JP2018096085A - トンネル掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＢＭタイプとシールドタイプとに変更可能で、かつ、ＴＢＭタイプでの掘削時において地山に拘束され難い構造を備えたトンネル掘進機を提供する。
【解決手段】筒状の胴体部２と、カッターヘッド３と、チャンバー４と、胴体部の後側に設けられたジャッキ５とを備えたトンネル掘進機１において、胴体部２は、チャンバー４の直後における胴体部の外周側に形成された凹部６と、凹部６内に設けられて当該凹部６と掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面とで囲まれた密閉空間内において当該凹部６の開口６Ａを介して掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けるための吹付装置７と、トンネル空洞部の内面を臨む凹部６の開口６Ａを塞ぐ塞板９を着脱可能に取付けるための塞板着脱部１０とを備えた。
【選択図】図８

Description

本発明は、ＮＡＴＭ工法によって掘進するＴＢＭタイプとシールド工法によって掘進するシールドタイプとに変更可能なトンネル掘進機に関する。

ＮＡＴＭ工法によって掘削するＴＢＭタイプとシールド工法によって掘削するシールドタイプとに変更可能なトンネル掘進機が知られている（特許文献１参照）。
即ち、地山が岩盤層のような比較的安定した地盤である場合において、カッターヘッドで掘削して形成されたトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けて覆工を構築し、この覆工の内面にグリッパを突っ張らせて推進用のジャッキの推進反力を取ることにより掘進するＴＢＭタイプと、地山が土砂層のような軟弱地盤である場合において、カッターヘッドで掘削して形成されたトンネル空洞部の内面にセグメントを組立てて、推進用のジャッキのピストンをセグメントの前端面に押し付けて推進反力を取ることにより掘進するシールドタイプとに変更可能なように構成されたトンネル掘進機である。

特開２００２−１２９８８８号公報

特許文献１に開示されたトンネル掘進機では、カッターヘッドの後方に位置するチャンバーの後方に延長するように設けられたシールドシェル（スキンプレート）を備え、ＴＢＭタイプでの掘削時においては、シールドシェルの後端よりも後方の位置でトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けている。
従って、掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面は、シールドシェルの後端よりも後方の位置でコンクリートが吹き付けられて安定するまでの間、シールドシェルで支持されているので、シールドシェルで支持される掘削直後のトンネル空洞部の周囲の地山が緩みやすく、緩んだ地山によってシールドシェルが拘束されやすくなり、トンネル掘進機が掘進できなくなりやすいという構造上の問題がある。
本発明は、ＴＢＭタイプとシールドタイプとに変更可能で、かつ、ＴＢＭタイプでの掘削時において地山に拘束されにくい構造を備えたトンネル掘進機を提供するものである。

本発明に係るトンネル掘進機は、筒状の胴体部と、胴体部の前方に位置されて当該胴体部の中心軸を回転中心として回転可能なように胴体部に取付けられてトンネル空洞部を形成するためのカッターヘッドと、カッターヘッドの後側と胴体部の前側とで囲まれたチャンバーと、胴体部の後側に設けられたジャッキとを備え、ジャッキの駆動により推進しながらカッターヘッドを回転駆動させることによってカッターヘッドで地山を掘削して掘進するトンネル掘進機において、胴体部は、チャンバーの直後における胴体部の外周側に形成された凹部と、凹部内に設けられて当該凹部と掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面とで囲まれた密閉空間内において当該凹部の開口を介して掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けるための吹付装置と、トンネル空洞部の内面を臨む凹部の開口を塞ぐ塞板を着脱可能に取付けるための塞板着脱部とを備え、地山の状態に応じて、吹付装置で掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面に凹部の開口を介してコンクリートを吹き付けながら掘進するか、又は、塞板着脱部に塞板を取付けて当該塞板で凹部の開口を塞いだ状態で掘進するかを、選択可能に構成されたことを特徴とするので、ＴＢＭタイプでの掘削時において掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けることができて、掘削直後の地山の緩みを防止できる。従って、ＴＢＭタイプとシールドタイプとに変更可能で、かつ、ＴＢＭタイプでの掘削時において地山に拘束されにくい構造を備えたトンネル掘進機を提供できる。
また、カッターヘッドは、回転中心から放射状に設けられた複数のスポークと、スポークの前面に設けられたカッタービットとを備え、胴体部は、前面板の下部に当該前面板を貫通する下部開口を備え、カッターヘッドで掘削されたズリが下部開口を介して胴体部の後方に搬送装置で搬送されるか、又は、少なくとも１本のスポークが着脱可能に設けられており、当該スポークが取り外された開口部分が下部開口の前方に位置されるように、カッターヘッドの回転を制御し、胴体部の内側から下部開口及び開口部分を介してカッターヘッドの前方に重機を移動させることが可能に構成されたので、トンネル掘進機での掘削が行えなくなった場合に、前方地山の発破掘削を行った後、カッターヘッドの下部前方位置に重機を移動して発破掘削のズリをチャンバー内に搬送することができるようになったり、万が一、トンネル掘進機が地山に拘束されて掘進できなくなった場合、前方地山の発破掘削を行った後、カッターヘッドの下部前方位置に重機を移動して発破掘削のズリをチャンバー内に搬送することにより、カッターヘッドの前方に作業スペースを形成でき、カッターヘッドの前方側からトンネル掘進機の拘束状態を解除する作業を行うことができるようになる。
また、胴体部が、前面板の中央部に当該前面板を貫通する中央開口を備え、カッターヘッドが、回転中心となる中央部に貫通孔を備え、胴体部の内側には切羽よりも前方の地山に先進ボーリングを行う先進ボーリング装置を備え、先進ボーリング装置の掘削ビットを中央開口及び貫通孔を介して切羽よりも前方の地山に進行させて切羽よりも前方の地山の地質を検査可能に構成されたので、前方の地山の状況を事前に知ることができるようになり、トンネル掘進機のタイプを地山の状況に応じた適切なタイプにして、トンネルを確実に施工できるようになる。

トンネル掘進機のＴＢＭタイプの構成を示す断面図。 トンネル掘進機の胴体部を前側から見た図。 胴体部における前側部及び中間部の内部構造を示す斜視図。 胴体部における前側部、中間部及びカッターヘッドを示す斜視図。 トンネル掘進機をカッターヘッドの前側から見た図。 反力支持装置の構成を示す図。 カッターヘッドの前側に重機が移動した状態を示す斜視図。 トンネル掘進機のシールドタイプの構成を示す断面図。

図１乃至図８を参照し、実施形態に係るトンネル掘進機１の構成を説明する。
尚、以下の説明において、前（先頭）、後、上、下、左、右は、トンネル掘進機１の掘進方向を基準とした方向である。

図１に示すように、トンネル掘進機１は、基部となる筒状の胴体部２と、胴体部２の前方に設けられたカッターヘッド３と、カッターヘッド３と胴体部２との間に位置されるチャンバー４と、胴体部２の後側に設けられたジャッキ５とを備え、ジャッキ５の駆動により推進しながらカッターヘッド３を回転駆動させることによってカッターヘッド３で地山を掘削して掘進する構成である。
カッターヘッド３は、胴体部２の前方に位置されて当該胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心として回転可能なように胴体部２に取付けられて断面円形の円筒状のトンネル空洞部を形成するための面状掘削手段である。
チャンバー４は、カッターヘッド３の後側と胴体部２の前側とで囲まれてカッターヘッド３で切削されたズリ（掘削土砂）が取込まれる取込空間であり、当該チャンバー４内に取り込まれたズリは、搬送装置としてのズリ搬送コンベヤ４５により胴体部２の後方に搬送される。

胴体部２は、上述したカッターヘッド３、ジャッキ５、ズリ搬送コンベヤ４５、図外のセグメント組立装置であるエレクター、図外の長尺先受け装置等の他に、チャンバー４の直後における胴体部２の外周側に形成された凹部６と、吹付装置７と、カッターヘッド３の左右の側部側の地山を掘削する側部掘削手段としてのブームカッター８と、掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面を臨む凹部６の開口６Ａを塞ぐ塞板９を着脱可能に取付けるための塞板着脱部１０と、切羽よりも前方の地山に対して先進ボーリングを行う先進ボーリング装置１１とが設けられている。
吹付装置７は、凹部６内に設けられたノズル７１，７２と、当該ノズル７１，７２に加圧された吹付用の支保材としてのコンクリートを供給する図外のコンクリート供給手段とを備え、当該凹部６と掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面とで囲まれた密閉空間内において当該掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付ける装置である。

トンネル掘進機１は、地山を掘削して断面馬蹄形状の素掘り状態のトンネル空洞部を形成し、当該トンネル空洞部の内面の下部側にインバート１２を形成するとともに、当該トンネル空洞部の内面の上部側、及び、当該トンネル空洞部の内面の左右の側部側に覆工を形成して当該覆工の内面に反力支持装置１３を組み立てて、このインバート１２及び反力支持装置１３を推進反力の反力受として利用して掘進したり、あるいは、断面馬蹄形状の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にセグメント１６を組み立てて、当該セグメント１６を推進反力の反力受として利用して掘進する装置である（図１及び図８参照）。

つまり、トンネル掘進機１は、ＮＡＴＭ工法によってトンネルを掘削するＴＢＭタイプとシールド工法によってトンネルを掘削するシールドタイプとに交互に変更可能に構成されている。
ＴＢＭタイプは、掘削対象の地山の地質が比較的安定した岩盤層等である場合に使用される構成であり、図１に示すように、掘削した直後のトンネル空洞部の内面の上部側、及び、左右の側部側に吹付装置７によりコンクリートを吹付けて覆工１５を形成することにより、掘削した直後のトンネル空洞部の内面の上部側、及び、左右の側部側の地山の早期安定を図った後、トンネル掘進機１の後方に形成された当該トンネル空洞部の内面の下部側にインバート１２を形成するとともに、覆工１５の内面に反力支持装置１３を組み立てて、ジャッキ５のピストン５ａを当該インバート１２の前端面及び反力支持装置１３の前端面に押し付けることにより、当該インバート１２及び反力支持装置１３を推進反力の反力受として利用して掘進するように構成されている。
シールドタイプは、掘削対象の地山の地質が軟弱な土砂層等である場合に使用される構成であり、図８に示すように、塞板着脱部１０に塞板９を取付けて、掘削した直後のトンネル空洞部の内面の上部側、及び、左右の側部側の地山を塞板９で支持した後に、エレクターによって、塞板９の後方側にセグメント１６を組み立てて、ジャッキ５のピストン５ａを当該セグメント１６の前端面に押し付けることにより、当該セグメント１６を推進反力の反力受として利用して掘進するように構成されている。

即ち、トンネル掘進機１は、地山の状態に応じて、凹部６から吹付装置７で掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けながら掘進するＴＢＭタイプで施工を行うか、又は、凹部６の開口６Ａを塞ぐ塞板９で地山を支持しながら掘進するシールドタイプで施工を行うかを、選択可能に構成されている。

胴体部２は、前側部２Ａと、中間部２Ｂと、後側部２Ｃとを備える。

胴体部２を前側から見た図２に示すように、前側部２Ａは、前面板２１と、前面板２１の周縁より後方に延長する周壁２２と、隔壁２３と、後面板２４とを備え、周壁２２の左右側にそれぞれブームカッター設置部２Ｄが設けられ、上部に上部吹付装置設置部２Ｅが設けられる。

前面板２１は、胴体部２の中心軸（カッターヘッド３の回転中心軸）２Ｘを中心２６Ｘとする円形面の円の中央部に円形の中央開口２６ａが形成された円環面部２６と、円環面部２６より上方に延長するように設けられて円環面部２６の中心２６Ｘを通過する垂直線Ｖを基準として左右にそれぞれ４５°の範囲の扇面部２７と、円環面部２６より下方に延長するように設けられて円環面部２６の中心２６Ｘを通過する垂直線Ｖを中心線とした四角面の中央部に下部開口２８ａが形成された下面部２８とを備えた形状である。
円環面部２６の円の直径は、カッターヘッド３の直径よりも小さい直径である。
また、下部開口２８ａは、チャンバー４に取り込まれたズリを胴体部２の後方に排出するための排出口又はパワーショベル等の重機の出入口として機能する。尚、下部開口２８ａには、通常時においては、チャンバー４に取り込まれたズリを胴体部２の後方に搬送するための上述したズリ搬送コンベヤ４５が設置されている。
周壁２２は、円環面部２６の外周縁及び下面部２８の左右の側縁より後方に延長する板により形成される。
隔壁２３は、扇面部２７の左右の端縁より後方に延長し、周壁２２より円環面部２６の中心２６Ｘを中心として放射面状に延長する板により形成された左右の境界壁２３ａ，２３ａと、下部隔壁２３ｂと、上部隔壁２３ｃとを備える。
下部隔壁２３ｂは、胴体部２の中心軸２Ｘを中心とする下湾曲面板により形成される。即ち、下部隔壁２３ｂは、円環面部２６の中心２６Ｘを通過する垂直線Ｖと交差する下端位置を基準として左右の周方向に例えばそれぞれ７０°（中心２６Ｘを基準とした中心角度）離れた１４０°の範囲内で延在し、かつ、後端が後面板２４まで延長して前端が前面板２１よりも前方に位置される下湾曲面板により形成される。
上部隔壁２３ｃは、胴体部２の中心軸２Ｘを中心とする上湾曲面板により形成される。即ち、上部隔壁２３ｃは、円環面部２６の中心２６Ｘを通過する垂直線Ｖと交差する上端位置を基準として左右の周方向に例えばそれぞれ１１０°（中心２６Ｘを基準とした中心角度）離れた２２０°の範囲内で延在し、かつ、後端が後面板２４まで延長して前端が前面板２１よりも前方に位置される上湾曲面板により形成される。
上部隔壁２３ｃを形成する上湾曲面板の曲率半径は、下部隔壁２３ｂを形成する下湾曲面板の曲率半径よりも小さく形成される。
当該上部隔壁２３ｃの左右の下端縁と当該下部隔壁２３ｂの左右の上端縁とが連結されて断面馬蹄形の筒体が構成され、断面円形掘削手段としてのカッターヘッド３及び左右の側部掘削手段としてのブームカッター８によって掘削される掘削直後のトンネル空洞部が断面馬蹄形に形成されることになる。
尚、上部隔壁２３ｃは、扇面部２７の上端縁と左右の境界壁２３ａ，２３ａの上端縁とで囲まれた部分が開口６ａに形成された板により形成される。
後面板２４は、境界壁２３ａの後端縁と上部隔壁２３ｃの後端縁と下部隔壁２３ｂの後端縁と周壁２２の後端縁とを繋ぐ板により形成される。

そして、左右のブームカッター設置部２Ｄは、境界壁２３ａと上部隔壁２３ｃと下部隔壁２３ｂと周壁２２とで囲まれた前方開口の領域により構成される。

上部吹付装置設置部２Ｅは、左右の境界壁２３ａ，２３ａと、扇面部２７と、周壁２２とで囲まれた上部開口の凹部６ｘにより構成される。

そして、図４に示すように、上部隔壁２３ｃ及び下部隔壁２３ｂで囲まれた断面馬蹄形の領域の前部にカッターヘッド３が配置され、当該カッターヘッド３と上部隔壁２３ｃと下部隔壁２３ｂと前面板２１と周壁２２と左右の境界壁２３ａ，２３ａと後面板２４とで囲まれた領域により、チャンバー４が形成される。

中間部２Ｂは、左右のブームカッター設置部２Ｄの後方に設けられた側部吹付装置設置部２Ｆ，２Ｆを備える。
側部吹付装置設置部２Ｆは、前側部２Ａの後面板２４と、前側部２Ａの周壁２２より後方に延長するように設けられた周壁２２Ｂと、前側部２Ａの下部隔壁２３ｂより後方に延長するように設けられた下部隔壁２３Ｂと、後面板２４と対向するように設けられた円環状の後板２４Ｂとで囲まれて、トンネル空洞部の上部及び左右の側部と面する部分が開口６ｂとなった凹部６ｙにより構成される。

従って、上部吹付装置設置部２Ｅを形成する凹部６ｘ及び側部吹付装置設置部２Ｆを形成する凹部６ｙにより、チャンバー４の直後における胴体部２の外周側に形成された凹部６が構成され、かつ、トンネル空洞部と面する上部吹付装置設置部２Ｅの開口６ａ及びトンネル空洞部と面する側部吹付装置設置部２Ｆの開口６ｂにより、チャンバー４の直後における胴体部２の外周側に形成された凹部６の開口６Ａが構成される。
そして、ＴＢＭタイプにおいては、当該凹部６に設けられた吹付装置７のノズル７１，７２から開口６Ａを介して掘削直後のトンネル空洞部の内面にコンクリートが吹き付けられ、シールドタイプにおいては、塞板着脱部１０に塞板９が取付けられることにより、当該塞板９によって当該開口６Ａが塞がれる。

後側部２Ｃは、カッターヘッド３の直径よりも若干小さい円環状の後板２４Ｂと、後板２４Ｂの円環状の後面において周方向に沿って所定間隔を隔てて複数設けられたジャッキ５と、中間部２Ｂの下部隔壁２３Ｂより後方に延長するように設けられた下部隔壁２３Ｃとを備える。

即ち、トンネル掘進機１は、図１に示すように、前側部２Ａ、中間部２Ｂ、後側部２Ｃのそれぞれが下部隔壁２３ｂ，２３Ｂ，２３Ｃを備えており、当該下部隔壁２３ｂ，２３Ｂ，２３Ｃによりトンネル掘進機１の下部隔壁２３Ｘが構成される。
そして、ＴＢＭタイプにおいては、図１に示すように、下部隔壁２３Ｘの後方にインバート１２を形成する例えばコンクリートブロック１２ａが設置される。
また、シールドタイプにおいては、吹付装置７を使用しないので、図８に示すように、開口６Ａを塞ぐように塞板９が設けられて、この塞板９の後端と下部隔壁２３Ｘの後端とが一致するように構成され、この塞板及び下部隔壁の後方にセグメントが組み立てられる。即ち、当該塞板９が上部隔壁２３cの後方に延長する上部隔壁として機能して、この上部隔壁２３ｃと塞板９とでトンネル掘進機１の上部隔壁２３Ｙが構成され、シールドタイプにおいては、掘削後のトンネル空洞部が、上部隔壁２３Ｙと下部隔壁２３Ｘとで構成される断面馬蹄形の筒体で支持されることになる。

トンネル掘進機１は、断面馬蹄形状のトンネル空洞部を形成するために、切削手段として、断面円形掘削手段としてのカッターヘッド３と、左右の側部掘削手段としてのブームカッター８とを備える。
そして、カッターヘッド３は、筒状の胴体部２の前側（トンネル掘進機1の掘進方向の先頭側）に、掘削するトンネル空洞部の断面馬蹄形の中心となる胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心として回転可能に支持される。
また、ブームカッター８は、胴体部２の前側の左右のブームカッター設置部２Ｄに設けられて、カッターヘッド３で掘削される断面円形空洞部の左右の外周よりも外側に位置する地山部分を掘削する。
ブームカッター８は、例えば、伸縮及び揺動可能に構成されたアーム８ａの先端に、図外の掘削ビットを搭載したドリル８ｂを備えた構成である。
ブームカッター８は、図５に示すように、各ブームカッター設置部２Ｄにおいて、それぞれ３つ程度設けられる。例えば、下部隔壁２３ｂと上部隔壁２３ｃとの境界部分近傍に位置する地山部分を掘削するブームカッター８と、カッターヘッド３の左右下側の外周と下部隔壁２３ｂとの間に位置する地山部分を掘削するブームカッター８と、カッターヘッド３の左右側の外周と上部隔壁２３ｂとの間に位置する地山部分を掘削するブームカッター８とを備える。
尚、図４に示すように、ブームカッター設置部２Ｄにおいて、前面板２１の下面部２８の左右の側縁より後方に延長する周壁２２の近傍には、ブームカッター８で掘削されて後側に溜まったズリを後側から前方に搬送する搬送スクリュー８８が設けられる。

図４に示すように、胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心として回転するカッターヘッド３は、円形状の回転中心板の中央に貫通孔３１が形成された回転中心部３２と、回転中心部３２と同心円状に形成された回転中心部３２よりも大径の円環状連結板３３と、回転中心部３２と同心円状に形成された円環状連結板３３よりも大径の円環状外周板３４と、回転中心部３２から放射状に円環状外周板３４まで延長するように設けられた複数のスポーク３５と、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３５との間において円環状連結板３３から放射状に円環状外周板３４まで延長するように設けられた複数の外側スポーク３６と、各スポーク３５，３６の前面に設けられたカッタービット３０（図１参照）とを備える。尚、図４，５，７においては、カッタービット３０の図示を省略している。また、貫通孔３１は、先進ボーリング装置１１のロッド１１ｃを貫通させるための貫通孔として機能する。

カッターヘッド３は、カッターヘッド支持機構を介して胴体部２の前方に位置されるように設けられている。
カッターヘッド支持機構は、図１に示すように、内周面に太陽歯車３７が形成された円筒体３８と、円筒体３８の一端開口に形成された円環板３９と、円環板３９の前面から前方に突出するように設けられた複数の支持アーム４０とを備え、複数の支持アーム４０の先端とカッターヘッド３の円環状連結板３４とが連結されている。
各支持アーム４０にはそれぞれ掻揚げ板４１が取り付けられている。各掻揚げ板４１は、胴体部２の中心軸２Ｘを中心として放射状に延長するように設けられており、カッターヘッド３が胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心として回転することにより掘削されてチャンバー４内に取り込まれたズリを掻き揚げて細かく砕く。

カッターヘッド３は、カッターヘッド駆動機構により回転駆動する。
カッターヘッド駆動機構は、図１に示すように、太陽歯車３７の周方向に沿って所定間隔を隔てて配置されて太陽歯車３７に噛み合うように設けられた複数の原動歯車４２と、原動歯車４２の駆動源としてモータ４３とを備えて構成される。

従って、複数の原動歯車４２のモータ４３を駆動して太陽歯車３７が形成された円筒体３８を胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心として回転させると、胴体部２の中心軸２Ｘを回転中心としてカッターヘッド３が回転し、切羽を掘削する。掘削されたズリは、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間、又は、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間を経由してチャンバー４内に取り込まれる。即ち、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間、又は、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間の間隔がチャンバー４内へのズリ取込口となっている。

尚、円環状外周板３４よりも外周側に位置される複数の外側スポーク３６、又は、複数のスポーク３５の外側部分のうちの１つ以上、例えば、図４に示すような外側スポーク３６Ａは、円環状連結板３３及び円環状外周板３４に対して着脱可能に設けられており、その他のスポーク３５，３６は、円環状連結板３３及び円環状外周板３４と一体、又は、円環状連結板３３及び円環状外周板３４に対して固定状態に取付けられている。

吹付装置７は、胴体部２の上部側、及び、胴体部２の左右の側部側の周囲において、胴体部の中心軸を通過する垂直線Ｖを基準として左右の周方向に例えばそれぞれ１１０°離れた２２０°の範囲内を移動可能に設けられて、掘削された断面馬蹄形のトンネル空洞部の内面における上端位置から左右の周方向にそれぞれ１１０°離れた２２０°の範囲内にコンクリートを吹付ける装置である。

吹付装置７としては、図３に示すように、上部吹付装置７Ａと、左右の側部吹付装置７Ｂ，７Ｂとを備える。
上部吹付装置７Ａは、図２に示すように、胴体部２の前側の周囲において、胴体部２の中心軸２Ｘを通過する垂直線Ｖを基準として左右の周方向に例えばそれぞれ４５°離れた９０°の範囲内を左右に移動可能に設けられて、カッターヘッド３で掘削された直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面における上端位置から左右に４５°離れた９０°の範囲内（以下、上半９０°の範囲内という）にコンクリートを吹付ける吹付装置である。
側部吹付装置７Ｂは、上部吹付装置７Ａよりも後方に配置され、胴体部２の中心軸２Ｘを通過する垂直線Ｖを基準として左右の周方向に例えばそれぞれ中心角°４５°離れた位置からさらに周方向に６５°離れた位置までの左右の側部の範囲内（以下、側部６５°の範囲内という）を移動可能に設けられて、ブームカッター８で掘削された断面馬蹄形のトンネル空洞部における左右の内面にコンクリートを吹付ける吹付装置である。

吹付装置７は、胴体部２の外周側に形成された凹部６と掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部に内面とで囲まれた密閉空間内に設けられた吹付ノズル７１，７２（図１参照）と、ノズルガイド機構と、図外の材料圧送装置と、図外の混合機とを備え、吹付ノズル７１，７２と混合機とが図外のホースで互いに繋がれ、混合機と材料圧送装置とが図外のホースで互いに繋がれた構成である。
ノズルガイド機構は、周壁２２，２２Ｂの曲率に対応した孤状に延長するように設けられたガイド部材と、吹付ノズル７１，７２をガイド部材に移動可能に取付ける連結手段とを備える。
ガイド部材は、例えばガイドレール７３であり、連結手段は例えばガイドレール７３上を滑走可能に設けられた図外の車輪であり、例えば、車輪を駆動するモータを制御することで、吹付ノズル７１，７２をガイドレール７３上で左右方向に移動させるように構成されている。尚、ガイドレール７３は、支柱７４により、周壁２２の外周面に固定されている。

上部吹付装置７Ａ及び側部吹付装置７Ｂは、それぞれ、胴体部２の前側に設けられて掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面の周方向に沿ってコンクリートを吹き付ける前側吹付ノズルと、前側吹付ノズルよりも胴体部２の後方に設けられて前側吹付ノズルからコンクリートを吹付けられて形成されたコンクリート層の上にトンネル空洞部の周方向に沿ってコンクリートを吹き付ける後側吹付ノズルとを備えている。
即ち、上部吹付装置７Ａの前側に配置された前側吹付ノズルとしての仮吹付ノズル７１は、掘削直後のトンネル空洞部の上半９０°の範囲内に例えば厚さ５０ｍｍの吹付けコンクリート層を形成するための吹付ノズルである。
上部吹付装置７Ａの後側に配置された後側吹付ノズルとしての一次吹付ノズル７２は、掘削直後の形成するための吹付ノズルである。
また、側部吹付装置７Ｂの前側に配置された前側吹付ノズルとしての仮吹付ノズル７１は、掘削直後のトンネル空洞部の側部６５°の範囲内に例えば厚さ５０ｍｍの吹付けコンクリート層を形成するための吹付ノズルである。
側部吹付装置７Ｂの後側に配置された後側吹付ノズルとしての一次吹付ノズル７２は、掘削直後のトンネル空洞部の側部６５°の範囲内に例えば厚さ２００ｍｍの吹付けコンクリート層を形成するための吹付ノズルである。
即ち、上部吹付装置７Ａは、チャンバー４の直後における胴体部２の外周の上部側に形成された上部吹付装置設置部２Ｅに設けられ、側部吹付装置７Ｂ，７Ｂは、チャンバー４の直後における胴体部２の左右の外周側に形成された側部吹付装置設置部２Ｆに設けられる。
つまり、チャンバー４は、胴体部２の外周の上部に形成された上部吹付装置設置部２Ｅの前方に位置される領域と、胴体部２の外周における上部吹付装置設置部２Ｅの左右側に位置されるブームカッター設置部２Ｄの領域とを含む。
換言すると、トンネル掘進機１は、胴体部２の外周の上部においてチャンバー４の直後に位置される上部吹付装置設置部２Ｅに設けられて、カッターヘッド３で掘削された掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の上部側の内面にコンクリートを吹き付けるための上部吹付装置７Ａと、ブームカッター設置部２Ｄに設けられて、カッターヘッド３で掘削されないカッターヘッド３の左右の横側に位置する地山部分を掘削するブームカッター８と、チャンバー４の一部を形成するブームカッター設置部２Ｄの直後に位置される側部吹付装置設置部２Ｆに設けられて、ブームカッター８で掘削された直後の断面馬蹄形のトンネル空洞部の左右側の内面にコンクリートを吹付けるための側部吹付装置７Ｂ，７Ｂとを備えている。
従って、カッターヘッド３で掘削された掘削直後のトンネル空洞部の上部側にチャンバー４の直後の位置において上部吹付装置７Ａによりコンクリートが吹付けられて当該掘削直後のトンネル空洞部の上部側の地山の緩みを防止できるとともに、ブームカッター８で掘削された掘削直後の断面馬蹄形のトンネル空洞部の左右側にチャンバー４の直後の位置において側部吹付装置７Ｂ，７Ｂによりコンクリートが吹付けられて当該掘削直後の断面馬蹄形のトンネル空洞部の左右側の地山の緩みを防止できるようになり、ＴＢＭタイプでの掘削時において地山に拘束されにくい構造を備えたトンネル掘進機１となる。

塞板着脱部１０は、例えば、前面板２６の扇面部２７の外周側の後面より後方に突出するように設けられた取付ブラケットにより構成され、例えば上部隔壁２３ｃの周方向に沿って分割された複数の塞板９の前端側を当該取付ブラケットに、水密な連結構造により連結し、かつ、周方向に隣り合う塞板９，９同士を水密な連結構造により連結することにより、胴体部２に凹部６の開口６Ａを塞ぐ塞板９を設けることが可能となっている。

先進ボーリング装置１１は、削孔機１１ａと、削孔機１１ａを前後方向に移動可能に支持する支持体１１ｂとを備える。
支持体１１ｂを前方向に移動させて、削孔機１１ａのロッド１１ｃの先端の掘削ビット１１ｄをカッターヘッド３の貫通孔３１に通して、前方の地山を削孔し、前方地山の地質を検査する。即ち、ロッド１１ｃの先端には削孔により削られた土砂を採取する図外の採取部が設けられており、この採取部で採取された土砂を調べることにより、前方地山の地質を検査する。

反力支持装置１３は、トンネル掘進機１により掘削されたトンネル空洞部の内面における上部隔壁２３ｃの周方向範囲に対応した上半９０°の範囲及び左右の側部６５°の範囲内の内面に形成された覆工１５の内面に設置される例えば孤状の複数の鋼製フレーム１３ａと、前後の鋼製フレーム１３ａ，１３ａを連結する連結手段１３ｂとにより構築され、これら複数の鋼製フレーム１３ａの外面と覆工１５の内面との摩擦力によってジャッキ５のピストン５ａの押圧力を受けてトンネル掘進機１を推進させる際の反力を得るようにした構成である。
鋼製フレーム１３ａは、例えば、図６に示すように、複数のフレーム部材１３ｄ，１３ｄ同士がヒンジ等の可動連結部を介して連結されて構成され、複数のフレーム部材１３ｄの外周面が覆工１５の内面に押し当てられるようにフレーム部材１３ｄを拡径して覆工１５の内面に設置される。

尚、反力支持装置１３は、両方の下端をインバート１２に設けられた図外の係合部に係合させて、インバート１２との摩擦力によってジャッキ５のピストン５ａの押圧力を受けるセグメントのような支持体を用いてトンネル掘進機１を推進させる際の反力を得るようにした構成、上述した覆工１５の内面との摩擦力及び上述したインバート１２との摩擦力によってジャッキ５のピストン５ａの押圧力を受ける上述した鋼製フレーム１３ａのような支持体を用いてトンネル掘進機１を推進させる際の反力を得るようにした構成としてもよい。

実施形態１のトンネル掘進機１を用いたトンネル施工方法について説明する。
まず、掘削対象の地山の地層を検査し、地山の地層が岩盤層（例えば軟岩・中硬岩層）であったとする。この場合、トンネル掘進機１を図１に示すようなＴＢＭタイプに構成して地山を掘削する。
地山を最初に掘削する際には、ジャッキ５の反力を得るための図外の反力支持装置を設置し、カッターヘッド３を駆動しながらジャッキ５のピストン５ａを伸ばして図外の反力支持装置でトンネル掘進機１の推進反力を得ることにより、トンネル掘進機１が地山を掘削して推進する。
尚、トンネル掘進機１を掘進させる前に、図外の長尺先受け装置を駆動して、切羽から長尺の鋼管を地山に打ち込み、鋼管周辺の地山に薬液を注入することにより、前方地山を改良・補強し、切羽の安定を図る。

そして、所定の距離（例えばジャッキ５の１ストローク分）だけ掘進するのと同時に、掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面における上半９０°の範囲に上部吹付装置７Ａの仮吹付ノズル７１を駆動して、例えば厚さ５０ｍｍの仮吹付コンクリート層８０を形成する。所定の距離だけ掘進した後、掘進を中止し、今回形成した仮吹付コンクリート層８０の表面にＨ形鋼等の支保工１４を設置する。尚、支保工１４は、凹部６の底を形成する周壁２２，２２Ｂに形成された図外の搬入用窓を介して凹部６内に搬入される。そして、支保工設置後にトンネル掘進機１を所定の距離だけ掘進するのと同時に、掘削直後のトンネル空洞部の上半９０°の範囲に上部吹付装置７Ａの仮吹付ノズル７１を駆動して、例えば厚さ５０ｍｍの仮吹付コンクリート層８０を形成するとともに、前回の掘進時に形成した仮吹付コンクリート層８０の上に上部吹付装置７Ａの一次吹付ノズル７２を駆動して、例えば厚さ２００ｍｍの一次吹付コンクリート層８１を形成し、前回設置した支保工１４を一次吹付コンクリートで固定することで覆工１５を形成する。そして所定の距離だけ掘進した後、掘進を中止し、今回形成した仮吹付コンクリート層８０の表面に支保工１４を設置する。

支保工設置後にさらにトンネル掘進機１を所定の距離だけ掘進するのと同時に、掘削直後のトンネル空洞部の上半９０°の範囲に仮吹付コンクリート層８０を形成するとともに、前回の掘進時に形成した仮吹付コンクリート層８０の上に一次吹付コンクリート層８１を形成して覆工１５を形成し、さらに、最初に掘削されたトンネル空洞部の左右の側部６５°の範囲に側部吹付装置７Ｂの仮吹付ノズル７１を駆動して、仮吹付コンクリート層８０を形成する。掘進を中止し、今回形成した左右の側部の仮吹付コンクリート層８０の表面に支保工１４を設置する。さらに、４回目の所定の距離だけの掘進作業と同時に、掘削直後のトンネル空洞部の上半９０°の範囲に仮吹付コンクリート層８０を形成し、前回の掘進時に形成した仮吹付コンクリート層８０の上に一次吹付コンクリート層８１を形成して覆工１５を形成するとともに、前々回（２回目）の掘進作業時に形成された左右の側部６５°の範囲にそれぞれ仮吹付コンクリート層８０を形成し、かつ、前回の掘進作業時に左右の側部の６５°の範囲にそれぞれ形成された仮吹付コンクリート層８０の上に、側部吹付装置７Ｂの一次吹付ノズル７２を駆動して、一次吹付コンクリート層８１を形成して覆工１５を形成する。
以後、上述した掘進作業時の吹付け作業を繰り返していくことにより、掘削直後のトンネル空洞部の内面に仮吹付コンクリート層８０が形成され、当該仮吹付コンクリート層８０によって、掘削直後の断面馬蹄形のトンネル空洞部の周囲の地山の緩みを防止できるようになり、ＴＢＭタイプでの掘削時において、トンネル掘進機１が地山に拘束されにくくなる。

尚、トンネル掘進機１によって掘削されたトンネル空洞部内にトンネル掘進機１が入り込んだ後、トンネル掘進機１の後方における断面馬蹄形のトンネル空洞部の下側にはコンクリートブロック１２ａが設置されてインバート１２が構築され、トンネル掘進機１の後方における断面馬蹄形のトンネル空洞部の上側に形成された覆工１５の内面には反力支持装置１３が構築される。即ち、覆工１５の内面に鋼製フレーム１３ａをトンネル掘進機１の推進方向に沿ったトンネル空洞部３１内の前後に複数個設置するとともに、前後の鋼製フレーム１３ａ，１３ａを連結部材１３ｂで連結して反力支持装置１３を構築する（図１参照）。この反力支持装置１３の外面と覆工１５の内面との摩擦力及びインバート１２によりトンネル掘進機１を推進させる際の反力を得ることによって、トンネル掘進機１を推進させることができる。つまり、カッターヘッド３を駆動しながら推進ジャッキ５のピストン５ａを伸ばして反力支持装置１３の前端面及びインバート１２の前端面に押し当てることで、トンネル掘進機１がトンネル空洞部の前方を掘削しながら推進する（図１参照）。
当該トンネル掘進機１では、反力支持装置１３を用いて推進反力を得るようにしているので、グリッパのようにトンネル空洞部の内面に集中荷重が加わらず、一次吹付コンクリート層８１が損傷しない工法を実現できる。また、反力支持装置１３により、覆工１５の内面を押圧する内圧効果が発生し、トンネル空洞部の周囲の地山の緩みを抑制できる。

尚、トンネル掘進機１を推進させた後に、反力支持装置１３の後方に位置されていた鋼製フレーム１３ａを反力支持装置１３の前端に移動して連結することで、次にトンネル掘進機１を推進させる際の反力支持装置１３を構築する。即ち、トンネル掘進機１を推進させる毎に、後方の鋼製フレーム１３ａを前側に盛り替えて次にトンネル掘進機１を推進させる際の反力支持装置１３を構築する。

また、例えば、トンネル掘進機１を所定距離だけ掘進させる毎に、先進ボーリング装置１１を駆動して、前方地山の地質を調査する。即ち、先進ボーリング装置１１の掘削ビット１１ｄを中央開口２６ａ及び貫通孔３１を介して切羽よりも前方の地山に進行させて切羽よりも前方の地山の地質を検査する。

前方地山の地質調査の結果、例えば、前方地山が土砂地山であることが判明した場合、トンネル掘進機１をＴＢＭタイプからシールドタイプに切り換える。即ち、胴体部２の前側部及び中間部において、開口６Ａ（６ａ，６ｂ）を介してトンネル空洞部の内面に開放されていた部分、即ち、吹付装置７が設けられている領域である凹部６（６ｘ，６ｙ）を密閉するために、塞板着脱部１０に塞板９を取付けて、塞板９で開口６Ａ（６ａ，６ｂ）を塞ぎ、掘削後のトンネル空洞部が上部隔壁２３Ｙと下部隔壁２３Ｘとで構成される断面馬蹄形の筒体で支持されるシールドタイプに切り換える。
そして、例えばジャッキ５の１ストローク分の推進動作が終了する毎に、ジャッキ５を縮退させて、ジャッキ５の後方においてトンネル空洞部の内周面に沿って断面馬蹄形のセグメント１６を組み立てていき、ジャッキ５のピストン５ａを当該セグメント１６の前端面に押し付けることにより、当該セグメント１６を推進反力の反力受として利用して掘進し、断面馬蹄形のトンネルを構築する。
シールドタイプに構成されたトンネル掘進機１を用いてトンネルを施工することによって、掘削対象の土質が軟弱土砂層のように崩落の危険がある場合でも掘削作業を行うことが可能となる。

尚、シールドタイプに移行した場合、ブームカッター８を取り外し、当該ブームカッターの代わりに、カッターヘッド３のスポーク３５，３６の先端に伸縮自在に設けられた図外のコピーカッターを用いて、カッターヘッド３で掘削される断面円形空洞部の左右の外周よりも外側に位置する地山部分を掘削する。

また、前方地山の地質調査の結果、例えば、前方地山が硬岩の連続する地山であることが判明し、当該トンネル掘進機１による掘進作業ができなくなった場合、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間、又は、互いに隣り合うスポーク３５とスポーク３６との間を介して図外の削岩機で前方地山に発破孔を形成し、当該発破孔に発破を設置する発破掘削を行う。発破掘削を行った後に、トンネル掘進機１のカッターヘッド３の着脱可能なったスポーク３６Ａを取り外し、図７に示すように、このスポーク３６Ａを取り外した開口部分３６Ｂが胴体部２の前側の下部開口２８ａの前方に位置するように、カッターヘッド３の回転停止位置を設定し、搬送コンベヤ４５を取り外した後、この下部開口２８ａ及びスポーク３６Ａを取り外した開口部分３６Ｂを介してカッターヘッド３の下部前方位置にパワーショベルのような重機４６を移動して発破掘削のズリをチャンバー４内に送る。

また、万が一、トンネル掘進機１が地山に拘束されて掘進できなくなった場合、前方地山の発破掘削を行った後、カッターヘッド３の前方側からトンネル掘進機１の拘束状態を解除する作業を行うことができるようになる。
例えば、地山に拘束されている上部隔壁２３ｃ及び塞板９の外側に位置する地山部分に前側から削岩機を用いたボーリングによるコア抜き作業を行って、上部隔壁２３ｃ及び塞板９の外側に位置する地山を崩すことにより、トンネル掘進機１を地山による拘束から解放できるようになる。

即ち、トンネル掘進機１での掘削が行えなくなった場合に、前方地山の発破掘削を行った後、カッターヘッド３の下部前方位置に重機４６を移動して発破掘削のズリをチャンバー４内に搬送することができるようになったり、万が一、トンネル掘進機１が地山に拘束されて掘進できなくなった場合、前方地山の発破掘削を行った後、カッターヘッド３の下部前方位置に重機４６を移動して発破掘削のズリをチャンバー４内に搬送することにより、カッターヘッド３の前方に作業スペースを形成でき、上述したようなカッターヘッド３の前方側からトンネル掘進機１の拘束状態を解除する作業を行うことができるようになる。
尚、下部開口２８ａの大きさを大きくした場合、取り外すスポークの数を多くすればよい。

実施形態１のトンネル掘進機１によれば、先進ボーリング装置１１を備えるので、断面馬蹄形のトンネル空洞部を掘削する場合において、事前に前方地山の状態を知ることができるので、地山の状況に応じて、ＴＭＢタイプからシールドタイプ、又は、シールドタイプからＴＭＢタイプに変更でき、地山の地質が変わっても、トンネル掘進機１のタイプを地山の状況に応じた適切なタイプにして、断面馬蹄形のトンネルを確実に施工できるようになる。

また、実施形態１のトンネル掘進機１によれば、掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けるために、吹付装置７をチャンバー４の直後に設けたので、ＴＢＭタイプでの掘削時において掘削直後の地山の緩みを防止でき、地山に拘束されにくい構造を備えたトンネル掘進機１を提供できる。即ち、ＴＢＭタイプとシールドタイプとに変更可能で、かつ、ＴＢＭタイプでの掘削時において地山に拘束されにくい構造を備えたトンネル掘進機１を提供できる。
また、吹付け対象であるトンネル空洞部の内面にだけ開放した凹部６の空間内で吹付けを行うので、当該凹部６の空間以外の人が行き交う領域に吹付の際のリバウンド（粉塵）が発生しない。

実施形態１のトンネル掘進機１によれば、断面馬蹄形に掘削するために、断面円形掘削用のカッターヘッド３と複数のブームカッタ８とを備えるので、断面馬蹄形のトンネル空洞部を施工でき、断面形状として無駄の少ない馬蹄形断面のトンネルを施工できる。

実施形態１のトンネル掘進機１によれば、上部吹付装置７Ａ及び側部吹付装置７Ｂが、それぞれ前後に配置された吹付ノズル、即ち、仮吹付ノズル７１と一次吹付ノズル７２ととを備えているので、仮吹付ノズル７１から掘削直後のトンネル空洞部の内面に吹付けられるコンクリートにより形成される仮吹付コンクリート層８０によって、地盤の緩みを防止できるとともに、一次吹付ノズル７２から仮吹付コンクリート層８０の上に吹付けられるコンクリートにより一次吹付コンクリート層８１を形成して覆工１５を形成できる。即ち、掘削直後のトンネル空洞部の内面に早期にコンクリートを吹付けて地盤の緩みを防止できるとともに、連続して覆工１５を形成できるようになるので、覆工１５を早期に構築できる。

尚、上記では断面馬蹄形のトンネル空洞部を掘削するトンネル掘進機１を示したが、断面円形のトンネル空洞部を掘削するトンネル掘進機としてもよい。

１ トンネル掘進機、２ 胴体部、３ カッターヘッド、４ チャンバー、
５ ジャッキ、６ 凹部、６Ａ 凹部の開口、７ 吹付装置、９ 塞板、
１０ 塞板着脱部、１１ 先進ボーリング装置、１１ｄ 掘削ビット、２６ 前面板、
２６ａ 中央開口、２８ａ 下部開口、３０ カッタービット、３１ 貫通孔、
３５，３６ スポーク、３７ 開口部分、４５ ズリ搬送コンベヤ（搬送装置）。

Claims (3)

1. 筒状の胴体部と、胴体部の前方に位置されて当該胴体部の中心軸を回転中心として回転可能なように胴体部に取付けられてトンネル空洞部を形成するためのカッターヘッドと、カッターヘッドの後側と胴体部の前側とで囲まれたチャンバーと、胴体部の後側に設けられたジャッキとを備え、ジャッキの駆動により推進しながらカッターヘッドを回転駆動させることによってカッターヘッドで地山を掘削して掘進するトンネル掘進機において、
   胴体部は、
   チャンバーの直後における胴体部の外周側に形成された凹部と、
   凹部内に設けられて当該凹部と掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面とで囲まれた密閉空間内において当該凹部の開口を介して掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面にコンクリートを吹き付けるための吹付装置と、
   トンネル空洞部の内面を臨む凹部の開口を塞ぐ塞板を着脱可能に取付けるための塞板着脱部とを備え、
   地山の状態に応じて、
   吹付装置で掘削直後の素掘り状態のトンネル空洞部の内面に凹部の開口を介してコンクリートを吹き付けながら掘進するか、又は、塞板着脱部に塞板を取付けて当該塞板で凹部の開口を塞いだ状態で掘進するかを、選択可能に構成されたことを特徴とするトンネル掘進機。
2. カッターヘッドは、回転中心から放射状に設けられた複数のスポークと、スポークの前面に設けられたカッタービットとを備え、
   胴体部は、前面板の下部に当該前面板を貫通する下部開口を備え、
   カッターヘッドで掘削されたズリが下部開口を介して胴体部の後方に搬送装置で搬送されるか、又は、少なくとも１本のスポークが着脱可能に設けられており、当該スポークが取り外された開口部分が下部開口の前方に位置されるように、カッターヘッドの回転を制御し、胴体部の内側から下部開口及び開口部分を介してカッターヘッドの前方に重機を移動させることが可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘進機。
3. 胴体部が、前面板の中央部に当該前面板を貫通する中央開口を備え、
   カッターヘッドが、回転中心となる中央部に貫通孔を備え、
   胴体部の内側には切羽よりも前方の地山に先進ボーリングを行う先進ボーリング装置を備え、
   先進ボーリング装置の掘削ビットを中央開口及び貫通孔を介して切羽よりも前方の地山に進行させて切羽よりも前方の地山の地質を検査可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル掘進機。

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