JPH10115187A - トンネルの機械掘削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のベンチカット掘削工法よりも掘削効率に
優れたトンネル機械掘削方法を提供する。 【解決手段】上部半断面Ｉ、下部半断面IIを併進して掘
削するベンチカット工法において、前記自由断面掘削機
１は、カッターブームの中間で屈曲自在とされるヒンジ
型カッターブームとされ、掘削機の設置面より下側領域
を掘削可能とした掘削機であり、前記上部半断面Ｉの底
盤上に前記自由断面掘削機１を配置し、前記上部半断面
Ｉ側において所定長の掘削を終えたならば下部半断面II
の切羽側に移動し、上部半断面Ｉの底盤上から下部半断
面IIの掘削を行う工程の繰り返しによってトンネルを掘
進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば中硬岩、
軟岩および土砂等からなる地山を対象としたトンネル掘
削に当り、従来のベンチカット工法、全断面工法よりも
掘削効率に優れた機械掘削方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、トンネルを掘削する方法とし
ては、地山状況、トンネル断面規模、等に応じて種々の
工法があり、経済性、安全性、周辺環境への影響等を考
慮して決定されている。現在採用されている主たる掘削
工法としては、次のようなものがある。

【０００３】（１）全断面工法 設計断面を一度に掘削するもので、工期も短くなり経済
的となる。但し、地山が良好な場合にのみ採用される。 （２）ベンチカット工法 トンネル断面を上下に分割して、上部半断面、下部半断
面を併進して掘削する方法で、ベンチ長の違いによって
ロングベンチカット工法、ショートベンチカット工法、
ミニベンチカット工法、マイクロベンチカット工法など
がある。ＮＡＴＭ工法に適用されるのが一般的である。 前記ロングベンチカット工法は、ベンチ長（上半断面
と下半断面との距離）が５０ｍ以上が一般的であり、比
較的地山が安定し、早期にインバート閉合する必要がな
い場合に用いられる工法で、上半、下半を併行して掘削
する上下半同時併進工法と、上半、下半を交互に掘削す
る上下半交互併進工法とがある。 前記ショートベンチカット工法は、ベンチ長が１５〜
３０ｍ程度のものが多く、トンネル断面をできるだけ早
期に閉合し、変位を少なくする必要がある場合に採用さ
れる。 前記ミニベンチ工法はさらにベンチ長を短くしたもの
で（３〜５ｍ）、土砂トンネルなど地山の安定がさらに
悪い場合に採用されるものである。 前記マイクロベンチ工法は、ベンチ長のマイクロ化に
よって、上半と下半を同時併行的に行い、全断面に近い
掘削効率を実現したものである。 また、掘削方法には、爆薬による爆破掘削と機械による
機械掘削とがあるが、近年までは山岳トンネル等では前
記爆破掘削が地山掘削方法として主流をなしていたが、
施工場所の周辺環境に対する騒音、振動問題等が大きく
影響して、爆破掘削に代えて機械掘削工法が採用される
場合が多くなってきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】吹付けコンクリートと
ロックボルトによって支保を行うＮＡＴＭ工法の普及と
相まって、近年のトンネル掘削は前記上半、下半に分割
するロングまたはショートベンチカット工法の施工例が
ほとんどである。しかしながら、このベンチカット工法
は切羽の崩壊防止の効果は優れているものの、掘削機械
の盛り代えや重機同士の輻湊などによって掘削効率の低
下、使用機械の増大によるコスト増大等の問題がある。

【０００５】最近、大型自由断面掘削によるミニベンチ
カット工法、マイクロベンチカット工法、全断面工法の
施工例があるが、従来より使用されている自由断面掘削
機は図１０に示されるように、１本の伸縮自在のカッタ
ーブーム５１を基端側支持部で伏仰自在かつ旋回自在と
し、その先端にインライン型（縦軸軸型）のカッタード
ラム５２を装備した構造であり、下記のような問題があ
った。

【０００６】（１）上半、下半に分割して施工し、掘削
箇所が別々になるロングまたはショートベンチカット工
法においては、上下同時併進工法の場合には、図１１に
示されるように、上半切羽を掘削する掘削機５０Ａと下
半切羽を掘削する掘削機５０Ｂとの計２台の掘削機を用
意しなければならないとともに、特に下半切羽を掘削す
る掘削機５０Ｂはずり積込みのトラクターショベルやバ
ックホーなどの重機との輻湊作業となり、接触事故など
の危険性が内在する。また、上下半交互併進工法の場合
には、前記従来型自由断面掘削機では上半掘削後に上半
盤上から下半部やインバート部の掘削は行えないため、
わざわざ斜路を作り掘削機を上半盤から下半盤へ移動さ
せた後に、下半部を掘削しなければならず、掘削効率が
著しく悪いなどの問題がある。

【０００７】（２）掘削箇所を一箇所に集約したミニベ
ンチカット工法やマイクロベンチカット工法において
は、下半盤上に設置された自由断面掘削機により上半盤
上に切り崩された土砂を掻き寄せる効率が著しく悪いと
ともに、掘削時の反力バランスが悪く掘削効率低下の原
因ともなっているなどの問題がある。

【０００８】そこで本発明の主たる課題は、これらの問
題点に鑑み、アーム構造に特徴のある新規な自由断面掘
削機を採用することによって、従来のベンチカット掘削
工法、全断面工法等の各種の掘削方法よりも掘削効率に
優れたトンネル機械掘削方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本第１発明は、トンネル掘削断面を上部半断面と下半
断面とに分割し、自由断面掘削機により上部半断面、下
部半断面を併進して掘削するベンチカット工法におい
て、前記自由断面掘削機は、カッターブームの中間で屈
曲自在とされるヒンジ型カッターブームとされ、掘削機
の設置面より下側領域を掘削可能とした掘削機であり、
前記上部半断面の底盤上に前記自由断面掘削機を配置
し、前記上部半断面側において所定長の掘削を終えたな
らば下部半断面切羽側に移動し、上部半断面の底盤上に
位置した状態から下部半断面の掘削を行う工程の繰り返
しによって、順次上部半断面と下部半断面の掘削を交互
に行うようにしたことを特徴とするものである。

【００１０】この第１発明が適用されるのは、ロングベ
ンチカット工法またはショートベンチカット工法などの
ように掘削箇所が明確に２箇所に分かれ、かつ上部半断
面と下部半断面とを交互に掘削する上下半交互併進工法
によるベンチカット工法である。本第１発明によれば、
上部半断面を掘削する自由断面掘削機が次の下部半断面
の掘削を行う際に、下部半断面底盤上に降ろす必要がな
く、上部半断面の底盤上から下部半断面の掘削を行うこ
とができるため、移動時間の短縮（掘削機の下半側への
盛り代えが不要）により掘削効率を向上させることがで
きる。

【００１１】次いで、第２発明はトンネル掘削断面を上
部半断面と下半断面とに分割し、自由断面掘削機により
上部半断面、下部半断面を併進して掘削するベンチカッ
ト工法において、前記自由断面掘削機は、カッターブー
ムの中間で屈曲自在とされるヒンジ型カッターブームと
され、かつ掘削機の設置面より下側領域を掘削可能とし
た掘削機であり、前記上部半断面および下部半断面の掘
削をそれぞれの掘削箇所に配置された掘削機により同時
併行で掘進するようにし、少なくとも前記下部半断面の
掘削側においては、前記自由断面掘削機を用い、上部半
断面の底盤上に位置した状態から下部半断面の掘削を行
うようにしたことを特徴とするものである。

【００１２】この第２発明が適用されるのは、ロングベ
ンチカット工法またはショートベンチカット工法などの
ように掘削箇所が明確に２箇所に分かれ、かつ上部半断
面と下部半断面とを同時に掘削する上下半同時併進工法
によるベンチカット工法である。本第２発明によれば、
特に下部半断面側の掘削において、自由断面掘削機は上
部半断面の底盤上に位置した状態から下部半断面の掘削
を行うため、ずり積込みのトラクターショベルやバック
ホーなどの重機との輻湊が回避できるため、接触事故な
どの危険性が無くなるとともに、同時に掘削効率も向上
する。

【００１３】これらの掘削方法においては、前記下部半
断面の掘削時にインバート部の掘削をも同時に行うこと
もできる。また、前記自由断面掘削機のカッタードラム
は効率的掘削を実現するとともに、反力バランスの安定
の点からクロスヘッド型カッタードラムとするのが望ま
しい。

【００１４】また、第３発明は、トンネル掘削断面を上
部半断面と下半断面とに分割し、下部半断面の底盤上に
配置された自由断面掘削機により上部半断面、下部半断
面を共に併進して掘削するベンチカット工法または全断
面を一度に掘削する全断面工法において、前記自由断面
掘削機は、カッターブームの中間で屈曲自在とされるヒ
ンジ型カッターブームとされるとともに、このカッター
ブームの先端にクロスヘッド型カッタードラムを装備
し、前記上部半断面および下部半断面、または全断面の
掘削は、掘削ビットが掘削部を上側から下側に向けて切
削するように前記クロスヘッド型カッタードラムを回転
させるオーバーショット掘削により行うことを特徴とす
るものである。

【００１５】この第３発明が適用されるのは、掘削箇所
が一箇所に集約されるミニベンチカット工法、マイクロ
ベンチカット工法、全断面工法である。カッターブーム
をヒンジ型カッターブームとすることにより、先端側ブ
ームの支点位置を高くすることができるため下部半断面
の高さを高く設定することができ、崩落防止に寄与し得
るとともに、上半ベンチ上に切り崩した掘削ずりを効率
的に掻き寄せることができるようになるため掘削効率に
優れたものとなる。さらに、前記クロスヘッド型カッタ
ードラムによる前記オーバーショット掘削方法を採用す
ることにより、機体の安定性に優れ、高能率の切削を可
能としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて詳述する。図１および図２は本発明ト
ンネル掘削方法に使用される自由断面掘削機１の側面図
および平面図である。自由断面掘削機１は、大別すると
掘削機本体２と掘削部３とから構成され、前記掘削機本
体２はクローラ部４に対してディーゼルエンジン２０、
運転操作部２１、電源供給のためのケーブルリール２２
等が搭載されるとともに、クローラ部４の４隅に対して
は掘削時に機体を安定させるためのアウトリガー５Ａ〜
５Ｄ…が設けられている。また、切羽でのケーブルさば
きを容易とするために前記ケーブルリール２２から繰り
出されるケーブル保持のためにケーブルガイド２３が設
けられ、このケーブルガイド２３が油圧シリンダー２４
により所定の角度範囲で旋回可能となっている。

【００１７】一方、掘削部３は、クローラ部４の前方側
上面に立設され、鉛直軸回りに回動可能なポストフレー
ム６が設けられるとともに、このポストフレーム６がク
ローラ部４の上面に水平配置された２本の油圧シリンダ
ー１５、１５により回動制御されるようになっている。

【００１８】また、このポストフレーム６の一端部に対
して支軸１２により第１カッターブーム（以下、サポー
トフレームともいう。）７が取り付けられ、前記ポスト
フレーム６と第１カッターブーム７とを連結する油圧シ
リンダー１０、１１によって前記第１カッターブーム７
が伏仰方向に回動制御されるようになっている。さらに
この第１カッターブーム７の先端側に対して支軸１３に
より第２カッターブーム８が取り付けられ、第１カッタ
ーブーム７と第２カッターブーム８とを連結する油圧シ
リンダー１４によって前記第２カッターブーム８が回動
制御されるようになっている。この第２カッターブーム
８の先端には図３に示されるクロスヘッド型（横軸型）
のカッタードラム９が設けられ、前記第２カッターブー
ム８の内部に内蔵された減速機付電動機１４により駆動
されるようになっている。カッタドラム９の操作に際し
ては、カッター過負荷制御方式を採用しており、掘削負
荷に応じてカッタードラム９の移動速度を自動制御する
ようになっている。また、図示していないが、カッター
ドラム９の外方側には粉塵およびビット摩耗防止のため
に高圧噴射ノズルが設けられている。

【００１９】前記カッタードラム９の掘削方式は、掘削
ビットが掘削部を上側から下側に向けて切削するように
前記クロスヘッド型カッタードラム９を回転させるオー
バーショット掘削、すなわち掘削部を掘削ビットにより
上から削り落とす方向にカッタードラム９を回転させな
がら掘削を行うようになっている。

【００２０】本掘削装置において、従来の伸縮型カッタ
ーブームに代えてクロスヘッド型カッタードラム９を採
用し、かつ前記オーバーショット掘削とする理由は、掘
削時の転倒に対する安定等を上げ掘削効率を向上させる
ためである。図４はクロスヘッド型の場合の掘削時反力
バランスを示した図であるが、正面図（Ａ）において、
カッタードラムの回転による刃先力の方向は一定で下向
きとなり、刃先力の方向より、その反力は上向きとなる
ので機体にはカッタードラム部より持ち上げるような力
が作用するため、機体は左側反力（Ｒ１）が小さく、右
側反力（Ｒ２）が大きくなり、右側に傾けようとする力
が発生するため転倒しにくなる。また、側面（Ｂ）から
見た場合でも、刃先力は下向きであり反力は上向きとな
り、クローラ前輪の反力（Ｒ３）は小さく、クローラ後
輪の反力（Ｒ４）が大きくなる。したがって、機体はカ
ッタードラム部より上向きの力が作用して、クローラ前
輪が浮くことはあっても転倒することはない。さらに、
機体の旋回ズレに関しても、平面図（Ｃ）をみると、カ
ッタードラムの刃先力は、反力として直接機体を旋回さ
せる力とはなっておらず、またカッターブーム旋回反力
とカッタードラムの刃先反力は同一方向にならないの
で、機体を旋回させずらそうとする力が小さい。

【００２１】これに対して、インライン型の場合には、
図５の正面図（Ａ）において、カッタードラムの回転に
よる刃先力の方向は、カッタードラム外周接線方向すべ
てとなり、そして刃先力の方向が全方向であることから
当然反力も全方向となるため、機体の左側反力（Ｒ１）
が大きく、右側反力（Ｒ２）が小さくなり、左側に傾け
ようとする力が発生するため転倒し易くなる。また、側
面（Ｂ）から見た場合でも、左右のバランス同様、刃先
力は上方向になることがあり、反力は下向きとなる。し
たがって、クローラ前輪の反力（Ｒ３）が大きく、クロ
ーラ後輪の反力（Ｒ４）が小さくなるため。機体はカッ
タードラム部より下向きの力が作用して、全体が前のめ
りの傾向となり、転倒し易くなっている。さらに、機体
の旋回ズレに関しても、平面図（Ｃ）をみると、カッタ
ードラムの刃先力が反力として直接機体を旋回させる力
となり、カッターブーム旋回反力とカッタードラム刃先
反力とが同一方向になるため、機体を旋回させずらそう
とする力が大きくなっている。

【００２２】以上が本発明に使用される自由断面掘削機
１の構造であるが、本発明工法に照らし構造的特徴点を
整理すると、 従来の伸縮型カッターブームに代えて、前記ポストフ
レーム６に対して屈折構造の第１及び第２カッターブー
ム７、８（ヒンジ型カッターブーム）を取付けることに
より、掘削機１を定位置においたままで、カッターブー
ムが前後移動、上下、回転が可能であり、また第２カッ
ターブーム８の支点位置が高くなるため、希望の断面を
掘削できるようになっている点。 前記ヒンジ型カッターブーム７、８において、前記第
１カッターブーム７のブーム長さを短くし、第２カッタ
ーブーム８を長くすることによって、掘削機１の設置面
より下側領域を掘削できるようにしてある点。 従来のインライン型（縦軸型）カッタードラムに代え
て、クロスヘッド型カッタードラムを採用し、かつオー
バーショット掘削により掘削を行うため、掘削時反力の
バランス性に優れ転倒に対する安定性が高い点が挙げら
れる。

【００２３】次いで、前記構造の自由断面掘削機１を用
いたトンネル掘削方法を工法毎に説明する。 〈ロングベンチカット工法、ショートベンチカット工法
への適用〉図６は、上部半断面Ｉと下部半断面IIとを交
互に掘削する上下半交互併進工法による場合を図示した
もので、本発明に係る自由断面掘削機１は、図６（Ａ）
に示すように、前記上部半断面Ｉの底盤上に前記自由断
面掘削機１を配置し、最初に前記上部半断面Ｉ側におい
て所定長の掘削を終えたならば、図６（Ｂ）に示すよう
に反転して下部半断面IIの切羽側に移動し、上部半断面
Ｉの底盤上に位置した状態から下部半断面IIの掘削を行
う。この上部半断面と下部半断面との掘削を交互に繰り
返すことによって上部半断面と下部半断面とを交互に併
進する。

【００２４】他方、図７は上部半断面Ｉと下部半断面II
とを同時併行で掘削する上下半同時併進工法による場合
を図示したもので、本発明に係る自由断面掘削機１は、
図７に示すように、前記上部半断面Ｉの底盤上の上部半
断面切羽位置と、上部半断面Ｉの底盤上の下部半断面II
の切羽近傍位置とにぞれぞれ配置される。前記上部半断
面Ｉの掘削は、通常の掘削方法が採られるが、下部半断
面II側の掘削は前記自由断面掘削機１を上部半断面Ｉの
底盤上に位置した状態から下部半断面IIの掘削を行うよ
うにする。なお、このケースにおいては、前記上部半断
面Ｉの掘削に使用する自由断面掘削機としては、図１０
に示される従来機を使用することもできる。

【００２５】なお、これらの場合においては、前記下部
半断面IIの掘削時に、インバート部３０の掘削をも同時
に行うこともできる。

【００２６】〈ミニベンチカット工法、マイクロベンチ
カット工法への適用〉図８は、掘削箇所が一箇所に集約
されるミニベンチカット工法による場合を図示したもの
で、下部半断面IIの底盤上に自由断面掘削機１を配置し
た状態で、上部半断面Ｉの掘削と下部半断面IIの掘削と
を順に繰り返す。掘削方法は、本発明に則りオーバーシ
ョット掘削により行う。特に、上部半断面Ｉの掘削は、
サポートフレーム７を立てた状態で主に第２カッターブ
ーム８を回動させて掘削を行うようにする。アーム操作
は第２カッターブーム８のみで良いため掘削効率が良い
とともに、弧状ではあるが容易に直立した切羽断面とす
ることができる。なお、これに比して従来機の場合に
は、図１０に示されるように、カッターブームの回動操
作とともに、伸縮操作を連係して行わない限り、直立し
た切羽面とすることはできない構造となっている。

【００２７】また、上部半断面Ｉの底盤上に溜まった掘
削ずりは、図８（Ｂ）に示すように、主にサポートフレ
ーム７を上方向に回動させることによって掻き寄せ下部
半断面IIの底盤上に落としたり、カッターブーム７、８
を固定したままで掘削機１を後進させることにより下部
半断面IIの底盤上に落とす。

【００２８】なお、前記掘削方法はマイクロベンチカッ
ト工法、全断面工法でも全く同様に適用することができ
る。

【００２９】〈インバート掘削への適用〉図９に示され
るように、自由断面掘削機１をインバート３０の上部に
置き、アンダーカットしながら進行することで、インバ
ート３０の掘削を行うことができる。

【００３０】インバート掘削では、掘削機１は坑口側か
ら出発し、掘削しながら切羽の方向に後進する。掘削ず
りはパワーショベル３１、またはホイールローダ等によ
って直接ダンプ３２へ積み込みができ容易に土砂排出で
きる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳説のとおり、本発明によれば、従
来のベンチカット掘削工法、全断面工法等の各種の掘削
方法よりも格段に掘削効率に優れたものとすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自由断面掘削機１の側面図であ
る。

【図２】その平面図である。

【図３】カッタードラム９の斜視図である。

【図４】クロスヘッド型の場合の掘削時反力バランスを
示した図である。

【図５】インライン型の場合の掘削時反力バランスを示
した図である。

【図６】ロングベンチカット工法等への適用例図であ
る。

【図７】他のロングベンチカット工法等への適用例図で
ある。

【図８】ミニベンチカット工法等への適用例図である。

【図９】インバート掘削への適用例図である。

【図１０】従来の自由断面掘削機５０の側面図である。

【図１１】従来の自由断面掘削機５０によるベントカッ
ト工法図である。

【符号の説明】

１…自由断面掘削機、２…掘削機本体、３…掘削部、４
…クローラ部、５Ａ〜５Ｄ…アウトリガー、６…ポスト
フレーム、７…第１カッターブーム（サポートフレー
ム）、８…第２カッターブーム、９…カッタードラム、
１０・１１・１４・１５…油圧シリンダー、２２…ケー
ブルリール、２３…ケーブルガイド、Ｉ…上部半断面、
II…下部半断面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 稔 東京都千代田区岩本町１丁目２番地 佐藤 工業株式会社関東支店内 (72)発明者 風間 日出夫 東京都千代田区岩本町１丁目２番地 佐藤 工業株式会社関東支店内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネル掘削断面を上部半断面と下半断面
   とに分割し、自由断面掘削機により上部半断面、下部半
   断面を併進して掘削するベンチカット工法において、 前記自由断面掘削機は、カッターブームの中間で屈曲自
   在とされるヒンジ型カッターブームとされ、掘削機の設
   置面より下側領域を掘削可能とした掘削機であり、 前記上部半断面の底盤上に前記自由断面掘削機を配置
   し、 前記上部半断面側において所定長の掘削を終えたならば
   下部半断面切羽側に移動し、上部半断面の底盤上に位置
   した状態から下部半断面の掘削を行う工程の繰り返しに
   よって、順次上部半断面と下部半断面の掘削を交互に行
   うようにしたことを特徴とするトンネルの機械掘削方
   法。
2. 【請求項２】トンネル掘削断面を上部半断面と下半断面
   とに分割し、自由断面掘削機により上部半断面、下部半
   断面を併進して掘削するベンチカット工法において、 前記自由断面掘削機は、カッターブームの中間で屈曲自
   在とされるヒンジ型カッターブームとされ、掘削機の設
   置面より下側領域を掘削可能とした掘削機であり、 前記上部半断面および下部半断面の掘削をそれぞれの掘
   削箇所に配置された掘削機により同時併行で掘進するよ
   うにし、少なくとも前記下部半断面の掘削側において
   は、前記自由断面掘削機を用い、上部半断面の底盤上に
   位置した状態から下部半断面の掘削を行うようにしたこ
   とを特徴とするトンネル機械掘削方法。
3. 【請求項３】前記下部半断面の掘削時にインバート部の
   掘削をも同時に行うようにする請求項１、２記載のトン
   ネル機械掘削方法。
4. 【請求項４】前記自由断面掘削機のカッタードラムがク
   ロスヘッド型カッタードラムである請求項１〜３記載の
   トンネル機械掘削方法。
5. 【請求項５】トンネル掘削断面を上部半断面と下半断面
   とに分割し、下部半断面の底盤上に配置された自由断面
   掘削機により上部半断面、下部半断面を共に併進して掘
   削するベンチカット工法または全断面を一度に掘削する
   全断面工法において、 前記自由断面掘削機は、カッターブームの中間で屈曲自
   在とされるヒンジ型カッターブームとされるとともに、
   このカッターブームの先端にクロスヘッド型カッタード
   ラムを装備し、前記上部半断面および下部半断面、また
   は全断面の掘削は、掘削ビットが掘削部を上側から下側
   に向けて切削するように前記クロスヘッド型カッタード
   ラムを回転させるオーバーショット掘削により行うこと
   を特徴とするトンネル機械掘削方法。