JP4629626B2 - トンネル掘削機及びトンネル掘削工法 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤をはじめ軟弱地盤などの各種地盤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、軟弱な地盤を掘削するトンネル掘削機として、例えば泥土圧式シールド掘削機が良く知られている。

これは、地山を切削するカッターヘッドを土壁の崩壊を防ぐ筒状のシールド（掘削機本体）の前端に回転可能に備え、カッターヘッドで掘削した土砂を取り込むカッターチャンバーが掘削機本体内の前端部にバルクヘッドにより仕切られて形成されている。

そして、切羽からの土圧の作用下にあるカッターチャンバー内に取り込まれた土砂や泥水等は、バルクヘッドから掘削機本体内の後方へ配設されたスクリューコンベヤにより排土されるようになっている。スクリューコンベヤは、通常、円筒形のコンベヤハウジングとこのコンベヤハウジング内に収容されて油圧モータで回転駆動されるスクリューオーガとを備えている。

そのほかさらに、それらを前進させるための推進手段（シールドジャッキ）などを具備し、地中に貫入して地表上には影響を及ぼさず、安全・確実にトンネルを掘進することができる。

ところで、掘進途中で、地盤が軟弱な地盤から岩盤などの硬質な地盤に変わることがある。このような場合、従来では、切羽の崩壊の虞がないことから、カッターチャンバー内を加圧することを止めて、所謂開放式マシンに切り替えて掘進していた。

この際、切羽側に圧力がかからないことから、例えば特許文献１に開示されているように、スクリューコンベヤのスクリューオーガの先端をカッターチャンバー内に突き出したとしても、スクリューコンベヤへの土砂等の取り込みが悪くなるので、スクリューコンベヤからベルトコンベヤに置換して土砂等の排土を行っていた。

特開２００３−９７１８９号公報

上述したように、従来では、軟弱な地盤と硬質な地盤が交互に出現するような地盤の場合には、泥土圧式シールド掘削機と開放式マシンとの切換えに伴い、スクリューコンベヤとベルトコンベヤの置換を行っていたため、切換え作業に多大な労力と時間を要し施工性が低かった。

そこで、本発明の目的は、スクリューコンベヤを効果的に用いてトンネル掘削機を簡易に切り換えることができる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、
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スクリューコンベヤ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、
前記スクリューコンベヤのスクリューオーガの先端をカッターチャンバー内に突出可能に構成すると共に、同スクリューオーガを収容するコンベヤハウジングの先端部を、バルクヘッドに横向きに取り付けられたスイングジャッキの伸縮により、前記コンベヤハウジングの基端側支持部を中心としてスイング可能に構成したことを特徴とする。

また、前記スイングジャッキはコンベヤハウジングの左右両側に一対設けられ、スイングの際には相反的に伸縮す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、
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スクリューコンベヤ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、
前記スクリューコンベヤのスクリューオーガの先端をカッターチャンバー内に突出させると共に、同スクリューオーガを収容するコンベヤハウジングの先端部を、バルクヘッドに横向きに取り付けられたスイングジャッキの伸縮により、前記コンベヤハウジングの基端側支持部を中心としてスイングさせながらトンネルを掘進することを特徴とする。

本発明によれば、スクリューオーガの先端がカッターチャンバー内に突出した状態でコンベヤハウジングの少なくとも先端側が左右方向に移動することで、カッターチャンバー内が加圧されていなくてもスクリューコンベヤにより掘削土砂を排土することが可能となる。

この結果、スクリューコンベヤとベルトコンベヤの置換を行なわずに、トンネル掘削機を簡易に切り換えることができ、施工性が一段と向上する。

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は本発明の一実施例を示すトンネル掘削機の概略側断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３はスイング機構部の説明図である。

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のカッタースポーク（図示せず）がその各々の間に面板（図示せず）を配して固定される。カッタースポーク及び面板には、軟弱な地盤を掘削するカッタービットや岩盤などの硬質な地盤を掘削するディスクカッター等のカッター類４が装着される。

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５が装着される。さらに、カッターヘッド３の外周には、径方向へ油圧ジャッキ６により伸縮（出没）可能に、適当数のコピーカッター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６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。

前記掘削機本体１の内部にはスクリューコンベヤ１２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１２の前端部（取出口）が隔壁２の下部を貫通し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１３に開口すると共に、後下部に設けた排出口（ジャッキ１４駆動のゲート１５で開閉される）がトンネル内の長手方向に配設されたベルトコンベヤ１６上に対向するのである。このスクリューコンベヤ１２は、後上がりに傾斜して配置された円筒状のコンベヤハウジング１７の内部に、駆動モータ１８によって回転可能にスクリューオーガ１９が装着されてなる。

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Ｓに対し伸縮し得る推進ジャッキ２０が円周方向へ所定間隔離間して多数本配設される。また、掘削機本体１の後端部は、テールシール２１を介して前記既設セグメントＳの外周に嵌合している。また、掘削機本体１の後部には前記セグメントＳを組み立てるエレクタ２２と後方張出台２３が組み付けられ、この後方張出台２３上に、前記組み立てたセグメントＳの真円保持を行うセグメントアジャスタ２４が装備される。

そして、本実施例では、前記スクリューコンベヤ１２は、そのスクリューオーガ１９の先端がカッターチャンバー１３内に突出可能であると共に、同スクリューオーガ１９を収容するコンベヤハウジング１７の先端側が左右方向にスイング可能になっている。

即ち、コンベヤハウジング１７は軸方向に二分割され、その前半側のコンベヤハウジング１７ａが筒状の連結ハウジング２５の前部に嵌着される一方、スクリューオーガ１９を回転自在に支持する後半側のコンベヤハウジング１７ｂが前記連結ハウジング２５の後部に伸縮自在に嵌合され、同連結ハウジング２５と後半側のコンベヤハウジング１７ｂとに複数本のスクリュースライドジャッキ２６が架設されるのである。図示例では、スクリュースライドジャッキ２６が収縮した状態を示し、これによってスクリューオーガ１９の先端がカッターチャンバー１３内に突出されている。

さらに、コンベヤハウジング１７（厳密には前半側のコンベヤハウジング１７ａ）の先端側は、図３にも示すように、バルクヘッド２に形成した開口部２ａに対し、コンベヤハウジング１７の外周に付設したフランジ状板２７を介して前記開口部２ａの閉塞状態を保持しつつ左右方向に所定のスイング角度でスイング可能になっている。図示例では、バルクヘッド２の開口部２ａ周縁に断面コ字状で全体矩形の案内枠２８が取り付けられ、この案内枠２８内を前記フランジ状板２７がそのスイングに伴う前後方向の微小の変位が吸収されつつ摺接可能になっている。

さらにまた、コンベヤハウジング１７（厳密には前半側のコンベヤハウジング１７ａ）の先端部は、バルクヘッド２の裏面に横向きに取り付けられた左右一対のスイングジャッキ２９の相反的な伸縮により、前記コンベヤハウジング１７の基端側支持部（厳密には後半側のコンベヤハウジング１７ｂの支持部）を中心としてスイング可能になっている（図３のスイング中心Ｏ参照）。尚、コンベヤハウジング１７の基端側支持部は図示しないが掘削機本体１側に適宜吊設されるか枢支される。また、図１中３０はカッターヘッド３の中心軸上を旋回可能なアジテータ３１を駆動する電動モータである。

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。ここでは、軟弱な地盤に対するトンネル構築作業から先に説明する。

先ず、全ての推進ジャッキ２０が縮んだ初期位置（図１の状態）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２０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Ｓで受ける。そして、この推進により、カッターヘッド３に装着されたカッター類４（厳密には多数のカッタービット）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１３からスクリューコンベヤ１２及びベルトコンベヤ１６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２０を部分的に順次縮めてエレクタ２２及びセグメントアジャスタ２４によりセグメントＳ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、前述した掘削下で岩盤などの硬質な地盤に遭遇した場合は、先ず、切羽への添加材の注入を停止すると共に、カッターチャンバー１３内の加圧状態を解く（即ち、土砂を充満させない）。

次に、図１に示すように、伸長状態にあるスクリュースライドジャッキ２６を収縮させてスクリューオーガ１９の先端をカッターチャンバー１３内に所定長さ（例えば１ｍ程度）だけ突出させる。

この後、左右一対のスイングジャッキ２９を相反的に伸縮してスクリューコンベヤ１２の先端側を左右方向にスイングさせる。これにより、カッターチャンバー１３内に突出したスクリューオーガ１９の先端もカッターチャンバー１３内の底部において左右方向にスイングする。

そして、この状態下で、前述した軟弱な地盤と同様の工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していく。

この際、カッターヘッド３に装着されたカッター類４（厳密には多数のディスクカッター）で掘削された土砂はカッターチャンバー１３内の底部に崩れ落ち、ここからスイング状態下にあるスクリューオーガ１９の先端で掻き集められてスクリューコンベヤ１２及びベルトコンベヤ１６等によって外部に排出される。

このようにして、本実施例では、スクリューオーガ１９の先端がカッターチャンバー１３内に突出した状態でコンベヤハウジング１７の先端側が左右方向にスイングすることで、カッターチャンバー１３内が加圧されていなくてもスクリューコンベヤ１２により掘削土砂を排土することが可能となる。

この結果、スクリューコンベヤ１２とベルトコンベヤ１６の置換を行なわずに、泥土圧式シールド掘削機と開放式シールド掘削機との間で簡易に切り換えることができ、施工性が一段と向上する。

そして、本実施例では、コンベヤハウジング１７（厳密には前半側のコンベヤハウジング１７ａ）の先端部が、バルクヘッド２に形成した開口部２ａに対し、コンベヤハウジング１７（厳密には前半側のコンベヤハウジング１７ａ）の外周に付設したフランジ状板２７を介して前記開口部２ａの閉塞状態を保持しつつ左右方向にスイングするので、掘削土砂が開口部２ａより漏れ出すことが防止される。

また、コンベヤハウジング１７（厳密には前半側のコンベヤハウジング１７ａ）の先端部を、バルクヘッド２に横向きに取り付けられた左右一対のスイングジャッキ２８の相反的な伸縮によりスイングさせるので、スイングジャッキ２８の小型・小容量化が図れると共に、円滑なスイング動作が得られる。勿論、片側だけに配置したスイングジャッキ２８だけでスイングさせても良い。

尚、上記実施例では、コンベヤハウジング１７の先端側を左右方向にスイングさせるようにしたが、コンベヤハウジング１７の全体を左右方向に平行移動させても良い。また、掘削土砂のスクリューコンベヤ１２への取り込みを容易にするために、バルクヘッド２にプロペラ状の土砂突き崩し装置を設けても良い。

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等スクリューコンベヤを用いたトンネル掘削機一般に適用することができる。

本発明の一実施例を示すトンネル掘削機の概略側断面図、図２は、図３はである。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 スイング機構部の説明図である。

符号の説明

１ 掘削機本体
２ 隔壁
２ａ 開口部
３ カッターヘッド
４ カッター類
５ フィッシュテールカッター
６ 油圧ジャッキ
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 スクリューコンベヤ
１３ カッターチャンバー
１４ ジャッキ
１５ ゲート
１６ ベルトコンベヤ
１７ コンベヤハウジング
１８ 駆動モータ
１９ スクリューオーガ
２０ 推進ジャッキ
２１ テールシール
２２ エレクタ
２３ 後方張出台
２４ セグメントアジャスタ
２５ 連結ハウジング
２６ スクリュースライドジャッキ
２７ フランジ状板
２８ 案内枠
２９ スイングジャッキ
３０ 電動モータ
３１ アジテータ
Ｓ セグメント

Claims (3)

1. 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スクリューコンベヤ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、
   前記スクリューコンベヤのスクリューオーガの先端をカッターチャンバー内に突出可能に構成すると共に、同スクリューオーガを収容するコンベヤハウジングの先端部を、バルクヘッドに横向きに取り付けられたスイングジャッキの伸縮により、前記コンベヤハウジングの基端側支持部を中心としてスイング可能に構成したことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記スイングジャッキはコンベヤハウジングの左右両側に一対設けられ、スイングの際には相反的に伸縮することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 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スクリューコンベヤ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、
   前記スクリューコンベヤのスクリューオーガの先端をカッターチャンバー内に突出させると共に、同スクリューオーガを収容するコンベヤハウジングの先端部を、バルクヘッドに横向きに取り付けられたスイングジャッキの伸縮により、前記コンベヤハウジングの基端側支持部を中心としてスイングさせながらトンネルを掘進することを特徴とするトンネル掘削工法。

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