(57)【要約】【課題】  地盤条件や施工条件に合わせて、ヘッド部の切羽形状を選択し、掘進姿勢を制御できる掘進機を提供すること。【解決手段】  掘進機１を、筒状の本体１０と、本体１０の端部に設けられた、周方向の断面積が掘削方向前方に近づくにつれて小さくなるような錐状体のヘッド部３等とで構成する。掘進機１は、ヘッド部３の先端部の位置が静止時の位置からずれるようにヘッド部３を傾斜させて地盤７に対するヘッド部３の角度を変化させることで、上側地盤反力と下側地盤反力のバランスを調整させつつ、ヘッド部３を地盤７に圧入する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の本体と、
前記本体の端部に設けられた、周方向の断面積が掘削方向前方に近づくにつれて小さくなるような形状のヘッド部と、
を具備し、
前記ヘッド部の先端部の位置を移動させつつ、前記ヘッド部を地山に圧入することを特徴とする掘進機。
【請求項２】
前記ヘッド部が、錐状体であることを特徴とする請求項１記載の掘進機。
【請求項３】
前記錐状体の頂点が偏心していることを特徴とする請求項２記載の掘進機。
【請求項４】
前記ヘッド部が、前記本体の中心軸と所定の角度を成す平面によって、柱体の所定の部分を切断した形状であることを特徴とする請求項１記載の掘進機。
【請求項５】
前記ヘッド部が周方向の断面積が異なる複数の部材からなり、前記複数の部材を周方向または／および軸方向にスライドさせることにより、前記地山に対する切羽角度を調整することを特徴とする請求項１記載の掘進機。
【請求項６】
前記本体内に、前記ヘッド部を押し出す圧入用ジャッキと、前記本体の後部内に組み立てたセグメントから反力を取るシールドジャッキとが設けられることを特徴とする請求項１記載の掘進機。
【請求項７】
前記本体に、周方向にせり出して前記地山に反力を取るためのグリッパが設けられることを特徴とする請求項６記載の掘進機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘進機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のシールドトンネル工法や推進工法には、地山を切羽において掘削し、それをシールドマシン等の掘進機内に取り込み、掘進機内において構築される地中構造物躯体や立坑内架台などに反力を取って掘進する排土式のものがある（例えば、特許文献１参照）。また、地山を圧密ヘッドで圧密し、土砂を排出せずに埋設管を設置する無排土式のものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３２３８５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２０１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排土式の掘進機を用いた場合、掘削土が生じ、これらは産業廃棄物として取り扱われるため、環境負荷やコストが大きい。また、長距離化や高速施工化が著しく進歩しているため、掘削土の排出や運搬が、コストや工期に対するボトルネックになりつつある。無排土式の掘進機を用いた場合、環境負荷低減やコスト減、並びに工期短縮が可能となるが、大口径の管を設置する場合、大きな推進力が必要となる。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、地盤条件や施工条件に合わせて、ヘッド部の切羽形状を選択し、掘進姿勢を制御できる掘進機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するための本発明は、筒状の本体と、前記本体の端部に設けられた、周方向の断面積が掘削方向前方に近づくにつれて小さくなるような形状のヘッド部とを具備し、前記ヘッド部の先端部の位置を移動させつつ、前記ヘッド部を地山に圧入することを特徴とする掘進機である。
【０００７】
ヘッド部は、例えば、錐状体とする。錐状体の頂点、すなわち先端部は、本体の中心軸上になく、偏心していてもよい。また、ヘッド部は、本体の中心軸と所定の角度を成す平面によって、柱体の所定の部分を切断した形状とする場合もある。
【０００８】
ヘッド部の先端部の位置を移動させるには、ヘッド部を傾斜させる。または、ヘッド部を、周方向の断面積が異なる複数の部材で構成し、複数の部材を周方向または／および軸方向にスライドさせてもよい。複数の部材は、平行移動、回転移動等によりスライドする。
【０００９】
掘進機の本体内には、本体の後部内に組み立てたセグメントから反力を取りつつヘッド部を圧入するシールドジャッキを設ける。掘進機の本体内には、本体の後部内に組み立てたセグメントから反力を取るシールドジャッキと、ヘッド部を押し出す圧入用ジャッキとを設けてもよい。本体には、周方向にせり出して地山に反力を取るためのグリッパを設けてもよい。
【００１０】
本発明の掘進機は、筒状の本体と、本体の端部に設けられた、周方向の断面積が掘削方向前方に近づくにつれて小さくなるような形状のヘッド部からなる。掘進機は、ヘッド部を傾斜させたり、ヘッド部の形状を変化させることにより、ヘッド部の先端部の位置を移動させつつ、ヘッド部を地山に圧入する。本発明の掘進機は、無排土とするのが望ましいが、本体内に、一部の土砂を取り込むための装置を設けても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、地盤条件や施工条件に合わせて、ヘッド部の切羽形状を選択し、掘進姿勢を制御できる掘進機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。図１は、地盤７内を掘進する掘進機１を示す図である。図１に示すように、掘進機１は、円筒状の本体１０と、円錐状のヘッド部３からなる。図１に示すヘッド部３の先端部４は、掘進機１の静止時には、本体１０の中心軸上に位置する。掘進機１は、ヘッド部３を地盤７に圧入し、本体１０内でセグメント５を組み立てつつ、地盤７内を掘進する。
【００１３】
図２は、地盤７内を掘進する掘進機１を示す図である。図２の（ａ）図は、地盤７の浅い部分を掘進する掘進機１を、図２の（ｂ）図は、地盤７の深い部分を掘進する掘進機１を示す。図２の（ａ）図に示すように地盤７の浅い部分を掘進する場合には、矢印Ｂに示す上側地盤反力より矢印Ｃに示す下側地盤反力が大きく、下側曲げモーメントが卓越する。図２の（ｂ）図に示すように地盤７の深い部分を掘進する場合には、矢印Ｄに示す上側地盤反力が矢印Ｅに示す下側地盤反力より大きく、上側曲げモーメントが卓越する。
【００１４】
図２の（ｃ）図は、地盤強度の大きい部分を掘進する掘削機１を、図２の（ｄ）図は、地盤強度の小さい部分を掘削する掘進機１を示す。地盤７の同じ深さ部分を掘進する場合、地盤強度が大きいと、図２の（ｃ）図に示すように、矢印Ｊに示す上側地盤反力より矢印Ｋに示す下側地盤反力が大きく、下側曲げモーメントが卓越する。地盤強度が小さいと、図２の（ｄ）図に示すように、矢印Ｌに示す上側地盤反力が矢印Ｍに示す下側地盤反力より大きく、上側曲げモーメントが卓越する。
【００１５】
掘進機１は、地盤７の条件（土被りや強度等）や施工条件に合わせて、上側地盤反力と下側地盤反力が均衡するように、ヘッド部３の傾きを制御しつつ、掘進する。ヘッド部３の傾きは、矢印Ａに示すように、先端部４の位置が本体１０の中心軸上から上または下にずれるように制御される。この制御は、ヘッド部３を傾斜させる機構（例えば、本体１０とヘッド部３を連結し、個々に伸縮を制御できる複数のジャッキ等）を用いて行われる。
【００１６】
掘進機１を地盤７に圧入する際の切羽反力は、従来の掘進機と同様に、セグメント５や立坑内架台（図示せず）等に取る。掘進機１では、ヘッド部３を圧入することにより、土砂をヘッド部３の周囲の地盤７に押付けるので、掘削土が発生しない。
【００１７】
第１の実施の形態では、ヘッド部３の先端部４の位置を上下左右に移動させ、地盤７に対するヘッド部３の角度を変化させることで、地盤７に掘進機１を圧入する時の上側地盤反力と下側地盤反力のバランスを調整できる。これにより、掘進機１に生じる曲げモーメントや地盤７の変形量を制御し、掘進機１を地盤７に圧入する際の推進力を小さくできる。また、掘進機１の姿勢を柔軟に制御することが可能となる。
【００１８】
なお、図１に示す掘進機１では、ヘッド部３の姿勢を、先端部４の位置が矢印Ａに示す方向（上下）にずれるように制御したが、上下以外の方向にずれるように制御してもよい。また、図１に示す掘進機１では、円錐状のヘッド部３の先端部４が本体１０の中心軸上に位置するが、ヘッド部３の先端部４の位置はこれに限らない。
【００１９】
図３は、他の掘進機を示す図である。図３の（ａ）図に示す掘進機１ａ、図３の（ｂ）図に示す掘進機１ｂは、円筒状の本体１０に、それぞれ、円錐状のヘッド部３ａ、ヘッド部３ｂを設けたものである。ヘッド部３ａの先端部４ａ、ヘッド部３ｂの先端部４ｂは、それぞれ、本体１０の下端面内、上端面内に位置する。
【００２０】
図１から図３に示す掘進機では、円筒状の本体１０に円錐状のヘッド部を設けたが、掘進機の形状はこれに限らない。図４および図５は、他の掘進機を示す図である。図４の（ａ）図に示す掘進機１１ａ、図４の（ｂ）図に示す掘進機１１ｂ、図４の（ｃ）図に示す掘進機１１ｃは、それぞれ、四角筒状の本体１５に、四角錐状のヘッド部１３ａ、ヘッド部１３ｂ、ヘッド部１３ｃを設けたものである。掘進機１１ａ、掘進機１１ｂ、掘進機１１ｃの静止時に、ヘッド部１３ａの先端部１４ａ、ヘッド部１３ｂの先端部１４ｂ、ヘッド部１３ｃの先端部１４ｃは、それぞれ、本体１５の下端面内、中心軸上、上端面内に位置する。
【００２１】
さらに、ヘッド部は、錐状体でなくてもよい。図５は、他の掘進機を示す図である。図５の（ａ）図に示す掘進機１９ａ、図５の（ｂ）図に示す掘進機１９ｂ、図５の（ｃ）図に示す掘進機１９ｃは、四角筒状の本体１５に、それぞれ、ヘッド部１７ａ、ヘッド部１７ｂ、ヘッド部１７ｃを設けたものである。ヘッド部１７ａ、ヘッド部１７ｂ、ヘッド部１７ｃは、本体１５の中心軸と所定の角度を成す平面によって、四角柱の所定の部分を切断した形状である。掘進機１９ａ、掘進機１９ｂ、掘進機１９ｃの静止時に、ヘッド部１７ａの先端部１８ａ、ヘッド部１７ｂの先端部１８ｂ、ヘッド部１７ｃの先端部１８ｃは、それぞれ、本体１５の上端面内、中心軸上、下端面内に位置する。
【００２２】
図５の（ｄ）図に示す掘進機２１ａ、図５の（ｅ）図に示す掘進機２１ｂ、図５の（ｆ）図に示す掘進機２１ｃは、円筒状の本体１０に、それぞれ、ヘッド部２３ａ、ヘッド部２３ｂ、ヘッド部２３ｃを設けたものである。ヘッド部２３ａ、ヘッド部２３ｂ、ヘッド部２３ｃは、本体１０の中心軸と所定の角度を成す平面によって、円柱の所定の部分を切断した形状である。掘進機２１ａ、掘進機２１ｂ、掘進機２１ｃの静止時に、ヘッド部２３ａの先端部２５ａ、ヘッド部２３ｂの先端部２５ｂ、ヘッド部２３ｃの先端部２５ｃは、それぞれ、本体１０の上端面内、中心軸上、下端面内に位置する。
【００２３】
図３、図４、図５に示すように、ヘッド部の形状や先端部の位置は、地盤条件や施工条件に応じて、適切に決定される。掘進機は、ヘッド部の先端部の位置に関わらず、先端部の位置が静止時の位置からずれるようにヘッド部の姿勢を制御しつつ、地盤内を掘進する。
【００２４】
図３から図５に示すような掘進機を用いた場合にも、ヘッド部の先端部の位置を上下左右に移動させることで、図１に示す掘進機１を用いた場合と同様の効果が得られる。なお、周辺地盤の変形は、掘進機の側面から見て、ヘッド部の先端部が地表面側に近いほど広い範囲に小さいものとなり、ヘッド部の先端部が基礎地盤側に近いほど狭い範囲に大きいものとなる。推進力に関しては、ヘッド部の先端部が地表面側に近いほど大きいものとなり、ヘッド部の先端部が基礎地盤側に近いほど小さいものとなる。
【００２５】
ヘッド部が図３や図４に示すような錐状体の場合、先端部が点のため、上下左右への姿勢制御が容易である、また、広範囲に地山を押し拡げるため、推進力は大きくなるが周辺地盤の変形は小さくなる。ヘッド部が図５に示すような形状の場合、側面から見てヘッド部の先端部が基礎地盤側に近いほど、圧入時に押し拡げる領域を特に狭くでき、推進力を大幅に低減することが可能となる。
【００２６】
次に、第２の実施の形態について説明する。図６は、地盤３５内を掘進する掘進機２７を示す図、図７は、掘進機２７の前面および側面を示す図である。図６および図７に示すように、掘進機２７は、円筒状の本体２９と、円錐状のヘッド部３１からなる。掘進機２７は、ヘッド部３１を地盤３５に圧入し、本体２９内でセグメント３３を組み立てて、地盤３５内を掘進する。ヘッド部３１は、周方向の断面積が異なる複数の部材３４を、先端部３２に近づくほど断面積が小さくなるように配置して形成される。
【００２７】
図７の（ａ）図は、静止時の掘進機２７の前面図および側面図を示す。図７の（ａ）図に示すように、ヘッド部３１の先端部３２は、掘進機２７の静止時には、本体２９の中心軸上に位置する。図７の（ｂ）図および（ｃ）図は、掘進機２７のヘッド部３１を、下方向に偏心させた状態の前面図および側面図を示す。図７の（ａ）図に示す状態から、ヘッド部３１を構成する複数の部材３４を矢印Ｆに示す方向にスライドさせることにより、図７の（ｂ）図に示すように、掘進機２７のヘッド部３１が本体２９の中心軸より下方向に移動する。さらに、図７の（ｂ）図に示す状態から、部材３４を矢印Ｇに示す方向にスライドさせることにより、図７の（ｃ）図に示すように、掘進機２７のヘッド部３１が本体２９の下端面内に移動する。
【００２８】
図７の（ｄ）図は、掘進機２７のヘッド部３１を、水平方向に偏心させた状態の前面図および側面図を示す。図７の（ａ）図に示す状態から、ヘッド部３１を構成する複数の部材３４を矢印Ｈに示す方向にスライドさせることにより、図７の（ｄ）図に示すように、掘進機２７のヘッド部３１が本体２９の側面内に移動する。
【００２９】
図７の（ｅ）図は、掘進機２７のヘッド部３１の長さを延長した状態の前面図および側面図を示す。図７の（ａ）図に示す状態から、ヘッド部３１を構成する複数の部材３４を矢印Ｉに示す方向にスライドさせることにより、図７の（ｅ）図に示すように、掘進機２７のヘッド部３１の長さが伸びる。
【００３０】
掘進機２７は、地盤３５の条件（土被りや強度等）や施工条件に合わせて、上側地盤反力と下側地盤反力が均衡するように、ヘッド部３１の形状を制御しつつ、掘進する。ヘッド部３１の形状は、図７の（ｂ）図、（ｃ）図、（ｄ）図に示すように、先端部３２の位置が本体２９の中心軸上から上下左右にずれるように部材３４を制御することにより、変化する。及び／また、図７の（ｅ）に示すように、先端部３２の位置が本体２９の中心軸上を移動するように部材３４を制御することにより、変化する。
【００３１】
ヘッド部３１を上下左右に偏心させる場合には、部材３４を板状部材とし、これらをヘッド部３１の周方向に平行移動または回転移動させる。ヘッド部３１を伸縮させる場合には、部材３４を筒状とし、これらをヘッド部３１の軸方向に平行移動または回転移動させる。
【００３２】
掘進機２７を地盤３５圧入する際の切羽反力は、従来の掘進機と同様に、セグメント３３や立坑内架台（図示せず）等に取る。掘進機２７では、ヘッド部３１を圧入することにより、土砂をヘッド部３１の周囲の地盤３５に押付けるので、掘削土が発生しない。
【００３３】
第２の実施の形態では、ヘッド部３１の形状を変化させて地盤３５に対するヘッド部３１の角度を変化させることで、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。すなわち、地盤３５に掘進機２７を圧入する時の上側地盤反力と下側地盤反力のバランスを調整できる。これにより、掘進機２７に生じる曲げモーメントや地盤３５の変形量を制御し、掘進機２７を地盤３５に圧入する際の推進力を小さくできる。また、掘進機２７の姿勢を柔軟に制御することが可能となる。
【００３４】
第２の実施の形態で、ヘッド部３１を伸縮させる場合には、さらなる効果が得られる。掘進機で地盤内を掘進する場合、切羽長さが長いほど推進力が小さくなるため、地盤３５への圧入が容易となる。また、切羽長さが長いほど掘進機上下間あるいは左右間での曲げモーメントの差が大きくなり、短いほど曲げモーメントの差が小さくなることを利用し、掘進機の上下左右への方向制御が容易となる。
【００３５】
なお、図６、図７に示す掘進機２７では、ヘッド部３１の複数の部材３４を、下方向、水平方向に移動させたが、他の方向に移動させてもよい。また、掘進機２７では、静止時に円錐状のヘッド部３１の先端部３２が本体２９の中心軸上に位置するが、ヘッド部３１の先端部３２の位置はこれに限らない。さらに、本体を多角筒状とし、ヘッド部を本体に合わせた多角錐状としてもよい。
【００３６】
第１、第２の実施の形態に示す掘進機は、例えば、本体内に設置されたシールドジャッキでセグメントに反力を取りつつ、ヘッド部を地盤に圧入する。
【００３７】
次に、第３の実施の形態について説明する、図８は、掘進機３７を用いて地山５１を掘進する際の各工程を示す図である。図８に示すように、掘進機３７は、円筒状の本体３９と、円錐状のヘッド部４１からなる。ヘッド部４１は、周方向の断面積が異なる複数の部材４２を、先端部４４に近づくほど断面積が小さくなるように配置して形成される。本体３９の内部には、圧入用ジャッキ４５とシールドジャッキ４７とが配置される。
【００３８】
ヘッド部４１は、図６に示す掘進機２７のヘッド部３１に相当し、地盤５１の条件（土被りや強度等）や施工条件に合わせて、上側地盤反力と下側地盤反力が均衡するように、形状が変化する。ヘッド部４１は、部材４２を、先端部４４の位置が本体３９の中心軸上から上下左右にずれるように、および／また、先端部４４の位置が本体３９の中心軸上を移動するように制御することにより、変形する。
【００３９】
以下に、掘進機３７のヘッド部４１を地盤５１に圧入し、本体３９内でセグメント４９を組み立てて、地盤５１内を掘進する方法について説明する。図８の（ａ）図は、掘進機３７が静止している状態を示す図、図８の（ｂ）図は、ヘッド部４１を地盤５１に圧入している状態を示す図である。
【００４０】
掘進機３７のヘッド部４１を地盤５１に圧入するには、まず、図８の（ａ）図に示す状態から、圧入用ジャッキ４５を伸長させ、図８の（ｂ）図に示すように、ヘッド部４１を押し出す。このとき、掘進機３７の本体３９とセグメント４９に反力を取る。
【００４１】
図８の（ｃ）図は、本体３９の移動を終了した状態を示す図である。図８の（ｂ）図に示すようにヘッド部４１を先行して圧入した後、図８の（ｃ）図に示すように、圧入用ジャッキ４５を縮めつつシールドジャッキ４７を伸長し、セグメント４９に反力を取って本体３９を掘進方向前方に移動させる。その後、シールドジャッキ４７を順次縮めつつ、セグメント４９を組み立てて図８の（ａ）に示す状態とする。掘進機３７は、図８に示す各工程を繰り返して地盤５１内を掘進する。掘進機３７では、ヘッド部４１を圧入することにより、土砂をヘッド部４１の周囲の地盤５１に押付けるので、掘削土が発生しない。
【００４２】
第３の実施の形態においても、複数の部材４２からなるヘッド部４１を用いることにより、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、圧入用ジャッキ４５を用いて、ヘッド部４１のみを圧入することにより、掘進機３７の本体３９から反力を取ることができ、セグメント４９への反力の伝達を極力低減できる。
【００４３】
なお、第３の実施の形態では、掘進機３７のヘッド部４１を第２の実施の形態のヘッド部３１と同様のものとしたが、第１の実施の形態と同様に、形状が変化せず、傾斜させることによって切羽角度を調整するようなヘッド部を用いてもよい。また、本体３７に、地盤５１から反力を取るための機構を設けてもよい。
【００４４】
図９は、グリッパ５３を有する掘進機３７ａを示す図である。図９に示すように、掘進機３７ａは、本体３９ａの側面にグリッパ５３を有する。グリッパ５３は、図９に示すように、本体３９ａから地盤５１側にせり出す。これにより、圧入用ジャッキ４５でヘッド部４１を圧入する際に、本体３９ａから地盤５１に反力をより確実に伝播させることができる。
【００４５】
また、図８では、ヘッド部４１を本体３９に固定しない掘進機３７を図示したが、圧入用ジャッキとシールドジャッキを用いた掘進機において、圧入用ジャッキのヘッド部側の端部に本体を固定し、圧入用ジャッキとシールドジャッキを本体内に設けた内胴（図示せず）に固定してもよい。このような掘進機で地盤を掘削する場合、圧入用ジャッキでヘッド部を地盤に圧入し、本体とヘッド部とを前進させる。そして、シールドジャッキを伸ばすと同時に圧入用ジャッキを縮めて本体内で内胴（図示せず）を前進させ、シールドジャッキを縮めつつセグメントを組み立てる。
【００４６】
第１から第３の実施の形態では掘削土が発生しない無排土式の掘進機について説明したが、同様のヘッド部を、土砂の一部を掘進機内に取り込む掘進機に用いてもよい。この場合、本体内に土砂を取り込む装置を設け、ヘッド部を地盤に圧入して土砂を地盤に押付けると同時に、土砂の一部を掘進機内に取り込む。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる掘進機の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】地盤７内を掘進する掘進機１を示す図
【図２】地盤７内を掘進する掘進機１を示す図
【図３】他の掘進機を示す図
【図４】他の掘進機を示す図
【図５】他の掘進機を示す図
【図６】地盤３５内を掘進する掘進機２７を示す図
【図７】掘進機２７の前面および側面を示す図
【図８】掘進機３７を用いて地山５１を掘進する際の各工程を示す図
【図９】グリッパ５３を有する掘進機３７ａを示す図
【符号の説明】
【００４９】
１、１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２７、３７………掘進機
３、３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、３１、４１………ヘッド部
４、４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、３２、４４………先端部
５、３３、４９………セグメント
７、３５、５１………地盤
１０、１５、２９、３９………本体
３４、４２………部材
４５………圧入用ジャッキ
４７………シールドジャッキ
５３………グリッパ
【図１】
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【図２】
2006009252.tif 000004
【図３】
2006009252.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006009252.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006009252.tif 000009
【図８】
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【図９】
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