JP2003343195A

JP2003343195A - トンネル掘削機

Info

Publication number: JP2003343195A
Application number: JP2002157014A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Kumao; 義光熊尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】トンネル掘削機において、チャンバでの掘削
土砂の付着を抑制して適正に流動させることで閉塞を防
止してトンネル掘削作業の効率化を図る。【解決手段】円筒形状をなす掘削機本体１１の前部に
リングギヤ２０を回転自在に支持して駆動モータ２１に
より駆動回転可能とする一方、このリングギヤ２０の前
端部に円筒形状をなすセンタチューブ２４を介してカッ
タヘッド２５を連結すると共に、このセンタチューブ２
４内にロータリジョイント２９を配設し、掘削機本体１
１、リングギヤ２０、カッタドラム２３、センタチュー
ブ２４、カッタヘッド２５、ロータリジョイント２９は
同軸上に配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤を掘削してト
ンネルを構築するシールド掘削機などのトンネル掘削機
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来のシールド掘削機の概略を示
す。

【０００３】従来のシールド掘削機において、図５に示
すように、円筒形状をなす掘削機本体101の前部にはバ
ルクヘッド102が形成され、このバルクヘッド102の内側
には駆動部支持ブラケット103が固定され、この支持ブ
ラケット103に大口径ベアリング104によりリングギヤ10
5が回転自在に支持されており、このリングギヤ105にカ
ッタドラム106が連結されている。そして、このカッタ
ドラム106にコーン形状の中央支持部材107を介してカッ
タヘッド108が連結され、カッタヘッド108に多数のカッ
タビット109やコピーカッタ110等が装着されている。こ
の中央支持部材107はカッタヘッド108側が小径で、カッ
タドラム106側が大径となる円錐筒形状をなしている。
一方、支持ブラケット103には複数の駆動モータ111が取
付けられており、駆動ギヤ112がリングギヤ105に噛み合
っている。また、中央支持部材107の内側には掘削機本
体101とカッタヘッド108との間で電気配線や油圧ホース
等の連絡をなすロータリジョイント113が装着されてい
る。

【０００４】従って、駆動モータ111を駆動すると、駆
動ギア112がリングギア105及びカッタドラム106を回転
し、中央支持部材107を介してカッタヘッド108を回転
し、カッタビット109やコピーカッタ110により地盤を掘
削することができる。

【０００５】また、掘削機本体101の後部には複数のシ
ールドジャッキ114が周方向に並設されると共に、既設
トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装
置115が装着されている。更に、掘削機本体101の前後方
向に沿って掘削土砂を排出するスクリューコンベヤ116
が傾斜状態で配設されており、前端部がバルクヘッド10
2が貫通してチャンバ117に開口している。

【０００６】このような従来のシールド掘削機では、駆
動モータ111によりカッタヘッド108を回転しながらシー
ルドジャッキ114を伸長させ、既設セグメントＳからの
掘進反力を得て掘削機本体101を前進させることで、カ
ッタヘッド108が前方の地盤を掘削する。そして、掘削
土砂をカッタヘッド108の開口部からチャンバ117に取り
込み、所定の土圧に維持して切羽の崩落を阻止しなが
ら、所定量の土砂をスクリューコンベヤ116により外部
に排出する。一方、エレクタ装置115は既設トンネル内
に搬入されたセグメントＳを把持して移動し、このセグ
メントＳをリング状に組み付けてトンネルを構築する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のシール
ド掘削機では、掘削機本体101の前部にカッタヘッド108
を回転自在に支持するため、掘削機本体101の前部にリ
ングギヤ105及びカッタドラム106を回転自在に支持し、
このカッタヘッド108とカッタドラム106とを中央支持部
材107により連結しており、この中央支持部材107をコー
ン形状としてその内側にロータリジョイント113を配設
している。そして、トンネル掘削時には、カッタヘッド
108が掘削した土砂はチャンバ117に取り込まれて充満
し、このチャンバ117内を流動しながら所定の土圧に維
持することで、切羽の崩落を阻止し、所定量の土砂がス
クリューコンベヤ116により排出される。

【０００８】このとき、シールド掘削機が掘削する地盤
は水分を含んだ粘土質の地層が一般的であり、チャンバ
117の内面、つまり、カッタヘッド108の裏側や中央支持
部材107の外周面などに粘土質の土砂が付着しやすい。
特に、中央支持部材107がコーン形状をなしているた
め、カッタヘッド108とこの中央支持部材107とが連結さ
れた狭隘部には土砂が付着しやすく、チャンバ117での
土砂の流れを阻害している。このように土砂の付着によ
りチャンバ117で土砂が適正に流動しないと、ここで閉
塞が生じてしまい、スクリューコンベヤ116により所定
量の土砂を排出することができず、掘進不能となる虞も
ある。

【０００９】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、チャンバでの掘削土砂の付着を抑制して適正に
流動させることで閉塞を防止してトンネル掘削作業の効
率化を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒形状をなす
掘削機本体と、該掘削機本体の前部に回転自在に支持さ
れたリングギヤと、該リングギヤを回転駆動する駆動モ
ータと、前記リングギヤの前部に連結されたセンタチュ
ーブと、該センタチューブの前端部に連結されたカッタ
ヘッドと、前記センタチューブ内に配設されたロータリ
ジョイントとを具えたことを特徴とするものである。

【００１１】この場合、センタチューブは長手方向でほ
ぼ同径をなす円筒形状であることが望ましく、更に、カ
ッタヘッドと同軸上を回転可能とすることで、掘削土砂
がカッタヘッドやセンタチューブに付着しにくく、チャ
ンバ内での掘削土砂の流動が適正となり、この掘削土砂
を確実に排出することができる。

【００１２】請求項２の発明のトンネル掘削機では、前
記掘削機本体、前記リングギヤ、前記センタチューブ、
前記カッタヘッド、前記ロータリジョイントが同軸上に
配設されたことを特徴としている。

【００１３】請求項３の発明のトンネル掘削機では、前
記カッタヘッドと前記センタチューブとは嵌合状態で固
定されたことを特徴としている。

【００１４】請求項４の発明のトンネル掘削機では、前
記掘削機本体側に前記センタチューブの基端部を覆うカ
バーが装着されたことを特徴としている。

【００１５】請求項５の発明のトンネル掘削機では、前
記センタチューブと前記カバーとの間にシール部材が介
装されたことを特徴としている。

【００１６】請求項６の発明のトンネル掘削機では、前
記リングギヤの前部にカッタドラムが連結され、該カッ
タドラムに前記センタチューブが連結されたことを特徴
としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１８】図１に本発明の第１実施形態に係るトンネ
ル掘削機としての土圧式シールド掘削機の概略断面、図
２に本実施形態のシールド掘削機の正面視、図３に本実
施形態のシールド掘削機におけるカッタヘッドの支持構
造を表す断面を示す。

【００１９】本実施形態の土圧式シールド掘削機におい
て、図１乃至図３に示すように、掘削機本体１１は円筒
形状をなし、ほぼ同径の前胴１２と後胴１３が球面軸受
１４及び回動軸１５を介して屈曲自在に連結されて構成
されている。そして、前胴１２と後胴１３との間には複
数の中折ジャッキ１６が架設されており、この中折ジャ
ッキ１６の伸縮動作により掘削機本体１１の掘進方向を
変更することができる。前胴１２の前部にはバルクヘッ
ド１７が形成され、このバルクヘッド１７の内側には駆
動部支持ブラケット１８が固定され、この支持ブラケッ
ト１８に大口径ベアリング１９によりリングギヤ２０が
回転自在に支持されている。一方、支持ブラケット１８
には複数の駆動モータ２１が取付けられており、各駆動
ギヤ２２がこのリングギヤ２０に噛み合っている。

【００２０】このリングギヤ２０に中空のカッタドラム
２３が連結されており、このカッタドラム２３にはセン
タチューブ２４を介してカッタヘッド２５が連結されて
いる。このセンタチューブ２４は長手方向に沿ってほぼ
同径の円筒形状をなし、後端部がカッタドラム２３に嵌
合して溶接により固定される一方、前端部はカッタヘッ
ド２５に嵌合して溶接により固定されている。そして、
支持ブラケット１８とカッタドラム２３との間にはシー
ル部材２６，２７が介装されると共に、支持ブラケット
１８にはセンタチューブ２４の後端部及びカッタドラム
２３を被覆するリング形状をなすカバー２８が取付けら
れている。また、センタチューブ２４の内側には掘削機
本体１１とカッタヘッド２５との間で電気配線や油圧ホ
ース等の連絡をなすロータリジョイント２９が配設さ
れ、支持ブラケット１８に固定されたブラケット３０に
より支持されている。この場合、掘削機本体１１、リン
グギヤ２０、カッタドラム２３、センタチューブ２４、
カッタヘッド２５、ロータリジョイント２９は同軸上に
配設されている。

【００２１】カッタヘッド２５は中央支持部３１から複
数のスポーク３２が放射状に配設され、各スポーク３２
の先端部が外周リング３３により連結されて構成されて
いる。そして、中央支持部３１にフィッシュテール３４
が固定され、各スポーク３２の前面に多数の先行ビット
３５が取付けられると共に、その両側に多数のカッタビ
ット３６が取付けられている。また、スポーク３２の外
周端部にはコピーカッタ３７が油圧ジャッキ３８により
出没自在に取付けられている。

【００２２】従って、駆動モータ２１を駆動すると、駆
動ギア２２がリングギア２３を回転してカッタドラム２
３を同期回転し、センタチューブ２４を介してカッタヘ
ッド２５を回転することができ、フィッシュテール３
４、先行ビット３５、カッタビット３６により前方の地
盤を掘削することができる。また、カッタヘッド２５の
所定の回転角度位置で油圧ジャッキ３８を伸長してコピ
ーカッタ３７を突出することで、外方の地盤を余掘する
ことができる。

【００２３】また、カッタヘッド２５とバルクヘッド１
７、カッタドラム２３、センタチューブ２４等によりチ
ャンバ３９が形成されており、カッタヘッド２５の後部
からチャンバ３９に向けて複数の可動式攪拌棒４０が取
付けられる一方、バルクヘッド１７の前部からチャンバ
３９に向けて複数の固定式攪拌棒４１が取付けられてい
る。更に、バルクヘッド１７には加泥材注入孔４２が設
けられている。

【００２４】掘削機本体１１内には掘削土砂を外部に排
出するスクリューコンベヤ４３が前傾姿勢で配設されて
おり、前端部がバルクヘッド１７を貫通してチャンバ３
９に開口している。また、後胴１３には周方向に沿って
複数のシールドジャッキ４４が周方向に沿って複数並設
されており、このシールドジャッキ４４を掘進方向後方
に伸長してスプレッダ４５を既設セグメントＳに押し付
けることで、その反力により掘削機本体１１を前進する
ことができる。更に、後胴１３には旋回リング４６が旋
回モータ４７により旋回自在に支持され、この旋回リン
グ４６にセグメントＳをリング状に組立てるエレクタ装
置４８が搭載されている。また、後胴１３には作業者の
足場となる張出台４９が後方に延出して配設されてい
る。

【００２５】ここで、上述した実施形態のシールド掘削
機によるトンネル掘削作業について説明する。図１に示
すように、まず、駆動モータ２１によってカッタヘッド
２５を回転しながら、シールドジャッキ４４を伸長して
既設セグメントＳから掘削反力を得て掘削機本体１１を
前進させる。すると、回転するカッタヘッド２５が前方
の地盤を掘削してトンネルを形成する。

【００２６】そして、カッタヘッド２５の地盤掘削によ
り発生した土砂はチャンバ３９に取り込まれ、加泥材注
入孔４２から加泥材が噴射されると共に各攪拌棒４０，
４１により攪拌され、掘削土砂に加泥材が適正に混練す
ることで、チャンバ３９内での掘削土砂の塑性流動化を
促進し、スクリューコンベヤ４３により適正に排出する
ことができる。この場合、カッタヘッド２５による掘削
量に見合う土砂量をスクリューコンベヤ４３により排土
することで、チャンバ３９に掘削土砂を充満、加圧して
切羽を安定させている。

【００２７】このとき、掘削機本体１１、バルクヘッド
１７、支持ブラケット１８、カバー２８に対してセンタ
チューブ２４、カッタヘッド２５が回転するが、従来に
比べて回転部分の体積が極小であり、且つ、センタチュ
ーブ２４が円筒形状であるため、チャンバ３９での掘削
土砂の流動がスムースとなり、センタチューブ２４やカ
ッタヘッド２５への土砂の付着が抑制される。また、セ
ンタチューブ２４の後端部とカッタドラム２３はカバー
２８により被覆されているために掘削土砂とは接触せ
ず、チャンバ３９に露出する回転部分が減少して土砂の
付着により閉塞を防止できる。

【００２８】このように本実施形態のシールド掘削機に
あっては、円筒形状をなす掘削機本体１１の前部にリン
グギヤ２０を回転自在に支持して駆動モータ２１により
駆動回転可能とする一方、このリングギヤ２０の前端部
に円筒形状をなすセンタチューブ２４を介してカッタヘ
ッド２５を連結すると共に、このセンタチューブ２４内
にロータリジョイント２９を配設し、掘削機本体１１、
リングギヤ２０、カッタドラム２３、センタチューブ２
４、カッタヘッド２５、ロータリジョイント２９は同軸
上に配設されている。

【００２９】従って、掘削機本体に１１対してセンタチ
ューブ２４及びカッタヘッド２５がチャンバ３９に露出
して回転するが、この回転部分の体積が極小であり、且
つ、センタチューブ２４が円筒形状であるため、チャン
バ３９にて掘削土砂の流動が阻害されずにスムースとな
り、センタチューブ２４やカッタヘッド２５への土砂の
付着が抑制され、閉塞を防止することができる。その結
果、従来、カッタヘッドの中央支持では対応できなかっ
た粘度層などの土質を含めた全ての土質に対して適応す
ることができる。

【００３０】また、センタチューブ２４の後端部とカッ
タドラム２３とがカバー２８により被覆されており、こ
の部分は掘削土砂とは接触せず、土砂の付着により閉塞
を防止できる。この場合、回転するカッタヘッド２５の
後部に対向して、掘削機本体１１側には回転しないカバ
ー２８が位置しており、この間で掘削土砂に対してせん
断力が作用することとなり、掘削土砂の付着に対して効
果的となっている。

【００３１】更に、センタチューブ２４は後端部がカッ
タドラム２３に嵌合し、前端部がカッタヘッド２５に嵌
合してそれぞれ溶接により固定されており、各部材を容
易に、且つ、高精度に同軸上に組み立てることができ、
製造コストを低減できる。そして、このようにセンタチ
ューブ２４とカッタドラム２３とカッタヘッド２５にの
相互組立が容易となることで、組立前の構成部材の小型
化及びユニット化が可能となり、事前に工場で組み立て
ても、また、現地に輸送してから組み立ててもよく、汎
用性を向上して輸送コストを低減できる。

【００３２】図４に本発明の第２実施形態に係るトンネ
ル掘削機としてのシールド掘削機の要部断面を示す。な
お、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有
する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略す
る。

【００３３】本実施形態のシールド掘削機において、図
４に示すように、掘削機本体１１を構成する前胴１２の
前部にはバルクヘッド１７が形成され、バルクヘッド１
７に駆動部支持ブラケット１８が固定され、支持ブラケ
ット１８に大口径ベアリング１９によりリングギヤ２０
が回転自在に支持されており、このリングギヤ２０に駆
動モータ２１の駆動ギヤ２２が噛み合っている。

【００３４】このリングギヤ２０の前端部にはセンタチ
ューブ５１を介してカッタヘッド２５が連結されてい
る。このセンタチューブ５１は長手方向に沿ってほぼ同
径の円筒形状をなし、後端部にフランジ部５２が一体に
形成されている。そして、センタチューブ５１のフラン
ジ部５２がリングギヤ２０に密着してボルト締結により
固定される一方、前端部はカッタヘッド２５に嵌合して
溶接により固定されている。また、支持ブラケット１８
にはセンタチューブ２４のフランジ部５２及び後端部を
被覆する断面がＬ字をなすリング形状のカバー５３が取
付けられており、このカバー５３とセンタチューブ５１
との間にシール部材（ＵパッキンまたはＯリング形状）
５４が介装されると共に、支持ブラケット１８とセンタ
チューブ５１との間にシール部材５５が介装されてい
る。そして、センタチューブ５１の内側にはロータリジ
ョイント２９が配設されている。この場合、掘削機本体
１１、リングギヤ２０、センタチューブ５１、カッタヘ
ッド２５、ロータリジョイント２９は同軸上に配設され
ている。

【００３５】従って、駆動モータ２１によってカッタヘ
ッド２５を回転しながら、シールドジャッキを伸長して
掘削機本体１１を前進させると、カッタヘッド２５が前
方の地盤を掘削し、発生した土砂はチャンバ３９に取り
込まれ、各攪拌棒４０，４１により掘削土砂と加泥材と
が適正に混練されることで、チャンバ３９内での掘削土
砂の塑性流動化を促進し、スクリューコンベヤ４３によ
り適正に排出することができる。

【００３６】このとき、掘削機本体１１、バルクヘッド
１７、支持ブラケット１８、カバー５３に対してセンタ
チューブ５１、カッタヘッド２５が回転するが、従来に
比べて回転部分の体積が極小であり、且つ、センタチュ
ーブ５１が円筒形状であるため、チャンバ３９での掘削
土砂の流動がスムースとなり、センタチューブ５１やカ
ッタヘッド２５への土砂の付着が抑制される。また、セ
ンタチューブ５１のフランジ部５２がカバー５３により
被覆されているために掘削土砂とは接触せず、土砂の付
着により閉塞を防止できる。更に、リングギヤ２０にセ
ンタチューブ５１を直接連結しており、カッタ駆動部の
全長を短縮して重量を軽減することで、装置全体の構造
を簡素化できると共に、小型軽量化が図れる。

【００３７】なお、上述した各実施形態では、センタチ
ューブ２４を円筒形状として内部にロータリジョイント
２９を配設したが、センタチューブ２４の径はカッタヘ
ッド２５の径や回転速度、掘削地盤の硬度などにより適
宜設定すればよいものであり、内部にロータリジョイン
ト２９を配設できれば更に小径としてもよい。

【００３８】また、上述の実施形態では、本発明のトン
ネル掘削機を土圧式シールド掘削機に適用したが、泥土
圧式シールド掘削機やトンネルボーリングマシンに適用
してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、筒形
状をなす掘削機本体の前部にリングギヤを回転自在に支
持して駆動モータにより回転駆動可能とし、リングギヤ
の前部にセンタチューブを連結し、このセンタチューブ
の前端部にカッタヘッドを連結し、センタチューブ内に
ロータリジョイントを配設したので、掘削機本体に対し
てセンタチューブ及びカッタヘッドが回転するが、セン
タチューブが筒形状でこの回転部分の体積が極小である
ため、センタチューブ及びカッタヘッドにより掘削土砂
の流動が阻害されずにスムースとなり、周辺部への土砂
の付着を抑制して閉塞を防止することができ、粘度層な
どの土質を含めた全ての土質に対して適応することがで
き、その結果、トンネル掘削作業の効率化を図ることが
できる。

【００４０】請求項２の発明のトンネル掘削機によれ
ば、掘削機本体、リングギヤ、センタチューブ、カッタ
ヘッド、ロータリジョイントを同軸上に配設したので、
各構成部材の相互回転がスムースとなり、掘削性能の低
下を防止することができる。

【００４１】請求項３の発明のトンネル掘削機によれ
ば、カッタヘッドとセンタチューブとを嵌合状態で固定
したので、各部材を容易に、且つ、高精度に同軸上に組
み立てることができ、製造コストを低減することがで
き、センタチューブとカッタヘッド２５の相互組立が容
易となることで、組立前の構成部材の小型化及びユニッ
ト化が可能となり、事前に工場で組み立てても、また、
現地に輸送してから組み立ててもよく、汎用性を向上し
て輸送コストを低減することができる。

【００４２】請求項４の発明のトンネル掘削機によれ
ば、掘削機本体側にセンタチューブの基端部を覆うカバ
ーを装着したので、センタチューブが掘削土砂に接触す
る部分が減少し、また、回転するカッタヘッドと回転し
ないカバーとが対向位置におるため、この間で掘削土砂
に対してせん断力が作用することとなり、掘削土砂の付
着を確実に阻止して閉塞を防止することができる。

【００４３】請求項５の発明のトンネル掘削機によれ
ば、センタチューブとカバーとの間にシール部材を介装
したので、機内への掘削土砂の侵入を確実に防止するこ
とができる。

【００４４】請求項６の発明のトンネル掘削機によれ
ば、リングギヤの前部にカッタドラムを連結し、カッタ
ドラムにセンタチューブを連結したので、リングギヤの
支持剛性をあげてカッタヘッドを確実に回転支持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機と
しての土圧式シールド掘削機の概略断面図である。

【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。

【図３】本実施形態のシールド掘削機におけるカッタヘ
ッドの支持構造を表す断面図である。

【図４】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機と
してのシールド掘削機の要部断面図である。

【図５】従来のシールド掘削機の概略図である。

【符号の説明】

１１掘削機本体１７バルクヘッド１８駆動部支持ブラケット２０リングギヤ２１駆動モータ２３カッタドラム２４，５１センタチューブ２５カッタヘッド２８，５３カバー２９ロータリジョイント３９チャンバ４３スクリューコンベヤ４４シールドジャッキ４８エレクタ装置５２フランジ部５４シール部材Ｓセグメント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒形状をなす掘削機本体と、該掘削機本
体の前部に回転自在に支持されたリングギヤと、該リン
グギヤを回転駆動する駆動モータと、前記リングギヤの
前部に連結されたセンタチューブと、該センタチューブ
の前端部に連結されたカッタヘッドと、前記センタチュ
ーブ内に配設されたロータリジョイントとを具えたこと
を特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】請求項１において、前記掘削機本体、前
記リングギヤ、前記センタチューブ、前記カッタヘッ
ド、前記ロータリジョイントが同軸上に配設されたこと
を特徴とするトンネル掘削機。
【請求項３】請求項１または２において、前記カッタ
ヘッドと前記センタチューブとは嵌合状態で固定された
ことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】請求項１において、前記掘削機本体側に
前記センタチューブの基端部を覆うカバーが装着された
ことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項５】請求項４において、前記センタチューブ
と前記カバーとの間にシール部材が介装されたことを特
徴とするトンネル掘削機。
【請求項６】請求項１において、前記リングギヤの前
部にカッタドラムが連結され、該カッタドラムに前記セ
ンタチューブが連結されたことを特徴とするトンネル掘
削機。