JP4495114B2 - トンネル掘削機及びトンネル掘削工法 - Google Patents

トンネル掘削機及びトンネル掘削工法 Download PDF

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本発明は、スポークタイプのカッターヘッドを備えて巨礫地盤等を掘削可能なトンネル掘削機及びトンネル掘削工法に関する。
一般に、巨礫を含む地盤を掘削するトンネル掘削機として、例えば面板タイプのカッターヘッドを装備した泥水又は土圧（泥土圧を含む）式シールド掘削機が良く知られている。
これは、例えば直径１ｍ程度の巨礫を含む地盤に遭遇した場合には、カッターヘッドの面板に装着されたディスクカッター（ローラーカッター等）で、排泥管又はスクリューコンベヤ等で排土可能な大きさに巨礫を破砕してから面板のスリットを通してカッターチャンバー内に取り込み、排泥管又はスクリューコンベヤ等で排土するようになっている。
また、特許文献１では、トンネル等の短距離の掘削を、合理的なコストで円滑に実施することを目的として、切羽を部分的に掘削する回転刃とそれを切羽の全域に移動する移動機構とを有する掘削機を装備し、切羽に面して泥水加圧の可能なチャンバーとそれに対する泥水の供給管および排出管を設けるとともに、チャンバーの下部の泥水排出口付近に破砕撹拌機を配備したシールド掘進機が開示されている。
特開平５−１０６３９３号公報
しかしながら、上述した面板タイプのカッターヘッドを装備した泥水又は土圧（泥土圧を含む）式シールド掘削機にあっては、カッターチャンバー内の掘削土砂の取込量が面板のスリットで規制されることから、掘進速度が遅く、施工性が悪いという問題点があった。
また、特許文献１に開示されたシールド掘進機にあっては、掘削するトンネル径に対し回転刃が極端に小さいことから、掘削能率が低く、これまた施工性が悪いという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、スポークタイプのカッターヘッドを備えるにもかかわらず巨礫地盤にも円滑に対応することができる施工性の高いトンネル掘削機及びトンネル掘削工法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削機において、
前記カッターヘッドを掘削機本体の前部に回転可能でかつ掘進方向に移動可能に支持すると共に、
前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドに、同バルクヘッドと前記カッターヘッドとで挟み込んで固定した礫を破砕する削岩機を取り付けたことを特徴とする。
また、スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削機において、
前記カッターヘッドに設けられて前記カッターチャンバー内に取り込んだ土砂を攪拌する攪拌翼を伸縮可能とし、
前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドに、同バルクヘッドと前記攪拌翼とで挟み込んで固定した礫を破砕する削岩機を取り付けたことを特徴とする。
また、前記削岩機は、前記バルクヘッドに形成した土砂排出口の左右両側に位置して少なくとも２個設けられると共に、その各々の刃部が前記礫を指向して斜めに伸縮可能になっていることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削工法は、スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削工法において、
前記カッターチャンバー内に排土不可能な大きさの礫を取り込んだ際に、前記カッターヘッドを後退させて、前記礫を前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドとで挟み込んだ後、前記バルクヘッドに取り付けた削岩機で前記礫を破砕して排土することを特徴とする。
また、スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削工法において、
前記カッターチャンバー内に排土不可能な大きさの礫を取り込んだ際に、前記カッターヘッドに設けられてカッターチャンバー内に取り込んだ土砂を攪拌する攪拌翼を伸長させて、前記礫を前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドとで挟み込んだ後、前記バルクヘッドに取り付けた削岩機で前記礫を破砕して排土することを特徴とする。
本発明によれば、スポークタイプのカッターヘッドにより、掘削能率の向上と、掘削土砂の取込量の増大で掘進速度を速められると共に、カッターチャンバー内において排土不可能な大きさの礫を破砕するので、巨礫地盤に遭遇しても円滑に対応することができ、施工性が一段と高まる。
以下、本発明に係るトンネル掘削機及びトンネル掘削工法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１を示すトンネル掘削機の正面図、図２は通常掘削時のトンネル掘削機の概略側断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は巨礫破砕時のトンネル掘削機の概略側断面図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。
図１及び図２に示すように、泥土圧式シールド掘削機（トンネル掘削機）の筒状をなす掘削機本体１の隔壁（バルクヘッド）２には、カッターヘッド３が軸受等を介して回転自在に装着される。カッターヘッド３の前面にはその回転中心部から放射状をなして複数本（図示例では６本）のカッタースポーク４が固定される。各カッタースポーク４には、軟弱な地盤を掘削するカッタービット５が多数装着される。
また、カッターヘッド３の回転中心部にはフィッシュテールカッター６が装着される。さらに、所要本数（図示例では図中上下２本）のカッタースポーク４の先端には、長手方向（掘削機本体１の径方向）へ油圧ジャッキ等により伸縮（出没）可能に、コピーカッター７が装着される。そして、カッターヘッド３の後部にはリングギア８が固定される。
一方、前記隔壁２には、カッターヘッド駆動手段としてのカッター旋回モータ９が取り付けられ、このカッター旋回モータ９の駆動ギア１０が前記リングギア８に噛み合っている。従って、カッター旋回モータ９を稼働して駆動ギア１０を回転駆動すると、リングギア８を介してカッターヘッド３が回転される。また、隔壁２の中央部には、ロータリージョイント１１が組み付けられ、このロータリージョイント１１を介して前記コピーカッター７の油圧ジャッキ等に対し図示しない油圧源からの圧油の給，排が行われるようになっている。
そして、本実施例では、前記隔壁２が固定外周部２ａと可動内周部２ｂとに分割形成され、可動内周部２ｂが固定外周部２ａに対して複数本のスライドジャッキ１２の伸縮により掘進方向へスライド（移動）可能になっている。この可動内周部２ｂに前記カッターヘッド３が回転可能に支持されると共に同カッターヘッド３を回転駆動するカッター旋回モータ９等が取り付けられる。
従って、スライドジャッキ１２が収縮してカッターヘッド３が掘削機本体１の前方へ前進（突出）した通常掘削時の状態（図２参照）から、スライドジャッキ１２を伸長すると、カッターヘッド３は掘削機本体１内に向けて後退することになる（図３参照）。
前記掘削機本体１の内部にはスクリューコンベヤ１３配設され、カッターヘッド３で掘削された土砂をトンネルの後方へ排土可能になっている。即ち、スクリューコンベヤ１３の前端部（取出口）が隔壁２（厳密には固定外周部２ａ）の下部に形成した土砂排出口２ｃに連接されて前記カッターヘッド３と隔壁２とで画成されたカッターチャンバー１４に開口すると共に、後下部に設けた排出口（図示せず）がトンネル内の長手方向に配設された図示しないベルトコンベヤ上に対向するのである。
前記掘削機本体１の内周部には、覆工部材としてトンネルの内周面に構築された（組み立てられた）既設のセグメント（図示せず）に対し伸縮し得る推進ジャッキ１５が円周方向へ所定間隔離間して多数本配設される。
さらに、本実施例では、図３にも示すように、前記隔壁２（厳密には固定外周部２ａ）に、同隔壁２と前述したスライドジャッキ１２の伸長により後退移動したカッターヘッド３（厳密にはカッタースポーク４）とで挟み込んで固定した礫（巨礫）Ｗを破砕する削岩機１６が取り付けられる。この削岩機１６は、前記隔壁２（厳密には固定外周部２ａ）に形成した土砂排出口２ｃの左右両側に位置して２個設けられると共に、その各々の刃部１６ｂが土砂排出口２ｃ（即ち、スクリューコンベヤ１３）の直前に位置した前記礫（巨礫）Ｗを指向して複数本のジャッキ１６ａにより斜めに伸縮可能になっている。
従って、前記カッターチャンバー１４内に取り込まれた礫（巨礫）Ｗは、例えばすり鉢の偏心した形状等のチャンバー内形状により、前記削岩機１６により破砕可能な位置に導かれるようになっている。もちろん、土砂排出口２ｃの直前以外で削岩機１６により破砕した礫（巨礫）Ｗを土砂排出口２ｃに導くようにしても良い。
次に、上述した泥土圧式シールド掘削機によるトンネル構築作業について説明する。
先ず、通常掘削時は、全ての推進ジャッキ１５が縮んだ初期位置で、カッター旋回モータ９を稼働させてカッターヘッド３を回転させる。
次に、前記状態から全て又は任意の推進ジャッキ１５を伸ばして掘削機本体１を１ストローク推進（前進）させる。この際、推進反力は既設セグメントで受ける。そして、この推進により、カッタースポーク４に装着されたビット５が前方の地盤を掘削する。掘削された土砂は加圧状態下にあるカッターチャンバー１４からスクリューコンベヤ１３及びベルトコンベヤ等によって外部に排出される。
次に、カッターヘッド３の旋回を止めた状態で、推進ジャッキ１５を部分的に順次縮めて図示しないエレクタ及びセグメントアジャスタによりセグメントを組み立てると共にその真円保持を行う。
以降、前述した工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していく。
そして、前述した掘削下で巨礫地盤に遭遇し、スクリューコンベヤ１３で排土不可能な大きさの礫（巨礫）Ｗがカッタースポーク４間の空間からカッターチャンバー１４内に取り込まれた際は（これは適宜の検出手段で検知する）、先ず、カッターヘッド３の回転を停止する。また、コピーカッター７が突出していれば、これをカッタースポーク４内に引っ込める。
次に、図４及び図５に示すように、スライドジャッキ１２を伸長して可動内周部２ｂを固定外周部２ａに対して後方にスライドさせると、当該可動内周部２ｂに支持されたカッターヘッド３が掘削機本体１内に後退する。
これにより、やがて礫（巨礫）Ｗは、土砂排出口２ｃの直前に位置してカッターヘッド３（厳密にはカッタースポーク４）と隔壁２（厳密には固定外周部２ａ）とで挟み込まれ、固定される。
上記状態をスライドジャッキ１２に内蔵したストロークセンサー（図示せず）等で検知したら、カッターヘッド３のそれ以上の後退を停止させるなどした後、削岩機１６を作動させて礫（巨礫）Ｗを破砕する。
これにより、礫（巨礫）Ｗは排土可能な大きさまで破砕されてスクリューコンベヤ１３で排土される。
このようにして、カッターチャンバー１４内の礫（巨礫）Ｗが排土されたら、スライドジャッキ１２を収縮してカッターヘッド３を掘削機本体１の前方へ前進させ（図２参照）、前述した掘削工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していけば良い。
このように本実施例では、カッタースポーク４からなるカッターヘッド３を装備するので、掘削能率の向上と、掘削土砂の取込量の増大で掘進速度が速められる。また、巨礫地盤と遭遇した場合には、排土不可能な大きさの礫（巨礫）Ｗをカッターチャンバー１４内に取り込んで、削岩機１６により破砕するので、巨礫地盤に遭遇しても円滑に対応することができる。これらの結果、施工性が一段と高まる。
図６は本発明の実施例２を示す巨礫破砕時のトンネル掘削機の概略側断面図、図７は異なった作用状態を示す図６のＣ−Ｃ線断面図である。
これは、実施例１におけるカッターヘッド３を掘進方向にスライド可能にする代わりに、カッターヘッド３に設けられた攪拌翼（棒）１７を伸縮可能とし、カッターチャンバー１４内に取り込んだ礫（巨礫）Ｗをジャッキ１７ａの伸長により後方に向けた突出された伸縮部１７ｂ先端と隔壁２とで挟み込んで固定するようにした例である（図７の（ａ）→図７の（ｂ）参照）。
図６中１８はカッターヘッド３に設けられた伸縮不能の攪拌翼（棒）で、１９は隔壁２に設けられた固定翼（棒）である。その他の構成は実施例１と同様なので、図１〜図５と同一部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
この実施例によるも、実施例１と同様の作用・効果が得られる。
本発明に係るトンネル掘削機は、泥土圧式シールド掘削機に限らず、土圧式シールド掘削機や泥水式シールド掘削機機等のトンネル掘削機にも適用することができる。
本発明の実施例１を示すトンネル掘削機の正面図である。 通常掘削時のトンネル掘削機の概略側断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 巨礫破砕時のトンネル掘削機の概略側断面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の実施例２を示す巨礫破砕時のトンネル掘削機の概略側断面図である。 異なった作用状態を示す図６のＣ−Ｃ線断面図である。
符号の説明
１ 掘削機本体
２ 隔壁
２ａ 固定外周部
２ｂ 可動内周部
２ｃ 土砂排出口
３ カッターヘッド
４ カッタースポーク
５ カッタービット
６ フィッシュテールカッター
７ コピーカッター
８ リングギア
９ カッター旋回モータ
１０ 駆動ギア
１１ ロータリージョイント
１２ スライドジャッキ
１３ スクリューコンベヤ
１４ カッターチャンバー
１５ 推進ジャッキ
１６ 削岩機
１６ａ ジャッキ
１６ｂ 刃部
１７ 攪拌翼
１７ａ ジャッキ
１７ｂ 伸縮部
１８，１９ 固定攪拌翼

Claims (5)

  1. スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削機において、
    前記カッターヘッドを掘削機本体の前部に回転可能でかつ掘進方向に移動可能に支持すると共に、
    前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドに、同バルクヘッドと前記カッターヘッドとで挟み込んで固定した礫を破砕する削岩機を取り付けたことを特徴とするトンネル掘削機。
  2. スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削機において、
    前記カッターヘッドに設けられて前記カッターチャンバー内に取り込んだ土砂を攪拌する攪拌翼を伸縮可能とし、
    前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドに、同バルクヘッドと前記攪拌翼とで挟み込んで固定した礫を破砕する削岩機を取り付けたことを特徴とするトンネル掘削機。
  3. 前記削岩機は、前記バルクヘッドに形成した土砂排出口の左右両側に位置して少なくとも２個設けられると共に、その各々の刃部が前記礫を指向して斜めに伸縮可能になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
  4. スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削工法において、
    前記カッターチャンバー内に排土不可能な大きさの礫を取り込んだ際に、前記カッターヘッドを後退させて、前記礫を前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドとで挟み込んだ後、前記バルクヘッドに取り付けた削岩機で前記礫を破砕して排土することを特徴とするトンネル掘削工法。
  5. スポークタイプのカッターヘッドで掘削した土砂をカッターチャンバー内に取り込んで排土装置により排土しながらトンネルを掘進するトンネル掘削工法において、
    前記カッターチャンバー内に排土不可能な大きさの礫を取り込んだ際に、前記カッターヘッドに設けられてカッターチャンバー内に取り込んだ土砂を攪拌する攪拌翼を伸長させて、前記礫を前記カッターヘッドとの間で前記カッターチャンバーを画成するバルクヘッドとで挟み込んだ後、前記バルクヘッドに取り付けた削岩機で前記礫を破砕して排土することを特徴とするトンネル掘削工法。
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