JP3690538B2 - トンネル掘進機およびそのトンネル掘進工法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル掘進機のカッタヘッド構造およびそのトンネル掘進工法に関し、特に、カッタヘッドのスポーク内に人間が通過又は作業可能な中空・気密式空間を有するトンネル掘進機およびトンネル掘進機のカッタヘッド構造およびトンネル掘進機のトンネル掘進工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係るトンネル掘進機のカッタヘッド構造に関する第１の従来技術として、図６および図７に示す「特開平５−１３３１９０」には、トンネル計画線上に存在する基礎杭等の障害物を切削可能なシールド掘進機のカッタヘッド構造が記載されている。
図６および図７において、シールド掘進機５１のカッタヘッド５３に地盤を掘削するカッタビット５６と土砂取入口５５を設けていると共に、カッタヘッド５３の半径方向に一定間隔毎に基礎杭Ａの切削用コアーカッタ５７を複数個、回転並びに前後方向に出没自在に配設し、さらにコアーカッタ５７による切削面のコンクリート圧潰用ローラカッタ５８を複数個、カッタヘッド５３の半径方向に一定間隔毎に突設してなる構造を有する。
【０００３】
このように構成したシールド掘進機５１はセグメント７９に反力を支持させ推進ジャッキ７７を作動させて前進すると共に、駆動モータ７３の作動によってカッタヘッド５３を回転させることにより、カッタビット５６で地盤を掘削しながらトンネルを構築していく。そして掘削した土砂は土砂取込口５５から土砂取込室７５内に取り込まれ、スクリュコンベア７６によって機内後方に搬出される。シールド掘進機５１がトンネルを構築ながら前進し、図７に示すように地盤中に打設された基礎杭Ａにカッタヘッド５３の前面が当接すると、シールド掘進機５１の掘進を一端停止させる。
【０００４】
次いでカッタへッド５３を回転させて任意のスポーク５３ａに配置したコアカッタ５７を基礎杭Ａに対向させて、このコアカッタ５７を駆動モータ６２により回転させると共にジャッキ６７によって前進させる。
するとこれらのコアカッタ５７の先端切削刃５９によって基礎杭Ａを円環状に切削した後、ジャッキ６７を収縮して先端切削刃５９を後退させ、カッタヘッド５３を回転させて次のスポーク５３ａ−２に配置したコアカッタ５７を基礎杭Ａに対向させて、このコアカッタ５７を駆動モータ６２により回転させると共に、ジャッキ６７によって前進させる。
このようにして基礎杭Ａを切削すると、前記各コアカッタ５７は先端切削刃５９の切削円が互いに重複するように異なる半径上に設置されているため、図７の斜線部が切削される。その後ローラカッタ５８により前記切削面のコンクリートを圧潰して基礎杭Ａを切断することにより除去する。
【０００５】
本発明に係るトンネル掘進機のカッタヘッド構造に関する第２の従来技術として、図８に示すようなバルクヘッドに薬注バルブを設置したシールド掘進機が知られている。
図８において、シールド掘進機８１本体のバルクヘッド８２には、カッタヘッド８３との間に形成されたチャンバ８４およびカッタヘッド８３前方の地山８５に向けて、土質改良材を噴出する薬注バルブ８６が噴出方向可変に装着されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の従来の技術においては次のような問題がある。
（１）カッタヘッド５３のスポーク５３ａには前後方向に長いコアカッタ５７を複数個装着するため、コアカッタ５７が土砂取込室７５内で回転するためのカッタヘッド５３の駆動力が増加するだけでなく、土砂取込室７５が前後方向に長くなる分、機長を長くする必要がある。このため、発進立坑が大きくなり、その施工コストが嵩む。
コアカッタ５７をカッタヘッド５３内に設置する方法もあるが、スポーク５３ａが前後方向に厚くなるため、土砂取込室７５の容積が減少して掘削土砂の流れが悪くなり、掘削土砂の閉塞が生じるため、排土効率の低下により掘進速度が低下して作業効率が低下する。
このような掘削土砂の閉塞を防止するには土砂取込室７５の容積を確保するために機長を長くする必要があるため、発進立坑が大きくなり、前記同様に発進立坑の施工コストが嵩む。
（２）地山中に基礎杭Ａ等の障害物が存在する密度が小さいか、一定の箇所に集中して存在し、その他の箇所には殆ど存在しない場合に、万一障害物が存在した場合の対策として大がかりな障害物除去装置を設置しておくことは、不経済であるばかりか、障害物除去装置を設置するために複数のスポークに障害物除去装置を設けねばならず、カッタヘッドのスポーク部の形状が複雑になり、掘削土砂が付着し易くなる。このため排土効率を低下させる。
また、第２の従来の技術においては次のような問題がある。
（３）掘進機８１本体のバルクヘッド８２に装着された薬注バルブ８６に薬注ロッドを、前方の地山８５まで届くように接続して土質改良材を注入しようとしても、カッタヘッド８３のスポークやセンタシャフト連結部８７が邪魔になり、前方の地山８５の任意の位置に土質改良材を注入するのは困難である。
【０００７】
本発明は、前記問題を解決するためになされたもので、地山中に万一障害物が存在した場合の対策として大がかりな障害物除去装置を設置することなく、かつ土質改良材を地山に効率よく確実に注入して作業効率を向上できるトンネル掘進機およびトンネル掘進機のカッタヘッド構造およびトンネル掘進機のトンネル掘進工法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段、および作用効果】
上記目的を達成するため、第１の発明は、トンネル掘進機本体１の前部に回転自在に設置された複数のスポーク２とスポーク２前部に固定されたカッタ取付用のカッタヘッド面板３よりなるカッタヘッド４を有するトンネル掘進機において、前記複数のスポーク２の少なくとも１つが、カッタヘッド面板３に設置される前面開閉ゲート５ａと、このカッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃとよりなる作業空間６ａ〜６ｄとしての密閉室を有する。
【０００９】
第１の発明では、トンネル掘進機のカッタヘッド４を構成する複数のスポーク２の少なくとも１つの中に、カッタヘッド面板３に設置される前面開閉ゲート５ａ〜５ｄと、このカッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃと隔壁７とよりなる作業空間６ａ〜６ｄを設置したので、前記前面開閉ゲート５ａ〜５ｄを開口することによりこの作業空間６ａ〜６ｄ内で人手により障害物除去作業を行うことができる。
従って、地山中に基礎杭Ａ等の障害物が万一存在した場合の対策としては、大がかりな障害物除去装置が不要となり、経済的であるばかりか、その分排土効率を向上させることができる。
また、大がかりな障害物除去装置が不要となるため、カッタヘッド４の駆動力が減少するだけでなく、チャンバ１７が前後方向に長くなることがなく、機長を長くする必要がないため、発進立坑を小さくでき施工コストを低減できる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記密閉室はスポーク２内を各前面開閉ゲート５ａ〜５ｄ毎に密閉状に区画する密閉室とする。
【００１１】
第２の発明では、スポーク２内の作業空間６ａ〜６ｄを各開閉ゲート５ａ〜５ｄ毎に隔壁７により密閉状に区画すれば、前記作業空間６ａ〜６ｄの一つに浸水することがあっても、その作業空間６ａ〜６ｄを区画する密閉ドア８を閉止すれば他の作業空間６ａ〜６ｄに避難して作業を続行できるため、安全性および作業能率を向上できる。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明のトンネル掘進機において、前記カッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃの内、側壁２ａまたは後壁２ｂにも開閉ゲート２４ａ〜２４ｄ，２５ａ〜２５ｄを設置している。
【００１３】
第３の発明では、カッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃの内、側壁２ａまたは後壁２ｂに設置される各開閉ゲート２４ａ〜２４ｄ，２５ａ〜２５ｄを選択して開口すれば、その開口からチャンバ１７内のスポーク２またはスクレーパ等に付着した掘削土砂を清掃することができるため作業性を向上できる。
【００１４】
第４の発明は、第１の発明において、カッタヘッド面板３に設置される前面開閉ゲート５ａ〜５ｄと、このカッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃの少なくとも１つに排水、排土または注水のための注入・排出手段９を設ける。
【００１５】
第４の発明では、カッタヘッド面板３に設置される前面開閉ゲート５ａ〜５ｄか、このカッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置される壁面２ａ〜２ｃの少なくとも１つに排水、排土または注水のための注入・排出手段９を設ければ、この注入・排出手段９からチャンバ１７内の排水、排土が可能となるため、カッタヘッド面板３の前面開閉ゲート５ａ〜５ｄから障害物の除去作業が可能となる。
【００１６】
第５の発明は、第１の発明において、前記トンネル掘進機本体１に固定されたセンタシャフト１５と、このセンタシャフト１５前端部に嵌合するカッタヘッド嵌合部４ａを有する。
【００１７】
第５の発明では、トンネル掘進機本体１に固定されたセンタシャフト１５前端部にカッタヘッド嵌合部４ａを設ければ、回転しないセンタシャフト１５部分が長くなるため、マンロック２１からカッタヘッド４内へ人間が通過し易くなると共に、薬注ドリル２０ｂ等の設置も容易になる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、前記センタシャフト１５内から、バルクヘッド１４とカッタヘッド４間に形成されたチャンバ１７内に向かって水または添加材を注入する注入手段１８を設ける。
【００１９】
第６の発明では、回転しない長いセンタシャフト１５部分にチャンバ１７内に向かって水または添加材を注入する注入する注入手段１８を設ければ、スイベルジョイントを必要としないため装置が簡素化される。
【００２０】
第７の発明は、第１の発明において、前記カッタヘッド４に設置された薬注バルブ１９と、この薬注バルブ１９の後方に設置される薬注ドリル２０ｂおよび薬注ロッド２０ａとからなる薬注手段２０を設ける。
【００２１】
第７の発明では、カッタヘッド４に設置された薬注バルブ１９と、この薬注バルブ１９の後方に設置される薬注ドリル２０ｂおよび薬注ロッド２０ａとからなる薬注手段２０を設ければ、薬注ロッド２０ａの通過する薬注バルブ１９が回転するカッタヘッド４に設置されているため、カッタヘッド４のスポーク２等が支障となることはなく、地山の目的とする位置に確実に薬注して地盤改良することができる。従って、作業能率および作業の安全性を向上できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るトンネル掘進機のカッタヘッド構造およびトンネル掘進工法に関する各実施例を図１〜図５により詳述する。
図１は、本発明に係るトンネル掘進機のカッタヘッド構造に関する一実施例を示す縦断面図、図２は、図１の前面図、図３は、図２のＡ−Ａ断面図、図４は、図１に示す薬注ドリルの駆動機構を示す図、図５は、図４のＰ部詳細図である。
【００２９】
図１〜図３を参照してトンネル掘進機のカッタヘッド構造について説明する。
トンネル掘進機本体１の前部には、径方向に伸びる複数のスポーク２と、このスポーク２の前部に固定されたカッタ取付用のカッタヘッド面板３からなるカッタヘッド４が回転自在に装着されている。このカッタヘッド４はトンネル掘進機本体１に設置されたカッタ駆動モータ２３により回転駆動される。
前記カッタヘッド４を構成する複数のスポーク２の内、１つの直径部に位置するスポーク２は、他のスポーク２より前後方向に厚く形成されており、カッタヘッド面板３と、このカッタヘッド面板３の後方に固定されたスポーク２により密閉状に設置される作業空間６が形成されている。
そして作業空間６は隔壁７とこの隔壁７に形成された人間が通過可能な密閉ドア８とにより、１つの半径部分は２つの作業空間６ａと６ｂおよび６ｃと６ｄとに分割されており、この密閉ドア８の直上には人間が乗るための足場１３が固定されている。
【００３０】
各作業空間６ａ〜６ｄのカッタヘッド面板３には前面開閉ゲート５ａが設置され、また各作業空間６ａ〜６ｄのスポーク２壁により構成される側壁２ａには側面開閉ゲート２４ａ〜２４ｄが、後壁２ｃには後面開閉ゲート２５ａ〜２５ｄが形成され、これらの各開閉ゲート２４ａ〜２４ｄ，２５ａ〜２５ｄとカッタヘッド面板３およびスポーク２とには各開閉ジャッキ２２ａ〜２２ｃが装着されている。
またスポーク２の側壁２ａと後壁２ｂとのコーナ部には排水、排土または薬注、注水のための注入・排出手段として、注入・排出バルブ９が設置されていると共に、前記側面開閉ゲート２４ａ〜２４ｄが設置されるスポーク２の側壁２ａと反対の側壁２ｃには人間の移動用階段１０が設置されている。
なお、スポーク２の前部にはカッタビット１１が固定されると共に、これらカッタビット１１間には先行ビット１２が固定されている。
【００３１】
トンネル掘進機本体１に固定されたバルクヘッド１４の中心部には、センタシャフト１５が固定されており、このセンタシャフト１５の前端部１５ａにはカッタヘッド嵌合部４ａが嵌合し、その摺動部はシール１６により密封されている。
センタシャフト１５内には、チャンバ１７内に向かって水または添加材等を注入する注入手段としての注入バルブ１８が設置されている。
またカッタヘッド４の中心部には４個の薬注バルブ１９が設置されており、この薬注バルブ１９の後方に位置する前記センタシャフト１５内には、薬注バルブ１９を介して地山に土質改良材を注入する注入手段としての薬注ロッド２０ａと薬注ドリル２０ｂとからなる薬注手段２０が配置される。
センタシャフト１５後方にはマンロック２１が固定されている。
【００３２】
図４および図５により薬注ドリルの駆動機構について説明する。
薬注ドリル２０ｂは注入管ロッド２０ａを介して先端部カッタ２０ｃを回転させるための回転用モータ２０ｂ1 と、注入管ロッド２０ａを介して先端部カッタ２０ｃを地山中に貫入させるための推進用モータ２０ｂ2 とからなる。
注入管ロッド２０ａは回転しないスペーサ管２０ｄにより覆われ、注入管ロッド２０ａはスペーサ管２０ｄと共に、Ｌなる単位長のユニットからなり、このユニットを注入管ロッド連結部２０ｅとスペーサ管連結部２０ｆとにより順次継ぎ足すことにより先端部カッタ２０ｃを地山中に貫入させる。
なお、ボールバルブ１９ａとスペーサ管２０ｄとは止水シール２０ｇによりシールされる。
【００３３】
注入管ロッド２０ａが内部を通過するボールバルブ１９ａおよび球面ジョイント１９ｂは、薬注手段２０と共にカッタヘッド面板３に装着された球面ジョイント１９ｂ廻りに回動可能である。
薬注施工しないときには注入管ロッド２０ａをボールバルブ１９ａ内から引き込めて、ボールバルブ１９ａを閉めれば地山から第１作業空間６ａ〜第４作業空間６ｄ内へ地下水等が侵入しないようにシールされる。
【００３４】
前記構成による作用について説明する。
トンネル掘進機本体１の前部に回転自在に装着されているカッタヘッド４が、カッタ駆動モータ２３により回転駆動されると、前方の地山が掘削されトンネルが施工される。
トンネル掘進機に設置されたレーダ２６により基礎杭Ａの位置を発見すると、センタシャフト１５内に設置される薬注手段２０を構成する一定長の薬注ロッド２０ａを継ぎ足すことにより、カッタヘッド４の中心部に設置されている４個の薬注バルブ１９内を通過させて、薬注ロッド２０ａを地山に貫入させる。その後、センタシャフト１５内に設置される薬注手段２０を構成する薬注ドリル２０ｂから薬注ロッド２０ａにより地山に土質改良材を注入して地山の土質が改良できる。
【００３５】
このようにカッタヘッドに設置された薬注バルブを通過した薬注ロッドから薬注すれば、薬注ロッドの通過する薬注バルブが回転するカッタヘッドに設置されているため、カッタヘッドのスポーク等が支障となることなく、地山の目的とする位置に確実に薬注して地盤改良することができる。従って、作業能率および作業の安全性を向上できる。
カッタヘッド４後方に形成されるチャンバ１７内の土砂または泥水を排土または排水した後、カッタヘッド面板３に形成される前面開閉ゲート５ａの内側に設置される作業空間６ａ〜６ｄから、前面開閉ゲート５ａ〜５ｄを開いてその開口部から基礎杭Ａの除去作業を行う。
【００３６】
または、トンネル掘進機に設置されたレーダ２６により基礎杭Ａの位置を発見すると、トンネル掘進機を障害物の近傍まで掘進して停止させ、カッタヘッド４に設置した注入・排出バルブ９によりチャンバ内の土砂または泥水の排土または排水を行った後、カッタヘッド面板３に形成される前面開閉ゲート５ａ〜５ｄの内側に設置される作業空間６ａ〜６ｄから、前面開閉ゲート５ａ〜５ｄを開いてその開口部から溶断などにより基礎杭Ａの除去作業を行う。
【００３７】
側面開閉ゲート５ｂが設置されるスポーク２の側壁２ａと反対の側壁２ｃに設置される移動用階段１０により、各作業空間６ａ〜６ｄ間を人間が移動できる。
【００３８】
トンネル掘進機本体１に固定されたセンタシャフト１５前端部にカッタヘッド嵌合部４ａを設けてあるため、回転しないセンタシャフト１５部分が長くなり、マンロック２１からカッタヘッド４へ人間が通過し易くなると共に、薬注ドリル２０ｂ等の設置も容易になる。
また 回転しない長いセンタシャフト部分にチャンバ内に向かって水または添加材を注入する注入バルブ１８を設ければ、スイベルジョイントを必要としないため装置が簡素化される。
【００３９】
スポーク２内の各作業空間６ａ〜６ｄを各開閉ゲート５ａ〜５ｄ毎に密閉状に区画すれば、前記作業空間の一つに浸水することがあっても、その作業空間を区画する開閉ゲートを密閉すれば他の作業空間に避難して作業を続行できるため、安全性および作業能率を向上できる。
【００４０】
カッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置されるスポーク２の内、側壁２ａおよび後壁２ｂに設置される側面開閉ゲートおよび後面開閉ゲートを開口すれば、その開口からチャンバ内のスポーク２またはスクレーパ等に付着した掘削土砂を清掃することができる。
【００４１】
カッタヘッド面板３に設置される前面開閉ゲート５ａ〜５ｄか、このカッタヘッド面板３の後方に密閉状に設置されるスポーク２の壁面に排水、排土または注水のための注入・排出バルブを設ければ、この注入・排出手段からチャンバ内の排水、排土が可能となるため、カッタヘッド面板３の前面開閉ゲート５ａ〜５ｄから障害物の除去作業が可能となる。
【００４２】
トンネル掘進機本体１に固定されたセンタシャフト５前端部にカッタヘッド嵌合部を設ければ、回転しないセンタシャフト部分が長くなるため、マンロックからカッタヘッドへ人間が通過し易くなると共に、薬注ドリル等の設置も容易になる。
【００４３】
回転しない長いセンタシャフト部分にチャンバ内に向かって水または添加材を注入する注入手段を設ければ、スイベルジョイントを必要としないため装置が簡素化される。
【００４４】
前記トンネル掘進機のカッタヘッド構造を用いることにより、次のようなトンネル掘進工法が可能となる。
障害物検出手段により障害物の位置を発見すると、トンネル掘進機内から地山に薬液を注入して地山の土質を改良し、トンネル掘進機を障害物の近傍まで掘進して停止させ、カッタヘッド後方に形成されるチャンバ内の土砂または泥水を排土または排水した後、カッタ面板に形成されるゲートの内側に設置される密閉室から、前記ゲートを開いてその開口部から障害物の除去作業を行う。
【００４５】
または、障害物検出手段により障害物の位置を発見すると、トンネル掘進機を障害物の近傍まで掘進して停止させ、カッタヘッドに設置した排出手段によりチャンバ内の土砂または泥水の排土または排水を行った後、カッタヘッドに設置されたゲートを開いてその開口部から障害物除去作業を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル掘進機のカッタヘッド構造に関する一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の前面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１に示す薬注ドリルの駆動機構を示す図である。
【図５】図４のＰ部詳細図である。
【図６】第１の従来技術を示す図で、（Ａ）はシールド掘進機の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のコアカッタ部の詳細を示す図である。
【図７】図６の作動説明図である。
【図８】第２の従来技術を示す図で、シールド掘進機の縦断面図である。
【図９】図８の前面である。
【符号の説明】
１…トンネル掘進機本体、２…スポーク、２ａ…側壁、２ｂ…後壁、３…カッタヘッド面板、４…カッタヘッド、４ａ…カッタヘッド嵌合部、５ａ〜５ｄ…前面開閉ゲート、６…作業空間、６ａ…第１作業空間、６ｂ…第２作業空間、６ｃ…第３作業空間、６ｄ…第４作業空間、７…隔壁、８…密閉ドア 、９…注入排出バルブ、１０…移動用階段、１１…カッタビット、１２…先行ビット、１３…足場、１４…バルクヘッド、１５…センタシャフト、１６…シール手段、１７…チャンバ、１９…薬注バルブ、１９ａ…ボールバルブ、１９ｂ…球面ジョイント、２０…薬注手段、２０ａ…注入管ロッド、２０ｂ…薬注ドリル、２０ｂ1 …回転用モータ、２０ｂ2 …推進用モータ、２０ｃ…先端部カッタ、２０ｄ…スペーサ管、２０ｅ…注入管ロッド連結部、２０ｆ…スペーサ管連結部、２０ｇ…止水シール、２１…マンロック、２２ａ〜２２ｃ…開閉ジャッキ、２３…カッタ駆動モータ、２４ａ〜２４ｄ…側面開閉ゲート、２５ａ〜２５ｄ…後面開閉ゲート、２６…レーダ。

Claims (7)

1. トンネル掘進機本体の前部に回転自在に設置された複数のスポークとスポーク前部に固定されたカッタ取付用のカッタヘッド面板よりなるカッタヘッドを有するトンネル掘進機において、
   前記複数のスポークの少なくとも１つが、カッタヘッド面板に設置される前面開閉ゲートと、このカッタヘッド面板の後方に密閉状に設置される壁面とよりなる作業空間としての密閉室を有することを特徴とするトンネル掘進機。
2. 請求項１記載のトンネル掘進機において、前記密閉室はスポーク内を各前面開閉ゲート毎に密閉状に区画する密閉室とすることを特徴とするトンネル掘進機。
3. 請求項１記載のトンネル掘進機において、前記カッタヘッド面板の後方に密閉状に設置される壁面の内、側壁または後壁にも開閉ゲートを設置したことを特徴とするトンネル掘進機。
4. 請求項１記載のトンネル掘進機において、カッタヘッド面板に設置される前面開閉ゲートと、このカッタヘッド面板の後方に密閉状に設置される壁面の少なくとも１つに排水、排土または注水のための注入・排出手段を設けることを特徴とするトンネル掘進機。
5. 請求項１記載のトンネル掘進機において、前記トンネル掘進機本体に固定されたセンタシャフトと、このセンタシャフト前端部に嵌合するカッタヘッド嵌合部を有することを特徴とするトンネル掘進機。
6. 請求項５記載のトンネル掘進機において、前記センタシャフト内から、バルクヘッドとカッタヘッド間に形成されたチャンバ内に向かって水または添加材を注入する注入手段を設けることを特徴とするトンネル掘進機。
7. 請求項１記載のトンネル掘進機において、前記カッタヘッドに設置された薬注バルブと、この薬注バルブの後方に設置される薬注ドリルおよび薬注ロッドとからなる薬注手段を設けることを特徴とするトンネル掘進機。

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