JP4762452B2

JP4762452B2 - トンネル掘削工法

Info

Publication number: JP4762452B2
Application number: JP2001259039A
Authority: JP
Inventors: 浩史山田; 淳一田中; 年史井上; 清宮; 健太松原
Original assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems Ltd
Current assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2003064981A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するトンネル掘削工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なシールド掘削機において、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが駆動モータにより駆動回転自在に装着される一方、後部に複数のシールドジャッキが円周方向に並設されており、このシールドジャッキを伸長して既設セグメントへの押し付け反力により掘削機本体を前進することができる。また、掘削機本体の後部にはエレクタ装置が装着されており、このエレクタ装置はシールドジャッキによって前進した掘削機本体と既設セグメントとの間の空所に新しいセグメントを装着することで、セグメントをリング状に組み付けてトンネルを構築することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにシールド掘削機では、旋回するカッタヘッドが前方の地盤を掘削し、掘削土砂をこのカッタヘッド後方のチャンバ内に取り込んで、スクリューコンベヤなどにより外部に排出している。この場合、トンネル掘削領域が浅深度域であったり、掘削地盤が礫などを多く含んだ滑落しやすい土質域であったときには、カッタヘッドが前方の地盤を掘削したときに、その上方の地盤に滑落や崩落などが発生し、適正にトンネルを掘削できないばかりでなく、地盤上方の建築物に悪影響を与えてしまう虞がある。
【０００４】
本発明はこのような問題を解決するものであって、浅深度域や滑落土質域などであっても適正なトンネル掘削を可能として安全性の向上を図ったトンネル掘削工法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトンネル掘削工法は、
浅深度域や滑落土質域にトンネルを掘削するトンネル掘削工法であって、
掘削機本体の前部に、円盤形状をなすメインカッタを旋回可能に装着すると共に、該メインカッタの上方に、前方に突出した三日月形状をなすサブカッタをその周方向に揺動可能に設け、
前記メインカッタの旋回による運動量が前記サブカッタの揺動による運動量に比べて大きくなるように、先行する前記サブカッタと後行する前記メインカッタとを協働して、前方の地盤を掘削することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、図２にトンネル掘削機の正面視、図３に図１のIII−III断面を示す。
【００１４】
本実施形態のトンネル掘削機において、図１乃至図３に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなし、前部にバルクヘッド１２が形成されている。このバルクヘッド１２には掘削機本体１１の中心Ｏ₁から下方に距離Ａだけ偏心した中心Ｏ₂に位置して回転軸１３が軸受１４，１５により図示しないシール部材を介して回転自在に支持されている。そして、この回転軸１３の前端部には掘削機本体１１よりも小径で円盤形状をなすカッタヘッド（第１カッタ、メインカッタ）１６が連結されている。このカッタヘッド１６は周方向に等間隔で３つの土砂取込開口部１７が形成されると共に、この各土砂取込開口部１７の中央部に径方向に沿ってカッタスポーク１８が取付けられ、このカッタスポーク１８及び面板１９に多数のカッタビット２０が取付けられている。
【００１５】
一方、回転軸１３の後部にはリングギヤ２１が固定され、掘削機本体１１と一体の取付板に固定された複数の駆動モータ（旋回駆動手段）２２の駆動ギヤ２３がこのリングギヤ２１に噛み合っている。従って、駆動モータ２２を駆動することで、駆動ギヤ２３と噛み合うリングギヤ２１を介してカッタヘッド１６を回転することができる。
【００１６】
また、掘削機本体１１の前部には三日月形状をなすフードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）２４が前方に突出して配設されており、後端部に一体に形成された支持リング２５が掘削機本体１１の内周面に軸受２６により図示しないシール部材を介して回転自在に支持されている。このフードカッタ２４はカッタヘッド１６の前面から所定距離Ｂだけ前方に突出しており、中央部が厚く各端部が薄くなり、傾斜面２７が形成されている。そして、フードカッタ２４は周方向に等間隔で土砂取込開口部２８が形成されると共に、カッタスポーク２９が取付けられ、このカッタスポーク２９及び面板３０に多数のカッタビット３１が取付けられている。また、掘削機本体１１の後部には２本の油圧ジャッキ（揺動駆動手段）３２が配設されており、その基端部が掘削機本体１１に玉軸受３３を介して連結され、駆動ロッド３４の先端部が支持リング２５の支持板３５に玉軸受３６を介して連結されている。
【００１７】
従って、２本の油圧ジャッキ３２を交互に伸縮し、これを繰り返すことで、支持リング２５を介してフードカッタ２４を揺動、つまり、所定距離Ｃを往復回動することができる。
【００１８】
更に、カッタヘッド１６とバルクヘッド１２との間には土砂取込開口部１７，２８に連通して土砂を堆積するチャンバ３７が設けられている。そして、掘削機本体１１内に前傾状態で配設された図示しないスクリューコンベヤの前端部がこのチャンバ３７に位置している。また、掘削機本体１１の後部には周方向に沿って複数のシールドジャッキ（推進ジャッキ）３８が並設されると共に、エレクタ装置３９が装備されている。従って、シールドジャッキ３８を伸長してトンネル内周面に組付けられた既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進させることができる。また、エレクタ装置３９は既設トンネルの周方向及び径方向に沿って移動自在であり、既設トンネル内に搬入されたセグメントＳを把持し、所定の位置に移動して既設トンネルの内壁面にセグメントＳを組み付けることができる。
【００１９】
ここで、上述した本実施形態のトンネル掘削機による浅深度域や滑落土質域におけるトンネル掘削作業について説明する。
【００２０】
まず、各駆動モータ２２によって回転軸１３を介してカッタヘッド１６を旋回させると共に、各油圧ジャッキ３２を交互に伸縮することでフードカッタ２４を揺動させながら、複数のシールドジャッキ３８を伸長して既設のセグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド１６より先行して揺動するフードカッタ２４の各カッタビット３１が前方の地盤を三日月形状に掘削し、掘削された土砂が各土砂取込開口部２８からチャンバ３７内に取り込まれる。また、フードカッタ２４より後方で旋回するカッタヘッド１６の各カッタビット２０が前方の地盤を円形状に掘削し、掘削された土砂が各土砂取込開口部１７からチャンバ３７内に取り込まれる。そして、チャンバ３７内に取り込まれた土砂はスクリューコンベヤにより外部に排出される。
【００２１】
このトンネル掘削作業時、フードカッタ２４のみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、上方地盤の土砂がチャンバ３７内に直接入り込むことがなく、上方地盤に混在する大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができ、後行するカッタヘッド１６が地盤を掘削することで、合せて掘削機本体１１と同断面の円形トンネルを掘削することができる。
【００２２】
次に、複数のシールドジャッキ３８の何れか一つを縮み方向に作動して既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置３９によってこの空所に新しいセグメントＳを装着し、連結固定する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００２３】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の前部に下方に偏心して小径円盤形状のカッタヘッド１６を旋回可能に装着すると共に、カッタヘッド１６の上方に三日月形状をなすフードカッタ２４を前方に突出して揺動可能に装着している。従って、フードカッタ２４のみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、土砂がチャンバ３７内に直接入り込むことがなく、大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができると共に、後行するカッタヘッド１６が三日月形状に連続して地盤を円形に掘削することで、合せて掘削機本体１１と同断面の円形トンネルを掘削することができる。
【００２４】
また、フードカッタ２４は揺動して地盤を掘削する一方、カッタヘッド１６は旋回して地盤を掘削するため、フードカッタ２４の運動量は小さく、カッタヘッド１６運動量は大きくなっている。従って、トンネルの上部を運動量の小さいフードカッタ２４が掘削することで、浅深度域や滑落土質域であっても滑落等を確実に防止することができる一方、このフードカッタ２４により滑落が防止された地盤の下部を運動量の大きいカッタヘッド１６が掘削することで、効率よくトンネルを掘削することができ、先行するフードカッタ２４と後行するカッタヘッド１６が協働して効率よく安全にトンネルを掘削することができる。
【００２５】
図４に本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の正面視、図５に本発明の第３実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面を示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００２６】
第２実施形態のトンネル掘削機において、図４に示すように、掘削機本体１１の前部には回転軸１３によりカッタヘッド１６が距離Ａだけ偏心して回転自在に支持されている。そして、掘削機本体１１の前部には三日月形状をなすフードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）４１が前方に突出して装着されている。このフードカッタ４１は三日月形状をなす枠体４２の前端部に多数の旋回カッタ４３が並設されて構成され、後部に図示しない駆動モータが装着されている。また、各旋回カッタ４３は三日月形状をなす枠体４２の形状合うように、中央部でその旋回径が大きく、端部にいくにより小さくなるように設定されており、各旋回カッタ４３は旋回刃４４及び土砂取込開口部４５を有している。そして、フードカッタ４１は、前述したフードカッタ２４と同様に、カッタヘッド１６の前面から所定距離Ｂだけ前方に突出しており、中央部が厚く各端部が薄くなり、傾斜面が形成されている。
【００２７】
従って、カッタヘッド１６を旋回させると共に、フードカッタ４１の各旋回カッタ４３を旋回させながら、掘削機本体１１を前進させると、カッタヘッド１６より先行するフードカッタ４１の各旋回カッタ４３が前方の地盤を三日月形状に掘削し、掘削された土砂が各土砂取込開口部４５からチャンバ３７内に取り込まれる。また、フードカッタ４１より後方で旋回するカッタヘッド１６が前方の地盤を円形状に掘削し、掘削された土砂がチャンバ３７内に取り込まれる。このトンネル掘削作業時、フードカッタ４１のみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、上方地盤の土砂がチャンバ３７内に直接入り込むことがなく、上方地盤に混在する大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができ、後行するカッタヘッド１６が地盤を掘削することで、合せて掘削機本体１１と同断面の円形トンネルを掘削することができる。
【００２８】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の前部に下方に偏心して小径円盤形状のカッタヘッド１６を旋回可能に装着すると共に、カッタヘッド１６の上方に三日月形状をなすフードカッタ４１を前方に突出して装着し、このフードカッタ４１を枠体４２に多数の旋回カッタ４３を並設して構成している。従って、フードカッタ４１の旋回カッタ４３が浅深度域や滑落土質域を先行して掘削することで、上方地盤の滑落等を確実に防止しながら、効率よくトンネルを掘削することができ、安全性を向上できる。
【００２９】
また、第３実施形態のトンネル掘削機において、図５に示すように、掘削機本体１１の前部には回転軸１３によりカッタヘッド１６が距離Ａだけ偏心して回転自在に支持されている。また、掘削機本体１１の前部には三日月形状をなすフードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）５１が前方に突出して配設されており、後端部に支持リング５２が一体に形成されている。そして、掘削機本体１１の内周面にはスライドリング５３がスライドガイド５４により前後方向に沿って移動自在に支持され、スライドジャッキ５５によりスライド可能となっており、支持リング５２がこのスライドリング５３に軸受５６により図示しないシール部材を介して回転自在に支持されている。なお、このフードカッタ５１はカッタヘッド１６の前面から所定距離Ｂだけ前方に突出することができ、中央部が厚く各端部が薄くなり、傾斜面５７が形成されている。そして、フードカッタ５１は周方向に等間隔で土砂取込開口部（図示略）が形成されると共に、多数のカッタビット５８が取付けられている。
【００３０】
そして、掘削機本体１１の後部には２本の油圧ジャッキ（揺動駆動手段）５９が配設されており、その基端部がスライドリング５３に玉軸受６０を介して連結され、駆動ロッドの先端部が支持リング５２の支持板６１に玉軸受６２を介して連結されている。
【００３１】
従って、２本の油圧ジャッキ５９を交互に伸縮し、これを繰り返すことで、支持リング５２を介してフードカッタ５１を揺動、つまり、所定距離を往復回動することができる。また、スライドジャッキ５５を伸縮することで、スライドガイド５４を介してフードカッタ５１を前後に移動し、カッタヘッド１６から所定距離Ｂだけ前方に突出した位置（図５実線位置）と、カッタヘッド１６に並設した位置（図５二点鎖線位置）とに移動することができる。
【００３２】
本実施形態のトンネル掘削機により通常のトンネル掘削、つまり、十分な深度であり、また、滑落土質でない地盤を掘削する場合、スライドジャッキ５５を収縮してフードカッタ５１を後退した位置（図５二点鎖線位置）に移動しておく。この状態で、駆動モータ２２によりカッタヘッド１６を旋回させると共に、油圧ジャッキ３２によりフードカッタ２４を揺動させながら、シールドジャッキ３８を伸長して掘削機本体１１を前進させると、カッタヘッド１６及びフードカッタ２４により円形のトンネルを掘削することができる。
【００３３】
そして、掘削地盤が浅深度域や滑落土質域に至ると、トンネル掘削を継続しながら、スライドジャッキ５５を伸長してフードカッタ５１を前方に突出した位置（図５実線位置）に移動する。すると、カッタヘッド１６より先行して揺動するフードカッタ５１が前方の地盤を三日月形状に掘削し、掘削された土砂が各土砂取込開口部からチャンバ３７内に取り込まれ、フードカッタ５１より後方で旋回するカッタヘッド１６が前方の地盤を円形状に掘削し、掘削された土砂が各土砂取込開口部１７からチャンバ３７内に取り込まれる。このとき、フードカッタ５１のみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、上方地盤の土砂がチャンバ３７内に直接入り込むことがなく、上方地盤に混在する大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができる。
【００３４】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の前部に下方に偏心して小径円盤形状のカッタヘッド１６を旋回可能に装着すると共に、カッタヘッド１６の上方に三日月形状をなすフードカッタ５１を揺動可能に装着し、スライドジャッキ５５により前方に突出可能としている。従って、通常地盤ではフードカッタ５１を後退してカッタヘッド１６と同位置として掘削を行うことで、掘削機本体１１と同断面の円形トンネルを確実に掘削することができ、また、浅深度域や滑落土質域に至ると、フードカッタ５１を前方に突出して先行して地盤を三日月形状に掘削することで、土砂がチャンバ３７内に直接入り込むことがなく、大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができる。
【００３５】
この通常地盤と浅深度域や滑落土質域地盤とは、事前のボーリングなどにより予め土質調査を行って把握しておくことが必要である。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、フードカッタ２４，５１を往復回動させたり、フードカッタ４１を旋回カッタ４３により構成したりしたが、これらに限定されるものではなく、クランク軸により揺動させるようにしてもよい。
【００３７】
また、カッタヘッド１６とフードカッタ２４，４１，５１とを独立した胴体に支持することで、分離可能とした親子型トンネル掘削機として構成し、径の異なるトンネルを連続して掘削可能としてもよい。更に、本発明のトンネル掘削機を土圧式トンネル掘削機として説明したが、泥水式トンネル掘削機としてもよく、この場合、スクリューコンベヤに代えて送水管及び排水管等を用いればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように、本発明に係るトンネル掘削機によれば、推進可能な筒状の掘削機本体の前部にこの掘削機本体よりも小径の円盤形状をなす第１カッタを偏心して駆動回転可能に装着すると共に、第１カッタを除く掘削機本体の前部に三日月形状をなす第２カッタを前方に突出して装着したので、第２カッタのみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、土砂がチャンバに直接入り込むことがなく、大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができると共に、後行する第１カッタが三日月形状に連続して地盤を円形に掘削することで、合せて掘削機本体と同断面の円形トンネルを掘削することができる。
【００３９】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、第２カッタを第１カッタの上方に位置して周方向に揺動自在に装着したので、簡単な構成で第１カッタと第１カッタとによる掘削を可能とすることができる。
【００４０】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、第２カッタを第１カッタの上方に位置して多数の円盤カッタを並設して構成したので、円盤カッタにより確実にトンネル上部を三日月形状に掘削することができる。
【００４１】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、第２カッタを第１カッタから前方に突出した位置とこの第１カッタに並設した位置とに移動可能としたので、地盤の状態に応じて第２カッタを使い分けることができ、通常地盤では第２カッタを後退して第１カッタと同位置で掘削することで、円形トンネルを確実に掘削することができ、浅深度域や滑落土質域では、第２カッタを突出して先行して地盤を三日月形状に掘削することで、大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができる。
【００４２】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、筒状の掘削機本体を推進ジャッキにより前進可能とし、この掘削機本体よりも小径円盤形状をなして掘削機本体の前部に偏心して位置する第１カッタを旋回駆動手段により旋回可能とすると共に、三日月形状をなして掘削機本体の前部に第１カッタの上方から前方に突出して位置する第２カッタを揺動駆動手段により揺動可能としたので、第２カッタのみが先行して地盤を三日月形状に掘削することで、土砂がチャンバに直接入り込むことがなく、大きな礫の滑落や地盤の崩落などを阻止することができると共に、後行する第１カッタが三日月形状に連続して地盤を円形に掘削することで、合せて掘削機本体と同断面の円形トンネルを掘削することができる。
【００４３】
本発明に係るトンネル掘削工法によれば、浅深度域や滑落土質域にトンネルを掘削するトンネル掘削工法であって、掘削機本体の前部に、円盤形状をなすメインカッタを旋回可能に装着すると共に、メインカッタの上方に、前方に突出した三日月形状をなすサブカッタをその周方向に揺動可能に設け、メインカッタの旋回による運動量がサブカッタの揺動による運動量に比べて大きくなるように、先行するサブカッタと後行するメインカッタとを協働して、前方の地盤を掘削するようにしたので、トンネルの上部を運動量の小さいサブカッタが掘削することで、浅深度域や滑落土質域であっても滑落等を確実に防止することができる一方、このサブカッタにより滑落が防止された地盤の下部を運動量の大きいメインカッタが掘削することで、効率よくトンネルを掘削することができ、先行するサブカッタと後行するメインカッタが協働して効率よく安全にトンネルを掘削することができる。
【００４４】
本発明に係るトンネル掘削工法によれば、掘削機本体の前部にメインカッタを装着すると共に、メインカッタの上方にサブカッタを設け、浅深度域や滑落土質域に至ると、サブカッタを前方に突出して地盤を先掘りするようにしたので、地盤の状態に応じて第２カッタを使い分けることで、掘削機の汎用性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図２】トンネル掘削機の正面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の正面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【符号の説明】
１１掘削機本体
１２バルクヘッド
１３回転軸
１６カッタヘッド（第１カッタ、メインカッタ）
２２駆動モータ（旋回駆動手段）
２４フードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）
３２油圧ジャッキ（揺動駆動手段）
３７チャンバ
３８シールドジャッキ（推進ジャッキ）
３９エレクタ装置
４１フードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）
４３旋回カッタ
５１フードカッタ（第２カッタ、サブカッタ）
５３スライドリング
５５スライドジャッキ
５９油圧ジャッキ（揺動駆動手段）

Claims

浅深度域や滑落土質域にトンネルを掘削するトンネル掘削工法であって、
掘削機本体の前部に、円盤形状をなすメインカッタを旋回可能に装着すると共に、該メインカッタの上方に、前方に突出した三日月形状をなすサブカッタをその周方向に揺動可能に設け、
前記メインカッタの旋回による運動量が前記サブカッタの揺動による運動量に比べて大きくなるように、先行する前記サブカッタと後行する前記メインカッタとを協働して、前方の地盤を掘削する
ことを特徴とするトンネル掘削工法。