JP2008303610A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】土圧に対する外殻体の強度を高めることで、部材コストの低減を図るとともに、外殻体にかかる土圧を小さくして外殻体の推進力を低減させるようにした。
【解決手段】トンネル掘削機１は、掘削断面の外周部分を掘削するとともにその掘削部分に外側スキンプレート４を配置させて先受け構造を形成する掘削機本体２と、その先受け構造の内側で開放された切羽面等を掘削する機内掘削機３とからなる。掘削機本体２は、上方が掘削方向に張り出す形状をなす外側スキンプレート４と、外側スキンプレート４の前方内面の上部４ａ及び側部４ｂ、４ｃに沿って複数台が進退可能に配置された推進掘削機１０と、複数台の推進掘削機１０の内面に沿って設けられた内側スキンプレート５と、隣り合う推進掘削機１０、１０同士の間に設けられた隔壁とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった矩形断面などのトンネルを掘削するためのトンネル掘削機に関する。

従来、都市域に設けられる道路や共同溝などのトンネルでは、その用途から必要な断面形状を矩形断面とすることが合理的且つ経済的であるものとされている。そのような矩形断面のトンネルを掘削するためのトンネル掘削機としては、例えば特許文献１に示されるように、掘削する矩形断面の外周部全周にわたって複数の推進機を連結配置し、これら推進機を同時に推進させると共にそれぞれの推進機の後方に函体を設置して矩形断面の外殻を形成し、その外殻の内部を掘削してトンネルを構築するためのものが知られている。
そして、特許文献１のような矩形断面のトンネルを掘削可能なトンネル掘削機では、通常のシールド機によって円形断面に掘削する場合のように必要以上の断面を掘削することがないうえ、円形のシールド機による場合に比べて浅深度掘削も可能であるので、上記のような都市トンネルを築造する場合に適用するものとして好適とされている。
特開２００５−２４８５４６号公報

しかしながら、矩形断面を掘削するトンネル掘削機は、円形断面のシールド機と比較して、土圧に対する耐力が小さいという欠点があった。つまり、一般的な円形断面のシールド機では、円筒形状のスキンプレートが受ける土圧はアーチ効果により周方向に伝達され、スキンプレートにおける曲げ変形が生じにくい構造であるのに対し、矩形断面のトンネル掘削機の場合には、矩形をなす各辺の中央部で土圧による力が大きくなる等、変形が生じ易い構造となっている。そのため、例えばスキンプレートを厚くした構造とする必要があり、使用される鋼材量が増え、シールド機のコストが増大するといった問題があり、その点で改良の余地が残されていた。また、土圧の影響を大きく受けることから、スキンプレートを前進させる際に大きな推進力が必要となっていた。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、土圧に対する外殻体の強度を高めることで、部材コストの低減を図るようにしたトンネル掘削機を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、外殻体にかかる土圧を小さくして外殻体の推進力を低減させるトンネル掘削機を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル掘削機では、上方が掘削方向に向けて張り出す形状をなす外殻体と、外殻体の掘削方向先端における内面の少なくとも上部及び側部に沿うとともに、複数台が外殻体に対して進退可能に配置された推進掘削機と、外殻体の掘削方向と反対方向の端部に設けられた推進ジャッキとを備え、推進掘削機を外殻体に沿って推進させた後に、推進ジャッキを伸張させて外殻体を前進させる構成とされることを特徴としている。
本発明では、複数台の推進掘削機を推進させることで、掘削断面の少なくとも上部及び側部に先受け構造を形成させることができるので、この先受け構造の内側、すなわち複数台の推進掘削機によって囲まれる内部を安全に掘削することができる。そして、外殻体が上方に向かうにしたがって掘削方向（前方）に張り出していることから、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みを小さくすることができるので、緩んだ地山の土圧によって外殻体にかかる土圧を小さくすることができ、外殻体が前進し易くなるので外殻体の推進力の低減を図ることができる。

また、本発明に係るトンネル掘削機では、複数台の推進掘削機の内面に沿って内壁体が設けられていることが好ましい。
本発明では、外殻体と内壁体とから二重構造となることから、より一層外殻体の強度が増した構造とすることができる。

また、本発明に係るトンネル掘削機では、隣り合う推進掘削機同士の間には、外殻体に固定されるとともに推進掘削機を進退可能に案内させるためのガイド部材が設けられていることが好ましい。
本発明では、推進掘削機が外殻体とともにガイド部材に沿ってトンネル軸方向に進退することができる。そして、ガイド部材が外殻体を内面側から補強するリブ構造をなすことから、外殻体の強度の向上を図ることができる。

また、本発明に係るトンネル掘削機では、複数台の推進掘削機で囲まれた内部には、開放された切羽面を掘削する機内掘削機が備えられていることが好ましい。
本発明では、例えばショベルを備えた機内掘削機を、複数台の推進掘削機で囲まれた内部に配置させて開放された切羽面の掘削を行なうことができる。

本発明のトンネル掘削機によれば、外殻体の内面に沿って複数台の推進掘削機が配置され、それら推進掘削機によって外殻体がその内側から支持されていて補強された構造となり、土圧に対する強度の向上が図れる構造となることから、例えば本トンネル掘削機が矩形断面であっても、外殻体の部材の厚さ寸法を大きくする必要がなくなる。そのため、トンネル掘削機に使用される鋼材量を少なくすることができ、部材コストの低減を図ることができる。
しかも、掘進時には、推進掘削機及び外殻体を上方が掘削方向に向けて張り出して先受け構造を形成させることで、掘削時の切羽を安定させることができる。これにより、掘削による地山の緩みを抑制して外殻体にかかる土圧を小さくすることができ、外殻体が前進し易くなることから、外殻体の推進力の低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削機について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の全体概要を示す側面図、図２は図１にトンネル掘削機の掘削機本体を示す側面図、図３は図２に示す掘削機本体を切羽側から見た正面図、図４は図２に示す掘削機本体のＡ−Ａ線断面図、図５は図２に示す推進掘削機の拡大図である。
ここで、以下の説明では、トンネルの掘削方向を「前方」とし、その反対方向を「後方」とする。

図１に示すように、本実施の形態によるトンネル掘削機１は、例えば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった用途で構築される矩形断面のトンネルを掘削するためのものであって、基本的には周知のシールド機と同様に、地盤を掘削しつつその後方で例えばコンクリート製のセグメント９を組み立て、組み立て済みのセグメント９から反力を取って推進するように構成したものである。
具体的には、トンネル掘削機１は、掘削断面の外周部分を先行して掘削するとともにその掘削部分に後述する外側スキンプレート４を配置させて先受け構造を形成する掘削機本体２と、その先受け構造の内側で開放された切羽面を掘削したり前記掘削機本体２の推進掘削機１０（後述）で生じた掘削土砂を取り除くための機内掘削機３とからなる。

図２及び図３に示すように、掘削機本体２は、上方が掘削方向（前方）に張り出す形状をなす外側スキンプレート４（外殻体）と、外側スキンプレート４の前方内面の上部４ａ及び側部４ｂ、４ｃに沿うとともに複数台が外側スキンプレート４に対して進退可能に配置された推進掘削機１０、１０、…と、複数台の推進掘削機１０、１０、…の内面に沿って設けられた内側スキンプレート５（内壁体）と、隣り合う推進掘削機１０、１０同士の間に設けられた隔壁６（ガイド部材）と、外側スキンプレート４の後端内周面４ｅに全周にわたって設けられた複数の第１推進ジャッキ７、７、…（本発明の推進ジャッキに相当する）とを備えている。

また、掘削機本体２の内部にはセグメント２の組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類や補機類が備えられているものとされる。

外側スキンプレート４は、掘削すべきトンネルの矩形断面形状に合致する矩形筒状の外殻をなし、上述したように側面視で上方が進行方向に前方に張り出すように前方先端部が所定の傾斜角度をもって形成されている（図１参照）。この外側スキンプレート４は、複数台の推進掘削機１０、１０、…によって内側から支持されて、補強された構造となっている。

図３及び図４に示すように、内側スキンプレート５は、複数台の推進掘削機１０、１０、…の内側に沿って設けられている。つまり、内側スキンプレート５は、上部５ａと側部５ｂ、５ｃとから形成され、隔壁６を介して外側スキンプレート４に固定されている。なお、隔壁６は、外側スキンプレート４と内側スキンプレート５とに対して溶接等の固着手段によって固定されている。
すなわち、各推進掘削機１０は、外側スキンプレート４、内側スキンプレート５及び隔壁６によって案内されてトンネル軸方向に進退可能な状態で設置されている。

また、図３及び図５に示すように、上述した推進掘削機１０の後端側には、推進掘削機１０が配置される空間（すなわち外側スキンプレート４、内側スキンプレート５、及び隔壁６によって囲まれる空間）をほぼ塞ぐようにして反力壁８が設けられている。反力壁８は、外側スキンプレート４及び内側スキンプレート５に溶接等によって固定されている。
また、図１、図３及び図４に示すように、掘削機本体２には、作業足場をなすとともに、掘削機本体２を補強するための中間床版３１が設けられている。中間床版３１は、掘削機本体２の上下方向の略中間部に略水平方向に設けられている。

図２に示すように、推進掘削機１０は、上段に位置するものほど掘削方向（前方）に張り出すように配置されている。
図５に示すように、具体的に推進掘削機１０は、略正方形の断面形状をなす推進機用スキンプレート１１と、推進機用スキンプレート１１の前方内側に設けられたカッタ機構２０と、推進機用スキンプレート１１の後端部内側に設けられた第２推進ジャッキ１３と、カッタ機構２０から排出される掘削土砂を反力壁８を通過させて掘削機本体２内に送り出すための例えばチェーンコンベヤなどからなる移送コンベヤ１４とから概略構成されている。

カッタ機構２０は、推進機用スキンプレート１１に略掘削方向を中心にして回転可能に支持され、図示しない駆動機構によって回転駆動されるようになっている。つまり、カッタ機構２０は、切羽面側に切削用ビット等を備えたカッタヘッド２１と、カッタヘッド２１と同軸に固定されていてケーシング２３内で回転可能に支持されたスクリューコンベヤ２２とからなる。
なお、本カッタ機構２０では、本推進機用スキンプレート１１の断面形状は略正方形であるのに対して、カッタヘッド２１によって掘削される断面は円形となるが、カッタヘッド２１では掘削し得ない範囲を図示しない補助カッタによって掘削できる構成となっている。

スクリューコンベヤ２２は、軸部２２ａの周囲に一連の螺旋羽根２２ｂが設けられている。このスクリューコンベヤ２２は、軸部２２ａとケーシング２３との間の空間において自身の回転によりカッタヘッド２１で掘削した土砂を螺旋羽根２２ｂによりその軸方向後方に移送可能とされている。
そして、ケーシング２３の後端下方には、排土口（図示省略）が設けられ、その排土口の下方には移送コンベヤ１４が配置されている。つまり、スクリューコンベヤ２２によって移動された土砂を排土口から落下させ、移送コンベヤ１４に受け渡す構成となっている。そして移送コンベヤ１４によって受け取られた掘削土砂は、一端、掘削機本体２の内部下方に落とされ、開放切羽面の土砂とともに機内掘削機３（図１参照）によって後方に搬出されるようになっている。

図１に示すように、機内掘削機３は、走行部３ａを備えた移動式の掘削機であって、掘削及び掘削土砂の積み込みを行なうためのショベル３ｂと、掘削した土砂をダンプトラック３０内に積み込むためのチェーンコンベヤなどからなる移送装置３ｃとを備えている。そして、掘削機本体２の掘進とともに組み立てられるセグメント９上に配置されている。

次に、上述したトンネル掘削機１の作用および掘進方法について図面に基づいて説明する。
図５に示すように、本トンネル掘削機１を掘進させる際には、先ず各推進掘削機１０において、反力壁８に反力を取って第２推進ジャッキ１３を伸張駆動させ、そのジッャキストロークに対応する長さだけ推進させる。このとき、各推進掘削機１０の推進機用スキンプレート１１は、外側スキンプレート４、内側スキンプレート５、及び隔壁６に沿って前進することになる。そして、推進掘削機１０の推進中は、外側スキンプレート４は固定された状態となっている（図３参照）。

続いて、図２に示すように、推進掘削機１０の推進が完了した後、組み立て済みのセグメント９に反力を取って第１推進ジャッキ７を伸張させ、そのジッャキストロークに対応する長さだけ外側スキンプレート４を、隔壁６及び内側スキンプレート５（図３参照）と共に前進させ、この前進と同時にそのときの移動速度に合わせた速度で推進掘削機１０の第２推進ジャッキ１３を縮めるようにする。

次いで、図１に示すように、適宜必要な本数の第１推進ジャッキ７を縮め、その縮めた第１推進ジャッキ７と設置済みのセグメント９との間に形成される空間に新たなセグメント９を設置する。そして、再び推進掘削機１０を推進させる。このように推進掘削機１０の推進工程と外側スキンプレート４の前進工程とを順次繰り返すことで、掘削機本体２を掘進させる。そして、この掘進工程とともに、掘削機本体２の内部では、開放された切羽面の地山を機内掘削機３のショベル３ｂによって掘削し、その掘削土砂は機内掘削機３に搭載されている移送装置３ｃによって、その移送装置３ｃの末端に待機しているダンプトラック３０に積み込まれて後方に搬出される。

このように、複数台の推進掘削機１０、１０、…を推進させることで、掘削断面の上部及び側部に先受け構造を形成させることができるので、この先受け構造の内側、すなわち複数台の推進掘削機１０、１０、…によって囲まれる内部を安全に掘削することができる。
そして、外側スキンプレート４が上方に向かうにしたがって掘削方向（前方）に向けて張り出していることから、掘削時の切羽を安定させることができ、掘削による地山の緩みを抑制することができるので、緩んだ地山の土圧によって外側スキンプレート４にかかる土圧を小さくすることができる。
また、本掘削機本体２では、外側スキンプレート４と内側スキンプレート５とから二重構造となり、それらの間には、隣り合う推進掘削機１０、１０同士を仕切るようにして隔壁６が設けられており、この隔壁６が外側スキンプレート４を内面側から補強するリブ構造をなすことから、外側スキンプレート４の強度の向上を図ることができる。

上述のように本実施の形態によるトンネル掘削機では、外側スキンプレート４がその上部４ａ及び側部４ｂ、４ｃの内面に沿って複数台の推進掘削機１０、１０、…が配置され、それら推進掘削機１０、１０、…によって外側スキンプレート４がその内側から支持されていて補強された構造となり、土圧に対する強度の向上が図れる構造となることから、トンネル掘削機１が矩形断面であっても、外側スキンプレート４の部材の厚さ寸法を大きくする必要がなくなる。そのため、トンネル掘削機１に使用される鋼材量を少なくすることができ、コストの低減を図ることができる。
しかも、掘進時には、推進掘削機１０及び外側スキンプレート４を上方が掘削方向に向けて張り出して先受け構造を形成させることで、掘削時の切羽を安定させることができる。これにより、掘削による地山の緩みを抑制して外側スキンプレート４にかかる土圧を小さくすることができ、外側スキンプレート４が前進し易くなることから、外側スキンプレート４の推進力の低減を図ることができる。

以上、本発明によるトンネル掘削機の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では複数台の推進掘削機１０、１０、…の内面に沿って内側スキンプレート５を設けた構造としているが、このような形態に限定されることはなく、内側スキンプレート５を設けない構造、すなわちスキンプレートを二重構造としない構造としてもよい。例えば推進掘削機１０の内側に軸方向に延びるレール部材を配設し、外側スキンプレート４と隔壁６とともにレール部材に沿わせて推進掘削機１０を推進させるようにしてもかまわない。

また、隔壁６は、例えば部分的に開口が設けられていてもよい。これにより、部材量を減らすことができ、さらなるコストの低減を図ることができる。要は、隔壁６が外側スキンプレート４に固定されて補強構造を形成することができ、且つ推進掘削機１０が外側スキンプレート４と隔壁６に沿って推進できるように構成されていればよいのである。

そして、本実施の形態では、トンネル掘削機１（掘削機本体２）の断面形状を矩形断面としているが、この形状に限定されることはない。例えば、上部から側部にかけてアーチ部が形成されるようなかまぼこ状の略半円断面や馬蹄形状の断面であってもよく、トンネルの用途に応じて必要とされる断面形状を適用することができる。
また、本実施の形態では外側スキンプレート４の内面の上部４ａ及び側部４ｂ、４ｃに沿って推進掘削機１０を設けているが、例えば外側スキンプレート４の内面全周、つまり下部にも推進掘削機１０を配置させるようにしてもよい。

また、掘削機本体２の内部の掘削に移動式でショベル３ａと移送装置３ｂとを搭載したの機内掘削機３を使用しているが、これに限定されることはない。例えば周知のバックホウ等を使用して掘削、積み込みを行なってもかまわない。
さらに、外側スキンプレート４の先端部の傾斜角度（前方への張り出し量）は任意であり、掘削するトンネルの深度、地質、地盤強度などの施工条件に応じて設定することができる。例えば自立性が高い地山であって掘削による緩みが少ないような条件の場合には、外側スキンプレートの傾斜角度を小さくするようにしてもよい。
さらにまた、本実施の形態では掘削機本体２の後方にセグメント９を設置しているが、これに限定されることはなく、例えばスチール製の鋼材等から形成される函体を覆工体として使用してもかまわない。

本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の全体概要を示す側面図である。 図１にトンネル掘削機の掘削機本体を示す側面図である。 図２に示す掘削機本体を切羽側から見た正面図である。 図２に示す掘削機本体のＡ−Ａ線断面図である。 図２に示す推進掘削機の拡大図である。

符号の説明

１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 機内掘削機
４ 外側スキンプレート（外殻体）
５ 内側スキンプレート（内壁体）
６ 隔壁（ガイド部材）
７ 第１推進ジャッキ
８ 反力壁
９ セグメント
１０ 推進掘削機
１１ 推進機用スキンプレート
１３ 第２推進ジャッキ
１４ 移送コンベヤ
２０ カッタ機構

Claims (4)

1. 上方が掘削方向に向けて張り出す形状をなす外殻体と、
   前記外殻体の前記掘削方向先端における内面の少なくとも上部及び側部に沿うとともに、複数台が前記外殻体に対して進退可能に配置された推進掘削機と、
   前記外殻体の前記掘削方向と反対方向の端部に設けられた推進ジャッキと、
   を備え、
   前記推進掘削機を前記外殻体に沿って推進させた後に、前記推進ジャッキを伸張させて前記外殻体を前進させる構成とされることを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記複数台の推進掘削機の内面に沿って内壁体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 隣り合う前記推進掘削機同士の間には、前記外殻体に固定されるとともに前記推進掘削機を進退可能に案内させるためのガイド部材が設けられ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. 前記複数台の推進掘削機で囲まれた内部には、開放された切羽面を掘削する機内掘削機が備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル掘削機。
   

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