(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機であって、掘削機本体の前部に回転自在に設けられた回転軸と、該回転軸に径方向外方に伸ばして且つ掘進方向前方に上記地下構造物の接合面に合わせて傾斜させて設けられた１本のカッタスポークと、上記回転軸を回転駆動または揺動駆動する駆動部とを備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
上記駆動部は、掘削機本体が地下構造物から十分離間しているときには上記回転軸を回転駆動し、掘削機本体が地下構造物に近接したときはカッタスポークと地下構造物との干渉を避けるべく上記回転軸を所定角度範囲で揺動駆動するものである請求項１記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
上記掘削機本体は、地下構造物に近接したとき地下構造物に当接すべく前方に突出するスライドフードを有する請求項１又は２記載のトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接続すべく地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機に係り、特に、接合部における土砂の切り残しを少なくできるトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に示すように、トンネル掘削機ａとして、掘削機本体ｂの前部に回転自在に設けられた回転軸ｃと、その回転軸ｃに直交するように径方向外方に伸ばして放射状に設けられた複数本のカッタスポークｄとを備え、回転軸ｃを回転駆動することによって各カッタスポークｄに設けたビットｅで切羽を切削するものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかるトンネル掘削機ａでは、図１０にも示すように、既設トンネル等の地下構造物ｆに新たなトンネル（斜坑ｈ）を接合すべくその地下構造物ｆへ向けて斜めに掘り進む場合、各カッタスポークｄが回転軸ｃに直交して取り付けられているので、カッタスポークｅの切羽面が地下構造物ｆの接合面ｊに対して斜めになり、接合部にて土砂の切り残し領域ｇが広範囲で生じてしまう。このため、接合部近傍の土砂を止水する薬剤注入領域を広くせざるを得ない。
【０００４】
また、この問題は、図１０に示すような斜坑ｈ以外であっても、トンネル掘削機ａの推進方向に対する地下構造物ｆの接合面ｊが斜めになっている場合には、立坑・横坑を問わず同様に生じる。
【０００５】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、地下構造物の接合部における土砂の切り残しを少なくできるトンネル掘削機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明は、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接合すべく上記地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機であって、掘削機本体の前部に回転自在に設けられた回転軸と、該回転軸に径方向外方に伸ばして且つ掘進方向前方に上記地下構造物の接合面に合わせて傾斜させて設けられた１本のカッタスポークと、上記回転軸を回転駆動または揺動駆動する駆動部とを備えたものである。
【０００７】
上記駆動部は、掘削機本体が地下構造物から十分離間しているときには上記回転軸を回転駆動し、掘削機本体が地下構造物に近接したときはカッタスポークと地下構造物との干渉を避けるべく上記回転軸を所定角度範囲で揺動駆動する。
【０００８】
上記掘削機本体は、地下構造物に近接したとき地下構造物に当接すべく前方に突出するスライドフードを有していてもよい。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１に実施形態に係るトンネル掘削機の側断面図を、図２に図１の II-II線断面図を、図３に図１の III-III線断面図を、図４に図１の IV-IV線断面図を示す。
【００１１】
このトンネル掘削機１は、図１０に示すように、既設トンネル等の地下構造物ｆに新たなトンネル（斜坑ｈ）を接合すべく地下構造物ｆへ向けて斜めに掘り進むものであって、図１に示すように、筒体状に形成された前胴２と後胴３とからなるフレーム４を有する。後胴３はその先端に縮径された挿入部５を有し、前胴２はその後端に同径の被挿入部６を有する。挿入部５は、被挿入部６に挿入され重合されており、それらの間には、中折れシール７が介設されている。
【００１２】
前胴２の内部には、バルクヘッド体８がスライド自在に収容されている。バルクヘッド体８は、前胴２の内面にスライド自在に摺接する内筒部９と、内筒部９の内部を切羽側と坑内側とを仕切る隔壁部１０とを有する。内筒部９には、前胴２の内面との間をシール（止水）するスライドシール１１が、その周方向に沿って設けられている。隔壁部１０の坑内側の面にはブラケット１２が設けられ、それに対向するように前胴２の内面にはブラケット１３が設けられている。
【００１３】
これらブラケット１２と１３との間には、固定部材１４がボルトナット等の締結具（または仮止め溶接等）により着脱自在に取り付けられている。固定部材１４は、図３にも示すように周方向に所定間隔を隔てて複数（図例では６本）配置されている。この構成によれば、固定部材１４でブラケット１２と１３とを連結するとバルクヘッド体８と前胴２とが一体となり、その固定部材１４を取り去るとバルクヘッド体８が前胴２内をスライド自在となる。
【００１４】
後胴３の内面には、図１に示すように、ブラケット１５が設けられている。この後胴のブラケット１５とバルクヘッド体８のブラケット１６とに間には、方向制御ジャッキ１７が夫々ピンを介して介設されている。方向制御ジャッキ１７は、図３にも示すように周方向に所定間隔を隔てて複数（図例では６本）配置されている。この構成によれば、固定部材１４でバルクヘッド体８と前胴２とを一体化した状態で、各方向制御ジャッキ１７の伸長量を調節することで、前胴２と後胴３とを所望の方向・角度に屈曲できる。
【００１５】
バルクヘッド体８の隔壁部１０の中心には、図１に示すように、円筒状の軸受筒体１８が固設されており、軸受筒体１８の内部には、回転軸１９が回転自在に挿入されている。回転軸１９の先端部には、円柱体２０が設けられている。円柱体２０の先端側の側面には、カッタスポーク２１が取り付けられている。カッタスポーク２１は、径方向外方に延出させて且つ掘進方向前方に地下構造物ｆ（図１０参照）の接合面ｊに合わせて傾斜させて、１本取り付けられている。
【００１６】
カッタスポーク２１には、図２および図８に示すように、切羽を切削するビット２２が取り付けられている。詳しくは、カッタスポークには、その径方向に沿って幅広ビット保持部２３と幅狭ビット保持部２４とが交互に取り付けられている。そして、各ビット保持部２３、２４の左右に、実質的に切羽を切削するビット２２が取り付けられている。各ビット２２の左右の高さは等しく設定されている。これにより、カッタスポーク２１が１本であっても、その径方向に沿って切羽の全面を切削できるのである。
【００１７】
カッタスポーク２１の内部には、図１に示すように、コピーカッタ２５を径方向外方に出没させるジャッキ２６が収容されている。コピーカッタ２５は、最外周のビット２２で切削できない領域を切削するものである。すなわち、最外周のビット２２は、後述する図７に示すように前胴２がバルクヘッド体８に対して相対的に前進するとき干渉しないようにその内側に配置されているので、前胴２の板厚の部分の切羽を切削できない。よって、そこを切削するためにコピーカッタ２５が設けられている。
【００１８】
円柱体２０の先端部には、図１に示すように、カッタスポーク２１と同様の方向に傾けられた円柱体からなる傾斜部２７が設けられている。傾斜部２７の正面には、図２にも示すように、平板状のビット保持部２８が90度間隔で４個設けられている。各ビット保持部２８の先端には、ルーフ状のビット２９が取り付けられている。この構成によれば、回転軸１９が回転すると、図１に仮想線で示すように、カッタスポーク２１および傾斜部２７が回転し、切羽を凹コーン状に切削する。
【００１９】
回転軸１９は、駆動部３０によって回転駆動または揺動駆動される。駆動部３０は、回転軸１９の根元側に取り付けられた駆動ギヤ３１と、駆動ギヤ３１に噛合するピニオン３２と、ピニオン３２を駆動する駆動モータ３３（油圧モータ等）と、駆動モータ３３の回転方向を切り換える制御部３４とを有する。この構成によれば、制御部３４によって駆動モータ３３を一方向に回転すると回転軸１９が回転駆動され、制御部３４によって駆動モータ３３の回転方向を所定角度範囲で切り換えれると回転軸１９が揺動駆動される。
【００２０】
制御部３４は、例えば駆動モータ３３（油圧モータ等）への油圧の供給排出方向を切り換える切換弁からなる。制御部３４によって制御される駆動部３０は、掘削機本体が地下構造物ｆから十分離間しているときには回転軸１９を回転駆動し（図１参照）、掘削機本体が地下構造物ｆに近接したときはカッタスポーク２１と地下構造物ｆとの干渉を避けるべく回転軸１９を所定角度範囲で揺動駆動する（図５および図６参照）。
【００２１】
また、駆動ギヤ３１およびピニオン３２は、隔壁部１０に設けられたギヤケース３５内に収容されている。そして、ギヤケース３５に駆動モータ３３が取り付けられている。また、隔壁部１０の切羽側の面には、図１および図２に示すように外側コーン体３６と内側コーン体３７とが取り付けられている。そして、外側コーン体３７および隔壁部１０を貫通させて、送泥管３８と排泥管３９とマンホール４０と水圧計４１とが設けられている。また、カッタスポークには、各コーン体間の土砂を撹拌するロッド４５が取り付けられている。
【００２２】
他方、図１に示すように、後胴３には、推進管４２（コンクリート製のヒューム管や鉄製のダグタイル管等）が装着されている。推進管４２は、図１０に示す斜坑ｈの入口部ｉで先に装着された推進管４２に順次継ぎ足され、入口部ｉに設けた図示しない元押し装置によって押し出される。これにより、トンネル掘削機１は、推進管４２と一体的に斜め下方に押し出されることになる。このとき、図１に示す方向制御ジャッキ１７で前胴２と後胴３との中折れ方向および角度を調節することで、方向制御を行う。
【００２３】
また、図１および図４に示すように後胴３の内部には、隔壁４３が設けられている。隔壁４３は、万一各推進管４２の継ぎ目から地下水がトンネル（斜坑ｈ）内に侵入したとき、トンネル最下部に位置する駆動モータ３３等が冠水するのを防止するものである。隔壁４３には、マンホール４４が設けられており、送泥管３８と排泥管３９とが貫通されている。なお、本実施形態では前胴２、後胴３およびバルクヘッド体８等が、掘削機本体１ａを構成する。
【００２４】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【００２５】
上記トンネル掘削機１は、図１０に示す斜坑ｈの入口部ｉから地下構造物ｆ（既設トンネル）に向けて地山を掘削するものである。
【００２６】
まず、トンネル掘削機１が地下構造物ｆから十分離間しているとき、すなわち斜坑ｈの入口部ｉから図１に示すカッタスポーク２１が地下構造物ｆに干渉する直前の位置までは、制御部３４を回転駆動に設定しておき回転軸１９を回転駆動しつつ、入口部ｉの元押し装置（図示せず）によってトンネル掘削機１を継足し管４２と一体的に斜め下方に押し出す。これにより、トンネル掘削機１は、そのカッタスポーク２１および傾斜部２７が回転し、切羽を凹コーン状に切削しつつ、斜め下方に進行する。この凹コーン状の切羽面は、掘削機１の進行方向に対して直交している。よって、掘削機１の直進性が悪化することはない。
【００２７】
そして、掘削機１が地下構造物ｆに近接したとき、すなわち図１に仮想線で示すようにカッタスポーク２１が地下構造物ｆに干渉する位置となったとき、作業員が制御部３４を回転駆動から揺動駆動に切り換える。すると、図５および図６に示すように、回転軸１９が所定角度範囲（360 度〜90度）で揺動駆動されてカッタスポーク２１が揺動し、カッタスポーク２１と地下構造物ｆとの干渉を避けることができる。そして、入口部ｉの元押し装置（図示せず）によって掘削機１を推進管４２と一体的に斜め下方に押し出す。カッタスポーク２１の揺動角度は、スポーク２１が構造物ｆに干渉する手前までの角度であり、構造物ｆに近付くに伴って徐々に角度が小さくなり、本図例では最小揺動角度を９０度としている。これにより、掘削機１は、そのカッタスポーク２１および傾斜部２７が図５に示すように揺動し、切羽をワイパー状に切削しつつ、斜め下方に進行し、図６に至る。
【００２８】
ここで、カッタスポーク２１および傾斜部２７の傾斜角度が、予め地下構造物ｆの接合面ｊの傾斜角度に合わせて設定されているので、本実施形態に係るトンネル掘削機１は、図１１に示す従来タイプよりも地下構造物ｆに近付くことができ、接合部近傍における土砂の切り残し領域４６を小さくできる。但し、図６の状態からさらに掘削機１を元押し装置によって押し出すと、図５および図６に領域Ａに示すように、カッタスポーク２１の最外周のビット２２が最小揺動範囲（90度）の両端部で地下構造物ｆと干渉してしまう。よって、図６の位置となったなら元押し装置による掘削機１および推進管４２の押し出しを停止する。
【００２９】
ここで、カッタスポーク２１の最小揺動範囲を小さくすれば、さらに掘削機１を地下構造物ｆに近付けることが可能となるが、本実施形態では最小揺動範囲は90度に設定している。本実施形態の構成のカッタでは最小揺動範囲を90度以下にすると切羽の一部に切削できなくなる領域が発生するからである。すなわち、本実施形態における最小揺動範囲90度は、図５に示すように、カッタスポーク２１の最内周のビット２２の切削範囲を考慮すると共に、傾斜部２７のビット２９（90度間隔）の切削範囲を考慮して設定されている。この構成のカッタでは、最小揺動範囲を90度以下にすると、円形の切羽面の中心部に切削できなくなる領域が発生するのである。
【００３０】
なお、この対策として、図９に示すようにカッタスポーク２１のビット２２をルーフ状２２ａのビットにすると共に、傾斜部２７のビット２９の放射状間隔を90度間隔より小さくすることが考えられる。こうすれば、カッタスポーク２１の最小揺動範囲を90度以下にすることも可能となり、掘削機１を図６の位置よりもさらに地下構造物ｆに近付けることが可能となり、接合部近傍における土砂の切り残し領域４６を更に小さくできる。この場合も、近付くに従って揺動範囲（角度）を徐々に小さくし、土砂の切り残し領域４６を効率的に小さくすることが好ましい。
【００３１】
さて、図６に示すように、掘削機１が地下構造物ｆに限界（カッタスポーク２１の先端部のビット２２がその最小揺動範囲である90度の両端部にて地下構造物ｆに干渉しない限界）まで近付いたなら、斜坑入口部ｉにおける元押し装置による元押しを停止して推進を停止すると共に、駆動モータ３３を停止してカッタスポーク２１の揺動を停止する。そして、固定部材１４を取り外し、前胴２とバルクヘッド体８とを相対移動可能とする。その後、斜坑入口部ｉにおける元押し装置によって、再び、掘削機１を推進管４２と一体的に押し出す。すると、図７に示すように、バルクヘッド体８の位置が保たれたまま、前胴２および後胴３（フレーム４）が一体的に前進し、前胴２の先端側部２ａが地山に貫入して地下構造物ｆに当接する。
【００３２】
ここで、前胴２の先端側部２ａが、特許請求の範囲の請求項３の「スライドフード」に相当する。前胴の先端側部２ａの開口形状は、地下構造物ｆの接合面ｊの形状に合わせて成形されている。よって、前胴２の先端側部２ａ（スライドフード）は、地下構造物ｆの表面にぴったり当接する。その後、接合部近傍の土砂を薬剤注入等によって固め、カッタ室４７内の止水性を確保する。そして、図２に示すマンホール４０を開いて作業員がカッタ室４７内に入り、切り残した土砂４６を除去する。そして、カッタスポーク２１や駆動モータ３３等を取り外して除去し、前胴２と地下構造物ｆとを連通させる。これにより、地下構造物ｆ（既設トンネル）に斜坑ｈ（新たなトンネル）が接続される。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、元押し装置の代わりにフレーム４内に推進ジャッキを設け、掘進機内でトンネル壁となるセグメントを組立て、それに反力をとって掘進するシールド掘進機にも適用できる。また、斜坑接続ではなく鉛直坑接続や横坑接続の場合にも、掘削機の推進方向に対する地下構造物の接合面ｊが斜めになっている場合には適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、既設トンネル等の地下構造物に新たなトンネルを接続すべく地下構造物へ向けて掘り進むトンネル掘削機において、接合部における土砂の切り残しを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すトンネル掘削機の側断面図である（回転駆動時）。
【図２】図１の II-II線断面図である。
【図３】図１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】カッタスポークの揺動範囲を示す説明図である。
【図６】上記トンネル掘削機の側断面図である（揺動駆動時）。
【図７】上記トンネル掘削機の側断面図である（スライドフード作動時）。
【図８】上記カッタスポークの断面図である。
【図９】上記カッタスポークの変形例を示す断面図である。
【図１０】地下構造物をそれに接続される斜坑とを示す説明図である。
【図１１】従来例を示すトンネル掘削機の側断面図である。
【符号の説明】
１  トンネル掘削機
１ａ  掘削機本体
２ａ  スライドフードとしての前胴先端側部２ａ
１９  回転軸
２１  カッタスポーク
３０  駆動部
ｆ  地下構造物
ｈ  新たなトンネルとしての斜坑
ｊ  接合面
【図１】
0004322432.tif 000002
【図２】
0004322432.tif 000003
【図３】
0004322432.tif 000004
【図４】
0004322432.tif 000005
【図５】
0004322432.tif 000006
【図６】
0004322432.tif 000007
【図７】
0004322432.tif 000008
【図８】
0004322432.tif 000009
【図９】
0004322432.tif 000010
【図１０】
0004322432.tif 000011
【図１１】
0004322432.tif 000012