JPH08105294A - 自由断面掘削工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自由断面形状のトンネルを能率的に掘削する
工法を提供する。 【構成】 トンネル内を移動可能なトンネル掘削機本体
と、このトンネル掘削機本体に揺動自在に装着されたカ
ッタヘッドと、このカッタヘッド外周面に設けたディス
クカッタとよりなるトンネル掘削機により、掘進方向に
対して左右方向において非垂直面の切羽を順次形成して
掘進するトンネルの掘削工法であって、掘削開始時に前
記非垂直面に沿ってカッタヘッド外周面に設けたディス
クカッタを当接して掘削する自由断面掘削工法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、任意の断面形状を有す
るトンネルを、自由断面掘削機により掘削する場合の自
由断面掘削工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自由断面を有するトンネルを硬岩
中に機械掘削する場合には、以下のような方法が行われ
ている

【０００３】図１７は特開平５−２９５９８６に提案さ
れている自由断面掘削機の第１例の側面図であり、掘削
機本体２１は履帯式足まわりにより走行自在な走行部２
２を有しており、走行部２２には支持架台２３が搭載さ
れている。支持架台２３の前部にはパラレルリンク機構
２４を介してカッタヘッド２５が上下、左右に揺動自在
に装着されている。カッタヘッド２５は回転自在であ
り、その前面には複数個のディスクカッタ２６が装着さ
れている。３０は排土装置、３１はギャザリング装置、
３２はグリッパ装置、３３は前部アウトリガ、３４は後
部アウトリガである。

【０００４】掘削作業を行う場合にはグリッパ装置３
２、前部アウトリガ３３および後部アウトリガ３４を用
いて掘削機本体２１を固定する。そしてカッタヘッド２
５を回転させ、図１８（ａ）の側面図、および（ｂ）の
平面図に示すようにディスクカッタ２６を前方の切羽Ｍ
に押し付けながら、パラレルリンク機構２４を用いてカ
ッタヘッド２５を矢印のように上下左右に移動させて掘
進して行く。なお、カッタヘッド２５はパラレルリンク
機構２４により任意の方向に移動することが可能であ
る。

【０００５】図１９は特開平５−１４１１８８に提案さ
れている自由断面掘削機の第２例の側面図であり、図２
０は平面図である。掘削機本体４１は履帯式足まわりよ
りなる走行部４２を有し、走行部４２には直立支持体４
３が搭載されている。直立支持体４３に水平に支持され
たブーム支持シャフト４４の先端にはブーム４５が図１
９に示す矢印方向に揺動自在に装着され、ブーム４５の
先端にはデイスクカッタ４７を周囲に装着したカッタホ
イール４６が回転自在に装着されている。ブーム支持シ
ャフト４４は回転自在であり、また、図２０の矢印に示
すように左右に移動可能である。５０は前面グリッパシ
ュー、５１は後面グリッパシュー、５２はブレードであ
る。

【０００６】掘削作業を行う場合には前面グリッパシュ
ー５０、後面グリッパシュー５１で掘削機本体４１を固
定し、カッタホイール４６を回転させながらディスクカ
ッタ４７を切羽Ｎに押し付け、ブーム４５の揺動、ブー
ム支持シャフト４４の左右への移動、および回転運動に
より切羽Ｎを掘削、掘進して行く。

【０００７】つぎに、上記従来の自由断面掘削機による
掘削工法について説明する。第１の工法は、前述の第１
例の自由断面掘削機による掘削工法であり、図２１に示
すようにカッタヘッド２５を回転させながらディスクカ
ッタ２６を所定の深さｍ（通常数mm程度）だけ切羽Ｍに
貫入させながらカッタヘッド２５を切羽Ｍの面に沿って
平行に移動させ、切羽Ｍの全面を掘削する。第２の工法
は、前述の第２例の自由断面掘削機による掘削工法であ
り、図２２に示すようにカッタホイール４６を回転させ
ながらディスクカッタ４７を所定の深さｎ（通常数mm程
度）だけ切羽Ｎに貫入させ、カッタホィール４６を切羽
Ｎの面に沿って平行に移動させ、掘削する。第３の工法
は、図２３に示す回転自在なカッタヘッド６０の前面に
ディスクカッタ６１を備えた自由断面掘削機による掘削
工法である。カッタヘッド６０を回転させながら切羽Ｐ
に所定の深さｐ（通常数十cm程度）まで貫入させたのち
カッタヘッド６０を引き抜き、続いてカッタヘッド６０
を切羽Ｐの別の場所に移動して同様に貫入・引き抜きを
行う。これを繰り返し行い、切羽Ｐの全面を掘削する。
第４の工法は、図２４に示す回転自在なカッタヘッド６
２の側面にディスクカッタ６３を備えた自由断面掘削機
による掘削工法であり、以下のような工法が考えられ
る。すなわち、切羽Ｑにカッタヘッド６２の外径ｄより
大きなパイロット穴Ｒを穿設しておく。つぎに図２４に
示すようにパイロット穴Ｒにカッタヘッド６２を挿入
し、回転させながら矢印方向に移動させて切羽全面を掘
削する。第５の工法は、図２５に示すように回転自在な
カッタヘッド６４の前面および側面にディスクカッタ６
５および６６を備えた自由断面掘削機による掘削工法で
ある。カッタヘッド６４を回転させながら切羽Ｓに所定
の深さｓだけ貫入させ、カッタヘッド６４を上下左右に
移動させて切羽Ｓの全面を掘削する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法においては以下のような問題が発生する。第１および
第２の工法においては、ディスクカッタの貫入深さが少
なく、特に第２の工法では貫入深さが少ない上に掘削に
関与するディスクカッタの数が少ないため作業能率が悪
い。また、ディスクカッタは常に側方からの負荷を受け
るため、偏荷重による刃物寿命の低下が生じる。第３の
工法においては、カッタヘッドの貫入・引き抜き・横移
動という工程が煩雑であり、能率が悪い。また、円形の
穴を多数連結して切羽全体の掘削を行うので切り残しが
出るのは避けられない。切り残しをできるだけ少なくし
ようとすれば、カッタヘッドの一部のみで掘削を行う場
合が多くなり、この点でも能率が低下する。第４の工法
においては、予めパイロット穴を掘削しておく必要があ
り、能率的でない。第５の工法においては、カッタヘッ
ドを切羽に貫入する場合には側面のディスクカッタに偏
荷重が作用し、一方、カッタヘッドを上下左右に移動す
る場合には前面のディスクカッタに偏荷重が作用してい
ずれも刃物寿命が低下する。

【０００９】本発明は上記の問題点に着目してなされた
もので、自由断面形状のトンネルを硬岩中に能率的に機
械掘削し得る自由断面掘削工法を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明に係る自由断面掘削工法は、トンネル内を移動可能
なトンネル掘削機本体と、このトンネル掘削機本体に揺
動自在に装着されたカッタヘッドと、このカッタヘッド
外周面に設けたディスクカッタとよりなるトンネル掘削
機により、掘進方向に対して左右方向に非垂直面の切羽
を順次形成して掘進するトンネルの掘削工法であって、
掘削開始時に前記非垂直面に沿ってカッタヘッド外周面
に設けたディスクカッタを当接して掘削することを特徴
とする。前記非垂直面の切羽は複数からなり、これら複
数の非垂直面の切羽はそれぞれ１台ずつのトンネル掘削
機により掘削することが可能であり、また、前記複数の
非垂直面の切羽のうち隣り合う切羽を掘削するトンネル
掘削機がお互いに干渉しないように各トンネル掘削機の
掘削周期をずらして掘削することも可能である。

【００１１】

【作用】本発明は、トンネル内を移動可能なトンネル掘
削機本体に揺動自在に装着されたカッタヘッド外周面に
設けたディスクカッタにより、掘進方向に対して左右方
向において非垂直面の切羽を順次形成して掘進するトン
ネルの掘削工法であって、掘削開始時に前記非垂直面に
沿ってカッタヘッド外周面に設けたディスクカッタを当
接して掘削することにより、円形に限らず自由断面のト
ンネルを掘削することができる。また、前記非垂直面の
切羽が複数からなり、これら複数の非垂直面の切羽はそ
れぞれ１台ずつのトンネル掘削機により掘削することが
でき、それにより前記複数の非垂直面の切羽のうち隣り
合う切羽を掘削するトンネル掘削機がお互いに干渉しな
いようにそれぞれのトンネル掘削機の掘削周期をずらす
ことができる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明に係る自由断面掘削工法の実施
例について、図面を参照して詳述する。図１は自由断面
掘削機の側面図であり、掘削機本体１は履帯式足まわり
により走行自在な走行部２を有しており、走行部２は支
持架台３を搭載している。支持架台３の前部にはパラレ
ルリンク機構４を介してカッタヘッド５が揺動自在に装
着されている。カッタヘッド５はカッタヘッド本体５ａ
と、これを駆動するカッタヘッド駆動部５ｂよりなる。
カッタヘッド本体５ａは、カッタヘッド駆動部５ｂによ
って回転自在に支持されて、カッタヘッド駆動部５ｂに
設けたモータ８により駆動される。カッタヘッド駆動部
５ｂの構造は特開平５−２９５９８６号公報に開示され
た構造を用いればよい。カッタヘッド本体５ａの側面に
はディスクカッタ６が装着されている。ディスクカッタ
６はカッタヘッド本体５ａの周囲に多数装着されている
が、本図においては一部省略してある。カッタヘッド５
は前述の特開平５−２９５９８６と同様、パラレルリン
ク機構４により任意の方向に移動することが可能であ
る。１０は排土装置、１１はギャザリング装置、１２は
グリッパ装置、１３は前部アウトリガ、１４は後部アウ
トリガである。

【００１３】掘削作業を行う場合には、グリッパ装置１
２、前部アウトリガ１３および後部アウトリガ１４によ
り掘削機本体１を固定し、カッタヘッド本体５ａを回転
させながらカッタヘッド本体５ａの側面を切羽に圧接
し、パラレルリンク機構４によりカッタヘッド５を上下
左右に移動させて掘削する。掘削する場合には多数のデ
ィスクカッタ６が同時に掘削するので掘削能率が良い。
また、ディスクカッタ６は掘削面に対して垂直に押し当
てられるので、偏荷重が作用することがなく、刃物寿命
が低下しない。

【００１４】つぎに、掘削工法について説明する。図２
はトンネルの第１実施例の正面断面図であり、図３は図
２のＸ−Ｘ断面である平面断面図（ただし、９０度左に
回転して描いてある）で、切羽形状の第１実施例を示
す。すなわち、図２に示すような断面形状のトンネルを
構築する場合、図３に示すように切羽をＡ、Ｂ２つの傾
斜面に２分割し、カモメ形に形成する。つぎに、図４に
示すように傾斜面ＡおよびＢに対してそれぞれ１台づつ
の自由断面掘削機１Ａおよび１Ｂを配置する。

【００１５】つぎに掘削手順について説明する。まず図
５に示すように自由断面掘削機１Ａのパラレルリンク機
構４Ａを作動させ、カッタヘッド５Ａを一方の切羽Ａの
細い２点鎖線で示すａ１部を掘削するための位置にセッ
トし、掘削を開始する。カッタヘッド５Ａのカッタヘッ
ド本体側面のディスクカッタを切羽Ａのａ１部に押し当
て、カッタヘッド５Ａのカッタヘッド本体をモータによ
り回転させながら、パラレルリンク機構４Ａによってカ
ッタヘッド５Ａを横方向に移動させてゆく。なお、切羽
Ａの上下方向の高さがカッタヘッド５Ａによる掘削外径
よりも大きい場合には、パラレルリンク機構４Ａによ
り、カッタヘッド５Ａを横方向に移動させると同時に上
下方向にも揺動させて切羽Ａの全面を掘削する。

【００１６】つぎに図６に示すように、自由断面掘削機
１Ａのカッタヘッド５Ａは一方の傾斜面Ａのａ1 部の掘
削を完了する。このとき、自由断面掘削機１Ｂのカッタ
ヘッド５Ｂは他方の傾斜面Ｂのｂ１部の掘削を開始して
いる。つぎに図７に示すように、自由断面掘削機１Ａは
カッタヘッド５Ａを手前に引き、切羽Ａから離す。つぎ
に図８に示すように、自由断面掘削機１Ａのカッタヘッ
ド５Ａをトンネルの中心側に戻す。このとき、他方の自
由断面掘削機１Ｂのカッタヘッド５Ｂによる掘削が進行
していれば、自由断面掘削機１Ａのカッタヘッド５Ａが
自由断面掘削機１Ｂのカッタヘッド５Ｂと干渉すること
はない。続いて図９に示すように、自由断面掘削機１Ａ
を、走行装置２Ａを使用して細い点線の位置から実線の
位置まで（ほぼカッタヘッド５Ａのカッタヘッド本体５
ａの厚みに相当）前進させ、カッタヘッド５Ａを切羽Ａ
の細い２点鎖線で示すａ2 部を掘削するための位置にセ
ットする。以上で一連の掘削サイクルが完了する。以後
２台の自由断面掘削機１Ａおよび１Ｂで交互に順次この
作業を繰り返す。

【００１７】以上述べたように、隣接する２台の自由断
面掘削機を、掘削のための一連の動作をほぼ半周期ずら
した上で同期させて作動させることにより、互いに干渉
することなく、掘削作業を連続して行うことができ、作
業の効率化が図れる。

【００１８】次に、２台の掘削機の干渉防止の一実施例
について説明する。 （１）時間差をつけて掘削する方法 図１４（Ａ）に示すように、掘削時間がｔ1 、カッタヘ
ッドを手前に引くのに要する時間がｔ2 、カッタヘッド
をトンネル中心に戻すのに要する時間がｔ3 、掘削機の
前進位置決めに要する時間がｔ4 であるとすると、サイ
クルタイムｔは次のように表される。 ｔ＝ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 ＋ｔ4 図１４（Ｂ）に示すように、２台の掘削機をｔ／２の時
間差をつけて動かせば、多くの場合掘削機同士の干渉を
防止することができる。通常は掘削時間ｔ1 がサイクル
タイムｔのうちの大半を占めるので、ここに示した時間
差をつける方法で干渉防止が可能である。ただし、例え
ばｔ中に占めるｔ4 の割合が非常に大きいようなケース
では、この方法では干渉が生じてしまうので、後述する
方法（２）を併用する必要がある。

【００１９】（２）干渉が生じる手前で一時停止する方
法（図１５参照） ２台の掘削機の干渉が生じるのは、一方の掘削機が位置
決めを行う時に、他方の掘削機があまり進行していない
場合である。そこで図１５の工程のようにカッタヘッ
ドを引き戻して、次の掘削の位置決め作業を行う前に、
もう一方の掘削機との干渉が起こるかどうかを判断し、
（この判断は、例えば運転者が行えばよい）干渉が起こ
りそうであれば、その位置で一時停止し、他方の掘削機
の作業が進行して干渉が起きなくなるまで待つようにす
る。図１５は、干渉が生じるために下側の掘削機が待
機している状態である。この待機中に足回りによる前進
作業を先に済ませておくようにすれば、ムダな時間を減
らせるので能率的である。このときカッタヘッドはトン
ネル中心への引き戻しの途中で停止しているので他機に
干渉する心配はない。待機中に図１５の上側の掘削機
による掘削が進行し、干渉の危険性がなくなれば、図１
５に示すように、下側の掘削機の位置決め動作を再開
し、掘削機を次の掘削開始位置にセットする。図１５
の工程で干渉が生じないと判断された場合には、そのま
ま停止することなく、図１５，に示したように、引
き戻し、前進位置決め作業を行う。 （３）前記時間差をつけて掘削する方法（１）と、干渉
が生じる手前で一時停止する方法（２）との両方を行う
ようにしてもよい。

【００２０】切羽の形状は図３に示したカモメ形の他
に、図１０の切羽の第２実施例に示すように切羽Ｄ部を
Ｖ字状にしてもよい。ただし、この場合には側壁Ｅ部に
凹凸ができるので、側壁部を平滑に仕上げたい場合には
カモメ形の方が良い。トンネル断面形状は上記以外の形
状でも掘削可能である。たとえば、図１１に示すトンネ
ル断面形状の第２実施例のような形状でもカッタヘッド
の上下方向の動きと左右方向へのスイングとを組み合わ
せることにより掘削可能である。図１１に示すような断
面形状で、トンネル断面が大きい場合、カッタヘッドを
円弧に沿ってスイングさせることにより図１１に示すＦ
部をまず掘削・覆工し、後から別の手段で残った芯部を
掘削するようにすれば超大断面トンネルを比較的容易に
構築することが可能となる。

【００２１】以上の実施例では切羽を２分割している
が、分割数をこれより多くすることも可能である。図１
２は切羽の第３実施例を示し、２つのＶ字により切羽を
４分割した例であり、４台の自由断面掘削機で掘削を行
う。

【００２２】図１３は切羽の第４実施例を示し、２つの
カモメ形で切羽を構成した例である。この場合４台の自
由断面掘削機で掘削を行ってもよいが、中央部のＧおよ
びＨの２面を１台の自由断面掘削機でまかない、両側の
２台と合わせて３台の自由断面掘削機で作業することも
可能である。この場合には、中央部の自由断面掘削機で
は図７、図８で説明したカッタヘッド５の戻し工程は不
要となり、カッタヘッド５を左方向に移動させてＧ→Ｈ
の順に掘削する工程と、右方向に移動させてＨ→Ｇの順
に掘削する工程とが交互に連続して行われる。

【００２３】次に、図１６に基づいて本発明を１台の掘
削機で実施する場合の実施例について説明する。掘削機
により、まずａ１の部分の掘削を行い、続いて掘削機を
移動させてａ２，ａ３・・・の順に各円弧状部分を順次
掘削して行く。ａ１１まで掘削が終わると、１シリーズ
の掘削が完了となる。次に掘削機を図１６のｂ１部分を
掘削する位置に移動させて、前回のシリーズと同様に順
次ｂ２，ｂ３・・・ｂ１１を掘削する。以下、同じ手順
を繰り返す。この実施例の方法では、作業能率は低下す
るものの、掘削機の台数が少なくて済むというメリット
がある。

【００２４】上記の自由断面掘削機はパラレルリンク式
で説明したが、ブーム式ロードヘッダと同様に上下左右
に動かせるブームの先端にカッタヘッド（カッタドラ
ム）を装着した構造としてもよい。なお、この場合にも
刃物はディスクカッタとし、カッタヘッドの側面に配置
する。

【００２５】

【発明の効果】

（１）本発明は、トンネル内を移動可能なトンネル掘削
機本体に揺動自在に装着されたカッタヘッド外周面に設
けたディスクカッタにより、掘進方向に対して左右方向
における非垂直面の切羽を順次形成して掘進するトンネ
ルの掘削工法であり、掘削開始時に前記非垂直面に沿っ
てカッタヘッド外周面に設けたディスクカッタを当接し
て掘削するため、円形に限らず自由断面のトンネルが掘
進自在となると共に、カッタヘッドの掘削効率も高く、
偏荷重による刃物の寿命低下を大幅に改善することがで
きる。 （２）また、前記非垂直面の切羽が複数からなり、これ
ら複数の非垂直面の切羽をそれぞれ１台ずつのトンネル
掘削機により、お互いに干渉しないようにその掘削周期
をずらして掘削すれば、連続して自由断面掘削が可能と
なり、作業効率を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の掘削工法に用いる自由断面掘削機の側
面図である。

【図２】トンネルの形状の第１実施例を示す正面断面図
である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面を示し、本発明における自由
断面掘削工法の第１実施例を説明するためのトンネルの
平面断面図である。

【図４】本発明における自由断面掘削機の配置図であ
る。

【図５】本発明における自由断面掘削工法の第１手順を
示す説明図である。

【図６】同、第２手順を示す説明図である。

【図７】同、第３手順を示す説明図である。

【図８】同、第４手順を示す説明図である。

【図９】同、第５手順を示す説明図である。

【図１０】本発明における自由断面掘削工法の第２実施
例を説明するためのトンネルの平面断面図である。

【図１１】トンネルの形状の第２実施例を示す正面断面
図である。

【図１２】本発明における自由断面掘削工法の第３実施
例を説明するためのトンネルの平面断面図である。

【図１３】本発明における自由断面掘削工法の第４実施
例を説明するためのトンネルの平面断面図である。

【図１４】本発明における２台の掘削機の干渉防止の一
実施例を示す図である。

【図１５】本発明における２台の掘削機の干渉防止の一
実施例を示す図である。

【図１６】本発明の自由断面掘削工法における１台の掘
削機の一実施例を示す図である。

【図１７】従来の自由断面掘削機の第１例の側面図であ
る。

【図１８】同、カッタヘッド作動の説明図である。

【図１９】従来の自由断面掘削機の第２例の側面図であ
る。

【図２０】同、平面図である。

【図２１】従来の掘削工法の第１例の説明図である。

【図２２】従来の掘削工法の第２例の説明図である。

【図２３】従来の掘削工法の第３例の説明図である。

【図２４】従来の掘削工法の第４例の説明図である。

【図２５】従来の掘削工法の第５例の説明図である。

【符号の説明】

１・・・掘削機本体、２・・・走行部、４・・・パラレ
ルリンク装置、１Ａ，１Ｂ・・・自由断面掘削機、５，
５Ａ，５Ｂ・・・カッタヘッド、５ａ・・・カッタヘッ
ド本体、５ｂ・・・カッタヘッド駆動部、６・・・ディ
スクカッタ、８・・・モータ、Ａ，Ｂ・・・傾斜面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル内を移動可能なトンネル掘削機
   本体と、このトンネル掘削機本体に揺動自在に装着され
   たカッタヘッドと、このカッタヘッド外周面に設けたデ
   ィスクカッタとよりなるトンネル掘削機により、掘進方
   向に対して左右方向において非垂直面の切羽を順次形成
   して掘進するトンネルの掘削工法であって、掘削開始時
   に前記非垂直面に沿ってカッタヘッド外周面に設けたデ
   ィスクカッタを当接して掘削することを特徴とする自由
   断面掘削工法。
2. 【請求項２】 前記非垂直面の切羽は複数からなり、こ
   れら複数の非垂直面の切羽はそれぞれ１台ずつのトンネ
   ル掘削機により掘削することを特徴とする請求項１記載
   の自由断面掘削工法。
3. 【請求項３】 前記複数の非垂直面の切羽のうち隣り合
   う切羽を掘削するトンネル掘削機がお互いに干渉しない
   ように各トンネル掘削機の掘削周期をずらしたことを特
   徴とする請求項２記載の自由断面掘削工法。