(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進ルート上に出水する区間と出水しない区間とが混在する地山を掘進する開放型トンネル掘進機の推進方法であって、
出水する区間では、切羽側が開放された本体フレームの内部にて、エレクタによりセグメントをリング状に組み立て、その既設のセグメントに反力を取って上記本体フレームの内部に設けられた推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させ、
出水しない区間では、上記推進ジャッキのジャッキシューに後方に延出された力伝達部材を取り付け、該力伝達部材に上記本体フレームの後方の堀孔内面を押圧・解放するグリッパを連結し、そのグリッパに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにし、
再び出水する区間に至ったときには、上記力伝達部材及びグリッパを取り外し、上記エレクタにより組み立てられた既設のセグメントに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにしたことを特徴とする開放型トンネル掘進機の推進方法。
【請求項２】
出水する区間では、切羽側が開放された本体フレームの内部にて、エレクタによりセグメントをリング状に組み立て、その既設のセグメントに反力を取って上記本体フレームの内部に設けられた推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させ、
出水しない区間では、上記推進ジャッキのジャッキシューに後方に延出された力伝達部材を取り付け、該力伝達部材に上記本体フレームの後方の堀孔内面を押圧・解放するグリッパを連結し、そのグリッパに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにした開放型トンネル掘進機であって、
上記力伝達部材が、上記本体フレームのテール部の内周面に該内周面と上記既設のセグメントとの間を止水するために設けられたテールシールを避けて、屈曲形成されたことを特徴とする開放型トンネル掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開放型トンネル掘進機の推進方法及び開放型トンネル掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機として、本体フレームの前部に切羽を掘削すべく回転駆動されるカッタを設け、本体フレームの側部に側部地山を押圧・解放するフロントグリッパを設け、本体フレームの後方の掘孔内に掘孔内面を押圧・解放するリヤグリッパを配置し、リヤグリッパと本体フレームとの間に推進ジャッキを介設したものが知られている（特開昭62-273394号公報等）。
【０００３】
この種のトンネル掘削機は、リヤグリッパを掘孔内面に押圧させた状態で推進ジャッキを伸長させることで、リヤグリッパに反力を取って本体フレームを前進させ、この間、カッタを回転させて切羽を掘削する。その後、フロントグリッパを側部地山に押圧させると共にリヤグリッパの掘孔内面への押圧を解放し、かかる状態で推進ジャッキを収縮させることで、リヤグリッパを本体フレーム側に引き寄せる。
【０００４】
このように、フロントグリッパとリヤグリッパとを交互に作動させ、これと同期して推進ジャッキを伸縮させることで、本体フレームの前進とリヤグリッパの引き寄せとを交互に行い、地山を尺取虫のように掘進する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記トンネル掘削機は、切羽の土圧がカッタを介して本体フレームに加わるタイプ（本体フレームの切羽側が密閉された密閉型トンネル掘進機）であるため、推進にはリヤグリッパのみならずフロントグリッパが必要となる。
【０００６】
すなわち、密閉型トンネル掘進機では、切羽土圧が常にカッタを介して本体フレームを後退させる方向に働いているため、仮にフロントグリッパが無いとすると、リヤグリッパによる掘孔内面への押圧を解放したときに、本体フレームが切羽土圧によって後退してしまう可能性がある。
【０００７】
このため、フロントグリッパが必須となり、装置の高コスト化を招くと共に、フロントグリッパの押圧・解放と推進ジャッキの伸長・収縮とを連動させる操作が必要となり、推進操作の煩雑化を招いていた。
また、掘進ルート上に出水しない硬岩地盤と出水する軟岩地盤とが混在する場合、軟岩地盤ではフロントグリッパ、リヤグリッパでは反力を取ることができず、掘進できないという問題もあった。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、フロントグリッパを省略でき、且つグリッパで反力を取ることができる硬岩地盤（出水しない地盤）のみならず、グリッパでは反力を取れない軟岩地盤（出水する地盤）をも掘進できる開放型トンネル掘進機の推進方法及び開放型トンネル掘進機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、掘進ルート上に出水する区間と出水しない区間とが混在する地山を掘進する開放型トンネル掘進機の推進方法であって、出水する区間では、切羽側が開放された本体フレームの内部にて、エレクタによりセグメントをリング状に組み立て、その既設のセグメントに反力を取って上記本体フレームの内部に設けられた推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させ、出水しない区間では、上記推進ジャッキのジャッキシューに後方に延出された力伝達部材を取り付け、該力伝達部材に上記本体フレームの後方の堀孔内面を押圧・解放するグリッパを連結し、そのグリッパに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにし、再び出水する区間に至ったときには、上記力伝達部材及びグリッパを取り外し、上記エレクタにより組み立てられた既設のセグメントに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにしたものである。
【００１４】
また、第２の発明は、出水する区間では、切羽側が開放された本体フレームの内部にて、エレクタによりセグメントをリング状に組み立て、その既設のセグメントに反力を取って上記本体フレームの内部に設けられた推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させ、出水しない区間では、上記推進ジャッキのジャッキシューに後方に延出された力伝達部材を取り付け、該力伝達部材に上記本体フレームの後方の堀孔内面を押圧・解放するグリッパを連結し、そのグリッパに反力を取って上記推進ジャッキによって上記本体フレームを前進させるようにした開放型トンネル掘進機であって、上記力伝達部材が、上記本体フレームのテール部の内周面に該内周面と上記既設のセグメントとの間を止水するために設けられたテールシールを避けて、屈曲形成されたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係るトンネル掘進機の推進装置は、切羽１側が開放された筒状の本体フレーム２（シールドフレーム）を有するタイプに、すなわち所謂、開放型トンネル掘進機に適用される。切羽１側が開放された筒状のシールドフレーム２の内部には、切羽１を掘削する掘削機としてロードヘッダ３が設けられている。
【００１７】
ロードヘッダ３は、図４にも示すように、回転駆動される切削ドラム４とスクリュードラムとを有する。切削ドラム４は、スクリュードラム５の先端に取り付けられた弾頭部６と、弾頭部６に螺旋状に取り付けられたリボン体７と、リボン体７に所定間隔を隔てて設けられ実質的に切羽１を掘削する掘削ピック８とを有する。スクリュードラム５は、支持部９に対して回転駆動される回転軸１０と、回転軸１０の側部に螺旋状に取り付けられ掘削土砂を後方へ送るフライト１１とを有する。
【００１８】
図１に示すように、切削ドラム４およびスクリュードラム５は、その支持部９が本体１２にピン１３を介して傾動自在に取り付けられており、傾動シリンダ１４の伸縮によって傾動するようになっている。本体１２は、その軸周りに回動可能に、ベース部１５に取り付けられており、ベース部１５は、接続部材１６を介して基盤１７に取り付けられている。基盤１７は、シールドフレーム２の支持リブ１８に設けられたガイドロッド１９に、軸方向に移動自在に挿通されており、移動シリンダ２０の伸縮によって前進後退するようになっている。
【００１９】
かかるロードヘッダ３は、移動シリンダ２０の伸縮によって全体が軸方向に移動し、傾動シリンダ１４の伸縮によって切削ドラム４およびスクリュードラム５が傾動し、本体１２をベース部１５に対して回動させることで傾動方向を変更（上下方向、左右方向、斜め方向）できる。これにより、切羽１の前面を掘削することができる。
【００２０】
ロードヘッダ３によって掘削された切羽の土砂は、図１に示すように、シールドフレーム２の底部に設けられたコンベヤ２１によって後方に搬送される。また、シールドフレーム２の上部には、掘削時に切羽１の天盤の崩落を防止すべく、シリンダ２２によって軸方向前方に突出するフード２３が、出没自在に設けられている。
【００２１】
シールドフレーム２の後方の掘孔２４内には、掘孔２４の内面を押圧・解放するグリッパ２５が配置されている。グリッパ２５は、シールドフレーム２内に設けられた推進ジャッキ２６を伸長させてシールドフレーム２を前進させる際に反力受けとなるものであり、図５(a),(b)にも示すように、掘孔２４の底面に載置された下部シュー２７と、下部シュー２７に立設された支柱２８と、支柱２８に係合して上下方向に移動自在な上部シュー支持部２９と、その支持部２９に取り付けられた上部シュー３０と、支柱２８と上部シュー３０との間に介設され、上部シュー３０を支柱２９に対して昇降させ、掘孔２４の天井面に押圧・解放する押付シリンダ３１とを有する。
【００２２】
シールドフレーム２の内部には、図１に示すように、グリッパ２５に反力をとってシールドフレーム２を前進させる推進ジャッキ２６が、周方向に所定間隔を隔てて複数設けられている。推進ジャッキ２６は、シールドフレーム２に取り付けられたヘッド部３２と、ヘッド部３１から後方に出没するロッド部３２と、ロッド部３２の後端に設けられたジャッキシュー３３とを有する。シュー３３とグリッパ２５との間には、推進ジャッキ３１の力をグリッパ２５に伝える力伝達部材３４が、着脱自在に取り付けられている。
【００２３】
力伝達部材３４は、ジャッキシュー３３にボルトナット等によって着脱自在に取り付けられたプレスリング３５（セグメント）と、プレスリング３５の内周面に設けられシールドフレーム２の後端に設けたテールシール３６との干渉を避けるべく屈曲形成された断面Ｌ字型部材３７と、断面Ｌ字型部材３７の後端に設けられた枠体３８と、枠体３８の上部に設けられその後端が上部シュー３０に摺接する上桁３９と、枠体３８の下部に設けられその後端が下部シュー２７に固定された下桁４０とを有する。
【００２４】
枠体３８と上部シュー支持部２９との間には、枠体３８に対する上部シュー支持部２９の昇降を許容するスライド機構４１が介設されている。スライド機構４１は、枠体３８に設けられ、水平方向にピン４２が装着された第１ブラケット４３と、上部シュー支持部２９に設けられ、上記ピン４２が挿通される上下長穴４４が開けられた第２ブラケット４５とからなる。この構成によれば、推進ジャッキ２６の伸長力は上桁３９および下桁４０を介してグリッパ２５に伝達され、推進ジャッキ２６の収縮力は第１ブラケット４３のピン４２および第２ブラケット４５の長穴４４を介してグリッパ２５に伝達される。
【００２５】
ところで、上記ロードヘッダ３によって切羽１を掘削するときには、図１に示すグリッパ２５の押付シリンダ３１を伸長させて図５(B)に示すように上部シュー３０を掘孔２４の天井面に押し付けた状態とする。そして、切削ドラム４およびスクリュードラム５を回転・傾動させつつ移動シリンダ２０を収縮させて、切羽１を掘削する。このとき、切羽１を天盤の崩落を抑えるため、フード２３をシリンダ２２によって軸方向前方に突出させる。
【００２６】
そして、ロードヘッダ３が所定ストローク前進したならば、図２に示すように推進ジャッキ２６を伸長させてシールドフレーム２を前進させると共にこれと同期させて移動シリンダ２０を伸長させ（またはロードヘッダ３を切羽１に当てた状態で移動シリンダ２０を油圧フリーとして伸長させてもよい）、切羽１に対するロードヘッダ３の位置を保持しつつシールドフレーム２のみを前進させる。
【００２７】
その後、図３に示すように、グリッパ２５の押付シリンダ３１を収縮させて上部シュー３０を掘孔２４の天井面から離間させ、次いで、推進ジャッキ２６を収縮させてグリッパ２５をシールドフレーム２側に引き寄せる。これにより、初期状態に戻り、以降、ロードヘッダ３を駆動・前進させる工程を行い、以上の工程を繰り返し、切羽１の掘削および掘進を行う。
【００２８】
本実施形態の作用を述べる。
【００２９】
上記開放型トンネル掘進機は、ロードヘッダ３によって切羽１を掘削するときには、既述のように図１に示すグリッパ２５の押付シリンダ３１を伸長させて上部シュー３０を掘孔２４の天井面に押し付けた状態とする。このようにグリッパ２５を掘孔内面２４に押圧することにより、ロードヘッダ３の掘削反力がグリッパ２５を介して掘孔２４の内面に支持されるため、掘削反力によるシールドフレーム２の後退が防止される。
【００３０】
また、シールドフレーム２の切羽１側が開放された開放型トンネル掘進機であるため、切羽１の土圧がシールドフレーム２の前面に加わることはなく、掘進時にグリッパ２５を掘孔２４の内面から離間させたとき、シールドフレーム２が切羽１の土圧に押されて後退することはない。よって、シールドフレーム２に、切羽１の土圧に基づく後退を防止するためのフロントグリッパ（切羽土圧対抗用）を装備する必要はない。
【００３１】
但し、このように切羽土圧対抗用のフロントグリッパが不要だとしても、グリッパ２５をシールドフレーム２側へ引き寄せるべく、図２に示すように一旦伸長した推進ジャッキ２６を図３に示すように収縮させたとき、グリッパ２５がシールドフレーム２側に引き寄せられるのではなく、逆にシールドフレーム２がグリッパ２５側に引き寄せられてしまうことが考えれるため、シールドフレーム２に、グリッパ２５の引き寄せ力を支持するためのフロントグリッパ（引寄力保持用）が必要とも考えられる。
【００３２】
この点、本実施形態では、シールドフレーム２の側面積およびシールドフレーム２とロードヘッダ３との合計重量を、引き寄せ時におけるグリッパ２５の下部シュー２７と掘孔２４底面との摩擦抵抗力よりもシールドフレーム２と側部地山５３との摩擦保持力が大きくなるように、設定しているので、シールドフレーム２に引寄力保持用のフロントグリッパを装備しなくとも、推進ジャッキ２６の収縮時にグリッパ２５を確実にシールドフレーム２側に引き寄せられる。
【００３３】
すなわち、推進ジャッキ２６の収縮時にシールドフレーム２に加わるグリッパ２５の引寄力（摩擦抵抗力）は、シールドフレーム２の側面を介して摩擦保持力として側部地山５３に支持されるが、この摩擦保持力は、シールドフレーム２の側面積およびシールドフレーム２とロードヘッダ３との合計重量に、相関がある。よって、これらの側面積および合計重量を前述のように設定することで、フロントグリッパを省略でき、装置の低コスト化及び掘進操作の簡素化を図ることができる。
【００３４】
また、図２および図３に示すように、グリッパ２５の引き寄せ時に、ロードヘッダ３の切削ドラム４を切羽１に貫入係合させ（スクリュードラム５まで切羽１に貫入係合させてもよい）、そのロードヘッダ３に、推進ジャッキ２６の収縮による引寄力の一部を受け持つアンカー機能を持たせることが望ましい。ロードヘッダ３を切羽１のアンカーとすることで、その分、シールドフレーム２と側部地山との摩擦保持力を小さく設定でき、シールドフレーム２の側面積およびシールドフレーム２とロードヘッダ３との合計重量をより小さくして、装置の小型化（機長短縮化）・軽量化を推進できるからである。
【００３５】
なお、図例のように切削ドラム４を切羽１に貫入したときには図４に示す螺旋状のリボン体７およびピック８が切羽１に食い込んでアンカー機能を発揮し、スクリュードラム５まで切羽１に貫入したときには螺旋状のフライト１１が切羽１に食い込んでアンカー機能を発揮することになる。
【００３６】
また、切削ドラム４・スクリュードラム５は、図１乃至図３とは異なり切羽１の正面に垂直に貫入させてもよいが、図例のように切羽１の下部（または上部）に斜めに貫入させることが好ましい。グリッパ２５を図２から図３のように引き寄せるとき、切削ドラム４の下方（または上方）の未掘削の切羽４６が強固な引っ掛かり部材となってより大きなアンカー機能を発揮できるからである。
【００３７】
また、地山の土質が変化して掘孔２４の内面にセグメントの張設が必要となったときには、図１および図６に示すように、推進ジャッキ２６のジャッキシュー３３からプレスリング３５以降の部材を取り外して後方に搬出し、代わりにシールドフレーム２の内面に、セグメント４７を組み立てる公知のエレクタ４８を取り付ける。そして、エレクタ４８によってシールドフレーム２内にてセグメント４７を組み立て、その組み立てたセグメント４７の端部にジャッキシュー３３を押し付け、既設セグメント４７に反力を取って掘進するようにする。
【００３８】
こうすれば、掘進ルート上に、硬岩地盤（出水しない）と軟岩地盤（出水する）とが混在する場合、軟岩地盤の区間のみにセグメント４７を設置すればよく、全区間にセグメント４７を設置する必要はないため、システム（トンネル）全体のコストダウンを推進できる。また、軟岩地盤においても、既述したようにフロントグリッパが不要なので、装置に関するコストダウンとなる。
【００３９】
変形例を図７乃至図９に示す。
【００４０】
図示するように、この実施形態は、本発明の構成要素である掘削機を前実施形態のロードヘッダ３からショベル機構３ａに変更した点のみが前実施形態と異なり、その他は同様の構成となっているため、共通の部材には同一の符号を付して説明を省略し、主としてショベル機構３ａを説明する。
【００４１】
ショベル機構３ａをアンカーとして使用するときには、図７に示すように、ショベル機構３ａによって切羽１にショベル４９を引っ掛けるための窪み穴５０を形成し、その窪み穴５０にショベル４９を角度固定した状態で引っ掛ける。そして、図８に示すように、グリッパ２５によって掘孔２４内面を押圧し、推進ジャッキ２６を伸長させると共に移動シリンダ２０を伸長させ、切羽１に対するショベル機構３ａの位置を保持しつつシールドフレーム２のみを前進させる。
【００４２】
その後、図９に示すように、グリッパ２５による掘孔２４内面の押圧を解放し、次いで、推進ジャッキ２６を収縮させてグリッパ２５をシールドフレーム２側に引き寄せる。このとき、ショベル４９が窪み穴５０の手前側壁５１に反力をとって引き寄せ力の一部を負担する。すなわち、窪み穴５０の手前側壁５１とシールドフレーム２との間の未掘削の切羽５２が、強固な引っ掛かり部材となるため、ショベル機構３ａは大きなアンカー機能を発揮できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、本体フレームの後方のグリッパのみで地山を掘進でき、フロントグリッパを省略できるため、低コスト化及び掘進操作の簡素化を図ることができる。また、グリッパで反力を取ることができる硬岩地盤（出水しない地盤）のみならず、グリッパでは反力を取れない軟岩地盤（出水する地盤）をも掘進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る開放型トンネル掘進機を示す側断面図である。
【図２】  図１の開放型トンネル掘進機の作動すなわち推進方法を示す側断面図である。
【図３】  図２の作動の続きを示す側断面図である。
【図４】  掘削機としてのロードヘッダをの一部を示す斜視図である。
【図５】  グリッパの作動を示す断面図であり、図５(A)は解放状態、図５(B)は押圧状態を示す図である。
【図６】  グリッパに反力をとる掘進からセグメントに反力をとる掘進に切り替えたときの側断面図である。
【図７】  掘削機にショベル機構を用いた変形例を示す側断面図である。
【図８】  図７の続きの作動を示す側断面図である。
【図９】  図８の続きの作動を示す側断面図である。
【符号の説明】
２  本体フレームとしてのシールドフレーム
２４  掘孔
２５  グリッパ
２６  推進ジャッキ
３３  ジャッキシュー
３４  力伝達部材
３６  テールシール
４７  セグメント
４８  エレクタ
【図１】
0003881212.tif 000002
【図２】
0003881212.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003881212.tif 000007
【図７】
0003881212.tif 000008
【図８】
0003881212.tif 000009
【図９】
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