JP2006207245A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】 深度の深い立坑を施工することなく、トンネルを構築すること。
【解決手段】 傾動フレーム１９は、スライドフレーム１３の前後方向の移動によって没入位置と突出位置とに切替可能に構成され、カッタヘッド３３は、傾動フレーム１９の傾動によって垂直姿勢と傾斜姿勢とに切替可能に構成され、複数のコピーカッタ４９は、カッタヘッド３３の揺動に連動してカッタヘッド３３の外周部から径方向へ往復動するようにそれぞれ構成され、フードフレーム５５は、スライドフレーム１３が突出位置のときに、自己の前方向の移動によって傾斜姿勢のカッタヘッド３３とシールドフレーム３３との間の開放領域を覆うようにように構成されたこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機に関する。

シールド掘進機については、特許文献１、特許文献２、特許文献３等に示すように種々なものがあり、一般的なシールド掘進機の構成について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、前記シールド掘進機は、筒状のシールドフレームを掘進機本体として具備しており、このシールドフレームの内側には、掘削した壁面にセグメントをリング状に組み付けるエレクタ装置が設けられている。また、前記シールドフレームの内側には、既設の前記セグメントからの反力によって前記シールドフレーム（換言すれば、前記シールド掘進機全体）を前進させる複数のシールドジャッキが配設されている。更に、前記シールドフレーム内における前記シールドジャッキの前方には、切羽との間にカッタチャンバーを区画する隔壁が設けられており、この隔壁には、地山を掘削するカッタヘッドが回転可能に設けられてあって、このカッタヘッドは、前記シールドフレームから前方向へ突出してある。

そして、土圧によって切羽の安定を図る形式の前記シールド掘進機にあっては、前記シールドフレーム内に、前記カッタチャンバーから掘削土砂を後方向へ搬送するスクリューコンベアが設けられている。また、泥水圧によって切羽の安定を図る形式の前記シールド掘進機にあっては、前記カッタチャンバーへ泥水を送る送泥管と、前記カッタチャンバーから掘削土砂を含む泥水を排出する排泥管とを具備している。

次に、前記シールド掘進機を用いて、トンネルの構築する作業について説明する。

即ち、まず、地山に前記トンネルの深度に応じた立坑を施工する。次に、前記シールド掘進機を前記立坑の底部まで搬送して、前記シールド掘進機による掘削の準備を行う。そして、前記カッタヘッドを回転させた状態の下で、前記カッタチャンバー内の掘削土砂等の圧力と切羽の土圧をバランスさせつつ、複数の前記シールドジャッキの作動により既設のセグメントからの反力によって前記シールド掘進機全体を前進させることにより、切羽の安定を図りつつ、前記カッタヘッドにより地山を掘削する。また、地山の掘削と並行して、前記エレクタ装置によって掘削した壁面に前記セグメントをリング状に組み付ける。更に、前述のような地山の掘削と前記セグメントの組付を連続して行うことにより、前記トンネルを構築することができる。
特開２００３−３５０８８号公報 特開平４−２８８０号公報 特開２００３−２３９６７４号公報

ところで、前記トンネルを構築するには、前述のように、前記トンネルの深度に応じた前記立坑を施工する必要があって、特に大深度の場合は、前記立坑の施工が大掛かりなものになる。そのため、前記立坑の施工期間を含めた前記トンネルの工期が長くなると共に、前記立坑の施工費を含めた前記トンネルの工費が高くなるという問題がある。

本発明の特徴は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機において、
筒状のシールドフレームと；
前記シールドフレームの内側に前後方向へ移動可能に設けられ、前側に球面状又は曲面状の支持プレートを有したスライドフレームと；
前記スライドフレームに傾動可能に設けられ、後側に前記支持プレートに摺接可能な球面状又は曲面状の摺接プレートを有し、前側に切羽との間にカッタチャンバーを区画する隔壁を有してあって、前記スライドフレームの前後方向の移動によって前記シールドフレームに没入する没入位置と、前記シールドフレームから前方向へ突出する突出位置とに切替可能に構成された傾動フレームと；
前記傾動フレームに回転可能及び／又は揺動可能に設けられ、前記傾動フレームの傾動によって前記スライドフレームの軸心に対して略垂直な垂直姿勢と、該垂直姿勢から傾斜する傾斜姿勢とに切替可能に構成され、地山を掘削するカッタヘッドと；
を具備したことである。

ここで、「回転可能及び／又は揺動可能」とは、(i)回転可能及び揺動可能、(ii)回転可能、(iii)揺動可能のいずれも含む意である。また、「揺動可能」とは、所定の範囲内で正逆方向へ回転可能であることをいう。

本発明の特徴によると、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山を掘削する場合には、次のように行う。

即ち、前記スライドフレームを前方向へ移動させて、前記傾動フレームを前記没入位置から前記突出位置に切替える。また、前記傾動フレームを中心として一方向へ傾動させて、前記カッタヘッドを前記垂直姿勢から前記傾斜姿勢に切替える。そして、前記傾斜姿勢の前記カッタヘッドを回転又は揺動させた状態の下で、前記シールド掘進機全体を前進させる。これによって、切羽の安定を図りつつ、前記傾斜姿勢の前記カッタヘッドにより深度の浅い地山を掘削することができる。

一方、前記シールド掘進機によって深度の深い地山を掘削する場合には、次のように行う。

即ち、前記スライドフレームを後方向へ移動させて、前記傾動フレームを前記突出位置から前記没入位置に切替える。また、前記傾動フレームを他方向へ傾動させて、前記カッタヘッドを前記傾斜姿勢から前記垂直姿勢に切替える。そして、前記垂直姿勢の前記カッタヘッドを回転させた状態の下で、前記カッタチャンバー内の掘削土砂等の圧力と切羽の土圧をバランスさせつつ、前記シールド掘進機全体を前進させる。これによって、切羽の安定を図りつつ、前記垂直姿勢の前記カッタヘッドにより深度の深い地山を掘削することができる。

要するに、前記傾動フレームは、前記スライドフレームの前後方向の移動によって前記没入位置と前記突出位置とに切替可能に構成され、前記カッタヘッドは、前記傾動フレームの傾動によって前記垂直姿勢と前記傾斜姿勢とに切替可能に構成されているため、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山から大深度の地山にかけて連続して掘削することができる。

以上の如き、本発明によれば、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山から大深度の地山にかけて連続して掘削することができるため、深度の深い立坑を施工することなく、前記トンネルを構築することができる。そのため、前記トンネルの工期を短縮することができると共に、前記トンネルの工費を低減することができる。

発明の実施形態

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。

ここで、図１は、深度の浅い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図であって、図２は、深度の浅い地山を掘削する際におけるカッタヘッド及びコピーカッタを示す図であって、図３は、深度の深い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図であって、図４は、深度の深い地山を掘削する際におけるカッタヘッドを示す図である。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指してあって、「ＦＲ」は、後方向を指している。

図１及び図３に示すように、本発明の実施形態に係わるシールド掘進機１は、大深度・円形断面のトンネルを構築するために用いられるものであって、筒状のシールドフレーム３を掘進機本体として具備している。なお、シールドフレーム３は、筒状の前胴と筒状の後胴が屈曲可能に連結してなる中折れ式であっても差し支えない。

シールドフレーム３の内側には、掘削した壁面にセグメント５をリング状に組み付けるエレクタ装置７が設けられている。また、シールドフレーム３の内側には、既設のセグメント５からの反力によってシールドフレーム３（換言すれば、シールド掘進機１全体）を前進させる複数のシールドジャッキ９が周方向に等間隔に配設されている。

シールドフレーム３の内側には、環状のガイドフレーム１１が一体的に設けられており、このガイドフレーム１１には、スライドフレーム１３が前後方向へ移動可能に設けられている。また、スライドフレーム１３は、前側に、球面状又は曲面状の支持プレート１５を有してあって、ガイドフレーム１１に対して回転不能になっている。そして、シールドフレーム３の取付部３ａとスライドフレーム１３の取付部１３ａとの間には、スライドフレーム１３を前後方向へ移動させるスライドジャッキ１７が設けられている。

スライドフレーム１３には、傾動フレーム１９が水平な傾動軸心Ｃを中心として傾動可能に設けられており、この傾動フレーム１９は、後側に、支持プレート１５に摺接可能な球面状の摺接プレート２１を有してあって、前側に、切羽Ｆとの間にカッタチャンバー２３を区画する隔壁２５を有している。ここで、傾動フレーム１９は、スライドフレーム１３の前後方向の移動によってシールドフレーム３に没入する没入位置（図３に示すような傾動フレーム１９の位置）と、シールドフレーム３から前方向へ突出する突出位置（図１に示すような傾動フレーム１９の位置）とに切替可能に構成されると共に、水平な傾動軸心Ｃが自己の前方側（傾動フレーム１９の前方側）に位置するように構成されている。そして、傾動フレーム１９の取付部１９ａとスライドフレーム１３の取付部１３ｂとの間には、傾動フレーム１９を水平な傾動軸心Ｃを中心として傾動させる傾動ジャッキ２７が設けられている。

傾動フレーム１９には、リング状のカッタ軸２９がベアリング３１を介して回転可能及び揺動可能（所定の範囲内で正逆方向へ回転可能）に設けられており、カッタ軸２９には、地山Ｇを掘削する円盤状のカッタヘッド３３が複数の支持部材３５を介して一体的に設けられている。換言すれば、傾動フレーム１９には、円盤状のカッタヘッド３３が複数の支持部材３５、カッタ軸２９、及びベアリング３１を介して回転可能及び揺動可能に設けられている。

また、図１から図３に示すように、カッタヘッド３３は、放射状に延びた複数の長スポーク３７と、放射状に延びかつ長スポーク３７よりも短い複数の短スポーク３９と、複数の長スポーク３７及び複数の短スポーク３９に設けられた多数のカッタビッド４１とを備えている。ここで、カッタヘッド３３は、傾動フレーム１９の傾動によってスライドフレーム１３の軸心に対して略垂直な垂直姿勢（図３に示すようなカッタヘッド３３の姿勢）と、該垂直姿勢から前方向へ傾斜する傾斜姿勢（図１に示すようなカッタヘッド３３の姿勢）とに切替可能に構成されている。そして、傾動フレーム１９の複数の取付部１９ｂには、カッタヘッド３３を回転及び揺動させるカッタモータ４３がそれぞれ設けられており、複数のカッタモータ４３の出力軸には、主動ピニオン４５がそれぞれ一体的に設けられてあって、カッタ軸２９には、複数の主動ピニオン４５に噛合したリング状の従動ギア４７が一体的に設けられている。

カッタヘッド３３には、前記傾斜姿勢のカッタヘッド３３と協働して地山Ｇを掘削する複数のコピーカッタ４９がそれぞれ設けられており、複数のコピーカッタ４９は、複数のカッタビッド５１をそれぞれ備えている。ここで、複数のコピーカッタ４９は、カッタヘッド３３の揺動に連動して長スポーク３７の先端部（換言すれば、カッタヘッド３３の外周部）からカッタヘッド３３の径方向へ往復動するようにそれぞれ構成されている。そして、カッタヘッド３３には、対応するコピーカッタ４９を前記径方向へ往復動させるコピージャッキ５３がそれぞれ設けられている。

図１及び図３に示すように、シールドフレーム３の外側には、環状のフードフレーム５５が前後方向へ移動可能に設けられており、このフードフレーム５５は、シールドフレーム３に対して回転不能になっている。ここで、フードフレーム５５は、スライドフレーム１３が前記突出位置のときに、自己の前方向の移動（フードフレーム５５の前方向の移動）によって前記傾斜姿勢のカッタヘッド３３とシールドフレーム３との間の開放領域を覆うように構成されている。そして、シールドフレーム３の内側には、フードフレーム５５を前後方向へ移動させるフードジャッキ５７が設けられており、フードジャッキ５７における可動ロッド５７ｒの先端部がフードフレーム５５の取付部５５ａに連結されている。なお、フードフレーム５５の取付部５５ａは、シールドフレーム３に形成した切欠き等によって前後方向に案内されるようになっている。

シールドフレーム３内には、カッタチャンバー２３から掘削土砂を後方向へ搬送するスクリューコンベア５９が設けられている。なお、スクリューコンベア５９によって搬送された掘削土砂は、ベルトコンベア（図示省略）等によって地上に搬送されるものである。

ガイドフレーム１１の前側上部には、カッタチャンバー２３へ泥水を送る送泥管６１（一部のみ図示）の一端部が接続されており、ガイドフレーム１１の前側下部には、カッタチャンバー２３から掘削土砂を含む泥水を排出する排泥管６３（一部のみ図示）の一端部が接続されている。なお、泥水は、送泥管６１とカッタチャンバー２３と排泥管６３との間で循環使用されるものである。

シールドフレーム３の後端部には、既設のセグメント５の外周面からシールドフレーム３内に地下水、土砂等の侵入を防ぐテールシール部材６５が設けられている。なお、詳細は省略するが、ガイドフレーム１１、スライドフレーム１３、傾動フレーム１９等からシールドフレーム３内に地下水、土砂等が侵入しないようになっている。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。

シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇを掘削する場合には、次のように行う。

即ち、スライドジャッキ１７の作動によりスライドフレーム１３を前方向へ移動させて、傾動フレーム１９を前記没入位置から前記突出位置に切替える。また、傾動ジャッキ２７の作動により傾動フレーム１９を水平な傾動軸心Ｃを中心として一方向（図１及び図３において反時計回り方向）へ傾動させて、カッタヘッド３３を前記垂直姿勢から前記傾斜姿勢に切替える。更に、フードジャッキ５７の作動によりフードフレーム５５を前方向へ移動させて、フードフレーム５５によって前記開放領域を覆う。そして、複数のカッタモータ４３の駆動により前記傾斜姿勢のカッタヘッド３３を揺動させ、かつ複数のコピージャッキ５３の作動により複数のコピーカッタ４９を連動して前記径方向へ往復動させた状態の下で、複数のシールドジャッキ９の作動により既設のセグメント５からの反力によってシールド掘進機１全体を前進させる。これによって、図１に示すように、切羽Ｆの安定及び地盤沈下の抑止を図りつつ、前記傾斜姿勢のカッタヘッド３３と複数のコピーカッタ４９の協働により深度の浅い地山Ｇを掘削することができる。

一方、シールド掘進機１によって深度の深い地山Ｇ（大深度の地山Ｇ）を掘削する場合には、次のように行う。

即ち、スライドジャッキ９の作動によりスライドフレーム１３を後方向へ移動させて、傾動フレーム１９を前記突出位置から前記没入位置に切替える。また、傾動ジャッキ２７の作動により傾動フレーム１９を水平な傾動軸心Ｃを中心として他方向へ傾動させて、カッタヘッド３３を前記傾斜姿勢から前記垂直姿勢に切替える。更に、フードジャッキ５７の作動によりフードフレーム５５を後方向へ移動させて、元の状態に復帰させる。そして、複数のカッタモータ４３の駆動により前記垂直姿勢のカッタヘッド３３を回転させた状態の下で、カッタチャンバー２３内の掘削土砂等の圧力と切羽Ｆの土圧をバランスさせつつ、複数のシールドジャッキ９の作動によりシールド掘進機１全体を前進させる。これによって、図３に示すように、切羽Ｆの安定を図りつつ、前記垂直姿勢のカッタヘッド３３により深度の深い地山Ｇを掘削することができる。なお、カッタチャンバー２３内の掘削土砂等の圧力と切羽Ｆの土圧をバランスさせるために、複数のシールドジャッキ９による推進力を調節する他に、スクリューコンベア５９によって搬送される掘削土砂の搬送量、或いは、送泥管６１によって送られる泥水の流量及び排泥管６３によって排出される泥水の流量を調節してもよい。

要するに、傾動フレーム１９は、スライドフレーム１３の前後方向の移動によって前記没入位置と前記突出位置とに切替可能に構成され、カッタヘッド３３は、傾動フレーム１９の傾動によって前記垂直姿勢と前記傾斜姿勢とに切替可能に構成され、複数のコピーカッタ４９は、カッタヘッド３３の揺動に連動して長スポーク３７の先端部から前記径方向へ往復動するようにそれぞれ構成され、フードフレーム５５は、スライドフレーム１３が前記突出位置のときに、自己の前方向の移動によって前記開放領域を覆うように構成されているため、シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇから大深度の地山Ｇにかけて連続して掘削することができる。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇから大深度の地山Ｇにかけて連続して掘削することができるため、深度の深い立坑を施工することなく、大深度・円形断面の前記トンネルを構築することができる。そのため、前記トンネルの工期を短縮することができると共に、前記トンネルの工費を低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものではなく、例えば、次のように適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。即ち、カッタヘッド３３が傾動フレーム１９に回転可能及び揺動可能に設けられる代わりに、傾動フレーム１９に回転可能又は揺動可能に設けられてもよい。また、複数のコピーカッタ４９は、カッタヘッド３３の揺動に連動してカッタヘッド３３の径方向へ往復動するようにそれぞれ構成される代わりに、カッタヘッド３３の回転に連動してカッタヘッド３３の径方向へ往復動するようにそれぞれ構成されてもよい。

深度の浅い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図である。 深度の浅い地山を掘削する際におけるカッタヘッド及びコピーカッタを示す図である。 深度の深い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図である。 深度の深い地山を掘削する際におけるカッタヘッドを示す図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
３ シールドフレーム
９ シールドジャッキ
１３ スライドフレーム
１５ 支持プレート
１７ スライドジャッキ
１９ 傾動フレーム
２１ 摺接プレート
２３ カッタチャンバー
２５ 隔壁
２７ 傾動ジャッキ
３３ カッタヘッド
４３ カッタモータ
４９ コピーカッタ
５３ コピージャッキ
５９ スクリューコンベア
６１ 送泥管
６３ 排泥管
Ｇ 地山
Ｆ 切羽
Ｃ 傾動中心

Claims (5)

1. トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機において、
   筒状のシールドフレームと；
   前記シールドフレームの内側に前後方向へ移動可能に設けられ、前側に球面状又は曲面状の支持プレートを有したスライドフレームと；
   前記スライドフレームに傾動可能に設けられ、後側に前記支持プレートに摺接可能な球面状又は曲面状の摺接プレートを有し、前側に切羽との間にカッタチャンバーを区画する隔壁を有してあって、前記スライドフレームの前後方向の移動によって前記シールドフレームに没入する没入位置と、前記シールドフレームから前方向へ突出する突出位置とに切替可能に構成された傾動フレームと；
   前記傾動フレームに回転可能及び／又は揺動可能に設けられ、前記傾動フレームの傾動によって前記スライドフレームの軸心に対して略垂直な垂直姿勢と、該垂直姿勢から傾斜する傾斜姿勢とに切替可能に構成され、地山を掘削するカッタヘッドと；
   を具備したことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記シールドフレームに前後方向へ移動可能に設けられ、前記スライドフレームが前記突出位置のときに、自己の前方向の移動によって前記傾斜姿勢の前記カッタヘッドと前記シールドフレームとの間の開放領域を覆うように構成されたフードフレームと；
   を具備したことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記カッタヘッドに設けられ、前記カッタヘッドの回転又は揺動に連動して前記カッタヘッドの外周部から前記カッタヘッドの径方向へ往復動するようにそれぞれ構成され、前記傾斜姿勢の前記カッタヘッドと協働して地山を掘削するコピーカッタと；
   を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 前記傾動フレームは、傾動軸心が自己の前方側に位置するように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のシールド掘進機。
5. 前記カッタチャンバーから掘削土砂を後方向へ搬送するスクリューコンベアと；
   前記カッタチャンバーへ泥水を送る送泥管と；
   前記カッタチャンバーから掘削土砂を含む泥水を排出する排泥管と；
   を具備したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のシールド掘進機。
   

Images