特許 6873662 周回シールド掘削機および周回トンネル掘削方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6873662

(24)【登録日】2021年4月23日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】周回シールド掘削機および周回トンネル掘削方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/06 20060101AFI20210510BHJP

   E21D 11/40 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   E21D9/06 301D

   E21D11/40 B

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-231410(P2016-231410)

(22)【出願日】2016年11月29日

(65)【公開番号】特開2018-87456(P2018-87456A)

(43)【公開日】2018年6月7日

【審査請求日】2019年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中野 隆志

(72)【発明者】

【氏名】小田 誠

(72)【発明者】

【氏名】酒井 義雄

(72)【発明者】

【氏名】久木原 勇和

(72)【発明者】

【氏名】岸本 公輝

(72)【発明者】

【氏名】立石 光助

(72)【発明者】

【氏名】串田 慎二

(72)【発明者】

【氏名】米沢 実

【審査官】 亀谷 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０８４３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６８３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２２１０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１０６２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭４３−０２４７７４（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開２００６−３０７５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２２８６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１２９８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１４６９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４６４７２５６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｄ １／００−９／１４

Ｅ２１Ｄ １１／００−１９／０６

Ｅ２１Ｄ ２３／００−２３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地中に設けられた発進基地から推進する掘削機本体と、
前記発進基地における前記掘削機本体の推進方向と反対側の後方壁面に取り付けられた、複数のセグメントを組み立ててセグメントリングを生成するエレクタ装置と、
前記後方壁面に取り付けられた、前記エレクタ装置によって生成されたセグメントリングを前記掘削機本体に向かって押し出す複数の元押しジャッキと、
を備える、シールド掘削機。

【請求項2】

前記掘削機本体は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドを支持する前胴と、前記前胴とスライド可能な後胴と、前記後胴に対して前記前胴を前進させるとともに前記前胴に対して前記後胴を引き寄せる複数のシールドジャッキと、を含む、請求項１に記載のシールド掘削機。

【請求項3】

前記エレクタ装置は、中心軸回りに回転する筒状の旋回シャフトと、セグメント把持部と、前記エレクタ把持部をスライドさせる、前記旋回シャフトの外周面に取り付けられたスライド機構と、を含む、請求項１または２に記載のシールド掘削機。

【請求項4】

前記エレクタ装置は、前記旋回シャフトを回転可能に支持する筒状の旋回台を含み、
前記旋回シャフトは、前記旋回台と共に連続した内部空間を形成するように延びている、請求項３に記載のシールド掘削機。

【請求項5】

前記シールド掘削機は、前記掘削機本体が前記発進基地から周方向に推進する周回シールド掘削機であり、
前記発進基地は既設トンネルから横向きに広がり、前記発進基地の後方壁面は上面である、請求項１〜４の何れか一項に記載のシールド掘削機。

【請求項6】

前記エレクタ装置は、セグメント把持部と、前記セグメント把持部をリフトさせるリフト機構と、前記セグメント把持部をヨーイングさせるヨーイング機構を含む、請求項１〜５の何れか一項に記載のシールド掘進機。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか一項に記載のシールド掘削機を用いてトンネルを掘削するトンネル掘削方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、周回シールド掘削機および周回トンネル掘削方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、既設トンネルを取り巻くような周回トンネルを掘削する際に用いられる周回シールド掘削機が知られている。例えば、特許文献１には、バケット掘削式の周回シールド掘削機が開示されている。

【0003】

具体的に、特許文献１に開示された周回シールド掘削機は、周回方向に推進する、バケット駆動機構およびシールドジャッキを有する掘削機本体と、この掘削機本体にワイヤを介して牽引されたエレクタ装置を含む。掘削機本体は、シールドジャッキを伸長させることによって、組み立てられたセグメントに反力をとって推進する。エレクタ装置は、シールドジャッキを短縮させたときの掘削機本体内スペースでセグメントを組み立てる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−１０６５９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示された周回シールド掘削機では、エレクタ装置が掘削機本体に牽引されているために、エレクタ装置がセグメントを組み立てる位置が常に変化する。従って、セグメント組立時のエレクタ装置の操作およびセグメント同士の締結作業を、掘削機本体の推進位置に応じて作業員が異なる姿勢で行わなければならない。また、既に掘削された周回トンネルの一部を通って掘削機本体近くまでセグメントを周回方向に搬送する必要があり、セグメントの搬送に多大な労力を要する。

【0006】

そこで、本発明は、セグメント組立時のエレクタ装置の操作およびセグメント同士の締結作業ならびにセグメントの搬送作業を簡素化できる周回シールド掘削機、およびこの周回シールド掘削機を用いた周回トンネル掘削方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明の周回シールド掘削機は、地中に設けられた発進基地から周回方向に推進する掘削機本体と、前記発進基地における前記掘削機本体の推進方向と反対側の後方壁面に取り付けられた、複数のセグメントを組み立ててセグメントリングを生成するエレクタ装置と、前記後方壁面に取り付けられた、前記エレクタ装置によって生成されたセグメントリングを前記掘削機本体に向かって押し出す複数の元押しジャッキと、を備える、ことを特徴とする。

【0008】

上記の構成によれば、発進基地の後方壁面に取り付けられたエレクタ装置によって生成されたセグメントリングが元押しジャッキによって掘削機本体に向かって押し出されるので、セグメント組立時のエレクタ装置の操作およびセグメント同士の締結作業を発進基地内で行うことができる。しかも、セグメントを既に掘削された周回トンネルの一部を通って搬送する必要もない。従って、セグメント組立時のエレクタ装置の操作およびセグメント同士の締結作業ならびにセグメントの搬送作業を簡素化することができる。

【0009】

前記掘削機本体は、カッターヘッドと、前記カッターヘッドを支持する前胴と、前記前胴とスライド可能な後胴と、前記後胴に対して前記前胴を前進させるとともに前記前胴に対して前記後胴を引き寄せる複数のシールドジャッキと、を含んでもよい。特許文献１に開示された周回シールド掘削機では、掘削機本体が上向きに推進する際に、シールドジャッキの推力がエレクタ装置の重量を負担する必要がある。これに対し、本構成によれば、シールドジャッキの推力がエレクタ装置の重力を負担する必要がない。従って、シールドジャッキに必要な推力を低減することができる。

【0010】

前記エレクタ装置は、中心軸回りに回転する筒状の旋回シャフトと、セグメント把持部と、前記エレクタ把持部をスライドさせる、前記旋回シャフトの外周面に取り付けられたスライド機構と、を含み、前記発信基地は、既設トンネルから広がるように設けられており、前記エレクタ装置の旋回シャフトの内部を通って、前記既設トンネル内または前記発進基地内に配置された油圧ポンプユニットから前記掘削機本体に油圧配管が接続されていてもよい。この構成によれば、中空のエレクタ装置の内部を利用して油圧配管を配索することができる。しかも、圧力源である油圧ポンプユニットは既設トンネル内または発進基地内に配置されるので、油圧ポンプユニットを容易にメンテナンスすることができる。

【0011】

例えば、前記エレクタ装置は、前記旋回シャフトを回転可能に支持する筒状の旋回台を含み、前記旋回シャフトは、前記旋回台と共に連続した内部空間を形成するように延びていてもよい。

【0012】

また、本発明の周回トンネル掘削方法は、上記の周回シールド掘削機を用いて周回トンネルを掘削することを特徴とする。この構成によれば、周回トンネルの掘削をスムーズに進行させることができる。

【0013】

前記掘削機本体が前記後方壁面を貫通する前に、前記エレクタ装置および前記複数の元押しジャッキを前記後方壁面から取り外して前記発進基地の中間位置に移設し、前記後方壁面に前記掘削機本体が通過可能なガイド筒を取り付けるとともに、前記ガイド筒内に流動化処理土を充填してもよい。この構成によれば、掘削機本体が発進基地の後方壁面を貫通するときの止水を図ることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、セグメント組立時のエレクタ装置の操作およびセグメント同士の締結作業ならびにセグメントの搬送作業を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る周回シールド掘削機の概略構成図である。

【図2】エレクタ装置の側面図である。

【図3】図２のIII−III線に沿った断面図である。

【図4】図２のIV−IV線に沿った断面図である。

【図5】既設トンネルと周回トンネルとの関係を示す図である。

【図6】周回トンネル掘削方法を説明するための図であり、周回シールド掘削機を設置する前の状態を示す。

【図7】図６のVII−VII線に沿った断面図である。

【図8】周回トンネル掘削方法を説明するための図であり、周回シールド掘削機の掘削機本体が少しだけ推進した状態を示す。

【図9】周回トンネル掘削方法を説明するための図であり、周回シールド掘削機の掘削機本体が発進基地の後方壁面を通過する前の状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１に、本発明の一実施形態に係る周回シールド掘削機１を示す。この周回シールド掘削機１は、図５に示すように、既設トンネル８１を取り巻くような周回トンネル８３を掘削する周回トンネル掘削方法に用いられる。

【0017】

図５では、周回トンネル８３が円形状であるが、周回トンネル８３は楕円状などの他の形状であってもよい。また、図５〜図９では、一例として、既設トンネル８１と別の既設トンネル８２との分岐合流部を構築する場合を示すが、周回シールド掘削機１を用いた周回トンネル掘削方法は、１本の既設トンネル８１を拡大する場合にも有用である。

【0018】

図６に示すように、周回シールド掘削機１が用いられる場合、まず地中に既設トンネル８１から広がる発進基地１１が設けられ、その後に発進基地１１内に周回シールド掘削機１が設置される。図６では、発進基地１１が既設トンネル８１から横向きに広がっているが、発進基地１１は、既設トンネル８１から上向きまたは下向きに広がっていてもよい。

【0019】

発進基地１１は、図６および図７に示すように、コンクリート壁１２によって囲まれており、縦断面でも横断面でも既設トンネル８１の中心に向かって開口する略コ字状をなしている。また、発進基地１１の開口には、中央にコンクリート柱１３も立設されている。

【0020】

本実施形態では、周回トンネル８３の断面は、図７に示すように既設トンネル８１の延在方向に長い矩形状である。ただし、周回トンネル８３の断面は、これに限定されるものではなく、例えば、楕円状や円形状であってもよい。

【0021】

図１に示すように、周回シールド掘削機１は、掘削機本体２およびエレクタ装置４を含む。掘削機本体２は、発進基地１１から既設トンネル８１を取り巻くように周回方向に推進する。エレクタ装置４は、発進基地１１における掘削機本体２の推進方向と反対側の後方壁面１４（本実施形態では上面）に取り付けられている。

【0022】

本実施形態では、エレクタ装置４が架台６を介して発進基地１１の後方壁面１４に取り付けられている。架台６は、図７に示すように、後方壁面１４に沿って既設トンネル８１の延在方向に並ぶ複数の梁６３と、梁６３の既設トンネル８１側の端部を支持する第１受桁６１と、梁６３の既設トンネル８１と反対側の端部を支持する第２受桁６２を含む。ただし、エレクタ装置４は、発進基地１１の後方壁面１４に直接取り付けられてもよい。

【0023】

図１に戻って、掘削機本体２は、カッターヘッド２１、前胴２２および後胴２６を含む。前胴２２は、カッターヘッド２１を回転可能に支持し、後胴２６は、前胴２２とスライド可能である。

【0024】

具体的に、前胴２２は、周回トンネル８３と同曲率で屈曲する筒状の前方ケーシング２３と、前方ケーシング２３の前側開口を閉塞する前壁２４を含む。後胴２６は、前胴２２の前方ケーシング２３内に嵌まり込む、周回トンネル８３と同曲率で屈曲する筒状の後方ケーシング２７と、後方ケーシング２７の後端部と接合された環状の構造体２８を含む。

【0025】

さらに、掘削機本体２は、前胴２２および後胴２６内に複数のシールドジャッキ２９を含む。シールドジャッキ２９は、前方ケーシング２３および後方ケーシング２７の内周面に沿って所定のピッチで配置されている（シールドジャッキ２９の数は、例えば、２０〜４０本である）。各シールドジャッキ２９の一端部は、前胴２２の前壁２４または前方ケーシング２３の内周面に取り付けられたブラケット２５に連結されており、他端部は、後胴２６の構造体２８に連結されている。シールドジャッキ２９は、後胴２６に対して前胴２２を前進させるとともに、前胴２２に対して後胴２６を引き寄せる。

【0026】

エレクタ装置４は、複数のセグメント３を組み立ててセグメントリング３０を生成する。具体的に、エレクタ装置４は、図２〜図４に示すように、筒状の旋回台４１および筒状の旋回シャフト４３を含む。旋回台４１は架台６から下向きに延びており、旋回シャフト４３は旋回台４１と共に連続した内部空間を形成するように旋回台４１から下向きに延びている。本実施形態では、旋回シャフト４３の中心軸が旋回台４１の中心軸と一致している。

【0027】

旋回シャフト４３は、旋回ベアリング４２を介して旋回台４１に旋回可能に支持されている。本実施形態では、旋回ベアリング４２が、旋回台４１に締結された内輪と、旋回シャフト４３に締結された、外歯が形成された外輪を含む。そして、旋回ベアリング４２の外輪の外歯にはモータ（図示せず）に取り付けられた駆動ギヤ４０が噛み合っており、そのモータによって旋回シャフト４３がその中心軸回りに回転させられる。

【0028】

さらに、エレクタ装置４は、旋回シャフト４３の外周面に取り付けられたスライド機構４４と、スライド機構４４によってスライドされるセグメント把持部４７を含む。本実施形態では、スライド機構４４とセグメント把持部４７の間に、リフト機構４５およびヨーイング機構４６も設けられている。リフト機構４５は、油圧シリンダ４５ａを含み、セグメント把持部４７を図２中の矢印Ａで示すようにリフトさせる。ヨーイング機構４６は、油圧シリンダ４６ａを含み、セグメント把持部４７を図３中の矢印Ｂで示すようにヨーイングさせる。

【0029】

スライド機構４４は、旋回シャフト４３と一体的に形成された中空の本体部４４ａと、本体部４４ａを貫通するスライド部材４４ｂと、ヘッドが本体部４４ａに連結され、ロッドの先端がスライド部材４４ｂに連結された油圧シリンダ４４ｃを含む。

【0030】

上述した掘削機本体２の前胴２２内には、カッターヘッド２１を回転させる油圧モータなどが配置される。このため、掘削機本体２には、図１に示すように、エレクタ装置４の旋回台４１および旋回シャフト４３の内部を通って、既設トンネル８１内または発進基地１１内に配置された油圧ポンプユニット（図示せず）から油圧配管７が接続されている。

【0031】

また、掘削機本体２の前胴２２内には、掘削された泥を後方へ送り出すためのスクリューコンベヤ（図示せず）などが配置されており、このスクリューコンベヤから延びる排泥管もエレクタ装置４の旋回台４１および旋回シャフト４３の内部を通って延びている。さらに、既設トンネル８１内または発進基地１１内には、複数の電気盤が配置され、これらの電気盤と掘削機本体２とを接続する各種の電気ケーブルもエレクタ装置４の旋回台４１および旋回シャフト４３の内部を通って延びている。

【0032】

発進基地１１の後方壁面１４には、複数の元押しジャッキ５が直接取り付けられている。ただし、元押しジャッキ５は、架台６を介して後方壁面１４に取り付けられてもよい。元押しジャッキ５は、エレクタ装置４によって生成されたセグメントリング３０を掘削機本体２に向かって押し出す。元押しジャッキ５は、セグメントリング３０に沿って所定のピッチで配置されている（元押しジャッキ５の数は、例えば、５０〜８０本である）。

【0033】

次に、図６〜図９を参照して、周回シールド掘削機１を用いた周回トンネル掘削方法を説明する。

【0034】

図６および図７に示すように、発進基地１１の完成後、発進基地１１の後方壁面１４に架台６を取り付ける。また、発進基地１１における掘削機本体２の推進方向側の前方壁面（本実施形態では下面）には、掘削機本体２用のエントランスを、コンクリート壁８４および鋼管８５により形成する。鋼管８５の内周面には、掘削機本体２またはセグメントリング３０と鋼管８５との間をシールする複数のブラシ８６が取り付けられる。

【0035】

ついで、発進基地１１内で、分割搬入された掘削機本体２を組み立て、組み立てられた掘削機本体２を鋼管８５内に挿入する。また、発進基地１１の後方壁面１４には、エレクタ装置４を架台６を介して取り付ける。さらに、後方壁面１４には、元押しジャッキ５を取り付ける。

【0036】

その後、図８に示すように、エレクタ装置４によるセグメントリング３０の作成、掘削機本体２の１リング分の推進および元押しジャッキ５によるセグメントリング３０全体の押圧を繰り返す。これにより、周回トンネル８３の掘削をスムーズに進行させることができる。

【0037】

図９に示すように、掘削機本体２がある程度推進した後、すなわち掘削機本体２が発進基地１１の後方壁面１４を貫通する前に、エレクタ装置４および元押しジャッキ５を発進基地１１の後方壁面１４から取り外し、それらを架台９１を利用して発進基地１１の中間位置に移設する。ついで、発進基地１１の後方壁面１４に掘削機本体２が通過可能なガイド筒９２を取り付けるとともに、ガイド筒９２内に流動化処理土９３を充填する。これにより、掘削機本体２が発進基地１１の後方壁面１４を貫通するときの止水を図ることができる。

【0038】

以上説明したように、本実施形態の周回シールド掘削機１では、発進基地１１の後方壁面１４に取り付けられたエレクタ装置４によって生成されたセグメントリング３０が元押しジャッキ５によって掘削機本体２に向かって押し出されるので、セグメント組立時のエレクタ装置４の操作およびセグメント３同士の締結作業を発進基地１１内で行うことができる。しかも、セグメント３を既に掘削された周回トンネルの一部を通って搬送する必要もない。従って、セグメント組立時のエレクタ装置４の操作およびセグメント３同士の締結作業ならびにセグメント３の搬送作業を簡素化することができる。

【0039】

ところで、特許文献１に開示された周回シールド掘削機では、エレクタ装置が掘削機本体に牽引されているために、掘削機本体が上向きに推進する際に、シールドジャッキの推力がエレクタ装置の重量を負担する必要がある。これに対し、本実施形態の周回シールド掘削機１では、シールドジャッキ２９の推力がエレクタ装置４の重力を負担する必要がない。従って、シールドジャッキ２９に必要な推力を低減することができる。

【0040】

さらに、本実施形態では、エレクタ装置４が筒状の旋回台４１と筒状の旋回シャフト４３を含んでいるので、中空のエレクタ装置４の内部を利用して油圧配管７および各種の電気ケーブルを配索することができるとともに、エレクタ装置４を貫通するように排泥管を設置することができる。しかも、動力源である油圧ポンプユニットおよび複数の電気盤は既設トンネル８１内または発進基地１１内に配置されるので、油圧ポンプユニットおよび複数の電気盤を容易にメンテナンスすることができる。

【0041】

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0042】

例えば、掘削機本体２は、カッターヘッド２１を含まずに、特許文献１に開示された周回シールド掘削機と同様にバケット掘削式であってもよい。

【0043】

また、シールドジャッキ２９は必ずしも設けられている必要はなく、省略可能である。この場合、元押しジャッキ５がセグメントリング３０を介して掘削機本体２を押圧することで、掘削機本体２が推進する。

【0044】

また、シールドジャッキ２９と元押しジャッキ５の併用は、周回シールド掘削機１以外にも、直線的にまたは大きな曲率半径で推進する通常のシールド掘削機に対しても有用である。

【0045】

また、エレクタ装置４が旋回台４１を含まずに、架台６が、旋回ベアリング４２の内輪を支持するように構成されていてもよい。つまり、油圧配管７、各種の電気ケーブルおよび排泥管は、エレクタ装置４の旋回シャフト４３の内部のみを通っていてもよい。

【符号の説明】

【0046】

１ 周回シールド掘削機
１１ 発進基地
１４ 後方壁面
２ 掘削機本体
２１ カッターヘッド
２２ 前胴
２６ 後胴
２９ シールドジャッキ
３ セグメント
３０ セグメントリング
４ エレクタ装置
４１ 旋回台
４３ 旋回シャフト
４４ スライド機構
４７ セグメント把持部
５ 元押しジャッキ
７ 油圧配管
９２ ガイド筒
９６ 流動化処理土

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】