JP3670753B2 - トンネル掘削機及び掘削方法 - Google Patents
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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及びトンネル掘削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に従来のトンネルボーリングマシンの断面概略を示す。
【０００３】
従来のトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）において、図１１に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴001と後胴002とから構成されており、この前胴001の前部にはカッタヘッド003が回転自在に装着されており、このカッタヘッド003は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ004が多数枢着されると共に、バケット005が取付けられている。このカッタヘッド003の後部には内歯を有するリングギヤ006が一体に固定される一方、前胴001にはカッタ旋回モータ007が固定されており、このカッタ旋回モータ007の駆動ギヤ008がリングギヤ006に噛み合っている。また、前胴001には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、バルクヘッド009が形成されており、カッタヘッド003とこのバルクヘッド009との間にはチャンバ室010が形成されている。そして、このチャンバ室010にはずりを集積するホッパ011が配設され、このホッパ011の下部にはこのホッパ011にて集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ012が取付けられている。
【０００４】
従って、カッタ旋回モータ007を駆動して駆動ギヤ008を回転駆動すると、この駆動ギヤ008が噛み合うリングギヤ006が回転し、リングギヤ006と一体のカッタヘッド003を旋回し、ローラカッタ004が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタヘッド003の開口部からチャンバ室010に取り込まれたずりはホッパ011内に落下し、このホッパ011内に集積されたずりはベルトコンベヤ012によって外部に排出される。
【０００５】
前胴001と後胴002との間には１２本のスラストジャッキ013が架設されている。このスラストジャッキ013は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、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014を構成している。従って、このパラレルリンク機構014において、各スラストジャッキ013の各駆動ロッドを伸縮することで、前胴001と後胴002との相対位置を変更することができ、また、各スラストジャッキ013の各作動ストロークを変えることで、後胴002に対してカッタヘッド003を有する前胴001を屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【０００６】
また、この前胴001の後端上部には弧状をなす前胴ルーフシールド015が一体に固定される一方、後胴002の前端上部にも弧状をなす後胴ルーフシールド016が一体に固定されている。この前胴ルーフシールド015と後胴ルーフシールド016とは前胴ルーフシールド015が上になるように重なり合っており、既設トンネルの内壁面からの土砂などの落下を防止している。
【０００７】
更に、前胴001には複数のフロントグリッパ017が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各フロントグリッパ017は内蔵された図示しない油圧ジャッキによって径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各フロントグリッパ017を径方向に張り出すと、このフロントグリッパ017を前胴001内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴001を保持する位置に移動させることができる。一方、後胴002には複数のリヤグリッパ018が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各リヤグリッパ018は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってを径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各リヤグリッパ018を径方向に張り出すと、このリヤグリッパ018を後胴002内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴002を保持する位置に移動させることができる。
【０００８】
従って、リアグリッパ018を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴002を移動不能に保持し、この状態で、カッタ旋回モータ007を駆動してカッタヘッド003を回転駆動させながら、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が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013を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ013 の駆動を停止し、フロントグリッパ017を押し出して掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、前胴001を移動不能に保持する一方、リアグリッパ018を収納することでこの後胴002を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を収縮することで前胴001に対して後胴002を引き寄せる。そして、再び、リアグリッパ018を既設トンネル内壁面に圧接することで後胴002を移動不能に保持する一方、フロントグリッパ017を前胴001内に収納することでこの前胴001を移動自在とする。この状態で、カッタ旋回モータ007によってカッタヘッド003を回転駆動させながら、各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。
【０００９】
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。そして、このローラカッタ004の岩盤掘削によって生じたずりはバケット005によってチャンバ室010内に取り込まれてホッパ011内に落下し、ホッパ011内に集積されたずりはベルトコンベヤ012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、若干不安定であり、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状に形成したＨ形綱や木製の板等を支保として用い、トンネルを保護する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＴＢＭにあっては、掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるときには、内壁面から岩片が剥がれ落ちないように支保工を用いてトンネルを保護する。この支保工の組付作業は、従来、掘削機本体、即ち、後胴002の後方で行っている。
【００１１】
ところが、掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるものの、崩落の少ない地盤であれば問題ないが、地山が崩落し易い地盤では掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを用いたトンネル保護作業を行う必要がある。上述した従来のＴＢＭにあっては、支保工の組付作業を後胴002の後方で行っており、トンネルの内壁面の崩落が広範囲にわたってしまうという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題を解決するものであって、トンネルの内壁面の崩落を抑制すると共に掘削作業の安全性の向上を図ったトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【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、筒状をなす一対の前胴及び後胴と、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、前記前胴と後胴との間に架設された推進手段と、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドと、該ルーフシールドを前方あるいは後方に移動して上方を開口するルーフシールド移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１４】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、カッタヘッド駆動手段によってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段によって前胴を前進させることでカッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、ルーフシールド移動手段によってルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで、前胴と後胴との間の上方を開口することができ、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行う。
【００１５】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、該前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで前記カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、該開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明のトンネル掘削機は、地盤を掘削してトンネルを形成するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機に適用されるものである。即ち、掘削機本体は筒状をなす前胴と後胴とで構成され、前胴の前部には回転自在なカッタヘッドが装着されており、このカッタヘッドはカッタヘッド駆動手段としての駆動モータなどによって駆動回転可能となっている。そして、前胴と後胴との間には推進手段としての多数の油圧ジャッキが架設されており、この油圧ジャッキの伸縮によって前胴と後胴とを接近離間させて両者を交互に前進させることができる。また、この前胴と後胴との間の上部にはルーフシールドが位置しており、このルーフシールドをルーフシールド移動手段としての油圧ジャッキによって前方あるいは後方に移動することで、上方を開口することができる。
【００１９】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、駆動モータによってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段としての油圧ジャッキを伸長し、後胴に対して前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。次に、油圧ジャッキを収縮することで、前胴に対して後胴を引き寄せて前進させる。そして、再び、油圧ジャッキを伸長し、前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。この繰り返しによって掘削作業を行う。そして、掘削地盤が不安定であるときは、後胴に対して前胴が前進したときに、ルーフシールド移動手段としての油圧ジャッキによってルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで、前胴と後胴の間の上方を開口することができ、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止できる。
【００２０】
このように本発明のトンネル掘削機にあっては、掘削地盤が不安定であるときは、ルーフシールドを移動して前胴と後胴の間の上方を開口することで、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止することができ、掘削面から近いところで、しかも、早い時期に支保を行うことで、地山の崩落を抑制して安全に作業を行うことができる。
【００２１】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、この前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで、カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしている。従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２３】
＜第１実施例＞
図１に本発明の第１実施例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断面概略、図２乃至図５は本実施例のトンネルボーリングマシンの要部を表すものであって、図２にトンネルボーリングマシン正面視、図３に図１のIII−III断面、図４に図１のIV−IV断面、図５に図１のＶ−Ｖ断面、そして、図６に推進機構としてのパラレルリンク機構の概略、図７にルーフシールドの概略構成、図８にルーフシールド閉止時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視、図９にルーフシールド開放時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視を示す。
【００２４】
本実施例のＴＢＭにおいて、図１乃至図５に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴１１と後胴１２とから構成されている。カッタヘッド１３は後部にカッタドラム１４が固定されており、このカッタドラム１４が前胴１１の軸受１５に支持されることで、カッタヘッド１３は前胴１１の前部に回転自在に装着されることとなる。そして、このカッタヘッド１３は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ１６が多数枢着されると共に、破壊したずりを取り込むカッタバケット１７が固定されている。このカッタヘッド１３と一体のカッタドラム１４の後部には外歯を有するリングギヤ１８が一体に固定される一方、前胴１１には電動式あるいは油圧式のカッタ旋回モータ１９が固定されており、このカッタ旋回モータ１９の駆動ギヤ２０がリングギヤ１８に噛み合っている。
【００２５】
また、前胴１１には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、カッタヘッド１３側とカッタ旋回モータ１９側とを仕切るバルクヘッド２１が形成されており、カッタヘッド１３とこのバルクヘッド２１との間にはチャンバ室２２が形成されている。そして、このチャンバ室２２にはずりを集積するホッパ２３がバルクヘッド２１に固定されて配設され、このホッパ２３の下部にはこのホッパ２３にて集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ２４が取付けられ、このベルトコンベヤ２４は前胴１１及び後胴１２内を後方に延設されている。
【００２６】
なお、このベルトコンベヤ２４によるずりの排出装置としては、ジェットポンプによってずりを外部に排出するものであってもよく、例えば、掘削機本体内に、ジェットポンプに給水する給水管と給水された水及びずりを排出する排出管を配設し、ホッパ２３にて集積されたずりをジェットポンプからの噴射水によって排出管に吸引し、この排出管を通って排出するようにしてもよい。
【００２７】
従って、カッタ旋回モータ１９を駆動して駆動ギヤ２０を回転駆動すると、この駆動ギヤ２０が噛み合うリングギヤ１８が回転し、リングギヤ１８と一体のカッタヘッド１３を旋回し、ローラカッタ１６が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタバケット１７がずりをチャンバ室２２に取り込んでホッパ２３内に落とし、このホッパ２３内に落下して集積したずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００２８】
また、前胴１１と後胴１２との間には推進手段としての１２本のスラストジャッキ２５が架設されている。このスラストジャッキ２５は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、ジャッキ本体は前胴１１に固定された球軸受２６によって揺動自在に支持され、ロッド先端部は後胴１２に固定された球軸受２７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２５はそれぞれ隣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がカッタヘッド１３の周方向一方に傾斜し、他方のスラストジャッキがカッタヘッド１３の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２８を構成している。
【００２９】
このように前胴１１と後胴１２とをパラレルリンク機構２８で連結したことで、各胴を連結するフレーム等が不要となる。なお、本実施例では、このパラレルリンク機構２８を１２本のスラストジャッキ２５で構成したが、これに限定されるものではなく、その本数はトンネルボーリングマシンの大きさなどに合わせて適宜設定すればよいものである。
【００３０】
従って、このパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５の各駆動ロッドを伸縮することで、前胴１１と後胴１２との相対位置を変更することができ、前胴１１と後胴１２との一方を移動不能とすることで、前胴１１と後胴１２との他方を前進することができる。また、このパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１３を有する前胴１１を後胴１２に対して屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【００３１】
ここで、前述した複数のスラストジャッキ２５から構成されるパラレルリンク機構２８の制御システムの構成について説明する。なお、以下では、説明を簡略化するために、パラレルリンク機構２８を６本のスラストジャッキ２５ａ〜２５ｆによって構成して説明する。
【００３２】
図６に示すように、スラストジャッキ２５ａ〜２５ｆにおいて、例えば、スラストジャッキ２５ａの図示しないピストンによって仕切られた２つの圧力室には油圧給排管２９，３０が連結されており、各油圧給排管２９，３０はそれぞれ非常遮断弁３１，３２を介してサーボ弁３３に連結されている。このサーボ弁３３はスラストジャッキ２５ａの各圧力室への圧油の供給及び排出を操作するものであって、連結管３４，３５を介して油圧給排源３６に連結されている。
【００３３】
また、スラストジャッキ２５ａにはその作動位置を検出する変位センサ３７が装着されており、この変位センサ３７は制御部３８を介してサーボアンプ３９に接続されている。そして、前述したサーボ弁３３はこのサーボアンプ３９に接続されている。なお、この制御部３８には複数のジョイスティックを有する操作部４０と非常停止ボタン４１が接続されている。
【００３４】
従って、変位センサ３７はスラストジャッキ２５ａの作動位置を検出しており、その検出信号を制御部３８に出力している。制御部３８はこの検出信号に基づいてサーボアンプ３９に指令信号を出力し、サーボアンプ３９はその指令信号に基づいてサーボ弁３３を制御し、油圧給排源３６とスラストジャッキ２５ａとの間で油圧の給排を行うようになっている。なお、ここではスラストジャッキ２５ａについてのみ説明したが、他のスラストジャッキ２５ｂ〜２５ｆについても同様の構成となっている。
【００３５】
また、前胴１１には、図１及び図３に示すように、フロントグリッパ４２が装着されている。このフロントグリッパ４２の４つのグリッパシュー４３は周方向にほぼ均等間隔で前胴１１に出没自在に装着されており、内蔵された油圧ジャッキ４４によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ４４を駆動して各グリッパシュー４３を径方向に張り出すと、このグリッパシュー４３を前胴１１内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴１１を保持する位置に移動させることができる。
【００３６】
一方、後胴１２には、図１及び図５に示すように、リアグリッパ４５が装着されている。このリアグリッパ４５の２つのグリッパシュー４６は周方向にほぼ均等間隔で後胴１２内に出没自在に装着されており、内蔵された油圧ジャッキ４７によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ４７を駆動して各グリッパシュー４６を径方向に張り出すと、このグリッパシュー４６を後胴１２内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴１２を保持する位置に移動させることができる。
【００３７】
本実施例では、図１及び図４、図７に示すように、前胴１１に対して後胴１２が若干小径となっており、この前胴１１と後胴１２との間の上部には半円弧状をなす前後一対のルーフシールド５１，５２が設けられている。即ち、前胴１１の後端上部には後方に延設する前胴ルーフシールド５１が着脱自在に設けられる一方、後胴１２の前端上部には前方に延設する後胴ルーフシールド５２が固定されおり、前胴ルーフシールド５１の下側に後胴ルーフシールド５２が位置するように重なり合っている。この前胴ルーフシールド５１は前端にフランジ部５１ａが一体に形成されて前胴１１の後壁１１ａに密着し、このフランジ部５１ａには着脱ボルト５３が装着されている。一方、前胴１１にはナット５４を保持したナットランナ５５が位置しており、このナットランナ５５はブラケット５６を介して前胴１１に固定されたレール５７に対して移動自在に支持されると共に、移動ジャッキ５８によって前後に移動可能となっている。また、前胴ルーフシールド５１の前端部と後胴１２の前端部との間にはルーフシールド移動手段としての複数の開閉ジャッキ５９が架設されている。
【００３８】
従って、移動ジャッキ５８によってナットランナ５５を後方に移動し、保持したナット５４を正転させることで、このナット５４とフランジ部５１ａの着脱ボルト５３とを螺合し、前胴ルーフシールド５１を前胴１１に連結することができる。一方、ナットランナ５５によって保持したナット５４を逆転させることで、このナット５４とフランジ部５１ａの着脱ボルト５３との螺合を解除し、前胴ルーフシールド５１を前胴１１から取り外すことができる。そして、前胴１１から前胴ルーフシールド５１を取り外した状態で、開閉ジャッキ５９を収縮状態のまま、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、この前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の上方を開口することができる。
【００３９】
ここで、上述した本実施例のトンネルボーリングマシンを用いたトンネル掘削方法について説明する。
【００４０】
図１に示すように、フロントグリッパ４２の油圧ジャッキ４４を収縮して各グリッパシュー４３を引き込んで前胴１１内に収納することで、この前胴１１を移動自在にする一方、リアグリッパ４５の油圧ジャッキ４７を伸長して各グリッパシュー４６を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴１２を移動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回モータ１９を駆動してカッタヘッド１３を回転駆動させながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ１５を伸長すると、前胴１１と共にカッタヘッド１３は前方へ移動し、旋回するカッタヘッド１３のローラカッタ１６が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。このとき、各スラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、前胴１１は後胴１２に対して折れ曲がり、カッタヘッド１３の向きを変えてトンネルの掘削方向を変更することができる。
【００４１】
また、図６に示すように、制御部３８には変位センサ３７が検出した各スラストジャッキ２５の作動位置の検出信号が入力されており、制御部３８は予め設定された掘削条件（掘削するトンネルの計画線形や掘削速度等）及び変位センサ３７の検出信号に基づいてサーボアンプ３９に指令信号を出力してサーボ弁３３を制御し、油圧給排源３６と各スラストジャッキ２５との間で油圧の給排を行う。従って、各スラストジャッキ２５は油圧の給排によって所定量駆動し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の制御が行われながら、カッタヘッド１３をこのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の６自由度運動させる。
【００４２】
そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、フロントグリッパ４２の油圧ジャッキ４４を伸長して各グリッパシュー４３を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、前胴１１を移動不能に保持する一方、リヤグリッパ４５の油圧ジャッキ４７を収縮して各グリッパシュー４６を引き込んで後胴１２内に収納することで、後胴１２を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮することで前胴１１に対して後胴１２を引き寄せて前進させ、両者を接近させる。
【００４３】
そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク収縮すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、再び、リアグリッパ４５の各油圧ジャッキ４７を伸長して各グリッパシュー４６をトンネル内壁面の圧接することで、後胴１２を保持する一方、フロントグリッパ４２の各油圧ジャッキ４４を収縮して各グリッパシュー４３によるトンネル内壁面の圧接を解除する。そして、カッタ旋回モータ１９によってカッタヘッド１３を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長することで、後胴１２に対して前胴１１及びカッタヘッド１３を前進させる。すると、回転駆動するカッタヘッド１３が前方の岩盤に押し付けられ、ローラカッタ１６が岩盤を破砕する。この作動の繰り返しによってトンネルを掘削していく。
【００４４】
そして、この回転駆動するカッタヘッド１３のローラカッタ１５の岩盤掘削によって生じたずりは、カッタバケット１７によってチャンバ室２２内に取り込まれ、ホッパ２３内に落下する。このホッパ２３内に落下して集積されたずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００４５】
このように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内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、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状に形成したＨ形綱や木製の板等を支保工として用い、トンネルを保護する。
【００４６】
このとき、通常は、図８に示すように、前胴ルーフシールド５１は前端のフランジ部５１ａが前胴１１の後壁１１ａに連結固定されており、この前胴ルーフシールド５１は前胴１１と共に前進して掘削作業を行っている。そのため、作業者は後胴１２の後方にて、トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行う。
【００４７】
ところが、掘削地盤が不安定であって、既設トンネルの内壁面での崩落がある場合には、掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを組み付けて既設トンネルを保護する必要がある。従って、この場合には、図１及び図７に示すように、ナットランナ５５によって保持したナット５４を逆転させることで、このナット５４と前胴ルーフシールド５１の着脱ボルト５３との螺合を解除し、この前胴ルーフシールド５１を前胴１１から取り外す。そして、この状態で開閉ジャッキ５９を収縮状態のまま、カッタ旋回モータ１９によってカッタヘッド１３を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長する。すると、図９に示すように、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、旋回するカッタヘッド１３によって前方の岩盤が掘削され、前進した前胴１１と後胴１２と共に停止していた前胴ルーフシールド５１との間の上方が開口する。
【００４８】
従って、作業者は、前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の上方を開口した開口部を用いて、既設トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行うことで、地盤の崩落を早期に抑制できる。なお、前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の開口部の大きさを調整する場合には、開閉ジャッキ５９を伸長することで、前胴ルーフシールド５１が前胴１１側へ移動し、開口部を小さくすることができる。
【００４９】
その後、掘削地盤が安定して、既設トンネルの内壁面での崩落の危険性がなくなった場合には、開閉ジャッキ５９を収縮状態として、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮すると、前胴１１に対して後胴１２と共に前胴ルーフシールド５１が引き寄せられて前進し、前進した前胴ルーフシールド５１の前端部が前胴１１の後壁に密着する。この状態で、ナットランナ５５によって保持したナット５４を正転させることで、このナット５４と前胴ルーフシールド５１の着脱ボルト５３とが螺合し、この前胴ルーフシールド５１は前胴１１に連結固定する。
【００５０】
＜第２実施例＞
図１０に本発明の第２実施例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断面概略を示す。なお、上述した第１実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５１】
本実施例のＴＢＭにおいて、図１０に示すように、前胴１１の前部にはカッタヘッド１３が回転自在に装着され、このカッタヘッド１３にはローラカッタ１６及びカッタバケット１７が取付けられ、カッタ旋回モータ１９によって駆動回転可能となっている。また、前胴１１にはバルクヘッド２１によってチャンバ室２２が形成されており、このチャンバ室２２にはホッパ２３が配設されると共に、このホッパ２３にて集積したずりを排出するベルトコンベヤ２４が配設されている。そして、前胴１１と後胴１２との間には１２本のスラストジャッキ２５からなるパラレルリンク機構２８が架設されており、このパラレルリンク機構２８によって前胴１１あるいは後胴１２を前進することができると共に、その掘進方向を変更することができる。また、前胴１１にはフロントグリッパ４２が装着される一方、後胴１２にはリアグリッパ４５が装着されている。
【００５２】
本実施例では、前胴１１に対して後胴１２が若干小径となっており、この前胴１１の後部から後胴１２との後方にかけてその上部には半円弧状をなすルーフシールド６１が設けられている。即ち、このルーフシールド６１は後胴を覆うようにその上方に位置し、前端部が前胴１１の後壁に密着して着脱ボルト６３が装着されている。一方、前胴１１にはナット６４を保持したナットランナ６５が位置しており、このナットランナ６５はブラケット６６を介して前胴１１に固定されたレール６７に対して移動自在に支持されると共に、移動ジャッキ６８によって前後に移動可能となっている。また、ルーフシールド６１の後端部と後胴１２の後端部との間にはルーフシールド移動手段としての複数の開閉ジャッキ６９が架設されている。
【００５３】
従って、移動ジャッキ６８によってナットランナ５５を後方に移動し、保持したナット６４を正転させることで、このナット６４とフランジ部６１ａの着脱ボルト６３とを螺合し、ルーフシールド６１を前胴６１に連結することができる。一方、ナットランナ６５によって保持したナット６４を逆転させることで、このナット６４とフランジ部６１ａの着脱ボルト６３との螺合を解除し、ルーフシールド５１を前胴１１から取り外すことができる。そして、前胴１１からルーフシールド６１を取り外した状態で、開閉ジャッキ６９を伸長状態のまま、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、この前胴１１とルーフシールド６１との間の上方を開口することができる。
【００５４】
ここで、上述した本実施例のトンネルボーリングマシンを用いたトンネル掘削方法について説明する。
【００５５】
図１０に示すように、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動自在にする一方、リアグリッパ４５によって後胴１２を移動不能に保持した状態で、カッタ旋回モータ１９を駆動してカッタヘッド１３を回転駆動させながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ１５を伸長すると、前胴１１と共にカッタヘッド１３は前方へ移動し、ローラカッタ１６が岩盤を掘削する。そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動不能に保持する一方、リヤグリッパ４５によって後胴１２を移動自在とする。この状態でパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮することで、前胴１１に対して後胴１２を引き寄せて前進させ、両者を接近させる。
【００５６】
各スラストジャッキ２５を所定ストローク収縮すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、再び、リアグリッパ４５によって後胴１２を保持する一方、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動可能とし、カッタヘッド１３を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長して前胴１１前進させ、回転駆動するカッタヘッド１３によって前方の岩盤を掘削する。この作動の繰り返しによってトンネルを掘削していく。そして、この回転駆動するカッタヘッド１３の岩盤掘削によって生じたずりは、カッタバケット１７によってチャンバ室２２内に取り込まれ、ホッパ２３内に落下する。このホッパ２３内に落下して集積されたずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００５７】
このように岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、掘削地盤が不安定であって、既設トンネルの内壁面での崩落がある場合には、ルーフシールド６１を移動することで前胴１１と後胴１２との間に開口を形成し、この開口を用いて支保工の組み付け作業を行う。即ち、ナットランナ６５によってナット６４を逆転させて前胴ルーフシールド６１の着脱ボルト６３との螺合を解除し、前胴ルーフシールド６１を前胴１１から取り外す。そして、この状態で開閉ジャッキ６９を伸長状態のまま、カッタヘッド１３を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、旋回するカッタヘッド１３によって前方の岩盤が掘削され、前進した前胴１１と後胴１２と共に停止していたルーフシールド６１との間の上方が開口する。
【００５８】
従って、作業者は、前胴１１とルーフシールド６１との間の上方を開口した開口部を用いて、既設トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行うことで、地盤の崩落を早期に抑制できる。なお、前胴１１とルーフシールド６１との間の開口部の大きさを調整する場合には、開閉ジャッキ６９を収縮することで、ルーフシールド６１が前胴１１側へ移動し、開口部を小さくすることができる。
【００５９】
その後、掘削地盤が安定して、既設トンネルの内壁面での崩落の危険性がなくなった場合には、開閉ジャッキ６９を収縮状態として、各スラストジャッキ２５を収縮すると、前胴１１に対して後胴１２と共にルーフシールド６１が引き寄せられて前進し、前進したルーフシールド６１の前端部が前胴１１の後壁に密着する。この状態で、ナットランナ６５によってナット６４をルーフシールド６１の着脱ボルト６３とが螺合することで、この前胴ルーフシールド６１を前胴１１に連結固定する。
【００６０】
なお、上述した各実施例にあっては、本発明のトンネル掘削機を、岩盤を破砕してトンネルを掘削するトンネルボーリングマシンを用いて説明したが、本発明はこのタイプの掘削機に限定されるものではなく、軟弱で水分の多い地盤を掘削するシールド掘削機に適用することも可能であり、同然の如く、前述と同様の作用効果を奏することができる。また、推進手段として複数のスラストジャッキがトラス状に配設されたパラレルリンク機構を用いたが、複数のスラストジャッキが略平行に配設された推進機構を用いてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上、実施例を挙げて詳細に説明したように本発明のトンネル掘削機によれば、筒状をなす前胴の前部に回転自在なカッタヘッドを装着してカッタヘッド駆動手段によって駆動回転可能とすると共に、前胴と後胴との間に推進手段を架設して両者を接近離反自在とし、また、この前胴と後胴との間の上部にルーフシールドを介装してこのルーフシールドをルーフシールド移動手段によって前方あるいは後方に移動することで上方を開口可能としたので、既設トンネルの内壁面で崩落がある場合には、ルーフシールド移動手段によってルーフシールドを移動し、前胴と後胴との間の上方を開口することにより、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うことができる。その結果、トンネルの内壁面の崩落を早期に抑制することができると共に、掘削作業の安全性の向上を図ることができる。
【００６２】
また、本発明のトンネル掘削方法によれば、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、この前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで前方の地盤を掘削し、このとき、前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたので、掘削途中にて掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例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断面概略図である。
【図２】トンネルボーリングマシン正面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】推進機構としてのパラレルリンク機構の概略図である。
【図７】ルーフシールドの概略構成図である。
【図８】ルーフシールド閉止時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図９】ルーフシールド開放時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図１０】本発明の第２実施例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断面概略図である。
【図１１】従来のトンネルボーリングマシンの断面概略図である。
【符号の説明】
１１ 前胴
１２ 後胴
１３ カッタヘッド
１９ カッタ旋回モータ（カッタヘッド駆動手段）
４２ フロントグリッパ
４５ リアグリッパ
２５ スラストジャッキ
２８ パラレルリンク機構（推進手段）
５１ 前胴ルーフシールド
５２ 後胴ルーフシールド
５９ 開閉ジャッキ（ルーフシールド移動手段）
【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及びトンネル掘削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に従来のトンネルボーリングマシンの断面概略を示す。
【０００３】
従来のトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）において、図１１に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴001と後胴002とから構成されており、この前胴001の前部にはカッタヘッド003が回転自在に装着されており、このカッタヘッド003は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ004が多数枢着されると共に、バケット005が取付けられている。このカッタヘッド003の後部には内歯を有するリングギヤ006が一体に固定される一方、前胴001にはカッタ旋回モータ007が固定されており、このカッタ旋回モータ007の駆動ギヤ008がリングギヤ006に噛み合っている。また、前胴001には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、バルクヘッド009が形成されており、カッタヘッド003とこのバルクヘッド009との間にはチャンバ室010が形成されている。そして、このチャンバ室010にはずりを集積するホッパ011が配設され、このホッパ011の下部にはこのホッパ011にて集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ012が取付けられている。
【０００４】
従って、カッタ旋回モータ007を駆動して駆動ギヤ008を回転駆動すると、この駆動ギヤ008が噛み合うリングギヤ006が回転し、リングギヤ006と一体のカッタヘッド003を旋回し、ローラカッタ004が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタヘッド003の開口部からチャンバ室010に取り込まれたずりはホッパ011内に落下し、このホッパ011内に集積されたずりはベルトコンベヤ012によって外部に排出される。
【０００５】
前胴001と後胴002との間には１２本のスラストジャッキ013が架設されている。このスラストジャッキ013は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、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014を構成している。従って、このパラレルリンク機構014において、各スラストジャッキ013の各駆動ロッドを伸縮することで、前胴001と後胴002との相対位置を変更することができ、また、各スラストジャッキ013の各作動ストロークを変えることで、後胴002に対してカッタヘッド003を有する前胴001を屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【０００６】
また、この前胴001の後端上部には弧状をなす前胴ルーフシールド015が一体に固定される一方、後胴002の前端上部にも弧状をなす後胴ルーフシールド016が一体に固定されている。この前胴ルーフシールド015と後胴ルーフシールド016とは前胴ルーフシールド015が上になるように重なり合っており、既設トンネルの内壁面からの土砂などの落下を防止している。
【０００７】
更に、前胴001には複数のフロントグリッパ017が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各フロントグリッパ017は内蔵された図示しない油圧ジャッキによって径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各フロントグリッパ017を径方向に張り出すと、このフロントグリッパ017を前胴001内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴001を保持する位置に移動させることができる。一方、後胴002には複数のリヤグリッパ018が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各リヤグリッパ018は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってを径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各リヤグリッパ018を径方向に張り出すと、このリヤグリッパ018を後胴002内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴002を保持する位置に移動させることができる。
【０００８】
従って、リアグリッパ018を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴002を移動不能に保持し、この状態で、カッタ旋回モータ007を駆動してカッタヘッド003を回転駆動させながら、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が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013を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ013 の駆動を停止し、フロントグリッパ017を押し出して掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、前胴001を移動不能に保持する一方、リアグリッパ018を収納することでこの後胴002を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を収縮することで前胴001に対して後胴002を引き寄せる。そして、再び、リアグリッパ018を既設トンネル内壁面に圧接することで後胴002を移動不能に保持する一方、フロントグリッパ017を前胴001内に収納することでこの前胴001を移動自在とする。この状態で、カッタ旋回モータ007によってカッタヘッド003を回転駆動させながら、各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。
【０００９】
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。そして、このローラカッタ004の岩盤掘削によって生じたずりはバケット005によってチャンバ室010内に取り込まれてホッパ011内に落下し、ホッパ011内に集積されたずりはベルトコンベヤ012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、若干不安定であり、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状に形成したＨ形綱や木製の板等を支保として用い、トンネルを保護する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＴＢＭにあっては、掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるときには、内壁面から岩片が剥がれ落ちないように支保工を用いてトンネルを保護する。この支保工の組付作業は、従来、掘削機本体、即ち、後胴002の後方で行っている。
【００１１】
ところが、掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるものの、崩落の少ない地盤であれば問題ないが、地山が崩落し易い地盤では掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを用いたトンネル保護作業を行う必要がある。上述した従来のＴＢＭにあっては、支保工の組付作業を後胴002の後方で行っており、トンネルの内壁面の崩落が広範囲にわたってしまうという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題を解決するものであって、トンネルの内壁面の崩落を抑制すると共に掘削作業の安全性の向上を図ったトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【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、筒状をなす一対の前胴及び後胴と、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、前記前胴と後胴との間に架設された推進手段と、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドと、該ルーフシールドを前方あるいは後方に移動して上方を開口するルーフシールド移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１４】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、カッタヘッド駆動手段によってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段によって前胴を前進させることでカッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、ルーフシールド移動手段によってルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで、前胴と後胴との間の上方を開口することができ、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行う。
【００１５】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、該前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで前記カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、該開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明のトンネル掘削機は、地盤を掘削してトンネルを形成するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機に適用されるものである。即ち、掘削機本体は筒状をなす前胴と後胴とで構成され、前胴の前部には回転自在なカッタヘッドが装着されており、このカッタヘッドはカッタヘッド駆動手段としての駆動モータなどによって駆動回転可能となっている。そして、前胴と後胴との間には推進手段としての多数の油圧ジャッキが架設されており、この油圧ジャッキの伸縮によって前胴と後胴とを接近離間させて両者を交互に前進させることができる。また、この前胴と後胴との間の上部にはルーフシールドが位置しており、このルーフシールドをルーフシールド移動手段としての油圧ジャッキによって前方あるいは後方に移動することで、上方を開口することができる。
【００１９】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、駆動モータによってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段としての油圧ジャッキを伸長し、後胴に対して前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。次に、油圧ジャッキを収縮することで、前胴に対して後胴を引き寄せて前進させる。そして、再び、油圧ジャッキを伸長し、前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。この繰り返しによって掘削作業を行う。そして、掘削地盤が不安定であるときは、後胴に対して前胴が前進したときに、ルーフシールド移動手段としての油圧ジャッキによってルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで、前胴と後胴の間の上方を開口することができ、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止できる。
【００２０】
このように本発明のトンネル掘削機にあっては、掘削地盤が不安定であるときは、ルーフシールドを移動して前胴と後胴の間の上方を開口することで、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止することができ、掘削面から近いところで、しかも、早い時期に支保を行うことで、地山の崩落を抑制して安全に作業を行うことができる。
【００２１】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、この前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで、カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしている。従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２３】
＜第１実施例＞
図１に本発明の第１実施例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断面概略、図２乃至図５は本実施例のトンネルボーリングマシンの要部を表すものであって、図２にトンネルボーリングマシン正面視、図３に図１のIII−III断面、図４に図１のIV−IV断面、図５に図１のＶ−Ｖ断面、そして、図６に推進機構としてのパラレルリンク機構の概略、図７にルーフシールドの概略構成、図８にルーフシールド閉止時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視、図９にルーフシールド開放時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視を示す。
【００２４】
本実施例のＴＢＭにおいて、図１乃至図５に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴１１と後胴１２とから構成されている。カッタヘッド１３は後部にカッタドラム１４が固定されており、このカッタドラム１４が前胴１１の軸受１５に支持されることで、カッタヘッド１３は前胴１１の前部に回転自在に装着されることとなる。そして、このカッタヘッド１３は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ１６が多数枢着されると共に、破壊したずりを取り込むカッタバケット１７が固定されている。このカッタヘッド１３と一体のカッタドラム１４の後部には外歯を有するリングギヤ１８が一体に固定される一方、前胴１１には電動式あるいは油圧式のカッタ旋回モータ１９が固定されており、このカッタ旋回モータ１９の駆動ギヤ２０がリングギヤ１８に噛み合っている。
【００２５】
また、前胴１１には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、カッタヘッド１３側とカッタ旋回モータ１９側とを仕切るバルクヘッド２１が形成されており、カッタヘッド１３とこのバルクヘッド２１との間にはチャンバ室２２が形成されている。そして、このチャンバ室２２にはずりを集積するホッパ２３がバルクヘッド２１に固定されて配設され、このホッパ２３の下部にはこのホッパ２３にて集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ２４が取付けられ、このベルトコンベヤ２４は前胴１１及び後胴１２内を後方に延設されている。
【００２６】
なお、このベルトコンベヤ２４によるずりの排出装置としては、ジェットポンプによってずりを外部に排出するものであってもよく、例えば、掘削機本体内に、ジェットポンプに給水する給水管と給水された水及びずりを排出する排出管を配設し、ホッパ２３にて集積されたずりをジェットポンプからの噴射水によって排出管に吸引し、この排出管を通って排出するようにしてもよい。
【００２７】
従って、カッタ旋回モータ１９を駆動して駆動ギヤ２０を回転駆動すると、この駆動ギヤ２０が噛み合うリングギヤ１８が回転し、リングギヤ１８と一体のカッタヘッド１３を旋回し、ローラカッタ１６が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタバケット１７がずりをチャンバ室２２に取り込んでホッパ２３内に落とし、このホッパ２３内に落下して集積したずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００２８】
また、前胴１１と後胴１２との間には推進手段としての１２本のスラストジャッキ２５が架設されている。このスラストジャッキ２５は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、ジャッキ本体は前胴１１に固定された球軸受２６によって揺動自在に支持され、ロッド先端部は後胴１２に固定された球軸受２７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２５はそれぞれ隣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がカッタヘッド１３の周方向一方に傾斜し、他方のスラストジャッキがカッタヘッド１３の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２８を構成している。
【００２９】
このように前胴１１と後胴１２とをパラレルリンク機構２８で連結したことで、各胴を連結するフレーム等が不要となる。なお、本実施例では、このパラレルリンク機構２８を１２本のスラストジャッキ２５で構成したが、これに限定されるものではなく、その本数はトンネルボーリングマシンの大きさなどに合わせて適宜設定すればよいものである。
【００３０】
従って、このパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５の各駆動ロッドを伸縮することで、前胴１１と後胴１２との相対位置を変更することができ、前胴１１と後胴１２との一方を移動不能とすることで、前胴１１と後胴１２との他方を前進することができる。また、このパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１３を有する前胴１１を後胴１２に対して屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【００３１】
ここで、前述した複数のスラストジャッキ２５から構成されるパラレルリンク機構２８の制御システムの構成について説明する。なお、以下では、説明を簡略化するために、パラレルリンク機構２８を６本のスラストジャッキ２５ａ〜２５ｆによって構成して説明する。
【００３２】
図６に示すように、スラストジャッキ２５ａ〜２５ｆにおいて、例えば、スラストジャッキ２５ａの図示しないピストンによって仕切られた２つの圧力室には油圧給排管２９，３０が連結されており、各油圧給排管２９，３０はそれぞれ非常遮断弁３１，３２を介してサーボ弁３３に連結されている。このサーボ弁３３はスラストジャッキ２５ａの各圧力室への圧油の供給及び排出を操作するものであって、連結管３４，３５を介して油圧給排源３６に連結されている。
【００３３】
また、スラストジャッキ２５ａにはその作動位置を検出する変位センサ３７が装着されており、この変位センサ３７は制御部３８を介してサーボアンプ３９に接続されている。そして、前述したサーボ弁３３はこのサーボアンプ３９に接続されている。なお、この制御部３８には複数のジョイスティックを有する操作部４０と非常停止ボタン４１が接続されている。
【００３４】
従って、変位センサ３７はスラストジャッキ２５ａの作動位置を検出しており、その検出信号を制御部３８に出力している。制御部３８はこの検出信号に基づいてサーボアンプ３９に指令信号を出力し、サーボアンプ３９はその指令信号に基づいてサーボ弁３３を制御し、油圧給排源３６とスラストジャッキ２５ａとの間で油圧の給排を行うようになっている。なお、ここではスラストジャッキ２５ａについてのみ説明したが、他のスラストジャッキ２５ｂ〜２５ｆについても同様の構成となっている。
【００３５】
また、前胴１１には、図１及び図３に示すように、フロントグリッパ４２が装着されている。このフロントグリッパ４２の４つのグリッパシュー４３は周方向にほぼ均等間隔で前胴１１に出没自在に装着されており、内蔵された油圧ジャッキ４４によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ４４を駆動して各グリッパシュー４３を径方向に張り出すと、このグリッパシュー４３を前胴１１内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴１１を保持する位置に移動させることができる。
【００３６】
一方、後胴１２には、図１及び図５に示すように、リアグリッパ４５が装着されている。このリアグリッパ４５の２つのグリッパシュー４６は周方向にほぼ均等間隔で後胴１２内に出没自在に装着されており、内蔵された油圧ジャッキ４７によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ４７を駆動して各グリッパシュー４６を径方向に張り出すと、このグリッパシュー４６を後胴１２内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴１２を保持する位置に移動させることができる。
【００３７】
本実施例では、図１及び図４、図７に示すように、前胴１１に対して後胴１２が若干小径となっており、この前胴１１と後胴１２との間の上部には半円弧状をなす前後一対のルーフシールド５１，５２が設けられている。即ち、前胴１１の後端上部には後方に延設する前胴ルーフシールド５１が着脱自在に設けられる一方、後胴１２の前端上部には前方に延設する後胴ルーフシールド５２が固定されおり、前胴ルーフシールド５１の下側に後胴ルーフシールド５２が位置するように重なり合っている。この前胴ルーフシールド５１は前端にフランジ部５１ａが一体に形成されて前胴１１の後壁１１ａに密着し、このフランジ部５１ａには着脱ボルト５３が装着されている。一方、前胴１１にはナット５４を保持したナットランナ５５が位置しており、このナットランナ５５はブラケット５６を介して前胴１１に固定されたレール５７に対して移動自在に支持されると共に、移動ジャッキ５８によって前後に移動可能となっている。また、前胴ルーフシールド５１の前端部と後胴１２の前端部との間にはルーフシールド移動手段としての複数の開閉ジャッキ５９が架設されている。
【００３８】
従って、移動ジャッキ５８によってナットランナ５５を後方に移動し、保持したナット５４を正転させることで、このナット５４とフランジ部５１ａの着脱ボルト５３とを螺合し、前胴ルーフシールド５１を前胴１１に連結することができる。一方、ナットランナ５５によって保持したナット５４を逆転させることで、このナット５４とフランジ部５１ａの着脱ボルト５３との螺合を解除し、前胴ルーフシールド５１を前胴１１から取り外すことができる。そして、前胴１１から前胴ルーフシールド５１を取り外した状態で、開閉ジャッキ５９を収縮状態のまま、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、この前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の上方を開口することができる。
【００３９】
ここで、上述した本実施例のトンネルボーリングマシンを用いたトンネル掘削方法について説明する。
【００４０】
図１に示すように、フロントグリッパ４２の油圧ジャッキ４４を収縮して各グリッパシュー４３を引き込んで前胴１１内に収納することで、この前胴１１を移動自在にする一方、リアグリッパ４５の油圧ジャッキ４７を伸長して各グリッパシュー４６を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴１２を移動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回モータ１９を駆動してカッタヘッド１３を回転駆動させながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ１５を伸長すると、前胴１１と共にカッタヘッド１３は前方へ移動し、旋回するカッタヘッド１３のローラカッタ１６が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。このとき、各スラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、前胴１１は後胴１２に対して折れ曲がり、カッタヘッド１３の向きを変えてトンネルの掘削方向を変更することができる。
【００４１】
また、図６に示すように、制御部３８には変位センサ３７が検出した各スラストジャッキ２５の作動位置の検出信号が入力されており、制御部３８は予め設定された掘削条件（掘削するトンネルの計画線形や掘削速度等）及び変位センサ３７の検出信号に基づいてサーボアンプ３９に指令信号を出力してサーボ弁３３を制御し、油圧給排源３６と各スラストジャッキ２５との間で油圧の給排を行う。従って、各スラストジャッキ２５は油圧の給排によって所定量駆動し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の制御が行われながら、カッタヘッド１３をこのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の６自由度運動させる。
【００４２】
そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、フロントグリッパ４２の油圧ジャッキ４４を伸長して各グリッパシュー４３を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、前胴１１を移動不能に保持する一方、リヤグリッパ４５の油圧ジャッキ４７を収縮して各グリッパシュー４６を引き込んで後胴１２内に収納することで、後胴１２を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮することで前胴１１に対して後胴１２を引き寄せて前進させ、両者を接近させる。
【００４３】
そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク収縮すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、再び、リアグリッパ４５の各油圧ジャッキ４７を伸長して各グリッパシュー４６をトンネル内壁面の圧接することで、後胴１２を保持する一方、フロントグリッパ４２の各油圧ジャッキ４４を収縮して各グリッパシュー４３によるトンネル内壁面の圧接を解除する。そして、カッタ旋回モータ１９によってカッタヘッド１３を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長することで、後胴１２に対して前胴１１及びカッタヘッド１３を前進させる。すると、回転駆動するカッタヘッド１３が前方の岩盤に押し付けられ、ローラカッタ１６が岩盤を破砕する。この作動の繰り返しによってトンネルを掘削していく。
【００４４】
そして、この回転駆動するカッタヘッド１３のローラカッタ１５の岩盤掘削によって生じたずりは、カッタバケット１７によってチャンバ室２２内に取り込まれ、ホッパ２３内に落下する。このホッパ２３内に落下して集積されたずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００４５】
このように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内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、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状に形成したＨ形綱や木製の板等を支保工として用い、トンネルを保護する。
【００４６】
このとき、通常は、図８に示すように、前胴ルーフシールド５１は前端のフランジ部５１ａが前胴１１の後壁１１ａに連結固定されており、この前胴ルーフシールド５１は前胴１１と共に前進して掘削作業を行っている。そのため、作業者は後胴１２の後方にて、トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行う。
【００４７】
ところが、掘削地盤が不安定であって、既設トンネルの内壁面での崩落がある場合には、掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを組み付けて既設トンネルを保護する必要がある。従って、この場合には、図１及び図７に示すように、ナットランナ５５によって保持したナット５４を逆転させることで、このナット５４と前胴ルーフシールド５１の着脱ボルト５３との螺合を解除し、この前胴ルーフシールド５１を前胴１１から取り外す。そして、この状態で開閉ジャッキ５９を収縮状態のまま、カッタ旋回モータ１９によってカッタヘッド１３を回転駆動しながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長する。すると、図９に示すように、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、旋回するカッタヘッド１３によって前方の岩盤が掘削され、前進した前胴１１と後胴１２と共に停止していた前胴ルーフシールド５１との間の上方が開口する。
【００４８】
従って、作業者は、前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の上方を開口した開口部を用いて、既設トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行うことで、地盤の崩落を早期に抑制できる。なお、前胴１１と前胴ルーフシールド５１との間の開口部の大きさを調整する場合には、開閉ジャッキ５９を伸長することで、前胴ルーフシールド５１が前胴１１側へ移動し、開口部を小さくすることができる。
【００４９】
その後、掘削地盤が安定して、既設トンネルの内壁面での崩落の危険性がなくなった場合には、開閉ジャッキ５９を収縮状態として、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮すると、前胴１１に対して後胴１２と共に前胴ルーフシールド５１が引き寄せられて前進し、前進した前胴ルーフシールド５１の前端部が前胴１１の後壁に密着する。この状態で、ナットランナ５５によって保持したナット５４を正転させることで、このナット５４と前胴ルーフシールド５１の着脱ボルト５３とが螺合し、この前胴ルーフシールド５１は前胴１１に連結固定する。
【００５０】
＜第２実施例＞
図１０に本発明の第２実施例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断面概略を示す。なお、上述した第１実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５１】
本実施例のＴＢＭにおいて、図１０に示すように、前胴１１の前部にはカッタヘッド１３が回転自在に装着され、このカッタヘッド１３にはローラカッタ１６及びカッタバケット１７が取付けられ、カッタ旋回モータ１９によって駆動回転可能となっている。また、前胴１１にはバルクヘッド２１によってチャンバ室２２が形成されており、このチャンバ室２２にはホッパ２３が配設されると共に、このホッパ２３にて集積したずりを排出するベルトコンベヤ２４が配設されている。そして、前胴１１と後胴１２との間には１２本のスラストジャッキ２５からなるパラレルリンク機構２８が架設されており、このパラレルリンク機構２８によって前胴１１あるいは後胴１２を前進することができると共に、その掘進方向を変更することができる。また、前胴１１にはフロントグリッパ４２が装着される一方、後胴１２にはリアグリッパ４５が装着されている。
【００５２】
本実施例では、前胴１１に対して後胴１２が若干小径となっており、この前胴１１の後部から後胴１２との後方にかけてその上部には半円弧状をなすルーフシールド６１が設けられている。即ち、このルーフシールド６１は後胴を覆うようにその上方に位置し、前端部が前胴１１の後壁に密着して着脱ボルト６３が装着されている。一方、前胴１１にはナット６４を保持したナットランナ６５が位置しており、このナットランナ６５はブラケット６６を介して前胴１１に固定されたレール６７に対して移動自在に支持されると共に、移動ジャッキ６８によって前後に移動可能となっている。また、ルーフシールド６１の後端部と後胴１２の後端部との間にはルーフシールド移動手段としての複数の開閉ジャッキ６９が架設されている。
【００５３】
従って、移動ジャッキ６８によってナットランナ５５を後方に移動し、保持したナット６４を正転させることで、このナット６４とフランジ部６１ａの着脱ボルト６３とを螺合し、ルーフシールド６１を前胴６１に連結することができる。一方、ナットランナ６５によって保持したナット６４を逆転させることで、このナット６４とフランジ部６１ａの着脱ボルト６３との螺合を解除し、ルーフシールド５１を前胴１１から取り外すことができる。そして、前胴１１からルーフシールド６１を取り外した状態で、開閉ジャッキ６９を伸長状態のまま、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、この前胴１１とルーフシールド６１との間の上方を開口することができる。
【００５４】
ここで、上述した本実施例のトンネルボーリングマシンを用いたトンネル掘削方法について説明する。
【００５５】
図１０に示すように、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動自在にする一方、リアグリッパ４５によって後胴１２を移動不能に保持した状態で、カッタ旋回モータ１９を駆動してカッタヘッド１３を回転駆動させながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ１５を伸長すると、前胴１１と共にカッタヘッド１３は前方へ移動し、ローラカッタ１６が岩盤を掘削する。そして、各スラストジャッキ２５を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動不能に保持する一方、リヤグリッパ４５によって後胴１２を移動自在とする。この状態でパラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２５を収縮することで、前胴１１に対して後胴１２を引き寄せて前進させ、両者を接近させる。
【００５６】
各スラストジャッキ２５を所定ストローク収縮すると、このスラストジャッキ２５の駆動を停止し、再び、リアグリッパ４５によって後胴１２を保持する一方、フロントグリッパ４２によって前胴１１を移動可能とし、カッタヘッド１３を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長して前胴１１前進させ、回転駆動するカッタヘッド１３によって前方の岩盤を掘削する。この作動の繰り返しによってトンネルを掘削していく。そして、この回転駆動するカッタヘッド１３の岩盤掘削によって生じたずりは、カッタバケット１７によってチャンバ室２２内に取り込まれ、ホッパ２３内に落下する。このホッパ２３内に落下して集積されたずりはベルトコンベヤ２４によって外部に排出される。
【００５７】
このように岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、掘削地盤が不安定であって、既設トンネルの内壁面での崩落がある場合には、ルーフシールド６１を移動することで前胴１１と後胴１２との間に開口を形成し、この開口を用いて支保工の組み付け作業を行う。即ち、ナットランナ６５によってナット６４を逆転させて前胴ルーフシールド６１の着脱ボルト６３との螺合を解除し、前胴ルーフシールド６１を前胴１１から取り外す。そして、この状態で開閉ジャッキ６９を伸長状態のまま、カッタヘッド１３を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長すると、後胴１２に対して前胴１１のみが前進し、旋回するカッタヘッド１３によって前方の岩盤が掘削され、前進した前胴１１と後胴１２と共に停止していたルーフシールド６１との間の上方が開口する。
【００５８】
従って、作業者は、前胴１１とルーフシールド６１との間の上方を開口した開口部を用いて、既設トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行うことで、地盤の崩落を早期に抑制できる。なお、前胴１１とルーフシールド６１との間の開口部の大きさを調整する場合には、開閉ジャッキ６９を収縮することで、ルーフシールド６１が前胴１１側へ移動し、開口部を小さくすることができる。
【００５９】
その後、掘削地盤が安定して、既設トンネルの内壁面での崩落の危険性がなくなった場合には、開閉ジャッキ６９を収縮状態として、各スラストジャッキ２５を収縮すると、前胴１１に対して後胴１２と共にルーフシールド６１が引き寄せられて前進し、前進したルーフシールド６１の前端部が前胴１１の後壁に密着する。この状態で、ナットランナ６５によってナット６４をルーフシールド６１の着脱ボルト６３とが螺合することで、この前胴ルーフシールド６１を前胴１１に連結固定する。
【００６０】
なお、上述した各実施例にあっては、本発明のトンネル掘削機を、岩盤を破砕してトンネルを掘削するトンネルボーリングマシンを用いて説明したが、本発明はこのタイプの掘削機に限定されるものではなく、軟弱で水分の多い地盤を掘削するシールド掘削機に適用することも可能であり、同然の如く、前述と同様の作用効果を奏することができる。また、推進手段として複数のスラストジャッキがトラス状に配設されたパラレルリンク機構を用いたが、複数のスラストジャッキが略平行に配設された推進機構を用いてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上、実施例を挙げて詳細に説明したように本発明のトンネル掘削機によれば、筒状をなす前胴の前部に回転自在なカッタヘッドを装着してカッタヘッド駆動手段によって駆動回転可能とすると共に、前胴と後胴との間に推進手段を架設して両者を接近離反自在とし、また、この前胴と後胴との間の上部にルーフシールドを介装してこのルーフシールドをルーフシールド移動手段によって前方あるいは後方に移動することで上方を開口可能としたので、既設トンネルの内壁面で崩落がある場合には、ルーフシールド移動手段によってルーフシールドを移動し、前胴と後胴との間の上方を開口することにより、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うことができる。その結果、トンネルの内壁面の崩落を早期に抑制することができると共に、掘削作業の安全性の向上を図ることができる。
【００６２】
また、本発明のトンネル掘削方法によれば、掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、この前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで前方の地盤を掘削し、このとき、前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたので、掘削途中にて掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例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断面概略図である。
【図２】トンネルボーリングマシン正面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】推進機構としてのパラレルリンク機構の概略図である。
【図７】ルーフシールドの概略構成図である。
【図８】ルーフシールド閉止時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図９】ルーフシールド開放時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図１０】本発明の第２実施例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断面概略図である。
【図１１】従来のトンネルボーリングマシンの断面概略図である。
【符号の説明】
１１ 前胴
１２ 後胴
１３ カッタヘッド
１９ カッタ旋回モータ（カッタヘッド駆動手段）
４２ フロントグリッパ
４５ リアグリッパ
２５ スラストジャッキ
２８ パラレルリンク機構（推進手段）
５１ 前胴ルーフシールド
５２ 後胴ルーフシールド
５９ 開閉ジャッキ（ルーフシールド移動手段）
Claims (2)
- 筒状をなす一対の前胴及び後胴と、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、前記前胴と後胴との間に架設された推進手段と、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドと、該ルーフシールドを前方あるいは後方に移動して上方を開口するルーフシールド移動手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
- 掘削機本体を筒状をなす一対の前胴及び後胴にて構成し、該前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前胴を前進させることで前記カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前記前胴と後胴との間の上部に介装されたルーフシールドを前方あるいは後方に移動することで上方を開口し、該開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたことを特徴とするトンネル掘削方法。
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