世界初、電力消費量を3割抑制する省エネシールド工法を開発

二重カッター方式による大断面トンネル建設で掘進速度が25%向上します

ソリューション/テクノロジー

大林組は、三菱重工メカトロシステムズと共同で、地下を大断面シールド機で掘削するトンネル建設において、高速施工と電力低減を両立する世界初の「省エネシールド工法」を開発しました。

近年都市部では、高速道路や鉄道の地下化などのシールドトンネル工事で、シールド機の大口径化(直径約10m以上)や、高速掘進へのニーズが高まっています。また、シールド機の動力源である電力の供給不足を背景に、シールド工法の省エネルギー化も望まれています。

今回開発した省エネシールド工法は、シールド機の前面(掘削面)にあるカッターヘッドの内周部と外周部を別々に回転させる二重カッター方式とし、掘削土の流動性を高める新機能も追加しました。カッターヘッド全体が単一で回転する従来工法に比べて、掘進速度を約25%向上させるとともに、電力消費量を約30%抑える高効率な掘削方法を実現しました。
 

従来工法(カッターヘッド全体が単一で回転)
従来工法(カッターヘッド全体が単一で回転)

外周部と内周部の回転速度に大幅な差(内周部は外周部の4分の1)。回転速度が遅い内周部付近では、掘削性や流動性が低下

省エネシールド工法(二重カッター方式)
省エネシールド工法(二重カッター方式)

内周部と外周部の回転速度が最適。駆動に必要な装備電力は低減し高効率な掘進

従来のカッターヘッドが単一で回転するシールド工法では、シールド機の大口径化が進むにつれ、内周部と外周部で回転速度の差が生じてしまい、外周部に比べて回転速度が遅い内周部付近では土砂の掘削性や流動性が低下していました。一方、内周部を最適速度にすると外周部を駆動するための電力消費量が膨大になるという課題がありました。

また、二重カッター方式は以前から考案されていましたが、機構が複雑になることや、異なる回転速度から排出される掘削土砂の流動性が解明できなかったことから、効率的な方法はありませんでした。

今回、二重カッター方式の技術的課題を解決し、高効率掘進(掘進量に対する電力消費量が少ない)が可能な「省エネシールド工法」を実現しました。
 

  1. 電力消費量が約30%抑えられます
    内周部と外周部を独立したカッター駆動方式にし、回転速度をそれぞれで変化させます。内周部の回転速度を基に設定していた外周部の回転数が抑えられ、駆動に必要な電力を大幅に低減できます。
       
  2. 掘進速度が約25%向上します

    概要図

    • 内周部と外周部の回転速度がほぼ同等となり、内周部のカッタービット(※1)の切り込み量(※2)が減り、負荷を軽減します。
    • 内周部カッターヘッドの大きさを外径の20~30%程度にすることにより、先端カッター(フィッシュテール)を小型化できます。
    • カッターヘッド中心部の開口率が上がり、掘削土砂をマシン内部へ容易に取り込めます。
    • カッターヘッド背面に攪伴翼(かくはんよく)を設置したことで、土砂の流動性を高めます。
    • 内周部カッターヘッドは、前後に可動し、先行掘削の際に芯抜き効果(※3)を発揮します。
  3. カッター駆動部のトラブルが減少し、稼働率が向上します

    従来工法と省エネシールド工法の開口率の比較

    従来工法と省エネシールド工法の開口率の比較

    従来工法では、開口率が少ないため、カッターヘッド中心部に掘削土砂が固着し、先端カッターや駆動部の回転継手が破損することがありました。

    省エネシールド工法では開口率が大幅に増加するためトラブルも回避できます。
     
     

大林組は、大断面シールドトンネル工事において「省エネシールド工法」を積極的に技術提案することで、建設現場でのエネルギー消費量の一層の削減と、安全性を伴った高速施工を実現します。今後も低炭素社会に向けた取り組みの一つとして新工法の開発に努めてまいります。

※1 カッタービット
シールド機の先端部に取り付ける装置で、土砂を切削(せっさく)するもの

※2 切り込み量
シールド機が掘進したとき、カッターヘッド一回転当たりにカッタービット1個が地山に入り込む量

※3 芯抜き効果
ドリルのように先端部を少し尖らせることで掘削しやすくすること