(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
施工後に長期間が経過した既設トンネルの補修や拡幅等の理由から既設トンネルの内壁
の掘削が要求される場合がある。既設トンネルは、すでに利用が開始されているので、通行止めとすると交通に支障があるため、車両等の通行を確保しつつトンネル内壁を掘削する必要がある。
【0003】
このような条件を満たすため、従来の既設トンネル掘削装置は、一対のアーチ状の旋回フレームと、旋回フレームに架け渡されて旋回フレームを走行する台車と、基端が台車に対して俯仰および左右の両方向へ揺動可能に連結されたブームと、ブームの先端に回転可能に装着されてトンネル内壁を掘削するカッタヘッドとを備えている(たとえば、特許文献1参照)。
【0004】
このように構成された既設トンネル掘削装置では、旋回フレーム内方にプロテクタと称される通行車両を保護する門型の囲いを設置できるので、車両の通行を確保しつつ、トンネル内壁を掘削できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
既設トンネル掘削装置では、前述の通り、台車に対してカッタヘッドを保持するブームが俯仰および左右の両方向へ揺動するように取り付けられているので、掘削された面を平らにするためにはカッタヘッドを円錐台形としなくてはならない。さらに、掘削後のトンネル内壁面が平らとするには、ブームを台車に対して所定の仰角を採るように配置してカッタヘッドでトンネル内壁を掘削しなければならない。
【0007】
このように、従来の既設トンネル掘削装置では、掘削後のトンネル内壁面を平らにするには、ブームの台車に対する仰角を所定の角度に設定しなければならないので、掘削深さを変えるには、カッタヘッドを交換するか、ブームの交換が不可欠であった。
【0008】
また、既設トンネル掘削装置は、既設トンネルの中を前進しつつ掘削していくのであるが、路面にうねりがあると、掘削後のトンネル内壁面が凸凹となってしまう場合もある。
【0009】
そこで、本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、掘削深さを変えてもブーム等の交換が不要であって掘削後のトンネル内壁面を平らにできる既設トンネル掘削装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記した目的を達成するため、本発明の既設トンネル掘削装置にあっては、旋回フレームと、旋回フレーム上を移動可能な掘削機とを備え、掘削機が旋回フレームに移動可能に取付けられた走行部と、走行部の走行方向と垂直な方向に移動可能に走行部に取付けられた掘削部と
、前記走行部の走行方向と垂直な方向に回転可能に前記走行部に装着されるとともに前記掘削部を保持するブームと、前記ブームに取り付けられており、前記掘削部による掘削が進むとトンネル内壁に当接してそれ以上の前記掘削部による掘削が進むのを防止するストッパ部とを有して構成されている。このように既設トンネル掘削装置が構成されると、掘削部がトンネル内壁に対して垂直に接近可能となるので、掘削深さによらず常に掘削部が垂直にトンネル内壁に接触して掘削箇所を掘削できる。
また、このように構成された既設トンネル掘削装置によれば、一自由度の簡単なリンク機構で掘削部を走行部の走行方向と垂直な方向に移動させ得る。よって、既設トンネル掘削装置の製造コストが安価となる。さらに、このように既設トンネル掘削装置を構成すると自動的に掘削深さが均一となり、特に、掘削部の位置制御を行わなくとも、トンネル内壁を所望する掘削深さで均一に掘削できる。
【0013】
また、請求項
2の既設トンネル掘削装置では、掘削部が回転駆動によってトンネル内壁を掘削するカッタヘッドを有し、カッタヘッドが外形円柱状の掘削面を有して構成されている。このように構成されると、トンネル内壁を効率よく平らに掘削できる。
【0014】
そして、請求項
3の既設トンネル掘削装置では、旋回フレーム上に複数の掘削機を備えているので、トンネル内壁の掘削効率が向上する。
【発明の効果】
【0015】
本発明の既設トンネル掘削装置によれば、掘削深さを変えてもブーム等の交換が不要であって掘削後のトンネル内壁面を平らにできる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における既設トンネル掘削装置1は、
図1および
図2に示すように、一対のアーチ状の旋回フレーム2,2と、旋回フレーム2,3上を移動可能な掘削機E1,E2とを備えて構成されている。
【0018】
以下、既設トンネル掘削装置1の各部について詳細に説明する。旋回フレーム2,3は、アーチ状であって、本例では、円弧状の外側フランジと外側フランジの内側に配置される内側フランジを同じく円弧状のウェブで連結した構造とされて断面H型をしており、掘削機E1,E2の移動を案内するガイドとして機能する。
【0019】
前方の旋回フレーム2と後方の旋回フレーム3は、旋回フレーム2,3間に架け渡される複数の水平方向へ延びる連結支柱4によって連結されている。また、旋回フレーム2,3の各両端の内側には、平行に地面上に敷かれたレールL上を走行可能な車輪2a,3aを保持するホルダ2b,3bが設けられている。後方の旋回フレーム3の外側フランジの外周には、旋回フレーム3の長手方向に沿ってピンラック5が設置されている。
【0020】
また、旋回フレーム3の後方には、掘削機E1,E2へ圧油を供給する油圧ユニット6と、油圧ユニット6および掘削機E1,E2を制御する制御盤7が載置される後方架台8が設けられている。この後方架台8は、鉄骨を枠組して門型とされており、下端にレールLを走行する車輪8aを備えている。後方架台8は、油圧ユニット6からの圧油の供給により伸縮する移動用油圧シリンダ10を介して旋回フレーム3に連結されている。
【0021】
なお、旋回フレーム2,3には、アウトリガーOが設けられており、アウトリガーOを利用して、旋回フレーム2,3をレールLから浮かせて、その場で路面上に固定できるようになっている。なお、後方架台8にも、図示しないアウトリガーが設けられており、アウトリガーを利用して、後方架台8をレールLから浮かせてその場で路面上に固定できるようになっている。
【0022】
そして、後方架台8のみをレールL上で静止状態に維持しつつ、移動用油圧シリンダ10を伸縮すれば、旋回フレーム2,3は、レールL上で前進および後退し、また、旋回フレーム2,3のみをレールL上で静止状態に維持しつつ、移動用油圧シリンダ10を伸縮すれば、後方架台8は、レールL上で前進および後退できる。よって、後方架台8のみを静止状態として移動用油圧シリンダ10を伸長させ、続いて、旋回フレーム2,3のみを静止状態として移動用油圧シリンダ10を収縮させる手順を繰り返せば、既設トンネル掘削装置1は、レールL上を前進できる。他方、後方架台8のみを静止状態として移動用油圧シリンダ10を収縮させ、続いて、旋回フレーム2,3のみを静止状態として移動用油圧シリンダ10を伸長させる手順を繰り返せば、既設トンネル掘削装置1は、レールL上を後退できる。なお、既設トンネル掘削装置1をトンネル内で前後方向へ移動させる移動装置は、前述した移動用油圧シリンダ10に限定されるものではなく、モータ等で車輪2a,3a,8aを直接駆動する等、他の移動装置を利用してもよい。
【0023】
旋回フレーム2,3および後方架台8の内側には、走行車両を保護する箱形のプロテクタPが設置される。よって、既設トンネル掘削装置1がトンネル内壁Tを掘削しても、プロテクタP内には、掘削されたコンクリートや土砂が入りこまず、走行車両が保護される。
【0024】
本例では、旋回フレーム2,3に二台の掘削機E1,E2が設置されている。掘削機E1,E2は、それぞれ、旋回フレーム2,3に移動可能に取付けられた走行部11と、走行部11に対して走行部11の走行方向と垂直な方向に回転可能に装着されたブーム12と、ブーム12に取り付けられる掘削部13とを備えて構成されている。
【0025】
走行部11は、旋回フレーム2の外周側に配置され、旋回フレーム2よりも前方から旋回フレーム3へ延びる台車11aと、台車11aから旋回フレーム2,3側へ突出する四つの車輪保持部11bと、車輪保持部11bに回転自在に保持されており旋回フレーム2,3のフランジ間に挿入される図示しない車輪と、油圧ユニット6からの圧油の供給によって駆動する二つの油圧モータ11cと、ピンラック5に噛み合って油圧モータ11cによって回転させられるスプロケット11dとを備えて構成されている。
【0026】
このように走行部11が旋回フレーム2,3のフランジ間に挿入された車輪を備えているので、掘削機E1,E2は、旋回フレーム2,3上を旋回フレーム2,3の長手方向である周方向へ移動して旋回できる。
【0027】
そして、本例では、油圧モータ11cを駆動すると、ピンラック5に噛み合うスプロケット11dが回転駆動されて、掘削機E1,E2は、旋回フレーム2,3上を自走できる。なお、掘削機E1,E2の旋回フレーム2,3に対する移動装置は、油圧モータ11c、スプロケット11dおよびピンラック5によって構成されているが、掘削機E1,E2の移動に適する他の移動装置を利用してもよい。
【0028】
ブーム12は、ブーム本体12aと、ブーム本体12aの基端に設けたトラニオンピン12bを備えている。トラニオンピン12bは、台車11aの前方に設けられたブラケット11e,11eによって回転自在に保持されている。トラニオンピン12bの軸は、走行部11の走行方向に対して直交する方向(
図1中紙面を貫く方向、
図2中紙面の左右方向)に沿っており、ブーム12は、走行部11の走行方向に対して垂直な方向へ回転できる。つまり、ブーム12は、
図1中トラニオンピン12bを中心に時計および反時計回りに回転でき、掘削部13をトンネル内壁Tに対して遠近できる。ブーム12は、このように本例では、トラニオンピン12bの中心を軸として、走行部11に対して垂直な方向へ回転できるようになっている。
【0029】
ブーム12と台車11aとの間には、油圧ユニット6からの圧油の供給で駆動される油圧シリンダ14が設けられており、油圧シリンダ14の伸縮によって、ブーム12は、台車11aに対して揺動してその姿勢を変化させ得る。
【0030】
また、ブーム12の先端には、掘削部13が設けられている。掘削部13は、ブーム12の先端の後方側に設けた電動機13aと、ブーム12の先端であって前方に設けられて電動機13aによって回転駆動されるカッタヘッド13bとを備えて構成されている。
【0031】
カッタヘッド13bは、ブーム12に対し、旋回フレーム2の長手方向に直交する方向に沿う軸周りに回転可能に取り付けられており、ブーム12の回転方向と同様に、走行部11の走行方向に対して垂直な方向、つまり、旋回フレーム2の長手方向に沿う方向に回転できる。また、カッタヘッド13bは、本例では、円筒形とされており、外周にトンネル内壁を掘削する多数のカッタを備えており、その外周がトンネル内壁を掘削する掘削面Sとされている。
【0032】
ブーム12を油圧シリンダ14によって駆動すると、掘削部13におけるカッタヘッド13bが
図1中で旋回フレーム2,3に対して遠近するようになっており、台車11aよりもトンネル内壁T側へ突出する位置へ移動できるようになっている。よって、カッタヘッド13bを回転駆動してブーム12を駆動してカッタヘッド13bがトンネル内壁Tへ接触する位置へ移動させると、カッタヘッド13bがトンネル内壁Tを掘削する。なお、掘削部13が走行部11の走行方向と垂直な方向に移動可能とは、走行部11走行方向とこの走行方向と垂直な方向を含む面に沿って掘削部13を前記垂直方向へ移動できるとの趣旨である。よって、掘削部13は、旋回フレーム2,3の長手方向に平行な面に沿ってトンネル内壁Tに遠近できる。油圧シリンダ14の伸長度合を大きくすれば、ブーム12の先端がトンネル内壁T側へ移動するので、掘削部13による掘削が進み深く掘削できる。
【0033】
本例では、ブーム12は、油圧シリンダ14によって駆動されるので、油圧シリンダ14のストローク長により、ブーム12の回転可能範囲が定まる。そして、旋回フレーム2,3に対して掘削機E2よりも
図1中右方に配置された掘削機E1は、ブーム12を右方へ向けてあり、
図1に示すように、旋回フレーム2,3の
図1中右端に配置された際に、トンネル内壁Tの右側の最下端の近傍まで掘削できるようにしてある。旋回フレーム2,3に対して掘削機E1よりも
図1中左方に配置された掘削機E2は、ブーム12を左方へ向けてあり、
図1に示すように、旋回フレーム2,3の
図1中左端に配置された際に、トンネル内壁Tの左側の最下端の近傍まで掘削できるようにしてある。
【0034】
このように、ブーム12の台車11aに対する回転可能範囲が限られる場合、旋回フレーム2,3に対して掘削機E1,E2をブーム12の先端がトンネル内壁Tの端に向くように設置すれば、トンネル内壁Tの最下端近傍まで掘削できる。
【0035】
なお、ブーム12の駆動に際して油圧シリンダ14ではなく、台車11aに対してロータリアクチュエータ等といった広範な回転可能範囲を実現できる駆動装置を利用する場合、掘削機E1,E2の旋回フレーム2,3への設置の向きに極性を持たせずともよい。また、掘削部13を台車11aに対して走行部11の走行方向と垂直な方向へ移動可能である駆動源を有していて、掘削部13をトンネル内壁T側へ遠近させ得る場合、ブーム12を廃止して、台車11aと掘削部13との間に駆動源を設ける構成を採用できる。このような駆動源としては、たとえば、油圧シリンダ等が採用できる。
【0036】
また、本例の掘削機E1,E2では、掘削部13による掘削が進むとトンネル内壁Tに当接してそれ以上の掘削部による掘削が進むのを防止するストッパ部15をブーム12に取り付けてある。
【0037】
ストッパ部15は、本例では、ブーム12のトンネル内壁側端にトンネル内壁側へ突出するブラケット15aと、ブラケット15aに回転自在に取付けたローラ15bとで構成されている。ブーム12を駆動しつつカッタヘッド13bでトンネル内壁Tを掘削し、掘削が進行すると、掘削箇所のトンネル内壁T1の深さが未掘削のトンネル内壁T2に対して深くなっていく。やがて、
図3に示すように、ストッパ部15におけるローラ15bが掘削されていないトンネル内壁T2に接触すると、ブーム12がカッタヘッド13bをトンネル内壁T1側へ近づけようとしてもストッパ部15のトンネル内壁T2への当接により近づけなくなる。
【0038】
このように、カッタヘッド13bでトンネル内壁T1を掘削しつつ、ストッパ部15を未掘削のトンネル内壁T2へ当接する位置までブーム12を駆動すると、自動的にブーム12が停止して掘削箇所の深さである掘削深さがそれ以上深くならない。
【0039】
既設トンネル掘削装置1は、以上のように構成されており、以下にその作動を説明する。掘削機E1,E2を旋回フレーム2,3上で移動させて、トンネル内壁Tの掘削したい箇所へ位置決めする。
【0040】
つづいて、掘削機E1,E2の電動機13aを駆動してカッタヘッド13bを回転駆動し、ブーム12を油圧シリンダ14で駆動して、カッタヘッド13bをトンネル内壁Tへ接近させ、トンネル内壁Tを掘削する。
【0041】
掘削が進み、ストッパ部15が未掘削のトンネル内壁Tへ接触するまで、ブーム12を移動させて、掘削箇所を掘削する。ストッパ部15がトンネル内壁Tに当接すると、現在掘削中の掘削箇所の掘削深さは所望する深さに達しているので、掘削機E1,E2を旋回フレーム2,3に対して移動させて未掘削部分を順次掘削していく。ストッパ部15による掘削深さを規定する場合、掘削機E1,E2の移動方向は、反ブーム方向となり、掘削機E1にあっては
図1中反時計回り方向となり、掘削機E2にあっては
図1中時計回り方向となる。
【0042】
このようにして掘削機E1,E2で掘削を進めると、ストッパ部15によって自動的に掘削深さが均一となる。なお、トンネル内壁Tを周方向の全範囲で掘削する場合、掘削機E1を
図1中で旋回フレーム2,3の右端へセットし、掘削機E2を
図1中で旋回フレーム2,3の左端へセットし、トンネル内壁Tの両端から中央側へ掘削を進めるとよい。
【0043】
なお、ストッパ部15のブラケット15aを伸縮可能としておけば、掘削深さに合わせてブラケット15aの長さを調節できるので、ブラケット15aの交換を要せずに所望する掘削深さで掘削が可能となる。ブラケット15aを伸縮可能とするには、たとえば、送り螺子機構や油圧シリンダ等、種々の装置や機構を採用できる。
【0044】
そして、本発明の既設トンネル掘削装置1にあっては、旋回フレーム2,3と、旋回フレーム2,3上を移動可能な掘削機E1,E2とを備え、掘削機E1,E2が旋回フレーム2,3に移動可能に取付けられた走行部11と、走行部11に対し走行部11の走行方向と垂直な方向に移動可能に取付けられた掘削部13とを有して構成されている。このように既設トンネル掘削装置1が構成されると、掘削部13がトンネル内壁Tに対して垂直に接近可能となるので、掘削深さによらず常に掘削部13が垂直にトンネル内壁Tに接触して掘削箇所を掘削できる。よって、本発明の既設トンネル掘削装置1によれば、掘削深さを変えてもブーム12やカッタヘッド13bの交換が不要であり、トンネル内壁面を平らに掘削できる。換言すれば、本発明の既設トンネル掘削装置1によれば、ブーム12やカッタヘッド13bを交換せずとも、掘削後のトンネル内壁Tを円形状以外の形状、たとえば、楕円形等といった他の形状とするのを可能とする。
【0045】
また、本例の既設トンネル掘削装置1では、掘削機E1,E2が走行部11に対して走行部11の走行方向と垂直な方向に回転可能に装着されるとともに掘削部13を保持するブーム12を有している。このように構成された既設トンネル掘削装置1によれば、一自由度の簡単なリンク機構で掘削部13を走行部11の走行方向と走行方向と垂直方向を含む面内で前記垂直方向へ移動させ得る。よって、既設トンネル掘削装置1の製造コストが安価となる。
【0046】
さらに、本例の既設トンネル掘削装置1では、掘削機E1,E2がブーム12に取り付けられて掘削部13による掘削が進むとトンネル内壁Tに当接してそれ以上の掘削部13による掘削が進むのを防止するストッパ部15を有して構成されている。このように既設トンネル掘削装置1を構成すると自動的に掘削深さが均一となり、特に、掘削部13の位置制御を行わなくとも、トンネル内壁Tを所望する掘削深さで均一に掘削できる。
【0047】
また、本例の既設トンネル掘削装置1では、掘削部13が回転駆動によってトンネル内壁Tを掘削するカッタヘッド13bを有し、カッタヘッド13bが外形円柱状の掘削面Sを有して構成されている。このように構成されると、トンネル内壁Tを効率よく平らに掘削できる。なお、カッタヘッド13bの掘削面S以外の部位の外形は、軸方向から見て掘削面Sの範囲内に入る形状であれば、どのような形状とされてもよいが、カッタヘッド13bの外形全体が円柱状とされて外周全部を掘削面Sとすると掘削効率上有利となる。
【0048】
そして、本例の既設トンネル掘削装置1では、旋回フレーム2,3上に複数の掘削機E1,E2を備えているので、トンネル内壁Tの掘削効率が向上する。
図4に示すように、ブーム12が油圧シリンダ14ではなく回転型のアクチュエータ40で駆動されるようにし、ブーム12の回転範囲が広範で掘削機E1の旋回フレーム2,3に対する設置の向きに極性が無い場合、既設トンネル掘削装置1は、掘削機E1のみを備えて構成されてもよい。このように掘削機E1を構成すれば、トンネル内壁Tの左右の最下端の近傍まで掘削できる。また、既設トンネル掘削装置1は、三つ以上の掘削機を旋回フレーム2,3上に設けて構成されてもよい。
【0049】
さらに、掘削機E1が
図5に示すように、走行部11の左右両側に走行部11に対して走行部11の走行方向と垂直な方向に回転可能に装着されたブーム12と、ブーム12に取り付けられる掘削部13と、油圧シリンダ14を備えて構成されてもよい。このようにすると、一つの掘削機E1のみを旋回フレーム2,3に設けるだけで、トンネル内壁Tの左右の最下端の近傍まで掘削できる。
【0050】
また、旋回フレーム2,3は、本例では一対であるが、旋回フレーム2が幅広であって一つで掘削機E1(E2)をガイドおよび支持できるようであれば、既設トンネル掘削装置1は、一つのみの旋回フレーム2を備えてもよい。
【0051】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されない。