JP2008106452A - トンネル掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】胴筒よりも後方に位置するトンネル空洞部の内壁面に支保層を形成する従来のトンネル掘削方法では、吹付けノズルより前方に位置する胴筒の周囲に形成されたトンネル空洞部の内壁面が支保層によって支持されていない素堀り状態であるので、胴筒が地山の圧力で圧迫されて、トンネル掘削機を掘進できない。
【解決手段】胴筒２と胴筒の前側に設けられたカッタヘッド３と胴筒の後側に設けられたジャッキ５とを備えたトンネル掘削機１を用い、トンネル掘削機１をジャッキ５で推進させながらカッタヘッド３を駆動してカッタヘッドで地山４４を掘削するトンネル掘削方法において、カッタヘッド３の周縁部９の後端１０と胴筒２の周縁部１１の前端１２との間に形成されたトンネル空洞部４１の内壁面４２に支保材６を吹き付けて支保層４３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル掘削機の胴筒が地山の圧力で圧迫されないようにしてトンネル掘削機をスムーズに掘進させることの可能なトンネル掘削方法に関する。

胴筒と胴筒の前側に回転可能に設けられたカッタヘッドとジャッキとを備えたトンネル掘削機を用い、トンネル掘削機をジャッキで推進させながらカッタヘッドを駆動して地山を掘削するトンネル掘削方法において、モルタルやコンクリートなどの支保材を噴射させる吹付けノズルを胴筒の後方に備えたトンネル掘削機を用い、胴筒よりも後方に位置するトンネル空洞部の内壁面に吹付けノズルから噴射させた支保材を吹き付けて支保層を形成することによって、地山の崩壊を防ぐトンネル掘削方法が知られている。
しかしながら、上記トンネル掘削方法では、土被りが大きくて支持力が低い地山、又は、未固結な地山を掘削すると、胴筒の周囲に形成されたトンネル空洞部は素掘り状態であり、このトンネル空洞部の内壁面には支保層が形成されておらず、当該トンネル空洞部の内壁面は支保層によって支持されていないので、素堀りの空洞部をそのまま放置して時間を経過させたり、トンネル掘削機を前進させることによって、胴筒の周囲に位置するトンネル空洞部の周辺地山が圧力で圧迫されてトンネル空洞部の内壁面を押し出し、この押し出された内壁面により胴筒が締め付けられて、トンネル掘削機を掘進できなくなる。
特開平８−３１２２８９号公報

発明が解決しようとする課題は、胴筒よりも後方に位置するトンネル空洞部の内壁面に支保層を形成する従来のトンネル掘削方法では、吹付けノズルより前方に位置する胴筒の周囲に形成されたトンネル空洞部の内壁面が支保層によって支持されていない素堀り状態であるので、胴筒が地山の圧力で圧迫されて、トンネル掘削機を掘進できなくなるという点である。

本発明に係るトンネル掘削方法は、胴筒と胴筒の前側に設けられたカッタヘッドと胴筒の後側に設けられたジャッキとを備えたトンネル掘削機を用い、トンネル掘削機をジャッキで推進させながらカッタヘッドを駆動してカッタヘッドで地山を掘削するトンネル掘削方法において、カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成したことを特徴とする。
トンネル掘削機を掘進させながらカッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成したことも特徴とする。
カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成した後にトンネル掘削機を掘進させたことも特徴とする。

本発明によれば、カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成するので、トンネル掘削機の掘進に伴ってカッタヘッドの周縁部の後端より後方に形成されるトンネル空洞部の内壁面には支保層が順次形成されていくことになる。従って、胴筒の前方及び胴筒の周囲にあるトンネル空洞部の内壁面は常に支保層で支持されることになるため、トンネル掘削機の掘進の際、胴筒は地山の圧力で圧迫されることなく、トンネル掘削機はスムーズに掘進する。
トンネル掘削機を掘進させながらカッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成すれば、トンネル掘削機の掘削作業と吹付け装置による吹付け作業とを一緒に行えるので、作業時間を短くできる。
カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成した後にトンネル掘削機を掘進させれば、胴筒の前方にある地山が支保層で確実に支持されてからトンネル掘削機を掘進できるので、胴筒がスムーズに前進し、トンネル掘削作業を効率的に行える。

図１は最良の形態によるトンネル掘削機の構成を断面で示す。
図１を参照し、トンネル掘削方法を実現するためのトンネル掘削機１の構成を説明する。

トンネル掘削機１は、円筒状の胴筒２、地山掘削用のカッタヘッド３、カッタヘッド駆動機構４、推進用のジャッキ５、モルタルやコンクリートのような支保材６の吹付け装置７を備える。
カッタヘッド３の周縁部９の後端１０と胴筒２の周縁部１１の前端１２とが所定の間隔Ｈを隔てて配置される。所定の間隔Ｈは５０ｃｍ程度以上に設定される。即ち、カッタヘッド３の周縁部９の後端１０と胴筒２の周縁部１１の前端１２との間（以下、カッタ胴筒間という）が間隔Ｈに設定される。
胴筒２の内側には、図外の、スクリューコンベア、支保工やセグメントの組立装置、反力受板保持装置などを備える。胴筒２は、スキンプレートやテールプレートなどと呼ばれる部分である。

カッタヘッド３は、円盤状の面盤１３の前面１４に複数のカッタビット１５を備えた構成であり、胴筒２の前側に、中心軸１６を回転中心として回転可能に設けられる。
カッタヘッド３を回転させるためのカッタヘッド駆動機構４は、胴筒２の前側に中心軸１６を回転中心として回転可能に設けられた回転盤１７と、回転盤１７の周縁部１８に沿って後方に突出して設けられたリング体１９の内側（あるいは外側）に内歯ギヤ２０が形成されたリングギヤ２１と、複数の駆動モータ２２と、駆動モータ２２のモータ軸２３に設けられてリングギヤ２１の内歯ギヤ２０に噛み合う駆動ギヤ２４と、回転盤１７の前面２５とカッタヘッド３の後面２６とを連結する複数の連結部材２７とで形成される。複数の駆動モータ２２のモータ軸２３が回転すると、駆動ギヤ２４の回転力がリングギヤ２１に伝達されて回転盤１７及びカッタヘッド３が回転する。尚、回転盤１７とリングギヤ２１とにより形成される回転体１７Ａは、胴筒２の前部に形成された回転収容部１７Ｂに前後移動が規制された状態で回転可能に収容される。
ジャッキ５は、胴筒２の後側の内面に周方向に沿って複数個設けられる。

吹付け装置７は、材料圧送装置３０、混合機３１、吹付けノズル３２を備える。
吹付けノズル３２と混合機３１とがホース３３で互いに繋がれ、混合機３１と材料圧送装置３０とがホース３４で互いに繋がれる。
尚、吹付け方式には、乾式と湿式とがある。
乾式の場合、図外の吹付け材料生成部から材料圧送装置３０に供給されたドライモルタルやドライコンクリートなどの吹付け材料が材料圧送装置３０から混合機３１及び吹付けノズル３２に向けて圧送されるとともに、急結材が混合機３１に供給され、水が混合機３１に供給されることによって、吹付け材料と水と急結材とが混合されて生成された支保材６が吹付けノズル３２を経由して噴射される。
湿式の場合、図外の吹付け材料生成部から材料圧送装置３０に供給された生モルタルや生コンクリートなどの吹付け材料が材料圧送装置３０から混合機３１及び吹付けノズル３２に向けて圧送されるとともに、急結材が混合機３１に供給されることによって、水分を含んだ吹付け材料と急結材とが混合されて生成された支保材６が吹付けノズル３２を経由して噴射される。

吹付けノズル３２は、回転体１７Ａの前面２５に１つ又は回転体１７Ａの前面２５に回転体１７Ａの周方向に沿って間隔を隔てて複数設けてもよい。即ち、吹付けノズル３２が、回転盤１７の前面２５における周縁部１８に近い位置に形成されたノズル取付部３９に取付けられ、吹付けノズル３２がカッタ胴筒間に向けて突出するように設けられる。吹付けノズル３２は回転体１７Ａに設けられているので、吹付けノズル３２は回転体１７Ａと一緒に中心軸１６を回転中心として回転する。
また、吹付けノズル３２はジャッキなどを用いた図外の前後揺動装置によって矢印Ａの如く前後方向に首振りのように揺動する。即ち、図外の制御部によって回転体１７Ａを回転させるとともに前後揺動装置を駆動すれば、吹付けノズル３２の前後揺動によって支保材６を内壁面４２に均等に効率的に吹き付けることができる。このように吹付けノズル３２を前後揺動装置によって前後方向に首振りのように揺動駆動する構成としたことで、特に、カッタ胴筒間（間隔Ｈ）が長い場合であっても、カッタ胴筒間のトンネル空洞部４１の内壁面４２におけるカッタヘッド３の中心軸１６に沿った方向に渡って支保層４３を形成できる。
また、胴筒２の周縁部１１の前端部には、前方に尖った形状に形成された支保材はつり部５２が形成される。支保材はつり部５２は、胴筒２の周縁部１１の前端１２から胴筒２の中心に向けて胴筒２の後方に傾斜する傾斜面５３を備え、傾斜面５３と胴筒２の周面とのなす角度が鋭角に形成された形状である。支保材はつり部５２は、胴筒２の前方から見た場合に、胴筒２の周縁部１１に沿って円環状に形成される。この支保材はつり部５２を備えているため、トンネル空洞部４１の内壁面４２に吹き付けられた支保材６の余盛部分が、胴筒２の前進に伴って支保材はつり部５２の先鋭な前端１２により削られる。

トンネル掘削方法を説明する。
ジャッキ５のピストン４０の反力受けを設置し、ジャッキ５のピストン４０を駆動するとともにカッタヘッド３を駆動することによってトンネル掘削機１で地山４４を掘削して掘進する。トンネル掘削機１の掘進によって、カッタ胴筒間に素掘り状態のトンネル空洞部４１を形成し、そのトンネル空洞部４１の内壁面４２に、吹付けノズル３２から支保材６を噴射して吹き付けることにより支保層４３を形成する。以後、トンネル掘削機１をそのまま掘進させながら、掘進によりカッタ胴筒間に形成される素掘り状態のトンネル空洞部４１の内壁面４２に支保材６を噴射して吹き付けることにより支保層４３を形成していく。即ち、トンネル掘削機１と吹付け装置７とをともに駆動し、トンネル掘削機１を掘進させながらカッタ胴筒間に形成されたトンネル空洞部４１の内壁面４２に吹付け装置７により支保材６を吹き付けて支保層４３を形成する。つまり、トンネル掘削機１の掘進によりカッタ胴筒間に素掘り状態のトンネル空洞部４１が形成された直後に、このトンネル空洞部４１の内壁面４２に吹付け装置７によって支保層４３を形成する。

最良の形態によれば、トンネル掘削機１の掘進に伴ってカッタヘッド３の周縁部９の後端１０より後方に形成されるトンネル空洞部４１の内壁面４２に支保層４３が順次形成されていくので、胴筒２の前方及び胴筒２の周囲にあるトンネル空洞部４１の内壁面４２は常に支保層４３で支持されることになる。従って、トンネル掘削機１の掘進の際、胴筒２は地山４４の圧力で圧迫されることなく、トンネル掘削機１はスムーズに掘進するので、トンネル掘削作業を効率的に行える。
また、素掘り状態のトンネル空洞部４１が形成された直後に支保層４３が形成されることから、胴筒２が胴筒２の前方の地山圧力を受けないので、胴筒２がスムーズに前進し、トンネル掘削作業を効率的に行える。
また、トンネル掘削機１と吹付け装置７とをともに駆動し、トンネル掘削機１の掘削作業と吹付け装置７による吹付け作業とを一緒に行えるので、作業時間を短くできる。

他の形態１
吹付けノズル３２は、カッタヘッド３の周縁部９に近い後面２６に１つ又はカッタヘッド３の周縁部９に近い後面２６にカッタヘッド３の周方向に沿って間隔を隔てて複数設けてもよい。即ち、１つの吹付けノズル３２を、カッタヘッド３の周縁部９に近い後面２６よりカッタ胴筒間に向けて突出するように設けた場合でも最良の形態と同じ効果が得られる。

他の形態２
一緒に回転するカッタヘッド３と回転体１７Ａとを中心軸１６を回転中心として左回り方向及び右回り方向に所定角度αだけ回転するように構成する。例えば、図２に示すように、胴筒２における時計の１２時の位置を揺動基準点Ｇと決め、カッタヘッド３や回転体１７Ａを左回り方向及び右回り方向にそれぞれα＝１４０°だけ回転させる、所謂、揺動構成とする（即ち、揺動角度範囲は２α＝２８０°）。この構成において、カッタヘッド３の後面２６や回転体１７Ａの前面２５における揺動基準点Ｇに吹付けノズル３２を１つ取付けることによって、図２に示すインバート４６の形成される部分に支保材６の吹き付けを行わないようにする。つまり、インバート４６の形成される部分は胴筒２の下部の外周面に対向する地山部分であり、この地山部分は胴筒２を圧迫しないので、インバート４６の形成される部分に支保材６を吹き付けないようにすることは、支保材６の無駄を省けるとともに、インバートブロック敷設時において余分な支保材のはつり作業のような余分な作業を回避できる。

即ち、揺動角度範囲を、インバート４６の形成される部分以外のトンネル空洞部４１の内壁面４２の周面の角度範囲に合わせ、吹付けノズル３２を、初期状態のカッタヘッド３の後面２６における揺動基準点Ｇ上の周縁部９に近い部分、即ち、初期状態のカッタヘッド３の後面２６における最上点から少し下の部分に設けたり、初期状態の回転体１７Ａの前面２５における揺動基準点Ｇ上の周縁部１８に近い部分、即ち、初期状態の回転体１７Ａの前面２５における最上点から少し下の部分に設けたりすることによって、インバート４６の形成される部分を除いたトンネル空洞部４１の内壁面４２に支保材６を吹き付けて支保層４３を形成できる。

カッタヘッド３や回転体１７Ａを左回り方向及び右回り方向に所定角度だけ回転させる揺動駆動機構は、駆動モータを正逆回転制御して中心軸１６を回転させるモータ制御方式、油圧ジャッキのようなジャッキを用いて中心軸１６を回転させるジャッキ方式、中心軸１６に設けたピニオンとこのピニオンを往復直線運動させるラックとの噛み合いによって中心軸１６を回転させるラックピニオン方式などによって実現可能である。尚、ジャッキ方式、ラックピニオン方式の場合、図１の駆動モータ２２及びリングギヤ２１は不要である。ジャッキ方式において吹付け範囲に対応する揺動角度範囲が不足する場合は、カッタヘッド３の後面２６や回転体１７Ａの前面２５に吹付けノズル３２を複数設ければよい。例えば、揺動基準点Ｇから左回り方向及び右回り方向にそれぞれ１４０°の角度範囲の周面にモルタルを吹き付けたい場合において、ジャッキ方式によりカッタヘッド３が揺動基準点Ｇから左回り方向及び右回り方向にそれぞれ７０°しか回転させることができない場合は、カッタヘッド３の後面２６や回転体１７Ａの前面２５において揺動基準点Ｇから左回り方向及び右回り方向にそれぞれ７０°の位置に吹付けノズル３２を１つずつ取付ければよい。

他の形態３
吹付けノズル３２は、トンネル掘削機１の非回転部に設けても良い。例えば、胴筒２の周縁部１１に近い前端部４５に、１つ又は胴筒２の周方向に沿って間隔を隔てて複数設けてもよい。この場合、吹付けノズル３２を、図外の油圧シリンダーなどを用いたノズル周方向揺動装置により、胴筒２の周囲に沿った方向に所定範囲で首振りのように往復移動可能に構成することによって、トンネル空洞部４１の内壁面４２全体、あるいは、インバート４６の形成される部分以外のトンネル空洞部４１の内壁面４２に支保材６を万遍なく吹き付けて支保層４３を形成できるようにすればよい。
このように、吹付けノズル３２を、トンネル掘削機１の非回転部である胴筒２の周縁部１１に近い前端部４５に設けるようにすれば、カッタヘッド３を高速回転できるため、硬質岩盤を掘削する場合に、好ましい。
また、トンネル掘削機１の掘進作業と、吹付け装置７による吹付け作業とを、個別に行えるようになる。例えば、掘進作業を止めた状態で吹付け作業を行えるので、支保層４３を確実に形成でき、胴筒２に対する地山圧力の影響をより少なくでき、トンネル掘削機１の掘進をよりスムーズに行えるようになる。

ノズル取付部３９やカッタヘッド３の周縁部９に近い後面２６に吹付けノズル３２を固定し、この吹付けノズル３２によりカッタ胴筒間（間隔Ｈ）の範囲の内壁面４２に支保材６を吹き付けるようにしてもよい。
吹付けノズル３２を、カッタヘッド３の周縁部９に近い後面２６に、周方向に沿って複数設けてもよい。
吹付けノズル３２を、回転体１７Ａの前面２５における周縁部１８に近い位置に、周方向に沿って複数設けてもよい。

また、上記では円形断面孔を掘削するトンネル掘削機を用いた方法を説明したが、本発明は、複円形断面孔、矩形断面孔を掘削するトンネル掘削機を用いる場合にも同様に適用可能である。

トンネル掘削機の構成を示す断面図（最良の形態）。 支保層の形成範囲を示す説明図（他の形態２）。

符号の説明

１ トンネル掘削機、２ 胴筒、３ カッタヘッド、
４ カッタヘッド駆動機構、５ ジャッキ、６ 支保材、７ 吹付け装置、
１０ カッタヘッドの周縁部の後端、１２ 胴筒の周縁部の前端
４１ トンネル空洞部、４２ 内壁面、４３ 支保層、４４ 地山。

Claims (3)

1. 胴筒と胴筒の前側に設けられたカッタヘッドと胴筒の後側に設けられたジャッキとを備えたトンネル掘削機を用い、トンネル掘削機をジャッキで推進させながらカッタヘッドを駆動してカッタヘッドで地山を掘削するトンネル掘削方法において、カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成したことを特徴とするトンネル掘削方法。
2. トンネル掘削機を掘進させながらカッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成したことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削方法。
3. カッタヘッドの周縁部の後端と胴筒の周縁部の前端との間に形成されたトンネル空洞部の内壁面に支保材を吹き付けて支保層を形成した後にトンネル掘削機を掘進させたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削方法。

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