JP2010196386A - トンネル掘削機及び該トンネル掘削機を用いた支障物撤去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに少ない施工費で支障物切削が行えるトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】筒状をなす掘削機本体１１の前胴１１ａにカッタヘッド１５を回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜した第１〜第４カッタスポーク１７ａ〜１７ｄに複数の土砂用切削ビット３２と複数の支障物切削ビット３３を設けると共に第１〜第４カッタ面板１６ａ〜１６ｄに支障物切削ビット３４を多数設け、そのうちの支障物切削ビット４０は、フィッシュテールカッタを廃止したセンターシャフト３０の蓋板３７表面での土砂攪拌用の流路Ｇ１，Ｇ２を確保しつつ、当該蓋板３７まで取付範囲を拡大して設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、掘進先にＨ型鋼や鋼矢板（シートパイル）等の支障物があった場合でも安全かつ確実に支障物を撤去してトンネルを掘削可能なトンネル掘削機及び該トンネル掘削機を用いた支障物撤去方法に関する。

近年、都市土木，下水道工事における排水管等の布設に伴い、地中支障物（Ｈ型鋼や鋼矢板（シートパイル）等の障害物）に遭遇することが多くなってきている。この場合、一般的なシールド掘削機（トンネル掘削機）では、次のような理由で支障物を撤去することが困難なため、人間が切羽に出て直接ガス溶断などの方法で撤去するしかなく、危険性の高い作業を行なう必要があった。

（１）切削中の支障物が動いてしまうと、カッタヘッドにからみつき、シールド掘削機が掘進不能に陥ると共にビットが欠損する虞がある。
（２）カッタヘッド中央部のフィッシュテールカッタがひどく損傷する。
（３）通常の土砂切削用カッタビットで支障物を切削すると欠けてしまう。
（４）切削した支障物片が大きい場合、カッタヘッドやスクリュコンベアに絡みつき、シールド掘削機が掘進不能に陥る虞がある。

そこで、最近では、特許文献１で、筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜した前面部に複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設け、該支障物切削ビットのチップ先端角度を鈍角としたトンネル掘削機が開示されていると共に、前記トンネル掘削機を用いて掘進先の支障物を撤去する際に、支障物及び地盤におけるカッタヘッド中央のフィッシュテールカッタ通過部を先行して削孔しておく支障物撤去方法が開示されている。

特開２００６−１１８２８７号公報

ところで、特許文献１で開示されたようなトンネル掘削機及び支障物撤去方法にあっては、カッタヘッド中央のフィッシュテールカッタでの支障物切削は不可能であることから、支障物及び地盤におけるカッタヘッド中央のフィッシュテールカッタ通過部をボーリングにより先行して削孔していた。

しかしながら、このような先行切削にあたっては、近接の立坑から水平に実施することが多く、立坑の施工が可能か否かを含めて条件に制限が有ると共に大掛かりな削孔装置とトンネル掘削機の両方を使用するので、多大な施工費と施工期間を要するという問題点があった。

そこで、本発明は、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに少ない施工費と施工期間で支障物切削が行えるトンネル掘削機及び該トンネル掘削機を用いた支障物撤去方法を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜したカッタフェイスに、複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設けると共に、そのうちの支障物切削ビットは、フィッシュテールカッタを廃止したカッタフェイス中央部での土砂攪拌用の流路を確保しつつ、当該カッタフェイス中央部まで取付範囲を拡大して設けられることを特徴とする。

また、
前記カッタフェイスの中心部には、小径柱状のセンタービットを設けたことを特徴とする。

また、
前記カッタフェイスの中央部には、加泥剤を注入するための注入孔が開口形成されることを特徴とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係る支障物撤去方法は、前記トンネル掘削機を用いて掘進先の支障物を撤去する際に、必要に応じて、支障物及び地盤におけるカッタフェイスの中心部通過部を機内から先行して削孔しておくことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機によれば、従来のフィッシュテールカッタを廃止してカッタフェイス中央部にも複数の支障物切削ビットを配置すると共に、前記フィッシュテールカッタと同様に、カッタフェイス中央部における土砂攪拌機能を保持したので、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに、トンネル掘削機自体で支障物切削を行ないつつトンネルを掘削することができ、施工期間の短縮と施工費の削減が図れる。

本発明に係る支障物撤去方法によれば、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに、必要に応じて、支障物及び地盤におけるカッタフェイスの中心部通過部を簡易な小口径ボーリング等で先行切削を行なう一方、カッタフェイスの大部分に相当する部分においてはトンネル掘削機自体で支障物切削を行ないつつトンネルを掘削することができ、施工期間の短縮と施工費の削減が図れる。

本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の概略構成図である。 カッタヘッドの正面図である。 カッタヘッドの中央部の説明図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 センタービットの説明図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機及び該トンネル掘削機を用いた支障物撤去方法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泥土圧式シールド掘削機の概略構成図、図２はカッタヘッドの正面図、図３はカッタヘッドの中央部の説明図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図、図５は図３のＢ−Ｂ線断面図、図６はセンタービットの説明図である。

図１に示すように、トンネル掘削作業に用いられる本実施例の泥土圧式シールド掘削機１０において、筒状をなす掘削機本体１１の前部（前胴１１ａ）にはバルクヘッド１２が形成され、このバルクヘッド１２にはリングギア付き軸受１３によりテーパ筒状の回転体１４が回転自在に支持され、この回転体１４に後述する第１〜第４カッタ面板（カッタフェイス）１６ａ〜１６ｄ及び第１〜第４カッタスポーク（カッタフェイス）１７ａ〜１７ｄが先細りの円錐状に傾斜する傾斜型のカッタヘッド１５が装着されている。回転体１４と掘削機本体１１の前胴１１ａとの間にはシール１８があり、リングギア付き軸受１３のギアの噛み合わせ部分へ土砂などの異物が侵入するのを防いでいる。

カッタヘッド１５及び回転体１４の後部には前述したリングギア付き軸受１３が連接される一方、掘削機本体１１の前胴１１ａには駆動モータ１９が装着され、この駆動モータ１９の駆動ギア２０がリングギア付き軸受１３のリングギア部に噛み合っている。従って、駆動モータ１９を駆動して駆動ギア２０を回転駆動すると、リングギア付き軸受１３及び回転体１４を介してカッタヘッド１５を回転することができる。

一方、掘削機本体１１内にはスクリュコンベア２１が配設されており、前端部がバルクヘッド１２を貫通してチャンバ２２に連通されている。また、掘削機本体１１の後部（後胴１１ｂ）にはリングガータ２３が形成され、このリングガータ２３の外周部には周方向に沿って複数のシールドジャッキ２４が配設されると共に、その内周部には旋回モータ２５により旋回駆動される旋回リング２６が旋回可能に支持され、この旋回リング２６にセグメントＳを組立てるエレクタ装置２７が装着されている。従って、シールドジャッキ２４が掘進方向後方に伸長してそのスプレッダ２４ａを既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進させることができると共に、エレクタ装置２７により前進した掘削機本体１１（後胴１１ｂ）と既設のセグメントＳとの空所に新しいセグメントＳを組み付けることができる。

また、掘削機本体１１の前胴１１ａと後胴１１ｂとは、球面継手部材２８を介して連結され、前胴１１ａと後胴１１ｂとの間に介装された複数の中折れジャッキ２９の伸縮により掘削機本体１１が所定方向に中折れ可能になっている。

図２にも示すように、カッタヘッド１５は、第１〜第４カッタ面板（カッタフェイス）１６ａ〜１６ｄと第１〜第４カッタスポーク（カッタフェイス）１７ａ〜１７ｄが周方向へ交互に等配されて（即ち、４５°間隔で配置されて）センターシャフト３０と外周リング３１に支持されてなり、各第１〜第４カッタスポーク１７ａ〜１７ｄの両側に土砂用切削ビット３２がまた中央部にスポーク取付用の支障物切削ビット３３が多数装着され、各第１〜第４カッタ面板１６ａ〜１６ｄに面板取付用の支障物切削ビット３４が多数装着されている。また、第１及び第３カッタスポーク１７ａ，１７ｃには押出ジャッキ３５によってカッタヘッド１５の径方向に突出可能なコピーカッタ３６が内蔵される。

そして、前記土砂用切削ビット３２は、そのかんな刃状の超硬チップが所定のすくい角と逃げ角を有してチップ先端角度が鋭角になっている。一方、スポーク取付用の支障物切削ビット３３は、一つ（複数でも良い）の超硬チップを中心にして切削方向（カッタヘッド１５の周方向）に対称な山型状に形成されて土砂用切削ビット３２の超硬チップと比較するとすくい角がマイナスとなっており、チップ先端角度が鈍角であると言える。また、面板取付用の支障物切削ビット３４は複数の超硬チップを切削方向に所定の間隔をおいて埋設するも切削方向に対称な円弧状に形成されて、スポーク取付用の支障物切削ビット３３と同様に、すくい角がマイナスとなっており、チップ先端角度が鈍角であると言える。

また、図３乃至図５に示すように、カッタフェイスの中央部とも言えるセンターシャフト３０におけるフラットな蓋板３７の表面には、第１カッタ面板１６ａと第３カッタ面板１６ｃとを直径線状に（一文字状に）連続する取付台３８を介して、後述するセンタービット３９とその両側に位置して第１カッタ面板１６ａ側に２個、第３カッタ面板１６ｃ側に３個の蓋板取付用の支障物切削ビット４０が装着されると共に、この取付台３８を挟んで第２カッタ面板１６ｂと第４カッタ面板１６ｄとを概ね直径線状に（一文字状に）連続する、分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂを介して、第２カッタ面板１６ｂ側に３個、第４カッタ面板１６ｄ側に２個の蓋板取付用の支障物切削ビット４０が装着される。

前記蓋板取付用の支障物切削ビット４０は、スポーク取付用の支障物切削ビット３３や面板取付用の支障物切削ビット３４と同様に、チップ先端角度が鈍角に形成される。また、スポーク取付用の支障物切削ビット３３、面板取付用の支障物切削ビット３４及び蓋板取付用の支障物切削ビット４０は、カッタヘッド１５の半径方向に隣り合うパスのものとラップさせて配置し、ビット間に隙間をあけないようになっている（図２参照）。

前記取付台３８の取付面は、前記センタービット３９が取り付けられる平面部を境に外方下がりの傾斜面で形成されると共に、分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂの取付面もそれぞれ外方下がりの傾斜面で形成されて、先細りの円錐状に傾斜されるカッタフェイスの形状に沿わされている。

また、前記取付台３８の両側面と分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂの分断面との間には、所定の隙間Ｇ１，Ｇ２が形成され、この隙間Ｇ１，Ｇ２が土砂攪拌用の流路を形成している。即ち、蓋板３７の表面において第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路が形成され、この流路（隙間Ｇ１，Ｇ２）により、従来のフィッシュテールカッタによる土砂攪拌機能を保持しているのである。

また、蓋板３７の表面には、第１カッタ面板１６ａと第４カッタ面板１６ｄとの間に位置して加泥剤を注入するための注入孔４２が開口形成される。この注入孔４２にはセンターシャフト３０内の配管ブロック４３やバルクヘッド１２におけるロータリジョイント４４等の配管経路を介して図示しない加泥剤供給源から加泥剤が供給されるようになっている。尚、図４及び図５中４５は蓋板３７の補強板である。また、第２及び第４カッタスポーク１７ｂ，１７ｄの表面にも加泥剤を注入するための注入孔４２が開口形成され、図示しない配管経路を介して加泥剤供給源から加泥剤が供給されるようになっている。

前記センタービット３９は、図６に示すように、先端面が円錐状に突出された例えば１５０ｍｍ程度の小径柱状（図示例では円柱状）の本体部３９ａに、先端面から外周面にかけて複数の超硬チップ３９ｂを周方向にとびとびに埋設してなるものである。

従って、このように構成された泥土圧式シールド掘削機１０にてトンネルを掘削するには、図１に示すように、駆動モータ１９によりカッタヘッド１５を回転させながら複数のシールドジャッキ２４を伸長すると、既設のセグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１が前進し、センタービット３９と蓋板取付用の各支障物切削ビット４０と土砂用切削ビット３２とスポーク取付用の支障物切削ビット３３と面板取付用の支障物切削ビット３４とが、前方に位置するものから順に、前方の地盤（切羽）を掘削する。

そして、掘削された土砂はチャンバ２２内に取り込まれ、スクリューコンベヤ２１によって外部に排出される。その後、シールドジャッキ２４の何れか一つを縮み方向に作動して既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置２７によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによってトンネルを連続的に掘削形成していくことになる。尚、掘削された土砂がチャンバ２２内に取り込まれる際、従来のフィッシュテールカッタを廃止した蓋板３７の表面上（即ち、カッタフェイスの中央部）においては、第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路Ｇ１，Ｇ２が取付台３８の両側に形成されているので、従来のフィッシュテールカッタ同様、土砂の攪拌機能が良好に発揮されてチャンバ２２内に掘削土砂が円滑に取り込まれる。

この掘削途中で、Ｈ型鋼や鋼矢板（シートパイル）等の支障物に遭遇した際には、上述したようなカッタヘッド１５の形状とセンタービット３９及び各支障物切削ビット４０，３３，３４の形状及び配置で効果的に支障物を切削することができる。

即ち、カッタ面板１６及びカッタスポーク１７が円錐状に傾斜する（例えば５°〜１０°）傾斜型のカッタヘッド１５により、カッタヘッドに傾斜が無いものに比べて、支障物切削範囲が小さくなり、切削抵抗の低減が図れるのである。

また、各支障物切削ビット４０，３３，３４におけるチップ先端角度が鈍角であると共に、切削方向（カッタヘッド１５の周方向）に対称な山型状や円弧状に形成されて一つのビットでカッタヘッド１５の左，右両回転に対応可能となっているので、一般的な土砂用切削ビット３２に比べて、切削効率や耐久性が高い。

また、各支障物切削ビット４０，３３，３４は、カッタヘッド１５の半径方向に隣り合うパスのものとラップさせて配置し、ビット間に隙間をあけないようになっているので、支障物を可及的に小片で切削でき、切削片を迅速かつ円滑にチャンバ２２内に取り込み、スクリュコンベア２１で排出することができる。

このようにして本実施例によれば、フィッシュテールカッタを廃止した蓋板３７の表面上（即ち、カッタフェイスの中央部）にも複数の支障物切削ビット４０を配置すると共に、前記フィッシュテールカッタと同様に、第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路Ｇ１，Ｇ２を形成してカッタフェイスの中央部における土砂攪拌機能を保持したので、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに、トンネル掘削機自体で支障物切削を行ないつつトンネルを掘削することができる。

また、本実施例において、本泥土圧式シールド掘削機１０のカッタヘッド１５のみでは掘進先の支障物を切削することができない虞がある時は、必要に応じて、支障物及び地盤におけるカッタフェイスの中心部通過部（センタービット３９通過部）を機内より小口径ボーリング等によって１０ｍ程度手前斜めから先行して切削を実施しても良い。

これによっても、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに、必要に応じて、機内より支障物及び地盤におけるカッタフェイスの中心部通過部の先行切削を行なう一方、カッタフェイスの大部分に相当する部分においてはトンネル掘削機自体で支障物切削を行なうことができ、トンネルを迅速かつ安価に掘削することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、センタービット３９を小径の角柱状に形成するとか各支障物切削ビット４０，３３，３４の形状及び配置の変更を行っても良い。

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に限らず、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）等にも適用することができる。

１０ 泥土圧式シールド掘削機
１１ 掘削機本体
１１ａ 前胴
１１ｂ 後胴
１２ バルクヘッド
１３ リングギア付き軸受
１４ 回転体
１５ カッタヘッド
１６ａ〜１６ｄ 第１〜第４カッタ面板
１７ａ〜１７ｄ 第１〜第４カッタスポーク
１８ シール
１９ 駆動モータ
２０ 駆動ギア
２１ スクリュコンベア
２２ チャンバ
２３ リングガータ
２４ シールドジャッキ
２５ 旋回モータ
２６ 旋回リング
２７ エレクタ装置
２８ 球面継手部材
２９ 中折れジャッキ
３０ センターシャフト
３１ 外周リング
３２ 土砂用切削ビット
３３ スポーク取付用の支障物切削ビット
３４ 面板取付用の支障物切削ビット
３５ 押出ジャッキ
３６ コピーカッタ
３７ 蓋板
３８ 取付台
３９ センタービット
４０ 蓋板取付用の支障物切削ビット
４１ａ，４１ｂ 取付台
４２ 注入孔
４３ 配管ブロック
４４ ロータリジョイント
４５ 補強板
Ｇ１，Ｇ２ 隙間（流路）
Ｓ セグメント

Claims (4)

1. 筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜したカッタフェイスに、複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設けると共に、そのうちの支障物切削ビットは、フィッシュテールカッタを廃止したカッタフェイス中央部での土砂攪拌用の流路を確保しつつ、当該カッタフェイス中央部まで取付範囲を拡大して設けられることを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記カッタフェイスの中心部には、小径柱状のセンタービットを設けたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記カッタフェイスの中央部には、加泥剤を注入するための注入孔が開口形成され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. 請求項１，２又は３に記載のトンネル掘削機を用いて掘進先の支障物を撤去する際に、必要に応じて、支障物及び地盤におけるカッタフェイスの中心部通過部を機内から先行して削孔しておくことを特徴とする支障物撤去方法。

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