(57)【要約】【課題】掘削の際に必要となる圧力を低減させ、岩盤の圧縮強度が高い場合にあっても、従来に比較して小さな圧力で掘削できる坑道掘進工法及びそれを好適に実施することができる坑道掘進機を提供する。【解決手段】掘進方向に所定間隔（α）、掘進方向に対して垂直な方向に所定間隔（β）で複数群のローラーカッターを配置し、各ローラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点を岩盤に形成された段差部近傍に位置させ、ローラーカッターに段差部を切除しつつ破砕するアンダーカットをさせて、掘進方向とこれに垂直な方向の段差がそれぞれ一定値（α、β）である階段状断面を呈する切羽面を保持しつつ岩盤を掘削する。【選択図】　　　　図２
2004003365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　掘進方向に所定間隔（α）、掘進方向に対して垂直な方向に所定間隔（β）で複数群のローラーカッターを配置し、各ローラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点を岩盤に形成された段差部近傍に位置させ、ローラーカッターに段差部を切除しつつ破砕するアンダーカットをさせて、掘進方向とこれに垂直な方向の段差がそれぞれ一定値（α、β）である階段状断面を呈する切羽面を保持しつつ岩盤を掘削するようにしたことを特徴とする坑道掘進工法。
【請求項２】
　先進導坑を穿孔しつつ岩盤を掘削するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の坑道掘進工法。
【請求項３】
　略円錐形状を呈するカッターヘッドの周面に、カッターヘッドの中心軸上で一定間隔（α）位置が異なる点を中心としていて半径が一定値（β）異なる複数の円上にカッターディスクを有する複数群のローラカッタ−を刃先をカッターヘッド前方へ突出させて各々配置し、各ローラーカッターを、岩盤に形成された段差部を切除しつつ破砕するアンダーカットをするように構成されたことを特徴とする坑道掘進機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、岩盤を全断面掘削して坑道、トンネル、立坑等を掘進するのに好適な坑道掘進工法及びそれを適用した坑道掘進機に関する。
【背景技術】
【０００２】
　岩盤を全断面掘削して坑道、トンネル、立坑等を掘進する坑道掘進機として、従来、全断面型坑道掘進機が知られている。全断面型坑道掘進機は、多数のローラーカッターを装着したカッターヘッドを備え、カッターヘッドを岩盤に押圧し回転させつつ前進させることにより、円形断面を掘削して坑道等を掘進していくものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　従来の全断面型坑道掘進機は、カッターヘッドの正面部においては、掘進方向に対して垂直な坑道切羽面にローラーカッターが略一平面上で同時かつ直角に当接するよう配置され、カッターヘッドの周辺部においては、掘進方向に対して後方傾斜する坑道切羽面にローラーカッターが略直角に当接するよう配置されている。
　そして、カッターヘッドの正面部、周辺部いずれにおいても、ローラーカッターの接岩点周囲には略均等に岩盤が存在しており、一方向に岩盤を切り落とせるような段差部が存在しないので、ローラーカッターは岩盤の圧縮強度に対抗して作用し、接岩点周囲の岩盤を圧縮力により破砕することになる。
【０００４】
　よって、岩盤の圧縮強度が高い場合には、破砕するのに極めて強大な圧力が必要となり、掘進能力の低下が著しくなり、ローラーカッターの摩耗も激しくなる。又、極めて強大な圧力でカッターヘッドを岩盤に押圧するため、振動、撓みを防止すべくローラーカッター、カッターヘッド、機体をより強固な構造とし、カッターヘッド押圧シリンダーをより強力なものとする必要があった。
【０００５】
　本発明は、従来技術におけるかかる問題点に鑑みて為されたものであり、掘削の際に必要となる圧力を低減させ、岩盤の圧縮強度が高い場合にあっても、従来に比較して小さな圧力で掘削でき、掘進能力の著しい低下、ローラーカッターの激しい摩耗を防止し、又、それほどローラーカッター、カッターヘッド、機体を強固な構造とし、カッターヘッド押圧シリンダーを強力とする必要のない坑道掘進工法を提供することを目的とする。
　又、その坑道掘進工法を好適に実施することができる坑道掘進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】
　上記目的を達成するため、本発明の坑道掘進工法は、掘進方向に所定間隔（α）、掘進方向に対して垂直な方向に所定間隔（β）で複数群のローラーカッターを配置し、各ローラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点を岩盤に形成された段差部近傍に位置させ、ローラーカッターに段差部を切除しつつ破砕するアンダーカットをさせて、掘進方向とこれに垂直な方向の段差がそれぞれ一定値（α、β）である階段状断面を呈する切羽面を保持しつつ岩盤を掘削するようにしたものである。
【０００７】
　岩盤に既存の先進導坑がない場合には、掘進方向最前位置のローラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点が近傍に位置する段差部を形成するために、先進導坑を穿孔しつつ岩盤を掘削するようにしてもよい。
【０００８】
　本発明の坑道掘進機は、上記坑道掘進工法を好適に実施できるものであって、略円錐形状を呈するカッターヘッドの周面に、カッターヘッドの中心軸上で一定間隔（α）位置が異なる点を中心としていて半径が一定値（β）異なる複数の円上にカッターディスクを有する複数群のローラカッタ−を刃先をカッターヘッド前方へ突出させて各々配置したものである。
【０００９】
　ここで、掘進方向及びそれに対して垂直な方向の前記所定間隔を略一定とすれば、より効率的に全断面掘削することができる。
【００１０】
　岩盤に既存の先進導坑がない場合に、掘進方向最前位置のローラーカッター群に属するローラーカッターの接岩点が近傍に位置する段差部を形成するために、先進導坑を穿孔するべく、前記カッターヘッドと同軸状にボーリングヘッドを配設してもよい。
【００１１】
　前記ボーリングヘッドは、前記カッターヘッドと独立に回転し、カッターヘッドの中心軸に沿って進退自在としてもよく、前記カッターヘッドに固定し、カッターヘッドと一体的に回転するようにしてもよい。
【００１２】
　又、ローラーカッターを掘進方向に対して所定角度傾斜しておけば、カッターディスクの側面抵抗を減少でき、かつ、カッターヘッド等が掘削されていない岩盤に当接しない構造を比較的容易に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
　以下、本発明の坑道掘進工法及び坑道掘進機について、図面を参照しつつ説明する。
　図１は本発明の坑道掘進機のカッターヘッドの概略正面図、図２は図１の坑道掘進機により坑道を掘進する状態を示す概略断面図であり、両図には坑道掘進機１前部に配設されるカッターヘッド２のみを示し、ローラーカッターの保持機構、カッターヘッド２の駆動機構、押圧機構等、坑道掘進機の内部及び後部機構は省略してある。
【００１４】
　坑道掘進機１は、図１及び図２に示すように、略円錐形状を呈するカッターヘッド２を備え、このカッターヘッド２は、図示しない押圧機構により岩盤切羽面に所望圧力で押圧でき、図示しない駆動機構により中心軸Ｏ回りに正逆両方向、所望回転数、回転トルクで回転できるようになっている。
【００１５】
　図１及び図２に示すように、カッターヘッド２には、掘進方向及びそれに対して垂直な方向に所定間隔で複数群のローラーカッター群３1 ，３2 ,３3 ・・・を配置してある。
　より具体的に言えば、中心軸Ｏ上で位置の異なる点を中心Ｏ1 ，Ｏ2 ,Ｏ3 ・・・とする半径の異なる同心円Ｃ1 ，Ｃ2 ,Ｃ3 ・・・上にローラーカッター群３1 ，３2 ,３3 ・・・を配置してある。
　そして、各中心Ｏ1 ，Ｏ2 ,Ｏ3 ・・・間の間隔を一定値αとし、各同心円Ｃ1 ，Ｃ2 ,Ｃ3 ・・・間の半径の差を一定値βとしてある。
【００１６】
　各ローラーカッター群３X は１又は複数のローラーカッター３X1，３X2，・・・からなり、各ローラーカッター群３X において各ローラーカッター３X1，３X2，・・・は等間隔で配置してある。
　図１において、ローラーカッター群３1 ではローラーカッター３11を１個、ローラーカッター群３3 ではローラーカッター３31，３32を２個対称に配置してあるが、ローラーカッターの個数及び配置状態等は、特にこれに限定されるものではない。
【００１７】
　ローラーカッター３は、カッターヘッド２に固定されたハウジングに着脱自在かつ回転自在に取り付けてある。
　又、ローラーカッター３は、掘進方向、すなわち中心軸Ｏ方向に対して所定角度θ傾斜させ、カッターディスク３ａの先端部をカッターヘッド２の周面より前方に突出させてある。
　ローラーカッター３を掘進方向に対して所定角度θ傾斜しておけば、カッターディスク３ａの側面抵抗を減少でき、かつ、カッターヘッド２等が掘削されていない岩盤に当接しない構造を比較的容易に構成できる。
【００１８】
　坑道掘進機１にはカッターヘッド２と同軸状にボーリングヘッド４が配設されており、このボーリングヘッド４は、カッターヘッド２と独立に回転し、カッターヘッド２の中心軸Ｏに沿って進退自在となっている。
　ボーリングヘッド４には、岩盤の圧縮強度等の性質、所望のボーリング速度に応じて、ローラーカッター、トリコンビット、コニカルビット、ダウンザホールハンマー（Ｄ．Ｔ．Ｈ．）、穿孔用ビット等を適宜選択して装着することができる。
【００１９】
　又、カッターヘッド２の押圧機構とは別に押圧シリンダー５を備えており、この押圧シリンダー５によりボーリングヘッド４を進退させ、岩盤に所望圧力で押圧させることができ、押圧シリンダー５を介して、カッターヘッド２とは独立に、所望の回転数、回転トルクで回転させることができるようになっている。
　ボーリングヘッド４を進退させ、適当な位置とすることにより、カッターの交換、保守作業が容易となる。
　尚、ボーリングヘッド４には、切削ズリを後方に搬出するための螺旋状ベーンや洗浄水装置等を取り付けてもよい。
【００２０】
　次に、本発明の坑道掘進工法を上記坑道掘進機１を使用して実施する場合について説明する。
【００２１】
　先ず、図２に示すように、押圧シリンダー５によりボーリングヘッド４を前進させ、所定圧力で岩盤６にボーリングヘッド４を押圧させ、ボーリングヘッド４を所定回転数、回転トルクで回転させて、先進導坑７を穿孔する。
【００２２】
　次に、押圧機構によりカッターヘッド２を岩盤６切羽面に所定圧力で押圧させれば、図３（Ａ）に示すように、掘進方向最前位置のローラーカッター群３1 のローラーカッター３11は先進導坑７の開口部に形成された岩盤６の段差部６1 近傍に当接する。
【００２３】
　駆動機構によりカッターヘッド２を所定回転数、回転トルクで回転させつつ前進させれば、図４に示すように、岩盤６の段差部６1 はローラーカッター３11のカッターディスク３ａにより先進導坑７方向に切り落とされ、カッターディスク３ａの後方には新たな段差部６2 が形成される。
【００２４】
　このように、ローラーカッター３11の接岩点を岩盤６の段差部６1 近傍としてあるから、ローラーカッター３11は岩盤６の引張強度に対抗して作用し、段差部６1 を切除しつつ破砕する、いわゆるアンダーカットをすることになる。
　そして、一般に、岩盤の引張強度は圧縮強度より遥かに小さく、１／１０程度であるから、アンダーカットによれば、より小さな圧力で岩盤を掘削することができ、ローラーカッター３の摩耗も減少し、ローラーカッター３の耐圧強度を軽減することもできる。
【００２５】
　さらに、カッターヘッド２を前進させれば、図３（Ｂ）に示すように、掘進方向第２位置のローラーカッター群３2 のローラーカッター３21が岩盤６に形成された段差部６2 近傍に当接する。そして、同様に、図３（Ｃ）に示すように、岩盤６の段差部６2 はローラーカッター３21のカッターディスク３ａにより先進導坑７方向に切り落とされ、カッターディスク３ａの後方に新たな段差部６3 が形成される。
【００２６】
　次いで、図３（Ｄ）に示すように、段差部６3 は掘進方向第３位置のローラーカッター群３3 のローラーカッター３31，３32のカッターディスク３ａにより先進導坑７方向に切り落とされ、カッターディスク３ａの後方に新たな段差部６4 が形成され、以下同様にして、図３（Ｅ）に示すように、前位のローラーカッター群３x のローラーカッター３x1，３x2により形成された段差部６x+1 は後位のローラーカッター群３x+1 のローラーカッター３(x+1)Yにより切り落とされ、新たな段差部６x+2 が形成されていく。
【００２７】
　そして、図３（Ｆ）に示すように、段差部６7 が掘進方向最後位置のローラーカッター群３7 のローラーカッター３71，３72のカッターディスク３ａにより先進導坑７方向に切り落とされると、以後は、図３（Ｆ）に示すような階段状断面を呈する切羽面を保持しつつ坑道を掘進していくことになる。
【００２８】
　このように、掘進方向及びそれに対して垂直な方向に所定間隔で複数群のローラーカッター群３1 ，３2 ,３3 ・・・を配置して、各ローラーカッター群３x に属するローラーカッター３x1，３x2 ,・・・により段差部６x をアンダーカットにより切り落とすとともに、新たな段差部６x+1 を形成するようにしたから、従来と比較して遥かに小さな圧力で全断面掘削することができ、坑道掘進機１の掘進性能を飛躍的に向上させることができる。
【００２９】
　又、上記ローラーカッター群３1 ，３2 ,３3 ・・・の配置は、カッターヘッド２を略円錐形状とすることにより実現できるから、従来と比較して坑道掘進機１の構造が特別に複雑となることもない。
　しかも、カッターヘッド２を略円錐形状とすることにより、より立体的構造となり、従来の平面的構造のカッターヘッドに比較してより強固となるし、周面積が大となり、切削ズリの取込口を大きくすることができ、切削ズリを円滑に排出することができる。
【００３０】
　尚、岩盤６に既に先進導坑が穿孔されている場合には、その先進導坑にボーリングヘッド４を挿入させ、これを案内として拡幅掘削を行うこともできる。
　又、ボーリング精度が非常に高く、切削速度も大きい方向制御ボーリング等を使用して、先ず、小径の先進導坑を穿孔し、その後に本発明の坑道掘進機１を使用して、効率的な掘進を行ってもよい。
【００３１】
　上記坑道掘進機１においては、ボーリングヘッド４はカッターヘッド２と独立に回転し、カッターヘッド２の中心軸Ｏに沿って進退自在となっているが、図５に示すように、ボーリングヘッド８をカッターヘッド２に固定し、カッターヘッド２と一体的に回転するようにしてもよい。
【００３２】
　又、上記坑道掘進機１においては、ローラーカッター３を掘進方向、すなわち中心軸Ｏ方向に対して所定角度θ傾斜させたが、図６に示すように、掘進方向に対して略平行とすることもできる。但し、この場合には、カッターディスク３ａの側面抵抗が大きくなる可能性があり、又、少なくとも最後位置のローラーカッター群３7 に属するローラーカッター３71，３72，・・・は片持ち状態として、カッターヘッド２等が掘削されていない岩盤６に当接して、破壊しないようにする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の坑道掘進機の一実施例のカッターヘッドの概略正面図である。
【図２】図１の坑道掘進機により坑道を掘進する状態を示す概略断面図である。
【図３】図１の坑道掘進機により坑道を掘進する工程を示す説明図である。
【図４】ローラーカッターにより岩盤を掘削する状態を示す説明図である。
【図５】本発明の坑道掘進機の他実施例により坑道を掘進する状態を示す概略断面図である。
【図６】本発明の坑道掘進機の他実施例により坑道を掘進する状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 坑道掘進機
２　カッターヘッド
３　ローラーカッター
４，８　ボーリングヘッド
６　岩盤
７　先進導坑
【図１】
2004003365.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004003365.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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