(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネルなどの地下構造物に新設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において、掘削機本体に、進行方向前方の土砂を掘削するためのカッタを上記地下構造物の接合面の傾斜に合わせるように傾動自在に設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
上記掘削機本体は、上記地下構造物の接合面近傍を土留めすべく進行方向前方の地山へ貫入するスライドフードを有する請求項１記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
上記カッタは、カッタ前端の回転中心位置を中心に傾斜される請求項１又は２記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
上記掘削機本体の前端部に、径方向内側へのびながら後方へ凹面状に後退するバルクヘッド面を形成し、該バルクヘッド面に沿って移動する板状のガイド部材に上記カッタを枢支する軸支部を設けた請求項１〜３いずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項５】
上記ガイド部材に、上記バルクヘッド面に接触される環状のシールを設けた請求項４記載のトンネル掘削機。
【請求項６】
上記ガイド部材の外周に、上記バルクヘッド面に付着した異物を除去するためのスクレーパを設けた請求項４又は５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、地中にトンネルを形成するトンネル掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に示すように、既設のトンネル６に換気用トンネル４０を地上から掘り進んで接合する場合、既設トンネル６の鉛直上方に存在するガス管４１や道路４２などを避けるために換気用トンネル４０を斜めに形成する場合がある。
【０００３】
図１０に示すように、換気用トンネル４０の形成はトンネル掘削機４３を用いて行う。
【０００４】
トンネル掘削機４３は、進行方向後方から押し込まれることで推進力を得るようになっており、トンネル掘削機４３の後方に順次推進管４４を継ぎ足しながら、最後尾の推進管４４を元押しするようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、トンネル掘削機４３を掘り進ませて既設トンネル６に対して斜めに換気用トンネル４０を接合しようとすると、既設トンネル６とトンネル掘削機４３との間に大きな切り残し部４５が発生してしまうという課題があった。切り残し部４５は土木的な作業で取り除かなくてはならず、困難であった。
【０００６】
また、図１１に示すように、接合面７の傾斜に合わせて予めカッタ４６を傾斜させたトンネル掘削機４７を用いることも検討されたが、カッタ４６前面のスラスト抵抗力がカッタ４６の傾斜によって分力がラジアル方向に作用してしまうため、掘進中の姿勢が安定しないという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、既設トンネルなどの地下構造物との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘り進むことのできるトンネル掘削機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、既設トンネルなどの地下構造物に新設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において、掘削機本体に、進行方向前方の土砂を掘削するためのカッタを上記地下構造物の接合面の傾斜に合わせるように傾動自在に設けたものである。
【０００９】
地下構造物の近傍に到達するまでは、カッタを傾斜させずに掘進方向へ向けることで安定して方向制御することができ、地下構造物の近傍に到達した後は、カッタを接合面に合わせるように傾斜させて更に掘進させることにより、土砂を大きく切り残すことなく接合面の直前まで掘り進むことができる。
【００１０】
また、上記掘削機本体は、上記地下構造物の接合面近傍を土留めすべく進行方向前方の地山へ貫入するスライドフードを有するものとするとよい。
【００１１】
そして、上記カッタは、カッタ前端の回転中心位置を中心に傾斜されるものとするとよい。
【００１２】
また、上記掘削機本体の前端部に、径方向内側へのびながら後方へ凹面状に後退するバルクヘッド面を形成し、該バルクヘッド面に沿って移動する板状のガイド部材に上記カッタを枢支する軸支部を設けるとよい。
【００１３】
そして、上記ガイド部材に、上記バルクヘッド面に接触される環状のシールを設けるとよく、上記ガイド部材の外周に、上記バルクヘッド面に付着した異物を除去するためのスクレーパを設けるとよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１に示すように、トンネル掘削機１は、元押しされる推進管２とほぼ外径が等しい掘削機本体３と、掘削機本体３に傾動自在に設けられたカッタユニット４とからなり、掘削機本体３に対して後述するカッタ５は、地下構造物たる既設トンネル６の接合面７の傾斜に合わせるように傾動自在に設けられている。
【００１６】
掘削機本体３は、外殻を形成する筒状の第１スキンプレート８と、第１スキンプレート８の内側に軸方向スライド可能に挿入されると共にピン９を介して固定されるほぼ筒状の第２スキンプレート１０とからなる。
【００１７】
第１スキンプレート８は、ピン９を外すことで第２スキンプレート１０と切り離されるようになっており、第２スキンプレート１０と切り離して押し込むことで掘進方向前方の地山に貫入されるスライドフードを兼ねている。
【００１８】
そして、第１スキンプレート８は、前端を接合すべき既設トンネル６の形状に合わせるように形成されており、地山に貫入されることで既設トンネル６の接合面７にほぼ隙間なく当接し、接合面７近傍を精度良く土留めするようになっている。
【００１９】
第２スキンプレート１０は、推進管２より十分内径を小さく形成されており、後述する第１スキンプレート８を切り離した後は推進管２内に第２スキンプレート１０を容易に挿通させられるようになっている。
【００２０】
また、第１スキンプレート８は、推進管２に接続される後胴１１と、後胴１１の前方に屈曲自在に接続される前胴１２とからなる。
【００２１】
後胴１１には、推進管２内からの浸水を防ぐための隔壁１３が取り外し可能に設けられており、万一推進管２内に水が浸入してもトンネル掘削機１内に水を浸入させないようになっている。
【００２２】
第２スキンプレート１０は、前胴１２内に、リング状のスライドシール１４を介して液密に密着されると共にピン９を介して固定されている。
【００２３】
第２スキンプレート１０の前端には、カッタユニット４の傾動をガイドすると共に、第２スキンプレート１０の前端を液密に塞ぐためのバルクヘッド面１５が形成されている。
【００２４】
バルクヘッド面１５は、第２スキンプレート１０から径方向内側へのびながら後方へ凹面状に後退するように形成されている。具体的には、バルクヘッド面１５は、第１スキンプレート８の中心軸１６上の一点を中心とする球面状に形成されており、その中心には後述するカッタ５前端の回転中心位置１７を位置させるようになっている。
【００２５】
そして、図１及び図３に示すように、バルクヘッド面１５には、カッタユニット４を傾動可能に挿通させるための長穴１８が形成されている。
【００２６】
第２スキンプレート１０は、周方向にほぼ等間隔に配置された複数の方向制御ジャッキ１９を介して後胴１１に連結されており、方向制御ジャッキ１９を伸縮されることで後胴１１に対して前胴１２ごと屈曲されるようになっている。
【００２７】
カッタユニット４は、バルクヘッド面１５に沿って移動する板状のガイド部材２０と、ガイド部材２０に一体に設けらカッタ５を枢支するための軸支部２１と、軸支部２１に枢支され進行方向前方の地山を掘削するためのカッタ５と、軸支部２１に支持フレーム２２を介して設けられカッタ５を回転駆動させるための駆動装置２３とからなり、後述する傾斜用ジャッキ２４を介して第２スキンプレート１０に連結されている。
【００２８】
図２、図３及び図６に示すように、ガイド部材２０は、ほぼ円盤状に形成されており、可動範囲内のいずれの位置においてもバルクヘッド面１５に形成された長穴１８を覆って塞ぐようになっている。
【００２９】
また、ガイド部材２０には、バルクヘッド面１５に接触される環状のシール２５と、バルクヘッド面１５に付着した土砂などの異物を除去するためのスクレーパ２６とが設けられている。
【００３０】
スクレーパ２６は、金属で環状に形成されており、ガイド部材２０の外周に一体に設けられている。
【００３１】
シール２５は、スクレーパ２６の内周側に設けられており、スクレーパ２６で異物を落とした後のバルクヘッド面１５に接触されてバルクヘッド面１５とガイド部材２０との間を液密にシールするようになっている。
【００３２】
図１に示すように、軸支部２１は、ガイド部材２０の中心に設けられており、ガイド部材２０を掘進方向前方へ向けたときにカッタ５の回転中心を第１スキンプレート８の中心軸１６上に位置させるようになっている。
【００３３】
図１及び図２に示すように、カッタ５は、軸支部２１に支持される回転軸２７に直角に設けたカッタフレーム２８に多数のカッタビット２９を設けてなるものであり、バルクヘッド面１５を形成する球面の中心にカッタ５前端の回転中心位置１７を位置させるように配置されている。
【００３４】
そして、カッタフレーム２８には、径方向外方へ伸縮自在なコピーカッタ３０が設けられており、カッタ５を傾斜させたときに伸張させることで、少なくとも第１スキンプレート８が通るだけの掘削ができるようになっている。
【００３５】
図１及び図４に示すように、支持フレーム２２は、第２スキンプレート１０に設けられた傾斜用ガイド３１にガイドピン３２を介して支持されるようになっている。
【００３６】
傾斜用ガイド３１は、第２スキンプレート１０の内周面間に掛け渡すように設けられたアーチ状の第１レール３３と、第１レール３３の外周側に所定間隔を隔てて並行に設けられた第２レール３４とからなり、支持フレーム２２を傾動方向に沿って挟むように設けられている。
【００３７】
ガイドピン３２は、第１レール３３と第２レール３４との間を転動して支持フレーム２２の傾動を案内するためのものであり、支持フレーム２２にそれぞれの傾斜用ガイド３１へ向けてのびるように設けられている。
【００３８】
ガイドピン３２は、先端を拡径して形成されており、第１レール３３と第２レール３４の間から外れないようになっている。
【００３９】
また、ガイドピン３２には、傾斜用ジャッキ２４の一端がそれぞれ連結されており、ガイドピン３２は、傾斜用ジャッキ２４が伸縮されることで第１レール３３と第２レール３４の間を往復動し、カッタユニット４を傾動させるようになっている。
【００４０】
図２、図３及び図４に示すように、カッタ５とガイド部材２０の間に形成されるカッタ室３５には、送泥管３６と排泥管３７がそれぞれ接続されている。送泥管３６と排泥管３７は、それぞれガイド部材２０の移動に干渉しないように、ガイド部材２０のスライド方向と直交する方向にガイド部材２０から離間して配置されている。
【００４１】
次に作用を述べる。
【００４２】
図５に示すように、トンネル掘削機１を地上から掘り進ませる場合、カッタ５を回転させながら元押しする。そして、既設トンネル６の近傍に到達するまでは、カッタ５を掘進方向へ向けるように傾斜角度を固定する。
【００４３】
カッタ５にラジアル方向の力が作用することはないため、トンネル掘削機１を安定した姿勢で掘進させることができる。
【００４４】
カッタ５の固定は、傾斜用ジャッキ２４の伸縮長さを一定に固定することにより行う。
【００４５】
掘進方向の制御は、それぞれの方向制御ジャッキ１９を伸縮させることで行う。方向制御ジャッキ１９を伸縮することで、前胴１２を後胴１１に対して任意の方向へ任意の角度だけ屈曲させることができ、掘進方向を自在に調整することができる。
【００４６】
また、バルクヘッド面１５に形成された長穴１８は、ガイド部材２０によって塞がれているため、トンネル掘削機１内に水が浸入することはない。
【００４７】
このようにしてトンネル掘削機１を掘進させると、トンネル掘削機１はやがてカッタ５の先端を既設トンネル６に近接させて掘り進めなくなり、既設トンネル６に到達される。
【００４８】
トンネル掘削機１が既設トンネル６に到達されたら、一旦元押しを止めてトンネル掘削機１の推進を止め、カッタ５を回転させた状態のまま傾斜用ジャッキ２４を伸張させる。
【００４９】
ガイドピン３２は、それぞれ第１レール３３と第２レール３４の間に沿って移動し、カッタユニット４は、カッタ５前端の回転中心位置１７を中心に回動される。
【００５０】
そしてこれにより、カッタ５は、カッタ５前端の回転中心位置１７を中心に傾動される。
【００５１】
ガイド部材２０は、バルクヘッド面１５に沿って移動するため、バルクヘッド面１５から離れることはなく、ガイド部材２０とバルクヘッド面１５との間のシールは常に保たれる。また、バルクヘッド面１５にこびり付いた土砂などの異物は、スクレーパ２６によって落とされるため、ガイド部材２０とバルクヘッド面１５の間に挟まれることはなく、シール性を安定して保持することができる。
【００５２】
図６に示すように、カッタ５の傾斜が接合面７の傾斜に合わされたら、コピーカッタ３０を伸張させ、余堀りする。
【００５３】
カッタ５が傾斜されることで掘進方向前方から見た掘削面は、楕円状に小さくなってしまうが、余堀りすることで少なくとも第１スキンプレート８が通るだけの掘削半径を維持できる。
【００５４】
このとき、カッタ５は、カッタ５前端の回転中心位置１７を中心に傾動されていることから、掘進方向前方から見た掘削面は中心を動かすことなく扁平されており、必要な余堀り量が最小となっている。
【００５５】
そして、元押しを再開し、トンネル掘削機１を更に掘進させる。このとき、カッタ５は接合面７の傾斜に合っているため、カッタ５が接合面７に干渉することはなく、接合面７まで切り残しなく掘進される。
【００５６】
また、カッタ傾斜後の掘進距離が極めて短いため、カッタ５にラジアル方向の力が作用してもトンネル掘削機１の姿勢が大きく乱れることもない。
【００５７】
図７に示すように、再びカッタ５が既設トンネル６に近接されたら、元押しを止め、カッタ５の回転を止め、スライドフード、すなわち第１スキンプレート８を地山に貫入するための準備を始める。
【００５８】
スライドフード貫入の準備は、それぞれのピン９を外して前胴１２から第２スキンプレート１０を切り離し、すべての方向制御ジャッキ１９の油圧を逃がすことにより行う。
【００５９】
方向制御ジャッキ１９は外力によって簡単に伸縮される状態になり、第２スキンプレート１０は第１スキンプレート８内を自在にスライド移動可能な状態となる。
【００６０】
そして、元押しを再開する。第１スキンプレート８は、スライドフードとして第２スキンプレート１０とは独立して地山に貫入され、既設トンネル６に当接される。
【００６１】
このとき、第１スキンプレート８の先端は、接合すべき既設トンネル６の形状に合わせるように形成されているため、図８に示すように、ほぼ全周に亘って既設トンネル６に当接され、接合面７近傍を精度良く土留めする。
【００６２】
この後、接合面７近傍の地山を止水すべく薬注を施し、既設トンネル６に第１スキンプレート８を接合する。
【００６３】
第２スキンプレート１０と第２スキンプレート１０に設けられたカッタユニット４は、再利用すべく推進管２内を通して地上に吊り上げる。第２スキンプレート１０は、外径を推進管２の内径より十分小さく形成されているため、推進管２内を容易に移動できる。
【００６４】
このように、掘削機本体３に、進行方向前方の土砂を掘削するためのカッタ５を既設トンネル６の接合面７の傾斜に合わせるように傾動自在に設けたため、既設トンネル６との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘進できる。
【００６５】
また、掘削機本体３を、接合面７近傍を土留めすべく進行方向前方の地山へ貫入するスライドフードを有するものとしたため、既設トンネル６の近傍まで良好にシールすることができ、土木的作業を減らして効率よくトンネル同士を接合できる。
【００６６】
そして、カッタ５を、カッタ５前端の回転中心位置１７を中心に傾斜されるものとしたため、傾斜させたときにも掘進方向前方から見たカッタ５の中心を動かすことなく一定に保つことができ、余堀り量を小さく抑えることができる。
【００６７】
また、掘削機本体３の前端部に、径方向内側へのびながら後方へ凹面状に後退するバルクヘッド面１５を形成し、バルクヘッド面１５に沿って移動する板状のガイド部材２０にカッタ５を枢支する軸支部２１を設けたため、カッタ５の傾動を簡易な構造で安定してガイドすることができる。
【００６８】
そして、ガイド部材２０に、バルクヘッド面１５に接触される環状のシール２５を設けたため、バルクヘッド面１５とガイド部材２０との間を確実にシールすることができ、トンネル掘削機１内に浸水するのを防ぐことができる。
【００６９】
また、ガイド部材２０の外周に、バルクヘッド面１５に付着した異物を除去するためのスクレーパ２６を設けたため、バルクヘッド面１５に付着した土砂などを落とすことができ、土砂がバルクヘッド面１５とガイド部材２０の間に入り込むのを防ぐことができる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、地上から換気トンネルを掘削して既設トンネル６に斜めに接合する場合について述べたが、本発明に係る技術、すなわち、カッタ５を接合面７の傾斜に合わせるように傾動させる技術は、例えば、既設トンネル６に新たなトンネルを偏心して接合する場合や、異形トンネルに新たなトンネルを接合する場合など、接合面が掘進方向に対して傾斜している場合に広く用いることができる。
【００７１】
また、推進管２を元押しすることで掘進されるトンネル掘削機１について述べたが、これに限るものではない。トンネル掘削機は、掘削機内でトンネル壁となるセグメント（図示せず）を組み立てつつ、そのセグメントを自力で後方へ押して推進するシールド掘進機であってもよい。
【００７２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を奏する。
（１）地下構造物との間に大きな切り残し部を残すことなく、かつ、姿勢を安定させて掘り進むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示すトンネル掘削機の側断面図である。
【図２】図１のII−II線矢視図である。
【図３】図１のIII−III線矢視断面図である。
【図４】図１のIV−IV線矢視断面図である。
【図５】既設トンネルに到達したトンネル掘削機の側断面図である。
【図６】カッタを傾斜させた状態のトンネル掘削機の側断面図である。
【図７】カッタを傾斜させて掘進したトンネル掘削機の側断面図である。
【図８】スライドフードを地山に貫入させたトンネル掘削機の側断面図である。
【図９】既設トンネルに接合した換気用トンネルの側断面図である。
【図１０】従来のトンネル掘削機の側断面図である。
【図１１】従来の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
３  掘削機本体
５  カッタ
６  既設トンネル
７  接合面
８  第１スキンプレート（スライドフード）
１７  回転中心位置
１５  バルクヘッド面
２０  ガイド部材
２１  軸支部
２５  シール
２６  スクレーパ
【図１】
0004368534.tif 000002
【図２】
0004368534.tif 000003
【図３】
0004368534.tif 000004
【図４】
0004368534.tif 000005
【図５】
0004368534.tif 000006
【図６】
0004368534.tif 000007
【図７】
0004368534.tif 000008
【図８】
0004368534.tif 000009
【図９】
0004368534.tif 000010
【図１０】
0004368534.tif 000011
【図１１】
0004368534.tif 000012