JP6104617B2

JP6104617B2 - トンネル掘削機及び該トンネル掘削機による立坑掘削工法

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Publication number: JP6104617B2
Application number: JP2013013831A
Authority: JP
Inventors: 杉山　雅彦; 雅彦杉山; 実保苅; 年史井上
Original assignee: Ｊｉｍテクノロジー株式会社
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: JP2014145177A

Description

本発明は、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁をも直接掘削可能なカッタヘッドを備えたトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による立坑掘削工法に関する。

トンネル施工工事に使用されるシールド掘削機は、その先端に回転するカッタヘッドを具備し、このカッタヘッドの前面には複数のカッタビットが設けられている。そして、トンネル施工工事に際して、シールド掘削機はカッタヘッドを回転させながら発進立坑から発進し、途中の地山を通過して到達立坑までを掘進するようになっている。

このトンネル施工工事における工法の一つとして、立坑前面の地山を薬液注入等で改良して、この立坑の一部をドリル等を用いて人手により破砕し、その後シールド掘削機によりトンネルを構築するものがあり、また、別な工法として、地山の改良を行わず、立坑の一部を炭素繊維等で補強した無筋のコンクリート構造とし、この部分（ノムスト壁）をシールド掘削機のカッタヘッドで直接掘削する工法（ノムスト工法）があることは特許文献１等で知られている。

さらに、特許文献２では、カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜したカッタフェイスに、複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設けると共に、そのうちの支障物切削ビットは、フィッシュテールカッタを廃止したカッタフェイス中央部での土砂攪拌用の流路を確保しつつ、当該カッタフェイス中央部まで取付範囲を拡大して設けられるようにして、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに少ない施工費と施工期間で支障物切削が行えるようにしたトンネル掘削機が開示されている。

特開２００１−３３６３８８号公報特開２０１０−１９６３８６号公報

ところで、特許文献１で開示された前者の工法にあっては、薬液注入等の作業工数の増大で工期の遅延と施工費の高騰を招来すると共にドリル等を用いて人手の作業となるため安全性に不安がある。また、後者の工法にあっては、地山の改良をしないのでカッタヘッドによるノムスト壁の掘削時に当該ノムスト壁が外側に膨らみシール性が低下すると共にノムスト壁に高価な炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を使用するので施工費の高騰を招来する。

そこで、特許文献２に開示されたカッタヘッドを用いて、発進立坑や到達立坑の封止壁を直接掘削することが考えられるが、特許文献２に開示されたカッタヘッドにおいては、センターシャフトの蓋板に配設されて実質的に回転していないか周速が遅く芯出し機能が主で切削（掘削）性能にあまり寄与しないセンタービットが、同じくセンターシャフトの蓋板に当該センタービットに近接して配設されて切削（掘削）性能に大きく寄与する支障物切削ビットより前方へ突出しているので、発進立坑や到達立坑における封止壁を押す作用が主となって切削（掘削）性能が低く、発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁を直接掘削することは到底不可能である。

そこで、本発明は、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁をも直接掘削可能なカッタヘッドを備えたトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による立坑掘削工法を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜したカッタフェイスに、複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設けると共に、そのうちの支障物切削ビットをカッタフェイス中央部まで取付範囲を拡大して設けたトンネル掘削機において、
前記カッタフェイスの中心部に、前記取付範囲を拡大して設けた支障物切削ビットと共にセンターカッタを構成する柱状のセンタービットを設けると共に、当該センタービットのチップ配設部に当該チップを露出させて縦に割りを入れた
ことを特徴とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係る立坑掘削工法は、
前記トンネル掘削機を用いて発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁を直接掘削する
ことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機によれば、センターカッタにおける切削性能の向上により、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）をも直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

本発明に係る立坑掘削工法によれば、切削（掘削）性能の優れたカッタヘッドを備えたトンネル掘削機により、発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）を直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

本発明の実施例１を示す泥土圧シールド掘削機の概略構成図である。カッタヘッドの正面図である。センターカッタの拡大正面図である。図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。図３ＡのＢ−Ｂ線断面図である。本発明の実施例２を示すセンタービットの正面図である。図４ＡのＣ−Ｃ線断面図である。図４ＡのＤ−Ｄ線断面図である。本発明の実施例３を示すセンタービットの正面図である。図５ＡのＥ−Ｅ線断面図である。図５ＡのＦ−Ｆ線断面図である。本発明の実施例４を示すセンタービットの平面図である。図６ＡのＧ矢視図である。斜視図である。センタービットの変形例を示す平面図である。本発明のトンネル掘削機による立坑掘削工法の説明図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による立坑掘削工法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示す泥土圧シールド掘削機の概略構成図、図２はカッタヘッドの正面図、図３Ａはセンターカッタの拡大正面図、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ線断面図、図３Ｃは図３ＡのＢ−Ｂ線断面図、図８は本発明のトンネル掘削機による立坑掘削工法の説明図である。
である。

図１に示すように、立坑掘削工法を含むトンネル掘削作業に用いられる本実施例の泥土圧シールド掘削機（トンネル掘削機）１０において、筒状をなす掘削機本体１１の前胴（前部）１１ａにはバルクヘッド１２が形成され、このバルクヘッド１２にはリングギア付き軸受１３によりテーパ筒状の回転体１４が回転自在に支持され、この回転体１４に後述する第１〜第４カッタ面板（カッタフェイス）１６ａ〜１６ｄ及び第１〜第４カッタスポーク（カッタフェイス）１７ａ〜１７ｄが先細りの円錐状に傾斜する傾斜型のカッタヘッド１５が装着されている。回転体１４と掘削機本体１１の前胴１１ａとの間にはシール１８があり、リングギア付き軸受１３のギアの噛み合わせ部分へ土砂などの異物が侵入するのを防いでいる。

カッタヘッド１５及び回転体１４の後部には前述したリングギア付き軸受１３が連接される一方、掘削機本体１１の前胴１１ａには駆動モータ１９が装着され、この駆動モータ１９の駆動ギア２０がリングギア付き軸受１３のリングギア部に噛み合っている。従って、駆動モータ１９を駆動して駆動ギア２０を回転駆動すると、リングギア付き軸受１３及び回転体１４を介してカッタヘッド１５を回転することができる。

一方、掘削機本体１１内にはスクリュコンベア２１が配設されており、前端部がバルクヘッド１２を貫通してチャンバ２２に連通されている。また、掘削機本体１１の後部（後胴１１ｂ）にはリングガータ２３が形成され、このリングガータ２３の外周部には周方向に沿って複数のシールドジャッキ２４が配設されると共に、その内周部には旋回モータ２５により旋回駆動される旋回リング２６が旋回可能に支持され、この旋回リング２６にセグメントＳを組立てるエレクタ装置２７が装着されている。従って、シールドジャッキ２４が掘進方向後方に伸長してそのスプレッダ２４ａを既設のセグメント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と共に、エレクタ装置２７により前進した掘削機本体１１（後胴１１ｂ）と既設のセグメントＳとの空所に新しいセグメントＳを組み付けることができる。

また、掘削機本体１１の前胴１１ａと後胴１１ｂとは、球面継手部材２８を介して連結され、前胴１１ａと後胴１１ｂとの間に介装された複数の中折れジャッキ２９の伸縮により掘削機本体１１が所定方向に中折れ可能になっている。

図２にも示すように、カッタヘッド１５は、第１〜第４カッタ面板（カッタフェイス）１６ａ〜１６ｄと第１〜第４カッタスポーク（カッタフェイス）１７ａ〜１７ｄが周方向へ交互に等配されて（即ち、４５°間隔で配置されて）センターシャフト３０と外周リング３１に支持されてなり、各第１〜第４カッタスポーク１７ａ〜１７ｄの両側に土砂用切削ビット３２がまた中央部にスポーク取付用の支障物切削ビット３３が多数装着され、各第１〜第４カッタ面板１６ａ〜１６ｄに面板取付用の支障物切削ビット３４が多数装着されている。また、第１及び第３カッタスポーク１７ａ，１７ｃには押出ジャッキ３５によってカッタヘッド１５の径方向に突出可能なコピーカッタ３６が内蔵される。

そして、前記土砂用切削ビット３２は、そのかんな刃状の超硬チップが所定のすくい角と逃げ角を有してチップ先端角度が鋭角になっている。一方、スポーク取付用の支障物切削ビット３３は、一つ（複数でも良い）の超硬チップを中心にして切削方向（カッタヘッド１５の周方向）に対称な山型状に形成されて土砂用切削ビット３２の超硬チップと比較するとすくい角がマイナスとなっており、チップ先端角度が鈍角であると言える。また、面板取付用の支障物切削ビット３４は複数の超硬チップを切削方向に所定の間隔をおいて埋設するも切削方向に対称な円弧状に形成されて、スポーク取付用の支障物切削ビット３３と同様に、すくい角がマイナスとなっており、チップ先端角度が鈍角であると言える。

また、図３Ａ乃至図３Ｃに示すように、カッタフェイスの中央部とも言えるセンターシャフト３０におけるフラットな蓋板３７の表面には、第１カッタ面板１６ａと第３カッタ面板１６ｃとを、直径線状に（一文字状に）連続する取付台３８を介して、後述するセンタービット３９とその両側に位置して第１カッタ面板１６ａ側に２個、第３カッタ面板１６ｃ側に３個の蓋板取付用の支障物切削ビット４０が装着されると共に、この取付台３８を挟んで第２カッタ面板１６ｂと第４カッタ面板１６ｄとを概ね直径線状に（一文字状に）連続する、分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂを介して、第２カッタ面板１６ｂ側に３個、第４カッタ面板１６ｄ側に２個の蓋板取付用の支障物切削ビット４０が装着される。尚、前記蓋板３７上のセンタービット３９と支障物切削ビット４０とでセンターカッタが構成されると共に、支障物切削ビット４０が取付範囲を拡大して設けた支障物切削ビットである。

前記蓋板取付用の支障物切削ビット４０は、スポーク取付用の支障物切削ビット３３や面板取付用の支障物切削ビット３４と同様に、チップ先端角度が鈍角に形成される。また、スポーク取付用の支障物切削ビット３３、面板取付用の支障物切削ビット３４及び蓋板取付用の支障物切削ビット４０は、カッタヘッド１５の半径方向に隣り合うパスのものとラップさせて配置し、ビット間に隙間をあけないようになっている（図２参照）。

前記取付台３８の取付面は、前記センタービット３９が取り付けられる平面部を境に外方下がりの傾斜面で形成されると共に、分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂの取付面もそれぞれ外方下がりの傾斜面で形成されて、先細りの円錐状に傾斜されるカッタフェイスの形状に沿わされている。

また、前記取付台３８の両側面と分断された二つの取付台４１ａ，４１ｂの分断面との間には、所定の隙間Ｇ１，Ｇ２が形成され、この隙間Ｇ１，Ｇ２が土砂攪拌用の流路を形成している。即ち、蓋板３７の表面において第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路が形成され、この流路（隙間Ｇ１，Ｇ２）により、従来のフィッシュテールカッタによる土砂攪拌機能を保持しているのである。

また、蓋板３７の表面には、第１カッタ面板１６ａと第４カッタ面板１６ｄとの間に位置して加泥剤を注入するための注入孔４２が開口形成される。この注入孔４２にはセンターシャフト３０内の配管ブロック４３やバルクヘッド１２におけるロータリジョイント４４等の配管経路を介して図示しない加泥剤供給源から加泥剤が供給されるようになっている。尚、図３Ｂ及び図３Ｃ中４５は蓋板３７の補強板である。また、第２及び第４カッタスポーク１７ｂ，１７ｄの表面にも加泥剤を注入するための注入孔４２が開口形成され（図２参照）、図示しない配管経路を介して加泥剤供給源から加泥剤が供給されるようになっている。

前記センターカッタにおけるセンタービット３９は、先端面が円錐状に突出された例えば１５０ｍｍ程度の小径柱状（図示例では円柱状）の本体部３９ａに、先端面から外周面にかけて複数の超硬チップ３９ｂを周方向にとびとびに埋設してなるものである。そして、本実施例では、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、センタービット３９の高さが前述した取付範囲を拡大して設けた支障物切削ビット４０の最も高いビットの面一以下に設定されている。図示例では、センタービット３９が当該センタービット３９に最も近接する支障物切削ビット４０より寸法ｈだけ低くなっている。

従って、このように構成された泥土圧シールド掘削機１０にてトンネルを掘削するには、図１に示すように、駆動モータ１９によりカッタヘッド１５を回転させながら複数のシールドジャッキ２４を伸長すると、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が前進し、センタービット３９と蓋板取付用の各支障物切削ビット４０と土砂用切削ビット３２とスポーク取付用の支障物切削ビット３３と面板取付用の支障物切削ビット３４とが、前方に位置するものから順に、前方の地盤（切羽）を掘削する。

そして、掘削された土砂はチャンバ２２内に取り込まれ、スクリューコンベヤ２１によって外部に排出される。その後、シールドジャッキ２４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２７によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによってトンネルを連続的に掘削形成していくことになる。尚、掘削された土砂がチャンバ２２内に取り込まれる際、従来のフィッシュテールカッタを廃止した蓋板３７の表面上（即ち、カッタフェイスの中央部）においては、第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路Ｇ１，Ｇ２が取付台３８の両側に形成されているので、従来のフィッシュテールカッタ同様、土砂の攪拌機能が良好に発揮されてチャンバ２２内に掘削土砂が円滑に取り込まれる。

この掘削途中で、Ｈ型鋼や鋼矢板（シートパイル）等の支障物に遭遇した際には、上述したようなカッタヘッド１５の形状とセンターカッタにおけるセンタービット３９及び支障物切削ビット４０並びに他のカッタフェイスにおける支障物切削ビット３３，３４の形状及び配置で効果的に支障物を切削することができる。

即ち、カッタ面板１６及びカッタスポーク１７が円錐状に傾斜する（例えば５°〜１０°）傾斜型のカッタヘッド１５により、カッタヘッドに傾斜が無いものに比べて、支障物切削範囲が小さくなり、切削抵抗の低減が図れるのである。

また、各支障物切削ビット４０，３３，３４におけるチップ先端角度が鈍角であると共に、切削方向（カッタヘッド１５の周方向）に対称な山型状や円弧状に形成されて一つのビットでカッタヘッド１５の左，右両回転に対応可能となっているので、一般的な土砂用切削ビット３２に比べて、切削効率や耐久性が高い。

また、各支障物切削ビット４０，３３，３４は、カッタヘッド１５の半径方向に隣り合うパスのものとラップさせて配置し、ビット間に隙間をあけないようになっているので、支障物を可及的に小片で切削でき、切削片を迅速かつ円滑にチャンバ２２内に取り込み、スクリュコンベア２１で排出することができる。

このようにして本実施例によれば、フィッシュテールカッタを廃止した蓋板３７の表面上（即ち、センターカッタ）にも複数の支障物切削ビット４０を配置すると共に、前記フィッシュテールカッタと同様に、第１カッタ面板１６ａ側と第３カッタ面板１６ｃ側とを連通する二つの流路Ｇ１，Ｇ２を形成してカッタフェイスの中央部における土砂攪拌機能を保持したので、立坑の施工や大掛かりな削孔装置を必要とせずに、トンネル掘削機自体で支障物切削を行ないつつトンネルを掘削することができる。

そして、本実施例では、センターカッタにおけるセンタービット３９が当該センタービット３９に最も近接する支障物切削ビット４０より寸法ｈだけ低くなっているので、切削性能にあまり寄与しないセンタービット３９に代えて切削性能に大きく寄与する各支障物切削ビット４０が先行して切削を開始するので、センターカッタの切削（掘削）性能が高められる。

これにより、前述した掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）をも直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

図８に発進立坑の例を示す。これによれば、掘削機本体１１とカッタヘッド１５とからなる泥土圧シールド掘削機１０が発進立坑５０におけるＲＣ等の通常の封止壁５０ａ内のシールド受け台５３上に設置される。図８中５４は仮組のセグメントＳを介して設けられる反力受けである。

この状態からカッタヘッド１５を回転させながら掘削機本体１１を、封止壁５０ａの内壁に設置した坑口コンクリート５１内をエントランスパッキン５２を介して推進させることで、カッタヘッド１５で直接封止壁５０ａを切削（掘削）して発進することができるのである。

図４Ａは本発明の実施例２を示すセンタービットの正面図、図４Ｂは図４ＡのＣ−Ｃ線断面図、図４Ｃは図４ＡのＤ−Ｄ線断面図である。

これは、実施例１のセンタービット３９に相当するセンタービット３９Ａにおいて、本体部を台座部である円柱状本体部３９ａ−１と刃部である六角形状本体部３９ａ−２とで形成して、六角形状本体部３９ａ−２の角部（稜線部）にそれぞれ超硬チップ３９ｂを配設した例である。即ち、各超硬チップ３９ｂの先端部を六角形状本体部３９ａ−２から、円柱状本体部に配設する場合と比較して、大きく突出させて切削対象に対する食付き性を上げられるのである。その他の構成は実施例１と同様なので重複する説明は省略する。

これによれば、実施例１のようにセンタービット３９Ａの高さを取付範囲を拡大して設けた支障物切削ビット４０（図３Ａ等参照）の最も高いビットの面一以下に設定しなくても、センタービット３９Ａの切削性能を上げられるので、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）をも直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

図５Ａは本発明の実施例３を示すセンタービットの正面図、図５Ｂは図５ＡのＥ−Ｅ線断面図、図５Ｃは図５ＡのＦ−Ｆ線断面図である。

これは、実施例２のセンタービット３９Ａに相当するセンタービット３９Ｂにおいて、本体部を四角形状本体部３９ａ−２に形成して、その刃部となる上半部の角部（稜線部）にそれぞれ超硬チップ３９ｂを配設した例である。その他の構成は実施例１と同様なので重複する説明は省略する。

これによれば、実施例２と同様に、センタービット３９Ｂの切削性能を上げられるので、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）をも直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

図６Ａは本発明の実施例４を示すセンタービットの平面図、図６Ｂは図６ＡのＧ矢視図、図６Ｃは斜視図、図７はセンタービットの変形例を示す平面図である。

これは、実施例１のセンタービット３９に相当するセンタービット３９Ｃにおいて、図６Ａ乃至図６Ｃに示すように、円柱状本体部３９ａの刃部となる上半部（チップ配設部）をその外周に配設される超硬チップ３９ｂを露出させて縦に半割りするか、図７に示すように、１／４割りした例である。その他の構成は実施例１と同様なので重複する説明は省略する。

これによれば、実施例２及び３と同様に、切削対象に対する食付き性を上げてセンタービット３９Ｃの切削性能を上げられるので、掘進先の支障物に限らずトンネル構築時に施工される発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁（非ノムスト壁）をも直接掘削可能となり、工期の短縮と施工費の削減が図れる。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、各支障物切削ビット４０，３３，３４の形状及び配置の変更を行っても良い。

本発明に係るトンネル掘削機は、泥土圧シールド掘削機に限らず、泥水式シールド掘削機、機械式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）等にも適用することができる。また、支障物切削工法や立坑掘削工法に限らず、地中接合工法における接合対象トンネルの壁面切削にも適用することができる。

１０泥土圧シールド掘削機
１１掘削機本体
１１ａ前胴
１１ｂ後胴
１２バルクヘッド
１３リングギア付き軸受
１４回転体
１５カッタヘッド
１６ａ〜１６ｄ第１〜第４カッタ面板
１７ａ〜１７ｄ第１〜第４カッタスポーク
１８シール
１９駆動モータ
２０駆動ギア
２１スクリュコンベア
２２チャンバ
２３リングガータ
２４シールドジャッキ
２５旋回モータ
２６旋回リング
２７エレクタ装置
２８球面継手部材
２９中折れジャッキ
３０センターシャフト
３１外周リング
３２土砂用切削ビット
３３スポーク取付用の支障物切削ビット
３４面板取付用の支障物切削ビット
３５押出ジャッキ
３６コピーカッタ
３７蓋板
３８取付台
３９,３９Ａ,３９Ｂ,３９Ｃセンタービット
３９ａ本体部
３９ａ−１円柱状本体部
３９ａ−２多角形状本体部
３９ｂ超硬チップ
４０蓋板取付用の支障物切削ビット
４１ａ，４１ｂ取付台
４２注入孔
４３配管ブロック
４４ロータリジョイント
４５補強板
５０発進立坑
５０ａ封止壁
５１坑口コンクリート
５２エントランスパッキン
５３シールド受台
５４反力受け
Ｇ１，Ｇ２隙間（流路）
Ｓセグメント
ｈ寸法

Claims

筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜したカッタフェイスに、複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設けると共に、そのうちの支障物切削ビットをカッタフェイス中央部まで取付範囲を拡大して設けたトンネル掘削機において、
前記カッタフェイスの中心部に、前記取付範囲を拡大して設けた支障物切削ビットと共にセンターカッタを構成する柱状のセンタービットを設けると共に、当該センタービットのチップ配設部に当該チップを露出させて縦に割りを入れた
ことを特徴とするトンネル掘削機。
請求項１に記載のトンネル掘削機を用いて発進立坑や到達立坑におけるＲＣ等の通常の封止壁を直接掘削する
ことを特徴とする立坑掘削工法。