JP2004124697A - トンネル施工方法並びにトンネル掘削機 - Google Patents

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Abstract

【課題】トンネル施工方法並びにトンネル掘削機において、掘削途中でその仕様を変更することで一基の掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能とする。
【解決手段】掘削機本体11の前部にカッタヘッド16を装着すると共に、スラストジャッキ25により推進可能とし、カッタヘッド16に掘削土砂をチャンバ26に取り込む土砂取込開口部19を形成し、スリット開閉板30によりその開口量を変更可能とすると共に、カッタヘッド16の後部に土砂かき上げ用バケット33をチャンバ26に突出可能とし、また、チャンバ26内の土砂を排出するスクリューコンベヤ28とベルトコンベヤ36とを交換可能とする。
【選択図】    図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤層、軟弱土砂層、山岳層などの多層の地盤を継続して掘削してトンネルを構築可能なトンネル施工方法並びにトンネル掘削機に関する。
【0002】
【従来の技術】
トンネル掘削機としては、一般に、岩盤層を掘削するためのトンネルボーリングマシン(TBM)、軟弱土砂層を掘削するための土圧式あるいは泥水式シールド掘削機などがあり、また、山岳層を掘削するためのNATM工法(New Austrian Tunneling Method)がある。
【0003】
トンネルを掘削する場合、事前にボーリングなどの地質調査により、掘削地盤が岩盤層、軟弱土砂層、山岳層のいずれに該当するのかを判断し、該当する掘削地盤に対応可能なトンネル掘削機を用いていた。ところが、掘削地盤に、例えば、岩盤層と軟弱土砂層が混在していることがあり、一種類のトンネル掘削機では二種類の地盤を掘削することができない。そのため、従来は、トンネル掘削作業を異なる地盤ごとに分けて計画し、対応するトンネル掘削機として、岩盤層用のトンネルボーリングマシンと、軟弱土砂層用のシールド掘削機を用いていた。
【0004】
【特許文献1】
特開平08−312289号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、トンネル掘削作業を異なる地盤ごとに分け、複数種類のトンネル掘削機を用いた場合、掘削地盤が変更するたびに立坑を形成してトンネル掘削機の搬出作業及び搬入作業を行うこととなり、作業が面倒となると共に作業コストが増加してしまい、また、作業期間が長くなってしまい、作業効率が良くないという問題がある。
【0006】
本発明はこのような問題を解決するものであって、掘削途中でその仕様を変更することで一基の掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能としたトンネル施工方法並びにトンネル掘削機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の発明のトンネル施工方法は、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【0008】
請求項2の発明のトンネル施工方法は、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【0009】
請求項3の発明のトンネル施工方法は、地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとが切換可能であり、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとが切換可能であり、周辺地盤が岩盤層であるときは、前記ディスクカッタと前記ベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、前記カッタビットと前記スクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、前記地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共に前記ベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【0010】
請求項4の発明のトンネル施工方法では、前記土砂排出手段は、前記ベルトコンベヤと前記スクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能であり、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、前記カッタビットと前記送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴としている。
【0011】
請求項5の発明のトンネル施工方法では、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うことを特徴としている。
【0012】
請求項6の発明のトンネル施工方法では、周辺地盤が前記岩盤層または前記山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が前記軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うことを特徴としている。
【0013】
請求項7の発明のトンネル施工方法では、前記直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、前記掘削機本体の前部外周側空間部にモルタルを注入し、該空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成することを特徴としている。
【0014】
請求項8の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、前記チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするものである。
【0015】
請求項9の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするものである。
【0016】
請求項10の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始することを特徴とするものである。
【0017】
また、請求項11の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、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装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段と、該土砂取込手段により前記チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記土砂取込手段及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするものである。
【0018】
この掘削地盤が岩盤層であるとき、例えば、土砂取込手段としてカッタに形成された土砂取込開口を小さくしてチャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出すると共に、土砂排出手段としてベルトコンベヤを配設することで、硬質な岩盤を細かく破砕して土砂取込開口からチャンバ内に取り込み、土砂かき上げ用バケットを用いてベルトコンベヤにより外部に排出できる。一方、掘削地盤が軟弱土砂層であるとき、土砂取込開口を大きくして土砂かき上げ用バケットを収納すると共に、スクリューコンベヤを配設することで、軟弱な地盤を掘削して土砂取込開口から大量の土砂をチャンバ内に取り込み、切羽を安定しながらスクリューコンベヤにより効率よく外部に排出できる。
【0019】
請求項12の発明のトンネル掘削機では、前記土砂取込手段は前記カッタに形成された土砂取込開口であり、前記岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能であることを特徴としている。
【0020】
請求項13の発明のトンネル掘削機では、前記土砂取込手段は前記チャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットであり、前記岩盤層の掘削時には該バケットを突出し、前記軟弱土砂層の掘削時には該バケットを格納することを特徴としている。
【0021】
請求項14の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、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装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記カッタ及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするものである。
【0022】
請求項15の発明のトンネル掘削機では、前記カッタ及びカッタ駆動装置は複数に分割して着脱自在であることを特徴としている。
【0023】
請求項16の発明のトンネル掘削機では、前記土砂排出手段は、前記岩盤層用のベルトコンベヤあるいは前記軟弱土砂層用のスクリューコンベヤであることを特徴としている。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0025】
図1に本発明の第1実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図2に第1実施形態のシールド掘削機の正面視、図3にスリット開閉板及びバケットを表す図2のIII−III断面、図4にスリット開閉板及びバケットの作動状態を表す断面、図5にモルタル押圧装置を表す図1のV−V断面、図6にモルタル押圧装置を表す図1のVI−VI断面、図7にモルタル注入装置及びモルタル押圧装置を表す要部断面、図8にモルタル注入装置及びモルタル押圧装置によるトンネル覆工方法を表す概略、図9に第1実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面、図10に第1実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面を示す。
【0026】
第1実施形態のトンネル掘削機は、図10に示すように、特に、地盤の大深度領域(40〜50m)にトンネルを施工する際に用いられるものであり、例えば、周辺の掘削地盤が軟弱土砂層から硬質な岩盤層に変化しても、地盤掘削手段や土砂排出手段などのトンネル施工の仕様を一部変更するだけで、トンネル掘削機を交換することなく、継続してトンネルを施工可能となっている。この場合、具体的には、軟弱土砂層Gを掘削可能な土圧式シールド掘削機Aを立坑TL から搬入し、この土圧式シールド掘削機Aを用いて軟弱土砂層GS を所定距離掘削し、周辺地盤が軟弱土砂層Gから岩盤層Gに変化したら、土圧式シールド掘削機Aをこの岩盤層Gを掘削可能なトンネルボーリングマシンBに仕様変更し、このトンネルボーリングマシンBを用いて岩盤層Gを継続して掘削することで、大深度用トンネルTを施工可能としている。
【0027】
即ち、第1実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機Aにおいて、図1及び図2に示すように、円筒形状をなす掘削機本体11の前部にバルクヘッド12が設けられ、このバルクヘッド12には支持部材13により回転体14が回転自在に支持されている。この回転体14には複数の連結ビーム15によりカッタヘッド16が連結されており、カッタヘッド16は掘削機本体11の外径より若干大きく形成され、前面部に岩盤をせん断破壊するディスクカッタ17や軟弱地盤を掘削可能なカッタビット18が多数装着されると共に、土砂取込開口部(土砂取込手段)19が形成されている。一方、回転体14の後部に内歯を有するリングギア20が一体に固定される一方、支持部材13に複数のカッタ旋回モータ21が固定されており、このカッタ旋回モータ21の駆動ギヤ22がリングギヤ20に噛み合っている。
【0028】
従って、カッタ旋回モータ21を駆動して駆動ギヤ22を回転駆動すると、この駆動ギヤ22が噛み合うリングギヤ20が回転し、このリングギヤ20と連結ビーム15を介して連結されたカッタヘッド16を旋回し、ディスクカッタ17やカッタビット18が地盤を掘削し、発生したずりを土砂取込開口部19から掘削機本体11の内部に取り込むことができる。
【0029】
また、掘削機本体11の後部には支持フレーム23が固定されており、この支持フレーム23は既設トンネルのほぼ中心部を後方に延出され、後端部にこの支持フレーム23を水平状態に維持する図示しないシュージャッキが装着されている。そして、掘削機本体11の後方にて、リヤグリッパ24が支持フレーム23に対して前後移動自在に設けられており、このリヤグリッパ24は、図示しないが、グリッパジャッキによって既設トンネルの壁面に圧接して位置保持する一対のグリッパシューを有している。
【0030】
そして、掘削機本体11とこのリヤグリッパ24との間には推進ジャッキとしての油圧の給排によって伸縮作動する複数本のスラストジャッキ25が架設されている。従って、各スラストジャッキ25を伸縮駆動することで、掘削機本体11とリヤグリッパ24との相対位置を変更することができ、また、左右のスラストジャッキ25の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド16を有する掘削機本体11を左右に屈曲してその掘進方向を変更することができる。
【0031】
更に、カッタヘッド16と掘削機本体11のバルクヘッド12によりチャンバ26が形成されており、このバルクヘッド12のほぼ中央部にはコンベヤ取付孔27が形成されている。そして、掘削機本体11のほぼ中央部にはスクリューコンベヤ(土砂排出手段)28が前傾状態で配設されており、コンベヤ取付孔27にスクリューコンベヤ28の前端部が装着されると共に、蓋部材29が装着されている。
【0032】
そして、前述したように、本実施形態のトンネル掘削機は、軟弱土砂層Gを掘削可能な土圧式シールド掘削機Aから、岩盤層Gを掘削可能なトンネルボーリングマシンBに仕様変更可能となっている。この場合、土圧式シールド掘削機AとトンネルボーリングマシンBとでは、取り扱う掘削土砂が異なるため、地盤掘削手段として、カッタヘッド16に形成された土砂取込開口部19の開口量を変更可能であると共に、土砂排出手段として、チャンバ26内に取り込まれた土砂をかき上げるバケットを出没自在としている。
【0033】
即ち、カッタヘッド16にて、図1乃至図3に示すように、放射状に配設されたカッタスポーク16aの中央部には複数のディスクカッタ17が列設され、その両側には複数のカッタビット18が列設されており、このカッタスポーク16aと面板16bとの間にスリット形状をなす土砂取込開口部19が形成されている。そして、この土砂取込開口部19の面板16bにスリット開閉板30が支持軸31により回動自在に装着されると共に、開閉ジャッキ32により回動可能となっている。また、カッタヘッド16における面板16bの後部には土砂かき上げ用バケット33が支持軸34により回動自在に装着されると共に、出没ジャッキ35により出没可能となっている。
【0034】
従って、軟弱土砂層Gを掘削する土圧式シールド掘削機Aの仕様では、図3に示すように、開閉ジャッキ32によりスリット開閉板30を後方に回動して土砂取込開口部19の開口量(開口幅)を拡大すると共に、出没ジャッキ35によりバケット33を前方に回動して格納する。一方、岩盤層Gを掘削するトンネルボーリングマシンBの仕様では、図4に示すように、開閉ジャッキ32によりスリット開閉板30を前方に回動して土砂取込開口部19の開口量(開口幅)を減少すると共に、出没ジャッキ35によりバケット33を後方に回動してチャンバ26に突出する。
【0035】
また、土圧式シールド掘削機Aの仕様に対応して、掘削機本体11内に軟弱土砂層Gを掘削して発生した土砂を排出可能なスクリューコンベヤ28が装着されているが、トンネルボーリングマシンBの仕様に対応するように、スクリューコンベヤ28に代えてベルトコンベヤ36(図9参照)を装着可能となっている。即ち、図1及び図9に示すように、掘削機本体11からスクリューコンベヤ28を後方に取り外して解体すると共に、バルクヘッド12から前述した蓋部材29を取り外す。そして、掘削機本体11内にベルトコンベヤ36を搬入して所定の位置に配設し、その前端部をコンベヤ取付孔27を通してチャンバ26内に挿入して固定し、ここにホッパ37を装着可能としている。
【0036】
更に、図1に示すように、この土圧式シールド掘削機A並びにトンネルボーリングマシンBは、トンネル覆工手段として、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うためのモルタル注入装置41及びモルタル押圧装置42を有している。
【0037】
図1、図5乃至図7に示すように、カッタヘッド16は外径が掘削機本体11の外径よりも若干大きく形成されており、掘削機本体11の前端部にカッタヘッド16の後部に近接して、掘削機本体11と掘削壁面Gとの空間部Sにモルタルを注入するモルタル注入装置41が設けられると共に、この空間部Sに注入されたモルタルを掘削壁面G側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置42が設けられている。また、掘削機本体11の前端部には、この空間部Sに注入されたモルタルが前方のカッタヘッド16側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板43が設けられると共に、空間部Sに注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板44が設けられている。
【0038】
即ち、掘削機本体11の前外周部には周方向に沿って凹部45が形成されており、この凹部45内には三角形断面をなして前後方向に沿う仕切り壁46が周方向に均等間隔で複数形成されている。そして、各仕切り壁46で区画された凹部45には箱型形状をなす可動プレート47が掘削機本体11の径方向に沿って移動自在に装着されている。この凹部45には複数の移動ジャッキ48が装着されており、各移動ジャッキ48の駆動ロッド49の先端部がそれぞれ可動プレート47に連結されている。この場合、可動プレート47及び移動ジャッキ48等によりモルタル押圧装置42が構成される。
【0039】
また、この複数の可動プレート47のうちのいくつかにモルタル注入管50が装着されており、このモルタル注入管50は基端部に注入ホース51を介して掘削機本体11に搭載された図示しないモルタル供給装置が連結される一方、先端の吐出口が前述した空間部Sに開口している。この場合、モルタル注入管50、注入ホース51、モルタル供給装置等によりモルタル注入装置41が構成される。
【0040】
更に、凹部45の前端部にはエアチューブ式の前部遮蔽板43が周方向に沿うと共に、前方に傾斜して配設されており、この前部遮蔽板43にはエア給排管52を介して図示しないコンプレッサが連結されている。一方、凹部45の後端部には平板形状をなす複数の後部遮蔽板44が互いに重なり合って周方向に沿ってリング状に配設されており、複数の油圧ジャッキ53により空間部Sに移動可能となっている。
【0041】
従って、コンプレッサによりエア給排管52を通して前部遮蔽板43にエアを供給すると、この前部遮蔽板43が外方に膨出して外周部が掘削壁面Gに当接することで、空間部Sの前方側を遮断することができる。また、複数の油圧ジャッキ53を伸長駆動すると、各後部遮蔽板44が互いに重なり合ったまま外方に移動し、外周部が掘削壁面Gに当接することで、空間部Sの後方側を遮断することができる。この状態でモルタル注入装置41によりモルタルを注入ホース51を通して供給することで、各モルタル注入管50の吐出口から空間部Sにモルタルを注入することができる。そして、空間部Sに所定量のモルタルが注入されると、モルタル押圧装置42により移動ジャッキ48を伸長駆動して各可動プレート47を外方に移動すると、各可動プレート47の外周面により空間部Sに注入されたモルタルを掘削壁面G側に押圧することで、このモルタルを締め固めることができると共に、掘削機本体11の外周面とモルタルの内周面との間に、掘削機推進のための隙間を形成することができる。
【0042】
また、図1に示すように、掘削機本体11の後端部には旋回リング54が駆動旋回自在に支持され、この旋回リング54にモルタルの打設によって形成されたモルタル覆工部材Mの内壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置55が装着されると共に、このモルタル覆工部材Mの外周面にH形鋼等の支保工(またはセグメント)Hをリング状に組立てるエレクタ装置56が装着されている。
【0043】
ここで、上述した本実施形態のトンネル掘削機(土圧式シールド掘削機A並びにトンネルボーリングマシンB)を用いた大深度地盤におけるトンネル施工作業について説明する。
【0044】
図10に示すように、事前の土質調査により掘削を開始する周辺地盤が軟弱土砂層Gであると判定された場合、トンネル掘削機を土圧式シールド掘削機Aの仕様に変更する。つまり、図1乃至図3に示すように、作業者は機内からの各種機器を遠隔操作し、開閉ジャッキ32によりスリット開閉板30を後方に回動して土砂取込開口部19を拡大すると共に、出没ジャッキ35によりバケット33を前方に回動して格納し、また、掘削機本体11内にスクリューコンベヤ28を装着する。そして、軟弱土砂層Gを掘削可能に変更された土圧式シールド掘削機Aを立坑Tから搬入する。
【0045】
この土圧式シールド掘削機Aにて、図1に示すように、リヤグリッパ24を立坑T内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ21によってカッタヘッド16を回転駆動しながら、各スラストジャッキ25を伸長し、リヤグリッパ24を介して掘削反力を得て掘削機本体11を前進させる。すると、カッタヘッド16が立坑Tの縦壁及び前方の軟弱土砂層Gを掘削し、掘削機本体11よりも若干大きい径のトンネルを形成する。
【0046】
そして、各スラストジャッキ25を所定のストロークだけ伸長してカッタヘッド16が所定長さのトンネルを掘削すると、リヤグリッパ24による位置保持を解除して各スラストジャッキ25を収縮し、掘削機本体11に対してリヤグリッパ24を前方に引き寄せる。そして、リヤグリッパ24を既設トンネルの内壁面に位置保持し、カッタヘッド16を回転駆動しながらスラストジャッキ25を伸長し、掘削機本体11を前進してカッタヘッド16により前方の地盤を掘削する。一方、カッタヘッド16によって掘削された土砂は大きく開口した土砂取込開口部19を通してチャンバ26内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ26に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ28によって外部に排出する。
【0047】
また、このカッタヘッド16による地盤掘削時に、その直後では、掘削機本体11の外周側空間部Sにモルタルを注入して締め固めることで、モルタル覆工を行っている。即ち、図8(a)に示すように、まず、エア給排管52を通して前部遮蔽板43にエアを供給して膨張させることで、外周部を掘削壁面Gに当接して空間部Sの前方を遮断する。一方、複数の油圧ジャッキ53を伸長して後部遮蔽板44を外方に移動することで、外周部を掘削壁面Gに当接して空間部Sの後方を遮断する。そして、モルタル注入装置41によりモルタル注入管50の先端部から空間部Sにモルタルを所定量注入する。次に、図8(b)に示すように、モルタル押圧装置42の移動ジャッキ48を伸長して各可動プレート47を外方に移動することで、この可動プレート47の外周面が空間部Sのモルタルを掘削壁面G側に押圧する。すると、この空間部Sのモルタルは掘削壁面G側で早期に締め固められ、モルタル覆工部材Mが形成される。
【0048】
そして、空間部Sでモルタルが固化して掘削壁面G側にリング状をなすモルタル覆工部材Mが形成されると、各移動ジャッキ48を収縮して可動プレート47を掘削機本体11側に戻し、凹部45内に収納する。また、前部遮蔽板43内のエアを排出して掘削機本体11側に戻すと共に、各油圧ジャッキ52を収縮して後部遮蔽板44を掘削機本体11側に戻す。すると、可動プレート47がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体11の外周面とモルタル覆工部材Mの内周面との間に隙間が形成される。そのため、掘削機本体11は固化したモルタル覆工部材Mと接触することなくスムースに推進することができる。
【0049】
その後、掘削機本体11が所定距離掘進したら、前述と同様に、前部遮蔽板43を移動して空間部Sの前方を遮断した状態で、モルタル注入装置41のモルタル注入管50から空間部Sにモルタルを所定量注入した後、モルタル押圧装置42の可動プレート43を外方に移動し、空間部Sのモルタルを掘削壁面G側に押圧することで、掘削壁面G側にモルタルを締め固めてモルタル覆工部材Mを形成する。この場合、空間部Sの後方には、既にモルタル覆工部材Mが形成されているため、後部遮蔽板44により空間部Sの後方を遮断する必要はない。
【0050】
上述した作業の繰り返しにより軟弱土砂層Gに所定長さのトンネルTが構築され、土圧式シールド掘削機Aが軟弱土砂層Gから岩盤層Gに至ると、土圧式シールド掘削機AをトンネルボーリングマシンBの仕様に変更する。つまり、図4、図9に示すように、作業者は機内からの各種機器を遠隔操作し、開閉ジャッキ32によりスリット開閉板30を前方に回動して土砂取込開口部19の開口量を減少すると共に、出没ジャッキ35によりバケット33を後方に回動してチャンバ26内に突出し、また、掘削機本体11内のスクリューコンベヤ28を解体して搬出する一方、ベルトコンベヤ36の機材を搬入して組み立てることで土砂排出方法を変更する。この場合、開閉ジャッキ32と油圧ジャッキ35の作動は図示しないコントローラにより自動化されており、切替スイッチを操作することで、スリット開閉板30及びバケット33の自動的に所望の位置に移動することができる。
【0051】
そして、このトンネルボーリングマシンBにて、図9に示すように、前述と同様に、リヤグリッパ24を既設トンネルの壁面に圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ21によってカッタヘッド16を回転駆動しながら、各スラストジャッキ25を伸長して掘削機本体11を前進させ、カッタヘッド16が前方の岩盤層Gを掘削してトンネルを形成する。
【0052】
このとき、カッタヘッド16によって破砕された大きな岩石は小さい土砂取込開口部19を通ることができず、小さく破砕されてからこの土砂取込開口部19を通してチャンバ26内に取り込まれる。そして、掘削土砂は直接ホッパ37に入るか、また、カッタヘッド16と共に回転するバケット33により上方にかき上げられてからホッパ37に入り、ベルトコンベヤ36によって外部に排出する。なお、このトンネルボーリングマシンBによる岩盤層Gのトンネル掘削時であっても、カッタヘッド16が掘削した直後で、掘削機本体11の外周側空間部Sにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。この作業の繰り返しにより土圧式シールド掘削機AからトンネルボーリングマシンBに仕様を変更するだけで、軟弱土砂層Gと岩盤層GとにわたってトンネルTを連続して構築することができる。
【0053】
なお、上述した実施形態では、土圧式シールド掘削機Aによる軟弱土砂層Gのトンネル掘削時と、トンネルボーリングマシンBによる岩盤層Gのトンネル掘削時の両方トンネル施工作業で、モルタル覆工部材Mを形成し、吹付装置55によりこのモルタル覆工部材Mの内壁面にセメントを吹き付けて塗装し、エレクタ装置56によりその外周面に支保工Hをリング状に組立てている。しかし、トンネルボーリングマシンBによる岩盤層Gのトンネル掘削時にて、この岩盤層Gに崩落の危険がないときには、モルタル覆工をやめて、吹付装置55による掘削壁面Gへのセメント吹き付け塗装と、エレクタ装置56による支保工Hの組立だけのトンネル覆工処理としても良い。
【0054】
このように第1実施形態のトンネル施工方法にあっては、周辺地盤の土質に応じて、カッタヘッド16に搭載された土砂取込開口部19やスリット開閉板30からなる地盤掘削手段、土砂かき上げ用バケット33やスクリューコンベヤ28またはベルトコンベヤ36からなる土砂排出手段を切換え可能とし、一基のトンネル掘削機により継続してトンネルを施工するようにしている。
【0055】
従って、掘削地盤が軟弱土砂層Gと岩盤層Gとの間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層Gに対応した土圧式シールド掘削機Aと、岩盤層Gに対応したトンネルボーリングマシンBと間で仕様変更することで、軟弱土砂層Gと岩盤層Gとを継続して掘削し、トンネルTを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を継続して施工可能となり、トンネル施工作業の作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0056】
また、第1実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体11の前部にカッタヘッド16を装着すると共に、スラストジャッキ25により推進可能とし、カッタヘッド16に掘削土砂をチャンバ26に取り込む土砂取込開口部19を形成し、スリット開閉板30によりその開口量を変更可能とすると共に、カッタヘッド16の後部に土砂かき上げ用バケット33をチャンバ26に突出可能とし、また、チャンバ26内の土砂を排出するスクリューコンベヤ28とベルトコンベヤ36とを交換可能としている。
【0057】
従って、土圧式シールド掘削機Aが軟弱土砂層Gを掘削するとき、土砂取込開口部19を大きくして土砂かき上げ用バケット33を収納することで、軟弱な掘削土砂が土砂取込開口19から大量にチャンバ26に取り込まれることとなり、切羽を安定させながらスクリューコンベヤ28により掘削土砂を効率よく外部に排出できる。一方、トンネルボーリングマシンBが岩盤層Gを掘削するとき、土砂取込開口部19を小さくしてチャンバ26に土砂かき上げ用バケット33を突出することで、硬質な岩盤が細かく破砕されてから土砂取込開口19を通してチャンバ26に取り込まれることとなり、バケット33を用いて掘削土砂を効率よくベルトコンベヤに送給して外部に排出できる。
【0058】
更に、開閉ジャッキ32によりスリット開閉板30を開閉可能とし、油圧ジャッキ35によりバケット33を回動可能としており、切換スイッチを操作することで、スリット開閉板30及びバケット33の自動的に所望の位置に移動することができ、トンネル掘削機の仕様変更を短時間で行うことができる。
【0059】
また、第1実施形態のトンネル掘削機にあっては、トンネル覆工手段として、掘削機本体11の前部に、掘削機本体11と掘削壁面Gとの空間部Sにモルタルを注入するモルタル注入装置41を設けると共に、この空間部Sに注入されたモルタルを掘削壁面G側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置42を設けている。
【0060】
従って、カッタヘッド16が地盤を掘削すると、その直後の空間部Sにモルタル注入装置41によりモルタルを所定量注入し、モルタル押圧装置42の可動プレート43によりこのモルタルを掘削壁面G側に押圧するため、このモルタルが掘削壁面G側で早期に締め固められてモルタル覆工が実施されることとなり、トンネルの掘削壁面Gが不安定であっても、掘削直後にモルタル覆工するため、この掘削壁面から地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができる。
【0061】
また、掘削直後に空間部Sにモルタルを注入して可動プレート47を外方に移動して締め固めるため、可動プレート47がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体11とモルタル覆工部材Mとの間に隙間が形成されることとなり、大深度の地盤や硬質の岩盤などを掘削後に地盤が締まることはなく、掘削機本体11を固化したモルタル覆工部材Mと接触することなくスムースに推進させることができ、トンネル施工作業の作業性を向上することができる。
【0062】
また、掘削機本体11と掘削壁面Gとの空間部Sの前後に遮蔽板43,44を設けており、空間部Sへ注入したモルタルがカッタヘッド16や掘削機本体11内に流動することはなく、モルタルの漏洩により掘削作業が支障を来すことはなく、適正に掘削直後の掘削壁面Gにモルタル覆工を施工することができる。更に、モルタル押圧装置42を可動プレート47と移動ジャッキ48により構成しており、所定の押圧力でモルタルを周方向均等に締め固めることができ、覆工作業精度を向上することができる。
【0063】
なお、上述の実施形態では、大深度領域にて、掘削地盤が軟弱土砂層GSから岩盤層Gに変化したときに、土圧式シールド掘削機AからトンネルボーリングマシンBに変更してトンネル掘削作業を継続して行うことで、大深度用トンネルTを掘削したが、掘削領域は大深度領域に限定されるものではなく、また、掘削地盤が岩盤層Gから軟弱土砂層Gに変化したときに、トンネルボーリングマシンBから土圧式シールド掘削機Aに変更してトンネル掘削作業を継続して行うこともできる。
【0064】
図11に本発明の第2実施形態に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面、図12に第2実施形態のトンネルボーリングマシンの正面視、図13に第2実施形態のトンネル掘削機としての手掘り式トンネル掘削機の概略断面、図14に第2実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図15に第2実施形態の土圧式シールド掘削機の正面視、図16に第2実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面を示す。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。
【0065】
第2実施形態のトンネル掘削機は、図16に示すように、例えば、周辺掘削地盤が岩盤層から山岳層や軟弱土砂層に変化しても、地盤掘削手段や土砂排出手段やトンネル覆工手段などのトンネル施工の仕様を一部変更するだけで、一基のトンネル掘削機により継続してトンネル施工を可能としている。この場合、具体的には、岩盤層Gを掘削可能なトンネルボーリングマシンCを立坑Tから搬入し、この岩盤層Gを所定距離掘削すると、トンネルボーリングマシンCから山岳層Gを掘削可能な手掘り式トンネル掘削機Dに仕様変更してこの山岳層Gを継続して掘削し、続いて、手掘り式トンネル掘削機Dから軟弱土砂層Gを掘削可能な土圧式シールド掘削機Eに仕様変更してこの軟弱土砂層Gを継続して掘削可能としている。
【0066】
即ち、第2実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンCは、図11及び図12に示すように、掘削機本体11の前部に設けられたカッタヘッド61及びカッタ駆動部62を分割して着脱自在としている。このカッタヘッド61は岩盤層Gを掘削するためのものであり、中央部61aと4つの内周部61bと6つの外周部61cが図示しない連結ボルトにより円盤形状に連結されて構成され、後部に複数のかき上げ板63が形成され、このかき上げ板63に回転体64を介してリングギヤ65が取付けられている。そして、この回転体64及びリングギヤ65はリング形状をなすと共に、周方向にてほぼ均等間隔で分割可能となっている。
【0067】
一方、カッタ駆動部62にて、掘削機本体11の内周部に固定された支持フランジ66には支持部材67が取付けられており、この支持部材67はリング形状をなすと共に、周方向にてほぼ均等間隔で分割されて構成されている。そして、この支持部材67に回転体64が回転自在に支持され、複数のカッタ旋回モータ21により駆動回転可能となっている。なお、カッタヘッド61の前面部には多数のディスクカッタ68、スクレーパ69、マイクロ波発振器70が装着されている。
【0068】
そして、本実施形態のトンネル掘削機は、岩盤層Gを掘削可能なトンネルボーリングマシンCから、山岳層Gを掘削可能な手掘り式トンネル掘削機Dに、また、軟弱土砂層Gを掘削可能な土圧式シールド掘削機Eに変更可能となっている。この場合、トンネルボーリングマシンCと手掘り式トンネル掘削機Dと土圧式シールド掘削機Eとでは掘削土砂が異なるため、カッタヘッド61及びベルトコンベヤ36が取り外して交換可能となっている。
【0069】
即ち、トンネルボーリングマシンCのカッタヘッド61を中央部61aと内周部61bと外周部61cとに分割して取り外すと共に、回転体64及びリングギヤ65を分割して取り外した後、カッタ駆動部62も分割して掘削機本体11から取り外す。すると、図13に示すように、掘削機本体11の前端部からカッタヘッド61及びカッタ駆動部62が取り外されて開放空間部が形成される。また、別のベルトコンベヤ71を装着することで、トンネルボーリングマシンCを手掘り式トンネル掘削機Dの仕様に変更することができる。
【0070】
また、土圧式シールド掘削機Eにて、図14及び図15に示すように、掘削機本体11にスクリューコンベヤ28を装着すると共に、バルクヘッド12に蓋部材29を取付け、掘削機本体11の前端部に軟弱土砂層Gを掘削するためのカッタヘッド72が着脱自在に装着されている。このカッタヘッド72は中心部72aから複数のカッタスポーク72bが放射状に配設されて外周リング72cが取付けられてなり、カッタスポーク72bに多数の先行ビット73とカッタビット74とコピーカッタ75が取付けられている。このカッタヘッド72は、中心部72aとカッタスポーク72bと外周リング72cが分割して着脱自在であり、後部に連結ビーム15を介して回転体64、リングギヤ65が取付けられている。
【0071】
なお、カッタヘッド61,72の外径は掘削機本体11の外径よりも若干大きく形成されており、前述の実施形態と同様に、掘削機本体11の前端部に掘削機本体11と掘削壁面Gとの空間部Sにモルタルを注入するモルタル注入装置41と、この空間部Sに注入されたモルタルを掘削壁面G側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置42と、この空間部Sに注入されたモルタルが前方のカッタヘッド16側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板43と、空間部Sに注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板44とが設けられている。
【0072】
ここで、上述した本実施形態のトンネル掘削機(トンネルボーリングマシンC、手掘り式トンネル掘削機D、土圧式シールド掘削機E)を用いたトンネル施工作業について説明する。
【0073】
図16に示すように、事前の土質調査により掘削する地盤が岩盤層G、山岳層G、軟弱土砂層Gと変化すると判定された場合、まず、トンネル掘削機をトンネルボーリングマシンCの仕様に変更し、立坑Tから搬入する。そして、図11に示すように、トンネルボーリングマシンCにて、リヤグリッパ24を立坑T内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ21によってカッタヘッド61を回転駆動しながら、各スラストジャッキ25を伸長することで掘削機本体11を前進させる。すると、カッタヘッド61が立坑Tの縦壁及び前方の岩盤層Gを掘削してトンネルを形成する。
【0074】
このとき、カッタヘッド61によって破砕された土砂はチャンバ26内に取り込まれて直接ホッパ37に入るか、また、カッタヘッド61と共に回転するかき上げ板63により上方にかき上げられてからホッパ37に入り、ベルトコンベヤ36によって外部に排出される。なお、このトンネルボーリングマシンCによる岩盤層G のトンネル掘削時には、カッタヘッド61が掘削時した直後で、掘削機本体11の外周側空間部Sにモルタルを注入して締め固めることで、モルタル覆工部材Mを形成する。
【0075】
上述した作業の繰り返しによりトンネルボーリングマシンCが岩盤層Gから山岳層Gに至ると、トンネルボーリングマシンCを手掘り式トンネル掘削機Dの仕様に変更する。つまり、トンネルボーリングマシンCのカッタヘッド61を分割して取り外して回転体64及びリングギヤ65を分割して取り外した後、カッタ駆動部62を分割して掘削機本体11から取り外す。そして、掘削機本体11内にベルトコンベヤ71を装着することで、手掘り式トンネル掘削機Dの仕様に変更する。
【0076】
そして、この手掘り式トンネル掘削機Dにて、図13に示すように、図示しない走行式の掘削機によりNATM工法(ロックボルトと吹付コンクリート)を用いて山岳層Gを掘削してトンネルを形成する。掘削土砂はベルトコンベヤ71によって外部に排出される。
【0077】
上述した作業の繰り返しにより手掘り式トンネル掘削機Dが山岳層Gから軟弱土砂層Gに至ると、手掘り式トンネル掘削機Dを土圧式シールド掘削機Eの仕様に変更する。つまり、図14に示すように、掘削機本体11の前端部にカッタヘッド72を装着すると共に、スクリューコンベヤ28を装着することで、土圧式シールド掘削機Eの仕様に変更する。
【0078】
そして、土圧式シールド掘削機Eにて、リヤグリッパ24により位置保持した状態で、カッタ旋回モータ21によってカッタヘッド72を回転駆動しながら、各スラストジャッキ25を伸長することで掘削機本体11を前進させる。すると、カッタヘッド72が前方の軟弱土砂層Gを掘削してトンネルを形成する。このとき、カッタヘッド72によって掘削された土砂はチャンバ26内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ26に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ28によって外部に排出する。この作業の繰り返しによりトンネルボーリングマシンCから手掘り式トンネル掘削機D、土圧式シールド掘削機Eに仕様を変更するだけで、岩盤層Gと山岳層Gと軟弱土砂層Gとにわたってトンネルを連続して構築できる。
【0079】
なお、上述した実施形態では、トンネルボーリングマシンCによる岩盤層Gのトンネル掘削時と、手掘り式トンネル掘削機Dによる山岳層Gのトンネル掘削時と、土圧式シールド掘削機Eによる軟弱土砂層Gのトンネル掘削時の各トンネル施工作業で、モルタル覆工部材Mを形成し、吹付装置55によりこのモルタル覆工部材Mの内壁面にセメントを吹き付けて塗装し、エレクタ装置56によりその外周面に支保工Hをリング状に組立てている。しかし、トンネルボーリングマシンCによる岩盤層GRのトンネル掘削時や手掘り式トンネル掘削機Dによる山岳層Gのトンネル掘削時にて、この岩盤層Gに崩落の危険がないときには、モルタル覆工をやめて、吹付装置55による掘削壁面Gへのセメント吹き付け塗装と、エレクタ装置56による支保工Hの組立だけのトンネル覆工処理としても良い。
【0080】
このように第2実施形態のトンネル施工方法にあっては、周辺地盤の土質に応じて、カッタヘッド61,72からなる地盤掘削手段、スクリューコンベヤ28またはベルトコンベヤ36からなる土砂排出手段を切換え可能とし、一基のトンネル掘削機により継続してトンネルを施工するようにしている。
【0081】
従って、掘削地盤が岩盤層Gと山岳層Gと軟弱土砂層Gとの間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を岩盤層Gに対応したトンネルボーリングマシンCと、山岳層Gに対応した手掘り式トンネル掘削機Dと、軟弱土砂層Gに対応した土圧式シールド掘削機Eとの間で変更することができ、岩盤層Gと山岳層Gと軟弱土砂層Gとにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0082】
また、カッタヘッド61,72及びカッタ駆動部62を分割して着脱自在としたことで、掘削機本体11に対する取付及び取り外しが容易となる。この場合、カッタヘッド61,72及びカッタ駆動部62を分割してから掘削機本体11の後方に取り外し可能としており、狭い作業空間であってもカッタヘッド61,72の交換作業を短時間で容易に行うことができる。
【0083】
なお、上述の実施形態では、掘削地盤が岩盤層Gから山岳層Gや軟弱土砂層Gに変化したときに、トンネルボーリングマシンCを手掘り式トンネル掘削機Dや土圧式シールド掘削機Eに変更してトンネル掘削作業を継続して行うようにしたが、掘削地盤が変化する順序はこれに限定されるものではなく、岩盤層Gと山岳層Gと軟弱土砂層Gとの間でどのように変化しても、トンネル掘削機をトンネルボーリングマシンCと手掘り式トンネル掘削機Dと土圧式シールド掘削機Eとの間で容易に変更することができる。
【0084】
また、上述の各実施形態では、モルタル押圧装置42を複数分割した可動プレート47と移動ジャッキ48等により構成したが、この構造に限定されるものではなく、複数の可動プレート47の外側にゴムリングや湾曲した押圧プレートを装着してもよい。
【0085】
上述した各実施形態にて、掘削地盤の土質(岩盤層G、山岳層G、軟弱土砂層G)に対応して、トンネル掘削機の仕様、つまり、地盤掘削手段、土砂排出手段、覆工部材を切換えるようにしたが、これらの組み合わせは各実施形態に限定されるものではなく、以下の表1に示すように切換えることができる。
【0086】
【表1】
Figure 2004124697
【0087】
この表1に示すように、トンネル掘削機は、掘削地盤が土砂である土砂用トンネル掘削機と、掘削地盤が岩盤である岩盤用トンネル掘削機との間で仕様変更が可能である。そして、土砂用トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいた切羽が十分な硬さを有しているかどうかにより、密閉型トンネル掘削機(シールド掘削機)と開放型トンネル掘削機(手掘り式トンネル掘削機)との間で切換可能である。更に、密閉型トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいて土圧式シールド掘削機と泥水式シールド掘削機との間で切換可能である。一方、岩盤用トンネル掘削機も同様に、土砂の粒径や水分量などに基づいた切羽が十分な硬さを有しているかどうかにより、密閉型トンネル掘削機(トンネルボーリングマシン、シールド掘削機)と開放型トンネル掘削機(手掘り式トンネル掘削機)との間で切換可能である。更に、密閉型トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいて土圧式シールド掘削機と泥水式シールド掘削機との間で切換可能である。
【0088】
この場合、土砂用トンネル掘削機は、地盤掘削手段がカッタビットを有するカッタヘッド、土砂排出手段がスクリューコンベアであり、岩盤用トンネル掘削機は、地盤掘削手段がディスクカッタを有するカッタヘッド、土砂排出手段がベルトコンベヤである。但し、水分量等により地盤掘削手段をカッタビット及びディスクカッタを有するカッタヘッドとしてもよい。また、泥水式トンネル掘削機は、土砂排出手段が送水管及び排泥管である。
【0089】
また、支保方式において、掘削地盤の土質に応じて、HDL(掘削直後の直打ちライニング)、TDL(掘削後方での直打ちライニング)、プレスリング(軟弱地盤での反力受け装置)、RB(ロックボルト)、コンクリート吹き付け、アーチライナー(セグメント)、鋼製支保(H鋼)等を組み合わせて用いることができる。
【0090】
【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の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削機に仕様変更することで、トンネルを継続して構築することができ、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0091】
請求項2の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削機に仕様変更することで、トンネルを継続して構築することができ、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0092】
請求項3の発明のトンネル施工方法によれば、地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとを切換可能とし、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとを切換可能とし、周辺地盤が岩盤層であるときは、ディスクカッタとベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、カッタビットとスクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共にベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、周辺地盤の土質に応じてディスクカッタとカッタビット、ベルトコンベヤとスクリューコンベヤとの間で切換えることで、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することができる。
【0093】
請求項4の発明のトンネル施工方法によれば、土砂排出手段を、ベルトコンベヤとスクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能とし、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、カッタビットと送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、周辺地盤の含水量に応じた土砂排出手段とすることで、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することができる。
【0094】
請求項5の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うようにしたので、掘削直後に直打ちライニングして覆工するため、この掘削壁面から地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができる。
【0095】
請求項6の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤が岩盤層または山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した覆工を行うことで、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0096】
請求項7の発明のトンネル施工方法によれば、直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、掘削機本体の外周側空間部にモルタルを注入し、この空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成するようにしたので、掘削直後の空間部にモルタルを注入して掘削壁面側に押圧するため、トンネルの掘削壁面が不安定であっても、地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができると共に、掘削機とモルタル覆工部材との間の隙間により掘削機本体をスムースに推進させることができ、トンネル施工作業の作業性を向上することができる。
【0097】
請求項8の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した土砂取込方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0098】
請求項9の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削方法及び土砂排出方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0099】
請求項10の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0100】
また、請求項11の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部にカッタを装着して推進ジャッキにより前進可能とし、カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段を設けると共に、チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを設け、掘削地盤の土質に応じて土砂取込手段及び土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたので、掘削地盤が軟弱土砂層と岩盤層との間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層に対応した土圧式シールド掘削機や岩盤層に対応したトンネルボーリングマシンと間で変更することができ、軟弱土砂層と岩盤層とにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0101】
請求項12の発明のトンネル掘削機によれば、土砂取込手段をカッタに形成された土砂取込開口とし、岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能としたので、岩盤層の掘削時には、土砂取込開口量を小さくして細かく破砕された土砂のみチャンバに取り込んで排出するため、土砂排出手段の閉塞を防止して土砂排出作業を円滑に行うことができる一方、軟弱土砂層の掘削時には、土砂取込開口量を大きくして掘削土砂をチャンバに充満させるため、切羽を安定させながら掘削土砂を効率よく外部に排出することができる。
【0102】
請求項13の発明のトンネル掘削機によれば、土砂取込手段をチャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットとし、岩盤層の掘削時にはバケットを突出し、軟弱土砂層の掘削時にはバケットを格納するので、岩盤層の掘削時には、突出したバケットによりチャンバ内の土砂を確実に土砂排出手段に供給することで、掘削土砂を確実に外部に排出することができる一方、軟弱土砂層の掘削時には、バケットが格納することで、掘削土砂がチャンバで十分に充満するため、バケットが邪魔にならずに掘削土砂を効率よく外部に排出することができる。
【0103】
請求項14の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部にカッタを装着して推進ジャッキにより前進可能とし、カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段を設け、掘削地盤の土質に応じてカッタ及び土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたので、掘削地盤が岩盤層と山岳層と軟弱土砂層との間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層に対応したトンネル掘削機に変更することができ、岩盤層と山岳層と軟弱土砂層とにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【0104】
請求項15の発明のトンネル掘削機によれば、カッタ及びカッタ駆動装置を複数に分割して着脱自在としたので、掘削機本体に対する取付及び取り外しを容易に行うことができると共に、カッタ及びカッタ駆動装置を分割してから掘削機本体の後方に取り外し可能となり、狭い作業空間であってもカッタの交換作業を短時間で容易に行うことができる。
【0105】
請求項16の発明のトンネル掘削機によれば、土砂排出手段を、岩盤層用のベルトコンベヤあるいは軟弱土砂層用のスクリューコンベヤとしたので、掘削土砂の土質に最適な土砂排出手段を選択することで、掘削土砂の排出作業を効率よく且つ円滑に行うことができる。
【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としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図2】第1実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図3】スリット開閉板及びバケットを表す図2のIII−III断面図である。
【図4】スリット開閉板及びバケットの作動状態を表す断面図である。
【図5】モルタル押圧装置を表す図1のV−V断面図である。
【図6】モルタル押圧装置を表す図1のVI−VI断面図である。
【図7】モルタル注入装置及びモルタル押圧装置を表す要部断面図である。
【図8】モルタル注入装置及びモルタル押圧装置によるトンネル覆工方法を表す概略図である。
【図9】第1実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面図である。
【図10】第1実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面図である。
【図11】本発明の第2実施形態に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面図である。
【図12】第2実施形態のトンネルボーリングマシンの正面図である。
【図13】第2実施形態のトンネル掘削機としての手掘り式トンネル掘削機の概略断面図である。
【図14】第2実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図15】第2実施形態の土圧式シールド掘削機の正面図である。
【図16】第2実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面図である。
【符号の説明】
11 掘削機本体
16,61,72 カッタヘッド(地盤掘削手段)
19 土砂取込開口部(地盤掘削手段、土砂取込手段)
21 カッタ旋回モータ
24 リヤグリッパ
25 スラストジャッキ(推進ジャッキ)
26 チャンバ
28 スクリューコンベヤ(土砂排出手段)
30 スリット開閉板(地盤掘削手段)
32 開閉ジャッキ
33 土砂かき上げ用バケット(土砂取込手段)
35 出没ジャッキ
36,71 ベルトコンベヤ(土砂取込手段)
41 モルタル注入装置
42 モルタル押圧装置
43 前部遮蔽板
44 後部遮蔽板
55 吹付装置
56 エレクタ装置
62 カッタ駆動部
A,E 土圧式シールド掘削機(トンネル掘削機)
B,C トンネルボーリングマシン、TBM(トンネル掘削機)
D 手掘り式トンネル掘削機
G 掘削壁面
S 空間部
M モルタル覆工部材
H 支保工
 軟弱土砂層
 岩盤層
 立坑
 山岳層
 大深度用トンネル

Claims (16)

  1. 周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
  2. 周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
  3. 地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとが切換可能であり、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとが切換可能であり、周辺地盤が岩盤層であるときは、前記ディスクカッタと前記ベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、前記カッタビットと前記スクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、前記地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共に前記ベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
  4. 請求項3記載のトンネル施工方法において、前記土砂排出手段は、前記ベルトコンベヤと前記スクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能であり、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、前記カッタビットと前記送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
  5. 請求項3記載のトンネル施工方法において、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うことを特徴とするトンネル施工方法。
  6. 請求項3記載のトンネル施工方法において、周辺地盤が前記岩盤層または前記山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が前記軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うことを特徴とするトンネル施工方法。
  7. 請求項4または5または6記載のトンネル施工方法において、前記直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、前記掘削機本体の前部外周側空間部にモルタルを注入し、該空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成することを特徴とするトンネル施工方法。
  8. トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、前記チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
  9. トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
  10. トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
  11. 筒形状をなす掘削機本体と、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装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段と、該土砂取込手段により前記チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記土砂取込手段及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
  12. 請求項11記載のトンネル掘削機において、前記土砂取込手段は前記カッタに形成された土砂取込開口であり、前記岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能であることを特徴とするトンネル掘削機。
  13. 請求項11記載のトンネル掘削機において、前記土砂取込手段は前記チャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットであり、前記岩盤層の掘削時には該バケットを突出し、前記軟弱土砂層の掘削時には該バケットを格納することを特徴とするトンネル掘削機。
  14. 筒形状をなす掘削機本体と、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装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記カッタ及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
  15. 請求項14記載のトンネル掘削機において、前記カッタ及びカッタ駆動装置は複数に分割して着脱自在であることを特徴とするトンネル掘削機。
  16. 請求項11または14記載のトンネル掘削機において、前記土砂排出手段は、前記岩盤層用のベルトコンベヤあるいは前記軟弱土砂層用のスクリューコンベヤであることを特徴とするトンネル掘削機。
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