JP2003155894A - シールド掘進機のカッタ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘
り抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部から
径方向外方に切削でき、非切削部が塊としてカッタ室に
取り込まれることを防止できるシールド掘進機のカッタ
構造を提供する。 【解決手段】 既設トンネル１の内部からそのトンネル
壁２を掘り抜いて発進するシールド掘進機３のカッタ構
造であって、カッタ８による切羽面の掘削面形状３６
を、掘り抜くべきトンネル壁２の外側面の被掘削面カー
ブ形状３７よりも、急に設定した。これにより、トンネ
ル壁２を掘り抜いて発進する際、トンネル壁２をカッタ
８の中心部から径方向外方に向けて穴を開けるように切
削できる。よって、非切削部３８は、常に既設トンネル
１と繋がっており、塊としてカッタ室１６に取り込まれ
ることはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、既設トンネルのト
ンネル壁を掘り抜いて発進するシールド掘進機のカッタ
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】既設トンネルの内部からそのトンネル壁
を掘り抜いて発進するシールド掘進機として、本発明者
等は図８に示すものを創案した。

【０００３】図示するように、このシールド掘進機ａ
は、既設トンネルｂの発進口部分に取り付けられた円筒
状の発進部リングｃと、シールドフレームｄにスライド
自在に被嵌された円筒状の発進シールｅとを連結した
後、発進架台ｆに反力をとる推進ジャッキｇによって上
方に推進し、図９および図１０に示すようにカッタｈの
回転によって既設トンネルｂの一部を成す断面円弧状の
掘削可能壁ｉを掘り抜き、上方に発進するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかるシー
ルド掘進機ａのカッタ構造にあっては、カッタｈ自体の
形状がフラットでありカッタｈに取り付けられたビット
ｊによる掘削面がフラットであるため、図１０に示すよ
うにそのカッタｈによって断面円弧状の掘削可能壁を掘
り抜くとき、カッタｈの外周部が中央部に先行して掘削
可能壁ｉを切削することになり、中央部が切り残ってし
まう。

【０００５】そして、この中央部は、カッタｈによる上
向き切削が進行するに従って、既設トンネルｂとの繋が
り部が徐々に小さくなるため、小さな外圧（土圧）によ
って崩壊し易くなり、ビットｊで切削する前に崩壊して
塊でカッタ室内に取り込まれる虞がある。カッタ室内に
取り込まれた塊は、通常の土砂を排土することを前提に
設計された排土装置では排出できず、排土装置を閉塞さ
せてしまう。

【０００６】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り
抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部から径
方向外方に切削でき、非切削部が塊としてカッタ室に取
り込まれることを防止できるシールド掘進機のカッタ構
造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明は、既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り
抜いて発進するシールド掘進機のカッタ構造であって、
カッタによる切羽面の掘削面形状が、掘り抜くべきトン
ネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも、小さい曲
率で設定されているものである。

【０００８】本発明によれば、カッタによる切羽面の掘
削面形状を、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘削
面カーブ形状よりも急に設定したので、そのトンネル壁
を掘り抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部
から径方向外方に向けて穴を開けるように切削できる。
よって、非切削部は、常に既設トンネルと繋がってお
り、塊としてカッタ室に取り込まれることはない。

【０００９】また、上記カッタは、その回転中心から掘
進方向後方に傾斜されて放射状に延出された複数のカッ
タスポークと、各カッタスポークの切羽側面に取り付け
られた複数のビットとを有するものが好ましい。こうす
れば、カッタスポーク自体が後方に傾斜されているの
で、各ビットの高さをそれほど変化させなくとも、上述
の掘削面形状を得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を添付図面に
基いて説明する。

【００１１】図１に示すように、既設トンネル１の内部
には、その天井部分のトンネル壁（掘削可能壁２）を掘
り抜いて上方に発進するシールド掘進機３が、発進架台
４上に縦置きされて収容されている。このシールド掘進
機３は、発進架台４上に推進ジャッキ５を介して上向き
に置かれた筒体状のシールドフレーム６と、シールドフ
レーム６内を切羽側と坑内側とに仕切る隔壁７と、隔壁
７に回転自在に設けられたカッタ８とを備え、ジャッキ
５を伸長させてシールドフレーム６を上昇させつつカッ
タ８をモータ９によって回転させ、掘削可能壁２を掘り
抜いて既設トンネル１内から上方に発進するものであ
る。

【００１２】詳しくは、隔壁７は、中央部に排土口１０
を有する円錐状に成形されている。隔壁７とシールドフ
レーム６との間には、リング状の回転体１１が回転自在
に支持されている。回転体１１の上面には、支柱１２を
介してカッタ８が取り付けられ、回転体１１の下面に
は、リングギヤ１３が設けられている。リングギヤ１３
は、軸受１４に軸支されており、モータ９のピニオン１
５に噛合されて回転駆動されるようになっている。この
構成によれば、モータ９を駆動することにより、回転体
１１を介してカッタ８が回転し、掘削可能壁２または地
山の土砂が掘削される。

【００１３】カッタ８によって掘削された掘削可能壁２
または土砂は、隔壁７の上方のカッタ室１６に取り込ま
れ、排土口１０に接続された排土装置１７によって下方
に排出される。排土装置１７は、排土口１０に接続され
下方に延出された排土管１８を有する。排土管１８に
は、空気や水等の流体圧によって径方向に膨張収縮して
排土管内１８を開閉する弾性膜式バルブ１９が設けられ
ている。

【００１４】弾性膜式バルブ１９は、排土管１８の途中
に介設された筒体状の弾性膜２０（ゴム膜等）と、弾性
膜２０を囲繞して配置され弾性膜２０の外周面との間に
加圧室２１を形成する筒体状のケーシング２２と、ケー
シング２２に開口され加圧室に流体（空気、水等）を給
排する給排口２３とを有し、給排口２３から加圧室２１
内に流体を給排することで弾性膜２０を径方向に膨張収
縮させて土砂通過断面積を変化させ、上向き掘進におけ
る排土量を調節して切羽の土圧を調整管理するものであ
る。

【００１５】弾性膜式バルブ１９の下方の排土管１８に
は、径方向内方に延出されたブラケット２４が設けられ
ており、ブラケット２４には、上方に延出されたセンタ
ーロッド２５が取り付けられている。センターロッド２
５の頂部は、カッタ８の中央部２６に回転自在に挿入さ
れている。ブラケット２４、センターロッド２５および
カッタ８の内部には、作泥剤の通路２７が形成されてい
る。そして、排土管１８に形成された入口部２８から注
入された作泥剤が、上記通路２７を通り、カッタ８に形
成された出口部２９から切羽に供給されるようになって
いる。

【００１６】センターロッド２５の下方の排土管１８に
は、ゲート機構３０が設けられている。ゲート機構３０
は、相互に近接離間する一対のゲート板３１を有し、排
土管１８内の土砂通過断面積を調節する。ゲート機構３
０は、土砂通過断面積を適宜狭めることで、弾性膜式バ
ルブ１９の下流側の土砂を詰まり気味にしてその土圧を
高め、弾性膜２０の全体に略均一の土圧を作用させるも
のである。これにより、弾性膜２０は、掘進深度や掘削
土質に拘わらず略均一に膨張し、切羽の土圧制御を確実
に行える。

【００１７】さて、カッタ８は、上記モータ９によって
回転駆動され、既設トンネル１からの発進時には掘削可
能壁２を切削し、発進後は地山を掘削するものである。
かかるカッタ８は、図２にも示すように、回転中心に配
置された中央部２６と、中央部２６に設けられた三角状
のセンタービット３２と、中央部２６から掘進方向後方
に所定の角度に傾斜されて放射状に延出され上記支柱１
２を介して回転体１１に取り付けられた複数のカッタス
ポーク３３と、各カッタスポーク３３の切羽側面に取り
付けられたビット３４とを有する。

【００１８】ビット３４は、メインビット３４ａと先行
ビット３４ｂとからなる。先行ビット３４ｂは、カッタ
８の回転方向に沿って平板状に細長く成形されていると
共に、図３にも示すようにメインビット３４ａよりも所
定高さ高く設定されており、メインビット３４ａが掘削
可能壁２を掘削する前に掘削可能壁２を同心円状に切り
込み、その内部の炭素繊維等の補強配筋を切断する。メ
インビット３４ａは、図４にも示すように、各先行ビッ
ト３４ｂの間に配置されたティースビットからなり、先
行ビット３４ｂによって回転方向に沿って切り込まれた
同芯円状の溝間の掘削可能壁２を削り取る。

【００１９】なお、発進に際しては、図１に示すよう
に、掘削可能壁２の発進口部分に取り付けられた円筒状
の発進部リング３５と、シールドフレーム６にスライド
自在に被嵌された円筒状の発進シール４１とを連結し、
止水性を確保しておくことは勿論である。そして、掘削
可能壁２を掘り抜いて発進した後は、先行ビット３４ｂ
およびメインビット３４ａは、既述のように先行ビット
３４ｂが切羽面を同心円状に切り込んで溝を掘りつつ、
その溝の間の土をメインビット３４ａが削り取り、地山
を掘削する。

【００２０】先行ビット３４ｂおよびメインビット３４
ａは、図５乃至図７に示すように、カッタ８が回転した
ときの切羽面の掘削面形状３６が、掘り抜くべきトンネ
ル壁（掘削可能壁２）の外側面の被掘削面カーブ形状３
７よりも、小さい曲率に設定されている。また、カッタ
８は中央部が先行してトンネル壁を掘り抜くように中央
部を尖突させた円錐状に設定されていてもよい。すなわ
ち、各カッタスポーク３３に取り付けられるビット３４
の高さは、回転時に上記掘削面３６となるようにそれぞ
れ高さが微妙に異なっている。

【００２１】図例では、先行ビット３４ｂおよびメイン
ビット３４ａの両方を上記掘削面３６となるように高さ
設定している（詳しくはメインビット３４ａは僅かに低
い）。両ビット３４ａ、３４ｂによって少しずつバラン
スよく掘削可能壁２を掘削するためである。ただし、先
行ビット３４ｂのみを上記掘削面３６となるように高さ
設定してもよい。メインビット３４ａに先行する先行ビ
ット３４ｂが実質的に掘削可能壁２を切削すると考える
こともできるからである。なお、この場合、先行ビット
３４ｂの切削負荷が大きくなる点に留意すべきである。

【００２２】本実施形態の作用を述べる。

【００２３】既設トンネル１の内部から上向きシールド
掘進機３を発進させるときには、図１に示すように、掘
削可能壁２の発進部リング３５にシールドフレーム６の
発進シール４１を連結した後、モータ９によってカッタ
８を回転させつつジャッキ５を伸長させて掘進機３を上
昇させる。すると、図５、図６および図７に示すよう
に、回転するカッタ８に取り付けられたビット３４ａ、
３４ｂによって、掘削可能壁２がその内周面側から徐々
に切削される。

【００２４】ここで、カッタ８に取り付けられた各ビッ
トビット３４ａ、３４ｂは、カッタ８の回転による切羽
面の掘削面形状３６が、掘り抜くべき掘削可能壁２の外
側面の被掘削面カーブ形状３７よりも急に設定されてい
るので、その掘削可能壁２を掘り抜いて発進する際、掘
削可能壁２をカッタ８の中心部から径方向外方に向けて
楕円穴（図中ハッチングで示す）を開けるように切削す
る。よって、図５乃至図７に示すように、楕円穴の縁部
を成す非切削部３８は、常に既設トンネル１と繋がって
おり、塊としてカッタ室１６に落下して取り込まれるこ
とはない。

【００２５】すなわち、上記カッタ８およびビット３４
によれば、図８乃至図１０のタイプのように掘削可能壁
ｉが大きな塊の状態で崩落してカッタ室１６内に取り込
まれることはなく、掘削可能壁２を各ビット３４によっ
て切削して小さな削り屑としてカッタ室１６内に取り込
むことができる。よって、カッタ室１６内に取り込まれ
た掘削可能壁２の削り屑を、通常の土砂を排土すること
を前提に設計された排土装置７によって、容易に排出で
きる。

【００２６】具体的には、図８乃至図１０のタイプで
は、掘削可能壁ｉが塊の状態でカッタ室１６に落下した
場合、その塊が排土口１０の内径よりも大きいと、排出
不可能となるが、本実施形態によれば、図５乃至図７に
示すように、掘削可能壁２を崩壊させることなく各ビッ
ト３４によって切削して小さな削り屑としてカッタ室１
６内に取り込むことができるので、排土口１０の内径よ
りも大きな塊がカッタ室１６内に取り込まれることはな
く、常に確実に排出できる。

【００２７】また、本実施形態においては、図７(b)に
示すように、カッタ８の各ビット３４による切羽面の掘
削面形状３６を掘削可能壁２の外側面の被掘削面カーブ
形状３７と殆ど等しく（極く僅かに急に）設定している
ので、掘削可能壁２をカッタ８の径方向に沿って略同時
にバランスよく掘り抜くことができる。また、カッタス
ポーク３３を掘進方向後方に傾斜させ、その切羽側面に
ビット３４を取り付けているので、各ビット３４の高さ
をそれほど変化させなくとも、上述の掘削面形状３６を
得ることができ、ビット３４の支持剛性が高まる。

【００２８】なお、本実施形態では、既設の横向きトン
ネル１の内部からシールド掘進機３が上向きに発進する
場合を示したが、横向き又は下向きに発進する場合にも
本発明を適用できる。また、既設の立坑からシールド掘
進機を横向きに発進させる場合にも、本発明を適用でき
る。要は、本発明は、カッタの各ビットによる切羽面の
掘削面形状が、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘
削面カーブ形状よりも、急に設定されていればよいので
ある。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るシール
ド掘進機のカッタ構造によれば、既設トンネルの内部か
らそのトンネル壁を掘り抜いて発進する際、トンネル壁
をカッタの中心部から径方向外方に切削でき、非切削部
が塊としてカッタ室に取り込まれることを防止できる。
よって、排土装置の閉塞を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すシールド掘進機のカ
ッタ構造の側断面図である。

【図２】上記カッタの正面図である。

【図３】上記カッタのカッタスポークの断面図であり、
図３(a)は メインビット、 図３(b)は先行ビットを示す
説明図である。

【図４】先行ビットとメインビットとの位置関係を示す
説明図である。

【図５】上記カッタおよびビットによる掘削可能壁の掘
削の様子を示す説明図であり、図５(a)は平面図、図５
(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）である。

【図６】図５の続きを示す説明図であり、図６(a)は平
面図、図６(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）であ
る。

【図７】図６の続きを示す説明図であり、図７(a)は平
面図、図７(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）であ
る。

【図８】本発明者等が先に開発したシールド掘進機のカ
ッタ構造の側断面図である。

【図９】上記カッタおよびビットによる掘削可能壁の掘
削の様子を示す説明図である。

【図１０】図９の続きを示す説明図である。

【符号の説明】

１ 既設トンネル ２ トンネル壁としての掘削可能壁 ３ シールド掘進機 ８ カッタ ３３ カッタスポーク ３４ａ メインビット ３４ｂ 先行ビット ３６ 掘削面形状 ３７ 被掘削面カーブ形状

フロントページの続き (72)発明者 高見澤 計夫 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 近藤 文夫 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 坂本 英俊 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 伊藤 広幸 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 (72)発明者 浅井 裕一 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 Ｆターム(参考） 2D054 BA07 BB04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既設トンネルの内部からそのトンネル壁
   を掘り抜いて発進するシールド掘進機のカッタ構造であ
   って、カッタによる切羽面の掘削面形状が、掘り抜くべ
   きトンネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも、急
   に設定されていることを特徴とするシールド掘進機のカ
   ッタ構造。
2. 【請求項２】 上記カッタは、その回転中心から掘進方
   向後方に傾斜されて放射状に延出された複数のカッタス
   ポークと、各カッタスポークの切羽側面に取り付けられ
   た複数のビットとを有する請求項１記載のシールド掘進
   機のカッタ構造。