JP4610520B2 - 拡径掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、特に岩盤層において既に掘削形成されたトンネルの所定箇所を拡径掘削するのに用いられて好適な拡径掘削機に関するものである。

高レベル放射性廃棄物などの処分法として、地盤の安定した大深度の岩盤層に構築したトンネル内に、廃棄物を半永久的に貯蔵することが検討されている（例えば、特許文献１参照。）。このように岩盤層を利用して廃棄物を貯蔵するにあたっては、水平方向に形成したトンネルに拡径部を設け、この拡径部を利用してプラグを形成することが考えられる。ここで、プラグとは、トンネルと廃棄物が貯蔵された貯蔵区画とを仕切るために設けられる壁のことである。

岩盤層に構築される水平トンネルに拡径部を設けるには、特許文献２にて提案されているようなトンネル拡幅装置を用いることが可能である。

この特許文献２に係るトンネル拡幅装置は、トンネル内を移動自在なクローラ式の走行台車と、この走行台車上の本体フレームに取着される屈曲ブーム式の掘削機とを備えて構成されている。ここで、前記屈曲ブーム式の掘削機は、自由断面トンネル掘進機におけるものと同様のものであって、走行台車上の本体フレームに基部が枢支された屈曲ブームを備え、この屈曲ブームの先端部に装着される回転ヘッドにより地山を掘削することができるようになっている。

特開２００２−１８１９９５号公報 特開２００１−８２０７１号公報

しかしながら、水平トンネルにほぼ同じ大きさの拡径部を何箇所も設ける必要がある場合には、前記特許文献２に係るトンネル拡幅装置を用いて拡径することは作業効率が悪く好ましくない。

本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、岩盤層に構築した水平トンネルに拡径部を効率的に設けることのできる拡径掘削機を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明による拡径掘削機は、
岩盤層に水平方向に構築したトンネルに拡径部を掘削形成する拡径掘削機であって、
（ａ）トンネル軸方向に間隔を存して配され、トンネル軸方向に延設される一対のメインビーム、
（ｂ）これらメインビームのそれぞれに摺動自在に設けられ、トンネル坑壁に接離自在なグリッパシューを有するグリッパ装置、
（ｃ）前記一対のメインビームの間にトンネル周方向に旋回自在に設けられる旋回フレームおよび
（ｄ）この旋回フレームに支持されるとともに、トンネル半径方向に移動自在に設けられ、トンネル内周面を掘削するカッタホイール
を備えることを特徴とするものである（第１発明）。

本発明において、前記カッタホイールのトンネル内周面に対する掘削角度が可変とされるのが好ましい（第２発明）。

本発明においては、グリッパシューをトンネル坑壁に押し付けた状態でグリッパ装置に対しメインビームをトンネル軸方向に摺動させることによってカッタホイールをトンネル軸方向に移動させる運動と、カッタホイールをトンネル半径方向に移動させる運動と、旋回フレームの旋回によってカッタホイールをトンネル周方向に旋回させる運動との組み合わせにより、トンネルに拡径部が掘削形成される。また、メインビームとグリッパ装置との相対的な移動動作を繰り返すことにより、トンネル内において拡径掘削機が自走にて移動される。本発明の拡径掘削機によれば、カッタホイールを地山に押し付ける際の反力を、カッタホイールを支持する旋回フレーム、この旋回フレームの両側に配されるメインビームおよび各メインビームに装備されるグリッパ装置を介してトンネル坑壁にとるようにされているので、かかる反力を安定的かつ十分に確保することができ、また、トンネル内を自走にて移動させることができるので、岩盤層に構築した水平トンネルに拡径部を効率的に設けることができる。

また、第２発明の構成を採用することにより、拡径部の隅部をより効率良く掘削形成することができるという効果がある。

次に、本発明による拡径掘削機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には本発明の一実施形態に係る拡径掘削機の側面図が、図２には同拡径掘削機の平面図が、それぞれ示されている。また、図３には図１におけるＡ矢視図が示されている。なお、図１および図２にそれぞれに示される拡径掘削機１において図の左側を前側と定めるものとする。

本実施形態の拡径掘削機１は、例えば岩盤層において既に水平方向に掘削形成されたトンネル２に拡径部３を掘削形成するものであって、トンネル軸方向に間隔を存して配される一対のメインビーム４，４′を備えている。これらメインビーム４，４′はいずれもその断面が四角筒形状を呈してトンネル軸方向に延設されてなるものであり、各メインビーム４，４′にはグリッパ装置５，５′が摺動可能に装着されている。なお、この拡径掘削機１においては前部と後部とが対称構造を成しているため、以下においては拡径掘削機１の後部の構造を中心に説明することとし、拡径掘削機１の前部については図に「′」（ダッシュ）付きの同一符号を付すに留めてその構造説明を省略することとする。

前記グリッパ装置５は、メインビーム４に摺動材を介して組み付けられるグリッパキャリア６を備えている。このグリッパキャリア６の周囲には、図３に示されるように、上下左右にそれぞれグリッパシュー７，８，９，１０が配されており、上下のグリッパシュー７，８はグリッパキャリア６の左右それぞれの面に取着されたグリッパジャッキ１１によって連結される一方、左右のグリッパシュー９，１０はグリッパキャリア６の上下それぞれの面に取着されたグリッパジャッキ１２によって連結されている。このグリッパ装置５においては、グリッパジャッキ１１，１２を伸長させることにより、上下左右のグリッパシュー７〜１０がトンネル坑壁に押し付けられる一方、それらグリッパジャッキ１１，１２を収縮させることにより、上下左右のグリッパシュー７〜１０がトンネル坑壁から離脱される。また、上下のグリッパシュー７，８を繋ぐグリッパジャッキ１１の上下の伸び量を制御することにより、メインビーム４の上下方向の位置が調節される一方、左右のグリッパシュー９，１０を繋ぐグリッパジャッキ１２の左右の伸び量を制御することにより、メインビーム４の左右方向の位置が調節される。なお、前記グリッパシュー８には、後述するトンネル内移動動作の際に拡径部３を跨ぐようにトンネル坑壁底部に架け渡される桁１３（Ｈ形鋼等の形鋼を組み合わせてなるもの）を受け入れ可能な窪み部８ａが設けられている。こうして、拡径部３の掘削形成終了後、次の掘削地点への移動の際に、その桁１３を用いて拡径部３をスムーズに通過することができるようにされている。

前記左右のグリッパシュー９，１０とメインビーム４とは、図１および図２にそれぞれ示されるように、スライドジャッキ１４によって連結されており、グリッパジャッキ１１，１２を伸長させてグリッパシュー７〜１０をトンネル坑壁に押し付けた状態でスライドジャッキ１４を伸縮させると、グリッパ装置５に対しメインビーム４がトンネル軸方向に摺動され、これとは逆にグリッパジャッキ１１，１２を収縮させてグリッパシュー７〜１０をトンネル坑壁から離脱させた状態でスライドジャッキ１４を伸縮させると、メインビーム４に対しグリッパ装置５がトンネル軸方向に摺動されるようになっている。

前記メインビーム４の後端面には、図３に示されるように、補助ジャッキ１５が取着され、この補助ジャッキ１５に、その補助ジャッキ１５の伸縮によりトンネル坑壁下部に接離自在なサポートシュー１６が取着されている。そして、補助ジャッキ１５を伸長させてサポートシュー１６をトンネル坑壁下部に押し付けることにより、グリッパシュー７〜１０がトンネル坑壁から離脱されているときに拡径掘削機１をサポートシュー１６にて支えることができるようになっている。

前記一対のメインビーム４，４′の間には、図１および図２にそれぞれ示されるように、軸受装置１７，１７′を介して旋回フレーム１８がトンネル周方向に旋回可能に設けられている。前記軸受装置１７，１７′には油圧モータ１９，１９′が組み付けられており、この油圧モータ１９，１９′の回転力がピニオンおよびリングギヤの組み合わせよりなる図示されない動力伝達機構を介して旋回フレーム１８に伝達され、これによって旋回フレーム１８がトンネル周方向に旋回されるようになっている。

前記旋回フレーム１８は図１に示される状態において上方に開放された箱形構造体を呈しており、その四隅にはテレスコピック形式の油圧シリンダよりなるスラストジャッキ２０が配置されている。これらスラストジャッキ２０において、本体部分は旋回フレーム１８に固定され、ロッド先端部は後述のカッタホイール２３を支持するカッタホイールサポート２１とピン２２により連結されている。ここで、これら４本のスラストジャッキ２０のうち、前側に配される２本のスラストジャッキ２０と、後側に配される２本のスラストジャッキ２０とを選択的に伸縮させることにより、カッタホイールサポート２１が前後方向（図１において左右方向）に傾動され、これによってカッタホイール２３のトンネル内周面に対する掘削角度が可変とされている。

前記カッタホイールサポート２１には、当該カッタホイールサポート２１が図１において実線にて示される状態において、トンネル内周面を掘削するカッタホイール２３が、トンネル軸心Ｏ_１と平行な軸心Ｏ_２の回りに回転可能に取り付けられている。このカッタホイール２３は、図４に示されるように、カッタホイールサポート２１に軸支されるホイール２４と、このホイール２４の外周に配置される所要個数のディスクカッタ２５とより構成されている。さらに、前記カッタホイールサポート２１にはカッタホイール２３の回転駆動源としての電動モータ２６が組み付けられており、この電動モータ２６の回転力が図示されない動力伝達機構を介してホイール２４に伝達され、これによってカッタホイール２３が軸心Ｏ_２の回りに回転されるようになっている。

本実施形態の拡径掘削機１においては、図１および図２にそれぞれ示されるように、後側のメインビーム４および軸受装置１７を貫いてその先端部が旋回フレーム１８内に突入されるようにベルトコンベヤ２７が配設されている。このベルトコンベヤ２７の先端部には、図４に示されるように、周知構造のホッパ２８が付設され、このホッパ２８に近接配置される可動式ホッパ２９が図示されない支持手段を介して旋回フレーム１８に取着されている。この可動式ホッパ２９は、２枚の板材がスライド機構（図示省略）を介して重畳されてなる側板３０を有し、この側板３０を構成する下側の板材と上側の板材とがジャッキ３１にて連結され、このジャッキ３１の伸縮により、側板３０が伸縮されるようになっている。この可動式ホッパ２９においては、ジャッキ３１の伸び量を制御することにより、カッタホイール２３の掘削動作の進行に伴いトンネル半径方向に広がっていく掘削断面に側板３０の先端を合わせるようにされる。ここで、この可動式ホッパ２９は、旋回フレーム１８と一緒になってトンネル周方向に旋回されるため、その開口が上方に向いているときには掘削ズリを受け止めてその掘削ズリをホッパ２８に導き、一方、その開口が下方に向いているときにはトンネル底部（拡径部３底部）に堆積している掘削ズリを掻き寄せ、更にこの掻き寄せた掘削ズリを掬い上げてその開口が再度上方に向いたときにその掬い上げた掘削ズリをホッパ２８へと導く役目を果たすことになる。こうして、可動式ホッパ２９からホッパ２８を介してベルトコンベヤ２７上に落下された掘削ズリは、そのベルトコンベヤ２７によって機外に搬出される。なお、側板３０の先端部は、トンネル底部（拡径部３底部）に堆積している掘削ズリを掻き寄せて掬い込み易くするために、可動式ホッパ２９の内側に向けて若干折り曲げられている。

次に、以上に述べたように構成される拡径掘削機１の作動について以下に説明する。

（掘削動作：図１および図４参照）
まず、グリッパジャッキ１１，１２；１１′，１２′を伸長させることにより、上下左右のグリッパシュー７〜１０；７′〜１０′をトンネル坑壁に押し付けた状態とする。そして、電動モータ２６の作動にてカッタホイール２３を回転させながら４本のスラストジャッキ２０を伸長させてそのカッタホイール２３をトンネル内周面に押し当てるとともに、油圧モータ１９，１９′の作動にて旋回フレーム１８を旋回させてカッタホイール２３をトンネル周方向に旋回させ、更に前側に配されるスライドジャッキ１４′を伸長／収縮させると同時に後側に配されるスライドジャッキ１４を収縮／伸長させることによりカッタホイール２３を所定ストロークでトンネル軸方向に移動させる動作を１サイクルの掘削動作として、これを複数回繰り返すことにより、トンネル内周面に所定の幅と深さの拡径部３が掘削形成される。なお、この拡径部３の隅部を掘削形成する際には、前側に配される２本のスラストジャッキ２０と後側に配される２本のスラストジャッキ２０の伸び量に差を持たせてカッタホイールサポート２１を傾動させることにより、カッタホイール２３の掘削角度を拡径部３の隅部掘削に適応させるべく変化させる。

（排土動作：図４参照）
カッタホイール２３の掘削動作の進行に伴いトンネル半径方向に広がっていく掘削断面に側板３０の先端を合わせるようにジャッキ３１の伸び量を制御することにより、旋回フレーム１８と一緒になってトンネル周方向に旋回される可動式ホッパ２９の開口が上方に向いているときには掘削ズリが側板３０で受け止められてホッパ２８へと導かれ、その開口が下方に向いているときにはトンネル底部（拡径部３底部）に堆積している掘削ズリが側板３０によって掻き寄せられ、更にこの掻き寄せられた掘削ズリが側板３０により掬い上げられてその開口が再度上方に向いたときにその掬い上げられた掘削ズリがホッパ２８へと導かれる。こうして、ホッパ２８に導かれた掘削ズリは、ベルトコンベヤ２７上に落下され、このベルトコンベヤ２７によって機外に搬出される。

（トンネル内移動動作：図５および図６参照）
掘削動作の終了後、図５(ａ)に示されるように、上下左右のグリッパシュー７〜１０；７′〜１０′をトンネル坑壁に押し付けた状態で、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部から離脱させるとともに、４本のスラストジャッキ２０の全縮にてカッタホイール２３を旋回フレーム１８側に格納する。

この状態で、図５(ｂ)に示されるように、前側のスライドジャッキ１４′を伸長させると同時に後側のスライドジャッキ１４を収縮させることにより、グリッパ装置５′，５に対しメインビーム４′，４をトンネル軸方向前方に摺動させて、旋回フレーム１８をトンネル軸方向前方に移動させる。

次いで、図５(ｃ)に示されるように、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部に押し付けて後に、上下左右のグリッパシュー７〜１０；７′〜１０′をトンネル坑壁から離脱させ、その後、前側のスライドジャッキ１４′を収縮させると同時に後側のスライドジャッキ１４を伸長させることにより、メインビーム４′，４に対しグリッパ装置５′，５をトンネル軸方向前方に移動させる。

次いで、図５(ｄ)に示されるように、桁１３をグリッパ装置５における下側のグリッパシュー８の窪み部８ａ（図３参照）を通して拡径部３を跨ぐようにトンネル坑壁底部に架け渡すとともに、前側のグリッパ装置５′におけるグリッパシュー７′〜１０′をトンネル坑壁に押し付ける。その後、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部から離脱させる。これにより、後側のグリッパ装置５は桁１３の上に載置された状態となる。そして、前側のスライドジャッキ１４′を伸長させると同時に後側のスライドジャッキ１４を収縮させることにより、グリッパ装置５′，５に対しメインビーム４′，４をトンネル軸方向前方に摺動させて、旋回フレーム１８をトンネル軸方向前方に移動させる。

次いで、図６(ａ)に示されるように、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部に押し付けて桁１３に対し後側のグリッパ装置５を浮かした状態とし、その後、前側のグリッパ装置５′における上下左右のグリッパシュー７′〜１０′をトンネル坑壁から離脱させる。そして、前側のスライドジャッキ１４′を収縮させると同時に後側のスライドジャッキ１４を伸長させることにより、メインビーム４′，４に対しグリッパ装置５′，５をトンネル軸方向前方に移動させる。

次いで、図６（ｂ）に示されるように、前側のグリッパ装置５′におけるグリッパシュー７′〜１０′をトンネル坑壁に押し付け、その後、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部から離脱させる。これにより、後側のグリッパ装置５は桁１３の上に載置された状態となる。そして、前側のスライドジャッキ１４′を伸長させると同時に後側のスライドジャッキ１４を収縮させることにより、グリッパ装置５′，５に対しメインビーム４′，４をトンネル軸方向前方に摺動させて、旋回フレーム１８をトンネル軸方向前方に移動させる。

次いで、図６(ｃ)に示されるように、サポートシュー１６，１６′をトンネル坑壁下部に押し付けて桁１３に対し後側のグリッパ装置５を浮かした状態とし、その後、前側のグリッパ装置５′における上下左右のグリッパシュー７′〜１０′をトンネル坑壁から離脱させる。そして、前側のスライドジャッキ１４′を収縮させると同時に後側のスライドジャッキ１４を伸長させることにより、メインビーム４′，４に対しグリッパ装置５′，５をトンネル軸方向前方に移動させる。

このように、メインビーム４，４′の移動動作とグリッパ装置５，５′の移動動作とを繰り返すことにより、トンネル２内において拡径掘削機１を自走にて移動させることができる。

（トンネル曲線部移動動作：図７参照）
例えば、進行方向（図では左方向）に対し左側に曲がったトンネル曲線部２ａにおいて拡径掘削機１を移動させる場合、トンネル坑壁に押し付けた状態にある左右のグリッパシュー９，１０；９′，１０′を繋ぐグリッパジャッキ１２；１２′の左右の伸び量を調整して、後側のメインビーム４を進行方向右側に変位量ｔ_１だけ寄せるとともに、前側のメインビーム４′を進行方向左側に変位量ｔ_２だけ寄せ、その後、前側のスライドジャッキ１４′を伸長させると同時に後側のスライドジャッキ１４を収縮させることにより、グリッパ装置５′，５に対しメインビーム４′，４をトンネル軸方向前方に摺動させ、旋回フレーム１８をトンネル軸方向前方に移動させる。つまり、旋回フレーム１８とグリッパ装置５，５′とを交互に移動させる動作にグリッパ装置５，５′によるメインビーム４，４′の左右方向位置調節動作を盛り込むことにより、トンネル曲線部２ａにおいて拡径掘削機１をスムーズに移動させることができる。なお、同様の要領にて、進行方向に対し右側に曲がったトンネル曲線部においても拡径掘削機１をスムーズに移動させることができるのは言うまでもない。

本実施形態の拡径掘削機１によれば、カッタホイール２３を地山に押し付ける際の反力を、旋回フレーム１８、この旋回フレーム１８の両側に軸受装置１７，１７′を介して接続される一対のメインビーム４，４′および各メインビーム４，４′に装備されるグリッパ装置５，５′を介してトンネル坑壁にとるようにされているので、かかる反力を安定的かつ十分に確保することができ、またカッタホイール２３のトンネル内周面に対する掘削角度を変化させることができ、更にトンネル２内を自走にて移動させることができるので、岩盤層における既設トンネル２の所定箇所に拡径部３を効率良く掘削形成することができる。

なお、本実施形態においては、後側のグリッパ装置５が拡径部３を通過する際に桁１３を利用する例を示したが、メインビーム４を延長し、それに合わせてスライドジャッキ１４の伸縮ストロークを延長して、グリッパ装置５の移動ストロークを拡径部３の幅寸法よりも十分に大きくとることが可能な場合には、言い換えれば機長を長くとることが可能な場合には、桁１３を用いることなくグリッパ装置５が拡径部３を通過することができるので、桁１３は不要であり、当然にグリッパシュー８における窪み部８ａも不要である。

本発明の一実施形態に係る拡径掘削機の側面図 本実施形態の拡径掘削機の平面図 図１におけるＡ矢視図 図１におけるＢ−Ｂ矢視図 拡径掘削機のトンネル内移動動作説明図（１） 拡径掘削機のトンネル内移動動作説明図（２） 拡径掘削機のトンネル曲線部移動動作説明図

符号の説明

１ 拡径掘削機
２ トンネル
３ 拡径部
４，４′ メインビーム
５，５′ グリッパ装置
７〜１０ グリッパシュー
７′〜１０′ グリッパシュー
１８ 旋回フレーム
２３ カッタホイール

Claims (2)

1. 岩盤層に水平方向に構築したトンネルに拡径部を掘削形成する拡径掘削機であって、
   （ａ）トンネル軸方向に間隔を存して配され、トンネル軸方向に延設される一対のメインビーム、
   （ｂ）これらメインビームのそれぞれに摺動自在に設けられ、トンネル坑壁に接離自在なグリッパシューを有するグリッパ装置、
   （ｃ）前記一対のメインビームの間にトンネル周方向に旋回自在に設けられる旋回フレームおよび
   （ｄ）この旋回フレームに支持されるとともに、トンネル半径方向に移動自在に設けられ、トンネル内周面を掘削するカッタホイール
   を備えることを特徴とする拡径掘削機。
2. 前記カッタホイールのトンネル内周面に対する掘削角度が可変とされる請求項１に記載の拡径掘削機。

Images