JPH0953390A

JPH0953390A - トンネル掘削機並びにトンネル掘削方法

Info

Publication number: JPH0953390A
Application number: JP20416895A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Sasaki; 清美佐々木; Takeshi Matsuura; 武松浦; Joji Kamimura; 城司上村; Keizo Kazama; 慶三風間; Makoto Inoue; 誠井上; Kaoru Fujisawa; 薫藤沢
Original assignee: CHIKYU KAGAKU SOGO KENKYUSHO K; CHIKYU KAGAKU SOGO KENKYUSHO KK; Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: CHIKYU KAGAKU SOGO KENKYUSHO K; CHIKYU KAGAKU SOGO KENKYUSHO KK; Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-08-10
Filing date: 1995-08-10
Publication date: 1997-02-25
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: JP3245014B2

Abstract

(57)【要約】【課題】トンネル掘削機において、トンネル掘削作業
における地層の前方探査が困難で、且つ、危険である。【解決手段】掘削機本体を構成する前胴１１の前部に
駆動回転自在なカッタヘッド１５を装着してパラレルリ
ンク機構３９によって前進可能とすると共に、リアグリ
ッパ５７に掘削地層に対して弾性波を発する弾性波発信
機１０１を設けると共にこの弾性波が地層境界面にて反
射した反射波を検出する反射波受信機１０２を設け、制
御器１０３によって発信された弾性波と検出された反射
波とによって地層境界面の方向及び距離を推定するよう
にすることで、地層の前方探査を容易で、且つ、安全と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、前方の地層の状態
を探査しながらこの地層を掘削してトンネルを掘削形成
するトンネル掘削機並びにトンネル掘削方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】地山を掘削してトンネルを掘削するトン
ネル掘削機において、例えば、岩盤を掘削するものとし
てトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称す
る。）がある。このトンネルボーリングマシン、即ち、
ＴＢＭにおいて、円筒形状をなす前胴の前部に駆動回転
自在なカッタヘッドが装着されており、このカッタヘッ
ドには岩盤を破壊するディスクカッタが多数取付けられ
ている。また、この前胴には掘削形成したトンネルの内
壁面に圧接してこの前胴を位置保持可能なフロントグリ
ッパが装着されている。一方、前胴の後部には掘進方向
に沿って相対移動自在な円筒形状の後胴が連結されてお
り、この後胴には掘削形成したトンネルの内壁面に圧接
して後胴を位置保持可能なリアグリッパが装着されてい
る。更に、この前胴と後胴との間には両者を前進させる
複数のスラストシリンダが架設されている。

【０００３】従って、このように構成されたＴＢＭによ
ってトンネルを掘削形成するには、リアグリッパによっ
て後胴をトンネル内で位置保持する一方、カッタヘッド
を回転駆動させながら複数のスラストシリンダを伸長さ
せると、多数のディスクカッタが前方の岩盤を掘削しな
がら前胴が前進する。そして、スラストシリンダが所定
ストロークだけ伸長すると、このスラストシリンダの駆
動を停止し、フロントグリッパによって前胴を位置保持
する一方、リアグリッパによる後胴の位置保持を解除す
る。この状態で複数のスラストシリンダを縮小させる
と、前胴に対して後胴が引き寄せられて前進する。その
後、前述と同様に、リアグリッパによって後胴を位置保
持する一方、フロントグリッパによる前胴の位置保持を
解除し、カッタヘッドを回転駆動させながら複数のスラ
ストシリンダを伸長させることで、岩盤を掘削しながら
前胴が前進する。この繰り返しによって所定長さのトン
ネルを掘削形成していく。

【０００４】このように所定長さのトンネルを掘削形成
していく際、掘削する地層が岩盤であるか、泥土層であ
るか、あるいは破砕帯であるかを探査する必要がある。
即ち、上述したＴＢＭによって岩盤層を掘削していると
き、地層が岩盤層から泥土層に変わった場合、掘削した
トンネル内壁面が軟弱であるため、リアグリッパによっ
て後胴を位置保持して前胴、即ち、カッタヘッドの掘削
反力を得ることができない。この場合、セグメントを組
付けることでシールドジャッキを既設のセグメントに押
しつけて掘削反力を得なければならない。ところが、地
層が軟弱な泥土層に変わってからセグメントを組付けて
もシールドジャッキによって充分な掘削反力を得ること
はできず、岩盤を掘削中であるときからセグメントを組
付けていく必要がある。そのためにトンネルを掘削中
に、前方の地層の状態を推定する前方探査が必要であ
る。

【０００５】従来、このトンネルを掘削時における地層
の前方探査は、人工震源として爆薬を使用し、この爆薬
をトンネルの周辺部で爆発させることで衝撃波を発生さ
せる。そして、この衝撃波が地層境界面にて反射した反
射波を検出し、この検出した複数の反射波から地層境界
面の位置を推定していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の地層の前方探査方法にあっては、人工震源として爆
薬を使用しており、この爆薬は取扱が難しく、危険であ
り、また、所定の位置に爆薬を仕掛けるための穴を堀ら
なければならず、作業が面倒であり、作業能率がよくな
いという問題があった。

【０００７】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、トンネル掘削作業における地層の前方探査を容
易に、且つ、安全に行って作業効率の向上を図ったトン
ネル掘削機並びにトンネル掘削方法を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、
該掘削機本体の前部に駆動回転自在に装着されたカッタ
ヘッドと、前記掘削機本体を前進させる推進機構とを具
えたトンネル掘削機において、前記掘削機本体に装着さ
れて掘削地層に対して弾性波を発する弾性波発信機と、
該弾性波発信器から発信された弾性波が地層境界面にて
反射した反射波を検出する反射波受信機と、前記弾性波
発信機から発信された弾性波と前記反射波受信機によっ
て検出された反射波とによって前記地層境界面の方向及
び距離を推定する制御器とを具えたことを特徴とするも
のである。

【０００９】従って、本発明のトンネル掘削機にあって
は、掘削機本体の前部のカッタヘッドを駆動回転すると
共に推進機構によってこの掘削機本体を前進させると、
回転するカッタヘッドが岩盤を破壊してトンネルを掘削
形成し、このとき、掘削機本体に装着された弾性波発信
機から掘削地層に対して弾性波を発生させると、この弾
性波発信器から発信された弾性波は地層境界面にて反射
し、その反射波は反射波受信機によって検出され、制御
器は弾性波発信機から発信された弾性波と反射波受信機
によって検出された反射波とによって地層境界面の方向
及び距離を推定することとなり、この推定された地層の
状態に合わせた掘削が行われる。

【００１０】また、本発明のトンネル掘削機は、前記掘
削機本体は前記推進機構を構成する複数のジャッキによ
って連結された前胴及び後胴を有すると共に、該前胴及
び後胴にはそれぞれ掘削形成したトンネル内壁面に圧接
して該前胴及び後胴を固定保持する前部グリッパ及び後
部グリッパが設けられており、該前部グリッパ及び後部
グリッパの少なくともいずれか一方に前記弾性波発信機
が装着されたことを特徴とするものである

【００１１】従って、本発明のトンネル掘削機にあって
は、掘削機本体を大型化せずに容易に弾性波発信機の装
着が可能となる。

【００１２】また、本発明のトンネル掘削機は、前記弾
性波発信機は、油圧によってピストンを移動させてトン
ネル内壁面に衝突させることで衝撃波を発することを特
徴とするものである。

【００１３】従って、本発明のトンネル掘削機にあって
は、作業が容易で、且つ、安全となる。

【００１４】また、本発明のトンネル掘削方法は、前部
に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら筒状の
掘削機本体を前進させることで、前方の岩盤を掘削する
一方、弾性波発信機から掘削地層に対して弾性波を発し
て地層境界面にて反射した反射波を反射波受信機にて検
出し、前記弾性波発信機から発信された弾性波と前記反
射波受信機によって検出された反射波とによって前記地
層境界面の方向及び距離を推定しながらトンネルを掘削
するようにしたことを特徴とするものである。

【００１５】また、本発明のトンネル掘削方法にあって
は、前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させなが
ら筒状の掘削機本体を前進させることで、前方の岩盤を
掘削する際、弾性波発信機から掘削地層に対して弾性波
を発する一方、弾性波が地層境界面にて反射した反射波
を反射波受信機にて検出し、この弾性波と反射波とから
地層境界面の方向及び距離を推定しながらその地層の状
態に合わせてトンネルを掘削する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施例を詳細に説明する。

【００１７】以下に説明する実施例では、本発明のトン
ネル掘削機を岩盤を掘削するトンネルボーリングマシン
（ＴＢＭ）として説明する。

【００１８】＜トンネルボーリングマシンの全体構成＞
図４に本発明の一実施例に係るトンネル掘削機としての
トンネルボーリングマシンの断面、図５にこのトンネル
ボーリングマシンの正面視、図６に図４のVI−VI断面、
図７に図４のVII−VII断面、図８に図４のVIII−VIII断
面、図９に推進機構としてのパラレルリンク機構の概略
を示す。

【００１９】本実施例のトンネルボーリングマシン１０
において、図４及び図５に示すように、掘削機本体は円
筒形状をなす前胴１１と中胴１２と後胴１３とから構成
されている。この前胴１１の前部には軸受１４によって
カッタヘッド１５が回転自在に装着されており、このカ
ッタヘッド１５は前面に径方向に沿って互いに交差する
スポーク１６が固定され、各スポーク１６には岩盤をせ
ん断破壊するディスクカッタ１７が多数枢着されると共
に、岩盤の掘削面を掻き取るスクレーパ１８が固定され
ている。このカッタヘッド１５の後部には内歯を有する
リングギア１９が一体に固定される一方、前胴１１には
カッタ旋回油圧モータ２０が固定されており、このカッ
タ旋回油圧モータ２０の駆動ギア２１がリングギア１９
に噛み合っている。

【００２０】また、前胴１１には掘削して発生したずり
が内部に浸入しないように、カッタヘッド１５側とカッ
タ駆動モータ２０側とを仕切るバルクヘッド２２が形成
されており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド２２
との間にはチャンバ室２３が形成されている。そして、
このチャンバ室２３にはずりを集積するホッパ２４がバ
ルクヘッド２２に固定されて配設され、カッタヘッド１
５の内側には破壊されて落下したずりを掻き上げてホッ
パ２４に取り込む掻き上げ板２５が固定されている。更
に、このホッパ２４の下部にはこのホッパ２４にて集積
したずりを外部に排出する排出装置２６が取付けられて
いる。

【００２１】従って、カッタ駆動モータ２０を駆動して
駆動ギア２１を回転駆動すると、この駆動ギア２１が噛
み合うリングギア１９が回転し、リングギア１９と一体
のカッタヘッド１５を旋回し、ディスクカッタ１７が岩
盤をせん断破壊し、スクレーパ１８が掘削面を掻き取る
ことで、岩盤を掘削することができる。そして、掘削し
て生じたずりはチャンバ室２３内に落下し、掻き上げ板
２５がカッタヘッド１５と共に回転することで、チャン
バ室２３内のずりを掻き上げてホッパ２４内に落とす。
このホッパ２４内に落下して集積したずりは排出装置２
６によって外部に排出される。

【００２２】図４及び図７に示すように、中胴１２は前
胴１１の後部に球面軸受２７を介して揺動自在に連結さ
れている。また、後胴１３は中胴１２の後部内周面に軸
受２８を介して掘進方向移動自在に連結されている。そ
して、前胴１１の後部に固定された前胴基板２９と後胴
１３の前部に固定された後胴基板３０との間には推進機
構としての６本の推進ジャッキ３１〜３６が架設されて
いる。この推進ジャッキ３１〜３６は油圧の給排によっ
て伸縮作動するものであって、ジャッキ本体は後胴基板
３０に固定された球軸受３７によって揺動自在に支持さ
れ、ロッド先端部は前胴基板２９に固定された球軸受３
８によって揺動自在に支持されている。そして、この推
進ジャッキ３１〜３６はそれぞれ隣合って配設された関
係が、例えば、推進ジャッキ３１がカッタヘッド１５の
周方向一方に傾斜し、推進ジャッキ３２がカッタヘッド
１５の周方向他方に傾斜して全体としてトラス状に配設
されることでパラレルリンク機構３９を構成している。

【００２３】従って、パラレルリンク機構３９の推進ジ
ャッキ３１〜３６をそれぞれ個別に駆動して駆動ロッド
を伸縮させることで、カッタヘッド１５を有する前胴１
１を中胴１２に対して揺動し、その掘進方向を変更する
ことができる。また、このパラレルリンク機構３９の推
進ジャッキ３１〜３６を同期駆動して駆動ロッドを伸長
させることで、カッタヘッド１５を有する前胴１１及び
中胴１２を後胴１３に対して前進することができる。

【００２４】ここで、前述した複数の推進ジャッキ３１
〜３６から構成されるパラレルリンク機構３９の制御シ
ステムの構成について説明する。

【００２５】図９に示すように、推進ジャッキ３１〜３
６において、例えば、推進ジャッキ３１の図示しないピ
ストンによって仕切られた２つの圧力室には油圧給排管
４１，４２が連結されており、各油圧給排管４１，４２
はそれぞれ非常遮断弁４３，４４を介してサーボ弁４５
に連結されている。このサーボ弁４５は推進ジャッキ３
１の各圧力室への油圧の供給及び排出を切り換えるもの
であって、連結管４６，４７を介して油圧給排源４８に
連結されている。

【００２６】また、推進ジャッキ３１にはその作動位置
を検出する変位センサ４９が装着されており、この変位
センサ４９はコントローラ５０を介して制御部５１に接
続されている。そして、前述したサーボ弁４５はサーボ
アンプ５２を介して制御部５１に接続されている。な
お、この制御部５１には複数のジョイスティクレバーを
有する操作部５３と非常停止ボタン５４が接続されてい
る。

【００２７】従って、変位センサ４９は推進ジャッキ３
１の作動位置を検出しており、その検出信号をコントロ
ーラ５０を介して制御部５１に出力している。制御部５
１はこの検出信号に基づいてサーボアンプ５２に指令信
号を出力し、サーボアンプ５２はその指令信号に基づい
てサーボ弁４５を制御し、油圧給排源４８と推進ジャッ
キ３１との間で油圧の給排を行うようになっている。な
お、ここでは推進ジャッキ３１についてのみ説明した
が、他の推進ジャッキ３２〜３６についても同様の構成
となっている。

【００２８】また、前胴１１には、図４及び図６に示す
ように、４つのフロントグリッパ５５が周方向均等間隔
で径方向移動自在に支持されており、各フロントグリッ
パ５５は内蔵された油圧シリンダ５６によって駆動する
ことができる。従って、この油圧シリンダ５６を駆動し
て各フロントグリッパ５５を径方向に移動することで、
このフロントグリッパ５５を前胴１１内に収納した位置
と外周面が掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前
胴１１を保持する位置とに移動することができる。

【００２９】一方、後胴１３には、図４及び図８に示す
ように、２つのリアグリッパ５７が周方向均等間隔で径
方向移動自在に支持されており、各リアグリッパ５７は
内蔵された油圧シリンダ５８によって駆動することがで
きる。従って、この油圧シリンダ５８を駆動して各リア
グリッパ５７を径方向に移動することで、このリアグリ
ッパ５７を後胴１３内に収納した位置と外周面が掘削形
成されたトンネル内壁面に圧接して後胴１３を保持する
位置とに移動することができる。

【００３０】なお、このＴＢＭ１０は岩盤掘削用のトン
ネル掘削機であり、前述した後胴１３のリアグリッパ５
７によって掘進反力を得て前胴１１を推進させるもので
あるが、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層
に変化した場合には、掘削したトンネル壁面が軟弱であ
り、リアグリッパ５７によって掘進反力を得ることがで
きない。そのため、このＴＢＭ１０にあっては、シール
ド掘削機のように、セグメントによって掘進反力を得て
前胴１１が推進できるようになっている。

【００３１】即ち、図４及び図８に示すように、後胴１
３の後部には円周方向に４つのシールドジャッキ５９が
並設されており、後方に伸びる駆動ロッドの先端部には
スプレッダ６０が取付けられている。従って、このシー
ルドジャッキ５９を作動して掘進方向後方に駆動ロッド
を伸長させると、掘削したトンネル内周面に構築された
既設のセグメントＳにスプレッダ６０を押し付けること
で、その反力により前胴１１及び中胴１２、後胴１３を
前進することができる。なお、後胴１３の後部内周面に
は既設のセグメントＳの外周面に密着して後胴１３内部
への土砂の浸入を防止するテールパッキン６１が固着さ
れている。

【００３２】＜リンク式セグメントエレクタ装置の構成
＞図１０に本実施例のトンネルボーリングマシンに適用
されるリンク式セグメントエレクタ装置の側面視、図１
１にこのリンク式セグメントエレクタ装置の正面視を示
す。

【００３３】図４に示すように、本実施例のＴＢＭ１０
に装着されたセグメントエレクタ装置６２はリンク式で
あって、後胴１３の後部に固定された固定板６３に設け
られており、このエレクタ装置６２はシールドジャッキ
５９によって前進した後胴１３（掘削機本体）と既設の
セグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着
するものである。

【００３４】即ち、図１０及び図１１に示すように、固
定板６３にはブラケット６４によって回転自在な４つの
支持ローラ６５が周方向均等間隔で取付けられており、
この４つの支持ローラ６５によって回転リング６６が回
転自在に支持され、この回転リング６６には内歯を有す
るリングギア６７が固定されている。また、固定板６３
にはブラケット６８によって油圧モータ６９が固定され
ており、この油圧モータ６９の駆動ギア７０がリングギ
ア６７の内歯に噛み合っている。従って、油圧モータ６
９を駆動して駆動ギア７０を回転駆動すると、この駆動
ギア７０が噛み合うリングギア６７が回転し、リングギ
ア６７と一体の回転リング６６を旋回することができ
る。

【００３５】また、回転リング６６に固定された固定台
７１には一対の連結リンク７２及び一対の可動リンク７
３を介して移動台７４が支持されており、この一対の可
動リンク７３には油圧ジャッキ７５の本体が枢着され、
その駆動ロッドの先端部は固定台７１に連結されてい
る。そして、この移動台７４のねじロッド７６にはスラ
イド体７７が螺合し、このねじロッド７６の回転によっ
てスライド体７７が移動自在となっており、このスライ
ド体７７に固定された取付ブラケット７８には連結ピン
７９によって吊り金具８０が着脱自在となっている。な
お、この吊り金具８０は下部がねじ部となっており、図
示しない装置によって搬入されたセグメントＳの内面に
予め螺合されるものである。

【００３６】従って、セグメントＳに螺合された吊り金
具８０に対して、スライド体７７を移動して取付ブラケ
ット７８と位置合せを行い、この吊り金具８０を連結ピ
ン７９によって取付ブラケット７８に連結することで、
セグメントＳを保持することができる。そして、油圧ジ
ャッキ７５を駆動して駆動ロッドを伸縮すると、可動リ
ンク７３及び連結リンク７２が上下に回動し、固定台７
１に対して移動台７４を昇降することで、保持したセグ
メントＳを昇降することができる。更に、油圧モータ６
９を駆動してリングギア６７と共に回転リング６６を旋
回することで、保持したセグメントＳをトンネル内壁面
に沿って移動することができる。

【００３７】＜トンネルボーリングマシンの作用＞この
ように構成されたトンネル掘削機によって岩盤を掘削し
てトンネルを構築するには、図４に示すように、油圧シ
リンダ５６を駆動（縮小）して各フロントグリッパ５５
を引き込んで前胴１１内に収納することで、前胴１１を
移動自在とする一方、油圧シリンダ５８を駆動（伸長）
して各リアグリッパ５７を押し出して外周面を掘削形成
されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴１３を移
動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回駆動モータ
２０を駆動してカッタヘッド１５を回転駆動させなが
ら、パラレルリンク機構３９の各推進ジャッキ３１〜３
６を伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１５を前方へ
移動させる。すると、旋回するカッタヘッド１５のディ
スクカッタ１７が岩盤をせん断破壊し、スクレーパ１８
が掘削面を掻き取ることで岩盤を掘削する。そして、こ
のときに各推進ジャッキ３１〜３６の各作動ストローク
を変えることで、前胴１１は中胴１２と球面軸受２７を
介して折れ曲がり、カッタヘッド１５の向きを変えてト
ンネルの掘削方向を変更することができる。

【００３８】また、図９に示すように、制御部５１には
変位センサ４９が検出した推進ジャッキ３１〜３６の作
動位置の検出信号が入力されており、制御部５１は予め
設定された掘削条件（掘削するトンネルの形状や寸法、
長さ等）及び変位センサ４９の検出信号に基づいてサー
ボアンプ５２に指令信号を出力してサーボ弁４５を制御
し、油圧給排源４８と推進ジャッキ３１〜３６との間で
油圧の給排を行う。従って、推進ジャッキ３１〜３６は
油圧の給排によって所定量往復駆動し、Ｘ方向、Ｙ方
向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の制御が行われ
ながら、カッタヘッド１５を前進揺動させる。

【００３９】そして、各推進ジャッキ３１〜３６を所定
ストローク伸長すると、この推進ジャッキ３１〜３６の
駆動を停止し、油圧シリンダ５６を駆動（伸長）して各
フロントグリッパ５５を押し出して外周面を掘削形成さ
れたトンネル内壁面に圧接することで、前胴１１を移動
不能に保持する一方、油圧シリンダ５８を駆動（縮小）
して各リアグリッパ５７を引き込んで後胴１３内に収納
することで、後胴１３を移動自在とする。この状態で、
パラレルリンク機構３９の各推進ジャッキ３１〜３６を
縮小して前胴１１及び中胴１２に対して後胴１３を前方
へ引き寄せて移動させる。そして、前述と同様に、各フ
ロントグリッパ５５を引き込んで前胴１１内に収納し、
前胴１１を移動自在とする一方、各リアグリッパ５７を
押し出して外周面をトンネル内壁面に圧接し、後胴１３
を移動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回駆動モ
ータ２０を駆動してカッタヘッド１５を回転駆動させな
がら、パラレルリンク機構３９の各推進ジャッキ３１〜
３６を伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１５を前方
へ移動させることで、ディスクカッタ１７及びスクレー
パ１８によって岩盤を掘削する。この繰り返しによって
トンネルを掘削形成していく。

【００４０】このディスクカッタ１７及びスクレーパ１
８の岩盤掘削によって生じたずりはカッタヘッド１５の
隙間からチャンバ室２３内に落下し、カッタヘッド１５
と共に回転する掻き上げ板２５がこのチャンバ室２３内
のずりを掻き上げてホッパ２４内に落とす。そして、こ
のホッパ２４内に落下して集積されたずりは排出装置２
６によって外部に排出される。

【００４１】ところで、岩盤を掘削してトンネルを形成
する場合には、前述したように、リアグリッパ５７がト
ンネル内壁面に圧接して後胴１３を移動不能に保持こと
で、パラレルリンク機構３９の各推進ジャッキ３１はこ
の後胴１３にて掘進反力を得て前胴１１を前進させ、旋
回するカッタヘッド１５によって前方の岩盤を掘削す
る。一方、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂
層に変化した場合には、トンネル内壁面が軟弱であるた
め、リアグリッパ５７によって推進反力を得ることがで
きないので、シールドジャッキ５９が既設のセグメント
Ｓにて掘進反力を得て前胴１１及び中胴１２、後胴１３
を推進させる。

【００４２】即ち、複数のシールドジャッキ５９のスプ
レッダ６０を既設のセグメントＳへ押し付けた状態で、
このシールドジャッキ５９を伸長することにより、その
押し付け反力によってトンネル掘削機本体、即ち、前胴
１１及び中胴１２、後胴１３を前進させ、これと同時に
カッタ駆動モータ２０を駆動してカッタヘッド１５を旋
回させ、ディスクカッタ１７及びスクレーパ１８によっ
て一般土砂層を掘削していく。そして、前胴１１及び中
胴１２、後胴１３からなる掘削機本体が所定量前進する
と、シールドジャッキ５９の何れか一つを縮み方向に作
動し、スプレッダ６０と既設のセグメントＳとの間に空
所を形成し、この空所にセグメントエレクタ装置６２に
よって新しいセグメントＳを装着する。

【００４３】図１０及び図１１に示すように、図示しな
い台車によってトンネル内に搬入されたセグメントＳに
対して、作業者はこのセグメントＳに吊り金具８０を螺
合する。そして、エレクタ装置６２のスライド体７７を
移動し、取付ブラケット７８をセグメントＳに固定され
た吊り金具８０の上方に位置させ、この吊り金具８０を
連結ピン７９によって取付ブラケット７８に連結する。
このようにセグメントＳを取付ブラケット７８が保持し
た状態で、油圧ジャッキ７５を駆動して可動リンク７３
を回動することで移動台７４を昇降すると共に、油圧モ
ータ６９を駆動して回転リング６６を旋回することで移
動台７４を旋回し、保持したセグメントＳをトンネル内
で移送してトンネル内壁面の所定の位置に組付ける。そ
して、セグメントＳをトンネル内壁面に固定すると、セ
グメントＳの保持を解除し、元位置に戻る。この繰り返
しによってトンネルを構築していく。

【００４４】このように上述したＴＢＭ１０では、トン
ネル掘削機本体（前胴１１、中胴１２、後胴１３）をパ
ラレルリンク機構３９あるいはシールドジャッキ５９に
よって前進させながらカッタヘッド１５を旋回させ、デ
ィスクカッタ１７及びスクレーパ１８によって岩盤を掘
削し、岩盤掘削によって生じたずりをホッパ２４に集積
してから排出装置２６によって外部に排出する一方、セ
グメントエレクタ装置６２によってセグメントＳをトン
ネル内壁面に装着することで、トンネルを構築してい
る。

【００４５】なお、上述の実施例のＴＢＭ１０におい
て、パラレルリンク機構３９を６本の推進ジャッキ３１
〜３６によって構成したが、推進ジャッキの数は６本に
限定されるものではなく、８本でも、１０本でもよいも
のであり、いずれの場合であっても前述と同様の作用効
果を奏することができる。

【００４６】また、上述の実施例のＴＢＭ１０におい
て、掘削機本体の推進機構及び掘進方向を変更する機構
としてパラレルリンク機構３９を用いたが、本発明のト
ンネル掘削機はこれに限定されるものではない。

【００４７】＜地層の前方探査装置の構成＞ここで、上
述したＴＢＭに装着された地層の前方探査装置について
説明する。図１に本実施例のＴＢＭに装着された地層の
前方探査装置を表す概略、図２に地層の前方探査装置に
おける人工震源機の装着状態を表すＴＢＭの要部断面、
図３に本実施例の地層の前方探査装置のシステム構成を
示す。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機
能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は
省略する。

【００４８】図１及び図２に示すように、本実施例のト
ンネルボーリングマシン１０にあっては、岩盤を掘削中
に前方の地層の状態を推定する前方探査装置が装着され
ている。この前方探査装置は、掘削機本体を構成する後
胴５７のリアグリッパ５７内に装着されて掘削地層に対
して弾性波Ｗ_Eを発する弾性波発信機101と、この弾性
波発信器101から発信された弾性波Ｗ_Eが地層境界面と
しての断層Ｆ₁や破砕帯Ｆ₂にて反射した反射波Ｗ_Rを
検出する複数の反射波受信機（加速度センサ）102a，10
2b，102c，102d，102eと、弾性波発信機101から発信さ
れた弾性波Ｗ_Eと反射波受信機102a，102b，102c，102
d，102eによって検出された反射波Ｗ_Rとから断層Ｆ₁
や破砕帯Ｆ₂の方向及び距離を推定する制御器103とを
有している。

【００４９】ここで、前方探査装置の弾性波発信機101
の構造及び全体のシステムについて説明する。図３に示
すように、弾性波発信機101において、リアグリッパ５
７の外周面と連続する円弧面を有するベースプレート11
1には円筒状のシリンダケース112が固設されると共に、
このシリンダケース112の上部には中空状のガス容器113
が固定されている。そして、ガス容器113がリアグリッ
パ５７の支持部５７ａに移動自在に支持されると共に、
この支持部５７ａとシリンダケース112の取付部112aと
の間には流体シリンダ114が架設されており、この流体
シリンダ114により、リアグリッパ５７に対してガス容
器113及びシリンダケース112、ベースプレート111を移
動することができる。

【００５０】また、シリンダケース112内にはピストン1
15が移動自在に支持されており、このピストン115の上
端嵌合部115a及び下部嵌合部115bとシリンダケース112
の縮径部112bによって上方作動室116a及び下方作動室11
7aが区画され、この各作動室116a，117aにはそれぞれ給
排ポート116b，117bが形成されている。また、ガス容器
113には窒素ガスなどのガスを充填するためのガス充填
口113aが形成されている。

【００５１】前述した流体シリンダ114には作動流体源1
18に接続した給排ポンプ119が流路120を介して接続され
ている。また、この流路120から分岐した流路121はシー
ケンス弁122及び逆止弁123を介して更に分岐して流路12
4，125が形成されている。そして、一方の流路124は逆
止弁126を介してシリンダケース112の上方作動室116aに
接続されている。且つ、この流路124から分岐した流路1
27はポート128aを介してロジック弁128に接続され、更
に、ポート128bを介してシリンダケース112の下方作動
室117aに接続されている。また、他方の流路125は電磁
弁129を介してロジック弁128のポート128cに接続されて
いる。

【００５２】更に、制御器103は震源指令器130が接続さ
れ、この震源指令器130は制御器103の作動指令に基づい
て電磁弁129を操作することでロジック弁128を作動し、
各給排ポート116b，117bを介してシリンダケース112の
上方作動室116a及び下方作動室117aへの作動流体の給排
を指令することができる。また、震源指令器130にはベ
ースプレート111に装着された衝撃検知センサ131が接続
されている。更に、制御器103には反射波受信機102a，1
02b，102c，102d，102e及び給排ポンプ119が接続されて
いる。

【００５３】従って、ＴＢＭによるトンネルの掘削時
に、リアグリッパ５７が作動してこの先端面がトンネル
内壁面に圧接した状態で、前方の地層を探査するには、
制御器103は震源指令器130を介して指令を出力し、給排
ポンプ119を作動して作動流体を流路120を介して流体シ
リンダ114に供給すると、この流体シリンダ114が作動
（伸長）し、シリンダケース112先端部のベースプレー
ト111をトンネル内壁面に圧接させる。そして、流体シ
リンダ114が全ストローク作動（伸長）すると、その背
圧によってシーケンス弁122が切り換わり、作動流体は
逆止弁123を介して流路121及び124に流動する一方、流
路121から流路125に流動した作動流体は電磁弁129を通
ってロジック弁128のポート128cに流れ、ポート128a，1
28bを閉止する。そのため、流路124に流動した作動流体
は逆止弁126を介して給排ポート116bからシリンダケー
ス112の上方作動室116aに供給され、シリンダケース112
内のピストン115を最上位置まで上昇させる。ガス容器1
13内には窒素ガスなどのガスが予め充填されており、ピ
ストン115の上昇によってガス容器113内の窒素ガスが加
圧圧縮される。

【００５４】次に、制御器103が震源指令器130に打撃指
令を出力すると、震源指令器130は電磁弁129を切り換
え、ロジック弁128のポート128cへの作動流体の供給を
停止することで、ポート128a，128bを開放する。てる
と、給排ポート116bからシリンダケース112の上方作動
室116aに供給されていた作動流体はポート128a，128bを
通って給排ポート117bから下方作動室117aに供給され
る。そのため、シリンダケース112内のピストン115はこ
の作動流体及び加圧圧縮したガス容器113内の窒素ガス
によって下降方向し、ベースプレート111に衝突する。

【００５５】このとき、衝撃検知センサ131はこの衝撃
力を検知し、震源指令器130を介して制御器103に出力す
る。一方、ピストン115とベースプレート111との衝突に
よって発信された弾性波Ｗ_Eは、図１に示すように、地
層境界面Ｆ₁やＦ₂にて反射し、その反射波Ｗ_Rは反射
波受信機102a，102b，102c，102d，102eによって検出さ
れ、この反射波受信機102a，102b，102c，102d，102eは
受信した反射波Ｗ_Rを制御器103に出力する。従って、
この制御器103はこの発信した弾性波Ｗ_Eと受信した反
射波Ｗ_Rとによって両者の時間的な遅れから地層境界面
Ｆ₁，Ｆ₂の方向及び距離を推定することができる。

【００５６】そして、ＴＢＭ１０の前方の地層が推定さ
れると、例えば、現在、岩盤を掘削してトンネルを形成
しているとき、前方に泥水層があると推定された場合、
リアグリッパ５７がトンネル内壁面に圧接することで推
進機構にて掘進反力を得ることができないので、泥水層
となる前からセグメントを組付け、シールドジャッキに
よって掘進反力を得て推進できるようにしておく。

【００５７】このように本実施例の地層の前方探査装置
が装着されたトンネル掘削機にあっては、リアグリッパ
５７に装着された弾性波発信機101から掘削地層に対し
て弾性波Ｗ_Eを発生させ、地層境界面Ｆ₁，Ｆ₂にて反
射した反射波Ｗ_Rは反射波受信機102a，102b，102c，10
2d，102eによって検出し、制御器103がこの弾性波Ｗ_E と
反射波Ｗ_Rとから地層境界面Ｆ₁，Ｆ₂の方向及び距離
を推定するようにしたことで、この推定された地層の状
態に合わせた掘削を行うことができる。また、発信する
弾性波Ｗ_Eも弾性波発信機101によって発信させるた
め、その周波数を特定でき、受信が容易となる。

【００５８】なお、上述の実施例において、弾性波発信
機101をリアグリッパ５７内に設けたが、装着位置はこ
こに限らず、フロントグリッパ５５でもよく、また、ト
ンネル内壁面に密着できるように別の部材を設けてそこ
に弾性波発信機101を内蔵してもよい。また、弾性波発
信機101としてピストン115をベースプレート111に衝突
させて衝撃を与えることで弾性波Ｗ_Eを発生させるよう
にしたが、これに限らず、例えば、エアハンマやドリル
などを利用してもよい。

【００５９】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明のトンネル掘削機によれば、筒状の掘削機本
体の前部に駆動回転自在なカッタヘッドを装着して推進
機構によって前進可能とすると共に、掘削機本体に掘削
地層に対して弾性波を発する弾性波発信機を設けると共
にこの弾性波が地層境界面にて反射した反射波を検出す
る反射波受信機を設け、制御器によって発信された弾性
波と検出された反射波とによって地層境界面の方向及び
距離を推定するようにしたので、掘削前に推定された地
層境界面の位置に合わせた掘削を行うことができ、掘削
作業効率の向上を図ることができると共に、発信する弾
性波の周波数を特定することで、その反射波の受信が容
易となり、作業性並びに安全性の向上を図ることができ
る。

【００６０】また、本発明のトンネル掘削機によれば、
掘削機本体が複数のジャッキによって連結された前胴及
び後胴を有すると共に前部グリッパ及び後部グリッパを
有し、この前部グリッパ及び後部グリッパの少なくとも
いずれか一方に弾性波発信機を装着したので、掘削機本
体を大型化せずに容易に弾性波発信機を装着することが
できる。

【００６１】また、本発明のトンネル掘削機によれば、
弾性波発信機が油圧によってピストンを移動させてトン
ネル内壁面に衝突させることで衝撃波を発するようにし
たので、地層探査作業を容易として、且つ、安全に行う
ことができる。

【００６２】また、本発明のトンネル掘削方法によれ
ば、カッタヘッドを駆動回転させながら掘削機本体を前
進させることで前方の岩盤を掘削するときに、弾性波発
信機から掘削地層に対して弾性波を発して地層境界面に
て反射した反射波を反射波受信機にて検出し、この弾性
波と反射波とから地層境界面の方向及び距離を推定しな
がらトンネルを掘削するようにしたので、掘削前に推定
された地層境界面の位置に合わせた掘削を行うことがで
き、掘削作業効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るトンネルボーリングマ
シンにおける地層の前方探査装置を表す概略図である。

【図２】本実施例の地層の前方探査装置における人工震
源機の装着状態を表すトンネルボーリングマシンの要部
断面の要部断面図である。

【図３】本実施例の地層の前方探査装置のシステム構成
図である。

【図４】本発明の一実施例に係るトンネル掘削機として
のトンネルボーリングマシンの断面図である。

【図５】トンネルボーリングマシンの正面図である。

【図６】図４のVI−VI断面図である。

【図７】図４のVII−VII断面図である。

【図８】図４のVIII−VIII断面図である。

【図９】推進機構としてのパラレルリンク機構の概略図
である。

【図１０】本実施例のトンネルボーリングマシンに適用
されるリンク式セグメントエレクタ装置の側面図であ
る。

【図１１】リンク式セグメントエレクタ装置の正面図で
ある。

【符号の説明】

１１前胴（トンネル掘削機本体）１２中胴（トンネル掘削機本体）１３後胴（トンネル掘削機本体）１５カッタヘッド２０カッタ旋回油圧モータ２３チャンバ室２４ホッパ２６排出装置３１〜３６推進ジャッキ３９パラレルリンク機構５７リアグリッパ５９シールドジャッキ６２リンク式セグメントエレクタ装置１０１弾性波発信機１０２（102a，102b，102c，102d，102e）反射波受信
機１０３制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松浦武兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者上村城司兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者風間慶三東京都千代田区神田司町２−３株式会社大林組東京本社内 (72)発明者井上誠東京都千代田区神田司町２−３株式会社大林組東京本社内 (72)発明者藤沢薫東京都千代田区神田司町２−３株式会社大林組東京本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の掘削機本体と、該掘削機本体の前
部に駆動回転自在に装着されたカッタヘッドと、前記掘
削機本体を前進させる推進機構とを具えたトンネル掘削
機において、前記掘削機本体に装着されて掘削地層に対
して弾性波を発する弾性波発信機と、該弾性波発信器か
ら発信された弾性波が地層境界面にて反射した反射波を
検出する反射波受信機と、前記弾性波発信機から発信さ
れた弾性波と前記反射波受信機によって検出された反射
波とによって前記地層境界面の方向及び距離を推定する
制御器とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】前記請求項１記載のトンネル掘削機にお
いて、前記掘削機本体は前記推進機構を構成する複数の
ジャッキによって連結された前胴及び後胴を有すると共
に、該前胴及び後胴にはそれぞれ掘削形成したトンネル
内壁面に圧接して該前胴及び後胴を固定保持する前部グ
リッパ及び後部グリッパが設けられており、該前部グリ
ッパ及び後部グリッパの少なくともいずれか一方に前記
弾性波発信機が装着されたことを特徴とするトンネル掘
削機。
【請求項３】前記請求項１及び２記載のトンネル掘削
機において、前記弾性波発信機は、油圧によってピスト
ンを移動させてトンネル内壁面に衝突させることで衝撃
波を発することを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】前部に装着されたカッタヘッドを駆動回
転させながら筒状の掘削機本体を前進させることで、前
方の岩盤を掘削する一方、弾性波発信機から掘削地層に
対して弾性波を発して地層境界面にて反射した反射波を
反射波受信機にて検出し、前記弾性波発信機から発信さ
れた弾性波と前記反射波受信機によって検出された反射
波とによって前記地層境界面の方向及び距離を推定しな
がらトンネルを掘削するようにしたことを特徴とするト
ンネル掘削方法。