JP2009299260A - カッターヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】切削効率を低下させることなく、スポーク間、或いはカッタービットに付着する掘削土の付着防止が可能なカッターヘッドを提供すること。
【解決手段】軸心がシールド掘進機１の軸心と同心状に配設されるカッターヘッド５は、胴部材２の前端側に配設され、閉断面構造で円環状のメインリングフレーム３０、メインリングフレーム３０から後方へ延びる複数の連結部材３１、メインリングフレーム３０の前面に３列と外周側面に１列、半径方向に離隔された４列の同心円状に配設されたカッタービット３２を有するため、スポーク数を増加することなく、外周ビットパス数を増加でき、掘削効率の向上が可能となり、しかも、カッターヘッド５の中央部分の開口面積を確保することができることから、スポーク間に付着、或いは圧密する掘削土が減少できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シールド掘進機のカッターヘッドに関し、特に、掘削された土砂がカッターヘッドに付着或いは圧密することを防止可能なカッターヘッドに関するものである。

従来、シールド掘進機は、胴部材と、胴部材の前端側に配設され、回転可能に支持されると共に複数のカッタービットが装備される複数のカッタースポークを備えたカッターヘッドと、胴部材の前端部分内側のチャンバの後端を仕切る隔壁と、カッターヘッドを回転可能に支持するカッター支持機構と、カッターヘッドを回転駆動する回転駆動機構とを備え、その他、複数のシールドジャッキ、スクリューコンベア等の排土装置、エレクター、真円保持装置、後部作業デッキ等を備えている（特許文献１）。

一般に、シールド掘進機において、カッター支持機構は、胴部材の内部に固定的に設けられた外周リングと、外周リングに回転自在に嵌合支持されてカッター機構の後端部が連結されたカッタードラムとを有し、回転駆動機構は、カッタードラムの後端部に連結されたリングギヤと、リングギヤに噛合する複数のピニオンと、複数のピニオンを夫々回転させる複数のモータとを有している。

一方、掘進機の掘削効率を向上させるためには、カッターヘッドの半径方向外周側部分におけるビットパス数を増加する必要があり、スポークの構造上、従来、放射状に設けるカッタースポークの数を多くする必要があった。
ところが、外周ビットパス数を増加するためにカッタースポークの数を増加すると、カッターヘッドの中央部分が各カッタースポークによって閉塞され、カッタースポーク間に土砂が付着し、カッタートルクの上昇、更には掘削速度の低下を招くことになっていた。

特許文献１では、チャンバの隔壁に閉塞物除去装置を首振り自在に支持して、首振り操作と伸縮操作とを併用することにより、機械的な押圧力を加える範囲を拡大し、カッターフェイスやカッタースポーク間に付着している土砂に機械的な押圧力を加えて土砂の付着を解消する技術が提案されている。

また、回転式掘削機を前提とする特許文献２では、掘削中のカッターヘッドをマイナス電極とし、このカッターヘッドによる溝と平行に横穴を形成すると共に、この横穴を通過し、カッターヘッドと並進する金属部材をプラス電極として、両電極間に直流電圧を印加通電することにより、電気分解を行いカッターヘッドの表面からガスを発生させて、カッターヘッドに土砂が付着し難い状態を保つ技術が提案されている。

特開平１１−３２４５６８号公報 特開平５−３２１２６１号公報

特許文献１では、カッタースポーク間に付着している土砂に対して、直接的に押圧力を加えるため、確実な付着土砂の除去が期待できる。しかしながら、土砂の付着が始まると、付着土砂に比例してカッタートルクが上昇することになり、土砂の除去が行われるまで切削効率が低下してしまう。また、閉塞物除去装置によって土砂の除去作業を行うには、掘進機の作動を一旦停止する必要があることから、頻繁に土砂の除去を行うことは、作業効率上好ましくない。

一方、特許文献２では、回転式掘削機の掘削動作を停止することなく、土砂を電極によりイオン化することで、カッターヘッドへの土砂付着を防止することが可能である。しかしながら、カッターヘッドが進行する溝とは別に、金属部材が進行する横穴を形成する必要があり、土砂付着の可能性がない時にも金属部材がカッターヘッドと並進する必要がある。

本発明の目的は、掘削効率を低下させることなく、カッタースポーク間、或いはカッタービットに付着する掘削土の付着防止が可能なカッターヘッドを提供することである。

請求項１のカッターヘッドは、シールド掘進機の前端側に配置され、複数のカッタービットが装備され回転駆動手段により回転駆動されるカッターヘッドにおいて、カッターヘッドは、閉断面構造で円環状のメインリングフレームであって、このメインリングフレームの軸心を中心とする半径方向の幅が、複数のカッタービットを配設可能な大きさに形成されたメインリングフレームと、このメインリングフレームの前面に、半径方向に離隔する複数の同心円状に配設された複数列のカッタービットとを備え、カッターヘッドは、回転駆動手段の円環状のカッタードラムに複数の連結部材を介して連結されたことを特徴とする。

請求項２のカッターヘッドは、請求項１の発明において、メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と同心状に配設され、カッターヘッドは、メインリングフレームの内側空間の中心部に配設されたセンタコアと、このセンタコアとメインリングフレームとを連結する１叉は複数のカッタースポークと、このカッタースポークに付設された複数列のカッタービットとを有することを特徴とする。

請求項３のカッターヘッドは、請求項１の発明において、メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と異なる位置に平行に配設され、カッターヘッドは自転しながら公転又は揺動運動して掘削するように構成されたことを特徴とする。

請求項４のカッターヘッドは、請求項１〜３の発明において、カッタースポークは、カッタービット交換の際にその内部に作業者が入り得る構造を有することを特徴とする。

請求項１のカッターヘッドによれば、シールド掘進機の前端側に配置され、複数のカッタービットが装備され回転駆動手段により回転駆動されるカッターヘッドにおいて、カッターヘッドは、閉断面構造で円環状のメインリングフレームであって、このメインリングフレームの軸心を中心とする半径方向の幅が、複数のカッタービットを配設可能な大きさに形成されたメインリングフレームと、このメインリングフレームの前面に、半径方向に離隔する複数の同心円状に配設された複数列のカッタービットとを備え、カッターヘッドは、回転駆動手段の円環状のカッタードラムに複数の連結部材を介して連結されているため、掘削効率を低下させることなく、カッタースポーク間、或いはカッタービットに付着する掘削土の付着防止が可能となる。

つまり、カッターヘッドの前端面外周に、閉断面構造で円環状のメインリングフレームを形成し、半径方向に離隔する同心円状に配設された複数列のカッタービットを装備したことで、カッタースポーク数を増加することなく、外周ビットパス数を増加でき、掘削効率の向上が可能となる。しかも、カッタースポークが存在しない、或いは最小限とするため、カッターヘッドの中央部分の開口面積を確保することができ、カッタースポーク間に付着、或いは圧密する掘削土が減少できる。更に、人がカッタースポーク内に入って、カッター交換等作業するタイプの掘進機では、カッタースポーク数が少ないことから、カッタースポーク断面を人が充分な作業ができる程度に大きく確保することができ、作業性向上を図ることが可能となる。

請求項２のカッターヘッドによれば、メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と同心状に配設され、カッターヘッドは、メインリングフレームの内側空間の中心部に配設されたセンタコアと、このセンタコアとメインリングフレームとを連結する１叉は複数のカッタースポークと、このカッタースポークに付設された複数列のカッタービットとを有するため、外周ビットパス数の増加しつつ、最小限のカッタースポークでカッターヘッド前面の掘削効率向上が図れる。

請求項３のカッターヘッドによれば、メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と異なる位置に平行に配設され、カッターヘッドは自転しながら公転又は揺動運動して掘削するため、所望の掘削断面形状を得ることが可能となる。

請求項４のカッターヘッドによれば、カッタースポークは、カッタービット交換の際にその内部に作業者が入り得る構造を有するため、カッター交換作業の作業性向上を図ることが可能となる。

本発明のシールド掘進機は、胴部材、胴部材の前端側に配設されたカッターヘッド、胴部材の前端部分内側のチャンバの後端を仕切る隔壁、胴部材の内面に外周部が固着され、前面部に隔壁の外周側部分を形成する第１隔壁を有する前部環状部材、カッターヘッドの後端部に設けられ、隔壁の中央側部分の少なくとも一部を形成する第２隔壁を有している。

更に、各作動機構としては、前部環状部材の内周部に内嵌状に後側へ取外し可能に装着され、カッターヘッドを回転可能に支持するカッター支持機構、カッター支持機構に装備され、カッターヘッドを回転駆動する回転駆動手段としてのカッター駆動機構を有している。特に、カッターヘッドは、メインリングフレームの回転軸心がシールド掘進機の軸心と同心状に配設されると共に、半径方向に設置されるスポークを備えない、或いは最小限の設置数となっている。

先ず、シールド掘進機１について説明する。
図１〜図４に示すように、シールド掘進機１は、胴部材２、前部環状部材３、中央部環状部材４、カッターヘッド５、チャンバ６、隔壁７、カッター支持機構８、カッター駆動機構９、複数のシールドジャッキ１０、スクリューコンベア１１，１２、支柱１３、エレクター１４、真円保持装置１５、後部作業デッキ１６等を備えている。

胴部材２は円筒状に形成され、胴部材２の前部の内面に前部環状部材３の外周部が固着され、胴部材２の中央部の内面に中央部環状部材４の外周部が固着されている。胴部材２の後端部分には裏込注入装置１７とテールシール１８が装備されている。前部環状部材３は胴部材２の前端よりも少し後側に配置されて、比較的大きい前後方向幅と比較的小さい内径とを有し、前面部に隔壁７の外周側部分を形成する第１隔壁１９を有する。

複数のシールドジャッキ１０は、胴部材２の中央部分の内面に沿って周方向適当間隔おきに後向きに配設されて、中央部環状部材４に貫通状に固定されている。スクリューコンベア１１は、前方斜め下方へ傾斜して前部環状部材３の下部を貫通し、その前端がチャンバ６の下部に臨んでいる。スクリューコンベア１２は、スクリューコンベア１１の後端に接続されて、後方へ略水平に延びている。

シールドジャッキ１０は、掘進機１を前方へ前進させる為のものであり、後方台車に装備した油圧供給源に接続されている。シールドジャッキ１０のジャッキ本体から後方へ向けてロッドが進退し、そのロッドの先端部に頸振り自在に連結されたスプレッダを、トンネルの内面に覆工されたセグメントの前端に当接させて掘進の反力を取りながら掘進機１を前進させる。

中央部環状部材４には、支柱１３が固定支持され、その後側にエレクター１４が取付けられ、エレクター１４の後方に真円保持装置１５が配設されている。後部作業デッキ１６は、その前端部が支柱１３に連結されて、エレクター１４、真円保持装置１５の内側を通るように後方へ延びている。

支柱１３に取付けられた１対のエレクター１４は、トンネルの周方向へ移動可能に且つ前後方向へ所定距離移動可能に装備されており、掘削されたトンネルの内面に対してセグメントを覆工していく。

軸心がシールド掘進機１の軸心と同心状に配設されるカッターヘッド５は、胴部材２の前端側に配設され、閉断面構造で円環状のメインリングフレーム３０、メインリングフレーム３０から後方内周方向へ延びる６本の連結部材３１、メインリングフレーム３０の前面に３列、外周側面に１列配置され、半径方向に離隔された４列の同心円状に配設されたカッタービット３２とを有している。また、メインリングフレーム３０の後部には、作業者がメインリングフレーム３０の閉断面内に進入可能な進入口４３が形成されており、カッタービット３２の交換作業やその他補修が可能となっている。

メインリングフレーム３０の断面は後方内側の二つの長辺を有した七角形形状をしており、カッターヘッド５の正面側４辺において、この辺夫々に同心円状のカッタービット３２が１列づつ装着されている。このメインリングフレーム３０内側空間の回転軸心部分には、連結部材３１に支持される略円錐状のセンタコア３３と、このセンタコア３３の背面に設けられる第２隔壁３４とが設置されている。尚、センタコア３３の前面部にセンターカッターを設置し、メインリングフレーム３０の後面部に攪拌羽根を設置することも可能である。また、メインリングフレーム３０の内部にコピーカッターを出没駆動する油圧シリンダを設けても良い。

チャンバ６は、カッターヘッド５の後側において、胴部材２の前端部分内側に形成され、このチャンバ６の後端が隔壁７で仕切られている。カッターヘッド５（連結部材３１）の後端部分には円板状に形成された第２隔壁３４が設けられ、この第２隔壁３４は、第１隔壁１９と略同一面状に位置して、隔壁７の中央部分を形成している。つまり、隔壁７は第１隔壁１９と第２隔壁３４とで構成されている。尚、隔壁７の前方において止水材やモルタル等の地盤改良材をカッターヘッド５に供給するために、第２隔壁３４の中央部分後側にロータリジョイントを設けることも可能である。

カッター支持機構８は、カッターヘッド５をカッタードラム３５を介して回転可能に支持する機構であり、第２隔壁３４の後側において、前部環状部材３の内周部に内嵌状に後側へ取外し可能に装着されている。このカッター支持機構８は、前部環状部材３の内周部に内嵌固定され、カッタードラム３５を回転支持可能な第１環状部材３６と、第１環状部材３６の後端から半径方向に延設される第２環状部材３７によって構成されている。

回転駆動手段としてのカッター駆動機構９は、カッターヘッド５をカッタードラム３５を介して回転駆動する機構であり、カッター支持機構８に装備されている。このカッター駆動機構９は、カッタードラム３５の後端部に連結されたリングギヤ３８、リングギヤ３８に噛合する複数のピニオン３９、第２環状部材３７に固定されて複数のピニオン３９を夫々回転させる複数のモータ４０（例えば、油圧モータ）を有する。

リングギヤ３８は、カッタードラム３５と第２環状部材３７との間に配設され、後端部が第２環状部材３７に摺動自在に当接し、リングギヤ３８の外周部にギヤ歯が形成されている。複数の油圧モータ４０は、第２環状部材３７に周方向適当間隔おきに配設されて前向きに貫通状に固定され、各油圧モータ４０の出力軸にピニオン３９が取付けられている。

以上のように、カッターヘッド５の前端面外周に、閉断面構造で円環状のメインリングフレーム３０を形成し、半径方向に離隔する複数の同心円状に配設された複数列のカッタービット３２を装備したことで、カッタースポークを設けることなく、外周のビットパス数を増加でき、掘削効率の向上が可能となる。しかも、カッタースポークが存在しないため、カッターヘッド５の中央部分の開口面積を確保することができ、カッタースポーク間に付着、或いは圧密する掘削土を減少することができる。

図３及び図４に基づき、カッターヘッド５の変形例として実施例２を説明する。
図３は実施例２の正面図、図４は図３のIV-IV線断面図を示している。尚、実施例１と同一部材は同一の符号を付している。

本実施例２では、メインリングフレーム３０の内周両端を横断するカッタースポークとして、カッタービット３２ａが７列直線状に配置されるカッタービット列４１を形成したセンタフレーム４２を１本設けている。このセンタフレーム４２は連結部材３１を介してカッタードラム３５に連結されており、油圧モータ４０、ピニオン３９、リングギヤ３８、カッタードラム３５、連結部材３１、メインリングフレーム３０、センタフレーム４２の経路で動力が伝達されて、回転軸心となるセンタコア３３を中心に回転動作を行うように構成されている。

センタフレーム４２に配置されるカッタービット列４１のカッタービット３２ａは、回転軸心から一端側の配置位置と回転軸心から他端側の配置位置とはオフセットして夫々設置されており、センタフレーム４２が回転軸心回りに回転した際、一端側のカッタービット３２ａの掘削箇所と他端側のカッタービット３２ａの掘削箇所とは重複しないように構成されている。

メインリングフレーム３０は、作業者が閉断面内に進入可能な進入口４３が形成されており、カッタービット３２の交換作業等が可能となっている。また、同様に、センタフレーム４２の内部に進入可能な進入口４４が形成されている。

図５及び図６に基づき、実施例３を説明する。
図５は実施例３の正面図、図６は図５のVI-VI線断面図を示している。尚、実施例１と同一部材は同一の符号を付している。

本実施例３では、メインリングフレーム３０の内周両端を横断するカッタースポークとして、２列のカッタービット列４５を有するセンタフレーム４６を２本、直交配置となるように設けている。このセンタフレーム４２は連結部材３１を介してカッタードラム３５に連結されており、油圧モータ４０、ピニオン３９、リングギヤ３８、カッタードラム３５、連結部材３１、メインリングフレーム３０、センタフレーム４６の経路で動力が伝達されて、センタコア３３を中心に回転動作を行うように構成されている。

センタフレーム４６のカッタービット３２ｂは、２本のセンタフレーム４６のうち一方のセンタフレーム４６のカッタービット３２ｂ設置位置と他方のセンタフレーム４６のカッタービット３２ｂ設置位置とはオフセットして設置されており、センタフレーム４６が回転軸心となるセンタコア３３回りに回転した際、一方側のカッタービット３２ｂの掘削箇所と他方側のカッタービット３２ｂの掘削箇所とは重複しないように構成されている。

次に、図７〜図９に基づいて、実施例４について説明する。尚、実施例１と同一部材は同一の符号を付している。
実施例４のシールド掘進機は、トンネルの断面形状に近似した断面楕円形の胴部材を有し、チャンバ６の後端を仕切る隔壁の一部を構成し掘進機本体の中心の回りに回転駆動される円板部材に、前記中心からの位置を可変に装備された１対の回転型カッターヘッドを設け、それら１対の回転型カッターヘッドにより断面楕円形のトンネルを掘削するように構成したシールド掘進機である。カッターヘッドは、実施例１と同様の仕様で、スポークが存在しておらず、中央部分の開口面積を確保することができ、掘削土がスポーク間に付着、或いは圧密しない構造となっており、掘進機の軸心とカッターヘッドの軸心とは平行で異なった位置となっている。

図７〜図９に示すように、このシールド掘進機１は、前端部と隔壁７とを含む胴部材２と、この胴部材２の前端部に装備された１対の回転型カッターヘッド５と、これら１対のカッターヘッド５をトンネル軸心と直交する方向へ移動させるカッターヘッド移動機構５０と、複数のシールドジャッキ１０と、スクリューコンベア１１と、セグメントを覆工する為のエレクター１４と、電源と油圧源と掘削用の制御ユニットとその他必要な諸装置を装備した後方台車（図示略）などを有する。

前記胴部材２について説明する。
前記胴部材２は、その断面形状が掘削するトンネルの断面形状に近似した楕円形に構成され、胴部材２は鋼板部材で構成されている。胴部材２は、前胴２Ａとこの前胴２Ａの後端に固定された後胴２Ｂとを有し、後胴２Ｂの後端部にはテールシール１ａが設けられている。胴部材２の前端部内には、掘削した土砂を導入するチャンバ６が形成され、このチャンバ６の後端を仕切る隔壁７が胴部材２の前端寄り部位に設けられている。

前胴１Ａの前後方向途中部の内側には補強用の楕円形の第１リング部５１が設けられ、前胴２Ａの後端部の内側にも補強用の楕円形の第２リング部５２が設けられている。尚、第１リング部５１の位置には、胴部材２から外側へ所定長さ突出して胴部材２のローリングを防止する為の上下１対のロール規制部材５３が装備されている。

１対の回転型カッターヘッド５と、これらカッターヘッド５をトンネルの軸心と直交する方向へ移動させるカッターヘッド移動機構５０について説明する。
このカッターヘッド移動機構５０は、円板部材５４と、この円板部材５４を回転駆動する為の第１回転駆動機構５５と、１対の揺動アーム５６と、これら１対の揺動アーム５６とを夫々回転駆動する為の１対の第２回転駆動機構５７と、１対の揺動アーム５６の先端部に夫々固着された１対のヘッド支持部材５６ａと、図示しないセンサ類及び制御ユニットを有する。

円板部材５４について説明する。
この円板部材５４は、胴部材２の前端寄り部分に胴部材２の中心である第１軸心Ａ１の回りに回転可能に装備されて隔壁７の一部を構成している。円板部材５４は隔壁７の中央部分に配設されている。胴部材２の第１リング部５１の内周部には円筒部５１ａが設けられており、円板部材５４は円筒部５１ａに回転自在に内嵌状に装着されている。円板部材５４の外周部には、断面Ｌ形の円環部５４ａが設けられ、この円環部５４ａの後部にリングギヤ５５ａが固定され、円環部５４ａと第１リング部５１側の部材との間にはベアリング（図示略）が設けられている。円筒部５１ａと円環部５４ａの間には液密にシールする複数の環状のシール部材（図示略）が設けられ、円筒部５１ａに対して円環部５４ａが前後方向に移動しないように構成されている。

円板部材５４を回転駆動する為の第１回転駆動機構５５は、胴部材２の第１リング部５１に装備された複数の油圧モータ５５ｍにより、各油圧モータ５５ｍの出力軸に固定されたピニオン５５ｐを介してリングギヤ５５ａを正転方向と逆転方向に択一的に回転駆動可能に構成されている。

１対の揺動アーム５６について説明する。
これら１対の揺動アーム５６は隔壁７よりも前側に配設され、これら揺動アーム５６の円形基端部５６ｂは、第１軸心Ａ１と平行で且つ、第１軸心Ａ１に対して回転対称な１対の第２軸心Ａ２の回りに回転自在に円板部材５４に夫々支持されている。尚、第２軸心Ａ２は、円板部材５４の半径をＲとして第１軸心Ａ１から約（３／４）×Ｒ離隔した外周寄りの位置にある。揺動アーム５６の円形基端部５６ｂ以外の部分はチャンバ６内に突出しており、円形基端部５６ｂのうちの円板部材５４の外側へはみ出す部分は、チャンバ６内に突出している。

各揺動アーム５６の円形基端部５６ｂの外周部には円環部５６ｃが形成され、この円環部５６ｃにリングギヤ５７ａが固定され、このリングギヤ５７ａは、円板部材５４の外側へはみ出した際に隔壁７の前面に摺接叉は近接する。この円環部５６ｃと、円板部材５４に形成された部分円環部５４ｂの間には、複数の液密にシールする為のし複数のシール部材（図示略）が設けられ、部分円環部５４ｂに対して円環部５６ｃが前後方向へ移動しないように構成されている。

１対の揺動アーム５６は、第１軸心Ａ１に対して回転対称の位置関係になるように，後述のように制御される。各揺動アーム１９は円形基端部５６ｂから所定長さ延びるアーム本体部を有し、このアーム本体部の先端部にはヘッド支持部材５６ａが設けられている。

各揺動アーム５６の円形基端部５６ｂを第２軸心Ａ２の回りに回転駆動する第２回転駆動機構５７が設けられている。この第２回転駆動機構５７は、円板部材５４の部分円環部５４ｂに装備された複数の油圧モータ５７ｍにより、各油圧モータ５７ｍの出力軸に固定されたピニオン５７ｐを介してリングギヤ５７ａを正転方向と逆転方向に択一的に回転駆動可能に構成されている。こうして、１対の揺動アーム５６は、第１軸心Ａ１の回りに公転しながら第２軸心Ａ２の回りに揺動（自転）駆動され、第１軸心Ａ１に対して回転対称の姿勢となるように制御される。

回転型カッターヘッド５は、揺動アーム５６の先端部のヘッド支持部材５６ａに、第２軸心Ａ２と平行な第３軸心Ａ３の回りに回転可能に装備されている。１対の回転型カッターヘッド５は、胴部材２の前端部に対応する前後方向位置に配置されており、１対のカッターヘッド５を第１軸心Ａ１に対して回転対称の位置に保持しながら、これら回転型カッターヘッド５をほぼ楕円形を描くように移動させることにより、胴部材２と近似する楕円形断面のトンネルを掘削するように構成されている。この回転型カッターヘッド５は胴部材２の楕円形断面の短直径の半分の大きさの直径を有するものである（図９参照）。

回転型カッターヘッド５は、閉断面構造で円環状のメインリングフレーム３０、メインリングフレーム３０から後方へ延びる６本の連結部材３１、メインリングフレーム３０の前面に３列、外周側面に１列の半径方向に離隔された４列の同心円状に配設されたカッタービット３２とを有している。メインリングフレーム３０の断面は後部内側に２つの長辺を有する７角形形状をしており、カッターヘッド５の正面側４辺において、辺夫々に同心円状のカッタービット３２列が１列づつ装着されている。

回転型カッターヘッド５を第３軸心Ａ３の回りに回転駆動する為の第３回転駆動機構５８が揺動アーム５６に設けられている。この第３回転駆動機構５８は、円形フレーム５ａに装備されたリングギヤ５８ａと、環状部５８ｃに装備された複数の油圧モータ５８ｍなどを有し、第３回転駆動機構５８は、複数の油圧モータ５８ｍにより、それら油圧モータ５８ｍの出力軸に設けられたピニオン５８ｐを介してリングギヤ５８ａを正転方向と逆転方向に択一的に回転駆動可能に構成されている。

第１，第２，第３回転駆動機構５５，５７，５８の制御について概略を説明する。
図示しない第１回転角センサと、１対の第２回転角センサとを設け、この第１，第２回転角センサからの検出信号に基づいて、１対の回転形カッターヘッド５により楕円形断面のトンネルを掘削するように第１，第２回転駆動機構５５，５７の図示しない制油圧制御弁を制御するように構成している。

第１回転角センサは、円板部材５４の基準位置（例えば、図８に示す位置）からの回転角を検出するものである。この第１回転角センサは、リングギヤ５５ａのギヤ歯を検出する電磁ピックアップからなり、第１リング部５１に固定されている。リングギヤ５５ａの多数のギヤ歯のうち基準位置のギヤ歯だけに分断用小孔が形成され、前記電磁ピックアップにより基準位置のギヤ歯から２つのパルス（基準パルス）を検出し、その他の多数のギヤ歯から夫々１つのパルスを検出する。供給されるパルス数を計数することにより、リングギヤ５５ａの基準位置からの所定方向への回転角（円板部材５４の回転角）が検知される。尚、油圧モータ５５ｍの回転方向も加味してパルス数を計数することにより、リングギヤ５５ａの上記所定方向と反対方向への回転角も検知される。

１対の第２回転角検出センサは、１対の揺動アーム５６の円板部材５４に対する基準位置（例えば、図８示す位置）からの第２軸心Ａ２の回りの回転角を夫々検出するものであり、リングギヤ５７ａのギヤ歯を検出する電磁ピックアップからなり、円板部材５４の部分円環部５４ｂに固定されている。リングギヤ５７ａの多数のギヤ歯のうち基準位置のギヤ歯だけに分断用の小孔が形成され、上記の電磁ピックアップにより基準位置のギヤ歯から２つのパルス（基準パルス）を検出し、その他の多数のギヤ歯から夫々１つのパルスを検出する。

前記電磁ピックアップから供給される基準パルスから基準位置を検知し、その基準位置検出以降に供給されるパルス数を計数することにより、リングギヤ５７ａの基準位置から所定方向への回転角（揺動アーム５６の揺動回転角）が検知される。尚、油圧モータ５７ｍの回転方向も加味してパルス数を計数することにより、リングギヤ５７ａの上記所定方向と反対方向への回転角も検知される。

第１回転駆動機構５５は、油圧制御弁を有しており、この油圧制御弁により複数の油圧モータ５５ｍへ供給する油圧の油量を制御することにより、油圧モータ５５ｍの回転角を制御し、円板部材５４の回転角を制御するように構成されている。第２回転駆動機構５７についても同様であり、図示しない制御ユニットで制御される油圧制御弁を有し、この油圧制御弁により複数の油圧モータ５７ｍへ供給する油圧の油量を制御することにより、油圧モータ５７ｍの回転角を制御し、揺動アーム５６の回転角（揺動角）を制御するように構成されている。

第３回転駆動機構５８は、回転型カッターヘッド５の回転方向と回転速度を制御する為に、制御ユニットで制御される油圧制御弁を有し、この油圧制御弁により複数の油圧モータ５８ｍへ供給する油圧の油量と供給方向を制御することにより、油圧モータ５８ｍの回転方向と回転速度を制御し、回転型カッターヘッド５の回転方向と回転速度を制御するように構成されている。尚、胴部材２に作用するローリングトルクを小さくする為に、１対の回転型カッターヘッド５は互いに反対方向へ回転駆動される。

以上説明した実施例４に係るシールド掘進機１の作用、効果について説明する。
第１回転駆動機構５５で円板部材５４を回転させつつ、１対の第２回転駆動機構５７により１対の揺動アーム５４を第１軸心Ａ１に対して回転対称の位置関係に保持しながら、１対の第３回転駆動機構５８で１対の回転型カッターヘッド５を回転駆動しつつ、カッターヘッド５の中心（第３軸心Ａ３）を移動させることで、楕円形断面のトンネルを掘削できる。

更に、カッターヘッド５の前端面外周に、閉断面構造で円環状のメインリングフレーム３０を形成し、半径方向に離隔する複数の同心円状に配設された複数列のカッタービット３２を装備したことで、スポークを設けることなく、外周のビットパス数を増加でき、掘削効率の向上が可能となる。しかも、スポークが存在しないため、カッターヘッド５の中央部分の開口面積を確保することができ、スポーク間に付着、或いは圧密する掘削土を減少することができる。

図１０〜図１２に基づいて、カッターヘッド５の変更例について説明する。
図１０は、円形状の閉断面をなすメインリングフレーム３０の内周両端を横断するカッタースポークを廃止したカッターヘッド５を示しており、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は通常フレームよりも断面が大とされる交換フレームを示している。メインリングフレーム３０の前面には、同心円状のカッタービット３２が１列づつ３列配置されている。

図１１は、円形状の閉断面をなすメインリングフレーム３０の内周両端を横断するスポークとして、センタコア３３を通るセンタフレーム４２を１本配置したカッターヘッド５を示しており、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は通常フレームよりも断面が大とされる交換フレームを示している。
メインリングフレーム３０の前面には、図１０と同様に、同心円状のカッタービット３２が１列づつ３列配置されている。

センタフレーム４２に配置される左右１対のカッタービット列４１のカッタービット３２ａは、回転軸心のセンタコア３３から一方側の配置位置と回転軸心から他方側の配置位置とはオフセットして夫々設置されており、センタフレーム４２がセンタコア３３回りに回転した際、一方側のカッタービット３２ａの掘削箇所と他方側のカッタービット３２ａの掘削箇所とは重複しないように構成されている。

図１２は、円形状の閉断面をなすメインリングフレーム３０の内周両端を横断するカッタースポークとして左右１対の２列のカッタービット列４５を有するセンタフレーム４６を２本、直交配置となるように設けたカッターヘッド５を示しており、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は通常フレームよりも断面が大とされる交換フレームを示している。
メインリングフレーム３０の前面には、図１０と同様に、同心円状のカッタービット３２が１列づつ３列配置されている。

センタフレーム４６のカッタービット３２ｂは、２本のうち一方のセンタフレーム４６のカッタービット３２ｂの設置位置と他方のセンタフレーム４６のカッタービット３２ｂの設置位置とはオフセットして設置されており、センタフレーム４６がセンタコア３３回りに回転した際、一方側のカッタービット３２ｂの掘削箇所と他方側のカッタービット３２ｂの掘削箇所とは重複しないように構成されている。

既に説明したように、メインリングフレーム３０の断面形状は七角形や円形の他、図１３に示すように、三角形（ｆ）、四角形（ｂ）、六角形（ｅ）、八角形（ｇ）形状及び、扇形状（ｄ）、トンネル形状（ｃ）等その用途、目的によって選択可能である。また、センタコア３３やセンタフレーム４２，４６は必要に応じて設定するものであり、少なくとも、メインリングフレーム３０の前面に同心円状のカッタービット３２が１列づつ複数列配置されるものであれば、本発明の効果を得ることが可能である。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

実施例１に係るシールド掘進機の縦断面図である。 実施例１に係るシールド掘進機の正面図である。 実施例２に係るシールド掘進機の正面図である。 図３のIV-IV線断面図である。 実施例３に係るシールド掘進機の正面図である。 図５のVI-VI線断面図である。 実施例４に係るシールド掘進機の縦断面図である。 実施例４に係るシールド掘進機(基準位置)の正面図である。 実施例４に係るシールド掘進機の正面図である。 センタフレームを有さないカッターヘッドの変形例を示し、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は交換フレームの図である。 センタフレームを１本備えるカッターヘッドの変形例を示し、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は交換フレームの図である。 センタフレームを２本備えるカッターヘッドの変形例を示し、(ａ)は通常フレーム、(ｂ)は交換フレームの図である。 メインリングフレームの断面形状の変形例（ａ）〜（ｇ）を示す図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
５ カッターヘッド
９ カッター駆動機構
３０ メインリングフレーム
３１ 連結部材
３２ カッタービット
３３ センタコア
３５ カッタードラム
４０ 油圧モータ
４２，４６ センタフレーム
４３，４４ 進入口
５４ 円板部材
５５ 第１回転駆動機構
５６ 揺動アーム
５７ 第２回転駆動機構
５８ 第３回転駆動機構

Claims (4)

1. シールド掘進機の前端側に配置され、複数のカッタービットが装備され回転駆動手段により回転駆動されるカッターヘッドにおいて、
   前記カッターヘッドは、閉断面構造で円環状のメインリングフレームであって、このメインリングフレームの軸心を中心とする半径方向の幅が、複数のカッタービットを配設可能な大きさに形成されたメインリングフレームと、
   このメインリングフレームの前面に、半径方向に離隔する複数の同心円状に配設された複数列のカッタービットとを備え、
   前記カッターヘッドは、前記回転駆動手段の円環状のカッタードラムに複数の連結部材を介して連結されたことを特徴とするカッターヘッド。
2. 前記メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と同心状に配設され、
   前記カッターヘッドは、前記メインリングフレームの内側空間の中心部に配設されたセンタコアと、このセンタコアとメインリングフレームとを連結する１叉は複数のカッタースポークと、このカッタースポークに付設された複数列のカッタービットとを有することを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。
3. 前記メインリングフレームの軸心がシールド掘進機の軸心と異なる位置に平行に配設され、前記カッターヘッドは自転しながら公転又は揺動運動して掘削するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。
4. 前記カッタースポークは、カッタービット交換の際にその内部に作業者が入り得る構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のカッターヘッド。