JP4592565B2 - 拡幅部掘削用シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの一部を拡張した拡幅部をトンネルの掘削途中で連続して掘削する拡幅部掘削用シールド掘進機に関する。

従来、拡幅部をトンネルの掘削途中に連続して掘削可能なシールド掘進機がたとえば特許文献１に開示されている。
このシールド掘進機は、標準の円形トンネルを掘削するカッタと、シールド本体の胴部から突出される拡幅部カッタと、この拡幅部カッタの後部で前記胴部から拡幅部カッタの後方に突出される拡幅部材とを具備している。
特開２００２−８９１７２

上記従来のシールド掘進機では、拡幅部の掘削時に、拡幅部カッタと拡幅部材の間に生じた空間部を土留めするために、拡幅部カッタと拡幅部材の間に突出して空間部の天面と外側面上部を覆う土留め用のスライドルーフが設けられている。

しかし、土留め用のスライドルーフを突出させたとしても、拡幅部カッタと拡幅部材の間の前記空間部は、外側面下部と底面とが開放されていることから、土質によっては地山が崩壊するおそれがあり、崩壊した土砂が拡幅部カッタと拡幅部材の間に流れ込んで推進抵抗となりスムーズに掘削できないという問題が生じる。

本発明は上記問題点を解決して、スライドルーフなどを用いることなく、拡幅部掘削装置と拡幅胴部の間の空間部をなくして、拡幅部をより安全かつスムーズに掘削可能な拡幅部掘削用シールド掘進機を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、トンネルの掘削途中で当該トンネルの一部を拡張した拡幅部を掘削可能な拡幅部掘削用シールド掘進機であって、シールド本体の外殻に、開閉可能な前部開口部と後部開口部とを形成し、シールド本体内に掘進方向と直交する旋回軸心周りに旋回自在に支持されてシールド本体内から前記前部開口部を介してシールド本体外側の掘削位置に出退自在な拡幅部掘削装置を設け、シールド本体内に前記旋回軸心と同一軸心周りに旋回自在に設けられてシールド本体内から前記後部開口部を介して前記拡幅部掘削装置の後部に出退可能で、かつ前記拡幅部掘削装置に接続される拡幅胴部を設けたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前部開口部に開閉ゲート装置が設けられ、後部開口部はシールド本体の外殻の一部が取り外し自在に構成されたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、拡幅胴部は、旋回軸心周りに支持された拡幅前胴と、拡幅部の掘削のためにシールド本体に搬入されて前記拡幅前胴に接続される拡幅後胴からなり、前記拡幅胴部の旋回時に、前記拡幅前胴の前端部が、旋回軸心を中心として円弧状に形成された拡幅部掘削装置の外周板に沿って旋回移動し拡幅部掘削装置に外嵌するように構成されたものである。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、拡幅胴部内に組み立てられた覆工体を反力受けとして、シールド本体を推進する拡幅部推進ジャッキを前記拡幅胴部内に設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、前部開口部を開放し、収納位置の拡幅部掘削装置を旋回軸心周りに旋回して前部開口部からシールド本体の外側の掘削位置に突出させ、シールド掘進機を掘進して拡幅部掘削装置の後部に拡幅部の空間を形成し、次いで後部開口部を開放し、拡幅胴部を前記旋回軸心周りに旋回して後部開口部から前記拡幅部の掘削空間内に突出させ、拡幅部掘削装置の後部に拡幅胴部を接続する。これにより、従来のように拡幅部掘削装置と拡幅胴部の間に空間部が形成されることなく、拡幅部掘削装置の後部に拡幅胴部を確実に接続することができ、地山の崩壊もなく安全にかつスムーズに拡幅部の掘削を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、前部開口部に設けられた開閉ゲート装置により、拡幅部掘削装置を迅速に出退することができる。またシールド本体の外殻の一部を取り外して後部開口部を開口することで、後部開口部の開放のための装置を簡略化することができる。

請求項３記載の発明によれば、拡幅胴部は、その拡幅後胴を、拡幅部を掘削する前にシールド本体内に搬入し拡幅前胴に接続して形成するので、通常掘削時のシールド本体の内部空間を広く確保できて有効利用することができる。また拡幅胴部の回動時に、その前端部を拡幅部掘削装置の外周板に沿って旋回移動させることで、拡幅部掘削装置と拡幅胴部との間に必要以上の隙間が生じることなく、拡幅胴部の出退作業を地山が安定した状態で安全に行うことができ、また拡幅胴部の前端部を拡幅部掘削装置に外嵌させることで、拡幅部掘削装置と拡幅胴部との間に空間部が生じることなく、拡幅部掘削装置と拡幅胴部の接続作業を容易に行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、拡幅胴部内に、覆工体を組み立てるとともに、この覆工体を反力受けとする拡幅部推進ジャッキを設けることにより、拡幅部の掘削時にシールド本体を安定して推進させることができ、シールド本体の姿勢制御が容易となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
本発明に係る拡幅部掘削用シールド掘進機は、図１〜図４に示すように、シールド本体１の前部に円形断面のトンネルを掘削する主掘削装置１１を設け、このシールド本体１側部のスキンプレート（外殻）１ａに前部開口部４と、この前部開口部４に連続して後方に形成された後部開口部５とをそれぞれ開閉可能に設け、シールド本体１内に、シールド本体１内から前部開口部４を介して出退自在な拡幅部掘削装置２と、シールド本体１内から後部開口部５を介して出退自在でかつ拡幅部掘削装置２の後部に接続される拡幅胴部３とを設けたものである。

（シールド掘進機）
円形断面のシールド本体１の前部には圧力隔壁１２が配置され、圧力隔壁１２の前部に、主掘削装置１１により掘削された切羽面の崩壊土圧を支持する圧力室１３が形成されるとともに、後部に大気室１４が形成されている。前記主掘削装置１１は、圧力隔壁１２に旋回軸受を介してシールド軸心Ｏ周りに回転自在に配置された旋回リング１５と、前記旋回リング１５に複数の脚部１６を介して支持された円盤状のカッタヘッド１７と、旋回リング１５を介してカッタヘッド１７を回転駆動する主カッタ駆動装置１８とで構成されている。また圧力隔壁１２には、排土装置である送泥管２１Ａと排泥管２１Ｂとが貫設されている。

前記カッタヘッド１７は、図６に示す放射方向に形成された複数の土砂取込口１７ａと、これら土砂取込口１７ａに沿う位置や中心部、外周部に配置された図１に示す多数の掘削ビット１７ｂおよび余掘り用のコビーカッター１７ｃとを有している。

前記主カッタ駆動装置１８は、旋回リング１５の後端部周囲に設けられたリングギヤ１８ａと、このリングギヤ１８ａに噛み合う複数のピニオン１８ｂと、各ピニオン１８ｂをそれぞれ回転駆動する主カッタ駆動モータ１８ｃとで構成されている。

シールド本体１の後部には、スキンプレート１ａの内面に沿って覆工体であるセグメントＳを組み立てるエレクタ装置１９が配設され、このエレクタ装置１９により組み立てられたセグメントＳを反力受けとしてシールド本体１を推進する複数の推進ジャッキ２０が周方向に所定間隔ごとに設けられている。また、拡幅部の掘削時には、図７に示すように、このエレクタ装置１９により拡幅胴部３内に拡幅部セグメントＳｗが組み立てられる。

（拡幅部掘削装置２および拡幅胴部３）
シールド本体１のスキンプレート１ａには、図３に示すように、掘進方向に向かって左側部に前部開口部４と後部開口部５とが連続して形成されている。前記前部開口部４は、大気室１４の前部側に形成されて開閉ゲート装置６により開閉自在に構成される。また後部開口部５は、前部開口部４からシールド本体１の後端部にわたって形成され、この後部開口部５はスキンプレート１ａの一部を取り外し可能な離脱プレート１ｂで閉鎖され、前記離脱プレート１ｂを取り外すことにより後部開口部５を開放することができる。

前記ゲート装置６は、図４に示すように、前部開口部４の全面を覆いかつスキンプレート１ａの内面に沿って周方向にスライド自在な上下一対のゲート板６ａ，６ａと、各ゲート板６ａ，６ａの両側で内面に取り付けられたラックにそれぞれ噛み合うピニオンを有するラック・ピニオン機構６ｂ，６ｂと、ラック・ピニオン機構６ｂ，６ｂを駆動しゲート板６ａ，６ａを上下相対方向にスライドさせて前部開口部４を開閉するゲート開閉モータ６ｃ，６ｃとで構成されている。

シールド本体１内には、前記前部開口部４に対向する位置に、拡幅部掘削装置２がシールド掘進機の掘進方向と直交する垂直方向の旋回軸３１を中心に旋回自在に支持されている。そして、この拡幅部掘削装置２を、図１に示すシールド本体１内の収納位置と図５に示すシールド本体１外側の掘削位置との間で、旋回軸３１を中心に旋回し前部開口部４を介して出退させる拡幅部出退駆動装置３６が設けられている。

前記拡幅部掘削装置２は、軸心位置で旋回軸３１に旋回自在に支持された縦置きの略１／４円筒体形で、略１／４円形の天板３２ａおよび底板３２ｂと、略１／４円弧状の外周板３２ｃとからなる拡幅部スキンプレート３２を具備している。そして拡幅部スキンプレート３２内で外側の開口面に、仕切壁３３を介して拡幅部カッタ装置３５が配置されている。また前記仕切壁３３に拡幅部排土装置を構成する拡幅部排泥管３４が貫設されている。

前記拡幅部カッタ装置３５は上下一対の掘削部を有しており、仕切壁３３の上下位置にそれぞれ回転自在に配置された２つの公転体３５ｂ，３５ｂと、これら各公転体３５ｂ，３５ｂの軸心から所定距離離れた偏心軸心周りにそれぞれ回転自在に支持された自転軸（自転体）３５ｃ，３５ｃと、これら各自転軸３５ｃ，３５ｃの先端部にそれぞれ取り付けられたスポーク式カッタ３５ａ，３５ａと、公転体３５ｂ，３５ｂの回転速度を自転軸３５ｃ，３５ｃの回転速度の３倍で逆方向に回転駆動する遊星ギヤ式のカッタ駆動機構３５ｄ，３５ｄとで構成され、前記スポーク式カッタ３５ａ，３５ａの３本のスポークの先端部がルーロの三角形の頂点に突出されることにより、上部および下部に一部が重なる矩形の掘削面を形成するように構成される。

拡幅部出退駆動装置３６は、拡幅部掘削装置２の外周部に、拡幅部掘削装置２の旋回方向に沿う円弧状の反力受材３６ａがシールド本体１に支持され、この反力受材３６ａに所定間隔ごとに設けられた複数のブラケット３６ｂと拡幅部掘削装置２との間に掘削部出退ジャッキ３６ｃが着脱可能に連結されている。したがって、掘削部出退ジャッキ３６ｃが連結される前記ブラケット３６ｂを前部側から順次後部側に（後部側から順次前部側に）付け替えて掘削部出退ジャッキ３６ｃを進展（収縮）させることにより、拡幅部掘削装置２を収納位置と掘削位置との間で突出（後退）させることができる。

拡幅胴部３は、拡幅部掘削装置２に対してその正面視外形より僅かに大きく、拡幅部掘削装置２に外嵌可能な上板と下板と外側板からなるチャンネル形断面に形成され、シールド掘進機の掘進方向に向かって前部右側部が旋回軸３１に支持されて旋回軸３１側（内側）が開放されている。そして拡幅胴部３は、予め拡幅部掘削装置２と同じ旋回軸３１に旋回自在に支持された拡幅部前胴３ａと、拡幅部の掘削前にシールド本体１内に搬入されて前記拡幅部前胴３ａの後部に接続される拡幅部後胴３ｂとで構成される。そしてこの拡幅胴部３の出退時には、図示しない胴部出退駆動装置３８により旋回されて出退される。この胴部出退駆動装置３８は、拡幅部出退駆動装置３６と共通の反力受材３６ａおよびブラケット３６ｂと、前記ブラケット３６ｂと拡幅部前胴３ａとの間に連結される胴部出退ジャッキ３８ａと、図示しない補助装置とで構成され、胴部出退ジャッキ３８ａが連結される前記ブラケット３６ｂを前部側から順次後部側に（後部側から順次前部側に）付け替えて胴部出退ジャッキ３８ａを進展（収縮）させ、拡幅胴部３を回動することにより拡幅胴部３を突出（後退）させることができる。

また拡幅胴部３の拡幅部後胴３ｂには、拡幅部セグメントＳｗを反力受けとしてシールド本体１を推進する拡幅部推進ジャッキ３７が取り付けられる。
（拡幅部掘削装置２および拡幅胴部３による拡幅部の掘削動作）
１．シールド掘進機が拡幅部に達すると、掘進を停止し、開閉ゲート装置６を開動して前部開口部４を開放する。必要に応じて開放前に薬剤による地山改良が実施される。

２．拡幅部出退駆動装置３６により拡幅部掘削装置２を収納位置から旋回軸３１を中心に旋回させ、拡幅部カッタ装置３５を駆動しつつ拡幅部掘削装置２を前部開口部４から突出させて地山を掘削し、拡幅部カッタ装置３５による掘削面がシールド軸心Ｏに略垂直となる掘削位置まで旋回させて停止し固定する。

３．シールド掘進機１を推進させ、主掘削装置１１と拡幅部掘削装置２により通常の円形断面のトンネルと拡幅部の掘削空間を掘削しつつ所定距離（拡幅胴部３の長さ分以上）推進させる。

４．シールド本体１内に搬入された拡幅部後胴３ｂを拡幅部前胴３ａに接続して拡幅胴部３を組み立てる。これは前記の掘削作業中に行うこともできる。
そして、拡幅胴部３の旋回時に干渉するセグメントＳとエレクタ装置１９の一部を撤去し、シールド本体１の離脱プレート１ｂ部分に設けられた推進ジャッキ２０を取り外し、さらに離脱プレート１ｂを取り除いて後部開口部５を開放する。この時、拡幅部の掘削空間近傍の地山は、地山改良または地山改良なしで自立されている。

５．胴部出退駆動装置３８により拡幅胴部３を旋回軸３１を中心に外側に旋回させ、後部開口部５から拡幅部の掘削空間に押し出す。この時、拡幅胴部３の前端部は、拡幅部掘削装置２の拡幅部スキンプレート３２の天板３２ａや底板３２ｂ、外周板３２ｃに沿ってそれぞれ旋回移動して必要以上の隙間が形成されることがない。そして拡幅胴部３が前端部が拡幅部スキンプレート３２の外側に外嵌されて、拡幅部掘削装置２の後部に拡幅胴部３が接続される。（ここで、接続具や溶接により拡幅部掘削装置２と拡幅胴部３と接続してもよい。）さらに拡幅胴部３の上板および下板を前部開口部４および後部開口部５の上辺部および下辺部のスキンプレート１ａに接続固定する。

６．シールド掘進機を推進し、主掘削装置１１と拡幅部掘削装置２とにより円形のトンネルと拡幅部とを掘進する。そしてシールド本体１の後部では、エレクタ装置１９により、シールド本体１の内面に沿ってセグメントＳを組み立てると共に、拡幅胴部３の内面に沿って拡幅部セグメントＳｗを組み立て、さらに推進ジャッキ２０と拡幅部推進ジャッキ３７とにより、組み立てられたセグメントＳおよび拡幅部セグメントＳｗを反力受けとしてシールド本体１を推進する。

７．円形のトンネルと共に拡幅部の掘削空間が、拡幅胴部３を嵌め込み可能な距離だけ掘削されると、シールド掘進機を停止し、まず拡幅胴部３の後退時に干渉する拡幅胴部３内の拡幅部セグメントＳｗを撤去する。そしてスキンプレート１ａと拡幅胴部３とを分離する。

８．胴部出退駆動装置３８により拡幅胴部３を旋回軸３１を中心に内側に旋回させシールド本体１内に引き込む。そして拡幅胴部３と拡幅部推進ジャッキ３７などを分解し拡幅部後胴３ｂを撤去する。さらに離脱プレート１ｂを後部開口部５に取り付けて閉鎖する。さらに推進ジャッキ２０を離脱プレート１ｂ部分に装着して復元する。

９．拡幅部出退駆動装置３６により拡幅部掘削装置２を掘削位置から内側に旋回して、前部開口部４からシールド本体１１内の収納位置に引き込む。さらに開閉ゲート装置６を閉動して前部開口部４を閉鎖する。

そして通常の円形トンネルの掘削を再開する。
（実施の形態の効果）
上記構成によれば、前部開口部４を開放し拡幅部掘削装置２を旋回軸３１を中心に旋回して前部開口部４からシールド本体１の外側の掘削位置に突出させ、シールド掘進機を掘進して拡幅部掘削装置２により拡幅部の掘削空間を掘削する。次いで後部開口部５を開放し、拡幅胴部３を旋回軸３１を中心に旋回して後部開口部５から拡幅部の掘削空間内に突出させ、さらに拡幅部掘削装置２の後部に拡幅胴部３を接続する。これにより、従来のように拡幅部掘削装置２と拡幅胴部３の間に空間部が形成されることがなく、拡幅部掘削装置２と拡幅胴部３とを容易かつ確実に接続することができ、地山の崩壊もなく、安全にかつスムーズに拡幅部の掘削を行うことができる。

また開閉ゲート装置６により前部開口部４を迅速に開放、閉鎖して、拡幅部掘削装置２を短時間で突出、収納することができ、拡幅部の掘削準備や終了のための作業時間を短縮することができる。またスキンプレート１ａの一部である離脱プレート１ｂを取り外して後部開口部５を開放するので、開閉装置を設けるのに比較して、シールド本体１の内部設備類を簡略化することができ、内部空間を有効利用することができる。

さらに拡幅胴部３は、拡幅後胴３ｂを、シールド本体１内に搬入して拡幅前胴３ａに接続し拡幅胴部３を形成するので、通常掘削時のシールド本体１の内部空間を広く確保できて有効利用することができる。また拡幅胴部３の出退時に、拡幅胴部３の前端部を、拡幅部掘削装置２の拡幅部スキンプレート３２の外周板３２ｃに沿って旋回移動させることで、拡幅部掘削装置２と拡幅胴部３との間に必要以上の隙間ができることがなく、拡幅胴部３の出退作業を地山を安定した状態で安全に行うことができる。また拡幅胴部３の前端部を拡幅部掘削装置２に外嵌させることで、拡幅部掘削装置２と拡幅胴部３の接続を容易かつ確実に行うことができる。

さらにまた、拡幅胴部３に拡幅部推進ジャッキ３７を設けることにより、拡幅部の掘削時に、シールド本体１を拡幅胴部３と共に安定して推進することができ、シールド本体１の姿勢制御を容易に行うことができる。

本発明に係る拡幅部掘削用シールド掘進機の実施の形態を示す平面方向から見た中央断面図である。 同シールド掘進機の縦断面図である。 同シールド掘進機の右側面図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図である。 同拡幅部の掘削状態のシールド掘進機を示す平面方向から見た中央断面図である。 同拡幅部の掘削状態のシールド掘進機を示す正面図である。 図５に示すＢ−Ｂ断面図である。 拡幅部掘削の準備作業を説明するもので、拡幅部を掘削位置に突出させた状態を示す平面方向から見たシールド掘進機の中央断面図である。 拡幅部掘削の準備作業を説明するもので、突出前の拡幅胴部の組立状態を示す平面方向から見たシールド掘進機の中央断面図である。 拡幅部掘削の準備作業を説明するもので、突出前の拡幅胴部の組立状態を示す右後方上方から見たシールド掘進機の概略斜視図である。 拡幅部掘削の準備作業を説明するもので、拡幅部の掘削状態を示す右後方上方から見たシールド掘進機の概略斜視図である。

符号の説明

Ｏ シールド軸心
Ｓ セグメント
Ｓｗ 拡幅部セグメント
１ シールド本体
１ａ スキンプレート
１ｂ 離脱プレート
２ 拡幅部掘削装置
３ 拡幅胴部
３ａ 拡幅部前胴
３ｂ 拡幅部後胴
４ 前部開口部
５ 後部開口部
６ 開閉ゲート装置
１１ 主掘削装置
１９ エレクタ装置
２０ 推進ジャッキ
３１ 旋回軸
３２ 拡幅部スキンプレート
３２ｃ 外周板
３４ 拡幅部排泥管
３５ 拡幅部カッタ装置
３６ 拡幅部出退駆動装置
３７ 拡幅部推進ジャッキ
３８ 胴部出退駆動装置
３８ａ 胴部出退ジャッキ

Claims (4)

1. トンネルの掘削途中で当該トンネルの一部を拡張した拡幅部を掘削可能な拡幅部掘削用シールド掘進機であって、
   シールド本体の外殻に、開閉可能な前部開口部と後部開口部とを形成し、
   シールド本体内に掘進方向と直交する旋回軸心周りに旋回自在に支持されてシールド本体内から前記前部開口部を介してシールド本体外側の掘削位置に出退自在な拡幅部掘削装置を設け、
   シールド本体内に前記旋回軸心と同一軸心周りに旋回自在に支持されてシールド本体内から前記後部開口部を介して前記拡幅部掘削装置の後部に出退可能で、かつ前記拡幅部掘削装置に接続される拡幅胴部を設けた
   拡幅部掘削用シールド掘進機。
2. 前部開口部に開閉ゲート装置が設けられ、
   後部開口部はシールド本体の外殻の一部が取り外し自在に構成された
   請求項１記載の拡幅部掘削用シールド掘進機。
3. 拡幅胴部は、旋回軸心周りに支持された拡幅前胴と、拡幅部の掘削のためにシールド本体に搬入されて前記拡幅前胴に接続される拡幅後胴からなり、
   前記拡幅胴部の旋回時に、前記拡幅前胴の前端部が、旋回軸心を中心として円弧状に形成された拡幅部掘削装置の外周板に沿って旋回移動し拡幅部掘削装置に外嵌するように構成された
   請求項１または２記載の拡幅部掘削用シールド掘進機。
4. 拡幅胴部内に組み立てられた覆工体を反力受けとして、シールド本体を推進する拡幅部推進ジャッキを前記拡幅胴部内に設けた
   請求項１乃至３のいずれかに記載の拡幅部掘削用シールド掘進機。
   
   

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