(57)【要約】【課題】矩形断面のトンネルを掘削するための有効適切なトンネル掘削機を提供する。【解決手段】掘削機本体２の前部に掘削方向と直交する略水平な回転軸をもつメインカッタ３を上下方向に並べて配置して複数段平行に取り付ける。少なくとも最上段のメインカッタは複数の攪拌翼１７を軸方向に間隔をおいて取り付けた攪拌カッタ３Ａとして、各攪拌翼を螺旋方向が相互に逆向きとした２枚１対の螺旋羽根１８により形成し、下段側のメインカッタはスクリューカッタとする。攪拌カッタの後方には掘削土砂を幅方向に移送するパドルスクリュー２０等の横移送装置と、後方に移送するためのスクリューコンベヤ１４等の主移送装置を設ける。各カッタの少なくとも一部を前後方向に進退可能に設ける。複数段のメインカッタの前方にサブカッタ４としての回転カッタを設ける。【選択図】図２
2008240422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の前部に掘削方向と直交する略水平な回転軸をもつカッタを上下方向に並べて配置して複数段平行に取り付けてなるトンネル掘削機であって、
それら複数段のカッタのうち、少なくとも最上段のカッタは、掘削土砂を攪拌するための攪拌翼が取り付けられているとともに、該各攪拌翼は螺旋方向が相互に逆向きとされている２枚１対の螺旋羽根からなることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削機であって、
最上段のカッタの後方の掘削機本体の内部に、該カッタと略平行に配置されて該カッタの攪拌翼により攪拌された掘削土砂を幅方向に移送するための横移送装置を設け、かつ該横移送装置により移送されてくる掘削土砂を後方側にさらに移送するための主移送装置を設けてなることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項３】
請求項１または２記載のトンネル掘削機であって、
複数段のカッタのうち、最上段のカッタを除く他のカッタは、掘削土砂を切羽の幅方向に移送するための螺旋羽根を有してなり、掘削機本体の内部には、それらカッタの螺旋羽根により幅方向に移送されてくる掘削土砂を後方に移送するための主移送装置を設けてなることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のトンネル掘削機であって、
掘削機本体の前部に設ける複数段のカッタの少なくとも一部を、前後方向に進退可能に設けてなることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のトンネル掘削機であって、
掘削機本体の前部に設ける複数段のカッタの前方に、掘削方向と平行な回転軸をもつ回転カッタを設けてなることを特徴とするトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば道路トンネルやアンダーパス、共同溝といった矩形断面のトンネルを掘削するためのトンネル掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、都市域に設けられる上記のような比較的小規模のトンネルの断面形状は円形断面とするよりも矩形断面とすることが合理的である場合が多く、そのような矩形断面のトンネルを掘削するためのトンネル掘削機としては、たとえば特許文献１〜４に示されるように、外周部に切削ビットを有するスクリューカッタの類を掘削方向に対して直交する略水平な方向に配置したもの、特にそのようなスクリューカッタを上下２段に設けたものが知られている。
【特許文献１】特許第２５０２３４０号公報
【特許文献２】特公平７−５９８７８号公報
【特許文献３】特開平１１−２２９７７４号公報
【特許文献４】特許第３６６７７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような掘削機によれば矩形断面のトンネルをそのまま掘削可能であるので、通常のシールド機によって円形断面に掘削する場合のように必要以上の断面を掘削することがないし、円形のシールド機による場合に比べて浅深度掘削も可能であるので、上記のような各種の都市トンネルを築造する場合に適用するものとして好適である。
しかし、特許文献１〜４に示される従来の掘削機は、特に浅深度の矩形トンネルを掘削するような場合においては上部地盤の崩落に充分に留意する必要もあり、その点で改良の余地も残されている。
【０００４】
すなわち、上記従来の掘削機はいずれも水平なスクリューカッタにより地盤を幅方向に掘削するものであって、その掘削の際には掘削土砂を切羽において両側から中央側に集めてから後方に移送することを基本としており、したがって切羽においてはその中央部では土圧が高まるものの両側では土圧が低下するという土圧の偏りが少なからず生じる。
このように従来の掘削機においては切羽において掘削土砂が横方向に移送されることに伴う土圧の偏りが不可避であり、そのため、地盤状況や掘削深度によっては切羽両側部での土圧が過度に低下してそこで上部地盤の崩落が想定される場合があり、そのための対策としてたとえば上部地盤に対する地盤改良工事や、切羽上部に対する支保強化が必要とされることもあり、そのことが工期短縮や工費削減を図るうえでの障害ともなっている。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明はこの種のトンネル掘削機によって矩形断面のトンネルを掘削するに際して、切羽における土圧の偏りを防止し得て上部地盤の崩落を確実に防止し得る有効適切なトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、掘削機本体の前部に掘削方向と直交する略水平な回転軸をもつカッタを上下方向に並べて配置して複数段平行に取り付けてなるトンネル掘削機であって、それら複数段のカッタのうち、少なくとも最上段のカッタは、掘削土砂を攪拌するための攪拌翼が取り付けられているとともに、該各攪拌翼は螺旋方向が相互に逆向きとされている２枚１対の螺旋羽根からなることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、最上段のカッタの後方の掘削機本体の内部に、該カッタと略平行に配置されて該カッタの攪拌翼により攪拌された掘削土砂を幅方向に移送するための横移送装置を設け、かつ該横移送装置により移送されてくる掘削土砂を後方側にさらに移送するための主移送装置を設けると良い。
また、複数段のカッタのうち、最上段のカッタを除く他のカッタは、掘削土砂を切羽の幅方向に移送するための螺旋羽根を有してなり、掘削機本体の内部には、それらカッタの螺旋羽根により幅方向に移送されてくる掘削土砂を後方に移送するための主移送装置を設けると良い。
また、掘削機本体の前部に設ける複数段のカッタの少なくとも一部を、前後方向に進退可能に設けると良い。
さらに、掘削機本体の前部に設ける複数段のカッタの前方に、掘削方向と平行な回転軸をもつ回転カッタを設けると良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、各段のカッタによって所望の矩形断面のトンネルを効率的に掘削できることはもとより、最上段のカッタには２枚１対の逆向きの螺旋羽根による攪拌翼を設けることにより、そのカッタは掘削土砂を攪拌するのみで幅方向への積極的な移送を行うものではないので、切羽上部においては掘削土砂の横方向への積極的な移送がなされず、したがって従来のこの種の掘削機では不可避な土圧の偏りが自ずと生じ難いものとなり、土圧が過度に低下することに起因する上部地盤の崩落といった事態を未然に防止することができる。
その結果、本発明のトンネル掘削機によれば、従来のこの種の掘削機による矩形断面トンネルの掘削の場合には必要とされていた地盤改良工事や支保強化を不要とすることが可能であり、また浅深度掘削をより安定かつ安全に実施することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のトンネル掘削機の一実施形態を図１〜図５に示す。これは、ボックスカルバート等の矩形断面のトンネルを掘削するためのものであって、基本的には通常のシールド機と同様に、地盤を掘削しつつその後方においてコンクリート造のボックス１を組み立て、組み立て済みのボックス１から反力をとって掘進していくように構成されたものである。
すなわち、本実施形態のトンネル掘削機の基本構成は、通常のシールド機とほぼ同様に、築造するべきトンネルの断面形状に合致する掘削機本体２の内部にトンネル掘削に必要な各種の機器類のほぼ全てを収容し、その掘削機本体２の前部には地盤掘削のためのカッタを配置したものとされている。
【００１０】
具体的には、掘削機本体２は掘削するべきトンネルの断面形状に合致する矩形筒状のスキンプレート５を外殻とし、その後部には施工済みのボックス１を押圧してそこから反力をとって推進するための推進ジャッキ６が多数（図示例では全２０台）設けられている。また、掘削機本体２の内部にはボックス１の組み立てに使用するためのエレクタ装置７が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類や補機類が備えられているものである。
【００１１】
本実施形態のトンネル掘削機においては、掘削機本体２の前部に配置されているカッタとして、切羽を矩形断面に掘削するための複数段（図示例では５段）のメインカッタ３と、その前部に配置されたサブカッタ４とが併用されている。
【００１２】
各段のメインカッタ３はいずれも回転軸線が掘削方向と直交する略水平に配置されているものであって、図２〜図４に示すように１組２台のスクリュータイプのものが対称配置されてそれらの両端部がサイドフレーム８とセンターフレーム９に対して回転自在に支持され、それらの端部内側に組み込まれたオイルモータ１０によって回転駆動されるようになっている。
【００１３】
それら各段のメインカッタ３は、それぞれが切羽を幅方向に掘削してそれらの全体で矩形断面のトンネルを掘削するものであるが、全５段のメインカッタ３のうち最上段のものとそれより下段の他の４段のものは構成が若干異なり、掘削土砂の移送機構も異なるものとされている。
【００１４】
すなわち、最上段を除く４段のメインカッタ３としては図３に示すように通常のスクリューカッタ３Ｂが使用されていて、その軸部１１の周囲に一連の螺旋羽根１２が設けられているとともに、螺旋羽根１２の外周部に切削ビット１３が取り付けられたものとなっており、このスクリューカッタ３Ｂは自身の回転により切削ビット１３によって地盤を掘削すると同時に掘削土砂を螺旋羽根１２により軸方向に移送可能とされている。そして、これらのスクリューカッタ３Ｂは中心を挟んで対称配置されていることにより、それらスクリューカッタ３Ｂにより掘削された掘削土砂はそれぞれ中央側から両側に向かって移送されるようになっている。
さらに、各段のスクリューカッタ３Ｂの一端部を支持している各段のサイドフレーム８は、各段のスクリューカッタ３Ｂにより側方に移送されてきた掘削土砂を受け取ってさらに後方に移送して搬出するための排土用の主移送装置としてのスクリューコンベヤ１４のケーシングを兼ねるものとされていて、各段のスクリューカッタ３Ｂによる掘削土砂は図中の矢印で示すようにスクリューカッタ３Ｂおよびスクリューコンベヤ１４によって側方から後方に向けて連続的に移送され、スクリューコンベヤ１４の後部に設けられている排土口１５から排出されて搬出されるようになっている。
【００１５】
一方、最上段のメインカッタ３としては、図２に示すように軸部１６の周囲に攪拌翼１７が設けられた構成の攪拌カッタ３Ａが採用され、その攪拌翼１７は螺旋方向が逆向きとされた２枚１対の螺旋羽根１８により構成されたものとなっており、実質的にそれら螺旋羽根１８の向きが一定間隔ごとに逆向きとされたものとなっている。
攪拌翼１７を構成している各螺旋羽根１８の外周部にも切削ビット１９が取り付けられていて、この最上段の攪拌カッタ３Ａも自身の回転により地盤を掘削可能ではあるものの、掘削土砂は２枚１対の螺旋羽根１８により互いに逆方向に移送されようとし、したがって結局はいずれの方向にも移送されずに単に攪拌翼１７によって攪拌されるにとどまるものとされている。
また、この最上段の攪拌カッタ３Ａの後方には、掘削土砂をさらに攪拌しつつ両側に振り分けて側方に移送するための横移送装置として１組２台のパドルスクリュー２０が対称配置されており、それらパドルスクリュー２０によって両側に移送された掘削土砂は、下段側のスクリューカッタ３Ｂに付設されているものと同様にサイドフレーム８内に組み込まれている主移送装置としてのスクリューコンベヤ１４により後方に移送されて排出されるようになっている。つまり、最上段の攪拌カッタ３Ａはそれ自身では掘削土砂を攪拌するのみでその移送を有効に行い得ないものであることから、その後方に横移送装置としてのパドルスクリュー２０が配置されて掘削土砂の側方への移送が支障なく行われるようになっている。
【００１６】
以上で説明したメインカッタ３としての攪拌カッタ３Ａおよび各段のスクリューカッタ３Ｂの前方には、それらメインカッタ３では有効に掘削し得ない範囲を掘削するためのサブカッタ４が配置され、本実施形態ではそれらサブカッタ４として一般的な回転カッタが採用されている。サブカッタ４としての回転カッタは、各段のメインカッタ３の端部を支持しているサイドフレーム８およびセンターフレーム９内に配置された回転軸２１の先端部に設けられていて、サイドフレーム８およびセンターフレーム９の前方の地盤を掘削するものである。
なお、センターフレーム９内に組み込まれている回転軸２１はサブカッタ４専用のものであって、それはセンターフレーム９の後部に設けられているオイルモータ２２によって回転駆動されるものであるが、サイドフレーム８内に組み込まれている回転軸２１は上記のスクリューコンベア１４を兼用しており（つまり、サブカッタ４の回転軸２１に土砂移送用の螺旋羽根を形成している。換言すると、スクリューコンベヤ１４をサブカッタ４の回転軸２１として利用している）、そのスクリューコンベヤ１４兼サブカッタ４はサイドフレーム８の後部に設けられているオイルモータ２２により回転駆動されるものである。
【００１７】
さらに、上記のように構成されている各段のメインカッタ３およびサブカッタ４は、図１に示すように上段側のものほどやや前方に位置するように鉛直面に対して傾斜状態で並べられて配置されることが基本とされ、その状態で固定的に設置することでも良いが、図示例のように各段のメインカッタ３およびサブカッタ４をそれぞれが独立に前後方向に進退可能とすることが好ましい。
すなわち、図示例においては、各メインカッタ３の両端部を支持している上記のサイドフレーム８とセンターフレーム９とはさらに後部フレーム２３によって連結されていて、それらの全体により各段のメインカッタ３およびサブカッタ４を支持する支持フレーム２４が構成されている。なお、最上段では攪拌カッタ３Ａとその後方のパドルスクリュー２０の双方がともに支持フレーム２４に支持されている。
そして、各段の支持フレーム２４と掘削機本体２内のメインフレーム２５との間には進退ジャッキ２６が介装されていて、各段の進退ジャッキ２６の操作により各段の支持フレーム２４を介して各段のメインカッタ３およびサブカッタ４を前後方向に進退させることによって、地盤状況や掘削作業工程に応じてそれぞれを最適位置に配置することができるようになっており、それにより図示しているように上段側のものほどやや前方に位置するように配置するばかりでなく、逆に下段側のものほどやや前方に位置するように配置したり、全ての位置を揃えることが可能となっている。
なお、上述のように各段の支持フレーム２４には主移送装置としてのスクリューコンベヤ１４が組み込まれていることから、各段の支持フレーム２４を進退させた際には同時に各段のスクリューコンベヤ１４も一体に進退することになる。
【００１８】
本実施形態のトンネル掘削機によれば、メインカッタ３およびサブカッタ４によって所望の矩形断面のトンネルを効率的に掘削できることはもとより、特にメインカッタ３の最上段には攪拌カッタ３Ａを使用して、その攪拌カッタ３Ａには２枚１対の逆向きの螺旋羽根１８による攪拌翼１７を設けたので、その最上段の攪拌カッタ３Ａによっては掘削土砂の側方への移送が積極的にはなされず、したがって従来のスクリューカッタによる掘削機においては不可避である切羽における幅方向の土圧の偏りが自ずと生じ難いものとなっており、土圧が過度に低下することに起因する上部地盤の崩落といった事態を未然に防止することができるものとなっている。
勿論、最上段の攪拌カッタ３Ａは掘削土砂の移送を有効には行い得ないものの掘削機本体２の掘進によって掘削土砂は自ずと掘削機本体２内に取り込まれるし、その後方には横移送装置としてのパドルスクリュー２０と主移送装置としてのスクリューコンベヤ１４が掘削機本体２内に設けられているので、それらによって切羽の最上段からの掘削土砂の移送は支障なく行われ、その際の上部地盤に対する支保効果はスキンプレート５によって自ずと充分に確保される。
したがって本実施形態のトンネル掘削機によれば、従来のこの種の掘削機による矩形断面トンネルの掘削の場合には必要とされていた地盤改良工事や支保強化を不要とすることが可能となるし、浅深度掘削をより安定かつ安全に実施することが可能となる。
【００１９】
なお、下段側のスクリューカッタ３Ｂは通常のようにそれ自体で側方への移送を行うものであるから、下段側では土圧の偏りが生じることは想定されるが、上記のように少なくとも最上段においては切羽の全幅にわたって土圧が安定に維持されるし、特に最上段の攪拌カッタ３Ａをそれよりも下段側のスクリューカッタ３Ｂよりも前方に張り出すように配置すれば下段側のスクリューカッタ３Ｂの上部地盤の土圧は広範囲にわたって安定に維持されることになる。
【００２０】
以上で本発明の一実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でたとえば以下に列挙するような様々な設計的変更や応用が可能である。
【００２１】
上記実施形態では矩形断面に掘削するためのメインカッタ３を５段にわたって配置したが、その段数は任意に増減して良いことは言うに及ばず、各段のメインカッタとしては回転軸線を掘削方向と直交する略水平方向としてその外周部により切羽を幅方向に掘削可能なものであれば良く、その限りにおいて上記実施形態のようなスクリュータイプのものに限らず、それに類する同様の形式の各種のカッタ、たとえばリボンカッタやパドルカッタも同様に採用可能であるし、異種の形式のものを適宜組み合わせても良い。
【００２２】
上記実施形態では土圧の偏りを有効に防止するために、最上段のカッタのみを掘削土砂を積極的には移送しない攪拌専用の攪拌カッタ３Ａとして、その後方には横移送装置としてのパドルスクリュー２０を設けたが、最上段のカッタのみならず他の段のカッタの一部あるいは全てを同様に攪拌専用のものとしても良く、その場合には他の段のカッタの後方にも同様の横移送装置を設けても良い。
【００２３】
また、上記実施形態では、横移送装置としてのパドルスクリューおよび下段側のスクリューカッタ３Ｂをいずれも２台１組として対称配置して掘削土砂を中央側から両側に向けて移送するものとしたが、特許文献１〜４に示されるもののように掘削土砂を両側から中央側に向けて横移送して中央部において後方に移送するようにしても良く、あるいは各段を単一のメインカッタにより構成して掘削土砂を単に一方向に移送することでも良い。
【００２４】
上記実施形態では横移送装置としてパドルスクリュー２０を使用し、主移送装置としてスクリューコンベヤ１４を使用したが、それら横移送装置や主移送装置の形式は任意であるし、各段のカッタからの掘削土砂を掘削機本体内に支障なく取り込んで後方へ搬送できる場合には主移送装置は必ずしも各段の全てに設けることはない。
【００２５】
上記実施形態ではサブカッタ４としての回転カッタを併設したが、サブカッタの形式や設置位置については、それを省略することも含めて適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態であるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。
【図２】同、最上段のカッタを示す平断面図（図１におけるII−II線視図）である。
【図３】同、下段側のカッタを示す平断面図（図１におけるIII−IIＩ線視図）である。
【図４】同、正面図である。
【図５】同、背面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ボックス
２  掘削機本体
３  メインカッタ（複数段のカッタ）
３Ａ  攪拌カッタ（最上段のカッタ）
３Ｂ  スクリューカッタ（下段側のカッタ）
４  サブカッタ（回転カッタ）
５  スキンプレート
６  推進ジャッキ
７  エレクタ装置
８  サイドフレーム
９  センターフレーム
１０  オイルモータ
１１  軸部
１２  螺旋羽根
１３  切削ビット
１４  スクリューコンベヤ（主移送装置）
１５  排土口
１６  軸部
１７  攪拌翼
１８  螺旋羽根
１９  切削ビット
２０  パドルスクリュー（横移送装置）
２１  回転軸
２２  オイルモータ
２３  後部フレーム
２４  支持フレーム
２５  メインフレーム
２６  進退ジャッキ
【図１】
2008240422.tif 000003
【図２】
2008240422.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008240422.tif 000006
【図５】
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