トンネル掘削装置、及び、トンネル施工方法
【課題】掘削速度を確保しつつ、余掘り量を低減する。
【解決手段】発破掘削により形成された坑１の周縁部１ａを仕上掘削するトンネル掘削装置１０は施工基面３上を走行可能であり、全旋回式ベースマシン２０と、ブームアーム３０と、カッタヘッド４３とを備える。カッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐとして回転可能である。カッタヘッド４３の回転時におけるビットの移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合のビットの移動領域の輪郭は、カッタヘッド４３の先端を頂点とする略山型形状である。ビットの移動領域の輪郭の頂点と、この頂点より最も離間したビットの尖端とを結んだ直線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ１は４０°〜５０°の範囲内である。また、ビットの移動領域の輪郭の稜線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２は６０°以下である。
【解決手段】発破掘削により形成された坑１の周縁部１ａを仕上掘削するトンネル掘削装置１０は施工基面３上を走行可能であり、全旋回式ベースマシン２０と、ブームアーム３０と、カッタヘッド４３とを備える。カッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐとして回転可能である。カッタヘッド４３の回転時におけるビットの移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合のビットの移動領域の輪郭は、カッタヘッド４３の先端を頂点とする略山型形状である。ビットの移動領域の輪郭の頂点と、この頂点より最も離間したビットの尖端とを結んだ直線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ１は４０°〜５０°の範囲内である。また、ビットの移動領域の輪郭の稜線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２は６０°以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削装置、及び、これを用いるトンネル施工方法に関し、詳しくは、地山を掘削して坑を形成した後に、坑の周縁部を仕上掘削する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事では、地山（天然の状態にある地盤・岩盤）を掘削して坑を形成した後に、鋼製支保材と吹付コンクリートで一次覆工（支保）することを繰り返して一次空間を形成し、その後、コンクリートで二次覆工することにより計画の空間（設計空間）を形成する。このため、計画より過大に掘削した場合にはズリ量が増加し、また、その増加分をコンクリート等で置き換える必要がある。従って、トンネル工事では、計画に対して過大に掘削しないこと、つまり余掘りが少なくなるように掘削することが求められている。
【０００３】
トンネルの掘削工法には、ダイナマイト等の爆薬を用いて発破掘削する発破掘削方式と自由断面掘削機（例えば、特許文献１に記載のような、ロードヘッダ（登録商標）等の専用機械）により掘削する機械掘削方式とがある。
【０００４】
発破掘削方式では、トンネルの掘削面（鏡）に爆薬挿入用の穴をドリル等で削孔し、この穴に爆薬を挿入して発破・爆発させて掘削する。発破掘削方式では、発破と同時に瞬間的に掘削が可能である反面、発破により掘削面がどのように形成されるかを予測することが難しく、また、掘削したいと計画した掘削面（以下「掘削計画線」という）に対して凹凸を含んだ形状となりやすい。このため、発破掘削方式では、一般に、比較的多めの余掘り分を計画に上乗せして発破掘削を行う傾向がある。この点、特許文献２は、発破掘削方式における余掘り低減技術の一例を開示している。この例では、まず、掘削面（鏡）の掘削計画線（掘削予定面）に沿って複数の削孔部を設ける。次に、各削孔部ごとに液圧破砕装置を挿入して、これら破砕装置によって掘削計画線に沿うような亀裂を発生させる。そして、掘削計画線の内部の岩盤部を一般的な発破掘削方式を用いて破砕する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１４６３９７号公報
【特許文献２】特開平５−２３１０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、機械掘削方式では、一般に、発破掘削方式に比べて掘削形状を容易に制御することができるので、余掘りを比較的少なくすることができる。しかしながら、機械掘削方式では、発破掘削方式のように比較的広範囲で瞬間的に掘削を行うことができないので、発破掘削方式に比べて掘削速度が低い。
【０００７】
また、山岳トンネルの施工方法であるＮＡＴＭ工法においては、所定の長さを掘削した後に鋼製支保工を建込み、吹付コンクリートにより一次覆工（支保）されたエリアから、新たな掘削を開始する必要がある。この新たな掘削の際に、特許文献２に記載の発破掘削方式における余掘り低減技術を用いようとしても、掘削計画線よりトンネル内方に支保があるので、支保の裏側（切羽側）の掘削面（鏡）に掘削計画線に沿って削孔部を形成することが難しい。このように、トンネルの施工方法の中には、特許文献２に記載の余掘り低減技術を用いることが難しいものがある。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑み、発破掘削方式のような比較的高い掘削速度を確保しつつ、余掘り量を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため本発明に係るトンネル掘削装置は、地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削するものであり、下部に走行手段を装備した全旋回式ベースマシンと、このベースマシンに基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアームと、このブームアームの先端部に取り付けられ、かつ、ブームアームの延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能なカッタヘッドと、を備える。そして、カッタヘッドを回転させつつ坑の周縁部に接触させることにより坑の周縁部の仕上掘削を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トンネル掘削装置は、地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削する。これにより、例えば、トンネル工事にて発破掘削方式を用いる場合には、まず、発破掘削により瞬間的な掘削を行って掘削計画線より若干小さな坑を形成し、次に、本発明に係るトンネル掘削装置を用いて坑の周縁部の仕上掘削を行うことにより、坑の周縁部を掘削計画線に精度よく近づけることができる。従って、発破掘削方式のような比較的高い掘削速度を確保しつつ、仕上掘削により、余掘りを必要最小限に抑えることができるので、掘削速度の確保と発破掘削による過大な余掘りの低減とを、同時に実現することができる。
【００１１】
また、例えば、トンネルの施工方法としてＮＡＴＭ工法を用いる場合には、上述の新たな掘削の際に、まず、上述の掘削計画線より若干小さな坑を発破掘削により形成し、この後に、本発明に係るトンネル掘削装置を用いて坑の周縁部の仕上掘削を行うことにより、坑の周縁部を掘削計画線に精度よく近づけることができる。従って、本発明に係るトンネル掘削装置は、ＮＡＴＭ工法を含むあらゆるトンネルの施工方法にて余掘り量を低減するための技術として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態におけるトンネル掘削装置の側面図
【図２】同上実施形態におけるトンネル掘削装置の上面図
【図３】同上実施形態におけるトンネル掘削装置の正面図
【図４】カッタヘッドの側面図
【図５】カッタヘッド上のビット配置を示す正面図
【図６】ブームアームの枢支高さと、ブームアーム枢支点からカッタヘッド先端までの距離と、カッタヘッドの第１角度と、掘削高さとの関係を示す図
【図７】トンネル施工方法の第１例を示す図（その１）
【図８】トンネル施工方法の第１例を示す図（その２）
【図９】トンネル施工方法の第２例を示す図（その１）
【図１０】トンネル施工方法の第２例を示す図（その２）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態におけるトンネル掘削装置の概略構成を示す。尚、図２及び図３では、図示簡略化のために、ベースマシン及びブームアームを破線で示している。また、図１及び図３は、カッタヘッドが坑の周縁部のうち天端部に接触した状態を示す。また、図２及び図３は、カッタヘッドが坑の周縁部のうち左側端部に接触した状態を示す。
【００１４】
本実施形態にて構築されるトンネルの主な用途は、１車線〜３車線の道路トンネル、又は、１車道〜２車道の鉄道トンネルである。
トンネルの主要部である坑１は、ダイナマイト等の爆薬を用いて地山２を発破掘削して形成される。坑１は、その周縁部（図１〜図３に示す一点鎖線）１ａが、掘削計画線（図１〜図３に示す実線）１ｂのより若干トンネル内方に位置している。
【００１５】
ここで、本実施形態では、周辺地山が本来有している耐荷能力を積極的に活用するために、トンネルの上部の形状はアーチ形状（略半円）として形成される。このため、掘削計画線１ｂは、その上部の形状がアーチ形状（略半円）となっている。
【００１６】
また、トンネルの施工基面３は、掘削断面内に適宜設定されるが、一般に施工基面３から掘削断面天端（掘削計画線１ｂ天端）までの高さ（後述する図６に示す掘削高さ）は７．０ｍ〜８．５ｍとなる。
【００１７】
施工基面３上を走行可能なトンネル掘削装置１０は、坑１の周縁部１ａを仕上掘削するものであり、具体的には、坑１の周縁部１ａを掘削して掘削計画線１ｂに近づけるために用いられる。
【００１８】
トンネル掘削装置１０は、ベースマシン２０と、ベースマシン２０に枢支軸２１を介して枢支されて上下方向に揺動可能なブームアーム３０と、ブームアーム３０の先端に取付けられたカッタヘッドユニット４０と、を含んで構成される。
【００１９】
ベースマシン２０は、バケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンである。
ベースマシン２０は、その下部に装備された走行手段である履帯２２と、ベースマシン本体２３と、ベースマシン本体２３を履帯２２に対してその上方にて水平旋回させる旋回装置２４と、を含んで構成される。すなわち、ベースマシン２０は、その下部に履帯２２を装備した全旋回式ベースマシンである。
【００２０】
ブームアーム３０は、ブーム３１及びアーム３２を備える。
ブーム３１は、その基端部が、水平方向に延びる枢支軸２１を介してベースマシン本体２３の前部に枢支される一方、先端部が、水平方向に延びる枢支軸３３を介してアーム３２の基端部に枢支される。
【００２１】
一対のブームジャッキ３４は、各々の一端がブーム３１の中央部を左右両側から挟むように取り付けられる一方、他端が、ベースマシン本体２３の前部に取り付けられている。従って、ブームジャッキ３４を伸縮させることにより、ブーム３１が枢支軸２１を介してベースマシン本体２３に対して上下方向に揺動する。
【００２２】
アームジャッキ３５は、その一端がアーム３２の前側下部に取り付けられる一方、他端が、ブーム３１の前側下部に取り付けられている。従って、アームジャッキ３５を伸縮させることにより、アーム３２が枢支軸３３を介してブーム３１に対して上下方向に揺動する。
【００２３】
従って、ブームアーム３０は、ブームジャッキ３４及び／又はアームジャッキ３５を伸縮させることによって、ベースマシン本体２３に対して上下方向に揺動することができると共に、屈伸することができる。
【００２４】
カッタヘッドユニット４０は、アーム３２の先端に取り付けられている。
カッタヘッドユニット４０は、内部に油圧モータ及び減速機を備えた駆動ユニット４１と、回転シャフト４２と、カッタヘッド４３とを含んで構成される。
【００２５】
駆動ユニット４１内の油圧モータが駆動すると、減速機により調整されたトルクが回転シャフト４２を介してカッタヘッド４３に伝達される。ここで、回転シャフト４２は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向に延びており（すなわち、図１及び図２に示す長破線Ｐに沿って延びており）、それゆえ、カッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能となっている。
【００２６】
次に、カッタヘッド４３の詳細について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、カッタヘッド４３の概略構成を示す。また、図５は、カッタヘッド４３上のビット配置を示す。尚、図５は、図示簡略化のため、カッタヘッド４３を構成するビットボックス４５と、これに取り付けられたビット４６の尖端とを図示している。
【００２７】
回転シャフト４２の先端に取付けられたカッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐ（図１及び図２に示す長破線Ｐに対応）とする回転ドラム４４と、複数のビットボックス４５と、複数のビット４６と、を備える。
【００２８】
回転ドラム４４は、回転軸Ｐに直交する先端面４４ａと、この先端面４４ａに連続して設けられて先端面４４ａに対して外側に傾斜する第１テーパ面４４ｂと、この第１テーパ面４４ｂに連続して設けられて第１テーパ面４４ｂに対して外側に傾斜する第２テーパ面４４ｃとを有している。
【００２９】
回転ドラム４４の外周面上には、複数のビットボックス４５が配置されている。
ビットボックス４５の中央部分には、ビット４６の回転軸部が挿入される挿入孔４５ａが形成されている。
【００３０】
ビット４６は、いわゆるラウンドピックであり、ビットボックス４５の挿入孔４５ａに挿入される円筒形状の回転軸部（図示せず）と、この回転軸部の上端部に一体に設けられて拡径した円錐台形状のビット本体４６ａとを含んで構成される。
【００３１】
ここで、図４に示す一点鎖線は、カッタヘッド４３の回転時におけるビット４６の移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合のビット４６の移動領域の輪郭４６ｂを示している。この輪郭４６ｂは、カッタヘッド４３の先端を頂点４６ｃとする略山型形状を有している。
【００３２】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの頂点４６ｃとビット４６のうち輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄとを結んだ直線（図４に示す二点鎖線）と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度（以下「第１角度」という）θ１が４０°〜５０°の範囲内である。
【００３３】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの稜線（図４の一点鎖線）と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２は、６０°以下である。
図５に実線で示された複数の同心円は、カッタヘッド４３の回転時に、図４に示す各ビット４６ごとのビット本体４６ａの尖端が描く軌跡である。これら軌跡のうち輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄが描く軌跡の直径Ｄmax （図４参照）は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内である。
【００３４】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの頂点４６ｃと、輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄとの間の回転軸Ｐ方向距離Ｌは、２９０ｍｍ〜５４０ｍｍの範囲内である。
【００３５】
ところで、上述のように、ベースマシン２０は、バケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンである。
トンネル工事に使用される油圧ショベルのベースマシンにおいてバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）のものが多用される理由としては、以下の２点が挙げられる。
（１）目的物であるトンネルの用途が車両用道路や鉄道等であるため、断面形状、特に断面高さが一定の範囲に限定されることから、必要とするブームアームの枢支高さ及びブームアームの伸長時長さが定まり、この結果、使用に適した機種が上述のバケット容量に対応する機種となること。
（２）トンネル工事で使用する機械が運搬車により車両用道路を通行してトンネル工事場所に搬入・搬出されることから、運搬車への積載に適した機種が上述のバケット容量に対応する機種となること。
【００３６】
このようなベースマシンに対応するブームアーム３０の枢支高さ（すなわち、施工基面３と枢支軸２１との間の距離）ｈと、ブームアーム３０の伸長時長さＡとを、表１に例示する。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１に示すブームアームの枢支高さｈの範囲を考慮して、本実施形態では、ブームアームの枢支高さｈとして想定される範囲を１．５ｍ〜２．１ｍとする。
また、表１に示すブームアームの伸長時長さＡと、カッタヘッドユニットの長手方向長さ（例えば、１．５ｍ〜２．２ｍ）とを考慮して、本実施形態では、ブームアームの枢支点（枢支軸２１）からカッタヘッドの先端までの距離Ｋとして想定される範囲を、８．５ｍ〜１０．８ｍとする。
【００３９】
これら想定の下で、トンネル掘削装置１０が仕上掘削可能な掘削高さ（施工基面から掘削断面天端までの高さ）について、表２及び図６を用いて説明する。
表２及び図６は、ブームアームの枢支高さｈと、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋと、カッタヘッドの第１角度θ１と、掘削高さとの関係を示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
ここで、図６及び表２において、カッタヘッド４ａ〜４ｄは、第１角度θ１が４０°であるカッタヘッド４３に対応する一方、カッタヘッド５ａ〜５ｄは、第１角度θ１が５０°であるカッタヘッド４３に対応する。
【００４２】
また、図６において、枢支軸２１ａは、枢支高さｈ＝１．５ｍに対応する一方、枢支軸２１ｂは、枢支高さｈ＝２．１ｍに対応する。
カッタヘッド４ａ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ａの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは８．０ｍとなる。
【００４３】
カッタヘッド４ｂ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｂの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは９．８ｍとなる。
【００４４】
カッタヘッド４ｃ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｃの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは８．６ｍとなる。
【００４５】
カッタヘッド４ｄ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｄの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは１０．４ｍとなる。
【００４６】
カッタヘッド５ａ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ａの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは７．０ｍとなる。
【００４７】
カッタヘッド５ｂ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｂの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは８．４ｍとなる。
【００４８】
カッタヘッド５ｃ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｃの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは７．６ｍとなる。
【００４９】
カッタヘッド５ｄ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｄの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは９．０ｍとなる。
【００５０】
従って、汎用であるバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンによりトンネル掘削装置１０を構成し、このトンネル掘削装置１０を用いて、掘削高さ７．０〜１０．４ｍの範囲内にて、坑１の周縁部１ａを良好に仕上掘削することが可能である。
【００５１】
本実施形態では、坑１の周縁部１ａの天端部を仕上掘削する際にブームアームの仰角を４０°〜５０°の範囲内としているが、これは以下の理由によるものである。
ブームアームの仰角が５０°を上回る場合には、仕上掘削時の飛び石等がベースマシン２０に落下・衝突する可能性が高まるので、ベースマシン２０の損傷が懸念される。
【００５２】
また、ブームアームの仰角が４０°を下回る場合には、カッタヘッドの回転軸と坑１の周縁部１ａの天端部とのなす角度が４０°を下回ることにより、カッタヘッドから坑１の周縁部１ａの天端部に作用する面圧が低下する可能性があり、この結果、仕上掘削の効率性が低下する可能性がある。
【００５３】
以上の理由により、本実施形態では、坑１の周縁部１ａの天端部を仕上掘削する際にブームアームの仰角を４０°〜５０°の範囲内としている。
また、本実施形態では、図１〜図３に示すように、ベースマシン２０をトンネル中央の施工基面３上に配置して切羽に対向させ、この状態にて、ベースマシン２０の履帯２２による前後動と、旋回装置２４によるベースマシン本体２３の水平旋回と、ブームアーム３０の上下揺動とを組み合わせることにより、カッタヘッド４３を用いて、例えば、坑１の周縁部１ａの左側端部（図２及び図３）から天端部（図１及び図３）を介して右側端部まで連続的に仕上掘削を行うことが可能である。
【００５４】
次に、トンネル掘削装置１０を用いるトンネル施工方法の第１例について、図１、図７及び図８を用いて説明する。
図７及び図８は、トンネルの切羽近傍の天端における掘進方向断面を示す。
【００５５】
この例では、地山２が、道路トンネルの地山分類における「ＣII」クラスに該当していると仮定する。
「ＣII」クラスでは、一般に軟岩であり、掘削面を局部的に掘削すると周囲の岩盤に小崩落が誘発されて掘削が進行する特徴がある。このため、一般的な油圧ショベルのブームアームの先端にブレーカーを取り付けて、このブレーカーにより岩盤を打撃破砕して仕上掘削を行うと、岩盤の崩落が過度に進行する虞がある。このため、本例では、発破掘削を行って坑１を形成した後に、トンネル掘削装置１０を用いて坑１の周縁部１ａを研磨するように仕上掘削する。
【００５６】
また、本例では、トンネルの施工方法として、ＮＡＴＭ工法を用いる。
トンネル施工時には、まず、図７（ａ）に示す切羽７に爆薬挿入用の穴（図示せず）をドリル等で削孔し、この穴にダイナマイト等の爆薬を挿入して発破・爆発させることにより、図７（ｂ）に示すように、坑１を切羽７から切羽７’まで掘り進める。ここで、図７（ｂ）に示すように、坑１は、掘削計画線１ｂ（実線）より若干トンネル内方に坑１の周縁部１ａ（一点鎖線）が位置するように、掘削形成される。尚、この発破掘削時にはズリ出しが行われる。
【００５７】
次に、図７（ｃ）に示すように、トンネル掘削装置１０を用いて、坑１の周縁部１ａの仕上掘削を行うことにより、坑１の周縁部１ａを掘削計画線１ｂに近づける。尚、この仕上掘削時においてもズリ出しが行われる。
【００５８】
次に、図８（ｄ）に示すように、鋼製支保工（鋼アーチ支保工）６を標準建込間隔Ｓを空けて建込む。ここで、「ＣII」クラスにて用いられる鋼製支保工６は、例えばＨ鋼（Ｈ−１２５）である。また、「ＣII」クラスにおける標準建込間隔Ｓは、例えば１．２ｍである。
【００５９】
次に、図８（ｅ）に示すように、坑１の周縁部１ａに吹付コンクリートを吹き付けることにより一次覆工を行う。ここで、図７（ａ）〜図８（ｆ）に示す二点鎖線１ｃは、吹付コンクリートの表面である。尚、「ＣII」クラスにおける吹付コンクリート厚ｔ１は、例えば１０ｃｍである。
【００６０】
次に、ロックボルト（図示せず）を打設する。
これまでの掘削ズリ出し工程、鋼製支保工建込工程、一次覆工工程、及び、ロックボルト打設工程（すなわち、上述の図７（ａ）〜図８（ｅ）に示した各工程）をまとめて１サイクルとする作業（以下、「第１作業」という）は、後述する覆工コンクリートの構築に先行して実施される。また、第１作業では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１．２ｍ分）の施工が行われ、例えば、１日間で３〜４サイクルの施工が行われる。
【００６１】
第１作業が実施されている場所から３００ｍ程度トンネル後方の場所では、第２作業が実施される。この第２作業には、二次覆工工程が含まれる。この二次覆工工程では、図８（ｆ）に示すように、吹付コンクリートの表面１ｃに覆工コンクリートを構築することにより二次覆工を行う。ここで、図８（ｆ）に示す破線１ｄは、覆工コンクリートの表面である。尚、「ＣII」クラスにおける覆工コンクリート厚ｔ２は、例えば３０ｃｍである。また、第２作業（二次覆工工程）では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１２ｍ分）の施工が行われ、例えば、３日間で１サイクルの施工が行われる。
【００６２】
以上の工程により、トンネルの施工が行われる。尚、上述の第１作業と第２作業との間を３００ｍ程度離すことにより、作業の錯綜を抑制することができるので、効率よく作業を実施することができる。
【００６３】
図９及び図１０は、トンネル施工方法の第２例（図７及び図８に示したトンネル施工方法の変形例）を示す。ここで、図９（ａ）〜図１０（ｆ）は、それぞれ、上述の図７（ａ）〜図８（ｆ）に対応する。
【００６４】
図７及び図８に示した第１例と異なる点について説明する。
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、掘削計画線１ｂ（実線）より若干トンネル内方に坑１の周縁部１ａ（一点鎖線）が位置するように発破掘削して、坑１を切羽７から切羽７’まで掘り進めた後、図９（ｃ）に示すように、トンネル掘削装置１０を用いて、坑１の周縁部１ａに周方向に延びる溝８を形成する。この溝８は、鋼製支保工６が建込まれる予定の位置に対応しており、その寸法は、例えば、深さｔ３が１０ｃｍであり、幅ｔ４が３０ｃｍである。尚、溝８は、鋼製支保工６の建込み作業時に必要とされる空間である。
【００６５】
溝８を形成した後に、図１０（ｄ）に示すように、上記予定の位置に鋼製支保工６を建込み、図１０（ｅ）に示すように、吹付コンクリートを吹き付けることにより一次覆工を行う。
【００６６】
この後の工程は、図７及び図８に示した第１例と同様である。すなわち、覆工コンクリートの施工に先行して第１作業を繰り返し実施し、第１作業が実施されている場所から３００ｍ程度トンネル後方の場所にて第２作業が実施される。第２作業（二次覆工工程）では、図１０（ｆ）に示すように、覆工コンクリートを構築することにより二次覆工を行う。
【００６７】
本例では、トンネル掘削装置１０による仕上掘削が、溝８の形成のみに留まるので、上述の図７及び図８に示した第１例に比べて、ズリ量を低減することができる。
また、鋼製支保工６の建込み時には、支保工の建込み位置の微調整が必要である。この点、本例では、溝８が形成されることにより、支保工の建込み位置近傍に局部的に空間的余裕が生まれるので、建込みを容易に精度よく実施することができる。
【００６８】
本実施形態によれば、爆薬を用いて地山２を発破掘削して坑１を形成し、この後に、トンネル掘削装置１０を用いて坑１の周縁部１ａの仕上掘削を行う。これにより、坑１の周縁部１ａを掘削計画線１ｂに精度よく近づけることができる。また、発破掘削によって比較的高い掘削速度を確保しつつ、仕上掘削により、余掘りを必要最小限に抑えることができるので、掘削速度の確保と発破掘削による過大な余掘りの低減とを同時に実現することができる。
【００６９】
また本実施形態によれば、トンネル掘削装置１０は、下部に履帯２２を装備した全旋回式ベースマシン２０と、このベースマシン２０に基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアーム３０と、このブームアーム３０の先端部に取り付けられ、かつ、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐとして回転可能なカッタヘッド４３と、を備える。これにより、ベースマシン２０の履帯２２による前後動と、ベースマシン２０（ベースマシン本体２３）の水平旋回と、ブームアーム３０の上下揺動とを組み合わせて、カッタヘッド４３を用いて、坑１の周縁部１ａを周方向に連続的に仕上掘削することができる。
【００７０】
また本実施形態によれば、カッタヘッド４３の回転時におけるビット４６の移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合の移動領域の輪郭４６ｂがカッタヘッド４３の先端を頂点とする略山型形状であり、輪郭４６ｂの頂点４６ｃと輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビットの尖端４６ｄとを結んだ直線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度（第１角度）θ１が４０°〜５０°の範囲内であり、輪郭４６ｂの稜線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２が６０°以下である。これにより、例えば、汎用であるバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンによりトンネル掘削装置１０を構成した場合には、このトンネル掘削装置１０を用いて、掘削高さ７．０〜１０．４ｍの範囲内にて、坑１の周縁部１ａを良好に仕上掘削することが可能となる。
【００７１】
また本実施形態によれば、カッタヘッド４３の回転時に、上記最も離間したビットの尖端４６ｄが描く軌跡の直径Ｄmax は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内である。これにより、カッタヘッド４３を比較的小型とすることができるので、仕上掘削の微調整を比較的容易に行うことができ、ひいては、仕上掘削の精度を向上させることができる。
【００７２】
尚、本実施形態では、ベースマシン２０の走行手段として履帯２２を用いて説明したが、走行手段はこれに限らず、例えば、走行手段として車輪を用いてもよい。
また、本実施形態では、回転ドラム４４は、先端面４４ａ、第１テーパ面４４ｂ及び第２テーパ面４４ｃからなる多段形状を有しているが、回転ドラム４４の形状はこれに限らず、例えば、回転ドラム４４は、その回転軸方向断面にて滑らかな略山型形状を有していてもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、発破掘削方式を用いて坑を形成したが、坑の形成方法はこれに限らず、例えば、上述のブレーカー等を用いて岩盤を打撃破砕して坑を形成し、この坑の周縁部を、トンネル掘削装置１０を用いて仕上掘削してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１ 坑
１ａ 周縁部
１ｂ 掘削計画線
１ｃ 吹付コンクリートの表面
１ｄ 覆工コンクリートの表面
２ 地山
３ 施工基面
４ａ〜４ｄ カッタヘッド
５ａ〜５ｄ カッタヘッド
６ 鋼製支保工
７，７’ 切羽
８ 溝
１０ トンネル掘削装置
２０ ベースマシン
２１，２１ａ，２１ｂ 枢支軸
２２ 履帯（走行手段）
２３ ベースマシン本体
２４ 旋回装置
３０ ブームアーム
３１ ブーム
３２ アーム
３３ 枢支軸
３４ ブームジャッキ
３５ アームジャッキ
４０ カッタヘッドユニット
４１ 駆動ユニット
４２ 回転シャフト
４３ カッタヘッド
４４ 回転ドラム
４５ ビットボックス
４６ ビット
４６ｂ 輪郭
４６ｃ 頂点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削装置、及び、これを用いるトンネル施工方法に関し、詳しくは、地山を掘削して坑を形成した後に、坑の周縁部を仕上掘削する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事では、地山（天然の状態にある地盤・岩盤）を掘削して坑を形成した後に、鋼製支保材と吹付コンクリートで一次覆工（支保）することを繰り返して一次空間を形成し、その後、コンクリートで二次覆工することにより計画の空間（設計空間）を形成する。このため、計画より過大に掘削した場合にはズリ量が増加し、また、その増加分をコンクリート等で置き換える必要がある。従って、トンネル工事では、計画に対して過大に掘削しないこと、つまり余掘りが少なくなるように掘削することが求められている。
【０００３】
トンネルの掘削工法には、ダイナマイト等の爆薬を用いて発破掘削する発破掘削方式と自由断面掘削機（例えば、特許文献１に記載のような、ロードヘッダ（登録商標）等の専用機械）により掘削する機械掘削方式とがある。
【０００４】
発破掘削方式では、トンネルの掘削面（鏡）に爆薬挿入用の穴をドリル等で削孔し、この穴に爆薬を挿入して発破・爆発させて掘削する。発破掘削方式では、発破と同時に瞬間的に掘削が可能である反面、発破により掘削面がどのように形成されるかを予測することが難しく、また、掘削したいと計画した掘削面（以下「掘削計画線」という）に対して凹凸を含んだ形状となりやすい。このため、発破掘削方式では、一般に、比較的多めの余掘り分を計画に上乗せして発破掘削を行う傾向がある。この点、特許文献２は、発破掘削方式における余掘り低減技術の一例を開示している。この例では、まず、掘削面（鏡）の掘削計画線（掘削予定面）に沿って複数の削孔部を設ける。次に、各削孔部ごとに液圧破砕装置を挿入して、これら破砕装置によって掘削計画線に沿うような亀裂を発生させる。そして、掘削計画線の内部の岩盤部を一般的な発破掘削方式を用いて破砕する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１４６３９７号公報
【特許文献２】特開平５−２３１０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、機械掘削方式では、一般に、発破掘削方式に比べて掘削形状を容易に制御することができるので、余掘りを比較的少なくすることができる。しかしながら、機械掘削方式では、発破掘削方式のように比較的広範囲で瞬間的に掘削を行うことができないので、発破掘削方式に比べて掘削速度が低い。
【０００７】
また、山岳トンネルの施工方法であるＮＡＴＭ工法においては、所定の長さを掘削した後に鋼製支保工を建込み、吹付コンクリートにより一次覆工（支保）されたエリアから、新たな掘削を開始する必要がある。この新たな掘削の際に、特許文献２に記載の発破掘削方式における余掘り低減技術を用いようとしても、掘削計画線よりトンネル内方に支保があるので、支保の裏側（切羽側）の掘削面（鏡）に掘削計画線に沿って削孔部を形成することが難しい。このように、トンネルの施工方法の中には、特許文献２に記載の余掘り低減技術を用いることが難しいものがある。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑み、発破掘削方式のような比較的高い掘削速度を確保しつつ、余掘り量を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため本発明に係るトンネル掘削装置は、地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削するものであり、下部に走行手段を装備した全旋回式ベースマシンと、このベースマシンに基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアームと、このブームアームの先端部に取り付けられ、かつ、ブームアームの延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能なカッタヘッドと、を備える。そして、カッタヘッドを回転させつつ坑の周縁部に接触させることにより坑の周縁部の仕上掘削を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トンネル掘削装置は、地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削する。これにより、例えば、トンネル工事にて発破掘削方式を用いる場合には、まず、発破掘削により瞬間的な掘削を行って掘削計画線より若干小さな坑を形成し、次に、本発明に係るトンネル掘削装置を用いて坑の周縁部の仕上掘削を行うことにより、坑の周縁部を掘削計画線に精度よく近づけることができる。従って、発破掘削方式のような比較的高い掘削速度を確保しつつ、仕上掘削により、余掘りを必要最小限に抑えることができるので、掘削速度の確保と発破掘削による過大な余掘りの低減とを、同時に実現することができる。
【００１１】
また、例えば、トンネルの施工方法としてＮＡＴＭ工法を用いる場合には、上述の新たな掘削の際に、まず、上述の掘削計画線より若干小さな坑を発破掘削により形成し、この後に、本発明に係るトンネル掘削装置を用いて坑の周縁部の仕上掘削を行うことにより、坑の周縁部を掘削計画線に精度よく近づけることができる。従って、本発明に係るトンネル掘削装置は、ＮＡＴＭ工法を含むあらゆるトンネルの施工方法にて余掘り量を低減するための技術として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態におけるトンネル掘削装置の側面図
【図２】同上実施形態におけるトンネル掘削装置の上面図
【図３】同上実施形態におけるトンネル掘削装置の正面図
【図４】カッタヘッドの側面図
【図５】カッタヘッド上のビット配置を示す正面図
【図６】ブームアームの枢支高さと、ブームアーム枢支点からカッタヘッド先端までの距離と、カッタヘッドの第１角度と、掘削高さとの関係を示す図
【図７】トンネル施工方法の第１例を示す図（その１）
【図８】トンネル施工方法の第１例を示す図（その２）
【図９】トンネル施工方法の第２例を示す図（その１）
【図１０】トンネル施工方法の第２例を示す図（その２）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態におけるトンネル掘削装置の概略構成を示す。尚、図２及び図３では、図示簡略化のために、ベースマシン及びブームアームを破線で示している。また、図１及び図３は、カッタヘッドが坑の周縁部のうち天端部に接触した状態を示す。また、図２及び図３は、カッタヘッドが坑の周縁部のうち左側端部に接触した状態を示す。
【００１４】
本実施形態にて構築されるトンネルの主な用途は、１車線〜３車線の道路トンネル、又は、１車道〜２車道の鉄道トンネルである。
トンネルの主要部である坑１は、ダイナマイト等の爆薬を用いて地山２を発破掘削して形成される。坑１は、その周縁部（図１〜図３に示す一点鎖線）１ａが、掘削計画線（図１〜図３に示す実線）１ｂのより若干トンネル内方に位置している。
【００１５】
ここで、本実施形態では、周辺地山が本来有している耐荷能力を積極的に活用するために、トンネルの上部の形状はアーチ形状（略半円）として形成される。このため、掘削計画線１ｂは、その上部の形状がアーチ形状（略半円）となっている。
【００１６】
また、トンネルの施工基面３は、掘削断面内に適宜設定されるが、一般に施工基面３から掘削断面天端（掘削計画線１ｂ天端）までの高さ（後述する図６に示す掘削高さ）は７．０ｍ〜８．５ｍとなる。
【００１７】
施工基面３上を走行可能なトンネル掘削装置１０は、坑１の周縁部１ａを仕上掘削するものであり、具体的には、坑１の周縁部１ａを掘削して掘削計画線１ｂに近づけるために用いられる。
【００１８】
トンネル掘削装置１０は、ベースマシン２０と、ベースマシン２０に枢支軸２１を介して枢支されて上下方向に揺動可能なブームアーム３０と、ブームアーム３０の先端に取付けられたカッタヘッドユニット４０と、を含んで構成される。
【００１９】
ベースマシン２０は、バケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンである。
ベースマシン２０は、その下部に装備された走行手段である履帯２２と、ベースマシン本体２３と、ベースマシン本体２３を履帯２２に対してその上方にて水平旋回させる旋回装置２４と、を含んで構成される。すなわち、ベースマシン２０は、その下部に履帯２２を装備した全旋回式ベースマシンである。
【００２０】
ブームアーム３０は、ブーム３１及びアーム３２を備える。
ブーム３１は、その基端部が、水平方向に延びる枢支軸２１を介してベースマシン本体２３の前部に枢支される一方、先端部が、水平方向に延びる枢支軸３３を介してアーム３２の基端部に枢支される。
【００２１】
一対のブームジャッキ３４は、各々の一端がブーム３１の中央部を左右両側から挟むように取り付けられる一方、他端が、ベースマシン本体２３の前部に取り付けられている。従って、ブームジャッキ３４を伸縮させることにより、ブーム３１が枢支軸２１を介してベースマシン本体２３に対して上下方向に揺動する。
【００２２】
アームジャッキ３５は、その一端がアーム３２の前側下部に取り付けられる一方、他端が、ブーム３１の前側下部に取り付けられている。従って、アームジャッキ３５を伸縮させることにより、アーム３２が枢支軸３３を介してブーム３１に対して上下方向に揺動する。
【００２３】
従って、ブームアーム３０は、ブームジャッキ３４及び／又はアームジャッキ３５を伸縮させることによって、ベースマシン本体２３に対して上下方向に揺動することができると共に、屈伸することができる。
【００２４】
カッタヘッドユニット４０は、アーム３２の先端に取り付けられている。
カッタヘッドユニット４０は、内部に油圧モータ及び減速機を備えた駆動ユニット４１と、回転シャフト４２と、カッタヘッド４３とを含んで構成される。
【００２５】
駆動ユニット４１内の油圧モータが駆動すると、減速機により調整されたトルクが回転シャフト４２を介してカッタヘッド４３に伝達される。ここで、回転シャフト４２は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向に延びており（すなわち、図１及び図２に示す長破線Ｐに沿って延びており）、それゆえ、カッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能となっている。
【００２６】
次に、カッタヘッド４３の詳細について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、カッタヘッド４３の概略構成を示す。また、図５は、カッタヘッド４３上のビット配置を示す。尚、図５は、図示簡略化のため、カッタヘッド４３を構成するビットボックス４５と、これに取り付けられたビット４６の尖端とを図示している。
【００２７】
回転シャフト４２の先端に取付けられたカッタヘッド４３は、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐ（図１及び図２に示す長破線Ｐに対応）とする回転ドラム４４と、複数のビットボックス４５と、複数のビット４６と、を備える。
【００２８】
回転ドラム４４は、回転軸Ｐに直交する先端面４４ａと、この先端面４４ａに連続して設けられて先端面４４ａに対して外側に傾斜する第１テーパ面４４ｂと、この第１テーパ面４４ｂに連続して設けられて第１テーパ面４４ｂに対して外側に傾斜する第２テーパ面４４ｃとを有している。
【００２９】
回転ドラム４４の外周面上には、複数のビットボックス４５が配置されている。
ビットボックス４５の中央部分には、ビット４６の回転軸部が挿入される挿入孔４５ａが形成されている。
【００３０】
ビット４６は、いわゆるラウンドピックであり、ビットボックス４５の挿入孔４５ａに挿入される円筒形状の回転軸部（図示せず）と、この回転軸部の上端部に一体に設けられて拡径した円錐台形状のビット本体４６ａとを含んで構成される。
【００３１】
ここで、図４に示す一点鎖線は、カッタヘッド４３の回転時におけるビット４６の移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合のビット４６の移動領域の輪郭４６ｂを示している。この輪郭４６ｂは、カッタヘッド４３の先端を頂点４６ｃとする略山型形状を有している。
【００３２】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの頂点４６ｃとビット４６のうち輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄとを結んだ直線（図４に示す二点鎖線）と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度（以下「第１角度」という）θ１が４０°〜５０°の範囲内である。
【００３３】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの稜線（図４の一点鎖線）と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２は、６０°以下である。
図５に実線で示された複数の同心円は、カッタヘッド４３の回転時に、図４に示す各ビット４６ごとのビット本体４６ａの尖端が描く軌跡である。これら軌跡のうち輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄが描く軌跡の直径Ｄmax （図４参照）は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内である。
【００３４】
また、図４に示すように、輪郭４６ｂの頂点４６ｃと、輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビット４６の尖端４６ｄとの間の回転軸Ｐ方向距離Ｌは、２９０ｍｍ〜５４０ｍｍの範囲内である。
【００３５】
ところで、上述のように、ベースマシン２０は、バケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンである。
トンネル工事に使用される油圧ショベルのベースマシンにおいてバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）のものが多用される理由としては、以下の２点が挙げられる。
（１）目的物であるトンネルの用途が車両用道路や鉄道等であるため、断面形状、特に断面高さが一定の範囲に限定されることから、必要とするブームアームの枢支高さ及びブームアームの伸長時長さが定まり、この結果、使用に適した機種が上述のバケット容量に対応する機種となること。
（２）トンネル工事で使用する機械が運搬車により車両用道路を通行してトンネル工事場所に搬入・搬出されることから、運搬車への積載に適した機種が上述のバケット容量に対応する機種となること。
【００３６】
このようなベースマシンに対応するブームアーム３０の枢支高さ（すなわち、施工基面３と枢支軸２１との間の距離）ｈと、ブームアーム３０の伸長時長さＡとを、表１に例示する。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１に示すブームアームの枢支高さｈの範囲を考慮して、本実施形態では、ブームアームの枢支高さｈとして想定される範囲を１．５ｍ〜２．１ｍとする。
また、表１に示すブームアームの伸長時長さＡと、カッタヘッドユニットの長手方向長さ（例えば、１．５ｍ〜２．２ｍ）とを考慮して、本実施形態では、ブームアームの枢支点（枢支軸２１）からカッタヘッドの先端までの距離Ｋとして想定される範囲を、８．５ｍ〜１０．８ｍとする。
【００３９】
これら想定の下で、トンネル掘削装置１０が仕上掘削可能な掘削高さ（施工基面から掘削断面天端までの高さ）について、表２及び図６を用いて説明する。
表２及び図６は、ブームアームの枢支高さｈと、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋと、カッタヘッドの第１角度θ１と、掘削高さとの関係を示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
ここで、図６及び表２において、カッタヘッド４ａ〜４ｄは、第１角度θ１が４０°であるカッタヘッド４３に対応する一方、カッタヘッド５ａ〜５ｄは、第１角度θ１が５０°であるカッタヘッド４３に対応する。
【００４２】
また、図６において、枢支軸２１ａは、枢支高さｈ＝１．５ｍに対応する一方、枢支軸２１ｂは、枢支高さｈ＝２．１ｍに対応する。
カッタヘッド４ａ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ａの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは８．０ｍとなる。
【００４３】
カッタヘッド４ｂ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｂの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは９．８ｍとなる。
【００４４】
カッタヘッド４ｃ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｃの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは８．６ｍとなる。
【００４５】
カッタヘッド４ｄ（第１角度θ１＝４０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド４ｄの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を５０°とするので、掘削高さは１０．４ｍとなる。
【００４６】
カッタヘッド５ａ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ａの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは７．０ｍとなる。
【００４７】
カッタヘッド５ｂ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが１．５ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｂの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは８．４ｍとなる。
【００４８】
カッタヘッド５ｃ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが８．５ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｃの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは７．６ｍとなる。
【００４９】
カッタヘッド５ｄ（第１角度θ１＝５０°）は、ブームアームの枢支高さｈが２．１ｍであり、かつ、ブームアームの枢支点からカッタヘッドの先端までの距離Ｋが１０．８ｍである場合を示している。この場合には、カッタヘッド５ｄの輪郭の稜線を坑１の周縁部１ａの天端部に適切に接触させるためにブームアームの仰角を４０°とするので、掘削高さは９．０ｍとなる。
【００５０】
従って、汎用であるバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンによりトンネル掘削装置１０を構成し、このトンネル掘削装置１０を用いて、掘削高さ７．０〜１０．４ｍの範囲内にて、坑１の周縁部１ａを良好に仕上掘削することが可能である。
【００５１】
本実施形態では、坑１の周縁部１ａの天端部を仕上掘削する際にブームアームの仰角を４０°〜５０°の範囲内としているが、これは以下の理由によるものである。
ブームアームの仰角が５０°を上回る場合には、仕上掘削時の飛び石等がベースマシン２０に落下・衝突する可能性が高まるので、ベースマシン２０の損傷が懸念される。
【００５２】
また、ブームアームの仰角が４０°を下回る場合には、カッタヘッドの回転軸と坑１の周縁部１ａの天端部とのなす角度が４０°を下回ることにより、カッタヘッドから坑１の周縁部１ａの天端部に作用する面圧が低下する可能性があり、この結果、仕上掘削の効率性が低下する可能性がある。
【００５３】
以上の理由により、本実施形態では、坑１の周縁部１ａの天端部を仕上掘削する際にブームアームの仰角を４０°〜５０°の範囲内としている。
また、本実施形態では、図１〜図３に示すように、ベースマシン２０をトンネル中央の施工基面３上に配置して切羽に対向させ、この状態にて、ベースマシン２０の履帯２２による前後動と、旋回装置２４によるベースマシン本体２３の水平旋回と、ブームアーム３０の上下揺動とを組み合わせることにより、カッタヘッド４３を用いて、例えば、坑１の周縁部１ａの左側端部（図２及び図３）から天端部（図１及び図３）を介して右側端部まで連続的に仕上掘削を行うことが可能である。
【００５４】
次に、トンネル掘削装置１０を用いるトンネル施工方法の第１例について、図１、図７及び図８を用いて説明する。
図７及び図８は、トンネルの切羽近傍の天端における掘進方向断面を示す。
【００５５】
この例では、地山２が、道路トンネルの地山分類における「ＣII」クラスに該当していると仮定する。
「ＣII」クラスでは、一般に軟岩であり、掘削面を局部的に掘削すると周囲の岩盤に小崩落が誘発されて掘削が進行する特徴がある。このため、一般的な油圧ショベルのブームアームの先端にブレーカーを取り付けて、このブレーカーにより岩盤を打撃破砕して仕上掘削を行うと、岩盤の崩落が過度に進行する虞がある。このため、本例では、発破掘削を行って坑１を形成した後に、トンネル掘削装置１０を用いて坑１の周縁部１ａを研磨するように仕上掘削する。
【００５６】
また、本例では、トンネルの施工方法として、ＮＡＴＭ工法を用いる。
トンネル施工時には、まず、図７（ａ）に示す切羽７に爆薬挿入用の穴（図示せず）をドリル等で削孔し、この穴にダイナマイト等の爆薬を挿入して発破・爆発させることにより、図７（ｂ）に示すように、坑１を切羽７から切羽７’まで掘り進める。ここで、図７（ｂ）に示すように、坑１は、掘削計画線１ｂ（実線）より若干トンネル内方に坑１の周縁部１ａ（一点鎖線）が位置するように、掘削形成される。尚、この発破掘削時にはズリ出しが行われる。
【００５７】
次に、図７（ｃ）に示すように、トンネル掘削装置１０を用いて、坑１の周縁部１ａの仕上掘削を行うことにより、坑１の周縁部１ａを掘削計画線１ｂに近づける。尚、この仕上掘削時においてもズリ出しが行われる。
【００５８】
次に、図８（ｄ）に示すように、鋼製支保工（鋼アーチ支保工）６を標準建込間隔Ｓを空けて建込む。ここで、「ＣII」クラスにて用いられる鋼製支保工６は、例えばＨ鋼（Ｈ−１２５）である。また、「ＣII」クラスにおける標準建込間隔Ｓは、例えば１．２ｍである。
【００５９】
次に、図８（ｅ）に示すように、坑１の周縁部１ａに吹付コンクリートを吹き付けることにより一次覆工を行う。ここで、図７（ａ）〜図８（ｆ）に示す二点鎖線１ｃは、吹付コンクリートの表面である。尚、「ＣII」クラスにおける吹付コンクリート厚ｔ１は、例えば１０ｃｍである。
【００６０】
次に、ロックボルト（図示せず）を打設する。
これまでの掘削ズリ出し工程、鋼製支保工建込工程、一次覆工工程、及び、ロックボルト打設工程（すなわち、上述の図７（ａ）〜図８（ｅ）に示した各工程）をまとめて１サイクルとする作業（以下、「第１作業」という）は、後述する覆工コンクリートの構築に先行して実施される。また、第１作業では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１．２ｍ分）の施工が行われ、例えば、１日間で３〜４サイクルの施工が行われる。
【００６１】
第１作業が実施されている場所から３００ｍ程度トンネル後方の場所では、第２作業が実施される。この第２作業には、二次覆工工程が含まれる。この二次覆工工程では、図８（ｆ）に示すように、吹付コンクリートの表面１ｃに覆工コンクリートを構築することにより二次覆工を行う。ここで、図８（ｆ）に示す破線１ｄは、覆工コンクリートの表面である。尚、「ＣII」クラスにおける覆工コンクリート厚ｔ２は、例えば３０ｃｍである。また、第２作業（二次覆工工程）では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１２ｍ分）の施工が行われ、例えば、３日間で１サイクルの施工が行われる。
【００６２】
以上の工程により、トンネルの施工が行われる。尚、上述の第１作業と第２作業との間を３００ｍ程度離すことにより、作業の錯綜を抑制することができるので、効率よく作業を実施することができる。
【００６３】
図９及び図１０は、トンネル施工方法の第２例（図７及び図８に示したトンネル施工方法の変形例）を示す。ここで、図９（ａ）〜図１０（ｆ）は、それぞれ、上述の図７（ａ）〜図８（ｆ）に対応する。
【００６４】
図７及び図８に示した第１例と異なる点について説明する。
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、掘削計画線１ｂ（実線）より若干トンネル内方に坑１の周縁部１ａ（一点鎖線）が位置するように発破掘削して、坑１を切羽７から切羽７’まで掘り進めた後、図９（ｃ）に示すように、トンネル掘削装置１０を用いて、坑１の周縁部１ａに周方向に延びる溝８を形成する。この溝８は、鋼製支保工６が建込まれる予定の位置に対応しており、その寸法は、例えば、深さｔ３が１０ｃｍであり、幅ｔ４が３０ｃｍである。尚、溝８は、鋼製支保工６の建込み作業時に必要とされる空間である。
【００６５】
溝８を形成した後に、図１０（ｄ）に示すように、上記予定の位置に鋼製支保工６を建込み、図１０（ｅ）に示すように、吹付コンクリートを吹き付けることにより一次覆工を行う。
【００６６】
この後の工程は、図７及び図８に示した第１例と同様である。すなわち、覆工コンクリートの施工に先行して第１作業を繰り返し実施し、第１作業が実施されている場所から３００ｍ程度トンネル後方の場所にて第２作業が実施される。第２作業（二次覆工工程）では、図１０（ｆ）に示すように、覆工コンクリートを構築することにより二次覆工を行う。
【００６７】
本例では、トンネル掘削装置１０による仕上掘削が、溝８の形成のみに留まるので、上述の図７及び図８に示した第１例に比べて、ズリ量を低減することができる。
また、鋼製支保工６の建込み時には、支保工の建込み位置の微調整が必要である。この点、本例では、溝８が形成されることにより、支保工の建込み位置近傍に局部的に空間的余裕が生まれるので、建込みを容易に精度よく実施することができる。
【００６８】
本実施形態によれば、爆薬を用いて地山２を発破掘削して坑１を形成し、この後に、トンネル掘削装置１０を用いて坑１の周縁部１ａの仕上掘削を行う。これにより、坑１の周縁部１ａを掘削計画線１ｂに精度よく近づけることができる。また、発破掘削によって比較的高い掘削速度を確保しつつ、仕上掘削により、余掘りを必要最小限に抑えることができるので、掘削速度の確保と発破掘削による過大な余掘りの低減とを同時に実現することができる。
【００６９】
また本実施形態によれば、トンネル掘削装置１０は、下部に履帯２２を装備した全旋回式ベースマシン２０と、このベースマシン２０に基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアーム３０と、このブームアーム３０の先端部に取り付けられ、かつ、ブームアーム３０の延長方向と略同一方向を回転軸Ｐとして回転可能なカッタヘッド４３と、を備える。これにより、ベースマシン２０の履帯２２による前後動と、ベースマシン２０（ベースマシン本体２３）の水平旋回と、ブームアーム３０の上下揺動とを組み合わせて、カッタヘッド４３を用いて、坑１の周縁部１ａを周方向に連続的に仕上掘削することができる。
【００７０】
また本実施形態によれば、カッタヘッド４３の回転時におけるビット４６の移動領域を回転軸Ｐに対して平行な面に投影した場合の移動領域の輪郭４６ｂがカッタヘッド４３の先端を頂点とする略山型形状であり、輪郭４６ｂの頂点４６ｃと輪郭４６ｂの頂点４６ｃより最も離間したビットの尖端４６ｄとを結んだ直線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度（第１角度）θ１が４０°〜５０°の範囲内であり、輪郭４６ｂの稜線と、回転軸Ｐに直交する直線とのなす角度θ２が６０°以下である。これにより、例えば、汎用であるバケット容量０．５〜１．０ｍ３級（新ＪＩＳ規格）の油圧ショベルのベースマシンによりトンネル掘削装置１０を構成した場合には、このトンネル掘削装置１０を用いて、掘削高さ７．０〜１０．４ｍの範囲内にて、坑１の周縁部１ａを良好に仕上掘削することが可能となる。
【００７１】
また本実施形態によれば、カッタヘッド４３の回転時に、上記最も離間したビットの尖端４６ｄが描く軌跡の直径Ｄmax は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内である。これにより、カッタヘッド４３を比較的小型とすることができるので、仕上掘削の微調整を比較的容易に行うことができ、ひいては、仕上掘削の精度を向上させることができる。
【００７２】
尚、本実施形態では、ベースマシン２０の走行手段として履帯２２を用いて説明したが、走行手段はこれに限らず、例えば、走行手段として車輪を用いてもよい。
また、本実施形態では、回転ドラム４４は、先端面４４ａ、第１テーパ面４４ｂ及び第２テーパ面４４ｃからなる多段形状を有しているが、回転ドラム４４の形状はこれに限らず、例えば、回転ドラム４４は、その回転軸方向断面にて滑らかな略山型形状を有していてもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、発破掘削方式を用いて坑を形成したが、坑の形成方法はこれに限らず、例えば、上述のブレーカー等を用いて岩盤を打撃破砕して坑を形成し、この坑の周縁部を、トンネル掘削装置１０を用いて仕上掘削してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１ 坑
１ａ 周縁部
１ｂ 掘削計画線
１ｃ 吹付コンクリートの表面
１ｄ 覆工コンクリートの表面
２ 地山
３ 施工基面
４ａ〜４ｄ カッタヘッド
５ａ〜５ｄ カッタヘッド
６ 鋼製支保工
７，７’ 切羽
８ 溝
１０ トンネル掘削装置
２０ ベースマシン
２１，２１ａ，２１ｂ 枢支軸
２２ 履帯（走行手段）
２３ ベースマシン本体
２４ 旋回装置
３０ ブームアーム
３１ ブーム
３２ アーム
３３ 枢支軸
３４ ブームジャッキ
３５ アームジャッキ
４０ カッタヘッドユニット
４１ 駆動ユニット
４２ 回転シャフト
４３ カッタヘッド
４４ 回転ドラム
４５ ビットボックス
４６ ビット
４６ｂ 輪郭
４６ｃ 頂点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削するトンネル掘削装置であって、
下部に走行手段を装備した全旋回式ベースマシンと、
このベースマシンに基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアームと、
このブームアームの先端部に取り付けられ、かつ、前記ブームアームの延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能なカッタヘッドと、を備え、
このカッタヘッドを回転させつつ前記周縁部に接触させることにより前記周縁部の仕上掘削を行うことを特徴とするトンネル掘削装置。
【請求項２】
前記カッタヘッドは、前記回転軸を中心に回転可能な回転ドラムと、この回転ドラムの外周面上に取り付けられた複数のビットと、を含んで構成され、
前記カッタヘッドの回転時における前記ビットの移動領域を前記回転軸に対して平行な面に投影した場合の前記移動領域の輪郭が前記カッタヘッドの先端を頂点とする略山型形状であり、
前記輪郭の頂点と前記ビットのうち前記輪郭の頂点より最も離間したビットの尖端とを結んだ直線と、前記回転軸に直交する直線とのなす角度が４０°〜５０°の範囲内であり、
前記輪郭の稜線と、前記回転軸に直交する直線とのなす角度が６０°以下であることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削装置。
【請求項３】
前記カッタヘッドの回転時に前記最も離間したビットの尖端が描く軌跡の直径は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項２記載のトンネル掘削装置。
【請求項４】
爆薬を用いて地山を発破掘削して前記坑を形成する工程と、
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のトンネル掘削装置を用いて前記周縁部の仕上掘削を行う工程と、
前記周縁部に吹付コンクリートを吹き付ける工程、及び／又は、前記周縁部に覆工コンクリートを構築する工程と、
を含む、トンネル施工方法。
【請求項１】
地山に掘削形成された坑の周縁部を仕上掘削するトンネル掘削装置であって、
下部に走行手段を装備した全旋回式ベースマシンと、
このベースマシンに基端部が枢支されて上下方向に揺動可能なブームアームと、
このブームアームの先端部に取り付けられ、かつ、前記ブームアームの延長方向と略同一方向を回転軸として回転可能なカッタヘッドと、を備え、
このカッタヘッドを回転させつつ前記周縁部に接触させることにより前記周縁部の仕上掘削を行うことを特徴とするトンネル掘削装置。
【請求項２】
前記カッタヘッドは、前記回転軸を中心に回転可能な回転ドラムと、この回転ドラムの外周面上に取り付けられた複数のビットと、を含んで構成され、
前記カッタヘッドの回転時における前記ビットの移動領域を前記回転軸に対して平行な面に投影した場合の前記移動領域の輪郭が前記カッタヘッドの先端を頂点とする略山型形状であり、
前記輪郭の頂点と前記ビットのうち前記輪郭の頂点より最も離間したビットの尖端とを結んだ直線と、前記回転軸に直交する直線とのなす角度が４０°〜５０°の範囲内であり、
前記輪郭の稜線と、前記回転軸に直交する直線とのなす角度が６０°以下であることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削装置。
【請求項３】
前記カッタヘッドの回転時に前記最も離間したビットの尖端が描く軌跡の直径は、７００ｍｍ〜９００ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項２記載のトンネル掘削装置。
【請求項４】
爆薬を用いて地山を発破掘削して前記坑を形成する工程と、
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のトンネル掘削装置を用いて前記周縁部の仕上掘削を行う工程と、
前記周縁部に吹付コンクリートを吹き付ける工程、及び／又は、前記周縁部に覆工コンクリートを構築する工程と、
を含む、トンネル施工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８４６０３（Ｐ２０１２−１８４６０３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９０３１（Ｐ２０１１−４９０３１）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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