JP6080806B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、地盤の土質に応じて、トンネル施工仕様を変更することができるトンネル掘削機に関する。

一般に、トンネル掘削機の種類は、掘削地盤の土質の違いによって分類されることが多く、例えば、軟弱地盤を掘削するためのシールド掘削機や、硬質地盤を掘削するためのトンネルボーリングマシン等に分類される。このため、トンネルを施工する場合には、予め、地形調査、土質調査、地下水調査等の事前調査を行って、掘削地盤が、軟弱地盤及び硬質地盤等のいずれかの地盤に該当するのかを判断した後、トンネル掘削機におけるトンネル施工仕様を、その該当した掘削地盤に対応したものとしていた。

しかしながら、掘削地盤の中には、土質が異なる複数種類の地盤が混在しているものもあり、このような地盤に対して、１基（１種類）のトンネル掘削機によって、トンネルを連続して施工することは、非常に困難となる。

即ち、軟弱地盤においては、切羽に土水圧が常時働くため、機内にチャンバを設けて、密閉型のトンネル掘削機とし、掘削土砂をチャンバ内に充填させると共に、切羽の土水圧を保持しながら掘進する必要がある。また、トンネル掘削機の掘削反力を地盤から取れないため、その掘削反力を受ける覆工部材を設置し、これらから掘削反力を取る必要がある。

一方、硬質地盤においては、切羽が自立しており、切羽の土水圧を保持しながら掘進する必要がないため、開放型のトンネル掘削機となる。また、掘削反力を取るために、水密構造を必要とする場合には、覆工部材を設置し、これらから掘削反力を取る一方、掘削反力を取るために、水密構造を必要としない場合には、地盤から掘削反力を取るためのグリッパを装備し、このグリッパから掘削反力を取るようにする。

そこで、従来から、掘削地盤の土質に応じて、トンネル施工仕様を変更可能としたトンネル掘削機が、種々提供されている。そして、このようなトンネル掘削機としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開平７−３３１９９２号公報

上記特許文献１に開示された従来のトンネル掘削機では、掘削反力を取るための構成のみが、軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様（シールド掘削機の仕様）と、硬質地盤に対応したトンネル施工仕様（トンネルボーリングマシンの仕様）との間で、変更可能となっている。このとき、２つのトンネル施工仕様においては、推進手段の共用化を図っており、推進ジャッキの伸縮によって、共に掘進可能となっている。

つまり、軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様では、既設のセグメントを、推進ジャッキの反力受けとしているのに対して、硬質地盤に対応したトンネル施工仕様では、地盤が自立することから、セグメントの組み立てを行う必要がないため、反力装置を推進ジャッキの反力受けとしている。

このように、硬質地盤に対応したトンネル施工仕様においては、反力装置を推進ジャッキの反力受けとしているため、推進ジャッキの伸長後に、その反力装置をトンネル軸方向前方に向けて引き込む必要がある。そこで、特許文献１に開示されたトンネル掘削機では、専用の引き込みジャッキを別途設置し、反力装置の前方への引き込みを、その引き込みジャッキを用いて行うようにしている。

これにより、上記従来のトンネル掘削機では、硬質地盤に対応したトンネル施工仕様において、多数の推進ジャッキ及び引き込みジャッキを備える必要があるため、装置構成が複雑になるだけでなく、掘削機本体の内部空間を多数のジャッキが占有することになる。更に、軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様において、未使用となる多数の引き込みジャッキを、そのまま残置すると、セグメントの搬入や組み立ての障害となってしまう。よって、上記従来のトンネル掘削機においては、トンネル施工仕様を変更する祭に、引き込みジャッキの着脱作業が必要となり、仕様切り替え作業が煩雑になるおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様と硬質地盤に対応したトンネル施工仕様との間における仕様切り替え作業を、容易に行えることができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るトンネル掘削機は、
複数種類の地盤に亘って、トンネルを連続して施工するトンネル掘削機において、
円筒状をなす掘削機本体と、
前記掘削機本体の内周面に沿って設けられ、ロッドをトンネル軸方向後方に向けて伸長することにより、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、
前記推進ジャッキの反力を受ける反力受け構造体と、
前記反力受け構造体に支持されると共に、前記掘削機本体の後端部よりもトンネル軸方向後方に配置され、トンネル幅方向においてトンネルの坑壁に押し付けられることにより、前記反力受け構造体を前記坑壁に固定するグリッパと、
前記推進ジャッキのロッド先端と前記反力受け構造体の前端とを連結可能とする連結部材とを備え、
前記反力受け構造体を前記推進ジャッキの反力受けとした場合に、前記推進ジャッキの短縮によって、前記連結部材によって連結した前記反力受け構造体及び当該反力受け構造体に支持された前記グリッパのみを、トンネル軸方向前方に向けて引き込むようにした
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るトンネル掘削機は、
前記掘削機本体の前部に回転可能に支持されるカッタヘッドと、
前記カッタヘッドのトンネル軸方向後方に設けられる隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、前記カッタヘッドによって掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバと、
前記隔壁に着脱可能に設けられ、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を、前記掘削機本体のトンネル軸方向後方に向けて排出する第１土砂排出手段と、
前記隔壁に開口され、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を前記掘削機本体のトンネル軸方向後方に向けて排出する第２土砂排出手段を、設置可能とする開口部と、
前記開口部を密閉及び開放可能とする開閉手段とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るトンネル掘削機は、
前記連結部材は、
前記推進ジャッキのスプレッダに設けられるジャッキ側連結部材と、
前記反力受け構造体に設けられる反力受け側連結部材とであって、
前記ジャッキ側連結部材と前記反力受け側連結部材とを連結可能とする
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係るトンネル掘削機は、
前記反力受け構造体に、前記掘削機本体の後端部よりもトンネル軸方向後方において開口するグリッパ用開口部を備え、
前記グリッパを、前記グリッパ用開口部に対して出没可能に支持する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係るトンネル掘削機は、
前記掘削機本体の後端部における内周面の周方向全域に亘って設けられ、既設の覆工部材及び前記反力受け構造体に密着する止水用シールを備え、
前記止水用シールは、トンネル軸方向前端部及び後端部からトンネル軸方向中央部に向かうに従って、前記掘削機本体の内側に向けて膨出するように形成される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係るトンネル掘削機は、
前記第１土砂排出手段は、スクリューコンベヤである
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るトンネル掘削機によれば、硬質地盤掘削時に使用する反力受け構造体及びグリッパのトンネル軸方向前方への引き込みを、推進ジャッキを用いて行うことにより、引き込み専用の引き込み手段を必要としないので、軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様と硬質地盤に対応したトンネル施工仕様との間における仕様切り替え作業を、容易に行えることができる。

本発明の一実施例に係るトンネル掘削機における軟弱地盤に対応したトンネル施工仕様時の縦断面図である。 テールパッキンの拡大図である。 本発明の一実施例に係るトンネル掘削機における比較的安定した硬質地盤に対応したトンネル施工仕様時の縦断面図である。 本発明の一実施例に係るトンネル掘削機における硬質地盤に対応したトンネル施工仕様時の縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。 硬質地盤に対応したトンネル施工仕様時における動作手順を示した図であって、掘進直後の様子を示した図である。 図６Ａに続く動作図であって、シールドジャッキの１ストローク分掘進した直後の様子を示した図である。 図６Ｂに続く動作図であって、連結部材を装着したときの様子を示した図である。 図６Ｃに続く動作図であって、連結部材を連結したときの様子を示した図である。 図６Ｄに続く動作図であって、反力受け構造体及びメイングリッパ装置をトンネル軸方向前方に向けて引き込んだときの様子を示した図である。 図６Ｅに続く動作図であって、掘進直前の様子を示した図である。 シールドジャッキと反力受け構造体との連結構造の一例を示した図である。 図７Ａに示した連結構造における連結状態を示した図である。 シールドジャッキと反力受け構造体との連結構造のその他の例を示した図である。 テールパッキンの他の形態を示した拡大図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機について、図面を用いて詳細に説明する。

図１，３，４に示した本発明に係るトンネル掘削機１は、土質が異なる複数種類の地盤が混在する掘削地盤に対して、１基の本掘削機のみによって、トンネルＴを連続して施工可能となっている。

具体的には、掘削地盤が、軟弱地盤Ｇａから硬質地盤Ｇｂに変化したり、硬質地盤Ｇｂから軟弱地盤Ｇａに変化したりするため、トンネル掘削機１におけるトンネル施工仕様を、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様と、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様との間において、切り替え可能となっている。

なお、本発明に係るトンネル掘削機１においては、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様を、シールド掘削機の仕様とし、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様を、トンネルボーリングマシンの仕様としている。

先ず、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１について、図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように、シールド掘削機の仕様となるトンネル掘削機１には、円筒状をなす掘削機本体１１が設けられており、この掘削機本体１１の前端部内には、隔壁となるバルクヘッド１２が支持されている。バルクヘッド１２の中心部には、コンベヤ用開口部１２ａが形成されており、このコンベヤ用開口部１２ａには、開閉扉または開閉蓋（開閉手段）１３が開閉可能に支持されている。更に、バルクヘッド１２の後面側には、カッタ旋回用モータ１４が設けられている。

また、掘削機本体１１の前端部には、円盤状をなすカッタヘッド１５が回転可能に支持されており、このカッタヘッド１５の前面部には、多数のカッタ１６が装着されている。そして、カッタヘッド１５は、バルクヘッド１２の前面側に設けられる軸受（図示省略）によって回転可能に支持されると共に、メインギヤ及びピニオンギヤ（図示省略）を介して、カッタ旋回用モータ１４と接続されている。

従って、カッタ旋回用モータ１４を駆動させることにより、カッタヘッド１５を回転させることができる。これにより、カッタヘッド１５に装着されたカッタ１６によって、軟弱地盤Ｇａに切羽を掘削することができる。

更に、上述したように、バルクヘッド１２とカッタヘッド１５とは、トンネル軸方向（トンネル前後方向）において対向して配置されているため、これらの間には、チャンバ１７が区画形成されている。チャンバ１７は、掘削土砂（ずり）を一時的に蓄えるための空間（室）となっており、当該チャンバ１７内には、カッタ１６による掘削によって生じた掘削土砂が、カッタヘッド１５の土砂取込口（図示省略）を介して、取り込まれるようになっている。

なお、カッタヘッド１５の背面やバルクヘッド１２の前面には、撹拌翼２２が適宜取り付けられている。この撹拌翼２２は、チャンバ１７内に蓄えられた掘削土砂を、添加材と共に、撹拌するものとなっており、掘削土砂の種類に応じて着脱可能な構造となっている。

そして、掘削機本体１１内の下部には、第１土砂排出手段となるスクリューコンベヤ１８が、前端部から後端部に向かうに従って上方に向けて傾斜するように設けられている。このスクリューコンベヤ１８の前端部は、バルクヘッド１２を貫通して、チャンバ１７内に配置されている。

従って、スクリューコンベヤ１８を駆動させることにより、チャンバ１７内に蓄えられた、軟弱地盤Ｇａの掘削土砂を、そのスクリューコンベヤ１８の回転駆動によって、掘削機本体１１のトンネル軸方向後方に向けて排出することができる。このとき、スクリューコンベヤ１８の回転速度（掘削土砂の排出速度）と、後述するシールドジャッキ２０の伸長速度とを、制御することにより、チャンバ１７内における掘削土砂の圧力を、切羽の土水圧に対抗して保持することができる。

一方、掘削機本体１１の後端部内には、エレクタ装置１９が、トンネル軸方向、トンネル径方向、及び、トンネル周方向に移動可能に支持されている。このエレクタ装置１９は、覆工部材としてのセグメントＳを、トンネルＴの坑壁（内壁面）に沿って組み立てるものであって、そのセグメントＳは、掘削されたトンネルＴの内壁面形状に沿うような環片となっている。従って、エレクタ装置１９を駆動させることにより、複数のセグメントＳをトンネル周方向に沿ってリング状に組み立てることができる。

また、掘削機本体１１の内周面には、複数のシールドジャッキ（推進ジャッキ）２０が、その内周面の周方向に沿って支持されている。各シールドジャッキ２０のロッド先端には、スプレッダ２０ａが装着されており、このスプレッダ２０ａは、トンネル軸方向において、既設のセグメントＳの前端面と対向している。

即ち、シールドジャッキ２０は、トンネル軸方向後方に向けて伸長して、スプレッダ２０ａを既設のセグメントＳの前端面に押圧させることにより、掘削機本体１１に推進力（掘削反力）を与えるものとなっている。これにより、掘削機本体１１は、シールドジャッキ２０がセグメントＳを押圧したときに発生する掘削反力によって、軟弱地盤Ｇａ内を前進可能となっている。

更に、掘削機本体１１の後端部における内周面には、テールパッキン（止水用シール）２１が、トンネル軸方向において、複数段設けられている。このテールパッキン２１は、掘削機本体１１の内周面における周方向全域に亘って設けられており、既設のセグメントＳの外周面に密着している。よって、掘削機本体１１の内周面と既設のセグメントＳの外周面との間の隙間を、テールパッキン２１によって密閉することができるため、その隙間から掘削機本体１１内への土や水等の浸入を防止することができる。

具体的に、図２に示すように、環状のテールパッキン２１は、前端部及び後端部が、掘削機本体１１の内周面に取り付けられており、前端部及び後端部から中央部に向かうに従って、掘削機本体１１の内側に向けて膨出するような、円弧状に形成されている。これにより、テールパッキン２１は、止水性能を確保するだけでなく、セグメントＳの外周面に対して、トンネル前後方向に摺接可能となっている。

なお、テールパッキン２１の材質は、ゴム等の弾性材となっている。例えば、テールパッキン２１の耐摩耗性の向上（パッキン寿命の向上）を図る場合には、その材質に、スチール繊維が補強材として混入された繊維補強ゴムや、ＥＰＤＭ（エチレン-プロピレン-ジエンゴム）等を採用することが、好適である。

また、トンネルＴの坑壁と既設のセグメントＳとの間に形成される隙間に、裏込め材を注入する場合には、テールパッキン２１の膨出部分における内圧を高めて、テールパッキン２１のセグメントＳへの押圧力を大きくすることにより、裏込め材の注入圧力に対抗することができる。

そして、掘削機本体１１の内周面には、フロントグリッパ３３が支持されている。このフロントグリッパ３３は、トンネル径方向に伸縮可能となっており、掘削機本体１１の外周面に対して出没するようになっている。これにより、フロントグリッパ３３を、掘削機本体１１の外周面から突出させることにより、掘削機本体１１の方向制御を行うことができると共に、詳細は後述するが、その突出させたフロントグリッパ３３を、硬質地盤Ｇｂの坑壁に押し付けることにより、掘削機本体１１を、トンネルＴの坑壁に固定することができる。

従って、トンネルＴを軟弱地盤Ｇａ内に施工する場合には、カッタ旋回用モータ１４を駆動させることにより、カッタヘッド１５を回転させると共に、シールドジャッキ２０を伸長させることにより、既設のセグメントＳから掘削反力を得て、掘削機本体１１を前進させる。これにより、回転するカッタヘッド１５に装着された多数のカッタ１６によって、軟弱地盤Ｇａに切羽が掘削される。

このとき、地盤掘削によって発生した掘削土砂は、カッタヘッド１５の土砂取込口を介して、チャンバ１７内に充填されることになり、このチャンバ１７は、充填された掘削土砂によって、所定の内圧に維持される。そして、チャンバ１７内に充填された掘削土砂は、スクリューコンベヤ１８の回転駆動によって、トンネル軸方向後方に向けて排出される。これと同時に、エレクタ装置１９の駆動によって、複数のセグメントＳがトンネル周方向に沿ってリング状に組み立てられる。

以上より、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、掘削土砂をチャンバ１７内に充填させて、そのチャンバ１７内を所定の内圧に維持しながら排土することにより、切羽の安定化を図りながら、トンネルＴを掘削可能となっている。これと同時に、シールドジャッキ２０の伸長によって、既設のセグメントＳから掘削反力を取って掘進しながら、そのシールドジャッキ２０のトンネル軸方向後方において、新設のセグメントＳを組立可能となっている。

次に、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１について、図３乃至図５を用いて説明する。なお、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様と共用となる部材及び構成については、同一の符号を付し、その説明を省略している。

図３及び図４に示すように、トンネルボーリングマシンの仕様となるトンネル掘削機１においては、土砂排出手段を、第１土砂排出手段となるスクリューコンベヤ１８から、第２土砂排出手段となるベルトコンベヤ３１に変更している。

このベルトコンベヤ３１は、水平状態を維持して取り付けられており、チャンバ１７内から掘削機本体１１のトンネル軸方向後方まで延設されている。そして、ベルトコンベヤ３１の前端部には、ホッパ３２が取り付けられており、このホッパ３２は、カッタヘッド１５のずり取込口を介して取り込まれた掘削土砂を、捕集するものとなっている。

即ち、ベルトコンベヤ３１を掘削機本体１１内に設置する場合には、開閉扉１３をトンネル軸方向後方に向けて開いた後、ベルトコンベヤ３１の前端部を、コンベヤ用開口部１２ａに通して、チャンバ１７内に配置する。このとき、全開状態の開閉扉１３は、水平方向に配置されており、これに伴って、コンベヤ用開口部１２ａ内に挿入されたベルトコンベヤ３１は、その開閉扉１３の上面（全閉状態では前面）に載置される。

また、掘削機本体１１の後端部内には、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様と同様に、エレクタ装置１９が装備されている。ここで、硬質地盤Ｇｂが、掘削反力を取れない湧水地盤等であって、覆工部材としてのセグメントＳが必要となる場合には、図３に示すように、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様においても、既設のセグメントＳから掘削反力を得る場合がある。一方、硬質地盤Ｇｂが、掘削反力を十分に取れる程の頑丈な地盤であって、覆工部材としてのセグメントＳが不必要となる場合には、図４に示すように、詳細は後述するが、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０から掘削反力を得るようにする。

そこで、図４に示すように、掘削機本体１１には、３つの反力受け構造体４１，４２，４３が、後端部内から当該後端部のトンネル軸方向後方に亘って設けられている。このうち、掘削機本体１１の後端部よりもトンネル軸方向後方に配置される反力受け構造体４３の内側には、メイングリッパ装置５０が設けられている。

反力受け構造体４１，４２，４３は、シールドジャッキ２０のトンネル軸方向後方に設けられており、トンネル軸方向において隙間なく連続して配置されている。そして、このような、反力受け構造体４１，４２，４３の構成としては、例えば、複数の鋼製セグメント４１ａ，４２ａ，４３ａを、それぞれリング状に組み立てたものとなっている。

具体的に、鋼製セグメント４１ａ，４２ａ，４３ａは、セグメントＳと同様に、掘削されたトンネルＴの内壁面形状に沿うような環片となっており、反力受け構造体４１，４２，４３は、エレクタ装置１９によって、複数の鋼製セグメント４１ａ，４２ａ，４３ａを、それぞれトンネル周方向に沿ってリング状に組み立てたものとなっている。

即ち、反力受け構造体４１，４２，４３は、複数のセグメントＳをリング状に組み立てることによって得られるセグメントリングのリング形状と同じリング形状をなしている。これにより、組み立て後における反力受け構造体４１，４２，４３（鋼製セグメント４１ａ，４２ａ，４３ａ）の外周面には、テールパッキン２１が密着可能で、且つ、摺接可能となっている。

また、最もトンネル軸方向前方に位置する反力受け構造体４１（鋼製セグメント４１ａ）の前端面と、シールドジャッキ２０のスプレッダ２０ａとは、トンネル軸方向において対向している。そして、スプレッダ２０ａの押圧面には、連結部材（ジャッキ側連結部材）４４ａが取付可能となると共に、反力受け構造体４１の前端面には、連結部材（反力受け側連結部材）４４ｂが取付可能となっており、これら連結部材４４ａ，４４ｂは、連結ピン４５よって連結可能となっている（図６Ｄ参照）。

更に、図４及び図５に示すように、最もトンネル軸方向後方に位置する反力受け構造体４３のトンネル幅方向左右両側には、グリッパ用開口部４６が形成されている。なお、グリッパ用開口部４６は、１つの鋼製セグメント４３ａのみに開口させたり、複数の鋼製セグメント４３ａに亘って開口させたりしても構わない。また、鋼製セグメント４２ａ，４３ａに跨って開口させても構わない。

一方、メイングリッパ装置５０は、支持部材（図示省略）を介して、反力受け構造体４３内に支持されている。メイングリッパ装置５０の中央部には、断面が矩形をなす枠部材５１が設けられており、この枠部材５１の内側には、ベルトコンベヤ３１が貫通している。また、枠部材５１の左右両側部には、上下一対のグリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂが設けられており、各グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂは、それぞれトンネル幅方向に伸縮可能となっている。

具体的に、上下一対のグリッパ用ジャッキ５２ａは、トンネル幅方向一方側に向けて伸長可能となっており、それらのロッド先端間には、メイングリッパ５３ａが装着されている。これに対して、上下一対のグリッパ用ジャッキ５２ｂは、トンネル幅方向他方側に向けて伸長可能となっており、それらのロッド先端間には、メイングリッパ５３ｂが装着されている。

そして、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂに装着されたメイングリッパ５３ａ，５３ｂは、トンネル径方向においてグリッパ用開口部４６と対向しており、当該グリッパ用開口部４６をトンネル幅方向において通過可能となっている。これにより、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを伸縮させることにより、メイングリッパ５３ａ，５３ｂを反力受け構造体４３の外周面に対して出没させることができる。

即ち、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを伸長させることにより、メイングリッパ５３ａ，５３ｂを、反力受け構造体４３の外周面から突出させて、硬質地盤Ｇｂの坑壁に押し付けることができる。よって、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、トンネルＴの坑壁に固定することができるので、当該反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、シールドジャッキ２０の反力受けとして使用することができる。

従って、トンネルＴを硬質地盤Ｇｂ内に施工する場合には、先ず、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを伸長させて、メイングリッパ５３ａ，５３ｂをトンネルＴの坑壁に押し付ける。これにより、メイングリッパ５３ａ，５３ｂと坑壁との摩擦力を掘削反力として使用する。

そして、カッタ旋回用モータ１４を駆動させることにより、カッタヘッド１５を回転させると共に、シールドジャッキ２０を伸長させることにより、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０から掘削反力を得て、掘削機本体１１を前進させる。これにより、回転するカッタヘッド１５に装着された多数のカッタ１６によって、硬質地盤Ｇｂに切羽が掘削される。

このとき、地盤掘削によって発生した掘削土砂は、カッタヘッド１５の土砂取込口を介して、ホッパ３２内に捕集された後、ベルトコンベヤ３１の走行によって、トンネル軸方向後方に向けて排出される。

次いで、シールドジャッキ２０の１ストローク分、掘進した後、フロントグリッパ３３を、伸長させて、トンネルＴの坑壁に押し付けると共に、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを短縮させて、メイングリッパ５３ａ，５３ｂをトンネルＴの坑壁から離脱させる。

続いて、シールドジャッキ２０を短縮させることにより、連結部材４４ａ，４４ｂ及び連結ピン４５によって連結した反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、シールドジャッキ２０の１ストローク分、トンネル軸方向前方に向けて引き込む。

以上より、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、掘削土砂をベルトコンベヤ３１によってそのまま排土することにより、トンネルＴを掘削可能となっている。これと同時に、シールドジャッキ２０の伸長によって、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０から掘削反力を取って掘進することが可能となっている。

つまり、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、既設のセグメントＳを、シールドジャッキ２０の反力受けとしている。これに対して、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、地盤が自立することから、セグメントＳの組み立てを行う必要がないため、反力受け構造体４１，４２，４３を、シールドジャッキ２０の反力受けとしている。

このとき、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、シールドジャッキ２０の１ストローク分掘進した後に、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、トンネル軸方向前方に向けて引き込む必要がある。そこで、シールドジャッキ２０の連結部材４４ａと反力受け構造体４１の連結部材４４ｂとを、連結ピン４５によって連結させることにより、それらの引き込み動作を、シールドジャッキ２０の短縮によって行うようにしている。

また、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、既設のセグメントＳを、シールドジャッキ２０の反力受けとしているため、テールパッキン２１は、既設のセグメントＳに対して、トンネル軸方向前方のみに向けて摺接する。これに対して、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様となるトンネル掘削機１においては、反力受け構造体４１，４２，４３を、シールドジャッキ２０の反力受けとするだけでなく、当該シールドジャッキ２０の短縮によって、引き込むようにしているため、テールパッキン２１は、反力受け構造体４１，４２に対して、トンネル軸方向前方及び後方に向けて摺接する。

このとき、テールパッキン２１を、掘削機本体１１の内側に向けて、円弧状に膨出させているため、このテールパッキン２１は、反力受け構造体４１，４２に対して、トンネル軸方向前方及び後方に向けて摺接しても、破損することはなく、更に、裏込め材の注入圧力に対抗可能となっている。これにより、２つのトンネル施工仕様においては、テールパッキン２１の共用化を図るようにしている。

次に、トンネルＴを軟弱地盤Ｇａ内及び硬質地盤Ｇｂ内に連続して掘削する際におけるトンネル施工仕様の切り替え動作について、図６Ａ〜図６Ｆを用いて詳細に説明する。

先ず、図６Ａに示すように、トンネル掘削機１が掘進する掘削地盤が、軟弱地盤Ｇａから硬質地盤Ｇｂに変化すると、そのトンネル施工仕様を、シールド掘削機の仕様からトンネルボーリングマシンの仕様に変更する。つまり、土砂排出手段を、スクリューコンベヤ１８から、ベルトコンベヤ３１及びホッパ３２に変更すると共に、掘削機本体１１に、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を装着する。

続いて、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを伸長して、メイングリッパ５３ａ，５３ｂを、グリッパ用開口部４６から突出させて、トンネルＴの坑壁に押し付ける。これにより、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０は、トンネルＴの坑壁に固定される。

その後、カッタヘッド１５を回転させながら、シールドジャッキ２０を伸長させて、スプレッダ２０ａを反力受け構造体４１の前端面に押圧させる。これにより、反力受け構造体４１，４２，４３を、シールドジャッキ２０の反力受けとして使用することになり、トンネル掘削機１の掘進が開始される。

次いで、図６Ｂに示すように、更に、シールドジャッキ２０を、ストローク量が最長になるまで伸長させると、掘削機本体１１は、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０に対して、シールドジャッキ２０の１ストローク分（鋼製セグメント４１ａ，４１ｂ，４１ｃの１リング分）、トンネル軸方向前方に向けて前進する。

このとき、テールパッキン２１は、反力受け構造体４２の外周面上から反力受け構造体４１の外周面上まで摺接することになるが、円弧状に膨出しているため、反力受け構造体４１，４２間の段差に引っ掛かることはない。

そして、図６Ｃに示すように、シールドジャッキ２０を若干短縮させて、スプレッダ２０ａの押圧面を、反力受け構造体４１の前端面から離脱させる。続いて、スプレッダ２０ａの押圧面に、連結部材４４ａを取り付ける一方、反力受け構造体４１の前端面に、連結部材４４ｂを取り付ける。

次いで、図６Ｄに示すように、シールドジャッキ２０を若干伸長させて、スプレッダ２０ａの連結部材４４ａを、反力受け構造体４１の連結部材４４ｂと重ね合わせた後、連結部材４４ａ，４４ｂを連結ピン４５によって連結する。これにより、シールドジャッキ２０と、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０とは、連結される。

そして、図６Ｅに示すように、フロントグリッパ３３を伸長させてトンネルＴの坑壁に押し付ける。これにより、掘削機本体１１は、トンネルＴの坑壁に固定される。

続いて、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを短縮して、メイングリッパ５３ａ，５３ｂを、トンネルＴの坑壁から離脱させて、グリッパ用開口部４６よりも内側に収納する。これにより、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０は、トンネルＴの坑壁による拘束が解除される。

その後、シールドジャッキ２０を短縮させて、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、トンネル軸方向前方に向けて引き込む。

このとき、テールパッキン２１は、反力受け構造体４１の外周面上から反力受け構造体４２の外周面上まで摺接することになるが、円弧状に膨出しているため、鋼製セグメント４１ａ，４２ａ間の段差に引っ掛かることはない。

次いで、図６Ｆに示すように、フロントグリッパ３３を短縮させてトンネルＴの坑壁から離脱させる一方、グリッパ用ジャッキ５２ａ，５２ｂを伸長して、メイングリッパ５３ａ，５３ｂを、グリッパ用開口部４６から突出させて、トンネルＴの坑壁に押し付ける。

続いて、連結ピン４５を連結部材４４ａ，４４ｂから取り外して、シールドジャッキ２０と反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０との間の連結を解除する。更に、連結部材４４ａ，４４ｂを、スプレッダ２０ａの押圧面及び反力受け構造体４１の前端面から取り外す。

そして、図６Ｂから図６Ｆに示した動作を繰り返し行うことにより、トンネル掘削機１が硬質地盤Ｇｂ内を掘進する。

また、トンネル掘削機１が掘進する掘削地盤が、硬質地盤Ｇｂから軟弱地盤Ｇａに変化すると、そのトンネル施工仕様を、トンネルボーリングマシンの仕様からシールド掘削機の仕様に変更する。つまり、土砂排出手段を、ベルトコンベヤ３１及びホッパ３２から、スクリューコンベヤ１８に変更すると共に、掘削機本体１１から、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を取り外す。

なお、上述した実施形態においては、軟弱地盤掘削時に使用するスクリューコンベヤ１８の全構成を、硬質地盤掘削時に取り外すようにしているが、その１部分の構成のみを、硬質地盤掘削時に取り外すようにしても構わない。

例えば、図１の２点鎖線で示すように、スクリューコンベヤ１８を、バルクヘッド１２に対して上下方向に回動可能に支持することにより、その傾斜角度（前傾角度）を変更可能とすると共に、スクリューコンベヤ１８を、その長手方向途中部分において、前端部側と後端部側とで分解可能な分解構造とする。そして、図３及び図４の２点鎖線で示すように、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様に変更する場合には、スクリューコンベヤ１８の後端部のみを取り外す一方、スクリューコンベヤ１８の前端部を、下方に向けて回動させて、ベルトコンベヤ３１から退避させる。

これにより、スクリューコンベヤ１８のバルクヘッド１２に対する着脱作業は、時間を要することになるが、その着脱作業を省略することができる。よって、仕様切り替え時におけるスクリューコンベヤ１８においては、前端部に対する回動作業と、後端部の着脱作業とを行うだけとなり、仕様切り替え作業の簡素化を図ることができる。

また、シールドジャッキ２０と反力受け構造体４１との連結を、連結部材４４ａ，４４ｂ及び連結ピン４５を用いることにより行っているが、図７Ａ，７Ｂ及び図８に示すような、連結部材４４ｃ，４４ｄ及び４４ｅを用いても構わない。

具体的には、図７Ａに示すように、スプレッダ２０ａの外周面には、連結部材（ジャッキ側連結部材）４４ｃが設けられており、反力受け構造体４１（鋼製セグメント４１ａ）の内周面には、連結部材（反力受け側連結部材）４４ｄが設けられている。そして、図７Ｂに示すように、上述した連結部材４４ｃ，４４ｄは、連結ピン４５によって連結可能となっている。

これにより、反力受け構造体４１，４２，４３をシールドジャッキ２０の反力受けとして使用する際に、連結部材４４ｃ，４４ｄを取り外す必要がなくなるため、シールドジャッキ２０と反力受け構造体４１との連結（反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０の引き込み準備）を、連結ピン４５の連結部材４４ｃ，４４ｄへの挿入動作のみで行うことができる。よって、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様に変更した場合には、連結部材４４ｃ，４４ｄを、常時、取り付けたままの状態とすることができるので、硬質地盤Ｇｂを効率的に掘削することができる。

これに対して、図８に示すように、シールドジャッキ２０のロッド先端とスプレッダ２０ａとの間には、ナックル軸２０ｂ及びナックル支持部材２０ｃが、介在されている。そして、スプレッダ２０の押圧面と反力受け構造体４１の前端面とは、連結部材としての連結ボルト４４ｅによって連結可能となっている。よって、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様に変更した場合には、連結ボルト４４ｅを、掘進時及び引き込み時において着脱させる必要がなく、常時、取り付けたままの状態とすることができるので、硬質地盤Ｇｂを効率的に掘削することができる。

更に、図９に示すように、テールパッキン２１の中空横断面を円形とすることにより、当該テールパッキン２１を、掘削機本体１１の内側に向けて円弧状に膨出させるようにしても構わない。勿論、テールパッキン２１の膨出形状としては、セグメントＳ及び反力受け構造体４１，４２に対してトンネル軸方向に摺接可能となればよく、円弧状だけでなく、三角状や楕円状を採用しても構わない。

そして、最後に、上述した実施形態においては、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様を、土圧式のシールド掘削機の仕様としているが、軟弱地盤Ｇａの土水圧が大きくなる場合には、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様を、泥水式のシールド掘削機の仕様とすることもできる。なお、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様を、泥水式のシールド掘削機の仕様とする場合には、撹拌翼２２及び添加材注入機構を省くこともできる。

従って、本発明に係るトンネル掘削機１によれば、硬質地盤掘削時に使用する反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０の引き込みを、シールドジャッキ２０を用いて行うことにより、引き込み専用の引き込みジャッキを必要としないので、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様と硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様との間における仕様切り替え作業を、容易に行えることができる。

つまり、土砂排出手段を、開閉扉１３の開閉動作に応じて、スクリューコンベヤ１８とベルトコンベヤ３１との間で切り替えると共に、反力受けを、既設のセグメントＳと反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０との間で切り替えることにより、トンネル掘削機１を、密閉型トンネル掘削機と開放型トンネル掘削機との間において、容易に切り替えることができる。

これにより、密閉型トンネル掘削機においては、開閉扉１３を閉じることにより、チャンバ１７内を密閉して、切羽の土水圧を保持しながら、掘削土砂をスクリューコンベヤ１８によって排土すると共に、既設のセグメントＳをシールドジャッキ２０の反力受けとして、掘進することができる。

一方、開放型トンネル掘削機においては、開閉扉１３を開くことにより、チャンバ１７を開放して、掘削土砂をベルトコンベヤ３１によって排土すると共に、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０をシールドジャッキ２０の反力受けとして、掘進することができる。このとき、開放型トンネル掘削機では、既存のシールドジャッキ２０を、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０の引き込みにも使用しているため、推進手段となるシールドジャッキ２０が掘削機本体１１の内部空間を占有することがなく、仕様切り替え作業を、容易に行えることができる。

また、シールドジャッキ２０と反力受け構造体４１とを、連結部材４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ、連結ボルト４４ｅ、及び、連結ピン４５によって連結可能としたことにより、反力受け構造体４１，４２，４３及びメイングリッパ装置５０を、シールドジャッキ２０によって容易に引き込むことができる。そして、連結部材４４ｃ，４４ｄ及び連結ボルト４４ｅを使用する際には、それらを常時取り付けたままの状態とすることができるため、引き込み完了時から次の掘進開始までの時間を短くすることができる。よって、硬質地盤Ｇｂ内を掘削するための掘削時間を短縮することができる。

更に、テールパッキン２１を、掘削機本体１１の内側に向けて膨出するようなに形成することにより、当該テールパッキン２１を、既設のセグメントＳに対して、トンネル軸方向前方に向けて摺接させることができるだけでなく、反力受け構造体４１，４２に対して、トンネル軸方向前方及び後方に向けて摺接させることができる。これにより、テールパッキン２１を、軟弱地盤Ｇａに対応したトンネル施工仕様と、硬質地盤Ｇｂに対応したトンネル施工仕様との双方において、使用することができるので、トンネル施工仕様の切り替え時において、テールパッキン２１の切り替えを無くすことができる。

本発明に係るトンネル掘削機は、掘削途中でトンネル施工仕様を変更して、土質が異なる複数種類の地盤を１機の掘削機で連続して掘削することができるため、トンネル施工技術分野において、極めて有益に利用することができる。

１ トンネル掘削機
１１ 掘削機本体
１２ バルクヘッド
１３ 開閉扉
１４ カッタ旋回用モータ
１５ カッタヘッド
１６ カッタ
１７ チャンバ
１８ スクリューコンベヤ
１９ エレクタ装置
２０ シールドジャッキ
２１ テールパッキン
３１ ベルトコンベヤ
３２ ホッパ
３３ フロントグリッパ
４１〜４３ 反力受け構造体
４１ａ〜４３ａ 鋼製セグメント
４４ａ〜４４ｄ 連結部材
４４ｅ 連結ボルト
４５ 連結ピン
４６ グリッパ用開口部
５０ メイングリッパ装置
５１ 枠部材
５２ａ，５２ｂ グリッパ用ジャッキ
５３ａ，５３ｂ メイングリッパ
Ｇａ 軟弱地盤
Ｇｂ 硬質地盤
Ｔ トンネル
Ｓ セグメント

Claims (6)

1. 複数種類の地盤に亘って、トンネルを連続して施工するトンネル掘削機において、
   円筒状をなす掘削機本体と、
   前記掘削機本体の内周面に沿って設けられ、ロッドをトンネル軸方向後方に向けて伸長することにより、前記掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、
   前記推進ジャッキの反力を受ける反力受け構造体と、
   前記反力受け構造体に支持されると共に、前記掘削機本体の後端部よりもトンネル軸方向後方に配置され、トンネル幅方向においてトンネルの坑壁に押し付けられることにより、前記反力受け構造体を前記坑壁に固定するグリッパと、
   前記推進ジャッキのロッド先端と前記反力受け構造体の前端とを連結可能とする連結部材とを備え、
   前記反力受け構造体を前記推進ジャッキの反力受けとした場合に、前記推進ジャッキの短縮によって、前記連結部材によって連結した前記反力受け構造体及び当該反力受け構造体に支持された前記グリッパのみを、トンネル軸方向前方に向けて引き込むようにした
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 請求項１に記載のトンネル掘削機において、
   前記掘削機本体の前部に回転可能に支持されるカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドのトンネル軸方向後方に設けられる隔壁と、
   前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、前記カッタヘッドによって掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバと、
   前記隔壁に着脱可能に設けられ、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を、前記掘削機本体のトンネル軸方向後方に向けて排出する第１土砂排出手段と、
   前記隔壁に開口され、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を前記掘削機本体のトンネル軸方向後方に向けて排出する第２土砂排出手段を、設置可能とする開口部と、
   前記開口部を密閉及び開放可能とする開閉手段とを備える
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
3. 請求項１または２に記載のトンネル掘削機において、
   前記連結部材は、
   前記推進ジャッキのスプレッダに設けられるジャッキ側連結部材と、
   前記反力受け構造体に設けられる反力受け側連結部材とであって、
   前記ジャッキ側連結部材と前記反力受け側連結部材とを連結可能とする
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル掘削機において、
   前記反力受け構造体に、前記掘削機本体の後端部よりもトンネル軸方向後方において開口するグリッパ用開口部を備え、
   前記グリッパを、前記グリッパ用開口部に対して出没可能に支持する
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネル掘削機において、
   前記掘削機本体の後端部における内周面の周方向全域に亘って設けられ、既設の覆工部材及び前記反力受け構造体に密着する止水用シールを備え、
   前記止水用シールは、トンネル軸方向前端部及び後端部からトンネル軸方向中央部に向かうに従って、前記掘削機本体の内側に向けて膨出するように形成される
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
6. 請求項２に記載のトンネル掘削機において、
   前記第１土砂排出手段は、スクリューコンベヤである
   ことを特徴とするトンネル掘削機。

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