JP3716093B2 - トンネル掘削機及び掘削方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下自動車道路や地下鉄道などに使用するトンネルを掘削形成するトンネル掘削機及び掘削方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なシールド掘削機は、筒状の掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在に装着されると共に、この掘削機本体の後部にシールドジャッキ及びセグメントエレクタが装着されて構成されている。従って、このカッタヘッドを駆動モータによって旋回させながら、シールドジャッキによって掘削機本体を前進させることで、前方の地盤を掘削してトンネルを掘削形成し、セグメントエレクタによってこの掘削形成されたトンネルの内壁面にセグメントを組付けてトンネルを構築することができる。
【０００３】
ところで、掘削形成するトンネルとして、例えば、地下を通る自動車用高速道路に利用されるものがある。この自動車用高速道路は分岐路や出口のために途中で車線が増加したり、減少したりしている。そのため、このような自動車用高速道路に使用するトンネルを掘削する場合、トンネル掘削断面形状を掘削途中で幅方向に広くしたり、狭くしたりする必要がある。
【０００４】
このようなトンネル掘削断面形状を掘削途中で幅方向に変更する、所謂、拡幅式のシールド掘削機としては、従来から例えば、特開平７−２７９５７９号公報に記載されたものがある。この公報に記載されたシールド掘削機は、シールド本体を固定部と一対の移動部によって構成すると共に、移動部を前胴部と後胴部によって構成し、固定部と前胴部及び後胴部との間に移動ジャッキを架設し、また、固定部の前端部に余掘り用カッタを有するカッタヘッドが駆動回転可能に装着されている。従って、固定部及び移動部の後胴部に装着されたシールドジャッキを伸縮することでシールド本体を前進し、このとき、駆動回転するカッタヘッドによって前方の地盤を掘削してトンネルを形成する。この場合、移動ジャッキの収縮状態では移動部が固定部側に位置しており、カッタヘッドによって通常断面のトンネルを掘削する一方、移動ジャッキの伸長状態では移動部が固定部から離間しており、カッタヘッドによって拡幅断面のトンネルを掘削することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来のシールド掘削機にあっては、シールド本体が固定部と移動部によって構成され、移動ジャッキを伸縮することで固定部に対して移動部が移動して拡幅可能となっている。そして、シールドジャッキを伸縮することでシールド本体を前進し、カッタヘッドによって前方の地盤を掘削してトンネルを形成することができる。
【０００６】
ところで、このシールドジャッキはその伸長時に既設のセグメントからの反力によってシールド本体を前進させることができる。この場合、移動ジャッキが伸縮して固定部に対して移動部が移動しているときにも、シールドジャッキは伸長して既設のセグメントＳからの反力を受けてシールド本体を前進させている。
【０００７】
そのため、移動部のシールドジャッキは、側方移動する移動部と既設セグメントとの間に架設された状態で伸長しており、このシールドジャッキに対して曲げ応力が作用することとなり、移動部に対して適切に推進力を付与することができず、シールド本体がうまく前進できずにシールド掘削機の掘削効率が低下してしまうという問題がある。また、シールドジャッキに対して大きな曲げ応力が作用すると、このシールドジャッキが損傷してシールド本体が前進できず、トンネル掘削作業ができなくなる虞もある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するものであって、掘削作業の効率化を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００９】
【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請求項１の発明のトンネル掘削機は、主掘削機本体と、該主掘削機本体の前端部に装着されて前方の地盤を掘削する主カッタ機構と、前記主掘削機本体の掘進方向側方に配設されて該主掘削機本体と共に筒形状をなす副掘削機本体と、該副掘削機本体の前端部に装着されて前記主カッタ機構と共に前方の地盤を掘削する副カッタ機構と、前記副掘削機本体を前記主掘削機本体に対して外方に移動自在に支持する副掘削機本体ガイド機構と、前記副掘削機本体を前記主掘削機本体に対して外方に移動させる副掘削機本体移動機構と、前記主掘削機本体及び前記副掘削機本体の後部にその周方向に並設された複数の推進ジャッキとを具えたトンネル掘削機において、前記主掘削機本体に対する前記副掘削機本体の外方への移動時に前記副掘削機本体の後部に設けられた複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させる制御手段を具えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機において、前記制御手段は、前記主掘削機本体に対する前記副掘削機本体の外方への移動時に、前記副掘削機本体の後部に一つ置きに並設された一群の前記推進ジャッキと残りの一群の前記推進ジャッキとを交互に伸縮させることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項３の発明のトンネル掘削方法は、主掘削機本体の前端部に装着された主カッタと該主掘削機本体の掘進方向側方に配設された副掘削機本体の前端部に装着された副カッタとを駆動回転させながら、前記主掘削機本体に対して前記副掘削機本体を外方に移動させ、且つ、前記主掘削機本体及び前記副掘削機本体の後部にその周方向に並設された複数の推進ジャッキを伸長させることで該主掘削機本体及び副掘削機本体を前進させ、前記主カッタ及び副カッタによって掘削断面の幅が拡縮するように前方の地盤を掘削し、この拡幅時に前記副掘削機本体の複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させることを特徴とするものである。
【００１２】
【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。
【００１３】
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シールド掘削機の一部切欠平面視、図２に本実施形態のシールド掘削機の正面視、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、図６に図１のVI−VI断面、図７に図１のVII−VII断面、図８にシールドジャッキの作動回路、図９に本実施形態のシールド掘削機の斜視、図１０及び図１１に本実施形態のシールド掘削機による拡幅トンネル掘削時の作用を表す概略、図１２に本実施形態のシールド掘削機による縮幅トンネル掘削時の作用を表す概略、図１３に通常トンネルの掘削断面、図１４に拡幅トンネルの掘削断面を示す。
【００１４】
本実施形態のシールド掘削機は、図９に示すように、前端部に前方の地盤を掘削する主カッタ機構１１が装着された主掘削機本体１２の掘進方向側方に、前端部に前方の地盤を掘削する副カッタ機構１３が装着された左右一対の副掘削機本体１４が、副掘削機本体支持機構としての支持部１５及び拡幅ジャッキ１６によってそれぞれ水平移動可能で、且つ、水平旋回可能に支持されて構成され、この主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４は推進ジャッキとしてのシールドジャッキ１７，１８によって前進できるようになっている。
【００１５】
即ち、本実施形態のシールド掘削機において、図１乃至図６に示すように、主掘削機本体１２は上下が弧状をなす矩形筒形状部１２ａの両側に上下一対の水平部１２ｂが一体に形成されてなり、この主掘削機本体１２の前部には掘削土砂や泥水等のずりの内部浸入を防止するバルクヘッド２１が形成されている。この主掘削機本体１２の前端部にはバルクヘッド２１を貫通するように回転軸２２が配設され、軸受２３によって回転自在に支持されている。そして、この回転軸２２の先端部に主カッタ機構１１を構成する円盤状の主カッタヘッド２４が固定されており、この主カッタヘッド２４の前面には多数のカッタビット２５が取付けられると共に、移動ジャッキ２６によって伸縮可能なコピーカッタ２７が装着されている。また、回転軸２２の後端部にはリングギヤ２８が固定されており、主掘削機本体１２側に設けられた複数の駆動モータ（油圧モータまたは電気モータ）２９の駆動ギヤ３０がこのリングギヤ２７に噛み合っている。従って、駆動モータ２９を駆動すると、駆動ギヤ３０の駆動力がリングギヤ２８を介して回転軸２２に伝達され、この回転軸２２と一体の主カッタヘッド２４を回転駆動することができる。
【００１６】
一方、各副掘削機本体１４は断面コ字形状をなすように開口した一側が主掘削機本体１２の水平部１２ｂ部に嵌合することで、この主掘削機本体１２と共に筒形状をなしており、この副掘削機本体１４の前部には主掘削機本体１２のバルクヘッド２１に係合するバルクヘッド３１が形成されている。この副掘削機本体１４の前端部にはバルクヘッド３１を貫通するように回転軸３２が配設され、軸受３３によって回転自在に支持されている。そして、この回転軸３２の先端部に副カッタ機構１３を構成する円盤状の副カッタヘッド３４が固定されており、この副カッタヘッド３４の前面には多数のカッタビット３５が取付けられると共に、移動ジャッキ３６によって伸縮可能なコピーカッタ３７が装着されている。また、回転軸３２の後端部にはリングギヤ３８が固定されており、副掘削機本体１４側に設けられた複数の駆動モータ３９の駆動ギヤ４０がこのリングギヤ３７に噛み合っている。
【００１７】
また、各副掘削機本体１４の前端部外側に位置して上下一対の駆動モータ４１がバルクヘッド３１に取付けられており、この駆動モータ４１の出力軸４２の先端部には副カッタ機構１３を構成する円盤状のコーナーカッタ４３が固定されており、このコーナーカッタ４３の前面には多数のカッタビット４４が取付けられると共に、移動ジャッキ４５によって伸縮可能な余掘カッタ機構としての余掘カッタ４６が装着されている。なお、左右の副掘削機本体１４におけるコーナーカッタ４３の装着位置が相違するが、これは後述する枠状トンネルＴ_a ，Ｔ_b の隅部を適正の掘削するためである。即ち、図３に示すように、一方（図３にて右側）の副掘削機本体１４の側部にスペーサ１４ａを介してコーナーカッタ４３の支持部分１４ｂを形成しているが、左右同様の構成にしてもよい。
【００１８】
従って、駆動モータ３９を駆動すると、駆動ギヤ４０の駆動力がリングギヤ３８を介して回転軸３２に伝達され、この回転軸３２と一体の副カッタヘッド３４を回転駆動することができる。また、各駆動モータ４１を駆動すると、出力軸４２と一体のコーナーカッタ４３を回転駆動するすることができる。
【００１９】
ところで、この主掘削機本体１２と各副掘削機本体１４の間には支持部１５が介在し、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が接近離間するように水平移動自在で、且つ、垂直軸回りに水平旋回自在に支持されている。即ち、主掘削機本体１２の左右の水平部１２ｂには、前後方向中間位置に上下一対の軸受部５１が固定され、各軸受部５１に幅方向に沿って長孔５２が形成されている。一方、副掘削機本体１４の一側には、前後方向中間位置に上下一対の支持軸５３が固定され、各支持軸５３はこの各長孔５２に移動自在に嵌合している。また、この長孔５２と支持軸５３とから構成される支持部１５の前後に位置して各４本の拡幅ジャッキ１６が、主掘削機本体１２と各副掘削機本体１４との間に架設されており、この主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４における拡幅ジャッキ１６の各連結部５５は水平回動自在となっている。
【００２０】
従って、各拡幅ジャッキ１６を伸縮することで、主掘削機本体１２に対して両側の各副掘削機本体１４を側方に移動させることができる。このとき、前後の拡幅ジャッキ１６の伸縮量を同じにすると、支持軸５３が長孔５２内を移動し、副掘削機本体１４は主掘削機本体１２に対してその角度姿勢を維持したままで側方に平行移動することとなり、主掘削機本体１２と２つの副掘削機本体１４で構成する掘削機本体の幅を変更することができる。また、前後の拡幅ジャッキ１６の伸縮量を変えると、支持軸５３が長孔５２内を移動しながら回動し、副掘削機本体１４は主掘削機本体１２に対してその角度姿勢を変化するように側方に移動することとなる。つまり、主掘削機本体１２に対して両側の副掘削機本体１４を水平旋回移動し、図８(ａ)に示すように、主掘削機本体１２と２つの副掘削機本体１４で構成する掘削機本体の前部のみを拡幅して副カッタ機構１３を内方に向けたり、図８(ｂ)に示すように、掘削機本体の前部を縮幅して副カッタ機構１３を外方に向けたりすることができる。
【００２１】
また、各カッタヘッド２４，３４とバルクヘッド２１，３１との間にはチャンバ５５が形成されており、このチャンバ５５には一端がシールド掘削機の外部に延設された図示しない送泥管及び排泥管の他端が開口しており、排泥管の開口部分の近傍には掘削土砂と泥水とを攪拌、混合する図示しないアジテータが設置されている。なお、拡幅ジャッキ１６を伸縮して主掘削機本体１２に対して両側の副掘削機本体１４が水平旋回移動すると、バルクヘッド２１と３１の係合関係がずれるが、この場合、例えば、バルクヘッド３１を弾性体としたり、両者の間に別のシール部材を設けることで、副掘削機本体１４内への掘削土砂の浸入を防止できる。
【００２２】
更に、主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４の後部には周方向に沿ってそれぞれ複数のシールドジャッキ１７，１８が並設されており、その後方に伸びる駆動ロッドの先端部にはそれぞれスプレッダ５６，５７が取付けられている。従って、このシールドジャッキ１７，１８を作動して掘進方向後方に駆動ロッドを伸長させると、掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳにスプレッダ５６，５７が押しつけられ、その反力により主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４を前進させることができる。
【００２３】
本実施形態では、図４に示すように、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が移動する時、副掘削機本体１４側に配設された複数のシールドジャッキ１８は、一つ置きに並設された一群のシールドジャッキ１８ａと残りの一群のシールドジャッキ１８ｂとが交互に伸縮するようになっている。即ち、図８に詳細に示すように、一方のシールドジャッキ１８ａの一群（図示は一つ）と他方の複数のシールドジャッキ１８ｂの一群（図示は一つ）にはそれぞれ電磁弁７１，７２が接続されている。この各電磁弁７１，７２には油圧供給管７３を介してモータ７４を有する送給ポンプ７５及び油圧タンク７６が接続される一方、油圧排出管７７を介して油圧タンク７６ががそれぞれ接続されている。そして、各電磁弁７１，７２には制御装置７８が接続されており、この制御手段にはタイマ７９が接続されている。なお、８０はフィルタである。
【００２４】
従って、制御装置７８は図示しない操作スイッチに基づいて電磁弁７１，７２を駆動制御し、シールドジャッキ１８ａ，１８ｂを伸長して既設のセグメントＳにスプレッダ５６，５７が押しつけられ、その反力により主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４を前進させることができる。また、制御装置７８は、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が移動する時、一群のシールドジャッキ１８ａを伸長状態のまま、一群のシールドジャッキ１８ｂをタイマ７９によって設定された所定時間だけ収縮状態とし、所定時間経過後には再び伸長状態とする。そして、一群のシールドジャッキ１８ｂが伸長状態に復帰すると、今度は一群のシールドジャッキ１８ｂを伸長状態のまま、一群のシールドジャッキ１８ａをタイマ７９によって設定された所定時間だけ収縮状態とし、所定時間経過後には再び伸長状態とする。このように副掘削機本体１４が移動する時には、シールドジャッキ１８ｂとシールドジャッキ１８ａを交互に収縮状態とすることで、各シールドジャッキ１８ａ，１８ｂに作用する曲げ応力をその都度解除し、シールドジャッキ１８ａ，１８ｂの伸長による推進力が主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４に適正に付与することとなる。
【００２５】
また、主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４の後部には既設トンネルの内壁面にセグメントＳを組付けるエレクタ装置５８，５９が装着されている。この各エレクタ装置５８，５９はほぼ同様の構造となっているが、主掘削機本体１２に装着されたエレクタ装置５８は矩形断面トンネルの中央部の上下壁面にセグメントＳを組付けるものであり、各副掘削機本体１４に装着されたエレクタ装置５９は矩形断面トンネルの両側部の上下壁面及び側壁面にセグメントＳを組付けるものである。
【００２６】
即ち、各エレクタ装置５８，５９において、各掘削機本体１２，１４には幅方向に沿って水平レール６０が固定され、水平移動体６１が移動自在となっており、この水平移動体６１には垂直方向に沿って垂直レール６２が固定され、垂直移動体６３が移動自在となっている。そして、この垂直移動体６３には旋回体６４が旋回自在に支持されており、この旋回体６４にセグメント把持部材６５が装着されている。従って、既設トンネル内に搬入されたセグメントＳをセグメント把持部材６５が把持した状態で、水平移動、垂直移動、旋回することで、把持したセグメントＳを所定のセグメント組付位置に移動することができる。
【００２７】
なお、主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４の後部内周面には既設のセグメントＳの外周面に密着して内部への掘削土砂等の浸入を防止するテールシール６６，６７が固着されている。
【００２８】
ここで、上述した本実施形態のシールド掘削機による矩形断面トンネルの掘削作業について説明する。
【００２９】
本実施形態では、上述したシールド掘削機を用いて、図１３及び図１４に示すように、正方形に近い枠状のトンネルＴを掘削形成し、その後、内部の土砂を排出することで、この内部を自動車用高速道路のためのトンネルとして使用する。このトンネルＴは所定距離をもった２つの立坑を連通するように掘削するものであり、ここでは、２種類のシールド掘削機を２つの立坑間で往復移動して枠状のトンネルＴを掘削する。この場合、掘削当初は図１３に示す正方形に近い枠状のトンネルＴ_a を掘削するが、分岐路や出口路を同一工程にて掘削するために、掘削途中でシールド掘削機を拡幅し、図１４に示すように、トンネル幅が拡大した矩形の枠状のトンネルＴ_b を連続して掘削する。
【００３０】
即ち、図１に示すように、掘削当初は図１３に示す正方形に近い枠状のトンネルＴ_a を掘削する必要があることから、前後の拡幅ジャッキ１６を収縮して副掘削機本体１４を主掘削機本体１２側に移動して平行とし、主掘削機本体１２と２つの副掘削機本体１４で構成する掘削機本体の幅を狭くする。なお、図１乃至図４に示したシールド掘削機は、各拡幅ジャッキ１６による副掘削機本体１４の拡幅動作が明確となるように、掘進方向左側（図１にて下側）の副掘削機本体１４を縮幅状態とし、掘進方向右側（図１にて上側）の副掘削機本体１４を拡幅状態としている。
【００３１】
このように両側の副掘削機本体１４を主掘削機本体１２側に移動した縮幅状態から、複数の駆動モータ２９を駆動して主カッタヘッド２４を回転駆動し、また、複数の駆動モータ３９を駆動して各副カッタヘッド３４を回転駆動すると共に、駆動モータ４１を駆動してコーナーカッタ４３を回転駆動する。そして、各カッタヘッド２４，３４及びコーナーカッタ４３を回転しながら、複数のシールドジャッキ１７，１８を伸長させると、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４は既設のセグメントＳからの反力により一体となって前進し、多数のカッタビット２５，３５，４４が前方の地盤を掘削することでトンネルを掘削する。このとき、主カッタヘッド２４と副カッタヘッド３４とはその回転角度に応じて、移動ジャッキ２６，３６によってコピーカッタ２７，３７を伸縮することで、主カッタヘッド２４と副カッタヘッド３４との上下領域を掘削して矩形のトンネルとすることができる。
【００３２】
そして、シールドジャッキ１７，１８が所定ストローク伸長して主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４が所定距離掘進して矩形トンネルを掘削すると、シールドジャッキ１７，１８の何れか一つを縮み方向に作動し、スプレッダ５６，５７と既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、この空所にエレクタ装置５８，５９によって新しいセグメントＳを装着する。この作動の繰り返しによって縮幅の矩形トンネルＴ₁ を掘削形成する。
【００３３】
このように縮幅の矩形トンネルＴ₁ を所定距離掘削し、分岐路や出口路のためにトンネル幅を拡大した拡幅の矩形トンネルを掘削する位置までくると、図１０示すように、前後の拡幅ジャッキ１６を伸長することで、主掘削機本体１２に対する副掘削機本体１４の外方旋回を開始する。この場合、拡幅トンネルの掘削開始位置の手前から、コーナーカッタ４３の回転角度に応じて移動ジャッキ４５によって余掘カッタ４６を伸縮し、各カッタヘッド２４，３４、コーナーカッタ４３、コピーカッタ２７，３７による主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４の前方地盤掘削と共に、余掘カッタ４６によって副掘削機本体１４の外側方の地盤の掘削を行う。そして、余掘カッタ４６によって形成された余掘空間部を利用し、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４を支点Ｐをほぼ中心として外方旋回させる。
【００３４】
この副掘削機本体１４の外方旋回は、当初、小さい旋回角度（図１０に示すθS ）で行い、前後の拡幅ジャッキ１６を徐々に伸長することで副掘削機本体１４の旋回角度を徐々に大きくしていく。そして、図１１に示すように、副掘削機本体１４が所定の旋回角度θM になると、この副掘削機本体１４の旋回角度θM を維持したままで、前後の拡幅ジャッキ１６を同ストローク伸長することで、副掘削機本体１４を外方に移動し、一定角度で幅の拡大したトンネルを掘削する。この場合、トンネル幅が一定角度で拡大しているために壁面が平滑面となり、一種類のセグメントＳだけで対応が可能となる。
【００３５】
なお、拡幅トンネルの掘削時にもエレクタ装置５８，５９によってセグメントＳを組み付けていくが、副掘削機本体１４が外方旋回するとき、この副掘削機本体１４の後部外端部が若干内方に移動し、既設セグメントＳに副掘削機本体１４のテールシール６７が押し付けられてシール性が低下する虞がある。そのため、副掘削機本体１４が外方旋回を開始する手前から、図５乃至図７、図１０に示すように、厚さの薄いセグメントＳ_S を使用し、内径は変えずに若干外径の小さくなってトンネル（既設セグメントＳ_S ）を形成し、副掘削機本体１４のテールシール６７と既設セグメントＳ_S との適正なシール性を確保するようにしている。
【００３６】
そして、旋回角度θ_M に維持された副掘削機本体１４を外方に移動しながら前進することで、一定角度で幅の拡大したトンネルを掘削していき、この副掘削機本体１４の全長が所定拡幅位置（所定拡幅トンネルの幅Ｗ_L ）を越える位置まで地盤を掘削すると、前後の拡幅ジャッキ１６を収縮し、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４を支点Ｐをほぼ中心として内方旋回させ、主掘削機本体１２と副掘削機本体１４とを平行な状態とする。この場合、副掘削機本体１４の全長が拡幅トンネルの幅Ｗ_L を完全に越えなくても、副掘削機本体１４の内方旋回時の押圧力で地盤を破砕したり、側面のカッタなどに装備した掘削機構で地盤を掘削して旋回空間部を確保してもよい。そして、この状態で、移動ジャッキ４５による余掘カッタ４６の伸縮動作を停止し、各カッタヘッド２４，３４、コーナーカッタ４３、コピーカッタ２７，３７により、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４の前方の地盤を掘削することで、幅Ｗ_L に拡幅した矩形トンネルを連続して掘削することができる。
【００３７】
また、この主掘削機本体１２に対する副掘削機本体１４の拡幅時に、図４に示すように、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が外側に移動するため、シールドジャッキは、移動する副掘削機本体１４と既設セグメントＳとの間で伸長状態のまま、曲げ応力が作用することとなり、副掘削機本体１４に対して適切に推進力を付与できずに、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４がうまく前進できない虞がある。そこで本実施形態では、制御装置７８が、一群のシールドジャッキ１８ａを伸長状態のまま、一群のシールドジャッキ１８ｂを所定時間だけ収縮状態とすることで、各シールドジャッキ１８ｂに作用する曲げ応力を解除し、次に、一群のシールドジャッキ１８ｂを伸長状態のまま、一群のシールドジャッキ１８ａを所定時間だけ収縮状態とすることで、各シールドジャッキ１８ｂに作用する曲げ応力を解除する。この動作を繰り返し行うことで、副掘削機本体１４が移動するとき、各シールドジャッキ１８ａ，１８ｂに作用する曲げ応力がその都度解除され、シールドジャッキ１８ａ，１８ｂの伸長による推進力が主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４に適正に、且つ、バランスよく付与されることとなり、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４は適正に掘進できる。
【００３８】
その後、拡幅の矩形トンネルを所定距離掘削すると、図１２(ａ)に示すように、前後の拡幅ジャッキ１６を収縮して副掘削機本体１４を主掘削機本体１２に対して内方に旋回させ、各カッタヘッド２４，３４、コーナーカッタ４３、コピーカッタ２７，３７により、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４の前方の地盤を掘削していく。このとき、副掘削機本体１４の旋回角度を維持したままで、前後の拡幅ジャッキ１６を同ストローク収縮して副掘削機本体１４を内方に移動しながら、両掘削機本体１２，１４を掘進することで、一定角度で幅の縮小したトンネルを掘削することができる。そして、主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４が所定距離掘進すると、図１２(ｂ)に示すように、前後の拡幅ジャッキ１６を伸縮して副掘削機本体１４を主掘削機本体１２と平行とし、再び、幅Ｗ_S に縮幅した矩形トンネルを掘削する。
【００３９】
この場合、前述の拡幅時とは逆に、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が縮幅するため、図４に示すように、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が内側に移動するとき、移動ジャッキ７３（図８参照）を収縮駆動して主掘削機本体１２側のシールドジャッキ１７ａを元の位置へ移動している。そのため、このシールドジャッキ１７，１７ａ，１８によって主掘削機本体１２及び副掘削機本体１４を効率よく掘進することができる。
【００４０】
このようにして本実施形態のシールド掘削機を立坑間で往復移動することで、図１３に示すように、まず、矩形トンネルＴ1 を水平に隣接して３本形成し、続いて、同様にして図示しないシールド掘削機により、この隣接する矩形トンネルＴ1 の両側に矩形トンネルＴ2 を垂直に隣接してそれぞれ３本形成する。そして、再び、本実施形態のシールド掘削機により、左右の矩形トンネルＴ2 の上部に水平に隣接する矩形トンネルＴ1 を水平に隣接して３本形成する。この場合、前述したように、本実施形態のシールド掘削機によって掘削する矩形トンネルＴ1は、図１４に示すように、途中で拡幅した矩形トンネルＴ3 となっている。そして、図１３及び図１４に示すように、多数の矩形トンネルＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 を枠状に掘削形成し、互いに隣接する各トンネルＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 同士をコンクリート等によって連結して枠状のトンネルＴa ，Ｔb とを形成し、内部の土砂を排出することでここを自動車用高速道路のためのトンネルとして使用することができる。なお、各トンネルＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 の内部は電気ケーブルや通信ケーブルなどを配設する共同溝として使用したり、コンクリートを充填して強度部材として使用する。
【００４１】
なお、上述の実施形態において、拡幅の矩形トンネルを掘削するときに、副掘削機本体１４を主掘削機本体１２に対して旋回して移動ジャッキ４５によって余掘カッタ４６を伸縮し、この余掘カッタ４６により副掘削機本体１４の外側方の地盤を掘削したが、副掘削機本体１４が旋回して副カッタヘッド３４及びコーナーカッタ４３が外方を向いているため、余掘カッタ４６を用いなくともトンネルを拡幅して掘削できる。
【００４２】
図１５に本発明の他の実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の斜視を示す。なお、前述した実施形態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。
【００４３】
本実施形態のシールド掘削機において、図１５に示すように、主掘削機本体１２は前端部に前方の地盤を掘削する主カッタ機構１１が装着されており、この主掘削機本体１２の掘進方向両側に左右一対の副掘削機本体１４が配設されており、前端部に前方の地盤を掘削する副カッタ機構１３がそれぞれ装着されている。この各副掘削機本体１４は前胴部１４ａと後胴部１４ｂとで構成され、それぞれ副掘削機本体支持機構として図示しないガイド部及び拡幅ジャッキ１６によって独立して水平移動可能に支持されている。そして、この主掘削機本体１２及び各副掘削機本体１４は推進ジャッキとしてのシールドジャッキ１７，１８によって前進できるようになっている。
【００４４】
従って、拡幅トンネルの掘削時には、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４の前胴部１４ａ及び後胴部１４ｂを別々に水平移動させることで、余掘作業による空間部の距離を短距離で拡幅作業を行うことができ、作業性の向上が図れる。
【００４５】
なお、上述の実施形態において、制御装置７８は、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４が移動する時、タイマ７９によって設定された所定時間だけシールドジャッキ１８ａまたは１８ｂを収縮状態としたが、この方法に限定されるものではなく、シールドジャッキ１８ａ，１８ｂに作用する曲げ応力の大きさに応じてそれを解除するようにシールドジャッキ１８ａまたは１８ｂを収縮状態としてもよい。
【００４６】
また、上述の実施形態において、主カッタ機構１１を円盤形状の主カッタヘッド２４、副カッタ機構１３を円盤形状の主カッタヘッド３４とコーナーカッタ４３としたが、この構造に限定されるものではなく、例えば、棒状の掘削刃を円盤を形成するように回転して構成してもよい。また、副掘削機本体ガイド機構としての支持部１５を主掘削機本体１２側の長孔５２と副掘削機本体１４側の支持軸５２とで構成し、副掘削機本体移動機構を拡幅ジャッキ１６としたが、この構造に限定されるものではない。例えば、主掘削機本体１２側に支持軸５２を設けて副掘削機本体１４側に長孔５２を設けて支持部１５を構成してもよく、拡幅ジャッキ１６を５本以上設けてたり、複数のパラレルリンク機構７２を構成してもよく、あるいは、支持部をリンク機構としてもよく、副掘削機本体が主掘削機本体に対して側方に移動可能で且つ旋回可能であればよいものである。なお、拡幅ジャッキ１６で副掘削機本体１４を所定の旋回角度にて維持する場合、この拡幅ジャッキ１６を所定の伸縮ストロークて機械的にロックするロック機構を設けるとよい。
【００４７】
更に、枠状のトンネルＴ_a ，Ｔ_b を２つのシールド掘削機によって掘削したが、これはトンネルＴ₁ ，Ｔ₃ の内部を共同溝として使用するために掘削断面の大きなシールド掘削機を使用したからであり、１つのシールド掘削機によって掘削することもできる。また、本実施形態では、セグメントＳによって矩形トンネルＴ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ を形成したが、鉄鋼製の型枠を用いてこの型枠とトンネル内壁面との間にコンクリートを打設して矩形トンネルＴ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ を形成してもよい。そして、本発明のトンネル掘削機をシールド掘削機以外に、岩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として用いることもできる。
【００４８】
また、本実施形態では、主掘削機本体１２の左右両側に副掘削機本体１４を配設して横方向に拡幅可能としたが、主掘削機本体１２の上下両側に副掘削機本体１４を配設して縦方向に拡幅可能としてもよく、この場合、主掘削機本体１２に対して左側だけ、あるいは、上側だけに副掘削機本体１４を配設して片方だけ拡幅可能としてもよい。
【００４９】
そして、本実施形態のトンネル掘削方法では、当初、前後の拡幅ジャッキ１６を徐々に伸長して主掘削機本体１２に対する副掘削機本体１４の旋回角度を徐々に大きくし、所定の旋回角度θ_M になると、この旋回角度θ_M を維持したままで、前後の拡幅ジャッキ１６を同ストローク伸長して副掘削機本体１４を外方に移動することで、一定角度で幅の拡大したトンネルを掘削するようにしたが、主掘削機本体１２に対して副掘削機本体１４の前端部を外方旋回移動させ、この副掘削機本体１４が最大旋回角度になるまで前方及び側方の地盤を掘削して徐々に幅の拡大したトンネルを掘削形成するようにしてもよい。この場合、短い掘進距離で所定の拡幅量を確保できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、主掘削機本体の前端部に前方の地盤を掘削する主カッタ機構を装着し、この主掘削機本体の掘進方向側方に副掘削機本体を配設してその前端部に副カッタ機構を装着し、副掘削機本体を副掘削機本体ガイド機構によって主掘削機本体に対して外方に移動自在に支持し、副掘削機本体移動機構によって副掘削機本体を主掘削機本体に対して外方に移動可能とし、主掘削機本体及び副掘削機本体の後部にその周方向に沿って複数の推進ジャッキを並設し、主掘削機本体に対する副掘削機本体の外方への移動時に、制御手段によって副掘削機本体の後部に設けられた複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させるようにしたので、推進ジャッキに作用する曲げ応力をその収縮動作時に解除することができ、推進ジャッキの伸長による推進力を主掘削機本体及び各副掘削機本体に適正に付与することとなり、主掘削機本体及び副掘削機本体は効率よく推進力が付与されて円滑に掘進することとなり、掘削作業の効率化を図ることができる。
【００５１】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、制御手段は主掘削機本体に対する副掘削機本体の外方への移動時に、副掘削機本体の後部に一つ置きに並設された一群の推進ジャッキと残りの一群の推進ジャッキとを交互に伸縮させるようにしたので、一方の推進ジャッキ群が収縮状態にあるとき、伸長状態にある推進ジャッキ群は推進力をバランス良く主掘削機本体及び各副掘削機本体に付与することができる。
【００５２】
また、請求項３の発明のトンネル掘削方法によれば、主カッタと副カッタとを駆動回転させながら、副掘削機本体を外方に移動させ、且つ、複数の推進ジャッキを伸長させ、主掘削機本体及び副掘削機本体を前進させることで、主カッタ及び副カッタによって掘削断面の幅が拡縮するように前方の地盤を掘削し、この拡幅時に副掘削機本体の複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させるようにしたので、推進ジャッキに作用する曲げ応力をその収縮動作時に解除することができ、推進ジャッキの伸長による推進力を主掘削機本体及び各副掘削機本体に適正に付与することとなり、主掘削機本体及び副掘削機本体は効率よく推進力が付与されて円滑に掘進することとなり、掘削作業の効率化を図ることができる。
【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シールド掘削機の一部切欠平面図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【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】図１のVI−VI断面図である。
【図７】図１のVII−VII断面図である。
【図８】シールドジャッキの作動回路図である。
【図９】本実施形態のシールド掘削機の斜視図である。
【図１０】本実施形態のシールド掘削機による拡幅トンネル掘削時の作用を表す概略図である。
【図１１】本実施形態のシールド掘削機による拡幅トンネル掘削時の作用を表す概略図である。
【図１２】本実施形態のシールド掘削機による縮幅トンネル掘削時の作用を表す概略図である。
【図１３】通常トンネルの掘削断面図である。
【図１４】拡幅トンネルの掘削断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の斜視図である。
【符号の説明】
１１ 主カッタ機構
１２ 主掘削機本体
１３ 副カッタ機構
１４ 副掘削機本体
１５ 支持部（副掘削機本体ガイド機構）
１６ 拡幅ジャッキ（副掘削機本体移動機構）
１７，１８ シールドジャッキ（推進ジャッキ）
２４ 主カッタヘッド
２７ コピーカッタ
２９ 駆動モータ
３４ 副カッタヘッド
３７ コピーカッタ
３９ 駆動モータ
４１ 駆動モータ
４３ コーナーカッタ
４６ 余掘カッタ
５１，５２ 支持板
５３，５４ ガイド板
５８，５９ エレクタ装置
７１，７２ 電磁弁
７８ 制御装置
７９ タイマ
Ｓ セグメント
Ｔ，Ｔa ，Ｔb 枠状トンネル
Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 矩形トンネル

Claims (3)

1. 主掘削機本体と、該主掘削機本体の前端部に装着されて前方の地盤を掘削する主カッタ機構と、前記主掘削機本体の掘進方向側方に配設されて該主掘削機本体と共に筒形状をなす副掘削機本体と、該副掘削機本体の前端部に装着されて前記主カッタ機構と共に前方の地盤を掘削する副カッタ機構と、前記副掘削機本体を前記主掘削機本体に対して外方に移動自在に支持する副掘削機本体ガイド機構と、前記副掘削機本体を前記主掘削機本体に対して外方に移動させる副掘削機本体移動機構と、前記主掘削機本体及び前記副掘削機本体の後部にその周方向に並設された複数の推進ジャッキとを具えたトンネル掘削機において、前記主掘削機本体に対する前記副掘削機本体の外方への移動時に前記副掘削機本体の後部に設けられた複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させる制御手段を具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 請求項１記載のトンネル掘削機において、前記制御手段は、前記主掘削機本体に対する前記副掘削機本体の外方への移動時に、前記副掘削機本体の後部に一つ置きに並設された一群の前記推進ジャッキと残りの一群の前記推進ジャッキとを交互に伸縮させることを特徴とするトンネル掘削機。
3. 請求項１のトンネル掘削機を用い、主掘削機本体の前端部に装着された主カッタと該主掘削機本体の掘進方向側方に配設された副掘削機本体の前端部に装着された副カッタとを駆動回転させながら、前記主掘削機本体に対して前記副掘削機本体を外方に移動させ、且つ、前記主掘削機本体及び前記副掘削機本体の後部にその周方向に並設された複数の推進ジャッキを伸長させることで該主掘削機本体及び副掘削機本体を前進させ、前記主カッタ及び副カッタによって掘削断面の幅が拡縮するように前方の地盤を掘削し、この拡幅時に前記副掘削機本体の複数の推進ジャッキのうちの所定数の推進ジャッキを交互に伸縮させることを特徴とするトンネル掘削方法。

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