JP6228030B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、地盤を掘削する際に発生する掘削振動を低減するトンネル掘削機に関する。

一般的に、トンネル掘削機においては、カッタヘッドを回転させることにより、そのカッタヘッドに装着されたカッタ（カッタビット及びローラカッタ）が、地盤に切羽を掘削するようになっている。このとき、特に、掘削する地盤が岩盤等の硬質地盤となる場合や、掘削深度が浅い場合には、カッタが切羽を掘削する際に発生する振動や騒音が、地表の住宅や地下施設等の周辺地域に悪影響を及ぼすおそれがある。

そこで、従来から、周囲に与える振動被害や騒音被害を抑えることを目的とした装置が、種々提供されている。そして、このような装置としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１３−２２１３０７号公報

ここで、上記従来の装置においては、振動発生源に対して、振動対策を直接施すようにしている。これに対して、トンネル掘削機においては、振動発生源がカッタとなっており、このカッタは、回転するカッタヘッドの前部に点在するだけでなく、切羽と直接接触するものとなっている。つまり、トンネル掘削機においては、切羽と接触するカッタに対して、振動対策を直接施すことは、非常に困難である。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、掘削時に発生する掘削振動を低減させることにより、周辺地域への振動被害を防止す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、
円筒状をなす掘削機本体と、
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、
前記カッタヘッドに装着され、地盤に切羽を掘削する多数のカッタと、
前記カッタが切羽を掘削する際に生じる掘削振動に対して逆位相となる逆位相振動を発生させ、この発生させた逆位相振動を、前記カッタヘッド及び地盤の少なくとも一方を介して、前記カッタに伝達させる加振手段とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るトンネル掘削機は、
前記カッタヘッドの後方で、且つ、前記掘削機本体内に設けられ、前記カッタヘッドを回転可能に支持する隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバとを備え、
前記加振手段は、前記隔壁を加振して発生させた逆位相振動を、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂及び前記カッタヘッドを介して、前記カッタに伝達させる
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、
前記カッタヘッドの後方で、且つ、前記掘削機本体内に設けられ、前記カッタヘッドを回転可能に支持する隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバと、
前記カッタヘッドに支持され、前記チャンバ内に配置されることにより、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を撹拌する撹拌翼とを備え、
前記加振手段を前記撹拌翼内に設け、
前記加振手段は、前記カッタヘッドを加振して発生させた逆位相振動を、前記カッタに伝達させる
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、
前記加振手段を前記掘削機本体の外周面に対して出没可能に設け、
前記加振手段は、切羽の掘削により形成されたトンネル内壁面を加振して発生させた逆位相振動を、地盤を介して、前記カッタに伝達させる
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、
前記加振手段は、
前記トンネル内壁面に対してトンネル軸方向に摺接可能となる摺接部材を有し、
前記トンネル内壁面を前記摺接部材によって加振する
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、
前記加振手段によって発生される逆位相振動の大きさは、掘削振動が地表の受振点に伝播したときの前記受振点が受ける応答振動の大きさに応じて、設定される
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、カッタが切羽を掘削する際に生じる掘削振動に対して逆位相となる逆位相振動を発生させ、この発生させた逆位相振動を、カッタヘッド及び地盤の少なくとも一方を介して、カッタに伝達させることにより、掘削振動を低減させることができる。これにより、地表の住宅や地下施設等の周辺地域への振動被害を、防止することができる。

本発明に係るトンネル掘削機が地盤中を掘進する様子を示した図である。 本発明の実施例１に係るトンネル掘削機における本体前部の縦断面図である。 本発明の実施例２に係るトンネル掘削機における本体前部の縦断面図である。 本発明の実施例３に係るトンネル掘削機における本体前部の縦断面図である。 図４のＡ−Ａ矢視断面図である。

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に示すように、例えば、本発明に係るトンネル掘削機１によって掘削されるトンネルＴは、住宅地直下を通過するものとなっている。そして、そのトンネルＴの上方に位置する地表Ｓには、多数の住宅Ｈが建てられている。

そこで、トンネル掘削機１は、トンネルＴを、住宅Ｈ等に極めて近接して掘削することになるため、住宅Ｈに対して、地盤（切羽）を掘削する際に発生する掘削振動の影響が、及ばない構成を、採用している。

図２に示すように、トンネル掘削機１は、円筒状をなす掘削機本体１１を有している。そして、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が設けられており、このバルクヘッド１２には、リング状をなす回転体１３が回転可能に支持されている。

回転体１３の前部には、複数の連結アーム１４が、回転体周方向に等間隔で支持されており、これら連結アーム１４の先端には、円盤状をなすカッタヘッド１５が連結されている。そして、カッタヘッド１５の前面部には、多数のローラカッタ１６が回転可能に装着されており、このローラカッタ１６は、地盤に切羽を掘削するための刃具となっている。一方、回転体１３の後部には、外歯式のリングギヤ１７が、当該回転体１３と同軸状に設けられている。

また、バルクヘッド１２には、カッタ回転用モータ１８が設けられている。そして、カッタ回転用モータ１８の軸先端部には、駆動ギヤ１９が装着されており、この駆動ギヤ１９はリングギヤ１７と噛み合っている。

従って、カッタ回転用モータ１８を回転させることにより、駆動ギヤ１９の回転を、リングギヤ１７から回転体１３に伝達させることができるので、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に装着されたローラカッタ１６によって、地盤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とを、トンネル前後方向（トンネル軸方向）において対向配置させることにより、これらバルクヘッド１２とカッタヘッド１５との間には、チャンバ２０が区画形成されることになる。チャンバ２０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２０内には、ローラカッタ１６の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。

また更に、掘削機本体１１内には、スクリューコンベヤ２１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２１の前端部は、バルクヘッド１２を貫通して、チャンバ２０内に配置されている。

従って、スクリューコンベヤ２１を駆動させることにより、チャンバ２０内に蓄えられた掘削土砂を、そのスクリューコンベヤ２１の回転駆動によって、掘削機本体１１の後方に向けて排出することができる。

ここで、バルクヘッド１２の後面には、円筒状をなす円筒支持部材３２が、開口端３２ａをその後面に密着させた状態で、取り付けられている。そして、円筒支持部材３２内には、サーボ駆動方式の加振器（加振手段）３１が収納支持されており、この加振器３１は、加振ロッド３１ａをロッド軸方向（トンネル軸方向）に摺動させることにより、バルクヘッド１２に対して、振動（後述する、逆位相振動）を与えることができる。

更に、加振器３１によって発生される振動の位相（波形）は、ローラカッタ１６が切羽を掘削する際に生じる掘削振動の位相（波形）とは、逆位相となっている。即ち、加振器３１は、掘削振動に対して逆位相となる逆位相振動（打消振動）を、カッタヘッド１５を介して、振動発生源となるローラカッタ１６に伝達させることにより、その掘削振動を相殺するようになっている。

一方、図１に示したように、トンネル施工区間の上方に位置する地表Ｓには、多数の住宅Ｈが建てられており、掘削振動は、地盤を介して、地表Ｓに存在する住宅Ｈに伝播されることになる。このとき、掘削振動は、住宅Ｈへの伝播過程において、地盤の土質（硬さ等）や、振動発生源となるローラカッタ１６と受振点となる住宅Ｈとの間の距離等に応じて、減衰する傾向にある。つまり、掘削振動が住宅Ｈに伝播したときの当該住宅Ｈが受ける応答振動は、発生直後の掘削振動よりも、少なからず、小さな振動となる。

そこで、図１に示すように、地表Ｓ（住宅地）や住宅Ｈに、受振検出センサ（検出手段）４０を設置して、住宅Ｈが受ける応答振動を、受振検出センサ４０によって検出可能とする。そして、住宅Ｈに対する振動対策から考えれば、上記加振器３１を駆動して加振する場合には、受振検出センサ４０が検出した応答振動の大きさに応じて、掘削振動の逆位相となる逆位相振動の大きさを、設定するようにしても構わない。即ち、加振器３１においては、応答振動が低減されるように、逆位相振動を、カッタヘッド１５を介して、ローラカッタ１６に伝達させる。

また、受振検出センサ４０による応答振動の検出は、住宅Ｈが応答振動を受けるトンネル施工区間（期間）において常時行ったり、そのトンネル施工区間の開始位置においてのみ行ったりしても構わない。更に、上記トンネル施工区間内において地盤の種類が変わる場合には、その開始位置だけでなく、地盤の種類が変わる度に、受振検出センサ４０による応答振動の検出を行うようにして構わない。

なお、トンネル施工前において、予め、住宅Ｈの周辺における土質をボーリング調査等によって調査しておき、その土質調査結果に基づいて応答振動の大きさを求める。次いで、その応答振動の大きさに応じて、加振器３１が発生する逆位相振動の大きさを、設定するようにしても構わない。これにより、受振検出センサ４０を設けなくても、住宅Ｈが受ける応答振動を低減させることができる。

従って、トンネル掘削機１によってトンネルＴを構築する場合には、カッタ回転用モータ１８を駆動させることにより、カッタヘッド１５を回転させながら、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ローラカッタ１６が、地盤に切羽を掘削する。

また、上述した地盤掘削に伴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２０内に充満することになり、このチャンバ２０は、充満した掘削土砂によって、所定の圧力に維持される。そして、チャンバ２０内に充満した掘削土砂は、スクリューコンベヤ２１の回転駆動によって、トンネル後方に向けて排出される。

つまり、トンネル掘削機１においては、掘削土砂をチャンバ２０内に充満させて、そのチャンバ２０を所定の圧力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、その切羽をローラカッタ１６によって掘削するようになっている。

更に、このように、ローラカッタ１６が切羽を掘削する際には、掘削振動が発生する。そして、トンネル掘削機１が、上方に住宅地が位置するトンネル施工区間に到達すると、加振器３１が駆動して、逆位相振動がローラカッタ１６に伝達されるため、掘削振動が低減される。

このとき、加振器３１の加振ロッド３１が、円板状をなすバルクヘッド１２を振動させるため、このバルクヘッド１２は、太鼓の如く振動することになる。これにより、加振器３１によって発生させた逆位相振動は、バルクヘッド１２から、回転体１３及び連結ビームを介して、カッタヘッド１５に伝達されるだけでなく、バルクヘッド１２から、チャンバ２０内に蓄えられた掘削土砂を介して、カッタヘッド１５に伝達される。

従って、逆位相振動を、カッタヘッド１５の全域に万遍なく伝達させることができるので、多数のローラカッタ１６がカッタヘッド１５の前面部に点在されていても、逆位相振動を、ローラカッタ１６から発生する掘削振動に対して、効率的に干渉させることができる。よって、掘削時に発生する掘削振動を、低減させることができるので、周辺地域への振動被害を防止することができる。

また、加振器３１によって発生させる逆位相振動の大きさを、受振検出センサ４０によって検出した応答振動が低減される程度に設定することにより、逆位相振動の大きさを、必要以上の大きさに設定することが無くなるため、加振器３１の小型化を図ることができる。

なお、上述した実施例１においては、加振器３１の設置位置（加振位置）を、バルクヘッド１２を振動可能とする位置としているが、図３乃至図５に示した設置位置としても構わない。

具体的には、図３に示すように、カッタヘッド１５の前部内面には、円筒状をなす複数の撹拌翼３３が、開口端３３ａをその前部内面に密着させた状態で、取り付けられている。即ち、撹拌翼３３は、カッタヘッド１５の前部内面から、当該カッタヘッド１５の内部を貫通して、チャンバ２０内に突出するように配置されており、チャンバ２０内に蓄えられた掘削土砂を、撹拌可能となっている。

そして、撹拌翼３３内には、加振器３１が収納支持されており、この加振器３１は、加振ロッド３１ａをロッド軸方向（トンネル軸方向）に摺動させることにより、カッタヘッド１５に対して、逆位相振動を与えることができる。

このように、加振器３１を、カッタヘッド１５に支持された撹拌翼３３内に設けることにより、加振器３１を、振動発生源となるローラカッタ１６に近接して配置することができる。よって、ローラカッタ１６から発生する掘削振動を、確実に、且つ、効率的に低減させることができる。

また、図４及び図５に示すように、掘削機本体１１内におけるバルクヘッド１２の後方には、複数の円筒支持部材３２が、掘削機本体１１の周方向に等角度間隔で支持されている。各円筒支持部材３２は、掘削機本体１１の径方向に延設するように配置されており、それぞれの開口端３２ａは、掘削機本体１１の径方向外側に向けて開口している。

そして、円筒支持部材３２内には、加振器３１が収納支持されており、その加振ロッド３１ａの先端には、可動そり（摺接部材）３４が取り付けられている。よって、加振器３１は、加振ロッド３１ａをロッド軸方向（トンネル径方向）に摺動させる、即ち、可動そり３４を掘削機本体１１の外周面に対して出没させることにより、トンネルＴの内壁面（トンネル内周面、地盤）に対して、逆位相振動を与えることができる。

このとき、可動そり３４がトンネルＴの内壁面に逆位相振動を与えることになるが、可動そり３４の外面は、トンネルＴの内壁面に対して、トンネル軸方向に摺接可能となっている。これにより、トンネル掘削機１の掘進時において、加振器３１の可動そり３４がトンネルＴの内壁面と接触しても、当該可動そり３４はトンネルＴの内壁面上を滑るため、その接触（加振）が掘進の抵抗とならないようになっている。

従って、加振器３１によって発生させた逆位相振動を、地盤を介して、ローラカッタ１６に伝達させることができる。よって、掘削時に発生する掘削振動を、低減させることができるので、周辺地域への振動被害を防止することができる。

なお、上述した実施例１〜３においては、加振器３１による加振位置を、それぞれ、バルクヘッド１２、または、カッタヘッド１５、あるいは、トンネルＴの内壁面としているが、それらの３つの加振位置のうち、少なくとも１つの加振位置を加振できるように、加振器３１を設置するようにしても構わない。

また、実施例３においては、加振器３１の加振ロッド３１に取り付けた可動そり３４によって、トンネルＴの内壁面を加振するようにしているが、トンネルＴの内壁面から推進反力を得ることができる推進装置（グリッパ装置）を加振手段として使用し、その推進装置のグリッパ（摺接部材）によって、トンネルＴの内壁面を加振するようにしても構わない。

本発明は、地盤を掘削する際に発生する騒音を低減することを目的としたトンネル掘削機に適用可能である。

１ トンネル掘削機
１１ 掘削機本体
１２ バルクヘッド
１３ 回転体
１４ 連結アーム
１５ カッタヘッド
１６ ローラカッタ
１７ リングギヤ
１８ カッタ回転用モータ
１９ 駆動ギヤ
２０ チャンバ
２１ スクリューコンベヤ
３１ 加振器
３２ 円筒支持部材
３３ 撹拌翼
３４ 可動そり
４０ 受振検出センサ
Ｔ トンネル
Ｓ 地表
Ｈ 住宅

Claims (6)

1. 円筒状をなす掘削機本体と、
   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、
   前記カッタヘッドに装着され、地盤に切羽を掘削する多数のカッタと、
   前記カッタが切羽を掘削する際に生じる掘削振動に対して逆位相となる逆位相振動を発生させ、この発生させた逆位相振動を、前記カッタヘッド及び地盤の少なくとも一方を介して、前記カッタに伝達させる加振手段とを備える
   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、
   前記カッタヘッドの後方で、且つ、前記掘削機本体内に設けられ、前記カッタヘッドを回転可能に支持する隔壁と、
   前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバとを備え、
   前記加振手段は、前記隔壁を加振して発生させた逆位相振動を、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂及び前記カッタヘッドを介して、前記カッタに伝達させる
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
3. 請求項１に記載のトンネル掘削機において、
   前記カッタヘッドの後方で、且つ、前記掘削機本体内に設けられ、前記カッタヘッドを回転可能に支持する隔壁と、
   前記カッタヘッドと前記隔壁とによって区画形成され、掘削された掘削土砂を蓄えるチャンバと、
   前記カッタヘッドに支持され、前記チャンバ内に配置されることにより、前記チャンバ内に蓄えられた掘削土砂を撹拌する撹拌翼とを備え、
   前記加振手段を前記撹拌翼内に設け、
   前記加振手段は、前記カッタヘッドを加振して発生させた逆位相振動を、前記カッタに伝達させる
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
4. 請求項１に記載のトンネル掘削機において、
   前記加振手段を前記掘削機本体の外周面に対して出没可能に設け、
   前記加振手段は、切羽の掘削により形成されたトンネル内壁面を加振して発生させた逆位相振動を、地盤を介して、前記カッタに伝達させる
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
5. 請求項４に記載のトンネル掘削機において、
   前記加振手段は、
   前記トンネル内壁面に対してトンネル軸方向に摺接可能となる摺接部材を有し、
   前記トンネル内壁面を前記摺接部材によって加振する
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のトンネル掘削機において、
   前記加振手段によって発生される逆位相振動の大きさは、掘削振動が地表の受振点に伝播したときの前記受振点が受ける応答振動の大きさに応じて、設定される
   ことを特徴とするトンネル掘削機。

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