JP3970133B2 - トンネル掘削機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤層、軟弱土砂層、山岳層などを掘削してトンネルを構築可能なトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、土圧式シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが駆動回転自在に装着される一方、後部に掘削機本体を前進させる多数のシールドジャッキが装着されると共に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装置が装着され、また、掘削機本体の前後方向に沿って掘削土砂を排出するスクリューコンベヤが配設されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転しながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの反力を得て掘削機本体が前進することで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削してスクリューコンベヤにより掘削土砂が外部に排出されると共に、エレクタ装置が既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けてトンネルを構築する。
【０００３】
このような土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削作業にて、重要な構造物の下方や埋設物の近傍を掘削するとき、掘削地盤が軟弱であるとき、また、大深度トンネルを掘削するときなどは、地山の崩壊などの虞があるため、周辺の地盤に薬材を注入して地盤を改良する必要がある。従来、前方の地盤に対して薬材を注入する先行注入装置は、カッタヘッドの後部に設けられており、掘削作業を一時停止した状態でカッタヘッドから前方に向けて注入管を所定長さ打設し、この注入管を通して地盤に薬材を圧入している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、先行注入装置により切羽に注入管を打設し、薬材をこの注入管を通して地盤に圧入して周辺の地盤改良を行っているが、シールド掘削機の周囲の広い範囲にわたって地盤改良を行う必要がある。ところが、従来の先行注入装置はカッタヘッドの後部に設けられているため、この一つの先行注入装置を用いて切羽に対してたくさんの位置に注入管を打設して薬材を圧入しなければならず、作業が面倒になると共に長い作業時間が必要となり、作業効率が良くないという問題がある。また、作業者が先行注入装置を使用する場合、機内からチャンバに入らなければならず、このチャンバにある土砂を全て排出しなければならずに作業時間が長くなると共に作業者の安全性を確保することが困難となる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、地盤補強作業の作業性の向上並びに装置の簡素化を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００６】
【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請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、前記掘削機本体の後部に旋回自在に装着された旋回リングと、該旋回リングに装着されて掘削壁面に沿って覆工部材を組み付けるエレクタ装置と、前記旋回リングに装着されて切羽に対して固化材を注入する先行注入装置とを具え、前記先行注入装置は、所定長さの注入管を連結して前方に延出可能であると共に、前記掘削機本体の前部に設けられたバルクヘッドに該注入管を挿通して切羽へ送り込む支持管を装着し、前記バルクヘッドは、前記旋回リングに同期して前記掘削機本体に周方向回動可能に支持されたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明のトンネル掘削機では、前記先行注入装置を周方向に沿って複数配設したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明のトンネル掘削機では、前記旋回リングに掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置を装着したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明のトンネル掘削機では、前記カッタは前記掘削機本体の外径より若干大きい掘削範囲を有し、該掘削機本体の前部に該掘削機本体と前記カッタが掘削した掘削壁面との空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置を設け、前記ロックボルト挿入装置は前記空間部に注入されたモルタルを貫通して前記ロックボルトを地山に挿入することを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明のトンネル掘削機では、前記旋回リングに掘削壁面に対してセメントを吹き付けて塗装する吹付装置を装着したことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図２に本実施形態のシールド掘削機の正面視、図３に図１のIII−III断面、図４に図１のIV−IV断面、図５に図１のＶ−Ｖ断面、図６に図２のVI−VI断面、図７に周辺地盤の補強状態を表す概略、図８に本実施形態のトンネル掘削機に掘削する地盤の概略を示す。
【００１６】
本実施形態のトンネル掘削機は、図８に示すように、地盤の大深度領域（４０〜５０ｍ）にトンネルを施工する際に用いられるものであり、例えば、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化しても、掘削仕様を一部変更するだけで継続してトンネルを掘削可能となっている。この場合、具体的には、軟弱土砂層ＧS を掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴL から搬入し、この軟弱土砂層ＧS を所定距離掘削すると、土圧式シールド掘削機Ａから岩盤層ＧR を掘削可能なトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）Ｂに変更し、この岩盤層ＧR を継続して掘削することで、大深度用トンネルＴS を掘削可能としている。
【００１７】
本実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機Ａにおいて、図１及び図２に示すように、円筒形状をなす掘削機本体１１の前部にバルクヘッド１２が設けられ、このバルクヘッド１２には支持部材１３により回転体１４が回転自在に支持されている。この回転体１４には複数の連結ビーム１５によりカッタヘッド１６が連結されており、カッタヘッド１６は掘削機本体１１の外径より若干大きく形成され、前面部に岩盤をせん断破壊するディスクカッタ１７や軟弱地盤を掘削可能なカッタビット１８が多数装着されると共に、土砂取込開口部１９が形成されている。一方、回転体１４の後部に内歯を有するリングギア２０が一体に固定される一方、支持部材１３に複数のカッタ旋回モータ２１が固定されており、このカッタ旋回モータ２１の駆動ギヤ２２がリングギヤ２０に噛み合っている。
【００１８】
従って、カッタ旋回モータ２１を駆動して駆動ギヤ２２を回転駆動すると、この駆動ギヤ２２が噛み合うリングギヤ２０が回転し、このリングギヤ２０と連結ビーム１５を介して連結されたカッタヘッド１６を旋回し、ディスクカッタ１７やカッタビット１８が地盤を掘削し、発生したずりを土砂取込開口部１９から掘削機本体１１の内部に取り込むことができる。
【００１９】
また、掘削機本体１１の後部には支持フレーム２３が固定されており、この支持フレーム２３は既設トンネルのほぼ中心部を後方に延出され、後端部にこの支持フレーム２３を水平状態に維持する図示しないシュージャッキが装着されている。そして、掘削機本体１１の後方にて、リヤグリッパ２４が支持フレーム２３に対して前後移動自在に設けられており、このリヤグリッパ２４は、図示しないが、グリッパジャッキによって既設トンネルの壁面に圧接して位置保持する一対のグリッパシューを有している。
【００２０】
そして、掘削機本体１１とこのリヤグリッパ２４との間には推進ジャッキとしての油圧の給排によって伸縮作動する複数本のスラストジャッキ２５が架設されている。従って、各スラストジャッキ２５を伸縮駆動することで、掘削機本体１１とリヤグリッパ２４との相対位置を変更することができ、また、左右のスラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１６を有する掘削機本体１１を左右に屈曲してその掘進方向を変更することができる。
【００２１】
更に、カッタヘッド１６と掘削機本体１１のバルクヘッド１２によりチャンバ２６が形成されており、このバルクヘッド１２のほぼ中央部にはコンベヤ取付孔２７が形成されている。そして、掘削機本体１１のほぼ中央部にはスクリューコンベヤ２８が前傾状態で配設されており、コンベヤ取付孔２７にスクリューコンベヤ２８の前端部が装着されると共に、蓋部材２９が装着されている。
【００２２】
そして、前述したように、本実施形態のトンネル掘削機は、軟弱土砂層ＧS を掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａから、岩盤層ＧR を掘削可能なトンネルボーリングマシンＢに変更可能となっている。この場合、土圧式シールド掘削機ＡとトンネルボーリングマシンＢとでは掘削土砂が異なるため、カッタヘッド１６に形成された土砂取込開口部１９の開口量を変更可能であると共に、チャンバ２６内に取り込まれた土砂をかき上げるバケットが出没自在となっている。
【００２３】
即ち、カッタヘッド１６にて、図６に詳細に示すように、放射状に配設されたカッタスポーク１６ａの中央部には複数のディスクカッタ１７が列設され、その両側には複数のカッタビット１８が列設されており、このカッタスポーク１６ａと面板１６ｂとの間にスリット形状の土砂取込開口部１９が形成されている。そして、この土砂取込開口部１９にスリット開閉板３０が支持軸３１により回動自在に装着されると共に、開閉ジャッキ３２により回動可能となっている。また、カッタヘッド１６の面板１６ｂの後部には土砂かき上げ用バケット３３が支持軸３４により回動自在に装着されると共に、出没ジャッキ３５により出没可能となっている。
【００２４】
従って、軟弱土砂層ＧS を掘削する土圧式シールド掘削機Ａの仕様では、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納する。一方、岩盤層ＧR を掘削するトンネルボーリングマシンＢでは、図６に二点鎖線で示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６に突出する。
【００２５】
そして、土圧式シールド掘削機Ａの仕様に対応して、掘削機本体１１内には軟弱土砂層ＧS を掘削して発生した土砂を排出可能なスクリューコンベヤ２８が装着されているが、トンネルボーリングマシンＢの仕様に対応するように、スクリューコンベヤ２８に代えてベルトコンベヤ（図示略）を装着可能となっている。
【００２６】
また、図１乃至図４に示すように、カッタヘッド１６の外径は掘削機本体１１の外径よりも若干大きく形成されており、掘削機本体１１の前端部にカッタヘッド１６の後方に近接して、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置４１と、この空間部に注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置４２とが設けられている。また、この空間部に注入されたモルタルが前方のカッタヘッド１６側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板４３が設けらると共に、空間部に注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板４４が設けられている。
【００２７】
即ち、掘削機本体１１の前外周部には周方向に沿って凹部４５が形成されており、この凹部４５内には周方向に均等間隔で三角形断面の仕切り壁４６が形成されている。そして、各仕切り壁４６で区画された凹部４５には箱型形状をなす可動プレート４７が掘削機本体１１の径方向に沿って移動自在に装着されている。そして、凹部４５には複数の移動ジャッキ４８が装着されており、各移動ジャッキ４８の駆動ロッド４９の先端部が可動プレート４７に連結されている。この場合、可動プレート４４及び移動ジャッキ４８等によりモルタル押圧装置４２が構成される。
【００２８】
また、この複数の可動プレート４７のうちのいくつかにモルタル注入管５０が装着されており、このモルタル注入管５０は基端部に注入ホース５１を介して掘削機本体１１に搭載された図示しないモルタル供給装置が連結される一方、先端部が前述した空間部に開口している。この場合、モルタル注入管５０、注入ホース５１、モルタル供給装置等によりモルタル注入装置４１が構成される。
【００２９】
更に、凹部４５の前端部にはエアチューブ式の前部遮蔽板４３が周方向に沿って配設されると共に、この前部遮蔽板４３にエア給排管５２を介して図示しないコンプレッサが連結されている。一方、凹部４５の後端部には平板形状をなす複数の後部遮蔽板４４が互いに重なり合って周方向に沿って配設されると共に、複数の油圧ジャッキ５３により空間部に移動可能となっている。
【００３０】
従って、コンプレッサによりエア給排管５２を通して前部遮蔽板４３にエアを供給すると、この前部遮蔽板４３が外方に広がって外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部の前方を遮断することができる。また、複数の油圧ジャッキ５３を伸長駆動すると、各後部遮蔽板４４が互いに重なり合ったまま外方に移動し、外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部の後方を遮断することができる。この状態でモルタル注入装置４１によりモルタルを注入ホース５１を通して供給することで、各モルタル注入管５０から空間部にモルタルを注入することができる。そして、空間部に所定量のモルタルが注入されると、モルタル押圧装置４２によりび移動ジャッキ４８を伸長駆動して可動プレート４７を外方に移動すると、各可動プレート４７の外周面で空間部のモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、モルタルを締め固めることができると共に、掘削機本体１１とモルタルとの間に推進のための隙間を形成することができる。
【００３１】
また、図１に示すように、掘削機本体１１の後端部には複数の支持ローラ６１により旋回リング６２が旋回自在に支持され、駆動モータ６３により正逆方向に駆動旋回可能となっている。そして、この旋回リング６１に、切羽に固化材を注入する複数の先行注入装置６４と、掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置６５と、掘削壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置６６と、掘削壁面に沿って覆工部材としてのＨ形鋼Ｓ（あるいは、セグメント）を組み付けるエレクタ装置６７とが装着されている。
【００３２】
即ち、旋回リング６２には左右一対の外筒７１が固定され、各外筒７１には内筒７２が移動自在に支持され、下端部がアーム７３を介してその中央に位置するハウジング７４に連結されている。また、各外筒７１にはそれぞれ昇降ジャッキ７５が取付けられ、駆動ロッドの先端部が各アーム７３に連結されている。そして、このハウジング７４にエレクタ装置６７が装着されており、エレクタ装置６７はＨ形鋼を把持する吊り金具７６と振れ止め用サポート部材７７を有しており、吊り金具７６はトンネル長手方向に沿って移動自在に支持されている。
【００３３】
従って、駆動モータ６３により旋回リング６２を旋回してエレクタ装置６７をトンネル周方向に移動することでき、また、昇降ジャッキ７５によりエレクタ装置２８をトンネル径方向に沿って移動することができ、吊り金具７６を介してＨ形鋼Ｓを把持して所定の位置に組み付けることができる。
【００３４】
また、旋回リング６２には第１取付台７８が固定されると共に、第２取付台７９が外筒７１や昇降ジャッキ７５を回避するように固定され、アーム７３には第３取付台８０が固定されており、各取付台７８，７９，８０は周方向に沿ってほぼ等間隔で配設されている。そして、この各取付台７８，７９，８０に先行注入装置６４が装着されている。この各先行注入装置６４はほぼ同様の構成をなし、調整ジャッキ８１によりトンネル径方向に対する位置及び角度を調整可能であり、所定長さの注入管Ｐを前方に移動可能であると共に、この注入管Ｐ同志を複数連結して前方に延出可能となっている。また、バルクヘッド１２には各先行注入装置６４に対応してバルブを有する複数の支持管８２が固定されており、各支持管８２には複数連結された注入管Ｐが挿通可能となっている。
【００３５】
従って、所定長さの注入管Ｐを複数連結しながら前方に移動し、バルクヘッド１２の支持管８２を挿通してカッタヘッド１６の前方へ送り出すことで、注入管Ｐを切羽に送り込むことができ、その後、先行注入装置６４に図示しない固化材供給装置を連結し、この固化材供給装置により複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を注入することができる。この場合、バルクヘッド１２に固定された複数の支持管８２は掘進方向に対して平行をなすもの、また、所定の角度をもっているものがあり、掘削機本体１１内から注入管Ｐをカッタフェースに直交する前方、あるいは径方向外方を向けて傾斜した方向に送り出すことができる。
【００３６】
また、旋回リング６２には第４取付台８３が固定され、この第４取付台８３にロックボルト挿入装置６５が装着されている。このロックボルト挿入装置６５は図示しない調整装置によりトンネル周方向に対する角度を調整可能であり、所定長さのロックボルトＢを外方に移動して周囲の地山に圧入することができる。更に、旋回リング６２には第５取付台８４が固定され、この第５取付台８４に吹付装置６６が装着されている。この吹付装置６６は図示しない調整装置によりトンネル長手方向に対する位置を調整可能であり、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部に注入されたモルタル壁面にセメントを吹き付けて塗装することができる。なお、ロックボルト挿入装置６５及び吹付装置６６を旋回リング６２に一つずつ設けたが、複数設けてもよい。
【００３７】
ここで、上述した本実施形態の土圧式シールド掘削機を用いた大深度地盤のトンネル掘削作業について説明する。
【００３８】
図８に示すように、事前の土質調査により掘削を開始する地盤が軟弱土砂層ＧS であると判定された場合、トンネル掘削機を土圧式シールド掘削機Ａの仕様に変更する。つまり、図１、図２、図６に示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納し、また、掘削機本体１１内にスクリューコンベヤ２８を装着する。そして、軟弱土砂層ＧS を掘削可能に変更された土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴL から搬入する。
【００３９】
そして、この土圧式シールド掘削機Ａにより軟弱土砂層ＧS を掘削して大深度用トンネルＴS の掘削を開始するが、地盤の大深度領域で、且つ、軟弱であるため、事前に先行注入装置６４を用いて周辺地盤に固化材を圧入して地盤を補強する。即ち、図１及び図７に示すように、先行注入装置６４にて、調整ジャッキ８１により注入管Ｐの送給角度を調整し、注入管Ｐを前方に移動すると共に後端部に次の注入管Ｐを連結し、支持管８２を通して前方へ送り出す。このとき、注入管Ｐはカッタヘッド１６の土砂取込開口部１９を通して切羽側へ送り出し、注入管Ｐの先端に装着されたビットにより地盤を穿孔する。そして、注入管Ｐが所定の位置まで送り込まれると、固化材供給装置により複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を圧入し、軟弱土砂層ＧS を固化して補強する。
【００４０】
この場合、掘削機本体１１の後部には６つの先行注入装置６４が等間隔で配設されており、上述した注入管Ｐの地盤穿孔作業及び注入管Ｐを通した固化材の圧入作業を同期して行う。そして、一度目の注入作業が完了したら注入管Ｐ同志の連結を解除しながら、先端側の注入管Ｐを切羽及び支持管８２から抜き取った後、調整ジャッキ８１により注入管Ｐの送給角度を変更すると共に、旋回リング６２を所定角度ずつ旋回して注入管Ｐの送給位置を変更し、再びこの注入管Ｐを支持管８２を通して前方へ送り出し、地盤穿孔作業及び固化材の圧入作業を同期して行う。この作業を繰り返し行うことで、掘削機本体１１の前方周辺の軟弱土砂層ＧS に対し、全ての領域にわたって固化材を注入し、軟弱土砂層ＧS を確実に補強することができる。
【００４１】
そして、前方の軟弱土砂層ＧS の補強が完了したら、土圧式シールド掘削機Ａにて、リヤグリッパ２４を立坑ＴL 内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長し、リヤグリッパ２４を介して掘削反力を得て掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド１６が立坑ＴL の縦壁及び前方の軟弱土砂層ＧS を掘削し、掘削機本体１１よりも若干大きい径のトンネルを形成する。
【００４２】
そして、各スラストジャッキ２５が所定のストローク伸長してカッタヘッド１６が所定長さのトンネルを掘削すると、リヤグリッパ２４による位置保持を解除して各スラストジャッキ２５を収縮し、掘削機本体１１に対してリヤグリッパ２４を前方に引き寄せる。そして、リヤグリッパ２４を既設トンネルの内壁面に位置保持し、カッタヘッド１６を回転駆動しながらスラストジャッキ２５を伸長し、掘削機本体１１を前進してカッタヘッド１６により前方の地盤を掘削する。一方、カッタヘッド１６によって掘削された土砂は大きく開口した土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ２６に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ２８によって外部に排出する。
【００４３】
また、このカッタヘッド１６による地盤掘削時に、その直後では、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。即ち、エア給排管４８から前部遮蔽板４３にエアを供給して膨張させることで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの前方を遮断する。一方、油圧ジャッキ４９を伸長して後部遮蔽板４４を外方に移動することで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの後方を遮断する。そして、モルタル注入装置３１により空間部Ｓにモルタルを所定量注入した後、モルタル押圧装置４２により可動プレート４３を外方に移動することで、この可動プレート４３の外周面が空間部Ｓのモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧し、このモルタルを掘削壁面Ｇ側で早期に締め固める。
【００４４】
そして、空間部Ｓでモルタルが固化したら、可動プレート４３を掘削機本体１１側に戻すと共に、前部遮蔽板４３及び後部遮蔽板４４を戻すと、可動プレート４３がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体１１と固化したモルタルとの間に隙間が形成される。そのため、掘削機本体１１は固化したモルタルと接触することなくスムースに推進することができる。その後、掘削機本体１１が所定距離掘進したら、今度は前部遮蔽板４３だけ可動して空間部Ｓの前方を遮断し、モルタル注入装置４１により空間部Ｓにモルタルを所定量注入し、可動プレート４３を外方に移動してモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、掘削壁面Ｇ側でモルタルを締め固めるてモルタル覆工を連続して行う。
【００４５】
一方、掘削機本体１１の後方にて、まず、ロックボルト挿入装置６５は所定長さのロックボルトＢをモルタルＭを貫通して周囲の地山に多数圧入することで、モルタルＭと地山との結合関係を強固にすると共に地山を補強する。次に、エレクタ装置６７がトンネル内に搬入されたＨ形鋼Ｓを把持して移動し、このＨ形鋼Ｓを所定間隔でリング状に組み付けていく。そして、最後に、吹付装置６６がモルタルＭの内面にセメントを吹き付けて塗装する。
【００４６】
このように先行注入装置６４による注入管Ｐを通した固化材の圧入作業やロックボルト挿入装置６５によるロックボルトＢの圧入作業を繰り返し行って軟弱土砂層ＧS を補強しながら、カッタヘッド１６がトンネルを掘削し、トンネル構造体としてのモルタルＭを打設すると共にＨ形鋼Ｓを組み立て、且つ、セメントにより塗装することで、大深度用トンネルＴS を所定長さ構築する。
【００４７】
そして、軟弱土砂層ＧS に所定長さのトンネルＴS が構築され、土圧式シールド掘削機Ａが軟弱土砂層ＧS から岩盤層ＧR に至ると、土圧式シールド掘削機ＡをトンネルボーリングマシンＢの仕様に変更する。つまり、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９の開口量を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６内に突出し、また、掘削機本体１１内のスクリューコンベヤ２８をベルトコンベヤに変更する。この場合、開閉ジャッキ３２と油圧ジャッキ３５の作動は図示しないコントローラにより自動化されており、切替スイッチを操作することで、スリット開閉板３０及びバケット３３の自動的に所望の位置に移動することができる。
【００４８】
土圧式シールド掘削機ＡをトンネルボーリングマシンＢの使用に変更すると、前述と同様に、リヤグリッパ２４を既設トンネルの壁面に圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長して掘削機本体１１を前進させ、カッタヘッド１６が前方の岩盤層ＧR を掘削してトンネルを形成する。
【００４９】
このとき、カッタヘッド１６によって破砕された大きな岩石は小さい土砂取込開口部１９を通ることができず、小さく破砕されてからこの土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれる。そして、掘削土砂は直接、あるいはカッタヘッド１６と共に回転するバケット３３により上方にかき上げられてベルトコンベヤ３６に落下し、外部に排出される。なお、このトンネルボーリングマシンＢによる岩盤層ＧR のトンネル掘削時であっても、カッタヘッド１６が掘削時した直後で、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。この作業の繰り返しにより土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに仕様を変更するだけで、軟弱土砂層ＧS と岩盤層ＧR とにわたってトンネルＴS を連続して構築できる。
【００５０】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の後端部に旋回リング６２を旋回自在に支持し、この旋回リング６１に、切羽に固化材を注入する複数の先行注入装置６４を周方向等間隔で装着すると共に、掘削壁面に沿ってＨ形鋼Ｓを組み付けるエレクタ装置６７を装着している。
【００５１】
従って、大深度用トンネルＴS を掘削する前に、先行注入装置６４により複数の注入管Ｐを互いに連結して切羽側へ送り出し、この注入管Ｐにより地盤を穿孔して所定の位置まで送り込み、この複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を圧入して軟弱土砂層ＧS を固化して補強することができる。そして、この場合、掘削機本体１１の後部に複数の先行注入装置６４が等間隔で配設されており、一度に切羽の複数箇所に固化材を注入することができると共に、旋回リング６２を所定角度ずつ旋回して固化材の注入位置を変更することができ、短時間で容易に掘削機本体１１の前方周辺の所定の領域にわたって固化材を注入することができる。
【００５２】
また、先行注入装置６４をカッタヘッド１６後部の狭い領域ではなく、掘削機本体１１の後方に配設したことで、作業者がチャンバ２６に入る必要はなく土砂の排出を不要となり、作業の簡素化が可能となると共に、作業者の安全性を十分に確保することができる。
【００５３】
更に、この旋回リング６１に、複数の先行注入装置６４及びエレクタ装置６７と共に、掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置６５と、掘削壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置６６を装着している。従って、先行注入装置６４、エレクタ装置６７、ロックボルト挿入装置６５、吹付装置６６を一つの旋回リング６１を用いてその移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００５４】
なお、上述の実施形態では、旋回リング６１に６つの先行注入装置６４を設けたが、その数は限定されるものではない。また、旋回リング６１に一つのロックボルト挿入装置６５、吹付装置６６を設けたが、作業性を考慮して複数設けてもよい。
【００５５】
また、上述の実施形態では、掘削機本体１１の前部にバルクヘッド１２を固定し、このバルクヘッド１２に各先行注入装置６４の注入管Ｐを挿通可能な複数の支持管８２を固定したが、掘削機本体１１にバルクヘッド１２を周方向に沿って回転自在に支持すると共に、ロック機構により固定可能とし、掘削機本体１１に設けた駆動装置により回転可能とし、この回転可能なバルクヘッド１２に複数の支持管８２を固定してもよい。なお、バルクヘッド１２を回転する駆動装置として、カッタヘッド１６に旋回するカッタ旋回モータ２１を適用し、駆動力の伝達系を切り換えるようにしてもよい。
【００５６】
従って、トンネル掘削作業時は、ロック機構によりバルクヘッド１２を掘削機本体１１に固定する一方、先行地盤を補強するときには、ロック機構を解除してバルクヘッド１２を回転可能とすると共に、スクリューコンベヤ２８の前端部を解体する。そして、各先行注入装置６４の注入管Ｐを複数連結し、支持管８２を通して切羽側へ送り出して一度目の固化材注入作業を完了した後、注入管Ｐ同志の連結を解除しながら、先端側の注入管Ｐを切羽から抜き取った状態で、バルクヘッド１２と旋回リング６２を同期して旋回させることで、注入管Ｐを支持管８２から抜き取ることなく切羽への送給位置を変更することができる。
【００５７】
更に、上述の実施形態では、大深度領域にて、掘削地盤が軟弱土砂層ＧS から岩盤層ＧR に変化したときに、土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに変更してトンネル掘削作業を継続して行うことで、大深度用トンネルＴS を掘削したが、掘削領域は大深度領域に限定されるものではなく、また、掘削地盤が岩盤層ＧR から軟弱土砂層ＧS に変化したときに、トンネルボーリングマシンＢから土圧式シールド掘削機Ａに変更してトンネル掘削作業を継続して行うこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、前部にカッタが装着された掘削機本体を推進ジャッキにより前進可能とし、この掘削機本体の後部に旋回リングを旋回自在に装着し、この旋回リングに、掘削壁面に沿って覆工部材を組み付けるエレクタ装置と、切羽に対して固化材を注入する先行注入装置を装着したので、先行注入装置をカッタヘッド後部の狭い領域ではなく、掘削機本体の後方の広い空間部に配設することとなり、作業者がチャンバに入る必要はなく土砂の排出を不要もなり、作業を簡素化して地盤補強作業の作業性を向上することができと共に、作業者の安全性を十分に確保することができ、また、旋回リングによりエレクタ装置と先行注入装置を移動することで、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００５９】
また、上記トンネル掘削機によれば、先行注入装置は、所定長さの注入管を連結して前方に延出可能であると共に、掘削機本体の前部に設けられたバルクヘッドに注入管を挿通して切羽へ送り込む支持管を装着したので、注入管をバルクヘッドの支持管を通して前方に延出可能としたことで、チャンバの土砂が機内に入り込むことなく安全に固化材を注入することができる。
【００６０】
更に、上記トンネル掘削機によれば、バルクヘッドを旋回リングに同期して掘削機本体に周方向回動可能に支持したので、注入管を支持管から抜き取ることなく周方向に回動して固化材の注入位置を変更することができ、固化材注入作業の作業性を向上することができる。
【００６１】
請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、先行注入装置を周方向に沿って複数配設したので、一度に切羽の複数箇所に固化材を注入することができると共に、旋回リングを所定角度ずつ旋回して固化材の注入位置を変更することができ、短時間で容易に所定の領域にわたって固化材を注入することができる。
【００６２】
請求項３の発明のトンネル掘削機によれば、旋回リングに掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置を装着したので、旋回リングにより先行注入装置、エレクタ装置、ロックボルト挿入装置の移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００６３】
請求項４の発明のトンネル掘削機によれば、カッタが掘削機本体の外径より若干大きい掘削範囲を有し、掘削機本体の前部に掘削機本体とカッタが掘削した掘削壁面との空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置を設け、ロックボルト挿入装置は空間部に注入されたモルタルを貫通してロックボルトを地山に挿入するので、ロックボルトによりトンネル構造体としてのモルタルと周辺地盤との連結を強固に行うことで、トンネルの十分な強度を確保することができる。
【００６４】
請求項５の発明のトンネル掘削機によれば、旋回リングに掘削壁面に対してセメントを吹き付けて塗装する吹付装置を装着したので、旋回リングにより先行注入装置、エレクタ装置、吹付装置の移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図３】 図１のIII−III断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２のVI−VI断面図である。
【図７】周辺地盤の補強状態を表す概略図である。
【図８】本実施形態のトンネル掘削機に掘削する地盤の概略図である。
【符号の説明】
１１ 掘削機本体
１６ カッタヘッド
１９ 土砂取込開口部
２１ カッタ旋回モータ
２４ リヤグリッパ
２５ スラストジャッキ（推進ジャッキ）
２６ チャンバ
２８ スクリューコンベヤ
４１ モルタル注入装置
６２ 旋回リング
６４ 先行注入装置
６５ ロックボルト挿入装置
６６ 吹付装置
６７ エレクタ装置６７
Ａ 土圧式シールド掘削機（トンネル掘削機）
Ｂ トンネルボーリングマシン、ＴＢＭ（トンネル掘削機）
Ｌ ロックボルト
Ｐ 注入管
Ｓ Ｈ形鋼
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤層、軟弱土砂層、山岳層などを掘削してトンネルを構築可能なトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、土圧式シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが駆動回転自在に装着される一方、後部に掘削機本体を前進させる多数のシールドジャッキが装着されると共に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装置が装着され、また、掘削機本体の前後方向に沿って掘削土砂を排出するスクリューコンベヤが配設されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転しながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの反力を得て掘削機本体が前進することで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削してスクリューコンベヤにより掘削土砂が外部に排出されると共に、エレクタ装置が既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けてトンネルを構築する。
【０００３】
このような土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削作業にて、重要な構造物の下方や埋設物の近傍を掘削するとき、掘削地盤が軟弱であるとき、また、大深度トンネルを掘削するときなどは、地山の崩壊などの虞があるため、周辺の地盤に薬材を注入して地盤を改良する必要がある。従来、前方の地盤に対して薬材を注入する先行注入装置は、カッタヘッドの後部に設けられており、掘削作業を一時停止した状態でカッタヘッドから前方に向けて注入管を所定長さ打設し、この注入管を通して地盤に薬材を圧入している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、先行注入装置により切羽に注入管を打設し、薬材をこの注入管を通して地盤に圧入して周辺の地盤改良を行っているが、シールド掘削機の周囲の広い範囲にわたって地盤改良を行う必要がある。ところが、従来の先行注入装置はカッタヘッドの後部に設けられているため、この一つの先行注入装置を用いて切羽に対してたくさんの位置に注入管を打設して薬材を圧入しなければならず、作業が面倒になると共に長い作業時間が必要となり、作業効率が良くないという問題がある。また、作業者が先行注入装置を使用する場合、機内からチャンバに入らなければならず、このチャンバにある土砂を全て排出しなければならずに作業時間が長くなると共に作業者の安全性を確保することが困難となる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、地盤補強作業の作業性の向上並びに装置の簡素化を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００６】
【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請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、前記掘削機本体の後部に旋回自在に装着された旋回リングと、該旋回リングに装着されて掘削壁面に沿って覆工部材を組み付けるエレクタ装置と、前記旋回リングに装着されて切羽に対して固化材を注入する先行注入装置とを具え、前記先行注入装置は、所定長さの注入管を連結して前方に延出可能であると共に、前記掘削機本体の前部に設けられたバルクヘッドに該注入管を挿通して切羽へ送り込む支持管を装着し、前記バルクヘッドは、前記旋回リングに同期して前記掘削機本体に周方向回動可能に支持されたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明のトンネル掘削機では、前記先行注入装置を周方向に沿って複数配設したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明のトンネル掘削機では、前記旋回リングに掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置を装着したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明のトンネル掘削機では、前記カッタは前記掘削機本体の外径より若干大きい掘削範囲を有し、該掘削機本体の前部に該掘削機本体と前記カッタが掘削した掘削壁面との空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置を設け、前記ロックボルト挿入装置は前記空間部に注入されたモルタルを貫通して前記ロックボルトを地山に挿入することを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明のトンネル掘削機では、前記旋回リングに掘削壁面に対してセメントを吹き付けて塗装する吹付装置を装着したことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図２に本実施形態のシールド掘削機の正面視、図３に図１のIII−III断面、図４に図１のIV−IV断面、図５に図１のＶ−Ｖ断面、図６に図２のVI−VI断面、図７に周辺地盤の補強状態を表す概略、図８に本実施形態のトンネル掘削機に掘削する地盤の概略を示す。
【００１６】
本実施形態のトンネル掘削機は、図８に示すように、地盤の大深度領域（４０〜５０ｍ）にトンネルを施工する際に用いられるものであり、例えば、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化しても、掘削仕様を一部変更するだけで継続してトンネルを掘削可能となっている。この場合、具体的には、軟弱土砂層ＧS を掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴL から搬入し、この軟弱土砂層ＧS を所定距離掘削すると、土圧式シールド掘削機Ａから岩盤層ＧR を掘削可能なトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）Ｂに変更し、この岩盤層ＧR を継続して掘削することで、大深度用トンネルＴS を掘削可能としている。
【００１７】
本実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機Ａにおいて、図１及び図２に示すように、円筒形状をなす掘削機本体１１の前部にバルクヘッド１２が設けられ、このバルクヘッド１２には支持部材１３により回転体１４が回転自在に支持されている。この回転体１４には複数の連結ビーム１５によりカッタヘッド１６が連結されており、カッタヘッド１６は掘削機本体１１の外径より若干大きく形成され、前面部に岩盤をせん断破壊するディスクカッタ１７や軟弱地盤を掘削可能なカッタビット１８が多数装着されると共に、土砂取込開口部１９が形成されている。一方、回転体１４の後部に内歯を有するリングギア２０が一体に固定される一方、支持部材１３に複数のカッタ旋回モータ２１が固定されており、このカッタ旋回モータ２１の駆動ギヤ２２がリングギヤ２０に噛み合っている。
【００１８】
従って、カッタ旋回モータ２１を駆動して駆動ギヤ２２を回転駆動すると、この駆動ギヤ２２が噛み合うリングギヤ２０が回転し、このリングギヤ２０と連結ビーム１５を介して連結されたカッタヘッド１６を旋回し、ディスクカッタ１７やカッタビット１８が地盤を掘削し、発生したずりを土砂取込開口部１９から掘削機本体１１の内部に取り込むことができる。
【００１９】
また、掘削機本体１１の後部には支持フレーム２３が固定されており、この支持フレーム２３は既設トンネルのほぼ中心部を後方に延出され、後端部にこの支持フレーム２３を水平状態に維持する図示しないシュージャッキが装着されている。そして、掘削機本体１１の後方にて、リヤグリッパ２４が支持フレーム２３に対して前後移動自在に設けられており、このリヤグリッパ２４は、図示しないが、グリッパジャッキによって既設トンネルの壁面に圧接して位置保持する一対のグリッパシューを有している。
【００２０】
そして、掘削機本体１１とこのリヤグリッパ２４との間には推進ジャッキとしての油圧の給排によって伸縮作動する複数本のスラストジャッキ２５が架設されている。従って、各スラストジャッキ２５を伸縮駆動することで、掘削機本体１１とリヤグリッパ２４との相対位置を変更することができ、また、左右のスラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１６を有する掘削機本体１１を左右に屈曲してその掘進方向を変更することができる。
【００２１】
更に、カッタヘッド１６と掘削機本体１１のバルクヘッド１２によりチャンバ２６が形成されており、このバルクヘッド１２のほぼ中央部にはコンベヤ取付孔２７が形成されている。そして、掘削機本体１１のほぼ中央部にはスクリューコンベヤ２８が前傾状態で配設されており、コンベヤ取付孔２７にスクリューコンベヤ２８の前端部が装着されると共に、蓋部材２９が装着されている。
【００２２】
そして、前述したように、本実施形態のトンネル掘削機は、軟弱土砂層ＧS を掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａから、岩盤層ＧR を掘削可能なトンネルボーリングマシンＢに変更可能となっている。この場合、土圧式シールド掘削機ＡとトンネルボーリングマシンＢとでは掘削土砂が異なるため、カッタヘッド１６に形成された土砂取込開口部１９の開口量を変更可能であると共に、チャンバ２６内に取り込まれた土砂をかき上げるバケットが出没自在となっている。
【００２３】
即ち、カッタヘッド１６にて、図６に詳細に示すように、放射状に配設されたカッタスポーク１６ａの中央部には複数のディスクカッタ１７が列設され、その両側には複数のカッタビット１８が列設されており、このカッタスポーク１６ａと面板１６ｂとの間にスリット形状の土砂取込開口部１９が形成されている。そして、この土砂取込開口部１９にスリット開閉板３０が支持軸３１により回動自在に装着されると共に、開閉ジャッキ３２により回動可能となっている。また、カッタヘッド１６の面板１６ｂの後部には土砂かき上げ用バケット３３が支持軸３４により回動自在に装着されると共に、出没ジャッキ３５により出没可能となっている。
【００２４】
従って、軟弱土砂層ＧS を掘削する土圧式シールド掘削機Ａの仕様では、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納する。一方、岩盤層ＧR を掘削するトンネルボーリングマシンＢでは、図６に二点鎖線で示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６に突出する。
【００２５】
そして、土圧式シールド掘削機Ａの仕様に対応して、掘削機本体１１内には軟弱土砂層ＧS を掘削して発生した土砂を排出可能なスクリューコンベヤ２８が装着されているが、トンネルボーリングマシンＢの仕様に対応するように、スクリューコンベヤ２８に代えてベルトコンベヤ（図示略）を装着可能となっている。
【００２６】
また、図１乃至図４に示すように、カッタヘッド１６の外径は掘削機本体１１の外径よりも若干大きく形成されており、掘削機本体１１の前端部にカッタヘッド１６の後方に近接して、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置４１と、この空間部に注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置４２とが設けられている。また、この空間部に注入されたモルタルが前方のカッタヘッド１６側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板４３が設けらると共に、空間部に注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板４４が設けられている。
【００２７】
即ち、掘削機本体１１の前外周部には周方向に沿って凹部４５が形成されており、この凹部４５内には周方向に均等間隔で三角形断面の仕切り壁４６が形成されている。そして、各仕切り壁４６で区画された凹部４５には箱型形状をなす可動プレート４７が掘削機本体１１の径方向に沿って移動自在に装着されている。そして、凹部４５には複数の移動ジャッキ４８が装着されており、各移動ジャッキ４８の駆動ロッド４９の先端部が可動プレート４７に連結されている。この場合、可動プレート４４及び移動ジャッキ４８等によりモルタル押圧装置４２が構成される。
【００２８】
また、この複数の可動プレート４７のうちのいくつかにモルタル注入管５０が装着されており、このモルタル注入管５０は基端部に注入ホース５１を介して掘削機本体１１に搭載された図示しないモルタル供給装置が連結される一方、先端部が前述した空間部に開口している。この場合、モルタル注入管５０、注入ホース５１、モルタル供給装置等によりモルタル注入装置４１が構成される。
【００２９】
更に、凹部４５の前端部にはエアチューブ式の前部遮蔽板４３が周方向に沿って配設されると共に、この前部遮蔽板４３にエア給排管５２を介して図示しないコンプレッサが連結されている。一方、凹部４５の後端部には平板形状をなす複数の後部遮蔽板４４が互いに重なり合って周方向に沿って配設されると共に、複数の油圧ジャッキ５３により空間部に移動可能となっている。
【００３０】
従って、コンプレッサによりエア給排管５２を通して前部遮蔽板４３にエアを供給すると、この前部遮蔽板４３が外方に広がって外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部の前方を遮断することができる。また、複数の油圧ジャッキ５３を伸長駆動すると、各後部遮蔽板４４が互いに重なり合ったまま外方に移動し、外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部の後方を遮断することができる。この状態でモルタル注入装置４１によりモルタルを注入ホース５１を通して供給することで、各モルタル注入管５０から空間部にモルタルを注入することができる。そして、空間部に所定量のモルタルが注入されると、モルタル押圧装置４２によりび移動ジャッキ４８を伸長駆動して可動プレート４７を外方に移動すると、各可動プレート４７の外周面で空間部のモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、モルタルを締め固めることができると共に、掘削機本体１１とモルタルとの間に推進のための隙間を形成することができる。
【００３１】
また、図１に示すように、掘削機本体１１の後端部には複数の支持ローラ６１により旋回リング６２が旋回自在に支持され、駆動モータ６３により正逆方向に駆動旋回可能となっている。そして、この旋回リング６１に、切羽に固化材を注入する複数の先行注入装置６４と、掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置６５と、掘削壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置６６と、掘削壁面に沿って覆工部材としてのＨ形鋼Ｓ（あるいは、セグメント）を組み付けるエレクタ装置６７とが装着されている。
【００３２】
即ち、旋回リング６２には左右一対の外筒７１が固定され、各外筒７１には内筒７２が移動自在に支持され、下端部がアーム７３を介してその中央に位置するハウジング７４に連結されている。また、各外筒７１にはそれぞれ昇降ジャッキ７５が取付けられ、駆動ロッドの先端部が各アーム７３に連結されている。そして、このハウジング７４にエレクタ装置６７が装着されており、エレクタ装置６７はＨ形鋼を把持する吊り金具７６と振れ止め用サポート部材７７を有しており、吊り金具７６はトンネル長手方向に沿って移動自在に支持されている。
【００３３】
従って、駆動モータ６３により旋回リング６２を旋回してエレクタ装置６７をトンネル周方向に移動することでき、また、昇降ジャッキ７５によりエレクタ装置２８をトンネル径方向に沿って移動することができ、吊り金具７６を介してＨ形鋼Ｓを把持して所定の位置に組み付けることができる。
【００３４】
また、旋回リング６２には第１取付台７８が固定されると共に、第２取付台７９が外筒７１や昇降ジャッキ７５を回避するように固定され、アーム７３には第３取付台８０が固定されており、各取付台７８，７９，８０は周方向に沿ってほぼ等間隔で配設されている。そして、この各取付台７８，７９，８０に先行注入装置６４が装着されている。この各先行注入装置６４はほぼ同様の構成をなし、調整ジャッキ８１によりトンネル径方向に対する位置及び角度を調整可能であり、所定長さの注入管Ｐを前方に移動可能であると共に、この注入管Ｐ同志を複数連結して前方に延出可能となっている。また、バルクヘッド１２には各先行注入装置６４に対応してバルブを有する複数の支持管８２が固定されており、各支持管８２には複数連結された注入管Ｐが挿通可能となっている。
【００３５】
従って、所定長さの注入管Ｐを複数連結しながら前方に移動し、バルクヘッド１２の支持管８２を挿通してカッタヘッド１６の前方へ送り出すことで、注入管Ｐを切羽に送り込むことができ、その後、先行注入装置６４に図示しない固化材供給装置を連結し、この固化材供給装置により複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を注入することができる。この場合、バルクヘッド１２に固定された複数の支持管８２は掘進方向に対して平行をなすもの、また、所定の角度をもっているものがあり、掘削機本体１１内から注入管Ｐをカッタフェースに直交する前方、あるいは径方向外方を向けて傾斜した方向に送り出すことができる。
【００３６】
また、旋回リング６２には第４取付台８３が固定され、この第４取付台８３にロックボルト挿入装置６５が装着されている。このロックボルト挿入装置６５は図示しない調整装置によりトンネル周方向に対する角度を調整可能であり、所定長さのロックボルトＢを外方に移動して周囲の地山に圧入することができる。更に、旋回リング６２には第５取付台８４が固定され、この第５取付台８４に吹付装置６６が装着されている。この吹付装置６６は図示しない調整装置によりトンネル長手方向に対する位置を調整可能であり、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部に注入されたモルタル壁面にセメントを吹き付けて塗装することができる。なお、ロックボルト挿入装置６５及び吹付装置６６を旋回リング６２に一つずつ設けたが、複数設けてもよい。
【００３７】
ここで、上述した本実施形態の土圧式シールド掘削機を用いた大深度地盤のトンネル掘削作業について説明する。
【００３８】
図８に示すように、事前の土質調査により掘削を開始する地盤が軟弱土砂層ＧS であると判定された場合、トンネル掘削機を土圧式シールド掘削機Ａの仕様に変更する。つまり、図１、図２、図６に示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納し、また、掘削機本体１１内にスクリューコンベヤ２８を装着する。そして、軟弱土砂層ＧS を掘削可能に変更された土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴL から搬入する。
【００３９】
そして、この土圧式シールド掘削機Ａにより軟弱土砂層ＧS を掘削して大深度用トンネルＴS の掘削を開始するが、地盤の大深度領域で、且つ、軟弱であるため、事前に先行注入装置６４を用いて周辺地盤に固化材を圧入して地盤を補強する。即ち、図１及び図７に示すように、先行注入装置６４にて、調整ジャッキ８１により注入管Ｐの送給角度を調整し、注入管Ｐを前方に移動すると共に後端部に次の注入管Ｐを連結し、支持管８２を通して前方へ送り出す。このとき、注入管Ｐはカッタヘッド１６の土砂取込開口部１９を通して切羽側へ送り出し、注入管Ｐの先端に装着されたビットにより地盤を穿孔する。そして、注入管Ｐが所定の位置まで送り込まれると、固化材供給装置により複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を圧入し、軟弱土砂層ＧS を固化して補強する。
【００４０】
この場合、掘削機本体１１の後部には６つの先行注入装置６４が等間隔で配設されており、上述した注入管Ｐの地盤穿孔作業及び注入管Ｐを通した固化材の圧入作業を同期して行う。そして、一度目の注入作業が完了したら注入管Ｐ同志の連結を解除しながら、先端側の注入管Ｐを切羽及び支持管８２から抜き取った後、調整ジャッキ８１により注入管Ｐの送給角度を変更すると共に、旋回リング６２を所定角度ずつ旋回して注入管Ｐの送給位置を変更し、再びこの注入管Ｐを支持管８２を通して前方へ送り出し、地盤穿孔作業及び固化材の圧入作業を同期して行う。この作業を繰り返し行うことで、掘削機本体１１の前方周辺の軟弱土砂層ＧS に対し、全ての領域にわたって固化材を注入し、軟弱土砂層ＧS を確実に補強することができる。
【００４１】
そして、前方の軟弱土砂層ＧS の補強が完了したら、土圧式シールド掘削機Ａにて、リヤグリッパ２４を立坑ＴL 内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長し、リヤグリッパ２４を介して掘削反力を得て掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド１６が立坑ＴL の縦壁及び前方の軟弱土砂層ＧS を掘削し、掘削機本体１１よりも若干大きい径のトンネルを形成する。
【００４２】
そして、各スラストジャッキ２５が所定のストローク伸長してカッタヘッド１６が所定長さのトンネルを掘削すると、リヤグリッパ２４による位置保持を解除して各スラストジャッキ２５を収縮し、掘削機本体１１に対してリヤグリッパ２４を前方に引き寄せる。そして、リヤグリッパ２４を既設トンネルの内壁面に位置保持し、カッタヘッド１６を回転駆動しながらスラストジャッキ２５を伸長し、掘削機本体１１を前進してカッタヘッド１６により前方の地盤を掘削する。一方、カッタヘッド１６によって掘削された土砂は大きく開口した土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ２６に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ２８によって外部に排出する。
【００４３】
また、このカッタヘッド１６による地盤掘削時に、その直後では、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。即ち、エア給排管４８から前部遮蔽板４３にエアを供給して膨張させることで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの前方を遮断する。一方、油圧ジャッキ４９を伸長して後部遮蔽板４４を外方に移動することで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの後方を遮断する。そして、モルタル注入装置３１により空間部Ｓにモルタルを所定量注入した後、モルタル押圧装置４２により可動プレート４３を外方に移動することで、この可動プレート４３の外周面が空間部Ｓのモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧し、このモルタルを掘削壁面Ｇ側で早期に締め固める。
【００４４】
そして、空間部Ｓでモルタルが固化したら、可動プレート４３を掘削機本体１１側に戻すと共に、前部遮蔽板４３及び後部遮蔽板４４を戻すと、可動プレート４３がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体１１と固化したモルタルとの間に隙間が形成される。そのため、掘削機本体１１は固化したモルタルと接触することなくスムースに推進することができる。その後、掘削機本体１１が所定距離掘進したら、今度は前部遮蔽板４３だけ可動して空間部Ｓの前方を遮断し、モルタル注入装置４１により空間部Ｓにモルタルを所定量注入し、可動プレート４３を外方に移動してモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、掘削壁面Ｇ側でモルタルを締め固めるてモルタル覆工を連続して行う。
【００４５】
一方、掘削機本体１１の後方にて、まず、ロックボルト挿入装置６５は所定長さのロックボルトＢをモルタルＭを貫通して周囲の地山に多数圧入することで、モルタルＭと地山との結合関係を強固にすると共に地山を補強する。次に、エレクタ装置６７がトンネル内に搬入されたＨ形鋼Ｓを把持して移動し、このＨ形鋼Ｓを所定間隔でリング状に組み付けていく。そして、最後に、吹付装置６６がモルタルＭの内面にセメントを吹き付けて塗装する。
【００４６】
このように先行注入装置６４による注入管Ｐを通した固化材の圧入作業やロックボルト挿入装置６５によるロックボルトＢの圧入作業を繰り返し行って軟弱土砂層ＧS を補強しながら、カッタヘッド１６がトンネルを掘削し、トンネル構造体としてのモルタルＭを打設すると共にＨ形鋼Ｓを組み立て、且つ、セメントにより塗装することで、大深度用トンネルＴS を所定長さ構築する。
【００４７】
そして、軟弱土砂層ＧS に所定長さのトンネルＴS が構築され、土圧式シールド掘削機Ａが軟弱土砂層ＧS から岩盤層ＧR に至ると、土圧式シールド掘削機ＡをトンネルボーリングマシンＢの仕様に変更する。つまり、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９の開口量を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６内に突出し、また、掘削機本体１１内のスクリューコンベヤ２８をベルトコンベヤに変更する。この場合、開閉ジャッキ３２と油圧ジャッキ３５の作動は図示しないコントローラにより自動化されており、切替スイッチを操作することで、スリット開閉板３０及びバケット３３の自動的に所望の位置に移動することができる。
【００４８】
土圧式シールド掘削機ＡをトンネルボーリングマシンＢの使用に変更すると、前述と同様に、リヤグリッパ２４を既設トンネルの壁面に圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長して掘削機本体１１を前進させ、カッタヘッド１６が前方の岩盤層ＧR を掘削してトンネルを形成する。
【００４９】
このとき、カッタヘッド１６によって破砕された大きな岩石は小さい土砂取込開口部１９を通ることができず、小さく破砕されてからこの土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれる。そして、掘削土砂は直接、あるいはカッタヘッド１６と共に回転するバケット３３により上方にかき上げられてベルトコンベヤ３６に落下し、外部に排出される。なお、このトンネルボーリングマシンＢによる岩盤層ＧR のトンネル掘削時であっても、カッタヘッド１６が掘削時した直後で、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。この作業の繰り返しにより土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに仕様を変更するだけで、軟弱土砂層ＧS と岩盤層ＧR とにわたってトンネルＴS を連続して構築できる。
【００５０】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の後端部に旋回リング６２を旋回自在に支持し、この旋回リング６１に、切羽に固化材を注入する複数の先行注入装置６４を周方向等間隔で装着すると共に、掘削壁面に沿ってＨ形鋼Ｓを組み付けるエレクタ装置６７を装着している。
【００５１】
従って、大深度用トンネルＴS を掘削する前に、先行注入装置６４により複数の注入管Ｐを互いに連結して切羽側へ送り出し、この注入管Ｐにより地盤を穿孔して所定の位置まで送り込み、この複数連結された注入管Ｐを通して切羽に固化材を圧入して軟弱土砂層ＧS を固化して補強することができる。そして、この場合、掘削機本体１１の後部に複数の先行注入装置６４が等間隔で配設されており、一度に切羽の複数箇所に固化材を注入することができると共に、旋回リング６２を所定角度ずつ旋回して固化材の注入位置を変更することができ、短時間で容易に掘削機本体１１の前方周辺の所定の領域にわたって固化材を注入することができる。
【００５２】
また、先行注入装置６４をカッタヘッド１６後部の狭い領域ではなく、掘削機本体１１の後方に配設したことで、作業者がチャンバ２６に入る必要はなく土砂の排出を不要となり、作業の簡素化が可能となると共に、作業者の安全性を十分に確保することができる。
【００５３】
更に、この旋回リング６１に、複数の先行注入装置６４及びエレクタ装置６７と共に、掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置６５と、掘削壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置６６を装着している。従って、先行注入装置６４、エレクタ装置６７、ロックボルト挿入装置６５、吹付装置６６を一つの旋回リング６１を用いてその移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００５４】
なお、上述の実施形態では、旋回リング６１に６つの先行注入装置６４を設けたが、その数は限定されるものではない。また、旋回リング６１に一つのロックボルト挿入装置６５、吹付装置６６を設けたが、作業性を考慮して複数設けてもよい。
【００５５】
また、上述の実施形態では、掘削機本体１１の前部にバルクヘッド１２を固定し、このバルクヘッド１２に各先行注入装置６４の注入管Ｐを挿通可能な複数の支持管８２を固定したが、掘削機本体１１にバルクヘッド１２を周方向に沿って回転自在に支持すると共に、ロック機構により固定可能とし、掘削機本体１１に設けた駆動装置により回転可能とし、この回転可能なバルクヘッド１２に複数の支持管８２を固定してもよい。なお、バルクヘッド１２を回転する駆動装置として、カッタヘッド１６に旋回するカッタ旋回モータ２１を適用し、駆動力の伝達系を切り換えるようにしてもよい。
【００５６】
従って、トンネル掘削作業時は、ロック機構によりバルクヘッド１２を掘削機本体１１に固定する一方、先行地盤を補強するときには、ロック機構を解除してバルクヘッド１２を回転可能とすると共に、スクリューコンベヤ２８の前端部を解体する。そして、各先行注入装置６４の注入管Ｐを複数連結し、支持管８２を通して切羽側へ送り出して一度目の固化材注入作業を完了した後、注入管Ｐ同志の連結を解除しながら、先端側の注入管Ｐを切羽から抜き取った状態で、バルクヘッド１２と旋回リング６２を同期して旋回させることで、注入管Ｐを支持管８２から抜き取ることなく切羽への送給位置を変更することができる。
【００５７】
更に、上述の実施形態では、大深度領域にて、掘削地盤が軟弱土砂層ＧS から岩盤層ＧR に変化したときに、土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに変更してトンネル掘削作業を継続して行うことで、大深度用トンネルＴS を掘削したが、掘削領域は大深度領域に限定されるものではなく、また、掘削地盤が岩盤層ＧR から軟弱土砂層ＧS に変化したときに、トンネルボーリングマシンＢから土圧式シールド掘削機Ａに変更してトンネル掘削作業を継続して行うこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、前部にカッタが装着された掘削機本体を推進ジャッキにより前進可能とし、この掘削機本体の後部に旋回リングを旋回自在に装着し、この旋回リングに、掘削壁面に沿って覆工部材を組み付けるエレクタ装置と、切羽に対して固化材を注入する先行注入装置を装着したので、先行注入装置をカッタヘッド後部の狭い領域ではなく、掘削機本体の後方の広い空間部に配設することとなり、作業者がチャンバに入る必要はなく土砂の排出を不要もなり、作業を簡素化して地盤補強作業の作業性を向上することができと共に、作業者の安全性を十分に確保することができ、また、旋回リングによりエレクタ装置と先行注入装置を移動することで、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００５９】
また、上記トンネル掘削機によれば、先行注入装置は、所定長さの注入管を連結して前方に延出可能であると共に、掘削機本体の前部に設けられたバルクヘッドに注入管を挿通して切羽へ送り込む支持管を装着したので、注入管をバルクヘッドの支持管を通して前方に延出可能としたことで、チャンバの土砂が機内に入り込むことなく安全に固化材を注入することができる。
【００６０】
更に、上記トンネル掘削機によれば、バルクヘッドを旋回リングに同期して掘削機本体に周方向回動可能に支持したので、注入管を支持管から抜き取ることなく周方向に回動して固化材の注入位置を変更することができ、固化材注入作業の作業性を向上することができる。
【００６１】
請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、先行注入装置を周方向に沿って複数配設したので、一度に切羽の複数箇所に固化材を注入することができると共に、旋回リングを所定角度ずつ旋回して固化材の注入位置を変更することができ、短時間で容易に所定の領域にわたって固化材を注入することができる。
【００６２】
請求項３の発明のトンネル掘削機によれば、旋回リングに掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置を装着したので、旋回リングにより先行注入装置、エレクタ装置、ロックボルト挿入装置の移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【００６３】
請求項４の発明のトンネル掘削機によれば、カッタが掘削機本体の外径より若干大きい掘削範囲を有し、掘削機本体の前部に掘削機本体とカッタが掘削した掘削壁面との空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置を設け、ロックボルト挿入装置は空間部に注入されたモルタルを貫通してロックボルトを地山に挿入するので、ロックボルトによりトンネル構造体としてのモルタルと周辺地盤との連結を強固に行うことで、トンネルの十分な強度を確保することができる。
【００６４】
請求項５の発明のトンネル掘削機によれば、旋回リングに掘削壁面に対してセメントを吹き付けて塗装する吹付装置を装着したので、旋回リングにより先行注入装置、エレクタ装置、吹付装置の移動や位置決めを行うこととなり、複数の移動装置を不要として装置を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図３】 図１のIII−III断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２のVI−VI断面図である。
【図７】周辺地盤の補強状態を表す概略図である。
【図８】本実施形態のトンネル掘削機に掘削する地盤の概略図である。
【符号の説明】
１１ 掘削機本体
１６ カッタヘッド
１９ 土砂取込開口部
２１ カッタ旋回モータ
２４ リヤグリッパ
２５ スラストジャッキ（推進ジャッキ）
２６ チャンバ
２８ スクリューコンベヤ
４１ モルタル注入装置
６２ 旋回リング
６４ 先行注入装置
６５ ロックボルト挿入装置
６６ 吹付装置
６７ エレクタ装置６７
Ａ 土圧式シールド掘削機（トンネル掘削機）
Ｂ トンネルボーリングマシン、ＴＢＭ（トンネル掘削機）
Ｌ ロックボルト
Ｐ 注入管
Ｓ Ｈ形鋼
Claims (5)
- 筒形状をなす掘削機本体と、
該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、
前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、
前記掘削機本体の後部に旋回自在に装着された旋回リングと、
該旋回リングに装着されて掘削壁面に沿って覆工部材を組み付けるエレクタ装置と、
前記旋回リングに装着されて切羽に対して固化材を注入する先行注入装置とを具え、
前記先行注入装置は、所定長さの注入管を連結して前方に延出可能であると共に、前記掘削機本体の前部に設けられたバルクヘッドに該注入管を挿通して切羽へ送り込む支持管を装着し、
前記バルクヘッドは、前記旋回リングに同期して前記掘削機本体に周方向回動可能に支持された
ことを特徴とするトンネル掘削機。 - 請求項１において、前記先行注入装置を周方向に沿って複数配設したことを特徴とするトンネル掘削機。
- 請求項１において、前記旋回リングに掘削壁面から周囲の地山にロックボルトを挿入するロックボルト挿入装置を装着したことを特徴とするトンネル掘削機。
- 請求項３において、前記カッタは前記掘削機本体の外径より若干大きい掘削範囲を有し、該掘削機本体の前部に該掘削機本体と前記カッタが掘削した掘削壁面との空間部にモルタルを注入するモルタル注入装置を設け、前記ロックボルト挿入装置は前記空間部に注入されたモルタルを貫通して前記ロックボルトを地山に挿入することを特徴とするトンネル掘削機。
- 請求項１において、前記旋回リングに掘削壁面に対してセメントを吹き付けて塗装する吹付装置を装着したことを特徴とするトンネル掘削機。
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