JP2004250889A - 掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】掘進機の進行方向の安定性を確保しながら簡易な構造で異形断面トンネルをスムーズに構築できる掘進機を提供すること。
【解決手段】平面視紡錘状に成形した複数の揺動カッター２と、揺動カッター２で掘削不能な未掘削部４を掘削する固定カッター５を備えた掘進機１を使用して、複数の揺動カッター２の掘削範囲を重複させないように、また複数の揺動カッター２が同一方向に揺動しないように制御することで掘進機１の進行方向を確保することができる。また、揺動カッター２には、異形状かつ地山までの高さが異なる切削体を隣接設置させることで揺動切削を効率良くおこなうことができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揺動カッターを備えた掘進機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市部などの地下トンネルを掘進する技術であるシールド工法や推進工法は円形断面が主流であるが、近時、電力や地下鉄、共同溝、下水道などのあらゆる分野において矩形や楕円形などの異形断面トンネルが利用されている。
異形断面トンネルを構築する掘進機としては、例えばルーローの三角形をカッターに応用したものやいわゆる遊星カッターを利用したものなどがある。ここで、遊星カッターとは、円形のメインカッターの端部に設けた複数の小径の楕円形カッターのことであり、矩形断面の切削に際してメインカッターでは切削不能な矩形の隅角部を多様な軌跡を描きながら切削できるカッターのことである。
また、特許文献１に示すように、複数のスポークを有するカッターヘッドを複数個相互に隣接配置させ、各カッターヘッドが相互に干渉しないように、かつ相互の掘削範囲が一部重複するようにカッターヘッドを揺動させながら掘進する掘進機が開発されている。
さらに、発明者等においても、図５に示すように、円形のメインカッターｂと、かかるメインカッターｂを囲むように設けた矩形断面の隅角部を掘削する小径カッターｃとからなるシールド掘進機ａを考案している（特許文献２参照）。
ところで、揺動カッターのみを備えた掘進機（シールド掘進機であって円形カッターを併設していない掘進機）においては、切羽からの土圧を揺動カッターがすべて負担することとなるため、揺動カッターが土圧に抗しながらスムーズな切削を行うことのできる技術の開発が進められている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１６４７６９号明細書
【特許文献２】
特開平１０−１８７５９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来の掘進機にあっては、次のような問題点がある。
＜イ＞円形のメインカッターと揺動カッターを備えた掘進機は、その制御および構造が複雑となりマシンの製作が高価となる。
＜ロ＞揺動カッターを２基並列配置させた掘進機の場合、２基の揺動カッターが同一方向に揺動するため、掘進機本体の進行方向が定まり難い。
＜ハ＞揺動カッターのみを備えた掘進機においては、揺動カッターが切羽土圧をすべて負担するため、かかる土圧による拘束により、スムーズな揺動切削が困難となり易い。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は上記したような従来の問題を解決するためになされたもので、構造が複雑とならないように揺動カッターのみを備えた掘進機を提供することを目的とする。
また、揺動カッターの揺動によって掘進機本体の進行方向が不安定にならない掘進機を提供することを目的とする。
さらに、切羽からの土圧に抗しながらもスムーズな揺動切削を可能とした掘進機を提供することを目的とする。
本発明は、これらの目的の少なくとも一つを達成するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明の掘進機は、掘進機本体に揺動する揺動カッターを備えた掘進機において、平面視紡錘状に成形した複数の揺動カッターと、前記揺動カッターで掘削不能な未掘削部を掘削する固定カッターとからなり、複数の前記揺動カッターの掘削範囲を重複させないように制御することを特徴とする掘進機である。
また、本発明の掘進機は、前記揺動カッターの揺動軸から放射状に延びたスポークの切羽側に、複数の断面視略Ｍ字状の第一切削体を設けることができる。
さらに、本発明の掘進機において、前記揺動カッターのカッターフレームに設ける切削体は、断面視において側方に延びる鋭角部を備えた第二切削体と、前記第二切削体に隣接するように設けた断面視Ｍ字状の第三切削体とからなり、前記第三切削体のＭ字の頂部が前記第二切削体の鋭角部頂部よりも高くなるように成形させることができる。
また、本発明の掘進機は、前記第二切削体および前記第三切削体を支持する前記カッターフレームの断面視形状を、前記揺動カッターから切羽面に向かって末広がりに成形させることもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
＜イ＞掘進機
本発明においては、掘進方向の端部に掘進軸方向の揺動軸２１回りに後述する揺動カッター２を複数備えた掘進機１を使用する（図１参照）。本発明にて使用する掘進機１の縦断図を図２に示す。本発明においては、複数の揺動カッター２を夫々の揺動カッター２の掘削範囲を重複させないように制御することができる。すなわち、例えば２基の揺動カッターを同一平面内又は双方が前後するように配置して、夫々の揺動カッター２を自己の持分範囲のみを掘削させることである（図１参照）。矩形断面を掘進する場合には、矩形断面を例えば均等に２分割して、２基の揺動カッター２が各分割範囲内を揺動しながら地盤を切削することができる。この場合に、揺動カッター２の揺動は、揺動軸２１を中心に双方が相反する方向に揺動するように制御することができる。かかる制御によって、２基の揺動カッター２は相互に干渉しないため、従来の揺動カッター掘進機において問題となっていた、複数の揺動カッターが同一方向に揺動することによって掘進機の進行方向が定まり難いという問題を解決することができる。
【０００９】
本発明においては、揺動カッター２のほかに円形カッターを併設しない構造としている。したがって、円形カッターと揺動カッター夫々の油圧モーターおよび油圧ジャッキ装置を搭載することが必要なくなり、掘進機１本体内がシンプルとなり、また掘進機１の製作コストの低減を図ることができる。
本発明における掘進機１においては、揺動カッター２の個数や配置、制御方法を多様に選定できるものとし、掘削断面も矩形や正方形のほか、楕円形など多様な異形断面のトンネルの構築に使用することができる。
また、掘進機１の掘進方向端部（切羽側）には土圧計１３を設けておき、計測値に応じて揺動速度などの制御をおこなうこともできる。
なお、本発明の掘進機１は、推進工法における掘進機１として使用することもできるし、シールド工法におけるシールド掘進機として使用することができる。
【００１０】
＜ロ＞揺動カッター
揺動カッター２は、平面視紡錘状に成形することができる（図１参照）。ここで、紡錘状とは、２つの円錐を底面で重ね合わせた形状から両端部を切断した形状を示している。両端部を切断した形状とすることで、計画矩形断面ラインを逸脱した余掘領域が生じ難くすることができる。
揺動カッター２は、その中心に揺動軸２１を備え、かかる揺動軸２１から放射状に延びたスポーク２２を設けるとともに、平面視紡錘状を構成する外郭はカッターフレーム２３にて構成することができる。スポーク２２の切羽側には、後述する複数の断面視略Ｍ字状の第一切削体３１を設け、カッターフレーム２３には、第二切削体３２および第三切削体３３を隣接するように設けることができる。複数の揺動カッター２は、掘進機１本体の掘進方向の端部の同一平面内に設けることもでき、また相互に前後させて設けることもできる。
【００１１】
揺動カッター２を例えば２基使用する場合は、図１に示すように夫々の揺動カッター２を揺動軸２１を中心として相互に相反する方向に揺動制御するのが好ましい。かかる場合、夫々の平面視紡錘状を形成する外郭直線部が相互に接するような形状と制御を実現することにより、掘削範囲を重複させずに掘り残しのない掘進が可能となる。
揺動カッター２の外郭直線部は、例えば揺動カッター２の長手方向中心線から１８度の傾角を備えた形状に成形することができる。また、揺動カッター２の短手方向の幅は矩形断面の分割幅とするのが好ましい。かかる場合は、揺動角度を３６度とすることにより分割幅の切削をおこなうことができる。
ここで、揺動カッター２は掘進機１に搭載した油圧ジャッキ１１の伸縮運動を利用した簡易な装置にて揺動させることができる。
【００１２】
なお、揺動カッター２では掘削不能な未掘削部４については、掘進機１の掘進方向端部のうち、例えば矩形断面の隅角部と矩形断面分割部付近に設けた固定カッター５にて掘削することができる。
【００１３】
＜ハ＞切削体
揺動カッター２のスポーク２２の切羽側には、複数の断面視略Ｍ字状の第一切削体３１を設けることができる。ここで、断面視略Ｍ字状とは、スポーク軸に垂直に切断した断面において、Ｍ字形状が切羽側に向かって側方に延びた形状を呈していることである（図４（ｂ）参照）。すなわち、略Ｍ字状の第一切削体３１のうち、側面は切羽に向かって側方に延びることによって傾斜面３１１を有し、第一切削体３１の頭部（切羽側）は２つの鋭角な山部３１２とその間の谷部によって傾斜面３１３を有した形状となる。かかる形状に成形することにより、切削した土砂が傾斜面３１１に沿って流れ易くなるため、土砂の取り込みがスムーズとなり得る。また、山部３１２の角度は現地の地盤特性に応じて変化させるのが好ましい。例えば、粘性土地盤においては角度を大きくとり、礫質土地盤においては角度を小さく（より鋭角となる）とることができる。
なお、かかる山部３１２には硬質なカッターチップ３１４を取り付けるのが好ましい。
【００１４】
揺動カッター２のカッターフレーム２３の切羽側には、第二切削体３２および第三切削体３３を隣接するように設けることができる（図４（ａ）参照）。ここで、第二切削体３２は、カッターフレーム軸に垂直に切断した断面において、側方に延びる鋭角部３２１を備えた形状に成形できる。鋭角部３２１が側方に延びた形状を呈しているため、鋭角部３２１の側面は傾斜面３２２を備えることとなる。したがって、上記の第一切削体３１の傾斜面３１１と同様に、傾斜面３２２に沿って切削土砂の流れ及び土砂の取り込みをスムーズなものとできる。かかる鋭角部３２１の角度及び側方へ延びる角度（倒れ度）は地盤特性に応じて自在に調整することができる。また、第二切削体３２の断面視形状は四角形や三角形など、適宜選定することができる。
【００１５】
ここで、カッターフレーム２３をカッターフレーム軸に垂直に切断した断面視形状は揺動カッター２から切羽面に向かって末広がりに成形するのが好ましい。本発明の実施例として、カッターフレーム２３の上底２３１（長辺）を切羽側に設けた台形状に成形した形状を提案する（図４（ａ）参照）。カッターフレーム２３を構成する台形のうち、揺動カッター２の外郭側の側面２３２は揺動カッター２側から切羽側に向かって側方に延びるように（鉛直線に対して傾斜した）成形させることにより、切削土砂の流れ及び土砂の取り込みをスムーズなものとできる。なお、図４（ａ）に示すように、第二切削体３２の傾斜面３２２とカッターフレーム２３の側面２３２が同一平面を構成するように製作することもでき（両者の傾斜角が同一で面が連続している）、傾斜面３２２と側面２３２の傾斜角が相違するように製作することもできる。また、傾斜面３２２と側面２３２が不連続となるように、例えば、上底２３１の端部から上底２３１内側に入った位置に第二切削体３２の端部を設けるように製作することもできる。
【００１６】
第三切削体３３は、カッターフレーム軸に垂直に切断した断面において、断面視Ｍ字状に成形するのが好ましい。ここで、第三切削体３３を構成する断面視Ｍ字の頂部３３１（切羽側）が第二切削体３２の鋭角部３２１頂部よりも高くなるように成形するのが好ましい（図３（ａ）、図４（ａ）参照）。すなわち、頂部３３１が鋭角部３２１頂部よりも地山側に突出するように成形することにより、頂部３３１に地山からの土圧を直接負担させて、鋭角部３２１は土圧の負荷が小さな状態で揺動切削が可能となる。
なお、第二切削体３２の鋭角部３２１及び第三切削体３３の頂部３３１には硬質なカッターチップ３２３、３３２を取り付けるのが好ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の掘進機は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜イ＞複数の揺動カッターを夫々同一方向に揺動させないようにすることで、掘進機の進行方向が一定方向に定まり易い。
＜ロ＞円形カッターと揺動カッターを併設した構造ではないため、設備がシンプルとなり、掘進機の製作コストも比較的低廉となる。
＜ハ＞異形状かつ地山までの高さが異なる切削体を揺動カッターに隣接設置させることで揺動切削を効率良くおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の掘進機の正面図。
【図２】本発明の掘進機の縦断図。
【図３】（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視図。（ｂ）は図１のＢ−Ｂ矢視図。
【図４】（ａ）はカッターフレームと第二切削体及び第三切削体について、カッターフレーム軸に垂直に切断した場合の各断面図。（ｂ）は第一切削体について、スポーク軸に垂直に切断した場合の断面図。
【図５】従来の矩形断面掘進機を説明した正面図。
【符号の説明】
１・・・掘進機
２・・・揺動カッター
２１・・揺動軸
２２・・スポーク
２３・・カッターフレーム
３１・・第一切削体
３２・・第二切削体
３２１・鋭角部
３３・・第三切削体
３３１・頂部
４・・・未掘削部
５・・・固定カッター

Claims (4)

1. 掘進機本体に揺動する揺動カッターを備えた掘進機において、
   平面視紡錘状に成形した複数の揺動カッターと、
   前記揺動カッターで掘削不能な未掘削部を掘削する固定カッターと、からなり、
   複数の前記揺動カッターの掘削範囲を重複させないように制御することを特徴とする、
   掘進機。
2. 前記揺動カッターの揺動軸から放射状に延びたスポークの切羽側に、複数の断面視略Ｍ字状の第一切削体を設けたことを特徴とする、
   請求項１記載の掘進機。
3. 請求項１又は２記載の掘進機において、
   前記揺動カッターのカッターフレームに設ける切削体であって、
   断面視において側方に延びる鋭角部を備えた第二切削体と、前記第二切削体に隣接するように設けた断面視Ｍ字状の第三切削体とからなり、
   前記第三切削体のＭ字の頂部が前記第二切削体の鋭角部頂部よりも高くなるように成形させたことを特徴とする、
   掘進機。
4. 前記第二切削体および前記第三切削体を支持する前記カッターフレームの断面視形状を、前記揺動カッターから切羽面に向かって末広がりに成形したことを特徴とする、
   請求項３記載の掘進機。

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