JP4884304B2 - トンネル掘削機の推進方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機の掘削反力及び推進反力（以下、トンネル掘削機の反力と言う）を取り易いトンネル掘削機の推進方法に関する。

トンネル掘削機の反力を得るためのグリッパ装置と呼ばれる反力支持装置を備えたトンネル掘削機が知られている（特許文献１参照）。
特開平１１−０３６７８６号公報

グリッパ装置と呼ばれる反力支持装置の場合、トンネル掘削機によって掘削されたトンネル空洞部の径に沿った方向に伸縮するアームを備え、このアームの先端に設けられた接触面をトンネル空洞部の内面の一部に接触させて接触面と内面の一部との摩擦力によってトンネル掘削機の反力を得る構成である。即ち、グリッパ装置の場合、接触面と内面の一部との接触面積が小さくなり、トンネル掘削機の反力を得るために必要な摩擦力を得ることが難しい。つまり、トンネル空洞部の内面の一部でトンネル掘削機を推進させる際の反力を得る方法なので、トンネル掘削機の反力を取りにくいという課題があった。また、接触面と内面の一部との接触面積が小さくなるので、大きな反力を得にくいという課題もあった。

本発明は、トンネル空洞部の内面の全周に沿った外周面を備え、外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力によってトンネル掘削機を推進させる際の反力を得る反力支持装置を複数個用いたトンネル掘削機の推進方法であり、当該複数個の反力支持装置をトンネル掘削機の推進方向に沿ったトンネル空洞部内の前後に並ぶように設置するとともに、前後の反力支持装置を互いに連結して反力支持構造体を構築して、反力支持構造体を形成する複数個の反力支持装置の外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力によってトンネル掘削機を推進させる際の反力を得てトンネル掘削機を推進させた後、反力支持構造体の後端の反力支持装置を連結解除して反力支持構造体の前方に移動し、前方に移動させた反力支持装置と反力支持構造体の前端の反力支持装置とを連結することによって新たな反力支持構造体を構築し、この新たな反力支持構造体を用いて得られた反力でトンネル掘削機を推進させるトンネル掘削機の推進方法であって、反力支持装置は、外周面が、トンネル空洞部の内壁面の下部に形成されたインバートと、インバートの形成されていないトンネル空洞部の下部以外の内面である弧面に接触する複数の弧状部材とを備え、複数の弧状部材により形成された弧状体の外周面とトンネル空洞部の弧面との摩擦力及びインバートとトンネル空洞部の内壁面との摩擦力によって、トンネル掘削機を推進させる際の反力を得るようにしたことを特徴とする。

本発明によるトンネル掘削機の推進方法によれば、反力支持装置の外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力を大きくできるので、トンネル掘削機の反力を取り易く、しかも、反力支持構造体を形成する複数個の反力支持装置の外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力によってトンネル掘削機を推進させる際に大きな反力を得ることができる。さらに、反力支持構造体の後端の反力支持装置を連結解除して反力支持構造体の前方に移動し、前方に移動させた反力支持装置と反力支持構造体の前端の反力支持装置とを連結することによって新たな反力支持構造体を構築し、この新たな反力支持構造体を用いて得られた反力でトンネル掘削機を推進させたので、所望の推進力を反力支持装置の有効活用によって得ることができ、経済的な推進方法を提供できる。

図１乃至図３は最良の形態１を示し、図１はトンネル掘削機の推進方法を示し、図２はトンネル掘削機及び反力支持装置を示し、図３（ａ）は図２のＡで示した方向から見た場合の小径時の反力支持装置を示し、図３（ｂ）は図２のＡで示した方向から見た場合の大径時の反力支持装置を示す。

図２を参照し、トンネル掘削機及び反力支持装置の構成を説明する。
トンネル掘削機１は、円筒状の胴筒２、胴筒の前端に設けられた地山掘削用のカッタヘッド３、カッタヘッド駆動機構４、推進装置５を備える。
胴筒２は、スキンプレートやテールプレートなどと呼ばれる部分である。
カッタヘッド３は、円盤状の面盤１３の前面１４に複数のカッタビット１５を備えた構成であり、胴筒２の前側に、中心軸１６を回転中心として回転可能に設けられる。
カッタヘッド３を回転させるためのカッタヘッド駆動機構４は、胴筒２の前側に中心軸１６を回転中心として回転可能に設けられた回転盤１７と、回転盤１７の周縁部１８に沿って後方に突出して設けられたリング体１９の内側（あるいは外側）に内歯ギヤ２０が形成されたリングギヤ２１と、複数の駆動モータ２２と、駆動モータ２２のモータ軸２３に設けられてリングギヤ２１の内歯ギヤ２０に噛み合う駆動ギヤ２４と、回転盤１７の前面２５とカッタヘッド３の後面２６とを連結する複数の連結部材２７とで形成される。複数の駆動モータ２２のモータ軸２３が回転すると、駆動ギヤ２４の回転力がリングギヤ２１に伝達されて回転盤１７及びカッタヘッド３が回転する。尚、回転盤１７とリングギヤ２１とにより形成される回転体１７Ａは、胴筒２の前部に形成された回転収容部１７Ｂに前後移動が規制された状態で回転可能に収容される。
推進装置５は、複数の推進ジャッキ７により形成される。推進ジャッキ７はシリンダ６及びピストン８を備える。複数の推進ジャッキ７のシリンダ６は、胴筒２の後端よりも後方に突出する取付枠１０１の後端部に取付けられる。取付枠１０１は胴筒２の後端部内面に固定される。取付枠１０１には、トンネル空洞部３１の内壁面３０に吹付けコンクリート３４を吹付けるための吹付け機１０２も取り付けられる。

反力支持装置１０は、トンネル掘削機１により掘削されたトンネル空洞部３１の内面３２の全周に沿った外周面３３を備えたリング状の鋼製フレームにより形成される。トンネル空洞部３１の内面３２は、トンネル空洞部３１の内壁面３０に吹き付けられた吹付けコンクリート３４により形成される。反力支持装置１０の外周面３３とトンネル空洞部３１の内面３２との摩擦力によって推進ジャッキ７のピストン８の押圧力を受けてトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得ることができる。このため、反力支持装置１０は、図２に示すように、トンネル掘削機１の推進方向に沿って進退する推進ジャッキ７のピストン８の後端面８ａと接触する受け面１２を備える。受け面１２は、円板の周縁部のみを残して中央部を除いたリング形状の面により形成される（図３（ａ）参照）。
尚、推進ジャッキ７は、反力支持装置１０のリング状の受け面１２の複数の箇所に対応するように、取付枠１０１の後端部に、胴筒２の内周面の周方向に沿って所定の間隔を隔てて複数設けられる。

反力支持装置１０は、図３（ａ）に示すように、円周の１／ｎ（例えば１／４）の長さの弧状の外周面３５及び内周面３６を備えた複数の弧状部材３７の互いに隣り合う端部３８；３８同士が伸縮機構としてのジャッキ３９によって互いに連結されたリング体１１により形成される。即ち、端部３８；３８が互いに隣り合う一方の弧状部材３７の端部３８とジャッキ３９のシリンダ４０とが連結され、他方の弧状部材３７の端部３８とジャッキ３９のピストン４１とが連結される。反力支持装置１０は、図３（ａ）に示すように、各ジャッキ３９のピストン４１が縮んだ状態の小径時においては、リング体１１の外径がトンネル空洞部３１の内面３２で囲まれた円の径よりも小さい。図３（ｂ）に示すように、操作者が各ジャッキ３９を操作してピストン４１を伸ばせば、互いに隣り合う弧状部材３７；３７がピストン４１の伸縮方向に沿って互いに離れるように移動することによって、リング体１１の外径の寸法が大きくなり、各弧状部材３７の外周面３５により形成された反力支持装置１０の外周面３３がトンネル空洞部３１の内面３２に接触する。即ち、反力支持装置１０は、外周面３３が複数の弧状部材３７の外周面３５により形成され、互いに隣り合う弧状部材３７の端部３８；３８同士がジャッキ３９により互いに連結されたリング体１１により形成され、ジャッキ３９のピストン４１が伸びた場合に互いに隣り合う弧状部材３７がトンネル空洞３１部の内面３２に沿って互いに離れる方向に移動して、リング体１１の外径が拡大することにより、複数の弧状部材３７の外周面３５がそれぞれトンネル空洞部３１の内面３２に押し付けられるよう構成され、外周面３３とトンネル空洞部３１の内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得るものである。従って、複数の弧状部材３７の外周面３５と内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１の反力が確保され、トンネル掘削機１を推進させることができる。つまり、反力支持装置１０の外周面３３と内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１の反力を得ることにより、トンネル掘削機１を推進させる際の反力が内面３２の全周面に分散されるので、トンネル空洞部３１の内面３２の全周面でトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得て、トンネル掘削機１を推進させる構成となる。

尚、反力支持装置１０のリング体１１は、リング体１１の中心と外周面３３とを結ぶ直線に沿ってリング体１１の中心からリング体１１に加わるような力によって径が大きくなるのではなく、リング体１１のリングの弧の弦の延長方向となるピストン４１の伸び方向に沿って複数の弧状部材３７の外周面３５が内面３２に接触するまで複数の弧状部材３７が互いに離れるように移動することにより、外周面３５が内面３２に突っ張るように接触するものである。このように、リング体１１のリングの弧の弦の延長方向に沿って弧状部材３７が互いに離れるようにして内面３２に接触するので、リング体１１の中心からリング体１１に加わるような力で内面３２を押圧する構成と比べて、内面３２に加わるせん断力を小さくでき、内面３２に凹凸が形成されることを防止できる。

リング体１１により形成される反力支持装置１０は、例えば、少なくとも１つの弧状部材３７が二つ以上の分割部材４２により形成されて分割部材４２が互いに分割可能に連結されたとともに、分割可能に連結された弧状部材３７以外の弧状部材３７が、二つ以上の分割部材４２により形成されて分割部材４２が互いにヒンジ４４により互いに回転可能に連結された構成とする。例えば、図中の４つの弧状部材３７の１つ１つがそれぞれ二つの分割部材４２により形成されたものとし、下の弧状部材３７Ａは、二つの分割部材４２がボルト及びナットのような締結手段４５によって互いに分割可能に連結された構成とし、図中の上、左、右の弧状部材３７は、二つの分割部材４２がヒンジ４４により互いに回転可能に連結された構成とする。ヒンジ４４は例えば二つの分割部材４２を締結するボルト４６及びナット４７の互いに締結を緩めたボルト４６の軸により形成できる。以上のような構成とすれば、締結手段４５で連結された分割部材４２を分割するとともに、ボルト４６及びナット４７の互いの締結を緩めたボルト４６の軸により形成されたヒンジ４４を回転中心としてヒンジ４４で互いに回転可能に連結された分割部材４２を回転させることによって、反力支持装置１０の径を小さくできる。即ち、図３（ｂ）のように、外周面３３と内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１の反力を得るように設置された反力支持装置１０のリング体１１の内周で囲まれた内側円形空間４８の円の直径４９よりも反力支持装置１０の径を小さくできる。よって、後述するように、トンネル空洞部３１の後端に設置された反力支持装置１０の径を小さくし、この後端の反力支持装置１０をこの後端の反力支持装置１０よりも前方に設置された複数の反力支持装置１０の内側円形空間４８を経由させて複数の反力支持装置１０の最も前側の反力支持装置１０の前方に容易に移動させることができる。
尚、反力支持装置１０は、リング体１１を半分あるいは３つ以上に分割可能に形成して、リング体１１を半分あるいは３つ以上に分割することによって、トンネル空洞部３１内の前方で反力を得られる状態に設置された反力支持装置１０の複数の弧状部材３７で囲まれた内側円形空間４８を経由してトンネル空洞部３１の後方から前方に移動させることができるようにした構成としてもよい。

図１を参照し、トンネル掘削機の推進方法を説明する。地山５０を最初に掘削する際には、推進ジャッキ７のピストン８の反力を得るための図外の反力支持装置を設置し、カッタヘッド３を駆動しながら推進ジャッキ７のピストン８を伸ばして図外の反力支持装置でトンネル掘削機１の反力を得ることにより、トンネル掘削機１が地山５０を掘削して推進する。トンネル掘削機１によって掘削されたトンネル空洞部３１内にトンネル掘削機１が入り込んだ後、トンネル掘削機１の後方に形成されたトンネル空洞部３１の内壁面３０に支保工５１を構築するとともに吹付け機１０２で覆工としての吹付けコンクリート３４を形成する。そして、反力支持装置１０をトンネル掘削機１の推進方向に沿ったトンネル空洞部３１内の前後に複数個設置するとともに前後の反力支持装置１０；１０を連結装置５２で互いに連結して反力支持構造体５３を構築する（図１（ａ）参照）。この反力支持構造体５３を構成する複数個の反力支持装置１０の外周面３３とトンネル空洞部３１の内面３２との摩擦力によりトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得ることによって、トンネル掘削機１を推進させることができる。つまり、カッタヘッド３を駆動しながら推進ジャッキ７のピストン８を伸ばして反力支持構造体５３の前端の受け面１２に押し当てることで、トンネル掘削機１がトンネル空洞部３１の前方を掘削しながら推進する（図１（ｂ）参照）。
尚、反力支持装置１０は、トンネル空洞部３１内の前後に形成された支保工５１と支保工５１との間に設置する。これにより、反力支持装置１０の外周面３３と内面３２とを密に接触させることができるので、反力支持装置１０の外周面３３と内面３２との摩擦力を効率的に得ることができる。

そして、反力支持構造体５３を形成する複数の反力支持装置１０の外周面３３とトンネル空洞部３１の内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得てトンネル掘削機１を推進させた後に、反力支持構造体５３の後端の反力支持装置１０ａとその直前の反力支持装置１０ｂとの連結装置５２による連結を解除する（図１（ｂ）参照）。そして、連結を解除した反力支持構造体５３の後端の反力支持装置１０の弧状部材３７の分割部材４２を締結手段４５を取り外して分割したり、弧状部材３７の分割部材４２をヒンジ４４によって回転させることによって反力支持装置１０の径を小さくする。この径を小さくした後端の反力支持装置１０ａを、図１（ｂ）の矢印Ｘで示すように、当該反力支持装置１０ａよりも前方に設置された複数の反力支持装置１０の内側円形空間４８を経由させてこの複数の反力支持装置１０の最も前側の反力支持装置１０ｘの前方に移動させる。当該前方に移動させた反力支持装置１０ａを図３（ｂ）に示すように設置した後に、当該反力支持装置１０ａとその直後の反力支持装置１０ｘとを連結装置５２で連結することで新たな反力支持構造体５３を構築する（図１（ｃ）参照）。そして、この新たな反力支持構造体５３により反力を得てトンネル掘削機１を推進させる。以後、同様に、反力支持装置１０をトンネル空洞部３１の後方から前方に盛り替えて行くことで、トンネル掘削機１を継続して推進させることができる。

最良の形態１によれば、反力支持装置１０を備えたので、反力支持装置１０の外周面３３と内面３２との接触面積が大きくなり、トンネル空洞部３１の内面３２の全周面でトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得ることができる。従って、グリッパ装置と呼ばれる反力支持装置と比べて、トンネル掘削機１の反力を取り易くなる。
また、グリッパ装置と呼ばれる反力支持装置の場合、トンネル空洞部３１の径に沿った方向に伸縮するアームの先端に設けられた接触面がトンネル空洞部３１の内面３２の一部にめり込んでしまって内面３２に凹凸が生じやすく、凹凸を補修しなければならなくなるという問題もあったが、最良の形態１によれば、トンネル掘削機１を推進させる際の反力がトンネル空洞部３１の内面３２の全周面に分散されるので、内面３２の凹凸を小さくできるとともに、トンネル掘削機１を推進させる際に大きな反力を得ることができ、大きな推進力を得ることができる。
特に、ジャッキ３９により、反力支持装置１０を形成するリング体１１のリングの弧の弦の延長方向に沿って弧状部材３７が互いに離れるように構成されたので、トンネル空洞部３１の内面３２に加わるせん断力を小さくでき、内面３２に凹凸が形成されることを防止できる。
前後の反力支持装置１０；１０を連結装置５２で互いに連結して反力支持構造体５３を構築したことによって、トンネル掘削機１を推進させる際に大きな反力を得ることができるようになり、大きな推進力を得ることができる。
反力支持装置１０のリング体１１を形成する弧状部材３７が、分割可能に連結された二つ以上の分割部材４２により形成されたり、ヒンジ４４により互いに回転可能に連結された二つ以上の分割部材４２により形成されたので、反力支持装置１０のリング体１１の内周で囲まれた内側円形空間４８の円の直径４９よりも反力支持装置１０の径を小さくできるので、反力支持装置１０を反力支持構造体５３の後方から前方に容易に移動できるようになり、反力支持構造体５３の反力支持装置１０を後方から前方に盛り替える作業が容易となる。
そして、反力支持構造体５３の後端の反力支持装置１０をトンネル空洞部３１の後方から前方に盛り替えて新しい反力支持構造体５３を構築することで、トンネル掘削機１を継続して推進させることができるため、所望の推進力を反力支持装置１０の有効活用によって得ることができ、経済的な推進方法を提供できる。

尚、反力支持装置１０が、反力支持構造体５３の後方から前方に移動できるように形成されていない場合には、トンネル掘削機１を推進させる毎に、反力支持構造体５３を形成する複数の反力支持装置１０をトンネル空洞部３１の前方に位置するものからそのまま順番にトンネル空洞部３１の前方に移動させて設置し直さなくてはならなくなり、作業が非常に煩雑となってしまう。これに対して、最良の形態１のように、反力支持装置１０が、反力支持構造体５３の後方から前方に移動できるように形成されている場合には、移動させる反力支持装置１０以外の反力支持装置１０を操作して設置し直さなくてもよいので、作業が容易となって、作業効率が格段に向上し、経済的である。

最良の形態２
図４（ａ）：図４（ｂ）に示すような反力支持装置１０を用いてもよい。尚、図４は図３と対応させた図である。この反力支持装置１０は、外周面３３が、トンネル空洞部３１の内壁面３０の下部に形成されたインバート６０と、インバート６０の形成されていないトンネル空洞部３１の下部以外の内面３２である弧面６２に接触する複数の弧状部材６３とにより形成される。弧面６２は吹付けコンクリート３４により形成される。複数の弧状部材６３は、互いに隣り合う弧状部材６３の端部６４；６４同士が伸縮機構としてのジャッキ３９により互いに連結されて弧状体６５を形成する。さらに、インバート６０を挟んで対向する左右の弧状部材６３の下端部６６；６６間を伸縮させるジャッキ６７を備える。６８はジャッキ６７を固定する固定台である。

弧状体６５により形成される反力支持装置１０は、例えば、弧状部材６３がヒンジ４４により互いに回転可能に連結された二つ以上の分割部材４２により形成される。例えば、図中の３つの弧状部材６３の１つ１つがそれぞれ二つの分割部材４２により形成されたものとし、３つの弧状部材６３のそれぞれの分割部材４２がヒンジ４４により互いに回転可能に連結された構成とする。ヒンジ４４は最良の形態１と同様な構成とすればよい。以上のような構成とすれば、ヒンジ４４で弧状部材６３の分割部材４２を回転させることによって反力支持装置１０の径を小さくできる。即ち、図４（ｂ）のように、外周面３３と内面３２との摩擦力によってトンネル掘削機１の反力を得るように設定された反力支持装置１０の弧状体６５の内周で囲まれた内側空間４８の弧の直径よりも反力支持装置１０の径を小さくできる。

最良の形態２の反力支持装置１０によれば、ジャッキ３９のピストン４１が伸びた場合に互いに隣り合う弧状部材６３；６３がトンネル空洞部３１の弧面６２に沿って互いに離れる方向に移動して複数の弧状部材６３；６３がそれぞれ弧面６２と接触するとともに、ジャッキ６７のピストン６７ａが伸びた場合に左右の弧状部材６３；６３の下端部６６；６６がインバート６０の左右の端部６９；６９に位置される。よって、複数の弧状部材６３により形成された弧状体６５の外周面７０とトンネル空洞部３１の弧面６２との摩擦力及びインバート６０とトンネル空洞部３１の内壁面３０との摩擦力を得ることができ、弧状体６５とインバート６０とを備えたことで、トンネル空洞部３１の弧面６２とインバート６０と接触する内壁面３０とにより形成されたトンネル空洞部３１の内面７１の全周面でトンネル掘削機１を推進させる際の反力を得ることができるようになり、トンネル掘削機１の反力を取り易い。また、弧状体６５の弧の弦の延長方向に沿って弧状部材６３が互いに離れるように構成されたので、トンネル空洞部３１の弧面６２に加わるせん断力を小さくでき、トンネル空洞部３１の弧面６２に凹凸が形成されることを防止できる。また、反力支持構造体５３の後端の反力支持装置１０を後方から前方に盛り替えて新しい反力支持構造体５３を構築でき、移動させる反力支持装置１０以外の反力支持装置１０を操作して設置し直さなくてもよいので、作業が容易となって、作業効率が格段に向上し、経済的である。

トンネル空洞部３１の内面３２や弧面６２を吹付けコンクリート３４により形成したが、地山５０が安定している場合は、トンネル空洞部３１の内面３２や弧面６２をトンネル空洞部３１の内壁面３０（地山５０）により形成してもよい。

トンネル掘削機の推進方法を示す図（最良の形態１）。 トンネル掘削機及び反力支持装置の構成を示す断面図（最良の形態１）。 反力支持装置の構成図（最良の形態１）。 反力支持装置の構成図（最良の形態２）。

符号の説明

１ トンネル掘削機、１０ 反力支持装置、３０ トンネル空洞部の内壁面、
３１ トンネル空洞部、３２ トンネル空洞部の内面、３３ 反力支持装置の外周面、
３７ 弧状部材、３９ ジャッキ（伸縮機構）、４２ 分割部材、４４ ヒンジ、
５３ 反力支持構造体。

Claims (1)

1. トンネル空洞部の内面の全周に沿った外周面を備え、外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力によってトンネル掘削機を推進させる際の反力を得る反力支持装置を複数個用いたトンネル掘削機の推進方法であり、当該複数個の反力支持装置をトンネル掘削機の推進方向に沿ったトンネル空洞部内の前後に並ぶように設置するとともに、前後の反力支持装置を互いに連結して反力支持構造体を構築して、反力支持構造体を形成する複数個の反力支持装置の外周面とトンネル空洞部の内面との摩擦力によってトンネル掘削機を推進させる際の反力を得てトンネル掘削機を推進させた後、反力支持構造体の後端の反力支持装置を連結解除して反力支持構造体の前方に移動し、前方に移動させた反力支持装置と反力支持構造体の前端の反力支持装置とを連結することによって新たな反力支持構造体を構築し、この新たな反力支持構造体を用いて得られた反力でトンネル掘削機を推進させるトンネル掘削機の推進方法であって、
   反力支持装置は、外周面が、トンネル空洞部の内壁面の下部に形成されたインバートと、インバートの形成されていないトンネル空洞部の下部以外の内面である弧面に接触する複数の弧状部材とを備え、
   複数の弧状部材により形成された弧状体の外周面とトンネル空洞部の弧面との摩擦力及びインバートとトンネル空洞部の内壁面との摩擦力によって、トンネル掘削機を推進させる際の反力を得るようにしたことを特徴とするトンネル掘削機の推進方法。

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