JP6800784B2 - 掘削システム、及び、トンネルの構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削システム、及び、この掘削システムを用いたトンネルの構築方法に関する。

従来より、地盤を掘削し、掘削した地盤の内周面に沿って複数のセグメントを環状に連結することにより、トンネルを構築する方法が知られている。このように、掘削した地盤の内周面に沿って複数のセグメントを環状に連結する工程は、掘削装置の直後で行われるため、掘削装置の後方にある保管場所から掘削装置の直後までセグメントを搬送しなければならない。

このようなセグメントの搬送装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、セグメントの保管場所から掘削装置の後方まで延びるレールと、このレール上を自走可能な搬送台車とを備えたものが用いられている。

特開２０１５−１５５６１９号公報

しかしながら、セグメントの重量は非常に大きいため、トンネルに傾斜がある場合には、搬送台車の制動を確実に制御するべく、高性能のモータ及びブレーキを積載し、レールの幅も広くする必要があった。しかしながら、トンネル内は掘削土の搬送や、コンクリート等の材料の搬送、重機の往来があるため、搬送装置は小型であることが望まれる。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、小型であり、かつ、傾斜がある場合でも確実に推進することができるセグメントの搬送装置を備えたトンネル掘削システム及びこの掘削装置を用いたトンネルの構築方法を提供することを目的としている。

本発明のトンネル掘削システムは、地盤を掘削し、掘削した地盤の内周面に沿って環状にセグメントを構築することによりトンネルを構築するための掘削システムであって、地盤を掘削する掘削装置と、掘削装置の後部に設けられ、掘削された地盤の内周面に沿ってセグメントを構築するエレクターと、セグメントをトンネルの掘削進行方向の後方の所定の位置から掘削装置の後部までセグメントを搬送する搬送装置と、を備え、搬送装置は、掘削装置の後部に設けられた滑車と、所定の位置に設けられた一対のウインチと、下部に車輪を有する搬送台車と、一対のウインチのうちの一方から掘削進行方向前方に延び、搬送台車に連結された一方のワイヤ、及び、一対のウインチの他方から掘削進行方向前方に延び、滑車を介して掘削進行方向後方に延び、搬送台車に連結された他方のワイヤと、を有する、ことを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、他方のウインチによりワイヤを巻き上げることにより、搬送台車を前進させることができ、また、一方のウインチによりワイヤを巻き上げることにより搬送台車を後退させることができる。このため、搬送台車にモータ等の推進機構を組み込む必要がなくなり、搬送台車を小型化することができ、また、一対のウインチはトンネル後方に配置することができるため、省スペースとなる。また、ウインチにより搬送台車を駆動させているため、搬送台車が小型であっても十分な推進力が得られる。

本発明は、好ましくは、さらに、搬送装置は、レールをさらに有し、搬送台車は、レール上を移動する。
上記構成の本発明によれば、搬送台車を安定した軌道で移動させることができる。

本発明は、好ましくは、掘削装置は円筒状であり、地盤を円環状に掘削し、滑車は、掘削装置の内側に設けられている。
上記構成の本発明によれば、掘削装置が進行してセグメントの保管場所までの距離が変わっても、滑車が掘削装置とともに進行するため、常時、掘削装置の後部までセグメントを搬送することができる。また、上記構成の本発英によれば、滑車が掘削装置の内側に設けられているため、掘削装置の後端部近傍まで搬送台車を移動させることができる。

本発明のトンネルの構築方法は、上記の掘削システムを用いたトンネルの構築方法であって、掘削装置により、地盤を掘削する掘削ステップと、搬送装置により、セグメントを所定の位置から掘削装置の後方まで搬送する搬送ステップと、エレクターにより搬送された複数のセグメントを掘削された地盤の内周面に沿って環状に連結するセグメント連結ステップと、を備える。

上記構成の本発明によれば、他方のウインチによりワイヤを巻き上げることにより、搬送台車を前進させることができ、また、一方のウインチによりワイヤを巻き上げることにより搬送台車を後退させることができる。このため、搬送台車にモータ等の推進機構を組み込む必要がなくなり、搬送台車を小型化することができ、また、一対のウインチはトンネル後方に配置することができるため、省スペースとなる。また、ウインチにより搬送台車を駆動させているため、搬送台車が小型であっても、十分な推進力が得られる。

本発明において、好ましくは、搬送ステップでは、他方のウインチによりワイヤを巻き上げるとともに、一方のウインチによりワイヤを繰り出すことにより、搬送台車を移動させる。
上記構成の本発明によれば、一方のウインチによりワイヤを巻き上げるとともに、他方のウインチによりワイヤを繰り出すことにより、搬送台車を移動させることができる。

本発明において好ましくは、掘削装置が進行するのに合わせて、一対のウインチのうちの一方又は両方が前記ワイヤを繰り出す。
上記構成の本発明によれば、掘削装置の進行に合わせてワイヤを繰り出すことにより、掘削装置とセグメントの保管場所の距離が変わっても、常時、掘削装置の後部までセグメントを搬送することができる。

本発明によれば、小型であり、かつ、強い推進力を有するセグメントの搬送装置を備えたトンネル掘削システム及びこの掘削装置を用いたトンネルの構築方法が提供される。

本発明の一実施形態によるトンネル掘削システムを示す図である。 図１に示すトンネル掘削システムのトンネル掘削装置の構成を示す鉛直断面図である。 図２に示すトンネル掘削装置の正面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。 図２に示すトンネル掘削装置のカッタ部の拡大斜視図である。 図２におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。 図１に示すトンネル掘削システムの搬送装置の構成を示す斜視図である。 図１に示すトンネル掘削システムの搬送装置の構成を示す鉛直断面図である。 図２に示す掘削装置の後部の拡大断面図である。 図１に示すトンネル掘削装置のエレクターを示す斜視図である。 図１１に示すエレクターによりセグメントを円環状に連結してシールドを構築する方法を説明するための図である。

以下、本発明のトンネル掘削システム及びこのトンネル掘削装置を用いたトンネルの構築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は、本発明の一実施形態によるトンネル掘削システムを示す図である。同図に示すように、本実施形態のトンネル掘削システム１は、円筒状のトンネル掘削装置２と、トンネル掘削装置２の後部に設けられたエレクター４と、トンネル掘削装置２の後部から掘削進行方向後方（以下、「後方」という）に延びる搬送装置６と、を備える。

図２は、図１に示すトンネル掘削システムのトンネル掘削装置の構成を示す鉛直断面図である。図３は、図２に示すトンネル掘削装置の正面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。図５は、図２に示すトンネル掘削装置のカッタ部の拡大斜視図である。図６は、図２におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。

図２に示すように、掘削装置２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、により構成される。

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

また、第１の固定部殻体２２と、第２の固定部殻体２４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と、外筒体２２Ｂ、２４Ｂ内に配置された円筒状の内筒体２２Ｃ、２４Ｃと、内筒体２２Ｃ、２４Ｃと外筒体２２Ｂ、２４Ｂ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、及び、第２の固定部殻体２４を構成する内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、及び外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ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と外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ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に作用する土圧を支持可能な本数、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ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と外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂを結ぶように設けられている。そして、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃと、外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ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。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の先端面部２０Ａに形成された複数の掘削ビットを含むカッタ部（カッタヘッド）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２及び図３に示すように、回転部殻体２０の先端面部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３〜図５に示すように、カッタ部３０は、回転部殻体２０の平面状の先端面部２０Ａに周方向に間隔をあけて設けられた複数のディスクカッタ３８と、先端面部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、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに取り付けられた突状リブ３９と、を備える。

突状リブ３９は、例えば、例えば、ＳＳ４００（旧ＪＩＳ規格ＳＳ４１）などの鋼材の角棒からなる。図３〜図５に示すように、突状リブ３９は、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに略径方向に内縁から外縁まで延び、さらに、回転部殻体２０の側面の前方部を軸方向に延びるように設けられている。そして、この突状リブ３９は、後に詳述するように、掘削により発生した土砂を回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面を覆った状態で保持する。

本実施形態では、突状リブ３９は、幅３０ｍｍかつ高さ３０ｍｍの角棒からなり、周方向に隣接する突状リブ３９の間隔が２００ｍｍ程度となるように回転部殻体２０の先端面部２０Ａに取り付けられている。また、これら突状リブ３９は、回転部殻体２０の回転方向（周方向）を横切るように取り付けられている。土砂を回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面を覆った状態で保持するためには、突状リブ３９の径方向に対する角度は３０°が以下であることが好ましい。すなわち、突状リブ３９の回転方向（周方向）に対する角度は６０°〜１２０°であることが好ましい。なお、本実施形態では、一部の突状リブ３９はディスクカッタ３８の回転方向と垂直な方向に延びており、他の突状リブ３９は、削孔ビット４０と平行に延びている。

なお、突状リブ３９の先端面部２０Ａからの高さは、ディスクカッタ３８の高さよりも低く、かつ、削孔ビット４０の高さよりも低い。これは、突状リブ３９の先端面部２０Ａからの高さが、ディスクカッタ３８及び削孔ビット４０よりも高い場合には、掘削対象の地盤に突状リブ３９が当たってしまい、これらビットにより地盤を掘削することができないからである。なお、一般的にディスクカッタ３８及び削孔ビット４０の高さは５０ｍｍ程度であるので、突状リブ３９の高さは５０ｍｍ以下である必要がある。また、回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面に、回転部殻体２０を保護するのに十分な厚さの土砂を保持するように、突状リブ３９の高さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。

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及び第２の固定部殻体２２、２４に対して回転する。

各ディスクカッタ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、各ディスクカッタ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、ディスクカッタ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２及び図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の先端面部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の先端面部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、先端面部２０Ａに対して垂直に設けられている。なお、なお、本実施形態では、板材４２は先端面部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に示すように、推進機構１８は、軸方向ジャッキ５２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。

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。軸方向ジャッキ５２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２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２の固定部殻体２４内に収容されている。第２の固定部殻体２４の外筒体２４Ｂ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２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２の後端部に配置されており、掘削装置２の後方に向かって伸縮可能である。
なお、これら軸方向ジャッキ５２、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。
掘削装置２の内側空間の後部には、架台７０が水平に保持されている。

また、図２に示すように、掘削システム１は、掘削土搬出機構１６として、掘削土受板１００と、岩破砕機１０６と、コンベア８１と、を備える。

掘削土受板１００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。掘削土受板１００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。

破砕機１０６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。破砕機１０６は前部上端が掘削土受板１００の後端に接続され、後端が架台７０の下方に位置するように、コンベア８１の直上に配置されている。

コンベア８１は、その先端が掘削土受板１００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、及び第２の固定部殻体２４の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ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８１は配置されている。コンベア８１は後方に向かって延び、掘削装置２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８１の上方に位置している。

次に、搬送装置について、説明する。
図７及び図８は、図１に示すトンネル掘削システムの搬送装置の構成を示し、図７は斜視図、図８は鉛直断面図である。また、図９は、図２に示す掘削装置の後部の拡大断面図である。これらの図に示すように、搬送装置６は、セグメント１４０の保管場所に設けられた第１及び第２のウインチ２０１、２０２と、掘削装置２の後部に取り付けられた滑車２０４と、一対のウインチ２０１、２０２から延びる第１及び第２のワイヤ２０５、２０６と、トンネル内に配置された一対のレール２１０と、レール２１０上を移動可能な４台の搬送台車２１３、２１４、２１５、２１６と、を有する。

一対のウインチ２０１、２０２は、それぞれ、ドラム２０１Ａ、２０２Ａと、ドラム２０１Ａ、２０２Ａを回転可能に支持する支持部材２０１Ｂ、２０２Ｂと、モータ２０１Ｃ、２０２Ｃと、モータ２０１Ｃ、２０２Ｃに接続され、モータ２０１Ｃ、２０２Ｃの回転駆動力をドラム２０１Ａ、２０２Ａに伝達する減速機２０１Ｄ、２０２Ｄと、ドラム２０１Ａ、２０１Ｂの回転を固定するブレーキ（図示せず）と、を備える。ドラム２０１Ａ、２０２Ａには、それぞれ第１及び第２のワイヤ２０５、２０６の端部が固定されている。かかる構成により、各ウインチ２０１、２０２は、ブレーキを解除した状態でモータ２０１Ｃ、２０２Ｃを駆動させることにより、ドラム２０１Ａ、２０２Ａの外周にワイヤ２０５、２０６を巻き付けることにより、ワイヤ２０５、２０６を巻きあげることができる。また、各ウインチ２０１、２０２は、ブレーキが解除された状態で、ワイヤ２０５、２０６に引っ張り力が加わることにより、ドラム２０１Ａ、２０２Ａに巻き付けられたワイヤ２０５、２０６を送り出すことができる。

第１のワイヤ２０５は、一端が第１のウインチ２０１のドラム２０１Ａに固定され、第１のウインチ２０１からトンネル掘削進行方向の前方（以下、「前方」という）に延び、多端が最後尾の搬送台車２１５に接続されている。第２のワイヤ２０６は、一端が第２のウインチ２０２のドラム２０２Ａに固定され、搬送台車２１３、２１４、２１５、２１６の下方を通って、トンネル掘削進行方向の前方（以下、「前方」という）に滑車２０４まで延び、滑車により方向転換されてトンネル掘削進行方向の後方（いか、「後方」という）に延び、他端が第２のウインチ２０２のドラム２０２Ａに固定されている。トンネルに傾斜や湾曲がある場合には、ワイヤ２０５、２０６がトンネル壁面に接触しないように、適宜滑車等の案内手段を設けるとよい。

図９に示すように、レール２１０は、トンネル底部に構築されたインバート２０９の上方に敷設されている。
また、各搬送台車２１２は、それぞれ水平に延びる基部２１２Ａと、基部２１２Ａの下面の四隅に設けられた車輪２１２Ｂとを備える（図９では、搬送台車２１２のみ示すが、他の搬送台車も同様の構成である）。基部２１２Ａの上面には、セグメント１４０の外面形状に対応するような凹部２１２Ｃが形成されている。各搬送台車２１３、２１４、２１５、２１６の間は連結部材２２０により連結されている。

次に、トンネル掘削システムにおけるエレクター４の構成について説明する。
図１０は、図１に示すトンネル掘削装置のエレクターを示す斜視図である。図９及び図１０に示すように、エレクター４は、中心軸周りに回転可能な円環状の円環回転部材１２０と、円環回転部材１２０を回転させるための駆動装置１２２と、円環回転部材１２０から中心軸に沿って後方に向かって延出する把持部材１２４と、を備える。

円環回転部材１２０は、第２の固定部殻体２４の外筒体２４Ｂの内面に取り付けられた支持部材により回転可能に保持されている。円環回転部材１２０の外面には旋回ギアー１２０Ａが形成されている。また、駆動装置１２２は、モータ付減速機１２２Ａと旋回ピニオン１２２Ｂとを備え、旋回ピニオン１２２Ｂは円環回転部材１２０の旋回ギアー１２０Ａと嵌合している。これにより、モータ付減速機１２２Ａを駆動させることにより、円環回転部材１２０を中心軸周りに回転させることができる。

把持部材１２４は、シールドを構成する複数のセグメントに対応して設けられている。すなわち、本実施形態では、６つの長尺な円環状のセグメントと、１つの短尺な円環状のセグメントと、を連結することによりシールドを構築するため、長尺なセグメントと同数である６つの把持部材１２４が設けられている。

各把持部材１２４は、円環回転部材１２０に後方に延びるように固定された支持部材１２８と、支持部材１２８の支持プレート１２８Ｂから後方に延びる腕部１３２と、支持部材１２８の枝部１２８Ａに固定された第１のアクチュエータ１３０と、腕部１３２の先端に回動可能に設けられたレバー１３４と、腕部１３２内に収容された第２のアクチュエータ１３６と、を備える。

支持部材１２８は、後方に向かって延びる本体部１２８Ｃと、本体部１２８Ｃの中央から径方向外方に延びる枝部１２８Ａと、本体部１２８Ｃの後端に設けられ、径方向外方に向かって延びる支持プレート１２８Ｂとを有する。

第１のアクチュエータ１３０は、シリンダが支持部材１２８の枝部１２８Ａに固定され、ピストンが支持プレート１２８Ｂに挿通した状態で固定されている。第１のアクチュエータ１３０は、ピストンを中心軸に沿って後方に向かって進退させることができる。なお、第１のアクチュエータ１３０は、腕部１３２の径方向外方に位置している。

腕部１３２の前端部は、本体部１２８Ｃよりも径方向外方、かつ、第１のアクチュエータ１３０よりも径方向内方の位置で支持プレート１２８Ｂに取り付けられている。

レバー１３４は、腕部１３２の後端部に回動可能に取り付けられている。また、レバー１３４は、第２のアクチュエータ１３６を伸縮させることにより、図９に示すように、中心軸に沿って後方に向かって延びる状態から、径方向外方に向かって延びる状態まで回転させることができる。

このような構成により、把持部材１２４は第１のアクチュエータ１３０を伸長させ、かつ、第２のアクチュエータ１３６によりレバー１３４を径方向外方に延びるように回動させることにより、第１のアクチュエータ１３０の先端とレバー１３４とにより、腕部１３２の径方向外方で前後方向からセグメントを挟み込んで保持することができる。

以下、本実施形態のトンネル構築システムを用いたトンネルの構築方法について説明する。
本実施形態では、地盤を円柱状に掘削する掘削ステップと、セグメントを保管場所から掘削装置の後方まで搬送する搬送ステップと、搬送されたセグメントを掘削した地盤の内面に沿って円環状に連結するセグメント連結ステップとを並行して行うことにより、シールドトンネルを構築する。以下、各々のステップについて詳細に説明する。

まず、地盤を円柱状に掘削する掘削ステップについて説明する。
本実施形態では、先行して、掘削装置２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重機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２により円環断面状に地盤を掘削する方法を説明する。
地盤の掘削は、推進機構１８により掘削装置２を推進させながら、回転部殻体２０を固定部殻体２２、２４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て行う。

掘削装置２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、軸方向ジャッキ５２を伸長させる。これにより、第２の固定部殻体２４に対して、回転部殻体２０、及び第１の固定部殻体２２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、ディスクカッタ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のカッタ部３０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、地盤がカッタ部３０のディスクカッタ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。

上述の通り、本実施形態では、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに、突状リブ３９が周方向に延びるように設けられている。そして、回転部殻体２０が前方に押圧されているため、回転部殻体２０が回転することにより地盤が掘削されて発生した掘削土は、図１２に示すように突状リブ３９の間に入り込む。そして、このように突状リブ３９の間に入り込んだ掘削土は、回転部殻体２０が回転しても、先端面部２０Ａを覆った状態で突状リブ３９により保持され、回転部殻体２０とともに回転する。

ここで、カッタ部３０は地盤に向けて加圧されているため、特に強固な岩盤を掘削する場合に、岩盤が回転部殻体２０の先端面部２０Ａに接触するおそれがある。また、回転部殻体２０が回転することにより発生した掘削土には、ディスクカッタ３８や削孔ビット４０により破砕されなかった岩石が含まれていることがある。このような岩石が回転部殻体２０の先端面部２０Ａに衝突すると、先端面部２０Ａを破損するおそれがある。

しかしながら、本実施形態では、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに突状リブ３９が取り付けられているため、岩盤や掘削により生じた岩石は突状リブ３９に保持された土砂に接触することとなる。これにより、岩盤や岩石が先端面部２０Ａに直接衝突し、カッタ部３０が破損することを防止できる。

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２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、軸方向ジャッキ５２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２の固定部殻体２４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２を前進させることができる。

なお、上記の方法に限らず、推進ジャッキ５７を用いて掘削装置２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５７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シールドセグメント１１６に反力を取って、伸長させる。これにより、掘削装置２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。なお、この後、後述するように、推進ジャッキ５７を退行させ、推進ジャッキ５７の後方位置において新たなシールドセグメントの取付を行う。
上記の工程を繰り返すことによっても、掘削装置２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２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。

カッタ部３０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の先端面部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２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。

また、上記の掘削装置２により地盤を円環状に掘削する作業と並行して、掘削装置２により円環状に掘削された部分の内側の地盤をブレーカやバックホーなどの重機６２により掘削する。

次に、このように地盤を掘削することにより生じた掘削土を装置工法へ搬送する方法を説明する。上述の通り、カッタ部３０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２の内側空間へ排出される。

また、カッタ部３０により円環状に地盤が掘削されて残った円柱状の地盤は、重機６２により破砕される。重機６２により地盤を破砕することにより生じた掘削土は、隙間２０Ｄから落下した掘削土とともに、破砕機１０６へと送られ、２５ｃｍ以下の径まで細かく破砕される。このようにして破砕機１０６により破砕された掘削土は、コンベア８１上に落下し、後方へと送られる。

このようにしてコンベア８１上に落下した掘削土は、コンベア８１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。

次に、搬送ステップについて説明する。
搬送ステップでは、まず、第２のウインチ２０２のブレーキを解除し、第２のウインチ２０２から第２のワイヤ２０６を送り出し可能にした状態で、第１のウインチ２０１のモータ２０１Ｃを駆動し、第１のワイヤ２０５を巻き上げる。これにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が第１のワイヤ２０５により引っ張られ、第１のウインチ２０１に向かって移動する。そして、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が保管場所に到着したら、第１のウインチ２０１のモータ２０１Ｃを停止するとともに、第２のウインチ２０２のブレーキを駆動する。これにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が保管場所で停車する。そして、各搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５の基部上にセグメント１４０を重ねて載置し、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５にワイヤ等により固定する。

次に、第１のウインチ２０１のブレーキを解除した状態で、第２のウインチ２０２のモータ２０２Ｃを駆動し、第２のワイヤ２０６を巻き上げる。これにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５は、前方に向かって引っ張られ、滑車２０４に向かって移動する。そして、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が掘削装置２の後方に到着したら第２のウインチ２０２のモータ２０２Ｃを停止するとともに、第１のウインチ２０１のブレーキを駆動する。これにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が掘削装置２の後方で停車する。

このように、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を掘削装置の後方に停車させた状態で、後述するセグメント構築ステップを行う。

なお、掘削ステップにおいて、構築したセグメントに反力を取りながら掘削装置２を前進させる際には、一対のウインチ２０１、２０２の少なくとも一方のブレーキを解除しておく。これにより、一対のウインチ２０１、２０２から、掘削装置２の進行に合わせて第１及び第２のワイヤ２０５、２０６が繰り出されることとなる。なお、第２のウインチ２０２のブレーキを解除しておくことで、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が移動することなく、第２のワイヤ２０６が繰出される。

図１１は、図１１に示すエレクターによりセグメントを円環状に連結してシールドを構築する方法を説明するための図である。
セグメントを円環状に連結するためには、まず、後述する搬送装置６により、一つ目の新たなセグメント１４０Ａを掘削装置２の後方下部まで搬送する。そして、レール１５２（図９）を移動可能なクレーン１５０により、搬送装置６の搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５に載置されたセグメント１４０Ａをエレクター４の後方下部に移動させる。この際、後述するように把持部材１２４によりセグメント１４０Ａを把持する際に、レバー１３４を回動させることができるように、新たなセグメント１４０Ａは、既に構築されたシールドセグメント１１６と間隔を開けた、エレクター４の正面位置に搬送する。次に、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ａを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ａ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ａに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。

次に、二つ目の新たなセグメント１４０Ｂをエレクター４の後方下部まで搬送する。そして、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ｂを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ｂ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ｂに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。

次に、三つ目の新たなセグメント１４０Ｃをエレクター４の後方下部まで搬送する。そして、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ｃを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ｃ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ｃに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。

次に、四つ目の新たなセグメント１４０Ｄをエレクター４の後方下部まで搬送する。そして、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ｄを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ｄ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ｄに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。

次に、五つ目の新たなセグメント１４０Ｅをエレクター４の後方下部まで搬送する。そして、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ｅを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ｅ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ｅに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。

次に、六つ目の新たなセグメント１４０Ｆをエレクター４の後方下部まで搬送する。そして、把持部材１２４の第１及び第２のアクチュエータ１３０、１３６を駆動して、第１のアクチュエータ１３０及びレバー１３４によりセグメント１４０Ｆを前後から挟み込んで把持する（図１１（Ｆ））。そして、モータ付減速機１２２Ａを駆動することにより円環回転部材１２０を円弧状のセグメント１４０Ｆに対応する角度だけ所定の方向に回転させる。これにより、把持部材１２４により６つのセグメント１４０Ａ〜１４０Ｆが周方向に並んだ状態で保持される。

次に、一つ目のセグメント１４０Ａと、六つ目のセグメント１４０Ｆとの間に短尺な円環状のセグメント１４０Ｇを立て込む。そして、隣接するセグメント４０Ａ〜４０Ｇをボルトなどにより固定する。これにより、セグメント１４０Ａ〜１４０Ｇが円環状に連結される。

次に、トンネル掘削装置２の推進ジャッキ５７のピストンの先端を円環状に連結されたセグメント１４０Ａ〜１４０Ｇに当接させ、推進ジャッキ５７を伸長させる。これにより、円環状に連結されたセグメント１４０Ａ〜１４０Ｇが後方に移動し、既に構築されたシールド１１６Ａと当接する。そして、新たに立て込んだセグメント１４０Ａ〜１４０Ｇを既に構築されたシールド１１６Ａに連結する。これにより、新たに１リング分のシールドを構築することができる。
このように新たに１リング分のシールドを構築した後、シールド内にインバートを構築し、レール２１０を敷設する。

本実施形態の掘削システムによれば、第２のウインチ２０２により第２のワイヤ２０６を巻き上げることにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を前進させることができ、また、第１のウインチ２０１により第１のワイヤ２０５を巻き上げることにより搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を後退させることができる。このため、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５にモータ等の推進機構を組み込む必要がなくなり、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を小型化することができ、また、一対のウインチ２０１、２０２はトンネル後方に配置することができるため、省スペースとなる。また、ウインチ２０１、２０２により搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を駆動させているため、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が小型であっても、十分な推進力が得られる。

また、本実施形態によれば、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５が、レール２１０上を移動するため、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を安定した軌道で移動させることができる。

また、本実施形態によれば、滑車２０４が、掘削装置２の内側に設けられており、掘削装置２とともに進行するため、掘削装置２とセグメントの保管場所の距離が変わっても、常時、掘削装置２の後部までセグメントを搬送することができる。また、滑車２０４が掘削装置２の内側に設けられているため、掘削装置２の後端部近傍まで搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を移動させることができる。

また、本実施形態のトンネルの構築方法によれば、第２のウインチ２０２によりワイヤ２０６を巻き上げるとともに、第１のウインチ２０１によりワイヤ２０５を繰り出すことにより、搬送台車２１２、２１３、２１４、２１５を移動させることができる。

また、本実施形態のトンネルの構築方法によれば、掘削装置２が進行するのに合わせて、一対のウインチ２０１、２０２のうちの一方又は両方がワイヤ２０５、２０６を繰り出すことにより、掘削装置２とセグメント１４０の保管場所の距離が変わっても、常時、掘削装置２の後部までセグメント１４０を搬送することができる。

１ トンネル掘削システム
２ 掘削装置
４ エレクター
６ 搬送装置
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
２６Ｂ 外筒体
３０ カッタ部
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 ディスクカッタ
３９ 突状リブ
４０ 削孔ビット
４２ 板材
４４ 閉鎖プレート
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
６２ 重機
７０ 架台
８１ コンベア
１００ 掘削土受板
１０６ 破砕機
１１６ シールドセグメント
１２０ 円環回転部材
１２０Ａ 旋回ギアー
１２２ 駆動装置
１２２Ａ モータ付減速機
１２２Ｂ 旋回ピニオン
１２４ 把持部材
１２６ 支持部材
１２８ 支持部材
１２８Ａ 枝部
１２８Ｂ 支持プレート
１２８Ｃ 本体部
１３０ 第１のアクチュエータ
１３０ 第２のアクチュエータ
１３２ 腕部
１３４ レバー
１３６ 第２のアクチュエータ
１４０ セグメント
１４０Ａ セグメント
１４０Ｂ セグメント
１５０ クレーン
１５２ レール
２０１ 第１のウインチ
２０１Ａ ドラム
２０１Ｂ 支持部材
２０１Ｃ モータ
２０１Ｄ 減速機
２０２ 第２のウインチ
２０２Ａ ドラム
２０２Ｃ モータ
２０４ 滑車
２０５ 第１のワイヤ
２０６ 第２のワイヤ
２０９ インバート
２１０ レール
２１２ 搬送台車
２１２Ａ 基部
２１２Ｂ 車輪
２１２Ｃ 凹部
２１３ 搬送台車
２１４ 搬送台車
２１５ 搬送台車
２２０ 連結部材

Claims (6)

1. 地盤を掘削し、掘削した地盤の内周面に沿って環状にセグメントを構築することによりトンネルを構築するための掘削システムであって、
   前記地盤を掘削する掘削装置と、
   前記掘削装置の後部に設けられ、前記掘削された地盤の内周面に沿って前記セグメントを構築するエレクターと、
   前記セグメントをトンネルの掘削進行方向の後方の所定の位置から前記掘削装置の後部まで前記セグメントを搬送する搬送装置と、を備え、
   前記搬送装置は、
   前記掘削装置の後部に設けられた滑車と、
   前記所定の位置に設けられた一対のウインチと、
   下部に車輪を有する搬送台車と、
   前記一対のウインチのうちの一方から掘削進行方向前方に延び、前記搬送台車に連結された一方のワイヤ、及び、前記一対のウインチの他方から掘削進行方向前方に延び、前記滑車を介して掘削進行方向後方に延び、前記搬送台車に連結された他方のワイヤと、
   を有する、ことを特徴とする掘削システム。
2. 前記搬送装置は、レールをさらに有し、
   前記搬送台車は、当該レール上を移動する、
   請求項１に記載の掘削システム。
3. 前記掘削装置は円筒状であり、地盤を円環状に掘削し、
   前記滑車は、前記掘削装置の内側に設けられている、
   請求項１又は２に記載の掘削システム。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の掘削システムを用いたトンネルの構築方法であって、
   前記掘削装置により、地盤を掘削する掘削ステップと、
   前記搬送装置により、前記セグメントを前記所定の位置から前記掘削装置の後方まで搬送する搬送ステップと、
   前記エレクターにより搬送された複数のセグメントを前記掘削された地盤の内周面に沿って環状に連結するセグメント連結ステップと、を備える、ことを特徴とするトンネルの構築方法。
5. 前記搬送ステップでは、
   前記他方のウインチにより前記ワイヤを巻き上げるとともに、前記一方のウインチにより前記ワイヤを繰り出すことにより、前記搬送台車を移動させる、請求項４に記載の方法。
6. 前記掘削装置が進行するのに合わせて、前記一対のウインチのうちの一方又は両方が前記ワイヤを繰り出す、請求項４又は５に記載の方法。

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