JP4482222B2

JP4482222B2 - トンネルボーリングマシン

Info

Publication number: JP4482222B2
Application number: JP2000376740A
Authority: JP
Inventors: 隆加藤
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2002180788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的な手段によりトンネル全断面を連続的に掘進するトンネルボーリングマシンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネルボーリングマシンは、例えば切羽に係る地山を圧砕する掘削手段と、前記掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与する推力付与手段と、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する反力獲得手段と、前記掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する排出手段とから構成されている。
【０００３】
かかるトンネルボーリングマシンによれば、在来の発破工法による掘削と異なり、削岩機による長孔削孔や手作業による火薬類の装填など、時間と労力を費やし、しかも、危険を伴った作業をすることなく、掘削手段による機械掘削のみでトンネル全断面を圧砕しながら連続的に掘進していくことができ、それゆえ、高速施工が実現する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるトンネルボーリングマシンでは、不良な地山の出現が事前調査等により相当の可能性をもって予測されるような地質条件をもつ区間（以下「不良地山区間」という）において何らの補助工法も採用しない場合には、掘進不可能な状況を招くことになり、しかも、これは工程上も費用上も大きな損失となる。
【０００５】
つまり、かかるトンネルボーリングマシンでは、掘進に必要な反力は坑壁から獲得するようになっているため、坑壁が軟らかい破砕帯等の不良な地山になると、掘進に必要な反力を獲得できなくなり、掘進不可能な状況に陥ることになる。
このような場合には、トンネルボーリングマシンは、かなりの確率で、前方に掘進できないのみならず、後方にも掘進できない状況となっているため、かかる身動きがとれないトンネルボーリングマシンの周囲を人力掘削で切り拡げるというきわめて煩雑で困難も伴う作業が必要となり、その結果、工程上及び費用上の膨大な損失を招いてしまうのである。
【０００６】
他方、不良地山区間において補助工法を併用する場合には、ある程度のこのような問題を解消することができる。例えば補助工法として、水平方向で先行ボーリング等による先行地盤調査を行い、不良な地山の位置及び範囲を把握するとともに、把握した不良な地山について水平方向でモルタル注入等による先行地盤改良を行うことにより、掘進不可能な状況を回避することができる。
【０００７】
しかしながら、水平方向で先行地盤調査を行う方法では、ロッドの方向が正確には定まらないため、把握した不良地山の位置及び範囲が不正確で信頼性の低いものとなり易い上、水平方向で先行地盤改良を行う方法も、ロッドの方向が不正確な点では異ならないため、地盤改良等が不十分なものとなり、掘進不可能な状況を確実に回避できない場合も生じていた。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、複雑な地山に対して弾力的に対応することが可能なように、不良地山区間において掘進不可能な状況を確実に回避でき、ひいてはトンネルの高速施工に資するトンネルボーリングマシンを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明に係るトンネルボーリングマシンは、切羽に係る地山を圧砕する親機用掘削手段、前記親機用掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与する親機用推力付与手段、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する親機用反力獲得手段及び前記親機用掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する親機用排出手段を含む親機と、切羽に係る地山を圧砕する子機用掘削手段、前記子機用掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与する子機用推力付与手段、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する子機用反力獲得手段及び前記子機用掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する子機用排出手段を含み、前記親機から分離した状態で独立に該親機による掘削断面に包含されるはずの掘削断面で行う該親機の前方に係る地山の掘進及び該親機と一体となって行う掘進が自在である子機と、から構成されることを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、親機から分離した状態で独立に前方に係る地山の掘進をし、子機又は子機による先進トンネルの中から正確で信頼性の高い先行地盤調査や先行地盤改良を行うことができるので、不良地山区間で掘進不可能な状況を確実に回避できる。
すなわち、本発明によれば、断層破砕帯等を含む複雑な地質条件の地山に対して弾力的に対応することができ、ひいてはトンネルの高速施工に資するトンネルボーリングマシンを提供することが可能となる。
【００１１】
このような技術的手段において、「親機」は、掘削手段、推力付与手段、反力獲得手段及び排出手段を含むものであれば、その種類（シールドタイプであるか、オープンタイプであるか、これらを複合したタイプであるか）、形式、構造等の別は問わない。この点では「子機」も同様である。
【００１２】
また、「子機」は、親機から分離した状態で独立に行う該親機の前方に係る地山の掘進のみならず、該親機と一体となって行う掘進が自在であるものであればよい。ただし、「子機」による掘削断面は、後になされる親機による掘削断面に包含される関係となっている必要がある。
【００１３】
とはいえ、掘削断面同士が包含関係となれば十分であり、「子機」が親機と一体となって掘進を行う場合にあっても、「子機」それ自体が親機の内部に完全に包含されている必要はなく、例えば親機の前端部又は後端部で該親機と一体となっているようなものであっても差し支えない。
【００１４】
ここで、「掘削手段」は、一般には、カッターヘッドと呼ばれるものであり、切羽に係る地山を圧砕するものであれば、その形状、構造等の別は問わず、また、取り付けられるカッタの種類、構造等の別も問わない。それゆえ、「掘削手段」には、減速装置、動力伝達装置、推力及び軸受支持装置を含む。
例えば「掘削手段」としては、円形のみならず、馬蹄形、楕円形、矩形などの形状のものをも用いることができ、面盤構造のものや、スポーク構造のもの等を用いることができる。
なお、「掘削手段」に取り付けられるカッタとしては、例えばローラカッタの他、ディスクカッタ、ギヤカッタ、コーンカッタ等がある。
【００１５】
また、「推力付与手段」は、掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与するものであれば、その形式、構造などの別を問わないが、一般には、油圧シリンダが用いられる。なお、「推力付与手段」は、推力付与による反力を地山に伝達するため、「反力獲得手段」と一体に設けられる。
【００１６】
さらに、「反力獲得手段」は、坑壁から掘進に必要な反力を獲得するものであれば、その形式、構造などの別を問わないが、一般には、所謂グリッパ機構が用いられる。
【００１７】
さらにまた、「排出手段」は、掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出するものであれば、その形式、構造などの別を問わない。それゆえ、「排出手段」には、カッターヘッドスクレーパのバケットによるすくい込み式、ロータリスクレーパによるかき込み式や、水ポンプを利用したスラリー方式などを含む。
【００１８】
【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を詳細に説明する。
【００１９】
◎実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係るトンネルボーリングマシンの概略構成を示す斜視図である。
この実施の形態１において、トンネルボーリングマシンは、同図に示すように、親機１と、子機２とから構成されている。
【００２０】
そして、親機１は、同図に示すように、掘削手段１１と、推力付与手段１２と、反力獲得手段１３と、排出手段１４とを含むものとして構成されている。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２１】
（１）掘削手段１１
掘削手段１１は、切羽に係る地山を圧砕する役割を果たす。このトンネルボーリングマシンでは、同図に示すように、一の子機２が親機１の略中央で収容される構成となっている。それゆえ、この掘削手段１１は、一の子機２が収容される領域を除く領域を占有する構成となっている。なお、以下に説明する各手段も子機２が収容される領域を除く領域を占有する構成となっている点では掘削手段１１と同様である。
【００２２】
すなわち、この掘削手段１１は、図示しないが、トンネル軸周りで回動自在である構成となっている。具体的には、この掘削手段１１は、同図に示すように、適宜間隔で複数のディスクカッターを有するドーナツ形状のカッターヘッド１１ａと、カッターヘッド１１ａを回転自在に軸支する大口径ベアリング１１ｂと、カッターヘッド１１ａに対して圧砕に必要な回転力を付与する駆動手段（図示外）とからなっている。
【００２３】
（２）推力付与手段１２
推力付与手段１２は、掘削手段１１に対して圧砕に必要な推力を付与する役割を果たす。
すなわち、この推力付与手段１２は、同図に示すように、次に述べる反力獲得手段１３と一体に設けられている反力伝達部材１２ａと、前端部が大口径ベアリング１１ｂに固着されると共に後端部が反力伝達部材１２ａに固着され、カッターヘッド１１ａに対して圧砕に必要な推力を付与するスラストジャッキ１２ｂとからなっている。
【００２４】
（３）反力獲得手段１３
反力獲得手段１３は、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する役割を果たす。ここで、この掘進に必要な反力には、駆動手段による回転力及び推力付与手段１２による推力などが含まれる。
【００２５】
この反力獲得手段１３は、具体的には、推力付与手段１２と一体に設けられるものとして構成されている。すなわち、この反力獲得手段１３は、トンネルの両側部の地山に押圧されるグリッパーシュー１３ａと、反力伝達部材１２ａと一体に設けられ、グリッパーシュー１３ａに対して押圧力を付与するメインジャッキ（図示外）とからなっている。
【００２６】
（４）排出手段１４
排出手段１４は、掘削手段１１にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する役割を果たす。
すなわち、この排出手段１４は、カッターヘッド１１ａにて圧砕された圧砕物たるズリを後方へと連続的に排出するコンベヤ１４ａと、コンベヤ１４ａにて排出されたズリを搬送するコンベヤ１４ａ設備（図示外）とから構成されている。
【００２７】
一方、子機２は、前記した各手段、すなわち、（１）掘削手段２１、（２）推力付与手段２２、（３）反力獲得手段２３及び（４）排出手段２４を含むものとして構成されている。
【００２８】
そして、子機２は、親機１から分離した状態で独立に該親機１による掘削断面に包含されるはずの掘削断面で行う該親機１の前方に係る地山の掘進と、該親機１と一体となって親機１に従属しながら行う掘進とが自在である構成となっている。
【００２９】
また、この実施の形態１においては、子機２により形成された先進トンネルの中から先行地盤調査及び先行地盤改良ができるようになっている。
【００３０】
次に、図２及び図３を用いて、この実施の形態１に係るトンネルボーリングマシンの作用について説明する。
【００３１】
ただし、子機２は親機１と一体となって親機１に従属しながら掘進を行っていたが、不良地山区間Ｈへと差し掛かかったため、ともに掘進動作を行わない停止状態となっているものとして説明を開始する。
【００３２】
（１）不良地山区間Ｈ
このような状態（図参照２（ａ））において、子機２だけは、親機１から分離して独立に不良地山区間Ｈ、すなわち、親機１の前方に係る地山の掘進を行う。
【００３３】
このとき、子機２は、不良地山区間Ｈの途中において親機１であれば掘進不可能となるはずの断層破砕帯Ｄに係る地山の中を通過することとなる。しかし、子機２は、小断面であるため、掘進不可能な状況に陥る危険性は殆どないといえる。
【００３４】
複雑な地質条件をもつ近年のわが国において、専ら小口径断面のトンネルボーリングマシンが積極的な開発の対象となっていたという経験的な事実からみてもそのように判断される。
【００３５】
続いて、子機２は、不良地山区間Ｈを通過した時点において、掘進動作を行わない停止状態となる（図参照２（ｂ））。
【００３６】
このような状態において、不良地山区間Ｈに係る地山に対して補助工法を行う。
まず、子機２による先進トンネルの中から先行地盤調査を行い、続いて、先行地盤調査の結果に基づいて該先進トンネルの中から先行地盤改良を行う（図２（ｃ）参照）。
【００３７】
この先行地盤調査は、先進トンネルの中から行うため、目視等により地山の状態の正確かつ明瞭な把握ができることになる。それゆえ、不良地山区間Ｈに係る地山に対する効率的な先行地盤改良が可能となる。
【００３８】
一方、この先行地盤改良により、不良地山区間Ｈに係る地山について改良体Ｋの造成が確実にできる。なお、先行地盤改良の際に設けられる孔を利用して水抜きをすることもできる。
よって、この実施の形態１に係る補助工法によれば、親機１による掘進中において坑壁の地耐力が不足するような状況がなくなり、掘進不可能な状況が確実に回避できる。
【００３９】
つまり、この補助工法は、従来の水平方向で行うタイプの補助工法と比較して、正確で信頼性の高いものといえる。
【００４０】
なお、先行地盤調査や先行地盤改良は、この実施の形態１と異なり、子機２が不良地山区間Ｈを通過している間において行うようにしてもよい。
【００４１】
その後、親機１は、不良地山区間Ｈに係る地山の掘進を行い、掘進動作を行わない停止状態となっている子機２と合体する。そして、親機１及び子機２は、再び一体となって掘進を行うことになる（図２（ｄ）参照）。
【００４２】
（２）不良地山区間Ｈ以外の区間
今、親機１は、不良地山区間Ｈに係る地山の掘進を終了し、掘進動作を行わない停止状態となっている子機２と合体状態にある（図３（ａ）参照）。
【００４３】
このような状態において、親機１及び子機２は、一体となって、不良地山区間Ｈ以外の良質地山区間Ｒに係る地山の掘進を行う（図３（ｂ）参照）。これにより、このような良質地山区間Ｒにおけるトンネルの高速施工が確保されることになる。
【００４４】
したがって、この実施の形態１によれば、親機１から分離独立に行う子機２による掘進及び該掘進により形成される先進トンネルの中から行う先行地盤調査や先行地盤調査や、親機１と一体となって親機１に従属しながら行う掘進により、断層破砕帯Ｄ等を含む複雑な地質条件の地山に対して弾力的に対応することが可能となる。
【００４５】
◎実施の形態２
図４は本発明の実施の形態２に係るトンネルボーリングマシンの概略構成を示す斜視図である。なお、実施の形態１と同様な構成要素については実施の形態１と同様な符号を付してここではその詳細な説明を省略する。
【００４６】
この実施の形態２に係るトンネルボーリングマシンは、親機１及び子機２から構成されている点では、実施の形態１と略同様であるが、実施の形態１と異なり、親機１においてそれぞれ大きさの異なる複数の子機２（第一子機２ａ，第二子機２ｂ，第三子機２ｃ）が収容されている。それゆえ、掘削手段１１その他の各手段は、これらの複数の子機２が収容される領域を除く領域を占有する構成となっている。
【００４７】
したがって、この実施の形態２によれば、個々の地質条件に応じて複数の子機２をその大きさにより使い分けながら先行地盤調査や先行地盤調査を行うことができるので、実施の形態１と比較して、断層破砕帯Ｄ等を含む複雑な地質条件の地山に対してより弾力的に対応することが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係るトンネルボーリングマシンによれば、以上のように構成したため、不良地山区間において掘進不可能な状況を確実に回避でき、ひいてはトンネルの高速施工に資することが可能になる。したがって、複雑な地山に対して弾力的に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るトンネルボーリングマシンの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るトンネルボーリングマシンの作用を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るトンネルボーリングマシンの作用を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係るトンネルボーリングマシンの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…親機
２…子機
２ａ…第一子機
２ｂ…第二子機
２ｃ…第三子機
１１…掘削手段
１１ａ…カッターヘッド
１１ｂ…大口径ベアリング
１２…推力付与手段
１２ａ…反力伝達部材
１２ｂ…スラストジャッキ
１３…反力獲得手段
１３ａ…グリッパシュー
１４…排出手段
１４ａ…コンベヤ
２１…掘削手段
２２…推力付与手段
２３…反力獲得手段
２４…排出手段
Ｈ…不良地山区間
Ｒ…良質地山区間
Ｄ…断層破砕帯
Ｋ…改良体

Claims

切羽に係る地山を圧砕する親機用掘削手段、前記親機用掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与する親機用推力付与手段、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する親機用反力獲得手段及び前記親機用掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する親機用排出手段を含む親機と、
切羽に係る地山を圧砕する子機用掘削手段、前記子機用掘削手段に対して圧砕に必要な推力を付与する子機用推力付与手段、坑壁から掘進に必要な反力を獲得する子機用反力獲得手段及び前記子機用掘削手段にて圧砕した圧砕物を後方へと排出する子機用排出手段を含み、前記親機から分離した状態で独立に該親機による掘削断面に包含されるはずの掘削断面で行う該親機の前方に係る地山の掘進及び該親機と一体となって行う掘進が自在である子機と、から構成されることを特徴とする、トンネルボーリングマシン。