(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】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上記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前面で回転するカッタ回転軸１８の先端に、前面にカッタビット２４を備えたカッタヘッド２１を上記地下構造物の接合面１０の傾斜に合わせるように揺動自在に設けた。【選択図】　　　　図１
2004052221.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上記地下構造物の接合面の傾斜に合わせるように揺動自在に設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
上記カッタヘッドが、掘削方向前後に揺動するようにカッタ回転軸に軸支されると共に上記カッタ回転軸に設けられた揺動ジャッキに接続され、その揺動ジャッキが、カッタ回転軸の回転角度に同期してストローク制御される請求項１記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
上記カッタヘッドが、上記カッタ回転軸の回転中心軸上にて軸支された請求項１または２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上記地下構造物の接合面の傾斜に合わせるように揺動自在に設けたものである。
【０００９】
上記構成によれば、地下構造物の近傍に到達するまでは、カッタヘッドを傾斜させずに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、地下構造物の近傍に到達した後は、カッタ回転軸の先端のカッタヘッドを接合面に合わせるように揺動させて更に掘進させることにより、地下構造物の接合面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の直前まで掘り進むことができる。
【００１０】
そして、上記カッタヘッドが、掘削方向前後に揺動するようにカッタ回転軸に軸支されると共に上記カッタ回転軸に設けられた揺動ジャッキに接続され、その揺動ジャッキが、カッタ回転軸の回転角度に同期してストローク制御されるものが好ましい。
【００１１】
また、上記カッタヘッドが、上記カッタ回転軸の回転中心軸上にて軸支されたものが好ましい。
【００１２】
【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。
【００１３】
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を示した正面図、図３はカッタヘッドを揺動させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図、図４はカッタヘッドを揺動させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図、図５はスライドフードを地山に貫入させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図である。
【００１４】
なお、本実施の形態のトンネル掘削機は、図１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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
スライドフード８は、その前端が、接合すべき既設トンネル９（図３参照）の形状に合わせるように形成されており、地山に貫入されることで既設トンネル９の接合面１０にほぼ隙間なく当接し、接合面１０近傍を精度良く土留めするようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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によって止水されていると共に、スライドジャッキ２９を介して接続されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
カッタ回転軸１８には、その回転角度を検出するカッタ回転位置検出装置４６が設けられている。このカッタ回転位置検出装置４６は、回転側に設けられたカッタ回転位置検出用スプロケット４７と、カッタ回転位置検出センサ４８とで構成されている。
【００２６】
カッタヘッド２１には、一文字型に一体的に形成されたカッタスポーク２３が採用されている。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。カッタスポーク２３の一方端には、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】
カッタスポーク２３は、その長手方向中心部が、カッタ回転軸１８の先端部近傍で当該カッタ回転軸１８に直交するピン２７を介して軸支されており、掘削方向前後に揺動するようになっている。
【００２８】
バルクヘッド１７の前方でカッタ回転軸１８の側部には、カッタスポーク２３を揺動させるための揺動ジャッキ２６が設けられている。揺動ジャッキ２６は、カッタ回転軸１８の側部に軸支されると共に、その先端部がカッタスポーク２３の後方に軸支されており、この揺動ジャッキ２６の伸縮によって、カッタスポーク２３がピン２７を中心として揺動するようになっている。
【００２９】
この揺動ジャッキ２６とカッタ回転位置検出装置４６とには、カッタ回転軸１８の回転角度に応じて揺動ジャッキ２６を伸縮させる制御装置２８が電気的に接続されており、カッタ回転軸１８の回転とカッタスポーク２３の揺動とを同期させるようになっている。
【００３０】
すなわち、カッタ回転軸１８の回転角度に応じて、揺動ジャッキ２６を伸縮させることによって、カッタスポーク２３による掘削面を、既設トンネル９との接合面１０と平行にすることが可能となる。
【００３１】
なお、図１中、３１は、トンネル掘削機１内部の固定側から、揺動ジャッキ２６やオーバーカッタ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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。そして、カッタスポーク２３（カッタヘッド２１）を揺動させずに、カッタ回転軸１８と直交状態のままで、既設トンネル９近傍の所定位置まで掘削する。
【００３４】
このとき、揺動ジャッキ２６は、そのストロークがニュートラルの位置になっており、油圧ロック或いは固定ピン（図示せず）等によって、その位置を保持している。
【００３５】
また、本実施の形態では、揺動ジャッキ２６がカッタ回転軸１８と共に回転するため、カッタヘッド２１にて、掘削した土砂を撹拌する撹拌翼の役目を果たすことができる。
【００３６】
しかしながら、掘削地盤の土質によっては、揺動ジャッキ２６に掘削した土砂が付着する場合があるが、この場合は、揺動ジャッキ２６にケーシングを設けるようにすれば、揺動ジャッキ２６への土砂の付着を防止でき、その動作を阻害することはない。
【００３７】
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、揺動ジャッキ２６を伸長させて（図３参照）、カッタスポーク２３（カッタヘッド２１）を揺動させずに、一方に傾斜させながら回転させる。これと同時に、オーバーカッタ２５を径方向外側へと伸長させる。これによって、カッタスポーク２３を傾斜させたことによる掘削面積の減少を補うことができる。
【００３８】
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を揺動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。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。
【００３９】
なお、上記所定位置は、その場所で上述のようにカッタスポーク２３を傾斜させて回転させても、カッタスポーク２３が既設トンネル９に接触しない位置である。
【００４０】
その状態でさらに掘削を進め、トンネル掘削機１が既設トンネル９に近接したならば、揺動ジャッキ２６をカッタ回転軸１８の回転角度に同期させながらストローク制御して伸縮させて、カッタスポーク２３の揺動を開始する。
【００４１】
図３に示すように、揺動ジャッキ２６が残りの掘削地山の広い側（図中、左上部）にあるときは揺動ジャッキ２６は最も伸長し、図４に示すように、図３の状態からカッタ回転軸１８が１８０°回転し揺動ジャッキ２６が残りの掘削地山の狭い側（図中、右下部）にあるときは揺動ジャッキ２６は最も縮退するように、揺動ジャッキ２６は伸縮を繰り返す。
【００４２】
これによって、カッタスポーク２３による掘削面を、既設トンネル９との接合面１０と平行にすることができ、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。
【００４３】
そして、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、図５に示すように、スライドフード８を地山に貫入させる。
【００４４】
具体的には、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縮退させる。これによって、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が前進して、地山に貫入される。
【００４５】
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。
【００４６】
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を傾斜させずに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、カッタ回転軸１８の先端のカッタヘッド２１を既設トンネル９の接合面１０に合わせるように揺動させて更に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。
【００４７】
また、本実施の形態では、カッタスポーク２３がカッタ回転軸１８の先端部近傍でピン２７を介して軸支されているので、その揺動中心をカッタヘッド２１の先端部に近いところとすることができる。これによって、カッタヘッド２１が揺動しても、その揺動半径は小さいので、先端部の移動距離は小さくなり、カッタ回転軸１８の中心からのカッタビット２４の偏心量（移動量）を小さくできるので、オーバーカッタ２５のストロークを小さくすることができる。
【００４８】
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２３により構成されているが、カッタヘッド２１がピン２７を中心に揺動できる形状であれば、これに限られるものではない。例えば、中心部が棒状に形成された軸支部を有する面盤タイプのカッタであっても適用可能である。
【００４９】
なお、上記実施の形態では、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揺動させる技術は、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。
【００５０】
また、上記実施の形態では、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。
【００５１】
【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を示した正面図である。
【図３】カッタヘッドを揺動させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図である。
【図４】カッタヘッドを揺動させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図である。
【図５】スライドフードを地山に貫入させた状態のトンネル掘削機を示した側方断面図である。
【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
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
２４　カッタビット
２５　オーバーカッタ
２６　揺動ジャッキ
【図１】
2004052221.tif 000003
【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】
2004052221.tif 000008
【図７】
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