(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平部分を有する拡幅部が円形断面トンネルの両側部に形成されてなる異形断面トンネルを掘削する異形断面掘削用トンネル掘削機であって、
前部にカッタヘッドを有する円形断面トンネルを掘削する円形断面掘削用トンネル掘削機の後方に、前記拡幅部を掘削する拡幅部掘削用トンネル掘削機を配し、前記円形断面掘削用トンネル掘削機の最後尾に該円形断面掘削用トンネル掘削機のカッタヘッドにより掘削された掘削ずりを搬送する掘削ずり搬送手段を設けるとともに、前記拡幅部掘削用トンネル掘削機の最前部に前記掘削ずり搬送手段から排出される掘削ずりを取り込むホッパを設けてなり、
前記拡幅部掘削用トンネル掘削機が、
切羽を掘削するディスクカッタと掘削ずりを掬い込むバケット部とを有し、掘削機本体の左右に配されるとともに、前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に直交する軸心周りに回転可能な一対のカッタホイールと、
各カッタホイールを回転可能に支持する機体フレームと、
各カッタホイールを前記機体フレームに対して前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に直交する軸心周りに回転させる回転駆動部と、
前記機体フレームを前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に推進させる推進手段と、
前記掘削機本体の長手方向に延設される掘削ずり排出用の排土手段と、
前記各カッタホイールの中心部にその先端部が配され、前記バケット部によって前記カッタホイール内に掬い込まれた掘削ずりを前記排土手段まで搬送するベルトコンベアを備え、
前記排土手段の前端部上方に、前記拡幅部掘削用トンネル掘削機の最前部に設けられるホッパが配されている
ことを特徴とする異形断面掘削用トンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平部分を有する拡幅部が円形断面トンネルの両側部に形成されてなる異形断面トンネルを掘削する異形断面掘削用トンネル掘削機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、岩盤層を掘削するトンネル掘削機として、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）が知られている。このＴＢＭは、前端部にカッタヘッドが回転可能に配されてなる掘削機本体と、この掘削機本体に後続する作業台車とを備え、掘削機本体に設けられるグリッパによりトンネル坑壁に反力を取りつつ、カッタヘッドの回転とスラストジャッキの伸長により掘削機本体を前進させて、トンネルを掘削するように構成されている。このＴＢＭでは、カッタヘッドを回転させつつ掘削がなされるため、掘削されるトンネルの掘削断面は円形である。
【０００３】
ところで、完成トンネルの使用面に関しては、トンネル下部にレールを敷設するなどして車両を走行させることを考慮した場合、水平部分を有する拡幅部が円形断面トンネルの両側部に形成されてなる異形断面トンネル（いわゆる馬蹄形断面トンネル）が使用し易いとされている。このような異形断面トンネルを掘削する場合に、拡幅部を含むような大断面の円形トンネルを掘削し、不要部分を埋め戻すことにより所要のトンネルを形成する方法があるが、この方法では埋戻し作業分工期が長くなり、不経済になるという問題点がある。このため、この種の異形断面トンネルを効率的に掘削することのできるトンネル掘削機（ＴＢＭ）の開発が待ち望まれている。
【０００４】
なお、異形断面トンネルを掘削するためのシールド掘削機としては、特許文献１〜３に記載されたものがある。特許文献１に記載のシールド掘削機は、シールド掘削機のカッタヘッドとは独立してスキンプレートの側方部に拡幅用カッタヘッドを配し、この拡幅用カッタヘッドを通常はスキンプレート内に収納し、拡幅開始位置に到達したときにスライドジャッキの作動により突出させて拡幅部の掘削を行うように構成されたものである。また、特許文献２に記載のシールド掘削機は、スキンプレート内の前端部に、そのスキンプレートの中心軸に沿うアームを配設し、このアームの両側にそのアームとそれぞれ交差する方向の軸を回転中心軸とする複数の回転ドラムをそれぞれ別個の駆動源により回転できるようにし、いずれか一方の回転ドラムの回転中心軸を傾斜配置するように構成されたものである。さらに、特許文献３に記載のトンネル掘削機は、掘削機本体の前面中央部に設けた水平回転軸に円形カッタを装着し、水平回転軸に対して直角方向にドラムカッタ回転軸を配設し、このドラムカッタ回転軸に、掘削機本体の前面短辺方向の幅に等しい直径を有し、円形カッタの背面から掘削機本体の端部短辺縁に達する長さの円筒形状のドラムカッタを装着した矩形断面トンネル掘削機である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６０９８８号公報
【特許文献２】特許第２７１７１８４号公報
【特許文献３】実開平５−９４３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１〜３に記載の掘削機はいずれも、シールド掘削機に関するものであり、これをそのまま岩盤掘削用のＴＢＭに適用することができない。また、これら従来例のものは、掘進方向前方の地山を掘削するカッタヘッドと側方の地山を掘削するカッタヘッドとを併設して、これら複数のカッタヘッドにより同時に異形断面トンネルを掘削する構造であるため、各カッタヘッドの回転速度の相互調整および掘進速度の調整が極めて困難であるという問題点があるほか、掘削ずりの排土がスムーズに行えないという問題点がある。なお、特許文献１のものでは泥水式の排土方式を採用しているが、このような方式は岩盤掘削用のＴＢＭにおいては採用することが困難である。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、水平部分を有する拡幅部が円形断面トンネルの両側部に形成されてなる異形断面トンネルの掘削を効率的に行えるようにするとともに、掘削ずりの排出をスムーズに行うことのできる異形断面掘削用トンネル掘削機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による異形断面掘削用トンネル掘削機は、
水平部分を有する拡幅部が円形断面トンネルの両側部に形成されてなる異形断面トンネルを掘削する異形断面掘削用トンネル掘削機であって、
前部にカッタヘッドを有する円形断面トンネルを掘削する円形断面掘削用トンネル掘削機の後方に、前記拡幅部を掘削する拡幅部掘削用トンネル掘削機を配し、前記円形断面掘削用トンネル掘削機の最後尾に該円形断面掘削用トンネル掘削機のカッタヘッドにより掘削された掘削ずりを搬送する掘削ずり搬送手段を設けるとともに、前記拡幅部掘削用トンネル掘削機の最前部に前記掘削ずり搬送手段から排出される掘削ずりを取り込むホッパを設けてなり、
前記拡幅部掘削用トンネル掘削機が、
切羽を掘削するディスクカッタと掘削ずりを掬い込むバケット部とを有し、掘削機本体の左右に配されるとともに、前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に直交する軸心周りに回転可能な一対のカッタホイールと、
各カッタホイールを回転可能に支持する機体フレームと、
各カッタホイールを前記機体フレームに対して前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に直交する軸心周りに回転させる回転駆動部と、
前記機体フレームを前記円形断面掘削用トンネル掘削機の掘進方向に推進させる推進手段と、
前記掘削機本体の長手方向に延設される掘削ずり排出用の排土手段と、
前記各カッタホイールの中心部にその先端部が配され、前記バケット部によって前記カッタホイール内に掬い込まれた掘削ずりを前記排土手段まで搬送するベルトコンベアを備え、
前記排土手段の前端部上方に、前記拡幅部掘削用トンネル掘削機の最前部に設けられるホッパが配されている
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、左右一対のカッタホイールが回転駆動部による回転動力を受けて掘進方向に直交する軸心周りに回転され、ディスクカッタが切羽に押し付けられることにより、円形断面トンネルの両側部に形成する拡幅部の掘削が行われる。そして、掘削ずりはバケット部で掬い込まれてカッタホイール内に取り込まれ、この取り込まれた掘削ずりはベルトコンベアによって、掘削機本体の長手方向に延設される排土手段まで搬送される。本発明によれば、円形断面トンネルの掘削を終えてから拡幅部の掘削が行われるので、この拡幅部の掘削を効率的に行うことができ、しかもカッタホイールに掘削ずりを掬い込むバケット部が装備されているので、切羽における掘削ずりを効率良くかつ確実にカッタホイール内に取り込むことができ、またそのカッタホイール内に取り込まれた掘削ずりをベルトコンベアによって効率的に排土することができる。
【００１３】
こうして、円形断面掘削用トンネル掘削機による円形断面トンネルの掘削と、それに引き続く拡幅部掘削用トンネル掘削機による拡幅部の掘削とを連続的に、かつ効率的に行うことができ、それら掘削により生じた掘削ずりの搬出を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明による異形断面掘削用トンネル掘削機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１には、本発明の一実施形態に係る異形断面掘削用トンネル掘削機の全体概略図（ａ）およびそのＡ−Ａ線トンネル断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線トンネル断面図（ｃ）がそれぞれ示されている。
【００１６】
本実施形態の異形断面掘削用トンネル掘削機１は、主に岩盤層において、円形断面トンネル２の両側部に、水平部分３ａを有する拡幅部３が形成されてなる異形断面トンネル（いわゆる馬蹄形断面トンネル）４を掘削するのに用いられる。この異形断面掘削用トンネル掘削機１は、円形断面トンネル２を掘削する円形断面掘削用トンネル掘削機５の後方に、拡幅部３を掘削する拡幅部掘削用トンネル掘削機６を配することにより、円形断面掘削用トンネル掘削機５による円形断面トンネル２の掘削に少し後行させて、拡幅部掘削用トンネル掘削機６による拡幅部３の掘削が行われるように構成されている。ここで、前記拡幅部３は、その水平部分３ａ上にレールを敷設するなどして車両を走行させる用途等に使用される。
【００１７】
最初に、円形断面掘削用トンネル掘削機５について説明する。図２には、本実施形態に係る円形断面掘削用トンネル掘削機の要部構造を表す縦断面図が示されている。
【００１８】
この円形断面掘削用トンネル掘削機５は、中心部に前後方向に延設されるメインビーム７と、このメインビーム７の前端部に設けられるカッタヘッドサポート８と、このカッタヘッドサポート８に回転自在に支承され多数個のディスクカッタ９ａを有するカッタヘッド９と、前記メインビーム７に前後摺動自在に配されるグリッパ装置１０と、このグリッパ装置１０を前後方向に摺動させるスラストジャッキ１１とを備えて構成されている。また、グリッパ装置１０のフレームの後端部には牽引ビーム１２の前端部が枢支され、この牽引ビーム１２の後端部は最先端の後続台車１３（図１参照）の前端部に枢支されている。この後続台車１３は、隣接する後続台車１３同士が連結材を介して互いに連結され、下面に取り付けられる車輪がレール１４上を案内されることによって前後方向に走行できるようにされている。なお、これら後続台車１３は、先行する円形断面掘削用トンネル掘削機５と、後行する拡幅部掘削用トンネル掘削機６の資機材搬送等に兼用される後続台車である。
【００１９】
前記カッタヘッド９の回転により掘削された掘削ずりはそのカッタヘッド９の裏面側に配される図示されないホッパにて取り込まれ、複数基のずり搬送用ベルトコンベア１５，１６，１７にて後方へ搬送される。また、後続台車１３の最後尾にはトレーンローダ１８とずり受け台車１９とが設けられ、前段のずり搬送用ベルトコンベア１５，１６，１７にて搬送されてきた掘削ずりは、このトレーンローダ１８によってずり受け台車１９内に一旦貯留される。なお、ずり受け台車１９には、このずり受け台車１９内の掘削ずりを更に後方へ搬出するためのベルトコンベア（掘削ずり搬送手段）２０が付設されている。
【００２０】
このように構成されている円形断面掘削用トンネル掘削機５においては、グリッパ装置１０によってトンネル坑壁に反力を取りつつ、スラストジャッキ１１によりカッタヘッドサポート８に推進力を伝達し、かつカッタヘッド９を回転させることにより掘進が行われ、所定ピッチの掘進後にグリッパ装置１０の押付けが解除されてスラストジャッキ１１の収縮によりグリッパ装置１０がメインビーム７に対して前進され、これら動作の繰り返しにより連続的に掘進が行われて円形断面トンネル２の掘削が行われる。そして、この掘削により機内に取り込まれた掘削ずりは、ずり搬送用ベルトコンベア１５，１６，１７を介して後方へ搬送され、トレーンローダ１８によってずり受け台車１９内に一旦貯留される。
【００２１】
次に、円形断面掘削用トンネル掘削機５の後方に配される拡幅部掘削用トンネル掘削機６について説明する。図３には、本実施形態に係る拡幅部掘削用トンネル掘削機の要部構造を表す縦断面図が、図４には、図３の平面図がそれぞれ示されている。また、図５には、図３のＣ−Ｃ断面図（ａ）およびＤ−Ｄ断面図（ｂ）が示され、図６には、カッタホイールの構造図が示されている。なお、図６（ａ）は図６（ｂ）のＥ−Ｅ断面図である。
【００２２】
この拡幅部掘削用トンネル掘削機６は、掘削機本体の前部中央に配される箱型構造のメインフレーム（本願発明における「機体フレーム」に対応する。）２１と、このメインフレーム２１に前端部が固定されてトンネル中心部に前後方向に延設されるメインビーム２２と、このメインビーム２２に前後摺動自在に配されるグリッパ装置２３と、メインビーム２２とグリッパ装置２３とを連結するように配され、グリッパ装置２３を前後方向に摺動させるスラストジャッキ２４とを備えている。前記メインフレーム２１には、掘削中の安定化および掘削終了時にそのメインフレーム２１をトンネル坑壁に対して支持する目的でフロントサポートが設けられている。このフロントサポートは、頂部に設けられるルーフサポート２５と、側部に設けられるサイドサポート２６と、下部に設けられるバーチカルサポート２７とよりなっており、それぞれジャッキと平行リンクとよりなる個別の接離機構２８によってトンネル坑壁に対して独立して接離できるようにされている。なお、図３、図４中、符号２９にて示されるのは、メインビーム２２の後端部に設けられるリヤサポートである。本実施形態におけるグリッパ装置２３およびスラストジャッキ２４等が、本発明における推進手段に対応する。
【００２３】
図６に示されるように、前記メインフレーム２１の下部には、両側方へ張り出すように略円筒形状のホッパ支持体３０が固着されている。左右の各ホッパ支持体３０の基端部の外周側には、アウターレース３２、大口径ベアリング（コロ）３３およびインナーレース３４よりなるメインベアリングが配されている。ここで、アウターレース３２はメインフレーム２１に固定され、インナーレース３４の内周面にはリングギヤ３４ａが形成されている。そして、このリングギヤ３４ａは、メインフレーム２１に取り付けられた油圧モータ３５にて駆動されるピニオンギヤ３６に噛み合っている。また、前記インナーレース３４には、前記カッタホイール３１の中空のカッタドラム３７が連結され、これによってカッタホイール３１が前記メインベアリングを介してメインフレーム２１に回転自在に支持されている。こうして、油圧モータ３５が駆動されると、その駆動力はピニオンギヤ３６およびリングギヤ３４ａを介してカッタホイール３１に伝達され、このカッタホイール３１がホッパ支持体３０の周りを回転駆動される。なお、図６（ａ）にて符号３８にて示されるのはシール部材である。本実施形態において、油圧モータ３５、リングギヤ３４ａ、ピニオンギヤ３６等が、本発明における回転駆動部に対応する。
【００２４】
前記ホッパ支持体３０の内部空間の上部には、掘削ずりを受け入れるホッパ（ホッパシュート）３９が固定されている。また、このホッパ３９の排出口の下方には、そのホッパ３９にて受け入れられた掘削ずりをトンネル中央部まで搬送するベルトコンベア４０の基端部が配されている。
【００２５】
前記カッタホイール３１は、前記カッタドラム３７と、このカッタドラム３７の外周面上に着脱自在に取り付けられ、切羽を掘削するディスクカッタ４１と、前記カッタドラム３７の外周面上に設けられ、切羽における掘削ずりを掬い込むバケット部４２とを備えて構成されている。前記バケット部４２は、本実施形態の場合、カッタドラム３７の周方向に等間隔で５つ設けられている。各バケット部４２における掘削ずり取込口４３はカッタドラム３７の回転方向（図３、図６（ａ）中矢印Ｒ方向）側に開放されるとともに、各バケット部４２の先端部には切羽における掘削ずりを掻き取るスクレーパ４４が着脱可能に取り付けられている。
【００２６】
前記ディスクカッタ４１は、カッタドラム３７の周方向に隣り合うバケット部４２の間に掘削径に応じて所要個数配置されるとともに、カッタドラム３７の幅方向に互いにオフセットされて配置されている。本実施形態では、１基のカッタホイール３１に対して１０基のディスクカッタ４１が取り付けられている。また、前記カッタドラム３７の外周面には、バケット部４２の内部に取り込まれた掘削ずりをカッタドラム３７の内部へと導く開口部４５が設けられ、ホッパ支持体３０の上部にもホッパ３９に対応する位置に開口部４６が設けられている。
【００２７】
前記カッタホイール３１は、機内に面する側がホッパ支持体３０に固着されたカッタホイールカバー４７（図５参照）によって覆われている。このようなカッタホイールカバー４７を設けることで、バケット部４２による掘削ずりの掬い込みを確実に行うことができるとともに、機内側の安全を確保することができる。なお、メインフレーム２１の下方にはバキューム吸込口４８が設けられ、機内側へこぼれた掘削ずりはそのバキューム吸込口４８によって吸込まれるようになっている。
【００２８】
前記メインフレーム２１の下部中央部には排土用のベルトコンベア（本発明における「排土手段」に対応する。）４９が配されている。このベルトコンベア４９の前端部はメインフレーム２１の前方側まで延設され、その前端部上方にはセンタホッパ５０がメインフレーム２１に固着されて設けられている。このセンタホッパ５０には、前段のずり受け台車１９内からベルトコンベア２０にて搬出された掘削ずりが投入される。また、左右の各ベルトコンベア４０の搬出端の下方にはホッパ（ホッパシュート）５０Ａが配されており、左右のカッタホイール３１にて掘削されてベルトコンベア４０にて搬出された掘削ずりは、このホッパ５０Ａを介してベルトコンベア４９に受け渡される。
【００２９】
このように構成されている拡幅部掘削用トンネル掘削機６においては、グリッパ装置２３によってトンネル坑壁に反力を取りつつ、スラストジャッキ２４によりフロントサポート（ルーフサポート２５、サイドサポート２６、バーチカルサポート２７）に推進力を伝達し、かつカッタホイール３１を回転させることにより掘進が行われ、所定ピッチの掘進後にグリッパ装置２３の押付けが解除されてスラストジャッキ２４の収縮によりグリッパ装置２３がメインビーム２２に対して前進され、これら動作の繰り返しにより連続的に掘進が行われて拡幅部３の掘削が行われる。そして、この掘削により機内に取り込まれた掘削ずりは、カッタホイール３１におけるバケット部４２によって掬い込まれ、カッタホイール３１の上部位置を通過する際に、開口部４５，４６を通ってホッパ３９内に投入される。そして、このホッパ３９に投入された掘削ずりは、ホッパ支持体３０の内部空間に配されるベルトコンベア４０を介してトンネル中央部に搬送され、ホッパ５０Ａを介して中央部のベルトコンベア（排土手段）４９、更にはそのベルトコンベア４９の後端部に接続される複数基のベルトコンベアにてトンネル後方へ搬出される。
【００３０】
この拡幅部掘削用トンネル掘削機６によれば、掘進方向と直交する軸心周りに回転するカッタホイール３１に掘削ずりを掬い込むバケット部４２が装備されているので、切羽における掘削ずりを効率よくかつ確実にカッタホイール３１内に取り込むことができる。また、カッタホイール３１内に取り込まれた掘削ずりを一旦ホッパ３９内に投入してベルトコンベア４０にてトンネル中央部のベルトコンベア４９の位置まで搬送するようにされているので、カッタホイール３１内に取り込まれた掘削ずりを効率良くトンネル後方へ搬出することできて排土効率を向上させた掘削機とすることができる。また、本実施形態の拡幅部掘削用トンネル掘削機６によれば、先頭部にセンタホッパ５０が配されていて、このセンタホッパ５０内に、先行する円形断面掘削用トンネル掘削機５のずり受け台車１９からベルトコンベア２０にて排出される掘削ずりを取り込んで、後方へ搬出することができるので、掘削ずりの搬出をより効果的に行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態の異形断面掘削用トンネル掘削機１によれば、円形断面掘削用トンネル掘削機５により円形断面トンネルの掘削を終えた後に、拡幅部掘削用トンネル掘削機６により拡幅部３の掘削が行われるので、円形断面トンネル２の掘削と、それに引き続く拡幅部３の掘削とを連続的に、かつ効率的に行うことができ、しかも上述のようにその掘削により生じた掘削ずりの排土を効率的に行うことができる。なお、本実施形態では、両方のトンネル掘削機５，６間にずり受け台車１９が配されているので、それぞれのトンネル掘削機５，６の掘進速度に差があった場合でも、このずり受け台車１９がバッファの役目を果たし、掘削ずりの搬出をスムーズに行うことができる。
【００３２】
本実施形態においては、円形断面掘削用トンネル掘削機５の後方に拡幅部掘削用トンネル掘削機６を配した例について説明したが、本実施形態の拡幅部掘削用トンネル掘削機６は、独立したトンネル掘削機として用い、円形断面トンネルの掘削を終えてから、拡幅部掘削のために投入するようにすることもできる。この場合には、前方に張り出すように設けられたセンタホッパ５０は不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る異形断面掘削用トンネル掘削機の全体概略図（ａ）およびそのＡ−Ａ線トンネル断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線トンネル断面図（ｃ）
【図２】本実施形態に係る円形断面掘削用トンネル掘削機の要部構造を表す縦断面図
【図３】本実施形態に係る拡幅部掘削用トンネル掘削機の要部構造を表す縦断面図
【図４】図３の平面図
【図５】図３のＣ−Ｃ断面図（ａ）およびＤ−Ｄ断面図（ｂ）
【図６】カッタホイールの構造図
【符号の説明】
【００３４】
１    異形断面掘削用トンネル掘削機
２    円形断面トンネル
３    拡幅部
３ａ  水平部分
４    異形断面トンネル（馬蹄形断面トンネル）
５    円形断面掘削用トンネル掘削機
６    拡幅部掘削用トンネル掘削機
２０    ベルトコンベア（掘削ずり搬送手段）
２１    メインフレーム（機体フレーム）
２２    メインビーム
２３    グリッパ装置
２４    スラストジャッキ
３０    ホッパ支持体
３１    カッタホイール
３４    リングギヤ
３５    油圧モータ
３６    ピニオンギヤ
３９，５０Ａ    ホッパ
４０    ベルトコンベア
４１    ディスクカッタ
４２    バケット部
４４    スクレーパ
４９    ベルトコンベア（排土手段）
５０    センタホッパ
【図１】
0005116993.tif 000002
【図２】
0005116993.tif 000003
【図３】
0005116993.tif 000004
【図４】
0005116993.tif 000005
【図５】
0005116993.tif 000006
【図６】
0005116993.tif 000007