JP2596802B2 - リングカット式掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、リングカット式掘削機に関し、更に詳細に
は、地圧が高い深層部、特に第三紀〜第四紀の泥岩層又
は砂岩層等において、大径のトンネルを掘削及び覆工す
る際に適したリングカット式掘削機に関する。

＜従来の技術＞ 従来、トンネルの構築方法としては、トンネルの全断
面を一度に掘削しながら、後方をセグメント又は場所打
ちコンクリートで覆工するシールド工法又はナトム工法
等が知られているが、これらの工法を用いて、地圧の高
い場所に、トンネルを構築する場合には、掘削された坑
道を、高い地圧から保護するために、前記セグメント又
は場所打ちコンクリートの厚みを増大する必要がある。

しかしながら、例えば地下200〜1000m程度の深層部に
大径トンネルを構築する場合、約100〜200kg/cm²程度の
非常に高い地圧がかかるため、前記シールド工法又はナ
トム工法等の従来のトンネル構築方法では、覆工部を形
成する以前に、トンネルの変形及び崩壊が生じ、例えば
高圧ジェットグラウト工法等を用いて、予めトンネル周
辺にグラウト材を注入して、地盤強度を増強しても、不
十分と考えられ、現状のシールド工法又はナトム工法等
では、前記深層部にトンネルを構築することは不可能と
思われる。

また、土地不足問題等に鑑み、昨今では深層部に建設
可能と考えられる、例えば超電導電力貯蔵所、地下発電
所、地下変電所、圧縮空気貯蔵所、燃料貯蔵所等の要請
が現実化されようとするに及んで、これらに適した直径
10〜50m程度の大径のトンネルを構築する方法及びこの
ようなトンネルを掘削する掘削機の開発が望まれてい
る。

＜発明が解決しようとする課題＞ 本発明は、前記要望に基づくもので、その目的は、地
圧の高い場所を、効率よく掘削することができるリング
カット式掘削機を提供することにある。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、前記課題を解決したものであり、その要旨
とするところは、トンネルの外殻部をリング状に掘削
し、その内側上方部に補助坑を掘削する複合形掘削機で
あり、この複合型掘削機が掘削機本体の前面に設置した
リング状のビームに沿って、走行可能な駆動手段及び自
回転手段を備えた複数の回転駆動式カッタと、前記ビー
ムの内側上方部に先端に自回転ヘッドを有するカッタを
伸縮及び方向自在に可動し得る駆動アームに備えたブー
ムカッタとからなるリングカット式掘削機にある。上記
の回転駆動式カッタの自回転と、ブームカッタの自回転
手段は電動モータ等による公知の回転手段を含むもので
あるが、回転駆動式カッタの走行手段はビーム３のラッ
クに沿って走行する歯車の外にチェーン又はワイヤロー
プに沿って電動モータ等で移動するものを含み、またブ
ームカッタの駆動アームは油圧シリンダやユニバーサル
ジョイントを用いて伸縮及び自由断面内に方向自在に可
動できるようにしたものなどが考えられる。

なお、トンネル外殻部としてのリング状の掘削は、楕
円形の他に真円、馬蹄形等の無端のものであってもよ
く、またトンネル補助坑は上記リング状掘削に連通した
もの、分離したものであってもよい。

＜実施例＞ 以下にこの発明の実施例を図面を参照して、詳細に説
明するが、本発明は、これらに限定されるものではな
い。

第１図に示すとおり、１はリングカット式掘削機であ
り、該リングカット式掘削機１の本体フレーム上方はシ
ールドにおける半楕円形のルーフプレート60と半楕円形
の内側枠61とによって形成されており、該ルーフプレー
ト60と内型枠61とは後述の場所打ちコンクリートの型枠
として用いられる。本体フレーム前部には、リング状に
形成されたビーム３が設置されており、該ビーム３には
所定の間隔をおいて回転駆動式カッタ２が７個配設され
ている。前記夫々の回転駆動式カッタ２は、第２図及び
第３図に示すとおり、自回転手段としての電動モータ21
が、コの字型のフレーム20によって支持されており、該
モータ21の回転作用はモータ21に連設される減速機22、
回転シャフト23を介して、カッタヘッド25に伝達され、
カッタヘッド25が毎分数回転で自回転する。該カッタヘ
ッド25は円柱形であって、その直径は、ビーム３とフレ
ーム20との最大幅よりも広いものであり、カッタヘッド
25の外周及び切羽と接する先端面には、切羽を掘削する
ためのビット26が突出して複数個配設されている。また
前記フレーム20には、回転駆動式カッタ２がビーム３に
沿って走行するための駆動手段として電動モータ27が支
持されており、該モータ27の回転作用は、電動モータ27
に連設される減速機28、回転シャフト29を介して、ビー
ム３内に設けられたビーム走行用のラック33に歯合され
ているカッタ走行用歯車31へ伝達される。従ってカッタ
走行用歯車31が回転することによって、フレーム20に設
けられたビーム走行用支持体32がビーム３内に設けたラ
ック33に沿って摺動し、これにより自回転する回転駆動
式カッタ２をビーム３に沿って走行させることができ
る。なお、回転駆動式カッタ２は別途設けた制御機構に
よりカッタ走行用歯車31の回転方向を制御してビーム３
に対して時計方向又は反時計方向に走行させることもで
きる。

また第４図〜第６図に示す、前記回転駆動式カッタ２
の他の実施例は、夫々の回転駆動式カッタ2aが同時に、
同一方向に走行するものである。前記回転駆動式カッタ
2aには、自回転手段としての電動モータ21aが本体フレ
ーム20a内に設置されており、該モータ21aの回転作用
は、モータ21aに連設される減速機22a、回転シャフト23
aを介して、カッタヘッド25aに伝達され、カッタヘッド
25aが毎分数回転で自回転する。カッタヘッド25aには、
前記カッタヘッド25と同様に切羽を掘削するためのビッ
ト26aが配設されている。さらにまた、リング状に形成
されたビーム3aの両側面には、チャンネル48,49が設け
られており、該チャンネル48には、チェーン45がリング
状に回動し得るよう設置されている。該ビーム3aの後部
には、電動モータ40が間隔をおいて４箇所設置されてい
る。該モータ40の回転作用は、モータ40に連結する減速
機41、回転シャフト42を介してカッタ走行用歯車44に伝
達される。該カッタ走行用歯車44は、前記チェーン45と
咬合しており、またフレーム20aの凸部46がチェーン45
に止着されているので、カッタ走行用歯車44を回転させ
ることにより、自回転する駆動式カッタ2aをチェーン45
と共に、ビーム3aに沿って走行させることができる。な
お、フレーム20aの凸部47は、ビーム3aに設けられたチ
ャンネル49に沿って摺動しながら回動させることができ
る。

前記ビーム３の内側後方部には、トンネル補助坑６を
形成する上方部とその下方の地山とを仕切るための仕切
板５が設けられており、該仕切板５の前方上部には、ブ
ームカッタ４が前記回転駆動式カッタ２より先行するよ
うに設置される。第７図、第８図に示すとおり、前記ブ
ームカッタ４において、50はフレームであり、該フレー
ム50にはフレーム50a、フレーム50b及びフレーム50cが
取り付けられており、また方向自在に可動し得る駆動ア
ーム51がユニバーサルジョイントによって枢着されてい
る。該駆動アーム51は、ピストン（図示せず）を内設し
た油圧シリンダー52とカッタヘッド54を回転させるため
の電動モータ（図示せず）を内設した支持アーム53とが
連設されており、該油圧シリンダーを調整することによ
って、支持アーム53を伸縮させることができる。前記カ
ッタヘッド54の外周及び先端面には、切羽を掘削するた
めのビート55が配設されており、前記支持アーム53を伸
縮作動し、カッタヘッド54を回転させることにより切羽
を掘削することができる。また、前記フレーム50aに枢
着される油圧シリンダー57を連結した支持アーム56によ
って、前記駆動アーム51を上下運動させ、さらに前記フ
レーム50b,50cに枢着される油圧シリンダー70,71を連結
した支持アーム58,59によって前記駆動アーム51を左右
運動させることができる。すなわち前記各油圧シリンダ
ーを調整し、駆動アーム51を方向自在に可動させて、ブ
ームカッタ４の前方の切羽面を自由断面に掘削すること
によって、トンネル外殻部の内側上方部に第１図に示す
ようなトンネル補助坑６を形成することができる。

第１図において、ビーム３の後方には、中空部が形成
され、そのさらに後部には、該ビーム３とほぼ同一な形
状、幅及び高さを有し、且つ泥水導入管８と掘削ズリ排
出管９とを備える本体フレーム７が形成されている。該
泥水導入管８及び掘削ズリ排出管９は夫々本体フレーム
７の内部に配管され、トンネル補助坑６を通して、リン
グカット式掘削機１の外部まで延長して配設される。前
記本体フレーム７の後部には、場所打ちコンクリート
（覆工材）を圧入して覆工するためのジャッキ群10とプ
レスリング10aとがリング状に形成されている。またル
ーフプレート60の内側には、半楕円形の内型枠61が形成
されており、該内型枠61及び該プレスリング10aの後部
に形成される覆工部空間（図示せず）に覆工材を圧入す
るための、コンクリート供給管11がトンネル補助坑６内
を通って内型枠61及び本体フレーム７に連結されてお
り、該コンクリート供給管11より覆工材を流し込んだ後
に、前記ジャッキ群10を伸長させて、リング状に形成さ
れたプレスリング10aにて、覆工材を圧縮することによ
って、リングカット式掘削機１の後方に順次リング状の
覆工材を打設することができる。

次に前記リングカット式掘削機１を用いた大径トンネ
ルの構築方法の一実施例を第９図を参照しながら説明す
る。まず先行するブームカッタ４を切羽に当てて方向自
在に駆動させ、予定されるトンネルの上方部を半楕円形
に乾式状態で掘削し、続いて、本体フレーム７に設置さ
れた泥水導入管８より泥水を導入しながら、リング状の
ビーム３に配設された回転駆動式カッタ２を自回転さ
せ、且つビーム３に沿って走行させることにより仕切板
５の下方部を湿式状態で、また上方部を乾式状態によっ
て掘削していき、仕切板５の上方にトンネル補助坑６を
形成しながら切羽をリング状に掘削する。前記ブームカ
ッタ４及び回転駆動式カッタ２は、トンネル補助坑６を
先行して形成しながら同時に各々前方の切羽を掘削して
いく。掘削によって生じたズリは仕切板５の下方部に位
置する本体フレーム７に配設された掘削ズリ排出管９よ
り泥水として吸い込まれ、トンネル補助坑６に延長して
配設された前記掘削ズリ排出管を通してトンネル外部へ
排出される。続いて、前記本体フレーム７の後部に隣接
されるジャッキ群10及びプレスリング10aを収縮し、覆
工材を圧入すべきリング状に掘削した外殻部の覆工部空
間62を形成させた後に、トンネル補助坑６の上部に配設
され、且つ型枠として作用する内型枠61及び本体フレー
ム７に連結されたコンクリート供給管11より、覆工材を
前記外殻部の空間62及び内型枠61内に圧入させる。圧入
された覆工材を、前記ジャッキ群10を伸長させて、プレ
スリング10aによって圧密し、リング状のトンネル覆工
部63を形成しながらリングカット式掘削機１をジャッキ
の反力によって前方に推進させる。こうして再び、仕切
板５の上方部を乾式状態、下方部を湿式状態として前記
掘削機による掘削を行い、ジャッキによる推進掘削を実
施した後、再び覆工材の覆工を行う。すなわち第９図
は、掘削機による掘削及び推進を行って、プレスリング
10a外側に覆工材を充てんした後の状態を示し、このと
き、ジャッキ群10は最も収縮した状態を示す。次に第10
図は、ジャッキ群10を伸長し、覆工材を圧密すると共に
掘削機を推進させた状態を示し、この際内型枠61も同時
に推進する。尚、覆工材の圧密と掘進とを同時施工せず
に、圧密後覆工材が十分に硬化した後に掘進させること
もできる。このように第９図及び第10図に示す工程を繰
り返すことによって、切羽をリング状に掘削しながら後
方に覆工部を打設していき、打設硬化後のトンネル覆工
部の内側地山を後方から順次掘削すること、すなわち芯
抜きを行うことによって地圧の非常に高い深層部に大径
トンネルを構築することができる。

なお、前記実施例では、ズリの搬出、排出および覆工
材搬入等をトンネル補助坑６内を通して行ったが、例え
ばズリの搬出、排出坑等を下方部に形成することもでき
る他、前記トンネル補助坑６内において、回転駆動式カ
ッタ２を交換、修理することも可能である。また予定さ
れるトンネルの形状及び大きさに合わせて例えば馬蹄
形、卵形、長円形等の無端の大径トンネルを構築するこ
ともできる。

更に本発明のリングカット式掘削機を用いたトンネル
構築方法は深さ200〜1000m程度の深層部等で行なわれる
ために、無人化にて行うことが安全面からも好ましく、
次に、第11図を参照しながら、遠隔操作によるトンネル
構築方法を説明する。第11図は遠隔地におけるトンネル
構築制御装置を示すブロック図であり、100は、予定さ
れたトンネルの軌道及び運転情報等を予めインプットし
た遠隔操作装置を備えた制御管理装置であり、101は、
駆動信号発信装置及び現在の作業状況、位置を検出し、
信号として発信する装置であ、102は構築現場の作業指
示及び位置検出装置であって、100で制御された情報を1
01を介して、駆動信号として102に送信し、深層部にて
トンネルを構築しながら常時その状況、作業位置を101
を介して100に送信する。送信されたデータを再び100で
計算、制御を行い、その情報を101を介いて102に送信し
ながら、例えば、地上等の遠隔地において作業を全て制
御しながらトンネルを構築することができる。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、トンネル外殻部を小断面掘削するこ
とにより、地山の変形を極力小さくして掘削することが
でき、しかもこの空間部を早期にコンクリートで充填し
てしまうので余掘りが少なく地圧の高い場所において、
効率よく施工することが可能なリングカット式掘削機を
提供することができる。また、任意の掘削断面形状に合
わせたビームを製作することが可能であるので掘削断面
形状を比較的自由に設計することができる。更にトンネ
ル補助坑より部品の修理、交換を容易に行うことが可能
であり、特にビットの摩耗が激しく、施工中においてビ
ットの交換が要求される回転駆動式カッタは、ビームに
添って補助坑部に導き、修理・交換作業をすることがで
きるため各種用途の構造物の建設に適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は覆工部を含む本発明のリングカット式掘削機の
概略図、第２図は回転駆動式カッタを備えたビームの横
一部断面図、第３図はビームの一部を示す一部透視斜視
図、第４図は回転駆動式カッタを備えたビームの他の実
施例を示すチャンネル一部断面図、第５図は同じく縦一
部断面図、第６図は、同じく一部斜視図、第７図はブー
ムカッタの側面図、第８図はブームカッタの正面図、第
９図はトンネル構築方法を示す施工要領図、第10図は同
じく施工要領図、第11図は、遠隔地におけるトンネル構
築制御装置を示すブロック図を示す。 １……リングカット式掘削機、２……回転駆動式カッ
タ、３……ビーム、４……ブームカッタ、６……トンネ
ル補助坑、８……水導入管、９……泥水排出管、10……
ジャッキ群、11……コンクリート送出管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 配野 均 東京都港区北青山２丁目５番８号 株式 会社間組内 (72)発明者 藤本 明生 東京都港区北青山２丁目５番８号 株式 会社間組内 (56)参考文献 特開 昭62−296097（ＪＰ，Ａ) 特公 昭36−14777（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭42−5789（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭47−10954（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネルの外殻部をリング状に掘削し、そ
   の内側上方部に補助坑を掘削する複合形掘削機であり、
   この複合型掘削機が掘削機本体の前面に設置したリング
   状のビームに沿って、走行可能な駆動手段及び自回転手
   段を備えた複数の回転駆動式カッタと、前記ビームの内
   側上方部に先端に自回転ヘッドを有するカッタを伸縮及
   び方向自在に可動し得る駆動アームに備えたブームカッ
   タとからなるリングカット式掘削機。