JP2002242586A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地下構造物の接合部における土砂の切り残し
を少なくできるトンネル掘削機を提供する。 【解決手段】 既設トンネル等の地下構造物ｆに新たな
トンネルｈを接合すべく地下構造物ｆへ向けて掘り進む
トンネル掘削機１であって、掘削機本体１ａの前部に回
転自在に設けられた回転軸１９と、回転軸１９に径方向
外方に伸ばして且つ掘進方向前方に上記地下構造物ｆの
接合面ｊに合わせて傾斜させて設けられた１本のカッタ
スポーク２１と、回転軸１９を回転駆動または揺動駆動
する駆動部３０とを備えたもの。駆動部３０は、掘削機
本体１ａが地下構造物ｆから十分離間しているときには
回転軸１９を回転駆動し、掘削機本体１ａが地下構造物
ｆに近接したときはカッタスポーク２１と地下構造物ｆ
との干渉を避けるべく回転軸１９を所定角度範囲で揺動
駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、既設トンネル等の
地下構造物に新たなトンネルを接続すべく地下構造物へ
向けて掘り進むトンネル掘削機に係り、特に、接合部に
おける土砂の切り残しを少なくできるトンネル掘削機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１に示すように、トンネル掘削機ａ
として、掘削機本体ｂの前部に回転自在に設けられた回
転軸ｃと、その回転軸ｃに直交するように径方向外方に
伸ばして放射状に設けられた複数本のカッタスポークｄ
とを備え、回転軸ｃを回転駆動することによって各カッ
タスポークｄに設けたビットｅで切羽を切削するものが
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるトンネ
ル掘削機ａでは、図１０にも示すように、既設トンネル
等の地下構造物ｆに新たなトンネル（斜坑ｈ）を接合す
べくその地下構造物ｆへ向けて斜めに掘り進む場合、各
カッタスポークｄが回転軸ｃに直交して取り付けられて
いるので、カッタスポークｅの切羽面が地下構造物ｆの
接合面ｊに対して斜めになり、接合部にて土砂の切り残
し領域ｇが広範囲で生じてしまう。このため、接合部近
傍の土砂を止水する薬剤注入領域を広くせざるを得な
い。

【０００４】また、この問題は、図１０に示すような斜
坑ｈ以外であっても、トンネル掘削機ａの推進方向に対
する地下構造物ｆの接合面ｊが斜めになっている場合に
は、立坑・横坑を問わず同様に生じる。

【０００５】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、地下構造物の接合部における土砂の切り残しを
少なくできるトンネル掘削機を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明は、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネル
を接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル
掘削機であって、掘削機本体の前部に回転自在に設けら
れた回転軸と、該回転軸に径方向外方に伸ばして且つ掘
進方向前方に上記地下構造物の接合面に合わせて傾斜さ
せて設けられた１本のカッタスポークと、上記回転軸を
回転駆動または揺動駆動する駆動部とを備えたものであ
る。

【０００７】上記駆動部は、掘削機本体が地下構造物か
ら十分離間しているときには上記回転軸を回転駆動し、
掘削機本体が地下構造物に近接したときはカッタスポー
クと地下構造物との干渉を避けるべく上記回転軸を所定
角度範囲で揺動駆動する。

【０００８】上記掘削機本体は、地下構造物に近接した
とき地下構造物に当接すべく前方に突出するスライドフ
ードを有していてもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を添付図面に
基いて説明する。

【００１０】図１に実施形態に係るトンネル掘削機の側
断面図を、図２に図１の II-II線断面図を、図３に図１
の III-III線断面図を、図４に図１の IV-IV線断面図を
示す。

【００１１】このトンネル掘削機１は、図１０に示すよ
うに、既設トンネル等の地下構造物ｆに新たなトンネル
（斜坑ｈ）を接合すべく地下構造物ｆへ向けて斜めに掘
り進むものであって、図１に示すように、筒体状に形成
された前胴２と後胴３とからなるフレーム４を有する。
後胴３はその先端に縮径された挿入部５を有し、前胴２
はその後端に同径の被挿入部６を有する。挿入部５は、
被挿入部６に挿入され重合されており、それらの間に
は、中折れシール７が介設されている。

【００１２】前胴２の内部には、バルクヘッド体８がス
ライド自在に収容されている。バルクヘッド体８は、前
胴２の内面にスライド自在に摺接する内筒部９と、内筒
部９の内部を切羽側と坑内側とを仕切る隔壁部１０とを
有する。内筒部９には、前胴２の内面との間をシール
（止水）するスライドシール１１が、その周方向に沿っ
て設けられている。隔壁部１０の坑内側の面にはブラケ
ット１２が設けられ、それに対向するように前胴２の内
面にはブラケット１３が設けられている。

【００１３】これらブラケット１２と１３との間には、
固定部材１４がボルトナット等の締結具（または仮止め
溶接等）により着脱自在に取り付けられている。固定部
材１４は、図３にも示すように周方向に所定間隔を隔て
て複数（図例では６本）配置されている。この構成によ
れば、固定部材１４でブラケット１２と１３とを連結す
るとバルクヘッド体８と前胴２とが一体となり、その固
定部材１４を取り去るとバルクヘッド体８が前胴２内を
スライド自在となる。

【００１４】後胴３の内面には、図１に示すように、ブ
ラケット１５が設けられている。この後胴のブラケット
１５とバルクヘッド体８のブラケット１６とに間には、
方向制御ジャッキ１７が夫々ピンを介して介設されてい
る。方向制御ジャッキ１７は、図３にも示すように周方
向に所定間隔を隔てて複数（図例では６本）配置されて
いる。この構成によれば、固定部材１４でバルクヘッド
体８と前胴２とを一体化した状態で、各方向制御ジャッ
キ１７の伸長量を調節することで、前胴２と後胴３とを
所望の方向・角度に屈曲できる。

【００１５】バルクヘッド体８の隔壁部１０の中心に
は、図１に示すように、円筒状の軸受筒体１８が固設さ
れており、軸受筒体１８の内部には、回転軸１９が回転
自在に挿入されている。回転軸１９の先端部には、円柱
体２０が設けられている。円柱体２０の先端側の側面に
は、カッタスポーク２１が取り付けられている。カッタ
スポーク２１は、径方向外方に延出させて且つ掘進方向
前方に地下構造物ｆ（図１０参照）の接合面ｊに合わせ
て傾斜させて、１本取り付けられている。

【００１６】カッタスポーク２１には、図２および図８
に示すように、切羽を切削するビット２２が取り付けら
れている。詳しくは、カッタスポークには、その径方向
に沿って幅広ビット保持部２３と幅狭ビット保持部２４
とが交互に取り付けられている。そして、各ビット保持
部２３、２４の左右に、実質的に切羽を切削するビット
２２が取り付けられている。各ビット２２の左右の高さ
は等しく設定されている。これにより、カッタスポーク
２１が１本であっても、その径方向に沿って切羽の全面
を切削できるのである。

【００１７】カッタスポーク２１の内部には、図１に示
すように、コピーカッタ２５を径方向外方に出没させる
ジャッキ２６が収容されている。コピーカッタ２５は、
最外周のビット２２で切削できない領域を切削するもの
である。すなわち、最外周のビット２２は、後述する図
７に示すように前胴２がバルクヘッド体８に対して相対
的に前進するとき干渉しないようにその内側に配置され
ているので、前胴２の板厚の部分の切羽を切削できな
い。よって、そこを切削するためにコピーカッタ２５が
設けられている。

【００１８】円柱体２０の先端部には、図１に示すよう
に、カッタスポーク２１と同様の方向に傾けられた円柱
体からなる傾斜部２７が設けられている。傾斜部２７の
正面には、図２にも示すように、平板状のビット保持部
２８が90度間隔で４個設けられている。各ビット保持部
２８の先端には、ルーフ状のビット２９が取り付けられ
ている。この構成によれば、回転軸１９が回転すると、
図１に仮想線で示すように、カッタスポーク２１および
傾斜部２７が回転し、切羽を凹コーン状に切削する。

【００１９】回転軸１９は、駆動部３０によって回転駆
動または揺動駆動される。駆動部３０は、回転軸１９の
根元側に取り付けられた駆動ギヤ３１と、駆動ギヤ３１
に噛合するピニオン３２と、ピニオン３２を駆動する駆
動モータ３３（油圧モータ等）と、駆動モータ３３の回
転方向を切り換える制御部３４とを有する。この構成に
よれば、制御部３４によって駆動モータ３３を一方向に
回転すると回転軸１９が回転駆動され、制御部３４によ
って駆動モータ３３の回転方向を所定角度範囲で切り換
えれると回転軸１９が揺動駆動される。

【００２０】制御部３４は、例えば駆動モータ３３（油
圧モータ等）への油圧の供給排出方向を切り換える切換
弁からなる。制御部３４によって制御される駆動部３０
は、掘削機本体が地下構造物ｆから十分離間していると
きには回転軸１９を回転駆動し（図１参照）、掘削機本
体が地下構造物ｆに近接したときはカッタスポーク２１
と地下構造物ｆとの干渉を避けるべく回転軸１９を所定
角度範囲で揺動駆動する（図５および図６参照）。

【００２１】また、駆動ギヤ３１およびピニオン３２
は、隔壁部１０に設けられたギヤケース３５内に収容さ
れている。そして、ギヤケース３５に駆動モータ３３が
取り付けられている。また、隔壁部１０の切羽側の面に
は、図１および図２に示すように外側コーン体３６と内
側コーン体３７とが取り付けられている。そして、外側
コーン体３７および隔壁部１０を貫通させて、送泥管３
８と排泥管３９とマンホール４０と水圧計４１とが設け
られている。また、カッタスポークには、各コーン体間
の土砂を撹拌するロッド４５が取り付けられている。

【００２２】他方、図１に示すように、後胴３には、推
進管４２（コンクリート製のヒューム管や鉄製のダグタ
イル管等）が装着されている。推進管４２は、図１０に
示す斜坑ｈの入口部ｉで先に装着された推進管４２に順
次継ぎ足され、入口部ｉに設けた図示しない元押し装置
によって押し出される。これにより、トンネル掘削機１
は、推進管４２と一体的に斜め下方に押し出されること
になる。このとき、図１に示す方向制御ジャッキ１７で
前胴２と後胴３との中折れ方向および角度を調節するこ
とで、方向制御を行う。

【００２３】また、図１および図４に示すように後胴３
の内部には、隔壁４３が設けられている。隔壁４３は、
万一各推進管４２の継ぎ目から地下水がトンネル（斜坑
ｈ）内に侵入したとき、トンネル最下部に位置する駆動
モータ３３等が冠水するのを防止するものである。隔壁
４３には、マンホール４４が設けられており、送泥管３
８と排泥管３９とが貫通されている。なお、本実施形態
では前胴２、後胴３およびバルクヘッド体８等が、掘削
機本体１ａを構成する。

【００２４】以上の構成からなる本実施形態の作用を述
べる。

【００２５】上記トンネル掘削機１は、図１０に示す斜
坑ｈの入口部ｉから地下構造物ｆ（既設トンネル）に向
けて地山を掘削するものである。

【００２６】まず、トンネル掘削機１が地下構造物ｆか
ら十分離間しているとき、すなわち斜坑ｈの入口部ｉか
ら図１に示すカッタスポーク２１が地下構造物ｆに干渉
する直前の位置までは、制御部３４を回転駆動に設定し
ておき回転軸１９を回転駆動しつつ、入口部ｉの元押し
装置（図示せず）によってトンネル掘削機１を継足し管
４２と一体的に斜め下方に押し出す。これにより、トン
ネル掘削機１は、そのカッタスポーク２１および傾斜部
２７が回転し、切羽を凹コーン状に切削しつつ、斜め下
方に進行する。この凹コーン状の切羽面は、掘削機１の
進行方向に対して直交している。よって、掘削機１の直
進性が悪化することはない。

【００２７】そして、掘削機１が地下構造物ｆに近接し
たとき、すなわち図１に仮想線で示すようにカッタスポ
ーク２１が地下構造物ｆに干渉する位置となったとき、
作業員が制御部３４を回転駆動から揺動駆動に切り換え
る。すると、図５および図６に示すように、回転軸１９
が所定角度範囲（360 度〜90度）で揺動駆動されてカッ
タスポーク２１が揺動し、カッタスポーク２１と地下構
造物ｆとの干渉を避けることができる。そして、入口部
ｉの元押し装置（図示せず）によって掘削機１を推進管
４２と一体的に斜め下方に押し出す。カッタスポーク２
１の揺動角度は、スポーク２１が構造物ｆに干渉する手
前までの角度であり、構造物ｆに近付くに伴って徐々に
角度が小さくなり、本図例では最小揺動角度を９０度と
している。これにより、掘削機１は、そのカッタスポー
ク２１および傾斜部２７が図５に示すように揺動し、切
羽をワイパー状に切削しつつ、斜め下方に進行し、図６
に至る。

【００２８】ここで、カッタスポーク２１および傾斜部
２７の傾斜角度が、予め地下構造物ｆの接合面ｊの傾斜
角度に合わせて設定されているので、本実施形態に係る
トンネル掘削機１は、図１１に示す従来タイプよりも地
下構造物ｆに近付くことができ、接合部近傍における土
砂の切り残し領域４６を小さくできる。但し、図６の状
態からさらに掘削機１を元押し装置によって押し出す
と、図５および図６に領域Ａに示すように、カッタスポ
ーク２１の最外周のビット２２が最小揺動範囲（90度）
の両端部で地下構造物ｆと干渉してしまう。よって、図
６の位置となったなら元押し装置による掘削機１および
推進管４２の押し出しを停止する。

【００２９】ここで、カッタスポーク２１の最小揺動範
囲を小さくすれば、さらに掘削機１を地下構造物ｆに近
付けることが可能となるが、本実施形態では最小揺動範
囲は90度に設定している。本実施形態の構成のカッタで
は最小揺動範囲を90度以下にすると切羽の一部に切削で
きなくなる領域が発生するからである。すなわち、本実
施形態における最小揺動範囲90度は、図５に示すよう
に、カッタスポーク２１の最内周のビット２２の切削範
囲を考慮すると共に、傾斜部２７のビット２９（90度間
隔）の切削範囲を考慮して設定されている。この構成の
カッタでは、最小揺動範囲を90度以下にすると、円形の
切羽面の中心部に切削できなくなる領域が発生するので
ある。

【００３０】なお、この対策として、図９に示すように
カッタスポーク２１のビット２２をルーフ状２２ａのビ
ットにすると共に、傾斜部２７のビット２９の放射状間
隔を90度間隔より小さくすることが考えられる。こうす
れば、カッタスポーク２１の最小揺動範囲を90度以下に
することも可能となり、掘削機１を図６の位置よりもさ
らに地下構造物ｆに近付けることが可能となり、接合部
近傍における土砂の切り残し領域４６を更に小さくでき
る。この場合も、近付くに従って揺動範囲（角度）を徐
々に小さくし、土砂の切り残し領域４６を効率的に小さ
くすることが好ましい。

【００３１】さて、図６に示すように、掘削機１が地下
構造物ｆに限界（カッタスポーク２１の先端部のビット
２２がその最小揺動範囲である90度の両端部にて地下構
造物ｆに干渉しない限界）まで近付いたなら、斜坑入口
部ｉにおける元押し装置による元押しを停止して推進を
停止すると共に、駆動モータ３３を停止してカッタスポ
ーク２１の揺動を停止する。そして、固定部材１４を取
り外し、前胴２とバルクヘッド体８とを相対移動可能と
する。その後、斜坑入口部ｉにおける元押し装置によっ
て、再び、掘削機１を推進管４２と一体的に押し出す。
すると、図７に示すように、バルクヘッド体８の位置が
保たれたまま、前胴２および後胴３（フレーム４）が一
体的に前進し、前胴２の先端側部２ａが地山に貫入して
地下構造物ｆに当接する。

【００３２】ここで、前胴２の先端側部２ａが、特許請
求の範囲の請求項３の「スライドフード」に相当する。
前胴の先端側部２ａの開口形状は、地下構造物ｆの接合
面ｊの形状に合わせて成形されている。よって、前胴２
の先端側部２ａ（スライドフード）は、地下構造物ｆの
表面にぴったり当接する。その後、接合部近傍の土砂を
薬剤注入等によって固め、カッタ室４７内の止水性を確
保する。そして、図２に示すマンホール４０を開いて作
業員がカッタ室４７内に入り、切り残した土砂４６を除
去する。そして、カッタスポーク２１や駆動モータ３３
等を取り外して除去し、前胴２と地下構造物ｆとを連通
させる。これにより、地下構造物ｆ（既設トンネル）に
斜坑ｈ（新たなトンネル）が接続される。

【００３３】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
ることはなく、元押し装置の代わりにフレーム４内に推
進ジャッキを設け、掘進機内でトンネル壁となるセグメ
ントを組立て、それに反力をとって掘進するシールド掘
進機にも適用できる。また、斜坑接続ではなく鉛直坑接
続や横坑接続の場合にも、掘削機の推進方向に対する地
下構造物の接合面ｊが斜めになっている場合には適用で
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、既
設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接続すべ
く地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機におい
て、接合部における土砂の切り残しを少なくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すトンネル掘削機の側
断面図である（回転駆動時）。

【図２】図１の II-II線断面図である。

【図３】図１の III-III線断面図である。

【図４】図１の IV-IV線断面図である。

【図５】カッタスポークの揺動範囲を示す説明図であ
る。

【図６】上記トンネル掘削機の側断面図である（揺動駆
動時）。

【図７】上記トンネル掘削機の側断面図である（スライ
ドフード作動時）。

【図８】上記カッタスポークの断面図である。

【図９】上記カッタスポークの変形例を示す断面図であ
る。

【図１０】地下構造物をそれに接続される斜坑とを示す
説明図である。

【図１１】従来例を示すトンネル掘削機の側断面図であ
る。

【符号の説明】

１ トンネル掘削機 １ａ 掘削機本体 ２ａ スライドフードとしての前胴先端側部２ａ １９ 回転軸 ２１ カッタスポーク ３０ 駆動部 ｆ 地下構造物 ｈ 新たなトンネルとしての斜坑 ｊ 接合面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久原 高志 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 藤枝 憲文 神奈川県横浜市中区吉田町65番地の７ 清 水建設株式会社内 (72)発明者 岡本 正 神奈川県横浜市中区吉田町65番地の７ 清 水建設株式会社内 (72)発明者 島 厚夫 神奈川県横浜市中区吉田町65番地の７ 清 水建設株式会社内 (72)発明者 藤井 茂男 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 (72)発明者 伊藤 広幸 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 (72)発明者 大久保 俊明 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 Ｆターム(参考） 2D054 AA04 AC02 AD02 AD13 BA03 BA10 BB01 BB09 EA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既設トンネル等の地下構造物に新たなト
   ンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むト
   ンネル掘削機であって、掘削機本体の前部に回転自在に
   設けられた回転軸と、該回転軸に径方向外方に伸ばして
   且つ掘進方向前方に上記地下構造物の接合面に合わせて
   傾斜させて設けられた１本のカッタスポークと、上記回
   転軸を回転駆動または揺動駆動する駆動部とを備えたこ
   とを特徴とするトンネル掘削機。
2. 【請求項２】 上記駆動部は、掘削機本体が地下構造物
   から十分離間しているときには上記回転軸を回転駆動
   し、掘削機本体が地下構造物に近接したときはカッタス
   ポークと地下構造物との干渉を避けるべく上記回転軸を
   所定角度範囲で揺動駆動するものである請求項１記載の
   トンネル掘削機。
3. 【請求項３】 上記掘削機本体は、地下構造物に近接し
   たとき地下構造物に当接すべく前方に突出するスライド
   フードを有する請求項１又は２記載のトンネル掘削機。