JP5061071B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は地中にガス管や下水道管などの小口径管体を埋設するためのトンネルを掘削するトンネル掘削機に関するものである。

従来から、小口径の下水管等の管体を地中に埋設するには、立坑内にトンネル掘削機を搬入、設置し、前方の地盤に向けて発進させることによって小径のトンネルを掘進し、このトンネル掘削機に一定長さの小口径管体を順次後続させて一定長のトンネルが掘削される毎に推進、埋設することによって行われている。

このようなトンネル掘削機としては、例えば、特許文献１に記載されているように、前端にカッタヘッドを回転自在に軸支している隔壁を設けた筒体内にエアピンチバルブを配設してなるバルブユニットと、このバルブユニットの後端に接続した後続筒体内に駆動モータを配設してなるモータユニットとからなり、この駆動モータの回転軸を上記バルブユニットの筒体内を通じて上記隔壁に回転自在に支持されているカッタヘッドの中心軸に連結することによりカッタヘッドを回転駆動するように構成していると共に、上記モータユニットの胴部を形成している上記後続筒体を、周方向に所定間隔毎に設けた複数本の中折れジャッキからなる中折れ機構によって互いに屈折自在に接合してなる前後筒体部に分割し、さらに、上記バルブユニット内に設置しているエアピンチバルブを上記カッタヘッドの背面と隔壁の前面間で形成されている土砂室から後方に掘削土を排出する排出手段である管路中に介装してなる構造のものが知られている。

このように構成したトンネル掘削機を使用して立坑内から地盤中にトンネルを掘削するに際して、このトンネル掘削機を立坑内に配置する場合、カッタヘッドとバルブユニットとモータユニットとを立坑内に別々に搬入しても、立坑内では作業空間が極めて狭くて、バルブユニットとモータユニットとの接続作業が困難となるため、地上において、予め、前端にカッタヘッドを回転自在に支承している上記バルブユニットとモータユニットとを接続することによりトンネル掘削機を組み立てたのち、立坑内に搬入している。

特開２００２−４７８９２号公報

しかしながら、地中にガス管や下水道管などの小口径管体を埋設可能なトンネルを掘削するためのトンネル掘削機は、その掘削径が小径になると、モータユニット内の空間を占める駆動モータの面積の割合が大きくなり、そのため、このモータユニットの胴部を形成している上記後続筒体を前後筒体部に分割してこれらの前後筒体部の内周面に中折れ機構を構成する複数本の中折れジャッキを配設することができなくなり、その結果、より小径のトンネルを掘削し得るトンネル掘削機を構成することが困難であるといった問題点が生じることになる。

また、このような中折れ機構を上記バルブユニット側に配設しようとしても、このバルブユニット内にはカッタヘッドの回転軸が貫通状態で配設されているため、バルブユニットの胴体を形成している筒体を前後筒体部に二分割しても中折れ機構によって屈折可能に構成することができない。従って、中折れ機構を上記モータユニットの後方側に配設するか、或いは、モータユニットの胴部を形成している筒体を長くして駆動モータの後方側の筒体部を二分割し、この分割筒体部の内周面間を中折れ機構によって屈折自在に連結した構成とせざるを得ず、そうするとトンネル掘削機の機長が長くなってこのトンネル掘削機を設置し得るだけの大きな発進立坑を築造しなければならず、その上、中折れ機構の配設位置がカッタヘッドから大きく後方に位置することになって方向制御がし難くなるといった問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モータユニット側への中折れ機構の配設を排すると共に、バルブユニット側に中折れ機構を配設可能にして、上記トンネル掘削機では困難であった極めて小径のトンネル掘削を可能にし、且つ、機長をできるだけ短くして比較的狭い発進立坑であっても該立坑内への搬入、設置を可能にすると共に方向制御も容易に行えるようにしたトンネル掘削機を提供するにある。

上記目的を達成するために本発明のトンネル掘削機は、請求項１に記載したように、一定長さを有する鋼管よりなる円筒状のシールド本体の前端開口部にカッタヘッドを回転自在に支持した隔壁を固着していると共にこのシールド本体内に油圧モータからなるカッタヘッド駆動モータを設置してなるモータユニットと、このモータユニットにおける上記シールド本体と同一外径に形成され且つ長さが該シールド本体よりも短い鋼製の筒体内に、上記カッタヘッドによって掘削された土砂を泥水と共に排出する排泥管路中に設けられたバルブを配設してなるバルブユニットとを備え、このバルブユニットの上記筒体を中折れ機構によって互いに屈折自在に接合した前後筒体部に分割していると共にその前側筒体部を上記モータユニットの胴体を形成しているシールド本体の後端に着脱自在に連結してなる構造としている。

このように構成したトンネル掘削機において、請求項２に係る発明は、シールド本体の前端に設けている隔壁に駆動モータの前端部を貫通状態に支持して隔壁から前方に突出した回転軸をカッタヘッドに連結していることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、前端にカッタヘッドを回転自在に支持しているシールド本体内にカッタヘッドの駆動モータを設置してなるモータユニットと、このモータユニットに後続しているバルブユニットとを備え、バルブユニットは中折れ機構によって互いに屈折自在に接合した前後筒体部からなる筒体内に掘削土砂の排泥管路中に設けたバルブを配設しているので、中折れ機構をモータユニット側に配することなくバルブユニット側に配しているから、モータユニットの胴体であるシールド本体の径をできるだけ小径に形成することができると共に、このシールド本体に後続するバルブユニットの筒体を該シールド本体と同一径にして極めて小径のトンネルが掘削可能なトンネル掘削機を構成することができる。

さらに、モータユニット内に設置した駆動モータをカッタヘッドに直結した構造としていると共に、上記のように中折れ機構をバルブユニット側に設けているので、このバルブユニットをモータユニットの後方側に配しても従来のトンネル掘削機に比して機長を短くすることができ、従って、比較的狭い発進立坑であっても該立坑内への搬入、設置が可能となると共にこの立坑から前方の地盤に向けての該トンネル掘削機の発進作業も容易に行え、且つ、中折れ機構をバルブユニット側に設けているから、この中折れ機構の配設位置をできるだけ前側に設けることができて方向制御も容易に行うことができる。

また、本発明によれば、カッタヘッドの駆動モータとして、同じ出力では電動モータよりも長さが短い油圧モータを採用しているので、土質に応じた回転数の設定が可能となってトンネルを円滑に能率よく掘削することができるのは勿論、電動モータを採用したトンネル掘削機よりも機長が短くなって発進立坑の小規模化を図ることができると共に、中折れ機構を備えたバルブユニットをできるだけ前方に位置させることができて方向制御が一層容易となり、その上、掘削土砂を排出する排出管路におけるバルブユニットまでの距離を短くすることができて、掘削土砂の詰まりの発生を生じがたくすることができる。

上記モータユニットの胴体を形成しているシールド本体とバルブユニットの前側筒体部とを、シールド本体の後端にバルブユニットの前側筒体部を着脱自在に連結した構造としているので、予め、バルブユニットの胴体を形成している互いに屈折自在に接合した前後筒体部からなる筒体内に複数本の中折れジャッキからなる中折れ機構を配設しておくことができるから、モータユニットの後端にバルブユニットの前端を接続する簡単な作業によってトンネル掘削機を容易に組み立てることができる。

また、請求項２に係る発明によれば、上記シールド本体の前端に隔壁を設けてこの隔壁に駆動モータの前端部を貫通状態に支持して隔壁から前方に突出した回転軸をカッタヘッドに連結しているので、駆動モータの前端部を隔壁から前方に突出させてその回転軸をカッタヘッドに直結させた構造となって、この駆動モータを設置しているモータユニットの長さをより短尺に形成しておくことができ、従って、シールド掘削機の機長をできるだけ短くすることができて発進立坑の小規模化や方向制御の容易さと共にバルブ前方での土砂排出管路の詰まりを生じがたくすることができる。

次に本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１はトンネル掘削機の簡略縦断側面図、図２はその正面図であって、トンネル掘削機は、外径が560mm 程度で一定長さ（555mm ）を有する鋼管よりなる円筒状のシールド本体１の前端開口部にカッタヘッド２を回転自在に支持した隔壁３を固着していると共にこのシールド本体１内にカッタヘッドの駆動モータ４を設置してなるモータユニットＡと、このモータユニットＡにおける上記シールド本体１と同一外径に形成され且つ長さが該シールド本体１よりも短い（430mm ）鋼製の筒体５内に、上記カッタヘッド２によって掘削された土砂を泥水と共に排出する排泥管路７中に設けられたバルブ６を配設してなるバルブユニットＢとを備え、このバルブユニットＢを上記モータユニットＡに着脱自在に後続させた構造としている。

さらに、バルブユニットＢにおける胴体を形成している上記筒体５は、前後筒体部5a、5bに分割されていて、前側筒体部5aの前端開口部を上記モータユニットＡの胴体を形成しているシールド本体１の後端開口部に着脱自在に連結していると共に、この前側筒体部5aの後端部と後側筒体部5bの前端部間を中折れ機構８を介して互いに屈折自在に接続している。この中折れ機構８は、上記前後筒体部5a、5bの対向端部間を屈折自在に接合している中折れ部8aと、これらの前後筒体部5a、5bとの内周面に突設しているブラケット13、14間に周方向に一定間隔毎に連結している複数本の中折れジャッキ8bとから構成されている。

また、上記モータユニットＡにおけるシールド本体１の前端開口部に回転自在に支持されている上記カッタヘッド２としては、そのビットの形状等は地盤の掘削に適したものであれば特に限定されないが、図においては、外周面に前面に多数の掘削刃を突設している複数個のローラビット2aを回転自在に軸支し、且つ、掘削土砂取込み開口部2bを設けてなるカッタヘッドを採用してあり、このカッタヘッド２の後面と上記隔壁３の前面間の空間部を土砂取込室10に形成している。

さらに、この土砂取込室10内において、カッタヘッド２の後面中央部に、後端に向かって徐々に大径に形成されている截頭円錐形状のインナコーン9aの前端面を固着していると共に、上記隔壁３の前面外周部に外径がシールド本体１と同径の短筒体11の後端面を着脱自在に装着して、この短筒体11の前端部に、前端に向かって徐々に拡径させたアウタコーン9bの外周面を固着してあり、これらのインナコーン9aとアウタコーン9bとによってコーンクラッシャを形成している。

上記モータユニットＡのシールド本体１内に設置している駆動モータ４としては油圧モータを使用してあり、この駆動モータ４の胴体前端部を上記隔壁２の中央部に貫通状態で支持させて隔離壁２内でその前端部から前方に突出した回転軸4aをカッタヘッド２の後面に一体に固着している上記インナコーン9aの後面中心部に着脱自在に連結して、カッタヘッド２を回転駆動するように構成している。12は駆動モータ４の長さ方向の中間部を支持している支持板でその上端をシールド本体１の上周部内周面に固着している。

上記バルブユニットＢにおける筒体５内に配設されたバルブ６は、油圧アクチュエータによって開閉する方式のバルブを採用しているが、エアピンチバルブであってもよく、要するに、外部からその開度を自動的に調節できるバルブであればよい。このバルブ６は、上記土砂取込室10内の掘削土砂を泥水と共に排出する上記排泥管路７中に着脱自在に設けられてあり、排泥管路７の前端は隔壁２の下端部を水密的に貫通して上記土砂取込室10内に臨ませていると共にバルブ６から後方に引き出している排泥管路７はトンネル内を通じて地上に設置した土砂分離回収槽（図示せず）に接続し、この土砂分離回収槽で掘削土を分離させた泥水をトンネル内を通じてその前端を土砂取込室10に連通させた送泥管路（図示せず）によって土砂取込室10に還流させるように構成している。

このように構成したトンネル掘削機によって発進立坑15内から地中にトンネルを掘削するに際して、まず、地上において、前端にカッタヘッド２を設けているモータユニットＡの後端にバルブユニットＢを接続した状態にしたのち、クレーン等で吊り下げて発進立坑15内に搬入し、図３に示すように、発進立坑15の底面上に配設している発進架台20上に前方地盤に向けて設置する。この際、カッタヘッド２の前端からバルブユニットＢの後端までの機長は1500mm程度であるので、発進立坑15が狭くても容易に搬入することができる。なお、モータユニットＡとバルブユニットＢとを発進立坑15内に別々に搬入して、発進立坑15内でトンネル掘削機を組み立てもよい。

上記発進架台20は図４、図５に示すように、発進立坑15の底面両側部に前後方向に向けて支持フレーム21、21を互いに平行に敷設すると共にこれらの支持フレーム21、21の対向内側面間を数本の連結フレーム22によって一体に連結し、さらに、支持フレーム21、21間の中央部に前後方向に向けて上記トンネル掘削機を構成したモータユニットＡとバルブユニットＢとの下周面を摺動自在に支持する水平発進台23を配設して該水平発進台23をこの水平発進台23と直交する上記連結フレーム22、22の中央部上面にボルト等によって固定している。

さらに、上記トンネル掘削機の両側方における上記支持フレーム21、21上に左右一対の推進ジャッキ24、24を配設し、これらの推進ジャッキ24、24の後方に向かって突設している伸縮ロッド24a 、24a を立坑15の後壁面上に固定した反力受台25に受止させていると共に該ロッド24a 、24a の伸長に従って前進するこれらの推進ジャッキ24、24のシリンダ部24b 、24b を押し板26の両側端部に穿設している孔26a 、26a に挿通してこれらのシリンダ部24b 、24b の後端鍔部24b'、24b'に該孔26a 、26a の後面側に係止させ、且つ、この押し板26の前面中央部を水平発進台23上に設置されたトンネル掘削機におけるバルブユニットＢの後端面に押し付けている。

このように、発進架台20上にトンネル掘削機を設置したのち、左右一対の推進ジャッキ24、24を作動させてそのロッド24a 、24a を伸長させると、反力受台25を支点として推進ジャッキ24、24のシリンダ部24b 、24b が前進し、これらのシリンダ部24b 、24b 間に架設状態で連結している押し板26が一体に前進してその前面でトンネル掘削機のバルブユニットＢの後端面を押圧しながら該トンネル掘削機を水平発進台23上で発進坑口27に向かって推進させ、この発進坑口27から前方の地盤の掘削を開始する。

地盤の掘削はモータユニットＡ内の油圧モータからなる駆動モータ４を駆動することによってその回転をカッタヘッド２に伝達してカッタヘッド２を回転させながら、トンネル掘削機を推進させることによって行われ、掘削された土砂は土砂取込室10内に取り込まれる。この際、大塊土が該土砂取込室10内に取り込まれた場合には、インナコーン9aとアウタコーン9bとによって細かく破砕する。

また、掘削中において、地上から送泥管路を通じて泥水を土砂取込室10に供給、充満させて上記掘削土砂と混合させ、掘削土砂を泥土化させると共に、この土砂取込室10に充満した泥水圧によって切羽を押さえて該切羽地盤の崩壊を防止しながらカッタヘッド２により前方の地盤を掘削する一方、土砂取込室10内で泥土化した土砂はバルブ６と排泥管路７を通じて泥水と共に発進立坑15から地上に設置した土砂分離回収槽に送給され、この分離回収槽で掘削土砂を泥水から分離させたのち、該泥水を再び送泥管路に供給する。なお、土砂取込室10内の泥土圧の調整は上記バルブ６の開度を調節することによって行われる。

こうして、トンネル掘削機によって発進立坑15から前方地盤に向かってトンネルの掘削を開始し、バルブユニットＢの後端部がトンネル内に進入する手前まで掘進すると、一旦、トンネルの掘削を停止し、油圧ユニット16等を配設している後続管17を地上からクレーン等で立坑15内に搬入して図６に示すように発進架台20上に設置し、その前端をバルブユニットＢの後端に直列状に接続したのち、左右一対の推進ジャッキ24、24のロッド24a 、24a を伸長させることにより、後続管17の後端面を押し板26を介して前進させると共に、モータユニットＡ内の駆動モータ４を駆動してカッタヘッド２を回転させるながらトンネルを掘進する。掘削した土砂は、上述したように、土砂取込室10内に取り込み、インナコーン9aとアウタコーン9bとによって細かく破砕したのち、バルブ６、排泥管路７を通じて排出する。

後続管17が発進坑口27に入る直前まで掘進すると一旦トンネルの掘削を停止し、左右一対の推進ジャッキ24、24のロッド24a 、24a を収縮させることにより、押し板26を後退させて後続管17の後端と該押し板26との間に地上から吊り下ろした一定長さを有する管体Ｐを介在させて水平発進台43上に設置し、しかるのち、図７に示すように駆動モータ４を作動させてカッタヘッド２を回転させると共に推進ジャッキ24、24を作動させてそのロッド24a 、24a を伸長させることにより、押し板26で管体Ｐの後端面を押圧して該管体ＰをカッタユニットＡとモータユニットＢと一体に推進させながらトンネルを掘進する。

そして、この管体Ｐの長さに相当する一定長のトンネルが掘削される毎に、管体Ｐを継ぎ足しながらトンネル掘削機によって掘削されるトンネル内に押し込みことにより、上記発進立坑15から到達側の立坑（図示せず）に達した埋設管Ｐ列からなる下水管等の埋設管路を形成する。この埋設管路の形成中に曲線管路部を設ける場合には、バルブユニットＢに設けている上記中折れ機構８を作動させることによってトンネル掘削機の掘進方向を計画曲線上に向けてトンネルを掘進する。なお、一定長のトンネルを掘削する毎に上記送排泥管路７、12にその長さに等しい一定長の送排泥管を継ぎ足す。また、到達立坑に達したモータユニットＡやバルブユニットＢ、後続管17は順次、切り離されて地上側に撤去される。

以上の実施例においては、前方の地盤を掘削するカッタヘッド２として、複数個のローラビット2aを回転自在に軸支してなる構造のものを採用しているが、回転軸4aから外径方向に向かって複数本のスポークを放射状に設けて、隣接するスポーク間に土砂取込み開口部を設けると共に各スポークの前面に複数個のカッタビットを突設している通常のカッタヘッドを使用してもよく、また、地質によってはインナコーン9aとアウタコーン9bとからなるコーンクラッシャを必ずしも設けておく必要はない。

トンネル掘削機の簡略縦断側面図。 その正面図。 立坑内に設置した状態の簡略側面図。 発進架台の平面図。 その背面図。 後続管を接続させた状態の簡略側面図。 埋設管を埋設する状態を示す簡略側面図。

Ａ モータユニット
Ｂ バルブユニット
１ シールド本体
２ カッタヘッド
３ 隔壁
４ 駆動モータ
５ 筒体
5a、5b 前後筒体部
６ バルブ
７ 排泥管路
８ 中折れ機構
10土砂取込室

Claims (2)

1. 一定長さを有する鋼管よりなる円筒状のシールド本体の前端開口部にカッタヘッドを回転自在に支持した隔壁を固着していると共にこのシールド本体内に油圧モータからなるカッタヘッド駆動モータを設置してなるモータユニットと、このモータユニットにおける上記シールド本体と同一外径に形成され且つ長さが該シールド本体よりも短い鋼製の筒体内に、上記カッタヘッドによって掘削された土砂を泥水と共に排出する排泥管路中に設けられたバルブを配設してなるバルブユニットとを備え、このバルブユニットの上記筒体を中折れ機構によって互いに屈折自在に接合した前後筒体部に分割していると共にその前側筒体部を上記モータユニットの胴体を形成しているシールド本体の後端に着脱自在に連結していることを特徴とするトンネル掘削機。
2. シールド本体の前端に設けている隔壁に駆動モータの前端部を貫通状態に支持して隔壁から前方に突出した回転軸をカッタヘッドに連結していることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。

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