JPH10169373A

JPH10169373A - トンネル掘削機

Info

Publication number: JPH10169373A
Application number: JP35291196A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kawabata; 雅隆川畑; Hiroshi Wada; 洋和田; Takanori Arii; 孝典有井; Yasuhide Seno; 康英背野; Kenji Suzuki; 憲治鈴木; Takashi Misawa; 孝史三澤
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】断面矩形状、馬蹄形状等の異形断面のトンネ
ルを簡単な構造によって能率よく築造できるトンネル掘
削機を提供する。【解決手段】異形断面の筒状スキンプレート１の前端
開口部に、回転中心が該スキンプレート１の中心線上で
あってスキンプレート１よりも大径の断面円形のトンネ
ルを掘削する掘削カッター２を配設し、この掘削カッタ
ー２によって掘削されたトンネルと上記スキンプレート
１の外周面間に形成される余掘部14に掘削土砂を埋め戻
し、この掘削土砂に固化材15を注入して掘削カッター２
の外径端部の背面に突設した攪拌翼３により掘削土砂と
攪拌混合してスキンプレート１と同一断面形状の改良地
盤層16を形成し、この改良地盤層16の内周面に覆工セグ
メントを施工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は断面矩形状、多角形
状、馬蹄形状、楕円形状等の異形断面のトンネルを掘削
するトンネル掘削機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】地中に下水道や地下通路等のトンネルを
掘削する際に、計画トンネルが市街地下である場合には
法的にも種々の制約を受けるため、制限された地中によ
り効率的にトンネルを築造する必要が生じる。この場
合、円形断面のトンネルを掘削するよりもこの円形断面
に外接する異形断面形状のトンネルを掘削した方がより
有効なトンネル空間を得ることができる。

【０００３】このような異形断面、例えば、断面矩形状
のトンネルを掘削するシールド掘削機としては、従来か
ら掘削機本体を断面矩形状に形成すると共に該本体の前
端開口部に本体の断面形状に合わせた掘削手段を設けて
この掘削手段を駆動することにより断面矩形状のトンネ
ルを掘削するように構成したシールド掘削機が知られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、掘削機
本体の断面形状に合わせた掘削手段としては、ドラムカ
ッター方式や遊星カッター方式等のような掘削方式を採
用しているために、従来の断面円形のトンネルを掘削す
るシールド掘削機の掘削手段である円形の面板カッター
や複数本の掘削アームを放射状に設けたスポーク方式の
ように、スキンプレートの中心を回転中心として回転す
る掘削手段とは異なって、その掘削手段を複雑な動きで
もって作動させなければならず、従って、構造が複雑化
して装置全体がコスト高になるばかりでなく、掘進時に
厳密な動作制御が必要となり、構造面、施工管理面にお
いても問題があった。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは簡易な掘削手段によ
り矩形断面等の異形断面のトンネルを簡単且つ能率よく
掘削し得るトンネル掘削機を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のトンネル掘削機は、断面形状が非円形であ
る異形断面の筒状スキンプレートと、このスキンプレー
トの前端開口部に配設され且つ該スキンプレートの中心
を回転中心としてスキンプレートに回転自在に支持され
た掘削カッターと、この掘削カッターの回転駆動手段
と、掘削土砂の搬出手段とを備えたトンネル掘削機であ
って、上記掘削カッターによる掘削断面形状は円形であ
り且つその掘削径が上記スキンプレートの最大径よりも
大径に形成してなる構造としている。

【０００７】請求項２に係る発明は、上記構造のトンネ
ル掘削機において、スキンプレートの前端外周部に、掘
削されたトンネル壁面とスキンプレートの外周面との間
の余掘部に固化材を注入する固化材噴出口を設けている
と共に、スキンプレートから外径方向に突出した掘削カ
ッターの外径端部に後方に向かって固化材と掘削土砂と
の混合攪拌手段を突設していることを特徴とするもので
あり、請求項３に係る発明は、上記スキンプレートの少
なくとも前部を前端に向かって縮径方向に傾斜した傾斜
周壁部に形成していることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】掘削カッターを回転させながらトンネル掘削機
を推進させると、掘削カッターによって円形断面のトン
ネルが掘削される。一方、トンネル掘削機のスキンプレ
ートは上記掘削カッターの掘削径よりも小径の異形断面
形状に形成されているので、掘削カッターによって掘削
された円形断面のトンネル内に、この円形の掘削壁面と
該スキンプレートの外周面との間に余掘部を存した状態
で円滑に進入していく。掘削土砂はスキンプレートの前
端開口部から機内に取り込まれて搬出手段により後方に
搬出されるが、この際、その取り込み量を調整すること
によって掘削土砂の一部をスキンプレートの外周面から
突出した掘削カッターの外径端部から後方の上記余堀部
に埋め戻しを行い、この土砂によってスキンプレートを
包み込ませて支持させながらトンネル掘削機を推進す
る。

【０００９】スキンプレートの後端部内においては、ス
キンプレートと同一断面形状の覆工セグメントを組立て
ゝトンネル掘削機の掘進に従って後方に送り出し、上記
余掘部に埋め戻した地盤の内周面に裏込み注入材を介し
て覆工する。この覆工セグメントの前端面にトンネル掘
削機の推進反力を支持させてトンネル掘削機を掘進させ
ながら異形断面形状の覆工トンネルを築造していく。

【００１０】上記のように、掘削カッターによって掘削
される円形断面のトンネル内に該断面形状よりも小径の
異形断面形状の覆工トンネルを築造していくものである
が、この際、請求項２に記載したように、スキンプレー
トの前端外周部に、円形の掘削壁面とスキンプレートと
の外周面との間の上記余掘部に固化材を注入する噴出口
と、スキンプレートから外径方向に突出した掘削カッタ
ーの外径端部に後方に向かって突設した攪拌手段とを備
えておくことが望ましい。

【００１１】このように構成しておくと、余掘部に埋め
戻される土砂に固化材が攪拌混合されて崩壊が生じ難い
強固な土質に改良され、この改良地盤層の内周壁面に対
する上記覆工セグメントの施工が円滑に行えると共に該
改良地盤層が覆工セグメントの保護する一次覆工層とな
り、地下水の浸入も防止することができる。なお、この
改良地盤層をスキンプレートが通過する前に固化材が硬
化するとトンネル掘削機の推進が困難となるので、トン
ネル掘削機の通過後に固化材が硬化するように調整して
おくか、或いは、改良地盤層とスキンプレートとの間に
滑材を注入してトンネル掘削機の掘進を可能にする。

【００１２】また、請求項３に記載したように、上記ス
キンプレートの前部を前端に向かって縮径方向に傾斜し
た傾斜周壁部に形成しておくと、掘削カッターによる上
記余掘部がカッター背面側から後方に向かって徐々に幅
狭くなるので、該余掘部に埋め戻される土砂がスキンプ
レートの傾斜周壁部によって徐々に圧締めされて一層強
固な改良地盤層に形成することができると共に、該スキ
ンプレートの傾斜周壁部に向かって混合攪拌手段を突設
した構造とし得るから、スキンプレートから突出する掘
削カッター径の突出量をできる限り小さくすることがで
き、従って、上記余掘量が縮小されて効率のよい異形断
面の覆工トンネルを築造が可能となるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態を図
面について説明すると、図１乃至図３において、トンネ
ル掘削機は断面形状が矩形状のスキンプレート１と、こ
のスキンプレート１の前端開口部に回転自在に配設され
てスキンプレート１の対角線の長さよりも大径の円形ト
ンネルを掘削する掘削カッター２と、該掘削カッター２
の背面に一体に設けている攪拌翼３からなる土砂混合攪
拌手段とを備え、さらに、上記スキンプレート１内には
掘削カッター２の回転駆動手段４と、掘削土砂の搬出手
段５と、固化材注入手段６と、推進ジャッキ７とを備え
ているものである。

【００１４】スキンプレート１は全長に亘って同一大き
さの断面矩形状に形成しておいてもよいが、図１に示す
ように、前部以外の部分を同一径（対角線の長さが同一
長）に形成していると共に前部を前端に向かって縮径方
向に徐々に傾斜させて横向き截頭角錐形状の傾斜周壁部
1aに形成している。この傾斜周壁部1aの開口前端には矩
形枠８が一体に固着されていると共に該矩形枠８の後端
に隔壁板8aを固着し、さらに矩形枠８の前端に支持フレ
ーム8bを放射状に設けて該支持フレーム8bと隔壁板8aと
の間の空間部を土砂取込室９に形成していると共にスキ
ンプレート１の中心線上における隔壁板8aと支持フレー
ム8bとの中心部に上記掘削カッター２の回転軸2bを回転
自在に挿嵌、支持し、隔壁板8aの背面に装着した駆動モ
ータよりなる回転駆動手段４により該回転軸2bの前端に
固着した掘削カッター２を回転させるように構成してい
る。なお、上記スキンプレート１は全長に亘って前端か
ら後端に向かうに従って拡径する横向き截頭角錐形状の
傾斜周壁部に形成しておいてもよい。

【００１５】この掘削カッター２は、図２に示すよう
に、回転軸2bの前端から外径方向に向けて放射状に突設
し且つ両側縁部に長さ方向に小間隔毎にカッタビット2c
を突設している４本の掘削アーム部材2aからなり、各掘
削アーム部材2aをその外径端部が正面から見た場合に上
記スキンプレート１の隅角部から外径方向に突出した長
さに形成してこの掘削カッター２により掘削される円形
のトンネルの掘削径が上記スキンプレートの最大径、即
ち、対角線の長さよりも大径となるように形成してい
る。さらに、各掘削アーム部材2aの外径端部の背面に上
記スキンプレート１の傾斜周壁部1aの外周面に向かって
上記攪拌翼３からなる土砂混合攪拌手段を突設してい
る。

【００１６】さらに、スキンプレート１内の前部には、
前端から後端に向かって斜め上向きに傾斜しているスク
リューコンベアからなる上記土砂搬出手段５を配設し、
この土砂排出手段５の前端開口部5aを上記土砂取込室９
の下部内に臨ませていると共に後端部に設けた土砂排出
口5bを排土ポンプ10を有する排土管11に連結、連通させ
ている。5cは土砂搬出手段５の回転駆動用モータであ
る。

【００１７】上記固化材注入手段６は、スキンプレート
１の傾斜周壁部1aの開口端の複数個所に外径方向（トン
ネル掘削壁面）に向けて開口した固化材噴出口6aを設け
ていると共にこれらの噴出口6aに固化材供給管6bの先端
を連結、連通させてあり、さらに、該固化材供給管6bの
基端を固化材圧送ポンプ12を介して覆工トンネルＴ内に
設置した固化材槽13に連通させてなるものである。

【００１８】以上のように構成したトンネル掘削機によ
って断面矩形状の覆工トンネルを築造するには、掘削カ
ッター２の回転駆動手段４を駆動すると共にスキンプレ
ート１の後方部で既に組立てられたセグメントＳの前端
面に、スキンプレート１の後部内周面に装着している複
数本の推進ジャッキ７のロッド先端を当接、受止させて
該推進ジャッキ７を伸長させると、トンネル掘削機全体
が前進してその掘削カッター２により円形のトンネルT1
が掘削される。この時、掘削カッター２によって掘削さ
れる円形トンネルT1の直径よりも断面矩形状のスキンプ
レート１の対角線の長さ（最大径）が小さいので、スキ
ンプレート１の上下左右の平坦な四方外壁面と円形トン
ネルT1の掘削壁面との間に正面からみた場合、図２に示
すように直角に隣接する端部同士が互いに連なった断面
弓形形状の余掘部14が形成され、さらに、スキンプレー
ト１の前部においては、該スキンプレート１の傾斜周壁
部1aが前端に向かって縮径する方向に傾斜しているの
で、この傾斜周壁部1aの四方該壁面と円形の掘削壁面T1
との間の余掘部は側面から見た場合、上記余掘部14の前
端から前方に向かって徐々に幅広くなる楔状余掘部14a
に形成され、これらの余掘部14a 、14を介してスキンプ
レート１は前進する。

【００１９】一方、掘削カッター２によって掘削された
土砂は、土砂取込室９内に取込まれて該取込室９に充満
し、スクリューコンベアよりなる土砂搬出手段５によっ
て排土管11に送り出されると共に排土ポンプ10によって
該排土管11を通じて後方に排出されるが、この際、土砂
排出手段５による排出量を調整することによって取込室
９内に取込む土砂量を制限し、全掘削土砂を取込室９に
取り込むことなくその一部を掘削カッター２の外径端部
の後方側に残して上記楔状余掘部14a 内に埋め戻す。

【００２０】さらに、スキンプレート１内において、後
方に設置している固化材槽13からモルタル等の液状固化
材15を圧送ポンプ12を駆動することにより供給管6bを通
じてスキンプレート１の傾斜周壁部1aの前端複数個所に
開口している噴出口6aに圧送し、該噴出口6aから上記楔
状余掘部14a 内に埋め戻された土砂に固化材15を注入す
ると、該土砂と固化材15とは掘削カッター２の回転によ
って該掘削カッター２の外径端部背面に突設している攪
拌翼３で攪拌混合される。

【００２１】このように固化材15と攪拌混合された土砂
は、トンネル掘削機の推進に従って楔状余掘部14a 内の
幅狭い部分に向かって押し込まれ、外径方向に傾斜して
いるスキンプレート１の傾斜周壁部1aにより圧締めされ
て土質が改良された改良地盤層16となり、この改良地盤
層16が上記断面弓形形状の余掘部14内に充填した状態と
なってスキンプレート１の後端から相対的に後方に送り
出された際に、端部同士がスキンプレート１の隅角部外
周で互いに連なったこれらの上下左右の改良地盤層16に
よって内周面がスキンプレート１の外周面に等しい矩形
状周壁面に形成された一次覆工層となるものである。

【００２２】上記改良地盤層16はトンネル掘削機のスキ
ンプレート１が該改良地盤層16内を通過する前に硬化す
ると、スキンプレート１が該改良地盤層16の内面に固着
してトンネル掘削機の掘進ができなくなるので、スキン
プレート１が該改良地盤層16を通過したのちに硬化する
ように予め固化材15の硬化速度を調整しておく。また、
スキンプレート１が通過する前に硬化させたい場合に
は、スキンプレート１の前端から該スキンプレート１の
外周壁面と埋め戻し土砂間にベントナイト等の滑材を注
入、充填して図４に示すように滑材層17を設け、この滑
材層17によってトンネル掘削機の円滑な推進を図るもの
である。

【００２３】こうして改良地盤層16を形成しながら一定
長のトンネルT1が掘削されると、推進ジャッキ７のロッ
ドを収縮させたのち、スキンプレート１の後端部内で図
３に示すように断面Ｌ字状のセグメントＳを直角に隣接
する改良地盤層16、16の内周面に沿うように順次組立て
ゝスキンプレート１の同一断面形状である断面矩形状の
１リング分の覆工セグメントを形成し、この覆工セグメ
ントの前端面に推進ジャッキ７のロッドを押しつけて該
覆工セグメントに推進反力をとって推進ジャッキ７のロ
ッドを伸長させることによりトンネル掘削機を推進さ
せ、上記同様に掘削カッター２によって切羽地盤を掘削
すると共に掘削土砂の一部を余掘部14側に埋め戻して固
化材15と攪拌混合させると共にスキンプレート１の傾斜
周壁部1aによって圧締めしながら改良地盤層16を形成す
る。

【００２４】一方、スキンプレート１内で組立てた上記
セグメント覆工はトンネル掘削機の推進に従ってスキン
プレート１の後端内周面に周設しているテールシール19
にその外周面を摺接させながら後方に送り出されたの
ち、該覆工セグメントと改良地盤層16との間の裏込材18
が注入される。この裏込材18の注入は公知のように、セ
グメントＳの適所に穿設している注入口（図示せず）を
通じてトンネル内から注入される。

【００２５】なお、以上の実施例においては、余掘部14
に埋め戻される土砂に固化材15を注入、混合させたが、
この固化材15の注入を行うことなく、楔状余掘部14a 内
に埋め戻す土砂をスキンプレート１の傾斜周壁部1aによ
って圧締めして改良地盤層16としてもよい。また、スキ
ンプレート１を断面矩形状に形成しているが、図５に示
すように断面縦長長方形状に形成したもの、図６に示す
ように断面卵形状のもの、図７に示すように断面馬蹄形
状のもの等、要するに非円形の異形断面形状であればよ
い。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明のトンネル掘削機に
よれば、断面形状が非円形である異形断面の筒状スキン
プレートと、このスキンプレートの前端開口部に配設さ
れ且つ該スキンプレートの中心を回転中心としてスキン
プレートに回転自在に支持された掘削カッターと、この
掘削カッターの回転駆動手段と、掘削土砂の搬出手段と
を備えたトンネル掘削機であって、上記掘削カッターに
よる掘削断面形状は円形であり且つその掘削径が上記ス
キンプレートの最大径よりも大径に形成しているので、
非円形の異形断面に形成された筒状スキンプレートの断
面形状に応じた異形断面トンネルを築造することがで
き、しかも、掘削カッターは通常の円形トンネルを掘削
する場合と同様に、スキンプレートの中心を回転中心と
して回転するように構成しているので、全体の構造が極
めて簡易化され、且つその制御も容易となるものであ
る。

【００２７】さらに、掘削カッターによって掘削される
円形断面のトンネル径よりも上記スキンプレートが小径
の異形断面形状に形成されているので、掘削された円形
のトンネル内に該トンネル掘削壁面とスキンプレートと
の外周面間に余掘部を生じさせた状態でトンネル掘削機
を円滑に推進させていることができると共に上記余掘部
に掘削土砂の一部を埋め戻してトンネルの一次覆工層を
能率よく形成することができる。

【００２８】また、請求項２に係る発明によれば、スキ
ンプレートの前端外周部に、掘削されたトンネル壁面と
スキンプレートの外周面との間の上記余掘部に固化材を
注入する固化材噴出口を設けていると共に、スキンプレ
ートから外径方向に突出した掘削カッターの外径端部に
後方に向かって固化材と掘削土砂との混合攪拌手段を突
設しているので、余掘部に埋め戻される土砂に固化材を
攪拌混合して崩壊が生じ難い強固な土質に改良すること
ができ、従って、この改良地盤層の内周壁面に対する上
記覆工セグメントの施工が円滑に行えると共に該改良地
盤層が覆工セグメントの保護する一次覆工層となり、地
下水の浸入も防止することができる。

【００２９】また、請求項３に係る発明によれば、上記
スキンプレートの前部を前端に向かって縮径方向に傾斜
した傾斜周壁部に形成しているので、掘削カッターによ
る上記余掘部をカッター背面側から後方に向かって徐々
に幅狭くなるように形成することができ、従って、該余
掘部に埋め戻される土砂をスキンプレートの傾斜周壁部
によって徐々に圧締めして一層強固な改良地盤層に形成
することができると共に、該スキンプレートの傾斜周壁
部に向かって混合攪拌手段を突設した構造とし得るか
ら、スキンプレートから突出する掘削カッター径の突出
量をできる限り小さくすることができ、従って、上記余
掘量が縮小されて効率のよい異形断面の覆工トンネルを
築造が可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】異形断面トンネルを掘削しているトンネル掘削
機の簡略縦断側面図、

【図２】その正面図、

【図３】スキンプレートの後端部の縦断正面図、

【図４】スキンプレートの外周面に滑材層を設けた場合
の簡略縦断側面図、

【図５】断面縦長長方形のスキンプレートの縦断正面
図、

【図６】断面卵形状のスキンプレートの縦断正面図、

【図７】断面馬蹄形状のスキンプレートの縦断正面図。

【符号の説明】

１スキンプレート 1a 傾斜周壁部２掘削カッター３攪拌翼４回転駆動手段５搬出手段６固化材注入手段７推進ジャッキ９土砂取込室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有井孝典大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号株式会社奥村組内 (72)発明者背野康英大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号株式会社奥村組内 (72)発明者鈴木憲治大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号株式会社奥村組内 (72)発明者三澤孝史大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号株式会社奥村組内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面形状が非円形である異形断面の筒状
スキンプレートと、このスキンプレートの前端開口部に
配設され且つ該スキンプレートの中心を回転中心として
スキンプレートに回転自在に支持された掘削カッター
と、この掘削カッターの回転駆動手段と、掘削土砂の搬
出手段とを備えたトンネル掘削機であって、上記掘削カ
ッターによる掘削断面形状は円形であり且つその掘削径
が上記スキンプレートの最大径よりも大径であることを
特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】スキンプレートの前端外周部に、掘削さ
れたトンネル壁面とスキンプレートの外周面との間の余
掘部に固化材を注入する固化材噴出口を設けていると共
に、スキンプレートから外径方向に突出した掘削カッタ
ーの外径端部に後方に向かって固化材と掘削土砂との混
合攪拌手段を突設していることを特徴とする請求項１記
載のトンネル掘削機。
【請求項３】上記スキンプレートの少なくとも前部を
前端に向かって縮径方向に傾斜した傾斜周壁部に形成し
ていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のト
ンネル掘削機。