JP4660665B2 - 多連型掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の断面円形のトンネルの側部を重ねて連続して構築することによって、地中を囲繞する大断面トンネルを構築する場合などに使用される、複数のトンネルを連結した多連形状の掘削が可能な多連型掘進機に関するものである。

従来、地中に大断面トンネルを構築する方法として、特許文献１，２に開示されているように、地山を複数の小断面トンネルで囲繞して大断面トンネルの覆工部を形成した後に内部の地山を掘削する方法が知られている。

また、特許文献３，４には、１台のシールド掘削機の前面に複数の切削部を設けた異形断面又は複数の円を一部重複させて連結した断面のシールド掘進機が開示されている。

この特許文献３，４に開示されているシールド掘削機は、掘削前に掘削形状に合わせて工場などで組み立てられるものである。

そして、このような横長のシールド掘削機を使用することで、円形断面のシールド掘削機で単円形の小断面トンネルを重ねて構築する場合に比べて、１／２又は１／３の掘進回数で大断面トンネルを構築することができる。
特開２０００−３１０１００号公報 特許第３１５０６６１号公報 特開２０００−２０４８７８号公報 特開２００３−３２１９９５号公報

しかしながら、前記した従来のシールド掘削機は、製作時に設定した形状のトンネルを掘削することしかできないため、覆工部の曲率が部分的に変化する大断面トンネルを構築することが難しい。

また、従来のシールド掘削機は矩形状に組み立てられることが多いので、大断面トンネルの覆工部も直線を繋げた多角形状に形成されることになり、滑らかな円形や楕円形の覆工部を構築することが難しい。

さらに、多角形の角部が隣接するトンネルとの接合部となる場合は、接触面積が少なくなるので先行して構築されたトンネルに近接させてシールド掘削機を掘進させることが難しくなるとともに、掘削精度が低下すると角部に隙間ができて構造的な弱部となるおそれがある。

そこで、本発明は、掘削形状が変化する場合に連結部の角度を変えて調整が可能な多連型掘進機を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、複数の切削部とその後方に延設される外殻とを備えた多連型掘進機であって、前記外殻は相対位置が可変である複数の筒状の外殻部によって形成されるとともに、隣接する外殻部間の連結部の角度を所定の位置で固定する角度調整機構が設けられている多連型掘進機であることを特徴とする。

ここで、前記連結部には隣接する外殻部との相対位置を変化させる可動機構を設けることが好ましい。

また、隣接する前記外殻部の一方には円筒状周面が形成され、他方には前記円筒状周面に合致する凹形切欠面が形成されており、前記円筒状周面に前記凹形切欠面を合致させるとともに前記円筒状周面に沿って隣接する外殻部間の連結部の角度を調整するように構成することができる。

このように構成された本発明の多連型掘進機は、相対位置が可変である複数の外殻部を備え、その外殻部間の連結部の角度を所定の位置で固定する角度調整機構が設けられている。

このため、立坑の内部などであっても、連結部の角度を変更した後に角度調整機構によって固定して多連型掘進機の掘削断面形状を変えることができる。

また、連結部に可動機構を設けることによって、この可動機構を作動させることで容易に連結部の角度を調整することができる。

さらに、円筒状周面と凹形切欠面を合致させて連結部を形成すれば、一方の外殻部の円筒状周面に沿って他方の外殻部を移動させればよいので、円筒状周面がガイドになって正確な位置に移動させることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の多連型掘進機としての推進先導機１の概略構成を示した斜視図である。

この推進先導機１の後方に、図２に示すような切欠円筒函体３２や円筒函体３３を３体並べて押し出して小断面トンネルを構築した後に、その小断面トンネルに沿って再び推進先導機１を掘進させることを繰り返すことで、断面視略楕円形の大断面トンネル３が形成される。

まず、本実施の形態の推進先導機１の構成について説明する。

この推進先導機１は、単体円筒形の中央掘削機１１Ａの両側に、円筒形の一部が切り欠かれた切欠円筒形状の側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃが備えられている。

これらの掘削機１１Ａ〜１１Ｃは、それぞれ切削部１２Ａ〜１２Ｃと、その切削部１２Ａ〜１２Ｃを駆動させる回転軸１４Ａ〜１４Ｃと、その回転軸１４Ａ〜１４Ｃを収容して切削部１２Ａ〜１２Ｃの後方に延設される外殻部１３Ａ〜１３Ｃとを有している。

例えば、中央掘削機１１Ａの切削部１２Ａは、フィッシュテール１２２を中心とするリング状の外縁部１２３の内側に十字形にスポーク１２４が配置され、そのスポーク１２４の前面には複数のカッタビット１２１，・・・が取り付けられることによって構成されている。

そして、このフィッシュテール１２２の背面側に回転軸１４Ａの端部が接続され、その回転軸１４Ａを中心とした円筒形状に鋼製の円筒外殻部１３Ａが形成されている。

また、側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃにも、上記中央掘削機１１Ａと同様の構成を有する切削部１２Ｂ，１２Ｃと回転軸１４Ｂ，１４Ｃとが備えられ、その回転軸１４Ｂ，１４Ｃを中心とした切欠円筒外殻部１３Ｂ，１３Ｃが形成されている。

この切欠円筒外殻部１３Ｂ，１３Ｃは、円筒状周面部分と、円筒の一部が切り欠かれて円筒状周面と同じ曲率で窪ませた凹形切欠面１３２とによって形成される断面視欠円形の外殻部である。

この凹形欠円面１３２は、隣接する円筒外殻部１３Ａの円筒状周面１３１に合致する形状であり、中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃの連結部１５Ａ，１５Ｂでは凹形欠円面１３２と円筒状周面１３１とが対面することになる。

また、中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃとは、図１に示すように中央掘削機１１Ａの軸方向で前後するように配置されており、切削部１２Ａ〜１２Ｃ同士が干渉し合わないように構成されている。

また、連結部１５Ａ，１５Ｂには、中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃとの相対位置を固定するために角度調整機構としてのロックピン２１やロック孔２２が設けられている。

すなわち、本実施の形態の推進先導機１には、隣接する外殻部１３Ａ〜１３Ｃ間の連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を所定の位置で固定する角度調整機構が設けられており、予め外殻部１３Ａ〜１３Ｃの所定の位置に設けられたロック孔２２にロックピン２１を挿入することで、掘削機１１Ａ〜１１Ｃ間の連結部１５Ａ，１５Ｂを所定の角度で固定することができる。

なお、未使用時のロック孔２２には栓体（図示せず）を設置して閉塞し、ロックピン２１を挿入する際にもゴムパッキンなどによって止水をおこなう。

次に、連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を変える際の可動機構４の詳細について、図３，４を参照しながら説明する。

なお、以下では中央掘削機１１Ａと正面視左側の側方掘削機１１Ｂとの関係で連結部１５Ａに設けられる可動機構４について説明するが、中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｃとの連結部１５Ｂにも同様の可動機構４が設けられる。

この連結部１５Ａに設けられる可動機構４には、切欠円筒外殻部１３Ｂの凹形切欠面１３２の断面視略中央に設けられたスリット（図示せず）から歯部が突出する円盤形ギア４２が設けられている。

この円盤形ギア４２は、図４（ａ）に示すように側方掘削機１１Ｂの軸方向に間隔をおいて２体配置され、この２体の円盤形ギア４２，４２の間に配置された駆動モータ４１に接続されている。

また、この円盤形ギア４２，４２に噛合するような円弧形ギア４３，４３が、円筒外殻部１３Ａの円筒状周面１３１に沿って配置されている。

一方、円弧形ギア４３，４３よりも円筒外殻部１３Ａの軸方向外側に、円筒状周面１３１に沿って円弧状の溝部４４，４４が形成されている。

この溝部４４は、図４（ｂ）（図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図）に示すように、切欠円筒外殻部１３Ｂに向けて開口された幅の狭い開口部４４１とそこに連通される拡幅された内空部４４２とによって断面視略凹形に形成されている。

この内空部４４２には、車輪４５，４５が配置され、その車輪４５，４５に連結された連結具４６は側方掘削機１１Ｂ内まで延出されている。

また、この連結具４６の端部に連結させるコ字型の伝達部４６１はジャッキ４７，４７を縮めた状態で取り付け、ジャッキ４７，４７を伸ばしてその先端と伝達部４６１の端面を連結することによって、円筒外殻部１３Ａと切欠円筒外殻部１３Ｂとの間隔を適正な間隔に調整することができる。

次に、図２に示すような大断面トンネル３の構築方法を説明するとともに、この実施の形態の作用について説明する。

まず、図示しない立坑の内部から先行函体３１用の推進機（図示せず）を発進させて先導トンネルを構築する。

そして、この先導トンネルに設置した先行函体３１に沿って本実施の形態の推進先導機１を立坑から発進させる。

この推進先導機１は、立坑内部から推進ジャッキ（図示せず）によって地中に押し出すことによって掘進させる。また、この推進先導機１を発進させた立坑内部には、３体の単位長さの切欠円筒函体３２，３２，３２を搬入し、横に並べて推進先導機１の外形に合わせて連結し、推進先導機１の後端に当接させる。

この状態で切欠円筒函体３２，３２，３２の後端を推進ジャッキで押し出せば、推進先導機１がさらに地中に押し出されることになる。

このように切欠円筒函体３２，３２，３２の接続と推進ジャッキによる押し出しを繰り返して、推進先導機１を到達立坑（図示せず）まで到達させるとともにその後方に切欠円筒函体３２，・・・によって形成される３本のトンネルを構築する。

この推進先導機１は、到達立坑の内部で反転させて発進立坑方向に前面を向けて次の掘削に再度使用する。

ここで、図２に示すように断面視略楕円形の大断面トンネル３の覆工部３０は、位置によって曲率が異なっているため、推進先導機１の連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を可動機構４と角度調整機構とによって変化させて固定することで掘削形状の調整をおこなう。

例えば、頂上の先行函体３１に沿って掘進させる際は、覆工部３０の曲率が小さいので掘削機１１Ａ〜１１Ｃを横並びさせた先導推進機１を傾けて発進させればよい（図３（ａ）参照）。

そして、その次の断面を掘削する前に、立坑の内部で可動機構４を動かすことによって側方掘削機１１Ｂの中央掘削機１１Ａに対する相対位置を変化させる（図３（ｂ）参照）。

この可動機構４による動作を説明すると、まず駆動モータ４１を駆動させると円盤形ギア４２が回転し、その円盤形ギア４２に噛合した円弧形ギア４３に沿って円盤形ギア４２が上昇することによって、円盤形ギア４２が固定された側方掘削機１１ＢがＲ方向に上昇する。

この際、側方掘削機１１Ｂ側に一端が係留された連結具４６の先端に設けられた車輪４５が、中央掘削機１１Ａの溝部４４内を走行することで移動時のガイドとすることができる。また、連結具４６によって中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｂは連結されているので、移動時に両者が離隔してしまうことはない。

このようにして所望する角度に連結部１５Ａの角度を設定した後に円筒状周面１３１と凹形切欠面１３２に設けたロック孔２２にロックピン２１を挿入し、中央掘削機１１Ａと側方掘削機１１Ｂの相対位置を所望する角度で固定する。

また、連結部１５Ａ，１５Ｂ、溝部４４、円弧形ギア４３などに対しては、止水処理をおこなって掘進中に地下水や土砂が推進先導機１の内部に侵入しないようにする。

そして、このように連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を調整した推進先導機１を立坑から発進させ、その後方に追従させた切欠円筒函体３２、円筒函体３３によって形成される小断面トンネルの構築を繰り返すことによって、図２に示すような地中を囲繞する大断面トンネル３の覆工部３０を構築する。

なお、２台の推進先導機１，１を先行函体３１の両側から発進させることで１台の推進先導機１で覆工部３０を構築する場合に比べて工期を短縮することができる。さらに、３台以上の推進先導機１，・・・を使用する場合は、先導トンネルの数を増やして推進先導機１，・・・が発進できる箇所を増やせばよい。

また、この大断面トンネル３の端部には、立坑などによって閉塞壁３４を構築し、この閉塞壁３４には本線トンネル３５やランプトンネル３６を接続する。

このように構成された本実施の形態の推進先導機１は、相対位置が可変である複数の外殻部１３Ａ〜１３Ｃを備え、その外殻部間の連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を所定の位置で固定するロックピン２１やロック孔２２などの角度調整機構が設けられている。

このため、立坑の内部などであっても、連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を変更した後に角度調整機構によって固定して推進先導機１の掘削断面形状を容易に変えることができる。

また、可動機構４を作動させることによって容易に連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を変化させることができる。

さらに、中央掘削機１１Ａの円筒外殻部１３Ａの円筒状周面１３１に沿って側方掘削機１１Ｂ，１１Ｃの切欠円筒外殻部１３Ｂ，１３Ｃを移動させればよいので、円筒状周面１３１がガイドになって正確な位置に移動させることができる。

そして、本実施の形態のような推進工法であれば、推進先導機１の内部でセグメントを組み立てることがないので、可動機構４を設けても障害になることはない。

また、このような多連型の推進先導機１によって複数の小トンネルを一度に掘削できるようになれば、推進先導機１の掘進回数を大幅に削減して工期を短縮することができる。

以下、前記した実施の形態の実施例１について説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

前記実施の形態では、図２に示すような断面視略楕円形の大断面トンネル３を構築する場合について説明したが、この実施例１では図５（ａ）、（ｂ）に示すような断面視略馬蹄形又は断面視略四角形の大断面トンネルを構築する場合について説明する。

まず、図５（ａ）に示した断面視略馬蹄形の馬蹄形トンネル３Ａは、頂点付近と脚部付近と底面付近とで曲率又は角度が違っている。

このため、頂点付近を掘進させるときの推進先導機１Ａと、側面を掘進させるときの推進先導機１Ｂと、脚部付近を掘進させるときの推進先導機１Ｃと、底面付近を掘進させるときの推進先導機１Ｄとでは、連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を変えて掘削形状を変化させる必要がある。

また、図５（ｂ）に示した断面視略長方形の矩形トンネル３Ｂでは、上辺及び下辺を掘進させる推進先導機１Ｅ，１Ｇは掘削機１１Ａ〜１１Ｃが水平方向に並ぶように連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を調整し、角部を掘進させる推進先導機１Ｆ，１Ｈは中央掘削機１１Ａを中心に直角が形成されるように連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を調整することで角部と辺部とで異なる掘削形状となるように調整している。

このように位置によって曲率や角度が異なる場合であっても、立坑内で可動機構４を作動させて連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を変更して角度調整機構で固定するようにすれば、一台の推進先導機１で所望する様々な掘削形状の掘削をおこなうことができる。

また、角部や曲率が大きく変化する箇所を一台の推進先導機１によって構築することができるので、角部等に隙間が開くことがなく、構造的に優れた大断面トンネルを構築することができる。

さらに、掘削精度を向上させることができるので、余分な掘削や余掘りによって形成される空洞の充填作業などが減って工事費を削減することができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、実施例２について説明する。なお、前記実施の形態又は実施例１で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

前記実施の形態では、略円筒形の掘削機１１Ａ〜１１Ｃを３連にした推進先導機１について説明したが、この実施例２では略四角筒形状の掘削機を二連結した多連型掘進機としての二連推進機５０について説明する。

この二連推進機５０は、図６に示すように、断面視略矩形で側部に半円形の凸部を有する凸側掘削機５１Ａと、同じく断面視略矩形で側部に半円形の凹部を有する凹側掘削機５１Ｂとを、凹部と凸部を合致させることによって連結させている。

この凸側掘削機５１Ａは、前面に切削部５２Ａを備えるとともに、その後方に凸型外殻部５３Ａが延設されている。

この切削部５２Ａには、凸部を含めた円形掘削をおこなう中央カッタ５２１と、中央カッタ５２１で掘削できない側部の掘削をおこなうサブカッタ５２３，５２３とが備えられている。

さらに、中央カッタ５２１及びサブカッタ５２３，５２３には、中央カッタ５２１やサブカッタ５２３，５２３では掘削できない部分を掘削する伸縮式のコピーカッタ５２２，・・・が備えられている。なお、図６ではカッタビットなどの詳細は省略されている。

また、凹側掘削機５１Ｂは、前面に切削部５２Ｂを備えるとともに、その後方に凹型外殻部５３Ｂが延設されている。

この切削部５２Ｂは、円形掘削をおこなうカッタであって、凸側掘削機５１Ａの中央カッタ５２１では掘削できない部分を掘削する伸縮式のコピーカッタ５２２，・・・が備えられている。

そして、凸側掘削機５１Ａと凹側掘削機５１Ｂとは、凸部と凹部で合致するように連結されており、その連結部５５にはリップシールなどのシール材５５１，５５１が取り付けられている。

また、この凹側掘削機５１Ｂは、図６の２点鎖線に示すように凸側掘削機５１Ａの円筒状周面に沿って移動して連結部５５の角度を変更できるように構成されている。

この連結部５５の角度を変更する構成は色々と考えられるが、例えば図７に示すような可動機構５４とすることができる。

この可動機構５４は、回転ピン５４２で支持された連結材５４３と、その上下に配置される伸縮ジャッキ５４１Ａ，５４１Ｂと、その伸縮ジャッキ５４１Ａ，５４１Ｂの先端を当接させる反力材５４５とを備えている。

すなわち、二連推進機５０の凸型外殻部５３Ａの内部には、凹型外殻部５３Ｂ方向に伸縮する伸縮ジャッキ５４１Ａ，５４１Ｂが上部と下部に配置されている。

また、凸型外殻部５３Ａと凹型外殻部５３Ｂは、凸型外殻部５３Ａに回転ピン５４２によって支持された連結材５４３によって連結されている。なお、この連結材５４３は、支持材５４４によって凹型外殻部５３Ｂの内部に固定されている。

さらに伸縮ジャッキ５４１Ａ，５４１Ｂの先端が当接する凹型外殻部５３Ｂの内部には、反力材５４５，５４５が配置されている。

このように構成された二連推進機５０は、上部の伸縮ジャッキ５４１Ａを伸長し、下部の伸縮ジャッキ５４１Ｂを縮めると、凹型外殻部５３Ｂが回転ピン５４２を中心に回動して下がることになる。

このようにして調整される連結部５５の角度は、伸縮ジャッキ５４１Ａ，５４１Ｂの伸縮量によって所望する角度に調整することが容易にできる。

また、二連推進機５０は、連結数が最小の二連であるため、立坑内においても取り扱い易く施工性に優れている。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は実施例１と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態で説明した大断面トンネル３の覆工部３０の構築方法と同様な方法によって、隣接するトンネル間にアーチ形のフード状隔壁を設けることができる。

また、前記実施の形態では３つの円を重複させた三連の多連型掘進機について説明したが、これに限定されるものではなく、四連以上の組み合わせの多連型掘進機であってもよい。

また、前記実施の形態では、切削部１２Ａ〜１２Ｃの位置をトンネル軸方向の前後にずらすことによって回転時の干渉を避けたが、これに限定されるものではなく、複数の切削部を同一面内に並べて、スポークの長さを調整したり、切削部の動きを揺動にしたり、同期させたりして互いに干渉し合わないように構成することができる。

さらに、前記実施の形態及び実施例では、回転軸１４Ａ〜１４Ｃによって回転する切削部１２Ａ〜１２Ｃについて説明したが、これに限定されるものではなく、切削部が一回転するのではなく揺動するような構造であってもよい。

また、前記実施の形態では、角度調整機構としてロックピン２１とロック孔２２について説明したが、これに限定されるものではなく、可動機構４，５４によって移動させた後にこの可動機構４，５４をロックさせて所定の角度に固定させる機構であってもよい。

さらに、前記実施の形態では、可動機構４によって掘削機１１Ａ〜１１Ｃを移動させたが、これに限定されるものではなく、立坑の内部でクレーンやジャッキを使用して掘削機１１Ａ〜１１Ｃを所定の位置まで移動させ、ロックピン２１などの角度調整機構によって連結部１５Ａ，１５Ｂの角度を固定する構成であってもよい。

本発明の最良の実施の形態の推進先導機の概略構成を説明する斜視図である。 大断面トンネルの概略構成を説明する断面図である。 推進先導機の連結部の角度を変化させる工程を説明する説明図である。 連結部に設けられた可動機構の詳細を説明する図であって、（ａ）は推進先導機の一部切断平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線方向の断面図である。 実施例１の大断面トンネルの概略構成を説明する断面図である。 実施例２の二連推進機の概略構成を説明する正面図である。 二連推進機の連結部の角度を変化させる可動機構の概略構成を説明する断面図である。

符号の説明

１ 推進先導機（多連型掘進機）
１１Ａ 中央掘削機
１１Ｂ，１１Ｃ 側方掘削機
１２Ａ〜１２Ｃ 切削部
１３Ａ 円筒外殻部（外殻部）
１３Ｂ，１３Ｃ 切欠円筒外殻部（外殻部）
１３１ 円筒状周面
１３２ 凹形切欠面
１５Ａ，１５Ｂ 連結部
２１ ロックピン（角度調整機構）
２２ ロック孔（角度調整機構）
４ 可動機構
５０ 二連推進機（多連型掘進機）
５１Ａ 凸側掘削機
５１Ｂ 凹側掘削機
５２Ａ，５２Ｂ 切削部
５３Ａ 凸型外殻部（外殻部）
５３Ｂ 凹型外殻部（外殻部）
５４ 可動機構
５５ 連結部

Claims (2)

1. 複数の切削部とその後方に延設される外殻とを備えた多連型掘進機であって、
   前記外殻は相対位置が可変である複数の筒状の外殻部によって形成されるとともに、隣接する外殻部間の連結部の角度を所定の位置で固定する角度調整機構が設けられており、
   隣接する前記外殻部の一方には円筒状周面が形成され、他方には前記円筒状周面に合致する凹形切欠面が形成されており、前記円筒状周面に前記凹形切欠面を合致させるとともに前記円筒状周面に沿って隣接する外殻部間の連結部の角度を調整することを特徴とする多連型掘進機。
2. 前記連結部には隣接する外殻部との相対位置を変化させる可動機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多連型掘進機。

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