JP2657788B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、岩盤のような硬い地
盤だけでなく、軟弱な地盤におけるトンネルの掘削も対
象としたトンネル掘削機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、岩盤におけるトンネルの掘削を対
象とした掘削機として、主に、ビーム型（オープン型と
もいう）トンネル掘削機と、フルシールド型トンネル掘
削機との２種類がある。

【０００３】前者は、図６に示すように、前端にカッタ
ーヘッド３１を備えたビーム３２に沿って、前後に間隔
をあけかつ一体に連結された前後一対のグリッパ３３を
前後方向に摺動自在に配設し、後側グリッパ３３ｂとビ
ーム３２後端部をスラストジャッキ３６で連結した構造
からなる。ビーム３２の後端には駆動ユニット３７を備
え、ビーム３２の中心部を軸方向に貫通する回転軸３８
を介してカッターヘッド３１を回転させる。また、ビー
ム３２の後端にはサポート３９を下向きに伸縮自在に備
えている。そして、前後のグリッパ３３を伸長させてト
ンネル坑壁に押し当てて掘進時の反力をとり、カッター
ヘッド３１を回転しながらスラストジャッキ３５６収縮
して前進させ、掘削作業を行って所定距離前進した後、
前後のグリッパ３３を収縮し、スラストジャッキ３６を
伸長させグリッパ３３をビーム３２に沿って前方へ戻
す。こうした作業を繰り返し行うことにより、トンネル
を掘削するものである。

【０００４】後者は、図７に示すように、前端にカッタ
ーヘッド４１を備えた筒状のシールドシェル４５ａ内に
駆動ユニット４３を設け、フロントグリッパ４４を外方
へ出没自在に配備した前胴（フロントボディ）４５と、
筒状のシールドシェル４８ａ内に後方へ向けてシールド
ジャッキ４６を設け、メイングリッパ４７を外方へ出没
自在に配備した後胴（リヤボディ）４８とを、前後方向
に摺動自在な二重筒状の中胴（ミドルボディ）４９を介
して連結するとともに、前胴４５と後胴４８の間にスラ
ストジャッキ５０を介設した構造からなる。そして岩盤
等の硬い地盤におけるトンネルの掘削に際しては、メイ
ングリッパ４７を伸長させてトンネル坑壁に押し当てて
掘進時の反力をとり、カッターヘッド４１を回転しなが
らスラストジャッキ５０を伸長して前胴４５を前進さ
せ、所定距離のトンネルを掘削した後、フロントグリッ
パ４４を伸長しメイングリッパ４７を収縮して、スラス
トジャッキ５０を収縮して後胴４８を引き寄せる。この
作業を繰り返すことにより、トンネルを掘削するもので
ある。一方、軟弱地盤におけるトンネルの掘削に際して
は、図示を省略したエレクタにより、セグメントの周壁
を後胴のすぐ後方に構築し、シールドジャッキ４６の後
端をセグメント壁の端面に当接し、シールドジャッキ４
６を伸長させることにより、カッターヘッド４１を回転
させながらトンネル掘進機全体（前胴・中胴・後胴）を
前進させて掘削するものである。なお、掘削作業の間、
スラストジャッキ５０は収縮状態に保持しておく。

【０００５】後者については特公昭６２−３２３１９号
公報に記載されており、また同公報に前者も従来技術と
して記載されている。そのほか，特開平５−１８７１９
５号などがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のトンネル掘削機には、それぞれ次のような点で
改良すべき技術的課題がある。

【０００７】前者の場合： 軟弱地盤に遭遇すると、グリッパでは掘削反力を得
られないために、掘進できなくなる可能性が大きい。

【０００８】 グリッパ、スラストジャッキ、駆動ユ
ニットなどの主要機器が露呈しているため、特に軟弱地
盤では地山の崩壊等により落下する土砂で埋まり、機器
が正常に動作しなくなることがある。なお、カッターヘ
ッドの後方上部にルーフを設けたものがあるが、ルーフ
では地山の崩壊を防いだり、土砂の侵入を防止したりで
きないため、同様の問題が生じる。

【０００９】後者の場合： 機長が長く、全長にわたりシールドシェルで覆われ
ているため、地山の手当をする場合、カッターヘッドで
掘削した後すぐに樹脂やセメントを吹きつけたりロック
ボルトを打ち込んだりして地山を手当するのが望ましい
が、手当するまでの間が長く、この間に地山の崩壊がひ
どくなり、手当がしにくくなる。

【００１０】この発明は上述の点に鑑みなされたもの
で、岩盤などの硬質地盤でのトンネルの掘削だけでなく
軟弱地盤でのトンネルの掘削が可能であり、しかも切羽
の近傍で地山を手当でき、また全体構造が従来のフルシ
ールド型に比べて簡単で主要機器はシールドシェルによ
り保護することができる、トンネル掘削機を提供するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のトンネル掘削機は、a)岩盤掘削用のローラ
カッターを装備したカッターヘッド、該カッターヘッド
を回転自在に支持して駆動するカッターヘッド駆動部、
該駆動部から後方へ向けて張設したメインビーム、およ
び該メインビームの後端部に前後に摺動可能に支持さ
れ、メイングリッパを半径方向へ進退自在に備えたグリ
ッパボディを具備し、該メイングリッパ部と前記メイン
ビームとの間に介設した推進ジャッキにより掘進するト
ンネル掘削機において、b)前記駆動部を取り囲むように
シールドシェルを装備し、c)このシールドシェル内に第
２推進ジャッキを配設するとともに、d)シールドシェル
にフロントグリッパを外方へ出没自在に設けている。

【００１２】請求項２記載のように、e)前記グリッパボ
ディ内に設けた球面軸受機構により前記メインビームを
全方向に揺動可能に構成するとともに、f)トルクジャッ
キにより前記メインビームを上下に摺動可能にすること
が望ましい。

【００１３】

【作用】上記の構成を有する本発明のトンネル掘削機に
よれば、先ず、岩盤等の硬質地盤におけるトンネル掘削
に際しては、メイングリッパによりグリッパボディを地
山（トンネル坑壁）に固定した状態で、カッターヘッド
を回転させながら第１推進ジャッキを伸長させることに
より前進させて掘削作業を行うことができる。所定距離
の掘削後は、フロントグリッパでシールドシェル（掘削
機前部）を固定し、メイングリッパを収縮した状態で、
第１推進ジャッキの収縮によりグリッパボディをメイン
ビームに沿って前方へ引き寄せ、元の状態に戻し、後は
上記の作業を繰り返せばよい。一方、軟弱地盤における
トンネルの掘削に際しては、メイングリッパおよびフロ
ントグリッパを収縮し引き込んだ状態で、例えばエレク
タによりセグメント等の反力部材を構築し、この反力部
材に第２推進ジャッキを押し当ててシールドシェル（掘
削機前部）を前進させ、カッターヘッドによりトンネル
を掘削するものである。したがって、掘削作業について
は、従来のフルシールド型トンネル掘削機と概ね共通す
るが、次のような点が大きく相違している。

【００１４】すなわちカッターヘッドから後方に延びる
シールドシェルの長さが短いため、軟弱地盤の場合には
カッターヘッドで掘削して程なく、支保部材を組み立て
て地山（トンネル坑壁）を覆うことができる。この結
果、地山の崩落を未然に防ぐことができ、またシールド
シェルから露呈する機器（メイングリッパ、第１推進ジ
ャッキなど）が土砂で埋まることがない。一方、カッタ
ーヘッドの駆動ユニット、軸受、シールドジャッキなど
は、シールドシェルで覆われているため、土砂の侵入に
よって機器が損傷することがない。

【００１５】請求項２記載のトンネル掘削機によれば、
グリッパボディ内の（両側の）トルクジャッキのストロ
ークを調整することにより、メインビームを円周方向に
回転させて掘削時のトンネル掘進機のローリングを修正
したり、（両側の）トルクジャッキのストロークを同調
させて調整することにより、メインビームをグリッパボ
ディに対し球面軸受機構を介して上下方向にのみ移動さ
せたり、（両側の）トルクジャッキを所定のストローク
に保持することにより、球面軸受機構の状態を所定の姿
勢に固定したり、カッターヘッドの回転に伴う回転トル
クをメインビームを介してグリッパボディで支持したり
できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明のトンネル掘削機の実施例を図
面に基づいて説明する。

【００１７】図１は本実施例のトンネル掘削機の全体を
概略的に示す側面図、図２の左半分は図１のＡ−Ａ線断
面図で、右半分は図１のＢ−Ｂ線断面図である。図３の
左半分は図１のＣ−Ｃ線断面図で、右半分は図１のＤ−
Ｄ線断面図である。図４は図１の一部を拡大して示す側
面図、図５は図１のＥ−Ｅ線拡大断面図である。

【００１８】図１に示すように、トンネル掘削機１はフ
ロントボディ１ａを備え、このフロントボディ１ａの周
囲は、図２のように円筒状のシールドシェル２で取り囲
まれている。フロントボディ１ａの前端面には多数の岩
盤掘削用のローラカッター３ａを有するカッターヘッド
３が、軸受４を介して回動自在に配設されている。軸受
４はバルクヘッド５に取り付けられており、カッターヘ
ッド３の駆動ユニット２１も、その前端部がバルクヘッ
ド５に固定されている。バルクヘッド５は円形の板体か
らなり、シールドシェル２内の前部に一体に設けられた
環状フレーム２ａに、バルクヘッド５の外周縁部がネジ
止め等の手段で取り付けられている。また、バルクヘッ
ド５の前面にはカッターチャンバ５ａが、カッターヘッ
ド３との空間において一体に形成されている。いいかえ
れば、前記シールドシェル２は、軸受４および駆動ユニ
ット２１からなるカッターヘッド駆動部の周囲を、完全
に取り囲むように配備されている。

【００１９】図２に示すように、シールドシェル２の両
側方にフロントグリッパ６が設けられている。フロント
グリッパ６は断面円弧状のシュー６ａを備え、このシュ
ー６ａをグリッパジャッキ６ｂでシールドシェル２外方
へ進退させる構造からなる。また、シールドシェル２の
下部に一対のフロントサポート７を下向きに備えてい
る。フロントサポート７は、接地用シュー７ａをジャッ
キ７ｂでシールドシェル２から張り出させる構造からな
り、ジャッキ７ｂの上端はバルクヘッド５の下部にブラ
ケット７ｃを介して枢支されている。さらに、第２推進
ジャッキとしてのシールドジャッキ８が円周方向に間隔
をあけてシールドシェル２内に配設され、シールドジャ
ッキ８の前端は環状フレーム２ａに固定され、後端を後
方に向けている。

【００２０】図１に示すように、中空構造のメインビー
ム９の前端がバルクヘッド５の中心部に固設され、フロ
ントボディ１ａから後方にメインビーム９が延びてい
る。メインビーム９は前端から後方にかけて段階的に形
状が小さくなり、前部９ａは図２のように下端が開放さ
れた長方形枠からなり、後部９ｃは図３のように正方形
枠からなり、ベルトコンベヤ１０がカッターチャンバ５
ａからメインビーム９内を通して後方へ延設されてい
る。なお、図示は省略するが、バルクヘッド５の内部
は、ベルトコンベヤ１０を通すための中空部になってい
る。またメインビーム９の後端部には、一対のリヤサポ
ート１１が下向きに配設されている。リヤサポート１１
は、図３のように接地用の断面円弧状シュー１１ａをジ
ャッキ１１ｂで進退させる構造からなる。

【００２１】メインビーム前部９ａの後端部には、図３
のようにリング体１２が配設され、このリング体１２に
沿ってガイドロール１２ａを介して円周方向に回転自在
にエレクタ１３が配備されている。このエレクタ１３
は、シールドシェル２のすぐ後方に露呈して設けられて
いるが、図４のようにセグメントＳの把持機構１３ａは
シールドシェル２内に配置されている。また、図１のよ
うに、エレクタ１３の後端面には地山手当用の吹付けノ
ズル１４が、シリンダ１４ａを介して半径方向外方へ進
退自在に装着されている。吹付けノズル１４はエレクタ
１３とともに円周方向の任意の位置へ回転できる。

【００２２】図１に示すように、メインビーム後部９ｃ
にはグリッパボディ１６が前後方向に摺動自在に配設さ
れ、メインビーム９を前後方向に摺動自在に支持してい
る。第１推進ジャッキとしてのスラストジャッキ１５の
前端は、メインビーム前部９ａの後端部に鉛直ピン１５
ａを介して枢支・連結され、スラストジャッキ１５の後
端側が外方へ回転可能に構成されている。図５に示すよ
うに、グリッパボディ１６の両側に、メイングリッパ１
７がそれぞれ配設されている。メイングリッパ１７は、
断面円弧状のグリッパシュー１７ａを複数本のグリッパ
ジャッキ１７ｂの先端に連結して取り付け、グリッパジ
ャッキ１７ｂの伸縮動作によりグリッパシュー１７ａを
両側方に進退させ、トンネル坑壁に押付け可能な構造か
らなる。また、スラストジャッキ１５の後端部は、本例
では、グリッパシュー１７ａに摺動自在に当接させたう
えで、メイングリッパ１７のグリッパシュー１７ａに鉛
直ピン１５ｂを介して連結されている。なお、スラスト
ジャッキ１５の後端部は、グリッパボディ１６に当接さ
せて連結することもできる。

【００２３】グリッパボディ１６は、図５のように正方
形状の枠体１６ａを備え、この枠体１６ａの対向する上
下両面にコの字状のガイド枠１６ｂが突設されている。
そして、上下のガイド枠１６ｂ内に、球面軸受機構１８
が上下動自在に嵌挿されている。球面軸受機構１８は、
球面部を上下外面に備えた内枠１８ａと、この内枠１８
ａが全方向に揺動自在に支持される球面座を上下内面に
備えた外枠１８ｂとからなり、内枠１８ａの両側下部と
グリッパボディ１６の枠体１６ａの内側面上部との間
に、トルクジャッキ１９がそれぞれ介設されている。内
枠１８ａと外枠１８ｂとの両側部にはクリアランスが設
けられ、トルクジャッキ１９の伸縮動作により内枠１８
ａは外枠１８ｂに対し相対的に円周方向に揺動可能にな
っている。内枠１８ａの開口部１８ａ’は、メインビー
ム後部９ｃの外形断面形状に対応した正方形からなり、
隅角部に介装したスライドメタル２０を介してメインビ
ーム９とグリッパボディ１６とは、相対的に前後方向に
摺動自在に嵌挿されている。なお、外枠１８ｂは外形断
面が長方形で、ガイド枠１６ｂ内に嵌挿されている。

【００２４】以上のように構成される本実施例のトンネ
ル掘削機１について、掘削動作を説明する。

【００２５】A)岩盤等の硬質地盤におけるトンネル掘削
に際しては、メイングリッパ１７のグリッパシュー１７
ａを坑壁に押し当て、グリッパボディ１６を地山（トン
ネル坑壁）に固定した状態で、カッターヘッド３を回転
させながらスラストジャッキ１５を伸長させることによ
りフロントボディ１ａを前進させて掘削作業を行う。フ
ロントボディ１ａの前進に伴って、内枠１８ａに対しス
ライドメタル２０を介してメインビーム９が前方へ摺動
する。所定距離の掘削後は、フロントグリッパ６でフロ
ントボディ１ａをトンネル坑壁に固定し、リヤサポート
１１を伸長してメインビーム９の後端側を支承し、メイ
ングリッパ１７のグリッパシュー１７ａを収縮した状態
で、スラストジャッキ１５の収縮によりグリッパボディ
１６をメインビーム９に沿って前方へ引き寄せ、元の状
態に戻し、後は上記の作業を繰り返すことにより、掘削
作業を遂行する。

【００２６】B)トンネルの掘削方向の制御、いいかえれ
ばカッターヘッド３の掘進方向の制御は、両側のメイン
グリッパ１７のグリッパジャッキ１７ｂのストローク差
を利用し、メインビーム９を傾斜させることにより行
う。また、フロントサポート７を進退させることによ
り、フロントボディ１ａが上下方向に首を振るので、上
下方向の掘削制御が可能になる。

【００２７】C)グリッパボディ１６内の両側のトルクジ
ャッキ１９のストロークを調整することにより、内枠１
８ａを介してメインビーム９を円周方向に回転させて掘
削時のトンネル掘進機１のローリングを修正することが
できる。また、両側のトルクジャッキ１９のストローク
を同調させて調整することにより、メインビーム９をグ
リッパボディ１６に対し球面軸受機構１８を介して上下
方向にのみ移動させることができる。さらに、両側のト
ルクジャッキ１９を所定のストロークに保持することに
より、球面軸受機構１８の内枠１８ａと外枠１８ｂの球
面部の状態を所定の姿勢に固定したり、カッターヘッド
３の回転に伴う回転トルクをメインビーム９を介してグ
リッパボディ１６で支持したりできる。

【００２８】D)軟弱地盤におけるトンネルの掘削に際し
ては、メイングリッパ１７およびフロントグリッパ６を
収縮して引き込んだ状態で、エレクタ１３によりセグメ
ント等の反力部材を構築し、この反力部材にシールドジ
ャッキ８の後端を押し当てて伸長させることにより、フ
ロントボディ１ａを前進させ、カッターヘッドによりト
ンネルを掘削することができる。この掘削作業において
は、カッターヘッド３から後方に延びるシールドシェル
２の長さが短いため、切羽の近傍でエレクタ１３により
支保部材を組み立てて地山（トンネル坑壁）を覆うこと
ができる。このため、地山が崩落するのを未然に防ぐこ
とができる。また、吹付けノズル１４を伸長してエレク
タ１３とともに回転させ、地山に被覆剤などを吹き付け
て手当することができ、この作業も切羽の近傍で行われ
ることになるから、地山の崩落により土砂がシールドシ
ェル２から露呈するメイングリッパ１７やスラストジャ
ッキ１５などの機器上に落下したり、機器を埋めたりす
ることがない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明のトンネル掘削機には、下記の優れた効果があ
る。

【００３０】(1) 岩盤などの硬質地盤でのトンネルの掘
削だけでなく軟弱地盤でのトンネルの掘削が可能であ
り、しかも、カッターヘッドから後方に延びるシールド
シェルはカッターヘッド駆動部を取り囲む程度の短い寸
法しか持たないので、切羽の近傍で地山を手当したり、
支保部材を構築したりでき、地山の崩壊を確実に防止で
きる。またカッターヘッドの駆動ユニット、軸受、第２
推進ジャッキなどの主要機器は、シールドシェルで覆わ
れているので、土砂の侵入に起因する機器の損傷が生じ
ない。全体構造が従来のフルシールド型に比べて簡単で
あるから、保守が容易で、経済的である。

【００３１】(2) 請求項２記載のトンネル掘削機では、
トルクジャッキのストロークを調整することにより、掘
削時のトンネル掘進機のローリングを修正したり、メイ
ンビームをグリッパボディに対し上下方向にのみ移動さ
せたり、球面軸受機構の状態を所定の姿勢に固定した
り、カッターヘッドの回転に伴う回転トルクをメインビ
ームを介してグリッパボディで支持したりできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるトンネル掘削機の全体
を概略的に示す側面図である。

【図２】図２の左半分は図１のＡ−Ａ線断面図で、右半
分は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図３】図３の左半分は図１のＣ−Ｃ線断面図で，右半
分は図１のＤ−Ｄ線断面図である。

【図４】図１のトンネル掘削機の一部（フロントボディ
１ａの下部）を拡大して示す側面図である。

【図５】図１のＥ−Ｅ線拡大断面図である。

【図６】従来の一般的なビーム型（オープン型）トンネ
ル掘削機の全体を概略的に示す側面図である。

【図７】従来の一般的なフルシールド型トンネル掘削機
の全体を概略的に示す側面図である。

【符号の説明】

１ トンネル掘削機 １ａフロントボディ ２ シールドシェル ３ カッターヘッド ４ 軸受 ５ バルクヘッド ５ａカッターチャンバ ８ シールドジャッキ ９ メインビーム １５ スラストジャッキ １６ グリッパボディ １７ メイングリッパ １８ 球面軸受機構 ２１ 駆動ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−273394（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−24482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−273394（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−65793（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−57992（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 岩盤掘削用のローラカッターを装備した
   カッターヘッド、該カッターヘッドを回転自在に支持し
   て駆動するカッターヘッド駆動部、該駆動部から後方へ
   向けて張設したメインビーム、および該メインビームの
   後端部に前後に摺動可能に支持され、メイングリッパを
   半径方向へ進退自在に備えたグリッパボディを具備し、
   該メイングリッパ部と前記メインビームとの間に介設し
   た推進ジャッキにより掘進するトンネル掘削機におい
   て、 前記駆動部を取り囲むようにシールドシェルを装備し、
   このシールドシェル内に第２推進ジャッキを配設すると
   ともに、シールドシェルにフロントグリッパを外方へ出
   没自在に設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 【請求項２】 前記グリッパボディ内に設けた球面軸受
   機構により前記メインビームを全方向に揺動可能に構成
   するとともに、トルクジャッキにより前記メインビーム
   を上下に摺動可能にした請求項１記載のトンネル掘削
   機。