トンネル掘削機およびトンネル掘削方法
【課題】チャンバー内の土圧を均等化させることで、切羽の安定を図ることができる。
【解決手段】水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔にカッタビット５３、５４が外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタ５が、掘削機本体２の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、掘削カッタ５の近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる作泥土材の吐出口が設けられ、掘削カッタ５後方のチャンバーＲ１内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリュー７が、そのスクリュー回転軸（スクリュー中心軸Ｏ２）を掘削カッタ５の回転軸（カッタ中心軸Ｏ１）と並行にして設ける構成とした。
【解決手段】水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔にカッタビット５３、５４が外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタ５が、掘削機本体２の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、掘削カッタ５の近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる作泥土材の吐出口が設けられ、掘削カッタ５後方のチャンバーＲ１内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリュー７が、そのスクリュー回転軸（スクリュー中心軸Ｏ２）を掘削カッタ５の回転軸（カッタ中心軸Ｏ１）と並行にして設ける構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削土に気泡材やベントナイトなどを添加して掘削するトンネル掘削機およびトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市域に設けられる比較的小規模のトンネルの断面形状は円形断面とするよりも矩形断面とすることが合理的である場合が多いことから、矩形断面のトンネル掘削機が採用されている。このようなトンネル掘削機の切削機構としては、掘削方向に直交し略水平方向に配置させるとともに、螺旋状の羽根の外周部に土砂を切削するための切削ビットを配置させたスクリュー形状のカッタ（以下、スクリューカッタという）を、掘削機本体の先端に上下方向に平行に複数配列させたものがある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
このようなスクリューカッタによる機構は、油圧モータ等の回転駆動により、螺旋羽根を回転させて土砂を切削しながら、左右方向に切削した土砂を移送し、スクリュー端部付近でスクリューカッタの回転軸方向と直角方向に設置したスクリューコンベヤによりシールド機の後方に掘削土砂を排出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６６７７１７号公報
【特許文献２】特開平１１−２２９７７４号公報
【特許文献３】特公平７−５９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のトンネル掘削機では以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１、２、３で開示されているスクリューカッタ機構は、水平なスクリューカッタにより地山を幅方向に掘削するとともに左右方向（横方向）へ土砂を移送するものであって、その左右方向への移送能力が一定であるため、スクリューカッタの回転軸方向で排土側ほどスクリュー内部の運搬土量が多くなり、スクリュー内圧も高くなる。 そのため、切削する地山の土圧に対応するスクリューカッタの圧力が軸方向（トンネル幅方向）の範囲で一定にならず、圧力差が生じることから、地山の土圧が部分的に低下し、地表面沈下を発生させてしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、チャンバー内の土圧を均等化させることで、切羽の安定を図ることができるトンネル掘削機および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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削機本体の切羽面側にカッタを備えて掘削するトンネル掘削機であって、水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタが、掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、掘削カッタの近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる添加材の吐出口が設けられ、掘削カッタ後方のチャンバー内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリューが、そのスクリュー回転軸を掘削カッタの回転軸と並行にして設けられていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられた掘削カッタで切羽を掘削する工程と、掘削土砂に添加材を混合させつつ、その掘削土砂を掘削カッタ後方のチャンバー内でパドルスクリューによって攪拌して塑性流動化させる工程とを有することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、複数段の掘削カッタを回転させて掘削した土砂に添加材を添加して、掘削カッタの後方のチャンバーに設けられているパドルスクリューにより十分に攪拌して塑性流動化させて排土することで、チャンバー内の土圧を均等化させることができ、掘削中の切羽を安定した状態で保持することができる。すなわち、掘削カッタとパドルスクリューとがそれぞれの回転軸を並行にし、それら軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、チャンバー内に取り込まれる掘削土量がトンネル幅全体にわたって一定となるので、パドルスクリューの軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂が均等に攪拌され、チャンバー内における土圧の圧力差を小さくすることができる。
また、掘削カッタが複数段設けられ、各段の掘削カッタに対応するようにパドルスクリューを配置することで、より効果的な攪拌を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で変化していることが好ましい。
【００１０】
本発明では、回転軸の大径部で切羽の地山を押さえ、小径部で掘削土砂の取り込みを多くすることができる。つまり、回転軸の大径部は、掘削カッタの後方のチャンバーに対して正面からみた開口面積が小さくなるので、チャンバー内への土砂取り込み量が小径部に比べて少なくなり、切羽の安定を図ることができる。
一方、回転軸の小径部は、前記の開口面積が大きいので、掘削土砂の取り込み量を増やし、掘削効率を高めることができる。
【００１１】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で中央部が両側部より小径であることが好ましい。
【００１２】
本発明では、トンネル幅方向の両側部は切羽面が崩壊し易いので、その両端部に掘削カッタの大径部（大径回転軸）を配置することで、この大径回転軸で切羽面を抑える面積を大きくし、回転軸方向で中央部では小径部（小径回転軸）として掘削効率を高めている。つまり、切羽面の崩落防止を図るとともに掘削効率を高めている。
【００１３】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタは、回転軸方向に複数に分割され、それぞれが単独で回転可能であることが好ましい。
【００１４】
本発明では、分割された掘削カッタのそれぞれを種々の掘削方法に適応させて、回転速度を変えて掘削することが可能となり、例えばトンネル幅方向でいずれか一方側だけ回転速度を速くして掘削効率を上げることで、トンネル掘削機の掘進方向を変更することができる。
【００１５】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、最上段の掘削カッタは、掘削機本体の外筒内で切羽側に向けて突出可能に設けられた内筒に設けられ、内筒の内側のチャンバーにパドルスクリューが設けられていることが好ましい。
【００１６】
本発明では、内筒を外筒に対して突出させ、最上段の掘削カッタをその最上段より下側の掘削カッタよりも先行させて掘削することで、地山の崩壊を抑えることができ、切羽の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のトンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、パドルスクリューの軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂を攪拌して塑性流動化させることで、チャンバー内の土圧を均等化させて圧力差を小さくすることができる。これにより、切羽の安定を図ることができ、土圧の部分的な低下の影響による地表面沈下の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すトンネル掘削機の上側掘削部を上から見た図である。
【図３】図１に示すトンネル掘削機の正面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機による掘削手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法について、図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１および図２に示すように、本実施の形態によるトンネル掘削機１は、通常のシールド機とほぼ同様に築造すべきトンネルの断面形状に合わせて掘削機本体２の内部にトンネル掘削に必要な各種の機器類のほぼ全てを収容し、地山を掘削しつつその後方において、セグメントを組み立て、そのセグメントから反力をとって掘進していくものである。さらに本トンネル掘削機１は、カッタ（掘削カッタ５）を回転させて掘削し、その掘削土砂に気泡材やベントナイトなどの作泥土材（添加材）を添加して攪拌し、塑性流動化させた掘削土砂を取り込む掘進方法であり、いわゆる「泥土圧シールド掘削機」である。
ここで、以下の説明では、図１、図２における紙面で左右方向を「前後方向Ｘ」とし、切羽側を「前方」とし、その反対側を「後方」として統一して用いる。そして、後方から前方へ向かう方向を「掘進方向Ｘ１」とする。
【００２１】
具体的には、掘削機本体２は、掘削すべきトンネルの断面形状に合致する矩形筒状のスキンプレートからなる外筒３を備え、その外筒後部３ｂ内には組み立て済みの図示しないセグメントを押圧してそこから反力をとって推進するための複数の推進ジャッキ４、４、…が後述するリングガーダ３１に設けられている。本実施の形態による掘削機本体２は、切羽側からみた正面視で略正方形の断面形状となっている。
また、掘削機本体２の内部にはセグメントの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類が備えられており、以下、主要な構成について説明する。
【００２２】
外筒３の内側には、外筒胴部３ｃに設けられるリングガーダ３１と、リングガーダ３１より前方の外筒３内を上側掘削部Ｍ１と下側掘削部Ｍ２とに上下に区画する上下仕切壁３２とが設けられている。そして、上側掘削部Ｍ１および下側掘削部Ｍ２のそれぞれの前方には、切羽を矩形断面に掘削するための掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）が設けられている。
【００２３】
上側掘削部Ｍ１は、外筒３と上下仕切壁３２とによって囲まれ、正面視で横長の矩形断面形状をなす内筒６が前後方向Ｘに進退可能に設けられている。上側掘削部Ｍ１は、内筒６の空間の前方に掘削カッタ５（後述する上段カッタ５Ａ）を配置するとともに、その上段カッタ５Ａの後方に掘削土砂を攪拌するためのパドルスクリュー７（７Ａ）を備えた構成となっている。また、パドルスクリュー７Ａの後方には、隔壁６１が設けられている。
【００２４】
また、下側掘削部Ｍ２は、外筒３と上下仕切壁３２とによって囲まれ、後方側には後述する中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃとを後方から支持する隔壁３３が設けられている。この下側掘削部Ｍ２は、掘削機本体２の空間の前方に掘削カッタ５（後述する中段カッタ５Ｂ、下段カッタ５Ｃ）を配置するとともに、その中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃの後方に掘削土砂を攪拌するためのパドルスクリュー７（７Ｂ）を備えた構成となっている。
【００２５】
ここで、外筒３の外筒前部３ａに配置される掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）は、それぞれ周面にカッタビットを備えた円筒形状をなし、カッタ中心軸Ｏ１方向をトンネル幅方向に向けた状態で、且つその回転軸がトンネル幅のほぼ全体にわたって延ばされている。そして、掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、それぞれが上下方向に配置されて複数段（本実施の形態では３段）となっており、それら全体で矩形断面のトンネルが掘削される。
また、そのうちの最上段に位置する上段カッタ５Ａ（最上段カッタ）は、内筒６とともに外筒３に対して前後方向Ｘに進退可能することになる。一方、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、外筒３内の隔壁３３に支持アーム１２を介して固定され、推進ジャッキ４によって外筒３とともに掘進方向Ｘ１に移動する構造となっている。
【００２６】
そして、３段の掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）は、上段カッタ５Ａほど前後方向Ｘで前方に位置するように配置、すなわち下段カッタ５Ｃ、中段カッタ５Ｂ、上段カッタ５Ａの順で前方に張出した位置に配置されている。
【００２７】
先ず、上段カッタ５Ａにより掘削する上側掘削部Ｍ１の構成について、図２に基づいて説明する。
上側掘削部Ｍ１に設けられる内筒６は、その内側で前後の空間を仕切る隔壁６１を備え、その隔壁６１とその後方に位置するリングガーダ３１との間に進退ジャッキ９が設けられ、この進退ジャッキ９の伸縮によって前後方向Ｘに１掘進長の長さ以上の範囲内で進退可能となっている。そして、内筒６は、上側掘削部Ｍ１を形成する外筒３に対して液密な状態で移動する構成となっている。
【００２８】
内筒６は、隔壁６１の切羽側の空間が上段カッタ５Ａで掘削した土砂を取り込むとともに、パドルスクリュー７（７Ａ）で攪拌して排土するための空間、すなわちチャンバー（第１チャンバーＲ１）となっている。
この隔壁６１のトンネル幅方向で中央下部には、後述する排土スクリュー８Ａの取込口８ａが配置される開口６１ａを有している。そして、隔壁６１の切羽側の面には、開口６１ａからトンネル幅方向で両側へ向うにしたがって漸次前方へ延びる斜面６１ｂが形成されている。この隔壁６１の斜面６１ｂには、第１チャンバーＲ１内の土圧を測定するための土圧計１１が適宜数設けられている。
【００２９】
そして、内筒６の前方上端には、切羽側に延びるとともに、上段カッタ５Ａの上方を覆うフード６２を備えている。このフード６２には、切羽側の先端に刃先６２ａが設けられている。
【００３０】
上段カッタ５Ａは、内筒６よりも切羽側に突出した状態で配置され、隔壁６１から切羽側に向けて延びる一対の支持アーム１０、１０によってカッタ中心軸Ｏ１を中心にして回転可能に支持されている。各支持アーム１０は、後述する小径回転軸５２の軸方向両側に配置される一対の大径回転軸５２どうしの間の位置を軸支し、パドルスクリュー７Ａに干渉しないように設けられている。
【００３１】
図３に示すように、支持アーム１０は、その内部に掘削土砂に添加させるための作泥土材の通路（図示省略）が設けられていて、切羽側のカッタ回転軸支持部付近に設けられている吐出口１３から切羽に向けて気泡材やベントナイト等の作泥土材を吐出させる構造となっている。
【００３２】
上段カッタ５Ａは、図２および図３に示すように、中心軸Ｏ１方向をトンネル幅方向（切羽面に沿う方向）で、且つ水平方向に向けて配置されている。そして、掘削カッタ５は、軸方向の両側に大径回転軸５１が配置されるとともに、軸方向中央部に大径回転軸５１より小径の小径回転軸５２が同軸に配列された構成となっている。具体的には、回転軸方向で小径回転軸５２を挟んだ両側にそれぞれ２つの大径回転軸５１、５１が配置され、さらに大径回転軸５１、５１同士の間で上述した支持アーム１０によって回転自在に支持されている。なお、上段カッタ５Ａは、軸方向全部にわたって大径回転軸としてもよい。
【００３３】
各回転軸５１、５２の周面には、それぞれ回転軸の径方向に突出する複数のカッタビット５３、５４（掘削ビット）が設けられており、回転軸に直交する平面においてすべてのカッタビット５３、５４の先端の回転軌跡がほぼ同じになっている。つまり、大径回転軸５１に設けられているカッタビット５３は、小径回転軸５２のカッタビット５４よりも高さ寸法が小さくなっている。
【００３４】
各大径回転軸５１の内部には駆動モータ（図示省略）が組み込まれており、それぞれの回転軸５１が単独で回転する構造となっている。中央の小径回転軸５２においては、隣接する一方の大径回転軸５１に連結され、その大径回転軸５１とともに回転する。これにより、各大径回転軸５１を種々の掘削方法に適応させて、回転速度を変えて掘削することが可能となり、例えば、トンネル幅方向でいずれか一方側だけ回転速度を速くして掘削効率を上げることで、掘削機本体２の方向を変更することができる。
なお、４台の大径回転軸５１のうち１台に駆動モータを設け、大径回転軸５１と小径回転軸５２を連結固定しておくことで、１段の掘削カッタの全ての回転軸５１、５２を回転させることも可能である。
【００３５】
また、上段カッタ５Ａは切羽面に対して上から下へ掻き下ろす方向（図１で矢印Ｅ１方向）の回転であり、そのためカッタビット５３、５４の向きは切羽面に接する位置で爪の向きが下向きとなるようにして回転軸５１、５２に固定されている。
【００３６】
次に、図２に示すように、上段カッタ５Ａの後方のチャンバーＲ１内に配置されたパドルスクリュー７Ａは、掘削カッタ５Ａで掘削した土砂に作泥土材を加えて攪拌するものであり、スクリュー回転軸７１の中心軸Ｏ２が上段カッタ５Ａの回転軸５１、５２の中心軸Ｏ１と並行（本実施の形態では平行でもある）に配置されている。スクリュー回転軸７１は、軸方向両端の支持部７１ａ、７１ａが内筒６の側壁部６３に回転可能に支持されるとともに、回転軸７１の周面の適宜な位置に所定形状をなす複数の攪拌翼７２、７２、…が配置されている。
【００３７】
ここで、側壁部６３には、隔壁６１より後方側に駆動モータ７３が設けられている。そして、スクリュー回転軸７１の支持部７１ａは、側壁部６３の内部に設けられた駆動チェーン７４の伝達手段を介して駆動モータ７３によって回転駆動されている。
【００３８】
さらに、隔壁６１の開口６１ａには、取込口８ａを第１チャンバーＲ１内に配置させた状態で排土スクリュー８（８Ａ）が設けられている。つまり、パドルスクリュー７Ａで攪拌された掘削土砂は、排土スクリュー８Ａによって掘削機本体２の後方へ排出されることになる。
【００３９】
次に、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃにより掘削する下側掘削部Ｍ２について、図１などを用いて説明する。なお、上述した上側掘削部Ｍ１の構成と同様のものは、図２を用いて説明する。
下側掘削部Ｍ２は、上述したように外筒前部３ａの上下仕切壁３２の下側に位置し、リングガーダ３１の前方側に隔壁３３が設けられ、その隔壁３３の切羽側の空間が中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃで掘削した土砂を取り込むとともに、攪拌して排土するための空間、すなわちチャンバー（第２チャンバーＲ２）となっている。
【００４０】
隔壁３３の切羽側から見てトンネル幅方向中央下部には、後述する排土スクリュー８Ｂの取込口８ａが配置される開口３３ａを有している。また、隔壁３３の切羽側の面には、開口３３ａからトンネル幅方向で両側へ向うにしたがって漸次前方へ延びる図示しない斜面（図２に示す上側掘削部Ｍ１の斜面６１ｂと同様）が形成されている。なお、隔壁３３の斜面にも、第２チャンバーＲ２内の土圧を測定するための土圧計（図示省略）が適宜数設けられている。
【００４１】
中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、それぞれ隔壁３３から切羽側に向けて延びる一対の支持アーム１２、１２によってカッタ中心軸Ｏ１を中心にして回転可能に支持されている。各支持アーム１２は、図２に示すように、小径回転軸５２の軸方向両側に配置される一対の大径回転軸５２どうしの間の位置を軸支し、後述の中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃとの後方に位置するパドルスクリュー７Ｂに干渉しないようアーム部分に開口を設け、パドルスクリュー７Ｂの回転軸を貫通させている。
【００４２】
また、図３に示すように、支持アーム１２、１２は、その内部に掘削土砂に添加させるための作泥土材の通路（図示省略）が設けられていて、切羽側のカッタ回転軸支持部付近に設けられている吐出口１３から切羽に向けて作泥土材を吐出させる構造となっている。
【００４３】
中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、一部（回転方向、カッタビットの向き）の構成を除いて上述した上段カッタ５Ａと同様の構成であるため、上段カッタ５Ａと異なる構成について説明する。すなわち、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃは、切羽面に対して下から上へ掻き上げる方向（図１で矢印Ｅ２方向、Ｅ３方向）の回転であり、そのためカッタビット５３、５４の向きは切羽面に接する位置で爪の向きが上向きとなるようにして回転軸５１、５２に固定されている。
【００４４】
そして、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃの上下二つのカッタ後方の第２チャンバーＲ２内には、スクリュー中心軸Ｏ２を両カッタ５Ｂ、５Ｃの中心軸Ｏ１に並行（本実施の形態では平行でもある）に向けたパドルスクリュー７（７Ｂ）が外筒３の側部に回転可能に支持されている。
パドルスクリュー７Ｂの構成は、図２に示した上側掘削部Ｍ１のパドルスクリュー７Ａと同一の構成であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４５】
さらに、隔壁３３の開口３３ａには、取込口８ａを第２チャンバーＲ２内に配置させた状態で排土スクリュー８（８Ｂ）が設けられている。つまり、パドルスクリュー７Ａで攪拌された掘削土砂は、排土スクリュー８Ｂによって掘削機本体２の後方へ排出されることになる。
【００４６】
次に、上述したトンネル掘削機１によるトンネル掘削方法について、図４などに基づいて説明する。なお、図４は、見易くするために各部の構成を部分的に示すとともに、簡略化している。
先ず、図４（ａ）に示すように、上側掘削部Ｍ１において上段カッタ５Ａを切羽側（掘進方向Ｘ１）に突出させつつ掘進する。具体的には、隔壁６１とリングガーダ３１との間の進退ジャッキ９を伸長させて内筒６を推進させながら、上段カッタ５Ａの回転により切羽の地山を掘削する。このとき、図３に示す支持アーム１０の先端に設けられる吐出口１３から注入される作泥土材を掘削土砂に添加させ、その掘削土砂を第１チャンバーＲ１内でパドルスクリュー７Ａによって十分に攪拌させたのち、排土スクリュー８Ａから掘削機本体２の後方へ搬出する。
なお、内筒６の推進時には、外筒３は固定位置のまま移動させず、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃも回転を停止させた状態である。
【００４７】
次に、上段カッタ５Ａで所定の掘削長の掘進が完了したら、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、下側掘削部Ｍ２において、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃを回転させながら、リングガーダ３１とセグメントＳとの間の推進ジャッキ４を伸長させて外筒３を掘進方向Ｘ１に前進させて掘進する。このとき、図３に示す支持アーム１２の先端に設けられる吐出口１３から注入される作泥土材が掘削土砂に添加され、その掘削土砂を第２チャンバーＲ２内でパドルスクリュー７Ｂによって十分に攪拌させたのち、排土スクリュー８Ｂから掘削機本体２の後方へ搬出する。
【００４８】
なお、この下側掘削部Ｍ２における掘進時において、上段カッタ５Ａでの掘削は停止され、内筒６も位置が固定されている。ただし、下側掘削部Ｍ２による掘削時には、外筒３が推進ジャッキ４により前進するので、進退ジャッキ９を縮めて外筒３の前進移動に同調させる。
【００４９】
そして、図４（ｄ）に示すように、３段の掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃにより１サイクル分の掘削が完了したら、セグメントＳを組立てつつ伸長させた推進ジャッキ４を戻して、１サイクルの掘進が完了する。このように、本トンネル掘削方法では、内筒６を外筒３に対して突出させ、上段カッタ５Ａを中段カッタ５Ｂや下段カッタ５Ｃよりも先行させて掘削することで、地山の崩壊を抑えることができ、切羽の安定化を図ることができる。
【００５０】
次に、上述したトンネル掘削機１の作用について、図面に基づいて説明する。
先ず、図１乃至図３に示すように、本トンネル掘削機１では、複数段の掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）を回転させて掘削した土砂に作泥土材を添加して、掘削カッタ５の後方のチャンバーＲ１、Ｒ２に設けられているパドルスクリュー７Ａ、７Ｂにより十分に攪拌して塑性流動化させて排土することで、チャンバーＲ１、Ｒ２内の土圧を均等化させることができ、掘削中の切羽を安定した状態で保持することができる。
【００５１】
すなわち、掘削カッタ５とパドルスクリュー７とがそれぞれの回転軸（カッタ中心軸Ｏ１とスクリュー中心軸Ｏ２）を並行にし、それら軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、チャンバーＲ１、Ｒ２内に取り込まれる掘削土量がトンネル幅全体にわたって一定となるので、パドルスクリュー７の軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂が均等に攪拌され、チャンバーＲ１、Ｒ２内における土圧の圧力差を小さくすることができる。
また、本トンネル掘削機１では、複数段の掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃに対応するようにパドルスクリュー７Ａ、７Ｂを配置することで、より効果的な攪拌を行うことができる。
【００５２】
また、本発明に係るトンネル掘削機１では、掘削カッタ５の回転軸径が回転軸方向で変化しており、切羽面が崩壊し易いトンネル幅方向の両側部に掘削カッタ５の大径回転軸５１を配置することで、この大径回転軸５１で切羽面を抑える面積が大きくなることから、回転軸方向で中央部に配置される小径回転軸５２に比べて、その両側部の切羽面の崩壊を抑制することができる。
【００５３】
上述のように本実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、パドルスクリュー７の軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂を攪拌して塑性流動化させることで、チャンバーＲ１、Ｒ２内の土圧を均等化させて圧力差を小さくすることができる。これにより、切羽の安定を図ることができ、土圧の部分的な低下の影響による地表面沈下の発生を抑えることができる。
【００５４】
以上、本発明によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では上段カッタ５Ａが進退可能な内筒６に設けられた構成であり、この上段カッタ５Ａを先行して突出させることで、上側掘削部Ｍ１の小断面の掘削を先に行う掘進手順としたが、このようなトンネル掘削方法に限定されることはない。例えば、地山が崩壊性地山ではなければ、上側掘削部Ｍ１と下側掘削部Ｍ２とを同時に掘進させるようにしてもかまわない。つまり、トンネル掘削機１として、内筒６を設けない構成であってもかまわない。この場合、外筒３の上下仕切壁３２を省略し、１つのチャンバーを構成するものであってもよい。
そして、掘削カッタ５の段数も本実施の形態のように３段であることに限定されることはない。要は、２段以上の複数段の掘削カッタが設けられていれば良いのであって、トンネル掘削断面の大きさ、形状に合わせて任意に設定することが可能である。
【００５５】
また、本実施の形態では掘削カッタ５の構造として、軸方向に沿って複数に分割し、回転軸方向で両側に大径回転軸５1を配置し、軸方向中央部に小径回転軸５２を配置した構成としているが、このような構造に限定されることはない。
すなわち、掘削カッタ５の回転軸径が回転軸方向で変化する構成であれば良く、この場合、掘削対象の地山に対応させて、掘削カッタ５の回転軸径の寸法を変更することが可能であり、回転軸の大径部で切羽の地山を押さえ、小径部で掘削土砂の取り込みを多くすることができる。例えば、本実施の形態のように、掘削土砂の取り込み量を抑えたい地山の場合には、回転軸の大径部（大径回転軸５１）の軸方向に占める割合を小径部(小径回転軸５２)よりも大きくすることで、掘削カッタ５の後方のチャンバーに対して正面からみた開口面積が小さくなるので、チャンバー内への土砂取り込み量が小径部に比べて少なくなり、切羽の安定を図ることができる。一方、粘性土のように自立性地山の場合には、回転軸の小径部の割合を大きくすることで、掘削土砂の取り込み量を増やし、掘削効率を高めることができる。
【００５６】
また、掘削カッタ５の回転軸径も本実施の形態のように軸方向にわたって２つの径寸法（大径回転軸５１と小径回転軸５２）である他に、１段の掘削カッタにおいて３つ以上の径寸法の回転軸を段階的に漸次変化させる構成とすることも可能である。
さらに、本実施の形態のように小径回転軸５２を回転軸方向中央部に配置することにも制限されることはない。
さらにまた、１段の掘削カッタ５の軸方向分割数もまた任意に設定することが可能であり、分割しないカッタであってもかまわない。
【００５７】
また、掘削カッタ５、パドルスクリュー７の外径寸法、軸方向の長さ寸法、取り付け位置、数量などの構成は、本実施の形態に限定されることはなく、掘削対象の地山条件やトンネル断面の大きさなどの条件に応じて適宜設定することができる。
【００５８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 外筒
４ 推進ジャッキ
５ 掘削カッタ
５Ａ 上段カッタ（最上段の掘削カッタ）
５Ｂ 中段カッタ
５Ｃ 下段カッタ
６ 内筒
７、７Ａ、７Ｂ パドルスクリュー
８、８Ａ、８Ｂ 排土スクリュー
９ 進退ジャッキ
１０、１２ 支持アーム
１３ 吐出口
５１ 大径回転軸
５２ 小径回転軸
５３、５４ カッタビット（掘削ビット）
Ｍ１ 上側掘削部
Ｍ２ 下側掘削部
Ｏ１ カッタ中心軸
Ｏ２ スクリュー中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削土に気泡材やベントナイトなどを添加して掘削するトンネル掘削機およびトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市域に設けられる比較的小規模のトンネルの断面形状は円形断面とするよりも矩形断面とすることが合理的である場合が多いことから、矩形断面のトンネル掘削機が採用されている。このようなトンネル掘削機の切削機構としては、掘削方向に直交し略水平方向に配置させるとともに、螺旋状の羽根の外周部に土砂を切削するための切削ビットを配置させたスクリュー形状のカッタ（以下、スクリューカッタという）を、掘削機本体の先端に上下方向に平行に複数配列させたものがある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
このようなスクリューカッタによる機構は、油圧モータ等の回転駆動により、螺旋羽根を回転させて土砂を切削しながら、左右方向に切削した土砂を移送し、スクリュー端部付近でスクリューカッタの回転軸方向と直角方向に設置したスクリューコンベヤによりシールド機の後方に掘削土砂を排出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６６７７１７号公報
【特許文献２】特開平１１−２２９７７４号公報
【特許文献３】特公平７−５９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のトンネル掘削機では以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１、２、３で開示されているスクリューカッタ機構は、水平なスクリューカッタにより地山を幅方向に掘削するとともに左右方向（横方向）へ土砂を移送するものであって、その左右方向への移送能力が一定であるため、スクリューカッタの回転軸方向で排土側ほどスクリュー内部の運搬土量が多くなり、スクリュー内圧も高くなる。 そのため、切削する地山の土圧に対応するスクリューカッタの圧力が軸方向（トンネル幅方向）の範囲で一定にならず、圧力差が生じることから、地山の土圧が部分的に低下し、地表面沈下を発生させてしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、チャンバー内の土圧を均等化させることで、切羽の安定を図ることができるトンネル掘削機および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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削機本体の切羽面側にカッタを備えて掘削するトンネル掘削機であって、水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタが、掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、掘削カッタの近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる添加材の吐出口が設けられ、掘削カッタ後方のチャンバー内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリューが、そのスクリュー回転軸を掘削カッタの回転軸と並行にして設けられていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係るトンネル掘削方法では、水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられた掘削カッタで切羽を掘削する工程と、掘削土砂に添加材を混合させつつ、その掘削土砂を掘削カッタ後方のチャンバー内でパドルスクリューによって攪拌して塑性流動化させる工程とを有することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、複数段の掘削カッタを回転させて掘削した土砂に添加材を添加して、掘削カッタの後方のチャンバーに設けられているパドルスクリューにより十分に攪拌して塑性流動化させて排土することで、チャンバー内の土圧を均等化させることができ、掘削中の切羽を安定した状態で保持することができる。すなわち、掘削カッタとパドルスクリューとがそれぞれの回転軸を並行にし、それら軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、チャンバー内に取り込まれる掘削土量がトンネル幅全体にわたって一定となるので、パドルスクリューの軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂が均等に攪拌され、チャンバー内における土圧の圧力差を小さくすることができる。
また、掘削カッタが複数段設けられ、各段の掘削カッタに対応するようにパドルスクリューを配置することで、より効果的な攪拌を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で変化していることが好ましい。
【００１０】
本発明では、回転軸の大径部で切羽の地山を押さえ、小径部で掘削土砂の取り込みを多くすることができる。つまり、回転軸の大径部は、掘削カッタの後方のチャンバーに対して正面からみた開口面積が小さくなるので、チャンバー内への土砂取り込み量が小径部に比べて少なくなり、切羽の安定を図ることができる。
一方、回転軸の小径部は、前記の開口面積が大きいので、掘削土砂の取り込み量を増やし、掘削効率を高めることができる。
【００１１】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で中央部が両側部より小径であることが好ましい。
【００１２】
本発明では、トンネル幅方向の両側部は切羽面が崩壊し易いので、その両端部に掘削カッタの大径部（大径回転軸）を配置することで、この大径回転軸で切羽面を抑える面積を大きくし、回転軸方向で中央部では小径部（小径回転軸）として掘削効率を高めている。つまり、切羽面の崩落防止を図るとともに掘削効率を高めている。
【００１３】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、掘削カッタは、回転軸方向に複数に分割され、それぞれが単独で回転可能であることが好ましい。
【００１４】
本発明では、分割された掘削カッタのそれぞれを種々の掘削方法に適応させて、回転速度を変えて掘削することが可能となり、例えばトンネル幅方向でいずれか一方側だけ回転速度を速くして掘削効率を上げることで、トンネル掘削機の掘進方向を変更することができる。
【００１５】
また、本発明に係るトンネル掘削機では、最上段の掘削カッタは、掘削機本体の外筒内で切羽側に向けて突出可能に設けられた内筒に設けられ、内筒の内側のチャンバーにパドルスクリューが設けられていることが好ましい。
【００１６】
本発明では、内筒を外筒に対して突出させ、最上段の掘削カッタをその最上段より下側の掘削カッタよりも先行させて掘削することで、地山の崩壊を抑えることができ、切羽の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のトンネル掘削機およびトンネル掘削方法によれば、パドルスクリューの軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂を攪拌して塑性流動化させることで、チャンバー内の土圧を均等化させて圧力差を小さくすることができる。これにより、切羽の安定を図ることができ、土圧の部分的な低下の影響による地表面沈下の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すトンネル掘削機の上側掘削部を上から見た図である。
【図３】図１に示すトンネル掘削機の正面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はトンネル掘削機による掘削手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法について、図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１および図２に示すように、本実施の形態によるトンネル掘削機１は、通常のシールド機とほぼ同様に築造すべきトンネルの断面形状に合わせて掘削機本体２の内部にトンネル掘削に必要な各種の機器類のほぼ全てを収容し、地山を掘削しつつその後方において、セグメントを組み立て、そのセグメントから反力をとって掘進していくものである。さらに本トンネル掘削機１は、カッタ（掘削カッタ５）を回転させて掘削し、その掘削土砂に気泡材やベントナイトなどの作泥土材（添加材）を添加して攪拌し、塑性流動化させた掘削土砂を取り込む掘進方法であり、いわゆる「泥土圧シールド掘削機」である。
ここで、以下の説明では、図１、図２における紙面で左右方向を「前後方向Ｘ」とし、切羽側を「前方」とし、その反対側を「後方」として統一して用いる。そして、後方から前方へ向かう方向を「掘進方向Ｘ１」とする。
【００２１】
具体的には、掘削機本体２は、掘削すべきトンネルの断面形状に合致する矩形筒状のスキンプレートからなる外筒３を備え、その外筒後部３ｂ内には組み立て済みの図示しないセグメントを押圧してそこから反力をとって推進するための複数の推進ジャッキ４、４、…が後述するリングガーダ３１に設けられている。本実施の形態による掘削機本体２は、切羽側からみた正面視で略正方形の断面形状となっている。
また、掘削機本体２の内部にはセグメントの組み立てに使用するためのエレクタ装置（図示省略）が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類が備えられており、以下、主要な構成について説明する。
【００２２】
外筒３の内側には、外筒胴部３ｃに設けられるリングガーダ３１と、リングガーダ３１より前方の外筒３内を上側掘削部Ｍ１と下側掘削部Ｍ２とに上下に区画する上下仕切壁３２とが設けられている。そして、上側掘削部Ｍ１および下側掘削部Ｍ２のそれぞれの前方には、切羽を矩形断面に掘削するための掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）が設けられている。
【００２３】
上側掘削部Ｍ１は、外筒３と上下仕切壁３２とによって囲まれ、正面視で横長の矩形断面形状をなす内筒６が前後方向Ｘに進退可能に設けられている。上側掘削部Ｍ１は、内筒６の空間の前方に掘削カッタ５（後述する上段カッタ５Ａ）を配置するとともに、その上段カッタ５Ａの後方に掘削土砂を攪拌するためのパドルスクリュー７（７Ａ）を備えた構成となっている。また、パドルスクリュー７Ａの後方には、隔壁６１が設けられている。
【００２４】
また、下側掘削部Ｍ２は、外筒３と上下仕切壁３２とによって囲まれ、後方側には後述する中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃとを後方から支持する隔壁３３が設けられている。この下側掘削部Ｍ２は、掘削機本体２の空間の前方に掘削カッタ５（後述する中段カッタ５Ｂ、下段カッタ５Ｃ）を配置するとともに、その中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃの後方に掘削土砂を攪拌するためのパドルスクリュー７（７Ｂ）を備えた構成となっている。
【００２５】
ここで、外筒３の外筒前部３ａに配置される掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）は、それぞれ周面にカッタビットを備えた円筒形状をなし、カッタ中心軸Ｏ１方向をトンネル幅方向に向けた状態で、且つその回転軸がトンネル幅のほぼ全体にわたって延ばされている。そして、掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、それぞれが上下方向に配置されて複数段（本実施の形態では３段）となっており、それら全体で矩形断面のトンネルが掘削される。
また、そのうちの最上段に位置する上段カッタ５Ａ（最上段カッタ）は、内筒６とともに外筒３に対して前後方向Ｘに進退可能することになる。一方、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、外筒３内の隔壁３３に支持アーム１２を介して固定され、推進ジャッキ４によって外筒３とともに掘進方向Ｘ１に移動する構造となっている。
【００２６】
そして、３段の掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）は、上段カッタ５Ａほど前後方向Ｘで前方に位置するように配置、すなわち下段カッタ５Ｃ、中段カッタ５Ｂ、上段カッタ５Ａの順で前方に張出した位置に配置されている。
【００２７】
先ず、上段カッタ５Ａにより掘削する上側掘削部Ｍ１の構成について、図２に基づいて説明する。
上側掘削部Ｍ１に設けられる内筒６は、その内側で前後の空間を仕切る隔壁６１を備え、その隔壁６１とその後方に位置するリングガーダ３１との間に進退ジャッキ９が設けられ、この進退ジャッキ９の伸縮によって前後方向Ｘに１掘進長の長さ以上の範囲内で進退可能となっている。そして、内筒６は、上側掘削部Ｍ１を形成する外筒３に対して液密な状態で移動する構成となっている。
【００２８】
内筒６は、隔壁６１の切羽側の空間が上段カッタ５Ａで掘削した土砂を取り込むとともに、パドルスクリュー７（７Ａ）で攪拌して排土するための空間、すなわちチャンバー（第１チャンバーＲ１）となっている。
この隔壁６１のトンネル幅方向で中央下部には、後述する排土スクリュー８Ａの取込口８ａが配置される開口６１ａを有している。そして、隔壁６１の切羽側の面には、開口６１ａからトンネル幅方向で両側へ向うにしたがって漸次前方へ延びる斜面６１ｂが形成されている。この隔壁６１の斜面６１ｂには、第１チャンバーＲ１内の土圧を測定するための土圧計１１が適宜数設けられている。
【００２９】
そして、内筒６の前方上端には、切羽側に延びるとともに、上段カッタ５Ａの上方を覆うフード６２を備えている。このフード６２には、切羽側の先端に刃先６２ａが設けられている。
【００３０】
上段カッタ５Ａは、内筒６よりも切羽側に突出した状態で配置され、隔壁６１から切羽側に向けて延びる一対の支持アーム１０、１０によってカッタ中心軸Ｏ１を中心にして回転可能に支持されている。各支持アーム１０は、後述する小径回転軸５２の軸方向両側に配置される一対の大径回転軸５２どうしの間の位置を軸支し、パドルスクリュー７Ａに干渉しないように設けられている。
【００３１】
図３に示すように、支持アーム１０は、その内部に掘削土砂に添加させるための作泥土材の通路（図示省略）が設けられていて、切羽側のカッタ回転軸支持部付近に設けられている吐出口１３から切羽に向けて気泡材やベントナイト等の作泥土材を吐出させる構造となっている。
【００３２】
上段カッタ５Ａは、図２および図３に示すように、中心軸Ｏ１方向をトンネル幅方向（切羽面に沿う方向）で、且つ水平方向に向けて配置されている。そして、掘削カッタ５は、軸方向の両側に大径回転軸５１が配置されるとともに、軸方向中央部に大径回転軸５１より小径の小径回転軸５２が同軸に配列された構成となっている。具体的には、回転軸方向で小径回転軸５２を挟んだ両側にそれぞれ２つの大径回転軸５１、５１が配置され、さらに大径回転軸５１、５１同士の間で上述した支持アーム１０によって回転自在に支持されている。なお、上段カッタ５Ａは、軸方向全部にわたって大径回転軸としてもよい。
【００３３】
各回転軸５１、５２の周面には、それぞれ回転軸の径方向に突出する複数のカッタビット５３、５４（掘削ビット）が設けられており、回転軸に直交する平面においてすべてのカッタビット５３、５４の先端の回転軌跡がほぼ同じになっている。つまり、大径回転軸５１に設けられているカッタビット５３は、小径回転軸５２のカッタビット５４よりも高さ寸法が小さくなっている。
【００３４】
各大径回転軸５１の内部には駆動モータ（図示省略）が組み込まれており、それぞれの回転軸５１が単独で回転する構造となっている。中央の小径回転軸５２においては、隣接する一方の大径回転軸５１に連結され、その大径回転軸５１とともに回転する。これにより、各大径回転軸５１を種々の掘削方法に適応させて、回転速度を変えて掘削することが可能となり、例えば、トンネル幅方向でいずれか一方側だけ回転速度を速くして掘削効率を上げることで、掘削機本体２の方向を変更することができる。
なお、４台の大径回転軸５１のうち１台に駆動モータを設け、大径回転軸５１と小径回転軸５２を連結固定しておくことで、１段の掘削カッタの全ての回転軸５１、５２を回転させることも可能である。
【００３５】
また、上段カッタ５Ａは切羽面に対して上から下へ掻き下ろす方向（図１で矢印Ｅ１方向）の回転であり、そのためカッタビット５３、５４の向きは切羽面に接する位置で爪の向きが下向きとなるようにして回転軸５１、５２に固定されている。
【００３６】
次に、図２に示すように、上段カッタ５Ａの後方のチャンバーＲ１内に配置されたパドルスクリュー７Ａは、掘削カッタ５Ａで掘削した土砂に作泥土材を加えて攪拌するものであり、スクリュー回転軸７１の中心軸Ｏ２が上段カッタ５Ａの回転軸５１、５２の中心軸Ｏ１と並行（本実施の形態では平行でもある）に配置されている。スクリュー回転軸７１は、軸方向両端の支持部７１ａ、７１ａが内筒６の側壁部６３に回転可能に支持されるとともに、回転軸７１の周面の適宜な位置に所定形状をなす複数の攪拌翼７２、７２、…が配置されている。
【００３７】
ここで、側壁部６３には、隔壁６１より後方側に駆動モータ７３が設けられている。そして、スクリュー回転軸７１の支持部７１ａは、側壁部６３の内部に設けられた駆動チェーン７４の伝達手段を介して駆動モータ７３によって回転駆動されている。
【００３８】
さらに、隔壁６１の開口６１ａには、取込口８ａを第１チャンバーＲ１内に配置させた状態で排土スクリュー８（８Ａ）が設けられている。つまり、パドルスクリュー７Ａで攪拌された掘削土砂は、排土スクリュー８Ａによって掘削機本体２の後方へ排出されることになる。
【００３９】
次に、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃにより掘削する下側掘削部Ｍ２について、図１などを用いて説明する。なお、上述した上側掘削部Ｍ１の構成と同様のものは、図２を用いて説明する。
下側掘削部Ｍ２は、上述したように外筒前部３ａの上下仕切壁３２の下側に位置し、リングガーダ３１の前方側に隔壁３３が設けられ、その隔壁３３の切羽側の空間が中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃで掘削した土砂を取り込むとともに、攪拌して排土するための空間、すなわちチャンバー（第２チャンバーＲ２）となっている。
【００４０】
隔壁３３の切羽側から見てトンネル幅方向中央下部には、後述する排土スクリュー８Ｂの取込口８ａが配置される開口３３ａを有している。また、隔壁３３の切羽側の面には、開口３３ａからトンネル幅方向で両側へ向うにしたがって漸次前方へ延びる図示しない斜面（図２に示す上側掘削部Ｍ１の斜面６１ｂと同様）が形成されている。なお、隔壁３３の斜面にも、第２チャンバーＲ２内の土圧を測定するための土圧計（図示省略）が適宜数設けられている。
【００４１】
中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、それぞれ隔壁３３から切羽側に向けて延びる一対の支持アーム１２、１２によってカッタ中心軸Ｏ１を中心にして回転可能に支持されている。各支持アーム１２は、図２に示すように、小径回転軸５２の軸方向両側に配置される一対の大径回転軸５２どうしの間の位置を軸支し、後述の中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃとの後方に位置するパドルスクリュー７Ｂに干渉しないようアーム部分に開口を設け、パドルスクリュー７Ｂの回転軸を貫通させている。
【００４２】
また、図３に示すように、支持アーム１２、１２は、その内部に掘削土砂に添加させるための作泥土材の通路（図示省略）が設けられていて、切羽側のカッタ回転軸支持部付近に設けられている吐出口１３から切羽に向けて作泥土材を吐出させる構造となっている。
【００４３】
中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃは、一部（回転方向、カッタビットの向き）の構成を除いて上述した上段カッタ５Ａと同様の構成であるため、上段カッタ５Ａと異なる構成について説明する。すなわち、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃは、切羽面に対して下から上へ掻き上げる方向（図１で矢印Ｅ２方向、Ｅ３方向）の回転であり、そのためカッタビット５３、５４の向きは切羽面に接する位置で爪の向きが上向きとなるようにして回転軸５１、５２に固定されている。
【００４４】
そして、中段カッタ５Ｂおよび下段カッタ５Ｃの上下二つのカッタ後方の第２チャンバーＲ２内には、スクリュー中心軸Ｏ２を両カッタ５Ｂ、５Ｃの中心軸Ｏ１に並行（本実施の形態では平行でもある）に向けたパドルスクリュー７（７Ｂ）が外筒３の側部に回転可能に支持されている。
パドルスクリュー７Ｂの構成は、図２に示した上側掘削部Ｍ１のパドルスクリュー７Ａと同一の構成であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４５】
さらに、隔壁３３の開口３３ａには、取込口８ａを第２チャンバーＲ２内に配置させた状態で排土スクリュー８（８Ｂ）が設けられている。つまり、パドルスクリュー７Ａで攪拌された掘削土砂は、排土スクリュー８Ｂによって掘削機本体２の後方へ排出されることになる。
【００４６】
次に、上述したトンネル掘削機１によるトンネル掘削方法について、図４などに基づいて説明する。なお、図４は、見易くするために各部の構成を部分的に示すとともに、簡略化している。
先ず、図４（ａ）に示すように、上側掘削部Ｍ１において上段カッタ５Ａを切羽側（掘進方向Ｘ１）に突出させつつ掘進する。具体的には、隔壁６１とリングガーダ３１との間の進退ジャッキ９を伸長させて内筒６を推進させながら、上段カッタ５Ａの回転により切羽の地山を掘削する。このとき、図３に示す支持アーム１０の先端に設けられる吐出口１３から注入される作泥土材を掘削土砂に添加させ、その掘削土砂を第１チャンバーＲ１内でパドルスクリュー７Ａによって十分に攪拌させたのち、排土スクリュー８Ａから掘削機本体２の後方へ搬出する。
なお、内筒６の推進時には、外筒３は固定位置のまま移動させず、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃも回転を停止させた状態である。
【００４７】
次に、上段カッタ５Ａで所定の掘削長の掘進が完了したら、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、下側掘削部Ｍ２において、中段カッタ５Ｂと下段カッタ５Ｃを回転させながら、リングガーダ３１とセグメントＳとの間の推進ジャッキ４を伸長させて外筒３を掘進方向Ｘ１に前進させて掘進する。このとき、図３に示す支持アーム１２の先端に設けられる吐出口１３から注入される作泥土材が掘削土砂に添加され、その掘削土砂を第２チャンバーＲ２内でパドルスクリュー７Ｂによって十分に攪拌させたのち、排土スクリュー８Ｂから掘削機本体２の後方へ搬出する。
【００４８】
なお、この下側掘削部Ｍ２における掘進時において、上段カッタ５Ａでの掘削は停止され、内筒６も位置が固定されている。ただし、下側掘削部Ｍ２による掘削時には、外筒３が推進ジャッキ４により前進するので、進退ジャッキ９を縮めて外筒３の前進移動に同調させる。
【００４９】
そして、図４（ｄ）に示すように、３段の掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃにより１サイクル分の掘削が完了したら、セグメントＳを組立てつつ伸長させた推進ジャッキ４を戻して、１サイクルの掘進が完了する。このように、本トンネル掘削方法では、内筒６を外筒３に対して突出させ、上段カッタ５Ａを中段カッタ５Ｂや下段カッタ５Ｃよりも先行させて掘削することで、地山の崩壊を抑えることができ、切羽の安定化を図ることができる。
【００５０】
次に、上述したトンネル掘削機１の作用について、図面に基づいて説明する。
先ず、図１乃至図３に示すように、本トンネル掘削機１では、複数段の掘削カッタ５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）を回転させて掘削した土砂に作泥土材を添加して、掘削カッタ５の後方のチャンバーＲ１、Ｒ２に設けられているパドルスクリュー７Ａ、７Ｂにより十分に攪拌して塑性流動化させて排土することで、チャンバーＲ１、Ｒ２内の土圧を均等化させることができ、掘削中の切羽を安定した状態で保持することができる。
【００５１】
すなわち、掘削カッタ５とパドルスクリュー７とがそれぞれの回転軸（カッタ中心軸Ｏ１とスクリュー中心軸Ｏ２）を並行にし、それら軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、チャンバーＲ１、Ｒ２内に取り込まれる掘削土量がトンネル幅全体にわたって一定となるので、パドルスクリュー７の軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂が均等に攪拌され、チャンバーＲ１、Ｒ２内における土圧の圧力差を小さくすることができる。
また、本トンネル掘削機１では、複数段の掘削カッタ５Ａ、５Ｂ、５Ｃに対応するようにパドルスクリュー７Ａ、７Ｂを配置することで、より効果的な攪拌を行うことができる。
【００５２】
また、本発明に係るトンネル掘削機１では、掘削カッタ５の回転軸径が回転軸方向で変化しており、切羽面が崩壊し易いトンネル幅方向の両側部に掘削カッタ５の大径回転軸５１を配置することで、この大径回転軸５１で切羽面を抑える面積が大きくなることから、回転軸方向で中央部に配置される小径回転軸５２に比べて、その両側部の切羽面の崩壊を抑制することができる。
【００５３】
上述のように本実施の形態によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法では、パドルスクリュー７の軸方向全体にわたる範囲で掘削土砂を攪拌して塑性流動化させることで、チャンバーＲ１、Ｒ２内の土圧を均等化させて圧力差を小さくすることができる。これにより、切羽の安定を図ることができ、土圧の部分的な低下の影響による地表面沈下の発生を抑えることができる。
【００５４】
以上、本発明によるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では上段カッタ５Ａが進退可能な内筒６に設けられた構成であり、この上段カッタ５Ａを先行して突出させることで、上側掘削部Ｍ１の小断面の掘削を先に行う掘進手順としたが、このようなトンネル掘削方法に限定されることはない。例えば、地山が崩壊性地山ではなければ、上側掘削部Ｍ１と下側掘削部Ｍ２とを同時に掘進させるようにしてもかまわない。つまり、トンネル掘削機１として、内筒６を設けない構成であってもかまわない。この場合、外筒３の上下仕切壁３２を省略し、１つのチャンバーを構成するものであってもよい。
そして、掘削カッタ５の段数も本実施の形態のように３段であることに限定されることはない。要は、２段以上の複数段の掘削カッタが設けられていれば良いのであって、トンネル掘削断面の大きさ、形状に合わせて任意に設定することが可能である。
【００５５】
また、本実施の形態では掘削カッタ５の構造として、軸方向に沿って複数に分割し、回転軸方向で両側に大径回転軸５1を配置し、軸方向中央部に小径回転軸５２を配置した構成としているが、このような構造に限定されることはない。
すなわち、掘削カッタ５の回転軸径が回転軸方向で変化する構成であれば良く、この場合、掘削対象の地山に対応させて、掘削カッタ５の回転軸径の寸法を変更することが可能であり、回転軸の大径部で切羽の地山を押さえ、小径部で掘削土砂の取り込みを多くすることができる。例えば、本実施の形態のように、掘削土砂の取り込み量を抑えたい地山の場合には、回転軸の大径部（大径回転軸５１）の軸方向に占める割合を小径部(小径回転軸５２)よりも大きくすることで、掘削カッタ５の後方のチャンバーに対して正面からみた開口面積が小さくなるので、チャンバー内への土砂取り込み量が小径部に比べて少なくなり、切羽の安定を図ることができる。一方、粘性土のように自立性地山の場合には、回転軸の小径部の割合を大きくすることで、掘削土砂の取り込み量を増やし、掘削効率を高めることができる。
【００５６】
また、掘削カッタ５の回転軸径も本実施の形態のように軸方向にわたって２つの径寸法（大径回転軸５１と小径回転軸５２）である他に、１段の掘削カッタにおいて３つ以上の径寸法の回転軸を段階的に漸次変化させる構成とすることも可能である。
さらに、本実施の形態のように小径回転軸５２を回転軸方向中央部に配置することにも制限されることはない。
さらにまた、１段の掘削カッタ５の軸方向分割数もまた任意に設定することが可能であり、分割しないカッタであってもかまわない。
【００５７】
また、掘削カッタ５、パドルスクリュー７の外径寸法、軸方向の長さ寸法、取り付け位置、数量などの構成は、本実施の形態に限定されることはなく、掘削対象の地山条件やトンネル断面の大きさなどの条件に応じて適宜設定することができる。
【００５８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 外筒
４ 推進ジャッキ
５ 掘削カッタ
５Ａ 上段カッタ（最上段の掘削カッタ）
５Ｂ 中段カッタ
５Ｃ 下段カッタ
６ 内筒
７、７Ａ、７Ｂ パドルスクリュー
８、８Ａ、８Ｂ 排土スクリュー
９ 進退ジャッキ
１０、１２ 支持アーム
１３ 吐出口
５１ 大径回転軸
５２ 小径回転軸
５３、５４ カッタビット（掘削ビット）
Ｍ１ 上側掘削部
Ｍ２ 下側掘削部
Ｏ１ カッタ中心軸
Ｏ２ スクリュー中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の切羽面側にカッタを備えて掘削するトンネル掘削機であって、
水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタが、前記掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、
前記掘削カッタの近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる添加材の吐出口が設けられ、
前記掘削カッタ後方のチャンバー内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリューが、そのスクリュー回転軸を前記掘削カッタの回転軸と並行にして設けられていることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
前記掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で変化していることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
前記掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で中央部が両側部より小径であることを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
前記掘削カッタは、前記回転軸方向に複数に分割され、それぞれが単独で回転可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項５】
最上段の前記掘削カッタは、前記掘削機本体の外筒内で切羽側に向けて突出可能に設けられた内筒に設けられ、
該内筒の内側のチャンバーに前記パドルスクリューが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項６】
水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、前記掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられた掘削カッタで切羽を掘削する工程と、
掘削土砂に添加材を添加させつつ、その掘削土砂を前記掘削カッタ後方のチャンバー内でパドルスクリューによって攪拌して塑性流動化させる工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項１】
掘削機本体の切羽面側にカッタを備えて掘削するトンネル掘削機であって、
水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置された掘削カッタが、前記掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられ、
前記掘削カッタの近傍には、掘削土砂を塑性流動化させる添加材の吐出口が設けられ、
前記掘削カッタ後方のチャンバー内には、掘削土砂を攪拌して塑性流動化させるパドルスクリューが、そのスクリュー回転軸を前記掘削カッタの回転軸と並行にして設けられていることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
前記掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で変化していることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
前記掘削カッタの回転軸径は、回転軸方向で中央部が両側部より小径であることを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
前記掘削カッタは、前記回転軸方向に複数に分割され、それぞれが単独で回転可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項５】
最上段の前記掘削カッタは、前記掘削機本体の外筒内で切羽側に向けて突出可能に設けられた内筒に設けられ、
該内筒の内側のチャンバーに前記パドルスクリューが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネル掘削機。
【請求項６】
水平回転軸の周囲にその軸方向で所定間隔に掘削ビットが外方に突出して設けられるとともに、軸方向をトンネル幅方向に向けて配置され、前記掘削機本体の前面に沿って上下方向に複数段設けられた掘削カッタで切羽を掘削する工程と、
掘削土砂に添加材を添加させつつ、その掘削土砂を前記掘削カッタ後方のチャンバー内でパドルスクリューによって攪拌して塑性流動化させる工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０２３４９（Ｐ２０１１−２０２３４９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６７６２８（Ｐ２０１０−６７６２８）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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