JP2003082980A - トンネル掘削機及びトンネル掘削工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル掘削機及び掘削工法において、トン
ネル掘削機の推進速度を高精度に制御することで掘削作
業性並びに信頼性の向上を図る。 【解決手段】 掘削機本体１１に推進ジャッキとして、
油圧式シールドジャッキ２６及び機械式シールドジャッ
キ２７を搭載し、土留壁５４の掘削時や障害物の切断時
には、機械式シールドジャッキ２７を用いて掘削機本体
１１を微速前進しながら、カッタヘッド１５により土留
壁５４を徐々に掘削したり、障害物を徐々に切断したり
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、シールド掘削機や
トンネルボーリングマシンなどとして使用されるトンネ
ル掘削機並びにトンネル掘削工法に関し、特に、掘削機
の推進方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、シールド掘削機は、円筒形状を
なす掘削機本体の前部に駆動回転可能な円盤形状をなす
カッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッド
にはカッタビットが多数取付けられる一方、後部には掘
削機本体を推進させる多数のシールドジャッキが装着さ
れると共に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み
付けるエレクタ装置が装着されて構成されている。従っ
て、カッタヘッドを回転させながらシールドジャッキを
伸長させると、既設セグメントからの掘削反力を得て掘
削機本体が推進し、各カッタビットが前方の地盤を掘削
し、トンネルを形成することができる。

【０００３】このようなシールド掘削機にて、掘削機本
体の後部に搭載される多数のシールドジャッキは油圧ジ
ャッキであり、この油圧ジャッキに給排する油圧を制御
することでシールド掘削機の推進速度を制御している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シールド掘
削機を用いて所定の位置にトンネルを構築する場合、発
進立坑と到達立坑を予め掘削しておき、発進立坑内にシ
ールド掘削機を搬入し、この発進立坑内で掘削反力確保
した状態で、発進口から地山へ貫入して所定のルートに
沿って掘削を行う。そして、シールド掘削機が到達立坑
まで掘進すると、予め形成された到達口よりシールド本
体を到達立坑内に引き出す。このようにして所定の位置
にトンネルを構築する。

【０００５】そして、この発進立坑からのシールド掘削
機を発進する場合、発進立坑の側壁部に発進口が必要と
なるが、最近では、立坑における発進口の形成位置に所
定厚さの仮壁を形成しておき、この仮壁をシールド掘削
機のカッタヘッドが直接掘削して発進口を形成しなが
ら、トンネル掘削を開始している。

【０００６】この場合、発進立坑の側壁部に設けられた
仮壁は硬質であり、シールド掘削機を微速で推進しなが
ら掘削する必要がある。ところが、シールド掘削機は、
シールドジャッキ（油圧ジャッキ）への油圧の給排によ
り推進速度を制御するものであるため、この推進速度を
微速で高精度に制御するのには限界がある。そのため、
シールド掘削機の推進時に速度が変化して前後動が発生
し、カッタヘッドが仮壁を破砕して大きな掘削物がチャ
ンバ内に取り込まれ、排土管が閉塞してしまう虞があ
る。

【０００７】また、シールド掘削機により地盤を掘削中
に、前方に杭などの障害物が発生した場合、シールド掘
削機を微速推進してカッタ装置によりこの障害物を切断
する必要がある。ところが、前述したように、シールド
ジャッキ（油圧ジャッキ）による推進速度を微速で高精
度に制御することは困難であり、シールド掘削機の推進
速度が一定しないためにカッタ装置の刃が掘削物に衝突
して破損してしてしまう虞がある。

【０００８】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、トンネル掘削機の推進速度を高精度に制御する
ことで掘削作業性並びに信頼性の向上を図ったトンネル
掘削機及びトンネル掘削工法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機
本体と、該掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着され
たカッタヘッドと、前記掘削機本体を推進させる油圧式
推進ジャッキと、前記掘削機本体を推進させる機械式推
進ジャッキとを具えたことを特徴とするものである。

【００１０】掘削機本体には、多数の推進ジャッキが搭
載されているが、その推進ジャッキのうちの多くを通常
の地盤掘削時に使用する油圧式推進ジャッキとし、その
他を立坑壁や障害物などの特殊物の掘削時に使用する機
械式推進ジャッキとすることが好ましい。

【００１１】請求項２の発明のトンネル掘削機では、前
記油圧式推進ジャッキを地盤掘削時に駆動する一方、前
記機械式推進ジャッキを発進立坑壁の掘削時あるいは障
害物切断時に駆動することを特徴としている。

【００１２】請求項３の発明のトンネル掘削機では、前
記機械式推進ジャッキを駆動することで、前記掘削機本
体を微速推進可能であることを特徴としている。

【００１３】また、請求項４の発明のトンネル掘削工法
は、油圧式推進ジャッキを駆動することで掘削機本体を
一定速度で推進する一方、機械式推進ジャッキを駆動し
て前記掘削機本体を微速推進することを特徴とするもの
である。

【００１４】請求項５の発明のトンネル掘削工法では、
前方に障害物を検出したときに、前記機械式推進ジャッ
キを駆動して前記掘削機本体を微速推進することで、カ
ッタ装置により前方の障害物を切断することを特徴とし
ている。

【００１５】請求項６の発明のトンネル掘削工法は、ト
ンネル内の土留壁に対向してトンネル掘削機を配置し、
機械式推進ジャッキの伸長により反力を得て前記トンネ
ル掘削機を推進して前記土留壁を掘削し、該土留壁を掘
削した後、油圧式推進ジャッキの伸長により反力を得て
前記トンネル掘削機を推進して地盤を掘削してトンネル
を形成することを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１７】図１に本発明の一実施形態に係るシールド
掘削機の概略断面、図２に図１のII−II断面、図３に機
械式シールドジャッキの概略、図４及び図５にシールド
掘削機のよる立坑発進時の動作を表す概略を示す。

【００１８】本実施形態のシールド掘削機において、図
１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状を
なす前胴１１ａと後胴１１ｂとが球面軸受１２によって
屈曲自在に連結され、複数の中折ジャッキ１３によって
屈曲可能となっている。この掘削機本体１１の前胴１１
ａの前部には軸受１４によってカッタヘッド１５が回転
自在に装着されている。このカッタヘッド１５は、放射
状に設けられた複数のカッタスポーク１６を有し、この
各カッタスポーク１６に多数のカッタビット１７が取付
けられている。

【００１９】一方、このカッタヘッド１５の後部にはリ
ングギア１８が固定される一方、前胴１１ａにはカッタ
旋回モータ１９が取付けられ、このカッタ旋回モータ１
９の駆動ギア２０がこのリングギア１８に噛み合ってい
る。従って、カッタ旋回モータ１９を駆動して駆動ギア
２０を回転駆動すると、リングギア１８を介してカッタ
ヘッド１５を回転することができる。

【００２０】また、前胴１１ａにはカッタヘッド１５の
後方に位置してバルクヘッド２１が取付けられており、
カッタヘッド１５とこのバルクヘッド２１との間にチャ
ンバ２２が形成されている。そして、このチャンバ２２
には一端がシールド掘削機の外部に延設された送泥管２
３及び排泥管２４の他端が開口しており、排泥管２４の
開口部分の近傍には掘削土砂と泥水とを攪拌、混合する
アジテータ２５が装着されている。

【００２１】一方、掘削機本体１１の後胴１１ｂの前部
内周辺には油圧式のシールドジャッキ２６と機械式のシ
ールドジャッキ２７が周方向に沿って混在して複数並設
されている。このシールドジャッキ２６，２７は掘進方
向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された
既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により
掘削機本体１１を前進することができる。

【００２２】この油圧式のシールドジャッキ２６は図示
しないが、シリンダケース内にピストンが移動自在に嵌
合し、ピストンロッドの先端部にスプレッダ２８が取付
けられて構成されている。従って、図示しない制御装置
により電磁弁を開閉操作し、ピストンで仕切られたシリ
ンダケース内の油室に油圧を給排することで、ピストン
ロッドを介してスプレッダ２８を伸縮することができ
る。

【００２３】また、機械式のシールドジャッキ２７にお
いて、図３に詳細に示すように、シリンダケース２９内
にはねじ軸３０が回転、且つ、軸方向に移動自在に支持
され、このねじ軸３０にウォームホイール３１が螺合す
ると共に、先端部がシリンダケース２９外に突出してス
プレッダ３２が取付けられている。また、シリンダケー
ス２９には駆動モータ３３が装着され、シリンダケース
２９内に貫入する出力軸にはねじ軸３０に直交するウォ
ーム３４が固結され、ウォームホイール３１と噛み合っ
ている。従って、駆動モータ３３を駆動し、ウォーム３
４によりウォームホイール３１を回転することで、ねじ
軸３０を回転して軸方向に移動してスプレッダ３２を伸
縮することができ、制御装置により駆動モータ３３の回
転速度を制御することで、スプレッダ３２の移動速度、
つまり、掘削機本体１１の推進速度を制御することがで
きる。

【００２４】また、この後胴１１ｂには支持部材３５に
よって旋回リング３６が旋回自在で、駆動モータ３７に
より旋回可能となっており、この旋回リング３６にセグ
メントＳを組立てるエレクタ装置３７が装着されてい
る。

【００２５】ここで、このように構成された本実施形態
のシールド掘削機によるトンネル掘削作業について説明
する。

【００２６】トンネルを掘削形成するには、図４(ａ)に
示すように、まず、掘削開始位置に所定の深さまで発進
立坑５１を掘削し、この発進立坑５１内に受台５２と反
力受け設備５３を設置すると共に、発進口の形成位置に
対応して土留壁５４を形成する。この土留壁５４は炭素
繊維強化複合材料製のストランドまたはロッドを補強筋
とした新素材コンクリートであって、カッタヘッド１５
に装着された図示しない専用のカッタビットにより掘削
可能となっている。そして、シールド掘削機をこの発進
立坑５１内に搬入し、受台５２上に載置して所定の向き
に位置決めし、掘削機本体１１と反力受け設備５３との
間にセグメントＳを仮組みする。

【００２７】このように発進立坑５１内にシールド掘削
機がセットされると、図４(ｂ)に示すように、カッタ旋
回モータ１９によりカッタヘッド１５を回転しながら複
数の機械式シールドジャッキ２７のみを伸長してスプレ
ッダ３２を既設セグメントＳへ押し付け、その反力によ
って掘削機本体１１を前進させる。そして、図５(ａ)に
示すように、カッタヘッド１５が土留壁５４に接触して
倒壊を防止しながら、この土留壁５４の掘削を開始す
る。カッタヘッド１５により掘削された掘削物はチャン
バ２２内に取り込まれ、送泥管２３からの送水と共に排
泥管２４から外部に排出され、、エレクタ装置３７はセ
グメントＳを組み立てる。

【００２８】このとき、掘削機本体１１は機械式シール
ドジャッキ２７の伸縮により微速推進しながら、カッタ
ヘッド１５が土留壁５４を徐々に掘削していくため、こ
の土留壁５４には常時一定の掘削圧が作用し、細かい掘
削物がチャンバ２２に取り込まれることとなり、排泥管
２４が閉塞することはない。

【００２９】この機械式シールドジャッキ２７の伸長に
よる掘削機本体１１の前進で、カッタヘッド１５が土留
壁５４を完全に掘削して貫通すると、発進口５５が形成
される。ここで、図５(ｂ)に示すように、油圧式シール
ドジャッキ２６を伸長してスプレッダ２８をセグメント
Ｓに押し付けて掘削反力を確保する一方、機械式シール
ドジャッキ２７を収縮してスプレッダ３２をセグメント
Ｓから離間する。即ち、掘削機本体１１の推進ジャッキ
を機械式シールドジャッキ２７から油圧式シールドジャ
ッキ２６に交代する。そして、カッタヘッド１５を回転
させなから、油圧式シールドジャッキ２６を伸長して掘
削機本体１１を前進させることで、継続してカッタヘッ
ド１５のカッタビット１７により前方の地盤を掘削す
る。そして、掘削土砂はチャンバ２２内に取り込まれ、
排泥管２４から外部に排出される一方、エレクタ装置３
７がセグメントＳを継続して組み立てていく。この作業
の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成す
る。

【００３０】また、カッタヘッド１５を回転させなか
ら、油圧式シールドジャッキ２６を伸長して掘削機本体
１１を前進させて前方の地盤を掘削しているとき、図示
しない前方探査装置により障害物を検出すると、この障
害物の直前にて、掘削機本体１１の推進ジャッキを油圧
式シールドジャッキ２６から機械式シールドジャッキ２
７に交代する。そして、カッタヘッド１５を回転させな
から、機械式シールドジャッキ２６を伸長して掘削機本
体１１を微速前進させることで、図示しない障害物切削
用カッタにより前方の障害物を切断する。このとき、掘
削機本体１１は微速推進しながら障害物を徐々に切断す
るため、この障害物切削用カッタが破損したりすること
はなく、適正に障害物を排除できる。

【００３１】そして、シールド掘削機が図示しない到達
立坑に到達したら、再び、機械式シールドジャッキ２６
を用いて掘削機本体１１を微速前進させながら、カッタ
ヘッド１５により到達立坑の土留壁を掘削して、トンネ
ルを連通する。

【００３２】このように本実施形態のトンネル掘削機に
あっては、掘削機本体１１に推進ジャッキとして、油圧
式シールドジャッキ２６及び機械式シールドジャッキ２
７を搭載している。従って、発進立坑５１からシールド
掘削機を発進するとき、機械式シールドジャッキ２７を
用いて掘削機本体１１を微速前進しながら、カッタヘッ
ド１５により土留壁５４を徐々に掘削するため、この土
留壁５４には常時一定の掘削圧が作用して倒壊すること
はなく、また、土留壁５４の細かい掘削物がチャンバ２
２に取り込まれて排泥管２４により排出されるため、こ
の排泥管２４が閉塞することはなく、安定した掘削作業
を行うことができる。

【００３３】また、地盤に埋設された障害物を切断する
ときにも、機械式シールドジャッキ２７を用いて掘削機
本体１１を微速前進しながら、障害物切削用カッタによ
り障害物を徐々に切断するため、この障害物切削用カッ
タが破損したりすることはなく、適正に障害物を排除で
きる。

【００３４】なお、上述の実施形態では、シールド掘削
機の発進時にカッタヘッド１５が発進立坑５１や到達立
坑の土留壁５４掘削するとき、また、地盤に埋設された
障害物を切断するときに、機械式シールドジャッキ２７
を用いて掘削機本体１１を微速前進するようにしたが、
これらの場合に限らず、例えば、中折ジャッキ１３によ
る掘削機本体１１の屈曲時など、掘削機本体１１を微速
前進させるときに機械式シールドジャッキ２７を用いれ
ばよい。

【００３５】また、上述の実施形態にて、機械式シール
ドジャッキ２７を、ねじ軸３０、ウォームホイール３
１、駆動モータ３３、ウォーム３４等により構成した
が、これに限らず、駆動モータ、ねじ軸、ナット等によ
り構成してもよく、機械式シールドジャッキの構造は何
ら限定されるものではない。

【００３６】更に、上述の実施形態では、本発明のトン
ネル掘削機を泥水式シールド掘削機として説明したが、
泥土圧式シールド掘削機としてもよく、この場合、送水
管、排水管、アジテータに代えてスクリューコンベヤを
用いればよい。更に、本発明のトンネル掘削機をシール
ド掘削機として説明したが、トンネルボーリングマシン
に適用することもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、筒状
の掘削機本体の前部にカッタヘッドを装着する一方、掘
削機本体の後部に油圧式推進ジャッキと機械式推進ジャ
ッキを並設したので、通常地盤の掘削時には油圧式推進
ジャッキを用いることで、効率よく掘進してトンネルを
形成することができる一方、硬質部分の掘削時には機械
式推進ジャッキを用いることで、適正に掘進してトンネ
ルを形成することができ、トンネル掘削機の推進速度を
高精度に制御することで掘削作業性並びに信頼性の向上
を図ることができる。

【００３８】請求項２の発明のトンネル掘削機によれ
ば、油圧式推進ジャッキを地盤掘削時に駆動する一方、
機械式推進ジャッキを発進立坑壁の掘削時あるいは障害
物切断時に駆動するので、掘削部分に応じて油圧式推進
ジャッキと機械式推進ジャッキとを使い分けることで、
効率よくトンネルを掘削することができる。

【００３９】請求項３の発明のトンネル掘削機によれ
ば、機械式推進ジャッキを駆動することで掘削機本体を
微速推進可能としたので、カッタヘッドが発進立坑や到
達立坑の縦壁を掘削するとき、地中障害物を切断すると
きに、機械式推進ジャッキを用いて掘削機本体を微速推
進することで、縦壁を徐々に掘削して倒壊や掘削物によ
る排出部の閉塞を防止することができると共に、地中障
害物を徐々に切断してカッタ装置の破損等を防止するこ
とができる。

【００４０】また、請求項４の発明のトンネル掘削工法
によれば、油圧式推進ジャッキを駆動することで掘削機
本体を一定速度で推進する一方、機械式推進ジャッキを
駆動して掘削機本体を微速推進するようにしたので、掘
削部分に応じて油圧式推進ジャッキと機械式推進ジャッ
キとを使い分けることで、効率よくトンネルを掘削する
ことができ、掘削作業性並びに信頼性の向上を図ること
ができる。

【００４１】請求項５の発明のトンネル掘削工法によれ
ば、前方に障害物を検出したときに、機械式推進ジャッ
キを駆動して掘削機本体を微速推進することで、カッタ
装置により前方の障害物を切断するようにしたので、カ
ッタ装置は地中障害物を徐々に切断することとなり、こ
のカッタ装置の破損等を防止することができる。

【００４２】請求項６の発明のトンネル掘削工法によれ
ば、トンネル内の土留壁に対向してトンネル掘削機を配
置し、機械式推進ジャッキの伸長により反力を得て前記
トンネル掘削機を推進して前記土留壁を掘削し、土留壁
を掘削した後、油圧式推進ジャッキの伸長により反力を
得てトンネル掘削機を推進して地盤を掘削してトンネル
を形成するようにしたので、カッタヘッドが発進立坑や
到達立坑の土留壁を掘削するとき、機械式推進ジャッキ
を用いて掘削機本体を微速推進して土留壁を徐々に掘削
することで、土留壁の倒壊や大きな掘削物による排出部
の閉塞を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るシールド掘削機の概
略断面図である。

【図２】図１のII−II断面図である。

【図３】機械式シールドジャッキの概略図である。

【図４】シールド掘削機のよる立坑発進時の動作を表す
概略図である。

【図５】シールド掘削機のよる立坑発進時の動作を表す
概略図である。

【符号の説明】

１１ 掘削機本体 １５ カッタヘッド １９ カッタ旋回モータ ２６ 油圧式シールドジャッキ ２７ 機械式シールドジャッキ ３８ エレクタ装置 ５１ 発進立坑 ５４ 土留壁

フロントページの続き (72)発明者 繁 修二 東京都新宿区津久戸町２番１号 株式会社 熊谷組東京本社内 Ｆターム(参考） 2D054 AC01 AD33 BA03 EA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の掘削機本体と、該掘削機本体の前
   部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、前記掘
   削機本体を推進させる油圧式推進ジャッキと、前記掘削
   機本体を推進させる機械式推進ジャッキとを具えたこと
   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、前記油圧式推進ジャッキを地盤掘削時に駆動する一
   方、前記機械式推進ジャッキを発進立坑壁の掘削時ある
   いは障害物切断時に駆動す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、前記機械式推進ジャッキを駆動することで、前記掘
   削機本体を微速推進可能であることを特徴とするトンネ
   ル掘削機。
4. 【請求項４】 油圧式推進ジャッキを駆動することで掘
   削機本体を一定速度で推進する一方、機械式推進ジャッ
   キを駆動して前記掘削機本体を微速推進することを特徴
   とするトンネル掘削工法。
5. 【請求項５】 請求項４記載のトンネル掘削工法におい
   て、前方に障害物を検出したときに、前記機械式推進ジ
   ャッキを駆動して前記掘削機本体を微速推進すること
   で、カッタ装置により前方の障害物を切断することを特
   徴とするトンネル掘削工法。
6. 【請求項６】 トンネル内の土留壁に対向してトンネル
   掘削機を配置し、機械式推進ジャッキの伸長により反力
   を得て前記トンネル掘削機を推進して前記土留壁を掘削
   し、該土留壁を掘削した後、油圧式推進ジャッキの伸長
   により反力を得て前記トンネル掘削機を推進して地盤を
   掘削してトンネルを形成することを特徴とするトンネル
   掘削工法。