JP2003314190A - トンネル掘削機及び掘削工法 - 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、掘削
地盤の崩落を防止して安定して円滑な掘削及び排土を可
能とすることでトンネル掘削作業の作業性の向上を図
る。 【解決手段】 カッタヘッド１７のカッタスポーク１８
に油圧ジャッキ２１により出没自在なコピーカッタ２０
を設け、コピーカッタ２０の先端部に加泥材を噴射可能
な噴射口（加泥ノズル）３６を形成し、このコピーカッ
タ２０の伸縮動作に同期して噴射口３６から余掘により
形成された空洞内に加泥剤を噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤を掘削してト
ンネルを構築する土圧式シールド掘削機などのトンネル
掘削機及び掘削工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、土圧式シールド掘削機は、円筒
形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在
に装着され、このカッタヘッドが駆動装置により駆動回
転可能に支持されると共に、掘削土砂を排出するスクリ
ューコンベヤが配設される一方、後部に掘削機本体を前
進させる多数のシールドジャッキと、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
からの反力を得て掘削機本体が前進し、カッタヘッドが
前方の地盤を掘削してトンネルを形成する一方、スクリ
ューコンベヤにより掘削土砂が外部に排出される。

【０００３】このような土圧式シールド掘削機によりト
ンネル掘削作業にあっては、カッタヘッドの前方の切羽
と掘削機本体のバルクヘッドとの間に掘削土砂を充満、
加圧して切羽を安定させるために、掘削機が推進量に見
合う土量を排土している。この場合、切羽とバルクヘッ
ドとの間の掘削土砂の塑性流動化を促進するために、カ
ッタヘッドの注入装置から添加剤を注入すると共に、カ
ッタヘッドに設けられた混練機構により掘削土砂と添加
剤を混練し、排土が安定して円滑に行われるようにして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、掘削機本体
は、例えば、前胴と後胴とが中折ジャッキにより屈曲自
在に連結され、この中折ジャッキの伸縮動作により掘削
機本体の掘進方向を変更することができる。この場合、
カッタヘッドに設けられたコピーカッタを屈曲方向に対
してのみ突出して余掘を行い、掘削機本体が所望の方向
に曲がりやすいようにしている。

【０００５】土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削
作業では、前述したように、切羽とバルクヘッドとの間
に掘削土砂を充満して加圧させることで切羽を安定させ
ている。ところが、シールド掘削機の掘進方向を変更す
るために、屈曲方向にコピーカッタを突出して余掘を行
うとき、カッタヘッドの側方に一時的に空洞部が形成さ
れることとなり、この空洞部にまで掘削土砂を充満させ
て加圧することが困難となる。そのため、余掘によって
カッタヘッドの側方に形成された空洞部にて、壁面が崩
れ落ちて地盤が崩落してしまう虞がある。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、掘削地盤の崩落を防止して安定して円滑な掘削
及び排土を可能とすることでトンネル掘削作業の作業性
の向上を図ったトンネル掘削機及び掘削工法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【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、筒状をなして
前部にチャンバを有する掘削機本体と、該掘削機本体を
前進させる推進ジャッキと、前記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、該カッタヘッ
ドから外周部に出没自在に装着された伸縮カッタと、該
伸縮カッタの先端部に設けられた加泥ノズルと、前記チ
ャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具えたことを特
徴とするものである。

【０００８】請求項２の発明のトンネル掘削機は、筒状
をなして前部にチャンバを有する掘削機本体と、該掘削
機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の
前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、該カ
ッタヘッドから外周部に出没自在に装着された伸縮カッ
タと、該伸縮カッタの近傍に設けられた加泥ノズルと、
前記チャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具えたこ
とを特徴とするものである。

【０００９】請求項３の発明のトンネル掘削機では、前
記加泥ノズルは、前記カッタヘッドの外周部であって前
記伸縮カッタの両側部に隣接して設けられたことを特徴
としている。

【００１０】請求項４の発明のトンネル掘削機では、前
記伸縮カッタの突出に同期して前記加泥ノズルから加泥
剤が噴射されることを特徴としている。

【００１１】請求項５の発明のトンネル掘削工法は、ト
ンネルを曲線掘削するとき、カッタヘッドを回転させな
がら掘削機本体を前進させることで該カッタヘッドによ
り前方の地盤を掘削する一方、曲がる方向に対して伸縮
カッタを突出させて該伸縮カッタにより側方の地盤を掘
削すると共に、該伸縮カッタにより余掘した空洞部に加
泥剤を噴射することを特徴とするものである。

【００１２】

【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。

【００１３】図１に本発明の第１実施形態に係るトンネ
ル掘削機の概略断面、図２にトンネル掘削機の正面視、
図３に加泥材噴射口が設けられたコピーカッタの概略、
図４に図３のIV−IV断面を示す。

【００１４】本実施形態の土圧式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
形状をなし、ほぼ同径の前胴１２及び後胴１３が球面軸
受１４を介して屈曲自在に連結されて構成されている。
この前胴１２の前部には回転体１５が回転自在に支持さ
れ、回転体１５には３つのビーム１６を介してカッタヘ
ッド１７が装着されている。このカッタヘッド１７は放
射状をなす３本のスポーク１８を有しており、各スポー
ク１８に多数のカッタビット１９が固定されている。ま
た、この３本のスポーク１８のうち２本には先端部に伸
縮カッタとしてのコピーカッタ２０が径方向移動自在に
装着され、スポーク１８内に収容された油圧ジャッキ２
１により外周辺に出没自在となっている。更に、掘削機
本体１１の前部、即ち、後述するバルクヘッド２２には
カッタヘッド１７の回転角度位置を検出するロータリエ
ンコーダ２３が取付けられている。そして、カッタヘッ
ド１７の後部にはリングギア２４が固定される一方、前
胴１２には駆動モータ２５が取付けられ、この駆動モー
タ２５の駆動ギア（図示略）がリングギア２４に噛み合
っている。

【００１５】従って、駆動モータ２５を駆動すると、リ
ングギア２４を介してカッタヘッド１７を回転し、カッ
タビット１９により前方の地盤を掘削することができ、
このとき、ロータリエンコーダ２３はカッタヘッド１７
の回転角度位置を検出しており、カッタヘッド１７の所
定の回転角度位置で油圧ジャッキ２１を伸長してコピー
カッタ２０を突出することで、カッタヘッド１７の前側
方の地盤を掘削することができる。

【００１６】前胴１２にはカッタヘッド１７の後方に位
置して前述したバルクヘッド２２が取付けられており、
カッタヘッド１７とこのバルクヘッド２２との間にチャ
ンバ２６が形成されている。そして、掘削機本体１１内
には排土手段としてのスクリューコンベヤ２７が前傾し
て配設されており、このスクリューコンベヤ２７の前端
部がバルクヘッド２２を貫通してチャンバ２６に位置し
ている。なお、バルクヘッド２２の中心部にはロータリ
ジョイント２８が装着されており、このロータリジョイ
ント２８を通して掘削機本体１１側とカッタヘッド１７
側との電気配線や油圧ホース等の連絡がなされている。

【００１７】また、前胴１２と後胴１３との間には複数
の中折ジャッキ２９が架設されており、この中折ジャッ
キ２９の伸縮動作により掘削機本体１１の掘進方向を変
更することができる。そして、後胴１３には周方向に沿
って複数のシールドジャッキ３０が周方向に沿って複数
並設されており、このシールドジャッキ３０を掘進方向
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。更に、後胴１３
の後端部にはセグメントＳをリング状に組立てる図示し
ないエレクタ装置が装着されている。

【００１８】ところで、本実施形態の掘削機は土圧式シ
ールド掘削機であり、切羽とカッタヘッド１７との間及
びチャンバ２６内に掘削土砂を充満、加圧して切羽を安
定させるために、カッタヘッド１７による推進量（掘削
量）に見合う土砂量をスクリューコンベヤ２７により排
土しており、バルクヘッド２２にはチャンバ２６の土砂
圧力を計測する土圧計３１が設けられている。また、チ
ャンバ２６を含む切羽とバルクヘッド２２との間の掘削
土砂の塑性流動化を促進するために、カッタヘッド１７
のスポーク１８には前方に加泥材（添加材）を注入する
加泥材注入口３２が設けられている。

【００１９】従って、カッタヘッド１７の地盤掘削によ
り発生した土砂に対して、常時、加泥材注入口３２から
加泥材が注入され、チャンバ２６ではカッタヘッド１７
の回転に伴って移動する各ビーム１６により土砂が攪拌
され、加泥材と土砂とを混練して塑性流動化を促進し、
スクリューコンベヤ２７により排土することができる。

【００２０】また、本実施形態では、掘進方向を変更す
るためにコピーカッタ２０を突出して余掘を行うとき、
カッタヘッド１７の側方に形成された空洞部での地盤の
崩落を防止するために、この空洞部に対して加泥材を噴
射する加泥ノズルをコピーカッタ２０に設けている。即
ち、図３及び図４に示すように、コピーカッタ２０は筒
状のスポーク１８内にカッタ本体３３が移動自在に支持
されており、その先端部に一対のビット３４が固定さ
れ、基端部に油圧ジャッキ２１の駆動ロッド３５の先端
部が連結されている。このカッタ本体３３は先端部に各
ビット３４の間に位置して噴射口（加泥ノズル）３６が
形成されており、この噴射口３６はカッタ本体３３の後
方に開口する連通路３７が連通している。そして、この
連通路３７には可撓性の連結ホース３８の一端部が連結
されている。

【００２１】この連結ホース３８は、図１に示すよう
に、カッタヘッド１４のスポーク１８からロータリジョ
イント２８を通して掘削機本体１１内に導かれており、
その他端部は配管３９に接続され、この配管３９は電磁
弁４０を介してポンプを有する加泥材タンク４１に連結
されている。この電磁弁４０は制御装置４１により開閉
操作可能であり、制御装置４１はコピーカッタ２０の突
出に同期して電磁弁４０を開放し、余掘時に噴射口３６
から加泥剤を噴射するようにしている。

【００２２】ここで、上述した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。トンネル
を掘削形成するには、図１に示すように、まず、駆動モ
ータ２５によってカッタヘッド１７を回転させながら、
シールドジャッキ３０を伸長して既設セグメントから掘
削反力を得て掘削機本体１１を前進させる。すると、回
転するカッタヘッド１７の多数のカッタビット１９が前
方の地盤を掘削してトンネルを形成する。

【００２３】このとき、カッタヘッド１７の地盤掘削に
より発生した土砂に対して、加泥材注入口３２から常時
加泥材が注入されており、チャンバ２６ではカッタヘッ
ド１７の回転に伴って移動する各ビーム１６により土砂
が攪拌され、加泥材と土砂とを適正に混練することで、
チャンバ２６内での掘削土砂の塑性流動化を促進し、ス
クリューコンベヤ２７により安定して円滑に排土するこ
とができる。即ち、カッタヘッド１７による掘削量に見
合う土砂量をスクリューコンベヤ２７により円滑に排土
することで、チャンバ２６内に掘削土砂を充満、加圧し
て切羽を安定させることができる。

【００２４】そして、シールド掘削機の掘進方向を変更
するには、各中折ジャッキ２９の伸縮ストロークを変え
ることで、後胴１３に対して前胴１２を屈曲させてカッ
タヘッド１７の向きを左方または右方（あるいは、上下
方向）に変え、曲線掘削を行う。この曲線掘削の動作と
共に、カッタヘッド１７の所定の回転角度位置で油圧ジ
ャッキ２１を伸長してコピーカッタ２０を突出させるこ
とで余掘を行い、前胴１２が所望の方向に曲がりやすく
する。例えば、図２に示すように、カッタヘッド１７の
所定の回転範囲でコピーカッタ２０を徐々に伸縮するこ
とで、二点鎖線で表す範囲を余掘することができる。

【００２５】そして、このコピーカッタ２０が余掘を行
うとき、制御装置４１はコピーカッタ２０の伸縮動作に
同期して電磁弁４０を開放し、噴射口３６から余掘によ
り形成された空洞内に加泥剤を噴射する。そのため、カ
ッタヘッド１７の側方に形成された空洞部は加泥材と土
砂とが適正に混練して充満、加圧されることとなり、壁
面を安定させて地盤の崩落を防止できる。

【００２６】このように本実施形態の土圧式シールド掘
削機にあっては、カッタヘッド１７のカッタスポーク１
８に油圧ジャッキ２１により出没自在なコピーカッタ２
０を設け、コピーカッタ２０の先端部に加泥材を噴射可
能な噴射口（加泥ノズル）３６を形成し、このコピーカ
ッタ２０の伸縮動作に同期して噴射口３６から余掘によ
り形成された空洞内に加泥剤を噴射するようにしてい
る。

【００２７】従って、コピーカッタ３０による余掘作業
時に、カッタヘッド１７の側方に形成された余掘空洞部
は加泥材と土砂とが適正に混練して充満、加圧されるこ
ととなり、効果的に加泥材が余掘した空洞部に充填さ
れ、掘削土砂と混練できると共に、余掘壁面を安定させ
て地盤の崩落を防止できると共に、この加泥材と土砂と
の混練による掘削土砂の塑性流動化を促進し、スクリュ
ーコンベヤ２７による排土を円滑に行うことができる。

【００２８】図５に本発明の第２実施形態に係るトンネ
ル掘削機におけるコピーカッタの概略を示す。なお、前
述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部
材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

【００２９】本実施形態の土圧式シールド掘削機では、
図５に示すように、掘進方向を変更するためにコピーカ
ッタ２０を突出して余掘を行うとき、カッタヘッド１７
の側方に形成された空洞部での地盤の崩落を防止するた
めに、この空洞部に対して加泥材を噴射する加泥ノズル
をカッタヘッド１７におけるコピーカッタ２０の両側に
隣接して設けている。

【００３０】即ち、カッタヘッド１７は放射状をなす３
本のスポーク１８の外周部が連結リング５１により連結
され、各スポーク１８に多数のカッタビット１９が固定
されてなり、２本のスポーク１８にコピーカッタ２０が
油圧ジャッキ２１により出没自在に装着されている。こ
の連結リング５１にはコピーカッタ２０の両側（カッタ
ヘッド１７の周方向に沿って両側）に位置して加泥ノズ
ル５２が装着されており、この各加泥ノズル５２はスポ
ーク１８の両側に取付けられたブロック５３の連通路５
４を介して可撓性の連結ホース５５が連結されている。
なお、図示しないが、この連結ホース５５は、第１実施
形態と同様に、ロータリジョイントを通して掘削機本体
内に導かれ、電磁弁を介してポンプを有する加泥材タン
クに連結されており、この電磁弁は制御装置により開閉
操作可能となっている。

【００３１】従って、シールド掘削機の掘進方向を変更
するとき、カッタヘッド１７の所定の回転角度位置でコ
ピーカッタ２０を突出させることで余掘を行うと共に、
このコピーカッタ２０の伸縮動作に同期して各加泥ノズ
ル５２から余掘により形成された空洞内に加泥剤を噴射
する。そのため、カッタヘッド１７の側方に形成された
空洞部は加泥材と土砂とが適正に混練して充満、加圧さ
れることとなり、壁面を安定させて地盤の崩落を防止で
きる。

【００３２】また、加泥ノズル５２をカッタヘッド１７
におけるコピーカッタ２０の近傍に設けたことで、コピ
ーカッタ２０に加泥材の噴射口や連通路を形成する必要
がなくなって、構造を簡素化することができる。

【００３３】なお、上述の実施形態では、加泥ノズルを
コピーカッタ２０や連結リング５１に設けたが、その取
付位置はこれらに限定されるものではなく、コピーカッ
タの近傍であって、加泥材を余掘によって形成される空
洞部に噴射可能であればどこでもよく、例えば、カッタ
ヘッドの面板や掘削機本体の前端部などであってもよ
い。また、加泥ノズルの噴射方向にしても、掘削壁面に
対して直角に噴射できるようになっているが、掘削部分
に噴射できるように掘削機本体の後方にロケ手向けて角
度をつけてもよい。

【００３４】また、上述の実施形態では、本発明のトン
ネル掘削機を土圧式シールド掘削機に適用したが、泥土
圧式シールド掘削機に適用してもよい。

【００３５】

【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
をなして前部にチャンバを有する掘削機本体の前部にカ
ッタヘッドを駆動回転可能に装着し、このカッタヘッド
に外周部に出没自在な伸縮カッタを装着すると共に、こ
の伸縮カッタの先端部に加泥ノズルを設けたので、伸縮
カッタによる余掘作業時に、カッタヘッドの側方に形成
された余掘空洞部に加泥材と土砂とを適正に混練して充
満、加圧することができ、余掘壁面を安定させて地盤の
崩落を防止することができると共に、この加泥材と土砂
との混練に行よる掘削土砂の塑性流動化を促進し、排土
を円滑に行うことができ、その結果、トンネル掘削作業
の作業性の向上を図ることができる。

【００３６】請求項２の発明のトンネル掘削機によれ
ば、筒状をなして前部にチャンバを有する掘削機本体の
前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、このカッ
タヘッドに外周部に出没自在な伸縮カッタを装着すると
共に、この伸縮カッタの近傍に加泥ノズルを設けたの
で、伸縮カッタによる余掘作業時に、カッタヘッドの側
方に形成された余掘空洞部に加泥材と土砂とを適正に混
練して充満、加圧することができ、余掘壁面を安定させ
て地盤の崩落を防止することができると共に、この加泥
材と土砂との混練に行よる掘削土砂の塑性流動化を促進
し、排土を円滑に行うことができ、その結果、トンネル
掘削作業の作業性の向上を図ることができ、また、伸縮
カッタ自体に加泥ノズルを設ける必要がなくなり、構造
の簡素化を図ることができる。

【００３７】請求項３の発明のトンネル掘削機によれ
ば、加泥ノズルをカッタヘッドの外周部であって伸縮カ
ッタの両側部に隣接して設けたので、伸縮カッタに加泥
材の噴射口や連通路を形成する必要がなくなって構造を
簡素化することができ、また、加泥ノズルの形成位置や
数を適宜設定することができる。

【００３８】請求項４の発明のトンネル掘削機によれ
ば、伸縮カッタの突出に同期して加泥ノズルから加泥剤
を噴射するので、不要な位置への加泥材の噴射をなくし
て底コスト化を図る一方で、地盤の崩落を確実に防止す
ることができる。

【００３９】請求項５の発明のトンネル掘削工法によれ
ば、トンネルを曲線掘削するとき、カッタヘッドを回転
させながら掘削機本体を前進させることで前方の地盤を
掘削する一方、曲がる方向に対して伸縮カッタを突出さ
せて側方の地盤を掘削すると共に、伸縮カッタにより余
掘した空洞部に加泥剤を噴射するようにしたので、余掘
空洞部での加泥材と土砂との混練を効果的に行い、余掘
壁面を安定させて地盤の崩落を防止することができると
共に、この加泥材と土砂との混練に行よる掘削土砂の塑
性流動化を促進し、排土を円滑に行うことができ、その
結果、トンネル掘削作業の作業性の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の
概略断面図である。

【図２】トンネル掘削機の正面図である。

【図３】加泥材噴射口が設けられたコピーカッタの概略
図である。

【図４】図３のIV−IV断面図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機に
おけるコピーカッタの概略図である。

【符号の説明】

１１ 掘削機本体 １７ カッタヘッド １８ スポーク ２０ コピーカッタ（伸縮カッタ） ２１ 油圧ジャッキ ２３ ロータリエンコーダ ２６ チャンバ ２７ スクリューコンベヤ（排土手段） ３０ シールドジャッキ（推進ジャッキ） ３１ 土圧計 ３２ 加泥材注入口 ３６ 噴射口（加泥ノズル） ３７ 連通路 ３８ 連結ホース ４０ 電磁弁 ４１ 制御装置 ５２ 加泥ノズル ５４ 連通路 ５５ 連結ホース

フロントページの続き (72)発明者 浦田 修 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 田中 大三 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AA05 AC04 AD02 BA07 BA25 BB02 DA03 GA04 GA10 GA49 GA62

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状をなして前部にチャンバを有する掘
   削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキ
   と、前記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、該カッタヘッドから外周部に出没自在
   に装着された伸縮カッタと、該伸縮カッタの先端部に設
   けられた加泥ノズルと、前記チャンバ内の土砂を排出す
   る排土手段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】 筒状をなして前部にチャンバを有する掘
   削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキ
   と、前記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、該カッタヘッドから外周部に出没自在
   に装着された伸縮カッタと、該伸縮カッタの近傍に設け
   られた加泥ノズルと、前記チャンバ内の土砂を排出する
   排土手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
3. 【請求項３】 請求項２記載のトンネル掘削機におい
   て、前記加泥ノズルは、前記カッタヘッドの外周部であ
   って前記伸縮カッタの両側部に隣接して設けられたこと
   を特徴とするトンネル掘削機。
4. 【請求項４】 請求項１記載のトンネル掘削機におい
   て、前記伸縮カッタの突出に同期して前記加泥ノズルか
   ら加泥剤が噴射されることを特徴とするトンネル掘削
   機。
5. 【請求項５】 トンネルを曲線掘削するとき、カッタヘ
   ッドを回転させながら掘削機本体を前進させることで該
   カッタヘッドにより前方の地盤を掘削する一方、曲がる
   方向に対して伸縮カッタを突出させて該伸縮カッタによ
   り側方の地盤を掘削すると共に、該伸縮カッタにより余
   掘した空洞部に加泥剤を噴射することを特徴とするトン
   ネル掘削工法。