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トンネル掘削機（TBM）は、「モール」とも呼ばれ、[ 1 ]トンネルを掘削するために使用される機械です。TBM は、掘削と発破の 方法や「手掘り」に代わるもので、硬い岩盤、湿った土や乾いた土、砂などをより迅速に掘削できます（ただし、それぞれに特殊な TBM 技術が必要です）。TBMで掘削されたトンネルの断面は、最大17.6 メートル (58フィート)に達します(2023 年 6 月まで)。[ 2 ] TBM トンネルは通常、断面が円形です。長方形や馬蹄形などの非円形のトンネルを掘削するために、特殊なトンネル掘削機が開発されています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]はるかに狭いトンネルは、通常、TBM ではなく、非開削工法または水平方向掘削を使用して掘削されます。
TBMは周囲の地盤への影響を最小限に抑え、滑らかなトンネル壁を形成するため、トンネル覆工のコストを削減し、都市部でのトンネル掘削を可能にする。大型TBMは高価で、建設と輸送が困難だが、固定費はトンネルが長くなるにつれて重要性が減る。トンネル掘削速度は一般的にトンネルサイズが大きくなるにつれて低下するが、TBMを使用したトンネル掘削速度はそれでも時間の経過とともに向上している。21世紀には、岩盤を掘削するTBMの速度は週700メートルを超えることができ、土壌トンネル掘削機は週200メートルを超えることができる。[ 6 ]
最初の成功したトンネル掘削シールドは、1825年にサー・マーク・イザムバード・ブルネルによってテムズトンネルの掘削のために開発されました。しかし、これはシールドの概念の発明に過ぎず、完全なトンネル掘削機の建設を伴うものではなく、掘削は依然として当時の標準的な掘削方法で行う必要がありました。[ 7 ]
最初に製造されたと報告されている掘削機は、アンリ・マウスの「マウンテン・スライサー」である。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 1845年にサルデーニャ王からフランスとイタリアを結ぶアルプス山脈を貫通するフレジュス鉄道トンネルの掘削を依頼されたマウスは、1846年にトリノ近郊の兵器工場でこれを製造した。これは、機関車サイズの機械の前部に100個以上の打撃ドリルが取り付けられ、トンネルの入り口から機械的に動力で駆動されるものであった。1848年の革命は資金調達に影響を与え、トンネルは10年後に空気圧ドリルなどの革新的ではなく安価な方法を使用して完成するまで完成しなかった。[ 12 ]
米国で最初に作られたボーリングマシンは、1853年にマサチューセッツ州北西部のフーサックトンネルの建設中に使用されました。 [ 13 ]鋳鉄製で、発明者のチャールズ・ウィルソンにちなんでウィルソン特許石材切削機として知られていました。[ 14 ]岩盤に3メートル（10フィート）掘削した後、破損しました（トンネルは最終的に20年以上後に完成し、フレジュス鉄道トンネルと同様に、より控えめな方法を使用しました）。[ 15 ]ウィルソンの機械は、回転する機械のヘッドに取り付けられたディスクハローのような切削ディスクを使用するという点で、現代のTBMを先取りしていました。 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]従来の鑿やドリルと爆破とは対照的に、この革新的な岩石除去方法は、岩盤を破砕する一時的な高圧をかけるために単純な金属製の車輪に依存していました。
1853年、アメリカのエベネザー・タルボットもウィルソンの切削ディスクを使用したTBMの特許を取得したが、それは回転アームに取り付けられ、その回転アームは回転プレートに取り付けられていた。[ 19 ] 1870年代には、イギリスのジョン・D・ブラントンが、回転プレートに偏心して取り付けられた切削ディスクを使用する機械を製作し、その回転プレートは回転プレートに偏心して取り付けられていたため、切削ディスクは除去される岩盤のほぼ全体にわたって移動した。[ 20 ] [ 21 ]
かなりの距離を掘り進んだ最初の TBM は 1863 年に発明され、1875 年にイギリス陸軍将校のフレデリック・エドワード・ブラケット・ボーモント少佐(1833–1895) によって改良されました。ボーモントの機械は、1880 年にイギリス陸軍将校のトーマス・イングリッシュ少佐 (1843–1935) によってさらに改良されました。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] 1875 年、フランス国民議会はイギリス海峡の下にトンネルを建設することを承認し、イギリス議会はイングリッシュの TBM を使用した試運転を支援しました。その切削ヘッドは円錐形のドリルビットで構成され、その後ろに一対の対向するアームがあり、そこに切削ディスクが取り付けられていました。1882 年 6 月から 1883 年 3 月にかけて、この機械は白亜層を貫通して合計 1,840 m (6,036 フィート) のトンネルを掘りました。[ 11 ]スエズ運河の請負業者でもあったフランス人技師アレクサンドル・ラヴァレーは、同様の機械を使ってフランス側のサンガットから 1,669 m (5,476フィート)掘削した。 [ 27 ]しかし、この成功にもかかわらず、イギリス軍がトンネルが侵略ルートとして使用される可能性があると懸念したため、1883 年に海峡横断トンネル計画は中止された。[ 11 ] [ 28 ]それにもかかわらず、1883 年にこの TBM は、マージー川の下の砂岩を貫通して、イングランドのバーケンヘッドとリバプールの間に直径2 m (7フィート) 、長さ2.06 km (6,750フィート)の鉄道換気トンネルを掘削するために使用された。[ 29 ]
ハドソン・アンド・マンハッタン鉄道のアップタウン・ハドソン・チューブの建設は、1890年から1908年の間にグレートヘッド・シールドを使用して断続的に行われた。このプロジェクトでは、崩落を減らすために2.4バール（35psi ）に圧縮された空気が使用された。しかし、崩落や減圧症で死亡した作業員が多数いた。[ 30 ] [ 31 ] [ 6 ]
19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、発明家たちは鉄道、地下鉄、下水道、水道などのトンネル用の TBM の設計、製造、試験を続けました。回転するドリルやハンマーの配列を使用する TBM が特許を取得しました。[ 32 ]巨大なホールソーに似た TBM が提案されました。[ 33 ]他の TBM は、外面に金属製の爪が付いた回転ドラム、[ 34 ]または歯で覆われた回転する円形プレート、[ 35 ]または金属製の歯で覆われた回転ベルトで構成されています。[ 36 ]しかし、これらの TBM は高価で扱いにくく、硬い岩を掘削できないことが判明したため、TBM への関心は低下しました。それでも、岩が柔らかいカリ鉱山や炭鉱では TBM の開発が続けられました。[ 37 ]
カナダのナイアガラトンネルプロジェクトのために、ロビンス社が直径14.4メートル（47フィート3インチ）のトンネル掘削機（TBM）を製造した。この機械は、ナイアガラの滝の下に水力発電用トンネルを掘削するために使用された。掘削先がサー・アダム・ベック水力発電ダムであったことから、この機械は「ビッグ・ベッキー」と名付けられ、追加の水力発電用トンネルを建設した。
Berthaとして知られるTBMは、伝えられるところによると、土圧バランス式TBMとしては最大で、TBM全体としても2番目に大きい（2023年6月現在）もので、掘削径は17.45メートル（57.3フィート）で、2013年に日立造船株式会社によって製造されました。 [ 2 ] [ 38 ]この機械は、ワシントン州シアトルのハイウェイ99トンネルプロジェクトのために納入されました。[ 39 ]この機械は2013年7月に稼働を開始しましたが、2013年12月に停止し、大規模な修理が必要となり、2016年1月まで停止しました。[ 40 ] Berthaは2017年4月4日にトンネルの掘削を完了しました。[ 41 ]
2013年に中国の鉄道トンネル設備（CRTE、現在はCREG（China Railway Engineering Equipment Group）-ドイツ）がドイツのAker Wirth（Aker Solutions）TBMと立坑掘削技術を買収した後、2台のTBMが供給された[ 42 ] [ 43 ]。掘削径6.67m （21.9フィート）のCREG-Wirthユニットは、マレーシアのクアラルンプールの地下鉄システムの2本のトンネルを掘削するために使用された[ 43 ] 。掘削された媒体は「水飽和砂質泥岩、片岩質泥岩、高度に風化した泥岩、および沖積層」であった[ 43 ] 。同社の商業的説明によると、その製品は「月間345メートル（1,130フィート）以上」の掘削速度を達成した[ 43 ] 。
伝えられるところによると、硬岩掘削機としては最大規模で、TBM全体では4番目に大きい（2023年6月現在）機械「マルティナ」は、ヘレンクネヒトAGによって製造された。[ 2 ]掘削直径は15.62m （51.2フィート）、全長は130m （430フィート）、掘削面積は192m2 （2,070平方フィート）、推力は39,485トン、総重量は4,500トン、総設備容量は18MWである。[ 2 ]年間のエネルギー消費量は約62GWhであった。[ 2 ]マルティナは、2013年にイタリアのフィレンツェ近郊のヴァリアンテ・ディ・ヴァリコ・プロジェクトの2.4kmのトンネル掘削に、イタリアのトト・グループ建設会社（Toto SpA Costruczioni General）によって使用されました。このプロジェクトにより、フィレンツェ近郊のイタリア高速道路A1号線（「ヴァリアンテ・ディ・ヴァリコA1」）のスパルヴォ・ギャラリーが建設されました。この時点では、マルティナはまだトト・グループによって所有および運営されていました。
ヘレンクネヒト社は、世界最大の直径の泥水式TBMも製造しており、2023年6月現在、ギネス世界記録によれば、TBM全体でも最大です。「秦良玉」またはMixshield S-880と呼ばれ、掘削直径は17.63メートル（57.8フィート）です。[ 2 ]フランスの建設会社ブイグの子会社（ドラガージュ香港）が所有および運営しており、 中国香港の海底にある赤鱲角から屯門までの道路トンネルを掘削するために使用され、トンネルの最初のセクションを大径で掘削した後、14メートルに改造され、他の3台のTBM（別のヘレンクネヒト製掘削機を含む）と連携して、2019年に海底30メートルのトンネルを完成させました。[ 2 ]
TBM（トンネル掘削機）は通常、前面に回転する切削ホイール（カッターヘッド）があり、その後ろに主軸受、推力システム、掘削土砂（泥）除去システム、および支持機構が続く構造となっている。機械の種類は、現場の地質、地下水の量、その他の要因によって異なる。
岩盤掘削機は、トンネルを掘削する方法、掘削作業を支えるための牽引力の供給方法、そして新たに形成されたトンネルの壁を支える方法において、土壌掘削機とは異なります。
シールド付きTBMは、通常、土壌中のトンネル掘削に使用されます。トンネル壁を支えるために、TBMの後ろにコンクリートセグメントを建設します。[ 44 ]
この機械は、シールドに圧力をかける油圧シリンダーによってトンネル内で安定し、それによってTBMがトンネル切羽に圧力をかけることができる。
メインビームマシンは、カッターヘッドの後ろにコンクリートセグメントを設置しません。代わりに、リングビーム、ロックボルト、ショットクリート、スチールストラップ、リングスチール、ワイヤーメッシュなどの地盤支持方法を使用して岩を支えます。[ 44 ]
地質構造の安定性によっては、トンネルの新たに形成された壁は、恒久的な支保工や覆工が構築される前に、崩落を防ぐために掘削直後に支える必要がある場合が多い。多くのTBM（トンネル掘削機）は、カッターヘッドの後ろに1つまたは複数の円筒形シールドを備えており、機械のさらに奥に恒久的なトンネル支保工が構築されるまで壁を支える。壁の安定性は、TBMが所定の位置に固定され、カッターヘッドに力を加える方法にも影響を与える。これは、機械が掘削と前進を同時に行えるか、あるいは交互に行うかを決定する。
グリッパーTBMは岩盤トンネルで使用されます。シールドを使用せず、代わりにトンネルの補強されていない側面に直接押し付けます。[ 6 ]
ワース社製の機械のようなタイプは、グリッパーが外れている時のみ移動可能です。一方、連続的に移動できる機械もあります。ワース社製のボーリング加工サイクルが終了すると、脚部が地面に降り、グリッパーが格納され、機械が前進します。その後、グリッパーが再び係合し、後脚部が持ち上がり、次のサイクルが開始されます。
シングルシールドTBMは、切削ヘッドの後ろに円筒形のシールドが1つだけ付いています。シールドのすぐ後ろに恒久的なコンクリートライニングが構築され、TBMはこのライニングを押し出すことで切削ヘッドに力を加えます。次のライニングリングを構築している間はこの押し出し作業ができないため、シングルシールドTBMは切削モードとライニングモードを交互に繰り返して動作します。
ダブルシールド（または伸縮式シールド）TBMは、切削ヘッドと共に前進する先行シールドと、グリッパーとして機能する後続シールドを備えています。2つのシールドは、限られた距離内で互いに軸方向に（伸縮式に）移動できます。グリッパーシールドはTBMを固定し、コンクリートライニングの構築と同時に切削ヘッドに圧力を加えることができるようにします。
地下水が少ない硬岩地帯では、露出した岩盤面が自重を支えることができるため、TBMのカッターヘッド周辺に圧力をかける必要はありません。しかし、軟弱な地盤や地下水が多い地盤では、崩落や地下水の機械内部への浸入を防ぐため、トンネルの切羽に圧力をかける必要があります。
土圧バランス式（EPB）掘削機は、 7バール（100psi ）未満の軟弱地盤で使用されます。掘削面の圧力を維持するために土砂を使用します。土砂（または掘削土）は、スクリューコンベアを介してTBMに供給されます。土砂の排出速度とTBMの進行速度を調整することで、スラリーを使用せずにTBMの掘削面の圧力を制御できます。ベントナイト、ポリマー、フォームなどの添加剤を掘削面の前方に注入して地盤を安定させることができます。これらの添加剤は、カッターヘッドと排出スクリューに個別に注入することで、土砂が十分に凝集して圧力を維持し、水の流れを制限できるようにします。
他のTBMと同様に、EPBは推力シリンダーを用いてコンクリートセグメントを押し進めて前進します。カッターヘッドには、タングステンカーバイド製切削ビット、カーバイド製ディスクカッター、ドラッグピック、および／または硬岩用ディスクカッターが組み合わされています。
EPBは、軟弱地盤、湿地、不安定地盤でも、これまで不可能だった速度と安全性でトンネルを掘削することを可能にしました。英仏海峡トンネル、テムズ・ウォーター・リング・メイン、ロンドン地下鉄の一部、そして過去20年間に世界中で完成したほとんどの新しい地下鉄トンネルは、この方法で掘削されました。EPBは、歴史的にスラリーシールド工法（下記参照）と競合してきました。スラリーシールド工法では、スラリーを使用してトンネルの切羽を安定させ、掘削土を地表に運びます。EPB TBMは主に細かい地盤（粘土など）で使用され、スラリーTBMは主に粗い地盤（砂利など）で使用されます。[ 45 ]
スラリーシールド工法は、軟弱地盤で水圧が高い場合や、粒状地盤（砂や砂利）でスクリュー内に詰まりが生じにくい場合に使用できます。カッターヘッドには加圧されたスラリー（通常はベントナイト粘土）が充填され、切羽に静水圧をかけます。スラリーは掘削土と混合された後、通常はトンネル外にあるスラリー分離プラントにポンプで送られます。
スラリー分離プラントでは、多段階ろ過システムを用いてスラリーから掘削土を分離し、再利用を可能にする。スラリーの「浄化」の程度は、掘削土の粒子の大きさの比率によって決まる。スラリー式TBMは、掘削土の粒子の大きさがベントナイトよりも小さいため、シルトや粘土には適さない。この場合、スラリーから水分が除去され、汚染されている可能性のある粘土ケーキが残る。
ケーソンシステムは、作業員が機械を操作できるように、カッティングヘッドに設置されることがあるが、[ 46 ] [ 47 ]ケーソン内の空気圧が上昇する可能性があるため、作業員は「潜水に適している」と医学的に認められ、圧力ロックを操作できる必要がある。[ 46 ] [ 47 ]
オープンフェイス軟弱地盤TBMは、掘削された地盤が一時的に支えなしで立つことを前提としています。低水流入で、強度が約10MPa （1,500psi ）までの地盤での使用に適しています。断面が10m （30フィート）を超えるトンネルを掘削できます。バックアクターアームまたはカッターヘッドは、シールドの端から150mm（6インチ）以内まで掘削します。掘削サイクルが終わると、シールドはジャッキで前方に押し出され、新しいサイクルが始まります。地盤の支持は、プレキャストコンクリート、または場合によっては球状黒鉛鋳鉄（SGI）セグメントによって提供され、支持リングが追加されるまでボルトで固定または支持されます。キーと呼ばれる最後のセグメントはくさび形をしており、リングが地盤に密着するまで拡張します。
TBMの直径は1～17メートル（3～56フィート）です。マイクロトンネルシールドTBMは小型トンネルの建設に使用され、一般的なトンネルシールドの小型版で、通常1～1.5メートル（3.3～4.9フィート）のトンネルを掘削しますが、これは作業員が歩くには小さすぎます。
トンネル掘削機のあらゆるタイプの後方、完成したトンネル部分には、バックアップシステムと呼ばれる牽引式支持デッキがあり、その機構には、掘削土砂除去用のコンベアやその他のシステム、スラリーパイプライン（該当する場合）、制御室、電気設備、集塵・換気システム、プレキャストセグメントの輸送機構などが含まれる。
都市部のトンネル工事には、地表面を乱さず、地盤沈下を回避するという特別な要件がある。軟弱地盤においてこれを実現する一般的な方法は、工事中および工事後に土壌圧力を維持することである。
土圧バランス式（EPB）やスラリーシールド式（SS）など、切羽制御機能を備えたTBMは、このような状況で使用されます。EPBとSSの両タイプは、地盤状況が十分に把握されていれば、地盤沈下や空洞発生のリスクを低減できます。都市部でトンネルを掘削する場合、他のトンネル、既存の公共施設、深層基礎などを考慮する必要があり、他のインフラへの悪影響を軽減するための対策をプロジェクトに盛り込む必要があります。
