(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削するカッターヘッドを有し、該カッターヘッドは、地中に埋設される管の内径よりも小さな外径を有し、前記管と推力伝達部材及びシヤーピンを介して接続され、管に作用する推力によって該管と共に推進され、管が所定の推進長に達したとき引抜力伝達部材を介して伝達された引抜力によって前記シヤーピンを切断して管の内部を通って発進立坑に引き戻される掘進機であって、前記カッターヘッドは、面板と、該面板の外周にテーパ部又は曲面部を介して設けられた筒部とからなるカッターヘッド本体を備え、前記カッターヘッドの外周部にはローラーカッター又はローラービットがその周面が前記テーパ面又は曲面部に沿うように設けられていることを特徴とする掘進機。
【請求項２】
前記カッターヘッドの外周面に礫破砕用ビットを設けたことを特徴とする請求項１記載の掘進機。
【請求項３】
前記カッターヘッドの外周面に礫取込み用の切欠を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の掘進機。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載された掘進機を用い、該掘進機に作用する推力に応じてローラーカッター又はローラービットに掘進方向に対する傾斜角度に応じた分力を発生させると共に、該分力とカッターヘッドの駆動力との合力を発生させ、この合力により前記カッターヘッドの外周部に対応する地山部分をほぐしながら掘削することを特徴とする掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に管を埋設するに際し、管の内部に配置されて地山を掘削しつつ該管と共に推進され、所定の推進長に到達した後、管の内部を通って発進立坑側に引き戻される掘進機に関し、特に、管と掘進機を推進させる際の推力を低減させるために掘削されたトンネルに於ける内周部の周辺地山をほぐすことを可能とした掘進機と、該掘進機を用いた掘削方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中に下水道管路やガス管路を敷設する場合、推進工法が採用されることが多い。この推進工法は、管路の予定敷設線上に発進立坑と到着立坑を構築し、先端にカッターヘッドを設けた掘進機及び該掘進機に後続させた管を発進立坑に設置した元押し装置によって推進し、掘進機を到着立坑に到着させて該立坑から排除することで、発進立坑と到着立坑の間に管路を敷設するものである。
【０００３】
上記の如く、推進工法では発進立坑と到着立坑の構築が必須となる。発進立坑には元押し装置や掘削土砂を排除する設備等の装置類を設置し得るスペースと、元押し装置に掘進機及び該掘進機に後続させる管を供給する作業を実施し得るスペースが必要であり、また到着立坑には到着した掘進機を排除し且つこの作業を実施し得るスペースが必要である。このため、発進立坑及び到着立坑共に大きな面積が必要となる。
【０００４】
しかし、到着立坑を構築することなく掘進機及び管を推進し、推進された管が予定長に達したとき、掘進機のみを発進立坑に引き戻すような推進工法も開発されている。例えば、本件出願人が開発して既に特許出願した排水用管路の敷設工法（特願平4-108392号）は、掘進機の外周に多孔管を配設し、掘進機にさや管を後続させると共に多孔管にはさや管と等しい長さの多孔管を後続させ、掘進機と多孔管，さや管と多孔管を同時に推進し、多孔管を所定長推進した後、さや管及び掘進機を発進立坑に引き戻すものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術では掘進機は多孔管の内部を通って発進立坑に引き戻されるため、カッターヘッドは外径が多孔管の内径よりも小さい径で形成されている。従って、カッターヘッドによって地山に掘削されたトンネルは掘進機を通過させるのが精々であり、多孔管は作用する推力に応じて先端がトンネルの周辺地山に刺しこまれ、該地山を崩壊させつつ推進される。このため、大きな推力を必要とし、元押し装置の能力を増大させなければならないという問題がある。
【０００６】
最近では、交通事情や周辺の民家等に与える影響を考慮して、マンホール程度の立坑を構築するか或いは到着立坑を構築することなく管路を敷設することが要求されている。
【０００７】
本発明の目的は、トンネルの周辺地山をほぐすことで、元押し装置の能力を大幅に増大させることなく管と同時に推進することが出来る掘進機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る掘進機は、地山を掘削するカッターヘッドを有し、該カッターヘッドは、地中に埋設される管の内径よりも小さな外径を有し、前記管と推力伝達部材及びシヤーピンを介して接続され、管に作用する推力によって該管と共に推進され、管が所定の推進長に達したとき引抜力伝達部材を介して伝達された引抜力によって前記シヤーピンを切断して管の内部を通って発進立坑に引き戻される掘進機であって、前記カッターヘッドは、面板と、該面板の外周にテーパ部又は曲面部を介して設けられた筒部とからなるカッターヘッド本体を備え、前記カッターヘッドの外周部にはローラーカッター又はローラービットがその周面が前記テーパ面又は曲面部に沿うように設けられていることを特徴とする。
【０００９】
上記掘進機では、カッターヘッドを駆動しない状態で管に推力を付与すると、この推力は推力伝達部材を介して掘進機に作用し、カッターヘッドが切り羽に圧接する。このため、カッターヘッドの最外周から中心にかけて形成されたテーパ面又は曲面と対向する部位、即ち、掘削されたトンネルの内周面と端面が交差する部位にテーパ面，曲面に対し垂直方向の分力が作用する。
【００１０】
上記状態からカッターヘッドを駆動すると、テーパ面，曲面に対して作用している垂直分力とカッターヘッドの駆動力とが合成される。この合力は、カッターヘッドの回転下流方向で且つトンネルの内周面から外方向に作用し、この力によってトンネル内周面及び該面から半径方向（深さ方向）の地山をほぐすことが出来る。
【００１１】
従って、カッターヘッドの外径よりも大きい内径を持った管は先端部分がカッターヘッドによってほぐされた地山に差しこまれることとなり、付与すべき推力を低減させることが出来る。
【００１２】
また管が所定長推進された後、引抜力伝達部材を介して掘進機に引抜力を伝達すると、この引抜力によってシヤーピンが切断されて管の内部を通って発進立坑に引き戻される。このとき、カッターヘッドの外径が管の内径よりも小さい径をもって形成されるため、該ヘッドが管と干渉することがなく、容易に引き戻すことが出来る。
【００１３】
上記掘進機に於いて、カッターヘッドの外周面に礫破砕用ビットを設けることが好ましく、更に、カッターヘッドの外周面に礫取込み用の切欠を設けることが好ましい。
【００１４】
上記の如く構成された掘進機では、掘進機に作用する推力とカッターヘッドの駆動力との合力によってトンネルの内周面及び該面から深さ方向の地山をほぐすことが困難な礫を含む地山或いは岩盤層を有する地山に適用することが出来、トンネルの内周面の近傍にある礫を礫破砕用ビットで破砕して切欠から取り込むことが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、上記掘進機の好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は掘進機の全体構成を説明する図であり、管の内部に配置された状態を示す図、図２はカッターヘッドの正面図、図３はカッターヘッドの断面図、図４はカッターヘッドと管の先端部分を含む斜視図、図５は掘進機及び管を推進する状態を説明する図、図６は所定長の管を推進した後、掘進機を引き戻す際の初期状態を説明する図、図７は掘進機を引き戻す際の状態を説明する図である。
【００１６】
先ず、図１により掘進機Ａの概略構成及び管Ｃとの接続構成について説明する。この掘進機Ａは、先端にカッターヘッドＢを回転可能に取り付けたシールド本体１とテールシールド２を複数の方向制御ジャッキ３及び図示しないロッドによって接続して構成されている。シールド本体１とテールシールド２は地中に埋設すべき管Ｃの内部に配置されており、テールシールド２と管Ｃは推力伝達部材Ｄを介して接続され、シールド本体１と管Ｃはシヤーピン４を介して接続されている。また掘進機Ａのテールシールド２には、該掘進機Ａに引抜力を伝達する引抜力伝達部材Ｅが接続されている。
【００１７】
シールド本体１の所定位置には隔壁５が設けられており、この隔壁５の前方側（図１の左側）に削土室６が形成され、また隔壁５の後方側（図１の右側）であってテールシールド２の内部に機内室７が形成されている。削土室６側にカッターヘッドＢ及びコーンローター８が配置されており、機内室７にカッターヘッドＢを駆動するモーター９及び掘進機Ａの予定敷設線からのズレを監視する光学系10，その他必要な計器類が配置されている。
【００１８】
テールシールド２の後端にはブラケット11が設けられており、このブラケット11に推力伝達部材Ｄ，引抜力伝達部材Ｅが取り付けられている。
【００１９】
管Ｃは、掘進機Ａを引き戻した後、地中に残置されて管路の一部を構成するものであり、目的の管路の仕様を満足し得るものであれば良く、長さを限定するものではない。即ち、管Ｃは掘進機Ａと略等しいか或いはより長いものであって良い。しかし、掘進機Ａ及び管Ｃの推進に伴って発生する虞のある予定敷設線からのズレを制御し得るように構成することが好ましい。
【００２０】
このため、本実施形態では、管Ｃを掘進機Ａのシールド本体１に対応するフロントケーシング21と、テールシールド２に対応するテールケーシング22とによって構成し、掘進機Ａの方向制御を行う場合、夫々のケーシング21，22が対応するシールド本体１，テールシールド２と共に互いに屈折し得るように構成している。
【００２１】
各ケーシング21，22の内周には長手方向に沿って表面が平坦なレール21ａ，22ａが固着されており、シールド本体１及びテールシールド２の外周には、前記レール21ａ，22ａと接触して摺動する摺動部材１ａ，２ａが固着されている。
【００２２】
フロントケーシング21の先端部分には外側に向けて径が拡大するテーパ面が形成され、このテーパ面によって鋭い先端部21ｂが形成されている。従って、推力が付与されたとき、先端部21ｂはカッターヘッドＢによって掘削されたトンネルの内周面から半径方向に離隔した位置に刺しこまれ、該内周面を削りとって土砂を削土室６に導入することが可能である。
【００２３】
推力伝達部材Ｄは、元押し装置によって管Ｃに付与された推力を掘進機Ａに伝達するものであり、この機能を有するものであれば特に構成を限定するものではない。本実施形態では、テールケーシング22の内周面に固着したブラケット23と、このブラケット23に取り付けられ先端がテールシールド２の後端に設けたブラケット11に接続されたロッド24とによって構成されている。しかし、前記構成以外であっても良く、例えばテールシールド２の外周に複数の油圧ジャッキを配置しておき、この油圧ジャッキを駆動してテールケーシング22に押圧力を作用させて両者を接続するように構成することも可能である。
【００２４】
引抜力伝達部材Ｅは、平行に配置された複数本の棒鋼（ＰＣ棒鋼）25によって構成されており、該ＰＣ棒鋼25の一端はテールシールド２に設けたブラケット11に接続され、他端は元押し装置の押し輪に接続されている。このＰＣ棒鋼25はテールケーシング22に後続する管26と略等しい長さを有しており、既に推進された管26に新たな管26を接続する毎に延長される。
【００２５】
次に、図２〜図４によりカッターヘッドＢの構成について詳細に説明する。カッターヘッドＢは、円盤状の面板31と、面板31の外周に設けられた筒部32と、モーター９の駆動力を伝達する図示しない軸を嵌合するボス33と、ボス33と面板31，筒部32を接続するリブ34とを有して構成されており、充分に高い剛性を有している。
【００２６】
面板31は、外周側から中心側にかけて所定の角度を持ったテーパ部31ａが形成されており、このテーパ部31ａに連続して平面部31ｂが形成されている。前記テーパ部31ａの角度は特に限定するものではない。しかし、30度〜45度程度であることが好ましい。また本実施形態では面板31の外周部分にテーパ部31ａを形成したが、必ずしもテーパ状である必要はなく曲面であっても良い。
【００２７】
テーパ部31ａには該テーパ部31ａの傾斜角度と平行に配置されたローラービット35及びローラーカッター36が夫々回転可能に取り付けられている。また平面部31ｂには複数のローラービット35が夫々回転可能に取り付けられている。更に、テーパ部31ａから平面部31ｂにかけてスクレーパー37が取り付けられている。
【００２８】
また面板31には、地山を掘削した土砂や礫をコーンローター８側に取り込むための穴38が形成されている。
【００２９】
筒部32の外周面には礫破砕用のビット39が所定の間隔を持って取り付けられている。図２に二点鎖線で示すように、ビット39の頂部を結ぶ円の直径は、面板31のテーパ部31ａに取り付けたローラービット35，ローラーカッター36の最も外側に位置する部分を結ぶ円の直径と等しい値を有しており、前記円の直径が管Ｃの内径よりも小さい径となるように設定されている。
【００３０】
筒部32の所定位置には複数の切欠40が形成されており、ビット39によって破砕した礫や管Ｃの先端部21ｂで削り取った土砂を切欠40を通してコーンローター８側に取り込むように構成されている。
【００３１】
上記の如く構成されたカッターヘッドＢでは、図４に示すように、掘進機Ａに推力Ｓが作用すると、面板31のテーパ部31ａ及び該テーパ部31ａに取り付けたローラービット35，ローラーカッター36にはテーパ部31ａの傾斜角度に応じた分力Ｐが発生する。そしてカッターヘッドＢを駆動力Ｆで駆動すると、この駆動力Ｆと分力Ｐとの合力Ｒが発生し、この合力Ｒが掘削されたトンネルの内周面の深さ方向に作用して地山に於ける所定深さ部分をほぐすことが可能である。
【００３２】
特に、地山が礫を含む層であるような場合、カッターヘッドＢの筒部32に取り付けた礫破砕用のビット39によって、該ヘッドＢの外周部に存在する礫を破砕することが可能である。このため、掘削されたトンネルの内周面の近傍は礫を含むことがなく、管Ｃを構成するフロントケーシング21の先端部21ｂをトンネルの内周面の刺し込む際の障害物を除去することが可能である。
【００３３】
上記ビット39によって破砕された礫及び先端部21ｂによって削り取られた土砂はカッターヘッドＢの筒部32に形成した切欠40を通って破砕室６に導入され、該室６の内部でコーンローター８によって圧密されると共に外部に排出される。また切り羽から掘削された礫及び土砂は面板31に形成された穴38を通って破砕室６に導入され、コーンローター８によって圧密されると共に外部に排出される。
【００３４】
従って、掘進機Ａ及び管Ｃを推進する際に、管Ｃを構成するフロントケーシング21の先端部21ｂは予めカッターヘッドＢによってほぐされたトンネルの内周面に刺しこまれることとなり、小さい推力で容易に推進することが可能となる。
【００３５】
次に、上記の如く構成された掘進機Ａと管Ｃを推進し、且つ管Ｃの内部を通して掘進機Ａを引き戻す手順について図５〜図７により説明する。
【００３６】
管Ｃ及び該管Ｃの内部に配置されフロントケーシング21とシヤーピン４を介して接続されると共にテールケーシング22と推力伝達部材Ｄを介して接続された掘進機Ａは、図示しない発進立坑に設置された元押し装置によってテールケーシング22或いは該ケーシング22に後続する管26に推力Ｓが付与される。前記推力Ｓの付与と同時にカッターヘッドＢを駆動し、該ヘッドＢに取り付けたローラービット35，ローラーカッター36，スクレーパー37によって切り羽を掘削すると共に、掘削されたトンネルの内周面から所定深さ部分をテーパ部31ａに取り付けたローラービット35，ローラーカッター36によってほぐす（図５参照）。
【００３７】
掘進機Ａを管Ｃの内部に配置したとき、カッターヘッドＢはフロントケーシング21の先端部21ｂよりも前方に配置される。このため、前記先端部21ｂはカッターヘッドＢによって掘削され且つ内周面がほぐされたトンネルに刺しこまれることとなり、小さい推力Ｓによって容易に推進される。
【００３８】
管26の推進長が予め設定された長さと一致したとき、掘進機Ａを管Ｃ及び管26の内部を通して発進立坑に引き戻す操作を実施する。この操作は、推力伝達部材Ｄによる管Ｃのテールケーシング22と掘進機Ａのテールシールド２との接続を解除し、ＰＣ棒鋼25を元押し装置に接続して引き戻すことで行われる。
【００３９】
掘進機ＡにＰＣ棒鋼25を介して引抜力を伝達すると、この引抜力はテールシールド２からシールド本体１に伝達され、更に、シヤーピン４を介してフロントケーシング21に伝達される。そしてシヤーピン４が切断されてシールド本体１とフロントケーシング21の接続が解除される（図６参照）。
【００４０】
シヤーピン４の切断後、引き続き付与される引抜力によって掘進機Ａは管Ｃ及び管26の内部を通って発進立坑に引き戻され、地中に残置された管Ｃ及び管26によって管路が敷設される（図７参照）。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係る掘進機では、カッターヘッドの外周から中心にかけてテーパ面或いは曲面を形成することによって、掘進機に作用する推力及びテーパ面，曲面に応じた外向きの分力を発生させると共に、該分力とカッターヘッドの駆動力との合力を発生させてトンネルの内周面から所定の深さ部分の地山をほぐすことが出来る。このため、推進される管の先端部分は予めほぐされた地山に刺しこまれることとなり、小さい推力で容易に推進することが出来る。
【００４２】
またカッターヘッドの外周面に礫破砕用のビットを設けることによって、トンネルの内周面の近傍にある礫を破砕して管の先端部の地山への刺し込みを容易に行うことが出来る。
【００４３】
またカッターヘッドの外周面に破砕された礫を取り込む切欠を設けることで、ビットによって破砕された礫、及びトンネルに刺しこまれた管の先端部によって削り取られた土砂を破砕室に取り込むことが出来る等の特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘進機の全体構成を説明する図であり、管の内部に配置された状態を示す図である。
【図２】カッターヘッドの正面図である。
【図３】カッターヘッドの断面図である。
【図４】カッターヘッドと管の先端部分を含む斜視図である。
【図５】掘進機及び管を推進する状態を説明する図である。
【図６】所定長の管を推進した後、掘進機を引き戻す際の初期状態を説明する図である。
【図７】掘進機を引き戻す際の状態を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ              掘進機
Ｂ              カッターヘッド
Ｃ              管
Ｄ              推力伝達部材
Ｅ              引抜力伝達部材
１              シールド本体
２              テールシールド
３              方向制御ジャッキ
４              シヤーピン
５              隔壁
６              削土室
７              機内室
８              コーンローター
９              モーター
10              光学系
11              ブラケット
21              フロントケーシング
21ｂ            先端部
22              テールケーシング
23              ブラケット
24              ロッド
25              ＰＣ棒鋼
26              管
31              面板
31ａ            テーパ部
31ｂ            平面部
32              筒部
33              ボス
34              リブ
35              ローラービット
36              ローラーカッター
37              スクレーパー
38              穴
39              ビット
40              切欠
【図１】
0003696314.tif 000002
【図２】
0003696314.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003696314.tif 000007
【図７】
0003696314.tif 000008