JP2002021481A - 矩形断面トンネルの掘削方法および矩形断面用シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】正方形断面トンネルの拡幅して長方形断面のト
ンネルを掘削する。 【解決手段】少なくとも頂部がルーロの三角形の頂点位
置となるカッタヘッド２を自転軸心周りに自転自在に支
持する公転体２２を、前記軸心に対して所定量偏心させ
た公転軸心Ｏｅ周りに回転自在に配置し、前記カッタヘ
ッド２の自転回転速度に対して、逆方向に３倍の公転速
度で公転体２２を回転して、カッタヘッド２により矩形
断面のトンネルを掘削するに際して、シールド本体１に
回動自在に支持されて公転体２２を偏心位置に回転自在
に支持する変位回転体２３を設け、この変位回転体２３
を公転体２２の回転に対応して回動させることにより、
カッタヘッド２により掘削される正方形断面トンネルを
平行に移動して長方形断面トンネルを掘削する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、矩形断面トンネル
を幅や高さを拡張して掘削可能な矩形断面トンネルの掘
削方法および矩形断面用シールド掘進機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のシールド掘進機では、掘削トンネ
ルの幅を拡張するものとし、回転駆動されるカッタヘッ
ドに余掘り用コピーカッタを設け、所定の回転位置でコ
ピーカッタを突出して掘削幅を拡大するように構成され
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来構成
では、コピーカッタに大きい負荷がかかるため、掘削幅
の拡張が制限され、正方形断面のトンネルの掘削幅を大
きくして長方形断面のトンネルとするような拡幅は不可
能であった。

【０００４】本発明は、角丸正方形断面のトンネルが掘
削可能なルーロの三角形状のカッタヘッドに着目し、上
記問題点を解決して、正方形断面トンネルの拡幅により
長方形断面トンネルの掘削も可能な矩形断面トンネルの
掘削方法および矩形断面トンネル掘削用シールド掘進機
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、少なくとも頂部がルーロの三
角形の頂点位置となるカッタヘッドを自転軸心周りに回
転自在に支持する公転体を、前記軸心に対して所定量偏
心させた公転軸心周りに回転自在に配置し、前記カッタ
ヘッドの自転回転速度に対して、逆方向に３倍の公転速
度で前記公転体を回転して、カッタヘッドにより矩形断
面のトンネルを掘削するに際して、シールド本体に回動
自在に支持されて前記公転体を偏心位置に回転自在に支
持する変位回動体を、前記公転体の回転に対応して回動
させることにより、カッタヘッドにより掘削する正方形
の掘削断面を平行に移動して掘削するものである。

【０００６】上記構成によれば、変位回動体の回動によ
りカッタヘッドを移動して正方形の掘削断面を平行移動
し先の掘削断面に重ねて掘削することにより掘削幅を拡
張し、長方形断面のトンネルを掘削することができる。
また正方形断面のトンネルを掘削途中に、カッタヘッド
を移動して長方形断面のトンネルを連続して掘削するこ
とができ、反対に長方形断面のトンネルを掘削途中にカ
ッタヘッドを移動して正方形の断面のトンネルを連続し
て掘削することができる。

【０００７】また請求項２記載の発明は、シールド本体
の前部に配置されて少なくとも頂部がルーロの三角形の
頂点位置となるカッタヘッドを自転軸心周りに回転自在
に支持するカッタ自転軸と、前記カッタ自転軸を偏心位
置に回転自在に支持する公転体とを具備し、前記カッタ
自転軸の自転速度に対して公転体を３倍の速度で逆方向
に公転させて矩形断面のトンネルを掘削する矩形断面シ
ールド掘進機において、前記公転体を偏心位置に回転自
在に支持するとともに、掘削機本体に回動自在に支持さ
れた変位回動体を設け、公転体の回転に対応して前記変
位回動体を回動させ、正方形の掘削断面を平行に移動し
て掘削するように構成したものである。

【０００８】上記構成によれば、変位回動体を回動させ
て公転体と共にカッタヘッドを移動し、正方形の掘削断
面を平行移動して先の掘削断面に重ねて正方形断面を掘
削し掘削幅を拡張して長方形の掘削断面を形成すること
ができる。また正方形断面のトンネルの掘削途中に、変
位回動体を回転させて先の正方形の掘削断面に重ねて正
方形断面を掘削し、正方形断面のトンネルに連続して長
方形断面のトンネルを掘削することもでき、反対に長方
形断面のトンネルを掘削途中に連続して正方形断面のト
ンネルを掘削することができる。

【０００９】さらに請求項３記載の発明は、上記構成に
おいて、複数のカッタヘッドを一列に併設し、少なくと
も一方の端部のカッタヘッドに、変位回動体を設けて拡
幅掘削可能に構成したものである。

【００１０】上記構成によれば、横長の長方形断面のト
ンネルの少なくとも端部を更に拡大して容易に余掘りす
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】ここで、本発明に係る矩形断面用
シールド掘進機の実施の形態を図１〜図６に基づいて説
明する。

【００１２】図１に示すように、公知の拡幅構造に構成
されたシールド本体１の前部には、カッタヘッド２が回
転自在に配置されている。シールド本体１内の前部に
は、切羽崩壊土圧を支持する圧力隔壁３が配置されて前
部に圧力室４が形成され、前記カッタヘッド２がカッタ
支持装置５を介して圧力隔壁３に支持されている。また
この圧力隔壁３には、送泥管９Ａと排泥管９Ｂがそれぞ
れ貫設されて圧力室４に接続され、切羽崩壊土圧を保持
しつつ掘削された土砂を排出するように構成されてい
る。また送排泥管９Ａ，９Ｂに替えて、スクリュー式排
土装置であってもよい。シールド本体１の後部には、覆
工体であるセグメント６を組み立てるエレクタ装置７が
配置されるとともに、組み立てられたセグメント６を反
力受けとしてシールド本体１を推進させる複数の推進ジ
ャッキ８が配置されている。

【００１３】前記カッタヘッド２は、図３に示すよう
に、正面視がルーロの三角形状に形成され、多数の軟質
地盤用カッタビット１１および硬質地盤用カッタビット
と土砂取入れ口１２が形成されている。なお、カッタヘ
ッドは、ルーロの三角形状に限られるものではなく、少
なくとも３つの頂部がルーロの三角形の頂点に位置し、
ルーロの三角形内に形成されたたとえばスポーク状カッ
タなどであってもよい。また、カッタビット１１の摩耗
を考慮して、基本のルーロの三角形より突出可能な可動
カッタビットを設けてもよい。

【００１４】図２に示すように、カッタヘッド２はカッ
タ自転軸２１を介して自転軸心Ｏｃ周りに回転自在に支
持されており、カッタ支持装置５は、回転中心（以下、
公転軸心Ｏｅという）から所定の偏心距離Ｅだけ離れた
穴部２２ａにカッタ自転軸２１を回転自在に支持する円
形状の公転体２２と、回動中心（以下、変位軸心Ｏｍと
いう）から所定の変位半径Ｒだけ離れた穴部２３ａに公
転体２２を回転自在に支持するとともに、圧力隔壁３に
形成された支持穴３ａに回転自在に支持された円形状の
変位回動体２３とで構成されている。２４はカッタ自転
軸２１の後端部に設けられてカッタヘッド２に信号を送
受するケーブルや油圧や電源を送るロータリジョイント
である。

【００１５】そして、カッタヘッド２を回転させるとと
もに所定範囲で移動させるカッタ変位駆動機構２５は、
圧力隔壁３の背面側の大気室１３に設けられており、カ
ッタヘッド２を自転軸心Ｏｃを中心に回転駆動するカッ
タ自転装置２６と、カッタヘッド２を公転軸心Ｏｅを中
心に旋回移動させるカッタ公転装置２７と、カッタヘッ
ド２を変位軸心Ｏｍを中心に往復揺動させるカッタ変位
装置２８とで構成される。

【００１６】前記カッタ自転軸２１は、公転体２２の穴
部２２ａに軸受とシール部材を介して回転自在に支持さ
れており、カッタ自転装置２６は、カッタ自転軸２１に
軸受を介して回動自在に配置されたギヤボックス３１
と、このギヤボックス３１内でカッタ自転軸２１に固定
されたカッタ受動ギヤ３２と、ギヤボックス３１に取付
けられた複数の自転駆動装置（油圧モータなど）３３に
よりそれぞれ回転駆動され前記カッタ受動ギヤ３２に噛
合される自転駆動ピニオン３４と、前記ギヤボックス３
１を移動自在でかつ掘削時の回転反力を支持するボック
ス支持装置３５とで構成されている。

【００１７】前記ボックス支持装置３５は、図４に示す
ように、たとえばシールド本体１の側壁１ａとギヤボッ
クス３１の上端部および下端部との間にそれぞれ伸縮自
在でかつ回動可能に連結された上下一対の反力支持具
（油圧ジャッキや油圧シリンダなど）３６が互いに平行
に配置されて構成されている。

【００１８】前記公転体２２は、図１に示すように、変
位回動体２３の穴部２３ａに軸受４１とシール部材を介
して回転自在に支持されており、カッタ公転装置２７
は、公転体２２の背面側周部にリングギヤ４２が軸受４
１と一体に設けられ、変位回動体２３に設けられた公転
駆動装置（油圧モータなど）４３により回転駆動される
公転駆動ピニオン４４がリングギヤ４２に噛合されて構
成されている。

【００１９】前記変位回動体２３は、圧力隔壁３の支持
穴３０に軸受５１とシール部材を介して回転自在に支持
されており、カッタ変位装置２８は、変位回動体２３の
背面外周部にウォームホイール５２が軸受５１と一体に
設けられ、圧力隔壁３の背面に設けられた変位駆動装置
（油圧モータなど）５３により回転駆動されるウォーム
ギヤ５４がウォームホイール５２に噛合されたウォーム
ギヤ機構により構成されている。

【００２０】上記構成において、正方形断面のトンネル
が掘削される場合には、変位回動体２３が固定された状
態で、カッタ自転装置２６によりカッタ自転軸２１を介
してカッタヘッド２が回転駆動されるとともに、カッタ
公転装置２７により公転体２２を介してカッタヘッドが
公転軸心Ｏｅ周りに旋回移動される。そして、カッタヘ
ッド２（カッタ自転軸２１）の回転速度と公転体２２の
回転速度とが１：３で互いに逆方向に回転されることに
より、角丸正方形断面のトンネルを掘削することができ
る。

【００２１】カッタヘッド２を幅方向に移動する場合に
は、カッタ変位装置２８により変位回動体２３を回動さ
せて、変位軸心Ｏｅが変位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５上を移動
するように、自転軸心Ｏｃの位置を制御することによ
り、正方形断面のトンネルを掘削しつつ平行移動させて
偏心軸心Ｏｅを基準位置Ｏｅ１から移動限Ｏｅ５まで移
動させ、この移動限Ｏｅ５で正方形断面のトンネルを掘
削させる。

【００２２】図５に示すように、変位回動体２３が変位
軸心Ｏｍを中心に矢印Ａ方向に回動されると、偏心軸心
Ｏｅは変位半径Ｒの円弧線Ｃｍに沿って移動するため、
移動途中でカッタヘッド２が任意に移動すると、正方形
掘削面が円弧方向に平行移動されて余分な掘削面が生じ
る。そのため、基準位置Ｏｅ１から移動限Ｏｅ５まで変
位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５から離れ円弧線Ｃｍに沿って移動
する間、公転円弧Ｃｒ２〜Ｃｒ４上の自転軸心Ｏｅ２〜
Ｏｅ４が、変位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５上にある仮想公転中
心Ｏｅ２′〜Ｏｅ４′を中心とする破線で示す仮想公転
円弧Ｃｒ２′〜Ｃｒ４′上にそれぞれにあると仮定し
て、これら仮想公転円弧Ｃｒ２′〜Ｃｒ４′と公転円弧
Ｃｒ２〜Ｃｒ４との交点に自転軸心Ｏｃ２〜Ｏｃ４が位
置するように公転体２２の回転速度を決めれば、余分な
掘削部分を無くすことができる。したがって、公転体２
２は、自転軸心ＯｃがＯｃ１〜Ｏｃ５に順次移動するよ
うに矢印Ｂ方向に回転駆動され、この公転体２２の回転
角度に応じてカッタ自転軸２１が回転駆動される。ｅ１
〜ｅ４は変位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５上を移動する仮想公転
円弧Ｃｒ２〜Ｃｒ４の移動距離を示す。

【００２３】また図６に示すように、移動限Ｏｅ５から
基準位置Ｏｅ１までの戻り方向の移動も、同様に公転体
２２を矢印方向に回転させつつカッタ自転軸２１を回転
させて復帰することができる。

【００２４】なお、上記では、変位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５
を水平方向に設定したが、変位回動体２３における変位
軸心Ｏｍと穴部２３ａの位置により、カッタヘッド２を
任意方向に移動するように設定することができる。

【００２５】上記実施の形態によれば、カッタ変位装置
２８により変位回動体２３を回動させて公転体２２とと
もにカッタ自転軸２１を移動することにより、カッタヘ
ッド２による正方形の掘削断面を平行移動して掘削幅を
十分に拡張することができ、長方形断面のトンネルを掘
削することができる。また正方形断面のトンネルを掘削
途中に、カッタ変位装置２８により変位回動体２３を回
動させて公転体２２とともにカッタ自転軸２１を移動し
掘削幅を拡大して正方形断面のトンネルに連続して長方
形断面のトンネルを掘削することもできる。反対に長方
形断面のトンネルを掘削途中に、変位回動体２３の回動
を停止して掘削幅を縮小し、長方形断面のトンネルに連
続して正方形断面のトンネルを掘削することができる。

【００２６】上記実施の形態では、長方形断面のトンネ
ルの掘削時に、変位回動体２３を往復揺動させるように
構成したが、図７（ａ）（ｂ）に示すように、変位軸心
Ｏｍを変位直線Ｏｅ１−Ｏｅ５の中点に配置することに
より、変位回動体２３を１８０°回転させて偏心軸心を
Ｏｅ１からＯｅ５に移動させ、さらに同一方向に１８０
°回転させることによりＯｅ５からＯｅ１に復帰させる
ことができる。したがって、変位回動体２３を連続回転
させればよいので、拡幅動作をスムーズに行うことがで
きる。

【００２７】図８，図９は、他の実施の形態を示し、３
連のカッタヘッド６１Ａ〜６１Ｃを水平方向に配置した
もので、図８はカッタヘッドを前後にずらしてカッタヘ
ッド６１Ａ〜６１Ｃの一部を重ねたものを示す。図９は
同一平面または前後にずらしてカッタヘッド６１Ａ〜６
１Ｃの掘削面が接するように配置されたものを示す。こ
のように複数連のカッタヘッド６１Ａ〜６１Ｃを有する
シールド掘進機で、一方の端部のカッタヘッド６１Ａ／
６１Ｃ、または両方のカッタヘッド６１Ａ，６１Ｃ、あ
るいはすべてのカッタヘッド６１Ａ〜６１Ｃのカッタ支
持装置にそれぞれ上記と同一構成の変位回動体２３が搭
載されたもので、これにより、掘削断面を幅方向または
高さ方向に十分に拡幅して掘削することができる。

【００２８】上記実施の形態では、正方形断面のトンネ
ルの掘削のみを記載したが、カッタヘッド２と公転体２
２の回転速度を１：３で同一方向に回転させることによ
り、長円形断面のトンネルを掘削できることは公知であ
り、このように正方形断面から長方形断面を介して長円
形断面のトンネルへと、またはその逆の順に掘削断面形
状を順次変位させることもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上に述べたごとく請求項１記載の発明
によれば、カッタヘッド自体を移動して正方形の掘削断
面を平行移動して掘削幅を拡張することができる。また
正方形断面のトンネルを掘削途中に、掘削幅を拡大して
長方形断面のトンネルを掘削することもでき、反対に長
方形断面のトンネルを掘削途中に掘削幅を縮小して正方
形の断面のトンネルを掘削することができる。

【００３０】また請求項２記載の発明によれば、変位回
動体を回動させて公転体と共にカッタヘッドを移動し、
正方形の掘削断面を平行移動して先の掘削断面に重ねて
正方形断面を掘削し掘削幅を拡張して長方形の掘削断面
を形成することができる。また正方形断面のトンネルの
掘削途中に、変位回動体を回転させて先の正方形の掘削
断面に重ねて正方形断面を掘削し、正方形断面のトンネ
ルに連続して長方形断面のトンネルを掘削することもで
き、反対に長方形断面のトンネルを掘削途中に連続して
正方形断面のトンネルを掘削することができる。

【００３１】さらに請求項３記載の発明によれば、横長
の長方形断面のトンネルの端部を更に拡大して容易に余
掘りすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示
す側面断面図である。

【図２】同シールド掘進機のカッタ支持装置を示す概略
正面断面図である。

【図３】同シールド掘進機の正面図である。

【図４】同シールド掘進機の正面図である。

【図５】同シールド掘進機のカッタ支持装置の動作を示
す往路の説明図である。

【図６】同シールド掘進機のカッタ支持装置の動作を示
す復路の説明図である。

【図７】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態
を示し、（ａ）はカッタ支持装置の動作を示す往路の説
明図、（ｂ）は復路の説明図である。

【図８】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態
を示す３連シールド掘進機の正面図である。

【図９】本発明に係るシールド掘進機のさらに他の実施
の形態を示す３連シールド掘進機の正面図である。

【符号の説明】

１ シールド本体 ２ カッタヘッド ３ 圧力隔壁 ５ カッタ支持装置 ２１ カッタ自転軸 ２２ 公転体 ２３ 変位回動体 ２５ カッタ変位機構 ２６ カッタ自転装置 ２７ カッタ公転装置 ２８ カッタ変位装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも頂部がルーロの三角形の頂点位
   置となるカッタヘッドを自転軸心周りに回転自在に支持
   する公転体を、前記軸心に対して所定量偏心させた公転
   軸心周りに回転自在に配置し、前記カッタヘッドの自転
   回転速度に対して、逆方向に３倍の公転速度で前記公転
   体を回転して、カッタヘッドにより矩形断面のトンネル
   を掘削するに際して、 シールド本体に回動自在に支持されて前記公転体を偏心
   位置に回転自在に支持する変位回動体を、前記公転体の
   回転に対応して回動させることにより、カッタヘッドに
   より掘削する正方形の掘削断面を平行に移動して掘削す
   ることを特徴とする矩形断面トンネルの掘削方法。
2. 【請求項２】シールド本体の前部に配置されて少なくと
   も頂部がルーロの三角形の頂点位置となるカッタヘッド
   を自転軸心周りに回転自在に支持するカッタ自転軸と、
   前記カッタ自転軸を偏心位置に回転自在に支持する公転
   体とを具備し、前記カッタ自転軸の自転速度に対して公
   転体を３倍の速度で逆方向に公転させて矩形断面のトン
   ネルを掘削する矩形断面シールド掘進機において、 前記公転体を偏心位置に回転自在に支持するとともに、
   掘削機本体に回動自在に支持された変位回動体を設け、 公転体の回転に対応して前記変位回動体を回動させ、正
   方形の掘削断面を平行に移動して掘削するように構成し
   たことを特徴とする矩形断面用シールド掘進機。
3. 【請求項３】複数のカッタヘッドを一列に併設し、少な
   くとも一方の端部のカッタヘッドに、変位回動体を設け
   て拡幅掘削可能に構成したことを特徴とする請求項２記
   載の矩形断面用シールド掘進機。