(57)【要約】【課題】既設トンネルなどの地下構造物との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘り進む。【解決手段】地下構造物に新設トンネルを接合すべく地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機１において、進行方向前方の土砂を掘削すべく掘削機１前面で回転するカッタ回転軸１８の先端に、カッタヘッド２１を自在軸継手２６を介して接続し、掘削機１の外周に進行方向にスライド自在にスライドフード８を設けると共に、そのスライドフード８の前面に、カッタヘッド２１が接合面１０の傾斜と平行になるように回転させるカッタヘッドガイド部４６を設け、自在軸継手２６に、カッタヘッド２１がカッタ回転軸１８の軸方向と直交するようにカッタヘッド２１を固定する角度固定手段２７を設けた。【選択図】　　　　図１
2004052222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネルなどの地下構造物に新設トンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機において、進行方向前方の土砂を掘削すべく掘削機前面で回転するカッタ回転軸の先端に、前面にカッタビットを備えたカッタヘッドを自在軸継手を介して接続し、上記掘削機のフードの前面に、上記カッタヘッドの回転を上記地下構造物の接合面の傾斜と平行にするカッタヘッドガイド部を設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
上記フードが、進行方向にスライド自在なスライドフードにて構成されると共に、上記自在軸継手に、上記カッタヘッドが上記カッタ回転軸の軸方向と直交するように上記カッタヘッドを固定する角度固定手段を設けた請求項１記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
上記カッタヘッドガイド部は、スライドフード内方にリング状に形成され、上記カッタヘッドは、その外周面に上記カッタヘッドガイド部に沿って移動する突起部を有した請求項１または２いずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
上記突起部が、オーバーカッタにて構成され径方向に出没自在に形成された請求項１から３いずれかに記載のトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中にトンネルを形成するトンネル掘削機に係り、特に既設トンネルなどの地下構造物に新設トンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すように、既設のトンネル５１に換気用トンネル５２等を地上から掘り進んで接合するとき、既設トンネル５１の鉛直上方にガス管５３や道路５４などが存在すると、これらを避けるために換気用トンネル５２を斜めに形成する場合がある。
【０００３】
図７に示すように、換気用トンネル５２の形成はトンネル掘削機５５を用いて行う。
【０００４】
ここで用いられるトンネル掘削機５５は、進行方向後方から押し込まれることで推進力を得るようになっており、トンネル掘削機５５の後方に順次推進管５６を継ぎ足しながら、最後尾の推進管５６を元押しするようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、トンネル掘削機５５を掘り進ませて既設トンネル５１に対して斜めに換気用トンネル５２を接合しようとすると、既設トンネル５１の外周面に、トンネル掘削機５５の一端が接触してしまうので、既設トンネル５１とトンネル掘削機５５との間に大きな切り残し部５７が発生してしまうという問題があった。この切り残し部５７は土木的な作業で取り除かなくてはならず、非常に困難であった。
【０００６】
そのため、既設トンネルの接合面の傾斜に合わせて予めカッタを傾斜させたトンネル掘削機を用いることが検討されたが、カッタ前面のスラスト抵抗力がカッタの傾斜によって分力がラジアル方向に作用してしまうため、掘進中の姿勢が安定しないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を解決するために案出されたものであり、その目的は、既設トンネルなどの地下構造物との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘り進むことのできるトンネル掘削機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、既設トンネルなどの地下構造物に新設トンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機において、進行方向前方の土砂を掘削すべく掘削機前面で回転するカッタ回転軸の先端に、前面にカッタビットを備えたカッタヘッドを自在軸継手を介して接続し、上記掘削機のフードの前面に、上記カッタヘッドの回転を上記地下構造物の接合面の傾斜と平行にするカッタヘッドガイド部を設けたものである。
【０００９】
上記構成によれば、地下構造物の近傍に到達した後に、スライドフードを前方にスライドさせて、カッタヘッドが地下構造物の接合面の傾斜と平行になるようにガイドしながら回転させて掘削することができるので、土砂を大きく切り残すことなく接合面の直前まで掘り進むことができる。
【００１０】
そして、上記フードが、進行方向にスライド自在なスライドフードにて構成されると共に、上記自在軸継手に、上記カッタヘッドが上記カッタ回転軸の軸方向と直交するように上記カッタヘッドを固定する角度固定手段を設けたものが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、地下構造物の近傍に到達するまでは、角度固定手段にてカッタヘッドをカッタ回転軸に直交させて、掘削面を掘進方向へ向けることで安定して方向制御することができる。
【００１２】
また、上記カッタヘッドガイド部は、スライドフード内方にリング状に形成され、上記カッタヘッドは、その外周面に上記カッタヘッドガイド部に沿って移動する突起部を有したものが好ましい。
【００１３】
さらに、上記突起部が、オーバーカッタにて構成され径方向に出没自在に形成されたものが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１は本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態のカッタヘッドが軸方向から傾斜した状態を示した側方断面図、図２は本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態のカッタヘッドが軸方向に直交した状態を示した側方断面図、図３は本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態を示した正面図、図４は自在軸継手の角度固定時の状態を示した断面図、図５は自在軸継手の角度固定解除時の状態を示した断面図である。図５は、図４を紙面に対して直角方向に切った断面図である。
【００１６】
なお、本実施の形態のトンネル掘削機は、図１から図３に示すように、推進工法によるトンネル掘削機１が用いられている。このトンネル掘削機１は、元押しされる推進管２とほぼ外径が等しい掘削機本体フレーム３と、掘削機本体フレーム３内に設けられたカッタユニット４とを有している。
【００１７】
掘削機本体フレーム３は、外殻を形成する筒状の第１スキンプレート５と、第１スキンプレート５の内側に軸方向スライド可能に挿入されたほぼ筒状の第２スキンプレート７とからなる。
【００１８】
第２スキンプレート７は、第１スキンプレート５内に、リング状のスライドシール１６を介して液密に密着されており、固定ピン６を介して第１スキンプレート５に固定されている。固定ピン６は周方向に複数（本実施の形態では４箇所）設けられており、カッタユニット４の掘削によって、第２スキンプレート７が回転しようとするのを防止する役目も果たしている。
【００１９】
第１スキンプレート５は、固定ピン６を外すことで第２スキンプレート７と切り離されるようになっており、第２スキンプレート７と切り離して押し込むことで掘進方向前方の地山に貫入されるスライドフード８を兼ねている。
【００２０】
第２スキンプレート７は、推進管２より十分内径を小さく形成されており、第１スキンプレート５を切り離した後は、推進管２内に第２スキンプレート７を容易に挿通させられるようになっている。
【００２１】
第１スキンプレート５は、推進管２に接続される後胴１１と、後胴１１の前方に屈曲自在に接続される前胴１２とから構成されており、中折れシール部１４によって接続されている。
【００２２】
後胴１１には、推進管２内からの浸水を防ぐための隔壁１５が取り外し可能に設けられており、万一、推進管２内に水が浸入してもトンネル掘削機１内に水が浸入するのを防止するようになっている。
【００２３】
第１スキンプレート５の後胴１１と、第２スキンプレート７との間には、掘削方向に延びたスライドジャッキ２９が複数、架け渡されて設けられている。スライドジャッキ２９は、通常掘進時には伸長しており、トンネル掘削機１が既設トンネル９に近接した後、スライドフード８を地山に貫入する際に、地山の土圧を受けながら縮退するようになっている。
【００２４】
第２スキンプレート７には、カッタユニット４が固定されている。カッタユニット４は、第２スキンプレート７の先端部近傍に設けられたバルクヘッド１７の中心に軸支されたカッタ回転軸１８と、カッタ回転軸１８を回転させる駆動モータ１９と、カッタ回転軸１８の先端に設けられたカッタヘッド２１とを備えている。
【００２５】
駆動モータ１９は、バルクヘッド１７の後方でカッタ回転軸１８の側部に設けられており、回転ギヤ２２を介して、カッタ回転軸１８と接続されている。
【００２６】
カッタヘッド２１には、少なくとも３本以上の（本実施の形態では十文字型に配列された４本の）カッタスポーク２３が設けられている。カッタスポーク２３の前面には、複数のカッタビット２４が設けられている。一のカッタスポーク２３の端部には、径方向外側に出没するオーバーカッタ２５が設けられている。
【００２７】
カッタヘッド２１は、自在軸継手２６を介してカッタ回転軸１８に接続されている。この自在軸継手２６には、カッタヘッド２１をカッタ回転軸１８の軸方向と直交するように固定する角度固定手段２７が設けられている。
【００２８】
図４及び図５に示すように、自在軸継手２６は、カッタ回転軸１８の先端の回転軸側ジョイントブロック３１と、中間ジョイントブロック３２と、カッタヘッド側ジョイントブロック３３とを有している。
【００２９】
中間ジョイントブロック３２は、縦方向に延びる断面円形の貫通穴３４を有した角柱状に形成されている。
【００３０】
中間ジョイントブロック３２は、回転軸側ジョイントブロック３１から延びたブラケット３５に設けられた第１ピン３６を介して、回転軸側ジョイントブロック３１に軸支されている。第１ピン３６は、水平方向の同軸上で分割して設けられ、両側の各ブラケット３５の側面から向き合うように配置されており、その先端部が中間ジョイントブロック３２にそれぞれ挿入されている。
【００３１】
中間ジョイントブロック３２の上端面及び回転軸側ジョイントブロック３１の下端面は、第１ピン３６を中心とした曲率或いはこれに近い曲率の曲面状に形成されており、また、中間ジョイントブロック３２と回転軸側ジョイントブロック３１とが互いに干渉しない広さのクリアランスをあけるように配置されている。これによって、中間ジョイントブロック３２は、第１ピン３６を中心に回転軸側ジョイントブロック３１に対して回動可能となっている。
【００３２】
一方、中間ジョイントブロック３２は、カッタヘッド側ジョイントブロック３３から延びたブラケット３７に設けられた第２ピン３８を介して、カッタヘッド側ジョイントブロック３３に軸支されている。この第２ピン３８は、第１ピン３６の軸と直交する軸上で分割して設けられ、両側の各ブラケット３７の側面から向き合うように配置されており、その先端部が第１ピン３６と干渉しない長さで中間ジョイントブロック３２にそれぞれ挿入されている。
【００３３】
中間ジョイントブロック３２の下端面及びカッタヘッド側ジョイントブロック３３の上端面は、第２ピン３８を中心とした曲率或いはこれに近い曲率の曲面状に形成されており、また、中間ジョイントブロック３２とカッタヘッド側ジョイントブロック３３とが互いに干渉しない広さのクリアランスをあけるように配置されている。これによって、中間ジョイントブロック３２は、第２ピン３８を中心にカッタヘッド側ジョイントブロック３３に対して回動可能となっている。
【００３４】
以上のように、第１ピン３６と第２ピン３８の２軸のピンを設けたことによって、カッタヘッド２１の回転中心軸とカッタ回転軸１８の回転中心軸とが交わる角が自由に変化しても、カッタヘッド２１に回転を伝達することができる。
【００３５】
角度固定手段２７は、回転軸側ジョイントブロック３１内に収容された固定ジャッキ３９と、中間ジョイントブロック３２内に収容された固定ロッド４１及び固定ボール４３とを備えている。
【００３６】
固定ジャッキ３９は、回転軸側ジョイントブロック３１に形成された収容穴４４内に固定されている。収容穴４４は、回転軸側ジョイントブロック３１の軸心位置に形成されており、中間ジョイントブロック３２の貫通穴３４と同等の内径を有している。中間ジョイントブロック３２がニュートラル位置の場合には、収容穴４４と貫通穴３４とは、直線状になる。
【００３７】
固定ボール４３は、貫通穴３４の内径と同等の外径を有している。固定ロッド４１は、固定ボール４３と合わせて、中間ジョイントブロック３２の高さと同等となる長さとなっている。固定ロッド４１は、貫通穴３４の内径と同等の外径を有しており、貫通穴３４内を摺動可能に収容されている。
【００３８】
カッタヘッド側ジョイントブロック３３の上端面の中間ジョイントブロック３２との接続部には、逆円錐状の凹部４５が形成されている。この凹部４５の内壁には、固定ボール４３の下部が位置しており、固定ジャッキ３９によって凹部４５の内壁に押し付けられることによって、カッタヘッド側ジョイントブロック３３の揺動が抑えられる。
【００３９】
スライドフード８の前面には、カッタヘッド２１が既設トンネル９等の地下構造物の接合面１０の傾斜と平行になるように回転させるカッタヘッドガイド部４６が設けられている。カッタヘッドガイド部４６は、スライドフード８の前面を接合面１０と平行になるように斜めに形成し、その前端面にリング状のプレート４７を設けて構成されている。
【００４０】
一方、カッタヘッド２１の外周には、カッタヘッドガイド部４６のプレート４７表面に沿って移動すると共にカッタヘッド２１の外周から径方向に出没可能な突起部４８が少なくとも３箇所以上設けられている。具体的には、オーバーカッタ２５を有さない３本のカッタスポーク２３の端部に突起部４８が設けられると共に、オーバーカッタ２５の背面が突起部４８の役目を果たす。なお、全ての突起部４８が、オーバーカッタ２５にて構成されていてもよい。
【００４１】
すなわち、スライドフード８が、前方にスライドすると、その前端のカッタヘッドガイド部４６のプレート４７が、カッタヘッド２１の突起部４８を後方から押し進むこととなるが、カッタヘッド２１は、自在軸継手２６によってカッタ回転軸１８に接続されているので、カッタヘッドガイド部４６の傾斜に沿って回転することができ、その結果、カッタビット２４を備えたカッタヘッド２１の表面が、接合面１０と平行となる。
【００４２】
なお、図１中、３０は、トンネル掘削機１内部の固定側から、オーバーカッタ２５の伸縮ジャッキ（図示せず）の油圧ラインへ油を供給するためのロータリージョイントを示す。
【００４３】
次に、上記構成に係るトンネル掘削機１によるトンネルの掘削工程と共にその作用を説明する。
【００４４】
既設トンネル９などの地下構造物に新設トンネルを接合すべく、その地下構造物へ向けて掘り進むには、まず、スライドジャッキ２９を伸長させて、スライドフード８（第１スキンプレート５）が、収容された状態にしておく。
【００４５】
それと共に、図４に示すように、自在軸継手２６の角度固定手段２７の固定ジャッキ３９を伸長させて、カッタヘッド２１を、カッタ回転軸１８の軸方向と直交するように固定する。
【００４６】
このとき、回転軸側ジョイントブロック３１と中間ジョイントブロック３２については、固定ジャッキ３９の先端が中間ジョイントブロック３２の貫通穴３４内に挿入されることで、中間ジョイントブロック３２の第１ピン３６を中心とする揺動が防止され、互いに固定される。
【００４７】
一方、中間ジョイントブロック３２とカッタヘッド側ジョイントブロック３３については、固定ボール４３が、固定ロッド４１を介して固定ジャッキ３９に押されて、カッタヘッド側ジョイントブロック３３の凹部４５に押し付けられ、カッタヘッド側ジョイントブロック３３の第２ピン３８を中心とする揺動が防止され、互いに固定される。
【００４８】
これによって、回転軸側ジョイントブロック３１、中間ジョイントブロック３２及びカッタヘッド側ジョイントブロック３３が一体的に固定され、カッタヘッド２１が、カッタ回転軸１８の軸方向と直交しながら地山を掘削することができる。この状態で既設トンネル９近傍の所定位置まで掘削する。
【００４９】
そして、トンネル掘削機１が所定位置まで掘削したならば、カッタ回転軸１８の回転は継続させながら、オーバーカッタ２５を径方向外側へ押し出しながら自在軸継手２６の角度固定を解除すると共に、スライドフード８を前方の所定位置までスライドさせる。
【００５０】
自在軸継手２６の角度固定解除は、図５に示すように、固定ジャッキ３９をその先端が中間ジョイントブロック３２の上端に位置するまで縮退させる。これによって、中間ジョイントブロック３２が、回転軸側ジョイントブロック３１に対して、第１ピン３６を中心として揺動可能となる。
【００５１】
一方、中間ジョイントブロック３２とカッタヘッド側ジョイントブロック３３については、カッタヘッド側ジョイントブロック３３が揺動しようとすると、固定ボール４３が、凹部４５によって押し上げられ、中間ジョイントブロック３２の貫通穴３４内に押し込まれるので、カッタヘッド側ジョイントブロック３３が第２ピン３８を中心として揺動可能となる。
【００５２】
このように、本実施の形態に係る角度固定手段２７では、固定ジャッキ３９を伸縮させるといった簡単な動作だけで、２箇所の角度固定及び固定解除を行うことができる。
【００５３】
スライドフード８のスライドについては、固定ピン６を抜いて、第２スキンプレート７を、第１スキンプレート５に対してフリーにする。このとき、カッタスポーク２３には、地山側から土圧がかかるが、スライドジャッキ２９によって押さえられているので、カッタユニット４が押し戻されることはない。そして、推進管２による第１スキンプレート５の推進速度と、スライドジャッキ２９の縮退速度とを同調させながら第２スキンプレート７を縮退させる。この動作によって、カッタユニット４を含む第２スキンプレート７はその位置に停止しながら、推進管２に押された第１スキンプレート５が前進することとなる。
【００５４】
これによって、カッタヘッド２１の突起部４８及びオーバーカッタ２５が、後方からカッタヘッドガイド部４６によって押される。このとき、カッタヘッド２１は、自在軸継手２６によってカッタ回転軸１８に接続されているので、カッタヘッドガイド部４６の傾斜に合わせて回転することが可能である。従って、カッタヘッド２１の掘削面が既設トンネル９の接合面１０と平行になる。トンネル掘削機１と既設トンネル９との間を、切り残しなく掘削することが可能となる。
【００５５】
カッタスポーク２３を傾斜させると掘削面積が減少するが、オーバーカッタ２５を径方向外側へと伸長させたことによって、その掘削面積の減少を補うことができる。
【００５６】
このとき、掘削面は、トンネルの断面方向から傾斜しているので、トンネル断面を円形にするためには掘削面を楕円形にする必要があるが、カッタヘッド２１を傾斜させて掘削する距離は短いので、本実施の形態では、工事の施工手間を考慮してオーバーカッタ２５を伸長させたままで掘削を行う。これによって、掘削されるトンネルの断面の一部（両サイド）がスライドフード８の断面よりも若干大きくなる。
【００５７】
なお、カッタ回転軸１８の回転角度に応じてオーバーカッタ２５を伸縮させて、掘削面を楕円形にするようにしてもよいのは勿論である。
【００５８】
この状態でカッタスポーク２３（カッタヘッド２１）が既設トンネル９の外周部まで到達したなら、オーバーカッタ２５を径方向内側へ引き込んで、スライドフード８を既設トンネル９との接合面１０まで貫入させる。
【００５９】
その後、地山に薬液を注入するかまたは地山を凍結させて、既設トンネル９との接続を行い、新設トンネルの接合作業が終了する。
【００６０】
このように、上記構成によれば、既設トンネル９等の地下構造物の近傍に到達するまでは、カッタヘッド２１をカッタ回転軸１８に固定して掘進方向へ向けることで安定して方向制御することができ、一方、地下構造物の近傍に到達した後は、スライドフード８をスライドさせて、カッタヘッド２１を既設トンネル９の接合面１０に合わせるようにガイドして掘進させることにより、接合面１０の傾斜に合わせて斜めに掘削することができるので、土砂を大きく切り残すことなく接合面１０の直前まで掘り進むことができる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、カッタヘッド２１がカッタスポーク型のもので構成されているが、これに限られるものではない。例えば、面盤タイプのカッタであっても適用可能である。
【００６２】
また、本実施の形態では、地上から換気トンネルを掘削して既設トンネル９に斜めに接合する場合について述べたが、本発明に係る技術、すなわち、カッタヘッド２１を接合面１０の傾斜に合わせるように傾斜させる技術は、例えば、既設トンネル９に新たなトンネルを偏心して接合する場合や、異形トンネルに新たなトンネルを接合する場合など、接合面が掘進方向に対して傾斜している場合等に広く用いることができる。
【００６３】
さらに、本実施の形態では、推進管２を元押しすることで掘進されるトンネル掘削機１について述べたが、これに限るものではない。トンネル掘削機としては、掘削機内でトンネル壁となるセグメント（図示せず）を組み立てつつ、そのセグメントを自力で後方へ押して推進するシールド掘進機であってもよいのは勿論である。
【００６４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、地下構造物との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘り進むことができるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態のカッタヘッドが軸方向から傾斜した状態を示した側方断面図である。
【図２】本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態のカッタヘッドが軸方向に直交した状態を示した側方断面図である。
【図３】本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態を示した正面図である。
【図４】自在軸継手の角度固定時の状態を示した断面図である。
【図５】自在軸継手の角度固定解除時の状態を示した断面図である。
【図６】既設トンネルに接合した換気用トンネルの断面図である。
【図７】従来のトンネル掘削機の側方断面図である。
【符号の説明】
１　トンネル掘削機
８　スライドフード
９　既設トンネル
１０　接合面
１８　カッタ回転軸
２１　カッタヘッド
２３　カッタスポーク
２４　カッタビット
２５　オーバーカッタ
２６　自在軸継手
２７　角度固定手段
４６　カッタヘッドガイド部
４８　突起部
【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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