(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されて該掘削機本体よりもやや小径のカッタヘッドと、該カッタヘッドの外周部に径方向出没自在に装着された複数の伸縮カッタと、前記掘削機本体に掘進方向に沿って移動自在で且つ周方向に回転自在に設けられた切削リングと、該切削リングの前端部に周方向に沿って配列されて掘削位置が径方向に異なる複数のカッタビットと、前記切削リングを掘進方向に沿って移動させる切削リング移動手段と、前記カッタヘッドの回転力を前記切削リングに伝達する回転力伝達手段と、を具えると共に、前記カッタビットの前方に水を噴射する注水手段を設け、かつ前記切削リングは、内周リングと外周リングとを有し、該外周リングに前記注水手段を設け、該内周リングの前端部に前記複数のカッタビットを取付けると共に前記注水手段からの噴水を前記カッタビットの前方に導く通水部を設けたことを特徴とする地中接合式トンネル掘削機。
【請求項２】
請求項１記載の地中接合式トンネル掘削機において、前記複数のカッタビットは、前記内周リングの前端に周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けられたことを特徴とする地中接合式トンネル掘削機。
【請求項３】
請求項２記載の地中接合式トンネル掘削機において、前記内周側のカッタビットと前記外周側のカッタビットにおける掘削方向への突出位置が前後に異なることを特徴とする地中接合式トンネル掘削機。
【請求項４】
請求項２記載の地中接合式トンネル掘削機において、前記内周側のカッタビット同志及び前記外周側のカッタビット同志をそれぞれ周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けられたことを特徴とする地中接合式トンネル掘削機。
【請求項５】
請求項１記載の地中接合式トンネル掘削機において、前記複数のカッタビットは、少なくとも内周リング及び外周リングの厚さ分を掘削可能であることを特徴とする地中接合式トンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既に地中に埋設された既設トンネルの側面部に、新たに構築したトンネルを接合するための掘削作業に使用される地中接合式トンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既に地中に埋設された既設トンネルに対して側方に延びる新たにトンネルを構築する場合、既設トンネルが使用中であることを考慮して、外部に新たなるトンネルを掘削して既設トンネルの側部に接合する方法が一般に適用されている。このような既設トンネルの側部に新設トンネルを接合する掘削作業に用いられるトンネル掘削機は地盤を掘削するカッタヘッドの他に、既設トンネルの側壁部を切削する切削リングが必要となる。
【０００３】
このような地中接合式トンネル掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部に円板形状のカッタヘッドを駆動回転自在に装着し、多数のカッタビットとコピーカッタを装着すると共に、掘削機本体の前部に切削リングを回転自在に装着して先端部に多数の切削刃を装着する一方、掘削機本体の後部に複数のシールドジャッキとエレクタ装置を装着して構成されている。
【０００４】
従って、カッタヘッドを回転させながら、各シールドジャッキを伸長することで掘削機本体を前進させ、カッタヘッドにより前方の地盤を掘削してトンネルを形成する一方、エレクタ装置によりセグメントを掘削トンネルの内壁面に組み付けていく。そして、新設トンネルの先端部が既設トンネルの側部に所定距離接近すると、掘削機本体の前進及びカッタヘッドの回転を停止し、カッタヘッドを後退させてからコピーカッタを伸長することで、このコピーカッタを介してカッタヘッドと切削リングとを一体とする。この状態でカッタヘッドと共に切削リングを回転して前進させると、切削リングの先端部の切削刃が既設トンネルの側壁部に接触して切断することで、新設トンネルと既設トンネルとが連通する。その後、セグメントや打設コンクリート等を用いて両トンネルを接合することで、Ｔ字形に接合されたトンネルが完成する。
【０００５】
なお、このような地中接合式トンネル掘削機としては、例えば、特公平７−６３４６号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の地中接合式トンネル掘削機により新設トンネルを形成して先端部を既設トンネルに接合する場合、カッタヘッドが地盤を掘削し、この新設トンネルの先端部が既設トンネルの側部に到達すると、切削リングが突出して既設トンネルの側壁部を切削して両トンネルの内部を連通するようにしている。一般に、トンネル構造体（既設トンネル）は、鋼材で形成された枠体にコンクリートを充填したセグメントをリング状に組み付けた一次覆工部と、この一次覆工部の内側にコンクリートを打設して化粧を施した二次覆工部とから構成されている。
【０００７】
そのため、切削リングが一次覆工部を構成する鋼板、鉄筋、コンクリート骨材などを切断、切削する必要があるが、この切削リングは先端部に多数の切削刃を装着しているだけであるから、特に鋼板や鉄筋などを切断する効率が十分ではない。従って、切削リングが一次覆工部を切削中に、切削刃が早期に磨耗して掘削効率が低下したり、切削刃の一部が破損して切削作業に支障をきたしてしまうという問題がある。また、切削リングは一次覆工部を円形の溝状に切削するため、切削物の排出も困難となる。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するものであって、硬質なトンネル構造物を容易に切削して接合することで掘削効率の向上並びに信頼性の向上を図った地中接合式トンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の地中接合式トンネル掘削機は、円筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されて該掘削機本体よりもやや小径のカッタヘッドと、該カッタヘッドの外周部に径方向出没自在に装着された複数の伸縮カッタと、前記掘削機本体に掘進方向に沿って移動自在で且つ周方向に回転自在に設けられた切削リングと、該切削リングの前端部に周方向に沿って配列されて掘削位置が径方向に異なる複数のカッタビットと、前記切削リングを掘進方向に沿って移動させる切削リング移動手段と、前記カッタヘッドの回転力を前記切削リングに伝達する回転力伝達手段と、を具えると共に、前記カッタビットの前方に水を噴射する注水手段を設け、かつ前記切削リングは、内周リングと外周リングとを有し、該外周リングに前記注水手段を設け、該内周リングの前端部に前記複数のカッタビットを取付けると共に前記注水手段からの噴水を前記カッタビットの前方に導く通水部を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
従って、切削リングの前端部に装着される複数のカッタビットは、切削リングの径方向の複数箇所にずらして位置することとなり、一つのカッタビットにかかる負担を防止することができ、この場合、径方向にずらした隣接するカッタビット同志、あるいは周方向に隣接するカッタビット同志を掘進方向前後にずらしてもよい。また、複数のカッタビットは切削リングの厚さより若干大きい範囲を切削することが望ましく、切削リングの掘進が容易となると共に、掘削物の排出が良好となる。
【００１１】
また、請求項２の発明の地中接合式トンネル掘削機では、前記複数のカッタビットは、前記内周リングの前端に周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けられたことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３の発明の地中接合式トンネル掘削機では、前記内周側のカッタビットと前記外周側のカッタビットにおける掘削方向への突出位置が前後に異なることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４の発明の地中接合式トンネル掘削機では、前記内周側のカッタビット同志及び前記外周側のカッタビット同志をそれぞれ周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けられたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項５の発明の地中接合式トンネル掘削機では、前記複数のカッタビットは、少なくとも内周リング及び外周リングの厚さ分を掘削可能であることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明の一実施形態に係る地中接合式トンネル掘削機の概略断面、図２に地中接合式トンネル掘削機の正面視、図３に切削リングの構造を表す掘削機本体の下部断面、図４に切削リングの正面視、図５に切削リングの断面（図４のａ−ａ断面及びｂ−ｂ断面）、図６に切削リングと掘削機本体との連結構造を表す掘削機本体の下部断面、図７に切削リングとカッタヘッドとの連結構造を表す掘削機本体の前端部断面、図８及び図９に地中接合式トンネル掘削機によるトンネル接合作業を表す概略を示す。
【００１９】
本実施形態の地中接合式トンネル掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなす前胴１２と後胴１３とが球面軸受１４及び上下のヒンジ部１５により屈曲自在に連結されて構成されている。そして、前胴１２の後部と後胴１３の前部にはリング状の支持壁１６，１７がそれぞれ形成され、各支持壁１６，１７の間には複数の中折ジャッキ１８が架設されており、この各中折ジャッキ１８の伸縮ストロークを変化させることで後胴１３に対して前胴１２を屈曲し、掘削機本体１１の掘進方向を変更することができる。なお、この中折ジャッキ１８は必要に応じて着脱自在となっている。
【００２０】
掘削機本体１１を構成する前胴１２の前部にはバルクヘッド１９が形成されており、このバルクヘッド１９の後部には回転リング２０が回転自在に支持され、この回転リング２０の前端部にはカッタヘッド２１が装着されている。このカッタヘッド２１は、中心部から４つの中空状をなすカッタスポーク２２が放射状になして設けられると共に、各カッタスポーク２２の間に扇形状をなす面板２３が固定されている。また、各カッタスポーク２２の先端部にはそれぞれ伸縮スポーク（伸縮カッタ）２４が径方向に沿って移動自在に装着され、伸縮ジャッキ２５により伸縮可能となっている。そして、各カッタスポーク２２、各面板２３、各伸縮スポーク２４には多数の先行ビット２６、カッタビット２７が取付けられると共に、伸縮スポーク２４にコピーカッタ２８が油圧ジャッキ２９により径方向外方に突出可能に装着されている。
【００２１】
回転リング２０の後部にはリングギア３０が固定される一方、前胴１２には複数のカッタ旋回モータ（油圧モータまたは電気モータ）３１が取付けられ、この各カッタ旋回モータ３１の駆動ギア３２がこのリングギア３０に噛み合っている。従って、各カッタ旋回モータ３１を同期駆動して駆動ギア３２を回転駆動すると、リングギア３０及び回転リング２０を介してカッタヘッド２１を旋回することができる。
【００２２】
また、前胴１２の前部にはカッタヘッド２１とバルクヘッド１９との間にチャンバ３３が形成されており、このチャンバ３３には後端が掘削機本体１１の後方に延設された送泥管３４及び排泥管３５の前端が開口している。なお、前胴１２の前部にはロータリジョイント３６が装着されているが、このロータリジョイント３６を取り外してカッタヘッド２１に薬液注入管３７を装着可能となっている。
【００２３】
一方、後胴１３の前部内周辺には円周方向に沿って複数のシールドジャッキ（推進ジャッキ）３８が並設されており、この各シールドジャッキ３８が掘進方向後方に伸長してスプレッダ３９を既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１（前胴１２及び後胴１３）を前進することができる。更に、後胴１３の支持壁１７には旋回リング４０が支持され、旋回モータ４１により旋回可能となっており、この旋回リング４０にはエレクタ装置４２が装着されている。このエレクタ装置４２は既設トンネル内に搬入されたセグメントＳを把持して径方向、周方向、長手方向に移動し、掘削機本体１１が前進した後、シールドジャッキ３８の収縮によって形成されたスプレッダ３９と既設セグメントＳとの間の空所に、このセグメントＳを組み付けるものである。
【００２４】
ところで、本実施形態の地中接合式トンネル掘削機は地盤を掘削してトンネルを構築するだけでなく、既に地中に埋設された既設トンネルの側面部に対して、新たに構築したトンネルを接合することができる。即ち、図３に示すように、前胴１２の内側には内筒４３が位置し、前部がバルクヘッド１９に接続して後部が支持壁１６に接続することで環状の収容部４４が形成されており、この収容部４４に切削リング４５が収容されている。この切削リング４５は外周リング４６と内周リング４７とから構成され、各リング４６，４７は互いに掘進方向に一体あるいは相対移動自在で、且つ、周方向に相対回転自在に嵌合している。
【００２５】
この切削リング４５の構造を詳説すると、収容部４４にて、前胴１２の内周面には外周リング４６がシール４８を介して嵌合し、前胴１２の内周面に掘進方向に沿って形成された所定長さの摺動溝４９に外周リング４６の固定キー５０が摺動自在に嵌合しており、外周リング４６は掘削機本体１１に対して前後方向に移動可能となっている。外周リング４６の内周面と内筒４３の内周面の間には内周リング４７がシール５１，５２を介して嵌合している。この内周リング４７は前端部が外周リング４６の前方に位置するように拡大した拡径部５３を有し、この拡径部５３の前端面には掘削位置が径方向に異なる多数のカッタビット５４ａ〜５４ｄが周方向に沿って取付けられ、収容部４４の入口部、つまり、前胴１２の前端部に位置している。
【００２６】
即ち、図４及び図５に示すように、切削リング４５（外周リング４６と内周リング４７）の径方向の厚さＴに対して、切削リング４５の摺動性及び掘削物の排出性を考慮すると、そのよりもやや大きい掘削範囲Ｗが必要であり、これを内側掘削範囲ＷI と外側掘削範囲ＷO との分けるが、内側掘削範囲ＷI と外側掘削範囲ＷO とはラップさせる必要があり、掘削範囲Ｗ＜内側掘削範囲ＷI ＋外側掘削範囲ＷO 、となっている。この場合、カッタビット５４ａ，５４ｂが内側掘削範囲ＷI を掘削し、カッタビット５４ｃ，５４ｄが外側掘削範囲ＷO を掘削する。従って、カッタビット５４ａ，５４ｃ，５４ｂ，５４ｄの順に内周リング４７の前端に周方向に沿って内周側と外周側の交互に位置することとなる。
【００２７】
また、内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂ同志及び外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄ同志はそれぞれ周方向に沿って内周側と外周側の交互に位置し、それぞれ掘削範囲がＷa ，Ｗb ，Ｗc ，Ｗd となっている。そして、内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂと外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄは掘削方向への突出位置が前後に異なっており、外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄは所定距離Ｌだけ内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂよりも前方に位置している。
【００２８】
一方、図３及び図６に示すように、内周リング４７の後端部には内方に突出したリング状の係止部５５が形成される一方、この内周リング４７の後端部には内筒４３と外周リング４６との間に介装する支持リング５６が設けられており、この支持リング５６は内筒４３と内周リング４７との間に延設され、シール５７，５８を介して相対移動、相対回転可能であり、係止部５５に係止する鉤部５９が形成されている。支持リング５６と外周リング４６とは互いに貫入する長軸の第１連結ピン６０により一体に連結されて前後移動可能であり、支持リング５６と係止部５５との間には軸受メタル６１を介して周方向移動自在に支持となっている。
【００２９】
また、この切削リング４５の後方に位置する前胴１２（球面軸受１４）にはリングスライドジャッキ（切削リング移動手段）６２が周方向に複数並設されており、それぞれ着脱自在となっている。各リングスライドジャッキ６２は油圧の給排により伸縮自在な駆動ロッド６３を有しており、この駆動ロッド６３の先端部には連結ねじ部６４が取付けられている。一方、支持リング５６の後端部には各リングスライドジャッキ６２に対応して連結軸６５により連結部６６が取付けられている。そして、連結ねじ部６４と連結部６６とは、一つ以上の連結ねじ６７により連結可能となっている。
【００３０】
従って、リングスライドジャッキ６２を伸長することにより、支持リング５６を介して切削リング４５（外周リング４６と内周リング４７）を前方に押圧して移動可能であり、その伸縮駆動に伴って連結ねじ部６４と連結部６６との間に順次連結ねじ６７を付け足し連結することで、切削リング４５を所定距離前方に移動することができる。また、リングスライドジャッキ６２を収縮することにより、支持リング５６の鉤部５９が係止部５５を介して内周リング４７を後退させることができる。更に、図３に二点鎖線で示すように、リングスライドジャッキ６２により支持リング５６を介して切削リング４５を所定位置、つまり、第１連結ピン６０と内筒４３に形成された交換穴６８とが合致する位置まで移動する。この位置で蓋６９を開けて交換穴６８を開放し、図示しない所定の工具により交換穴６８を用いて第１連結ピン６０を抜き取った後、短軸の第２連結ピン７０を支持リング５６を通して外周リング４６及び前胴１２に貫入する。すると、支持リング５６と外周リング４６との連結が解除される一方、外周リング４６と前胴１２とが一体に連結されることで、外周リング４６をその位置に固定した状態で、リングスライドジャッキ６２により内周リング４７のみを前方に移動することができる。
【００３１】
また、図７に示すように、カッタヘッド２１の対向する各面板２３にはドッキングピン７１を出没自在なドッキングジャッキ７２が装着されている。また、前胴１２の内筒には左右の水平位置にリング位置決めピン７３が着脱自在に装着されている。一方、切削リング４５を構成する内周リング４７の内周面には周方向に対向して掘進方向に沿った２本の係合溝７４が形成されており、各リング位置決めピン７３の先端部がこの各係合溝７４に係合しており、掘削機本体１１に対する切削リング４５の回動を規制している。そして、切削リング４５がリングスライドジャッキ６２により収容部４４から押し出されて前方に移動し、カッタヘッド２１の側方まで移動したときに、ドッキングジャッキ７２によりドッキングピン７１が突出して予め水平位置に位置決めされた係合溝７４に係合可能となっている。その後、リング位置決めピン７３を所定の工具により取り外して係合溝７４との係合を解除すると、カッタヘッド２１と内周リング４７と一体回転させることができ、本実施形態では、ドッキングピン７１、ドッキングジャッキ７２、係合溝７４により回転力伝達手段を構成している。
【００３２】
なお、前胴１２と内筒４３とで形成した収容部４４には内周リング４７の内周側に空間部７５が形成されており、この空間部７５にはバルブ７６を有する注水管７７が接続されている。これは、切削リング４５が前方に移動したときに、外部の泥水等が係合溝７４を通して内部に浸入するのを防止するため、空間部７５を高圧水で維持するものである。
【００３３】
また、図３に示すように、外周リング４６には掘進方向に沿って注水路７８が形成されており、その基端部は図示しない水源に接続される一方、外周リング４６の前端面には水吐出口（注水手段）７９がそれぞれ周方向に複数形成されており、水注水路７８の先端部がこの水吐出口７９に接続されている。そして、図４に示すように、内周リング４７の拡径部５３には周方向所定間隔で切欠部（通水部）８０が複数の形成されており、水吐出口７９から吐出された噴水を各切欠部８０を通して前方に通水可能となっている。
【００３４】
更に、外周リング４６には図示しない薬液注入路と充填材注入路とが形成されており、それぞれ基端部は薬液供給源と充填材供給源に接続される一方、先端部は外周リング４６の前面部に形成された各吐出口８１，８２に接続されている。なお、この充填材は、外周リング４６と地盤の掘削壁面との間に注入して停留させることで、泥水等の浸入（流動）を阻止するものであり、高粘度を有する低浸透性のものが好適である。また、薬液は、外周リング４６と地盤の掘削壁面との間に注入して地盤に浸透させることで、地盤を改良（硬化）して崩壊を阻止するものであり、低粘度を有する高浸透性のものが好適である。
【００３５】
なお、図示しないが、前胴１２、内筒４３、外周リング４６、内周リング４７などにはグリース注入路が設けられており、各種のシール部分にグリースを充填可能となっている。
【００３６】
ここで、上述した本実施形態の地中接合式トンネル掘削機によるトンネル掘削作業、並びにトンネル接合作業について説明する。
【００３７】
図１及び図２に示すように、各伸縮ジャッキ２５を伸長して各伸縮スポーク２４を前胴１２の外径とほぼ同位置まで突出し、この状態で、まず、カッタ旋回モータ３１によってカッタヘッド２１を回転しながら、複数のシールドジャッキ３８を伸長し、既設セグメントＳへの押し付け反力によって前胴１２及び後胴１３を前進させると、カッタヘッド２１の各ビット２６，２７が前方の地盤を掘削する。このとき、カッタヘッド２１によって掘削された土砂はチャンバ３３内に取り込まれ、送泥管３４からの送水と攪拌された排泥管３５から外部に排出される。次に、シールドジャッキ３８の何れか一つを収縮して既設セグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置４２によりこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成することができる。
【００３８】
このような地中接合式トンネル掘削機により掘削作業により、図１に示すように、新設のトンネル、つまり、カッタヘッド２１が既設トンネルＴの側面部に対して所定距離に接近すると、カッタヘッド２１の回転を停止すると共にシールドジャッキ３８の駆動を停止し、前胴１２及び後胴１３の前進を停止し、ここから新設トンネルと既設トンネルＴとの接合作業を行う。
【００３９】
まず、図示しないが、掘削機本体１１に対してボルトにより固定していた切削リング４５（外周リング４６と内周リング４７）を解除し、図８(ａ)に示すように、各伸縮ジャッキ２５を収縮して各伸縮スポーク２４をカッタスポーク２２内に収納すると共に、注水管７７を用いて空間部７５に水を充満して外部より高圧に維持する。この状態で、図８(ｂ)に示すように、リングスライドジャッキ６２の駆動ロッド６３を伸長し、支持リング５６を介して切削リング４５を押圧し、外周リング４６と内周リング４７とを一体して前方に移動する。
【００４０】
このとき、図示しないロータリエンコーダによりカッタヘッド２１の回転位置を検出し、各ドッキングピン７１が水平位置にくるよう位置にカッタヘッド２１を位置決めしておく。一方、内周リング４７は予め各係合溝７４が水平位置にくるように組付けられ、リング位置決めピン７３に位置規制されており、切削リング４５が所定距離前方に移動し、各ドッキングジャッキ７２を伸長してドッキングピン７１を突出すると、先端部が内周リング４７の係合溝７４に自動的に係合し、カッタヘッド２１と内周リング４７とを一体に連結することとなる。
【００４１】
この状態で、カッタ旋回モータ３１を駆動すると、カッタヘッド２１と共に内周リング４７が回転するが、外周リング４６は第１連結ピン６０により支持リング５６に連結され、固定キー５０により前胴１２に係止しているため、内周リング４７と連れ回りせず、内周リング４７の後端部と支持リング５６との間に介在する軸受メタル６１により内周リング４７の回転抵抗が軽減される。
【００４２】
このように内周リング４７を回転した状態で、各リングスライドジャッキ６２により支持リング５６を介して前方に移動すると、図９(ａ)に示すように、内周リング４７の各カッタビット５４ａ〜５４ｄが地盤を掘削すると共に、既設トンネルＴの一次覆工部Ｓ1 の表面に接触し、この一次覆工部Ｓ1 の切削を開始する。この回転する内周リング４７による一次覆工部Ｓ1 の切削時、各カッタビット５４ａ〜５４ｄが所定の掘削範囲Ｗを４つの掘削範囲Ｗa ，Ｗb ，Ｗc ，Ｗd として掘削するために掘削効率が良く、カッタビット５４ａ〜５４ｄの摩耗も低減される。また、この一次覆工部Ｓ1 の切削時、水注水路７８を通して供給された水を水吐出口７９から吐出し、この噴水を各切欠部８０を通してカッタビット５４ａ〜５４ｄの前方に通水することで、掘削効率が更に良くなると共に、掘削物が内周リング４７の内側を通ってチャンバ３３内に取り込まれるため、掘削物の排出性も良くなる。
【００４３】
この一次覆工部Ｓ1 は、鋼材で形成された枠体にコンクリートを充填したセグメントをリング状に組み付けたものである。そのため、この内周リング４７による一次覆工部Ｓ1 の切削時に、カッタビット５４ａ〜５４ｄが鋼板や鉄筋などに引っ掛かって回転が停止してしまうことがある。この場合、内周リング４７の回転停止を駆動負荷により検出し、内周リング４７を若干後退させて鋼板や鉄筋などとの引っ掛かりを解除する。即ち、リングスライドジャッキ６２を収縮し、複数の連結ねじ６４等を介して支持リング５６を後退させ、この支持リング５６の鉤部５９が係止部５５を介して内周リング４７を後退させる。この場合、カッタヘッド２１の回転方向を変えて内周リング４７を逆回転させるとよい。すると、内周リング４７は鋼板や鉄筋などから外れて回転が可能となり、再び、リングスライドジャッキ６２を伸長して内周リング４７を前進させ、一次覆工部Ｓ1 の切削を継続する。
【００４４】
そして、回転する内周リング４７が既設トンネルＴの一次覆工部Ｓ1 を切削し、外周リング４６がこの一次覆工部Ｓ1 の外面に到達すると、ここで一端切削リング４５の前進及び回転を停止する。まず、外周リング４６の先端部に形成された吐出口８２から外周リング４６の外周面と掘削トンネルの内壁面との間に充填材を供給し、続いて、吐出口８１から外周リング４６の外周面と掘削トンネルの内壁面との間に薬液を供給する。すると、外周リング４６の外周面と掘削トンネルの内壁面との間に供給された充填材により防波堤ができ、切削リング４５の前端側への泥水等の浸入が防止され、この充填材により形成された防波堤の前方にて、外周リング４６の外周面と掘削トンネルの内壁面との間に供給された薬液が掘削トンネルの内壁面から地盤に浸透し、周辺地盤を改良、つまり、硬化することで、一次覆工部Ｓ1 の切削部から既設トンネルＴ内への浸水を防止できる。
【００４５】
そして、切削リング４５の前端周辺部の地盤が改良されると、蓋６９を開けて交換穴６８より第１連結ピン６０を抜き取り、短い第２連結ピン７０を外周リング４６及び前胴１２に貫入することで、支持リング５６と外周リング４６との連結を解除し、外周リング４６を前胴１２に固定する。この状態で、図９(ｂ)に示すように、再びリングスライドジャッキ６２を伸長して支持リング５６を介して内周リング４７を押圧し、外周リング４６をその位置に停止したままで内周リング４７のみを回転しながら前進し、内周リング４７により既設トンネルＴの一次覆工部Ｓ1 及び二次覆工部Ｓ2 を切削する。
【００４６】
この場合、外周リング４６を停止したまま内周リング４７のみを前進するため、外周リング４６の外周面と充填材との接触面のシール性は確保され、泥水が薬液側に流れ込むことはない。その後、内周リング４７のカッタビット５４ａ〜５４ｄによる切削が進行して所定の位置にくると、ここで内周リング４７による切削を終了する。このとき、内周リング４７の切削により既設トンネルＴ（二次覆工部Ｓ2 ）は、上部及び下部が貫通しておらずに側部が貫通しているが、薬液により周辺地盤が硬化しているため、既設トンネルＴ内へ泥水等が浸入することはない。
【００４７】
このように内周リング４７が既設トンネルＴの側面部を所定量切削すると、カッタヘッド２１等を解体すると共に、残存している既設トンネルＴの側壁部を図示しない建設機械により除去し、新設トンネルのセグメントＳと掘削機本体１１、外周リング４６、内周リング４７、既設トンネルＴを溶接により接合すると共に内部にコンクリートを打設することで、既設トンネルＴと新設トンネルとの内部を連通して２つのトンネルの地中接合作業が完了する。なお、掘削機本体１１や切削リング４３等は新設トンネルの構造体として埋設する。
【００４８】
このように本実施形態の地中接合式トンネル掘削機にあっては、既設トンネルＴの各覆工部Ｓ1 ，Ｓ2 を切削する切削リング４５を構成する内周リング４７の先端部に、掘削位置が径方向に異なる４種類のカッタビット５４ａ〜５４ｄを周方向に沿って複数取付け、各カッタビット５４ａ，５４ｃ，５４ｂ，５４ｄは、互いにラップする掘削範囲Ｗa ，Ｗb ，Ｗc ，Ｗd を掘削し、切削リング４５の径方向の厚さＴよりもやや大きい掘削範囲Ｗを掘削可能としている。また、内周リング４７に装着した内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂと外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄは掘削方向への突出位置が前後に異なっており、外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄが所定距離Ｌだけ内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂよりも前方に位置している。
【００４９】
従って、内周リング４７は鋼材を含んだ一次覆工部Ｓ1 の切削時に、各カッタビット５４ａ〜５４ｄが所定の掘削範囲Ｗを４つの掘削範囲Ｗa ，Ｗb ，Ｗc ，Ｗd に分けて掘削することとなり、１つのカッタビット５４ａ〜５４ｄにかかる掘削抵抗が低減し、全体として掘削効率が向上すると共に、カッタビット５４ａ〜５４ｄに作用する負荷も低減し、摩耗や破損等を抑制して寿命を延長することができる。
【００５０】
また、外周リング４６に注水路７８を形成して前端面に形成された水吐出口７９と接続すると共に、この水吐出口７９に対応して内周リング４７の拡径部５３に切欠部８０を形成している。従って、内周リング４７による一次覆工部Ｓ1 の切削時、水注水路７８を通して供給された水を水吐出口７９から吐出し、この噴水を各切欠部８０を通してカッタビット５４ａ〜５４ｄの前方に通水することで、掘削効率が更に向上すると共に、掘削物が内周リング４７の内側を通ってチャンバ３３内に取り込まれるため、掘削物の排出性も向上することができる。
【００５１】
なお、上述の実施形態では、内周リング４７の先端部に、掘削位置が径方向に異なる４種類のカッタビット５４ａ〜５４ｄを周方向に沿って複数取付けたが、カッタビットの種類は４種類に限らず、２種類であっても５種類以上であってもよい。また、内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂと外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄの取付位置を前後にずらしたが、内周側のカッタビット５４ａ，５４ｂ同志、外周側のカッタビット５４ｃ，５４ｄ同志を前後にずらしてもよい。
【００５２】
更に、カッタヘッド２１にドッキングピン７１を出没自在とするドッキングピン７２を装着する一方、掘削機本体１１にリング位置決めピン７３を着脱自在に装着し、ドッキングピン７１及びリング位置決めピン７３を内周リング４７の内周面に形成された掘進方向に沿った係合溝７４に係合可能としている。従って、切削リング４５を前進させるとき、リング位置決めピン７３により内周リング４７の回動を規制することで、ドッキングピン７１が容易に内周リング４７の係合溝７４に係合可能とし、係合後にリング位置決めピン７３による内周リング４７の回転規制を解除すると、カッタヘッド１７と内周リング４７とを一体回転することができる。
【００５３】
また、上述の実施形態では、回転力伝達手段（ドッキングピン７１、ドッキングジャッキ７２、係合溝７４）を２組設けて周方向均等間隔で配設したが、２組に限らず、３組以上周方向均等間隔で配設してもよい。また、ドッキングピン７１に代えてコピーカッタ２８であってもよい。
【００５４】
更に、上述の実施形態では、掘削機本体１１を屈曲自在に連結した前胴１２及び後胴１３で構成したが、一つの胴としてもよく、３つ以上の胴から構成してもよい。また、上述の実施形態では、本発明の地中接合式トンネル掘削機を泥水式シールド掘削機として説明したが、土圧式シールド掘削機や岩盤を掘削するトンネルボーリングマシンに適用することもできる。
【００５５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の地中接合式トンネル掘削機によれば、円筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されて該掘削機本体よりもやや小径のカッタヘッドと、該カッタヘッドの外周部に径方向出没自在に装着された複数の伸縮カッタと、前記掘削機本体に掘進方向に沿って移動自在で且つ周方向に回転自在に設けられた切削リングと、該切削リングの前端部に周方向に沿って配列されて掘削位置が径方向に異なる複数のカッタビットと、前記切削リングを掘進方向に沿って移動させる切削リング移動手段と、前記カッタヘッドの回転力を前記切削リングに伝達する回転力伝達手段と、を具えると共に、前記カッタビットの前方に水を噴射する注水手段を設け、かつ前記切削リングは、内周リングと外周リングとを有し、該外周リングに前記注水手段を設け、該内周リングの前端部に前記複数のカッタビットを取付けると共に前記注水手段からの噴水を前記カッタビットの前方に導く通水部を設けたので、切削リングは鋼材等を含んだ硬質のトンネル構造物の切削時に各カッタビットが所定の掘削範囲を個別に切削することとなり、１つのカッタビットにかかる抵抗を低減して全体として掘削効率を向上すると共に、各カッタビットに作用する負荷も低減して摩耗や破損等を抑制し、寿命を延長することができる。その結果、硬質なトンネル構造物を容易に切削して接合することで掘削効率の向上並びに信頼性の向上を図ることができる。また、掘削物を噴水により効果的に排出して掘削性及び掘削物の排出性を向上することができると共に噴水を確実にカッタビットの前方に導入することで、掘削物を適正に排出することができる。
【００５６】
また、請求項２の発明の地中接合式トンネル掘削機によれば、複数のカッタビットを内周リングの前端に周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けたので、簡単な構成でカッタビットにかかる掘削抵抗を低減して掘削効率を向上することができると共に、カッタビットに作用する負荷も低減して摩耗や破損等を防止することができる。
【００５７】
また、請求項３の発明の地中接合式トンネル掘削機によれば、内周側のカッタビットと外周側のカッタビットにおける掘削方向への突出位置を前後に異ならせたので、切削リングの内周側と外周側で掘削位置が異なり、掘削性及び掘削物の排出性を向上することができる。
【００５８】
また、請求項４の発明の地中接合式トンネル掘削機によれば、内周側のカッタビット同志及び外周側のカッタビット同志をそれぞれ周方向に沿って内周側と外周側の交互に取付けたので、更にカッタビットにかかる掘削抵抗を低減して掘削効率を向上することができると共に、カッタビットに作用する負荷も低減して摩耗や破損等を防止することができる。
【００５９】
また、請求項５の発明の地中接合式トンネル掘削機によれば、複数のカッタビットは、少なくとも内周リング及び外周リングの厚さ分を掘削可能としたので、必要な掘削範囲を複数に分けてカッタビットにより掘削することで、内周リング及び外周リングの厚さ分を確実に掘削することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る地中接合式トンネル掘削機の概略断面図である。
【図２】地中接合式トンネル掘削機の正面図である。
【図３】切削リングの構造を表す掘削機本体の下部断面図である。
【図４】切削リングの正面図である。
【図５】切削リングの断面（図４のａ−ａ断面及び図４のｂ−ｂ断面）図である。
【図６】切削リングと掘削機本体との連結構造を表す掘削機本体の下部断面図である。
【図７】切削リングとカッタヘッドとの連結構造を表す掘削機本体の前端部断面図である。
【図８】地中接合式トンネル掘削機によるトンネル接合作業を表す概略図である。
【図９】地中接合式トンネル掘削機によるトンネル接合作業を表す概略図である。
【符号の説明】
１１  掘削機本体
１２  前胴
１３  後胴
１８  中折ジャッキ
２１  カッタヘッド
２２  伸縮スポーク（伸縮カッタ）
３８  シールドジャッキ（推進ジャッキ）
４２  エレクタ装置
４５  切削リング
４６  外周リング
４７  内周リング
５４ａ，５４ｃ，５４ｂ，５４ｄ  カッタビット
５６  支持リング
６０  第１連結ピン
６２  リングスライドジャッキ（切削リング移動手段）
７０  第２連結ピン
７１  ドッキングピン
７３  リング位置決めピン
７４  係合溝
７８  注水路
７９  吐出口
Ｓ1   一次覆工部
Ｓ2   二次覆工部
Ｔ  既設トンネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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