(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体と、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駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、先端部に加泥ノズルを有して前記バルクヘッドから前方のチャンバに突出して設けられた交換可能な攪拌棒と、該チャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具え、前記攪拌棒は、前記バルクヘッドのマンホールを開閉自在なハッチに設けられたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記攪拌棒に代えて地盤改良材注入管を装着可能であることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記バルクヘッドから前記攪拌棒を引き抜いた後に、前記掘削機本体内への浸水を防止する止水用ゲートバルブを設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】
筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体と、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駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、先端部に加泥ノズルを有して前記バルクヘッドから前方のチャンバに突出して設けられた攪拌棒と、前記加泥ノズルの噴射位置を変更する噴射位置変更手段と、前記チャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具え、前記攪拌棒は、前記バルクヘッドのマンホールを開閉自在なハッチに設けられたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項５】
請求項４記載のトンネル掘削機において、前記加泥ノズルは前記攪拌棒の先端部外周面に形成され、前記噴射位置変更手段は該加泥ノズルの噴射方向を該攪拌棒の周方向に沿って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６】
請求項４記載のトンネル掘削機において、前記加泥ノズルは前記攪拌棒の先端部外周面に形成され、前記噴射位置変更手段は該加泥ノズルの噴射位置を該攪拌棒の軸方向に沿って変更可能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、地盤を掘削してトンネルを構築するトンネル掘削機に関し、特に、土圧式シールド掘削機に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、土圧式シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッドが駆動装置により駆動回転可能に支持されると共に、掘削土砂を排出するスクリューコンベヤが配設される一方、後部に掘削機本体を前進させる多数のシールドジャッキと、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装置が装着されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転させながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの反力を得て掘削機本体が前進し、カッタヘッドが前方の地盤を掘削してトンネルを形成する一方、スクリューコンベヤにより掘削土砂が外部に排出される。
【０００３】
このような土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削作業にあっては、カッタヘッドの前方の切羽と掘削機本体のバルクヘッドとの間に掘削土砂を充満、加圧して切羽を安定させるために、掘削機が推進量に見合う土量を排土している。この場合、切羽とバルクヘッドとの間の掘削土砂の塑性流動化を促進するために、カッタヘッドの注入装置から添加剤を注入すると共に、カッタヘッドに設けられた混練機構により掘削土砂と添加剤を混練し、排土が安定して円滑に行われるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般的に、添加剤はカッタヘッドの注入装置から前方に向けて吐出されており、カッタヘッドとバルクヘッドとの間のチャンバでは、掘削土砂と添加材との混練が不十分となりやすい。すると、チャンバにて掘削土砂の流動性が低下して土砂の塊が形成され、スクリューコンベヤにより掘削土砂の排出ができなくなってしまう。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、安定して円滑な排土を可能としてトンネル掘削作業の作業性の向上を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００６】
【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の発明のトンネル掘削機は、筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体と、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駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、先端部に加泥ノズルを有して前記バルクヘッドから前方のチャンバに突出して設けられた交換可能な攪拌棒と、該チャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具え、前記攪拌棒は、前記バルクヘッドのマンホールを開閉自在なハッチに設けられたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の発明のトンネル掘削機では、前記攪拌棒に代えて地盤改良材注入管を装着可能であることを特徴としている。
【０００８】
請求項３の発明のトンネル掘削機では、前記バルクヘッドから前記攪拌棒を引き抜いた後に、前記掘削機本体内への浸水を防止する止水用ゲートバルブを設けたことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４の発明のトンネル掘削機は、筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体と、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駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、先端部に加泥ノズルを有して前記バルクヘッドから前方のチャンバに突出して設けられた攪拌棒と、前記加泥ノズルの噴射位置を変更する噴射位置変更手段と、前記チャンバ内の土砂を排出する排土手段とを具え、前記攪拌棒は、前記バルクヘッドのマンホールを開閉自在なハッチに設けられたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５の発明のトンネル掘削機では、前記加泥ノズルは前記攪拌棒の先端部外周面に形成され、前記噴射位置変更手段は該加泥ノズルの噴射方向を該攪拌棒の周方向に沿って変更可能であることを特徴としている。
【００１１】
請求項６の発明のトンネル掘削機では、前記加泥ノズルは前記攪拌棒の先端部外周面に形成され、前記噴射位置変更手段は該加泥ノズルの噴射位置を該攪拌棒の軸方向に沿って変更可能であることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、図２に図１のII−II断面、図３(ａ)に攪拌棒の装着構造を表す要部断面、図３(ｂ)に図３(ａ)のｂ−ｂ断面、図４(ａ)に加泥ノズルの噴射位置を変更したトンネル掘削機の要部断面、図４(ｂ)にスペーサの概略、図５に薬液注入管を装着したトンネル掘削機の要部断面を示す。
【００１５】
本実施形態の土圧式シールド掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなし、ほぼ同径の前胴１２及び後胴１３が球面軸受１４を介して屈曲自在に連結されて構成されている。この前胴１２の前部には回転体１５が回転自在に支持され、回転体１５には３つのビーム１６を介してカッタヘッド１７が装着されている。このカッタヘッド１７は各スポークの前面に多数のカッタビット１８が固定されると共に、コピーカッタ１９が出没自在に装着されている。そして、カッタヘッド１７の後部にはリングギア２０が固定される一方、前胴１２には駆動モータ２１が取付けられ、この駆動モータ２１の駆動ギア（図示略）がリングギア２０に噛み合っている。従って、駆動モータ２１を駆動すると、リングギア２０を介してカッタヘッド１７を回転することができる。
【００１６】
前胴１２にはカッタヘッド１７の後方に位置してバルクヘッド２２が取付けられており、カッタヘッド１７とこのバルクヘッド２２との間にチャンバ２３が形成されている。そして、掘削機本体１１内には排土手段としてのスクリューコンベヤ２４が前傾して配設されており、このスクリューコンベヤ２４の前端部がバルクヘッド２２を貫通してチャンバ２３に位置している。また、バルクヘッド２２の上部には、作業者が機内からチャンバ２３やカッタヘッド１７の前方に出るための第１マンホール２５が設けられ、第１ハッチ２６により開閉自在となっている。一方、バルクヘッド２２の下部には、２つの第２マンホール２７が設けられ、第２ハッチ２８により開閉自在となっている。
【００１７】
前胴１２と後胴１３との間には中折ジャッキ２９が架設されており、この中折ジャッキ２９の伸縮動作により掘削機本体１１の掘進方向を変更することができる。そして、後胴１３には周方向に沿って複数のシールドジャッキ３０が周方向に沿って複数並設されており、このシールドジャッキ３０を掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設セグメントに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進することができる。更に、後胴１３の後端部にはセグメントをリング状に組立てる図示しないエレクタ装置が装着されている。なお、３１はバルクヘッド２２を貫通したロータリジョイントであって、内部に電気配線や油圧ホース等が収容されている。また、３２はチャンバ２３内における土砂圧力を計測する土圧計である。
【００１８】
ところで、本実施形態の掘削機は土圧式シールド掘削機であり、チャンバ２３内に掘削土砂を充満、加圧して切羽を安定させるために、カッタヘッド１７による推進量に見合う土量をスクリューコンベヤ２４により排土している。この場合、チャンバ２３内の掘削土砂の塑性流動化を促進するために、この掘削土砂に対して加泥材（添加材）を注入して混練している。
【００１９】
具体的に説明すると、カッタヘッド１７のスポークには前方に加泥材を注入する加泥材注入口３３が設けられている。また、バルクヘッド２２の第１ハッチ２６にはチャンバ２３に突出して攪拌棒３４が装着されており、先端部に加泥ノズル３５が設けられている。そして、この攪拌棒３４は、加泥ノズル３５の噴射方向及び噴射位置を変更（噴射位置変更手段）可能となっている。また、攪拌棒３４は第１ハッチ２６にジョイント部３６を介して交換可能に装着されており、加泥ノズル３５が詰まったときには別の攪拌棒３４と交換可能であると共に、攪拌棒３４に代えて掘削機本体１１の前方地盤に地盤改良材を注入する薬液注入管（地盤改良材注入管）３７（図５参照）と交換可能となっている。なお、各第２ハッチ２８にもジョイント部３８が装着され、薬液注入管（図示略）を装着可能となっている。
【００２０】
即ち、図３(ａ)(ｂ)に示すように、第１ハッチ２６には開口４１の外周にパッキン４２を有するパッキンケース４３が密着し、このパッキンケース４３はボールジョイント４４の一方のジョイント片４４ａと共にボルト４５により第１ハッチ２６に固定されている。ボールジョイント４４の他方のジョイント片４４ｂはゲートバルブ４６の一方のフランジ部とボルト４７により締結され、ゲートバルブ４６の他方のフランジ部にはシール４８を有するシールケース４９が密着している。そして、前述した攪拌棒３４がシールケース４９側から貫入し、フランジ部５０がゲートバルブ４６の他方のフランジ部及びシールケース４９にボルト５１により固定されている。この攪拌棒３４の先端外周面には加泥ノズル３５が形成され、加泥材供給路５２の先端と連通している。また、攪拌棒３４の基端部には加泥弁５３が装着されると共に加泥材供給管５４が連結されており、この加泥材供給管５４は加泥弁５３により加泥材供給路５２を連通可能となっている。
【００２１】
そして、この攪拌棒３４において、フランジ部５０が周方向等間隔で位置する８本のボルト５１により固定されていることから、周方向に沿って４５度ずつその固定位置を変更することで、加泥ノズル３５の噴射方向を周方向に沿って変更することができる。また、図４(ａ)(ｂ)に示すように、シールケース４９と攪拌棒３４のフランジ部５０との間に支持板５５、スペーサ５６（半割り片５６ａ，５６ｂ）、取付板５７を介装することで、加泥ノズル３５の噴射位置をその長手方向に沿って変更することができる。
【００２２】
また、図３(ａ)に示すように、攪拌棒３４は、パッキンケース４３、ボールジョイント４４、ゲートバルブ４６、シールケース４９等に対して貫入し、フランジ部５０がボルト５１に固定されて装着されており、加泥ノズル３５や加泥材供給路５２等が詰まったときには、全体を引き抜いて新しい攪拌棒と交換可能となっている。この場合、まず、各ボルト５１を弛緩して攪拌棒３４をゲートバルブ４６まで引抜き、次に、シール４８で止水した状態でゲートバルブ４６を閉止して掘削土砂や泥水が機内に浸入するのを阻止し、最後に、攪拌棒３４を全て抜き取る。その後、新しい攪拌棒をゲートバルブ４６まで押込んでからゲートバルブ４６を開放してから、更に攪拌棒を押込んで固定する。
【００２３】
更に、図５に示すように、攪拌棒３４を抜き取った後に、シールケース４９にボルト５８により連結管５９を固定し、この連結管５９を介して薬液注入管３７を挿入すると共に複数連結し、先端部をカッタヘッド１７の前方の地盤まで延出することができ、薬液注入管３７の基端部に薬液注入設備６０を装着し、これを操作して前方の地盤に薬液を注入して地盤を改良することができる。なお、各第２ハッチ２８のジョイント部３８にも、パッキンケース、ボールジョイント、ゲートバルブ、シールケース等が設けられており、薬液注入管を装着して前方の地盤に薬液を注入することができる。
【００２４】
ここで、上述した実施形態のシールド掘削機によるトンネル掘削作業について説明する。トンネルを掘削形成するには、図１及び図２に示すように、まず、駆動モータ２１によってカッタヘッド１７を回転させながら、シールドジャッキ３０を伸長して既設セグメントから掘削反力を得て掘削機本体１１を前進させる。すると、回転するカッタヘッド１７の多数のカッタビット１８が前方の地盤を掘削してトンネルを形成する。
【００２５】
このとき、カッタヘッド１７の地盤掘削により発生した土砂に対して、常時、加泥材注入口３３から加泥材が注入されると共に、チャンバ２３に取り込まれた掘削土砂に対して、攪拌棒３４の加泥ノズル３５からチャンバ２３の中心側に向けて加泥材が注入している。そして、チャンバ２３では、カッタヘッド１７の回転に伴って移動する各ビーム１６、また、このビーム１６と相対する攪拌棒３４により土砂が攪拌され、加泥材と土砂とを適正に混練することで、チャンバ２３内での掘削土砂の塑性流動化を促進し、スクリューコンベヤ２４により安定して円滑に排土することができる。即ち、カッタヘッド１７による掘削量に見合う土量をスクリューコンベヤ２４により円滑に排土することで、チャンバ２３内に掘削土砂を充満、加圧して切羽を安定させることができる。
【００２６】
しかし、掘削地盤の変化などにより掘削土砂がチャンバ２３内で十分に混練されず、塊が発生してしまい、スクリューコンベヤ２４により円滑に排土できなかったり、水分が不足した土砂の塊が排出されてしまうことがある。このような場合には、図３に示すように、攪拌棒３４の各ボルト５１を弛緩してこの攪拌棒３４を周方向に回して固定位置を変更することで、加泥ノズル３５の噴射方向を周方向に沿って変更する。また、図４に示すように、攪拌棒３４のフランジ部５０とシールケース４９との間にスペーサ５６等を介装することで、攪拌棒３４を軸方向に移動して固定位置を変更することで、加泥ノズル３５の噴射位置を長手方向に沿って変更する。
【００２７】
このように攪拌棒３４の固定位置を変更して加泥ノズル３５からの加泥材の噴射位置を変更することで、チャンバ２３内の土砂に対して加泥材が十分に行き渡るようにし、加泥材と土砂との混練による掘削土砂の塑性流動化を促進し、スクリューコンベヤ２４による排土を円滑に行うようにする。
【００２８】
また、攪拌棒３４の加泥ノズル３５からの加泥材噴射作業時に、加泥ノズル３５や加泥材供給路５２に土砂や加泥材等が詰まると、各ボルト５１を弛緩して攪拌棒３４を引抜き、新しい攪拌棒を押込んで固定することで交換する。
【００２９】
更に、カッタヘッド１７の前方に障害物が発生したときには、周辺地盤を改良して崩壊を阻止した状態で、この障害物を溶接により切断して除去する。この場合、図５に示すように、所定位置でトンネル掘削作業を停止し、攪拌棒３４を抜き取った後に、薬液注入管３７を挿入して複数連結することで先端部をカッタヘッド１７の前方の地盤まで延出する。そして、薬液注入設備６０を操作して薬液注入管３７から前方の地盤に薬液を注入することで周辺地盤を改良する。なお、各第２ハッチ２８にも、同様に図示しない薬液注入管を装着して前方の地盤に薬液を注入し、周辺地盤を改良する。
【００３０】
このように本実施形態の土圧式シールド掘削機にあっては、掘削機本体１１（前胴１２）の前部に設けられたバルクヘッド２２に第１マンホール２５を形成し、この第１マンホール２５を開閉自在な第１ハッチ２６に攪拌棒３４を装着し、チャンバ２３に突出する先端部に加泥ノズル３５を設け、この攪拌棒３４の加泥ノズル３５から噴射する加泥材の噴射方向及び噴射位置を変更可能としている。
【００３１】
従って、掘削地盤の変化などにより掘削土砂がチャンバ２３内で十分に混練されずに塊が発生し、スクリューコンベヤ２４により土砂を円滑に排土できなかったときには、加泥ノズル３５の噴射方向や噴射位置を変更することで、チャンバ２３内の土砂に対して加泥材が十分に行き渡るようにし、加泥材と土砂との混練による掘削土砂の塑性流動化を促進し、スクリューコンベヤ２４による排土を円滑に行うことができる。
【００３２】
また、加泥ノズル３５を有する攪拌棒３４を第１ハッチ２６に対して別の新しいものと交換可能としており、加泥ノズル３５に土砂や加泥材などが詰まったときには直ちに別の攪拌棒と交換することができ、スクリューコンベヤ２４による排土作業を長時間停止することなく円滑に行うことができる。
【００３３】
更に、この攪拌棒３４に代えて掘削機本体１１の前方地盤に地盤改良材を注入する薬液注入管３７を装着して交換可能としており、別途、薬液注入管３７を装着するためのジョイント部を設ける必要がなくなり、構造を簡素化できる。
【００３４】
なお、上述の実施形態では、加泥ノズル３５の噴射方向や噴射位置を変更する噴射位置変更手段として、８本のボルト５１により固定位置を周方向にずらしたり、スペーサ５６を介装して噴射位置をその長手方向にずらしたりしたが、駆動モータや油圧シリンダなどを用いて自動で加泥ノズル３５の噴射方向や噴射位置を変更するようにしてもよい。また、バルクヘッド２２の第１ハッチ２６に攪拌棒３４を装着したが、バルクヘッド２２に直接攪拌棒３４を装着してもよい。
【００３５】
また、上述の実施形態では、本発明のトンネル掘削機を土圧式シールド掘削機に適用したが、泥土圧式シールド掘削機に適用してもよい。
【００３６】
【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本発明に係るトンネル掘削機によれば、筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体の前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、先端部に加泥ノズルを有する攪拌棒をバルクヘッドから前方のチャンバに突出して設けると共に、この攪拌棒を交換可能としたので、加泥ノズルに土砂や加泥材などが詰まったときには直ちに別の攪拌棒と交換することで、排土作業を長時間停止することなく安定して円滑な排土を常時可能としてトンネル掘削作業の作業性の向上を図ることができる。
【００３７】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、攪拌棒に代えて地盤改良材注入管を装着可能としたので、別途、薬液注入管用の装着部を設ける必要がなくなり、構造を簡素化することができる。
【００３８】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、バルクヘッドから攪拌棒を引き抜いた後に掘削機本体内への浸水を防止する止水用ゲートバルブを設けたので、攪拌棒の交換作業時に掘削機本体内への浸水を防止することで、短時間で容易に作業を行うことができる。
【００３９】
また、本発明に係るトンネル掘削機によれば、筒状をなして前部にバルクヘッドを有する掘削機本体の前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、先端部に加泥ノズルを有する攪拌棒をバルクヘッドから前方のチャンバに突出して設け、噴射位置変更手段により加泥ノズルの噴射位置を変更可能としたので、掘削地盤の変化などにより掘削土砂がチャンバ内で十分に混練されずに塊が発生したときには、加泥ノズルの噴射方向や噴射位置を変更することで、チャンバ内の土砂に対して加泥材が十分に行き渡るようにし、加泥材と土砂との混練による掘削土砂の塑性流動化を促進し、排土を円滑に行うことができる。
【００４０】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、加泥ノズルを攪拌棒の先端部外周面に形成し、噴射位置変更手段により加泥ノズルの噴射方向を攪拌棒の周方向に沿って変更可能としたので、容易に加泥ノズルの噴射方向を周方向に変更することができる。
【００４１】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、加泥ノズルを攪拌棒の先端部外周面に形成し、噴射位置変更手段により加泥ノズルの噴射位置を攪拌棒の軸方向に沿って変更可能としたので、容易に加泥ノズルの噴射位置を軸方向に変更することができる。
【００４２】
本発明に係るトンネル掘削機によれば、攪拌棒をバルクヘッドあるいはバルクヘッドのマンホールを開閉自在なハッチに設けたので、スペースの有効利用が可能となり、構造の簡素化、軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】攪拌棒の装着構造を表す要部断面図である。
【図４】加泥ノズルの噴射位置を変更したトンネル掘削機の要部断面図である。
【図５】薬液注入管を装着したトンネル掘削機の要部断面図である。
【符号の説明】
１１  掘削機本体
１６  ビーム
１７  カッタヘッド
２２  バルクヘッド
２３  チャンバ
２４  スクリューコンベヤ（排土手段）
２５  第１マンホール
２６  第１ハッチ
３０  シールドジャッキ（推進ジャッキ）
３３  加泥材注入口
３４  攪拌棒
３５  加泥ノズル
３７  薬液注入管
４２  パッキン
４４  ボールジョイント
４６  ゲートバルブ
４８  シール
５１  ボルト（噴射位置変更手段）
５３  加泥弁
５６  スペーサ（噴射位置変更手段）
【図１】
0004461410.tif 000002
【図２】
0004461410.tif 000003
【図３】
0004461410.tif 000004
【図４】
0004461410.tif 000005
【図５】
0004461410.tif 000006