JP5198371B2 - 異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、断面円形以外の異形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機及びトンネル掘削方法に関する。

断面円形以外の異形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機として、図７に示すように、掘削機本体ａの隔壁ｂに支持され切羽を掘削すべく回転されるカッタフレームｃと、カッタフレームｃにその端部から出没する方向に移動可能に設けられた伸縮カッタｄとを備え、カッタフレームｃを１回転させる間に伸縮カッタｄを適宜伸縮させることで、異形断面（例えば矩形断面）のトンネルを掘削する異形断面トンネル掘削機ｅが知られている。

かかる異形断面トンネル掘削機ｅにおいては、カッタフレームｃを１回転する間、伸縮カッタｄがカッタフレームｃの端部から突出する方向に移動すると、土砂が押し退けられるため、カッタ室ｆ内の土圧が上昇し、伸縮カッタｄが没入する方向に移動すると、スペースが空くため、空いたスペースに土砂が侵入してカッタ室ｆ内の土圧が低下してしまう。かかる土圧の変動は、カッタフレームｃの回転トルクの変動及び切羽の不安定化を招くため、抑制することが望ましい。

そこで、この異形断面トンネル掘削機ｅは、隔壁ｂに土圧調整ブロックｇをカッタ室ｆに向けて出没可能に装着し、伸縮カッタｄが突出方向に移動するときに、土圧調整ブロックｇを没入方向に移動させ、伸縮カッタｄが没入方向に移動するときに、土圧調整ブロックｇを突出方向に移動させ、伸縮カッタｄの出没に伴うカッタ室ｆ内の容積変動（土圧変動）を土圧調整ブロックｇの出没により相殺するようにしている（特許文献１参照）。

また、別の異形断面トンネル掘削機として、図８に示すように、掘削機本体ｈの前部に一対のカッタフレームｉを夫々往復揺動可能に設け、各カッタフレームｉのスポークに伸縮カッタｊを夫々出没可能に設け、一対のカッタフレームｉを往復揺動させながら伸縮カッタｊを適宜出没させることで、矩形断面のトンネルを掘削するものが知られている。

この異形断面トンネル掘削機ｋは、双方のカッタフレームｉの往復揺動の位相を所定位相とすることで、一方のカッタフレームｉの伸縮カッタｊが伸長するときに、他方のカッタフレームｉの伸縮カッタｊが没入するようにし、一方の伸縮カッタｊの伸長に伴うカッタ室ｆの容積減少を他方の伸縮カッタｊの没入に伴うカッタ室ｆの容積増加で相殺し、土圧の変動を抑制している（特許文献２参照）。

特許第３３１２８７５号公報 特許第３３１１３２５号公報

ところで、図７に示す異形断面トンネル掘削機ｅにおいては、伸縮カッタｄを出没するアクチュエータと土圧調整ブロックｇを出没するアクチュエータとが別々に必要となり、且つこれらを連動制御する必要がある。また、図８に示す異形断面トンネル掘削機ｋにおいても、一方のカッタフレームｉの伸縮カッタｊを出没するアクチュエータと他方のカッタフレームｉの伸縮カッタｊを出没するアクチュエータとが別々に必要となり、且つこれらを連動制御する必要がある。

このため、構造及び制御の複雑化が避けられず、コストアップを招く。

そこで、本発明の目的は、伸縮カッタの出没に伴う土圧の変動を簡単な構成で容易に抑制でき、コストダウンを図った異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、掘削機本体の前部に配設され、切羽を掘削するために回転又は揺動するカッタフレームと、該カッタフレームに、その端部から出没する方向に移動可能に設けられた伸縮カッタとを備えた異形断面トンネル掘削機であって、上記カッタフレームに、上記方向に沿って往復移動する移動体を設け、該移動体の一端に上記伸縮カッタを他端にピストンを取り付け、上記カッタフレームに、上記ピストンを移動可能に収容し、一端が開口されたシリンダを設け、該シリンダと上記ピストンとにより一端が開口された土圧吸収室を形成し、上記移動体の往復移動に伴って、上記伸縮カッタが突出する方向に移動された際に上記ピストンが上記シリンダの奥側に移動して上記土圧吸収室の容積が大きくなり、上記伸縮カッタが没入する方向に移動された際に上記ピストンが上記シリンダの開口側に移動して上記土圧吸収室の容積が小さくなるものである。

請求項２に係る発明は、上記移動体を、一対、上記カッタフレームに並設し、一方の移動体の一端に上記伸縮カッタを他端に上記ピストンを取り付け、これとは逆に、他方の移動体の他端に上記伸縮カッタを一端に上記ピストンを取り付け、上記カッタフレームに、一方の移動体のピストンを移動可能に収容するシリンダと他方の移動体のピストンを移動可能に収容するシリンダとを逆向きに設け、一方の移動体に取り付けたピストンとシリンダとで形成される土圧吸収室の隣りに他方の移動体に取り付けた伸縮カッタを配置し、他方の移動体に取り付けたピストンとシリンダとで形成される土圧吸収室の隣りに一方の移動体に取り付けた伸縮カッタを配置したものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る異形断面トンネル掘削機を用いた異形断面トンネル掘削方法であって、上記カッタフレームを回転又は揺動させながら上記移動体を往復移動させて異形断面トンネルを掘削するに際して、上記伸縮カッタが突出する方向に移動された際に増加しようとする土圧を、上記ピストンが上記シリンダの奥側に移動することで土砂を上記土圧吸収室内に導いて吸収し、上記伸縮カッタが没入する方向に移動された際に減少しようとする土圧を、上記ピストンが上記シリンダの開口側に移動することで上記土圧吸収室内の土砂を排出することで補充し、土圧の変動を抑制したものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に係る異形断面トンネル掘削機を用いた異形断面トンネル掘削方法であって、上記カッタフレームを回転又は揺動させながら一方の移動体と他方の移動体とを同調させて往復移動させて異形断面トンネルを掘削し、一方の移動体の伸縮カッタの移動によって増減する土圧を、その隣りに位置する他方の移動体のピストンとシリンダとで形成された土圧吸収室の容積変動によって吸収し、他方の移動体の伸縮カッタの移動によって増減する土圧を、その隣りに位置する一方の移動体のピストンとシリンダとで形成された土圧吸収室の容積変動によって吸収するようにしたものである。

本発明に係る異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法によれば、伸縮カッタの出没に伴う土圧の変動を簡単な構成で容易に抑制でき、コストダウンを図ることができる。

本発明の一実施形態に係る異形断面トンネル掘削機の正面図である。 図１のII−II線矢視断面図である。 伸縮カッタを突出させた異形断面トンネル掘削機の断面図である。 図１の矢印IV方向からの矢視図である。 図２のＶ−Ｖ線矢視概略断面図である。 図３のVI−VI線矢視概略断面図である。 従来例を示す異形断面トンネル掘削機の側断面図である。 別の従来例を示す異形断面トンネル掘削機の正面図である。

本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１、図２、図５に示すように、本実施形態に係る異形断面トンネル掘削機１は、断面矩形の筒状のシールドフレーム２を有する掘削機本体３と、シールドフレーム２内を前後に仕切る隔壁４に支持され切羽を掘削するために回転（往復揺動でもよい）するカッタフレーム５と、カッタフレーム５にその端部から出没する方向に移動可能に設けられた伸縮カッタ６とを備えている。

シールドフレーム２には、シールドフレーム２の内面に沿ってセグメントを矩形リング状に組み立てるエレクタ（図示せず）が支持されており、エレクタよりも前方のシールドフレーム２の内面には、エレクタにより組み立てられたセグメントに反力を取ってシールドフレーム２を前進させるシールドジャッキ（図示せず）が装着されている。また、隔壁４には、隔壁４とカッタフレーム５との間のカッタ室７内の掘削土砂を隔壁４の後方に排出する排土装置（スクリューコンベヤ等、図示せず）が取り付けられている。

カッタフレーム５は、隔壁４に掘進方向に沿った軸回りに回転可能に支持されたセンターブロック８と、センターブロック８に１８０度間隔で放射状に取り付けられた一対の固定スポーク９とを有する。センターブロック８は、図示しない駆動装置により上記軸回りに回転駆動されるようになっており、各固定スポーク９の切羽側面には、センターブロック８の回転に伴って切羽を切削するビット１０が設けられている。各固定スポーク９の内部には、カーブ掘進時にカーブ内側を余掘りするためのコピーカッタ１１が出没可能に収容されている。

また、カッタフレーム５は、図１、図４に示すように、固定スポーク９に直交するように並列された一対のガイド筒１２を有する。これらガイド筒１２は、センターブロック８に取り付けられており、各ガイド筒１２には、図２に示すように、円柱状の移動体１３が夫々スライド可能に挿通されている。一方のガイド筒１２及び移動体１３と、これに隣接する他方のガイド筒１２及び移動体１３とは、同様の構成であって図１にて天地逆となっている点のみが異なっているに過ぎないので、一方のガイド筒１２及び移動体１３（図１のII−II線矢視断面のもの）についてのみ述べ、他方のガイド筒１２及び移動体１３についての説明は省略する。

図２、図５に示すように、ガイド筒１２の下端には、円柱状の基部１４がピン１５を介して支持されており、基部１４の上面には、移動体１３の下部に形成された穴１６に挿通された固定ロッド１７が設けられ、固定ロッド１７の頂部には、移動体１３の内部に形成された油圧室１８を上下に仕切る固定ピストン１９が設けられている。固定ピストン１９の側部には、油圧室１８の内周面との隙間を塞ぐシール２０が設けられ、移動体１３の下部に形成された穴１６には、固定ロッド１７の外周面との隙間を塞ぐシール２１が設けられている。この構成によれば、固定ピストン１９の上方の油圧室１８にオイルを供給すると、移動体１３が突出方向に移動し（図３参照）、その状態で固定ピストン１９の下方の油圧室１８にオイルを供給すると、移動体１３が没入方向に移動する（図２参照）。

図２、図５に示すように、移動体１３の上端には、伸縮カッタ６が取り付けられている。伸縮カッタ６は、ガイド筒１２の外周面にスライド可能に被嵌される筒部２２と、筒部２２の上部にそこを蓋するように設けられ移動体１３の上端に連結された蓋部２３と、筒部２２の切羽側面に取り付けられたビット２４とを有する。ガイド筒１２の上端の外周面には、筒部２２の内周面との隙間を塞ぐシール２５が設けられ、ガイド筒１２の内周面には、移動体１３の外周面との隙間を塞ぐシール２６が設けられていると共に、移動体１３の外周面に摺接するメタル軸受２７が設けられている。

他方、移動体１３の下部には、可動ロッド２８を介し、円板状のピストン２９が取り付けられている。可動ロッド２８は、図５に示すように正面から見て一対間隔を隔てて配置されており、上端が円柱状の移動体１３の下面に固定され、下端が円板状のピストン２９の上面に固定されている。これにより、移動体１３がガイド筒１２及び固定ピストン１９に対して昇降されると、移動体１３に可動ロッド２８を介して取りつけられたピストン２９も、一体的に昇降することになる。

ガイド筒１２の下部の外周部には、ピストン２９を昇降移動可能に収容するシリンダ３０が装着されている。シリンダ３０の下端は開放されており、図３に示すように、ピストン２９が上昇されたとき、シリンダ３０の内面とピストン２９の下面とにより、下端が開口された土圧吸収室３１が形成される。シリンダ３０の内部には、図５に示すように、可動ロッド２８が挿通される穴３２が形成された仕切板３３が設けられており、穴３２には可動ロッド２８の外周面との隙間を塞ぐシール３４が設けられている。また、ピストン２９の側面には、シリンダ３０の内周面との隙間を塞ぐシール３５が設けられ、シリンダ３０の切羽側面には、切羽を切削するためのビット４２が装着されている。

以上の構成によれば、円柱状の移動体１３がガイド筒１２及び固定ピストン１９に対して往復移動されると、図３に示すように伸縮カッタ６が突出する方向に移動された際にピストン２９がシリンダ３０の奥側に移動して土圧吸収室３１の容積が大きくなり、これとは逆に図２に示すように伸縮カッタ６が没入する方向に移動された際にピストン２９がシリンダ３０の開口側に移動して土圧吸収室３１の容積が小さくなる。なお、本実施形態では、土圧吸収室３１の容積が零となっているが、零でなくても構わない。

移動体１３を往復移動させる油圧回路について、図５、図６を用いて説明する。

図示するように、ガイド筒１２、基部１４、固定ロッド１７及び固定ピストン１９の内部には、一端がガイド筒１２の側部に開口を有し、他端が固定ピストン１９の側部のシール２０よりも下方に開口を有する伸縮カッタ没入用油圧通路３６が形成されている。伸縮カッタ没入用油圧通路３６の中程には、ガイド筒１２の下面の通路途中と基部１４の下面の通路途中とを繋ぐ配管３６ａが設けられている。また、ガイド筒１２、基部１４、固定ロッド１７及び固定ピストン１９の内部には、一端がガイド筒１２の側部に開口を有し、他端が固定ピストン１９の頂面に開口を有する伸縮カッタ突出用油圧通路３７が形成されている。伸縮カッタ突出用油圧通路３７の中程には、ガイド筒１２の下面の通路途中と基部１４の下面の通路途中とを繋ぐ配管３７ａが設けられている。

この構成によれば、図５に示すように伸縮カッタ６が没入された状態にて、伸縮カッタ突出用油圧通路３７を通して固定ピストン１９の上方の油圧室１８にオイルを供給すると、移動体１３が突出方向に移動され、図６に示すように移動体１３に取り付けられた移動カッタ６が突出状態となる。この際、固定ピストン１９の下方の油圧室１８に充満されていたオイルは、伸縮カッタ没入用油圧通路３６を通って排出される。逆に、図６に示すように伸縮カッタ６が突出された状態にて、伸縮カッタ没入用油圧通路３６を通して固定ピストン１９のシール２０よりも下方の油圧室１８にオイルを供給すると、移動体１３が没入方向に移動され、図５に示すように移動カッタ６が没入状態となる。この際、固定ピストン１９の上方の油圧室１８に充満されていたオイルは、伸縮カッタ突出用油圧通路３７を通って排出される。

なお、伸縮カッタ突出用油圧通路３７と伸縮カッタ没入用油圧通路３６との夫々に接続された油圧配管（通路）３７ｂ、３６ｂは、カッタフレーム５の回転軸を挿通され、公知のロータリージョイントを介し、坑内からオイルが給排されるようになっている。

また、図５、図６に示すように、ガイド筒１２には、一端がガイド筒１２の側面に開口を有し、他端がガイド筒１２の上面に開口を有する第１呼吸用通路３８が設けられ、ガイド筒１２及びシリンダ３０には、一端がガイド筒１２の側面に開口を有し、他端が仕切板３３より下方のシリンダ３０の内周面に開口を有する第２呼吸用通路３９が設けられている。

第１呼吸用通路３８は、図５の伸縮カッタ没入状態から図６の伸縮カッタ突出状態に移行する際に、ガイド筒１２の上面と伸縮カッタ６の筒部２２の内周面と移動体１３の外周面とで区画された上部屋４０に空気を導き、上部屋４０が負圧状態となることを回避する。これにより、移動体１３が突出方向へ移動する際に、上部屋４０が負圧状態となることによる抵抗を回避できる。また、このとき第２呼吸用通路３９は、図５におけるシリンダ３０の内周面と仕切板３３の下面とピストン２９の上面とで区画された下部屋４１内の空気を排出し、下部屋４１内の空気が圧縮充満状態となることを回避する。これにより、移動体１３が突出方向へ移動する際に、下部屋４１内の空気が圧縮充満状態となることによる抵抗を回避できる。

また、これら第１、第２呼吸用通路３８、３９は、移動体１３が逆に没入方向に移動する際には、空気の給排が逆になり、移動体１３が没入方向へ移動する際の抵抗を回避する。

なお、第１、第２呼吸用通路３８、３９の夫々に接続された空気配管３８ｂ、３９ｂは、カッタフレーム５の回転軸を挿通され、公知のロータリージョイントを介し、坑内から空気が給排されるようになっている。

本実施形態の作用を述べる。

図１、図２、図３に示すカッタフレーム５を回転軸回りに回転させながら、移動体１３を往復移動させ、矩形断面トンネルを掘削する。すなわち、カッタフレーム５が図１の状態から４５度回転するまで移動体１３を突出方向に徐々に移動させ、４５度で最も突出させ、４５度を過ぎたなら移動体１３を没入方向に徐々に移動させ、９０度で最も没入させる、という制御を繰り返すことで、矩形断面トンネルを掘削する。

ここで、伸縮カッタ６が突出する方向に移動された際、突出した伸縮カッタ６により土砂が押し退けられてその土砂がカッタ室７内に流入するため、カッタ室７内の土圧が増加しようとするところ、伸縮カッタ６が突出方向に移動すると、伸縮カッタ６が取り付けられた移動体１３に可動ロッド２８を介して連結されたピストン２９が、シリンダ３０の奥側に移動して土圧吸収室３１の容積が増加するため、その土圧吸収室３１内に土砂が流入することで上述したカッタ室７内の土圧増加が相殺され、カッタ室７内の土圧の変動が抑制される。すなわち、伸縮カッタ６が突出する方向に移動された際に増加しようとする土圧を、ピストン２９がシリンダ３０の奥側に移動することで土砂を土圧吸収室３１内に導いて吸収し、土圧の変動を抑制する。

逆に、伸縮カッタ６が没入する方向に移動された際、没入した伸縮カッタ６によりスペースが生じてそのスペースに土砂が導かれるため、カッタ室７内の土圧が減少しようとするところ、伸縮カッタ６が没入方向に移動すると、伸縮カッタ６が取り付けられた移動体１３に可動ロッド２８を介して連結されたピストン２９が、シリンダ３０の開口側に移動し、それまで土圧吸収室３１内に入り込んでいた土砂が排出されることで上述したカッタ室７内の土圧減少が相殺され、カッタ室７内の土圧の変動が抑制される。すなわち、伸縮カッタ６が没入する方向に移動された際に減少しようとする土圧を、ピストン２９がシリンダ３０の開口側に移動することで土圧吸収室３１内の土砂を排出することで補充し、土圧の変動を抑制する。

このように、移動体１３の一端に伸縮カッタ６を他端に土圧吸収室３１のピストン２９を取り付けたので、移動体１３が往復移動された際の伸縮カッタ６の出没に伴って、土圧吸収室３１の容積が自動的に減少増加することになる。よって、伸縮カッタ６の出没に伴うカッタ室７内の土圧の変動を、移動体１３を往復移動させる単一のアクチュエータ（油圧シリンダ機構）を用いるという簡単な構成で、複雑な制御装置を用いることなく容易に且つ的確に抑制でき、コストダウンを推進することができる。

また、本実施形態では、ガイド筒１２及び移動体１３を、一対、カッタフレーム５に並設し、これら移動体１３に伸縮カッタ６とピストン２９とを天地逆に取り付けると共に、カッタフレーム５にシリンダ３０を天地逆に取り付け、一方の移動体１３に取り付けたピストン２９とシリンダ３０とで形成される土圧吸収室３１の隣りに他方の移動体１３に取り付けた伸縮カッタ６を配置し、他方の移動体１３に取り付けたピストン２９とシリンダ３０とで形成される土圧吸収室３１の隣りに一方の移動体１３に取り付けた伸縮カッタ６を配置している。

このため、一方の移動体１３を突出方向に移動させたとき他方の移動体１３も突出方向に移動させ、一方の移動体１３を没入方向に移動させたとき他方の移動体１３も没入方向に移動させ、双方の移動体１３を同調させて矩形断面トンネルを掘削することで、一方の移動体１３の伸縮カッタ６の移動によって増減する土圧を、その回転周方向の隣りに位置する他方の移動体１３のピストン２９とシリンダ３０とで形成された土圧吸収室３１の容積変動によって吸収し、他方の移動体１３の伸縮カッタ６の移動によって増減する土圧を、その回転周方向の隣りに位置する一方の移動体１３のピストン２９とシリンダ３０とで形成された土圧吸収室３１の容積変動によって吸収することができる。よって、迅速且つスムーズな土圧相殺が可能となる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、移動体１３を一対カッタフレーム５に夫々往復移動可能に並設したが、単一の移動体１３をカッタフレーム５に往復移動可能に設けてもよい。また、カッタフレーム５は、本実施形態のように回転式のものに限られず、所定角度範囲で往復揺動する往復揺動式でもよい。

１ 異形断面トンネル掘削機
３ 掘削機本体
５ カッタフレーム
６ 伸縮カッタ
１３ 移動体
２９ ピストン
３０ シリンダ
３１ 土圧吸収室

Claims (4)

1. 掘削機本体の前部に配設され、切羽を掘削するために回転又は揺動するカッタフレームと、該カッタフレームに、その端部から出没する方向に移動可能に設けられた伸縮カッタとを備えた異形断面トンネル掘削機であって、
   上記カッタフレームに、上記方向に沿って往復移動する移動体を設け、該移動体の一端に上記伸縮カッタを他端にピストンを取り付け、上記カッタフレームに、上記ピストンを移動可能に収容し、一端が開口されたシリンダを設け、該シリンダと上記ピストンとにより一端が開口された土圧吸収室を形成し、
   上記移動体の往復移動に伴って、上記伸縮カッタが突出する方向に移動された際に上記ピストンが上記シリンダの奥側に移動して上記土圧吸収室の容積が大きくなり、上記伸縮カッタが没入する方向に移動された際に上記ピストンが上記シリンダの開口側に移動して上記土圧吸収室の容積が小さくなる
   ことを特徴とする異形断面トンネル掘削機。
2. 上記移動体を、一対、上記カッタフレームに並設し、
   一方の移動体の一端に上記伸縮カッタを他端に上記ピストンを取り付け、
   これとは逆に、他方の移動体の他端に上記伸縮カッタを一端に上記ピストンを取り付け、
   上記カッタフレームに、一方の移動体のピストンを移動可能に収容するシリンダと他方の移動体のピストンを移動可能に収容するシリンダとを逆向きに設け、
   一方の移動体に取り付けたピストンとシリンダとで形成される土圧吸収室の隣りに他方の移動体に取り付けた伸縮カッタを配置し、
   他方の移動体に取り付けたピストンとシリンダとで形成される土圧吸収室の隣りに一方の移動体に取り付けた伸縮カッタを配置した
   請求項１に記載の異形断面トンネル掘削機。
3. 請求項１に記載の異形断面トンネル掘削機を用いた異形断面トンネル掘削方法であって、
   上記カッタフレームを回転又は揺動させながら上記移動体を往復移動させて異形断面トンネルを掘削するに際して、
   上記伸縮カッタが突出する方向に移動された際に増加しようとする土圧を、上記ピストンが上記シリンダの奥側に移動することで土砂を上記土圧吸収室内に導いて吸収し、
   上記伸縮カッタが没入する方向に移動された際に減少しようとする土圧を、上記ピストンが上記シリンダの開口側に移動することで上記土圧吸収室内の土砂を排出することで補充し、
   土圧の変動を抑制した
   ことを特徴とする異形断面トンネル掘削方法。
4. 請求項２に記載の異形断面トンネル掘削機を用いた異形断面トンネル掘削方法であって、
   上記カッタフレームを回転又は揺動させながら一方の移動体と他方の移動体とを同調させて往復移動させて異形断面トンネルを掘削し、
   一方の移動体の伸縮カッタの移動によって増減する土圧を、その隣りに位置する他方の移動体のピストンとシリンダとで形成された土圧吸収室の容積変動によって吸収し、
   他方の移動体の伸縮カッタの移動によって増減する土圧を、その隣りに位置する一方の移動体のピストンとシリンダとで形成された土圧吸収室の容積変動によって吸収する
   ことを特徴とする異形断面トンネル掘削方法。

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