(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴及び中胴、後胴から構成された掘削機本体と、前記前胴の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記前胴と中胴とを着脱自在に連結する中胴連結手段と、該中胴連結手段によって前記前胴に対して前記中胴が離脱したときに該中胴を移動自在に保持する中胴移動手段と、前記前胴と後胴との間に架設された推進手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
掘削機本体を筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴及び中胴、後胴にて構成し、該前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前記後胴に対して前記前胴を前進させることで前記カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前記前胴に対して前記中胴を離脱状態とし、該前胴の前進に対して該中胴の追従を不能とすることで、前記前胴と中胴とを離間させて両者の間に開口部を形成し、該開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたことを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機などのトンネル掘削機及びトンネル掘削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に従来のトンネルボーリングマシンの断面概略を示す。
【０００３】
従来のトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）において、図１３に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴001と後胴002とから構成されており、この前胴001の前部にはカッタヘッド003が回転自在に装着されており、このカッタヘッド003は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ004が多数枢着されている。このカッタヘッド003の後部には内歯を有するリングギヤ005が一体に固定される一方、前胴001にはカッタ旋回モータ006が固定されており、このカッタ旋回モータ006の駆動ギヤ007がリングギヤ005に噛み合っている。また、前胴001には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、バルクヘッド008が形成されており、カッタヘッド003とこのバルクヘッド008との間にはチャンバ室009が形成されている。そして、このチャンバ室009にはずりを集積するホッパ010が配設され、このホッパ010の下部にはこのホッパ010にて集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ011が取付けられている。
【０００４】
従って、カッタ旋回モータ006を駆動して駆動ギヤ007を回転駆動すると、この駆動ギヤ007が噛み合うリングギヤ005が回転し、リングギヤ005と一体のカッタヘッド003を旋回し、ローラカッタ004が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタヘッド003の開口部からチャンバ室009に取り込まれたずりはホッパ010内に落下し、このホッパ010内に集積されたずりはベルトコンベヤ011によって外部に排出される。
【０００５】
前胴001と後胴002とは互いにシール部材012を介して揺動自在に嵌合しており、両者の間には１２本のスラストジャッキ013が架設されている。このスラストジャッキ013は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、全体としてトラス状に配設されることでパラレルリンク機構014を構成している。従って、このパラレルリンク機構014において、各スラストジャッキ013の各駆動ロッドを伸縮することで、前胴001と後胴002との相対位置を変更することができ、また、各スラストジャッキ013の各作動ストロークを変えることで、後胴002に対してカッタヘッド003を有する前胴001を屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【０００６】
また、前胴001には複数のフロントグリッパ015が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各フロントグリッパ015は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってグリッパシュー016 を径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各グリッパシュー016を径方向に張り出すと、このグリッパシュー016を前胴001内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴001を保持する位置に移動させることができる。一方、後胴002には複数のリヤグリッパ017が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各リヤグリッパ017は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってグリッパシュー018 を径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各グリッパシュー018を径方向に張り出すと、このグリッパシュー018を後胴002内に収納した位置から、掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴002を保持する位置に移動させることができる。
【０００７】
なお、通常のＴＢＭは岩盤掘削用のトンネル掘削機であり、前述したリヤグリッパ017による掘進反力を得て前胴001を推進させるものであるが、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、掘削したトンネル壁面が軟弱であり、リアグリッパ017によって掘進反力を得ることができない。そのため、シールド掘削機のようにセグメントＳによって掘進反力を得て前胴001が推進できるようになっている。即ち、後胴002の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ019が並設されており、このシールドジャッキ019を作動して掘進方向後方に駆動ロッドを伸長させると、掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳに押し付けられ、その反力により前胴001を前進させることができる。そして、このシールドジャッキ019と共に後胴002の後部にはトンネル内壁面にセグメントＳを組付けるエレクタ装置020が装着されている。
【０００８】
従って、リアグリッパ017の各グリッパシュー018を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴002を移動不能に保持し、この状態で、カッタ旋回モータ006を駆動してカッタヘッド003を回転駆動させながら、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。そして、各スラストジャッキ013を所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ013 の駆動を停止し、フロントグリッパ015の各グリッパシュー016を押し出して掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後前001を移動不能に保持する一方、リアグリッパ017を後胴002内に収納することでこの後胴002を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構014の各スラストジャッキ013を収縮することで前胴201に対して後胴002を引き寄せる。そして、再び、リアグリッパ017の各グリッパシュー018を既設トンネル内壁面に圧接することで後胴002を移動不能に保持する一方、フロントグリッパ015を前胴001内に収納することでこの前胴001を移動自在とする。この状態で、カッタ旋回モータ006によってカッタヘッド003を回転駆動させながら、各スラストジャッキ013を伸長して前胴001と共にカッタヘッド003を前方へ移動させると、旋回するカッタヘッド003のローラカッタ004が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。
【０００９】
この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削していく。そして、このローラカッタ004の岩盤掘削によって生じたずりはチャンバ室009内に取り込まれてホッパ010内に落下し、ホッパ010内に集積されたずりはベルトコンベヤ011によって外部に排出される。また、岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、この掘削形成されたトンネルの壁面が安定している場合は支保は不要であるが、若干不安定であり、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状の形成したＨ形綱や木製の板等を支保として用い、トンネルを保護する。また、岩盤を掘削してトンネルを形成する場合に、掘削地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、シールドジャッキ019がセグメントＳにて掘進反力を得て前胴001を推進させる。そして、エレクタ装置020によって新しいセグメントＳを組み付けていく。この繰り返しによってトンネルを構築していく。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＴＢＭにあっては、掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるときには、シールドジャッキ019が既設のセグメントＳによって掘進反力を得て前胴001を推進させ、このとき、エレクタ装置020が既設のトンネル内壁面に新しいセグメントＳを組み付けていく。このエレクタ装置020によるセグメントＳの組付作業は、従来、掘削機本体、即ち、後胴002の後方で行っている。
【００１１】
掘削形成されたトンネルの内壁面が不安定であるものの、崩落の少ない地盤であれば問題ないが、地山が崩落し易い地盤では掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを用いたトンネル保護作業を行う必要がある。上述した従来のＴＢＭにあっては、セグメントの組付作業を後胴002の後方で行っており、カッタヘッド003が岩盤を掘削してから、掘削機本体が掘進してエレクタ装置020が岩盤掘削位置に到達するまである程度の時間がかかってしまう。そのため、その間にトンネルの内壁面の崩落が広範囲にわたってしまうという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題を解決するものであって、トンネルの内壁面の崩落を抑制すると共に掘削作業の安全性の向上を図ったトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【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本発明のトンネル掘削機は、筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴及び中胴、後胴から構成された掘削機本体と、前記前胴の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記前胴と中胴とを着脱自在に連結する中胴連結手段と、該中胴連結手段によって前記前胴に対して前記中胴が離脱したときに該中胴を移動自在に保持する中胴移動手段と、前記前胴と後胴との間に架設された推進手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１４】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、カッタヘッド駆動手段によってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段によって後胴に対して前胴を前進させることでこのカッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、中胴連結手段によって前胴に対して中胴を離脱状態とし、この中胴移動手段によって前胴の前進に対してこの中胴を保持して追従を不能とすることで、前胴は中胴と離間して両者の間には開口部が形成されることとなり、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行う。
【００１５】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴及び中胴、後胴にて構成し、該前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、前記後胴に対して前記前胴を前進させることで前記カッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前記前胴に対して前記中胴を離脱状態とし、該前胴の前進に対して該中胴の追従を不能とすることで、前記前胴と中胴とを離間させて両者の間に開口部を形成し、該開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明のトンネル掘削機は、地盤を掘削してトンネルを形成するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機に適用されるものである。即ち、掘削機本体は筒状をなす前胴と中胴と後胴とがそれぞれ互いに移動自在に嵌合して構成され、前胴の前部には回転自在なカッタヘッドが装着されており、このカッタヘッドはカッタヘッド駆動手段としての駆動モータなどによって駆動回転可能となっている。そして、前胴と後胴との間には推進手段としての多数の油圧ジャッキが架設されており、この油圧ジャッキの伸縮によって前胴と後胴とを接近離間させて両者を交互に前進させることができる。また、前胴と中胴とは中胴連結手段としてのボルトなどによって着脱自在に連結されており、このボルトを締結することで両者を連結固定し、ボルトの締結を解除することで両者を離脱することができる。更に、中胴と後胴との間には中胴移動手段としての油圧ジャッキが架設されており、前胴に対して中胴が離脱状態となったときに後胴に対して中胴を移動自在に保持することができる。
【００１９】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、駆動モータによってカッタヘッドを駆動回転させながら、推進手段としての油圧ジャッキを伸長し、後胴に対して前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。次に、油圧ジャッキを収縮することで、前胴に対して後胴を引き寄せて前進させる。そして、再び、油圧ジャッキを伸長し、前胴を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削する。この繰り返しによって掘削作業を行う。そして、掘削地盤が不安定であるときは、中胴連結手段としてのボルトの締結を締結することで前胴と中胴とを離脱状態とし、後胴に対して前胴が前進したときに、中胴移動手段としての油圧ジャッキによって中胴を位置保持することで、前胴と中胴の間を開口することができ、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止できる。
【００２０】
このように本発明のトンネル掘削機にあっては、掘削地盤が不安定であるときは、前胴と中胴とを離脱状態として両者を離間させ、前胴と中胴の間を開口することで、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対して支保を行って地盤の崩落を防止することができ、掘削面から近いところで、しかも、早い時期に支保を行うことで、地山の崩落を抑制して安全に作業を行うことができる。
【００２１】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体を筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴及び中胴、後胴にて構成し、前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、この前胴を前進させることでカッタヘッドによって前方の地盤を掘削し、このとき、前胴と中胴とを離脱状態としと前胴の前進に対して中胴の追従を不能とすることで、この前胴と中胴とを離間させて両者の間に開口部を形成し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしている。従って、このトンネル掘削方法を用いて地盤を掘削することで、掘削途中で、掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制できる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２３】
なお、以下に説明する実施例では、本発明のトンネル掘削機を岩盤を掘削するトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）として説明する。
【００２４】
図１に本発明の一実施例に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの断面、図２乃至図５は本実施例のトンネルボーリングマシンの要部を表すものであって、図２にこのトンネルボーリングマシンの正面視、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断面を示し、図６に推進機構としてのパラレルリンク機構の概略、図７及び図８は前胴と中胴と後胴の連結構造を表すものであって、図７に前胴と中胴の連結固定状態の要部断面、図８に前胴と中胴の離脱状態の要部断面を示し、図９にこのトンネルボーリングマシンに適用されるリンク式セグメントエレクタ装置の側面視、図１０にリンク式セグメントエレクタ装置の正面視、図１１に中胴の連結固定時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視、図１２に中胴の離脱時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面視を示す。
【００２５】
＜トンネルボーリングマシンの全体構成＞
まず、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）１０の全体構成について説明する。図１及び図２に示すように、ＴＢＭ１０において、掘削機本体は円筒形状をなす前胴１１と中胴１２と後胴１３とが互いに移動自在に嵌合して構成されている。この前胴１１の前部には軸受１４によってカッタヘッド１５が回転自在に装着されており、このカッタヘッド１５は前面に径方向に沿って互いに交差するスポーク１６が固定され、各スポーク１６には岩盤をせん断破壊するディスクカッタ１７が多数枢着されると共に、岩盤の掘削面を掻き取るスクレーパ１８が固定されている。このカッタヘッド１５の後部には内歯を有するリングギヤ１９が一体に固定される一方、前胴１１には電動式あるいは油圧式のカッタ旋回モータ２０が固定されており、このカッタ旋回モータ２０の駆動ギヤ２１がリングギヤ１９に噛み合っている。
【００２６】
また、前胴１１には掘削して発生したずりが内部に浸入しないように、カッタヘッド１５側とカッタ旋回モータ２０側とを仕切るバルクヘッド２２が形成されており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド２２との間にはチャンバ室２３が形成されている。そして、このチャンバ室２３にはずりを集積するホッパ２４がバルクヘッド２２に固定されて配設され、カッタヘッド１５の内側には破壊されて落下したずりを掻き上げてホッパ２４に取り込む掻き上げ板２５が固定されている。更に、このホッパ２４の下部にはこのホッパ２４にて集積したずりを外部に排出する排出装置２６が取付けられている。
【００２７】
なお、この排出装置２６は図示しないジェットポンプによってずりを外部に排出するものであり、掘削機本体内には、このジェットポンプに給水する給水管２６ａと給水された水及びずりを排出する排出管２６ｂが配設されている。従って、ホッパ２４にて集積されたずりはジェットポンプからの噴射水によって排出管に吸引され、この排出管を通って排出することができる。
【００２８】
従って、カッタ旋回モータ２０を駆動して駆動ギヤ２１を回転駆動すると、この駆動ギヤ２１が噛み合うリングギヤ１９が回転し、リングギヤ１９と一体のカッタヘッド１５を旋回し、ディスクカッタ１７が岩盤をせん断破壊し、スクレーパ１８が掘削面を掻き取ることで、岩盤を掘削することができる。そして、掘削して生じたずりはチャンバ室２３内に落下し、掻き上げ板２５がカッタヘッド１５と共に回転することで、チャンバ室２３内のずりを掻き上げてホッパ２４内に落とす。このホッパ２４内に落下して集積したずりは排出装置２６のジェットポンプによって外部に排出される。
【００２９】
図１及び図４に示すように、中胴１２は前胴１１の後部に球面軸受２７を介して揺動自在に連結されている。また、後胴１３は中胴１２の後部内周面にシール部材２８を介して掘進方向移動自在に連結されている。そして、前胴１１の後部と中胴１２との間には図示しない連結ジャッキが架設されている。この連結ジャッキは油圧の給排によって伸縮作動するものである。
【００３０】
また、前胴１１の前胴基板２９と後胴１３の前部に固定された後胴基板３３との間には推進機構としての６本のスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆが架設されている。このスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆは油圧の給排によって伸縮作動するものであって、ジャッキ本体は前胴基板２９に固定された球軸受３５によって揺動自在に支持され、ロッド先端部は後胴基板３３に固定された球軸受３６によって揺動自在に支持されている。そして、このスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆはそれぞれ隣合って配設された関係が、例えば、スラストジャッキ３４ａがカッタヘッド１５の周方向一方に傾斜し、スラストジャッキ３４ｂがカッタヘッド１５の周方向他方に傾斜して全体としてトラス状に配設されることでパラレルリンク機構３７を構成している。
【００３１】
従って、このパラレルリンク機構３７において、スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆの各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１５を有する前胴１１を中胴１２に対して屈曲し、その掘進方向を変更することができる。また、このパラレルリンク機構３７のスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆの各駆動ロッドを伸長させることで、カッタヘッド１５を有する前胴１１及び中胴１２を後胴１３に対して前進することができる。
【００３２】
ここで、前述した複数のスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆから構成されるパラレルリンク機構３７の制御システムの構成について説明する。
【００３３】
図６に示すように、スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆにおいて、例えば、スラストジャッキ３４ａの図示しないピストンによって仕切られた２つの圧力室には油圧給排管４１，４２が連結されており、各油圧給排管４１，４２はそれぞれ非常遮断弁４３，４４を介してサーボ弁４５に連結されている。このサーボ弁４５はスラストジャッキ３４ａの各圧力室への圧油の供給及び排出を操作するものであって、連結管４６，４７を介して油圧給排源４８に連結されている。
【００３４】
また、スラストジャッキ３４ａにはその作動位置を検出する変位センサ４９が装着されており、この変位センサ４９は制御部５０を介してサーボアンプ５１に接続されている。そして、前述したサーボ弁４５はこのサーボアンプ５１に接続されている。なお、この制御部５０には複数のジョイスティックを有する操作部５２と非常停止ボタン５３が接続されている。
【００３５】
従って、変位センサ４９はスラストジャッキ３４ａの作動位置を検出しており、その検出信号を制御部５０に出力している。制御部５０はこの検出信号に基づいてサーボアンプ５１に指令信号を出力し、サーボアンプ５１はその指令信号に基づいてサーボ弁４５を制御し、油圧給排源４８とスラストジャッキ３４ａとの間で油圧の給排を行うようになっている。なお、ここではスラストジャッキ３４ａについてのみ説明したが、他のスラストジャッキ３４ｂ〜３４ｆについても同様の構成となっている。
【００３６】
また、前胴１１には、図１及び図３に示すように、複数のフロントグリッパ５５が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各フロントグリッパ５５は内蔵された油圧ジャッキ５６によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ５６を駆動して各フロントグリッパ５５を径方向に張り出すことで、このフロントグリッパ５５を前胴１１内に収納した位置から掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して前胴１１を保持する位置に移動させることができる。
【００３７】
一方、後胴１３には、図１及び図５に示すように、２つのリアグリッパ５７が周方向にほぼ均等間隔で２つ装着されており、各リアグリッパ５７は内蔵された油圧ジャッキ５８によって径方向に駆動することができる。従って、この油圧ジャッキ５８を駆動して各リアグリッパ５７を径方向に張り出すことで、このリアグリッパ５７を後胴１３内に収納した位置から掘削形成されたトンネル内壁面に圧接して後胴１３を保持する位置に移動させることができる。
【００３８】
ところで、本実施例にあっては、図１及び図７に示すように、中胴１２は前胴１１の後部に中胴連結手段としての着脱ボルト101によって着脱自在に連結されると共に、この中胴１２と後胴１３との間には中胴移動手段としてのシールド開閉ジャッキ102が架設されており、前胴１１に対して中胴１２が離脱状態となったとき、中胴１１はシールド開閉ジャッキ102によって後胴１３に対して移動することができる。
【００３９】
即ち、前胴１１の後端部には周方向に沿って嵌合溝１１ａ及びフランジ部１１ｂが一体に形成されており、この前胴１１の嵌合溝１１ａには内周フランジ103aが一体に形成された連結リング103の前端部がシール部材104を介して嵌合し、且つ、前胴１１のフランジ部１１ｂに連結リング103の内周フランジ103aが密着している。そして、連結リング103の内周フランジ103aには前述した着脱ボルト101が装着され、この着脱ボルト101が前胴１１のフランジ部１１ｂを貫通して固定ナット105に締結されることで、連結リング103は前胴１１の後部に連結固定されることとなる。また、前胴１１の前胴基板２９には固定ナット105を保持して締結及び弛緩自在なナットランナ106が装着されている。一方、中胴１２の前端部は前胴１１の後部に連結固定された連結リング103に球面軸受２７及びシール部材107を介して揺動自在に連結されている。そして、この中胴１２の前端部と後胴１２の後胴基板３３との間にはシールド開閉ジャッキ102が各取付ブラケット108，109を介して架設されている。
【００４０】
従って、図７に示すように、前胴１１の嵌合溝１１ａに連結リング103の前端部を嵌合してフランジ部１１ｂに内周フランジ103aを密着した状態で、前胴１１のフランジ部１１ｂを貫通した連結リング103の着脱ボルト101に対して、ナットランナ106によって固定ナット105を締結することで、前胴１１に連結リング103、即ち、中胴１２及び後胴１３を連結固定することができる。一方、このナットランナ106によって固定ナット105の締結を解除することで、図８に示すように、前胴１１と連結リング103との連結固定を解除することができる。そして、前胴１１から連結リング103を取り外した状態で、シールド開閉ジャッキ102を収縮状態のまま、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４を伸長すると、後胴１３に対して前胴１１のみが前進して中胴１２は元位置に保持されることとなり、前胴１１と中胴１２との間を開口することができる。
【００４１】
ところで、一般的に、ＴＢＭ１０は岩盤掘削用のトンネル掘削機であり、前述した後胴１３のリアグリッパ５７によって掘進反力を得て前胴１１を推進させるものであるが、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、掘削したトンネル内壁面が軟弱であり、リアグリッパ５７によって掘進反力を得ることができない。そのため、本実施例のＴＢＭ１０にあっては、シールド掘削機のように、セグメントによって掘進反力を得て前胴１１が推進できるようになっている。
【００４２】
即ち、図１及び図５に示すように、後胴１３の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ５９が並設されており、後方に伸びる駆動ロッドの先端部にはスプレッダ６０が取付けられている。従って、このシールドジャッキ５９を作動して掘進方向後方に駆動ロッドを伸長させると、掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳにスプレッダ６０が押しつけられ、その反力により前胴１１、中胴１２及び後胴１３を前進させることができる。なお、後胴１３の後部内周面には既設のセグメントＳの外周面に密着して後胴１３内部への土砂の浸入を防止するテールパッキン６１が固着されている。
【００４３】
ここで、上述したＴＢＭ１０に適用されるセグメントエレクタ装置について説明する。図１に示すように、このＴＢＭ１０に装着されたセグメントエレクタ装置６２はリンク式であって、後胴１３の後部に固定された固定板６３に設けられており、このエレクタ装置６２はシールドジャッキ５９によって前進した後胴１３（掘削機本体）と既設のセグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着するものである。
【００４４】
即ち、図９及び図１０に示すように、固定板６３にはブラケット６４によって回転自在な４つの支持ローラ６５が周方向ほぼ均等間隔で取付けられており、この４つの支持ローラ６５によって回転リング６６が回転自在に支持され、この回転リング６６には内歯を有するリングギヤ６７が固定されている。また、固定板６３にはブラケット６８によって油圧モータ６９が固定されており、この油圧モータ６９の駆動ギヤ７０がリングギヤ６７の内歯に噛み合っている。従って、油圧モータ６９を駆動して駆動ギヤ７０を回転駆動すると、この駆動ギヤ７０が噛み合うリングギヤ６７が回転し、リングギヤ６７と一体の回転リング６６を旋回することができる。
【００４５】
また、回転リング６６に固定された固定台７１には一対の連結リンク７２及び一対の可動リンク７３を介して移動台７４が支持されており、この一対の可動リンク７３には油圧ジャッキ７５の本体が枢着され、その駆動ロッドの先端部は固定台７１に連結されている。そして、この移動台７４のねじロッド７６にはスライド体７７が螺合し、このねじロッド７６の回転によってスライド体７７が移動自在となっており、このスライド体７７に固定された取付ブラケット７８には連結ピン７９によって吊り金具８０が着脱自在となっている。なお、この吊り金具８０は下部がねじ部となっており、図示しない装置によって搬入されたセグメントＳの内面に予め螺合されるものである。
【００４６】
従って、セグメントＳに螺合された吊り金具８０に対して、スライド体７７を移動して取付ブラケット７８と位置合せを行い、この吊り金具８０を連結ピン７９によって取付ブラケット７８に連結することで、セグメントＳを保持することができる。そして、油圧ジャッキ７５を駆動して駆動ロッドを伸縮すると、可動リンク７３及び連結リンク７２が上下に回動し、固定台７１に対して移動台７４を昇降することで、保持したセグメントＳを昇降することができる。更に、油圧モータ６９を駆動してリングギヤ６７と共に回転リング６６を旋回することで、保持したセグメントＳをトンネル内壁面に沿って移動することができる。
【００４７】
ここで、上述したように構成されたＴＢＭ１０によって岩盤を掘削してトンネルを構築する場合について説明する。
【００４８】
図１に示すように、油圧ジャッキ５６を駆動（縮小）して各フロントグリッパ５５を引き込んで前胴１１内に収納することで、前胴１１を移動自在とする一方、油圧ジャッキ５８を駆動（伸長）して各リアグリッパ５７を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、後胴１３を移動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回モータ２０を駆動してカッタヘッド１５を回転駆動させながら、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆを伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１５を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド１５のディスクカッタ１７が岩盤をせん断破壊し、スクレーパ１８が掘削面を掻き取ることで岩盤を掘削する。そして、このときに各スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆの各作動ストロークを変えることで、前胴１１は中胴１２と球面軸受２７を介して折れ曲がり、カッタヘッド１５の向きを変えてトンネルの掘削方向を変更することができる。
【００４９】
また、図６に示すように、制御部５０には変位センサ４９が検出したスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆの作動位置の検出信号が入力されており、制御部５０は予め設定された掘削条件（掘削するトンネルの計画線形や掘削速度等）及び変位センサ４９の検出信号に基づいてサーボアンプ５１に指令信号を出力してサーボ弁４５を制御し、油圧給排源４８とスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆとの間で油圧の給排を行う。従って、スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆは油圧の給排によって所定量駆動し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の制御が行われながら、カッタヘッド１５をこのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びψ方向、θ方向、φ方向の６自由度運動させる。
【００５０】
そして、各スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆを所定ストローク伸長すると、このスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆの駆動を停止し、油圧ジャッキ５６を駆動（伸長）して各フロントグリッパ５５を押し出して外周面を掘削形成されたトンネル内壁面に圧接することで、前胴１１を移動不能に保持する一方、油圧ジャッキ５８を駆動（縮小）して各リアグリッパ５７を引き込んで後胴１３内に収納することで、後胴１３を移動自在とする。この状態で、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆを縮小して前胴１１及び中胴１２に対して後胴１３を前方へ引き寄せて移動させる。そして、前述と同様に、各フロントグリッパ５５を引き込んで前胴１１内に収納し、前胴１１を移動自在とする一方、各リアグリッパ５７を押し出して外周面をトンネル内壁面に圧接し、後胴１３を移動不能に保持する。この状態で、カッタ旋回モータ２０を駆動してカッタヘッド１５を回転駆動させながら、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４ａ〜３４ｆを伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１５を前方へ移動させることで、ディスクカッタ１７及びスクレーパ１８によって岩盤を掘削する。この繰り返しによってトンネルを掘削形成していく。
【００５１】
このディスクカッタ１７及びスクレーパ１８の岩盤掘削によって生じたずりはカッタヘッド１５の隙間からチャンバ室２３内に落下し、カッタヘッド１５と共に回転する掻き上げ板２５がこのチャンバ室２３内のずりを掻き上げてホッパ２４内に落とす。そして、このホッパ２４内に落下して集積されたずりは排出装置２６によって外部に排出される。即ち、給水管から排出装置２６のジェットポンプに給水されると、ジェットポンプは加圧水を噴射して発生した負圧によってホッパ２４に集積されたずりが排出管に吸引され、この排出管を通って外部に排出される。
【００５２】
このように岩盤を掘削してトンネルを掘削形成していく過程で、この掘削形成されたトンネルの壁面が安定している場合は支保は不要であるが、若干不安定であり、壁面から岩片が剥がれ落ちないようにリング状の形成したＨ形綱や木製の板等を支保として用い、トンネルを保護する。この場合、図１１に示すように、作業者は後胴１３の後方にて、トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行う。
【００５３】
そして、岩盤を掘削してトンネルを形成する場合には、前述したように、リアグリッパ５７がトンネル内壁面に圧接して後胴１３を移動不能に保持ことで、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４ａはこの後胴１３にて掘進反力を得て前胴１１を前進させ、旋回するカッタヘッド１５によって前方の岩盤を掘削する。一方、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、トンネル内壁面が軟弱であるため、リアグリッパ５７によって推進反力を得ることができないので、シールドジャッキ５９が既設のセグメントＳにて掘進反力を得て前胴１１及び中胴１２、後胴１３を推進させる。
【００５４】
即ち、複数のシールドジャッキ５９のスプレッダ６０を既設のセグメントＳへ押し付けた状態で、このシールドジャッキ５９を伸長することにより、その押し付け反力によってトンネル掘削機本体、即ち、前胴１１、中胴１２及び後胴１３を前進させ、これと同時にカッタ旋回モータ２０を駆動してカッタヘッド１５を旋回させ、ディスクカッタ１７及びスクレーパ１８によって一般土砂層を掘削していく。そして、前胴１１、中胴１２及び後胴１３からなる掘削機本体が所定量前進すると、シールドジャッキ５９の何れか一つを縮み方向に作動し、スプレッダ６０と既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、この空所にセグメントエレクタ装置６２によって新しいセグメントＳを装着する。
【００５５】
図９及び図１０に示すように、図示しない台車によってトンネル内に搬入されたセグメントＳに対して、作業者はこのセグメントＳに吊り金具８０を螺合する。そして、エレクタ装置６２のスライド体７７を移動し、取付ブラケット７８をセグメントＳに固定された吊り金具８０の上方に位置させ、この吊り金具８０を連結ピン７９によって取付ブラケット７８に連結する。このようにセグメントＳを取付ブラケット７８が保持した状態で、油圧ジャッキ７５を駆動して可動リンク７３を回動することで移動台７４を昇降すると共に、油圧モータ６９を駆動して回転リング６６を旋回することで移動台７４を旋回し、保持したセグメントＳをトンネル内で移送してトンネル内壁面の所定の位置に組付ける。そして、セグメントＳをトンネル内壁面に固定すると、セグメントＳの保持を解除し、元位置に戻る。この繰り返しによってトンネルを構築していく。
【００５６】
ところで、掘削地盤が不安定であって、既設トンネルの内壁面での崩落がある場合には、掘削面（切羽）からなるべく近いところで、且つ、なるべく早い時期に支保工などを組み付けて既設トンネルを保護する必要がある。従って、この場合には、図１及び図８、図１２に示すように、ナットランナ106によって保持した固定ナット105を回転し、着脱ボルト101との締結を解除することで、前胴１１と連結リング103との連結固定を解除する。そして、前胴１１から連結リング103を取り外した状態で、シールド開閉ジャッキ102を収縮状態のまま、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４を伸長する。すると、後胴１３に対して前胴１１のみが前進し、旋回するカッタヘッド１５によって前方の岩盤が掘削され、中胴１２は後胴１３と共に元位置に保持されることとなり、前進した前胴１１と中胴１２との間を開口する。
【００５７】
従って、作業者は、前胴１１と中胴１２との間の開口部を用いて、既設トンネルの内壁面への支保工Ｓの組付作業を行うことで、地盤の崩落を早期に抑制できる。なお、前胴１１と中胴１２との間の開口部の大きさを調整する場合には、シールド開閉ジャッキ102を伸長することで、中胴１２が前胴１１側へ移動し、開口部を小さくすることができる。
【００５８】
その後、掘削地盤が安定して、既設トンネルの内壁面での崩落の危険性がなくなった場合には、シールド開閉ジャッキ102を収縮状態として、パラレルリンク機構３７の各スラストジャッキ３４を収縮すると、前胴１１に対して後胴１３と共に中胴１２が引き寄せられて前進し、前進した中胴１２の連結リング103の前端部が前胴１１に密着する。この状態で、ナットランナ106によって保持したナット105を回転させることで、このナット105と連結リング103の着脱ボルト101とが螺合し、この連結リング103は前胴１１に連結固定され、前胴１１と中胴１２と後胴１３とが連結されることとなる。
【００５９】
このように上述したＴＢＭ１０では、トンネル掘削機本体（前胴１１、中胴１２、後胴１３）をパラレルリンク機構３７あるいはシールドジャッキ５９によって前進させながらカッタヘッド１５を旋回させ、ディスクカッタ１７及びスクレーパ１８によって岩盤を掘削し、岩盤掘削によって生じたずりをホッパ２４に集積してから排出装置２６によって外部に排出する一方、セグメントエレクタ装置６２によってセグメントＳをトンネル内壁面に装着することで、トンネルを構築している。そして、掘削地盤が不安定である場合には、前胴１１と連結リング103（中胴１２）との連結を解除し、パラレルリンク機構３７によって前胴１１を前進させることでこの前胴１１と中胴１２との間を開口することができ、作業者はこの開口部を用いて掘削面（切羽）からなるべく近いところで、なるべく早い時期に支保工などを組み付けを行うことができる。
【００６０】
なお、上述したＴＢＭ１０において、パラレルリンク機構３７を６本のスラストジャッキ３４ａ〜３４ｆによって構成したが、スラストジャッキの数は６本に限定されるものではなく、８本でも、１０本でもよいものであり、いずれの場合であっても前述と同様の作用効果を奏することができる。また、上述のＴＢＭ１０において、掘削機本体の推進機構及び掘進方向を変更する機構としてパラレルリンク機構３７を用いたが、本発明のトンネル掘削機はこれに限定されるものではない。更に、上述した各実施例にあって、ＴＢＭ１０にリンク式セグメントエレクタ装置６２を適用したが、門型セグメントエレクタ装置を適用しても良いものである。また、上述した各ＴＢＭ１０，110にあっては、ずりの排出装置２６としてジェットポンプやベルトコンベヤを適用して説明したが、排出装置はこれらに限定されるものではなく、スクリューコンベヤなどを適用しても良い。
【００６１】
【発明の効果】
以上、実施例を挙げて詳細に説明したように本発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体を筒状をなして互いに移動自在に嵌合する前胴、中胴、後胴から構成し、前胴の前部に回転自在なカッタヘッドを装着してカッタヘッド駆動手段によって駆動回転可能とすると共に、前胴と後胴との間に推進手段を架設して両者を接近離反自在とし、また、中胴連結手段によって前胴と中胴とを着脱自在に連結すると共に、中胴連結手段によって前胴に対して中胴が離脱したときに中胴移動手段によって中胴を移動自在に保持するようにしたので、既設トンネルの内壁面で崩落がある場合には、前胴に対して中胴を離脱状態としてこの前胴の前進に対して中胴を保持して追従を不能とすることで、前胴を中胴と離間して両者の間に開口部が形成することにより、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うことができる。その結果、トンネルの内壁面の崩落を早期に抑制することができると共に、掘削作業の安全性の向上を図ることができる。
【００６２】
また、本発明のトンネル掘削方法によれば、前胴の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転させながら、後胴に対して前胴を前進させることで前方の地盤を掘削し、このとき、前胴に対して前記中胴を離脱状態とし、前胴の前進に対して中胴の追従を不能とすることで、前胴と中胴とを離間させて両者の間に開口部を形成し、この開口部を用いて既設トンネルの内壁面に対する支保を行うようにしたので、掘削途中にて掘削面から近いところで早い時期に支保を行うことができ、地山の崩落を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの断面図である。
【図２】トンネルボーリングマシンの正面図である。
【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】推進機構としてのパラレルリンク機構の概略図である。
【図７】前胴と中胴の連結固定状態の要部断面図である。
【図８】前胴と中胴の離脱状態の要部断面図である。
【図９】トンネルボーリングマシンに適用されるリンク式セグメントエレクタ装置の側面図である。
【図１０】リンク式セグメントエレクタ装置の正面図である。
【図１１】中胴の連結固定時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図１２】中胴の離脱時の本実施例のトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図１３】従来のトンネルボーリングマシンの断面概略図である。
【符号の説明】
１０  トンネルボーリングマシン
１１  前胴（トンネル掘削機本体）
１２  中胴（トンネル掘削機本体）
１３  後胴（トンネル掘削機本体）
１５  カッタヘッド
２０  カッタ旋回モータ
２３  チャンバ室
２４  ホッパ
２６  排出装置
３４ａ〜３４ｆ  スラストジャッキ
３７  パラレルリンク機構
５９  シールドジャッキ
６２  リンク式セグメントエレクタ装置
１０１  着脱ボルト（中胴連結手段）
１０２  シールド開閉ジャッキ（中胴移動手段）
１０３  連結リング
１０５  固定ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003649509.tif 000009
【図９】
0003649509.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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