JP2003138883A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】長距離掘削が可能で、しかも環境への影響が低
減でき、低コストにトンネル掘削が可能となるトンネル
掘削機を提供する。 【解決装置】掘削機本体１は、カッタヘッド１２、カッ
タチャンバ１５、シールド８、９、方向修正装置１７、
および前記カッタチャンバ１５から土砂をトンネル内に
排土する排土装置４とを備える。また、立坑３からトン
ネル５内に挿入されるヒューム管１９を押圧する元押装
置２を備える。前記排土装置４によりカッタチャンバ１
５から搬出された掘削土砂を地上まで排出する掘削土砂
排出装置６を備える。地上に設置された掘削土砂処理装
置７を備える。前記掘削土砂排出装置６が、ラインシュ
ータ２６と、排泥ポンプ２９や排泥管２７等の流体輸送
装置とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機に
係り、特に長距離掘進可能なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】元押装置を用いてトンネル掘進する場
合、従来より、泥水推進工法、泥土圧推進工法または泥
濃式推進工法が採用される。このうち、泥水推進工法
は、切羽を、カッタチャンバ内に供給される作泥水の泥
水圧で支え、送水した水と土砂を排泥管を介して地上の
作泥材プラントに戻す工法である。

【０００３】前記泥土圧推進工法は、カッタチャンバの
中に掘削した土砂を溜めて切羽を支え、出てきた土砂は
スクリューコンベアで排土してズリ鋼車で立坑まで運ぶ
工法である。

【０００４】前記泥濃式推進工法は、カッタチャンバ内
に作泥材を供給し、カッタチャンバ内の圧力により排泥
管を通してカッタチャンバ外に排出される泥土を土砂ホ
ッパで受け、バキューム排土により空気スラリー輸送す
る工法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】泥水推進工法は、圧
力、比重、粘性等の泥水管理を行う必要があり、掘削土
砂処理装置及び流送装置のコストが高くなるという問題
点がある。

【０００６】前記泥土圧推進工法は、ズリ鋼車により排
土を行うため、掘削距離が長くなると、ズリ鋼車の往復
距離が長くなり、作業能率が悪くなるという問題点があ
る。

【０００７】前記泥濃式推進工法は、空気スラリー輸送
を用いるため、推進距離が５００ｍ程度にまで制限され
るという問題点がある。また、泥土圧式と同じで掘削土
砂と掘削土砂に注入する作泥材すべてを産廃処理してお
り、環境に対する配慮がなされていないという問題点が
ある。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑み、長距離掘削
が可能で、しかも環境への影響が低減でき、低コストに
トンネル掘削が可能となるトンネル掘削機を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための装置】請求項１のトンネル掘削
機は、カッタヘッド、カッタチャンバ、シールド、方向
修正装置、および前記カッタチャンバから土砂をトンネ
ル内に排土する排土装置とを備えた掘削機本体と、前記
排土装置によりカッタチャンバから搬出された掘削土砂
を地上まで排出する掘削土砂排出装置と、地上に設置さ
れた掘削土砂処理装置とからなり、前記掘削土砂排出装
置を、ラインシュータと、流体輸送装置とにより構成し
たことを特徴とする。

【００１０】このように、掘削土砂排出装置を、ライン
シュータと、流体輸送装置とにより構成すれば、泥水推
進工法による場合のような、泥水の圧力、比重、粘性の
すべてについて管理する必要がなく、掘削土砂処理装
置、流送装置のコストを低減できる。また、ズリ鋼車が
不要となり、能率良く掘削でき、かつ空気スラリー輸送
の場合のような輸送距離の制限がなく、長距離掘削が可
能となる。また、一次処理で分級される土砂は産廃扱い
ではないことと、泥水は循環して使用することと、作泥
材プラントに掘削土砂処理設備より原料を供給できるこ
と等から、環境への悪影響が軽減される。

【００１１】請求項２のトンネル掘削機は、請求項１に
おいて、掘削土砂排出装置を、ラインシュータと流体輸
送装置の代わりに、土砂ホッパと、該土砂ホッパの水位
制御装置を有する流体輸送装置とを備えたことを特徴と
する。

【００１２】このような請求項２の構成によっても請求
項１のトンネル掘削機と同様の機能を発揮することがで
きる。

【００１３】請求項３のトンネル掘削機は、請求項１ま
たは２において、前記カッタチャンバから土砂をトンネ
ル内に排土する排土装置が、排土管と、前記カッタチャ
ンバ内圧力制御用排泥バルブとからなることを特徴とす
る。

【００１４】このような排泥バルブを設ければ、カッタ
チャンバ内圧力を好適に保つことができる。

【００１５】請求項４のトンネル掘削機は、請求項３に
おいて、前記排泥バルブがピンチバルブからなることを
特徴とする。

【００１６】このようなピンチバルブを設ければ、カッ
タチャンバから比較的大きな礫を排出することが可能と
なる。

【００１７】請求項５のトンネル掘削機は、請求項１ま
たは２において、前記カッタチャンバから土砂をトンネ
ル内に排土する排土装置が、スクリューコンベアからな
ることを特徴とする。

【００１８】このようなスクリューコンベアを用いれ
ば、土砂がスクリュー羽根によって強制的に排出される
ことから、切羽に注入する作泥材の量が抑えられる上、
作泥材の量が削減できるので、切羽の安定度が高くな
る。

【００１９】請求項６のトンネル掘削機は、請求項１、
３、４または５において、前記ラインシュータの異常水
位発生時に送水を止める制御装置をさらに備えたことを
特徴とする。

【００２０】このように、送水を止める制御装置を設け
ることにより、ラインシュータからの泥水の溢れを防止
することができる。

【００２１】請求項７のトンネル掘削機は、請求項１か
ら６までのいずれかにおいて、前記カッタチャンバから
土砂をトンネル内に排土する排土装置の後に、スクリー
ンをさらに備えたことを特徴とする。

【００２２】このようなスクリーンを設ければ、流体輸
送装置の排泥管が礫によって詰まることを防止すること
ができる。

【００２３】請求項８のトンネル掘削機は、請求項１か
ら６までのいずれかにおいて、前記カッタチャンバから
土砂をトンネル内に排土する排土装置の後に、クラッシ
ャをさらに備えたことを特徴とする。

【００２４】このように、クラッシャを備えれば、大き
な礫によって流体輸送装置の排泥管が礫によって詰まる
ことを防止することができる上、トンネル内に作業員が
入って礫を除去する必要がなくなる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１（Ａ）は本発明によるトンネ
ル掘削機の一実施の形態を押管式トンネル掘進機につい
て示す断面図である。図中、１は掘削機本体、２は立坑
３に設置された元押装置、４は掘削された土砂をトンネ
ル５内に排出する排土装置、６はその掘削土砂を地上に
まで排出する掘削土砂排出装置、７は地上に設置された
掘削土砂処理装置である。

【００２６】掘削機本体１は、後シールド８と、前シー
ルド９と、両シールド８、９間の方向修正装置１７と、
前シールド９の前部に設けられたバルクヘッド１０と、
該バルクヘッド１０の中心に回転自在に支承されたセン
ターシャフト１１と、該センターシャフト１１に支承さ
れたカッタヘッド１２と、該カッタヘッド１２をセンタ
ーシャフト１１を介して回転させるためのカッタモータ
１３およびギヤ装置１４とを備え、バルクヘッド１０と
カッタヘッド１２との間にカッタチャンバ１５が形成さ
れる。

【００２７】掘削土砂処理装置７には、掘削土砂を排土
しやすい性状に変えるための泥水を作製する作泥材プラ
ント１６を付帯しており、作泥材プラント１６は作泥配
管（図示せず）を通してセンターシャフト１１とバルク
ヘッド１０に接続され、カッタヘッド１２の前面とカッ
タチャンバ１５内に作泥材の供給が可能となっている。

【００２８】前記後シールド８と前記前シールド９との
間に設ける方向修正装置１７は、方向修正可能な接続部
１７ａと方向修正用用ジャッキ１７ｂとからなる。

【００２９】カッタチャンバ１５から土砂をトンネル内
に排土する排土装置４は、前記カッタチャンバ１５内圧
力が好適になるように制御する排泥バルブ２０を有する
排土管２１を備える。本実施の形態においては、礫の通
過も可能となるように、前記排泥バルブ２０を、制御空
気圧によって開口面積が制御可能なピンチバルブにより
構成している。２２は前記排土管２１の出口に設けられ
た礫除去用のスクリーンである。

【００３０】前記掘削土砂排出装置６は、掘削土砂処理
装置７により処理された泥水をトンネル５内に送水する
送水ポンプ２４と、送水配管２５と、該送水配管２５に
より送られてきた泥水に前記排土管２１により搬出され
た掘削土砂を混入するラインシュータ２６と、該ライン
シュータ２６から地上の掘削土砂処理装置７にわたって
設けられる排泥管２７と、排泥管２７に設けられた排泥
ポンプ２９および中継ポンプ３０とからなり、これらの
ポンプ２９、３０および排泥管２７により流体輸送装置
を構成する。

【００３１】前記ラインシュータ２６は、図２（Ａ）の
側面断面図と、そのＥ−Ｅ断面図である図２（Ｂ）に示
すように、前記排土管２１よりスクリーン２２を通して
掘削土砂が投下されるホッパ３１と、モータ３２により
回転されるインペラ３３とを備え、インペラ３３の回転
によってホッパ３１内の泥水３４に排泥管２７内に排出
する方向の流動力を与えることにより、ホッパ３１内の
泥水３４が溢れ出さないように構成している。

【００３２】また、図２（Ａ）に示すように、ホッパ３
１には異常水位検出センサ３５を設け、該センサ３５が
ホッパ３１の泥水の水位が異常に上昇したことを検出す
ると、ポンプ制御装置３６が前記送水ポンプ２４を停止
させ、これによりホッパ３５からの泥水の溢れを防止す
るように構成している。

【００３３】この押管式トンネル掘進機は次のように作
動させてトンネル掘削を行う。元押装置２でヒューム管
１９を押して掘削機本体１を押しながら、カッタモータ
１３によりカッタヘッド１２を駆動して地山を掘削して
いく。元押装置２で１本分のヒューム管１９を押し終わ
ると、元押装置２のジャッキを引き、これにより元押装
置２と先行ヒューム管１９との間にできた空間に新たな
ヒューム管１９を継ぎ足していく。

【００３４】このような工程を繰り返して掘進するが、
その途中で必要ならば方向修正装置１７で方向修正を行
う。掘削した土砂の排土は、ピンチバルブでなる排泥バ
ルブ２０でカッタチャンバ１５内の圧力を制御しながら
カッタチャンバ１５内の土砂を排土管２１の後方まで排
土する。この場合、カッタヘッド１２の前面とカッタチ
ャンバ１５内には作泥材プラント１６からの泥水が注入
される。

【００３５】排土管２１から排出された土砂はスクリー
ン２２によって補集され、捕集された礫は台車（図示せ
ず）でトンネル外に運び出される。このように、礫はス
クリーン２２によって捕集されるので、ラインシュータ
２６に入る土砂には大きな礫は含まれておらず、このた
め、送水ポンプ２４から送られてくる泥水によって排泥
管２７へ送られ、排泥ポンプ２９、中継ポンプ３０によ
って掘削土砂処理装置７まで排泥される。

【００３６】従って、カッタチャンバ１５から排泥管２
１で取り込める礫まで対応でき、しかも長距離排土でき
ることになる。それゆえ、ヒューム管１９の摩擦力で推
力が限界になるまで長距離掘進することができる。この
場合、推力不足に対応する手段として、中押し装置やテ
ールボイド再構築技術が採用可能であり、１０００ｍ程
度の掘進が可能である。

【００３７】掘削地山に排泥管２１で取り込めない巨礫
や岩盤が存在する場合は、カッタヘッド１０にローラビ
ットを装備して排土管２１に取り込めるように一次破砕
すれば同様の排土が可能となる。

【００３８】この場合、スクリーン２２で捕集する礫や
岩片が多くなり、これらの運び出しが困難と判断される
場合は、図１（Ｂ）に示すように、ラインシュータ２６
の上部にスクリーン２２の代わりにクラッシャ３７を配
置し、クラッシャ３７で礫等を砕くことにより、礫を台
車で運び出すことなく、掘削土砂を掘削土砂処理設備７
に搬出することができる。

【００３９】このようにして掘進を行う場合、ポンプ２
１、２９、３０の負荷が過負荷とならないようにするた
め、排泥管２７における泥水の流速と排泥の比重を管理
する必要がある。しかし、泥水式推進の場合のように、
カッタチャンバ１５内の圧力を管理するために、切羽に
おける隙間からの地山への水の漏れを防止するための泥
膜の形成を行う必要がないため、泥水圧や泥水の粘性を
管理する必要がないし、泥水の比重の管理も泥水推進の
場合のように緻密に行う必要がない。従って、掘削土砂
処理設備７や送水制御のためのコストを抑えることがで
きる。

【００４０】このように、掘削土砂排出装置６を、ライ
ンシュータ２６と、ポンプ２９，３０や排泥管２７から
なる流体輸送装置とにより構成すれば、泥水推進工法に
よる場合のような、泥水の圧力、比重、粘性のすべてに
ついて管理する必要がなく、掘削土砂処理装置７、送水
ポンプ２６やその制御装置等からなる流送装置のコスト
を低減できる。なお、送水ポンプ２６の負荷が過大にな
らないように、本実施の形態においては、泥水の比重管
理のみを行っている。

【００４１】本実施の形態においては、泥水推進工法と
同様に、一次処理で分級される土砂は産廃扱いではない
ことと、泥水は循環して使用することと、作泥材プラン
ト１６に掘削土砂処理設備７より原料を供給できること
等から、環境への悪影響が軽減される。

【００４２】図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の他の実施の
形態であり、前記ラインシュータ２６の代わりに土砂ホ
ッパ３９を設け、該土砂ホッパ３９の水位検出のために
圧力センサ４０を設け、その出力により制御装置４１が
送水ポンプ２４による送水量を制御して土砂ホッパ３９
の水位が一定になるように構成したものである。このよ
うな土砂ホッパ３９とその水位制御装置によっても前記
ラインシュータ２６と同様の作用を果たすことができ
る。

【００４３】また、図３（Ａ）は、前記排土管２１の代
わりに、モータ４２により駆動されるスクリューコンベ
ア４３を設けたものである。このようなスクリューコン
ベア４３を用いれば、スクリューの取り込める礫サイズ
で限定されるが、排土管２１使用の場合と全く同じよう
に排土でき、土砂がスクリュー羽根によって強制的に排
出されることから、切羽に注入する作泥材の量が抑えら
れるという利点と、作泥材の量が削減できるので、切羽
の安定度が高いという利点がある。

【００４４】本発明は、シールド掘進機にも適用するこ
とができる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１によれば、掘削土砂排出装置
を、ラインシュータと、流体輸送装置とにより構成した
ので、泥水推進工法による場合のような、泥水の圧力、
比重、粘性のすべてについて管理する必要がなく、掘削
土砂処理装置、流送装置のコストを低減できる。また、
ズリ鋼車が不要となり、能率良く掘削でき、かつ空気ス
ラリー輸送の場合のような輸送距離の制限がなく、長距
離掘削が可能となる。また、一次処理で分級される土砂
は産廃扱いではないことと、泥水は循環して使用するこ
とと、作泥材プラントに掘削土砂処理設備より原料を供
給できること等から、環境への悪影響が軽減される。

【００４６】請求項２によれば、掘削土砂排出装置を、
ラインシュータの代わりに、水位制御される土砂ホッパ
を備えたので、請求項１の押管式トンネル掘進機と同様
の効果を果たすことができる。

【００４７】請求項３によれば、カッタチャンバから土
砂をトンネル内に排土する排土装置を、排土管と、前記
カッタチャンバ内圧力制御用排泥バルブとにより構成し
たので、カッタチャンバ内圧力を好適に保つことができ
る。

【００４８】請求項４によれば、前記排泥バルブとして
ピンチバルブを用いたので、カッタチャンバから比較的
大きな礫を排出することが可能となる。

【００４９】請求項５によれば、カッタチャンバから土
砂をトンネル内に排土する排土装置として、スクリュー
コンベアを用いたので、排出できる礫サイズは排土管使
用の場合に比較して小さくなるものの、排土管と全く同
じように排土でき、土砂がスクリュー羽根によって強制
的に排出されることから、切羽に注入する作泥材の量が
抑えられる上、作泥材の量が削減できるので、切羽の安
定度が高くなる。

【００５０】請求項６によれば、ラインシュータの異常
水位発生時に送水を止める制御装置をさらに備えたの
で、ラインシュータからの泥水の溢れを防止することが
できる。

【００５１】請求項７によれば、カッタチャンバから土
砂をトンネル内に排土する排土装置の後に、スクリーン
をさらに備えたので、流体輸送装置の排泥管が詰まるこ
とを防止することができる。

【００５２】請求項８によれば、カッタチャンバから土
砂をトンネル内に排土する排土装置の後に、クラッシャ
をさらに備えたので、大きな礫によって流体輸送装置の
排泥管が礫によって詰まることを防止することができる
上、トンネル内に作業員が入って礫を除去する必要がな
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明によるトンネル掘削機の一実施
の形態を押管式トンネル掘進機について示す断面図、
（Ｂ）は本発明の押管式トンネル掘進機の他の実施の形
態を示す部分図である。

【図２】（Ａ）は本実施の形態に用いるラインシュータ
の側面断面図、（Ｂ）はそのＥ−Ｅ断面図である。

【図３】（Ａ）は本発明による押管式トンネル掘進機の
他の実施の形態を示す断面図、（Ｂ）はその部分構成図
である。

【符号の説明】

１：掘削機本体、２：元押装置、３：立坑、４：排土装
置、５：トンネル、６：掘削土砂排出装置、７：掘削土
砂処理装置、８：後シールド、９：前シールド、１０：
バルクヘッド、１１：センターシャフト、１２：カッタ
ヘッド、１３：カッタモータ、１４：ギヤ装置、１５：
カッタチャンバ、１６：作泥材プラント、１７：方向修
正装置、２０：排泥バルブ、２１：排土管、２４：送水
ポンプ、２５：送水管、２６：ラインシュータ、２７：
排泥管、２９：排泥ポンプ、３０：中継ポンプ、３１：
ホッパ、３２：モータ、３３：インペラ、３４：泥水、
３５：異常水位検出センサ、３６：制御装置、３７：ク
ラッシャ、３９：土砂ホッパ、４０：圧力センサ、４
１：制御装置、４２：モータ、４３：スクリューコンベ
ア

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カッタヘッド、カッタチャンバ、シール
   ド、方向修正装置、および前記カッタチャンバから土砂
   をトンネル内に排土する排土装置とを備えた掘削機本体
   と、 前記排土装置によりカッタチャンバから搬出された掘削
   土砂を地上まで排出する掘削土砂排出装置と、 地上に設置された掘削土砂処理装置とからなり、 前記掘削土砂排出装置を、ラインシュータと、流体輸送
   装置とにより構成したことを特徴とするトンネル掘削
   機。
2. 【請求項２】カッタヘッド、カッタチャンバ、シール
   ド、方向修正装置、および前記カッタチャンバから土砂
   をトンネル内に排土する排土装置とを備えた掘削機本体
   と、 前記排土装置によりカッタチャンバから搬出された掘削
   土砂を地上まで排出する掘削土砂排出装置と、 地上に設置された掘削土砂処理装置とからなり、 前記掘削土砂排出装置を、土砂ホッパと、該土砂ホッパ
   の水位制御装置を有する流体輸送装置とにより構成した
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
3. 【請求項３】請求項１または２のトンネル掘削機におい
   て、 前記カッタチャンバから土砂をトンネル内に排土する排
   土装置が、排土管と、前記カッタチャンバ内圧力制御用
   排泥バルブとから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３のトンネル掘削機において、 前記排泥バルブがピンチバルブからなることを特徴とす
   るトンネル掘削機。
5. 【請求項５】請求項１または２のトンネル掘削機におい
   て、 前記カッタチャンバから土砂をトンネル内に排土する排
   土装置が、スクリューコンベアからなることを特徴とす
   るトンネル掘削機。
6. 【請求項６】請求項１、３、４または５のトンネル掘削
   機において、 前記ラインシュータの異常水位発生時に送水を止める制
   御装置をさらに備えたことを特徴とするトンネル掘削
   機。
7. 【請求項７】請求項１から６までのいずれかのトンネル
   掘削機において、 前記カッタチャンバから土砂をトンネル内に排土する排
   土装置の後に、スクリーンをさらに備えたことを特徴と
   するトンネル掘削機。
8. 【請求項８】請求項１から６までのいずれかのトンネル
   掘削機において、 前記カッタチャンバから土砂をトンネル内に排土する排
   土装置の後に、クラッシャをさらに備えたことを特徴と
   するトンネル掘削機。