JP4322432B2 - Tunnel excavator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接続すべく地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機に係り、特に、接合部における土砂の切り残しを少なくできるトンネル掘削機に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11に示すように、トンネル掘削機aとして、掘削機本体bの前部に回転自在に設けられた回転軸cと、その回転軸cに直交するように径方向外方に伸ばして放射状に設けられた複数本のカッタスポークdとを備え、回転軸cを回転駆動することによって各カッタスポークdに設けたビットeで切羽を切削するものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかるトンネル掘削機aでは、図10にも示すように、既設トンネル等の地下構造物fに新たなトンネル(斜坑h)を接合すべくその地下構造物fへ向けて斜めに掘り進む場合、各カッタスポークdが回転軸cに直交して取り付けられているので、カッタスポークeの切羽面が地下構造物fの接合面jに対して斜めになり、接合部にて土砂の切り残し領域gが広範囲で生じてしまう。このため、接合部近傍の土砂を止水する薬剤注入領域を広くせざるを得ない。
【0004】
また、この問題は、図10に示すような斜坑h以外であっても、トンネル掘削機aの推進方向に対する地下構造物fの接合面jが斜めになっている場合には、立坑・横坑を問わず同様に生じる。
【0005】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、地下構造物の接合部における土砂の切り残しを少なくできるトンネル掘削機を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明は、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機であって、掘削機本体の前部に回転自在に設けられた回転軸と、該回転軸に径方向外方に伸ばして且つ掘進方向前方に上記地下構造物の接合面に合わせて傾斜させて設けられた1本のカッタスポークと、上記回転軸を回転駆動または揺動駆動する駆動部とを備えたものである。
【0007】
上記駆動部は、掘削機本体が地下構造物から十分離間しているときには上記回転軸を回転駆動し、掘削機本体が地下構造物に近接したときはカッタスポークと地下構造物との干渉を避けるべく上記回転軸を所定角度範囲で揺動駆動する。
【0008】
上記掘削機本体は、地下構造物に近接したとき地下構造物に当接すべく前方に突出するスライドフードを有していてもよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【0010】
図1に実施形態に係るトンネル掘削機の側断面図を、図2に図1の II-II線断面図を、図3に図1の III-III線断面図を、図4に図1の IV-IV線断面図を示す。
【0011】
このトンネル掘削機1は、図10に示すように、既設トンネル等の地下構造物fに新たなトンネル(斜坑h)を接合すべく地下構造物fへ向けて斜めに掘り進むものであって、図1に示すように、筒体状に形成された前胴2と後胴3とからなるフレーム4を有する。後胴3はその先端に縮径された挿入部5を有し、前胴2はその後端に同径の被挿入部6を有する。挿入部5は、被挿入部6に挿入され重合されており、それらの間には、中折れシール7が介設されている。
【0012】
前胴2の内部には、バルクヘッド体8がスライド自在に収容されている。バルクヘッド体8は、前胴2の内面にスライド自在に摺接する内筒部9と、内筒部9の内部を切羽側と坑内側とを仕切る隔壁部10とを有する。内筒部9には、前胴2の内面との間をシール(止水)するスライドシール11が、その周方向に沿って設けられている。隔壁部10の坑内側の面にはブラケット12が設けられ、それに対向するように前胴2の内面にはブラケット13が設けられている。
【0013】
これらブラケット12と13との間には、固定部材14がボルトナット等の締結具(または仮止め溶接等)により着脱自在に取り付けられている。固定部材14は、図3にも示すように周方向に所定間隔を隔てて複数(図例では6本)配置されている。この構成によれば、固定部材14でブラケット12と13とを連結するとバルクヘッド体8と前胴2とが一体となり、その固定部材14を取り去るとバルクヘッド体8が前胴2内をスライド自在となる。
【0014】
後胴3の内面には、図1に示すように、ブラケット15が設けられている。この後胴のブラケット15とバルクヘッド体8のブラケット16とに間には、方向制御ジャッキ17が夫々ピンを介して介設されている。方向制御ジャッキ17は、図3にも示すように周方向に所定間隔を隔てて複数(図例では6本)配置されている。この構成によれば、固定部材14でバルクヘッド体8と前胴2とを一体化した状態で、各方向制御ジャッキ17の伸長量を調節することで、前胴2と後胴3とを所望の方向・角度に屈曲できる。
【0015】
バルクヘッド体8の隔壁部10の中心には、図1に示すように、円筒状の軸受筒体18が固設されており、軸受筒体18の内部には、回転軸19が回転自在に挿入されている。回転軸19の先端部には、円柱体20が設けられている。円柱体20の先端側の側面には、カッタスポーク21が取り付けられている。カッタスポーク21は、径方向外方に延出させて且つ掘進方向前方に地下構造物f(図10参照)の接合面jに合わせて傾斜させて、1本取り付けられている。
【0016】
カッタスポーク21には、図2および図8に示すように、切羽を切削するビット22が取り付けられている。詳しくは、カッタスポークには、その径方向に沿って幅広ビット保持部23と幅狭ビット保持部24とが交互に取り付けられている。そして、各ビット保持部23、24の左右に、実質的に切羽を切削するビット22が取り付けられている。各ビット22の左右の高さは等しく設定されている。これにより、カッタスポーク21が1本であっても、その径方向に沿って切羽の全面を切削できるのである。
【0017】
カッタスポーク21の内部には、図1に示すように、コピーカッタ25を径方向外方に出没させるジャッキ26が収容されている。コピーカッタ25は、最外周のビット22で切削できない領域を切削するものである。すなわち、最外周のビット22は、後述する図7に示すように前胴2がバルクヘッド体8に対して相対的に前進するとき干渉しないようにその内側に配置されているので、前胴2の板厚の部分の切羽を切削できない。よって、そこを切削するためにコピーカッタ25が設けられている。
【0018】
円柱体20の先端部には、図1に示すように、カッタスポーク21と同様の方向に傾けられた円柱体からなる傾斜部27が設けられている。傾斜部27の正面には、図2にも示すように、平板状のビット保持部28が90度間隔で4個設けられている。各ビット保持部28の先端には、ルーフ状のビット29が取り付けられている。この構成によれば、回転軸19が回転すると、図1に仮想線で示すように、カッタスポーク21および傾斜部27が回転し、切羽を凹コーン状に切削する。
【0019】
回転軸19は、駆動部30によって回転駆動または揺動駆動される。駆動部30は、回転軸19の根元側に取り付けられた駆動ギヤ31と、駆動ギヤ31に噛合するピニオン32と、ピニオン32を駆動する駆動モータ33(油圧モータ等)と、駆動モータ33の回転方向を切り換える制御部34とを有する。この構成によれば、制御部34によって駆動モータ33を一方向に回転すると回転軸19が回転駆動され、制御部34によって駆動モータ33の回転方向を所定角度範囲で切り換えれると回転軸19が揺動駆動される。
【0020】
制御部34は、例えば駆動モータ33(油圧モータ等)への油圧の供給排出方向を切り換える切換弁からなる。制御部34によって制御される駆動部30は、掘削機本体が地下構造物fから十分離間しているときには回転軸19を回転駆動し(図1参照)、掘削機本体が地下構造物fに近接したときはカッタスポーク21と地下構造物fとの干渉を避けるべく回転軸19を所定角度範囲で揺動駆動する(図5および図6参照)。
【0021】
また、駆動ギヤ31およびピニオン32は、隔壁部10に設けられたギヤケース35内に収容されている。そして、ギヤケース35に駆動モータ33が取り付けられている。また、隔壁部10の切羽側の面には、図1および図2に示すように外側コーン体36と内側コーン体37とが取り付けられている。そして、外側コーン体37および隔壁部10を貫通させて、送泥管38と排泥管39とマンホール40と水圧計41とが設けられている。また、カッタスポークには、各コーン体間の土砂を撹拌するロッド45が取り付けられている。
【0022】
他方、図1に示すように、後胴3には、推進管42(コンクリート製のヒューム管や鉄製のダグタイル管等)が装着されている。推進管42は、図10に示す斜坑hの入口部iで先に装着された推進管42に順次継ぎ足され、入口部iに設けた図示しない元押し装置によって押し出される。これにより、トンネル掘削機1は、推進管42と一体的に斜め下方に押し出されることになる。このとき、図1に示す方向制御ジャッキ17で前胴2と後胴3との中折れ方向および角度を調節することで、方向制御を行う。
【0023】
また、図1および図4に示すように後胴3の内部には、隔壁43が設けられている。隔壁43は、万一各推進管42の継ぎ目から地下水がトンネル(斜坑h)内に侵入したとき、トンネル最下部に位置する駆動モータ33等が冠水するのを防止するものである。隔壁43には、マンホール44が設けられており、送泥管38と排泥管39とが貫通されている。なお、本実施形態では前胴2、後胴3およびバルクヘッド体8等が、掘削機本体1aを構成する。
【0024】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【0025】
上記トンネル掘削機1は、図10に示す斜坑hの入口部iから地下構造物f(既設トンネル)に向けて地山を掘削するものである。
【0026】
まず、トンネル掘削機1が地下構造物fから十分離間しているとき、すなわち斜坑hの入口部iから図1に示すカッタスポーク21が地下構造物fに干渉する直前の位置までは、制御部34を回転駆動に設定しておき回転軸19を回転駆動しつつ、入口部iの元押し装置(図示せず)によってトンネル掘削機1を継足し管42と一体的に斜め下方に押し出す。これにより、トンネル掘削機1は、そのカッタスポーク21および傾斜部27が回転し、切羽を凹コーン状に切削しつつ、斜め下方に進行する。この凹コーン状の切羽面は、掘削機1の進行方向に対して直交している。よって、掘削機1の直進性が悪化することはない。
【0027】
そして、掘削機1が地下構造物fに近接したとき、すなわち図1に仮想線で示すようにカッタスポーク21が地下構造物fに干渉する位置となったとき、作業員が制御部34を回転駆動から揺動駆動に切り換える。すると、図5および図6に示すように、回転軸19が所定角度範囲(360 度〜90度)で揺動駆動されてカッタスポーク21が揺動し、カッタスポーク21と地下構造物fとの干渉を避けることができる。そして、入口部iの元押し装置(図示せず)によって掘削機1を推進管42と一体的に斜め下方に押し出す。カッタスポーク21の揺動角度は、スポーク21が構造物fに干渉する手前までの角度であり、構造物fに近付くに伴って徐々に角度が小さくなり、本図例では最小揺動角度を90度としている。これにより、掘削機1は、そのカッタスポーク21および傾斜部27が図5に示すように揺動し、切羽をワイパー状に切削しつつ、斜め下方に進行し、図6に至る。
【0028】
ここで、カッタスポーク21および傾斜部27の傾斜角度が、予め地下構造物fの接合面jの傾斜角度に合わせて設定されているので、本実施形態に係るトンネル掘削機1は、図11に示す従来タイプよりも地下構造物fに近付くことができ、接合部近傍における土砂の切り残し領域46を小さくできる。但し、図6の状態からさらに掘削機1を元押し装置によって押し出すと、図5および図6に領域Aに示すように、カッタスポーク21の最外周のビット22が最小揺動範囲(90度)の両端部で地下構造物fと干渉してしまう。よって、図6の位置となったなら元押し装置による掘削機1および推進管42の押し出しを停止する。
【0029】
ここで、カッタスポーク21の最小揺動範囲を小さくすれば、さらに掘削機1を地下構造物fに近付けることが可能となるが、本実施形態では最小揺動範囲は90度に設定している。本実施形態の構成のカッタでは最小揺動範囲を90度以下にすると切羽の一部に切削できなくなる領域が発生するからである。すなわち、本実施形態における最小揺動範囲90度は、図5に示すように、カッタスポーク21の最内周のビット22の切削範囲を考慮すると共に、傾斜部27のビット29(90度間隔)の切削範囲を考慮して設定されている。この構成のカッタでは、最小揺動範囲を90度以下にすると、円形の切羽面の中心部に切削できなくなる領域が発生するのである。
【0030】
なお、この対策として、図9に示すようにカッタスポーク21のビット22をルーフ状22aのビットにすると共に、傾斜部27のビット29の放射状間隔を90度間隔より小さくすることが考えられる。こうすれば、カッタスポーク21の最小揺動範囲を90度以下にすることも可能となり、掘削機1を図6の位置よりもさらに地下構造物fに近付けることが可能となり、接合部近傍における土砂の切り残し領域46を更に小さくできる。この場合も、近付くに従って揺動範囲(角度)を徐々に小さくし、土砂の切り残し領域46を効率的に小さくすることが好ましい。
【0031】
さて、図6に示すように、掘削機1が地下構造物fに限界(カッタスポーク21の先端部のビット22がその最小揺動範囲である90度の両端部にて地下構造物fに干渉しない限界)まで近付いたなら、斜坑入口部iにおける元押し装置による元押しを停止して推進を停止すると共に、駆動モータ33を停止してカッタスポーク21の揺動を停止する。そして、固定部材14を取り外し、前胴2とバルクヘッド体8とを相対移動可能とする。その後、斜坑入口部iにおける元押し装置によって、再び、掘削機1を推進管42と一体的に押し出す。すると、図7に示すように、バルクヘッド体8の位置が保たれたまま、前胴2および後胴3(フレーム4)が一体的に前進し、前胴2の先端側部2aが地山に貫入して地下構造物fに当接する。
【0032】
ここで、前胴2の先端側部2aが、特許請求の範囲の請求項3の「スライドフード」に相当する。前胴の先端側部2aの開口形状は、地下構造物fの接合面jの形状に合わせて成形されている。よって、前胴2の先端側部2a(スライドフード)は、地下構造物fの表面にぴったり当接する。その後、接合部近傍の土砂を薬剤注入等によって固め、カッタ室47内の止水性を確保する。そして、図2に示すマンホール40を開いて作業員がカッタ室47内に入り、切り残した土砂46を除去する。そして、カッタスポーク21や駆動モータ33等を取り外して除去し、前胴2と地下構造物fとを連通させる。これにより、地下構造物f(既設トンネル)に斜坑h(新たなトンネル)が接続される。
【0033】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、元押し装置の代わりにフレーム4内に推進ジャッキを設け、掘進機内でトンネル壁となるセグメントを組立て、それに反力をとって掘進するシールド掘進機にも適用できる。また、斜坑接続ではなく鉛直坑接続や横坑接続の場合にも、掘削機の推進方向に対する地下構造物の接合面jが斜めになっている場合には適用できる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接続すべく地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機において、接合部における土砂の切り残しを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すトンネル掘削機の側断面図である(回転駆動時)。
【図2】図1の II-II線断面図である。
【図3】図1の III-III線断面図である。
【図4】図1の IV-IV線断面図である。
【図5】カッタスポークの揺動範囲を示す説明図である。
【図6】上記トンネル掘削機の側断面図である(揺動駆動時)。
【図7】上記トンネル掘削機の側断面図である(スライドフード作動時)。
【図8】上記カッタスポークの断面図である。
【図9】上記カッタスポークの変形例を示す断面図である。
【図10】地下構造物をそれに接続される斜坑とを示す説明図である。
【図11】従来例を示すトンネル掘削機の側断面図である。
【符号の説明】
1 トンネル掘削機
1a 掘削機本体
2a スライドフードとしての前胴先端側部2a
19 回転軸
21 カッタスポーク
30 駆動部
f 地下構造物
h 新たなトンネルとしての斜坑
j 接合面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tunnel excavator that digs into an underground structure to connect a new tunnel to an existing underground structure such as an existing tunnel, and more particularly to a tunnel excavator that can reduce uncut residue of earth and sand at a joint.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 11, as a tunnel excavator a, a rotary shaft c provided rotatably at the front portion of the excavator body b, and radially extended radially outward so as to be orthogonal to the rotary shaft c. It is known that a plurality of cutter spokes d are provided, and a cutting face is cut by a bit e provided in each cutter spoke d by rotationally driving a rotary shaft c.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a tunnel excavator a, as shown in FIG. 10, in order to join a new tunnel (an inclined shaft h) to an underground structure f such as an existing tunnel, the tunnel excavator a proceeds toward the underground structure f, Since each cutter pork d is mounted perpendicularly to the rotation axis c, the cut face of the cutter pork e is inclined with respect to the joint surface j of the underground structure f, and the earth and sand uncut region g at the joint portion. Will occur in a wide range. For this reason, the chemical | medical agent injection | pouring area | region which water-stops the earth and sand near a junction part must be enlarged.
[0004]
Further, even if the problem is not in the inclined shaft h as shown in FIG. 10, if the joint surface j of the underground structure f with respect to the propulsion direction of the tunnel excavator a is inclined, Regardless of whether it occurs.
[0005]
An object of the present invention, which was created in view of the above circumstances, is to provide a tunnel excavator that can reduce the uncut portion of earth and sand at the joint portion of an underground structure.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a tunnel excavator that digs toward the underground structure to join a new tunnel to an underground structure such as an existing tunnel, and is rotatable at the front of the excavator body. A rotary shaft provided, a single cutter spoke provided on the rotary shaft extending radially outward and inclined forward in the excavation direction in accordance with the joint surface of the underground structure, and the rotary shaft And a drive unit that rotates or swings.
[0007]
The drive unit rotationally drives the rotating shaft when the excavator body is sufficiently separated from the underground structure, and avoids interference between the catspoke and the underground structure when the excavator body is close to the underground structure. Therefore, the rotating shaft is driven to swing within a predetermined angle range.
[0008]
The excavator main body may have a slide hood that protrudes forward to come into contact with the underground structure when approaching the underground structure.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0010]
1 is a side sectional view of the tunnel excavator according to the embodiment, FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. IV-IV sectional view is shown.
[0011]
As shown in FIG. 10, this
[0012]
A
[0013]
A
[0014]
As shown in FIG. 1, a
[0015]
As shown in FIG. 1, a cylindrical bearing cylinder 18 is fixed at the center of the
[0016]
As shown in FIGS. 2 and 8, a
[0017]
As shown in FIG. 1, a jack 26 that accommodates the
[0018]
As shown in FIG. 1, an
[0019]
The rotating
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
On the other hand, as shown in FIG. 1, a propulsion pipe 42 (such as a concrete fume pipe or an iron ductile pipe) is attached to the
[0023]
Further, as shown in FIGS. 1 and 4, a
[0024]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described.
[0025]
The
[0026]
First, when the
[0027]
When the
[0028]
Here, since the inclination angles of the
[0029]
Here, if the minimum swing range of the
[0030]
As a countermeasure against this, as shown in FIG. 9, it is conceivable that the
[0031]
Now, as shown in FIG. 6, the
[0032]
Here, the front end side portion 2a of the
[0033]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and a propulsion jack is provided in the
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a tunnel excavator that digs into an underground structure to connect a new tunnel to an underground structure such as an existing tunnel, it is possible to reduce uncut soil and sand at the joint. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a tunnel excavator showing an embodiment of the present invention (during rotational driving).
2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a swing range of a cutter pork.
FIG. 6 is a side sectional view of the tunnel excavator (when swinging).
FIG. 7 is a side sectional view of the tunnel excavator (when the slide hood is activated).
FIG. 8 is a cross-sectional view of the above-described cutter pork.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modified example of the above-described cutter pork.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an underground structure and a tilt shaft connected to the underground structure.
FIG. 11 is a side sectional view of a tunnel excavator showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
19 Rotating
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