パイプジャッキングマシン: 仕組み、いつ使用するか、そして何を探すべきか

パイプ推進機の実際の動作

パイプ推進機は、地表の発射ピットから土壌を掘削し、掘削されたトンネルにプレハブパイプセクションを押し込むことを同時に行うことにより、地下パイプラインを設置する非開削建設システムです。機械が穴の面で切断すると同時に、パイプストリングの後部に配置された油圧ジャッキが切断ヘッドと成長するパイプトレインの両方を地面の中を前進させるのに必要な前方への推力を加えます。その結果、パイプラインのルートに沿って連続的に開いた溝を掘削する必要がなく、完全にライニングされたパイプラインが深さまで設置されます。

この方法は、パイプ推進工、状況によってはパイプラミング、または遠隔制御の誘導で小径の穴に適用される場合はマイクロトンネリングとも呼ばれますが、地下施設建設において最も重要な技術の 1 つとなっています。これは、インフラ運営者や計画当局によって露天掘りが非現実的、損害を与える、または禁止されている道路、鉄道、河川、滑走路、市街地の下に重力式下水道本管、送水本管、ガス配電線、通信ダクト、暗渠を設置するために使用されます。

パイプ推進機自体は、作業の最前線にある切断および誘導システムであり、穴の直径、土壌適合性、ラインと勾配の精度、切羽支持能力を決定するコンポーネントです。パイプ推進作業における他のすべてのもの (推進フレーム、スラスト リング、中間推進ステーション、潤滑システム、およびスポイル除去装置) は、機械の要件とプロジェクトで遭遇する特定の地盤条件に基づいて構成されます。

パイプ推進システムのコアコンポーネント

完全なパイプジャッキシステムは単なる切断機ではありません。これは、機械、油圧、誘導システムが統合されたアセンブリであり、安全かつオンラインで作業を進めるためには、すべてが確実に連携する必要があります。各コンポーネントの役割を理解することは、請負業者やプロジェクト エンジニアが機器の選択をより適切に決定し、問題が最も発生する可能性が高い場所を予測するのに役立ちます。

カッティングヘッドとシールド

カッティングヘッドは、装置の最も前方の要素です。 パイプジャッキマシン 、土壌を掘削し、パイプラインの穴を通して除去できるように設計されています。カッティングヘッドの設計は、地面の状態に応じて大きく異なります。粘土、シルト、砂、砂利などの軟弱な地盤では、土壌調整ポートを備えた回転ディスクまたはスポークパターンのカッターヘッドが通常使用され、切羽を安定させ摩擦を軽減するためにベントナイトまたはポリマー注入と組み合わせて使用​​されることがよくあります。混合地面や岩石では、材料を分解して除去するには、ディスク カッター、ドラッグ ビット、またはタングステン カーバイド ボタン カッターを備えたより堅牢なカッター ヘッドが必要です。カッターヘッドは、トンネルの切羽で地面を支え、機械の構造体を形成する鋼製シールド内に収容されています。

ジャッキフレームとスラストシリンダー

メイン ジャッキ フレームは、パイプ ストリングの後ろの発射ピットに設置され、地面の中を機械とパイプを前進させる主な推力を提供します。これは、ピットの後壁に固定された重い鋼製リアクション フレームで構成され、油圧シリンダー (通常は 2 ～ 4 個の大口径ラム) が取り付けられています。これらのシリンダーは、ストリングの最後のパイプの後面に位置するスラスト リングまたはスラスト カラーを支えます。パイプ推進作業における推進力は相当なものです。小径のマイクロトンネルドライブでは 50 ～ 200 トンの推力が必要となる場合がありますが、長いパイプストリングを備えた困難な地盤での大口径ドライブでは 1,000 ～ 3,000 トンを超える推力が必要となる場合があります。ジャッキフレームは、これらの力を安全に伝達できるように評価され、パイプの直径と特定のドライブの予想される接地抵抗に合わせて適切なサイズでなければなりません。

スポイル除去システム

掘削した物質は、推進中にパイプラインの穴を通してトンネルの切羽から継続的に除去する必要があります。スポイルの除去方法は、パイプ推進機のタイプを区別する重要な変数の 1 つです。スラリーシールド機は、加圧ベントナイトスラリー回路を使用して切削片を懸濁し、油圧でスラリーパイプを通して表面分離プラントに輸送します。そこで固形物が抽出され、洗浄されたスラリーが再循環されます。土圧平衡機は、掘削された土壌を調整剤と混合して可塑化された塊を作成し、その後、アルキメデスのスクリューコンベアによってパイプラインの穴を通って発射ピットまで抽出されます。手動工具とスキップ除去を使用した手動掘削は、作業員の立ち入りが現実的であり、地盤状況が十分に安定している場合には、依然として大径ドライブで使用されています。

誘導および操縦システム

走行全体を通してラインと勾配の精度を維持することは非常に重要です。調整されていない状態で設置されたパイプラインは、重力下水道の動水勾配の問題、圧力本管の接合部の応力、および既存のサービスとの潜在的な衝突を引き起こします。パイプ推進機械は、シールドの周囲に配置された油圧ステアリング シリンダーの伸長を調整することによって操縦され、油圧ステアリング シリンダーは後続のパイプ ストリングに対して機械のヘッドを関節運動させます。位置監視は、発射ピットに取り付けられたレーザー セオドライトによって行われ、レーザー セオドライトが機械内のターゲットにビームを投影します。ビームからの機械の偏差はオペレーターによって読み取られ、ステアリング シリンダーを通じて修正されます。ジャイロトータルステーションやリングレーザージャイロスコープを使用したより洗練された誘導システムは、単純なレーザーラインでは不十分な長距離ドライブやカーブで使用されます。

パイプジャッキングマシンの種類とそれぞれの使用時期

パイプジャッキングマシンは単一の製品ではなく、いくつかの異なる構成で存在し、それぞれがさまざまな範囲の穴径、地盤条件、プロジェクト要件に合わせて最適化されています。適切な機械タイプを選択することは、パイプ推進プロジェクトにおいて最も重要な機器の決定です。

マイクロトンネリングマシン (MTBM)

マイクロトンネリングマシンは、通常 150mm から 1,200mm の範囲の口径に合わせて設計された遠隔操作のパイプ推進システムですが、より大きな有人進入システムとの境界はプロジェクトによって異なります。マイクロトンネルマシンの特徴は、運転中にオペレーターがトンネルに入らないことです。すべてのステアリング、監視、機械制御は、アンビリカル接続を介して地上制御キャビンから管理されます。この遠隔操作機能により、マイクロトンネリングは、作業員の立ち入りが物理的に不可能な小径の穴や、切羽へのアクセスが許容できない安全上のリスクをもたらすあらゆる地盤条件に適しています。マイクロトンネルマシンは、最も一般的にはスラリータイプのシステムであり、油圧切断とスラリー輸送により、継続的な切羽サポートと軟弱な混合地盤における効率的な地盤除去を実現します。

土圧バランスパイプジャッキマシン

土圧バランス (EPB) パイプ推進機は、作業可能な可塑性を実現するために水、泡、またはポリマーで調整された掘削土自体を主要な切羽支持媒体として使用します。カッターヘッドの後ろの圧力隔壁は、トンネル切羽に対する制御された土圧を維持し、スクリューコンベアの引出し速度と前進速度のバランスをとり、切羽圧力を目標範囲内に保ちます。 EPB 機械は、地盤の沈下を最小限に抑える必要がある粘性土壌や混合土壌、浸水した砂地、都市環境で特に効果的です。約 600 mm から数メートルまでの幅広い直径に対応し、ボア サイズに応じて遠隔操作と有人エントリーの両方の構成で利用できます。

スラリーシールドパイプジャッキングマシン

スラリーシールド機は、加圧されたベントナイトスラリーを使用してトンネル切羽を支持し、閉じたスラリー回路を通じて油圧で切粉を除去します。これらは、EPB の調整が難しく、吹き出しや沈下を防ぐために面圧を維持することが重要である、飽和粒状土壌（流砂、砂利、透水性沖積堆積物）に優れています。地表で必要なスラリー分離プラントは、スラリータイプのプロジェクトにおいて重要な物流要素です。かなりの敷地面積を占め、スラリー混合特性の慎重な管理が必要で、廃棄物として管理しなければならないフィルターでプレスされたスラリーケーキの廃棄処分ストリームが生成されます。この複雑さにも関わらず、多くの場合、かなりの深度にある水を含む粒状地盤に対しては、スラリー シールド機械が唯一実行可能な技術となります。

岩石切断パイプジャッキングマシン

岩層では、標準的な土壌カッター ヘッドは効果がなく、特殊な岩石切断機が必要です。これらの機械には、原理的には TBM (トンネルボーリングマシン) と同様のフルフェイスディスクカッターアレイが装備されており、岩肌に高い点荷重を加えて岩石をチップに破砕します。その後、切りくずは洗い流されるか、ボアの外に運ばれます。岩盤推進機は、特定の岩石層の圧縮強度、磨耗性、破壊特性に適合させる必要があります。チョークや泥岩などの柔らかい堆積岩は、強化されたドラッグビットヘッドで処理できますが、UCS 値が 100 MPa を超える硬い火成岩や変成岩には、より硬い鋼グレードのフルフェイスディスクカッターが必要です。砥石のカッターの摩耗率は主なコスト要因となるため、最初からプロジェクトの予算に織り込む必要があります。

地面の状態とそれが機械の選択に与える影響

単一タイプのパイプジャッキ機械がすべての地盤条件で良好に機能することはありません。地質工学的調査 (ボーリング孔、試掘ピット、土壌サンプルの実験室試験、地下水レベルの監視) は、あらゆる機械選択の決定の基礎となる重要な基盤です。遭遇する地盤条件に対して間違った機械を指定することは、パイプ推進プロジェクトの失敗の最も一般的な原因の 1 つであり、機械のスタック、吹き出し、過度の沈下、または完全な駆動放棄につながります。

以下の表は、地盤の状態と適切な推進工機のタイプとの一般的な関係をまとめたものです。

推進力の管理と中間推進ステーションの使用

走行中にパイプストリングが伸びると、パイプの外面に作用する摩擦が蓄積し、システムを前進させるために必要な総ジャッキ力が徐々に増加します。有利な地面での短距離走行では、この蓄積はメイン ジャッキ フレームのみの能力の範囲内で管理可能です。より長いドライブ、特に 100 ～ 150 メートルを超えるドライブ、または摩耗しやすい地面や高摩擦の地面での短いドライブでは、蓄積された皮膚摩擦がメイン フレームのスラスト能力やパイプ ジョイントの構造的負荷能力を超える可能性があります。ここで中間ジャッキステーションが不可欠になります。

中間ジャッキ ステーション (IJS) は、独自の油圧ラムを備えた短い鋼製シリンダーで、走行中に所定の間隔でパイプ ストリング内に設置されます。ジャッキの力が限界に近づくと、IJS ラムが作動してパイプ弦の前部を独立して押し、メイン ジャッキがリセットされます。パイプストリングをセグメントに分割し、IJS ユニットを順番に作動させることにより、個々のパイプジョイントにかかる最大の力が安全な構造限界内に保たれ、メインジャッキフレームだけで達成できる力をはるかに超えて駆動を継続することができます。長距離ドライブにおける適切に設計されたパイプジャッキプロジェクトでは、計算された摩擦荷重に基づいて事前に IJS 位置を指定し、地盤状況が予想よりも悪かった場合に備えて追加の位置を事前に計画します。

パイプ壁のポートから注入されるベントナイト スラリーまたはポリマー ゲルを使用してパイプと地面の界面を潤滑することは、推進力を管理するためのもう 1 つの主要な戦略です。効果的な潤滑プログラムにより、無潤滑ドライブと比較してパイプ壁の皮膚摩擦を 50 ～ 80% 削減でき、達成可能なドライブ長が大幅に延長され、必要な IJS ユニットの数が削減されます。潤滑剤はドライブ全体を通じて継続的に維持する必要があります。潤滑剤が分解されたり、周囲の地面に吸収されたりすると、摩擦が急速に増加し、パイプストリングが固着する可能性があります。

推進管工事で使用される管材

パイプ推進機によって地面に押し込まれるパイプ部分は、その軸に沿って伝達される推進スラスト荷重と、耐用年数を通じて壁に作用する外部の地面および地下水の圧力の両方に耐える必要があります。すべてのパイプ材質がジャッキアップに適しているわけではなく、パイプの種類の選択は、ボア直径、ドライブの長さ、ジョイントでの許容されるたわみ、および長期的なパイプラインの性能に直接影響します。

• 鉄筋コンクリートジャッキパイプ： 中～大径（300mm～3,000mm以上）の下水道推進工として最も広く使用されている材質。コンクリート推進パイプは、特定の推進基準 (ヨーロッパでは EN 1916、北米では ASTM C76) に従って製造されており、各接合面に硬化鋼製のエンド リングが付いているため、推進負荷が均等に分散され、接合部の応力集中が最小限に抑えられます。これらは、優れた長期耐久性、下水ガスに対する耐薬品性、およびより大きな直径で競争力のあるコストを提供します。
• ガラス化粘土推進管: 通常 150 mm ～ 600 mm の小さな下水道直径で使用されます。ガラス化粘土は、攻撃的な下水や産業排水による化学的攻撃に対して優れた耐性を備えているため、化学的に要求の厳しい下水道環境に最適です。コンクリートに比べて脆いため、慎重な取り扱いが必要であり、適用できるジャッキ力が制限されます。
• 鋼製ジャッキパイプ: 水道およびガスの輸送本管、石油パイプライン、およびより大きな直径のケーシングパイプに使用されます。スチールは非常に高い圧縮強度と引張強度を備えているため、高いジャッキ力を加えることができ、長時間のドライブや硬い地面の条件に適しています。長い耐用年数を実現するには、融着エポキシ、ポリウレタン コーティング、または陰極防食などの外部腐食保護が不可欠です。
• GRP（ガラス繊維強化ポリマー）ジャッキパイプ： 高強度と軽量性を兼ね備え、耐食性にも優れています。 GRP ジャッキング パイプは、化学的に攻撃的な環境や、パイプ重量の軽減により狭い発射場での取り扱いが容易になるドライブ向けに仕様化されることが増えています。ジャッキ力の下で適切な荷重伝達を確保するには、慎重なジョイント設計が必要です。
• ポリマーコンクリートとHOBASパイプ： 遠心鋳造ガラス繊維強化ポリマーモルタル (CCFRPM) パイプは、ポリマーの耐薬品性とジャッキ用途に必要な圧縮強度を兼ね備えています。ヨーロッパ全土で積極的な下水道や産業排水用途に広く使用されており、他の市場でもますます使用されています。

パイプジャッキングマシンを稼働させる前にプロジェクト計画を立てるための主要な考慮事項

現場で深刻な問題に遭遇するパイプ推進プロジェクトが不運に見舞われることはめったにありません。それらはほとんどの場合、不適切な計画、不十分な地盤調査、または設計中に行われた非現実的な仮定の結果です。パイプ推進機械を現場に動員する前に、次の計画要素に細心の注意を払う必要があります。

• 地盤調査の範囲と品質: ボーリング孔は、敷地の地盤の変動に応じて適切な間隔で配置する必要があり、通常、都市プロジェクトの場合はドライブ線形に沿って 50 メートル以内で、提案されたボーリングのインバートレベルより少なくとも 3 パイプ直径下まで延長する必要があります。実験室試験には、粒度分布、可塑性指数、非排水せん断強度、岩石の一軸圧縮強度、およびパイプや機械部品の腐食が懸念される地下水の化学を含める必要があります。
• 既存サービス調査： ドライブの調整が完了する前に、地中レーダー、電磁位置を使用した完全な施設調査、および利用可能なすべての施設記録のレビューを完了する必要があります。検知されずに活動中のボアを横切る公共施設は、壊滅的な結果を招く可能性があります。活動中のドライブの近くにあるガス本管、高圧ケーブル、または水道本管のサービスストライキは、都市の非開削建設における最も深刻なリスクの 1 つです。
• 発射および受信ピットの設計: 発射ピットは、ジャッキフレーム、パイプ取り扱い装置、スポイル除去システムを収容し、乗組員に安全な作業アクセスを提供するのに十分な大きさでなければなりません。最小ピット寸法は、パイプ径、機械長、ジャッキストロークによって決まります。ピットは適切に支保工され、脱水されなければならず、後部スラスト壁は、動きや破損なしに予想される最大の推進力に構造的に抵抗できなければなりません。
• ドライブの長さと曲率: 各機械タイプとパイプ材質の組み合わせには達成可能な最大ドライブ長があり、それを超えるとジャッキ力やパイプ接合部の応力が管理できなくなります。同様に、湾曲した位置合わせも可能ですが、誘導がさらに複雑になり、パイプジョイントの曲げ荷重が増加します。約 150 メートルを超えるドライブ、または水平または垂直の曲線が組み込まれているドライブは、機械の選択を最終的に決定する前に、専門の非開削エンジニアによって評価される必要があります。
• 決済のモニタリングとリスク評価: 線路、歴史的建造物、橋台、稼働中の産業施設など、敏感な構造物の下を走行する場合は、走行開始前に表面調査記念碑、正確な水準測量、および敏感な構造物の傾斜計を使用した沈下監視プログラムを確立する必要があります。マシンパラメータの調整やドライブの一時停止のトリガーとアクションのレベルは、影響を受けるインフラストラクチャの所有者と事前に合意する必要があります。

パイプジャッキの際によくある問題と経験豊富な請負業者の対処方法

綿密に計画されたパイプジャッキ駆動でも問題が発生します。都市の地下工事では、地盤の状態がボーリング孔のデータと正確に一致することはほとんどなく、機械コンポーネントの磨耗や故障、予期せぬ障害物が存在するのが現実です。これらのイベントから回復するプロジェクトと、マシンのスタックやドライブの中止につながるプロジェクトの違いは、通常、作業員の経験と、プロジェクト計画に組み込まれた緊急時対応策によって決まります。

トンネル切羽の障害物

都市部でのパイプ推進作業中に遭遇する最も一般的な予期せぬ障害物には、岩、丸石、古い石積みの基礎、木材の杭、廃止された公共施設があります。有人エントリー直径ドライブでは、作業者がシールドの保護の下で手工具や空圧ブレーカーを使用して障害物を破壊することがあります。直径が小さく、進入が不可能なマイクロトンネルの場合、不測の事態に備えたオプションには、ドライブ上部のブレイクアウト掘削からの介入によるアクセス、障害物の周囲の地盤を安定させるための表面穿孔ジェットグラウト注入または樹脂注入、または極端なケースでは、ドライブを放棄して閉塞の先にある新しいピットから機械を回収することが含まれます。

過剰なジャッキ力の蓄積

ジャッキの力が予想よりも速く上昇した場合、最初の対応は常に潤滑プログラムを評価して最適化することです。つまり、注入量と頻度を増やし、潤滑ポートが詰まっていないことを確認し、パイプの周囲の環状空隙が適切に充填されていることを確認します。潤滑の最適化によって力の増加が抑制されない場合、次のステップは、計画よりも早く中間ジャッキ ステーションを作動させることです。最大推力を加えてスタックしたドライブを強制的に動かすことはほとんど効果的ではなく、パイプ接合部の損傷、機械コンポーネントの故障、または表面の隆起の危険があります。駆動を一時停止し、パイプストリングの周囲の地面をわずかに緩めることと、潤滑の強化とを組み合わせると、多くの場合、力を加え続けるよりも多くの進歩が得られます。

オフライン偏差

早期に検出された誘導の逸脱は管理可能です。ステアリング シリンダーは、許容できないジョイント角度を作成することなく、次のいくつかのパイプ長にわたって機械の向きを段階的に修正できます。大きくなるまで検出されない逸脱は回復がはるかに困難であり、パイプ接合部の応力、意図しない場所での表面沈下、または既存のサービスとの潜在的な競合を引き起こす可能性があります。逸脱の問題に対する最善の防御策は、厳密な監視体制、つまり各シフトの開始時だけでなく、パイプ設置後の毎回の誘​​導目標位置を読み取り、記録することと、逸脱の大きさに応じてどのようなステアリング補正を適用するかについての明確な行動プロトコルです。