(57)【要約】【課題】トンネル施工方法並びにトンネル掘削機において、掘削途中でその仕様を変更することで一基の掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能とする。【解決手段】掘削機本体１１の前部にカッタヘッド１６を装着すると共に、スラストジャッキ２５により推進可能とし、カッタヘッド１６に掘削土砂をチャンバ２６に取り込む土砂取込開口部１９を形成し、スリット開閉板３０によりその開口量を変更可能とすると共に、カッタヘッド１６の後部に土砂かき上げ用バケット３３をチャンバ２６に突出可能とし、また、チャンバ２６内の土砂を排出するスクリューコンベヤ２８とベルトコンベヤ３６とを交換可能とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項２】
周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項３】
地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとが切換可能であり、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとが切換可能であり、周辺地盤が岩盤層であるときは、前記ディスクカッタと前記ベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、前記カッタビットと前記スクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、前記地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共に前記ベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項４】
請求項３記載のトンネル施工方法において、前記土砂排出手段は、前記ベルトコンベヤと前記スクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能であり、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、前記カッタビットと前記送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項５】
請求項３記載のトンネル施工方法において、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うことを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項６】
請求項３記載のトンネル施工方法において、周辺地盤が前記岩盤層または前記山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が前記軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うことを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項７】
請求項４または５または６記載のトンネル施工方法において、前記直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、前記掘削機本体の前部外周側空間部にモルタルを注入し、該空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項８】
トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、前記チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項９】
トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項１０】
トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始することを特徴とするトンネル施工方法。
【請求項１１】
筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段と、該土砂取込手段により前記チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記土砂取込手段及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項１２】
請求項１１記載のトンネル掘削機において、前記土砂取込手段は前記カッタに形成された土砂取込開口であり、前記岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能であることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項１３】
請求項１１記載のトンネル掘削機において、前記土砂取込手段は前記チャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットであり、前記岩盤層の掘削時には該バケットを突出し、前記軟弱土砂層の掘削時には該バケットを格納することを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項１４】
筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記カッタ及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項１５】
請求項１４記載のトンネル掘削機において、前記カッタ及びカッタ駆動装置は複数に分割して着脱自在であることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項１６】
請求項１１または１４記載のトンネル掘削機において、前記土砂排出手段は、前記岩盤層用のベルトコンベヤあるいは前記軟弱土砂層用のスクリューコンベヤであることを特徴とするトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤層、軟弱土砂層、山岳層などの多層の地盤を継続して掘削してトンネルを構築可能なトンネル施工方法並びにトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機としては、一般に、岩盤層を掘削するためのトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）、軟弱土砂層を掘削するための土圧式あるいは泥水式シールド掘削機などがあり、また、山岳層を掘削するためのＮＡＴＭ工法（Ｎｅｗ　Ａｕｓｔｒｉａｎ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ）がある。
【０００３】
トンネルを掘削する場合、事前にボーリングなどの地質調査により、掘削地盤が岩盤層、軟弱土砂層、山岳層のいずれに該当するのかを判断し、該当する掘削地盤に対応可能なトンネル掘削機を用いていた。ところが、掘削地盤に、例えば、岩盤層と軟弱土砂層が混在していることがあり、一種類のトンネル掘削機では二種類の地盤を掘削することができない。そのため、従来は、トンネル掘削作業を異なる地盤ごとに分けて計画し、対応するトンネル掘削機として、岩盤層用のトンネルボーリングマシンと、軟弱土砂層用のシールド掘削機を用いていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−３１２２８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、トンネル掘削作業を異なる地盤ごとに分け、複数種類のトンネル掘削機を用いた場合、掘削地盤が変更するたびに立坑を形成してトンネル掘削機の搬出作業及び搬入作業を行うこととなり、作業が面倒となると共に作業コストが増加してしまい、また、作業期間が長くなってしまい、作業効率が良くないという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、掘削途中でその仕様を変更することで一基の掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能としたトンネル施工方法並びにトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００７】
【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請求項１の発明のトンネル施工方法は、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明のトンネル施工方法は、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３の発明のトンネル施工方法は、地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとが切換可能であり、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとが切換可能であり、周辺地盤が岩盤層であるときは、前記ディスクカッタと前記ベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、前記カッタビットと前記スクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、前記地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共に前記ベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４の発明のトンネル施工方法では、前記土砂排出手段は、前記ベルトコンベヤと前記スクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能であり、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、前記カッタビットと前記送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明のトンネル施工方法では、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明のトンネル施工方法では、周辺地盤が前記岩盤層または前記山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が前記軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うことを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明のトンネル施工方法では、前記直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、前記掘削機本体の前部外周側空間部にモルタルを注入し、該空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成することを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、前記チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項９の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０の発明のトンネル施工方法は、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始することを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項１１の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段と、該土砂取込手段により前記チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記土砂取込手段及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするものである。
【００１８】
この掘削地盤が岩盤層であるとき、例えば、土砂取込手段としてカッタに形成された土砂取込開口を小さくしてチャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出すると共に、土砂排出手段としてベルトコンベヤを配設することで、硬質な岩盤を細かく破砕して土砂取込開口からチャンバ内に取り込み、土砂かき上げ用バケットを用いてベルトコンベヤにより外部に排出できる。一方、掘削地盤が軟弱土砂層であるとき、土砂取込開口を大きくして土砂かき上げ用バケットを収納すると共に、スクリューコンベヤを配設することで、軟弱な地盤を掘削して土砂取込開口から大量の土砂をチャンバ内に取り込み、切羽を安定しながらスクリューコンベヤにより効率よく外部に排出できる。
【００１９】
請求項１２の発明のトンネル掘削機では、前記土砂取込手段は前記カッタに形成された土砂取込開口であり、前記岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能であることを特徴としている。
【００２０】
請求項１３の発明のトンネル掘削機では、前記土砂取込手段は前記チャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットであり、前記岩盤層の掘削時には該バケットを突出し、前記軟弱土砂層の掘削時には該バケットを格納することを特徴としている。
【００２１】
請求項１４の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に装着されたカッタと、該カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段とを具え、掘削地盤の土質に応じて前記カッタ及び前記土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１５の発明のトンネル掘削機では、前記カッタ及びカッタ駆動装置は複数に分割して着脱自在であることを特徴としている。
【００２３】
請求項１６の発明のトンネル掘削機では、前記土砂排出手段は、前記岩盤層用のベルトコンベヤあるいは前記軟弱土砂層用のスクリューコンベヤであることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図２に第１実施形態のシールド掘削機の正面視、図３にスリット開閉板及びバケットを表す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面、図４にスリット開閉板及びバケットの作動状態を表す断面、図５にモルタル押圧装置を表す図１のＶ−Ｖ断面、図６にモルタル押圧装置を表す図１のＶＩ−ＶＩ断面、図７にモルタル注入装置及びモルタル押圧装置を表す要部断面、図８にモルタル注入装置及びモルタル押圧装置によるトンネル覆工方法を表す概略、図９に第１実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面、図１０に第１実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面を示す。
【００２６】
第１実施形態のトンネル掘削機は、図１０に示すように、特に、地盤の大深度領域（４０〜５０ｍ）にトンネルを施工する際に用いられるものであり、例えば、周辺の掘削地盤が軟弱土砂層から硬質な岩盤層に変化しても、地盤掘削手段や土砂排出手段などのトンネル施工の仕様を一部変更するだけで、トンネル掘削機を交換することなく、継続してトンネルを施工可能となっている。この場合、具体的には、軟弱土砂層ＧＳを掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴＬ　から搬入し、この土圧式シールド掘削機Ａを用いて軟弱土砂層ＧＳ　を所定距離掘削し、周辺地盤が軟弱土砂層ＧＳから岩盤層ＧＲに変化したら、土圧式シールド掘削機Ａをこの岩盤層ＧＲを掘削可能なトンネルボーリングマシンＢに仕様変更し、このトンネルボーリングマシンＢを用いて岩盤層ＧＲを継続して掘削することで、大深度用トンネルＴＳを施工可能としている。
【００２７】
即ち、第１実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機Ａにおいて、図１及び図２に示すように、円筒形状をなす掘削機本体１１の前部にバルクヘッド１２が設けられ、このバルクヘッド１２には支持部材１３により回転体１４が回転自在に支持されている。この回転体１４には複数の連結ビーム１５によりカッタヘッド１６が連結されており、カッタヘッド１６は掘削機本体１１の外径より若干大きく形成され、前面部に岩盤をせん断破壊するディスクカッタ１７や軟弱地盤を掘削可能なカッタビット１８が多数装着されると共に、土砂取込開口部（土砂取込手段）１９が形成されている。一方、回転体１４の後部に内歯を有するリングギア２０が一体に固定される一方、支持部材１３に複数のカッタ旋回モータ２１が固定されており、このカッタ旋回モータ２１の駆動ギヤ２２がリングギヤ２０に噛み合っている。
【００２８】
従って、カッタ旋回モータ２１を駆動して駆動ギヤ２２を回転駆動すると、この駆動ギヤ２２が噛み合うリングギヤ２０が回転し、このリングギヤ２０と連結ビーム１５を介して連結されたカッタヘッド１６を旋回し、ディスクカッタ１７やカッタビット１８が地盤を掘削し、発生したずりを土砂取込開口部１９から掘削機本体１１の内部に取り込むことができる。
【００２９】
また、掘削機本体１１の後部には支持フレーム２３が固定されており、この支持フレーム２３は既設トンネルのほぼ中心部を後方に延出され、後端部にこの支持フレーム２３を水平状態に維持する図示しないシュージャッキが装着されている。そして、掘削機本体１１の後方にて、リヤグリッパ２４が支持フレーム２３に対して前後移動自在に設けられており、このリヤグリッパ２４は、図示しないが、グリッパジャッキによって既設トンネルの壁面に圧接して位置保持する一対のグリッパシューを有している。
【００３０】
そして、掘削機本体１１とこのリヤグリッパ２４との間には推進ジャッキとしての油圧の給排によって伸縮作動する複数本のスラストジャッキ２５が架設されている。従って、各スラストジャッキ２５を伸縮駆動することで、掘削機本体１１とリヤグリッパ２４との相対位置を変更することができ、また、左右のスラストジャッキ２５の各作動ストロークを変えることで、カッタヘッド１６を有する掘削機本体１１を左右に屈曲してその掘進方向を変更することができる。
【００３１】
更に、カッタヘッド１６と掘削機本体１１のバルクヘッド１２によりチャンバ２６が形成されており、このバルクヘッド１２のほぼ中央部にはコンベヤ取付孔２７が形成されている。そして、掘削機本体１１のほぼ中央部にはスクリューコンベヤ（土砂排出手段）２８が前傾状態で配設されており、コンベヤ取付孔２７にスクリューコンベヤ２８の前端部が装着されると共に、蓋部材２９が装着されている。
【００３２】
そして、前述したように、本実施形態のトンネル掘削機は、軟弱土砂層ＧＳを掘削可能な土圧式シールド掘削機Ａから、岩盤層ＧＲを掘削可能なトンネルボーリングマシンＢに仕様変更可能となっている。この場合、土圧式シールド掘削機ＡとトンネルボーリングマシンＢとでは、取り扱う掘削土砂が異なるため、地盤掘削手段として、カッタヘッド１６に形成された土砂取込開口部１９の開口量を変更可能であると共に、土砂排出手段として、チャンバ２６内に取り込まれた土砂をかき上げるバケットを出没自在としている。
【００３３】
即ち、カッタヘッド１６にて、図１乃至図３に示すように、放射状に配設されたカッタスポーク１６ａの中央部には複数のディスクカッタ１７が列設され、その両側には複数のカッタビット１８が列設されており、このカッタスポーク１６ａと面板１６ｂとの間にスリット形状をなす土砂取込開口部１９が形成されている。そして、この土砂取込開口部１９の面板１６ｂにスリット開閉板３０が支持軸３１により回動自在に装着されると共に、開閉ジャッキ３２により回動可能となっている。また、カッタヘッド１６における面板１６ｂの後部には土砂かき上げ用バケット３３が支持軸３４により回動自在に装着されると共に、出没ジャッキ３５により出没可能となっている。
【００３４】
従って、軟弱土砂層ＧＳを掘削する土圧式シールド掘削機Ａの仕様では、図３に示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９の開口量（開口幅）を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納する。一方、岩盤層ＧＲを掘削するトンネルボーリングマシンＢの仕様では、図４に示すように、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９の開口量（開口幅）を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６に突出する。
【００３５】
また、土圧式シールド掘削機Ａの仕様に対応して、掘削機本体１１内に軟弱土砂層ＧＳを掘削して発生した土砂を排出可能なスクリューコンベヤ２８が装着されているが、トンネルボーリングマシンＢの仕様に対応するように、スクリューコンベヤ２８に代えてベルトコンベヤ３６（図９参照）を装着可能となっている。即ち、図１及び図９に示すように、掘削機本体１１からスクリューコンベヤ２８を後方に取り外して解体すると共に、バルクヘッド１２から前述した蓋部材２９を取り外す。そして、掘削機本体１１内にベルトコンベヤ３６を搬入して所定の位置に配設し、その前端部をコンベヤ取付孔２７を通してチャンバ２６内に挿入して固定し、ここにホッパ３７を装着可能としている。
【００３６】
更に、図１に示すように、この土圧式シールド掘削機Ａ並びにトンネルボーリングマシンＢは、トンネル覆工手段として、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うためのモルタル注入装置４１及びモルタル押圧装置４２を有している。
【００３７】
図１、図５乃至図７に示すように、カッタヘッド１６は外径が掘削機本体１１の外径よりも若干大きく形成されており、掘削機本体１１の前端部にカッタヘッド１６の後部に近接して、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部Ｓにモルタルを注入するモルタル注入装置４１が設けられると共に、この空間部Ｓに注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置４２が設けられている。また、掘削機本体１１の前端部には、この空間部Ｓに注入されたモルタルが前方のカッタヘッド１６側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板４３が設けられると共に、空間部Ｓに注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板４４が設けられている。
【００３８】
即ち、掘削機本体１１の前外周部には周方向に沿って凹部４５が形成されており、この凹部４５内には三角形断面をなして前後方向に沿う仕切り壁４６が周方向に均等間隔で複数形成されている。そして、各仕切り壁４６で区画された凹部４５には箱型形状をなす可動プレート４７が掘削機本体１１の径方向に沿って移動自在に装着されている。この凹部４５には複数の移動ジャッキ４８が装着されており、各移動ジャッキ４８の駆動ロッド４９の先端部がそれぞれ可動プレート４７に連結されている。この場合、可動プレート４７及び移動ジャッキ４８等によりモルタル押圧装置４２が構成される。
【００３９】
また、この複数の可動プレート４７のうちのいくつかにモルタル注入管５０が装着されており、このモルタル注入管５０は基端部に注入ホース５１を介して掘削機本体１１に搭載された図示しないモルタル供給装置が連結される一方、先端の吐出口が前述した空間部Ｓに開口している。この場合、モルタル注入管５０、注入ホース５１、モルタル供給装置等によりモルタル注入装置４１が構成される。
【００４０】
更に、凹部４５の前端部にはエアチューブ式の前部遮蔽板４３が周方向に沿うと共に、前方に傾斜して配設されており、この前部遮蔽板４３にはエア給排管５２を介して図示しないコンプレッサが連結されている。一方、凹部４５の後端部には平板形状をなす複数の後部遮蔽板４４が互いに重なり合って周方向に沿ってリング状に配設されており、複数の油圧ジャッキ５３により空間部Ｓに移動可能となっている。
【００４１】
従って、コンプレッサによりエア給排管５２を通して前部遮蔽板４３にエアを供給すると、この前部遮蔽板４３が外方に膨出して外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部Ｓの前方側を遮断することができる。また、複数の油圧ジャッキ５３を伸長駆動すると、各後部遮蔽板４４が互いに重なり合ったまま外方に移動し、外周部が掘削壁面Ｇに当接することで、空間部Ｓの後方側を遮断することができる。この状態でモルタル注入装置４１によりモルタルを注入ホース５１を通して供給することで、各モルタル注入管５０の吐出口から空間部Ｓにモルタルを注入することができる。そして、空間部Ｓに所定量のモルタルが注入されると、モルタル押圧装置４２により移動ジャッキ４８を伸長駆動して各可動プレート４７を外方に移動すると、各可動プレート４７の外周面により空間部Ｓに注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、このモルタルを締め固めることができると共に、掘削機本体１１の外周面とモルタルの内周面との間に、掘削機推進のための隙間を形成することができる。
【００４２】
また、図１に示すように、掘削機本体１１の後端部には旋回リング５４が駆動旋回自在に支持され、この旋回リング５４にモルタルの打設によって形成されたモルタル覆工部材Ｍの内壁面にセメントを吹き付けて塗装する吹付装置５５が装着されると共に、このモルタル覆工部材Ｍの外周面にＨ形鋼等の支保工（またはセグメント）Ｈをリング状に組立てるエレクタ装置５６が装着されている。
【００４３】
ここで、上述した本実施形態のトンネル掘削機（土圧式シールド掘削機Ａ並びにトンネルボーリングマシンＢ）を用いた大深度地盤におけるトンネル施工作業について説明する。
【００４４】
図１０に示すように、事前の土質調査により掘削を開始する周辺地盤が軟弱土砂層ＧＳであると判定された場合、トンネル掘削機を土圧式シールド掘削機Ａの仕様に変更する。つまり、図１乃至図３に示すように、作業者は機内からの各種機器を遠隔操作し、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を後方に回動して土砂取込開口部１９を拡大すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を前方に回動して格納し、また、掘削機本体１１内にスクリューコンベヤ２８を装着する。そして、軟弱土砂層ＧＳを掘削可能に変更された土圧式シールド掘削機Ａを立坑ＴＬから搬入する。
【００４５】
この土圧式シールド掘削機Ａにて、図１に示すように、リヤグリッパ２４を立坑ＴＬ内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長し、リヤグリッパ２４を介して掘削反力を得て掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド１６が立坑ＴＬの縦壁及び前方の軟弱土砂層ＧＳを掘削し、掘削機本体１１よりも若干大きい径のトンネルを形成する。
【００４６】
そして、各スラストジャッキ２５を所定のストロークだけ伸長してカッタヘッド１６が所定長さのトンネルを掘削すると、リヤグリッパ２４による位置保持を解除して各スラストジャッキ２５を収縮し、掘削機本体１１に対してリヤグリッパ２４を前方に引き寄せる。そして、リヤグリッパ２４を既設トンネルの内壁面に位置保持し、カッタヘッド１６を回転駆動しながらスラストジャッキ２５を伸長し、掘削機本体１１を前進してカッタヘッド１６により前方の地盤を掘削する。一方、カッタヘッド１６によって掘削された土砂は大きく開口した土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ２６に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ２８によって外部に排出する。
【００４７】
また、このカッタヘッド１６による地盤掘削時に、その直後では、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタル覆工を行っている。即ち、図８（ａ）に示すように、まず、エア給排管５２を通して前部遮蔽板４３にエアを供給して膨張させることで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの前方を遮断する。一方、複数の油圧ジャッキ５３を伸長して後部遮蔽板４４を外方に移動することで、外周部を掘削壁面Ｇに当接して空間部Ｓの後方を遮断する。そして、モルタル注入装置４１によりモルタル注入管５０の先端部から空間部Ｓにモルタルを所定量注入する。次に、図８（ｂ）に示すように、モルタル押圧装置４２の移動ジャッキ４８を伸長して各可動プレート４７を外方に移動することで、この可動プレート４７の外周面が空間部Ｓのモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧する。すると、この空間部Ｓのモルタルは掘削壁面Ｇ側で早期に締め固められ、モルタル覆工部材Ｍが形成される。
【００４８】
そして、空間部Ｓでモルタルが固化して掘削壁面Ｇ側にリング状をなすモルタル覆工部材Ｍが形成されると、各移動ジャッキ４８を収縮して可動プレート４７を掘削機本体１１側に戻し、凹部４５内に収納する。また、前部遮蔽板４３内のエアを排出して掘削機本体１１側に戻すと共に、各油圧ジャッキ５２を収縮して後部遮蔽板４４を掘削機本体１１側に戻す。すると、可動プレート４７がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体１１の外周面とモルタル覆工部材Ｍの内周面との間に隙間が形成される。そのため、掘削機本体１１は固化したモルタル覆工部材Ｍと接触することなくスムースに推進することができる。
【００４９】
その後、掘削機本体１１が所定距離掘進したら、前述と同様に、前部遮蔽板４３を移動して空間部Ｓの前方を遮断した状態で、モルタル注入装置４１のモルタル注入管５０から空間部Ｓにモルタルを所定量注入した後、モルタル押圧装置４２の可動プレート４３を外方に移動し、空間部Ｓのモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧することで、掘削壁面Ｇ側にモルタルを締め固めてモルタル覆工部材Ｍを形成する。この場合、空間部Ｓの後方には、既にモルタル覆工部材Ｍが形成されているため、後部遮蔽板４４により空間部Ｓの後方を遮断する必要はない。
【００５０】
上述した作業の繰り返しにより軟弱土砂層ＧＳに所定長さのトンネルＴＳが構築され、土圧式シールド掘削機Ａが軟弱土砂層ＧＳから岩盤層ＧＲに至ると、土圧式シールド掘削機ＡをトンネルボーリングマシンＢの仕様に変更する。つまり、図４、図９に示すように、作業者は機内からの各種機器を遠隔操作し、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を前方に回動して土砂取込開口部１９の開口量を減少すると共に、出没ジャッキ３５によりバケット３３を後方に回動してチャンバ２６内に突出し、また、掘削機本体１１内のスクリューコンベヤ２８を解体して搬出する一方、ベルトコンベヤ３６の機材を搬入して組み立てることで土砂排出方法を変更する。この場合、開閉ジャッキ３２と油圧ジャッキ３５の作動は図示しないコントローラにより自動化されており、切替スイッチを操作することで、スリット開閉板３０及びバケット３３の自動的に所望の位置に移動することができる。
【００５１】
そして、このトンネルボーリングマシンＢにて、図９に示すように、前述と同様に、リヤグリッパ２４を既設トンネルの壁面に圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド１６を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長して掘削機本体１１を前進させ、カッタヘッド１６が前方の岩盤層ＧＲを掘削してトンネルを形成する。
【００５２】
このとき、カッタヘッド１６によって破砕された大きな岩石は小さい土砂取込開口部１９を通ることができず、小さく破砕されてからこの土砂取込開口部１９を通してチャンバ２６内に取り込まれる。そして、掘削土砂は直接ホッパ３７に入るか、また、カッタヘッド１６と共に回転するバケット３３により上方にかき上げられてからホッパ３７に入り、ベルトコンベヤ３６によって外部に排出する。なお、このトンネルボーリングマシンＢによる岩盤層ＧＲのトンネル掘削時であっても、カッタヘッド１６が掘削した直後で、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタルの覆工を行っている。この作業の繰り返しにより土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに仕様を変更するだけで、軟弱土砂層ＧＳと岩盤層ＧＲとにわたってトンネルＴＳを連続して構築することができる。
【００５３】
なお、上述した実施形態では、土圧式シールド掘削機Ａによる軟弱土砂層ＧＳのトンネル掘削時と、トンネルボーリングマシンＢによる岩盤層ＧＲのトンネル掘削時の両方トンネル施工作業で、モルタル覆工部材Ｍを形成し、吹付装置５５によりこのモルタル覆工部材Ｍの内壁面にセメントを吹き付けて塗装し、エレクタ装置５６によりその外周面に支保工Ｈをリング状に組立てている。しかし、トンネルボーリングマシンＢによる岩盤層ＧＲのトンネル掘削時にて、この岩盤層ＧＲに崩落の危険がないときには、モルタル覆工をやめて、吹付装置５５による掘削壁面Ｇへのセメント吹き付け塗装と、エレクタ装置５６による支保工Ｈの組立だけのトンネル覆工処理としても良い。
【００５４】
このように第１実施形態のトンネル施工方法にあっては、周辺地盤の土質に応じて、カッタヘッド１６に搭載された土砂取込開口部１９やスリット開閉板３０からなる地盤掘削手段、土砂かき上げ用バケット３３やスクリューコンベヤ２８またはベルトコンベヤ３６からなる土砂排出手段を切換え可能とし、一基のトンネル掘削機により継続してトンネルを施工するようにしている。
【００５５】
従って、掘削地盤が軟弱土砂層ＧＳと岩盤層ＧＲとの間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層ＧＳに対応した土圧式シールド掘削機Ａと、岩盤層ＧＲに対応したトンネルボーリングマシンＢと間で仕様変更することで、軟弱土砂層ＧＳと岩盤層ＧＲとを継続して掘削し、トンネルＴＳを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を継続して施工可能となり、トンネル施工作業の作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００５６】
また、第１実施形態のトンネル掘削機にあっては、掘削機本体１１の前部にカッタヘッド１６を装着すると共に、スラストジャッキ２５により推進可能とし、カッタヘッド１６に掘削土砂をチャンバ２６に取り込む土砂取込開口部１９を形成し、スリット開閉板３０によりその開口量を変更可能とすると共に、カッタヘッド１６の後部に土砂かき上げ用バケット３３をチャンバ２６に突出可能とし、また、チャンバ２６内の土砂を排出するスクリューコンベヤ２８とベルトコンベヤ３６とを交換可能としている。
【００５７】
従って、土圧式シールド掘削機Ａが軟弱土砂層ＧＳを掘削するとき、土砂取込開口部１９を大きくして土砂かき上げ用バケット３３を収納することで、軟弱な掘削土砂が土砂取込開口１９から大量にチャンバ２６に取り込まれることとなり、切羽を安定させながらスクリューコンベヤ２８により掘削土砂を効率よく外部に排出できる。一方、トンネルボーリングマシンＢが岩盤層ＧＲを掘削するとき、土砂取込開口部１９を小さくしてチャンバ２６に土砂かき上げ用バケット３３を突出することで、硬質な岩盤が細かく破砕されてから土砂取込開口１９を通してチャンバ２６に取り込まれることとなり、バケット３３を用いて掘削土砂を効率よくベルトコンベヤに送給して外部に排出できる。
【００５８】
更に、開閉ジャッキ３２によりスリット開閉板３０を開閉可能とし、油圧ジャッキ３５によりバケット３３を回動可能としており、切換スイッチを操作することで、スリット開閉板３０及びバケット３３の自動的に所望の位置に移動することができ、トンネル掘削機の仕様変更を短時間で行うことができる。
【００５９】
また、第１実施形態のトンネル掘削機にあっては、トンネル覆工手段として、掘削機本体１１の前部に、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部Ｓにモルタルを注入するモルタル注入装置４１を設けると共に、この空間部Ｓに注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置４２を設けている。
【００６０】
従って、カッタヘッド１６が地盤を掘削すると、その直後の空間部Ｓにモルタル注入装置４１によりモルタルを所定量注入し、モルタル押圧装置４２の可動プレート４３によりこのモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧するため、このモルタルが掘削壁面Ｇ側で早期に締め固められてモルタル覆工が実施されることとなり、トンネルの掘削壁面Ｇが不安定であっても、掘削直後にモルタル覆工するため、この掘削壁面から地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができる。
【００６１】
また、掘削直後に空間部Ｓにモルタルを注入して可動プレート４７を外方に移動して締め固めるため、可動プレート４７がモルタルを押して外方に移動した分だけ、掘削機本体１１とモルタル覆工部材Ｍとの間に隙間が形成されることとなり、大深度の地盤や硬質の岩盤などを掘削後に地盤が締まることはなく、掘削機本体１１を固化したモルタル覆工部材Ｍと接触することなくスムースに推進させることができ、トンネル施工作業の作業性を向上することができる。
【００６２】
また、掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部Ｓの前後に遮蔽板４３，４４を設けており、空間部Ｓへ注入したモルタルがカッタヘッド１６や掘削機本体１１内に流動することはなく、モルタルの漏洩により掘削作業が支障を来すことはなく、適正に掘削直後の掘削壁面Ｇにモルタル覆工を施工することができる。更に、モルタル押圧装置４２を可動プレート４７と移動ジャッキ４８により構成しており、所定の押圧力でモルタルを周方向均等に締め固めることができ、覆工作業精度を向上することができる。
【００６３】
なお、上述の実施形態では、大深度領域にて、掘削地盤が軟弱土砂層ＧＳから岩盤層ＧＲに変化したときに、土圧式シールド掘削機ＡからトンネルボーリングマシンＢに変更してトンネル掘削作業を継続して行うことで、大深度用トンネルＴＳを掘削したが、掘削領域は大深度領域に限定されるものではなく、また、掘削地盤が岩盤層ＧＲから軟弱土砂層ＧＳに変化したときに、トンネルボーリングマシンＢから土圧式シールド掘削機Ａに変更してトンネル掘削作業を継続して行うこともできる。
【００６４】
図１１に本発明の第２実施形態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概略断面、図１２に第２実施形態のトンネルボーリングマシンの正面視、図１３に第２実施形態のトンネル掘削機としての手掘り式トンネル掘削機の概略断面、図１４に第２実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図１５に第２実施形態の土圧式シールド掘削機の正面視、図１６に第２実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面を示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６５】
第２実施形態のトンネル掘削機は、図１６に示すように、例えば、周辺掘削地盤が岩盤層から山岳層や軟弱土砂層に変化しても、地盤掘削手段や土砂排出手段やトンネル覆工手段などのトンネル施工の仕様を一部変更するだけで、一基のトンネル掘削機により継続してトンネル施工を可能としている。この場合、具体的には、岩盤層ＧＲを掘削可能なトンネルボーリングマシンＣを立坑ＴＬから搬入し、この岩盤層ＧＲを所定距離掘削すると、トンネルボーリングマシンＣから山岳層ＧＭを掘削可能な手掘り式トンネル掘削機Ｄに仕様変更してこの山岳層ＧＭを継続して掘削し、続いて、手掘り式トンネル掘削機Ｄから軟弱土砂層ＧＳを掘削可能な土圧式シールド掘削機Ｅに仕様変更してこの軟弱土砂層ＧＳを継続して掘削可能としている。
【００６６】
即ち、第２実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンＣは、図１１及び図１２に示すように、掘削機本体１１の前部に設けられたカッタヘッド６１及びカッタ駆動部６２を分割して着脱自在としている。このカッタヘッド６１は岩盤層ＧＲを掘削するためのものであり、中央部６１ａと４つの内周部６１ｂと６つの外周部６１ｃが図示しない連結ボルトにより円盤形状に連結されて構成され、後部に複数のかき上げ板６３が形成され、このかき上げ板６３に回転体６４を介してリングギヤ６５が取付けられている。そして、この回転体６４及びリングギヤ６５はリング形状をなすと共に、周方向にてほぼ均等間隔で分割可能となっている。
【００６７】
一方、カッタ駆動部６２にて、掘削機本体１１の内周部に固定された支持フランジ６６には支持部材６７が取付けられており、この支持部材６７はリング形状をなすと共に、周方向にてほぼ均等間隔で分割されて構成されている。そして、この支持部材６７に回転体６４が回転自在に支持され、複数のカッタ旋回モータ２１により駆動回転可能となっている。なお、カッタヘッド６１の前面部には多数のディスクカッタ６８、スクレーパ６９、マイクロ波発振器７０が装着されている。
【００６８】
そして、本実施形態のトンネル掘削機は、岩盤層ＧＲを掘削可能なトンネルボーリングマシンＣから、山岳層ＧＭを掘削可能な手掘り式トンネル掘削機Ｄに、また、軟弱土砂層ＧＳを掘削可能な土圧式シールド掘削機Ｅに変更可能となっている。この場合、トンネルボーリングマシンＣと手掘り式トンネル掘削機Ｄと土圧式シールド掘削機Ｅとでは掘削土砂が異なるため、カッタヘッド６１及びベルトコンベヤ３６が取り外して交換可能となっている。
【００６９】
即ち、トンネルボーリングマシンＣのカッタヘッド６１を中央部６１ａと内周部６１ｂと外周部６１ｃとに分割して取り外すと共に、回転体６４及びリングギヤ６５を分割して取り外した後、カッタ駆動部６２も分割して掘削機本体１１から取り外す。すると、図１３に示すように、掘削機本体１１の前端部からカッタヘッド６１及びカッタ駆動部６２が取り外されて開放空間部が形成される。また、別のベルトコンベヤ７１を装着することで、トンネルボーリングマシンＣを手掘り式トンネル掘削機Ｄの仕様に変更することができる。
【００７０】
また、土圧式シールド掘削機Ｅにて、図１４及び図１５に示すように、掘削機本体１１にスクリューコンベヤ２８を装着すると共に、バルクヘッド１２に蓋部材２９を取付け、掘削機本体１１の前端部に軟弱土砂層ＧＳを掘削するためのカッタヘッド７２が着脱自在に装着されている。このカッタヘッド７２は中心部７２ａから複数のカッタスポーク７２ｂが放射状に配設されて外周リング７２ｃが取付けられてなり、カッタスポーク７２ｂに多数の先行ビット７３とカッタビット７４とコピーカッタ７５が取付けられている。このカッタヘッド７２は、中心部７２ａとカッタスポーク７２ｂと外周リング７２ｃが分割して着脱自在であり、後部に連結ビーム１５を介して回転体６４、リングギヤ６５が取付けられている。
【００７１】
なお、カッタヘッド６１，７２の外径は掘削機本体１１の外径よりも若干大きく形成されており、前述の実施形態と同様に、掘削機本体１１の前端部に掘削機本体１１と掘削壁面Ｇとの空間部Ｓにモルタルを注入するモルタル注入装置４１と、この空間部Ｓに注入されたモルタルを掘削壁面Ｇ側に押圧して締め固めるモルタル押圧装置４２と、この空間部Ｓに注入されたモルタルが前方のカッタヘッド１６側へ漏洩しないように防止する前部遮蔽板４３と、空間部Ｓに注入されたモルタルが後方へ漏洩しないように防止する後部遮蔽板４４とが設けられている。
【００７２】
ここで、上述した本実施形態のトンネル掘削機（トンネルボーリングマシンＣ、手掘り式トンネル掘削機Ｄ、土圧式シールド掘削機Ｅ）を用いたトンネル施工作業について説明する。
【００７３】
図１６に示すように、事前の土質調査により掘削する地盤が岩盤層ＧＲ、山岳層ＧＭ、軟弱土砂層ＧＳと変化すると判定された場合、まず、トンネル掘削機をトンネルボーリングマシンＣの仕様に変更し、立坑ＴＬから搬入する。そして、図１１に示すように、トンネルボーリングマシンＣにて、リヤグリッパ２４を立坑ＴＬ内の反力受けに圧接して位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド６１を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長することで掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド６１が立坑ＴＬの縦壁及び前方の岩盤層ＧＲを掘削してトンネルを形成する。
【００７４】
このとき、カッタヘッド６１によって破砕された土砂はチャンバ２６内に取り込まれて直接ホッパ３７に入るか、また、カッタヘッド６１と共に回転するかき上げ板６３により上方にかき上げられてからホッパ３７に入り、ベルトコンベヤ３６によって外部に排出される。なお、このトンネルボーリングマシンＣによる岩盤層ＧＲ　のトンネル掘削時には、カッタヘッド６１が掘削時した直後で、掘削機本体１１の外周側空間部Ｓにモルタルを注入して締め固めることで、モルタル覆工部材Ｍを形成する。
【００７５】
上述した作業の繰り返しによりトンネルボーリングマシンＣが岩盤層ＧＲから山岳層ＧＭに至ると、トンネルボーリングマシンＣを手掘り式トンネル掘削機Ｄの仕様に変更する。つまり、トンネルボーリングマシンＣのカッタヘッド６１を分割して取り外して回転体６４及びリングギヤ６５を分割して取り外した後、カッタ駆動部６２を分割して掘削機本体１１から取り外す。そして、掘削機本体１１内にベルトコンベヤ７１を装着することで、手掘り式トンネル掘削機Ｄの仕様に変更する。
【００７６】
そして、この手掘り式トンネル掘削機Ｄにて、図１３に示すように、図示しない走行式の掘削機によりＮＡＴＭ工法（ロックボルトと吹付コンクリート）を用いて山岳層ＧＭを掘削してトンネルを形成する。掘削土砂はベルトコンベヤ７１によって外部に排出される。
【００７７】
上述した作業の繰り返しにより手掘り式トンネル掘削機Ｄが山岳層ＧＭから軟弱土砂層ＧＳに至ると、手掘り式トンネル掘削機Ｄを土圧式シールド掘削機Ｅの仕様に変更する。つまり、図１４に示すように、掘削機本体１１の前端部にカッタヘッド７２を装着すると共に、スクリューコンベヤ２８を装着することで、土圧式シールド掘削機Ｅの仕様に変更する。
【００７８】
そして、土圧式シールド掘削機Ｅにて、リヤグリッパ２４により位置保持した状態で、カッタ旋回モータ２１によってカッタヘッド７２を回転駆動しながら、各スラストジャッキ２５を伸長することで掘削機本体１１を前進させる。すると、カッタヘッド７２が前方の軟弱土砂層ＧＳを掘削してトンネルを形成する。このとき、カッタヘッド７２によって掘削された土砂はチャンバ２６内に取り込まれ、この軟弱土砂をチャンバ２６に充満させて切羽の安定を確保しながら、適量の土砂をスクリューコンベヤ２８によって外部に排出する。この作業の繰り返しによりトンネルボーリングマシンＣから手掘り式トンネル掘削機Ｄ、土圧式シールド掘削機Ｅに仕様を変更するだけで、岩盤層ＧＲと山岳層ＧＭと軟弱土砂層ＧＳとにわたってトンネルを連続して構築できる。
【００７９】
なお、上述した実施形態では、トンネルボーリングマシンＣによる岩盤層ＧＲのトンネル掘削時と、手掘り式トンネル掘削機Ｄによる山岳層ＧＭのトンネル掘削時と、土圧式シールド掘削機Ｅによる軟弱土砂層ＧＳのトンネル掘削時の各トンネル施工作業で、モルタル覆工部材Ｍを形成し、吹付装置５５によりこのモルタル覆工部材Ｍの内壁面にセメントを吹き付けて塗装し、エレクタ装置５６によりその外周面に支保工Ｈをリング状に組立てている。しかし、トンネルボーリングマシンＣによる岩盤層ＧＲのトンネル掘削時や手掘り式トンネル掘削機Ｄによる山岳層ＧＭのトンネル掘削時にて、この岩盤層ＧＲに崩落の危険がないときには、モルタル覆工をやめて、吹付装置５５による掘削壁面Ｇへのセメント吹き付け塗装と、エレクタ装置５６による支保工Ｈの組立だけのトンネル覆工処理としても良い。
【００８０】
このように第２実施形態のトンネル施工方法にあっては、周辺地盤の土質に応じて、カッタヘッド６１，７２からなる地盤掘削手段、スクリューコンベヤ２８またはベルトコンベヤ３６からなる土砂排出手段を切換え可能とし、一基のトンネル掘削機により継続してトンネルを施工するようにしている。
【００８１】
従って、掘削地盤が岩盤層ＧＲと山岳層ＧＭと軟弱土砂層ＧＳとの間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を岩盤層ＧＲに対応したトンネルボーリングマシンＣと、山岳層ＧＭに対応した手掘り式トンネル掘削機Ｄと、軟弱土砂層ＧＳに対応した土圧式シールド掘削機Ｅとの間で変更することができ、岩盤層ＧＲと山岳層ＧＭと軟弱土砂層ＧＳとにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００８２】
また、カッタヘッド６１，７２及びカッタ駆動部６２を分割して着脱自在としたことで、掘削機本体１１に対する取付及び取り外しが容易となる。この場合、カッタヘッド６１，７２及びカッタ駆動部６２を分割してから掘削機本体１１の後方に取り外し可能としており、狭い作業空間であってもカッタヘッド６１，７２の交換作業を短時間で容易に行うことができる。
【００８３】
なお、上述の実施形態では、掘削地盤が岩盤層ＧＲから山岳層ＧＭや軟弱土砂層ＧＳに変化したときに、トンネルボーリングマシンＣを手掘り式トンネル掘削機Ｄや土圧式シールド掘削機Ｅに変更してトンネル掘削作業を継続して行うようにしたが、掘削地盤が変化する順序はこれに限定されるものではなく、岩盤層ＧＲと山岳層ＧＭと軟弱土砂層ＧＳとの間でどのように変化しても、トンネル掘削機をトンネルボーリングマシンＣと手掘り式トンネル掘削機Ｄと土圧式シールド掘削機Ｅとの間で容易に変更することができる。
【００８４】
また、上述の各実施形態では、モルタル押圧装置４２を複数分割した可動プレート４７と移動ジャッキ４８等により構成したが、この構造に限定されるものではなく、複数の可動プレート４７の外側にゴムリングや湾曲した押圧プレートを装着してもよい。
【００８５】
上述した各実施形態にて、掘削地盤の土質（岩盤層ＧＲ、山岳層ＧＭ、軟弱土砂層ＧＳ）に対応して、トンネル掘削機の仕様、つまり、地盤掘削手段、土砂排出手段、覆工部材を切換えるようにしたが、これらの組み合わせは各実施形態に限定されるものではなく、以下の表１に示すように切換えることができる。
【００８６】
【表１】
2004124697.tif 000003
【００８７】
この表１に示すように、トンネル掘削機は、掘削地盤が土砂である土砂用トンネル掘削機と、掘削地盤が岩盤である岩盤用トンネル掘削機との間で仕様変更が可能である。そして、土砂用トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいた切羽が十分な硬さを有しているかどうかにより、密閉型トンネル掘削機（シールド掘削機）と開放型トンネル掘削機（手掘り式トンネル掘削機）との間で切換可能である。更に、密閉型トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいて土圧式シールド掘削機と泥水式シールド掘削機との間で切換可能である。一方、岩盤用トンネル掘削機も同様に、土砂の粒径や水分量などに基づいた切羽が十分な硬さを有しているかどうかにより、密閉型トンネル掘削機（トンネルボーリングマシン、シールド掘削機）と開放型トンネル掘削機（手掘り式トンネル掘削機）との間で切換可能である。更に、密閉型トンネル掘削機は、土砂の粒径や水分量などに基づいて土圧式シールド掘削機と泥水式シールド掘削機との間で切換可能である。
【００８８】
この場合、土砂用トンネル掘削機は、地盤掘削手段がカッタビットを有するカッタヘッド、土砂排出手段がスクリューコンベアであり、岩盤用トンネル掘削機は、地盤掘削手段がディスクカッタを有するカッタヘッド、土砂排出手段がベルトコンベヤである。但し、水分量等により地盤掘削手段をカッタビット及びディスクカッタを有するカッタヘッドとしてもよい。また、泥水式トンネル掘削機は、土砂排出手段が送水管及び排泥管である。
【００８９】
また、支保方式において、掘削地盤の土質に応じて、ＨＤＬ（掘削直後の直打ちライニング）、ＴＤＬ（掘削後方での直打ちライニング）、プレスリング（軟弱地盤での反力受け装置）、ＲＢ（ロックボルト）、コンクリート吹き付け、アーチライナー（セグメント）、鋼製支保（Ｈ鋼）等を組み合わせて用いることができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削機に仕様変更することで、トンネルを継続して構築することができ、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００９１】
請求項２の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に応じて、地盤掘削手段及び土砂排出手段を切換えると共に、適正な覆工部材を選択し、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削機に仕様変更することで、トンネルを継続して構築することができ、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００９２】
請求項３の発明のトンネル施工方法によれば、地盤掘削手段としてディスクカッタとカッタビットとを切換可能とし、土砂排出手段としてベルトコンベヤとスクリューコンベヤとを切換可能とし、周辺地盤が岩盤層であるときは、ディスクカッタとベルトコンベヤに切換え、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、カッタビットとスクリューコンベヤに切換え、周辺地盤が山岳層であるときは、地盤掘削手段を取り外して前方を開放すると共にベルトコンベヤに切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、周辺地盤の土質に応じてディスクカッタとカッタビット、ベルトコンベヤとスクリューコンベヤとの間で切換えることで、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することができる。
【００９３】
請求項４の発明のトンネル施工方法によれば、土砂排出手段を、ベルトコンベヤとスクリューコンベヤと送水管及び排泥管との間で切換可能とし、周辺地盤が軟弱土砂層で且つ含水量が所定値以上であるときは、カッタビットと送水管及び排泥管に切換え、一基の掘削機により継続してトンネルを施工するようにしたので、周辺地盤の含水量に応じた土砂排出手段とすることで、一基の掘削機により継続してトンネルを施工することができる。
【００９４】
請求項５の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤の土質に拘らず、フード部を直打ちライニングしてトンネル覆工を行うようにしたので、掘削直後に直打ちライニングして覆工するため、この掘削壁面から地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができる。
【００９５】
請求項６の発明のトンネル施工方法によれば、周辺地盤が岩盤層または山岳層であるときは、掘削壁面に支保を組んでコンクリート吹き付けによりトンネル覆工を行い、周辺地盤が軟弱土砂層であるときは、直打ちライニングによりトンネル覆工を行うようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した覆工を行うことで、一基のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削することができ、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００９６】
請求項７の発明のトンネル施工方法によれば、直打ちライニングによるトンネル覆工は、掘削機本体の外径より若干大きいトンネルを掘削し、掘削機本体の外周側空間部にモルタルを注入し、この空間部のモルタルを押圧して締め固めて覆工部を形成するようにしたので、掘削直後の空間部にモルタルを注入して掘削壁面側に押圧するため、トンネルの掘削壁面が不安定であっても、地盤が剥離したり崩落したりすることはなく、トンネル施工工事の安全性を向上することができると共に、掘削機とモルタル覆工部材との間の隙間により掘削機本体をスムースに推進させることができ、トンネル施工作業の作業性を向上することができる。
【００９７】
請求項８の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が軟弱土砂層から岩盤層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタに形成された土砂取込開口の開口量を減少すると共に、チャンバ内に土砂かき上げ用バケットを突出し、土砂排出機構をスクリューコンベヤからベルトコンベヤに変更した後、掘進を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した土砂取込方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００９８】
請求項９の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層から軟弱土砂層に変化したときは、掘進を一時停止し、ディスクカッタを有するカッタ面板を複数に分割して取り外した後、カッタビットを有するカッタスポークを取付けると共に、土砂排出機構をベルトコンベヤからスクリューコンベヤに変更した後、掘進を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削方法及び土砂排出方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【００９９】
請求項１０の発明のトンネル施工方法によれば、トンネル掘削途中で、掘削地盤が岩盤層あるいは軟弱土砂層から山岳層に変化したときは、掘進を一時停止し、カッタを複数に分割して取り外した後、カッタ駆動部を分割して取り外し、手掘りによる掘削を開始するようにしたので、掘削地盤が変化してもその土質に適合した掘削方法とすることで、トンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【０１００】
また、請求項１１の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部にカッタを装着して推進ジャッキにより前進可能とし、カッタにより掘削した土砂をチャンバ内に取り込む土砂取込手段を設けると共に、チャンバ内に取り込まれた土砂を外部に排出する土砂排出手段とを設け、掘削地盤の土質に応じて土砂取込手段及び土砂排出手段を岩盤層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたので、掘削地盤が軟弱土砂層と岩盤層との間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層に対応した土圧式シールド掘削機や岩盤層に対応したトンネルボーリングマシンと間で変更することができ、軟弱土砂層と岩盤層とにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【０１０１】
請求項１２の発明のトンネル掘削機によれば、土砂取込手段をカッタに形成された土砂取込開口とし、岩盤層あるいは軟弱土砂層に応じて開口量が変更可能としたので、岩盤層の掘削時には、土砂取込開口量を小さくして細かく破砕された土砂のみチャンバに取り込んで排出するため、土砂排出手段の閉塞を防止して土砂排出作業を円滑に行うことができる一方、軟弱土砂層の掘削時には、土砂取込開口量を大きくして掘削土砂をチャンバに充満させるため、切羽を安定させながら掘削土砂を効率よく外部に排出することができる。
【０１０２】
請求項１３の発明のトンネル掘削機によれば、土砂取込手段をチャンバ内に配設された土砂かき上げ用バケットとし、岩盤層の掘削時にはバケットを突出し、軟弱土砂層の掘削時にはバケットを格納するので、岩盤層の掘削時には、突出したバケットによりチャンバ内の土砂を確実に土砂排出手段に供給することで、掘削土砂を確実に外部に排出することができる一方、軟弱土砂層の掘削時には、バケットが格納することで、掘削土砂がチャンバで十分に充満するため、バケットが邪魔にならずに掘削土砂を効率よく外部に排出することができる。
【０１０３】
請求項１４の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部にカッタを装着して推進ジャッキにより前進可能とし、カッタにより掘削した土砂を外部に排出する土砂排出手段を設け、掘削地盤の土質に応じてカッタ及び土砂排出手段を岩盤層用あるいは山岳層用あるいは軟弱土砂層用に変更可能としたので、掘削地盤が岩盤層と山岳層と軟弱土砂層との間で変化しても、トンネル掘削機の仕様を軟弱土砂層に対応したトンネル掘削機に変更することができ、岩盤層と山岳層と軟弱土砂層とにわたってトンネルを連続して構築することができ、一種類のトンネル掘削機で異なる地盤を連続して掘削可能となり、掘削作業効率を向上することができると共に、作業コストを低減することができる。
【０１０４】
請求項１５の発明のトンネル掘削機によれば、カッタ及びカッタ駆動装置を複数に分割して着脱自在としたので、掘削機本体に対する取付及び取り外しを容易に行うことができると共に、カッタ及びカッタ駆動装置を分割してから掘削機本体の後方に取り外し可能となり、狭い作業空間であってもカッタの交換作業を短時間で容易に行うことができる。
【０１０５】
請求項１６の発明のトンネル掘削機によれば、土砂排出手段を、岩盤層用のベルトコンベヤあるいは軟弱土砂層用のスクリューコンベヤとしたので、掘削土砂の土質に最適な土砂排出手段を選択することで、掘削土砂の排出作業を効率よく且つ円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図２】第１実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図３】スリット開閉板及びバケットを表す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】スリット開閉板及びバケットの作動状態を表す断面図である。
【図５】モルタル押圧装置を表す図１のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】モルタル押圧装置を表す図１のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】モルタル注入装置及びモルタル押圧装置を表す要部断面図である。
【図８】モルタル注入装置及びモルタル押圧装置によるトンネル覆工方法を表す概略図である。
【図９】第１実施形態のトンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンの概略断面図である。
【図１０】第１実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態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概略断面図である。
【図１２】第２実施形態のトンネルボーリングマシンの正面図である。
【図１３】第２実施形態のトンネル掘削機としての手掘り式トンネル掘削機の概略断面図である。
【図１４】第２実施形態のトンネル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。
【図１５】第２実施形態の土圧式シールド掘削機の正面図である。
【図１６】第２実施形態のトンネル掘削機により掘削する地盤の概略断面図である。
【符号の説明】
１１　掘削機本体
１６，６１，７２　カッタヘッド（地盤掘削手段）
１９　土砂取込開口部（地盤掘削手段、土砂取込手段）
２１　カッタ旋回モータ
２４　リヤグリッパ
２５　スラストジャッキ（推進ジャッキ）
２６　チャンバ
２８　スクリューコンベヤ（土砂排出手段）
３０　スリット開閉板（地盤掘削手段）
３２　開閉ジャッキ
３３　土砂かき上げ用バケット（土砂取込手段）
３５　出没ジャッキ
３６，７１　ベルトコンベヤ（土砂取込手段）
４１　モルタル注入装置
４２　モルタル押圧装置
４３　前部遮蔽板
４４　後部遮蔽板
５５　吹付装置
５６　エレクタ装置
６２　カッタ駆動部
Ａ，Ｅ　土圧式シールド掘削機（トンネル掘削機）
Ｂ，Ｃ　トンネルボーリングマシン、ＴＢＭ（トンネル掘削機）
Ｄ　手掘り式トンネル掘削機
Ｇ　掘削壁面
Ｓ　空間部
Ｍ　モルタル覆工部材
Ｈ　支保工
ＧＳ　軟弱土砂層
ＧＲ　岩盤層
ＴＬ　立坑
ＧＭ　山岳層
ＴＳ　大深度用トンネル
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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