(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドフレームの前部に複数のカッタフレームを設け、これら各カッタフレームを偏芯回転させて掘進するシールド掘進機構を上記シールドフレーム内にそれぞれ独立して設けたシールド掘進機を用いてトンネルを掘削する方法であって、
上記各カッタフレームを、掘削面を上下に分割するように配置し、且つ、上側の掘削面を左右方向に分割するように配置し、
下側のカッタフレームを停止させた状態で上側のカッタフレームの内一つのカッタフレームを所定距離だけ前進させて土砂を掘削する工程と、下側のカッタフレームを停止させた状態で上側のカッタフレームの内の他のカッタフレームを所定距離だけ前進させて土砂を掘削する工程と、上側のカッタフレームを停止させた状態で下側のカッタフレームを上側のカッタフレームの位置まで前進させて土砂を掘削する工程と、を順次繰り返すようにしたことを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドフレームの前部にカッタフレームを有し、このカッタフレームを回転させて土砂を掘削するシールド掘進機を用いてトンネルを掘削する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシールド掘進機は、シールドフレーム前端のバルクヘッドの前部にその中心部から放射状に延びたカッタフレームを有しており、このカッタフレームには複数のカッタビットが設けられている。そして、カッタフレームを回転させることによってそのカッタフレームの回転軸を中心とした円形に土砂を掘削するようになっている。なお、掘削した土砂は、バルクヘッドの下部に開口したスクリュコンベアによって後方に排出される。
【０００３】
その他のシールド掘進機としては、図１３に示すような偏芯多軸掘進機がある。この偏芯多軸掘進機は、掘削径よりも小さな径を有するカッタフレーム５１を有している。カッタフレーム５１は、バルクヘッド５２を貫通して設けられた複数の回転シャフト５３に回転子５４を介して偏芯支持されている。その回転シャフト５３を回転させることによって、カッタフレーム５１が偏芯回転して、カッタフレーム５１の径よりも大きな径のトンネルを掘削するようになっている。なお、図中５５は掘削した土砂を後方に排出するスクリュコンベアの前端の開口部を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シールド掘削機で地山を掘削する際には、シールド掘進機の前面から上方にかけて、地山の土砂が緩む部分である緩み範囲が発生する。
【０００５】
この緩み範囲は、掘削面の大きさ（外径）や土砂の内部摩擦角等の複数の条件によって決まってくる。土砂の条件が同一の地山を掘削する場合には、掘削面の大きさによって緩み範囲が決まる。そのため、上述のようなシールド掘進機で、大断面のトンネルを掘削する場合には、その掘削面の外径が大きくなり、緩み範囲が大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
この緩み範囲内に他の構造物等が位置すると、他の構造物が沈下するなどの悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、緩み範囲、特に高さ方向が大きくなると、トンネル全体の深度を深く設定しなければならず、立坑を深くする必要があった。また、予め、トンネルの両側の深度が浅い部分に設定されている場合には、トンネル全体の深度を深く設定することができないので、そのシールド掘進機が利用できず、緩み範囲を小さくすることが求められていた。
【０００７】
そこで、本発明は上述の問題を解決するために案出されたものであり、その目的は、掘削されるトンネルの外径を変えることなく、緩み範囲を小さくすることができるトンネル掘削方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、シールドフレームの前部に複数のカッタフレームを設け、これら各カッタフレームを偏芯回転させて掘進するシールド掘進機構を上記シールドフレーム内にそれぞれ独立して設けたシールド掘進機を用いてトンネルを掘削する方法であって、上記各カッタフレームを、掘削面を上下に分割するように配置し、且つ、上側の掘削面を左右方向に分割するように配置し、下側のカッタフレームを停止させた状態で上側のカッタフレームの内一つのカッタフレームを所定距離だけ前進させて土砂を掘削する工程と、下側のカッタフレームを停止させた状態で上側のカッタフレームの内の他のカッタフレームを所定距離だけ前進させて土砂を掘削する工程と、上側のカッタフレームを停止させた状態で下側のカッタフレームを上側のカッタフレームの位置まで前進させて土砂を掘削する工程と、を順次繰り返すようにしたものである。
【０００９】
上記構成によれば、複数のカッタフレームを設けたことによって、各カッタフレームの大きさは小さくなり、また、各カッタフレームにシールド掘進機構をそれぞれ設けたことによって、各カッタフレームをそれぞれ独立して順次回転させ、掘削することができるので、各々の掘削面が小さくなり、緩み範囲を小さくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示した断面図、図２は本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示した正面図、図３はシールドフレームとシールド掘進機構との摺動部を示した拡大断面図である。
【００１３】
まず、本発明に係るシールド掘進機の構成について、カッタフレームが掘削面を上下左右に四分割するように形成された例を挙げて説明する。
【００１４】
図１に示すように、シールド掘進機１は、掘削されるトンネル２の外径と略同等の外径を有し、シールド掘進機１の外殻を構成する円筒形のシールドフレーム（以下外筒３と称する）を有している。この外筒３の内部には、その内周に接して後述する各部位を固定するためのリング体４が設けられている。リング体４の後方には、セグメント５を組み立てるエレクタ６が回動自在に設けられている。また、リング体４の後方には、エレクタ６の内方に位置してその後方まで延出した後方作業台７が設けられている。この後方作業台７には、組み立てられたセグメント５にその内側から当接して、その真円度を保持するための真円保持装置８が設けられている。
【００１５】
外筒３の内側下部には、組み立てられたセグメント５を押圧して、シールド掘進機１全体を前方に移動させるためのシールドジャッキ９が設けられている。
【００１６】
ところで、本発明は、外筒（シールドフレーム）３の前部に複数のカッタフレーム１１を設け、これら各カッタフレーム１１を偏芯回転させて掘進するシールド掘進機構１２を外筒３内にそれぞれ独立して設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
外筒３の前端には、掘削面とシールド掘進機１の内部とを区画するための円形のバルクヘッド（図２参照）１４が前端を覆うように設けられている。このバルクヘッド１４には、円形の開口部１５が四ヶ所に形成されている。これら各開口部１５はそれぞれ後述する内筒１７の外径と同等の径を有しており、バルクヘッド１４の芯を中心として正方形状に整列配置されている。
【００１８】
各開口部１５の後方には、筒状に形成された内周壁１６が形成されており、その内部に、シールド掘進機構１２がそれぞれ掘進方向に摺動自在に挿入されている。
【００１９】
シールド掘進機構１２は、その外殻を構成する円筒形の内筒１７を有しており、その内筒１７の内部には、外筒３に対してシールド掘進機構１２を掘進方向に出没させるための内筒用推進ジャッキ１８が掘進方向に沿って設けられている。この内筒用推進ジャッキ１８は、その前端が内筒１７に設けられたブラケット１９に固定され、後端が、外筒３の固定側であるリング体４に固定されている。すなわち、内筒用推進ジャッキ１８を伸長することによって、内筒１７が外筒３の前端から突出するようになっている。
【００２０】
内筒１７の前端には、掘削面と内筒１７の内部とを区画するための円形のバルクヘッド２１が設けられており、その前方には複数のカッタビット２２が複数設けられたカッタフレーム１１が設けられている。
【００２１】
図２に示すように、カッタフレーム１１は、その外形が、シールド掘進機１全体としての掘削面を上下左右に四分割するように、開き角が直角である扇状に形成されており、四つのカッタフレーム１１を合わせて円形となるようになっている。また、カッタフレーム１１は、扇状の掘削面と相似形をなし、掘削面より小さく形成されていると共に、その内側は格子状に組まれてカッタビット２２が適宜間隔で配列されるようになっている。一つのカッタフレーム１１に対して、一つのシールド掘進機構１２がそれぞれ設けられている。
【００２２】
カッタフレーム１１は、カッタ駆動軸２３に設けられた回転子２４を介して偏芯された偏芯カッタ軸２５によって軸支されている。カッタ駆動軸２３は、一つのカッタフレーム１１に対して三ヶ所に形成されており、略正三角形に整列配置されている。すなわち、カッタフレーム１１は、三点支持されていることとなる。また、カッタ駆動軸２３は、バルクヘッド２１を貫通して軸支されており、内筒１７の内側にはカッタ駆動軸２３を回転させるカッタ駆動モータ２６が設けられている。なお、カッタフレーム１１の支持点は、三点に限られるものではなく、例えば四点支持であってもよい。
【００２３】
バルクヘッド２１の下部には、開口部２７が形成されており、この開口部２７には、掘削した土砂を後方に排出するためのスクリュコンベア２８の先端部が固定されている。スクリュコンベア２８は、後方斜め上に延出しており、その土砂排出口２９の下方には、土砂を、後方に設けられた排出コンベア（図示せず）に圧送するための圧送ポンプ３１が設けられている。圧送ポンプ３１から排出コンベアまでは弾性チューブ（図示せず）を介して土砂が送られる。
【００２４】
なお、図１中３２は、カッタフレーム１１の薬液注入口へ薬液を送る薬注管等が収容されるガイドパイプ、３３は、土砂を掘削された土砂を練り混ぜる練り混ぜ翼である。
【００２５】
図３に示すように、内筒１７の外周面には、内筒１７を外筒３の内周壁１６に対して摺動させるための軸受メタル３５が、内筒１７を覆うように円筒状に設けられている。
【００２６】
内周壁１６の先端には、土砂内に突出した軸受メタル３５に付着した土砂を掻き落とすためのスクレーパ３６が、軸受メタル３５を囲繞して設けられている。スクレーパ３６は鋼板ばねにて構成されており、一端が内周壁１６の先端に固定され、他端が軸受メタル３５に押し当てられている。
【００２７】
内筒１７の後端と中間部には、土砂及び水分が内筒１７内に浸入するのを防ぐためのリング状のスライドシール３７が内筒１７を囲繞して設けられている。
【００２８】
外筒３の先端には、内筒１７の先端部から延出して、外筒３の先端の後方近傍を覆うように、スライドフード３８が設けられている。このスライドフード３８は、内筒１７の先端部から断面方向に延びて外筒３の延長線上まで広がる正面部３９と、この正面部３９に直交して、外筒３の先端の後方近傍まで覆うように延びる側面部４０とで構成されている。このスライドフード３８は、内筒１７の出没と共に移動して、外筒３に対して摺動する。
【００２９】
次に、上記構成によるシールド掘進機１の掘削工程を図４乃至図７に沿って説明する。
【００３０】
まず、図４に示すように、シールドジャッキ９及び内筒用推進ジャッキ１８が縮退して全てのシールド掘進機構１２が外筒３内に内蔵された状態を第一工程とする。
【００３１】
次に、第二工程として、図５に示すように、上部のシールド掘進機構１２の内、一方（例えば右上）を駆動させ、カッタフレーム１１を偏芯回転させつつ、内筒用推進ジャッキ１８を伸長させて土砂を掘削する。これによって、全体の掘削面の１／４の面積に相当する断面扇状の掘削孔が形成される。このとき、外筒３は固定されたままで、一つのシールド掘進機構１２のみが前進する。
【００３２】
そして、セグメント５の１リング分の掘削が終了した所で停止させ、次に、駆動していない側の上部（左上）のシールド掘進機構１２を駆動させる。そして、同じくセグメント５の１リング分の掘削が終了した所で停止させる。これによって、上述の断面扇状の掘削孔の隣に、断面扇状の掘削孔が新たに形成される。
【００３３】
その後、第三工程として、図６に示すように、下部のシールド掘進機構１２の内、一方（右下）をセグメント５の１リング分の掘削が終了するまで駆動させて、上述の半円状の掘削孔の下部に、断面扇状の掘削孔が新たに形成される。
【００３４】
そして、駆動していない側の上部（左下）のシールド掘進機構１２を駆動させて、同じくセグメント５の１リング分の掘削が終了した所で停止させる。これによって、上述の掘削孔の隣に、断面扇状の掘削孔が新たに形成され、全体として大断面の円形の掘削孔が形成される。
【００３５】
このとき、互いの掘削孔間にはカッタフレーム２２が届かない部分が若干発生するが、後工程で掘削する際の振動によって崩れるので問題ない。
【００３６】
最後に、第四工程として、四つのシールド掘進機構１２を停止させた状態のままで、外筒３に設けられたシールドジャッキ９を伸長させて、外筒３をセグメント５の１リング分前進させる。このとき、各内筒用推進ジャッキ１８を、シールドジャッキ９の伸長速度と同期して縮退させる。これによって、各シールド掘進機構１２は固定された状態のままで、後方の外筒３が移動することとなる。
【００３７】
シールドジャッキ９及び各内筒用推進ジャッキ１８の伸縮が終了した後、シールドジャッキ９を前方に縮退させて、エレクタ６によってセグメント５を１リング分組み立てて、上記第一工程の状態に戻ることとなる。これらの工程を順次繰り返すことによって掘削が進んでいく。
【００３８】
このように、カッタフレーム１１を、全体の掘削面の１／４の大きさに形成して、それぞれ別工程で掘削するようにしたので、一度に掘削される掘削面は小さくなる。従って、その緩み範囲Ｌ1 は、図８に示すように、全体として同径のトンネルを掘削する従来のシールド掘進機による緩み範囲Ｌ0 と比較して、小さくなる。これに伴って、外筒３の頂部からの緩み範囲の高さｈ1 も小さくなり、トンネル全体の深度を従来よりも浅く設定することができる。
【００３９】
また、緩み範囲Ｌ1 が小さくなったことによって、他の構造物等への影響範囲を小さくなり、トンネル経路の設計自由度が増すこととなる。
【００４０】
また、カッタフレーム１１を偏芯回転させるようにしたことによって、扇状に形成されたカッタフレーム１１と相似形の掘削面を掘削することができる。これによって、全体では大断面の円形となるカッタフレーム１１を適宜分割してその掘削面を小さくすることが可能となった。
【００４１】
ところで、上記実施の形態の掘削工程においては、上部のシールド掘進機構１２から掘削を開始するようになっている。下部のシールド掘進機構１２から開始することも考えられるが、掘削面の安定度が大きいという点で、上部のシールド掘進機構１２から掘削を開始する方が優れている。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態ではない参考の形態を説明する。
【００４３】
図９に示すように、参考の形態におけるシールド掘進機１は、各カッタフレーム４１が掘削面を不等分に分割するように形成され、且つ掘削によって発生する土砂の緩み範囲を小さくする側のカッタフレーム４１が他方側のカッタフレーム４１よりも小さくなるように形成されたことに特徴を有する。
【００４４】
具体的には、シールド掘進機１の前部のカッタフレーム４１が上下にカマボコ状に二分割されている。その分割線は、掘削面の中心よりも上部に位置しており、上側（緩み範囲を小さくする側）のカッタフレーム４１が、下側（他方側）のカッタフレーム４１よりも小さくなるように形成されている。
【００４５】
上側のカッタフレーム４１は、シールド掘進機１の先端面の上部で横並びに小さく形成された開口部４３内にそれぞれ設けられたシールド掘進機構４４の回転子２４を介して軸支されている。
【００４６】
下側のカッタフレーム４１は、シールド掘進機１の先端面の下部で横並びに大きく形成された開口部４５内にそれぞれ設けられたシールド掘進機構４６の回転子２４を介して軸支されている。
【００４７】
上側のカッタフレーム４１の高さと、下側のカッタフレーム４１の高さとの比率は、図１０に示すように、上側のカッタフレーム４１の緩み範囲Ｌ2 の天端が下側のカッタフレーム４１の緩み範囲Ｌ3 の天端と同等の高さになるように設定されている。
【００４８】
すなわち、下側のカッタフレーム４１の緩み範囲Ｌ3 のそのカッタフレーム４１の天端からの高さｈ3 が、上側のカッタフレーム４１の緩み範囲Ｌ2 の外筒３の頂部からの高さｈ2 と、外筒３の頂部と下側のカッタフレーム４１の天端とのレベル差ｈ4 との和となっている。
【００４９】
上側のカッタフレーム４１の下端位置を上げてその高さを低くすると緩み範囲Ｌ2 は小さくなるが、それに伴って下側のカッタフレーム４１の上端位置が上がりその高さが高くなり緩み範囲Ｌ3 は大きくなる。そのため、各緩み範囲Ｌ2 ，Ｌ3 の天端が同等になる高さが、上側のカッタフレーム４１と下側のカッタフレーム４１の全体としての緩み範囲の最低高さとなり、そのときの各カッタフレーム４１の大きさ（高さ）が最適となる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではない。例えば、図１１に示すように扇状の三分割でもよく、図１２に示すように扇状の五分割でもよい。また、さらに多数に分割してあってもよい。なお、各カッタフレーム１１の形状は、全体として掘削するトンネルの断面形状になれば、扇状に限られるものではない。
【００５１】
また、三分割、四分割或いはそれ以上に分割されたカッタフレームを、等分割ではなく、それぞれ大きさを変えて形成してもよい。
【００５２】
なお、図１１及び図１２に示される符号は、図２の符号と同様のものを示すので説明を省略する。
【００５３】
図１２に示すように、分割数を多くすれば各カッタフレーム１１が小さくなり緩み範囲を小さくすることができるという利点が得られる。これに対して図１１に示すように、分割数を少なくすれば、分割数を多くしたものと比較して、部品点数が少なくなり、製造コストの低減を図れるという利点が得られる。
【００５４】
そのため、実際に掘削されるトンネルの大きさや経路の土砂の性質等の状況によって、緩み範囲と製造コストとのバランスを考えて、分割数が決定されることとなる。
【００５５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、掘削されるトンネルの外径を変えることなく、緩み範囲を小さくすることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示した断面図である。
【図２】本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示した正面図である。
【図３】シールドフレームとシールド掘進機構との摺動部を示した拡大断面図である。
【図４】第一の掘削工程を示した断面図である。
【図５】第二の掘削工程を示した断面図である。
【図６】第三の掘削工程を示した断面図である。
【図７】第四の掘削工程を示した断面図である。
【図８】緩み範囲を示した概略断面図である。
【図９】本発明の実施の形態ではない参考の形態を示した正面図である。
【図１０】図９のシールド掘進機の緩み範囲を示した概略断面図である。
【図１１】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態を示した正面図である。
【図１２】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態を示した正面図である。
【図１３】従来のシールド掘進機を示した正面図である。
【符号の説明】
１  シールド掘進機
３  外筒（シールドフレーム）
１１  カッタフレーム
１２  シールド掘進機構
【図１】
0004166892.tif 000002
【図２】
0004166892.tif 000003
【図３】
0004166892.tif 000004
【図４】
0004166892.tif 000005
【図５】
0004166892.tif 000006
【図６】
0004166892.tif 000007
【図７】
0004166892.tif 000008
【図８】
0004166892.tif 000009
【図９】
0004166892.tif 000010
【図１０】
0004166892.tif 000011
【図１１】
0004166892.tif 000012
【図１２】
0004166892.tif 000013
【図１３】
0004166892.tif 000014