JP2010007305A - トンネル掘削機およびトンネル掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地山の地質条件に限定されることなく矩形掘削を行うことを可能としたトンネル掘削機を提案する。
【解決手段】トンネル軸回りに回転するカッタヘッド１０と、カッタヘッド１０の後方に配置され、カッタヘッド１０の駆動手段を有する断面矩形の筒体部２０と、カッタヘッド１０と筒体部２０との間に形成されたチャンバ３０と、掘進方向に進退する複数のカッティングビット４０，４０，…と、を備えるトンネル掘削機１であって、カッティングビット４０，４０，…は、正面視したときに、筒体部２０の周縁角部に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、矩形断面のトンネルを構築するためのトンネル掘削機およびトンネル掘削方法に関する。

シールド機やトンネルボーリングマシン（以下「ＴＢＭ」という場合がある）等のトンネル掘削機は、基本的には、トンネル軸を中心に回転し地山を掘削するカッタヘッドと、カッタヘッドの後方に配置されてトンネル掘削機の動力やジャッキ等を保護するシールド部とから構成されている。

このようなトンネル掘削機により形成されるトンネルの断面形状は、円形を呈している。ところが、トンネルの使用目的等により、矩形断面のトンネルを構築する場合がある。
そのため、近年、矩形断面のトンネルを掘削することが可能のトンネル掘削機が、多数開発されている。

例えば、特許文献１には、伸縮式のカッタスポークを備えたカッタヘッドを利用して、矩形断面のコーナー部において、カッタスポークを伸張させることにより掘削するトンネル掘削機が開示されている。
また、特許文献２には、円形断面の掘削を行うカッタヘッドに加え、矩形断面のコーナー部（四隅）において、扇断面の掘削を行う揺動式カッタを備えるトンネル掘削機が開示されている。

特開２０００−１９２７８４号公報 特開平１０−３１７８８５号公報

ところが、玉石層や砂レキ層あるいは土丹等の硬質地盤等において、矩形断面のトンネルを構築する場合に、前記従来の掘削機を使用すると、カッタヘッドの回転や揺動式カッタの揺動に伴い玉石やレキが移動、回転してしまい、これらの玉石やレキを破砕できずに掘進できなくなる場合があった。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、地山の地質条件に限定されることなく矩形掘削を行うことを可能としたトンネル掘削機およびこのトンネル掘削機を利用したトンネル掘削方法を提案することを課題とする。

前記の課題を解決するために、本発明は、トンネル軸回りに回転するカッタヘッドと、前記カッタヘッドの後方に配置され、該カッタヘッドの駆動手段を有する断面矩形の筒体部と、前記カッタヘッドと前記筒体部との間に形成されたチャンバと、掘進方向に進退する複数のカッティングビットと、を備えるトンネル掘削機であって、前記カッティングビットは、正面視したときに、前記筒体部の周縁角部に配置されていることを特徴としている。

かかる掘削機によれば、角部に設けられたカッティングビットが、カッタヘッドで掘り残した玉石層やレキ層あるいは土丹等の硬質地盤等を押し切るため、玉石層や砂レキ層あるいは土丹等の硬質地盤等において、掘削不能となることがない。

また、前記トンネル掘削機の複数のカッティングビットが、カッタヘッドの後方に配設されていれば、カッティングビットにより押し切られた地山は、チャンバ内にそのまま投入されるため、効率的である。

また、前記筒体部の一辺に並設された複数の前記カッティングビットの先端を結ぶ線が、中央部で前側に凸となるように配置されていれば、掘削効率がより向上する。

また、前記カッティングビットが、前記チャンバ内に収容されており、前記カッティングビットの先端はカッタヘッドの後方に位置していれば、チャンバ内に入った玉石等を搬出可能な形状に切り崩すことが可能となる。

また、カッティングジャッキの先端に、コーン型カッタビットを備えていれば、玉石やレキの破砕により効果的である。

また、本発明のトンネル掘削方法は、前記トンネル掘削機を複数台並設し、前記トンネル掘削機の前記筒体部同士を連結させた状態で掘削を行うことを特徴としている。

かかるトンネル掘削方法によれば、掘削断面の大断面化が可能となるため、大断面トンネルの早期施工を図ることが可能となる。

本発明のトンネル掘削機によれば、地山の地質条件に限定されることなく矩形掘削を行うことが可能となる。また、本発明のトンネル掘削方法によれば、簡易に大断面トンネルの施工を行うことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。

本実施形態に係るトンネル掘削機１は、図１に示すように、トンネル軸回りに回転するカッタヘッド１０と、カッタヘッド１０の後方に配置され、このカッタヘッド１０の駆動手段を有する断面矩形の筒体部２０と、カッタヘッド１０と筒体部２０との間に形成されたチャンバ３０と、掘進方向に進退する複数のカッティングビット４０，４０，…とを備えている。

カッタヘッド１０は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、カッタスポーク１１と、その後面の中心に後方向に突出された円柱状のセンターシャフト１２と、カッタスポーク１１を構成する各スポーク部材１４の外周側の後面から後方向に突出された支持部材１３，１３，…と、から構成されている。
なお、カッタヘッド１０の支持方式には、センター支持方式、中間支持方式、および外周支持方式があるが、本実施形態では、外周支持方式を例示する。

カッタスポーク１１は、図２（ａ）に示すように、複数のカッタビット１５，１５，…が並設された４本のスポーク部材１４，１４，…が交わることにより、正面視でＸ字状を呈している。
また、カッタスポーク１１の中心部分であって、スポーク部材１４同士の交点には、縦断面視で５角形に形成されたセンタービット１６が突設されている。

センターシャフト１２は、加泥材の供給路であって、坑口側から輸送された加泥材を、カッタヘッド１０の前面側へと輸送する管路である。

支持部材１３は、スポーク部材１４を後側から支持するとともに、チャンバ３０内の土砂を撹拌する役目を果たす。また、支持部材１３の後端（坑口側の端部）は、旋回リング１８に固定されている。支持部材１３とスポーク部材１４の形状や数などは限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

カッタヘッド１０は、筒体部２０の内部に配設された駆動手段１７により旋回リング１８に動力が付与されることにより、支持部材１３を介してセンターシャフト１２を中心に回転する。なお、駆動手段１７の構成は限定されるものではなく、適宜公知の駆動手段の中から選定して使用すればよい。

また、カッタヘッド１０の形状は限定されるものではなく、例えば、面盤形式のカッタヘッドを採用するなど、カッタヘッド１０の形状は適宜設定することが可能である。また、スポーク部材１４が伸縮機能を備えていることで、長方形断面に対応する構成としてもよい。

筒体部２０は、カッタヘッド１０の後方に位置されていて、トンネル掘削機１の内部の各種設備（例えば、駆動手段１７や土砂搬送手段２２等）を防護する。本実施形態に係る筒体部２０は、図２（ａ）に示すように、構成部材により断面矩形に形成されている。

チャンバ３０は、カッタヘッド１０の背面であって筒体部２０の前部において、カッタヘッド１０により掘削された土砂が一時的に堆積される空間である。チャンバ３０と筒体部２０との内部は、隔壁２１を介して分離されている。チャンバ３０内に投入された土砂は、筒体部２０の前面に形成された隔壁２１を貫通して配設される土砂搬送手段２２を介してトンネル内へ取り込まれる。

筒体部２０は、図２（ｂ）に示すように、前後２体の筒部材２３，２４を連結してなり、筒体部２３、２４の連結部には、両筒体部２３，２４に跨って方向修正ジャッキ２５が配設されており、筒部材２３，２４の連結部に置いて、筒部材２３，２４同士の角度を変化させて折り曲げることにより、筒体部２０の方向修正が可能に構成されている。

また、筒体部２０の内部には図示しないシールドジャッキが配置されており、筒体部２０の坑口側に配設された函体を土台としたシールドジャッキの推力により、トンネル掘削機１が前進するように構成されている。なお、推進工法においては、筒体部２０の内部にシールドジャッキが無くてもよい。

カッティングビット４０，４０，…は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、正面視した（切羽側から望んだ）ときに、筒体部２０の周縁角部に配置されているとともに、カッタヘッド１０の後方に配設されている。周縁角部とは、カッタヘッド１０の最外周の回転軌跡Ｃの外側の三角形状部分である。

カッティングビット４０，４０，…は、筒体部２０の四辺に並設されており、筒体部２０の一辺に並設された複数のカッティングビット４０，４０，…は、その先端を揃えていても良いし、またその先端を結ぶ線Ｌが、前側に凸となるように配置されていてもよい。

なお、矩形断面の筒体部２０の長辺（図２（ａ）において上下の辺）には、６個のカッティングビット４０が配設されており、長辺の中央部であってカッタスポーク１１の通過位置（カッタヘッド１０の回転軌跡Ｃ内）に重なる部分では、カッティングビット４０の配設が省略されている。ここで、カッティングビット４０は、カッタヘッド１０の回転軌跡Ｃとコーン型ビット４２が重ならないように配置されている。
一方、カッタヘッド１０の回転軌跡Ｃの外側に位置する筒体部２０の短辺（図２（ａ）において左右の辺）には、７つのカッティングビット４０が全長にわたって配設されている。

カッティングビット４０は、前後方向に伸縮するジャッキ（シリンダー）を備えて構成されており、地山状況等に応じて伸張長さを調節することが可能である。前後方向に伸縮するジャッキ動作によりカッタビット４０、４０…は、その先端を結ぶ線Ｌが、前側に凸となることが可能である。このような伸縮（摺動）により堀残した部分の玉石を割ったり硬質土を崩すことができる。

さらに、本実施形態に係るトンネル掘削機１は、チャンバ３０内であって、掘削断面の角部（カッタヘッド１０の回転軌跡Ｃと筒状体２０とにより形成される三角形状部）に、それぞれ３個のカッティングビット４０，４０，４０が配置されている。

カッティングビット４０は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、先端側（図３（ｂ）において左側）に傾斜面４１ａを有した五角形断面からなる本体部４１と、本体部４１の先端部の中央に突設されたコーン型ビット４２により構成されている。また、本体部４１には、軸部４２が摺動可能に収容されていることで、カッティングビット４０の伸縮が可能に構成されている。 ここで、コーン型ビット４２は、本体部４１に収容された軸部と、軸部の先端に形成された円錐状部とを備えて構成されている。
カッティングビット４０の構成や断面形状等は前記のものに限定されるものではなく、例えば、図３（ｃ）示すカッティングビット４０’のように先端側に曲率した面４１ａ’を有していてもよく、適宜設定することが可能である。

次に、本実施形態に係るトンネル掘削機１を利用した地下構造物Ｔの築造方法の一例を、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

地下構造物Ｔを築造するには、まず、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、その断面内の下部に一本目のトンネルＴ１を構築したうえで、この一本目のトンネルＴ１の上に二本目のトンネルＴ２を構築する。

トンネルＴ１のトンネル掘削方法は、図４（ａ）に示すように、２台のトンネル掘削機１を横方向に並設させた状態で連結し、トンネル掘削機１，１により同時に掘進することで、横方向に長い長方形断面で行う。
ここで、トンネル掘削機１同士の連結は、後側の筒体部２４（図２参照）同士を互いに固定することにより行う。本実施形態に係る筒体部２４は、隣接する他のトンネル掘削機１側の面体が省略されており、並設された筒体部２４，２４により、１つの長方形空間が形成されるように構成されている。後続するトンネルＴ１（Ｔ２）の函体Ｔａは、この空間を利用して組立てることで、中柱のない或いは少ない長方形断面に形成される。なお、筒体部２０同士の連結方法は限定されるものではなく、例えば連結ボルトにより締着する等、適宜公知の方法により行えばよい。

また、トンネル掘削機１は、後側の筒体部２４のみが連結されて、前側の筒体部２３は連結されていないため、トンネル掘削機１毎に方向修正ジャッキ２５を操作することで前側の筒体部２３の向きを変化させて、トンネル掘削に伴う方向修正を行うことを可能としている。

トンネル掘削機１，１により掘削された掘削孔には、トンネル掘削機１，１に連続して函体Ｔａを随時配置されることで、一本目のトンネルＴ１を形成される。函体Ｔａには、トンネル掘削機１，１により形成された長方形断面の掘削孔に対応した断面形状のものを使用する。

トンネルＴ１の掘削は、カッタヘッド１０による掘削とともに、カッティングビット４０により押し切ることにより行う。このとき、カッティングビット４０は、土質や地山強度等に応じて適宜伸縮させながら行う。

一本目のトンネルＴ１の施工が完了したら、トンネル掘削機１，１を分解して回収する。なお、トンネル掘削機１の回収は、到達立坑から回収してもいいし、発進立坑から回収してもよい。また、トンネル掘削機１の回収時に、トンネル掘削機１を必ずしも分解する必要はない。

続いて、図４（ｂ）に示すように、一本目のトンネルＴ１の縦（上）隣に、トンネルＴ１と同様に、トンネル掘削機１，１により二本目のトンネルＴ２を構築する。このとき、二本目のトンネルＴ２を掘削する際に発生する一本目のトンネルＴ１への荷重を受けるために、一本目のトンネルＴ１空間内に、支柱Ｓを配置することもある。支柱Ｓは必要に応じて配置すればよく、省略してもよい。また、配置される支柱Ｓの形状寸法や本数は限定されるものではない。
なお、トンネルＴ１とトンネルＴ２の構築順序は、図示のもの（前記の順序）に限らず、適宜変更しても差し支えない。また、後行のトンネルＴ２を構築する際には、適宜公知の継手を介して隣り合うトンネルＴ１と互いに連結させた状態で行う。

トンネルＴ１，Ｔ２の構築が完了したら、図４（ｃ）に示すように、上下に隣接する函体Ｔａ，Ｔａの残置する部分を、両函体Ｔａ，Ｔａに跨って配設された固定手段（本実施形態では目板）Ｔｂを固定することにより連結し、トンネルＴ１とトンネルＴ２を連結する。

そして、図４（ｄ）に示すように、地下構造物Ｔの断面形状に合せて、函体Ｔａ，Ｔａの不要な部分を撤去して大きな空間を形成する。さらに、地山との境界（すなわち、地下構造物Ｔの外縁）に沿って残置されたトンネルＴ１，Ｔ２の覆工（函体Ｔａの一部）を利用して本設の頂版ＴＡ、底版ＴＢおよび側壁ＴＣ，ＴＣを形成すると、地下構造物Ｔとなる。なお、函体Ｔａの不要な部分を全部撤去した後に頂版ＴＡ、底版ＴＢおよび側壁ＴＣ，ＴＣを形成してもよいし、函体Ｔａの一部を撤去しつつ、地下構造物Ｔの頂版ＴＡ、底版ＴＢおよび側壁ＴＣ，ＴＣを構築してもよい。また、頂版ＴＡ、底版ＴＢおよび側壁ＴＣ,ＴＣの構築完了後に不要な部分の撤去を行ってもよい。

以上、本実施形態に係るトンネル掘削機１によれば、カッティングビット４０，４０，…が、筒体部２０の周縁角部に設けられているため、玉石層や砂礫層あるいは土丹等の硬質地盤などでも矩形状の掘削が可能である。
つまり、筒体部２０の各辺に設けられたカッティングビット４０，４０，…が玉石層や砂礫層あるいは土丹等の硬質地盤等を押し切ることで、断面矩形に削孔を行うことを可能としている。

また、カッティングビット４０の先端には、コーン型ビット４２が突設されているため、玉石やレキを押し割ることを可能としている。

また、上面（筒体部の上辺）に配置されたカッティングビット４０，４０，…が先受け効果を発揮するため、地山の崩落が防止される。

カッティングビット４０，４０，…により押し切られた地山は、カッタヘッド１０により穿孔掘削された空間に崩れ落ち、チャンバ３０内に送り込まれる。
チャンバ３０内に落下した地山は、搬送可能な形状に押し割られているため、玉石層や砂礫層あるいは土丹等の硬質地盤等において、掘削不能となることが防止される。

また、筒体部２０の各辺に並設された複数のカッティングビット４０，４０，…の先端を結ぶ線が中央部で前側に凸となるように配置されていることにより、掘削機１の先端部がコーン型に形成され、掘削機１を地山へ押し込みやすい。

また、トンネル掘削機１は、方向修正ジャッキ２５等による方向修正機能を備えているため、トンネル掘削時に適宜方向修正を行うことが可能である。

また、前記トンネル掘削方法によれば、複数のトンネル掘削機１，１を連結させた状態でトンネル掘削を行うことで、単独のトンネル掘削機１で複数本のトンネルを形成し、隣接するトンネル同士の境界部の覆工を撤去して１つの大空間を形成する施工方法と比較して、トンネル掘削作業の回数（トンネルの本数）を省略することで早期施工化が可能となる。また、撤去する覆工の量を減らすことで、撤去作業の手間を省略するとともに、覆工の材料費および処分費を削減することで施工費用の削減も可能となる。そのため、大断面トンネルの施工をより効率的かつ安価に行うことが可能となる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、カッティングビットの配置は限定されるものではなく、適宜設定してもよい。

また、チャンバ内のカッティングビットは、必要に応じて配置すればよく、省略してもよい。
また、カッティングビットの構成は限定されるものではなく、適宜公知のビットが採用可能である。

また、前記実施形態では、２台のトンネル掘削機を横方向で連結した状態で掘削する場合について説明したが、上下方向で連結してもよい。また、掘削時に連結するトンネル掘削機の台数は限定されるものではなく、３台以上連結してもよい。さらに、１台のトンネル掘削機で掘削してもよいことはいうまでもない。

また、トンネルの掘削断面が正方形に近い場合には、カッティングビットを筒体部の周縁角部のみに配置すればよい。

また、地山の強度や地質条件に応じて、カッティングビットの出代を調節することが可能であるとともに、カッティングビットの先端を結ぶ直線の角度を調節することが可能である。また、カッティングジャッキは、単独でも群でも、あるいは隣接する同士でも隔てた同士でも、動作するジャッキの組合せは、土質等に応じて可能である。

また、コーン型ビットは、必要に応じて採用すればよく、カッティングビットの構成は限定されるものではない。

本発明の好適な実施の形態に係るトンネル掘削機を示す斜視図である。 （ａ）は図１に示すトンネル掘削機を前面から望む正面図、（ｂ）は図１に示すトンネル掘削機の縦断面図である。 （ａ）は図１に示すトンネル掘削機のカッティングビットを示す斜視図、（ｂ）は同縦断図、（ｃ）は同カッティングビットの変形例を示す縦断図である。 （ａ）〜（ｄ）は図１に示すトンネル掘削機を利用した地下構造物の築造手順を示す断面図である。

符号の説明

１ トンネル掘削機
１０ カッタヘッド
２０ 筒体部
３０ チャンバ
４０ カッティングビット
４２ コーン型ビット（コーン型カッタビット）

Claims (6)

1. トンネル軸回りに回転するカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドの後方に配置され、該カッタヘッドの駆動手段を有する断面矩形の筒体部と、
   前記カッタヘッドと前記筒体部との間に形成されたチャンバと、
   掘進方向に進退する複数のカッティングビットと、を備えるトンネル掘削機であって、
   前記カッティングビットは、正面視したときに、前記筒体部の周縁角部に配置されていることを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記カッティングビットが前記カッタヘッドの後方に配設さ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. 前記筒体部の一辺に並設された前記複数のカッティングビットは、その先端を結ぶ線が、前側に凸となるように配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記カッティングビットが、前記チャンバ内に収容されており、前記カッティングビットの先端はカッタヘッドの後方に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。
5. 前記カッティングビットの先端に、コーン型カッタビットを備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のトンネル掘削機を複数台並設し、前記トンネル掘削機の前記筒体部同士を連結させた状態で掘削を行うことを特徴とするトンネル掘削方法。

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