JP6607815B2 - トンネル掘削機及びトンネル掘削工法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤を掘削する際にカッタヘッドに発生した振動を抑制するようにしたトンネル掘削機及びトンネル掘削工法に関する。

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て、そのカッタヘッドの前面に装着された複数のカッタが、前方の地盤に切羽を形成することにより、トンネルを掘削することができる。このとき、掘削する地盤が岩盤等の硬質地盤となる場合には、特に、カッタヘッドに大きな振動が発生する。このように、大きな振動がカッタヘッドに発生すると、その振動が地中を伝わり、地表の住宅や地下施設等の周辺地域に振動被害を及ぼすおそれがある。

そこで、従来から、地盤を掘削する際にカッタヘッドに発生した振動を抑制するようにした、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２０１５−１５５５９７号公報

ここで、上記従来のトンネル掘削機においては、掘削機本体、カッタヘッド、隔壁等に、複数の加振器を設けるようにしており、これらの加振器を駆動させることにより、カッタヘッドに発生した振動に対して、その振動の位相と逆位相になる振動を出力するようにしている。これにより、カッタヘッドに発生した振動を、出力した逆位相振動によって相殺し、その振動を抑制するようにしている。

しかしながら、上記従来のトンネル掘削機においては、加振器が逆位相振動を与える面に、当該加振器を設置しているため、その出力させた逆位相振動が、カッタヘッドに伝達され難くなっている。即ち、加振器の設置面と、加振器が逆位相振動を与える面とが同じになっているため、加振器が逆位相振動を出力しても、その振動によって加振器自体が振れてしまうことになり、出力した逆位相振動をカッタヘッドに対して適切に伝達させることができない。この結果、上記従来のトンネル掘削機においては、カッタヘッドに発生した振動を十分に抑制させることができないおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、掘削時においてカッタヘッドに発生した振動を抑制することにより、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及びトンネル掘削工法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、
筒状をなす前胴及び後胴を有し、前記前胴と前記後胴とが互いに屈曲可能に連結される掘削機本体と、
前記前胴の前端部に回転可能に支持され、前方の地盤を掘削するカッタヘッドと、
基端が前記後胴に連結される一方、先端が前記前胴に連結される伸縮ロッドを有し、前記伸縮ロッドを伸縮させることにより、前記カッタヘッドに発生した振動の位相に対して逆位相となる逆位相振動を出力する振動発生用ジャッキとを備える
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、
前記振動発生用ジャッキは、前記後胴における内周面の周方向において、複数並設されており、
前記複数の振動発生用ジャッキを、周方向において、所定数量ずつの複数のグループにグループ化し、前記カッタヘッドに発生した振動の主体となる振動モードに応じて、前記グループごとに、前記振動発生用ジャッキの伸縮を制御して、逆位相振動を出力させる制御装置とを備える
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、
前記振動発生用ジャッキは、
前記前胴の傾きを変えて、前記掘削機本体の掘進方向を制御する方向制御ジャッキである
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工法は、
掘削機本体において互いに屈曲可能に連結された前胴と後胴との間に設けられる複数の方向制御ジャッキの伸縮ロッドを伸縮させることにより、前記前胴の前端部に回転可能に支持されたカッタヘッドの傾きを変えて、掘進方向を制御可能とするトンネル掘削工法であって、
前記前胴及び前記後胴の周方向において並設された複数の前記方向制御ジャッキを、周方向において、所定数量ずつの複数のグループにグループ化し、
前記カッタヘッドが前方の地盤を掘削する際に当該カッタヘッドに発生した振動を、計測手段によって計測し、
前記計測手段によって計測された振動を解析して、前記カッタヘッドに発生した振動の主体となる振動モードを特定し、
前記振動モードに応じて、前記グループごとに、前記方向制御ジャッキの伸縮を制御して、前記カッタヘッドに発生した振動の位相に対して逆位相となる逆位相振動を出力することにより、前記カッタヘッドに発生した振動を逆位相振動によって相殺する
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、前胴と後胴とを連結する振動発生用ジャッキを設け、この振動発生用ジャッキによって逆位相振動を発生させることにより、カッタヘッドを支持する前胴全体を、逆位相振動によって振動させることができるので、その逆位相振動をカッタヘッドに発生する振動に容易に干渉させることができる。これにより、掘削時においてカッタヘッドに発生した振動を抑制す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、本発明に係るトンネル掘削工法によれば、前胴と後胴とを連結する方向制御ジャッキによって、逆位相振動を発生させることにより、カッタヘッドを支持する前胴全体を、逆位相振動によって振動させることができるので、その逆位相振動をカッタヘッドに発生する振動に容易に干渉させることができる。これにより、掘削時においてカッタヘッドに発生した振動を抑制す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。

本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の縦断面図である。 図１のII−II矢視断面図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機及びトンネル掘削工法について、図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、トンネル掘削機１は、掘削機本体１１を有している。この掘削機本体１１は、共に円筒状をなす前胴１１ａ及び後胴１１ｂから構成されており、前胴１１ａの後端と後胴１１ｂの前端とは、中折れ機構としての球面軸受部１２及び複数の方向制御ジャッキ１３（中折れジャッキ、振動発生用ジャッキ）によって、互いに屈曲可能に連結されている。

球面軸受部１２は、前胴１１ａの後端における内周面と、後胴１１ｂの前端における外周面とによって構成されている。また、方向制御ジャッキ１３は、前胴１１ａ及び後胴１１ｂの内周面に沿って、且つ、その内周面の周方向において所定の間隔で配置されており、伸縮ロッド１３ａをトンネル前後方向に伸縮可能としている。そして、方向制御ジャッキ１３の基端は、後胴１１ｂに揺動可能に支持される一方、伸縮ロッド１３ａの先端は、前胴１１ａに揺動可能に支持されている。

従って、方向制御ジャッキ１３の伸縮ロッド１３ａを伸縮させることにより、前胴１１ａを後胴１１ｂに対して屈曲させることができる。このように、各方向制御ジャッキ１３の伸縮量を調整することにより、前胴１１ａ（カッタヘッド１４）の傾き（向き）を変更することができるので、トンネル掘削機１の掘進方向を制御することができる。これにより、トンネル掘削機１においては、計画路線が直線となるトンネルＴだけでなく、計画路線が急曲線となるトンネルＴについても掘削可能となっている。

また、前胴１１ａの前端部には、円盤状をなすカッタヘッド１４が回転可能に支持されている。カッタヘッド１４の中心部には、カッタ回転軸１５の前端が嵌入されており、このカッタ回転軸１５は、後述する隔壁１７の中心部に回転可能に支持されている。そして、カッタヘッド１４には、トンネル前後方向に貫通する掘削土砂取込口（図示省略）が形成されており、当該カッタヘッド１４の前面には、複数のカッタビッド１６が装着されている。

ここで、方向制御ジャッキ１３は、上述したように、掘進方向を制御する際に駆動可能となるだけでなく、カッタヘッド１４に対して振動を与えるときにも駆動可能となっており、掘進方向制御機能と振動付与機能との双方を兼ね備えている。

具体的には、方向制御ジャッキ１３は、伸縮ロッド１３ａを伸長または短縮させることにより、掘進方向の制御を行うことができる一方、伸縮ロッド１３ａを小刻みに繰り返し伸縮させることにより、振動を発生させることができる。この方向制御ジャッキ１３の微伸縮によって発生された振動は、地盤の掘削に伴ってカッタヘッド１４に発生した振動の位相と逆位相となる逆位相振動となっている。このように、掘削時においてカッタヘッド１４に発生した振動に対して、逆位相振動を干渉させることにより、その振動を逆位相振動によって相殺し、当該振動を抑制することができる。

更に、前胴１１ａの前端部内には、隔壁１７が設けられている。この隔壁１７には、リング状をなす回転体１８が、カッタ回転軸１５と同軸状で、且つ、回転可能に支持されている。そして、回転体１８の前端面には、複数の連結部材１９が、当該回転体１８の周方向において所定の間隔で設けられており、これらの連結部材１９の前端は、カッタヘッド１４の後面に連結されている。一方、回転体１８の後端面には、外歯式のリングギヤ２０が設けられている。

これに対して、隔壁１７の後面には、カッタ旋回用モータ２１が設けられており、このカッタ旋回用モータ２１の回転軸には、駆動ギヤ２２が装着されている。そして、駆動ギヤ２２は、リングギヤ２０と噛み合っている。

従って、カッタ旋回用モータ２１を駆動させることにより、駆動ギヤ２２の回転を、リングギヤ２０から回転体１８及び連結部材１９に伝達させることができるので、カッタヘッド１４を、カッタ回転軸１５を回転中心として、回転させることができる。これにより、カッタヘッド１４の回転に伴って、カッタビット１６が、カッタ回転軸１５を旋回中心として旋回することになり、当該カッタビット１６によって、前方の地盤に切羽を掘削することができる。

そして、カッタヘッド１４と隔壁１７との間には、チャンバ２３が区画形成されている。このチャンバ２３は、掘削土砂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２３内には、カッタビット１６による地盤掘削に伴って発生した掘削土砂が、カッタヘッド１４の掘削土砂取込口を介して、取り込まれるようになっている。

また、掘削機本体１１内には、スクリューコンベヤ２４が、前胴１１ａから後胴１１ｂに亘って、設けられている。このスクリューコンベヤ２４は、前端から後端に向かうに従って、上方に向けて傾斜するように配置されており、その前端開口部は、隔壁１７の下部を貫通して、チャンバ２３内に挿入されている。従って、スクリューコンベヤ２４を駆動させることにより、チャンバ２３内に蓄えられた掘削土砂を、掘削機本体１１の後方に向けて排出することができる。

更に、後胴１１ｂの後端内部には、エレクタ装置２５が、トンネル前後方向、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２５は、覆工部材としてのセグメントＳを把持可能となっており、その把持したセグメントＳをトンネルＴの内壁面（坑壁）に沿って組立可能となっている。これに対して、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２５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。

そして、後胴１１ｂの内周面には、複数のシールドジャッキ（推進ジャッキ）２６が、その内周面に沿って、且つ、その周方向において所定の間隔で並設されている。これらのシールドジャッキ２６は、駆動ロッドをトンネル前後方向に伸縮可能としており、その駆動ロッドに先端には、スプレッダ２６ａが装着されている。このスプレッダ２６ａは、トンネル前後方向において、既設のセグメントＳにおける前端面と対向している。

従って、シールドジャッキ２６の駆動ロッドを、トンネル後方に向けて伸長して、スプレッダ２６ａを、既設のセグメントＳに押圧させることにより、掘削機本体１１に推進反力を与えることができる。即ち、掘削機本体１１は、シールドジャッキ２６がセグメントＳを押圧したときに発生する推進反力によって、前進可能となっている。

ここで、隔壁１７の後面には、複数の振動計測器（計測手段）３１が、方向制御ジャッキ１３よりも径方向内側に設けられている。これらの振動計測器３１は、カッタヘッド１４及びカッタビット１６が地盤を掘削する際に、当該カッタヘッド１４に発生した振動の大きさ（波形、周期、振幅）を、計測可能となっており、掘削機本体１１内におけるカッタヘッド１４に最も近い位置に配置されている。即ち、地盤の掘削に伴ってカッタヘッド１４に発生した振動は、カッタ回転軸１５や、連結部材１９及び回転体１８を介して、隔壁１７に伝達された後、振動計測器３１に入力されることになる。

また、掘削機本体１１内には、制御装置３２が設けられている。この制御装置３２は、方向制御ジャッキ１３に対して油圧を給排するためのサーボ弁と、振動計測器３１とに電気的に接続されており、振動計測器３１によって計測された振動の大きさに応じて、方向制御ジャッキ１３におけるサーボ弁の弁開度を制御することにより、方向制御ジャッキ１３を振動的に伸縮させて、逆位相振動を出力可能としている。

詳細には、制御装置３２においては、各振動計測器３１によって計測された振動が入力されると、それらの振動を解析して、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードを特定した後、その振動モードに応じた制御信号を、各方向制御ジャッキ１３のサーボ弁に入力するようになっている。ここで、振動モードとしては、例えば、トンネル前後方向の振動、トンネル幅方向（トンネル左右方向）の振動、及び、トンネル上下方向の振動となっている。

これに対応して、制御装置３２においては、予め、全ての方向制御ジャッキ１３に対して、グループ化を図るようにしている。具体的には、複数の方向制御ジャッキ１３を、周方向において、所定数量ずつの複数のグループに分けるようにしており、上記振動モードに対応した逆位相振動の出力制御の簡素化を考慮して、ここでは、複数の方向制御ジャッキ１３を、同数量ずつの複数のグループに分けている。

例えば、図２に示すように、本実施形態においては、１２本の方向制御ジャッキ１３を、３本ずつの４つのグループＧ１〜Ｇ４にグループ化している。つまり、第１グループＧ１は、前胴１１ａ内の右側上部において周方向に連続して配置される３本の方向制御ジャッキ１３から構成されており、第２グループＧ２は、前胴１１ａ内の右側下部において周方向に連続して配置される３本の方向制御ジャッキ１３から構成されている。また、第３グループＧ３は、前胴１１ａの左側下部において周方向に連続して配置される３本の方向制御ジャッキ１３から構成されており、第４グループＧ４は、前胴１１ａの左側上部において周方向に連続して配置される３本の方向制御ジャッキ１３から構成されている。

そして、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードが、トンネル前後方向の振動となる場合には、全ての方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させる。即ち、グループＧ１〜Ｇ４の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させる。

これにより、全ての方向制御ジャッキ１３の伸縮によって発生させた逆位相振動を、全体として、トンネル前後方向への複合振動にすることができるので、カッタヘッド１４全体をトンネル前後方向に振動させることができる。よって、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードがトンネル前後方向の振動となる場合であっても、その振動に対して逆位相振動を干渉させることができ、当該振動を逆位相振動によって相殺することができる。

また、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードが、トンネル幅方向の振動となる場合には、グループＧ１，Ｇ２の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させる一方、グループＧ３，Ｇ４の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させつつ、グループＧ１，Ｇ２の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作と、グループＧ３，Ｇ４の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作とを、一致させることなく、相反するものとする。

これにより、全ての方向制御ジャッキ１３の伸縮によって発生させた逆位相振動を、全体として、トンネル幅方向への複合振動にすることができるので、カッタヘッド１４全体をトンネル幅方向に振動させることができる。よって、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードがトンネル幅方向の振動となる場合であっても、その振動に対して逆位相振動を干渉させることができ、当該振動を逆位相振動によって相殺することができる。

更に、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードが、トンネル上下方向の振動となる場合には、グループＧ１，Ｇ４の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させる一方、グループＧ２，Ｇ３の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作を一致させつつ、グループＧ１，Ｇ４の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作と、グループＧ２，Ｇ３の方向制御ジャッキ１３における伸縮動作とを、一致させることなく、相反するものとする。

これにより、全ての方向制御ジャッキ１３の伸縮によって発生させた逆位相振動を、全体として、トンネル上下方向への複合振動にすることができるので、カッタヘッド１４全体をトンネル上下方向に振動させることができる。よって、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードがトンネル上下方向の振動となる場合であっても、その振動に対して逆位相振動を干渉させることができ、当該振動を逆位相振動によって相殺することができる。

以上より、トンネル掘削機１によってトンネル構造体を施工する場合には、先ず、カッタヘッド１４を回転させながら、複数のシールドジャッキ２６を伸長させて既設のセグメントに押し付ける。これにより、掘削機本体１１が、その既設のセグメントから推進反力を得て、前進すると共に、回転するカッタヘッド１４に装着されたカッタビット１６が、前方の地盤に切羽を形成するため、トンネルＴ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１４の掘削土砂取込口を介して、チャンバ２３内に充填されることになり、そのチャンバ２３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２３内に充填された掘削土砂は、スクリューコンベヤ２４の回転によって、トンネル後方に向けて排出される。つまり、掘削土砂をチャンバ２３内に充填させて、そのチャンバ２３の内圧を切羽から受ける土圧に対抗させながら、当該チャンバ２３内から掘削土砂を排出する。

これと同時に、短縮したシールドジャッキ２６のトンネル後方においては、エレクタ装置２５の駆動によって、これに保持されたセグメントＳが、トンネルＴの内壁面に沿って、リング状に順次組み立てられる。

即ち、カッタヘッド１４の掘削による掘削量に見合う土砂量を、スクリューコンベヤ２４によって円滑に排出して、チャンバ２３内を常に掘削土砂によって充満させることにより、切羽の安定化を図りつつ、トンネルＴを掘削する。これと同時に、シールドジャッキ２６の伸長によって、既設のセグメントＳから推進反力を取って掘進しながら、短縮させたシールドジャッキ２６のトンネル後方において、新設のセグメントＳを組み立てる。

また、トンネル掘削機１が計画路線からずれた場合や、その計画路線が急曲線となる場合には、方向制御ジャッキ１３を伸縮させることにより、カッタヘッド１４の傾きを調整する。これにより、トンネル掘削機１が計画路線に沿って掘進するように、その掘進方向が制御される。

更に、トンネル掘削機１が、例えば、岩盤等の硬質地盤に到達すると、カッタヘッド１４に発生した振動が大きくなる。そこで、方向制御ジャッキ１３の伸縮ロッド１３ａを伸縮させて、逆位相振動をカッタヘッド１４に与えるようにする。

つまり、カッタヘッド１４に発生した振動が振動計測器３１によって計測されると、制御装置３２においては、その計測された振動の大きさに応じた逆位相振動が発生するように、方向制御ジャッキ１３の伸縮を制御する。これにより、その方向制御ジャッキ１３によって出力された逆位相振動は、カッタヘッド１４に伝達された後、そのカッタヘッド１４に発生した振動と干渉して、当該振動を減少させる。

このとき、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードに応じて、グループＧ１〜Ｇ４ごとに、方向制御ジャッキ１３の伸縮を制御しているため、カッタヘッド１４に発生した振動は逆位相振動によって十分に抑制されることになる。

従って、本発明によれば、前胴１１ａと後胴１１ｂとを連結する方向制御ジャッキ１３を設け、この方向制御ジャッキ１３によって逆位相振動を発生させることにより、カッタヘッド１４を支持する前胴１１ａ全体を、逆位相振動によって振動させることができるので、その逆位相振動をカッタヘッド１４に発生する振動に容易に干渉させることができる。これにより、掘削時においてカッタヘッド１４に発生した振動を抑制す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、複数の方向制御ジャッキ１３を、所定数量ずつの複数のグループＧ１〜Ｇ４にグループ化することにより、カッタヘッド１４に発生した振動の主体となる振動モードに応じた逆位相振動を出力することができるので、カッタヘッド１４に発生した振動を効率的に抑制することができる。

更に、方向制御ジャッキ１３を、逆位相振動を発生させるための振動発生用ジャッキとして使用することにより、既存の構成を変更することなく、カッタヘッド１４に発生した振動を抑制することができる。

１ トンネル掘削機
１１ 掘削機本体
１１ａ 前胴
１１ｂ 後胴
１２ 球面軸受部
１３ 方向制御ジャッキ
１３ａ 伸縮ロッド
１４ カッタヘッド
１５ カッタ回転軸
１６ カッタビット
１７ 隔壁
１８ 回転体
１９ 連結部材
２０ リングギヤ
２１ カッタ旋回用モータ
２２ 駆動ギヤ
２３ チャンバ
２４ スクリューコンベヤ
２５ エレクタ装置
２６ シールドジャッキ
２６ａ スプレッダ
３１ 振動計測器
３２ 制御装置
Ｓ セグメント
Ｔ トンネル

Claims (4)

1. 筒状をなす前胴及び後胴を有し、前記前胴と前記後胴とが互いに屈曲可能に連結される掘削機本体と、
   前記前胴の前端部に回転可能に支持され、前方の地盤を掘削するカッタヘッドと、
   基端が前記後胴に連結される一方、先端が前記前胴に連結される伸縮ロッドを有し、前記伸縮ロッドを伸縮させることにより、前記カッタヘッドに発生した振動の位相に対して逆位相となる逆位相振動を出力する振動発生用ジャッキとを備える
   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、
   前記振動発生用ジャッキは、前記後胴における内周面の周方向において、複数並設されており、
   前記複数の振動発生用ジャッキを、周方向において、所定数量ずつの複数のグループにグループ化し、前記カッタヘッドに発生した振動の主体となる振動モードに応じて、前記グループごとに、前記振動発生用ジャッキの伸縮を制御して、逆位相振動を出力させる制御装置とを備える
   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、
   前記振動発生用ジャッキは、
   前記前胴の傾きを変えて、前記掘削機本体の掘進方向を制御する方向制御ジャッキである
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
4. 掘削機本体において互いに屈曲可能に連結された前胴と後胴との間に設けられる複数の方向制御ジャッキの伸縮ロッドを伸縮させることにより、前記前胴の前端部に回転可能に支持されたカッタヘッドの傾きを変えて、掘進方向を制御可能とするトンネル掘削工法であって、
   前記前胴及び前記後胴の周方向において並設された複数の前記方向制御ジャッキを、周方向において、所定数量ずつの複数のグループにグループ化し、
   前記カッタヘッドが前方の地盤を掘削する際に当該カッタヘッドに発生した振動を、計測手段によって計測し、
   前記計測手段によって計測された振動を解析して、前記カッタヘッドに発生した振動の主体となる振動モードを特定し、
   前記振動モードに応じて、前記グループごとに、前記方向制御ジャッキの伸縮を制御して、前記カッタヘッドに発生した振動の位相に対して逆位相となる逆位相振動を出力することにより、前記カッタヘッドに発生した振動を逆位相振動によって相殺する
   ことを特徴とするトンネル掘削工法。

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