 を過去の全断面掘 削 タイプ

201

rlq一松私 投托紬 Vt)I･･2

純掘進速度(m

/

H)

80

60

40

神

経掘削

量

(が

/

I

)

◎ 当 所 実 績

●

^{川崎 ジ ャ ーパ}

○

そ の 他 機 種

50 100 5001000 5

∝) 0

圧 縮 強度 (kq/cm2) 図 ‑ 10 純

掘進

速度 と圧縮 強度

◎ ●

^{川崎 ジャーバ当 所 実 績}

○ そ の 他 機 種

●

o 0

o ̲0

0 8

Q

) 0

00 % oo

o a o

o

o 8

o o b OO

･03:oqo

?

･i oooA.,

50 100 500 1000 5000 圧縮 強度(kq/cm2)

図‑11 純掘

削

量 と圧縮 強度

プTBM 実績 と比 較す る と‑軸圧縮 強度 との関係 は図 ‑ 70,図‑71の よ うにな るO 当所 におけ る実績値 は数値的 には低 いが図 一10, 11でわか るよ うに,‑ 軸圧縮 強度 を 考慮す る とか な らず Lも低 い とはい えない｡‑般 的 に高 い実績値 を示 してい るのは‑軸圧縮 強度100‑1,000kg/cm: の範囲 である, この範 囲の掘削実績割 合 は90%以上 を 占 め てい るO 過去 にMK1 17‑ 500を‑ 軸圧縮強度100‑

1,400kg/cmzの範 匪け使用 した例 を表

‑6

に示 すO この実 績 は破 砕帯 に よる待 ち時 間が全体 の43.55% にな ってい るが掘削速度や 日進 にお いては好結果 を得 てい るO‑軸 圧縮 強度100‑1,000kg/cm三の範 囲で不 整 層,断層等 に よる 掘進 中断作 業の少 ない岩石 隠道や,一 触圧縮 強度1,000 kg/cmZ以上 の範 囲におけ る市街地 の民家下,重要 構造物 の

義‑6

実績 比較菜

当所実緋 過去実績

総 掘 削 技 m 212.29 1,000.00

総 日 数 E::7 95 232

総 時 間 H 1.848 4,199

運

転 時 間 % 20.61 24.24 安だ 備 時 間 % 38.16 20.82

待

ち 時 間 % 23.77 43.55

休

^{止 時}

間

% 17.46 ll.28 実掘削平均掘 削速度 m/H 0.833 1.350 総 日数 当 リの日進 m 2.235 4.320 稼働日数 当 りの 日進 m 3.122 10.300

最 高 日 進 m/El 8.60 40.50

便 悶 電 力 平 均KWH̲/m' 19.32 13.20

‑ 軸 圧 縮 強 度 lくg/Cl71= 60C〜3,200 100‑1,400

近接地 等 で

埋薬

等 に よる発破振動 等 を絶対 さけ なけれ ば な らない‑定延 長以上 の岩石随道 では, その採 用につ い て充分検討 され るべ き工 法 といえる｡

4‑ 3 単位 掘削電 力消費量

‑般 的 に‑軸圧縮 強度が増加 すれば単 位掘削電 力消費 嵐 も増加 す るこ とは容 易に想像 され るo Lか し過去 の実 績 よ りこの関係 が認め られたのは,‑軸圧 縮強度100 kg/cmご以下の掘 削 に使用 され る自由断面 タイプのTBM

(ロー ド‑ ッダー等 )においてのみであるO それ に比 べ, 全面断掘削 タイプのTBM の場合,‑ 軸圧縮強度 が100‑

200kg/cmZの範 囲 でほぼ一定 して い るに もかか わ らず単 位 掘削電 力消費巌 は3倍近 い違 い を示す事 例や

,‑

軸圧縮 強度が3‑ 6倍 も変化す るに もかかわ らず単位掘 削電 力 滑費量はほ とん ど変 化 しない事 例, さらに‑ 軸圧縮 強度 が増加 す るに したが い単 位掘 削電力消費巌が減少 してい る事例 もあ るO この よ うに全断面掘削 タイプのTBM は 過去 の実績 か ら, ‑軸圧縮 強度 に対す る相互 関係 を求 め

るのは現在の段階 では困難 とされてい る｡

図‑12に3機種 の実績 を示 すが, 各機種 ともか な りの ば らつ きが あ り, ‑軸圧縮 強度 に対す る相互 関係 を求 め るこ とは困難 であ る｡

3020

0

単位掘削電力愈(附

/ど

L=

1 0 0 0

ri縮 強度 (kg/cm‑)

2000 30

C O

図 ‑ 72 単位掘削電力消費･:Eli:と圧縮 強度

軸松姓 波根槻 vOL 2

本工事 に おけ る実績 は平均19.32KWH/mで あ り, 他 機 種 に比べ 決 っ して高 い値 では な い｡ ‑軸圧縮 強度600‑

1,200kg/cmTに お いては値 が ほぼ一 定 で あ り, これは 第 1 期 お よび第3期掘 削 に対 し, 本機 の安 定性 が電 気的 に も 窺 え るo Lか し‑ 軸圧縮 強度1,200kg/cm=以上 (主 に 第2 期 掘 削 ) に お いては‑･軸圧縮 強度 が大 き くな るに従 いば

らつ きが大 き くな ってい る｡ これ は一一軸圧 縮 強度

,

掘進 速度 , ス ラ ス ト圧, か ソタ‑‑ ッ ド一定 回転等 の作 用 に

よ るモー タの電 気的 負荷 の ば らつ きを示 して い る0

4‑4

カ ッター消費 盈

TBM

に用 い られ る掘 削 カ ッター は表

‑7

の ご と く一･

軸圧縮 強度 に よ i)区別 して い る｡

表

‑7

か ソター分 類表 一一軸L=tE幕別如空(kg//ぐm､) 枚 岩一中碑 岩

中 硬 岩 ilLL1 ‑lLi‑

850以

下

850‑1,800 1,800以 上

チップインヤニ ト75‑ 7 JF!,i

ナ ンプインサ… トlf;J.

図 ‑13 QKCカ ッター組 立 図

本工 事では‑一般 にチ ップ インサ ‑ トカ‑ フ型 か ソタ‑ を根 羽したが,掘削長90m,推 定‑‑軸圧

縮

強度2.50()kg/cur にて試 験的 に硬 岩 用 チ ップ インサ ー ト聖 か ソタ‑ をゲー ジ部 に使 用 したO チ ップ インサ ‑ ト型 カ ッ タ‑ は その形 状 よtH坤粥す るよ うに か ソタ‑ チ ップ列 と隣 接 す るカ ッ

ター チ ップ列 の空 降 (カー フ)が非'ill･Z,‑に小 さ く,岩 を粉 砕 しなければ

TBM

をj捕生させ るこ とが で きな

い O

チ ップ インサ ー ト型の実績 につ いて調 査 した とこ ろ, 我 国 では リーマ孔 に垂

碇引

上 げ で拡大 孔 を施工 した例 の み しか ない との こ とで あ り, いず狛 二して も岩 を破 砕 す るチ ップ インサ ー トカー7型 に比 べ チ ップ インサ ‑ 卜聖 汰, 岩 を粉 粋す るため 多大 の エ ネル ギ‑ を要 し, 掘進 速 度 もきわめ て

侶こ

下 した｡

写真‑ 9 チ ップ イ ンサ ー ト型

写 真‑10 チ ､ソプ イ ンサ ー トカー フ型

写英 一11 か ソタ‑摩 耗状 況

203

西松

建

設技織 VOL.2

本工事 におけ る実績 として,純掘進速度0.1m/H (チ ップインサー トカー フ型 ,純 掘 進 速 度0.833m/H) で あ り,最終的にベ ア リング破損に よる片‑ リ状態 を惹起

した｡

チ ップインサー トカーフ型は切 羽面 に ギヤ型の突出 し た刃先 (チ ップ) を庄着 させ るこ とに よって全推 力 を刃 先 (チ ップ)の点に集 中 させ,切 羽表面部 を

引

張作用に よって圧砕,破壊す る｡圧砕 力は庄着点か ら周辺 に伝達 され隣接 した刃先圧砕痕 の方向に努断破壊 に よるきれつ が発生進行 し表層面 はある深 さの範囲で剥離 し離脱す る｡

従 ってカ ッターの形状 におけ る, チ ップの突 出長,空隙 (カ‑フ)の大 きさ, シェル (チ ップ取付部 )の厚 さ等 つ一つが カ ッター消費量に対 し重要 な要素 とな るO

本工事 において, か ソタ‑消費量 を大 き くさせ た要 因 として,(むチ ッフ破 損 または脱落 によるか ソタ‑外部摩 耗 (写英 一11),② ベ ア リング破 損 に よるか ソタ‑外部 の片‑リ,③ シール類 の破 接に よるか ソタ‑内部 の摩耗 等が あげ られ る｡通常 の掘削状態ではチ ップ突 出長の約 80%を切羽 に貫通 させ,衝撃荷重等 は残 り20%の範囲で 切 羽へのチ ップ貫入に よ り弱め られ る｡ つ ま りチ ップの 完全 な切 羽へ の貫入は, シェルが切羽 に接 触す るこ とを 意味 してお り,結果 として シェルの摩耗に よるチ ップ脱 落やベ ア リング破 損 (切 羽か らの衝撃荷重 を直接ベ ア リ

ングに伝達 して しまう)が発生す る｡

ゆえにカ ッター消費壷は か ソタ‑ 1ケ当 りにかか る推 力にか な りの影響 を受 け るこ とがわか る｡ またカ ッター 軸の角度不整合状態 を防 ぐこ とも重要 なこ とであるo こ れはカ ッターに対す る推 力 を不均等に配分 し,急速に①

② の要 因 を惹起 して しま うためであ る｡

土木的要素 として,従来のか ソター消費量は掘削 しよう とす る岩石 の‑軸圧縮強度 を一つの 目安 としていたが,

TBM

実績がか な り得 られ るようになった今,‑軸圧縮 強度 よ りの推定値 と実績値 が必ず Lも一致せ ず一触圧縮 強度のみか ら判断す るこ とは不適 当であ ることが認識 さ れは じめ たO現在では‑軸圧縮強度の他 に,石英含有鼠 岩盤 きれつ な どに大 き く影響 され ると考 え られている｡

過去の実績 を調査す ると, カ ッタ‑消費量は最大0.04

ケ/ m

‑,平均0.02

ケ

/m3となってい る｡ この実績 は4‑ 2 純

掘

進速度 の項 で述べ たよ うに,大部分が‑軸圧縮強度 1,000kg/cm:以下の ものであ り,異例 として花 梅岩部 (石 英含有最大 )ではO.054ヶ/m3となっているO

本工事 におけ るカ ッター消費量は‑ 軸圧縮 強度 600‑

3,200kg/cmZ, スラス ト庄 (第2期掘削時 )150‑360t, カ ッタ‑ 1ケ当 り2.68‑6,43t/ヶ, 石英 含有量35%, お よび岩盤 きれつが大 な どの条件に よ り0.054ヶ/m3となっ た ｡

4‑5

衝撃吸収方法

当所 は取水庭,取水 口の掘削工事 に大 口径 掘削機

Ⅴ･ B

･ M ( Ve r t i c a lBor i n gMa c hi n e ,M

D‑150

,M

D‑

360, L‑ 4) を使用 しているので

TBM

と比較 してみ ると,水平, 鉛直の差異はあ るが,岩掘削に対す るいわ ゆ る建設機械

( TBM)

と,探 鉱機械 よ り発達 した機械

( Ⅴ･ B･ M)

の考 え方の差異が感 じられた｡

すなわち

,TBM

は グ リッパーに よって掘削機本体 を 岩盤に固定 し,後方か ら推進 力 とか ソター フェイスの一 定回転数 によ り切 羽に押 し付けたか ソタ一に与 える トル クで岩 を庄裂 しよ うとす る機構 であ り, か ソタ一に対す る岩盤強度 の不均質,大小, お よび振動吸収 に対す る考 慮は, か ノタ‑形状差 (チ ップ, カーフ等 )並 びに か ソ タ‑ヘ ッ ド内に取付 け られたウレタン等

酬

生クッシ ョン 材 のみであ り, いわば土木式 (力に対す るには力)の機 械 であ ると思 われ る｡

一方

,VBM

は一部孔壁に

TBM

と同様 の グ))ッパー な どで推 力 を取 るもの もあるが,一般 的 (M D‑ 150,

｢

リングス ドリルパ イプロスオパ ーサフ一

カ ッタ ‑

図‑14 VBM (MD‑150)

西松建 設枝報 VOL.2

MD‑ 360, L‑ 4)には, ドリル ス トリン グスを垂 架 し 重力方向 にその重量に よ り方向付 け, その% 〜% を上方 に吊 り上 げ, あ くまで重雄 効果 (Pendulum Effect)を 発揮 で きる型式 になっているO 掘削 カ ッターに対す る岩 強度 の不均質, 振動吸収 に対 す る考 慮は カ ッター形状 の み な らず,掘削面 に対す る載荷重,す なわ ち推 力調

整

^(懸

架 フ レ‑ ムに取付 けた ジャ ッキで 自由に で きる),お よび ドリルパ イプが掘削‑ ッ ド等 に比べ剛性 が小 さいの で, いわ招)るシ ョッ クア ブ ソ‑バー (衝撃吸収装 置 )の役割 を果す のに効 果が ある｡

VBM

に よる岩盤一 軸圧縮 強度 は600‑2,500kg/cmZ,描 削断面

径M

D‑ 150‑1.5m

,M

D‑360‑3.6m

,TBM

に よる岩盤‑ 軸圧縮強度 は600‑3,200kg/cmZ,掘 削断面径 5.0mであ り‑ 軸圧縮 強度,掘削断面径 な ど条件 に差 異 は あ るが,表

‑8

に示 す よ う

,TBM

の特 徴 は カ ッタ

‑1

ケ当 りの スラス ト圧 を大 き くして純掘進速度 を伸 ば そ う とす る機 械 であ るが カ ッター交換 を含む

整

備 点検 時 間 (38.16%)の増加 に よ り,結果 として純掘進速度 0.833

表

‑8 TBM,VBM

実績比較表

TBM

VBMLMD‑150)VBM^榊 D‑360) 掘 削 断 面 径 m 5.00 1.50 3.60 掘 削 長 m 212.29 2,040.00 752.00 カ ッ タ ‑ 取 付 数 ケ 56 10 26 回 転 数 rpm 7.3仁 淀) 5‑14 3‑5 ス ラ ス ト 圧 t 150‑360 10‑30 15‑60 純 掘 進 時 間 割 合 % 13.79 66.80 76.10 整備 点 検 時 間 割 合 % 38.16 6.20 10.00 純 掘 削 速 度m/H 0.833 0.322 0.125 運 転 時 間 当 速 度m/H 0.557 0.250 0.113 作 業 時 間 当 速 度m/H 0.139 0.215 0.095

lL mB/H 2.730 0一380 0.966 かソタ‑1ケ当スラスト圧t/ケ 2.68‑6.43 1.00‑3.00 0.58‑2.30 か ソタ‑1ケ当掘削南棟mさ/ケ 0.350 0.177 0.391

‑ 軸 圧 縮 強 度kg/cm= 600‑3,200 600‑2,500

m/Hを記録 したが,全作業 当 りの掘進速度 は0.139m/H とか な り低 い値 とな って いた｡

VBM

は

TBM

に比べ, カ ッターの許容範 国内 (か ソ タ‑チ ップの地 層‑ の貫入量80% )で カ ッターに スラス

トをか け, 整備 点検 時間 を少 な くし,確 実 に掘 り進 む機 械 で あ F), 結果 として,純掘進 速度 はMD‑ 150で0.322

m/H

,M

D‑ 360で0.125m/Hではあ るが,全作業 当 り の掘進 速度 はMD‑ 150で0.215m/H,MD‑ 360で0.095

m/H とな り

,TBM

とあ ま り変 わ らない.よって,

T BM

は整備 点検 時間 ･割合 を どの よ うに減 らすかが問題 とされ, か ソタ‑消費量が いかに重要 な ポ イン トであ る かが わか る｡

写真‑12か ん 通

§ 5. あ とが き

我 国の地質 は複雑 で, 1km毎 に1つの断層破 砕帯 が存 在 し,数kmに渡 って均質 な地質 は連続 しない といわれて い る. この よ うな地質 に対応す る機械工 法 は一 朝一 夕に 開発 され る ものではないが, 今回の非常 に貴重 な経験 か ら, 今後の技術 的課題 をい くつか あげ るこ とがで きる｡

それは, よ り一 層安 全確 実 な機種選 定 に よる掘進速度 の 向上, カ ッターの開発, 掘進作業の能率 化 であ る｡ この ため には,① 弾性波, 水平 ボー リング等 に よる前方地質 状況 の よ り迅 速,正確 な情報把握 と判断能率 の向上｡② 断 層破砕帯 な ど地質不 良の個所, お よび止水 の ため の よ

り高能率 な グラウ ト技術や特殊工 法の開発O③ トンネル 掘 削 を含む掘進作業 システム全般 につ いての総合 的 な オ ペ レ‑ シ ョン管理 の効率 化が さ らに検討 されねば な らな

い ｡

最 後 に

,

掘 削断面径5mとい う我国最大級 の

TBM

に よる トンネル掘削 は,岩 盤 の‑軸圧縮強度, お よび石 英 含有量 な ど多 くの問題 を含み予想外の難工事 であったが, 初 期 の 目的 を達 成 したこ とは工事 に従事 され た諸氏,義

びに ご指導 ご鞭達 をいただいた関係者 各位 の ご努 力の賜 もの であ り,誌上 をお借 りして心か ら感謝 の辞 を表す る もの であ る｡

参考 文献

東京都水道局 :小河内ダム工事誌 昭和35年6月 日 本 工 営 :導水 トンネル地質湧水調査報告書

土 木 学 会 :わが国における トンネル掘進機の実績 と展望 岩盤力学委員全編 昭和51年10月

205