JP4454279B2 - シールド掘進機およびトンネル掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機およびトンネル掘削方法に関する。

断面が横に長い矩形状の大きいトンネルを掘削するシールド掘進機としては、例えば断面が正方形状のシールド掘削装置を複数個段積み状に設けたものがある（特許文献１参照）。

このシールド掘進機は、断面が矩形状のシールド本体内に、大口径のトンネルを掘削し得るカッタヘッドが２個設けられるとともに、その上方部分に、断面が正方形状のトンネルを掘削し得る小型のシールド掘削装置が複数台並置されたものである。

その掘削時においては、上段の小型のシールド掘削装置により上層部の掘削を行い、そしてこの小型のシールド掘削装置を突出させた状態で、下段の大口径用のカッタヘッドにより安定した状態で掘削を行うようにしたものである。
特開２００１−１９３３８６号（図１参照）

ところで、上記シールド掘進機の構成によると、横に長い矩形状のトンネルを掘削する際に、上方部分の地山の崩壊を防止しながら、比較的浅い部分にトンネルを構築することができるが、例えば地表に近い部分で円弧状にトンネルを掘削する場合には、その方向制御が困難であるという課題がある。

そこで、本発明は、地上の２点間を結ぶトンネルを掘削する際に、その方向の制御を容易に行い得るシールド掘進機およびトンネル掘削方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るシールド掘進機は、断面が矩形状にされたシールド掘進機本体内に、それぞれ前後方向で移動自在に配置され且つ掘削断面が略正方形状にされるとともに圧力室が形成され、さらに当該圧力室内の掘削土砂を排出するためのスクリュウ式排土装置が設けられたシールド掘削装置を、上下複数段で且つ左右方向複数列でもって配置し、
上記各シールド掘削装置に設けられるカッタヘッドを、当該シールド掘削装置におけるシールド掘削装置本体の中心部に回転自在に設けられた回転体に偏心した位置で回転自在に設けられた回転軸部と、この回転軸部の前端部に等間隔で放射状に突設された３本のアーム状カッタ部とから構成するとともに、上記回転体と回転軸部とを互いに逆方向で且つ３対４の回転比でもってそれぞれ回転させることにより正方形状のトンネルを掘削し得るように構成したものである。

また、本発明の請求項２に係るシールド掘進機は、請求項１に記載のシールド掘進機本体内の両側部に、側部カッタ装置を設けたものである。
また、本発明の請求項３に係るシールド掘進機は、請求項２に記載の掘進機における側部カッタ装置を、シールド掘進機本体の両側部に形成された側部空間部から前後方向で出退自在に設けられたカッタ本体部と、このカッタ本体部をシールド掘進機本体の前面から出退させる出退用シリンダ装置と、上記カッタ本体部の上下複数箇所にて配置されたカッタ部材とから構成するとともに、
上記カッタ部材を、カッタ本体部に前後方向で配置された筒状部と、この筒状部内を挿通された回転軸部と、この回転軸部の前端に設けられたカッタ部と、カッタ本体部の後壁部に配置されて上記各回転軸部を回転させる回転駆動装置とから構成したものである。

また、本発明の請求項４に係るトンネル掘削方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載のシールド掘進機を用いて、所定距離だけ離れた地上の２点間または立坑と地上を接続するトンネルを掘削する際に、各シールド掘削装置に設けられたスクリュウ式排土装置を制御して圧力室における排土量および各シールド掘削装置本体の出退量を調整することによりシールド掘進機本体の姿勢を制御する掘削方法である。

また、本発明の請求項５に係るトンネル掘削方法は、請求項４に記載の掘削方法において、両側部に配置されたシールド掘削装置を先に突出させて掘削を行う方法である。
また、本発明の請求項６に係るトンネル掘削方法は、請求項２または３に記載のシールド掘進機を用いて、所定距離だけ離れた地上の２点間または立坑と地上を接続するトンネルを掘削する際に、各シールド掘削装置に設けられたスクリュウ式排土装置を制御して圧力室における排土量および各シールド掘削装置本体の出退量を調整することによりシールド掘進機本体の姿勢を制御するとともに、掘削開始時に、シールド掘進機本体の両側部に配置された側部カッタ装置を先に突出させて掘削を行う方法である。

さらに、本発明の請求項７に係るトンネル掘削方法は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシールド掘進機によるトンネル掘削時に地中に埋まっている異物を撤去する際に、当該異物と干渉しない少なくとも上段側のシールド掘削装置を前方に突出させて地山の崩壊を防止した状態で撤去作業を行う掘削方法である。

上記シールド掘進機およびトンネル掘削方法によると、胴体の前部に、上下且つ左右にそれぞれ圧力室を有する複数個のシールド掘削装置を段積み状に配置するとともに、これら各シールド掘削装置を胴体の前面からそれぞれ別個に出退自在に設けたので、例えば地上の２点間を結ぶトンネルを構築する場合、上段のシールド掘削装置と下段のシールド掘削装置の圧力室における排土量およびシールド掘削装置本体の出退量を調節することにより、容易にその方向を制御することができる。すなわち、比較的、浅いトンネルを地上側から容易に掘削することができる。

また、各シールド掘削装置のカッタヘッドを、等角度でもって放射方向に突設された３本のアーム状カッタ部により構成するとともにその回転軸部を回転体に偏心した位置で支持し、且つ回転体と回転軸部とを互いに逆方向でしかも３対４の回転比でもって回転させるようにしたので、放射方向に突設されたアーム状カッタ部の回転だけで、断面が正方形状のトンネルを掘削することができ、したがって所定半径のアーム状カッタを回転させるとともに、各カッタ部の先端部内に配置されたコピーカッタ装置を用いて四隅部分だけを矩形状に掘削するもの比べて、断面が正方形状のトンネルを、余分な制御を必要とせずにすなわち容易に掘削することができる。

さらに、両側部のシールド掘削装置または側部カッタ装置により、胴体の両側部分を、中央部分より先に掘削することにより、地山の側方からの崩壊を防止することができる。
また、掘削途中において、地中に障害物となる異物が埋まっているような場合、その異物と干渉しない部分のシールド掘削装置、例えば異物がシールド掘進機１の前方で且つ下段のシールド掘削装置に対応する位置に埋まっている場合には、まず、上段のシールド掘削装置を前方に突出させて掘削を行った後、この突出した状態で、すなわち上方の地山の崩壊を防止した状態で、作業員による異物の除去を行なえば、安全に除去作業を行うことができる。

以下、本発明に係るシールド掘進機およびトンネル掘削方法の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
本実施の形態１におけるシールド掘進機およびトンネル掘削方法を、図１〜図６に基づき説明する。

まず、シールド掘進機を、図１〜図３に基づき説明する。
このシールド掘進機１は、断面が幅方向（水平方向）に長くされた矩形状（長方形状）のトンネルを掘削するためのもので、断面が幅方向で長くされた矩形状のシールド掘進機本体すなわち胴体２の前部には、上下２段で且つその幅方向である左右に４列（２段×４列＝８台）でもって、断面が略正方形状（以下、正方形という）のトンネルを掘削し得る小型のシールド掘削装置１１が、前後方向で移動自在に、すなわち前面から出退自在に配置されている。

上記胴体２は、特に、地上の２点間を且つ地表に近い部分にて、例えば道路を地中でもって立体交差するように、すなわち最深部が円弧状で且つ全体としては「く」の字形状のトンネルを掘削し得るように前胴部２ａと、この前胴部２ａに連結具（図示しないが、例えば水平連結ピンが用いられる）を介して鉛直面内で揺動可能に連結された後胴部２ｂとから構成されるとともに、中折れ用ジャッキ３により後胴部２ｂに対する前胴部２ａの上下における方向を変更し得るようにされている。なお、後胴部２ｂ側には、胴体２を前進させるための掘進機本体用シールドジャッキ４が多数設けられている。

そして、シールド掘進機１の胴体２の前胴部２ａ内には、各シールド掘削装置１１を前後方向で出退可能（移動可能）にその周囲を案内するための仕切板材５が配置されている。なお、この仕切板材３の正面視形状は、高さ方向中央に配置された水平板５ａと、この水平板５ａの上下面にそれぞれ幅方向で４つの空間部（上下合わせて８つの空間）を形成するようにそれぞれ３枚の鉛直板５ｂが設けられている。勿論、上記各空間部内に、それぞれシールド掘削装置１１が配置されている。

ところで、シールド掘進機１の空間部内にそれぞれ配置された小型のシールド掘削装置１１は、ルーロの三角形の動作原理を利用したもので、３本のアームが放射状に突設されてなるカッタヘッドを回転させることにより断面が正方形状のトンネルを掘削するものである。

ここで、上記シールド掘削装置１１の概略構成について説明する。
このシールド掘削装置１１は、シールド掘進機１の前胴部２ａ内に設けられた仕切板材５に支持案内されるとともに前部に配置された隔壁材１２ａおよび後述する回転板体１６により圧力室１３が形成されてなる断面が正方形状のシールド掘削装置本体（以下、掘削装置本体という）１２と、この掘削装置本体１２と前胴部２ａとの間で且つ四隅付近に設けられて当該掘削装置本体１２を前後方向で所定ストロークＬでもって出退させる出退用シリンダ装置１４と、上記掘削装置本体１２の前部に軸受部材（シール材も具備されている）１５を介して鉛直面内で回転自在に設けられるとともに外周側にリング状歯車１６ａが設けられた回転板体（回転体）１６と、この回転板体１６の回転中心から所定距離ｅでもって偏心した位置に設けられた筒状部材１７の貫通穴内にその回転軸部１８ａが回転自在に挿通（支持）されたカッタヘッド１８と、上記回転板体１６の回転軸心と同一軸心を有するように掘削装置本体１２側に固定された中間リング状内歯車１９と、上記回転軸部１８ａに固定されるとともに上記中間リング状内歯車１９に噛合する外歯車２０と、上記回転板体１６を、その外周面に設けられたリング状歯車１６ａに噛合するピニオンを介して、所定方向に回転させる複数台の回転駆動装置（例えば、油圧モータ、電動機が用いられる）２１とから構成されている。

この回転駆動装置２１により、回転板体１６を所定方向に回転させると、筒状部材１７に挿通されている回転軸部１８ａが半径ｅでもって回転板体１６の回転中心（掘削装置本体１２の中心軸でもある）の回りに公転し、このとき、回転軸部１８ａに固定されている外歯車２０がリング状内歯車１９に噛合して回転板体１６とは逆方向に回転される。

また、上記カッタヘッド１８は、上記筒状部材１７の貫通穴内に回転自在に挿通された回転軸部１８ａと、この回転軸部１８ａの前端部に、１２０度間隔で放射状に突設された３本のアーム状カッタ部１８ｂとから構成されており、上述したように歯車伝動機構により回転板体１６が所定方向に１回転する間に、カッタヘッド１８は自転軸回りで且つ逆方向に４／３回転し、また掘削装置本体１２に対してカッタヘッド１８は所定方向に１／３回転するように構成されている。すなわち、カッタヘッド１８が１回転する間に、回転板体１６が３回転（公転）して、各アーム状カッタ部１８ａの先端が正方形状に移動するため、断面が正方形状のトンネルが掘削されることになる。

また、上記各シールド掘削装置１１の圧力室１３を形成する隔壁材１２ａには、それぞれ掘削土砂を排出するためのスクリュウ式排土装置、例えばスクリュウコンベヤ６が接続されており、これら各スクリュウコンベヤ６には、さらに当該スクリュウコンベヤ６から排出される掘削土砂を外部に搬送するための土砂圧送装置（例えば、圧送ポンプが用いられる）７が接続されている。

また、上記シールド掘進機１の後胴部２ｂには、セグメントＳをトンネル内壁面に沿って組み立てるためのセグメント組立装置８が配置されており、トンネルの断面幅が長いため、左右にそれぞれ配置されている（なお、図３においては、後方から見て左側の組立装置だけを図示している）。

このセグメント組立装置８は、図１および図３に示すように、後胴部２ｂの後側内周面に沿って設けられたシールドジャッキ４を取り付けるための正面視矩形状の環状支持部材９に、案内ローラ３１，３２を介して左右に移動可能に配置された正面視矩形状のフレーム体３３と、このフレーム体３３の内側に設けられた支持ローラ３４により鉛直面内で回転自在に支持されたリング状回転体３５と、この回転体３５の内側に設けられたＵ字形状の取付部材３５ａの後面の左右位置にそれぞれ水平方向の支持軸材３６により鉛直面内で揺動可能に支持された一対の揺動部材３７にそれぞれ設けられた一対の移動用シリンダ装置３８と、これら両移動用シリンダ装置３８の出退用ロッド部３８ａの先端に両端部がそれぞれ水平連結ピン３９を介して連結支持されるとともにセグメントＳを例えば２軸方向で移動可能に保持し得るセグメント保持体４０と、上記一方の揺動部材３７と上記回転体（取付部材３５ａ）３４側との間に設けられて当該揺動部材３７に固定されたシリンダ装置３８の姿勢を調整するための姿勢調整用シリンダ装置４１とから構成されている。

なお、上記セグメント保持体４０は、例えば上記水平連結ピン３９と同一軸心上でもって延設された支持軸部３９ａに前後方向で移動自在に設けられた移動部材４２と、この移動部材４２にその移動方向と直交する方向で設けられた一対のガイド軸４３に案内されて左右方向で移動可能に設けられたセグメント連結部材４４と、上記移動部材４２を前後方向で移動させる前後移動用シリンダ装置４５と、上記セグメント連結部材４４を左右方向で移動させる左右移動用シリンダ装置４６とから構成されている。

ここで、簡単に、セグメントＳの組立て作業について説明しておく。
シールド掘進機１により掘削された矩形状のトンネルの内壁面にセグメントＳを組み立てる場合、セグメント保持体４０にセグメントＳを保持させた状態で、リング状回転体３５を回転させて当該セグメントＳの組立位置に移動させるとともに、両シリンダ装置３８のロッド部３８ａを突出させて、セグメントＳをその組立部位に応じた姿勢にする。

このとき、回転体３５の回転姿勢によっては、その重量によりセグメント保持体４０の姿勢が変化するが、姿勢調整用シリンダ装置４１が作動されて、セグメントＳが正しい姿勢に維持または正しい姿勢となるように微調整される。

そして、前後移動用シリンダ装置４５および左右移動用シリンダ装置４６を作動させて、セグメントＳをその組立位置に移動させた後、連結ボルトにより既設セグメントに固定すればよい。

また、上記左側のセグメント組立装置８寄りの環状支持部材９の中間部の上下間には、環状に組み立てられたセグメントＳ間に支柱材ＳＰを取り付ける際に上下間の間隔を拡げるための内壁面拡張装置５１が設けられている。

この内壁面拡張装置５１は、図４および図５に示すように、矩形状の環状支持部材９に上下の旋回ピン５２を介して水平面内で旋回可能に且つ上下方向で配置された旋回支柱体５３と、この旋回支柱体５３を旋回させる旋回用シリンダ装置５４と、上記旋回支柱体５３の中間部上下位置に設けられた伸縮用シリンダ装置５５を介して上下方向で設けられた筒状体５６と、この筒状体５６内の上下部にそれぞれ出退自在に配置された拡張用棒状出退部材５７と、同じく筒状体５６内に配置されて上記両棒状出退部材５７を出退させる出退用シリンダ装置５８とから構成されている。

上記旋回用シリンダ装置５４により、旋回支柱体５３に設けられた筒状体５６が、環状支持部材９側の格納位置（イ）とセグメントＳ側の使用位置（ロ）との間で９０度旋回される。

したがって、トンネルの内壁面に配置された上下のセグメントＳ間に支柱材ＳＰを取り付ける際には、まず旋回用シリンダ装置５４により旋回支柱体５３を旋回させるとともに伸縮用シリンダ装置５５により、筒状体５６をセグメントＳ側に移動させた後、出退用シリンダ装置５８を作動させて上下の棒状出退部材５７を突出させてセグメントＳ間を押し拡げる。そして、この状態で、支柱材ＳＰを取り付ければよい。

なお、図３においては、セグメント組立装置８を後方から見て左側のものしか示していないが、勿論、右側にも同様のセグメント組立装置が配置されており、少なくとも、一方だけが左右方向に移動可能に構成されておればよい。この移動可能にしたのは、上壁部および下壁部における中間部分のセグメントＳを組み立てるためであり、いずれか一方の組立装置を用いればよいからである。

次に、上記シールド掘進機１により、地上側で所定距離だけ離れた２点間において、地表に近い浅い部分にてトンネルを掘削する場合を、図１〜図６を参照して説明する。
まず、地上側の一方の掘削位置Ｐ１から、シールド掘進機１によりトンネルＴの掘削を開始する。

すなわち、一方の掘削位置Ｐ１において、シールド掘進機１によりトンネルの掘削を開始し得る浅い位置にシールド掘進機１を据え付けた後、緩い傾斜にて掘削を開始する。
この掘削を開始する際には、まず、両側部に配置されたシールド掘削装置１１にて、他の中間部分のシールド掘削装置１１よりも先行して掘削を行い、その後、残りのシールド掘削装置１１により掘削が行われる。

このように、最初に、両側部を掘削することにより、土被りがない地上（または、半地下）から地中への掘削を安定した状態で行うことができる（地中から地上への掘削についても同様である）。

また、掘削中において、シールド掘進機１の掘進方向の調整は、中折れ用ジャッキ３および掘進機本体用シールドジャッキ４により行われるが、その微調整については、上段または下段のシールド掘削装置１１の圧力室１３における排土量および出退用シリンダ装置１４による掘削装置本体１２の出退量を調節することによっても行われる。勿論、排土量の調節については、スクリュウコンベヤ６により行われる。

この状態で掘削を続け、最深部付近においては、ほぼ直線から曲率半径が大きい円弧状でもって掘削が行われ、その後、上向きに直線状に掘削を行うことにより、地上の２点間Ｐ１，Ｐ２を、地表に近い「く」の字形状（一部が円弧状）のトンネルＴでもって接続することができる。すなわち、既存の道路の下を潜るような新しいトンネルを容易に掘削することができる。なお、地中から地表に出る部分（掘削終了時）では、掘削開始時と同様に、先に、両側部におけるシールド掘削装置１１により、先行して掘削が行われる。

勿論、シールド掘進機１の掘進に合わせて、セグメント組立装置８により、セグメントＳが順次組立てられてトンネル内壁体が構築される。
また、掘削途中において、地中に障害物となる異物が埋まっている場合、その異物と干渉しない部分のシールド掘削装置１１、例えば異物がシールド掘進機１の前方で且つ下段のシールド掘削装置１１（１１Ｂ）に対応する位置に埋まっている場合には、まず、上段のシールド掘削装置１１（１１Ａ）を前方に突出させて掘削を行った後、この突出した状態で、すなわち上方の地山の崩壊を防止した状態で、作業員による異物の除去を行なえば、安全に除去作業を行うことができる。

さらに、掘削途中において、地山が軟弱である場合には、上記異物の除去と同様に、上段のシールド掘削装置１１（１１Ａ）により先に掘削を行った後、上段のシールド掘削装置１１（１１Ａ）が突出した状態で、下段のシールド掘削装置１１（１１Ｂ）を突出させて掘削すれば、地山の崩壊による影響を殆ど受けることなく、すなわち効率良くトンネルを掘削することができる。

このように、シールド掘進機１の胴体２の前部に、上下且つ左右にそれぞれ圧力室１３を有する複数個のシールド掘削装置１１を段積み状に配置するとともに、これら各シールド掘削装置１１を胴体２の前面からそれぞれ別個に出退自在に設けたので、例えば地上の２点間に、比較的浅い位置で、少なくとも一部が円弧状となるようなトンネルを構築する場合、掘進機本体用シールドジャッキ４に加えて、上段のシールド掘削装置１１（１１Ａ）と下段のシールド掘削装置１１（１１Ｂ）の圧力室１３における排土量および掘削装置本体１２の出退量を調節することにより、容易にその方向を制御することができる。すなわち、比較的、浅いトンネルを地上側から容易に掘削することができる。

また、各シールド掘削装置１１のカッタヘッド１８を、等角度でもって放射方向に突設された３本のアーム状カッタ部（ルーロの三角形に等しい）１８ｂにより構成するとともにその回転軸部１８ａを偏心した位置で支持し、且つ回転板体１６と回転軸部１８ａとを互いに逆方向でしかも３対４の回転比でもって回転させるようにしたので、放射方向に突設されたアーム状カッタ部１８ｂの回転だけで、断面が正方形状のトンネルを掘削することができ、したがって所定半径のアーム状カッタを回転させるとともに、各カッタ部の先端部内に配置されたコピーカッタ装置を用いて四隅部分だけを矩形状に掘削するもの比べて、断面が正方形状のトンネルを、余分な制御を必要とせずにすなわち容易に掘削することができる。
［実施の形態２］
次に、本実施の形態２におけるシールド掘進機およびトンネル掘削方法について説明するが、上述した実施の形態１と異なる箇所は、シールド掘進機の両側部に掘削幅が狭いカッタ装置を具備させるとともに、排土装置についても少し変更されており、したがって本説明においては、異なる部分にだけ着目して説明するとともに、実施の形態１と同一の構成部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。

すなわち、図７〜図１１に示すように、シールド掘進機１の胴体２の両側部には、仕切り部材７１により、外側の上下段のシールド掘削装置１１に対応する位置で、縦に細長い側部空間部７２が上下に２個形成されるとともに、これら各側部空間部７２内には、細長い部分を掘削するための側部カッタ装置７３が設けられている。

これら各側部カッタ装置７３は、側部空間部７２内に且つ前後方向で出退自在に設けられるとともに、前部に配置された隔壁材７４により中央が後方に凹むような側面視が三角形状の土砂取込み用の圧力室７５が形成されたカッタ本体部７６と、このカッタ本体部７６の後面とシールド掘進機１側との間で且つ上下に設けられて当該カッタ本体部７６を胴体（シールド装置本体）２の前面から出退させる側部出退用シリンダ装置７７と、上記カッタ本体部７６の上下に例えば７箇所に設けられたカッタ部材７８とから構成されている。

そして、上記各カッタ部材７８は、カッタ本体部７６に前後方向で配置された筒状部８１と、この筒状部８１内を挿通された回転軸部８２と、この回転軸部８２の前端に設けられた非常に小さい穴径のトンネルを掘削し得るカッタ部８３と、カッタ本体部７６の後壁部に配置されて上記各回転軸部８２を回転させる回転駆動装置８４とから構成されている。

この回転駆動装置８４は、例えば７本の回転軸部８２を、２本づつおよび１本をそれぞれ回転させるもので、図９および図１０に示すように、上から１番目および２番目の回転軸部８２を、上から３番目および４番目の回転軸部８２を、上から６番目および７番目の回転軸部８２を、それぞれ伝動用歯車などを介して、１台の電動機８５により、すなわち計３台の電動機８５により回転させるようにするとともに、５番目の回転軸部８２については、１台の電動機８５により回転させるようにしている。

さらに、中央の３本の回転軸部（３番目〜５番目）８２については、その圧力室７５内に取り込まれた掘削土砂を側部空間部７２の後方に排出するために、その外周にはスクリュウ羽根８６が取り付けられて排土機能が具備されている。したがって、この部分の後壁部には、３本のスクリュウ羽根８６により排出される掘削土砂を纏めて排出するための排土用空間室８７が形成され、勿論、この排土用空間室８７の下面には排土口８７ａが設けられるとともに、この排土口８７ａを開閉する開閉ゲート８８および当該ゲートの開閉用シリンダ装置８９が設けられている。

したがって、各カッタ部８３を電動機８５により回転させながら側部出退用シリンダ装置７７によりカッタ本体部７６を前方に例えば所定距離Ｌ′突出させると、胴体２の両側部において幅が非常に狭い前方部分だけを掘削することができ、またこのカッタ本体部７６を突出させた状態で、各シールド掘削装置１１により所定部分の掘削を行うようにすれば、少なくとも、側方からの地山の崩壊を防止することができる。なお、この側部カッタ装置７３の突出距離Ｌ′は、シールド掘削装置１１の突出距離Ｌよりも大きくされており、すなわちカッタ本体部７６の方がシールド掘削装置１１の掘削装置本体１２よりも前方部分を掘削し得るようにされている。

次に、シールド掘進機１における排土装置について説明しておくと、上記実施の形態１においては、各シールド掘削装置１１から排出される掘削土砂を排出するために、スクリュウコンベヤおよび土砂圧送装置を設けたが、本実施の形態２においては、土砂圧送装置を設けずに、図７および図９に示すように、各シールド掘削装置１１に、比較的排出距離が長いスクリュウコンベヤ９１，９２だけを用いたものである。なお、上段のシールド掘削装置１１に接続されるスクリュウコンベヤ９１については、殆ど直線状のものが用いられるが、下段のシールド掘削装置１１に接続されるスクリュウコンベヤ９２については、傾斜部９２ａと水平部９２ｂとから構成されている。

次に、本実施の形態２に係る掘削動作を、上述した実施の形態１と異なる部分に着目して簡単に説明しておく。
すなわち、地上の２点間Ｐ１，Ｐ２を、地表に沿って側面視が「く」の字形状のトンネルＴの掘削を開始する際に、まず、側部カッタ装置７３により、胴体２の両側部分を、中央部分に配置された各シールド掘削装置１１による掘削に先行して、掘削を行う。勿論、これは、実施の形態１で述べたように、上被りがない地上から地中への掘削を容易に行うためである。

この側部カッタ装置７３により掘削を行う場合、回転駆動装置８４、すなわち電動機８５により各カッタ部８３を回転させるとともに、側部出退用シリンダ装置７７を突出させて、胴体２の両側の細い部分の掘削を行う。

この掘削により圧力室７５内に取り込まれた土砂は、中間のカッタ部８３に設けられたスクリュウ羽根８６により後方の排土用空間室８７内に移送され、その排土口８７ａから胴体２内に排出される。

このように、側部カッタ装置７３により、胴体２の両側部分を、中央部分より先に掘削することにより、地山の側方からの崩壊を防止することができる。
ところで、シールド掘進機１からの掘削土砂を排出するのに、図１２および図１３に示すように、左側および右側にそれぞれ配置された上下左右の４台のシールド掘削装置１１に設けられたスクリュウコンベヤ９３を、左右それぞれに配置された一台の合流用スクリュウコンベヤ９４に接続して、纏めて排出するようにしてもよい。

この場合、合流用スクリュウコンベヤ９４の上下面に、それぞれ上段の２台のシールド掘削装置１１（１１Ａ）からのスクリュウコンベヤ９３との接続用の上部接続口９４ａおよび下段の２台のシールド掘削装置１１（１１Ｂ）からのスクリュウコンベヤ９３との接続用の下部接続口９４ｂが設けられるとともに、それぞれ開閉用シリンダ装置９５により各接続口９４ａ，９４ｂの途中を開閉し得る開閉ゲート９６が設けられる。

なお、上部接続口９４ａおよび下部接続口９４ｂに開閉ゲート９６を設けているので、上段のシールド掘削装置１１（１１Ａ）だけにて掘削する場合、または下段のシールド掘削装置１１（１１Ｂ）だけで掘削する場合に対応することができる。

ところで、各実施の形態において、各シールド掘削装置１１を同じ形状・寸法の正方形状とし、その配列個数および側部カッタ装置７３の幅を調整することにより、トンネルの幅方向の変化に容易に対応することができる。

すなわち、道路のトンネルにおいては、高さ方向が変わる可能性は低いが、幅方向は微妙に変化することが多く、正方形状のシールド掘削装置に汎用性を持たせ、どのような幅においてもその掘削装置の設置個数で対応し、また設置個数でどうしても対応することができない微調整を行う場合には、側部カッタ装置の幅を変更することにより、容易に対応することができる。その結果、正方形状のシールド掘削装置の汎用性が高くなり、種々のトンネル工事に転用することができ、コストダウンを図ることができる。勿論、シールド掘削装置の段積個数を調整することにより、トンネルの高さ方向の変更についても対応することができる。

また、上記各実施の形態においては、最深部が円弧状にされた側面視が略「く」の字形状にトンネルを掘削する場合について説明したが、勿論、上記シールド掘進機により、全体的に非常に曲率半径が大きい円弧状のトンネルを掘削することもできる。

さらに、上記各実施の形態においては、地上の２点間に亘ってトンネルを掘削する場合について説明したが、例えば一方が立坑であり、この立坑と所定距離だけ離れた地上とに亘ってトンネルを掘削する場合にも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係るシールド掘進機の断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 図１のＢ−Ｂ（一部Ｃ−Ｃ矢視を含む）矢視図である。 同シールド掘進機におけるセグメント組立装置の側面図である。 図４のＤ−Ｄ矢視図である。 同シールド掘進機におけるトンネルの掘削作業を説明する概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係るシールド掘進機の断面図である。 図７の要部Ｅ−Ｅ矢視図である。 図７の要部Ｆ−Ｆ矢視図である。 図８のＧ−Ｇ断面図である。 図１０のＨ−Ｈ断面図である。 同シールド掘進機における排土装置の変形例を示す断面図である。 図１２のＩ−Ｉ矢視図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
２ 胴体
２ａ 前胴部
２ｂ 後胴部
５ 仕切板材
１１ シールド掘削装置
１２ シールド掘削装置本体
１３ 圧力室
１４ 出退用シリンダ装置
１８ カッタヘッド
１８ａ 回転軸部
１８ｂ アーム状カッタ部
３５ リング状回転体
３８ 移動用シリンダ装置
４０ セグメント保持体
４１ 姿勢調整用シリンダ装置
５１ 内壁面拡張装置
５２ 旋回ピン
５３ 旋回支柱体
５４ 旋回用シリンダ装置
５５ 伸縮用シリンダ装置
５６ 筒状体
５７ 拡張用棒状出退部材
５８ 出退用シリンダ装置
７２ 側部空間部
７３ 側部カッタ装置
７６ カッタ本体部
７７ 側部出退用シリンダ装置
７８ カッタ部材
８１ 筒状部
８２ 回転軸部
８３ カッタ部
８４ 回転駆動装置
８６ スクリュウ羽根

Claims (7)

1. 断面が矩形状にされたシールド掘進機本体内に、それぞれ前後方向で移動自在に配置され且つ掘削断面が略正方形状にされるとともに圧力室が形成され、さらに当該圧力室内の掘削土砂を排出するためのスクリュウ式排土装置が設けられたシールド掘削装置を、上下複数段で且つ左右方向複数列でもって配置し、
   上記各シールド掘削装置に設けられるカッタヘッドを、当該シールド掘削装置におけるシールド掘削装置本体の中心部に回転自在に設けられた回転体に偏心した位置で回転自在に設けられた回転軸部と、この回転軸部の前端部に等間隔で放射状に突設された３本のアーム状カッタ部とから構成するとともに、上記回転体と回転軸部とを互いに逆方向で且つ３対４の回転比でもってそれぞれ回転させることにより正方形状のトンネルを掘削し得るように構成したことを特徴とするシールド掘進機。
2. シールド掘進機本体内の両側部に、側部カッタ装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 側部カッタ装置を、シールド掘進機本体の両側部に形成された側部空間部から前後方向で出退自在に設けられたカッタ本体部と、このカッタ本体部をシールド掘進機本体の前面から出退させる出退用シリンダ装置と、上記カッタ本体部の上下複数箇所にて配置されたカッタ部材とから構成するとともに、
   上記カッタ部材を、カッタ本体部に前後方向で配置された筒状部と、この筒状部内を挿通された回転軸部と、この回転軸部の前端に設けられたカッタ部と、カッタ本体部の後壁部に配置されて上記各回転軸部を回転させる回転駆動装置とから構成したことを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のシールド掘進機を用いて、所定距離だけ離れた地上の２点間または立坑と地上を接続するトンネルを掘削する際に、各シールド掘削装置に設けられたスクリュウ式排土装置を制御して圧力室における排土量および各シールド掘削装置本体の出退量を調整することによりシールド掘進機本体の姿勢を制御することを特徴とするトンネル掘削方法。
5. 掘削開始時に、両側部に配置されたシールド掘削装置を先に突出させて掘削を行うことを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削方法。
6. 請求項２または３に記載のシールド掘進機を用いて、所定距離だけ離れた地上の２点間または立坑と地上を接続するトンネルを掘削する際に、各シールド掘削装置に設けられたスクリュウ式排土装置を制御して圧力室における排土量および各シールド掘削装置本体の出退量を調整することによりシールド掘進機本体の姿勢を制御するとともに、掘削開始時に、シールド掘進機本体の両側部に配置された側部カッタ装置を先に突出させて掘削を行うことを特徴とするトンネル掘削方法。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載のシールド掘進機によるトンネル掘削時に地中に埋まっている異物を撤去する際に、当該異物と干渉しない側部または上部のシールド掘削装置を前方に突出させて地山の崩壊を防止した状態で撤去作業を行うことを特徴とするトンネル掘削方法。

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