JPH0811918B2 - 拡幅用トンネル掘削機のカッターヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、既存のトンネルの口
径を拡げるための拡幅用トンネル掘削機に好適な、カッ
ターヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】新規にトンネルを掘削するための全断面
掘削用のカッターヘッドは、図８に示すカッターヘッド
４２のように前面がフラットな形状であったり、あるい
は図９（ａ）に示すカッターヘッド５２のように前面の
外周付近がドーム型の形状であったりするものが一般的
である。またカッターヘッドの全体的な構造は円盤体状
で、図９（ｂ）に示すようにその前面全体に多数のカッ
ター５３を取り付けたものが一般的である。図８中の符
号４３はカッターである。

【０００３】なお、拡幅用のトンネル掘削機としては、
英国特許第５，３１７号に記載のパイロット・リーミン
グ方式の掘削機がある。この方式の掘削機は、図示を省
略するが、開口断面が円形のパイロットトンネル内に挿
入され、グリッパーおよび伸縮機構を備えた先導部（パ
イロット機）と、この先導部の後端に接続され、拡幅用
カッターディスクを備えた後続部（リーミング機）とか
らなり、パイロットトンネルの内周壁にグリッパーを押
圧して先導部を固定し、後続部のカッターディスクを回
転させて伸縮機構により後続部を引き寄せることによ
り、パイロットトンネルの周囲を掘削してトンネルを拡
幅する構造からなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の一般的なカッターヘッド４２・５２（図８およ
び図９）により、既存のトンネルＡの周囲を掘削して拡
幅しようとすると、図５(ｂ)に示すように、掘削機の掘
削推進時に既存のトンネルＡのコーナー部分Ｃがカッタ
ーヘッドによって水平又はほぼ水平に前向きの力Ｆ’で
押圧され、剥離したり崩壊したりし易い。

【０００５】また、従来のカッターヘッドにも、掘削ず
りを掬い上げるためのスクレーパ４４・５４が具備され
ている（図８および図９(ｂ)参照）が、カッターヘッド
の前面から前方へわずかに突出させて設けられている。
つまり、従来のカッターヘッドはその前面を全体的に切
羽に押し付けた状態で、カッターにより掘削され落下す
る“ずり”を切羽とわずかな間隙内においてスクレーパ
で掬い取る構造になっている。このため、カッターヘッ
ドの前方に既存のトンネルＡの空間部分があると、“ず
り”はスクレーパではほとんど掬い上げられず、既存の
トンネルＡ側に“ずり”が落ち込むおそれがあり、“ず
り”のカッターヘッド内への取り込みが悪くなり、掘削
作業に悪影響を及ぼす。

【０００６】また、全断面掘削用の一般的なカッターヘ
ッド４２・５２で、既存のトンネルＡを拡幅する場合に
は、掘削機本体の前方がカッターヘッドで塞がれてお
り、掘削ずりを既存トンネル側へ排土する場合は、カッ
ターヘッド内へ掘削ずりを取り込み、排土装置へずりを
送り込む連続作業ができないため、掘削効率および作業
効率に欠ける。

【０００７】この発明は上述の点に鑑みなされたもの
で、既存のトンネルの掘削に際し切羽の剥離や崩壊を最
小限に抑えながら、掘削ずりを確実に取り込むことがで
き、とくに既存の馬蹄形断面のトンネルの老朽化および
同断面形状のトンネルを含む既存の小口径トンネルの拡
幅要求に対応してトンネルを拡幅できる、拡幅用トンネ
ル掘削機のカッターヘッドを提供することを目的として
いる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明にかかる、既存のトンネルの口径を拡げるた
めの拡幅用トンネル掘削機のカッターヘッドは、ａ）掘
削部での地山を支持し、既存トンネルと拡幅トンネル間
の掘削部分の剥離・崩落を防止するために、カッター刃
先を結んだ軌跡が円錐形状になるとともに、ｂ）その傾
斜部の角度が鉛直方向に対して既存トンネルと拡幅トン
ネル間の掘削部分の剥離・崩落防止に有効な角度を有す
るように複数のカッターを設けるとともに、ｃ）該カッ
ターが取り付けられる傾斜部の面板に、複数の開口とス
クレーパを設け、ｄ）前記カッターヘッドの中心部分を
開口させ、該中心部分の開口にカッターヘッドセンター
部を着脱自在に装着できるようにしている。

【０００９】

【００１０】

【作用】上記した構成の本発明のカッターヘッドによれ
ば、既存のトンネルの拡幅用掘削作業において、拡幅後
のトンネルと既存のトンネルとの段差部のコーナー部に
カッターヘッドの円錐状傾斜部が圧し当てられ、カッタ
ーヘッドの回転により既存のトンネルの周囲が掘削され
ていく。前記コーナー部には、カッターヘッドの傾斜部
で掘削機の推進により生じる水平方向の力と、傾斜部に
よる上向きの力との合力である、水平方向に対し適度に
傾斜した力Ｆが作用し、コーナー部はカッターヘッドの
傾斜部である程度支持されることによって、コーナー部
分の剥離や崩壊が極力防止される（図５(ａ)参照）。

【００１１】また、カッターヘッドの円錐状傾斜部で地
山が掘削される際に生じる“ずり”は、傾斜部と対応す
る円錐状の切羽とカッターヘッドとの間隙内において鉛
直方向に落下することにより、まず、カッターヘッドの
傾斜部の面板上に落下するから、面板の開口（掘削土砂
の取り込み口）から直接あるいはスクレーパで掬い上げ
られ後にカッターヘッド内に取り込まれる。なお、こう
してカッターヘッド内に取り込まれる際に、スクレーパ
の周辺から地上にこぼれ落ちた“ずり”は、傾斜部の面
板に後続する外周面にも複数の開口とスクレーパを設け
ておくことにより、外周側のスクレーパによって掬い上
げられたのち、外周面の開口（掘削土砂の取り込み口）
からカッターヘッド内に取り込まれる。したがって、カ
ッターヘッドの回転による掘削時に生じる“ずり”は、
切羽の下方から一掃されて取り残しがほとんどないた
め、掘削作業が円滑に遂行される。

【００１２】 さらに、カッターヘッドのセンター部を
取り外してその中心部分を開口させた状態で掘削作業を
行うことにより、またカッターヘッドによる掘削時に生
じる“ずり”の排出方向を、主としてトンネルの立地条
件に合わせてカッターヘッドの前方か後方かを選択する
ことができる。さらに、カッターヘッドの開口にセンタ
ー部を取り付ければ、既存のトンネルの拡幅作業だけで
なく、新規にトンネルを掘削することもできる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の拡幅用トンネル掘削機のカ
ッターヘッドの実施例を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１は本実施例にかかるカッターヘッドを
備えた拡幅用トンネル掘削機の中央縦断面図、図２は図
１のトンネル掘削機のＸ方向矢視図、図３は右半分がカ
ッターヘッドの正面図で左半分が図１のＹ−Ｙ線断面図
である。

【００１５】図１に示すように、トンネル掘削機の本体
１は中空の円筒体からなり、前胴１ａと中胴１ｂと後胴
１ｃとに分割され、前胴１ａと中胴１ｂとが中折れピン
２ａで水平方向に屈曲自在に連結され、また中胴１ｂと
後胴１ｃとが中折れリンク２ｂで水平・垂直方向に屈曲
自在に連結されている。中胴１ｂは内筒１ｂ−１と外筒
１ｂ−２とを摺動自在に重合した２重シールド構造から
なり、内筒１ｂ−１側が前胴１ａに、外筒１ｂ−２側が
後胴１ｃにそれぞれ連結されている。さらに、前胴１ａ
の後壁と後胴１ｃの前壁とが複数本の推進用ジャッキ３
で連結され、これらの推進用ジャッキ３の伸縮動作によ
り、中胴１ｂの内筒１ｂ−１と外筒１ｂ−２が相互に摺
動して重合部分の長さが変化し、前胴１ａと後胴１ｃの
間隔が変わる。

【００１６】後胴１ｃの両側には、図２のようにリヤグ
リッパー４がシリンダ装置（図示せず）を介してその外
周プレートから外方へ出入自在に配備されている。また
前胴１ａにも、複数のフロントグリッパー５が図１のよ
うにシリンダ装置５ａを介し外周プレートから出入自在
に配備されている。

【００１７】掘削機本体１（前胴１ａ）の先端に、カッ
ターヘッド６が回動自在に支持されている。このカッタ
ーヘッド６の支持構造は、その外周付近を軸受７で回動
自在に支持した外周支持タイプで、前胴１ａ内に配設さ
れた駆動モーター２０によりギヤ２０ａを介してカッタ
ーヘッド６が回転される。カッターヘッド６は截頭円錐
台状に形成し、前面の中心部分６ａを開口させるととも
に、この開口６ａから軸方向に連続して貫通する開口６
ｂを設けている。なお、前記開口６ａには、後述するよ
うにセンター部６ｆが着脱可能に装着できるようになっ
ている。また、前方の環状面板（請求項１でいう傾斜部
の面板）６ｃを図１のように円錐状に傾斜させるととも
に、環状面板６ｃにはその円周方向に間隔をあけて土砂
取り入れ口６ｄを開口させている。また各土砂取り入れ
口６ｄの反回転（カッターヘッド６の）側に、板状のス
クレーパ８を円錐状に傾斜した面板６ｃに沿って前方へ
突設している。

【００１８】環状面板６ｃの後端周縁に続く外周面６ｅ
にも、円周方向に間隔をあけて土砂取り入れ口６ｓを開
口させている。そして、各土砂取り入れ口６ｓの反回転
（カッターヘッド６の）側からバケット状のスクレーパ
９を、図３のように回転側にかけて円周方向に沿って延
設している。さらに，カッターヘッド６の開口６ｂ内の
一部（下半分）において、前胴１ａの前壁に固設した支
持台１０ａ上に土砂収集用のホッパー１０を固定してい
る。また、環状面板６ｃの前面には、図３のように多数
のローラーカッター１１を取り付けている。

【００１９】図４(ａ)はカッターヘッドの開口を開放し
た状態、図４(ｂ)は他の実施例を示すもので、カッター
ヘッドの開口にセンター部を装着した状態を現してい
る。

【００２０】カッターヘッド６の開口６ａ内には、図４
(ａ)に示すように凹状のボス部６ｇを設け、このボス部
６ｇの底面に環状のフランジ６ｈを形設している。そし
て、このフランジ部６ｈに対応するフランジ６ｉ・６ｊ
を、センター部６ｆおよびカバー体６ｋに設けて止具６
ｔで固定するようにしている。センター部６ｆは、前記
環状面板６ｃに連続する環状傾斜板６ｍを備えた截頭円
錐台からなり、その中央部のフラットな面板６ｎに、ロ
ーラーカッター１１ａを取り付けた構造からなる。ま
た，カバー体６ｋは、前記環状面板６ｃに連続する環状
傾斜板６ｐを備えた環体からなり、カバー体６ｋを凹状
のボス部６ｇに取り付けることにより、フランジ６ｈを
保護するようにしている。

【００２１】図４(ｂ)のカッターヘッド６は、開口６ａ
のボス部６ｇにセンター部６ｆを装着した状態を現して
いる。最外周のゲージカッター１１ｂは取付用のサドル
形状がその内側のローラーカッター１１とは異なってい
る。このため、環状面板６ｃの一部を切り欠き、取付用
の座板６ｒを別途設けている。

【００２２】ところで、本発明の実施例にかかるカッタ
ーヘッド６を備えたトンネル掘削機は、図１に示すよう
に、掘削機本体１の中心部分を全長にわたり空間１２に
形成し、またこの空間１２はカッターヘッド６の中心部
分の開口６ａ・６ｂに連続させ、空間１２（開口６ａ・
６ｂを含め）内に排土装置を設置できるように構成され
ている。したがって、このトンネル掘削機では、センタ
ー部６ｆを取り外してカッターヘッド６の開口６ａを開
放した状態で、ベルトコンベヤやシュートなどの排土装
置をトンネルの立地条件に応じてカッターヘッド６の前
方へ設けたり、あるいは従来の掘削機と同様にカッター
ヘッド６から掘削機本体１の後方へ設けたりできる。

【００２３】図６および図７はそれぞれ掘削ずりを掘削
機の前方へ排出する方式のトンネル掘削機を示す中央縦
断面図である。図６の掘削機では、その先端部分を示す
ように、カッターヘッド６の開口６ａ・６ｂ内に、排土
用シュート１３を前方下向けに配置し、支持部材１４に
よりカッターヘッド６とは接触しないように支持してい
る。このトンネル掘削機の場合は、カッターヘッド６の
ローラーカッター１１で掘削された時に生じる掘削ずり
が、スクレーパ８・９で掬い上げられ、土砂取り入れ口
６ｄ・６ｓからシュート１３上に落下し、シュート１３
に沿って既存トンネルＡ内のカッターヘッド６の前方へ
排出される。

【００２４】図７の掘削機では、比較的長尺のベルトコ
ンベヤ１５を、前胴１ａの中央付近からカッターヘッド
６の開口６ａ・６ｂを挿通させて前方へ張出している。
ベルトコンベヤ１５は、その基端部を前胴１ａの環状フ
レーム１６に固設した支持台１７上およびホッパー１０
（図３）の支持台１０ａ上にそれぞれ固定している。な
お、ホッパー１０は取り除き、ベルトコンベヤ１５をカ
ッターヘッド６とは接触しないように、開口６ａ・６ｂ
から前方へ張出させている。このトンネル掘削機の場合
は、掘削された時に生じる掘削ずりはスクレーパ８・９
で掬い上げられたのち、土砂取り入れ口６ｄ・６ｓから
ベルトコンベヤ１５のコンベヤベルト１５ａ上に落下
し、反時計方向に回転するコンベヤベルト１５ａで前方
へ送られ、既存トンネルＡ側に排出される。

【００２５】なお、図示は省略するが、従来の一般的な
掘削機と同様に、ベルトコンベヤなどの排土装置をカッ
ターヘッド６の後方より掘削機本体１の空間１２内を通
して後方へ設けてもよい。

【００２６】ここで、本発明のカッターヘッドによる掘
削態様をトンネル掘削機の動作を含めて図１、図３およ
び図５(ａ)を参照して説明する。

【００２７】図１は岩盤に発破工法などにより掘削され
た馬蹄形トンネルＡを断面円形の大口径トンネルＢに拡
幅する作業状態を示している。図１に示すように、トン
ネル掘削機１は拡幅側のトンネルＢ内に配置され、リヤ
グリッパー４を張り出して坑壁に押し付けることにより
後胴１ｃを固定し、カッターヘッド６を回転させながら
推進用ジャッキ３を徐々に伸長し、前胴１ａとともにカ
ッターヘッド６を前進させる。

【００２８】カッターヘッド６は上記したとおり截頭円
錐台状にしているから、図５(ａ)に示すように、トンネ
ルＡとトンネルＢのコーナー部をカッターヘッド６の円
錐状に傾斜した面板６ｃ（のローラーカッター１１）
で、鉛直方向に対し適当な角度（たとえば３０゜）をも
って切羽Ｃを上向きに傾斜した力Ｆで押さえ、崩壊を防
止しながら掘削される。なお、図１において前胴１ａが
前進するのに伴って、中胴１ｂの内筒１ｂ−１側が外筒
１ｂ−２に対し前方へ摺動し、両筒１ｂ−１・１ｂ−２
の重合箇所が減少して中胴１ｂが延びる。

【００２９】図３に示すように、地山の掘削により生じ
る“ずりＳ”は、地山の掘削された円錐台状に傾斜した
切羽とカッターヘッド６の傾斜した環状面板６ｃ（のロ
ーラーカッター１１）との間隙内で、鉛直方向に落下し
てカッターヘッド６の環状面板６ｃの土砂取り込み口６
ｄから直接カッターヘッド６内のホッパー１０に取り込
まれる。またカッターヘッド６の前面の板状スクレーパ
８の形状は、図５(ａ)のようにトンネルＡとＢの断面の
段差に合わせてあるから、鉛直方向に落下した“ずり
Ｓ”は、図３のようにスクレーパ８で掬い上げられ後
に、土砂取り込み口６ｄからホッパー１０に取り込まれ
る。さらに、スクレーパ８の周辺から地上にこぼれ落
ち、取り残された“ずりｓ’”は、すぐ後方の外周面６
ｅのバケット状スクレーパ９によって掬い上げられた
後、外周面６ｅの土砂取り込み口６ｓからカッターヘッ
ド６内のホッパー１０に取り込まれる。したがって、カ
ッターヘッド６の回転による掘削時に生じる“ずりＳ”
は、切羽Ｃ（図１）の下方から一掃されて取り残される
ことがないため、掘削作業が円滑に遂行される。なお、
掘削ずりを排出する方向は、トンネルＡ・Ｂの立地条件
などを考慮して適宜決定される。

【００３０】図１において推進用ジャッキ３の伸長動に
よりカッターヘッド６を前進させながらトンネルＡの周
囲を掘削し、推進用ジャッキ３が最大限伸長されると、
今度は前胴１ａのフロントグリッパー５を張り出して坑
壁に押し付け前胴１ａを固定するとともに、後胴１ｃの
リヤグリッパー４を引っ込め、推進用ジャッキ３を収縮
して後胴１ｃを前胴１ａ側へ引き寄せる。このとき、中
胴１ｂの内筒１ｂ−１に対し外筒１ｂ−２が前方へ摺動
し、両筒１ｂ−１・１ｂ−２の重合箇所が増加して中胴
１ｂが縮む。このあと、後胴１ｃのリヤグリッパー４を
張り出して坑壁に押し付けることにより後胴１ｃを固定
し、前胴１ａのフロントグリッパー５を引っ込める。そ
して、カッターヘッド６を回転させながら推進用ジャッ
キ３を徐々に伸長し、上記した手順を繰り返すことによ
り掘削作業が遂行される。

【００３１】ところで、本発明のカッターヘッド６を備
えた拡幅用トンネル掘進機の一例を上記したが、これに
限定されるものではなく、例えば下記のように実施する
こともできる。

【００３２】ａ．シールド付トンネル掘削機に代えてオ
ープン型の掘削機に、カッターヘッドを装着する。

【００３３】ｂ．トンネル掘削機の後部に、セグメント
壁を構築するためのエレクターを装備する。

【００３４】ｃ．トンネル掘削機本体１を、前胴と後胴
とを摺動自在に連結した２胴構造とし、水平方向に屈曲
可能にするための中折れピン２ａと中折れリンク２ｂと
を省いて構造を簡素化する。

【００３５】ｄ．カッターヘッド６の開口６ａにセンタ
ー部６ｆを装着した状態で掘削する場合には、既存のト
ンネルの拡幅工事だけでなく、トンネルの新規工事に使
用できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明の拡幅用トンネル掘削機のカッターヘッドには、
次のような効果がある。

【００３７】(1) 既存のトンネルのコーナー部はカッタ
ーヘッドの傾斜部である程度支持されることによって、
コーナー部分の剥離や崩壊が最小限に抑えられる。

【００３８】 （２）カッターヘッドにより地山が掘削
される際に生じる“ずり”は、スクレーパと傾斜部の面
板に設けた土砂取り込み用の開口の作用によりカッター
ヘッド内に取り込まれ、一掃されて取り残しがほとんど
ないために、掘削作業が円滑に遂行される。

【００３９】 （３）カッターヘッドのセンター部を取
り外してその中心部分を開口させた状態で掘削作業を行
うことにより、カッターヘッドによる掘削時に生じる
“ずり”の排出方向を、主としてトンネルの立地条件に
合わせてカッターヘッドの前方か後方かを選択すること
ができるうえに、カッターヘッドの開口にセンター部を
取り付けることにより、既存のトンネルの拡幅作業だけ
でなく、新規にトンネルを掘削することも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるカッターヘッドを備え
た拡幅用トンネル掘削機を示す中央縦断面図である。

【図２】図１のトンネル掘削機のＸ方向矢視図である。

【図３】図面の右半分が図１のトンネル掘削機のカッタ
ーヘッドの正面図で、左半分が図１のＹ−Ｙ線断面図で
ある。

【図４】図４（ａ）はカッターヘッドの開口を開放した
状態、図４（ｂ）は他の実施例を示すもので、カッター
ヘッドの開口にセンター部を装着した状態を現してい
る。

【図５】図５（ａ）は本発明のカッターヘッドによる掘
削状態を示す断面図、図５（ｂ）は公知のカッターヘッ
ドによる掘削状態を示す断面図である。

【図６】本発明の実施例にかかる、掘削ずりを掘削機の
前方へ排出する方式のトンネル掘削機の先端部分を示す
中央縦断面図である。

【図７】本発明の他の実施例にかかる、掘削ずりを掘削
機の前方へ排出する方式のトンネル掘削機を示す中央縦
断面図である。

【図８】公知のカッターヘッドを備えたオープン型掘削
機の先端部分を示す中央縦断面図である。

【図９】図９（ａ）は公知のカッターヘッドを備えたト
ンネル掘削機の先端部分を示す中央縦断面図、図９
（ｂ）は同正面図である。

【符号の説明】

１ 掘削機本体 ３ 推進用ジャッキ ４・５ グリッパー ６ カッターヘッド ６ａ．６ｂ 開口 ６ｃ 環状面板 ６ｄ・６ｓ 土砂取り込み口 ８・９ スクレーパ １０ ホッパー １２ 空間 Ａ・Ｂ トンネル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既存のトンネルの口径を拡げるための拡
   幅用トンネル掘削機のカッターヘッドにおいて、 カッター刃先を結んだ軌跡が円錐形状になるとともに、
   その傾斜部の角度が鉛直方向に対して既存トンネルと拡
   幅トンネル間の掘削部分の剥離・崩落防止に有効な角度
   を有するように複数のカッターを設けるとともに、該カ
   ッターが取り付けられる傾斜部の面板に、複数の開口と
   スクレーパを設け、前記カッターヘッドの中心部分を開口させ、該中心部分
   の開口にカッターヘッドセンター部を着脱自在に装着で
   きるようにした ことを特徴とする拡幅用トンネル掘削機
   のカッターヘッド。