JP4795159B2 - 小口径トンネル形成用掘削装置 - Google Patents

Description

本発明は、上下水道用管、通信回線設置用管、ガス管等からなる敷設管を地中に埋設するために設けられる小口径のトンネル、より詳細には、地中に設けられた立て坑から地中を直線的に伸び、続いて地上に向けて曲線的に伸びる小口径トンネルを形成するために地中に推進される掘削装置に関する。

従来、このような小口径トンネルを形成するための掘削装置として、直列に配置された複数の推進体を有するものが用いられている（後記特許文献１参照）。

前記従来の掘削装置にあっては、互いに隣接する両推進体が、継手を介して、その一方の推進体（先行の推進体）に対してその他方の推進体（後行の推進体）が揺動可能であるように連結されている。
特開平６−１７３５８９号公報

この掘削装置にあっては、立て坑から複数の推進体をこれらの軸線の周りに回転させながら地中に推進することにより、直線状に伸びるトンネル部分（直線部分）が形成される。その後、先頭の推進体（通常カッタヘッドが取り付けられている。）に対する地山の反力の下、前記先頭の推進体の推進方向が上方に変化すると、これに続いて推進される後続の推進体が順次揺動する。その結果、先行する複数の推進体が地中を斜め上方に向けて曲線状に推進される。その結果、前記直線部分から地上に向けて湾曲して伸びる曲線状のトンネル部分（曲線部分）が形成される。

ところで、トンネルの前記直線部分を形成する推進体は、推進時、隣接する先行及び後行の両推進体がこれらの互いに相対する両端面において互いに接し、これにより前記推進体の直進性及び推力の伝達性が確保されることが望ましい。

このため、前記従来の掘削装置においては、後行の推進体に筒状体が螺合されており、前記筒状体の螺合位置を変更することにより、前記筒状体を介して、先行及び後行の両推進体がこれらの端面において互いに接する状態におかれる。

ところで、先頭の推進体及びこれに続く推進体は、前記直線部分の形成の後に前記曲線部分を形成することができるように、相互に揺動可能の状態におかれる。しかし、これは、前記直線部分の形成時に蛇行して進むことを余儀なくさせる。その結果、必要以上に大径の直線部分が形成され、その形成のために過大な推進動力が消費される。

本発明の目的は、小口径トンネルの形成に要する推進動力を軽減し得る掘削装置を提供することにある。

本発明は、小口径トンネルを形成するために地中に推進される掘削装置に係り、直列に配置された複数の推進体と、互いに隣接する両推進体を相互に接続する継手であって一方の推進体に対する他方の推進体の相対的な進退及び揺動を許す継手とを含む。

前記継手は、両推進体に設けられ互いに他の一方の推進体に向けて開放する２つの中空部内に保持された可動部材を備え、前記可動部材が前記一方の推進体に対して該推進体の軸線方向にのみ移動可能であり、また前記他方の推進体に対して該推進体の軸線に直交しかつ互いに直交する２つの軸線の周りにそれぞれ揺動可能である。

より具体的には、前記継手は、前記一方の推進体に設けられ該推進体の中空部に連なる２つの穴と前記可動部材に設けられその軸線に直交して伸びる第１の貫通穴とに通された第１のピンを備え、前記２つの穴及び前記第１の貫通穴のいずれか一方が前記第１のピンの前記一方の推進体の軸線方向への相対移動を許すものとし、さらに、前記他方の推進体に設けられ該推進体の中空部に連なる２つの穴と前記可動部材に設けられその軸線に直交して伸びる第２の貫通穴とに通された第２のピンと、前記第２のピンの周面とこれを取り巻く前記第２の貫通穴の周壁とに設けられた球面対偶とを備えるものとすることができる。

好ましくは、前記一方の推進体及び前記他方の推進体は、それぞれ、前記掘削装置の推進方向に関して先行の推進体及び後行の推進体をなす。

本発明によれば、掘削装置を構成する互いに隣接する両推進体を相互に接続する継手が、一方の推進体（例えば先行の推進体）に対する他方の推進体（例えば後行の推進体）の相対的な進退及び揺動を許すものであることから、両推進体を、これらが端面において互いに接し、これにより揺動不可能である状態（第１の状態）と、互いに離れかつ揺動可能である状態（第２の状態）とにおくことができる。

前記第１の状態は、地中における両推進体の真っ直ぐな移動を可能にし、これにより、形成される小口径トンネルの直線部分の形成時における両推進体の蛇行及びこれに伴う過大な口径のトンネルの形成及び推進動力の増大を防止することができる。また、前記第１の状態は、前記推進体に推力を付与するにより生じさせることができる。このことから、前記従来必要とした筒状体の回転操作のための労力及び時間を必要としない。

また、前記第２の状態は、推進中の先頭の推進体が地山の反力の下で後続の推進体に対して揺動し、その進行方向を変えるときに生じさせることができる。前記第２の状態の間、前記先頭の推進体は前記継手を介して推力を受け、後続の推進体と共に変更後の進行方向へ推進される。

両推進体を接続する前記継手は、両推進体の中空部内に保持された可動部材を有するものとすることができる。前記可動部材は前記一方の推進体の軸線方向に移動可能であり、これにより、前記一方の推進体に対する前記他方の推進体の進退が可能である。また、前記可動部材は前記他方の軸線に直交しかつ互いに直交する２つの軸線の周りにそれぞれ揺動可能であり、これにより前記一方の推進体の前記他方の推進体に対する揺動を可能とする。

前記継手は、例えば、前記一方の推進体に設けられその中空部に連なる２つの穴と前記可動部材の軸線に直交して伸びる第１の貫通穴とに通された第１のピンを備え、前記２つの穴及び前記第１の貫通穴のいずれか一方が前記第１のピンの前記一方の推進体の軸線方向への相対移動を許す。これによれば、前記２つの穴又は前記第１の貫通穴に対する前記第１のピンの相対移動により、前記可動部材は、前記一方の推進体に対して相対移動をすることができる。

また、前記継手が、例えば、前記他方の推進体に設けられその中空部に連なる２つの穴と前記可動部材に設けられその軸線に直交して伸びる第２の貫通穴とに通された第２のピンと、前記第２のピンの周面とこれを取り巻く前記第２の貫通穴の周壁とに設けられた球面対偶とを備える。これによれば、前記球面対偶を介して、前記可動部材と前記他方の推進体との間における前記第２のピンの軸線の周り及びこれに直交する軸線の周りの相対揺動を可能とすることができる。

前記一方の推進体及び他方の推進体は、それぞれ、先行の推進体及び後行の推進体に適用することができる。

図１及び図２を参照すると、本発明に係る掘削装置が全体に符号１０で示されている。

掘削装置１０は、上下水道管、通信回線用管、ガス管等の敷設管が設置される比較的小口径のトンネル（図示せず）の形成のために用いられる。

前記小口径トンネルは、地中に設けられた立て坑（図示せず）から、掘削装置１０を地中に推進することにより形成される。このようにして形成された小口径トンネルは、前記立て坑から地中を直線的に伸びる部分（直線部分）と、続いて地上に向けて曲線的に伸びる部分（曲線部分）とからなる。

また、前記小口径トンネル内への前記敷設管の設置は、地上から前記小口径トンネル内に前記敷設管を引き込むことにより行われる。この引き込みは、例えば、掘削装置１０に前記敷設管を接続し、前記小口径トンネルから掘削装置１０を引き抜くこと、すなわち掘削装置１０を前記立て坑に向けて逆方向へ移動させることにより行われる。

掘削装置１０は、直列に配置された複数の推進体１２，１４，すなわち先頭の推進体１２と、これに続く複数の推進体１４とを備える。

互いに隣接する両推進体１２，１４及び１４，１４は、両推進体の一方に対する他方の推進体の進退と揺動とを許す継手１６により、相互に接続されている。

図示の推進体１２，１４は円形の横断面形状を有する管状部材からなる。前記推進体は、前記小口径トンネルの直線部分を形成するために推進されるとき、互いに隣接する両推進体の端面同士が互いに当接し、真っ直ぐに整列するように設定され（図１及び図２）、また、前記小口径トンネルの曲線部分を形成するために推進され（図３）、あるいは推進方向を変えるとき(図４)、互いに隣接する両推進体の端面の一部同士が互いに当接するように設定されている。

先頭の推進体１２はその先端に取り付けられた複数のビット１８と、平坦な傾斜面２０とを有し、傾斜面２０は、掘削装置１０の推進方向（図１において左方向）に関する前方から後方に向けて下方（図１において下方）へ伸びている。

掘削装置１０は、前記小口径トンネルの形成のために地中に推進されるとき、その軸線の周りに駆動回転される。このとき、ビット１６は地中の砂礫を押し退け、またこれを砕く作用をなす。

推進体１２の傾斜面２０は、前記小口径トンネルの直線部分の形成後、その曲線部分を形成するために掘削装置１０の進行方向を変更する際に機能する。

すなわち、前記直線部分の形成後、掘削装置１０の回転が一時停止され、かつ推進体１２の傾斜面２０が図１に示すように下方に向けられる。次いで、掘削装置１０の推進が再開される。このとき、地山から先頭の推進体１２の傾斜面２０に及ぼされる推進抵抗（反力）のため、先頭の推進体１２がその後続の推進体１４に対して斜め上方に向けて揺動し（図３参照）、これにより推進方向が変更される。その後、掘削装置１０の回転が再開され、先頭の推進体１２及びこれに続く複数の推進体１４が地上に向けて推進され、これにより前記曲線部分が形成される。

互いに隣接する両推進体１２，１４（又は１４，１４）は、それぞれ、互いに他の一方に向けて開放する２つの中空部２２を有する。推進体１２，１４が管状部材からなる図示の例では、中空部２２は円筒形を呈する。

推進体１２の中空部２２はその後端面で開放している。また、各推進体１４はその両端面でそれぞれ開放する２つの中空部２２を有し、両中空部２２は推進体１４の軸線方向における中央部を横断する仕切り部２４により仕切られている。仕切り部２４は推進体１４の補強作用をなす。

継手１６は、互いに隣接する両推進体の互いに相対する２つの中空部２２内に保持された可動部材２６を備える。

図示の可動部材２６は全体に円柱状を呈し、わずかな直径差を有する大径部と小径部とからなる。可動部材２６はその大径部において両推進体の一方（例えば先頭の推進体１２又は先行の推進体１４）の中空部２２内に受け入れられ、その小径部において他方の推進体（後行の推進体）１４の中空部２２内に受け入れられている。

いずれの中空部２２も可動部材２６の大径部とほぼ同じ直径を有し、またその小径部より大きい直径を有する。可動部材２６は一方の推進体１２に対して該推進体の軸線方向に移動可能とされ、また他方の推進体１４に対して該推進体の軸線に直交しかつ互いに直交する２つの軸線の周りにそれぞれ揺動可能とされている。

図示の例では、一方の推進体１２にその中空部２２に連なる２つの穴２８が設けられ、また可動部材２６の大径部にその軸線に直交して伸びる第１の貫通穴３０が設けられ、両穴２８と第１の貫通穴３０とに第１のピン３２が通されている。

２つの穴２８はそれぞれピン３２の直径より大きい直径を有する。このため、両穴２８は推進体１２の軸線方向に関して各穴２８の直径とピン３２の直径との差に相当する距離だけ、穴２８内でのピン３２の移動を許す。

ピン３２は、適当な保持手段を介して、両穴２８及び第１の貫通穴３０内に保持されている。図示の保持手段は、ピン３２の軸線方向における中央部に設けられた環状溝３４と、該環状溝３４に部分的に嵌合されたボール３６と、ピン３２に向けてボール３６にばね力を及ぼすコイルスプリング３８とからなる。コイルスプリング３８は可動部材２６の前記大径部に設けられた小穴４０内に収容されている。

これにより、可動部材２６は実質的にピン３２と一体をなし、また両穴２８に対するピン３２の係合のためにその軸線の周りの回転を制限されているため、ピン３２と共に中空部２２をその軸線方向にのみ移動することができる。

穴２８の平面形状については、これを円形とする図示の例に代えて、前記推進体の軸線方向に伸びる長穴、楕円等とすることが可能である。

また、一方の推進体１２に隣接する他方の推進体１４にはその中空部２２に連なる２つの穴４２が設けられ、可動部材２６（より詳細にはその小径部）にはその軸線に直交して伸びる第２の貫通穴４４が設けられ、両穴４２と第２の貫通穴４４とに第２のピン４６が通されている。

第２のピン４６の周面とこれを取り巻く第２の貫通穴４４の周壁とには、それぞれ、環状に伸びる球面対偶４８，５０が配置されかつこれらに固定されている。球面対偶４８，５０は、第２のピン４６の軸線方向におけるほぼ中央部に配置されている。

図示の例では、第２のピン４６は、雌部材５４及びこれに嵌合する雄部材５６からなり、これらの両部材はボルト５２により相互連結されている。また、第２のピン４６は両穴４２とほぼ等しい直径を有する。

第２のピン４６は、可動部材２６の小径部に設けられた第２の貫通穴４４の直径より小さい直径を有するためにこれらの間に隙間が存し、また可動部材２６の小径部が推進体１４の中空部２２の直径より小さい直径を有するためにこれらの間に隙間が存する。このことから、可動部材２６の前記小径部は、これらの隙間の範囲内で、可動部材２６の上下方向に関する揺動すなわち鉛直面内における揺動が可能である（図３参照）。可動部材２６、したがって一方の推進体１２の前記鉛直面内における揺動は、他方の推進体１４の中空部２２の内壁面に対する可動部材２６の小径部の当接により制限される。このとき、他方の推進体１４の端面５６はその一部において一方の推進体１２の端面に当接し、これにより、推進体１４から推進体１２への推力の伝達が行われる。

また、可動部材２６の前記小径部は、他方の推進体１４の中空部２２における該小径部との間に存する隙間の範囲内で、第２のピン４６の軸線の周りの例えば水平面内における揺動が可能である（図４参照）。一方の推進体１２の前記水平面内における揺動は、他方の推進体の中空部２２の内壁面に対する可動部材２６の小径部の当接により制限される。このとき、他方の推進体１４の端面５６はその一部において一方の推進体１２の端面に当接し、これにより、推進体１４から推進体１２への推力の伝達が行われる。

前記したところでは、前記一方の推進体及び前記他方の推進体がそれぞれ先行の推進体及び後行の推進体である例について説明したが、逆に、後行の推進体及び先行の推進体からなるものとすることができる。

また、前記したところでは、両穴２８の直径を第１のピン３２の直径より大きいものとしたが、これに代えて、両穴２８直径と第１のピン３２の直径とを同じにし、かつ第１の貫通穴３０を第１のピン３２の直径より大きい円形穴や、前記可動部材の軸線方向に長い横断面形状を有する穴とすることができ、これによっても、可動部材２６が推進体１２の軸線方向にのみ移動可能とすることができる。

本発明に係る掘削装置をその側面から見た部分断面図である。 掘削装置をその低面から見た部分断面図である。 鉛直面内において揺動した状態にある掘削装置の側面から見た部分断面図である。 水平面内において揺動した状態にある掘削装置の側面から見た部分断面図である。

符号の説明

１０ 掘削装置
１２，１４ 推進体
１６ 継手
２２ 推進体の中空部
２６ 可動部材
２８，４２ 穴
３０，４４ 第１及び第２の貫通穴
３２，４６ 第１及び第２のピン

Claims (4)

1. 小口径トンネルを形成するために地中に推進される掘削装置であって、
   直列に配置された複数の推進体と、
   互いに隣接する両推進体を相互に接続する継手であって一方の推進体に対する他方の推進体の相対的な進退と相対的な揺動とを許す継手とを含み、
   前記継手は、両推進体に設けられ互いに他の一方の推進体に向けて開放する２つの中空部内に保持された可動部材を備え、前記可動部材は前記一方の推進体に対して該推進体の軸線方向にのみ移動可能であり、また前記他方の推進体に対して該推進体の軸線に直交しかつ互いに直交する２つの軸線の周りにそれぞれ揺動可能である、掘削装置。
2. 前記継手は、前記一方の推進体に設けられ該推進体の中空部に連なる２つの穴と、前記可動部材に設けられその軸線に直交して伸びる第１の貫通穴とに通された第１のピンを備え、
   前記２つの穴及び前記第１の貫通穴のいずれか一方が、前記第１のピンの前記一方の推進体の軸線方向への相対移動を許す、請求項１に記載の掘削装置。
3. 前記継手は、前記他方の推進体に設けられ該推進体の中空部に連なる２つの穴と前記可動部材に設けられその軸線に直交して伸びる第２の貫通穴とに通された第２のピンと、
   前記第２のピンの周面とこれを取り巻く前記第２の貫通穴の周壁とに設けられた球面対偶とを備える、請求項１又は２に記載の掘削装置。
4. 前記一方の推進体及び前記他方の推進体は、それぞれ、前記掘削装置の推進方向に関して先行の推進体及び後行の推進体をなす、請求項１に記載の掘削装置。

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