曲線推進工法における掘進機制御技術

曲線推進工法の基本技術

曲線推進工法の掘進機制御システム

曲線推進工法における掘進機の制御技術は、都市部での複雑な管渠埋設工事において極めて重要な役割を果たしています。従来の直線推進とは異なり、曲線推進では掘進機が計画された曲線軌道に沿って正確に進行する必要があり、高度な方向制御技術が求められます。

 

掘進機の方向制御は、主に方向制御ジャッキシステムによって実現されています。このシステムでは、掘進機前胴部と後胴部を折り曲げることで、周辺地盤から機体に作用する偏土圧を利用して曲線推進を形成します。特に急曲線推進では、従来の方向制御ジャッキに加えて曲線造成補助ジャッキを設置した多段方向制御方式が採用されており、より精密な制御が可能になっています。

 

また、現代の曲線推進工法では、リアルタイムでの位置測定システムと連動した自動制御技術も導入されています。これにより、計画線形からの偏差を常時監視し、必要に応じて即座に軌道修正を行うことができます。このような高精度制御技術により、上下左右±100mm以内という厳しい精度要求を満たす施工が実現されています。

 

地盤条件に応じた制御パラメータの調整も重要な技術要素です。軟弱地盤では側方からの地盤反力が期待できないため、より細かな制御が必要となり、制御モデルの精度向上が施工成功の鍵となっています。

 

曲線推進工法における目地開口調整装置

曲線推進施工において、推進管の継手部における目地開口の管理は施工品質を左右する極めて重要な技術要素です。推進管が曲線始点に到達すると、掘進機が造成したトンネル孔に沿って管の継手部で曲線外側の目地が開口し、管列が屈曲します。

 

計画曲線に沿った正確な線形を維持するためには、各継手部の目地が均等に開口していることが必要です。従来技術では、センプラカーブシステムと呼ばれる、管の継手部の上下（または左右）対称位置に塑性領域を利用したクッション材を装着する方法が多く採用されてきました。

 

しかし、推進管周辺の地盤が軟弱な土質の場合には、推進力の分力として発生する曲線外側への力に対して、側方からの地盤反力が得られないという課題がありました。この問題により、1ヶ所の継手部で管端が外側にせり出し、継手部の目地開口長が許容値を超えてしまうケースが発生していました。

 

この課題を解決するために開発されたのが曲線推進用目地開口調整装置です。この装置により、継手部1ヶ所ずつの許容開口長を設定でき、計画線形通りの正確な曲線推進施工が可能となりました。実際の施工例では、呼び径1200mmの推進管を用いた252.6mの推進工事において、平面曲線140m、30m、縦断曲線100mという複雑な線形でも高精度な施工が実現されています。

 

曲線推進工法の急曲線施工技術

急曲線推進技術は、都市部の限られた空間での管渠埋設において不可欠な技術となっています。特に交通量の多い道路直下や密集した埋設物を避けながらの施工では、推進工法用管呼び径の50倍未満という極めて小さな曲線半径での施工が求められることがあります。

 

急曲線施工における技術的な課題の一つは、曲線造成時の掘削外径の最適化です。従来の曲線施工では、折れ線状の先導体と推進管が通過するため、曲線に見合う拡幅掘削が行われることがありました。しかし、この方法では曲線造成に不要な領域も掘削することになり、管頂部の崩壊や先導体のノーズダウン現象のリスクが高まります。

 

最新の急曲線施工技術では、先導体の反力板を付け替える機能を活用し、横方向の先導体幅を縮小することで、不要な掘削を避ける工夫が施されています。例えば、急曲線の場合、左右方向の先導体直径を標準仕様より片側9mm小さくすることで、掘削外径は標準のまま維持しながら効率的な曲線造成を実現しています。

 

また、急曲線区間では特殊な推進管の使用も重要な技術要素です。接続部の目開き量や管軸方向の応力度を考慮し、中央に可とう部を設けたSR管の採用により、厳しい曲線条件下でも管の破損を防ぐことができます。

 

曲線推進工法と地盤条件の関係性

曲線推進工法の施工成功は、地盤条件の正確な把握と適切な対応技術の選択に大きく依存しています。地盤の性質によって掘進機に作用する土圧分布や側方反力が大きく変化するため、地盤特性に応じた施工計画の策定が不可欠です。

 

軟弱地盤での曲線推進では、側方の地盤反力に期待できないという根本的な課題があります。砂混りシルトでN値1～2といった極めて軟弱な地盤条件では、従来の工法では継手部の目地開口長の制御が困難になることがあります。このような条件下では、特別な目地開口調整装置の導入が必要となり、施工コストと工期に影響を与える要因となります。

 

一方、硬質地盤では掘進機の推進抵抗が増大し、方向制御に必要な力が大幅に増加します。このため、地盤の硬さに応じた掘進機の仕様選定と推進力の算定が重要になります。特に、地盤条件が変化する区間では、施工中の地盤調査結果に基づく動的な制御パラメータの調整が求められます。

 

最新の研究では、機体と地盤との相互作用を数理的に取り扱い、機体の挙動と機体に作用する土圧分布を予測するモデルの構築が進められています。このような予測モデルにより、地盤特性に応じて機体前胴部と後胴部の折れ角を微細に調整する制御システムの実現が期待されています。

 

曲線推進工法の摩擦低減技術と建設業界への影響

曲線推進工法における摩擦低減技術は、長距離推進を可能にする重要な技術革新として建設業界に大きな影響を与えています。従来は推進距離の制約により複数の立坑が必要だった工事も、摩擦低減技術の発達により大幅な工期短縮とコスト削減が実現されています。

 

最新の摩擦低減システムでは、推進管の先頭に配置される「チェーン回転式摩擦低減装置」と、その後方の推進管に100～150m間隔で配置される中間摩擦低減装置により、効率的な滑材効果を発揮します。この技術により、290kmを超える累計推進延長を誇る工法も登場しており、都市部での大規模インフラ整備プロジェクトの実現に貢献しています。

 

建設業界への波及効果として、立坑数の削減による交通渋滞の軽減や、工事による地域住民への影響の最小化が挙げられます。特に市街地での下水道管渠埋設工事では、曲線推進工法の採用により主要道路の交差点内への到達立坑設置を回避し、歩道部への小型立坑設置を可能にするなど、社会基盤整備の効率化に大きく貢献しています。

 

外壁塗装業界においても、このような地中工事技術の進歩は間接的な影響をもたらしています。都市部でのインフラ工事の効率化により、建物周辺の工事期間短縮が実現され、外壁塗装工事のスケジュール調整がより柔軟に行えるようになっています。また、地中工事による建物への影響を最小限に抑える技術の発達は、既存建物の保全という観点からも外壁塗装業界にとって有益な技術発展といえるでしょう。

 

曲線推進工法の技術詳細については機動建設工業株式会社の技術資料