JP3810171B2 - 覆工体連結用シールド掘進機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、外周部に複数のトンネルを並設して掘削し、トンネル内に形成された覆工体を連結して大口径トンネルの外周壁を構築する際に、先行掘削されて覆工された先行覆工体間の地山を掘削し、先行覆工体を連結する覆工体連結用シールド掘進機に関する。
【0002】
【従来の技術】
内部に複数の道路や線路が設置される大口径トンネルは、崩壊土圧に対処するために、複数のシールド掘進機を大口径トンネルの外周位置でトンネルの軸心と平行に掘進させて互いに接近する小口径トンネルを形成し、小口径トンネルを一次覆工した覆工体を連結して外周壁を構築した後、内部の土砂を取り除いて形成している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、小口径トンネルに円形断面掘削用のシールド掘進機を使用すると、覆工体の連結に時間とコストがかかるという問題があり、ここでは矩形断面のトンネルを掘削することが望ましい。そうすると、先行掘削するシールド掘進機については問題がないが、先行覆工体間の地山を後続掘削するシールド掘進機では、その掘削を高精度に保持する必要がある。しかし、従来のシールド掘進機では、施工覆工体間を高精度で掘削できるものは見られなかった。
【0004】
本発明のうち請求項1記載の発明は、上記問題点を解決して、先行トンネルの覆工体間を高精度で掘削できる覆工体連結用シールド掘進機を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項1記載の発明は、所定間隔をあけて先行掘削された2つのトンネル内にそれぞれ先行覆工体が形成され、これら先行覆工体の間の地山を堀進してセグメントを組み立て先行覆工体を連結する覆工体連結用シールド掘進機であって、シールド本体に、先行覆工体の外壁面にそれぞれ摺接して案内される被ガイドフレームを突設し、シールド本体の前部に、シールド本体の前方の地山を掘削するカッタ面板と、カッタ面板から突設されて前記被ガイドフレーム前方の地山を掘削するビームカッタからなるカッタヘッドを配置し、前端部が前記カッタヘッドに回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体の固定胴部に回動自在に連結された複数本の伸縮アクチェータによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置を設け、前記カッタ駆動装置によりカッタヘッドをシールド軸心と直交する面を含む空間内で往復移動させることにより、前方の地山を掘削するように構成し、シールド本体の後部に、先行覆工体間に一次覆工用セグメントを組み立てるエレクタ装置を配設したものである。
【0006】
上記構成によれば、カッタ駆動装置が駆動されてカッタ面板およびビームカッタをシールド軸心と直交する面内で往復移動することにより、シールド本体と被ガイドフレームの前方の地山が掘削され、さらに被ガイドフレームによりシールド本体が先行覆工体に案内されて先行覆工体間の地山を精度よく掘削前進させることができる。
【0007】
また請求項2記載の発明は、上記構成の先行覆工体の少なくとも連結側対向面を平面状に形成するとともに、シールド本体を矩形断面に形成し、被ガイドフレームを連結側対向面に隣接する外面に摺接するように構成したものである。
【0008】
上記構成によれば、矩形断面のトンネルにより、隣接する先行覆工体とをセグメントにより面合わせで連結することができて、円形断面同志の連結のように周囲の掘削も不要で連結性を高めて効率よく大口径トンネルの外周壁や合体トンネルを形成することができる。
【0009】
さらに請求項3記載の発明は上記構成のシールド本体を、固定胴部と、この固定胴部の連結面側に出退自在に配置された可動胴部とで構成するとともに、これら可動胴部を出退してシールド本体の幅を変更可能な幅拡縮装置を設けたものである。
【0010】
上記構成によれば、カッタ駆動装置の伸縮アクチェータによるカッタヘッドの動作ストロークを変更して、地山の掘削幅を拡張または縮小するとともに、この掘削幅に対応して、拡縮駆動装置により可動胴部を出退させシールド本体の幅を拡張または縮小することで、先行覆工体の位置が変位して掘削幅が変動しても容易に追従することができる。したがって、幅が漸次変化するテーパ状の大口径トンネルの外周壁や合体トンネルを形成することができる。
【0011】
また請求項4記載の発明は、上記構成のカッタヘッドを先行覆工体方向に複数に分割するとともに、各カッタヘッドにそれぞれカッタ駆動装置を設けたものである。
【0012】
上記構成によれば、複数のカッタヘッドにより覆工体の間隔の変化の大きいトンネルを掘削できるとともに、カッタヘッドを相対駆動することにより、掘削反力を相殺して軽減することができ、シールド本体の姿勢を安定させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る覆工体連結用シールド掘進機の実施の形態を図1〜図14に基づいて説明する。
【0014】
まず、このシールド掘進機により掘削される大口径トンネルの概要を図13,図14を参照して説明する。たとえば図13に示すように、大口径トンネルが矩形断面で、その大口径トンネル覆工体Aの内部に2本の道路空間B,Cが形成され、通常幅員Waの道路空間B,Cが形成される幅W1の一端側から、ランプや料金ゲートなど幅員Wbの広い道路空間B,Cが形成される幅W2の他端側に、大口径トンネル覆工体Aが幅W1からW2に漸次拡張されるように形成されている。
【0015】
この大口径トンネルは、図14(a)(b)に示すように、四隅のL形断面トンネルが掘削されてL形断面トンネル覆工体Fと、中央の矩形トンネルが掘削されてセンター矩形トンネル覆工体Gとが覆工された後、L形断面トンネル覆工体Fとセンター矩形トンネル覆工体Gとの間の地山が、本発明に係る連結用矩形トンネルが掘削されて、その内部に連結用矩形トンネル覆工体Hが覆工されることにより、大口径トンネル覆工体Aが形成される。そして大口径トンネル覆工体Aの内部の土砂が取り除かれた後、内部に二次覆工体および道路構造物が形成されて道路B,Cが形成される。
【0016】
したがって、本発明にかかるシールド掘進機は、L形断面トンネルとセンター矩形トンネルの覆工体F,G間の地山を精度よく堀進する必要があり、さらに 大口径トンネルAの上辺部と下辺部では、L形断面トンネルFとセンター矩形トンネルGの間の幅W3→W4の変化に追従する必要がある。
【0017】
次いでシールド掘進機を説明する。
図1〜図3に示すように、L形断面トンネルの先行覆工体Fとセンター矩形トンネルの先行覆工体Gの連結面Sa,Sa間を掘削する矩形断面のシールド本体1の前部には、左右一対のカッタヘッド2,2が配設されている。前記シールド本体1は、中央の固定胴部1Aと、固定胴部1Aに幅方向に出退自在に配置された可動胴部1B,1Bとで構成され、これら可動胴部1B,1Bを出退してシールド本体1の幅をW1とW2との間で変更可能な拡縮駆動装置である幅拡縮シリンダ3,3が設けられている。また前記可動胴部1B,1Bの上部および下部には、先行覆工体F,Gの上面Sbの上方および下面Scの下方に延びる被ガイドフレーム4,4が突設されている。また前記カッタヘッド2は、シールド本体1の前部の地山を掘削するカッタヘッド本体である左右一対の矩形状カッタ面板2Aと、カッタヘッド本体2Aの上辺および下辺から先行覆工体F,Gに延びて被ガイドフレーム4,4前方の地山を掘削するビームカッタ2B,2Bとで構成される。
【0018】
図3〜図5に示すように、前記固定胴部1Aは、土圧保持用の圧力室9を形成するセンター隔壁11と、天壁センター部材12および底壁センター部材13から構成されている。また可動胴部1Bは、センター隔壁11の背面にスライド自在に配設されたサイド隔壁14と、天壁センター部材12にスライド自在に配置された天壁サイドプレート15と、底壁センター部材13にスライド自在に配置された底壁サイドプレート16と、側壁スキンプレート17とで構成されている。そして本体が固定胴部1Aのセンター隔壁11背面で支持ブロック20に連結された幅拡縮シリンダ3,3の出力端が可動胴部1Bの側壁スキンプレート17に連結されている。また、センター隔壁11とサイド隔壁14の摺接部と、天壁センタープレート12および底壁センタープレート13と天壁サイドプレート15および底壁サイドプレート16の摺接部には、それぞれシール部材である図6に示す縦形ブラシ18と、後部のテールシール部材であるワイヤブラシ19が設けられている。また被ガイドフレーム4,4の先端部には、図7に示すように、先行覆工体F,Gの上面Sbまたは下面Scに摺接する止水シール21aと加圧流体により拡縮される膨張シール21bからなる膨張摺接シール21が設けられており、先行覆工体F,Gに対する被ガイドフレーム4,4の変動に所定範囲で対処することができる。
【0019】
前記カッタヘッド2,2のカッタ駆動装置6,6は、図8〜図10に示すように、それぞれ前端部が前記カッタヘッド2に回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体1の固定胴部1Aのセンター隔壁11に回動自在に連結された2本1組合計8本の伸縮アクチェータである油圧式カッタ駆動シリンダ5A〜5Hからなるパラレルリンクマニピュレータにより構成されている。
【0020】
すなわち、カッタヘッド駆動装置4を構成するパラレルリンクマニピュレータは、8本のカッタ駆動シリンダ5A〜5Hの基端部が、プラットホームであるセンター隔壁11に正面視が縦長の長方形Rの角部近傍に回動継手7を介して連結される。また、カッタ駆動シリンダ5A〜5Hの先端部が、エンドエフェクタであるカッタヘッド2の背面に正面視が縦長の菱形Dの角部近傍に回動継手8を介して連結される。
【0021】
このパラレルリンクマニピュレータからなるカッタ駆動装置6によるカッタヘッド2の動作は、図12(a)〜(c)に示すように、カッタヘッド2の中心Cがハッチングで示す範囲Mとなり、正面視で左右方向に広い動作範囲を確保できる。したがって、上記構成のようにカッタ駆動シリンダ5A〜5Hの配置した2組のカッタ駆動装置6,6により、横長矩形断面のトンネルの掘削に最適な動作範囲mを確保することができる。
【0022】
またカッタ駆動シリンダ5A〜5Hの回動継手7,8は、球面継手や自在継手でもよいが、この実施の形態では左右方向に回動範囲が広く上下方向には狭いため、図11に示すように、球面ブッシュ仕様の継手が使用される。すなわち、圧力隔壁4またはカッタヘッド2の取付部材23に一対の固定ブラケット24が突設され、またカッタ駆動シリンダ5A〜5Hには固定ブラケット24間に遊嵌される可動ブラケット25が突設されている。そして可動ブラケット25に形成された球面凹部25a内に球面ブッシュ26が回動自在に嵌合され、この球面ブッシュ26にピン孔26aが形成されている。そして固定ブラケット24のピン孔と球面ブッシュ26のピン孔26aに支持ピン27が貫通されて圧力隔壁4またはカッタヘッド2とカッタ駆動シリンダ5A〜5Hとが連結されている。したがって、カッタ駆動シリンダ5A〜5Hは支持ピン27を中心に左右方向に広い範囲で回動できるとともに、球面ブッシュ26により支持ピン27の軸心を含む面内で上下方向に狭い範囲で回動することができる。
【0023】
前記カッタヘッド2のカッタ面板2Aは、図1に示すように、矩形の枠フレーム31内に複数の柱状フレーム32が所定間隔ごとに斜め格子状に連結配置されて形成され、柱状フレーム32および枠フレーム31と柱状フレーム32に囲まれた貫通空間が土砂取り入れ口33に構成されている。そして、枠フレーム31の外周部と柱状フレーム32の前面に所定間隔毎に多数のカッタビット34,35が突設されている。またビームカッタ2Bは、円柱状の張出ビーム36に、複数のカッタビット37が前方および上下方向ならびに側方にそれぞれ突出されて構成される。
【0024】
図2に示すように、前記シールド本体1のセンター隔壁11には、排土装置を構成する送泥管41Aと排泥管41Bが貫通して接続されるとともに、土砂攪拌用のアジテータ42が設けられている。また図2,図4に示すように、シールド本体1の後部には、先行覆工体F,G間で上下位置にセグメントHを組み立てるエレクタ装置43が配設されている。このエレクタ装置43は、上下レール44に案内されてシフト自在な可動フレーム45に、シールド軸心周りに旋回自在な旋回フレーム46が配置され、この旋回フレーム46に回動リンクアーム47を介してセグメント保持装置48が外周側に出退自在に設けられている。そして、拡縮されるシールド本体1の幅に対応して複数種類のセグメントHを組み合わせて漸次拡幅または縮幅する一次覆工体を構築することができる。またシールド本体1の後部には、エレクタ装置43により組み立てられたセグメントHを反力受けとしてシールド本体1を推進させる複数の推進ジャッキ49が設けられている。なお、この推進ジャッキ49は、図5に示すように、シールド本体1の拡縮幅に対応して必要に応じて増設または撤去される。
【0025】
上記構成において、トンネルを掘削する場合には、図示しないカッタ駆動制御装置により油圧ポンプからカッタ駆動装置6に供給される圧油が制御されて各カッタ駆動シリンダ5A〜5Hが伸縮制御され、カッタヘッド2.2がそれぞれシールド軸心に直交する面内で互いに干渉しない範囲で左右方向および上下方向に相対して往復駆動され、カッタ面板2Aのカッタビット34,35およびビームカッタ2Bのカッタビット37により、先行覆工体F,G間の地山と先行覆工体F,Gの上面近傍および下面近傍の地山とが掘削される。この時の掘削反力は、カッタヘッド2,2が相対方向に駆動されることにより、カッタ駆動シリンダ5A〜5Hを介してシールド本体1で相殺され減衰される。そして、掘削土砂は土砂取り入れ口33から圧力室9内に取り込まれ、送泥管41Aから供給された泥水や泥しょう等と混合されてアジテータ42により攪拌され、適度な流動性を付与した後、排泥管41Bから排出される。またカッタヘッド2,2は各カッタ駆動シリンダ5A〜5Hを伸縮制御することにより、土質や掘削状況に応じて前後方向に平行移動させたり、またシールド軸心に直交する面に対して傾動させる動作を挿入することにより、良好に掘削することができる。
【0026】
そして、エレクタ装置49により先行覆工体F,G間に組み立てられたセグメントHを反力受けとして推進ジャッキ49によりシールド本体1を前進させる。このとき、被ガイドフレーム4の加圧膨張シール21が先行覆工体F,Gの上面および下面に摺接されてシールド本体1が案内されることから、シールド掘進機を正確に前進させることができる。
【0027】
また先行覆工体F,Gの間隔が漸次広がる場合には、この間隔に応じてカッタヘッド2,2の駆動ストロークを漸次側部外方に広げて幅広く掘削させ、さらにこのトンネル幅に合わせて幅拡縮シリンダ3を進展させることにより可動胴部1B,1Bをそれぞれ外方に突出させる。そしてエレクタ装置43により、先行覆工体F,Gの連結面Sa,Sa間の上下位置にセグメントHを組み立てて左右の先行覆工体F,Gを連結する。これを繰り返して先行覆工体F,Gの間隔に応じて漸次幅が広くなるトンネルを掘削する。さらに可動胴部1B,1Bが所定量突出されると、推進ジャッキ49が新たに組み込まれる。
【0028】
また先行覆工体F,Gの間隔に対応して広い幅から狭い幅のトンネルを掘削する場合も上記と逆の手順で掘削することができる。また途中で掘削幅が広がったり狭まったりするトンネルの場合にも容易に対応することができ、連続した掘削が可能である。
【0029】
上記実施の形態によれば、カッタ面板2Aにより先行覆工体F,G間の地山を掘削するとともに、ビームカッタ2Bにより、先行覆工体F,Gの上面近傍および下面近傍の地山と掘削し、ビームカッタ2Bの後方で先行覆工体F,Gに案内される被ガイドフレーム4をスムーズに移動させることができ、シールド本体1を先行覆工体F,G間に沿って高精度で推進させることができる。
【0030】
またシールド本体1が、固定胴部1Aと固定胴部1Aの両側にスライド自在に外嵌された可動胴部2B,2Bとで構成して、幅拡縮シリンダ3により幅を拡張および縮小可能とし、シールド本体1の前部に配置した左右一対のカッタヘッド2,2を8本のカッタ駆動シリンダ5A〜5Hによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置6,6により駆動するように構成したので、カッタ駆動装置4により各カッタヘッド2の駆動ストロークを任意に制御してトンネルの掘削幅を変更することができ、さらに掘削幅に合わせて可動胴1B,1Bを出退させシールド本体1の幅を調整することにより、漸次幅が変化する先行覆工体F,G間を連続して掘削することができる。
【0031】
また、左右一対のカッタヘッド2,2を相対方向に駆動して地山を掘削することで掘削反力を相殺することができ、シールド本体1の姿勢を安定させることができる。さらに、カッタ駆動装置6のカッタ駆動シリンダ5A〜5Hを8本でパラレルリンクマニピュレータを構成したので、矩形のカッタヘッド2を4箇所で安定して支持および動力伝達することができるとともに、カッタ駆動シリンダ5A〜5Hの基端部の取付位置内でセンター隔壁11の空間を大きくとることができ、送排泥管41A,41Bやアジテータ8などの設置の自由度を広げることができる。
【0032】
さらにまたカッタ駆動シリンダ5A〜5Hの基端部をセンター隔壁11に縦長の長方形Rの角部近傍に連結し、先端部をカッタヘッド2の背面に正面視が縦長の菱形Dの角部近傍に連結したので、カッタヘッド2の動作範囲Mを正面視で左右方向に広く確保することができ、横長矩形断面のトンネルの掘削に最適な動作範囲mを確保することができる。
【0033】
また、カッタヘッド2を、矩形枠フレーム31と格子状に組み合わされた柱状フレーム32とで板体状に形成して土砂取り入れ口33を均一に形成したので、簡単な構造で全面にわたって必要な強度を確保できるとともに、掘削土砂の取り入れ口33を均一に配置することができ、カッタヘッド2をストロークの小さい往復運動で地山を掘削しても、確実に掘削土砂を取り込んで排出することができる。
【0034】
なお、上記実施の形態では、大口径トンネルの外周壁を形成するのに使用したが、複数のトンネルを連続するのに使用することもできる。
【0035】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明の請求項1記載の発明によれば、カッタ駆動装置が駆動されてカッタ面板およびビームカッタをシールド軸心と直交する面内で往復移動することにより、シールド本体と被ガイドフレームの前方の地山が掘削され、被ガイドフレームによりシールド本体が先行覆工体に案内されて先行覆工体間を精度よく掘削前進させることができる。
【0036】
また請求項2記載の発明によれば、矩形断面のトンネルにより、隣接する先行覆工体とをセグメントにより面合わせで連結することができて、円形断面同志の連結のように周囲の掘削も不要で連結性を高めて効率よく大口径トンネルの外周壁や合体トンネルを形成することができる。
【0037】
さらに請求項3記載の発明によれば、カッタ駆動装置の伸縮アクチェータによるカッタヘッドの動作ストロークを変更して、地山の掘削幅を拡張または縮小するとともに、この掘削幅に対応して、拡縮駆動装置により可動胴部を出退させシールド本体の幅を拡張または縮小することで、先行覆工体の間隔が変更されても容易に追従することができる。したがって、幅が漸次変化するテーパ状の大口径トンネルの外周壁や合体トンネルを形成することができる。
【0038】
また請求項4記載の発明によれば、2個のカッタヘッドにより覆工体の間隔の変化の大きいトンネルを掘削できるとともに、2個のカッタヘッドを相対駆動することにより、掘削反力を相殺して軽減することができ、シールド本体の姿勢を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る覆工体連結用シールド掘進機の実施の形態を示す正面図である。
【図2】同シールド掘進機の側面断面図である。
【図3】同シールド掘進機の一部切欠き平面図である。
【図4】同シールド掘進機の背面図である。
【図5】同シールド掘進機の拡幅時の背面図である。
【図6】同シールド掘進機の縦ブラシを示す拡大断面図である。
【図7】同シールド掘進機のビームカッタに設けた加圧膨張シールの断面図である。
【図8】同シールド掘進機のカッタ駆動装置を示す概略正面図である。
【図9】同シールド掘進機のカッタ駆動装置を示す平面断面図である。
【図10】同シールド掘進機のカッタ駆動装置を示す拡幅時の平面断面図である。
【図11】同シールド掘進機のカッタ駆動装置の回動継手を示す断面図である。
【図12】(a)〜(c)はそれぞれカッタ駆動装置の動作範囲の説明図で、(a)は正面図、(b)は底面図、(c)は側面図である。
【図13】同シールド掘進機を使用して掘削する大口径トンネルの概要を示す斜視図である。
【図14】(a),(b)は同大口径トンネルの掘削手順を示す断面図で、(a)は狭幅位置の横断面図、(b)は広幅位置の横断面図である。
【符号の説明】
1 シールド本体
1A 固定胴部
1B 可動胴部
2 カッタヘッド
2A カッタ面板
2B ビームカッタ
3 幅拡縮シリンダ
4 被ガイドフレーム
5A〜5H カッタ駆動シリンダ
6 カッタ駆動装置
7,8 回動継手
31 矩形枠フレーム
32 柱状フレーム
33 土砂取り入れ口
34,35 カッタビット
36 張出ビーム
37 カッタビット
41A 送泥管
41B 排泥管
43 エレクタ装置
49 推進ジャッキ
A 大口径トンネル覆工体
H セグメント(連結用矩形トンネル)
F 先行覆工体(L形断面トンネル)
G 先行覆工体 (センター矩形トンネル)
Sa 連結面
Sb 上面
Sc 下面
Claims (4)
- 所定間隔をあけて先行掘削された2つのトンネル内にそれぞれ先行覆工体が形成され、これら先行覆工体の間の地山を堀進してセグメントを組み立て先行覆工体を連結する覆工体連結用シールド掘進機であって、
シールド本体に、先行覆工体の外壁面にそれぞれ摺接して案内される被ガイドフレームを突設し、
シールド本体の前部に、シールド本体の前方の地山を掘削するカッタ面板と、このカッタ面板から突設されて前記被ガイドフレーム前方の地山を掘削するビームカッタからなるカッタヘッドを配置し、
前端部が前記カッタヘッドに回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体の固定胴部に回動自在に連結された複数本の伸縮アクチェータによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置を設け、
前記カッタ駆動装置によりカッタヘッドをシールド軸心と直交する面を含む空間内で往復移動させることにより、前方の地山を掘削するように構成し、
シールド本体の後部に、先行覆工体間に一次覆工用セグメントを組み立てるエレクタ装置を配設した
ことを特徴とする覆工体連結用シールド掘進機。 - 先行覆工体の少なくとも連結側対向面を平面状に形成するとともに、シールド本体を矩形断面に形成し、被ガイドフレームを連結側対向面に隣接する外面に摺接するように構成したことを特徴とする請求項1記載の覆工体連結用シールド掘進機。
- シールド本体を、固定胴部と、この固定胴部の連結面側に出退自在に配置された可動胴部とで構成するとともに、これら可動胴部を出退してシールド本体の幅を変更可能な幅拡縮装置を設けたことを特徴とする請求項1または2記載の覆工体連結用シールド掘進機。
- カッタヘッドを先行覆工体の配設方向に複数に分割するとともに、各カッタヘッドにそれぞれカッタ駆動装置を設けた
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の覆工体連結用シールド掘進機。
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