JP6467754B2 - トンネル掘削装置、及び、トンネル掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削装置、及び、トンネル掘削方法に関し、特に、地盤にトンネルを掘削するための円筒状のトンネル掘削装置、及び、このトンネル掘削装置を用いたトンネル掘削方法に関する。

近年、地盤にトンネルを掘削する方法として、円筒状の掘削装置により、トンネルの外環部に当たる位置の地盤を先行して円環状に掘削する工程と、掘削装置の内側に円柱状に残留した地盤を掘削する工程とを行うことによりトンネルを構築する方法が提案されている。

本件出願人らは、このような方法によりトンネルを掘削するための掘削装置として、装置の先端面に複数の掘削ビットが取り付けられた円環状のカッタヘッドを備え、このカッタヘッドを地盤に押し付けながら回転させることにより、地盤を円環状に掘削する装置を提案している（特許文献１〜３参照）。

特許第４９３４２３４号 特許第５１３８８２１号 特開２０１４−５６７７号公報

特許文献３に記載された方法では、掘削装置の内側に円柱状に残留した地盤は、大型ブレーカ等により掘削し、掘削された掘削土をバックホウにより岩破砕機へ投入し、岩破砕機により細かく破砕された掘削土をコンベアにより後方へ搬出している。

トンネルを構築する地盤が軟らかい場合には、掘削装置の内側に円柱状に残留した地盤は自然に破砕される。これに対して、トンネルを構築する地盤が岩盤などの硬い地盤である場合には、円環状に掘削された内側に円柱状の地盤がそのまま残留する。しかしながら、このような硬い地盤を大型ブレーカにより割岩する場合には、時間が非常にかかってしまう。

また、トンネルを構築する岩盤が硬い場合には、掘削装置により掘削する部分の断面積を小さくし、大型ブレーカ等の重機により掘削する部分の断面積を大きくすれば、掘削装置の掘削速度を向上することができる。また、装置の先端面に設けられた掘削ビットは、地盤を掘削することにより摩耗し、交換が必要となる。このため、掘削装置により掘削する部分の断面積が小さい方が、掘削ビットの数を減らすことができ、トンネル掘削のコストを抑えることができるため、好ましい。しかしながら、このように掘削装置により掘削する部分の断面積を小さくしてしまうと、掘削装置により掘削した部分の内側の部分の断面積が大きくなり、大型ブレーカ等の重機によりこの部分の地盤を割岩するために、より時間がかかってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、地盤を円環状に掘削する掘削装置を用いてトンネルを掘削する際に、掘削装置により掘削した部分の内側に円柱状に残留する地盤を効率良く破砕することができるようにすることである。

本発明は、地盤にトンネルを掘削するための円筒状のトンネル掘削装置であって、掘削装置本体と、掘削装置本体の先端側に設けられ、掘削装置本体に対してトンネル掘削装置の中心軸周りに回転することにより地盤を円環状に掘削する掘削部と、円筒状のトンネル掘削装置の中心軸側の表面に設けられ、掘削部により円環状に掘削された部分の内側に残された円柱状の地盤の側面を切削するカッタ部材と、を備える。

本発明によれば、掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤に向けて突出するように、カッタ部材が円筒状のトンネル掘削装置の内側表面に設けられているため、円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤がカッタ部により削孔され、地盤内にひび割れが誘発されて、自然に崩壊する。これにより、円柱状に残留する地盤を効率良く破砕することができる。

本発明において、好ましくは、カッタ部材は、掘削部の中心軸側の表面に固定され、掘削部とともに回転する掘削部カッタ部材を含む。
このような構成の本発明によれば、掘削部カッタ部材が掘削部とともに回転し、円柱状の地盤の周囲を削孔することができ、地盤全体にひび割れを誘発することができる。

本発明において、好ましくは、掘削部カッタ部材は、回転軸周りに回転可能なディスクカッタを含み、ディスクカッタは、回転軸が前記掘削装置の中心軸に平行になるように配置されている。

このような構成の本発明によれば、掘削部の回転方向に沿ってディスクカッタが設けられるため、掘削部カッタ部材のディスクカッタの摩耗を防止するとともに、円柱状の地盤の中心軸に鉛直な方向のひび割れを誘発することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、掘削装置本体の内側下部に設けられた岩破砕機を含み、カッタ部材は、掘削装置本体の中心軸側の表面に岩破砕機に対して掘削進行方向前方に設けられた本体部カッタ部材を含む。
このような構成の本発明によれば、岩破砕機の前において、確実に地盤を破砕することができる。

また、本発明において、好ましくは、本体部カッタ部材は、回転軸周りに回転可能なディスクカッタを含み、ディスクカッタは、回転軸が掘削装置の中心軸に垂直になるように配置されている。

このような構成の本発明によれば、円柱状の地盤の進行方向に沿ってディスクカッタが設けられているため、本体部カッタ部材の摩耗を防止できるとともに、円柱状の地盤に平行な方向のひび割れを誘発することができる。

本発明のトンネル掘削方法は、上記のトンネル掘削装置により、トンネルを掘削する方法であって、掘削装置本体に対して掘削部を回転させることにより地盤を円環状に掘削するステップと、掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤の側面を、カッタ部材により切削するステップと、を有する。

本発明において、好ましくは、さらに、掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤にひび割れ誘発孔を形成するステップを有する。
このような構成の本発明によれば、円柱状の地盤へのひび割れの発生をより誘発することができる。

本発明によれば、地盤を円環状に掘削する掘削装置を用いてトンネルを掘削する際に円柱状に残留する地盤を効率良く破砕することができる。

本実施形態の掘削装置を示す斜視図である。 本実施形態の掘削装置を示す長手方向鉛直断面図である。 図４におけるIII−III断面図である。 図２におけるIV-IV断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ断面図である。 本実施形態の掘削装置の掘削部の拡大斜視図であり、（Ａ）は正面斜視図、（Ｂ）は後方斜視図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＡ部の拡大図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるＤ部の拡大図である。 複数の孔を形成した状態の円柱状の地盤を示す図である。

以下、本発明のトンネル掘削装置及びトンネル掘削方法の一実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図６は、本実施形態の掘削装置１０を示し、図１は斜視図、図２は長手方向鉛直断面図、図３は図４におけるIII−III断面図、図４は図２におけるIV-IV断面図、図５は図２におけるＶ−Ｖ断面図、図６は掘削部の拡大斜視図である。なお、図６において（Ａ）は正面斜視図、（Ｂ）は後方斜視図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＡ部の拡大図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるＤ部の拡大図である。

図１及び図２に示すように、掘削装置１０は、円筒状の殻体１２と、殻体１２の掘削進行方向（以下、前方という）の先端に設けられた掘削機構１４と、地盤を掘削して発生した掘削土を搬出するための掘削土搬出機構１６と、掘削機構１４を推進させるための推進機構１８とを備える。

殻体１２は、前方から順次接続された回転部殻体２０と、第１の固定部殻体２２と、第２の固定部殻体２４と、第３の固定部殻体２６とにより構成される。第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び、第３の固定部殻体２６が本発明の装置本体を構成する。また、回転部殻体２０は先端面２０Ａにローラービット３８及び削孔ビット４０を有するとともに、第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び、第３の固定部殻体２６（掘削装置本体３１）に対して回転可能であり、本発明の掘削部３０を構成する。

回転部殻体２０は、先端面を形成する円環状の先端面２０Ａと、先端面２０Ａの外周縁から後方に延びる円筒状の外筒体２０Ｂと、先端面２０Ａの内周縁から後方に延びる円筒状の内筒体２０Ｃと、を有する。

図３及び図６に示すように、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの対向する位置には、本発明の掘削部カッタ部材としての一対のディスクカッタ６８が設けられている。ディスクカッタ６８は円形のディスクが回転軸を中心に回転可能な部材であり、回転軸が掘削装置１０の中心軸に平行になるように設けられている。また、ディスクカッタ６８は一部が内筒体２０Ｃの内側表面から突出するように、すなわち、後述するように掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤に向けて設けられている。

図２及び図３に示すように、第１の固定部殻体２２と、第２の固定部殻体２４と、第３の固定部殻体２６とは、それぞれ、回転部殻体２０の外筒体２０Ｂと略同径に形成された円筒状の外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂと、外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂ内に配置され、第１の固定部殻体２２の内筒体２０Ｃと略同径に形成された円筒状の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと、内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂを結ぶように設けられた複数の支持部材（図示せず）とにより構成される。これら殻体２０、２２、２４、２６はそれぞれ鋼材からなる。なお、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端は、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間に隙間２０Ｄが形成されるように、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端よりも前方において終端している。

回転部殻体２０、第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び第３の固定部殻体２６を構成する内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃ、及び外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂは、後に詳述する掘削機構１４の回転軸と同心同軸に配置されており、これにより、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂとの間に環状空間が形成される。支持部材は、棒状又は板状の鋼材からなり、外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂに作用する土圧を支持可能な本数、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの中心軸を中心として放射状に、周方向及び軸方向に適宜な間隔をあけて、これら内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂを結ぶように設けられている。そして、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと、外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂとの間の環状空間内に推進機構１８が収容されている。

回転部殻体２０は第１の固定部殻体２２に対して回転可能に接続されている。なお、回転部殻体２０と第１の固定部殻体２２との間に、ベアリング等を介在させることにより滑りを向上することができる。

また、第２の固定部殻体２４の内筒体２４Ｃ及び外筒体２４Ｂの前端部は、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃと外筒体２２Ｂの後端部の間の空間内に収容されている。かかる構成により、第２の固定部殻体２４は第１の固定部殻体２２に対して軸方向に摺動可能に接続されている。

これと同様に、第３の固定部殻体２６の内筒体２６Ｃ及び外筒体２６Ｂの前端部は、第２の固定部殻体２４の内筒体２６Ｃと外筒体２６Ｂの後端部の間に収容されている。かかる構成により、第３の固定部殻体２６は第２の固定部殻体２４に対して軸方向に摺動可能に接続されている。なお、第１の固定部殻体２２と第２の固定部殻体２４の接続部、及び、第２の固定部殻体２４と第３の固定部殻体２６の接続部に、軸方向の摺動を案内するガイド部材を設けてもよい。

図２に示すように、掘削機構１４は、回転部殻体２０の先端面２０Ａに形成された複数の掘削ビットを含む掘削部３０と、第１の固定部殻体２２内に配置された減速機３２及びモータ３４と、を備える。

図１及び図６に示すように、回転部殻体２０の先端面２０Ａには、周方向に間隔をあけて複数の開口３６が形成されており、外部と回転部殻体２０内の空間２０Ｅとがこの開口３６を通して連通している。

図６に示すように、掘削部３０は、回転部殻体２０の平面状の先端面２０Ａに周方向に間隔をあけて設けられた複数のローラービット３８と、回転部殻体２０の先端面２０Ａに形成された開口３６の縁に設けられた板状の削孔ビット４０と、を備える。また、上述した通り、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃには一部が内筒体２０Ｃの内側表面（掘削装置１０の中心軸側表面）から突出するように、ディスクカッタ６８が設けられている。

また、図２に示すように、回転部殻体２０の後端部には、リング３３を介してピンラック３５が取り付けられている。第１の固定部殻体２２内に配置されたモータ３４には減速機３２が接続されており、この減速機３２にはピニオン３７が取り付けられている。そして、減速機３２に取り付けられたピニオン３７が、回転部殻体２０に取り付けられたピンラック３５と噛み合っている。これにより、モータ３４が回転すると、この回転力が減速機３２を介してトルクが増幅されて回転部殻体２０に伝達され、回転部殻体２０が中心軸を中心として第１〜第３の固定部殻体２２、２４、２６に対して回転する。

図６に示すように、各ローラービット３８は、半径方向に異なる位置に配置されている。これにより、回転部殻体２０が周方向に回転した際に、各ローラービット３８が通過する軌跡が、半径方向に略等間隔な同心円となり、径によらず均質な掘削を行うことができる。

また、削孔ビット４０は、先端が鋭利なビットからなり、回転部殻体２０が回転することにより、ローラービット３８により切削された切削面を平坦に整えるように掘削する。

図６に示すように、掘削土搬出機構１６は、回転部殻体２０内の空間２０Ｅを周方向に複数の室２０Ｆに分割するように回転部殻体２０の内部の空間２０Ｅに設けられた複数の板材４２と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端部に固定され、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端に向かって延出するように取り付けられた閉鎖プレート４４（図４）と、地盤に向かって水を噴射するように、その噴出口が回転部殻体２０の先端面２０Ａの表面に設けられたジェットノズル（図示せず）と、を備えている。

各板材４２は、先端がそれぞれ、回転部殻体２０の先端面２０Ａの削孔ビット４０が取り付けられた箇所の裏面に接続されており、先端面２０Ａに対して垂直に設けられている。なお、本実施形態では、板材４２は先端面２０Ａに対して垂直に設けられているが、これに限らず、後方に向かって回転部殻体２０の周方向に傾斜するように設けてもよい。このように、回転部殻体２０内に板材４２を設けることにより、回転部殻体２０の剛性を向上することができる。

閉鎖プレート４４は、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを、周方向に最下部から所定の高さまでの部分（本実施形態では、最下部から周方向両側にそれぞれ約１２０°の部分）を閉鎖するように設けられている。

図２〜図５に示すように、推進機構１８は、前方の軸方向ジャッキ５２と、後方の軸方向ジャッキ５０と、前方の径方向ジャッキ５４と、後方の径方向ジャッキ５６と、補助用の推進ジャッキ５７とにより構成される。

前方の軸方向ジャッキ５２は、第１の固定部殻体２２から第２の固定部殻体２４にわたって、内筒体２２Ｃ、２４Ｃと外筒体２２Ｂ、２４Ｂとの間に収容されており、先端が第１の固定部殻体２２の支持部材に固定され、後端が第２の固定部殻体２４の支持部材に固定されている。

後方の軸方向ジャッキ５２は、第２の固定部殻体２４から第３の固定部殻体２６にわたって、内筒体２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２４Ｂ、２６Ｂとの間に収容されており、先端が第２の固定部殻体２４の支持部材に固定され、後端が第３の固定部殻体２６の支持部材に固定されている。

これら、前方の軸方向ジャッキ５２、及び、後方の軸方向ジャッキ５０は、他の部材と干渉しないように、周方向に適宜な間隔をあけて複数設置されている。

前方の径方向ジャッキ５４は、第１の固定部殻体２２内に収容されている。第１の固定部殻体２２の外筒体２２Ｂは、前方の径方向ジャッキ５４に対応した位置に開口が形成されており、前方の径方向ジャッキ５４はこの開口から掘削装置１０の径方向外方に向かって突出するように伸縮可能である。

後方の径方向ジャッキ５６は、第３の固定部殻体２６内に収容されている。第３の固定部殻体２６の外筒体２６Ｂは、後方の径方向ジャッキ５６に対応した位置に開口が形成されており、後方の径方向ジャッキ５６はこの開口から掘削装置１０の径方向外方に向かって突出するように伸縮可能である。

推進ジャッキ５７は、掘削装置１０の後端部下方に配置されており、掘削装置１０の後方に向かって伸縮可能である。
なお、これら前方の軸方向ジャッキ５２、後方の軸方向ジャッキ５０、前方の径方向ジャッキ５４、後方の径方向ジャッキ５６、及び、推進ジャッキ５７は、制御装置（図示せず）に接続されており、制御装置により油圧が供給される。

また、図２及び図３に示すように、第１〜第３の固定部殻体２２、２４、２６の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの内側には、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの下部の高さに合わせて、床台５８が取り付けられている。床台５８には、開口が形成されており、この開口の下方には後に詳述する岩破砕機６４が設けられている。

また、図２に示すように、掘削土搬出機構１６として、岩破砕機６４と、コンベア６０と、を備える。また、掘削装置１０の床台５８上にはブレーカ６２が配置されている。

床台５８は、回転部殻体２０の内側から後方に向かって水平に延びる板材である。床台５８は、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの内面の下端と等しい高さに設けられており、回転部殻体２０及び第１の固定部殻体２２の内筒体２０Ｃ、２２Ｃとの間に隙間が生じないような幅を有している。

コンベア６０は、その先端部が岩破砕機６４の下方に位置し、後方に向かって延びている。なお、第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び第３の固定部殻体２６の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの下方は所定の幅にわたって切りかかれており、この切りかかれた部分にコンベア６０は配置されている。コンベア６０は後方に向かって延び、掘削装置１０の後部では斜め上方に向かって傾斜しており、後端が後方のコンベア６０の上方に位置している。

岩破砕機６４は、スクリュー形状の破砕ビットを有する２軸形式の破砕機である。このような破砕機としては、例えば、ＭＭＤ社製のサイザー等を用いることができる。岩破砕機６４は床台５８の開口の直下に設けられるとともに、コンベア６０の直上に配置されている。

また、床台５８の岩破砕機６４の前方には、装置の幅方向中央に本発明の本体カッタ部材としての、ディスクカッタ６８が設けられている。このディスクカッタ７０は回転部殻体２０に設けられたディスクカッタ７０と同様の構成であり、回転軸が装置の幅方向に延びるように設けられている。また、ディスクカッタ７０は一部が床台５８の表面（掘削装置１０の中心軸側表面）に、内部空間に向かって突出するように設けられている。

以下、本実施形態のトンネル掘削システムによりトンネルを構築する方法を説明する。
本実施形態では、先行して、掘削装置１０により円環断面状に地盤を掘削し、後から、残された中心部の地盤をブレーカ６２によって掘削することにより円形断面のトンネルを構築する。

以下、掘削装置１０により円環断面状に地盤を掘削する方法を説明する。
地盤を掘削する際には、推進機構１８により掘削装置１０を推進させながら、回転部殻体２０（掘削部３０）を固定部殻体２２、２４、２６（掘削装置本体３１）に対して回転させ、さらに、掘削土搬出機構１６により掘削土を排出させながら行う。

掘削装置１０を推進させるためには、まず、後方の径方向ジャッキ５６を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、後方の径方向ジャッキ５６により周囲の地盤に反力をとった状態で、後方の軸方向ジャッキ５０を伸長させる。これにより、第３の固定部殻体２６に対して、回転部殻体２０、第１の固定部殻体２２、及び第２の固定部殻体２４が前方に押し出される。この際、回転部殻体２０を回転することにより、ローラービット３８及び削孔ビット４０により地盤が円環状に掘削することができる。

すなわち、推進機構１８により回転部殻体２０の先端面２０Ａを地盤に押し付けた状態で、掘削機構１４のモータ３４を回転させる。モータ３４の回転力は減速機３２に伝達されてトルクが増幅され、ピニオン３７及びピンラック３５を介して回転部殻体２０を回転させる。回転部殻体２０が回転すると、まず、地盤が先端面２０Ａのローラービット３８により断面鋸形状に掘削され、さらに、削孔ビット４０により表面の凹凸が削りとられる。これにより円環状に地盤を掘削することができる。

なお、回転部殻体２０が回転させて地盤を掘削する際、前方の軸方向ジャッキ５２のそれぞれを異なる長さ伸長させることにより、掘削装置１０の掘削進行方向を調整することができる。すなわち、例えば、装置上方に位置する前方の軸方向ジャッキ５２の伸長長さに比べて、装置下方に位置する前方の軸方向ジャッキ５２の伸長長さを長くすることにより、回転部殻体２０及び第１の固定部殻体２２を、第２の固定部殻体２４に対して斜め上方に向けることができる。

次に、前方の径方向ジャッキ５４を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、前方の径方向ジャッキ５４により周囲の地盤に反力をとった状態で、後方の軸方向ジャッキ５０を収縮させる。これにより、第１の固定部殻体２２に対して、第３の固定部殻体２６が引き寄せられる。上記の工程を繰り返すことにより、掘削装置１０を前進させることができる。

なお、上記の方法に限らず、装置後方に推進ジャッキを設け、この推進ジャッキを用いて掘削装置１０を前進させることも可能である。すなわち、まず、前方及び後方の径方向ジャッキ５４、５６を退行させる。この状態で、推進ジャッキをすでに掘削が完了したトンネル内に取り付けられている内型枠等に反力を取って、伸長させる。これにより、掘削装置１０が前進する。そして、前方及び後方の径方向ジャッキ５４、５６の少なくとも一方を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、推進ジャッキを退行させ、推進ジャッキの後方位置において新たな内型枠の取付を行う。
上記の工程を繰り返すことによっても、掘削装置１０を推進させることができる。

上記の推進作業及び掘削作業とともに、掘削装置１０による掘削作業により生じた掘削土を装置後方へと送る。

回転部殻体２０が回転することにより地盤を掘削することで生じた掘削土は、ジェットノズルから噴射される水と攪拌されて、流動性が向上される。そして、掘削土は、回転部殻体２０の先端面２０Ａに形成された開口３６から回転部殻体２０内の室２０Ｆに収容される。そして、室２０Ｆ内に収容された掘削土は、隙間２０Ｄから掘削装置１０の内側空間（すなわち、内筒体２２Ｃの内側）へ排出される。

この際、閉鎖プレート４４により、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを、周方向に最下部から所定の高さまでの部分が閉鎖されているため、所定の高さまで回転した室２０Ｆ内の掘削土が内筒体の内側空間へ排出される。これにより、装置内側に運ばれた掘削土が、下方にたまってしまい、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを閉塞することを防止できる。

このように、掘削装置１０により地盤を円環断面状に掘削しながら、掘削装置１０を進行させると、掘削部３０により円環状に掘削された部分の内側に残された円柱状の地盤が装置内部へと進入する。ここで、トンネルを構築する地盤が軟弱である場合には、このように装置内部へ進入した地盤６６は自重により自然に崩壊する。しかしながら、トンネルを構築する地盤が硬い場合には、自然に崩壊することはない。

これに対して、本実施形態では、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃに、掘削部３０により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤６６に向けて突出するようにディスクカッタ６８が設けている。このため、回転部殻体２０を回転させると、ディスクカッタ６８が円柱状の地盤６６を回転しながら、地盤６６の側面を切削する。この際、例えば、地盤６６が岩盤である場合には、予め岩盤内に生じているひび割れにディスクカッタが入り込むと、ひび割れが岩盤全体に広がり容易に地盤６６が崩壊する。なお、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃに設けられたディスクカッタ６８は回転軸が装置の中心軸と平行となるように、（すなわち、ディスクカッタの回転面が回転部殻体２０の回転方向に沿うように）設けられているため、ディスクカッタ６８の破損等を防止でき、また、確実に岩盤のひび割れにディスクカッタ６８を入り込ませることができる。また、地盤６６にひび割れが発生していない場合であっても、新たなひび割れを誘発させ容易に地盤６６が崩壊させることができる。

さらに、掘削装置１０が進行すると、円柱状の地盤は掘削装置１０の第１の固定部殻体２２に当たる位置まで進入する。このように円柱状の地盤は掘削装置１０の第１の固定部殻体２２に当たる位置まで進入すると、掘削部３０により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤６６に向けて突出するように床台５８に設けられたディスクカッタ７０が円柱状の地盤６６の側面下部を切削する。これにより、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃに設けられたディスクカッタ６８と同様に、地盤６６にひび割れを誘発させ、円柱状の地盤６６を自然に崩壊させることができる。

さらに、本実施形態では、掘削装置１０により地盤を円環断面状に掘削するとともに、削孔機により図７に示すように、円柱状の地盤６６に装置内部側から複数の孔（ひび割れ誘発孔）７２を形成する。孔７２はその先端が掘削装置１０の前面よりも前方に到達するような深さを有するのが好ましい。また、図７に示すように、円柱状の地盤６６の中心と、その上下左右の５か所に孔７２を形成する。このように円柱状の地盤６６に孔７２を形成しておくことにより、ディスクカッタ６８、７０により誘発されるひび割れが、より地盤６６の中心まで到達しやすくなる。なお、このひび割れ誘発孔７２を形成するのは、掘削装置１０により地盤を削孔するのと並行して行ってもよいし、掘削装置１０による地盤の掘削を停止して行ってもよい。

また、上述の通り、回転部殻体２０により円環状に地盤が掘削されると、掘削により生じた岩石等を含む掘削土は、回転部殻体２０内に収容され、隙間２０Ｄの閉鎖プレート４４により閉鎖されていない部分から落下して、掘削装置１０の内側空間へ排出される。さらに、円柱状の地盤が自然に崩壊して生じた掘削土や岩石は、ブレーカ６２により岩破砕機６４に投入可能な大きさまで破砕される。そして、隙間２０Ｄから排出された掘削土及び円柱状の地盤が自然に崩壊して生じた掘削土や岩石は、まとめて岩破砕機６４に投入される。そして、岩破砕機６４によりこれら掘削土や岩石は細かく破砕され、コンベア６０に落下される。

このようにしてコンベア６０上に落下した掘削土は、コンベア６０により装置後方に運ばれ、ダンプカー等によりトンネル外へ排出される。

以上説明したように、本実施形態によれば、掘削部３０により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤６６に向けて突出するように、回転部殻体２０及び床台５８にディスクカッタ６８、７０が円筒状の掘削装置１０の内側表面に設けられているため、円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤６６がディスクカッタ６８、７０により削孔され、ひび割れが誘発されて、自然に崩壊する。これにより、円柱状に残留する地盤６６を効率良く破砕することができる。

また、本実施形態によれば、ディスクカッタ６８が掘削部３０の内側表面に設けられ、掘削部３０とともに回転可能であるため、円柱状の地盤６６の周囲を削孔することができ、地盤６６全体にひび割れを誘発することができる。

また、本実施形態によれば、掘削部３０の回転方向に沿ってディスクカッタ６８が設けられるため、ディスクカッタ６８の摩耗を防止するとともに、円柱状の地盤６６の中心軸に鉛直な方向（円柱状の地盤６６の周方向）のひび割れを誘発することができる。

また、本実施形態によれば、ディスクカッタ７０が床台５８の岩破砕機６４に対して掘削進行方向前方に設けられているため、岩破砕機６４の前において、確実に地盤６６を破砕することができる。

また、本実施形態によれば、円柱状の地盤の進行方向に沿ってディスクカッタ７０が設けられているため、ディスクカッタ７０の摩耗を防止できるとともに、円柱状の地盤６６に平行な方向のひび割れを誘発することができる。

また、本実施形態では、掘削部３０により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤６６にひび割れ誘発孔７２を形成することにより、円柱状に残った地盤６６へのひび割れの発生をより誘発することができる。

なお、本実施形態では、回転部殻体２０及び床台５８にディスクカッタ６８、７０を設けたが、これらは必ずしも両方設ける必要はなく、何れか一方のみでもよい。

また、本実施形態では、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの対向する位置に一対のディスクカッタ６８を設けたが、これに限らず、１つ又は３つ以上のディスクカッタを設けてもよいし、設ける位置は対向する位置に限定されない。

また、本実施形態では、床台５８に１つのディスクカッタ７０を設けたが、これに限らず、掘削装置１０の内側であればその位置も数量も限定されない。

１０ 掘削装置
１２ 殻体
１４ 掘削機構
１６ 掘削土搬出機構
１８ 推進機構
２０ 回転部殻体
２０Ａ 先端面部
２０Ｂ 外筒体
２０Ｃ 内筒体
２０Ｄ 隙間
２０Ｅ 空間
２０Ｆ 室
２２ 第１の固定部殻体
２２Ｂ 外筒体
２２Ｃ 内筒体
２４ 第２の固定部殻体
２４Ｂ 外筒体
２４Ｃ 内筒体
２６ 第３の固定部殻体
２６Ｂ 外筒体
２６Ｃ 内筒体
３０ 掘削部
３１ 掘削装置本体
３２ 減速機
３３ リング
３４ モータ
３５ ピンラック
３６ 開口
３７ ピニオン
３８ ローラービット
３９ 突状リブ
４０ 削孔ビット
４２ 板材
４４ 閉鎖プレート
５０ 軸方向ジャッキ
５２ 軸方向ジャッキ
５４ 径方向ジャッキ
５６ 径方向ジャッキ
５７ 推進ジャッキ
５８ 床台
６２ ブレーカ
６４ 岩破砕機
６６ 地盤
６８ ディスクカッタ（掘削部カッタ部材）
７０ ディスクカッタ（本体カッタ部材）
７２ 孔

Claims (7)

1. 地盤にトンネルを掘削するための円筒状のトンネル掘削装置であって、
   掘削装置本体と、
   前記掘削装置本体の先端側に設けられ、前記掘削装置本体に対して前記トンネル掘削装置の中心軸周りに回転することにより前記地盤を円環状に掘削する掘削部と、
   前記円筒状のトンネル掘削装置の前記中心軸側の表面に設けられ、前記掘削部により円環状に掘削された部分の内側に残された円柱状の地盤の側面を切削するカッタ部材と、を備えることを特徴とするトンネル掘削装置。
2. 前記カッタ部材は、前記掘削部の前記中心軸側の表面に固定され、前記掘削部とともに回転する掘削部カッタ部材を含む、請求項１記載のトンネル掘削装置。
3. 前記掘削部カッタ部材は、回転軸周りに回転可能なディスクカッタを含み、
   前記ディスクカッタは、前記回転軸が前記掘削装置の中心軸に平行になるように配置されている、請求項２記載のトンネル掘削装置。
4. さらに、前記掘削装置本体の内側下部に設けられた岩破砕機を含み、
   前記カッタ部材は、前記掘削装置本体の前記中心軸側の表面に前記岩破砕機に対して掘削進行方向前方に設けられた本体部カッタ部材を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載のトンネル掘削装置。
5. 前記本体部カッタ部材は、回転軸周りに回転可能なディスクカッタを含み、
   前記ディスクカッタは、前記回転軸が前記掘削装置の前記中心軸に垂直になるように配置されている、請求項４記載のトンネル掘削装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載されたトンネル掘削装置により、トンネルを掘削する方法であって、
   前記掘削装置本体に対して前記掘削部を回転させることにより地盤を円環状に掘削するステップと、
   前記掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤の側面を、前記カッタ部材により切削するステップと、を有するトンネル掘削方法。
7. さらに、前記掘削部により円環断面状に掘削された部分の内側部分の地盤にひび割れ誘発孔を形成するステップを有する、請求項６記載のトンネル掘削方法。

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