JP2002129888A - トンネル掘削機およびトンネル掘削方法 - Google Patents

トンネル掘削機およびトンネル掘削方法

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JP2002129888A
JP2002129888A JP2000324989A JP2000324989A JP2002129888A JP 2002129888 A JP2002129888 A JP 2002129888A JP 2000324989 A JP2000324989 A JP 2000324989A JP 2000324989 A JP2000324989 A JP 2000324989A JP 2002129888 A JP2002129888 A JP 2002129888A
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muddy water
ground
tunnel
shield
tunnel excavator
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JP2000324989A
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English (en)
Inventor
Tsutomu Kiuchi
勉 木内
Satoru Isobe
哲 磯部
Masahiko Namekawa
昌彦 滑川
Keiji Amamiya
啓二 雨宮
Yasunori Kondo
保徳 近藤
Takayoshi Ikemoto
高良 池本
Akira Takakura
暁 高倉
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Shimizu Construction Co Ltd
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Shimizu Corp
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Shimizu Construction Co Ltd
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Shimizu Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 硬質岩盤を掘削中に軟弱地盤や湧水性地盤を
そのまま掘削可能なトンネル掘削機を実現する。 【解決手段】 カッター装置3とその駆動機構4をメイ
ンビーム1の先端部に装備し、メインビームの基部に装
備したメイングリッパ6を介して地山から反力をとって
スラストジャッキ8により掘進を行う構成のトンネル掘
削機において、カッター装置の後方にシールドシェル1
1を設け、その前部をバルクヘッド12により区画して
泥水チャンバ13を形成可能とし、シールドシェル内の
後部にセグメント18を組み立てるためのエレクタ19
と、セグメントから反力をとって掘進を行うためのシー
ルドジャッキ20とを搭載し、かつ掘削土を後方に排出
する排土機構としてのベルトコンベア9、送排泥機構1
7あるいはスクリュコンベアを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はトンネル施工に係わ
り、特に硬質岩盤と軟弱地盤や湧水性地盤の双方に適用
し得るトンネル掘削機とそれによる掘削方法に関する。
【0002】
【従来の技術】周知のように、山岳トンネルのような岩
盤を対象とするトンネル掘削機としていわゆるNATM
工法によるTBM(Tunnel Boring Machine)といわれ
るものが広く採用されている。TBMとしては種々の形
式のものがあるが、基本的には、メインビームの先端部
に岩盤を掘削可能なカッター装置とその駆動機構を装備
するとともに、メインビームの基部には地山をグリップ
するメイングリッパを前後方向に移動可能に装備して、
そのメイングリッパにメインビームを前方に押し出すた
めのスラストジャッキを設け、カッター装置により岩盤
を掘削してはメイングリッパを介して地山から反力をと
ってスラストジャッキによりメインビームを前進させる
ことで掘進を行う構成のものが一般的である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なTBMは硬質岩盤の掘削を前提としていることから、
主として軟弱地盤や湧水性地盤を対象とするシールド掘
削機のようにそれ自体では切羽の保持や切羽からの止水
を十分には行い得ないものであり、そのため、施工中に
切羽が自立し得ないような軟弱地盤や多量の湧水が想定
される湧水性地盤に遭遇したような場合には、切羽の前
方に対して止水剤を注入する等の予備工事を行って切羽
を安定させ止水を行う必要がある。
【0004】しかし、そのような止水剤の注入工事を行
うことは施工が著しく煩雑になって多大のコストと工期
を要するばかりでなく、地山の状況によっては十分な止
水を行い得ない場合もあり、有効な改善策が望まれてい
る。
【0005】上記事情に鑑み、本発明は、硬質岩盤のみ
ならず軟弱地盤や湧水性地盤に対してもそのまま適用す
ることのできるトンネル掘削機と、それによるトンネル
掘削方法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】請求項1の発明は、岩盤
を掘削可能なカッター装置とその駆動機構をメインビー
ムの先端部に装備し、メインビームの基部に装備したメ
イングリッパを介して地山から反力をとってスラストジ
ャッキにより掘進を行う構成のトンネル掘削機におい
て、カッター装置の後方にシールドシェルを設けて、そ
のシールドシェルの前部をバルクヘッドにより区画して
泥水チャンバを形成可能とするとともに、シールドシェ
ル内の後部に、セグメントを組み立てるためのエレクタ
と、組み立てたセグメントから反力をとって掘進を行う
ためのシールドジャッキとを搭載し、かつ、カッター装
置により泥水チャンバに取り込んだ掘削土を後方に排出
する排土機構を具備してなることを特徴とする。
【0007】請求項2の発明は、請求項1の発明のトン
ネル掘削機において、排土機構として、ベルトコンベア
と、泥水チャンバに泥水を供給しかつそこから泥水とと
もに掘削土を排出する構成の送排泥機構とを併設してな
ることを特徴とする。
【0008】請求項3の発明は、請求項1の発明のトン
ネル掘削機において、排土機構としてスクリュコンベア
を採用してなることを特徴とする。
【0009】請求項4の発明は、請求項1ないし3のい
ずれかの発明のトンネル掘削機によりトンネルを施工す
るに際し、メイングリッパから反力をとってスラストジ
ャッキにより掘進を行うNATMモードと、泥水チャン
バを実質的に密閉して切羽を泥水加圧しかつセグメント
を組み立ててそのセグメントから反力をとって推進ジャ
ッキにより掘進を行うシールドモードとのいずれかを、
地山の状況に応じて選択しつつ掘削することを特徴とす
る。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態である
トンネル掘削機の概略構成を示す図である。本実施形態
のトンネル掘削機は主として岩盤掘削を行うためのもの
で、その基本構成は上述した従来のTBMと共通するも
のである。
【0011】すなわち、図1における符号1はメインビ
ーム、2はその前部に設けられたメインフレーム、3は
メインフレーム2の前方に装備されたカッター装置、4
はカッター装置3の駆動機構、5はカッター装置3を回
転自在に支持するベアリング、6はメインビーム1の基
部においてその前後方向に移動可能に装備されたメイン
グリッパ、7はメインビーム1の後端に設けられたリア
サポート、8はメイングリッパ6とメインフレーム2と
の間に介装されたスラストジャッキ、9は掘削土を後方
へ排出するためのベルトコンベアである。また、図示は
略しているが、このトンネル掘削機には通常のNATM
工法における諸工程(ロックボルト打設やフォアパイリ
ング、吹き付け等)を実施するうえで必要な諸設備を搭
載しているものである。符号10は先進ボーリング用の
作業構台である。
【0012】そして、本実施形態のトンネル掘削機は上
記のようなTBMとしての機能に加え、実質的にシール
ド掘削機としての機能をも併せ持つものとされ、上記の
ようなTBMとしての構成に加えて以下の構成が付加さ
れている。
【0013】すなわち、カッター装置3の後方にはメイ
ンフレーム2およびメインビームの先端部を覆うシール
ドシェル11(スキンプレート)が設けられ、そのシー
ルドシェル11はバルクヘッド12により前後に区画さ
れてその前部つまりカッター装置3の後方に泥水チャン
バ13が形成可能とされ、その泥水チャンバ13内にお
いて泥水を攪拌するアジテータ14が設けられている。
また、泥水チャンバ13には泥水管15と排泥管16お
よび図示していない泥水ポンプからなる送排泥機構17
が設けられていて、泥水管15により泥水チャンバ13
に泥水を加圧供給してその加圧泥水により切羽を安定に
保持可能であり、かつ、排泥管16により泥水チャンバ
13から泥水とともに掘削土を排出し得るものとされて
いる。そして、シールドシェル11の後部には、セグメ
ント18を組み立てるためのエレクタ19と、組み立て
たセグメント18から反力をとって掘進を行うためのシ
ールドジャッキ20が搭載されている。なお、シールド
シェル11の後方にはセグメント18の組立作業を行う
に必要なスペース(2.5m程度で良い)を確保してお
く。
【0014】以上の構成からなる本実施形態のトンネル
掘削機は、硬質岩盤を掘削する際には通常のNATM工
法によるNATMモードにより掘削を行い、軟弱地盤や
湧水性地盤に遭遇したような場合には直ちに泥水加圧シ
ールド工法によるシールドモードに切り替えてそのまま
掘削を行い得るものである。
【0015】すなわち、山岳トンネル等の硬質岩盤を掘
削する際には、図1(a)に示すように、従来のTBM
と同様に通常のNATM工法による掘削を行う。つまり
カッター装置3により岩盤を掘削して掘削土をベルトコ
ンベア9により排出するとともに、メイングリッパ6を
地山に押圧してそのメイングリッパ6を介して地山から
反力をとりつつ、スラストジャッキ8によりメインビー
ム1を前進させることで掘削を行う。
【0016】そして、施工途中において切羽が自立し得
ないような軟弱地盤や多量の湧水が想定される湧水性地
盤に遭遇したような場合には、シールドモードに切り替
えて泥水加圧シールド工法による掘削を行う。つまり、
図1(b)に示すように、ベルトコンベア9を引き込ん
でバルクヘッド13を閉鎖したうえで、泥水チャンバ1
3に泥水を加圧供給してその加圧泥水により切羽を安定
に保持するとともに、送排泥機構17による泥水循環に
より掘削土の排出を行い、かつエレクタ19によりセグ
メント18を組み立てて、そのセグメント18から反力
をとってシールドジャッキ20により掘進を行う。その
際、シールドシェル11の後端部にテールシール21を
装着してシールドシェル11とセグメント18との間を
シールする。
【0017】以上のように、上記構成のトンネル掘削機
を用いて上記のように地山状況に応じてNATMモード
とシールドモードを任意に切り替えて掘削を行うことに
より、全工程をシールド工法による場合に比較して大幅
なコスト削減を図ることができることはもとより、従来
のTBMによる場合のように軟弱地盤や湧水性地盤に遭
遇した際に切羽を安定させ止水を行うための止水剤の注
入といった予備工事を不要とできることから、施工効率
を格段に向上させることができ、工期短縮と工費削減を
図ることができる。
【0018】勿論、泥水加圧シールド工法によるシール
ドモードでの掘削時には、地山状況に応じて泥水圧を最
適に制御することが可能であって完全な止水性を確保で
きるし、排土機構としてベルトコンベア9と送排泥機構
17を併用してNATMモードにおいてはベルトコンベ
ア9を使用し、シールドモードにおいては送排泥機構1
7を使用することにより、いずれの場合も排土を支障な
くかつ効率的に行うことができる。
【0019】図2は本発明の他の実施形態を示す。本実
施形態のトンネル掘削機は、排土機構としてスクリュコ
ンベア22を採用し、NATMモードおよびシールドモ
ードのいずれにおいてもそのスクリュコンベア22を共
通に使用するようにしたものであり、先の実施形態にお
けるベルトコンベア9に代えてスクリュコンベア22を
採用し、排泥管16を省略した以外は先のものと同様で
ある。本実施形態のトンネル掘削機では、いずれのモー
ドにおいてもスクリュコンベア22により効率的な排土
を行うことができるものであるし、排土機構としてベル
トコンベア9と送排泥機構17を併用していた先の実施
形態のものよりも構成の簡略化と施工性のさらなる向上
を図ることができる。
【0020】以上で本発明の実施形態を説明したが、上
記実施形態はあくまで一例であり、本発明は上記実施形
態に限定されることなく適宜の設計的変更が可能である
ことは言うまでもない。
【0021】
【発明の効果】請求項1の発明のトンネル掘削機は、N
ATM工法によるトンネル掘削機であるTBMを基本と
して、そのカッター装置の後方にシールドシェルを設
け、そのシールドシェルの前部をバルクヘッドにより区
画して泥水チャンバを形成可能とするとともに、シール
ドシェル内の後部に、セグメントを組み立てるためのエ
レクタと、組み立てたセグメントから反力をとって掘進
を行うためのシールドジャッキとを搭載し、かつ、カッ
ター装置により泥水チャンバに取り込んだ掘削土を後方
に排出する排土機構を具備したものであるから、TBM
とシールド掘削機の機能を併せ持つものであり、したが
って従来においてはTBMによる岩盤掘削に際して軟弱
地盤や湧水性地盤に遭遇したような場合に必要であった
止水剤注入等の予備工事を不要とでき、その結果、トン
ネル工事の効率向上、工期短縮、工費削減を図ることが
できる。
【0022】請求項2の発明は、排土機構として、ベル
トコンベアと、泥水チャンバに泥水を供給しかつそこか
ら泥水とともに掘削土を排出する構成の送排泥機構とを
併設したので、TBMとしての掘削時にはベルトコンベ
アにより排土を行い、シールド掘削機としての掘削時に
は送排泥機構により排土を行うことにより、いずれの場
合も排土を支障なくかつ効率的に行うことができる。
【0023】請求項3の発明は、排土機構としてスクリ
ュコンベアを採用したので、TBMとしての掘削時にも
シールド掘削機としての掘削時にもそのスクリュコンベ
アを共通に使用して支障なく排土を行うことができるこ
とはもとより、排土機構の構成の簡略化と施工性をより
向上させることができる。
【0024】請求項4の発明は、上記のトンネル掘削機
によりトンネルを施工するに際して、地山の状況に応じ
てNATMモードとシールドモードとのいずれかを選択
しつつ掘削するので、地山の状況に応じて最適な掘削が
可能であり、極めて合理的かつ有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態であるトンネル掘削機の
概略構成図であり、(a)はNATMモード、(b)は
シールドモードを示す図である。
【図2】 本発明の他の実施形態であるトンネル掘削機
の概略構成図であり、(a)はNATMモード、(b)
はシールドモードを示す図である。
【符号の説明】
1 メインビーム 3 カッター装置 4 駆動機構 6 メイングリッパ 8 スラストジャッキ 9 ベルトコンベア(排土機構) 11 シールドシェル 12 バルクヘッド 13 泥水チャンバ 15 泥水管 16 排泥管 17 送排泥機構(排土機構) 18 セグメント 19 エレクタ 20 シールドジャッキ 22 スクリュコンベア(排土機構)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木内 勉 東京都港区芝浦一丁目2番3号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 磯部 哲 東京都港区芝浦一丁目2番3号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 滑川 昌彦 東京都港区芝浦一丁目2番3号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 雨宮 啓二 東京都港区芝浦一丁目2番3号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 近藤 保徳 兵庫県加古郡播磨町新島8番地 川崎重工 業株式会社播磨工場内 (72)発明者 池本 高良 兵庫県加古郡播磨町新島8番地 川崎重工 業株式会社播磨工場内 (72)発明者 高倉 暁 兵庫県加古郡播磨町新島8番地 川崎重工 業株式会社播磨工場内 Fターム(参考) 2D054 AC05 AC20 CA02 CA03 DA02 DA03

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 岩盤を掘削可能なカッター装置とその駆
    動機構をメインビームの先端部に装備し、メインビーム
    の基部に装備したメイングリッパを介して地山から反力
    をとってスラストジャッキにより掘進を行う構成のトン
    ネル掘削機において、 カッター装置の後方にシールドシェルを設けて、そのシ
    ールドシェルの前部をバルクヘッドにより区画して泥水
    チャンバを形成可能とするとともに、シールドシェル内
    の後部に、セグメントを組み立てるためのエレクタと、
    組み立てたセグメントから反力をとって掘進を行うため
    のシールドジャッキとを搭載し、 かつ、カッター装置により泥水チャンバに取り込んだ掘
    削土を後方に排出する排土機構を具備してなることを特
    徴とするトンネル掘削機。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のトンネル掘削機におい
    て、排土機構として、ベルトコンベアと、泥水チャンバ
    に泥水を供給しかつそこから泥水とともに掘削土を排出
    する構成の送排泥機構とを併設してなることを特徴とす
    るトンネル掘削機。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のトンネル掘削機におい
    て、排土機構としてスクリュコンベアを採用してなるこ
    とを特徴とするトンネル掘削機。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載のト
    ンネル掘削機によりトンネルを施工するに際し、メイン
    グリッパから反力をとってスラストジャッキにより掘進
    を行うNATMモードと、泥水チャンバを実質的に密閉
    して切羽を泥水加圧しかつセグメントを組み立ててその
    セグメントから反力をとって推進ジャッキにより掘進を
    行うシールドモードとのいずれかを、地山の状況に応じ
    て選択しつつ掘削することを特徴とするトンネル掘削方
    法。
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