JP4318112B2 - 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、主として矩形、栗の実形その他、円形以外の断面形状（以下、任意の断面形状という）を有するトンネルの掘削に用いられるトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のトンネル掘削機としては、例えば山岳トンネル工法において用いられる掘削・覆工併用シールド機であり、ブームカッタにより栗の実形断面トンネルを掘削することが可能であるものが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の他のトンネル掘削機としては、例えば偏平断面トンネル用シールド掘進機であり、円形の主カッタディスクを回転駆動して掘削し、主カッタディスクの両側に配置され且つ主カッタディスクの両側にはみ出すトンネル部分の形状とほぼ同形状に形成された１対の揺動カッタを揺動駆動により掘削し、主カッタディスクと１対の揺動カッタとで掘り残したトンネル部分を掘削する複数の回転駆動する小径カッタディスクにより掘削することにより偏平断面トンネルを掘削することが可能であるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、従来の別のトンネル掘削機としては、トンネルボーリングマシンであり、トンネル軸周りで回転自在に設けられるスポーク式のカッタが、トンネルの断面形状に対応した伸縮動作が自在にでき、スポークカッタが回転中に伸縮操作することにより栗の実形トンネル断面の掘削を可能としたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
機械化工法研究会編、「山岳トンネル機械掘削工法」、１９９６年８月５日、ｐ．１４（例えば、図２．１．６）
【特許文献１】
特開２０００−３２８８７２号公報（例えば、図２）
【特許文献２】
特開２００１−２８８９８７号公報（例えば、図１）
【０００６】
しかしながら、掘削・覆工併用シールド機では、掘削断面に比べてカッタヘッド径が相当に小さいので、全断面同時掘削機に比して掘削能力が小さいことで、トンネルの掘削進行速度が遅くなり、さらに、切羽面を押さえる機構がなかったので、崩壊性地山では切羽を保持することができなかった。固結地山の場合には開放型トンネル掘削機を採用することが一般的であるが、掘進途中で地山が変化して湧水を伴う未固結地山などの崩壊性地山が出現した場合には対応ができなかった。固結地山などの自立性地山を掘削する場合は、切羽を掘削後に天井部を吹付けコンクリートで早期に支保することが必要であり、既往のシールド機械と同じようにスキンプレートで覆うことは好ましい方法ではなかった。更に、地圧でトンネル掘削機が締め付けられ居着いた場合、その復旧・脱出の方法としては、トンネル掘削機の後方から迂回路を掘削して、切羽前方のトンネル周辺地盤を改良して固めていたが多くの労力を要していた。
【０００７】
また、偏平断面トンネル用シールド掘進機では、全断面同時掘削は可能であるので、前記掘削・覆工併用シールド機に比して能率的な掘削ができるが、主カッタディスクと一対の揺動カッタが掘り残すトンネル部分を別に設けた複数の回転カッタディスクで掘削するが、小径カッタが固定軸であるから、どうしても切り残しができ、且つ機構が複雑となるという問題があった。また、円形カッタの両サイドの揺動カッタではツースビットによる地山の掘削になるが、岩盤などの固結地山ではツースビットの岩盤への貫入が充分できずに効率的な掘削ができないという問題があった。
【０００８】
さらに、トンネルボーリングマシンでは、円形断面形状を基本とし、この外周からの突出量を調整することによって、所定の断面形状の掘削を可能とするものであるが、突出量に制限があるので、ある程度に掘削断面形状が限定されてしまう。また、伸縮スポークに過度の負担が掛かるとともに、その伸縮制御に精度が要求される。また、伸縮スポークの点検や破損・故障した場合の修理が困難であるなどの問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果が確実かつ充分に得られるように、トンネルの切羽が任意の断面形状を有する場合でも迅速かつ確実にトンネル掘削を行うことが可能となるトンネル掘削機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るトンネル掘削機は、任意の断面形状を有するトンネルの切羽のうち内側部分である円形領域を掘削する第一の掘削手段及び残余部分である任意形状領域を掘削する第二の掘削手段を備えるトンネル掘削機であって、前記第一の掘削手段は、前記円形領域に対して押圧されながら回動することが可能である円盤と、該円盤の前面から突出するよう適宜位置に配設される複数のカッタビットとからなり、前記第二の掘削手段は、トンネル横断方向において適宜間隔で配設され、該任意形状領域に対して突き刺すトンネル前後方向における打撃動作及び突き刺した該任意形状領域を掻き取るトンネル横断方向における揺動を連続的に行うことが可能である複数のノミとからなることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、トンネル断面の円形領域を掘削する第一の掘削手段及び残余部分を掘削する第二の掘削手段とを備えることことを特徴として構成されるので、トンネルの切羽が任意の断面形状を有する場合でも迅速かつ確実にトンネル掘削を行うことが可能となる。
【００１２】
したがって、これによれば、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果が画一かつ十分に得られることが可能となる。
【００１３】
このような技術手段において、汎用品を可及的に利用することとして、より安価な製品を市場に供給しようとする観点からすれば、前記第一の掘削手段に対しては、前記トンネルの切羽において可及的に広い範囲に画された前記円形領域が配分されることが好ましい。
【００１４】
また、切羽前方の地山の変化に事前的に的確に対応することとして、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより確実かつ十分に得られるようにする観点からすれば、前記円盤の全部又は中央部である一部は、切羽前方における小トンネルの施工又は地山の調査を行い得ることとなる開放のための着脱が可能であり、該開放状態において前記第一の掘削手段及び前記第二の掘削手段による切羽の掘削が可能であることが好ましい。
【００１５】
さらに、切羽における地山の変化に事後的に迅速に対応することとして、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより確実かつ十分に得られるようにする観点からすれば前記トンネル掘削機がシールド掘削機である場合において、前記第一の掘削手段及び前記第二の掘削手段による切羽の掘削直後において支保工の施工を行い得ることとなる開放のための着脱が可能であるスキンプレートを備えることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、切羽における地山の変化に事後的に適切に対応することとして、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより一層確実かつ十分に得られるようにする観点からすれば、前記トンネル掘削機が排土手段を備えるシールド掘削機であって密閉型シールド及び開放型シールドの間における切り替えが可能である場合において、前記排土手段は、前記密閉型シールドにおいて用いることが可能であるスクリューコンベヤーと、前記開放型シールドにおいて用いることが可能であるベルトコンベヤーとからなり、前記密閉型シールド及び前記開放型シールドの間における切り替えに伴う前記スクリューコンベヤー及び前記ベルトコンベヤーの間における切り替えが可能であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す正面図、図２は該トンネル掘削機の概略構成を示す全体従断面図、図３は該トンネル掘削機の概略構成を示す縦断面図、図４は該トンネル掘削機の概略構成を示す平面図、図５は該トンネル掘削機の第二の掘削手段を説明する断面図、図６は該トンネル掘削機の第二の掘削手段を説明する図（図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図）である。
【００１９】
本実施の形態に係るトンネル掘削機１は、シールド掘削機であって、任意の断面形状である栗の実形の断面形状を有するトンネルの切羽のうち、内側部分である円形領域を掘削する第一の掘削手段２及び残余部分である任意形状領域を掘削する第二の掘削手段３を備えるものとして構成されている。
【００２０】
具体的には、このトンネル掘削機１は、図２に示すように、前端部に、第一の掘削手段２たる回動可能に設けられた多数のカッタビット１０を有する円盤１１と、円盤１１を回動駆動するための回動駆動機構１２と、第二の掘削手段３たる切羽を突き刺し掻き取る多数のノミ１３と、ノミ１３を前後左右に駆動するための打撃揺動機構１４と、トンネル掘削機１の前進反力獲得手段である側壁グリッパー４と前進推力獲得手段であるスラストジャッキ５と、推進ジャッキ６と地山掘削の排出手段である排土設備７等を有する。
【００２１】
本実施の形態における第一の掘削手段２は、図１、図３、図４に示すように、トンネル掘削機１の前端側に配設され、円形領域に対して押圧されながら回動することが可能である円盤１１と、円盤１１の前面から突出するよう適宜位置に配設される複数のカッタビット１０からなるものとして構成されている。
【００２２】
具体的には、この円盤１１は、中心より放射状に延びる複数のカッタスポーク１５及びスリット１６と、カッタスポーク１５間に配設された複数の面板１７と、これらカッタスポーク１５と面板１７との前面に円盤１１の前面から突き出すように適宜位置に配設されている多数のカッタビット１０とを含むものとして構成されている。そして、この円盤１１は、背部の連結フレーム１８で支持され、連結フレーム１８は本体フレーム１９に配設された駆動モータ２０と駆動ユニット２１とに係合されている。
【００２３】
ここで、第一の掘削手段２に対しては、トンネルの切羽において可及的に広い範囲に画された円形領域が配分されることとなっている。これにより、汎用品が可及的に利用されることとなり、その結果、より安価な製品が市場に供給されることとなっている。また、本発明の実施の形態では、第一の掘削手段２である円盤１１に配設されたカッタビット１０は第二の掘削手段３に配設されたノミ１３よりも若干前に設けられているが、略同位置乃至は同一平面上に設けてもよい。
【００２４】
また、円盤１１の中央部である一部は、図７及び図８に示すように、切羽前方における小トンネル３０の施工又は地山の調査を行い得ることとなる開放のための着脱が可能であるものとして構成されている。すなわち、円盤１１の中央部である一部には、円盤核３１が円盤１１にトンネル掘削機１内から着脱可能に取り付けられている。
【００２５】
それゆえ、開放状態において第一の掘削手段２及び第二の掘削手段３による切羽の掘削が可能であるものとして構成されている。具体的には、図７、図８に示すように、第一の掘削手段２の円盤核３１をトンネル坑内側から取り外して、小トンネル３０を先行して別の掘削機械などの手段で掘削することが可能であり、小トンネル３０に遅れて円盤核３１を開放状態にて第一の掘削手段２及び第二の掘削手段３による切羽の切削が可能である。
【００２６】
つまり、このような構成によれば、切羽前方の地山の変化に事前的に的確に対応することが可能となっており、これにより、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより確実かつ十分に得られることとなっている。
【００２７】
ただし、円盤核３１の平面形状としては、円形に限られるものではなく、多角形など任意断面形状であっても差し支えない。
【００２８】
一方、第二の掘削手段３は、トンネル横断方向において適宜間隔で配設され、任意形状領域に対して突き刺すトンネル前後方向における打撃動作及び突き刺した任意形状領域を掻き取るトンネル横断方向における揺動を連続的に行うことが可能である複数のノミ１３とからなるものとして構成されている。
【００２９】
具体的には、この第二の掘削手段３は、図５、図６に示すように、第一の掘削手段２である円盤１１の左右対称に配設され、円盤１１の後方近傍に配設されている。第二の掘削手段３は第一の掘削手段２の両側にはみ出すトンネル部分の形状とほぼ同形状に形成されている。
【００３０】
第二の掘削手段３は、トンネル機械の本体フレーム１９に、複数配設された前後打撃ジャッキ４０が設けられており、前後打撃ジャッキ４０の軸方向に直交して左右に略対称に本体フレーム１９に隙間４１を有して、取付部材４２にて摺動可能に取り付けられている。前後打撃ジャッキ４０は、軸方向に直交して左右に一対の横揺動ジャッキ４３に一方端を係設されており、横揺動ジャッキ４３の他方端は本体フレーム１９に取り付けられている。
【００３１】
前後打撃ジャッキ４０の前端部は、カッタフレーム４４に係止されており、カッタフレーム４４の適宜箇所には、切羽面に向かって複数のノミ１３が配設された取付台座４５が設けられている。
【００３２】
本実施の形態においては、図９、図１０に示すように、第一の掘削手段２及び第二の掘削手段３による切羽の掘削直後において支保工の施工を行い得ることとなる開放のための着脱が可能であるスキンプレート８を備えるものとして構成されている。すなわち、トンネル掘削機１のフードの後部上半を形成するスキンプレート８は、本体フレーム１９に脱着自在に取り付けられている。
【００３３】
具体的には、図９、図１０に示すように、トンネル掘削機１のフードの後部上半を形成するスキンプレート８は、本体フレーム１９に脱着自在に取り付けられている。
【００３４】
つまり、このようなスキンプレート８によれば、スキンプレート８を外して裸天井にして切羽を露出することにより、切羽における地山の変化に事後的に迅速に対応することが可能となっており、これにより、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより確実かつ十分に得られることとなっている。
【００３５】
もっとも、スキンプレート８としては、これに限られるものではなく、複数に分割可能なものとして構成されても差し支えない。
【００３６】
ところで、本実施の形態におけるトンネル掘削機１が排土手段を備えるシールド掘削機であって密閉型シールド及び開放型シールドの間における切り替えが可能であるものとして構成されている。
【００３７】
この場合において、排土手段は、密閉型シールドにおいて用いることが可能であるスクリューコンベヤー５０と、開放型シールドにおいて用いることが可能であるベルトコンベヤー５１とからなっており、加えて、密閉型シールド及び開放型シールドの間における切り替えに伴うスクリューコンベヤー５０及びベルトコンベヤー５１の間における切り替えが可能であるものとして構成されている。
【００３８】
具体的には、図１１、図１２に示すように、固結地山などの自立性地山では、トンネル掘削機１の排土手段である土砂ホッパー５２の下端部においてベルトコンベヤー５１が配設されており、これにより、ズリはベルトコンベヤー５１でトンネル後方に搬送することが可能となっている。また、断層破砕帯のような湧水を伴う崩壊性地山では、ベルトコンベヤースライドジャッキ５３を作動させて、土砂ホッパー５２からベルトコンベヤー５１を引出し、土砂ホッパー５２のゲート開閉ジャッキ５４を作動させてシャッターゲート５５を閉塞する。この場合の土砂の搬出は、チャンバー５６の下部に装着されたスクリューコンベヤー５０によりおこなう。
【００３９】
すなわち、このような構成によれば、切羽における地山の変化に事後的に適切に対応することが可能となっており、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果がより一層確実かつ十分に得られることとなっている。
【００４０】
具体的には、トンネル掘削機１の排土手段である土砂ホッパー５２には、図１１、図１２に示すように、チャンバー５６を仕切る隔壁のトンネル坑内側にゲート開閉ジャッキ５４と開閉可能なシャッターゲート５５が設けられている。また、土砂ホッパー５２の下端部にはベルトコンベヤー５１とベルトコンベヤー５１を前後にスライドさせるベルトコンベヤースライドジャッキ５３が設けられている。さらに、チャンバー５６内の下部にはスクリューコンベヤー５０が隔壁５７を貫通して装置されている。
【００４１】
次に、図１から図６を用いて、本実施の形態に係るトンネル掘削機１の作用について説明する。なお、第一の掘削手段２である円盤１１が回転している状態にあり、カッタビット１０が切羽面から僅かに離隔した状態にあるものとして説明を開始する。また、切羽に係る地山は、断層破砕帯など崩壊性の地山から圧縮強度の大きい自立性の高い硬岩層に至るまでの地山が含まれるが、自立性の極めて高い地山について説明を開始する。
【００４２】
まず、側壁グリッパー４を拡張して地山にグリッパーシュー（図示外）を押付け、側壁グリッパー４に一方端を固定され、他方端を本体フレーム１９に固定されているスラストジャッキ５を伸張すると、トンネル掘削機１本体は切羽に向かって前進をすることとなる。
【００４３】
このとき、第一の掘削手段２は、駆動モータ２０の回転を駆動ユニット２１を介して連結フレーム１８に支持された円盤１１に伝達させて円盤１１を回転させるとともに、円盤１１の面上より若干切羽側に突出して取り付けられているカッタスポーク１５及び面板１７に配設されたカッタビット１０によりスラストジャッキ５による切羽面への押圧がされて地山を圧砕及び削り取る。
【００４４】
同時に、第二の掘削手段３は、第一の掘削手段２の略後部で第一の掘削手段２の所定領域外を前後打撃ジャッキ４０により、カッタフレーム４４の取付台座４５に多数配設されたノミ１３で切羽面への前方向の打撃を与えることにより突き崩すとともに、前後打撃ジャッキ４０を横揺動ジャッキ４３により揺動をさせることによって、ノミ１３をトンネル横断方向に揺動を連続的に行うことにより掻き寄せることとなる。
【００４５】
続いて、圧砕及び削り取りされたズリが、円盤１１に設けられたスリット１６からチャンバー５６に取り込まれ、チャンバー５６にある土砂掻揚バケット（図示外）により土砂ホッパー５２に投入され、土砂ホッパー５２の下端部に配設されたベルトコンベヤー５１によりトンネル後方に運搬・排出される。
【００４６】
すなわち、このようなトンネル掘削機１におれば、第一の掘削手段２と第二の掘削手段３とにより、トンネル掘削が、特に、非円形部分の掘削が突き崩す動作と掻き寄せる動作を重畳的に行うことが可能となっており、栗の実形の断面形状を有するトンネルの掘削が高効率的にできることとなっている。
【００４７】
また、栗の実形断面の大部分を占める第一の掘削手段２による円形部分は、汎用技術を使えるので安価で高効率なトンネル掘削が可能となっている。
【００４８】
さらに、円盤１１の中央部を開口することは、小トンネル３０による調査導坑や地圧によりトンネル掘削機１が居着いた場合、トンネル掘削機１の前方に出ることにより復旧作業などが容易となる。
【００４９】
さらにまた、比較的自立性の良い地山を掘削するには、切羽掘削後早期に吹付けコンクリートを施工することがトンネル支保の鉄則であり、スキンプレート８を取り外して地山を露出させることにより、支保工の早期施工が可能となっている。
【００５０】
また、土砂のチャンバー５６を密閉式と開放式に切り替えられるので、湧水が多くて地山が崩壊する場合は密閉式でしてこれを押さえ、地山が自立する場合は開放式に切り替えて掘削でき、所謂破砕帯から硬岩までの全地質に一台の機械で即対応が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、工期の短縮効果及び施工コストの低減効果が確実かつ十分に得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す全体従断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の第二の掘削手段を説明する断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の第二の掘削手段を説明する図（図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図）である。
【図７】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の平面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の概略構成を示す全体縦断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機のスキンプレート取り付け部を示す図（図９（ａ）側面図、図９（ｂ）側面図）
【図１０】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の上半の一部を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の排土設備を説明する図（図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面図）である。
【図１２】本発明の実施の形態に係るトンネル掘削機の排土設備を説明する平面図である。
【符号の説明】
１…トンネル掘削機
２…第一の掘削手段
３…第二の掘削手段
４…側壁グリッパー
５…スラストジャッキ
６…推進ジャッキ
７…排土設備
８…スキンプレート
１０…カッタビット
１１…円盤
１２…回動駆動機構
１３…ノミ
１４…打撃揺動機構
１５…カッタスポーク
１６…スリット
１７…面板
１８…連結フレーム
１９…本体フレーム
２０…駆動モータ
２１…駆動ユニット
３０…小トンネル
３１…円盤核
４０…前後打撃ジャッキ
４１…隙間
４２…取付部材
４３…横揺動ジャッキ
４４…カッタフレーム
４５…取付台座
５０…スクリューコンベヤー
５１…ベルトコンベヤー
５２…土砂ホッパー
５３…ベルトコンベヤースライドジャッキ
５４…ゲート開閉ジャッキ
５５…シャッターゲート
５６…チャンバー
５７…隔壁

Claims (1)

1. 任意の断面形状を有するトンネルの切羽のうち内側部分である円形領域を掘削する第一の掘削手段及び残余部分である任意形状領域を掘削する第二の掘削手段を備えるトンネル掘削機であって、
   前記第一の掘削手段は、前記円形領域に対して押圧されながら回動することが可能である円盤と、該円盤の前面から突出するよう適宜位置に配設される複数のカッタビットとからなり、
   前記第二の掘削手段は、トンネル横断方向において適宜間隔で配設され、該任意形状領域に対して突き刺すトンネル前後方向における打撃動作及び突き刺した該任意形状領域を掻き取るトンネル横断方向における揺動を連続的に行うことが可能である複数のノミとからなるトンネル掘削機がシールド掘削機である場合において、前記第一の掘削手段及び前記第二の掘削手段による切羽の掘削直後において支保工の施工を行い得ることとなる開放のための着脱が可能であるスキンプレートを備えることを特徴とする、
   トンネル掘削機。

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