JP2007132004A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】直打ちで打設された覆工材を簡単な手段で早期に締め固めることができるトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】掘削されたトンネルの内壁面Ｇと掘削機本体１１の後筒部１１の外周面との空間をリング状の妻型枠１２で閉塞し、この妻型枠を通して前記空間内に直打ちでコンクリートＣを打設する覆工装置３１を備えた土圧式シールド掘削機Ａにおいて、前記掘削機本体１１の後筒部１１ｂに、前記空間内に打設されたコンクリートＣを前記トンネルの内壁面Ｇ側に圧密するためのコンクリート圧密パッド３５を、必要に応じて膨らみ又は萎むことが可能に配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、直打ちでコンクリート、モルタル等の覆工材を打設する覆工装置を備えたトンネル掘削機に関する。

大深度、大土被りにおけるトンネル施工にあっては、トンネルの掘削後すみやかに支保工を施工する必要がある。支保工の一手段としてコンクリートを掘削内面に直打ちし、必要に応じその内側に鋼製の支保工を建て込む方法がある。従って、大深度、大土被りにおけるトンネルを掘削するトンネル掘削装置にあっては直打ちでコンクリートを打設する覆工装置が必要である。

また、ＥＣＬ工法（Extruded Concrete Lining Method）による覆工方法を採用したトンネル掘削機として、泥土圧式シールド掘削機等が良く知られている（特許文献１参照）。これは、円筒状の掘削機本体の前面部に設けたカッターヘッドで地盤を掘削しつつ、掘進されたトンネルの内壁面を所定の間隔を空けて内型枠によって覆い、この内型枠と前記内壁面との間に適宜鉄筋を配置するなどして、直打ち（場所打ち）でコンクリートを打設し、その養生・硬化を待って覆工を行うものである。コンクリートの打設は、掘削機本体の移動方向に移動可能となっている妻型枠を通してなされるのが通常である。

以上のように、トンネル掘削機においては、コンクリートの打設装置を必要とするものがあるが、コンクリートを打設した場合には、打設したコンクリートを一定期間保持しておくための装置が更に必要となる。例えば、特許文献２では、リング状に組まれた可動プレートと掘削壁面との間にコンクリートを注入し、可動プレートを半径方向外側に移動してコンクリートを保持するようにしている。また、泥土圧式シールド掘削機等では、妻型枠をシリンダ駆動で駆動して打設されたコンクリートに押し付けるようにしている。

特開２００１−１７３３８７号公報 特開２００４−１２４６９７号公報

本発明は、直打ちで打設された覆工材を簡単な手段で早期に締め固めることができるトンネル掘削機を提供することを目的としてなされたものである。

上記目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、掘削されたトンネルの内壁面と掘削機本体の外周面との空間をリング状の妻型枠で閉塞し、この妻型枠を通して前記空間内に直打ちで覆工材を打設する覆工装置を備えたトンネル掘削機において、前記掘削機本体の外周面に、前記空間内に打設された覆工材を前記トンネルの内壁面側に圧密するための覆工材圧密パッドを、必要に応じて膨らみ又は萎むことが可能に配設したことを特徴とする。

また、前記覆工材圧密パッドは、少なくとも掘削機本体の掘進方向断面視でアーチ状に膨らむことを特徴とする。

また、前記覆工材圧密パッドは、その内部に対し流体が給，排可能になっていることを特徴とする。

また、前記覆工材圧密パッドは、掘削機本体の周方向に複数個に分割されて配置されていることを特徴とする。

また、前記覆工材圧密パッドは、そのパッド外周面に滑材が供給されることを特徴とする。

本発明によれば、所定空間内に、コンクリート、モルタルなどの覆工材が妻型枠を通して打設された後、覆工材圧密パッドを膨らませて、覆工材をトンネルの内壁面側に圧密することで、覆工材は早期に締め固められる。覆工材が固まった時点で、覆工材圧密パッドを萎ませることで、掘削機本体は円滑に掘進可能となる。

以下、本発明に係るトンネル掘削機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示すトンネル掘削機の概略断面図、図２はその要部拡大図、図３は図１のIII−III矢視断面図、図４は作用説明図である。

本実施例のトンネル掘削機は、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しているものである。具体的には、一部の構成部品を変えることにより、トンネルボーリングマシンに変更することができるものである。

図１には、土圧式シールド掘削機のトンネル掘削機を示す。土圧式シールド掘削機Ａは円筒形状の掘削機本体１１を有しており、この掘削機本体１１は後述するリング状の妻型枠１２を境に前筒部１１ａと該前筒部１１ａより小径の後筒部１１ｂとに分割形成されている。

前筒部１１ａの前部寄りにバルクヘッド１３が設けられ、このバルクヘッド１３には支持部材１４によりリング状の回転体１５が回転自在に支持されている。回転体１５には複数の連結ビーム１６によりカッターヘッド１７が連結されている。カッターヘッド１７の前面部には、岩盤をせん断破壊するディスクカッター１８や軟弱地盤を掘削可能なカッタービット１９が多数装着される。

回転体１５の後部には、内歯を有するリングギヤ２０が一体に固定される一方、支持部材１４に複数のカッター旋回モータ２１が固定されており、このカッター旋回モータ２１の駆動ギヤ２２がリングギヤ２０に噛み合っている。

従って、カッター旋回モータ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と噛み合うリングギヤ２０及びこれと一体の回転体１５が回転し、この回転体１５と連結ビーム１６を介して連結されたカッターヘッド１７が旋回する。このカッターヘッド１７の旋回により、ディスクカッター１８やカッタービット１９が地盤を掘削し、発生したずりは図示しない土砂取込開口部より掘削機本体１１の前筒部１１ａ内に取り込まれることになる。

また、後筒部１１ｂの後部寄りには支持フレーム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を水平状態に保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、図示はしていないが、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。

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、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、カッターヘッド１７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。

更に、カッターヘッド１７と前筒部１１ａのバルクヘッド１３によりチャンバ２６が形成されており、バルクヘッド１３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。

前述したように、本実施例のトンネル掘削機は、軟弱土砂層を掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａから、岩盤層を掘削可能なトンネルボーリングマシン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、カッターヘッド１７に形成された図示しない土砂取込開口部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３０を出没自在としている。

前記前筒部１１ａの後端と後筒部１１ｂの前端との間に固定された妻型枠１２部には、掘削されたトンネルの内壁面Ｇと掘削機本体１１（厳密には後筒部１１ｂ）の外周面との空間内に直打ちでコンクリート（覆工材）Ｃを打設する覆工装置３１が設けられる。

この覆工装置３１は、図２及び図３に示すように、妻型枠１２の周方向に多数形成された周方向へ扁平なコンクリート打設口３２にその先端部がそれぞれ接続され、基端部が図示しないコンクリート供給源にそれぞれ接続された多数本のコンクリート注入管３３と、前記コンクリート打設口３２を開閉する塞止弁装置３４とを備える。

この塞止弁装置３４は、前記コンクリート打設口３２に嵌挿されたシリンダ状の弁ハウジング３４ａと、この弁ハウジング３４ａ内を前後方向へ移動可能なピストン状の弁体３４ｂと、この弁体３４ｂにロッド３４ｃ（図４参照）を連結して前記弁ハウジング３４ａに横向きに連設された油圧ジャッキ３４ｄとを有している。

そして、本実施例では、前記後筒部１１ｂの前部に、前記妻型枠１２のコンクリート打設口３２を通して、掘削されたトンネルの内壁面Ｇと後筒部１１ｂの外周面との空間内に打設されたコンクリートＣを前記トンネルの内壁面Ｇ側に圧密するためのコンクリート（覆工材）圧密パッド３５が、必要に応じて膨らみ又は萎むことが可能に配設されている。

図示例では、コンクリート圧密パッド３５が後筒部１１ｂの前部に一体的に組み付けられている。即ち、妻型枠１２の内周面と後筒部１１ｂの前端内周面とは透孔３６ａ付きの連結筒３６で連結され、この連結筒３６の外方に位置して、前記コンクリート圧密パッド３５が展設された扁平なパッド支持箱３７が、妻型枠１２の下部端面と後筒部１１ｂの前端面との間で架設されて後筒部１１ｂの周方向に複数個に分割されて配設されている。

前記コンクリート圧密パッド３５とパッド支持箱３７の内部（密閉空間）に対し、エアー配管３８及び図示しないコンプレッサーを介して、流体としての加圧エアー（他の気体又は液体でも良い）が給，排されるようになっている。そして、コンクリート圧密パッド３５は、ゴム等の弾性部材でほぼ正方形状に形成され、前記加圧エアーの供給下では、少なくとも掘削機本体１１の掘進方向断面視でアーチ状に膨らむようになっている（図４の（ａ）参照）。

なお、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４０が駆動旋回自在に支持され、この旋回リング４０に、コンクリートＣの打設によって形成されたコンクリート覆工部の内面に更にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置４１が装着されると共に、このコンクリート覆工部の内周面に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４２が装着されている。

次に、上述したトンネル掘削機によるトンネル構築作業について説明する。ここでは、軟弱土砂層でのトンネル構築作業について説明する。

図１に示すように、リヤグリッパ２４を掘削されたトンネルの反力受け等に圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッターヘッド１７を駆動回転させながら、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。これにより、カッターヘッド１７で前方の地山が掘削され、掘削機本体１１とほぼ同径のトンネル(内壁面Ｇ)が形成される。

そして、各スラストジャッキ２５が所定のストローク伸長することにより、カッターヘッド１７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面に位置保持し、カッターヘッド１７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を前進してカッターヘッド１７により前方の地盤を掘削する。一方、カッターヘッド１７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を通してチャンバ２６内に取り込まれる。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。

このカッターヘッド１７による地盤掘削時（掘進時）には、同時に、掘削機本体１１の後筒部１１ｂの外周面と掘削されたトンネルの内壁面Ｇとの間の空間にコンクリートＣを注入・打設し、これを締め固めることで、コンクリート覆工を行う。

即ち、図２に示すように、覆工装置３１における塞止弁装置３４の油圧ジャッキ３４ｄが収縮して（弁体３４ｂが後退して）、コンクリート打設口３２とコンクリート注入管３３とが連通されて上述した空間に、図示しないコンクリート供給源からコンクリートＣが注入・打設されるのである。

そして、図４に示すように、このコンクリートＣを注入・打設しながら、掘削機本体１１がスラストジャッキ２５の伸長により所定長さ（コンクリート圧密パッド３５の前後方向長さＬに相当）のトンネルを掘削して停止すると、エアー配管３８を介してコンクリート圧密パッド３５とパッド支持箱３７の内部（密閉空間）に加圧エアーが供給される。この際、塞止弁装置３４における油圧ジャッキ３４ｄの伸長により弁体３４ｂが前進してコンクリート注入管３３を遮断すると共にコンクリート打設口３２を閉じる。即ち、コンクリートＣの注入・打設を止めるのである。

これにより、コンクリート圧密パッド３５は、掘削機本体１１の掘進方向断面視でアーチ状に膨らみ（図４の（ａ）参照）、妻型枠１２を通して注入・打設されたコンクリートＣを掘削されたトンネルの内壁面Ｇ側に圧密する。この結果、コンクリートＣが早期に締め固められる（即ち、養生・硬化される）。

コンクリートＣが固まったら、加圧エアーの供給を停止する一方、エアー配管３８を介してコンクリート圧密パッド３５とパッド支持箱３７の内部（密閉空間）を吸引（バキューム）し、コンクリート圧密パッド３５を萎ませる。これにより、コンクリートＣの内周面に逆アーチ状の凹部が周方向に多数形成される（図４の（ｂ）参照）。

この後、掘削機本体１１の掘進を再開する一方、覆工装置３１における塞止弁装置３４の油圧ジャッキ３４ｄを収縮して（弁体３４ｂを後退させて）、コンクリート打設口３２とコンクリート注入管３３との連通状態下で、掘削機本体１１の掘進に伴い形成される上述した空間に、図示しないコンクリート供給源からコンクリートＣを注入・打設する。

以上の動作を繰り返すことにより、トンネルを順次構築して行く。

このようにして本実施例では、簡単な構成のコンクリート圧密パッド３５を膨らませて、コンクリートＣをトンネルの内壁面Ｇ側に圧密することで、コンクリートＣは早期に締め固められる一方、コンクリートＣが固まった時点で、コンクリート圧密パッド３５を萎ませることで、掘削機本体１１は円滑に掘進可能となる。

特に、本実施例では、掘削機本体１１の周方向に複数個に分割されて配置されたコンクリート圧密パッド３５がアーチ状に膨らみ、コンクリートＣの内周面に逆アーチ状の凹部が周方向に多数形成されるようになっているので、養生・硬化されたコンクリートＣの内周面と後筒部１１ｂの外周面との接触面積の低減が図れ、掘削機本体１１はより円滑にスライド可能となる。

また、妻型枠１２を掘削機本体１１に固定的に設けることが可能となるので、妻型枠１２を可動式に構成する場合に比較して、構造の簡略化が図れる。また、コンクリート圧密パッド３５を加圧エアーの給，排で膨らませたり萎ませるようにしたので、応答性良く作動させることができる。

本発明は上記実施例の構造に限らず、種々の形で実施される。例えば、妻型枠１２よりコンクリートＣを注入・打設する前に、コンクリート圧密パッド３５の表面にグリス等の滑材を供給して（図３に二点鎖線で示した滑材供給口４３参照）、コンクリート圧密パッド３５とコンクリートＣとを円滑に剥離させるようにしても良い。

本発明に係るトンネル掘削機は、泥土圧式シールド掘削機、泥水式シールド掘削機、機械式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）等に適用できる。

本発明の一実施例を示すトンネル掘削機の概略断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１のIII−III矢視断面図である。 作用説明図である。

符号の説明

１１ 掘削機本体
１２ 妻型枠
１３ バルクヘッド
１４ 支持部材
１５ 回転体
１６ 連結ビーム
１７ カッターヘッド
１８ ディスクカッター
１９ カッタービット
２０ リングギヤ
２１ カッター旋回モータ
２２ 駆動ギヤ
２３ 支持フレーム
２４ リヤグリッパ
２５ スラストジャッキ
２６ チャンバ
２７ コンベヤ取付孔
２８ スクリューコンベヤ
２９ 蓋部材
３０ バケット
３１ 覆工装置
３２ コンクリート打設口
３３ コンクリート注入管
３４ 塞止弁装置
３５ コンクリート圧密パッド
３６ 連結筒
３７ パッド支持箱
３８ エアー配管
４０ 旋回リング
４１ 吹付装置
４２ エレクタ装置
Ａ 土圧式シールド掘削機
Ｃ コンクリート
Ｇ トンネルの内壁面
Ｈ 支保工

Claims (5)

1. 掘削されたトンネルの内壁面と掘削機本体の外周面との空間をリング状の妻型枠で閉塞し、この妻型枠を通して前記空間内に直打ちで覆工材を打設する覆工装置を備えたトンネル掘削機において、
   前記掘削機本体の外周面に、前記空間内に打設された覆工材を前記トンネルの内壁面側に圧密するための覆工材圧密パッドを、必要に応じて膨らみ又は萎むことが可能に配設したことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記覆工材圧密パッドは、少なくとも掘削機本体の掘進方向断面視でアーチ状に膨らむことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記覆工材圧密パッドは、その内部に対し流体が給，排可能になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記覆工材圧密パッドは、掘削機本体の周方向に複数個に分割されて配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記覆工材圧密パッドは、そのパッド外周面に滑材が供給されることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のトンネル掘削機。

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