JPH06105031B2 - トンネル掘削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、トンネル掘削装置に関し、もつと詳しくは、
山岳トンネルおよび都市トンネルで施工されているNATM
（New Austrian Tunnelling Method）工法の改良に関す
る。

従来の技術 NATM工法は、切羽面で作業者が小形掘削機を操作して、
掘削断面を数区分に分けて掘削を行つてゆき、掘削後、
上方および左右の地盤崩壊保護のために支保工を組み立
て、トンネル保護及び表面あらさ向上の目的でコンクリ
ートを吹き付け、吹き付けコンクリートの信頼性を上げ
るためにロツクボルトを埋め込み、トンネル掘削後、又
は掘削と並行して、鉄筋入りのコンクリートを二次覆工
するという一連のトンネル施工技術のことを言う。

発明が解決すべき課題 このような先行技術では、次のような問題がある。

（１）切羽面で作業者が掘削作業をしなければならず、
悪環境での作業を必要とする。

（２）切羽面の土質が急激に変化し、破砕帯での切羽崩
壊および水の噴発に早急に対応することが困難である。

（３）軟弱層の掘削を容易に行うことができない。

（４）一般的に、掘削機が小型であり、能率が悪く、ま
た全断面を一気に掘削すると、切羽が崩壊しやすい。し
たがつて作業能率が悪い。

（５）作業者が、掘削機を操作して切羽の掘削を行うの
で、省力化がしにくい。

（６）作業環境は、騒音、振動、粉塵、掘削ずり飛散、
コンクリート吹き付けのはね返りなどのために、きわめ
て悪い。

本発明は、このような先行技術の有している課題（１）
〜（６）を一挙に解決するものであり、安全で効率よく
掘削作業を行うことができるようにした新規なトンネル
掘削装置を提供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、切羽２側と隔壁３を有する筒状のシールド本
体４と、 シールド本体４の先端部に着脱自在に設けられ、掘削す
べき掘削孔の断面形状とほぼ同一の外形を有し、隔壁３
よりも前方に突出し、外周部に凹溝が形成されたシール
ドフード６と、 前記凹溝に嵌め込まれて配置され、可撓性を有し、内部
に流体が圧送されて膨張され、掘削孔の内周面に密着さ
れるシール部材10と、 シールド本体４に、その軸線29まわりに回転可能に設け
られ、隔壁３から前方に突出する回転軸33と、 回転軸33の前端部に、前記軸線29に垂直方向に伸縮する
複動油圧シリンダ23と、 シリンダ23の端部に、前記軸線29に平行な軸線30まわり
に回転自在に設けられる掘削ヘツド12と、 シリンダ23の端部に設けられ、掘削ヘツド12を回転駆動
するモータ19と、 シールド本体４内に設けられ、回転軸33を回転駆動する
もう１つのモータ39と、 シールド本体４の上部の収納凹所51内に収納され、また
突出する単一の押圧片47と、 押圧片47を、突出駆動するジヤツキ48と、 シールド本体４の下部に設けられ、シールド本体４を前
進駆動する無端軌条であるクローラ７とを含むことを特
徴とするトンネル掘削装置である。

作用 本発明に従えば、シールド本体４には隔壁３が設けられ
ており、これによつて切羽２側と仕切られ、このシール
ド本体４には、隔壁３よりも前方に掘削ヘツド12が設け
られている。したがつて作業者が安全であり、また切羽
面の土質を急激に変化し、破砕帯での切羽崩壊および水
の噴発に早急に対応することが容易であり、また軟弱層
の掘削を容易に行うことができる。

さらに掘削ヘツド12を大形化し、切羽２を一気に掘削す
ることができ、掘削能率を向上することができる。

さらにまたジヤツキ48によつて押圧片47を掘削孔８の内
周面に当接して係止し、これによつて反力を受けて掘削
を行うことができる。

さらに本発明によれば、クローラ７をシールド本体４の
下部に設けることによつて、前進駆動を行うことができ
る。特にこのクローラ７をシールド本体４の下部に設け
ることによつて、そのシールド本体４の上部には、単一
の押圧片47を設けるだけでよく、構成を簡略化すること
ができ、また制御が容易であるという優れた利点もまた
達成される。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の断面図である。このトン
ネル掘削装置１は基本的には、切羽２側との隔壁３を有
するシールド本体４と、このシールド本体４に隔壁３よ
りも前方（第１図の左方）に設けられる掘削手段５と、
シールド本体４の先端部に設けられるシールドフード６
と、シールド本体４を前進駆動するための無端軌条であ
るクローラ７とを有し、さらにまたシールド本体４に
は、掘削時にシールド本体４に作用する反力を、掘削孔
８に係止して受けるための反力受け手段９とを含む。

第２図は、シールド本体４およびシールドフード６など
を示す簡略化した斜視図である。シールドフード６は、
掘削孔８の断面形状とほぼ同一の外形を有しており、隔
壁３よりも前方（第１図の左方）に突出し、前方になる
につれて内周面が半径方向外方に広がる形状を有してい
る。

シールドフード６の外周部には、シール部材10が、その
シールドフード６に形成された凹溝に嵌め込まれて配置
される。このシール部材10は、可撓性を有し、その内部
に空気、水および作動油などを圧送してシール部材10を
半径方向外方に膨張させ、掘削孔８の内周面に密着させ
る。これによつて、切羽２における破砕帯での急激な水
の噴発時において、水が後方（第１図の右方）に侵入す
ることを防ぐことができる。

第３図は掘削手段５の断面図であり、第４図はその掘削
手段５の正面図である。掘削ヘツド12は、ヘツド本体13
と、このヘツド本体13の外周面に固定されたカツタビツ
ト14とを含む。この掘削ヘツド12のヘツド本体13は、後
方（第３図の右方）に延びる軸部15を有し、この軸部15
の端面には環状の歯車16が固着される。この軸部15は、
軸受17によつてラジアル力およびスラスト力が受けられ
る。支持部材18に、支持される。支持部材18には、掘削
ヘツド12を回転駆動するためのモータ19が周方向に間隔
をあけて複数個取付けられ、このモータ19によつて歯車
20が回転駆動される。歯車20は、掘削ヘツド12に取付け
られている歯車16に噛み合う。ヘツド本体13の軸部15の
外周部は、環状のシール部材21によつて、支持部材18が
固定されているハウジング22の内周面との間の気密性が
達成される。ハウジング22、したがつて支持部材18に
は、複動油圧シリンダ23のピストン棒24の端部がピン25
によつて結合される。ハウジング22は、ピストン棒24と
その付近を覆い、筒状体27の外周面との間に介在されて
いるシール部材28によつて気密性が達成される。このよ
うにして掘削ヘツド12は、本件トンネル掘削装置１の軸
線29に平行な軸線30のまわりにモータ19によつて回転駆
動され、この軸線29,30に垂直な軸線31を有するシリン
ダ23によつてトンネル掘削装置１の半径方向に変位可能
に構成される。シリンダ23はピン32によつて筒状体27に
結合される。この筒状体27は、回転軸33の端部に固定さ
れる。

回転軸33は隔壁３を貫通し、シールド本体４の空間89に
突出する。この回転軸33は、ラジアル軸受34によつて隔
壁３に支持されるとともに、ラジアル軸受35によつて変
位部材36に支持され、またスラスト軸受37によつて変位
部材36に支持される。回転軸33には歯車38が固着されて
いる。変位部材36にはモータ39が固着される。モータ39
は、歯車38に噛み合う歯車40を回転駆動する。こうして
モータ39によつて回転軸33を、軸線29まわりに回転し
て、掘削ヘツド12を公転させることができる。このモー
タ39による回転軸33の公転中において、掘削ヘツド12を
前述のモータ19によつて自転させつつ、またシリンダ23
を伸縮しつつ、切羽２を、シールドフード６に対応した
形状に掘削してゆくことができる。

第５図は、切羽２の掘削状況を示す断面図である。掘削
ヘツド12の軸線30が、その公転に伴つてシリンダ23の伸
縮駆動することによつて、参照符42で示す軌跡をたどる
ことによつて、希望する断面形状を有する掘削孔８を形
成することができる。

この掘削時において隔壁３は切羽２の崩壊による危険を
防止する。

変位部材36は、複動シリンダによつて構成されるジヤツ
キ43によつて、前方（第１図の左方）に駆動される。こ
のジヤツキ43の一端部44は、変位部材36にピン結合さ
れ、他方の端部45は、シールド本体４にピン結合され
る。このようなジヤツキ43は、周方向に等間隔をあけて
複数個取付けられる。

掘削にあたつては、掘削ヘツド12をモータ19によつて自
転駆動し、この状態でジヤツキ43を伸長して変位部材36
を前進させる。そのため掘削ヘツド12が前進する。その
後、ジヤツキ43による変位部材36の前進を停止し、この
状態でモータ39によつて掘削ヘツド12の公転駆動を行う
とともに、シリンダ23の伸縮駆動によつて切羽２の全断
面の掘削を一気に行う。

掘削時におけるシールド本体４に作用する反力は、反力
受け手段９によつて受ける。この反力受け手段９は、掘
削孔８の内周面に当接して係止することができる押圧片
47と、この押圧片47をシールド本体４の半径方向に変位
駆動する複動シリンダから成るジヤツキ48とを有する。
ジヤツキ48の一端部49は、押圧片47にピン結合され、ジ
ヤツキ48の他端部50は、ジヤツキ48を収納する収納凹所
51内でシールド本体４にピン結合される。

掘削された土砂は、シールドフード６の下部に設けられ
た土砂掻寄せ手段53によつて掻寄せられ、隔壁３を貫通
して設けられるスクリユコンベア54によつて排出され
る。土砂掻寄せ手段53は、駆動源55によつて角変位駆動
される複数の掻寄せ片56を備える。

トンネルとなる掘削孔８の断面の詳細形状に合わせて、
その掘削孔８の断面形状を整形するために、シールド本
体４の下側部には、軸線29に垂直な回転軸線を有する一
対の掘削ヘツド58（第２図および第５図参照）が設けら
れる。この掘削ヘツド58を回転駆動して、掘削孔８の下
隅部の整形を行う。

シールド本体４内の作業空間59を囲んでそのシールド本
体４には取付部材60が固定されており、この取付部材60
には、支保工の組み立てのためのエレクタ61が取付けら
れる。作業空間59内で、取付部材62には、コンクリート
吹き付け手段63およびロツクボルト取り付け手段64が取
付けられている。こうして切羽２を掘削しながら、その
掘削作業と同時に、エレクタ61によつて支保工の組み立
てを行うとともに、コンクリートの吹き付けおよびロツ
クボルトの取付け作業を行うことができる。これによつ
て作業を極めて効率よく行うことができる。地山と密着
した吹き付けコンクリート65と、地山を補強するロツク
ボルト66の働きによつて、トンネル周囲の地山内に支持
リングを形成させて覆工する。

掘削される切羽２の崩壊が激しいときには、ボーリング
マシン兼薬液注入装置67を使用して、切羽２をボーリン
グ加工し、切羽内部に、硬化する薬液を注入し、切羽２
の崩壊を、掘削に先立つて未然に防ぐ。

このようにして切羽２における作業者による作業をなく
し、切羽２と、作業者が存在する作業空間59との間に、
隔壁３を設け、安全性を向上することができる。また掘
削孔８を一気に掘削することができる。さらにまた切羽
２が軟弱層、硬岩層など、いろんな土質および土質の急
激な変化、破砕帯での切羽崩壊、および水の噴発に対し
て早急に対応することができる。さらにまたトンネル精
度および掘削孔８の表面あらさの精度を向上することが
できる。さらにまた作業空間59では、騒音、振動、粉
塵、掘削ずり飛散などが少ないので、環境が良好であ
り、また掘削孔８を掘削している場所の付近の住民への
悪影響を抑制することができる。また圧気および先行地
質の改良などの補助施工が不要であり、作業性が良好で
ある。さらにまた支保工組み立て、コンクリート吹き付
け、およびロツクボルトの組み立て作業などを迅速に行
うことができる。このようにして安全性、確実性、およ
び迅速性に優れたトンネル施工を高精度に行うことがで
きる。

シールドフード６を切羽２側に突出させ、このシールド
フード６によつて囲まれた空間内で、掘削手段５によつ
て掘削を行うことによつて、切羽２の掘削時における崩
壊を可及的に防いで、能率のよい掘削作業を行うことが
できる。

シールドフード６は、シールド本体４に着脱自在とし、
これによつて各層の断面形状を有する掘削孔８を容易に
掘削することが可能となる。

効果 以上のように本発明によれば、隔壁によつて切羽と仕切
られた空間内でその切羽を一気に掘削することができ、
安全でしかも作業性の良好な効率のよいトンネル掘削を
行うことができる。

特に本発明によれば、シール部材10を用い、このシール
部材10は、シールドフード６の凹溝に嵌め込まれてお
り、内部に流体が圧送され、これによつて掘削孔の内周
面に密着されて気密性が達成される。これによつて切羽
２における急激な水の噴発時において、水が後方に侵入
することを防ぐことができる。

さらに本発明によれば、掘削ヘツド12は複動油圧シリン
ダ23によつて伸縮可能であり、その掘削ヘツド12の軸線
30まわりにモータ19によつて回転駆動され、さらにもう
１つのモータ39は回転軸33を回転駆動し、こうしてシー
ルドフード６の形状に対応した掘削孔の断面形状を得る
ことができる。

さらに本発明によれば、シールドフード６はシールド本
体４の先端部に着脱可能に設けられており、したがつて
希望する断面形状を有する掘削孔を掘削することが容易
に可能である。

さらに本発明によれば、シールド本体４の下部にはクロ
ーラ７が設けられ、そのシールド本体４の上部には単一
の押圧片47が設けられ、こうして単一の押圧片47によつ
て、掘削時の反力を確実に受けることができ、構成が簡
略化されるという優れた効果もまた、達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図はシールド
本体４およびシールドフード６などを示す簡略化した斜
視図、第３図は掘削手段５の断面図、第４図は掘削手段
５の正面図、第５図は掘削孔８の掘削時における断面図
である。 １…トンネル掘削装置、２…切羽、３…隔壁、４…シー
ルド本体、５…掘削手段、６…シールドフード、７…ク
ローラ、８…掘削孔、９…反力受け手段、43…ジヤツ
キ、53…土砂掻寄せ手段、54…スクリユコンベア

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】切羽２側との隔壁３を有する筒状のシール
   ド本体４と、 シールド本体４の先端部に着脱自在に設けられ、掘削す
   べき掘削孔の断面形状とほぼ同一の外形を有し、隔壁３
   よりも前方に突出し、外周部に凹溝が形成されたシール
   ドフード６と、 前記凹溝に嵌め込まれて配置され、可撓性を有し、内部
   に流体が圧送されて膨張され、掘削孔の内周面に密着さ
   れるシール部材10と、 シールド本体４に、その軸線29まわりに回転可能に設け
   られ、隔壁３から前方に突出する回転軸33と、 回転軸33の前端部に、前記軸線29に垂直方向に伸縮する
   複動油圧シリンダ23と、 シリンダ23の端部に、前記軸線29に平行な軸線30まわり
   に回転自在に設けられる掘削ヘツド12と、 シリンダ23の端部に設けられ、掘削ヘツド12を回転駆動
   するモータ19と、 シールド本体４内に設けられ、回転軸33を回転駆動する
   もう１つのモータ39と、 シールド本体４の上部の収納凹所51内に収納され、また
   突出する単一の押圧片47と、 押圧片47を、突出駆動するジヤツキ48と、 シールド本体４の下部に設けられ、シールド本体４を前
   進駆動する無端軌条であるクローラ７とを含むことを特
   徴とするトンネル掘削装置。