JP2000064788A

JP2000064788A - 坑道掘進工法及び坑道掘進機

Info

Publication number: JP2000064788A
Application number: JP10228967A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Oishi; 一美大石
Original assignee: OISHI INTERNATIONAL SISUKOMU K; OISHI INTERNATIONAL SISUKOMU KK
Current assignee: OISHI INTERNATIONAL SISUKOMU K; OISHI INTERNATIONAL SISUKOMU KK
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2000-02-29
Anticipated expiration: 2018-08-13
Also published as: JP3489092B2; EP0979926A2; CA2280113A1; EP0979926A3

Abstract

(57)【要約】【課題】掘削の際に必要となる圧力を低減させ、岩盤
の圧縮強度が高い場合にあっても、従来に比較して小さ
な圧力で掘削できる坑道掘進工法及びそれを好適に実施
することができる坑道掘進機を提供する。【解決手段】掘進方向及びそれに対して垂直な方向に
所定間隔で複数群のローラーカッター群を配置し、各ロ
ーラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点を
岩盤に形成された段差部近傍に位置させて岩盤を掘削す
る。略円錐形状を呈するカッターヘッド２に、掘進方向
及びそれに対して垂直な方向に所定間隔で複数群のロー
ラーカッター群３_Xを配置した坑道掘進機１を構成す
る。先進導坑７を穿孔するべく、カッターヘッド２と同
軸状にボーリングヘッド４を配設してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、岩盤を全断面掘削
して坑道、トンネル、立坑等を掘進するのに好適な坑道
掘進工法及びそれを適用した坑道掘進機に関する。

【０００２】

【従来の技術】岩盤を全断面掘削して坑道、トンネル、
立坑等を掘進する坑道掘進機として、従来、全断面型坑
道掘進機が知られている。全断面型坑道掘進機は、多数
のローラーカッターを装着したカッターヘッドを備え、
カッターヘッドを岩盤に押圧し回転させつつ前進させる
ことにより、円形断面を掘削して坑道等を掘進していく
ものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の全断面型坑道掘
進機は、カッターヘッドの正面部においては、掘進方向
に対して垂直な坑道切羽面にローラーカッターが略一平
面上で同時かつ直角に当接するよう配置され、カッター
ヘッドの周辺部においては、掘進方向に対して後方傾斜
する坑道切羽面にローラーカッターが略直角に当接する
よう配置されている。そして、カッターヘッドの正面
部、周辺部いずれにおいても、ローラーカッターの接岩
点周囲には略均等に岩盤が存在しており、一方向に岩盤
を切り落とせるような段差部が存在しないので、ローラ
ーカッターは岩盤の圧縮強度に対抗して作用し、接岩点
周囲の岩盤を圧縮力により破砕することになる。

【０００４】よって、岩盤の圧縮強度が高い場合には、
破砕するのに極めて強大な圧力が必要となり、掘進能力
の低下が著しくなり、ローラカッターの摩耗も激しくな
る。又、極めて強大な圧力でカッターヘッドを岩盤に押
圧するため、振動、撓みを防止すべくローラーカッタ
ー、カッターヘッド、機体をより強固な構造とし、カッ
ターヘッド押圧シリンダーをより強力なものとする必要
があった。

【０００５】本発明は、従来技術におけるかかる問題点
に鑑みて為されたものであり、掘削の際に必要となる圧
力を低減させ、岩盤の圧縮強度が高い場合にあっても、
従来に比較して小さな圧力で掘削でき、掘進能力の著し
い低下、ローラカッターの激しい摩耗を防止し、又、そ
れほどローラーカッター、カッターヘッド、機体を強固
な構造とし、カッターヘッド押圧シリンダーを強力とす
る必要のない坑道掘進工法を提供することを目的とす
る。又、その坑道掘進工法を好適に実施することができ
る坑道掘進機を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の坑道掘進工法は、掘進方向及びそれに対し
て垂直な方向に所定間隔で複数群のローラーカッター群
を配置し、各ローラーカッター群に属するローラーカッ
ターの接岩点を岩盤に形成された段差部近傍に位置させ
て岩盤を掘削するようにしたものである。

【０００７】岩盤に既存の先進導坑がない場合には、掘
進方向最前位置のローラーカッター群に属するローラー
カッターの接岩点が近傍に位置する段差部を形成するた
めに、先進導坑を穿孔しつつ岩盤を掘削するようにして
もよい。

【０００８】本発明の坑道掘進機は、上記坑道掘進工法
を好適に実施できるものであって、略円錐形状を呈する
カッターヘッドに、掘進方向及びそれに対して垂直な方
向に所定間隔で複数群のローラーカッター群を配置した
ものである。

【０００９】ここで、掘進方向及びそれに対して垂直な
方向の前記所定間隔を略一定とすれば、より効率的に全
断面掘削することができる。

【００１０】岩盤に既存の先進導坑がない場合に、掘進
方向最前位置のローラーカッター群に属するローラーカ
ッターの接岩点が近傍に位置する段差部を形成するため
に、先進導坑を穿孔するべく、前記カッターヘッドと同
軸状にボーリングヘッドを配設してもよい。

【００１１】前記ボーリングヘッドは、前記カッターヘ
ッドと独立に回転し、カッターヘッドの中心軸に沿って
進退自在としてもよく、前記カッターヘッドに固定し、
カッターヘッドと一体的に回転するようにしてもよい。

【００１２】又、ローラーカッターを掘進方向に対して
所定角度傾斜しておけば、カッターディスクの側面抵抗
を減少でき、かつ、カッターヘッド等が掘削されていな
い岩盤に当接しない構造を比較的容易に構成できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の坑道掘進工法及び
坑道掘進機について、図面を参照しつつ説明する。図１
は本発明の坑道掘進機のカッターヘッドの概略正面図、
図２は図１の坑道掘進機により坑道を掘進する状態を示
す概略断面図であり、両図には坑道掘進機１前部に配設
されるカッターヘッド２のみを示し、ローラーカッター
の保持機構、カッターヘッド２の駆動機構、押圧機構
等、坑道掘進機の内部及び後部機構は省略してある。

【００１４】坑道掘進機１は、図１及び図２に示すよう
に、略円錐形状を呈するカッターヘッド２を備え、この
カッターヘッド２は、図示しない押圧機構により岩盤切
羽面に所望圧力で押圧でき、図示しない駆動機構により
中心軸Ｏ回りに正逆両方向、所望回転数、回転トルクで
回転できるようになっている。

【００１５】図１及び図２に示すように、カッターヘッ
ド２には、掘進方向及びそれに対して垂直な方向に所定
間隔で複数群のローラーカッター群３₁，３_{2 ,}３₃・
・・を配置してある。より具体的に言えば、中心軸Ｏ上
で位置の異なる点を中心Ｏ₁，Ｏ_{2 ,}Ｏ₃・・・とする
半径の異なる同心円Ｃ₁，Ｃ_{2 ,}Ｃ₃・・・上にローラ
ーカッター群３₁，３_{2 ,}３₃・・・を配置してある。
そして、各中心Ｏ₁，Ｏ_{2 ,}Ｏ₃・・・間の間隔を一定
値αとし、各同心円Ｃ ₁，Ｃ_{2 ,}Ｃ₃・・・間の半径の
差を一定値βとしてある。

【００１６】各ローラーカッター群３_Xは１又は複数の
ローラーカッター３_X1，３_X2，・・・からなり、各ロー
ラーカッター群３_Xにおいて各ローラーカッター３_X1，
３_X2，・・・は等間隔で配置してある。図１において、
ローラーカッター群３₁ではローラーカッター３₁₁を１
個、ローラーカッター群３₃ではローラーカッター
３₃₁，３₃₂を２個対称に配置してあるが、ローラーカッ
ターの個数及び配置状態等は、特にこれに限定されるも
のではない。

【００１７】ローラーカッター３は、カッターヘッド２
に固定されたハウジングに着脱自在かつ回転自在に取り
付けてある。又、ローラーカッター３は、掘進方向、す
なわち中心軸Ｏ方向に対して所定角度θ傾斜させ、カッ
ターディスク３ａの先端部をカッターヘッド２の周面よ
り前方に突出させてある。ローラーカッター３を掘進方
向に対して所定角度θ傾斜しておけば、カッターディス
ク３ａの側面抵抗を減少でき、かつ、カッターヘッド２
等が掘削されていない岩盤に当接しない構造を比較的容
易に構成できる。

【００１８】坑道掘進機１にはカッターヘッド２と同軸
状にボーリングヘッド４が配設されており、このボーリ
ングヘッド４は、カッターヘッド２と独立に回転し、カ
ッターヘッド２の中心軸Ｏに沿って進退自在となってい
る。ボーリングヘッド４には、岩盤の圧縮強度等の性
質、所望のボーリング速度に応じて、ローラーカッタ
ー、トリコンビット、コニカルビット、ダウンザホール
ハンマー（Ｄ．Ｔ．Ｈ．）、穿孔用ビット等を適宜選択
して装着することができる。

【００１９】又、カッターヘッド２の押圧機構とは別に
押圧シリンダー５を備えており、この押圧シリンダー５
によりボーリングヘッド４を進退させ、岩盤に所望圧力
で押圧させることができ、押圧シリンダー５を介して、
カッターヘッド２とは独立に、所望の回転数、回転トル
クで回転させることができるようになっている。ボーリ
ングヘッド４を進退させ、適当な位置とすることによ
り、カッターの交換、保守作業が容易となる。尚、ボー
リングヘッド４には、切削ズリを後方に搬出するための
螺旋状ベーンや洗浄水装置等を取り付けてもよい。

【００２０】次に、本発明の坑道掘進工法を上記坑道掘
進機１を使用して実施する場合について説明する。

【００２１】先ず、図２に示すように、押圧シリンダー
５によりボーリングヘッド４を前進させ、所定圧力で岩
盤６にボーリングヘッド４を押圧させ、ボーリングヘッ
ド４を所定回転数、回転トルクで回転させて、先進導坑
７を穿孔する。

【００２２】次に、押圧機構によりカッターヘッド２を
岩盤６切羽面に所定圧力で押圧させれば、図３（Ａ）に
示すように、掘進方向最前位置のローラーカッター群３
₁のローラーカッター３₁₁は先進導坑７の開口部に形成
された岩盤６の段差部６₁近傍に当接する。

【００２３】駆動機構によりカッターヘッド２を所定回
転数、回転トルクで回転させつつ前進させれば、図４に
示すように、岩盤６の段差部６₁はローラーカッター３
₁₁のカッターディスク３ａにより先進導坑７方向に切り
落とされ、カッターディスク３ａの後方には新たな段差
部６₂が形成される。

【００２４】このように、ローラーカッター３₁₁の接岩
点を岩盤６の段差部６₁近傍としてあるから、ローラー
カッター３₁₁は岩盤６の引張強度に対抗して作用し、段
差部６₁を切除しつつ破砕する、いわゆるアンダーカッ
トをすることになる。そして、一般に、岩盤の引張強度
は圧縮強度より遥かに小さく、１／１０程度であるか
ら、アンダーカットによれば、より小さな圧力で岩盤を
掘削することができ、ローラーカッター３の摩耗も減少
し、ローラーカッター３の耐圧強度を軽減することもで
きる。

【００２５】さらに、カッターヘッド２を前進させれ
ば、図３（Ｂ）に示すように、掘進方向第２位置のロー
ラーカッター群３₂のローラーカッター３₂₁が岩盤６に
形成された段差部６₂近傍に当接する。そして、同様
に、図３（Ｃ）に示すように、岩盤６の段差部６₂はロ
ーラーカッター３₂₁のカッターディスク３ａにより先進
導坑７方向に切り落とされ、カッターディスク３ａの後
方に新たな段差部６₃が形成される。

【００２６】次いで、図３（Ｄ）に示すように、段差部
６₃は掘進方向第３位置のローラーカッター群３₃のロ
ーラーカッター３₃₁，３₃₂のカッターディスク３ａによ
り先進導坑７方向に切り落とされ、カッターディスク３
ａの後方に新たな段差部６₄が形成され、以下同様にし
て、図３（Ｅ）に示すように、前位のローラーカッター
群３_xのローラーカッター３_x1，３_x2により形成された
段差部６_x+1は後位のローラーカッター群３_x+1のロー
ラーカッター３_(x+1)Yにより切り落とされ、新たな段差
部６_x+2が形成されていく。

【００２７】そして、図３（Ｆ）に示すように、段差部
６₇が掘進方向最後位置のローラーカッター群３₇のロ
ーラーカッター３₇₁，３₇₂のカッターディスク３ａによ
り先進導坑７方向に切り落とされると、以後は、図３
（Ｆ）に示すような階段状断面を呈する切羽面を保持し
つつ坑道を掘進していくことになる。

【００２８】このように、掘進方向及びそれに対して垂
直な方向に所定間隔で複数群のローラーカッター群
３₁，３_{2 ,}３₃・・・を配置して、各ローラーカッタ
ー群３_xに属するローラーカッター３_x1，３_{x2 ,}・・・
により段差部６_xをアンダーカットにより切り落とすと
ともに、新たな段差部６_x+1を形成するようにしたか
ら、従来と比較して遥かに小さな圧力で全断面掘削する
ことができ、坑道掘進機１の掘進性能を飛躍的に向上さ
せることができる。

【００２９】又、上記ローラーカッター群３₁，３_{2 ,}
３₃・・・の配置は、カッターヘッド２を略円錐形状と
することにより実現できるから、従来と比較して坑道掘
進機１の構造が特別に複雑となることもない。しかも、
カッターヘッド２を略円錐形状とすることにより、より
立体的構造となり、従来の平面的構造のカッターヘッド
に比較してより強固となるし、周面積が大となり、切削
ズリの取込口を大きくすることができ、切削ズリを円滑
に排出することができる。

【００３０】尚、岩盤６に既に先進導坑が穿孔されてい
る場合には、その先進導坑にボーリングヘッド４を挿入
させ、これを案内として拡幅掘削を行うこともできる。
又、ボーリング精度が非常に高く、切削速度も大きい方
向制御ボーリング等を使用して、先ず、小径の先進導坑
を穿孔し、その後に本発明の坑道掘進機１を使用して、
効率的な掘進を行ってもよい。

【００３１】上記坑道掘進機１においては、ボーリング
ヘッド４はカッターヘッド２と独立に回転し、カッター
ヘッド２の中心軸Ｏに沿って進退自在となっているが、
図５に示すように、ボーリングヘッド８をカッターヘッ
ド２に固定し、カッターヘッド２と一体的に回転するよ
うにしてもよい。

【００３２】又、上記坑道掘進機１においては、ローラ
ーカッター３を掘進方向、すなわち中心軸Ｏ方向に対し
て所定角度θ傾斜させたが、図６に示すように、掘進方
向に対して略平行とすることもできる。但し、この場合
には、カッターディスク３ａの側面抵抗が大きくなる可
能性があり、又、少なくとも最後位置のローラーカッタ
ー群３₇に属するローラーカッター３₇₁，３₇₂，・・・
は片持ち状態として、カッターヘッド２等が掘削されて
いない岩盤６に当接して、破壊しないようにする必要が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の坑道掘進機の一実施例のカッターヘッ
ドの概略正面図である。

【図２】図１の坑道掘進機により坑道を掘進する状態を
示す概略断面図である。

【図３】図１の坑道掘進機により坑道を掘進する工程を
示す説明図である。

【図４】ローラーカッターにより岩盤を掘削する状態を
示す説明図である。

【図５】本発明の坑道掘進機の他実施例により坑道を掘
進する状態を示す概略断面図である。

【図６】本発明の坑道掘進機の他実施例により坑道を掘
進する状態を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１坑道掘進機２カッターヘッド３_x ローラーカッター群３_xY ローラーカッター４，８ボーリングヘッド６岩盤６_x 段差部７先進導坑

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】掘進方向及びそれに対して垂直な方向に
所定間隔で複数群のローラーカッター群を配置し、各ロ
ーラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点を
岩盤に形成された段差部近傍に位置させて岩盤を掘削す
るようにしたことを特徴とする坑道掘進工法。
【請求項２】先進導坑を穿孔しつつ岩盤を掘削するよ
うにしたことを特徴とする請求項１に記載の坑道掘進工
法。
【請求項３】略円錐形状を呈するカッターヘッドに、
掘進方向及びそれに対して垂直な方向に所定間隔で複数
群のローラーカッター群を配置したことを特徴とする坑
道掘進機。
【請求項４】掘進方向及びそれに対して垂直な方向の
前記所定間隔を略一定としたことを特徴とする請求項３
に記載の坑道掘進機。
【請求項５】前記カッターヘッドと同軸状にボーリン
グヘッドを配設したことを特徴とする請求項３又は４に
記載の坑道掘進機。
【請求項６】前記ボーリングヘッドは、前記カッター
ヘッドと独立に回転し、カッターヘッドの中心軸に沿っ
て進退自在であることを特徴とする請求項５に記載の坑
道掘進機。
【請求項７】前記ボーリングヘッドは、前記カッター
ヘッドに固定してあり、カッターヘッドと一体的に回転
することを特徴とする請求項５に記載の坑道掘進機。
【請求項８】前記ローラーカッター群に属するローラ
ーカッターは、掘進方向に対して所定角度傾斜している
ことを特徴とする請求項３乃至７に記載の坑道掘進機。