JP4516039B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルを部分拡幅するための拡幅機能を有するトンネル掘削機に関するものである。

従来、シールド工法の道路トンネル築造時において、非常駐車帯や分岐合流部などを部分拡幅する場合は、地盤改良を行い坑内から人力で切り拡げる方法やコピーカッタ等の拡幅機能を持ったシールド掘削機を用いる工法が採用されていた。

また、近年では、シールドマシーンの外筒部の一部をラップさせておき、掘削中にこのラップ部を伸縮させることで掘削断面の拡大・縮小を連続的に（マシン・セグメント共）行う工法が特許文献１等で開示されている。

そして、上記特許文献１では、互いに重合する外殻のうち内側に配置された外殻内面に前後方向複数段に設置された帯状の第１テールシールブラシと、互いに重合する外殻のうち外側に配置された外殻内面に前記第１テールシールブラシと摺動可能な位置に複数段に設置された帯状の第２テールシールブラシとを備え、外側に配置された外殻の内面と第２テールシールブラシ設置部との間に内側に配置された外殻の端部が挿入できる隙間を設けると共に、該隙間を塞ぐ止水板を内側に配置された外殻に設けて、機長を長くすることなくテールシールを複数段で行えるようにしたテールシール装置を開示している。

特開平１１−１３３９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたテールシール装置にあっては、第１テールシールブラシと第２テールシールブラシとが単に相対的に摺動する構造であるため、第１テールシールブラシと第２テールシールブラシとの密着性を長期に亙って良好に保持することが難しいという虞があった。

本発明は、高水圧止水を確実に行えてより安全に掘削することができるテールシール装置を備えたトンネル掘削機を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、固定外殻に対し可動外殻の一部をトンネル径拡大方向へ摺動可能に重合させてなる掘削機本体と、前記可動外殻を摺動させる拡幅ジャッキと、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、同掘削機本体の前部に回転可能に支持されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを回転駆動する駆動手段と、前記固定外殻及び可動外殻の後端部において止水を行うテールシール装置と、を備えたトンネル掘削機において、
前記テールシール装置は、前記固定外殻の内面に前後方向複数段に亙って設置された帯状の第１テールシールブラシと、前記可動外殻の内面に前後方向複数段に亙って設置された帯状の第２テールシールブラシと、掘削機本体の拡幅状態下で前記第１テールシールブラシと第２テールシールブラシの端部間の隙間に設置される拡幅部テールシールブラシと、トンネルの拡縮開始地点に既設セグメントと連続して設置され固定部に対し可動部の一部をトンネル径拡大方向に摺動可能に重合させてなる拡幅鋼殻と、を備え、
前記拡幅鋼殻は、固定部の外面と可動部の外面とにトンネル径拡大方向へ摺動可能に重合して周回すると共に前記第１及び第２テールシールブラシの後方位置にて外方へ張り出して止水可能な第１シール部材と第２シール部材を備え、たことを特徴とする。

また、前記テールシール装置は、さらに固定外殻の後端寄りの内面に少なくとも１段設置された帯状の第３テールシールブラシと、前記可動外殻の内面に前記第３テールシールブラシとトンネル径拡大方向に摺動可能な位置に少なくとも１段設置された帯状の第４テールシールブラシと、備えたことを特徴とする。

また、前記第１シール部材と第２シール部材は、前後方向に複数段に亙って設けられることを特徴とする。

また、前記第１シール部材と第２シール部材は、必要時に加圧エア供給源から加圧エアが供給されて膨張するチューブシールであることを特徴とする。

前記固定外殻の内面に前記拡幅鋼殻の第１シール部材が圧接可能なゴム板が展設されることを特徴とする。

本発明のトンネル掘削機によれば、通常掘進時は主に第１テールシールブラシと第２テールシールブラシで止水を行い、拡幅時には主に拡幅鋼殻の第１シール部材と第２シール部材で止水を行い、拡幅掘進時に主に第１テールシールブラシと第２テールシールブラシと拡幅部テールブラシで止水を行って、止水システムを切り換えるようにしたので、長い距離のトンネルを構築する際にも、高水圧止水を確実に行えてより安全に掘削することができる。

以下、本発明に係るトンネル掘削機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示すテールシール装置の動作手順を示す図、図２は同じくテールシール装置の動作手順を示す図、図３は図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図４は図１（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図、図５は図２（ｄ）のＣ−Ｃ線断面図、図６は図１（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図７は図２（ｄ）のＥ−Ｅ線断面図、図８は図２（ｅ）のＦ−Ｆ線断面図、図９はテールシール装置のテールシールブラシ及びチューブシールの図１に対応する配置図、図１０はテールシール装置のテールシールブラシ及びチューブシールの図２に対応する配置図、図１１は拡幅鋼殻の構造説明図、図１２は泥水式シールド掘削機の側断面図、図１３は図７のＧ−Ｇ線及びＨ−Ｈ線断面図である。

本実施例で説明するトンネル掘削機は、切羽及びチャンバ内に泥水を供給し、泥水圧で土圧及び水圧に対向しながら掘削土砂を泥水と共に排泥することで、切羽の安定化を図りながらトンネルを構築する泥水式シールド掘削機である。

この泥水式シールド掘削機において、図１２及び図１３に示すように、掘削機本体１は、上下に設けられた固定外殻２とこの固定外殻２に一部を重合させてトンネル径拡大方向に摺動可能な左右一対の半円状の可動外殻３とで筒状に形成される。尚、可動外殻３は左右のいずれか一方にのみ設けて固定外殻２を半筒状に形成しても良い。

上下の固定外殻２間に縦設された支持壁４の側面と可動外殻３の後半部内面に付設した上下一対の支持ブロック５ａ，５ｂとの間には縦横に複数の拡幅ジャッキ６Ａが横架されると共に、上下の固定外殻２にそれぞれ付設した支持ブロック７ａ，７ｂと可動外殻３の前半部内面に付設した上下一対の支持ブロック８ａ，８ｂとの間には横一列に複数の拡幅ジャッキ６Ｂが横架される。

従って、図示の状態から全ての拡幅ジャッキ６Ａ，６Ｂが同期して伸長することで、固定外殻２に対し可動外殻３がトンネル径の拡大方向に摺動し、これによって掘削機本体１がその後端部（テール部）の既設セグメントＳと共に拡幅することになる。

掘削機本体１（固定外殻２）の前部にはカッタヘッド１０が回転自在に装着されており、このカッタヘッド１０の前面には多数のカッタビット１１が固定されている。そして、カッタヘッド１０の後部にはリングギヤ１２が固定される一方、固定外殻２には駆動モータ１３が取付けられ、この駆動モータ１３の駆動ギヤ１４が前記リングギヤ１２に噛み合っている。

従って、駆動モータ１３を駆動して駆動ギヤ１４を回転駆動すると、リングギヤ１２を介してカッタヘッド１０を回転することができる。

掘削機本体１（固定外殻２）にはカッタヘッド１０の後方に位置してバルクヘッド１５が取付けられており、カッタヘッド１０とこのバルクヘッド１５との間にチャンバ１６が形成されている。そして、このチャンバ１６には一端が泥水式シールド掘削機の外部に延設された送泥管１７及び排泥管１８の他端が開口しており、排泥管１８の開口部分の近傍には掘削土砂と泥水とを攪拌、混合するアジテータ１９が設置されている。なお、カッタヘッド１０の外周部にはコピーカッタ２０が設けられると共にスポーク内にはスポーク伸縮ジャッキ２１が設けられている。

掘削機本体１（固定外殻２及び可動外殻３）の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ２２が並設されており、このシールドジャッキ２２が掘進方向後方に伸長して既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１即ち、泥水式シールド掘削機全体を前進することができる。

また、掘削機本体１（固定外殻２）の後部には左右一対の縦梁２３を介してエレクタ装置２４が装着されている。このエレクタ装置２４はシールドジャッキ２２によって前進した掘削機本体１（固定外殻２及び可動外殻３）と既設セグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着してリング状に組み付けることができる。

また、掘削機本体１（固定外殻２及び可動外殻３）の後端部（テール部）にはテールシール装置２６が設けられる。

テールシール装置２６を図１乃至図８を用いて説明する。固定外殻２の側縁部に前後方向（掘進方向）に長い嵌合溝２７が形成されると共に、この嵌合溝２７の後端部は切欠き２８により下方に開放される。一方、可動外殻３の側縁部には前記嵌合溝２７にトンネル径方向に摺動可能な嵌合板２９が一体形成されると共に、この嵌合板２９の後端部には前記切欠き２８内をトンネル径方向に摺動可能なスライドブロック３０が一体形成される。

また、固定外殻２と可動外殻３との摺動面間には複数条（図示例では２条）のシール部材３１ａ，３１ｂが前後方向に対をなして延出される。図示例では、シール部材３１ａ，３１ｂは固定外殻２側に敷設されている。

そして、固定外殻２の内面には、図９及び図１０にも示すように、後端寄りと後部に位置しかつ前後方向に複数段（図示例では後端寄りに２段、後部に３段）に亙って、帯状の第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｅが設置されると共に、可動外殻３の内面に、後端寄りと後部に位置しかつ前後方向に複数段（図示例では後端寄りに２段、後部に３段）に亙って、帯状の第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｅが設置される。

後部に位置した第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃとは、通常屈伸時には端部同士が隣接し、拡幅及び拡幅掘進時には端部同士が所定寸法だけ離間するようになっており、後端寄りに位置した第１テールシールブラシ（請求項２の第３テールシールブラシ）３３ｄ，３３ｅと第２テールシールブラシ（請求項２の第４テールシールブラシ）３４ｄ，３４ｅとは、常時端部同士が前後方向に重合してトンネル径方向に摺動可能になっている。（図９及び図１０参照）。

また、後段寄りに位置した第１テールシールブラシ３３ｄ，３３ｅと第２テールシールブラシ３４ｄ，３４ｅは、その取付部において縦向きと横向きとに取り付けられ、第１及び第２テールシールブラシ間では縦向きのものと横向きのものとが組になって摺接するようになっている。図示例では、切欠き２８の前縁では横向きに第１テールシールブラシ３３ｄが取着され、切欠き２８の後縁では縦向きに第１テールシールブラシ３３ｅが取着される一方、ブロック３０の前縁では縦向きに第２テールシールブラシ３４ｄが取着され、ブロック３０の後縁では横向きに第２テールシールブラシ３４ｅが取着され、第１及び第２テールシールブラシ間では互いに背中合わせになっている（図１及び図２参照）。

また、縦向きに取着された第１テールシールブラシ３３ｅと第２テールシールブラシ３４ｄの取付部には、ブラシ相互の密着性やブラシ先端のセグメントＳに対する圧着性を高めるための第１エアチューブ３５と第２エアチューブ３６がそれぞれ設けられる（図１及び図９参照）。

尚、前記第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｅと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｅは、ワイヤブラシの基端側をプレートで挾んで複数段状に束ねて帯状にした公知のものである。

図中４０は、シール機構が組み込まれた拡幅鋼殻で、セグメントＳと同様に、覆工部材の一種である。

拡幅鋼殻４０は、図１１にも示すように、固定部４１と可動部４２とを有し、固定部４１の外面に形成されてトンネル径方向に延びる２条のガイド溝４３内を可動部４２の端部に形成した２条のスライドレール４４がトンネル径方向に摺動可能に嵌合している。各ガイド溝４３の両側縁部には第１チューブシール（第１シール部材）４５が敷設される一方、各スライドレール４４の両側縁部には前記第１チューブシール４５と摺接する第２チューブシール（第２シール部材）４６が敷設される。

前記第１チューブシール４５と第２チューブシール４６は、図示しない加圧エア供給源から加圧エアが供給されて膨張し、そのシール面４５ａ，４６ａが固定外殻２及び可動外殻３の内面に圧接してシール機能を発揮するものである。前記シール面４５ａ，４６ａ形成部分には適宜金具，布等の補強材が埋設される。また、第１チューブシール４５と第２チューブシール４６との摺接面間には止水ゴム棒４７が介装される。

また、拡幅鋼殻４０は、セグメントＳと同様に、複数のピースからなり、エレクタ装置２４によってリング状に組み立てられる。

また、図中５０は固定外殻２の内面に、前記拡幅鋼殻４０の固定部４１に対応する位置にて、ピン５２等により展設されたゴム板で、前記第１チューブシール４５と第２チューブシール４６が当該ゴム板５０に圧接してシールし得るようになっている。図中５１は可動外殻３の側縁部に、前記拡幅鋼殻４０の固定部４１に対応する位置にて、一体に突設された当て板で、前記第１チューブシール４５と第２チューブシール４６が当該当て板５１に圧接してシールし得るようになっている（特に、拡幅鋼殻４０の可動部４２が拡幅した時にシール機能を発揮する（図５参照））。図中５４ａ〜５４ｃは、拡幅部テールシールブラシで、可動外殻３及び拡幅鋼殻４０の可動部４２が拡幅した時に、第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃとの隙間を埋めてシールするものである。

このように構成されるため、先ず、カッタヘッド１０を回転させながら既設のセグメントＳに反力をとってシールドジャッキ２２を伸長させると、掘削機本体１が前進し、切羽が掘削される。

この際、切羽及びチャンバ１６内には送泥管１７より泥水が供給され、アジテータ１９により掘削土砂と混合・攪拌されて排泥管１８より泥水式シールド掘削機の外部に排出される。

この後、シールドジャッキ２２を縮めることで形成された空所にエレクタ装置２４によって新しいセグメントＳを装着してリング状に組み付ける。以後、これを繰り返すことで所定の長さのトンネルが構築される。

この際、テールシール装置２６においては、図１（ａ）及び図９（ａ）に示すように、後部に位置した第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃとは端部同士が隣接し、後端寄りに位置した第１テールシールブラシ３３ｄ，３３ｅと第２テールシールブラシ３４ｄ，３４ｅとは、端部同士が前後方向に重合してシール機能を発揮して止水する。また、後端寄りに２段に亙って（１段でも良い）配置した第１テールシールブラシ３３ｄ，３３ｅと第２テールシールブラシ３４ｄ，３４ｅは、ゴミ避けとしても機能する。

次に、泥水式シールド掘削機がトンネルの拡幅開始地点に到達したら、図１（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、コピーカッタ２０及び／又はスポーク伸縮ジャッキ２１を適宜作動させて余堀りを行うと共に、既設のセグメントＳに連続させて、エレクタ装置２４によって拡幅鋼殻４０をリング状に組み立てる。

この後、掘削機本体１が前進し、図１（ｃ）及び図９（ｃ）に示すように、拡幅鋼殻４０が、後部に位置した第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃ及び第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃと後端寄りに位置した第１テールシールブラシ３３ｄ，３３ｅ及び第２テールシールブラシ３４ｄ，３４ｅとの間に位置したら、掘削機本体１を停止した後、拡幅鋼殻４０の第１チューブシール４５と第２チューブシール４６へ加圧エアを供給し、当該第１チューブシール４５及び第２チューブシール４６のシール面４５ａ，４６ａを固定外殻２及び可動外殻３の内面に圧着させて止水を行う。

次に、図２（ｄ）及び図１０（ｄ）に示すように、掘削機本体１における全ての拡幅ジャッキ６Ａ，６Ｂを同期して（同時に）伸長し、固定外殻２に対し可動外殻３をトンネル径の拡大方向に摺動させる。これと同時に、拡幅鋼殻４０の可動部４２が第２チューブシール４６と共に固定部４１に対しトンネル径の拡大方向に摺動される（図５参照）。

これにより、掘削機本体１がその後部（テール部）の既設セグメントＳ及び拡幅鋼殻４０と共に拡幅し、トンネルが部分拡幅される。

この際、可動外殻３の当て板５１は、第２チューブシール４６のシール面４６ａが圧着したまま固定外殻２と拡幅鋼殻４０との隙間から所定長さだけ抜け出すが、これと同時にゴム板５０が反転等して第１チューブシール４５のシール面４５ａと密着してシール機能が保持される（図５参照）。

次に、拡幅鋼殻４０の可動部４２と固定部４１との間に形成された空間イ（図５参照）が適宜ブロック体で埋められると共に、後部に位置した第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃとの間に形成された隙間ロ（図１０の（ｄ）参照）に対応する分の既設のセグメント（ピース）Ｓが一時的に取り外される。図示例では２リングに亙って１ピースだけ外される。

次に、図２（ｅ）及び図１０（ｅ）に示すように、前記隙間ロを埋めるべく拡幅部テールシールブラシ５４ａ〜５４ｃを可動外殻３の内面に取り付ける。

そして、図２（ｆ）及び図１０（ｆ）に示すように、前記取り外したセグメント（ピース）Ｓを再度取り付けた後、拡幅鋼殻４０をそのまま残した状態で掘削機本体１を拡幅掘進させる。

尚、トンネルを所定距離部分拡幅した後、縮幅する場合は、トンネルの縮幅開始地点から上述の反対の動作が行われるのは自明であるので説明は省略する。

このようにして、本実施例では、テールシール装置２６において、通常掘進時は主に第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃで止水を行い、拡幅時には主に拡幅鋼殻４０の第１チューブシール４５と第２チューブシール４６で止水を行い、拡幅掘進時に主に第１テールシールブラシ３３ａ〜３３ｃと第２テールシールブラシ３４ａ〜３４ｃと拡幅部テールブラシ５４ａ〜５４ｂで止水を行って、止水システムを切り換えるようにしたので、長い距離のトンネルを構築する際にも、高水圧止水を確実に行えてより安全に掘削することができる。

また、拡幅鋼殻４０において、第１チューブシール４５及び第２チューブシール４６のエア圧や本数を容易に変更することができるので、掘削条件に応じたシール性能を発揮させられるという利点もある。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、第１及び第２テールシールブラシ３３ａ〜３３ｄ，３４ａ〜３４ｄの段数変更や取付構造変更を行っても良いし、固定外殻２と可動外殻３の摺動（スライド）構造変更を行っても良い。また、第１及び第２チューブシール４５，４６に代えて他の構造のシール部材を用いても良い。また、本発明は、泥水式シールド掘削機を用いる例を示したが、土圧式シールド掘削機を用いて良い。

本発明の一実施例を示すテールシール装置の動作手順を示す図である。 同じくテールシール装置の動作手順を示す図である。 図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 図１（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図２（ｄ）のＣ−Ｃ線断面図である。 図１（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図２（ｄ）のＥ−Ｅ線断面図である。 図２（ｅ）のＦ−Ｆ線断面図である。 テールシール装置のテールシールブラシ及びチューブシールの図１に対応する配置図である。 テールシール装置のテールシールブラシ及びチューブシールの図２に対応する配置図である。 拡幅鋼殻の構造説明図である。 泥水式シールド掘削機の側断面図である。 図７のＧ−Ｇ線及びＨ−Ｈ線断面図である。

符号の説明

１ 掘削機本体
２ 固定外殻
３ 可動外殻
４ 支持壁
５ａ，５ｂ 支持ブロック
６Ａ，６Ｂ 拡幅ジャッキ
７ａ，７ｂ 支持ブロック
８ａ，８ｂ 支持ブロック
１０ カッタヘッド
１１ カッタビット
１２ リングギヤ
１３ 駆動モータ
１４ 駆動ギヤ
１５ バルクヘッド
１６ チャンバ
１７ 送泥管
１８ 排泥管
１９ アジテータ
２０ コピーカッタ
２１ スポーク伸縮ジャッキ
２２ シールドジャッキ
２３ 縦梁
２４ エレクタ装置
２６ テールシール装置
２７ 嵌合溝
２８ 切欠き
２９ 嵌合板
３０ スライドブロック
３１ａ，３１ｂ シール部材
３３ａ〜３３ｅ 第１テールシールブラシ
３４ａ〜３４ｅ 第２テールシールブラシ
３５ 第１エアチューブ
３６ 第２エアチューブ
４０ 拡幅鋼殻
４１ 固定部
４２ 可動部
４３ ガイド溝
４４ スライドレール
４５ 第１チューブシール
４６ 第２チューブシール
４７ 止水ゴム棒
５０ ゴム板
５１ 当て板
５２ ピン
５４ａ〜５４ｃ 拡幅部テールシールブラシ
Ｓ セグメント

Claims (5)

1. 固定外殻に対し可動外殻の一部をトンネル径拡大方向へ摺動可能に重合させてなる掘削機本体と、前記可動外殻を摺動させる拡幅ジャッキと、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、同掘削機本体の前部に回転可能に支持されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを回転駆動する駆動手段と、前記固定外殻及び可動外殻の後端部において止水を行うテールシール装置と、を備えたトンネル掘削機において、
   前記テールシール装置は、前記固定外殻の内面に前後方向複数段に亙って設置された帯状の第１テールシールブラシと、前記可動外殻の内面に前後方向複数段に亙って設置された帯状の第２テールシールブラシと、掘削機本体の拡幅状態下で前記第１テールシールブラシと第２テールシールブラシの端部間の隙間に設置される拡幅部テールシールブラシと、トンネルの拡縮開始地点に既設セグメントと連続して設置され固定部に対し可動部の一部をトンネル径拡大方向に摺動可能に重合させてなる拡幅鋼殻と、を備え、
   前記拡幅鋼殻は、固定部の外面と可動部の外面とにトンネル径拡大方向へ摺動可能に重合して周回すると共に前記第１及び第２テールシールブラシの後方位置にて外方へ張り出して止水可能な第１シール部材と第２シール部材を備え、たことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記テールシール装置は、さらに固定外殻の後端寄りの内面に少なくとも１段設置された帯状の第３テールシールブラシと、前記可動外殻の内面に前記第３テールシールブラシとトンネル径拡大方向に摺動可能な位置に少なくとも１段設置された帯状の第４テールシールブラシと、備えたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記第１シール部材と第２シール部材は、前後方向に複数段に亙って設けられ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. 前記第１シール部材と第２シール部材は、必要時に加圧エア供給源から加圧エアが供給されて膨張するチューブシールであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記固定外殻の内面に前記拡幅鋼殻の第１シール部材が圧接可能なゴム板が展設されることを特徴とする請求項３又は４に記載のトンネル掘削機。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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