JPH09125867A

JPH09125867A - トンネルの掘削方法

Info

Publication number: JPH09125867A
Application number: JP30994595A
Authority: JP
Inventors: Junsaburo Hinoto; 順三郎日戸; Yasuyuki Uchida; 保之内田; Keiichiro Yokozawa; 圭一郎横沢
Original assignee: KENKI ENG; KENKI ENG KK
Current assignee: KENKI ENG; KENKI ENG KK
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】騒音・振動が解消でき、掘削能率が高く、不
定形のトンネルにも適用できるトンネル掘削方法を提供
することを目的とする。【構成】トンネル掘削面１３の岩盤１４に、ウォータ
ージェット１８により所定間隔で主溝１２ａと副溝１２
ｂを施して碁盤目状の切り溝１２を形成する工程と、こ
の切り溝１２にくさび状破壊具１６をこじ入れ、岩盤１
４を底辺部分で割って、ブロック１５状に順次破壊する
工程と、折りとられたブロック１５を撤去してつぎのス
テップで再び切り溝１２を形成して順次掘削しながら進
む。また、ウォータージェット１８を噴射するノズル１
７は、自走装置２０を有するアーム式ロボット１９に搭
載し、くさび状破壊具１６は、自走装置２０を有する土
工用掘削機械２２に搭載してなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘削面の岩盤
を、無発破、低騒音、機械掘りで掘削するためのトンネ
ルの掘削方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘削は、古くから、まず鑿岩機
で岩盤に孔明けし、その孔にダイナマイトを装填し、発
破により破壊し、掘削する方法が専らであった。しか
し、最近では、鑿岩機や発破による騒音、振動、爆発
音、これらに伴う近隣地区での亀裂の発生などの公害問
題となっており、特に発破による工法が禁止される例も
多く発生し、代わりに機械掘り工法が採用されている。

【０００３】この機械掘り工法では、断面が一定で、ト
ンネルが長い場合、例えば青函トンネルなどの場合に
は、トンネルボーリングマシーンが採用されてきた。と
ころが、トンネル断面が不規則で、かつトンネルが長い
場合は、まず鑿岩機で孔明けし、これを足掛かりとして
周囲を壊す工法が一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】具体的には、油圧機器
による膨張破壊工法では、最初の足掛かりとなる孔の径
が、鑿岩機の錐を挿入する油圧機器に見合った６０〜２
００ｍｍという大きな孔を明けなければならない。ちな
みに、発破では４０〜６０ｍｍである。また、膨張破壊
工法では、騒音や振動の問題は解消できない。さらに、
岩盤の破壊の面からみると、油圧機器を膨張させても、
足掛かりが孔だけでは岩盤の拘束が強く、亀裂が生じに
くく、破壊に難渋する場合が多い。

【０００５】機械掘り工法の代わりに、ウォータージェ
ットだけで掘削する工法では、騒音・振動の問題は解消
できる。しかし、掘削能率自体はきわめて低く、実用化
に程遠い。すなわち、大馬力の装置を用いても、掘削能
率は機械掘りに及ばない。しかるに、地上に自然のまま
おかれている岩石は、周囲が人の手の加えられたもので
なく、すべて自由面であるため、石工が適当な節理（潜
在している割れ目）を探っては、のみやくさびで穿つだ
けで容易に割れることは、石切り作業や墓石の作業でよ
く知られているところである。

【０００６】これらの事実から、岩盤は、中心から八方
に押し広げても破壊しにくいが、一方が気中（自由面）
の場合、鑿または楔を軽く打ち込むだけで容易に破壊で
きる。このことは、圧縮には強いが、曲げ・剪断には弱
いという特性を顕著に示している。

【０００７】本発明は、騒音・振動が解消でき、掘削能
率が高く、不定形のトンネルにも適用できるトンネル掘
削方法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、トンネル掘削
面１３の岩盤１４に超高圧のウォータージェット１８で
所定深さに多数の切り溝１２を形成する工程と、この切
り溝１２にくさび状破壊具１６をこじ入れて前記岩盤１
４を順次破壊する工程とからなり、多数の切り溝１２を
形成する工程は、所定間隔で主溝１２ａを施すととも
に、この主溝１２ａに略直交する副溝１２ｂを施して碁
盤目状に形成し、またウォータージェット１８を噴射す
るノズル１７は、自走装置２０を有するアーム式ロボッ
ト１９に搭載し、くさび状破壊具１６は、自走装置２０
を有する土工用掘削機械２２に搭載してなるトンネルの
掘削方法である。

【０００９】

【作用】

第１工程：切り溝１２を形成する工程トンネル掘削面１３の岩盤１４に、ウォータージェット
１８により、切り溝１２を形成する。この切り溝１２
は、たとえば主溝１２ａと副溝１２ｂとで碁盤目状に溝
切りする。第２工程：岩盤１４をブロック状に破壊する工程切り溝１２に、くさび状破壊具１６を打ち込みこじる
と、岩盤１４は、底辺部分が簡単に割れて、ブロック１
５となって順次折りとられる。岩盤１４に潜在する節理
がない場合には、破壊具１６の打ち込みで発生する最大
曲げが作用する付け根の部分で破壊する。第３工程：撤去する破壊具１６により逐次破壊し、折りとられたブロック１
５を撤去することにより、ウォータージェット１８で切
り込んだ岩盤１４部分がきれいに破壊される。ついで、
つぎのステップで再び切り溝１２を形成して順次掘削し
ながら進む。

【００１０】

【実施例】本発明によるトンネル掘削方法の一実施例を
図１により説明する。第１工程：切り溝１２を形成する工程図１に示すようなトンネル掘削面１３の岩盤１４に、ウ
ォータージェット１８により、切り溝１２を形成する。
この切り溝１２は、図２（ａ）に示すように、横溝から
なる主溝１２ａを所定幅、所定深さ、所定間隔で多数形
成する。この主溝１２ａは、岩盤１４をブロック状に割
るためのもので、溝ピッチは、岩盤１４の強度により適
当な値に選定される。

【００１１】さらに必要に応じて縦溝からなる副溝１２
ｂを同様に所定幅、所定深さ、所定間隔で多数形成す
る。この副溝１２ｂは、ブロック状に割るのを容易にす
るためのもので、場合によっては省略することができ
る。図１の例では、切り溝１２は、主溝１２ａと副溝１
２ｂとで碁盤目状に溝切りしたが、これに限られるもの
ではなく、中心からの放射線状溝と中心を支点とする径
の異なるリング状の溝との組み合わせであってもよい
し、さらには、不規則な形状や間隔の溝であってもよ
い。また、主溝１２ａが縦溝からなり、副溝１２ｂが横
溝からなるようにしてもよい。

【００１２】切り溝１２の深さは、ウォータージェット
１８の吐出量、吐出圧、走行速度を制御することにより
設定されるが、これらの条件だけでなく、岩盤１４の硬
度、性質などの種々の条件により異なるので、実際に岩
盤１４を試し切りして決定するようにしてもよい。試し
切りによらない場合には、ウォータージェット１８の側
に針状の物差しを差し込んだり、超音波の反射による深
さセンサを備えながら切り溝１２を掘るようにしてもよ
い。

【００１３】第２工程：岩盤１４をブロック状に破壊す
る工程図２（ｂ）に示すように、岩盤１４に切り込まれた切り
溝１２に、くさび状破壊具１６を打ち込みこじる。する
と、岩盤１４は、底辺部分が簡単に割れて、ブロック１
５となって順次折りとられる。岩盤１４に潜在する節理
がない場合には、破壊具１６の打ち込みで発生する最大
曲げが作用する付け根の部分で破壊する。もし、岩盤１
４に潜在する節理がある場合には、その節理部分で破壊
するが、残った部分はもう一度破壊具１６を打ち込む
か、または残したままで放置して、つぎのステップでウ
ォータージェット１８による切り溝１２の形成を繰り返
す。

【００１４】第３工程：撤去する破壊具１６により逐次破壊し、折りとられたブロック１
５を撤去することにより、ウォータージェット１８で切
り込んだ岩盤１４部分がきれいに破壊される。ついで、
つぎのステップで再び図１に示すように切り溝１２を形
成して順次掘削しながら進む。

【００１５】つぎに掘削速度を具体例により説明する
と、算定条件（１）前記トンネルの掘削面１３は、トンネルの底面１
１からトンネルの掘削周囲１０の頂上部分までの高さが
６ｍ、トンネルの掘削周囲１０の左右の幅が８ｍとす
る。（２）ウォータージェット１８を１０００馬力級、２５
００ｋｇｆ／ｃｍ²×１００リットル／ｍｉｎとする。（３）岩盤１４の強度を床版コンクリート並とする。

【００１６】溝切り速度上記（１）（２）により、幅１０ｍｍ×深さ３０ｃｍ×
３００〜４００ｃｍ／ｍｉｎとする。

【００１７】切り溝１２の延べの長さ主溝１２ａのピッチは、折りとられたブロック１５が略
正方形までは破壊できるものとして溝深さと同じ３０ｃ
ｍとし、副溝１２ｂのピッチは、主溝１２ａのピッチの
約４倍とする。したがって、主溝１２ａは、高さ６ｍ÷
０．３ｍ×長さ８ｍ＝１６０ｍ副溝１２ｂは、長さ６ｍ×幅８ｍ÷１．２ｍ＝４０ｍ
となる。

【００１８】折りとられたブロック１５の数上記から、２０溝×７溝＝１４０個となる。

【００１９】所要時間（１）正味溝切り時間Ｔ１Ｔ１＝２００ｍ÷３．０〜４．０ｍ／ｍｉｎ＝５０〜６
７ｍｉｎ（２）正味折りとられたブロック１５の割り時間Ｔ２Ｔ２＝１４０個÷２個×１５〜２０ｓ＝５０〜６７ｍｉ
ｎ（３）作業効率（正味運転時間率） η＝０．７とすると、Ｔ３＝（５０〜６７＋１８〜２３）÷０．７＝９７〜１
２９ｍｉｎ以上により、深さ３０ｃｍ当り（１４．４ｍ³当り）９
７〜１２９ｍｉｎを要し、１日１２時間当りでは、１．
６〜２．２ｍ（８０〜１０７ｍ³）となる。

【００２０】つぎに、本発明の破壊方法に使用する装置
を図３、図４および図５により説明する。図３は、ノズ
ル１７を操作する機械を示し、溝切り精度があまり要求
されないときには、通常のアーム式建設機械が利用でき
る。また、能率よく溝切りする場合には、アーム式ロボ
ット１９を自走装置２０に取り付けたものが利用され
る。

【００２１】前記ノズル１７には、超高圧の加圧水を得
るための１０００馬力級のウォータージェット発生装置
２１が超高圧水ホース４３を介して連結される。このウ
ォータージェット発生装置２１は、図５に示すように、
油圧ポンプ４０、増圧器４１、アキュムレータ３２で構
成されている。前記油圧ポンプ４０は、増圧器４１の第
１シリンダ室２６と第２シリンダ室２７に交互に圧油を
送り、ピストン２３を交互に往復運動させ、ピストン２
３と一体の第１ピストンロッド２４と第２ピストンロッ
ド２５で第１圧縮室２８と第２圧縮室２９の水を加圧
し、第１超高圧出力口３０と第２超高圧出力口３１から
それぞれ超高圧の加圧水を出力する。

【００２２】第１超高圧出力口３０と第２超高圧出力口
３１から交互に送られてきた加圧水は、アキュムレータ
３２で脈流を除き、清水ノズル３３または研磨材ノズル
３６に送る。清水ノズル３３は、水だけのウォータージ
ェット１８を得るためのもので、オリフィス３４により
絞られて出力する。研磨材ノズル３６は、鉄筋をも切断
する場合のもので、オリフィス３８で絞った後、研磨材
投入口３７から研磨材を投入して研磨材入りのアブレー
シブジェット３９として出力する。

【００２３】また、前記くさび状破壊具１６は、このく
さび状破壊具１６を強く岩盤１４の切り溝１２に強く押
し込むために、通常図４に示すようなバックホーなどの
土工用掘削機械２２が利用され、この土工用掘削機械２
２は、自走装置２０に搭載されている。この場合におい
て、くさび状破壊具１６の付け根に電磁バイブレータを
装着すると、折りとられたブロック１５は、あたかもブ
レーカーによる破壊のように高能率で行える。

【００２４】以上のような装置によって、トンネル掘削
面１３を自走装置２０とアーム式ロボット１９の操作に
より走行方向を制御しながら、図１および図２に示した
溝１２が形成され、かつ土工用掘削機械２２の操作でく
さび状破壊具１６を岩盤１４の切り溝１２に押し込んで
破壊する。

【００２５】前記実施例では、岩盤１４に形成する切り
溝１２の主溝１２ａと副溝１２ｂをそれぞれ同一溝ピッ
チでを形成したが、岩盤１４の性質が途中で変化してい
る場合には、硬い部分では軟らかい部分よりも溝ピッチ
を狭くするようにしてもよい。また、清水のズル３３の
ウォータージェット１８では溝切りが不十分か、不可能
である場合には、研磨材のズル３６のアブレーシブジェ
ット３９で溝切りするようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】

（１）従来の鑿岩機や発破による工法では、騒音、振
動、爆発音、これらに伴う近隣地区での亀裂の発生など
の公害問題が発生していたが、本発明によるウォーター
ジェット１８での溝きりによる方法では、騒音、振動を
解消することができる。

【００２７】（２）本発明の方法は、ウォータージェッ
ト１８によりトンネル掘削面１３をすべて掘削するので
はなく、ウォータージェット１８にて溝切りだけをし、
その後くさび状破壊具１６にてブロック１５に破壊する
ものであるから、きわめて高能率である。ちなみに、３
０ｃｍピッチに幅１０ｍｍの溝切りを行う場合には、全
面をウォータージェット１８により掘削する場合に比較
して３０倍の速度で掘削できる。

【００２８】（３）本発明の方法によれば、碁盤目など
に溝切りされた折りとられたブロック１５は、掘削方向
の岩盤１４との付着面を除く５面が自由面であるため、
くさび状破壊具１６で容易に破壊、撤去でき、掘削全体
の能率が高い。

【００２９】（４）本発明による方法は、トンネル掘削
面１３の断面方向にも、周囲の壁面方向にも自在に施工
できるから、不定形の短いトンネル掘削面１３や地下室
の掘削にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるトンネルの掘削方法を説明するた
めのトンネル掘削面１３の溝切り状態の一実施例を示す
説明図である。

【図２】（ａ）は、図１における切り溝１２を形成した
状態の断面図、（ｂ）は、ブロック１５状に破壊してい
る状態の断面図である。

【図３】本発明による方法を実現するためのウォーター
ジェット発生装置２１の斜視図である。

【図４】本発明による方法を実現するためのくさび状破
壊具１６の取付け状態を示す斜視図である。

【図５】図３におけるウォータージェット発生装置４０
の断面図である。

【符号の説明】

１０…トンネルの掘削周囲、１１…トンネルの底面、１
２…切り溝、１２ａ…主溝、１２ｂ…副溝、１３…トン
ネル掘削面、１４…岩盤、１５…折りとられたブロッ
ク、１６…くさび状破壊具、１７…ノズル、１８…ウォ
ータージェット、１９…アーム式ロボット、２０…自走
装置、２１…ウォータージェット発生装置、２２…土工
用掘削機械、２３…ピストン、２４…第１ピストンロッ
ド、２５…第２ピストンロッド、２６…第１シリンダ
室、２７…第２シリンダ室、２８…第１圧縮室、２９…
第２圧縮室、３０…第１超高圧出力口、３１…第２超高
圧出力口、３２…アキュムレータ、３３…清水ノズル、
３４…オリフィス、３６…研磨材ノズル、３７…研磨材
投入口、３８…オリフィス、３９…アブレーシブジェッ
ト、４０…油圧ポンプ、４１…増圧器、４２…シリン
ダ、４３…超高圧ホース。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル掘削面１３の岩盤１４に超高圧
のウォータージェット１８で所定深さに多数の切り溝１
２を形成する工程と、この切り溝１２にくさび状破壊具
１６をこじ入れて前記岩盤１４を順次破壊する工程とか
らなることを特徴とするトンネルの掘削方法。
【請求項２】多数の切り溝１２を形成する工程は、所
定間隔で主溝１２ａを施してなる請求項１記載のトンネ
ルの掘削方法。
【請求項３】多数の切り溝１２を形成する工程は、所
定間隔で主溝１２ａを施すとともに、この主溝１２ａに
略直交する副溝１２ｂを施して碁盤目状に形成してなる
請求項１記載のトンネルの掘削方法。
【請求項４】ウォータージェット１８を噴射するノズ
ル１７は、自走装置２０を有するアーム式ロボット１９
に搭載し、くさび状破壊具１６は、自走装置２０を有す
る土工用掘削機械２２に搭載してなる請求項１、２また
は３記載のトンネルの掘削方法。