(57)【要約】【課題】地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するシールド掘進機及び掘進方法であって、既設トンネルの一部を確実切削できると共に、地山の土砂の部分を安定して切削できるシールド掘進機及び掘進方法を提供する。【解決手段】シールド本体１３の前部に取り付けられ、主として地山の土砂を切削するために掘進方向と平行な軸１４廻りに回転駆動される回転カッタ４と、回転カッタ４に隣接させてシールド本体１３の前部に取り付けられ、主として既設トンネル２の一部６ｂを切削するための縦軸カッタ５とを備え、縦軸カッタ５は、シールド本体１３の前部に掘進方向と直交する方向の軸２０廻りに回転可能に支持された回転体２１と、回転体２１にその周方向及び軸方向に間隔を隔てて装着された複数のビット２２と、回転体２１を軸２０廻りに回転駆動するための駆動手段２３とを有する。【選択図】図１
2007146432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するためのシールド掘進機であって、
シールド本体の前部に取り付けられ、主として上記地山の土砂を切削するために掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される回転カッタと、該回転カッタに隣接させて上記シールド本体の前部に取り付けられ、主として上記既設トンネルの一部を切削するための縦軸カッタとを備え、
該縦軸カッタは、上記シールド本体の前部に掘進方向と直交する方向の軸廻りに回転可能に支持された回転体と、該回転体にその周方向及び軸方向に間隔を隔てて装着された複数のビットと、上記回転体を上記軸廻りに回転駆動するための駆動手段とを有することを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
上記回転カッタを、掘進方向と直交する方向に間隔を隔てて複数配置し、上記縦軸カッタを、これら回転カッタの列の脇に配置した請求項１記載のシールド掘進機。
【請求項３】
上記回転カッタと上記縦軸カッタとは、これらカッタの掘削域が掘進方向前方から見て重複するように、掘進方向に間隔を隔てて配置された請求項１又は２記載のシールド掘進機。
【請求項４】
地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進する方法であって、  上記地山の土砂部分は、主としてシールド本体の前部に取り付けた回転カッタを掘進方向と平行な軸廻りに回転させることで切削し、上記既設トンネルの一部は、主として上記シールド本体の前部に取り付けた縦軸カッタを掘進方向と直交する方向の軸廻りに回転させることで切削するようにしたことを特徴とする掘進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設トンネルに沿って新たなトンネルを合流又は分岐するように接続して構築するために、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するシールド掘進機及び掘進方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、既設トンネルに沿って新たなトンネルを合流又は分岐するように接続して構築する場合（例えば、自動車用のトンネルにおいて、既設の本線トンネルに沿って分岐・合流のためのランプトンネルを接続して構築する場合）、接続部の地山に地上から薬剤を注入する等して大規模な地盤改良を行い、上記ランプトンネルを開削工法等を用いた土木工事によって行っていた。
【０００３】
なお、本願発明と関連する先行技術として特許文献１、２に記載された異形断面掘削トンネル掘進機が知られているが、これは、回転カッタの未掘削域をドラムカッタによって掘削するようにしたものであり、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するものではなく、本願発明とは技術的な前提が全く異なるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６５８９４号公報
【特許文献２】特開平８−３１２２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したランプトンネルの構築方法では、地盤改良を地上から行うため、地上の道路状況によって工事が制約を受ける。また、開削工法となるため、工期が延び、地上の道路の渋滞の長期化を招く。また、作業員による大規模な土木工事が必要なため、工期・費用が増大する。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するシールド掘進機及び掘進方法であって、既設トンネルの一部を確実切削でき、地山の土砂の部分を安定して切削でき、工期を短縮でき、工費が安価となるシールド掘進機及び掘進方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために第一の発明は、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するためのシールド掘進機であって、シールド本体の前部に取り付けられ、主として上記地山の土砂を切削するために掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される回転カッタと、該回転カッタに隣接させて上記シールド本体の前部に取り付けられ、主として上記既設トンネルの一部を切削するための縦軸カッタとを備え、該縦軸カッタは、上記シールド本体の前部に掘進方向と直交する方向の軸廻りに回転可能に支持された回転体と、該回転体にその周方向及び軸方向に間隔を隔てて装着された複数のビットと、上記回転体を上記軸廻りに回転駆動するための駆動手段とを有するものである。
【０００８】
上記回転カッタを、掘進方向と直交する方向に間隔を隔てて複数配置し、上記縦軸カッタを、これら回転カッタの列の脇に配置してもよい。
【０００９】
上記回転カッタと上記縦軸カッタとは、これらカッタの掘削域が掘進方向前方から見て重複するように、掘進方向に間隔を隔てて配置されてもよい。
【００１０】
また、第二の発明は、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進する方法であって、上記地山の土砂部分は、主としてシールド本体の前部に取り付けた回転カッタを掘進方向と平行な軸廻りに回転させることで切削し、上記既設トンネルの一部は、主として上記シールド本体の前部に取り付けた縦軸カッタを掘進方向と直交する方向の軸廻りに回転させることで切削するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るシールド掘進機及び掘進方法によれば、地山を既設トンネルに沿って該トンネルの一部を切削しながら掘進するに際して、既設トンネルの一部を確実切削でき、地山の土砂の部分を安定して切削でき、工期を短縮でき、工費が安価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好適実施形態を添付図面を用いて説明する。
【００１３】
図６及び図７に示すように、本実施形態に係るシールド掘進機１は、所定間隔を隔てて略平行に構築された既設トンネル２、２（本線トンネル）の間に、これらのトンネル２、２に合流・分岐する新たなトンネル３（ランプトンネル）を構築するためのものである。
【００１４】
本線トンネル２のトンネル壁６は、シールド掘進機１のカッタ４、５では掘削できない通常部分６ａと、掘進機１のカッタ４、５で掘削可能な掘削可能部分６ｂとからなる。通常部分６ａは、所定強度を有する通常のセグメント（鋼製、コンクリート製等）からなり、掘削可能部分６ｂは、モルタルやＦＲＰ構造又はモルタルにＣＦ線等を配したセグメントからなる。掘削可能部分６ｂは、双方の本線トンネル１の対向する部分に配置されている。
【００１５】
本線トンネル２内には、掘削可能部分６ｂと通常部分６ａとを仕切るようにして隔壁７が設けられている。隔壁７は、掘進機１のカッタ４、５では掘削できない材質（鋼製、コンクリート製等）からなる。隔壁７と掘削可能部分６ｂとで区画された空間には、中詰め材８が充填されている。中詰め材８は、掘進機１のカッタ４、５によって容易に掘削されるものが用いられ、例えば、本線トンネル２を構築したシールド掘進機が掘削した土砂（流動性）が用いられる。
【００１６】
本線トンネル２内には、掘削可能部分６ｂと通常部分６ａとを略水平に架け渡すようにして補強用の梁９が設けられていると共に、梁９と通常部分６ａとを略垂直に架け渡すようにして補強用の柱１０が設けられている。梁９及び柱１０は、本線トンネル２の軸方向に間隔を隔てて複数設けられている。
【００１７】
さて、これら本線トンネル２、２の間には、双方の本線トンネル２、２の掘削可能部分６ｂ、６ｂを切削しながら地山を掘進する本実施形態に係るシールド掘進機１によって、ランプトンネル３が構築される。
【００１８】
本実施形態に係るシールド掘進機１は、図１及び図２に示すように、筒状に形成されたシールドフレーム１１と、シールドフレーム１１内の前部を仕切る隔壁１２とからなるシールド本体１３を有する。シールドフレーム１１は、上下の円弧部１１ａと左右の直線部１１ｂとから上下方向に長い断面略矩形の筒状に形成されている。シールドフレーム１１内の後部には、シールドフレーム１１内にてセグメントをリング状に組み立てるためのエレクタ（図示せず）や、既設セグメントに反力を取ってシールド本体１３を前進させるためのシールドジャッキ（図示せず）等が収容されている。
【００１９】
隔壁１２には、主として地山の土砂を切削するために、掘進方向と平行な軸１４廻りに回転駆動される回転カッタ４が設けられている。回転カッタ４は、隔壁１２に回転可能に支持された中央部１５と、中央部１５から径方向外方に延出された複数のスポーク１６と、スポーク１６の前面に設けられた図示しないビットと、中央部１５を回転駆動するためのギヤ機構１７及びモータ１８からなる。なお、回転カッタ４は、このようなスポークタイプではなく、面板タイプであってもよい。
【００２０】
回転カッタ４は、上下方向に長いシールドフレーム１１に合わせて、上下方向（掘進方向と直交する方向）に所定間隔を隔てて二個配置されている。各回転カッタ４、４は、夫々のスポーク１６が噛み合う間隔に離間されており、スポーク１６、１６同士が接触しないように回転の同期が取られている。未掘削域を小さくするためである。
【００２１】
また、隔壁１２には、上下に配置された回転カッタ４、４の列の左右両脇に位置させて、主として本線トンネル２の掘削可能部分６ｂ（図６、図７参照）を切削するための縦軸カッタ５が設けられている。縦軸カッタ５は、上段の回転カッタ４の左側に配置された第１縦軸カッタ５ａと、下段の回転カッタ４の左側に配置された第２縦軸カッタ５ｂと、上段の回転カッタ４の右側に配置された第３縦軸カッタ５ｃと、下段の回転カッタ４の右側に配置された第４縦軸カッタ５ｄとからなる。
【００２２】
上側の第１及び第３縦軸カッタ５ａ、５ｃと、下側の第２及び第４縦軸カッタ５ｂ、５ｄとの回転速度を異ならせることで、切羽の掘削抵抗が上下で不均一となるため、掘進機１のピッチング制御が可能となる。同様に、第１〜第４縦軸カッタ５ａ〜５ｄの回転速度や回転方向を適宜異ならせることで、掘進機１の方向制御（ピッチング、ローリング、ヨーイング）が可能となる。但し、第１及び第２縦軸カッタ５ａ、５ｂとを一体的に接続し、第３及び第４縦軸カッタ５ｃ、５ｄとを一体的に接続して、構造の簡素化を図ってもよい。
【００２３】
縦軸カッタ５は、隔壁１２に設けられた支持フレーム１９に上下方向（掘進方向と直交する方向）の軸２０廻りに回転可能に支持された回転体２１と、回転体２１にその周方向及び軸方向に間隔を隔てて装着された複数のビット２２と、回転体２１を上記軸２０廻りに回転駆動するための駆動手段２３とを有する。なお、上記軸２０は、掘進方向に対して傾斜していれば直交していなくても構わない。
【００２４】
回転体２１は、図３及び図４に示すように、支持フレーム１９に軸支される回転軸２１ａと、回転軸２１ａにドーナッツ板状の穴あき円板２４を介して取り付けられた円筒２１ｂとからなる。回転軸２１ａには、ステー２５を介してビット２２が取り付けられ、円筒２１ｂには直接ビット２２が取り付けられている。
【００２５】
支持フレーム１９は、図１に示すように、回転軸２１ａの一端側を軸支する第１支持フレーム１９ａと、回転軸２１ａの他端側を軸支する第２支持フレーム１９ｂとからなる。
【００２６】
図２及び図３に示すように、第１支持フレーム１９ａは、略円筒状に形成され内部に設けられた軸受２６、２７、２８によって回転軸２１ａを軸支する先端部分１９ａ１と、先端部分１９ａ１を隔壁１２に固定すると共に駆動手段２３の一部（ギヤ）を収容すべく中空に形成された支持部分１９ａ２と、支持部分１９ａ２に繋げて隔壁１２より後方の坑内側に設けられ駆動手段２３の残り（ギヤ）を収容すべく中空に形成されると共に駆動手段２３のモータが装着される根元部分１９ａ３とからなる。
【００２７】
支持部分１９ａ２の位置の円筒２１ｂには、回転体２１の回転を確保するために、周方向にスリット２９が形成されており、円筒２１ｂは、スリット２９の部分を除き、先端部分１９ａ１を径方向外側から覆うように形成されている。先端部分１９ａ１によって覆われた回転軸２１ａの部分の前方に、スリット２９の部分を除きビット２２を配置するためである。
【００２８】
根元部分１９ａ３の外部には、駆動モータ３０が複数鉛直に周設されており、各モータ３０の駆動軸には、ピニオン３１が取り付けられている。根元部分１９ａ３の内部には、軸受３２を介して上下方向に沿った軸３３が支持されており、軸３３には、ピニオン３１に噛合する第１ギヤ３４と、第２ギヤ３５とが固定されている。支持部分１９ａ２の内部には、軸受３６を介して上下方向に沿った軸３７が支持されており、軸３７には、第２ギヤ３５と噛合する第３ギヤ３８が固定されている。先端部分１９ａ１の内部には、第３ギヤ３８と噛合する第４ギヤ３９が回転軸２１ａに固定されて設けられている。これにより、モータ３０を駆動することで各ギヤ３１、３４、３５、３８、３９を介して回転軸２１ａが回転される。上記モータ３０、ピニオン３１、第１〜第４ギヤ３４、３５、３８、３９が、駆動手段２３を構成する。
【００２９】
図４に示すように、第２支持フレーム１９ｂは、略円筒状に形成され内部に設けられた軸受４０、４１、４２によって回転軸２１ａを軸支する先端部分１９ｂ１と、先端部分１９ｂ１を隔壁１２に固定する支持部分１９ｂ２とからなる。第２支持フレーム１９ｂにおいては、回転体２１を軸支するのみであって回転体２１を回転駆動しないため、支持部分１９ｂ２の内部に駆動手段２３のギヤを収容する必要が無く、支持部分１９ｂ２の上下方向の厚さを第１支持フレーム１９ａの支持部分１９ａ２よりも薄くできる。このため、円筒２１ｂに形成されるスリット４３の幅も狭くなっている。
【００３０】
図１及び図２に示すように、縦軸カッタ５と回転カッタ４とは、これらのカッタ４、５の掘削域が掘進方向前方から見て重複するように、掘進方向に間隔を隔てて配置されている。各カッタ４、５による未掘削域を可及的に小さくするためである。それでも、多少の未掘削域が生じるため、本実施形態では補助カッタ４４を設けている。なお、図例では、回転カッタ４が掘進方向前方に、縦軸カッタ５が後方に配置されている。
【００３１】
補助カッタ４４は、縦軸カッタ５及び回転カッタ４の未掘削域に位置させて、隔壁１２に設けられている。図５に示すように、補助カッタ４４は、モータ４５及びギヤ機構４６を介して回転駆動される。補助カッタ４４は、本実施形態では、図１に示すように、隔壁１２の上部の回転カッタ４と縦軸カッタ５との間の未掘削域に二個、同様に下部に二個の計四個設けられているが、隔壁１２の中央部の上下の回転カッタ４、４の間の未掘削域Ｘに位置させて更に二個設けてもよい。
【００３２】
回転カッタ４、縦軸カッタ５及び補助カッタ４４で切削された土砂や本線トンネル２の掘削可能部分６ｂは、隔壁１２に設けられたスクリューコンベヤ４７によって隔壁１２の後方（坑内）に搬送されるようになっている。
【００３３】
以上の構成からなるシールド掘進機１による掘進方法を図６及び図７を用いて説明する。
【００３４】
シールド掘進機１は、略平行に構築された本線トンネル２、２同士の間の地山を、双方の本線トンネル２、２の掘削可能部分６ｂを切削しながら掘進する。
【００３５】
ここで、地山の土砂部分は、主として回転カッタ４を掘進方向と平行な軸１４廻りに回転させることで切削され、本線トンネル２、２の掘削可能部分６ｂは、主として縦軸カッタ５を掘進方向と直交する方向の軸２０廻りに回転させることで切削される。
【００３６】
回転カッタ４は、土砂掘削用として多くの実績があり技術的にも安定しているため、確実に安定して土砂を切削できる。他方、縦軸カッタ５は、その回転速度を回転カッタ４の回転速度とは切り離して高めることや、回転体２１へのビット２２の取付数（周方向、軸方向）を変更すること等により、掘削可能部分６ｂの硬度に応じた所望の切削性能を確保できるため、確実に安定して掘削可能部分６ｂを切削できる。
【００３７】
このように、主な被掘削対象物（トンネル２、２同士の間の地山、トンネル２、２の掘削可能部分６ｂ）に対応させて回転カッタ４と縦軸カッタ５とを使い分けるようにしたので、地山を既設トンネル２に沿って該トンネル２の一部（掘削可能部分６ｂ）を切削しながら掘進するに際して、既設トンネル２の一部６ｂを確実に切削できると共に地山の土砂の部分を安定して切削でき、工期を短縮でき、工費が安価となる。
【００３８】
また、図例では、回転カッタ４が掘進方向前方に縦軸カッタ５が後方に配置されており、回転カッタ４及び縦軸カッタ５の掘削域（回転域）内に掘削可能部分６ｂが位置しているため、掘削可能部分６ｂは、先ず回転カッタ４によって大まかに切削された後、縦軸カッタ５によってきれいに精度よく切削される。
【００３９】
また、回転カッタ４と縦軸カッタ５とを、これらのカッタ４、５の掘削域が掘進方向前方から見て重複するように、掘進方向に間隔を隔てて配置したので、各カッタ４、５による未掘削域を可及的に小さくでき、補助カッタ４４の設置個数を低減できる。
【００４０】
また、回転カッタ４を、掘進方向と直交する上下方向に間隔を隔てて二個配置し、縦軸カッタ５を、これら回転カッタ４の列の両脇に配置したので、断面略矩形状のトンネル３を構築できる。
【００４１】
こうして、二本の本線トンネル２、２の間にランプ用のトンネル３を構築したならば、本線トンネル２、２とランプトンネル３との間の土砂およびその近傍の土砂を各トンネル２、３内から薬剤注入等によって地盤改良し、本線トンネル２の掘削可能部分６ｂ及びランプトンネル３の上記掘削可能部分６ｂに対向する部分を各トンネル２、３内から除去し、各トンネル２、２、３を連通する。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限定されない。
【００４３】
例えば、本線トンネル２が左右いずれか一本のみの場合には、それに対応させて縦軸カッタ５を一個とする。
【００４４】
また、本線トンネル２の掘削可能部分６ｂのサイズが小さいものであるときには、回転カッタ４を一個とすると共に、その脇に掘削可能部分６ｂのサイズに合わせた長さの縦軸カッタ５を配置し、且つそれらに合わせてシールドフレーム１１の断面形状を変更する。
【００４５】
また、掘削可能部分６ｂのサイズが大きいものであるときには、回転カッタ４を三個以上並べると共に、その脇に回転カッタ４の配列方向に沿って掘削可能部分６ｂのサイズに合わせた長さの縦軸カッタ５を配置し、且つそれらに合わせてシールドフレーム１１の断面形状を変更する。
【００４６】
また、掘削可能部分６ｂが本線トンネル２の下部又は上部に配置されるときには、縦軸カッタ５をシールド本体１３の前部の上部又は下部に水平に配置する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の好適実施形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図１のIV−IV線断面図である。
【図５】図１のV−V線断面図である。
【図６】上記シールド掘進機の作動を示す説明図（平断面図）である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  シールド掘進機
２  既設トンネルとしての本線トンネル
４  回転カッタ
５  縦軸カッタ
６ｂ  一部としての掘削可能部分
１３  シールド本体
１４  掘進方向と平行な軸  
２０  掘進方向と直交する方向の軸
２１  回転体
２２  ビット
２３  駆動手段
【図１】
2007146432.tif 000003
【図２】
2007146432.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007146432.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007146432.tif 000008
【図７】
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