JP2001164877A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で安定的にカッタヘッドを並進円
運動させることのできるシールド掘進機を得る。 【解決手段】 筒状の本体３と、本体３の前端部に本体
３に対して回転自在に設置した回転体７と、回転体７を
回転駆動する回転駆動手段２５と、回転体７の回転中心
から所定距離だけ偏心した位置に回転体７に対して回転
自在に設置した支持軸１５ａと、支持軸１５ａに設置し
たカッターヘッド１５と、回転体７の回転時にカッタヘ
ッド１５が並進円運動となるように支持軸１５ａの回転
を拘束する回転拘束手段１１，１９，２９とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中を掘進するシ
ールド掘進機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地下構造物の過密化、施工コスト
の削減の要求にともない、地下構造物との干渉を防ぐた
めにトンネル断面形状を円形以外の断面、例えば矩形、
楕円形で掘削する異形断面シールド掘進機が開発されて
いる。また、シールド掘進機を投入するための立坑の本
数を減らしてトンネルの施工コストを削減するために、
カッタビットの摩耗対策を施して一機のシールド掘進機
できるだけ長距離を掘削できるようにしたシールド掘進
機も見られる。

【０００３】このように、異形断面の掘削を可能とし、
かつカッタビットの摩耗対策を施したシールド掘進機と
して、例えば特開昭６３−１３４７８７号公報に開示さ
れた地中掘削装置の発明がある。この発明に係るシール
ド掘進機は、回転自在に配設された複数の回転子と複数
の連結掘削具が平行クランク機構状に構成されてなる平
行クランク状掘削具をカッタヘッドに設置している。そ
して、上記構成のシールド掘進機においては、回転子を
回転駆動することで、連結掘削具に取り付けた各カッタ
ビットが並進円運動を行うことにより、地盤を掘削す
る。

【０００４】上記シールド掘進機を用いれば、カッタヘ
ッドの形状を変更するだけで、その形状とほば相似なト
ンネル断面形状を掘削可能となり、また、連結掘削具に
取り付けられたカッタビットの運動は全て同じ並進円運
動となるので、カッタビットの磨耗は均一化し、従来の
単円シールド掘進機のように外線部ほどカッタビットが
磨耗するような摩耗むらがなくなり、長距離堀進が可能
となる、という効果が期待できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開昭６３−１３４７８７号公報に開示された発明
は、連結掘削具を並進円運動させるための機構として平
行クランク機構を採用していることから、次のような問
題点がある。平行クランク機構では、２基の回転子があ
れば、機構学的には成り立つが、回転子と連結掘削具が
全て同一直線上の配置となった場合には、思案点と呼ば
れる不拘束状態となり、機構的に不安定となる。

【０００６】不拘束状態を防ぐために、通常、回転子を
追加して、３基以上の回転子により平行クランク機構を
構成する。しかし、３基以上の回転子により構成される
平行クランク機構は、多重拘束機構となる。多重拘束機
構では、もし回転子と連結掘削具の軸受部に設置誤差が
存在する場合には、設置誤差だけ連結具あるいは回転子
が弾性変形することで設置誤差を吸収することになるた
め、回転子、連結具が剛であればあるほど大きな内力が
軸受部に発生し、軸受を破損する恐れがある。

【０００７】設置誤差を吸収するために、ガタを持つよ
うな軸受構造にしても、そのような軸受構造は複雑なも
のであるから、製作コストが高くなる。また、ガタによ
る衝撃荷重、軸受荷重の不均一が発生するために、軸受
部の設計荷重設定が困難であり、複数の回転子の割には
大きな軸受部にする必要があり、この意味でも製作コス
トが高くなる。さらに、この方式では最低３基の回転子
を設置するために広スペースが必要となるので、比較的
小断面のシールド掘進機の場合にはカッタヘッドのスペ
ースが狭いため、平行クランク状掘削具をカッタヘッド
に設置するのにスペース的に困難が生ずる。

【０００８】本発明はかかる課題を解決するためになさ
れたものであり、簡単な構造で安定的にカッタヘッドを
並進円運動させることのできるシールド掘進機を得るこ
とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシールド掘
進機は、筒状の本体と、該本体の前端部に該本体に対し
て回転自在に設置した回転体と、該回転体を回転駆動す
る回転駆動手段と、前記回転体の回転中心から所定距離
だけ偏心した位置に該回転体に対して回転自在に設置し
た支持軸と、該支持軸に設置したカッターヘッドと、前
記回転体の回転時に該カッタヘッドが並進円運動となる
ように前記支持軸の回転を拘束する回転拘束手段とを備
えたものである。

【００１０】また、前記回転拘束手段は、前記支持軸に
これと同軸に設置された支持軸側歯車と、該支持軸側歯
車に噛み合うと共に前記回転体に回転自在に取り付けら
れた内歯歯車と、該内歯歯車に噛み合うように前記本体
側に固定されると共に前記支持軸側歯車と同歯数を有す
る固定歯車とを備えてなるものである。

【００１１】また、前記回転拘束手段は、前記支持軸に
これと同軸に設置された支持軸側スプロケットと、該支
持軸側スプロケットと同歯数で前記本体側に固定された
固定スプロケットと、該固定スプロケット及び前記支持
軸側スプロケットに巻き掛けられたチェーンとを備えて
なるものである。

【００１２】また、前記回転拘束手段は、前記支持軸に
これと同軸に設置された支持軸側歯車と、該支持軸側歯
車に噛み合うと共に前記回転体に回転自在に取り付けら
れた外歯歯車と、該外歯歯車に噛み合うように前記本体
側に固定されると共に前記支持軸側歯車と同歯数を有す
る固定歯車とを備えてなるものである。

【００１３】また、前記回転拘束手段は、２個の自在継
手の片方の軸を連結した一組の自在継手からなり、一方
の軸を前記支持軸に固定すると共に、他方の軸を前記本
体側に固定したものである。

【００１４】また、前記回転拘束手段は、一方の軸が前
記支持軸に固定され、他方の軸が前記本体側に固定され
たオルダム継手であることを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図２は本発明の実
施の形態１のシールド掘進機の正面図、図１は図２のＡ
−Ａ断面図である。図１，２において、１はシールド掘
進機、３はシールド掘進機１の本体であり円筒形状をし
ている。５はシールド掘進機１の前端部に設けられた切
刃室、６は切刃室５とシールド掘進機１の内部とを仕切
る隔壁、７は隔壁６の支持部６ａに軸受け８を介して回
転自在に取り付けられた厚肉円板状の回転体である。９
は回転体７の後面側に回転体７に一体的に取り付けられ
たリング状の歯車である。１１は歯車９の内周面に軸受
け１３を介して回転自在に取り付けられたリング状の内
歯歯車である。

【００１６】１５は円形のカッタヘッドであり、前面側
には複数のカッタビット１７が取り付けられ、後面側の
中心には支持軸１５ａを有している。支持軸１５ａは、
回転体７に、その軸心Ｃが回転体７の回転中心を通る軸
線ＢよりＤだけ偏心した位置に軸受け２１を介して回転
自在て取り付けられている。１９は支持軸１５ａの後端
部に設置された歯車であり、内歯歯車１１に噛み合って
いる。２３は隔壁６の内側に隔壁６から一定の距離を離
した位置に設けられた支持体、２５は支持体２３に固定
された複数の駆動モータ、２７は駆動モータ２５の回転
軸に取り付けられたピニオンギアである。ピニオンギア
２７は回転体７に一体に取り付けられた歯車９に噛み合
っている。

【００１７】２９は内歯歯車１１に噛み合うと共に支持
体２３に固定された固定歯車であり、固定歯車２９の中
心を通る軸線は回転体７の回転中心を通る軸線Ｂと一致
している。また、固定歯車２９は、カッタヘッド１５の
支持軸１５ａに取り付けられた歯車１９と同じ歯数であ
る。ここで、カッタヘッド１５、回転体７、内歯歯車１
１、歯車１９、固定歯車２９の配置関係を図３の模式図
に示す。

【００１８】再び図１に戻り、３１は一端側を切刃室５
に臨ませ、他端側がシールド掘進機１の内部に延出させ
て設置された排土管、３３はシールド掘進機１を推進さ
せるためのシールドジャッキである。

【００１９】以上のように構成された本実施の形態の動
作を説明する。駆動モータ２５を回転させると、ピニオ
ンギア２７が回転し、これに噛み合っている歯車９が回
転体７と共に軸線Ｂを回転の中心として回転にする。回
転体７が回転すると、軸線Ｂから距離Ｄだけ偏心させて
取り付けられている支持軸１５ａが軸線Ｂの回りに半径
Ｄの円運動を行う。このとき、支持軸１５ａに固定され
た歯車１９は内歯歯車１１に噛み合っており、また内歯
歯車１１は固定歯車２９に噛み合っており、かつ歯車１
９と固定歯車２９の歯数が同じなので、歯車１９の回転
数は固定歯車２９と同じになる。そして、固定歯車２９
は支持体２３に固定されているので、固定歯車２９は回
転せず、よって歯車１９も回転しない。したがって、カ
ッタヘッド１５は円運動と並進運動を同時に行う並進円
運動を行うことになる。

【００２０】図４はカッタヘッド１５の動作説明図であ
り、カッタヘッド１５の一周期の運動を図４（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順で示している。図４に基づ
いて、カッタヘッド１５の並進円運動について説明す
る。図４において、一個のカッタビットＰに着目する
と、カッタビットＰは、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）に示すように、半径Ｄの並進円運動を行うことが
分かる。したがって、カッタヘッド１５に取り付けられ
た全てのカッタビット１７は同様の並進円運動を行うこ
とになり、カッタビットの磨耗は均一化し、従来の単円
シールド掘進機のように外線部ほどカッタビットが磨耗
するような摩耗むらがなくなり、長距離堀進が可能とな
る。また、カッタヘッド１５全体が並進円運動すること
になるので、カッタヘッド１５とほぼ相似形状のトンネ
ル断面を掘削することができる。

【００２１】実施の形態２．図５は本発明の実施の形態
２の説明図であり、駆動力の伝達機構を模式的に示して
いる。本実施の形態は、実施の形態１における内歯歯車
１１を可擁性のある伝動手段であるチェーン４５に代替
し、これに付随して他の構成を若干変更したものであ
る。

【００２２】図において、４１はカッタヘッド１５の支
持軸１５ａの後端部に支持軸１５ａに一体的に取り付け
られたスプロケットであり、実施の形態１における歯車
１９に相当する。４３は支持体２３に固定された固定ス
プロケットであり、実施の形態１における固定歯車２９
に相当する。スプロケット４１及び固定スプロケット４
３の歯数は同数に設定されている。４５はスプロケット
４１及び固定スプロケット４３に巻き掛けられたチェー
ンであり、実施の形態１における内歯歯車１１に相当す
る。なお、内歯歯車１１は回転体７に軸受け７を介して
回転自在に取り付けて回転体７に支持させる必要があっ
たが、チェーン４５の場合は回転体７に支持させる必要
がない。

【００２３】上記のような構成により、実施の形態１と
同様に、回転体７を回転駆動させることによりカッタヘ
ッド１５を並進円運動させることができる。本実施の形
態によれば、チェーン４５を回転体７に支持させる必要
がないので、構造をより簡略化することができる。

【００２４】実施の形態３．図６は本発明の実施の形態
３の説明図であり、駆動力の伝達機構を模式的に示して
いる。本実施の形態は、実施の形態１における内歯歯車
１１を外歯歯車４７に代替したものであり、他の構成は
実施の形態１と同様である。なお、外歯歯車４７は、実
施の形態１における内歯歯車１１と同様に回転体７に回
転自在に取り付けられている。

【００２５】上記のように構成した歯車機構は、いわゆ
るフェルギュソンの遊星歯車機構と同様の機構になる。
ここで、フェルギュソンの遊星歯車機構について、図７
に基づいて説明する。図において、５１は固定歯車、５
２は固定軸心Ｅのまわりを回転する腕、５４は回り対偶
Ｇによって腕５２に連結された可動歯車、５３は固定歯
車５１と可動歯車５４に噛み合うと共に回り対偶Ｆによ
って腕５２に連結されている歯車である。

【００２６】このように構成された歯車機構において
は、腕５２と可動歯車５４の毎分回転数ｎ₂，ｎ₄は、次
の条件を満足する。ｎ₄＝ｎ₂・（Ｚ₄−Ｚ₁）／Ｚ₄ただ
し、Ｚ₁、Ｚ₄はそれぞれ固定歯車５１，可動５４の歯数
である。固定歯車５１と可動歯車５４とが同じ寸法の場
合は、いわゆる”フェルギュソンのパラドックス”と呼
ばれる運動を行い、歯車５４は回転することなく並進円
運動を行う。

【００２７】本実施の形態の固定歯車２９、回転体７、
外歯歯車４７、歯車１９、がそれぞれ図７の固定歯車５
１、腕５２、歯車５３、可動歯車５４、に相当する。そ
して、固定歯車２９と歯車１９は同じ寸法なので、本実
施の形態の機構はフェルギュソンのパラドックスという
運動を行い、歯車１９は回転することなく並進円運動を
行うのである。よって、実施の形態１と同様に、回転体
７を回転駆動することによりカッタヘッド１５は並進円
運動を行う。

【００２８】実施の形態４．図８は本発明の実施の形態
４のシールド掘進機の断面図であり、実施の形態１を示
した図１と同一部分には同一の符号を付してある。図９
は本実施の形態の要部である連結機構を模式的に示した
図である。本実施の形態においては、カッタヘッド１５
の支持軸１５ａを２つの自在継手を介して支持体２３に
連結することにより、カッタヘッド１５が並進円運動で
きるようにしたものである。以下、具体的に説明する。

【００２９】図において、６１は第１の自在継手、６３
は第２の自在継手であり、これら第１，２の自在継手は
軸６２で連結されている。そして、カッタヘッド１５の
支持軸１５ａが第１の自在継手６１の軸を構成し、支持
体２３が第２の自在継手６３の軸を構成している。ま
た、第１の自在継手６１の軸１５ａと第２の自在継手６
３の軸２３が平行であり、かつ第１の自在継手６１の小
軸６１ａと第２の自在継手６３の小軸６３ａが平行、あ
るいは第１の自在継手６１の小軸６１ｂと第２の自在継
手６３の小軸６３ｂが平行になるように設定されてい
る。このように設定することにより、第１の自在継手６
１の軸１５ａと第２の自在継手６３の軸２３の回転数を
等しくすることができる。

【００３０】上記のように構成された本実施の形態にお
いて、駆動モータ２５を回転させることにより、回転体
７を回転させると、支持軸１５ａは偏心して取り付けら
れているので、実施の形態１の場合と同様に、半径Ｄの
円運動を行う。このとき、第１の自在継手６１の軸１５
ａと第２の自在継手６３の軸２３の回転数は等しくなる
が、第２の自在継手６３の軸２３は固定であり回転しな
いので、第１の自在継手６１の軸１５ａも回転しない。
したがって、カッタヘッド１５は並進円運動をすること
になる。

【００３１】なお、上記の例では、自在継手としてフッ
ク継手を適用したものを示したが、本発明はこれに限ら
れるものではなく、他の自在継手、例えば、ベンディク
ス形軸継手、バーフィールド形軸継手等を用いることも
できる。

【００３２】実施の形態５．図１０は本発明の実施の形
態５のシールド掘進機の断面図であり、実施の形態１を
示した図１と同一部分には同一の符号を付してある。本
実施の形態においては、カッタヘッド１５の支持軸１５
ａをオルダム継手６５を介して支持体２３に連結するこ
とにより、カッタヘッド１５が並進円運動できるように
したものである。

【００３３】図において、６５はオルダム継手であり、
６５ａ、６５ｂ、６５ｃの３枚の円板を構成要素として
いる。そして、一方の円板６５ａにカッタヘッド１５の
支持軸１５ａが固定され、中央の円板６５ｂを挟んで、
他方の円板６５ｃが支持体２３に固定されている。

【００３４】以上のように構成された本実施の形態にお
いては、駆動モータ２５を回転させることにより、回転
体７を回転させると、支持軸１５ａは偏心して取り付け
られているので、実施の形態１の場合と同様に、半径Ｄ
の円運動を行う。このとき、一方の円板６５ａと他方の
円板６５ｃの回転数は、オルダム継手６５の作用により
等しくなるが、円板６５ｃは固定であり回転しないの
で、円板６５ａも回転せず、よって支持軸１５ａも回転
しない。したがって、カッタヘッド１５は並進円運動を
することになる。

【００３５】なお、上記の例では、軸心が食い違う場合
の軸継手としてオルダム継手を適用した例であるが、オ
ルダム継手以外であっても、互いに平行な出力軸と入力
軸を等速度で連結できる他の等速継手を用いることも可
能である。

【００３６】上記の実施の形態１〜５においては、円形
のカッターヘッド１５を例に挙げて説明したが、図１１
に示すような矩形状のカッタヘッド６７にすることもで
きる。そして、矩形状のカッタヘッド６７を並進円運動
させることで、カッタヘッド６７と相似形の矩形トンネ
ルの掘削ができる。また、図１２に示すように、一台の
シールド掘進機に、独立駆動により並進円運動を行うカ
ッタヘッド６７を複数設置することもできる。このよう
にすることで、大断面トンネルの掘進が可能になる。

【００３７】また、このようにカッタヘッド６７をそれ
ぞれ独立した駆動機構により構成することにより、製作
精度、組立誤差を厳しく考慮する必要がなくなる。さら
に、ユニット化が容易となり、別のシールド掘進機への
適用も可能となり、設計費の低減、部品共通化によるコ
ストダウンが可能となる。なお、図１２に示した例で
は、複数のカッタヘッド６７はすべて矩形状であるが、
目的に合わせて他の形状のカッタヘッドを組み合わせる
ことも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、平行運動
機構を用いることなく回転運動機構によってカッタヘッ
ドを並進円運動させるようにしたので、機構が簡単にな
りかつカッタヘッドを安定的に並進円運動させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１の説明図であり、図２
のＡ−Ａ断面を示している。

【図２】 本発明の実施の形態１のシールド掘進機の正
面図である。

【図３】 本発明の実施の形態１の歯車の配置を示す模
式図である。

【図４】 本発明の実施の形態１の動作説明図である。

【図５】 本発明の実施の形態２における歯車の配置を
示す模式図である。

【図６】 本発明の実施の形態３における歯車の配置を
示す模式図である。

【図７】 本発明の実施の形態３の歯車機構の説明図で
ある。

【図８】 本発明の実施の形態４のシールド掘進機の断
面図である。

【図９】 本発明の実施の形態４の要部の連結機構の模
式図である。

【図１０】 本発明の実施の形態５のシールド掘進機の
断面図である。

【図１１】 本発明の実施の形態１〜５におけるカッタ
ヘッドの他の態様の説明図である。

【図１２】 本発明の実施の形態１〜５におけるカッタ
ヘッドの他の態様の説明図である。

【符号の説明】

１ シールド掘進機 ３ 本体 ７ 回転体 ９ 歯車 １１ 内歯歯車 １５ カッタヘッド １５ａ 支持軸 １７ カッタビット １９ 歯車 ２９ 固定歯車 ４１ スプロケット ４３ 固定スプロケット ４５ チェーン ４７ 外歯歯車 ６１ 第１の自在継手 ６３ 第２の自在継手 ６５ オルダム継手

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の本体と、該本体の前端部に該本体
   に対して回転自在に設置した回転体と、該回転体を回転
   駆動する回転駆動手段と、前記回転体の回転中心から所
   定距離だけ偏心した位置に該回転体に対して回転自在に
   設置した支持軸と、該支持軸に設置したカッターヘッド
   と、前記回転体の回転時に該カッタヘッドが並進円運動
   となるように前記支持軸の回転を拘束する回転拘束手段
   とを備えたことを特徴とするシールド掘進機。
2. 【請求項２】 前記回転拘束手段は、前記支持軸にこれ
   と同軸に設置された支持軸側歯車と、該支持軸側歯車に
   噛み合うと共に前記回転体に回転自在に取り付けられた
   内歯歯車と、該内歯歯車に噛み合うように前記本体側に
   固定されると共に前記支持軸側歯車と同歯数を有する固
   定歯車とを備えてなることを特徴とする請求項１記載の
   シールド掘進機。
3. 【請求項３】 前記回転拘束手段は、前記支持軸にこれ
   と同軸に設置された支持軸側スプロケットと、該支持軸
   側スプロケットと同歯数で前記本体側に固定された固定
   スプロケットと、該固定スプロケット及び前記支持軸側
   スプロケットに巻き掛けられたチェーンとを備えてなる
   ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
4. 【請求項４】 前記回転拘束手段は、前記支持軸にこれ
   と同軸に設置された支持軸側歯車と、該支持軸側歯車に
   噛み合うと共に前記回転体に回転自在に取り付けられた
   外歯歯車と、該外歯歯車に噛み合うように前記本体側に
   固定されると共に前記支持軸側歯車と同歯数を有する固
   定歯車とを備えてなることを特徴とする請求項１記載の
   シールド掘進機。
5. 【請求項５】 前記回転拘束手段は、２個の自在継手の
   片方の軸を連結した一組の自在継手からなり、一方の軸
   を前記支持軸に固定すると共に、他方の軸を前記本体側
   に固定したことを特徴とする請求項１記載のシールド掘
   進機。
6. 【請求項６】 前記回転拘束手段は、一方の軸が前記支
   持軸に固定され、他方の軸が前記本体側に固定されたオ
   ルダム継手であることを特徴とする請求項１記載のシー
   ルド掘進機。