JP3576426B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機などのトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネルボーリングマシンは、円筒形状をなす前胴と後胴とから胴体が構成されており、前胴の前部にローラカッタを有するカッタヘッドが回転自在に装着され、カッタ旋回モータによって駆動回転可能となっている。そして、前胴には掘削して発生したずりが内部に侵入しないようにバルクヘッドが形成されることで、チャンバが形成されており、このチャンバにはずりを外部に排出するベルトコンベヤの前端部が位置している。
【０００３】
また、この前胴と後胴との間には複数のスラストジャッキが架設されており、このスラストジャッキへの油圧の給排により伸縮させることで、前胴と後胴との相対位置を変更することができる。また、前胴にはフロントグリッパが装着されており、油圧ジャッキによってグリッパシューを径方向に張り出すことで、前胴を位置保持することができる。一方、後胴にはリヤグリッパが装着されており、油圧ジャッキによってグリッパシューを径方向に張り出すことで、後胴を位置保持することができる。
【０００４】
更に、後胴の後部にはトンネルの内壁面に支保を組付けるエレクタ装置が装着されている。
【０００５】
従って、リヤグリッパによって後胴移動不能に保持した状態で、カッタ旋回モータを駆動してカッタヘッドを回転駆動させながら、各スラストジャッキを伸長して前胴と共にカッタヘッドを前方へ移動させると、旋回するカッタヘッドのローラカッタが前方の岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。そして、各スラストジャッキを所定ストローク伸長すると、フロントグリッパによって前胴を位置保持する一方、リヤグリッパによる後胴の位置保持を解除した後、スラストジャッキを収縮して前胴に対して後胴を引き寄せる。そして、再び、リヤグリッパによって後胴を位置保持にする一方、フロントグリッパによる前胴の位置保持を解除した後、各スラストジャッキを伸長して前胴と共にカッタヘッドを前方へ移動させ、ローラカッタによって岩盤を掘削する。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削していく。
【０００６】
そして、岩盤掘削によって生じたずりはチャンバ内に取り込まれ、ベルトコンベヤによって外部に排出される。また、岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、この掘削形成されたトンネルの壁面が安定している場合は支保は不要であるが、若干不安定である場合には、エレクタ装置によってリング状に形成したＨ形鋼や木製の板等を支保として用い、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにトンネルを保護する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のトンネルボーリングマシンでは、リヤグリッパによって後胴を位置保持した状態で、各スラストジャッキを伸長することで、この後胴に対して前胴とカッタヘッドを前進させ、この旋回するカッタヘッドによって前方の岩盤を掘削しながら、後胴の後方で、掘削形成したトンネルの壁面に応じて、エレクタ装置によってＨ形鋼などをリング状に形成して支保としてトンネル壁面に組付けてトンネルを保護している。
【０００８】
ところで、このようにトンネルボーリングマシンを用いて岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、掘削地盤が健岩のように安定している場合は、前述したように、胴体は前後のグリッパをトンネルの壁面に圧接することで掘削反力を受け止めて推進している。しかし、掘削地盤が軟弱である場合には、グリッパをトンネルの壁面に圧接することができず、前後のグリッパが掘削反力を受け止めることができずに胴体は十分な推進力が得られない。
【０００９】
そのため、トンネルボーリングマシンは後部に周方向に沿って多数のシールドジャッキを搭載していると共に、エレクタ装置は支保の他にセグメントをも組付けることができるような機能を備えている。
【００１０】
ところが、この場合、シールドジャッキは、トンネルボーリングマシンの胴体（後胴）の後部内周面に一周に渡ってほぼ均等間隔で並設されることとなり、装置が大型化すると共に重量化してしまい、且つ、設備コストも増加してしまうという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するものであって、装置の小型軽量化を図ると共に設備コストの低減を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明のトンネル掘削機は、前胴及び後胴を有する筒状の胴体と、前記前胴の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記前胴と前記後胴との間に架設された胴体推進ジャッキと、トンネルの内壁面に圧接して前記前胴を位置保持するフロントグリッパと、トンネルの内壁面に圧接して前記後胴を位置保持するリヤグリッパと、前記後胴の後部内周面の一部に装着されて既設の覆工部材に当接して前記後胴に作用する掘削反力を受け止めるプレスプレートと、前記後胴の後部内周面における該プレスプレートの装着位置以外の位置に装着されて既設の覆工部材に押圧して推進力を得る推進ジャッキとを具えたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面、図２に図１のII−II断面、図３に図１のIII−III断面、図４に本実施形態のトンネルボーリングマシンによる健岩掘削時の動作を表す概略、図５にトンネルボーリングマシンによる弱地盤掘削時の動作を表す概略を示す。
【００１５】
本実施形態のトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）１０において、図１乃至図３に示すように、円筒形状をなす胴体１１は前胴１２と後胴１３とが連結筒１４によって連結されて構成されている。前胴１２の前部には軸受１５によってカッタヘッド１６が回転自在に装着されており、このカッタヘッド１６は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ１７が多数枢着されると共に、破砕した岩片や土砂などのずりを取り込む開口１８が形成されている。そして、カッタヘッド１６の後部には内歯を有するリングギア１９が一体に固定される一方、前胴１２には電動式あるいは油圧式のカッタ旋回モータ２０が固定されており、このカッタ旋回モータ２０の駆動ギヤ２１がリングギヤ１９に噛み合っている。
【００１６】
従って、カッタ旋回モータ２０を駆動して駆動ギヤ２１を回転駆動すると、この駆動ギヤ２１が噛み合うリングギヤ１９が回転し、リングギヤ１９と一体のカッタヘッド１６を旋回し、ローラカッタ１７が岩盤をせん断破壊して掘削し、発生したずりを開口１８から胴体１１の内部に取り込むことができる。
【００１７】
また、前胴１２にはフロントグリッパ２２が複数装着されており、掘削時には内部に収納することで前胴１２を移動自在とし、盛り替え時には外方に張り出すことでトンネルの壁面に圧接し、前胴１２を位置保持することができる。一方、後胴１３にはリヤグリッパ２３が設けられており、このリヤグリッパ２３は、上下一対のグリッパジャッキ２４の左右端部にグリッパシュー２５が連結されて構成されている。そして、このグリッパジャッキ２４を収縮し、グリッパシュー２５を内部に収納することで後胴１３を移動自在とし、グリッパジャッキ２４を伸長し、グリッパシュー２５を外方に張り出してトンネルの壁面に圧接することで、後胴１３を位置保持することができる。
【００１８】
そして、前胴１２と後胴１３との間には胴体推進ジャッキとしての複数本（ここでは１２本）のスラストジャッキ２６が架設されている。このスラストジャッキ２６は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、スラストジャッキ２６の一端部は前胴１２に固定された軸受２７によって揺動自在に支持され、他端部は後胴１３に固定された軸受２８によって揺動自在に支持されている。そして、このスラストジャッキ２６はそれぞれ隣り合って配設された関係が、例えば、互いに隣接する一方のスラストジャッキ２６がカッタヘッド１６の周方向一方に傾斜し、他方のスラストジャッキ２６が周方向他方に傾斜して全体としてトラス状に配設されることでパラレルリンク機構２９を構成している。
【００１９】
従って、このパラレルリンク機構２９において、各スラストジャッキ２６の各駆動ロッドを伸縮することで、胴体１２と後胴１３との相対位置を変更することができる。また、このパラレルリンク機構２９において、各スラストジャッキ２６の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１６を有する前胴１３が後胴１３に対して屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【００２０】
また、胴体１１の中心部には支持フレーム３０が貫通し、後胴１３に固定されており、この支持フレーム３０内には掘削したずりを搬出するベルトコンベヤ３１が配設されている。そして、カッタヘッド１６と前胴１３で形成されるチャンバ３２にはローラカッタ１７が破砕したずりを集積するホッパ３３が固定されており、ベルトコンベヤ３１の前端部がこのホッパ３３の下方まで延出され、後端部はトンネル後方に延設されている。
【００２１】
なお、図１に示すように、連結筒１４は前端部が前胴１３に連結されると共に、後端部が後胴１３に装着された移動ジャッキ３７が連結されている。ＴＢＭ１０は、前述したように、パラレルリンク機構２９の各スラストジャッキ２６の作動ストロークを変えることで、前胴１３を後胴１３に対して屈曲することができるが、胴体１１は連結筒１４の後端部と後胴１３との間で屈曲するため、掘削中に、この屈曲部に土砂などが付着してしまう。そこで、掘削中に胴体１１の掘進を停止し、移動ジャッキ３７を伸長して連結筒１４と後胴１３とを離間することで両者の間に隙間を設け、付着した土砂などを取り除くことができる。
【００２２】
ところで、本実施形態のＴＢＭは岩盤掘削用のトンネル掘削機であり、リヤグリッパ２３による掘削反力を得て胴体１１を推進させるものであるが、掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、掘削したトンネル壁面が軟弱であり、リヤグリッパ２３によって掘削反力を得ることができないため、シールド掘削機のようにセグメントから掘削反力を得て胴体１１を推進できるようになっている。即ち、後胴１３の左右の内壁には弧状をなすプレスプレート３４が固定されると共に、後胴１３の上下の内壁には複数のシールドジャッキ３５が周方向に沿って並設されている。このプレスプレート３４はパラレルリンク機構２９の各スラストジャッキ２６の伸長時に、後端面を後方に位置する既設のセグメント（図５参照）に押し付けることで掘削反力を得ることができる。また、シールドジャッキ３５は伸長時にスプレッダ３６を後方に移動して既設のセグメントに押し付けることで掘削反力を得ることができる。
【００２３】
また、後胴１３の後部には支保やセグメントＳをトンネルの内壁面に組み付けるエレクタ装置４１が設けられている。即ち、このエレクタ装置４１において、図１及び図３に示すように、後胴１３の後端内壁面にはブラケット４２によって複数の旋回ローラ４３が装着されており、各旋回ローラ４３によって旋回リング４４が回転自在に支持されている。そして、この旋回リング４４には内歯ギヤ４５が形成される一方、後胴１３にはブラケット４６によって旋回手段としての油圧モータ４７が取付けられ、油圧モータ４７の駆動ギヤ４８が内歯ギヤ４５に噛み合っている。従って、油圧モータ４７によって旋回リング４４を旋回することができる。
【００２４】
そして、旋回リング４４には、支保Ｔを支持する複数のストック台４９と、ロープＬを介して支保Ｔの端部を連結するフック５０と、仮組み状態の複数の支保Ｔをトンネルの径方向に移動して内壁面に密着させるグリップ５１とが装着されている。そして、このエレクタ装置４１では、フック５０はロープＬを介して４つの支保Ｔの端部を連結可能であると共に、各ストック台４９は４つの支保Ｔを支持可能であり、グリップ５１はストック台４９に支持された仮組み状態の複数の支保Ｔから支保Ｔを一組把持してトンネルの内壁面に密着させることができる。また、このグリップ５１は支保Ｔの代わりに搬入されたセグメントを把持してトンネルの内壁面に組み付けることもできる。
【００２５】
ここで、上述した本実施形態のＴＢＭ１０を用いたトンネル掘削作業について説明する。
【００２６】
図１及び図４(ａ)に示すように、リヤグリッパ２３の各グリッパジャッキ２４によってグリッパシュー２５をトンネルの内壁面に圧接して後胴１３を位置保持する。この状態で、カッタ旋回モータ２０によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２９の各スラストジャッキ２６を伸長して後胴１３から掘削反力を得て前胴１２を前進させることで、図４(ｂ)に示すように、カッタヘッド１６の各ローラカッタ１７が前方の地盤を破砕して前進する。
【００２７】
そして、各スラストジャッキ２６を所定のストローク伸長してカッタヘッド１６が所定長さのトンネルを掘削すると、図４(ｃ)に示すように、リヤグリッパ２３による後胴１３の位置保持を解除する一方、フロントグリッパ２２によって前胴１２を掘削地盤に位置保持する。そして、各スラストジャッキ２６を収縮して前胴１２に対して後胴１３を前方に引き寄せる。そして、前述と同様に、フロントグリッパ２２による位置保持を解除する一方、リヤグリッパ２３をトンネルの内壁面に位置保持し、カッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２６を伸長して前胴１２を前進させることで、各ローラカッタ１７が前方の地盤を掘削する。
【００２８】
そして、図１に示すように、カッタヘッド１６によって掘削されたずりはチャンバ３２内に取り込まれ、ホッパ３３に集積され、ベルトコンベヤ３１によって外部に排出される。この掘削作業中、あるいは掘削作業の終了と同時に、エレクタ装置４１が４組の支保Ｔをリング状に仮組みし、この仮組支保Ｔを拡張してトンネルの内壁面に密着して組立てる。この作業の繰り返しによってトンネル掘削作業を連続して行う。
【００２９】
また、このようにＴＢＭ１０を用いて岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、掘削地盤が健岩のように安定している場合は、前述したように、リヤグリッパ２３をトンネルの内壁面に圧接することで掘削反力を受け止めて前胴１２が前進し、フロントグリッパ２２をトンネルの内壁面に圧接することで盛替して後胴１３が前進している。ところが、掘削地盤が軟弱である場合には、各グリッパ２２，２３を張り出してもトンネルの内壁面に圧接して前胴１２や後胴１３を位置保持することができず、胴体１１を前進することができない。この場合、エレクタ装置４１がトンネルの内壁面にセグメントＳを組付け、既設のセグメントＳが掘削反力を受けて胴体１１を前進するようにする。
【００３０】
即ち、図５(ａ)に示すように、エレクタ装置４１がトンネルの内壁面にセグメントＳを組付けると、フロントグリッパ２２及びリヤグリッパ２３を胴体１１内に引き込んだでから、既設セグメントＳの前面に後胴１３のプレスプレート３４の後面を密着させると共に、各シールドジャッキ３５のスプレッダ３６を押し付ける。この状態で、カッタ旋回モータ２０によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２９の各スラストジャッキ２６を伸長して後胴１３を介して既設セグメントＳから掘削反力を得て前胴１２を前進させることで、図５(ｂ)に示すように、カッタヘッド１６が前方の地盤を破砕して前進する。
【００３１】
そして、各スラストジャッキ２６を所定のストローク伸長してカッタヘッド１６が所定長さのトンネルを掘削すると、図５(ｃ)に示すように、各スラストジャッキ２６を収縮すると同時に各シールドジャッキ３５を伸長して前胴１２側に後胴１３を移動させる。ここで、シールドジャッキ３５を一つずつ収縮しながら、エレクタ装置４１によってセグメントＳを組付けていく。この作業の繰り返しによってトンネル掘削作業を連続して行う。
【００３２】
このように本実施形態のＴＢＭ１０にあっては、前胴１１の前部にカッタヘッド１３を駆動回転可能に装着し、この前胴１２と後胴１３との間にパラレルリンク機構２３を架設し、前胴１２にフロントグリッパ２２を装着する一方、後胴１３にリヤグリッパを装着すると共に、後胴１３の後部内周面に既設セグメントＳに当接して掘削反力を受け止めるプレスプレート３４と、既設セグメントＳに押圧して推進力を得るシールドジャッキ３５とを装着している。従って、健岩の地盤ではフロントグリッパ２２及びリヤグリッパ２３を用いて胴体１１を前進する一方、軟弱地盤ではプレスプレート３４及びシールドジャッキ３５を用いて胴体１１を前進することができ、掘削中に地盤の種類が変更しても、ＴＢＭ１０によって連続してトンネルを掘削することができる。
【００３３】
そして、この場合、後胴１３の後部内周面の左右両側にプレスプレート３４を配設し、上下両側に複数のシールドジャッキ３５を配設しているため、一般に後胴１３の全周にシールドジャッキ３５を並設したものに比べてシールドジャッキ３５の本数を減少することができ、装置の小型軽量化することができると共に、設備コストを低減することができる。また、シールドジャッキ３５の本数が減少することで、１本のシールドジャッキ３５に作用する油圧が大きくなり、作動スピードが上昇することで、盛替時間を短縮して作業性を向上できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、実施形態によって説明したように本発明のトンネル掘削機によれば、前胴の前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、この前胴と後胴との間に胴体推進ジャッキを架設し、前胴にフロントグリッパを装着する一方、後胴にリヤグリッパを装着すると共に、後胴の後部内周面に既設の覆工部材に当接して掘削反力を受け止めるプレスプレートと、既設の覆工部材に押圧して推進力を得る推進ジャッキとを装着したので、健岩の地盤ではフロントグリッパ及びリヤグリッパを用いて胴体を前進する一方、軟弱地盤ではプレスプレート及びシールドジャッキを用いて胴体を前進することができ、掘削中に地盤の種類が変更しても連続してトンネルを掘削することができ、この場合、後胴の後部内周面に沿ってプレスプレートと推進ジャッキが並設されているため、推進ジャッキの本数を減少することができ、装置の小型軽量化することができると共に、設備コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】本実施形態のトンネルボーリングマシンによる健岩掘削時の動作を表す概略図である。
【図５】本実施形態のトンネルボーリングマシンによる弱地盤掘削時の動作を表す概略図である。
【符号の説明】
１０ トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）
１１ 胴体
１２ 前胴
１３ 後胴
１４ 連結筒
１６ カッタヘッド
２０ カッタ旋回モータ（カッタヘッド駆動手段）
２２ フロントグリッパ
２３ リヤグリッパ
２６ スラストジャッキ
２９ パラレルリンク機構（胴体推進ジャッキ）
３０ 支持フレーム
３１ ベルトコンベヤ
３４ プレスプレート
３５ シールドジャッキ（推進ジャッキ）
４１ エレクタ装置
Ｔ 支保
Ｓ セグメント（覆工部材）

Claims (1)

1. 前胴及び後胴を有する筒状の胴体と、前記前胴の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記前胴と前記後胴との間に架設された胴体推進ジャッキと、トンネルの内壁面に圧接して前記前胴を位置保持するフロントグリッパと、トンネルの内壁面に圧接して前記後胴を位置保持するリヤグリッパと、前記後胴の後部内周面の一部に装着されて既設の覆工部材に当接して前記後胴に作用する掘削反力を受け止めるプレスプレートと、前記後胴の後部内周面における該プレスプレートの装着位置以外の位置に装着されて既設の覆工部材に押圧して推進力を得る推進ジャッキとを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。

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